CN103364958A - 立体助视装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立体助视装置，观看者通过该装置就能自然地、高保真地观看到各种尺寸的左右或上下格式的视差图像的立体效果。观看图幅范围广，使用时舒适自然，眼睛不容易疲劳。包括有：两片透镜以及固定所述透镜的支架；两片所述透镜为凸透镜，并排放置在观看者两眼的前方；两片所述透镜分别为：左透镜和右透镜；轴L和轴R分别是左透镜和右透镜的光轴，轴R至轴L的距离为d，两个透镜的焦距均为f；A_LB_L、A_RB_R分别表示左眼视图和右眼视图，左眼视图和右眼视图的中心分别为O_L和O_R，左眼视图和右眼视图的中心间距为c；左眼视图和右眼视图分别至左透镜和右透镜的距离，即观看距离u；则图像(视图)、观看距离与两透镜参数之间的关系为：

Description

立体助视装置

技术领域

本发明涉及光学助视装置技术领域，特别是涉及一种立体助视装置。

背景技术

通过双固视差原理记录和再现立体(或称三维、3D)图像，是目前3D图片或影像观赏的主要技术手段，。3D电影和电视再现3D图像的具体方案是把左、右眼视差图像显示在同一视觉平面，但以不同的时段(快门式)或偏振方向(偏振式)分别传送给观赏者的左、右眼。这种方式对图像的色彩有很高的保真度，观看的图像幅宽也大，但是要用专用的3D显示设备，同时观看者还要带上专用的助视眼镜。市面上也有几种原理的3D助视眼镜，可以把普通的显示设备上显示的视差图像转变成观察者可以感知的3D图像。例如：红蓝眼镜就是其中的一种，但是它的色彩保真度差，观看效果不好。色彩保真度较高的立体显示原理是：把左右视差图像并排显示(包括打印或冲洗在纸质材料上，下同)，左右排列的，称为左右格式(见图1a，PL表示左视图，PR表示右视图)；上下排列的，称为上下格式(以下将左右格式和上下格式统称为“并列格式”)。对左右格式的图像，通过助视装置，左眼观察到的是整体往右移动，以致左眼视图位于原图中间的像，而右眼观察到的是整体往左移动，以致右眼视图位于原图中间的像，如此左眼看到的左眼像就与右眼看到的右眼像空间位置重叠(见图1b)，通过人脑就形成了一幅立体像，同时立体像的左侧还伴生了一幅左眼像，右侧伴生了一幅右眼像，这伴生的两幅像是多余的。对上下格式的图像，助视装置的作用是使像上下移动，其余与左右格式的过程雷同。

目前适用于并列视差图像的的立体观赏的助视装置有两类：一是平面反射镜式的，二是固定偏心镜式的。平面反射镜式的助视装置体积大，难以做成舒适的眼镜，另外看到的立体像的幅宽最多只有显示屏宽度的二分之一。现有固定偏心镜式的助视装置可以象普通眼镜一样戴在头上，轻便灵活，但是视力正常的观赏者使用时，要把眼睛向屏幕靠得很近(大约15至20cm)，观看姿势不自然，当然不舒服；另外人眼在自然观看状态下能观看的原始图像总幅宽(见图1中的w)只有20cm左右，大约是14.1时电脑显示屏的2/3。图幅大了(例如14.1时电脑满屏显示)或者小了(例如手机屏幕)都不能自然地观看。虽然有的人经过训练可以看更大或更小幅面的立体图，但是观看者的眼睛很容易疲劳。一般只适宜看半小时左右，仍不能推广使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立体助视装置，观看者通过该装置就能自然地、高保真地观看各种宽度的立体像，观看图幅范围广，色彩及图形的保真度高，使用时舒适自然，眼睛不容易疲劳。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

立体助视装置，包括有：两片透镜以及固定所述透镜的支架；其中，两片所述透镜为凸透镜，采用并排方式放置；两片所述透镜分别为：左透镜和右透镜；轴L和轴R分别是左透镜和右透镜的光轴，间距为d，两个透镜的焦距均为f；A_LB_L、A_RB_R分别表示左眼视图和右眼视图，左眼视图和右眼视图的中心分别为O_L和O_R，间距为c；左眼视图和右眼视图至左透镜和右透镜的距离，即观看距离为u；则左眼视图A_LB_L和右眼视图A_RB_R、观看距离u与两个所述透镜参数之间的关系为：

$c=d\frac{u}{f}.$

本发明的有益效果如下：

本发明的立体助视装置，由于观看距离为u；则左眼视图A_LB_L和右眼视图A_RB_R、观看距离u与两个所述透镜参数之间的关系为：

$c=d\frac{u}{f},$

因此左眼视图成虚像并被放大，成为A′_LB′_L，其中心为O′_L，处在对称轴C上；类似地，右眼视图也成虚像并被放大，成为A′_RB′_R，其中心为O′_R，也处在对称轴C上；左右眼视图的像重合，观赏者将获得位置重叠的左右眼视差图像，产生立体感，同时立体像的左、右侧各伴生一幅左眼像和右眼像。通过调节各参数，观看者就能自然地、高保真地观看任意幅宽的立体像。例如用来观看在21时电脑屏幕显示的左右格式图像时，立体像的宽度可达96cm(透镜焦距f取60cm，观看距离u取45cm，21时显示器满屏无间隔显示时，左右像的中心距c约为24cm，此时轴距d取32cm。根据光学成像的高斯公式，像的放大倍数为4，显示器的半幅宽为24cm，乘以4，等于96cm；像距为45cm×4＝180cm)，相当于在1.8m距离处看42时的电视。

本发明提出的公式规定的参数关系是原则性的。由于人类观看物体时立体感的产生带有较强的主观性，例如，有的人无须任何助视装置，通过主动调节两眼的视轴(成为所谓“斗鸡眼”)，也能把左右两幅图像“看成”相互重叠的一幅，只不过能调节的范围有限，例如5cm，且眼睛很容易疲劳。当实际参数关系与该公式的规定有所差异时，有些观看者也能把两幅视差像合成为一幅立体像。当两幅像的距离略大于公式规定值时，合成的立体像会整体后退(相对于前述公式被严格满足时看到的立体像，下同)；反之会整体前移。但是，如果两幅像的间距相对公式规定的值偏差过大，则观看者就合不成一幅立体像，而是两幅相互错位的像。该最大偏差因人而异。当该公式被严格满足时，观看者能在最放松、自然的状态下把两幅像“看成”一幅立体像(同时有左右伴生像)。

附图说明

图1a为被本发明立体助视装置观看的原始左右格式图像示意图；

图1b为经本发明立体助视装置所成的虚像示意图；

图2为本发明立体助视装置的成像原理示意图；

图3a为本发明的立体助视装置观看左右格式视差图像时，两透镜轴距d＞瞳距时左透镜和右透镜的光心位置示意图；

图3b为本发明的立体助视装置观看左右格式视差图像时，两透镜轴距d约等于瞳距时左透镜和右透镜的结构示意图；

图3c为本发明的立体助视装置观看左右格式视差图像时，两透镜轴距d＜瞳距时左透镜和右透镜的结构示意图；

图3d为本发明的立体助视装置观看上下格式的左透镜和右透镜的结构示意图；

图4a为本发明的立体助视装置一般使用情况时的结构示意图；

图4b为本发明的立体助视装置观看屏幕较小时的结构示意图；

图4c为本发明的立体助视装置观看屏幕较大时的结构示意图；

图5a为本发明的立体助视装置的单片镜形式的透镜结构示意图；

图5b为本发明的立体助视装置的双胶合形式的透镜结构示意图；

图5c为本发明的立体助视装置的菲涅尔形式的透镜结构示意图；

图6为本发明的立体助视装置的透镜外形结构及参数示意图。

附图标记说明：

1、左透镜，2、右透镜，11、左卡座，12、右卡座，13、镜樑。

具体实施方式

为了解决现有技术中观看图幅范围窄，使用时不舒适的问题，提出了一种立体助视装置，如图2，包括有：两片透镜以及固定所述透镜的支架；其中，两片所述透镜为凸透镜，采用并排方式放置；两片所述透镜分别为：左透镜1和右透镜2；轴L和轴R分别是左透镜和右透镜的光轴；轴R至轴L的距离为d，两个透镜的焦距均为f；A_LB_L、A_RB_R分别表示左眼视图和右眼视图，左眼视图和右眼视图的中心分别为O_L和O_R，左眼视图和右眼视图的中心间距为c；左眼视图和右眼视图分别至左透镜和右透镜的距离，即观看距离u；上述参数应满足公式：

$c=d\frac{u}{f}.$

此时观看者能以最自然的观看状态看到由左右眼视图合成的立体图。两视图的中心距c也可以略大于该公式规定的值，此时观看者看到的立体图会比自然状态退后，反之，则前移。如果两视图的中心距与该公式规定的值偏离太远，则观看者不能把左、右视图合成为一幅立体图。所述偏离量的极限因人而异。

在优选的实施例中，左透镜1和右透镜2采用相互对称的结构形式，轴C是左透镜1和右透镜2的对称轴。

在优选的实施例中，左透镜1和右透镜2的焦距f大于等于观看距离u。

当左右视图靠在一起时，左眼视图的右端A_L和右眼视图的左端B_R重合。若左右眼视图的总宽度为w，则

w＝2c。

如果左、右眼视图至透镜的距离(以下称为“物距”或“观看距离”)u小于焦距f，那么，当

$c=d\frac{u}{f}---\left(1\right)$

时，左眼视图成虚像并被放大，成为A′_LB′_L，其中心为O′_L，处在对称轴C上；类似地，右眼视图也成虚像并被放大，成为A′_RB′_R，其中心为O′_R，也处在对称轴C上；左右眼视图的像重合，观赏者左眼看到的左视图与右眼看到的右视图空间位置重叠，就会在大脑中产生有立体感的像，同时立体像的左、右侧各伴生一幅左眼像和右眼像(未在图2中标出)。

所述立体助视装置，两片透镜装在支架上，分别置于观看者左、右眼的前方。观看距离u小于透镜的焦距f，具体数值以观看者能看清图像为准。用于观看左右格式的立体像时，所述左透镜和右透镜的光心的连线，平行于两眼瞳孔中心的连线；用于观看上下格式的立体像时，左透镜和右透镜的光心的连线，垂直于两眼瞳孔中心的连线。即，对左右格式显示的图像而言，左透镜和右透镜的光心位于一条水平线上，平行于两眼瞳孔中心的连线；两光心的间距d由被观看的左右视图的中心距c以及f/u决定，定量关系见公式(1)；对上、下格式的3D图像源而言，左透镜和右透镜的光心位于两眼瞳孔连线的垂线上，其距离由公式(1)决定。

同时，透镜的大小要能分别盖住左右眼的瞳孔。

图像的放大倍数β为：

β＝f/(f-u)        (2)

对一副给定的助视装置而言，f是固定的，观看者会把观看距离u定在看得最清楚的位置。根据经验，f/u的值跟视力有关。对视力(包括经眼镜校正后)正常的观赏者而言，f/u的取值大约在4/3至5/3之间，由此可得放大倍数在4至2.5倍之间。对老花眼，f/u小于4/3；对近视眼，f/u大于5/3。因此，在助视装置的焦距f确定后，对确定的观看者，u也是确定的；通过改变轴距d，就能让观赏者看到各种幅宽的立体图像。例如，用当前最流行的14.1时笔记本电脑观看左右格式的3D视频，左右满屏显示，W约等于315mm；f取400mm，u取300mm，由公式(1)可得轴距d等于210mm，由公式(2)可得放大倍数β等于4。在此条件下观看者就能在自然观看状态中欣赏3D视频或静止的3D图片。观看效果相当于在1200mm处观赏屏宽为630mm的立体电视。视场张角达到29。，相当于在4m处观看2.1m宽的特大3D电视。

在优选的实施例中，左透镜1和右透镜2的光心分别与左右眼的瞳孔同心或位于两眼瞳孔的外侧或内侧。

根据图像的显示格式和大小的不同，两透镜的光心位置可分成以下几类：图3a至图3c为左右格式。左、右透镜的光心应在一条水平线上，平行于两眼瞳孔中心的连线，一般而言应尽可能靠近或重合。图3a表示两光心在两透镜外侧的情形，用于观看较大的图像(总幅宽大于13cm)。对中等大小的图像(总幅宽在7至13cm之间)，透镜的光心在镜片上，如附图3b。对较小的图像(总幅宽小于7cm)，透镜的光心在镜片的内侧，如附图3c。

对上、下格式的立体图，装置的两透镜的光心应在观看者瞳孔连线的垂线上，一般应在垂直平分线上。如果左眼视图在下，右眼视图在上，则左透镜光心在下，右透镜光心在上，如附图3d。

如图4a、4b、4c所示，支架包括有：镜樑13、左卡座11和右卡座12，镜樑13设置有滑槽，左卡座11和右卡座12的顶部位于滑槽内滑动模式连接；左透镜1、右透镜2的顶部与左卡座11、右卡座12分别采用方便拆装的方式连接。

在优选的实施例中，左透镜1的左外侧边和右透镜2的右外侧边之间的距离应为90mm，一般来说至少不小于80mm。

在优选的实施例中，左透镜1的右外侧边和右透镜2的左外侧边之间的距离应为40mm，一般来说至多不能大于50mm。

由于镜片装在卡座上，可方便地更换。通过滑动卡座以调节两镜片间的轴距或通过更换不同轴距的镜片，以适应不同幅宽的图像或屏幕大小。附图4a表示一般情况。通过透镜向里或向外滑动，使观看者看到适宜观看的较小或较大宽幅的画面。附图4b表示画面较小时，两透镜滑到最里面位置的情况。当两透镜基本靠拢(留2mm的安装余量)时，轴距最小，能看最小画面，两透镜外边缘之间距离最好能保留90mm(相对65mm的平均瞳距，眼瞳中心外侧留有12.5mm的余量)。在不更换镜片的情况下，观看最大宽幅的画面时，两透镜往外移动，使轴距最大(如附图4c)，两透镜内边缘之间的距离应有40mm(眼瞳中心内侧留有12.5mm的余量)。可见镜片宽度应取44mm，每个透镜的滑动范围19mm(即轴距变化范围38mm)。对上下格式的3D画面，透镜应可上下滑动，以调整轴距，适应不同高度的画面及观看者的习惯。镜片参数的计算以此类推。

为了使一套装置能看不同宽度的画面，卡座应设计成便于更换镜片的。所述立体助视装置包括有多对透镜，每对所述透镜的外形、焦距相同，相邻两对透镜之间的同一侧透镜的偏心量差异为19mm。

所述透镜为普通的单片球面或非球面透镜、由两片或两片以上单片镜组成的组合透镜或菲涅耳透镜。

所述透镜为光学玻璃透镜或透明有机材料透镜。透镜所用材料也不受限制。

透镜的外形不受限制，可以是矩形(如附图4a所示)、圆形、椭圆形等等。

透镜的结构形式可以不受限制，关键在于能形成足够清晰的像。如果做成眼镜，还应尽可能轻便。附图5a到5c分别表示单片镜形式、双胶合形式及菲涅耳形式。结构形式不尽于此。

实施例：

一款用于观看电脑播放的左右格式3D视频或静止图片的立体助视装置。透镜的焦距f取600mm，那么正常视力者观看距离(或物距)在450mm至360mm之间，这是人们在电脑前工作时比较习惯的一个距离，在此取中间值405mm。助视装置的结构如附图4。镜片高度取20mm，宽度取44mm。最大显示屏21时(对应宽度约480mm)，则对应该屏幕的透镜参数计算如下(参考附图6)：

画面中心距          c＝240mm，

根据公式(1)可得轴距 d＝355.6mm，

有效偏心量          p＝145.3mm，

远心边距            df＝157.8mm，

近心边距         dn＝113.8mm。

以此为基础，以19mm为一个阶梯减少偏心量，设计适合各种尺寸画面的透镜对，详细数据见附表1。如此，通过更换镜片和调整轴距，就可在11至21时显示器上满屏观看3D图片或视频了。

附表1

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.立体助视装置，包括有：两片透镜以及固定所述透镜的支架；其特征在于，两片所述透镜为凸透镜，采用并排方式放置；两片所述透镜分别为：左透镜和右透镜；轴L和轴R分别是左透镜和右透镜的光轴，间距为d，两个透镜的焦距均为f；A_LB_L、A_RB_R分别表示左眼视图和右眼视图，左眼视图和右眼视图的中心分别为O_L和O_R，间距为c；左眼视图和右眼视图至左透镜和右透镜的距离，即观看距离为u；则左眼视图A_LB_L和右眼视图A_RB_R、观看距离u与两个所述透镜参数之间的关系为：

$c=d\frac{u}{f}.$

2.根据权利要求1所述的立体助视装置，其特征在于，所述左透镜和右透镜采用相互对称的结构形式。

3.根据权利要求2所述的立体助视装置，其特征在于，所述左透镜和右透镜的焦距f大于等于观看距离u。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的立体助视装置，其特征在于，所述左透镜1和右透镜2的光心分别与左右眼的瞳孔同心或位于两眼瞳孔的外侧或内侧。

5.根据权利要求4所述的立体助视装置，其特征在于，用于观看左右格式的立体像时，所述左透镜和右透镜的光心的连线，平行于两眼瞳孔中心的连线；用于观看上下格式的立体像时，左透镜和右透镜的光心的连线，垂直于两眼瞳孔中心的连线。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的立体助视装置，其特征在于，所述支架包括有：镜樑、左卡座和右卡座，镜樑设置有滑槽，左卡座和右卡座的顶部位于滑槽内滑动模式连接；左透镜、右透镜的顶部与左卡座、右卡座分别采用方便拆装的方式连接。

7.根据权利要求6所述的立体助视装置，其特征在于，所述左透镜的左外侧边和右透镜的右外侧边之间的距离为≥80mm。

8.根据权利要求6所述的立体助视装置，其特征在于，所述左透镜的右外侧边和右透镜的左外侧边之间的距离为≤50mm。

9.根据权利要求6所述的立体助视装置，其特征在于，所述立体助视装置包括有多对透镜，每对所述透镜的外形、焦距相同，相邻两对透镜之间的同一侧透镜的偏心量差异为19mm。

10.根据权利要求1至3中任意一项所述的立体助视装置，其特征在于，所述透镜为普通的单片球面或非球面透镜、由两片或两片以上单片镜组成的组合透镜或菲涅耳透镜。

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