CN110392861A - 用于裸眼观看的光学立体显示屏幕 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无需佩戴眼睛的光学3D立体显示屏幕，其包括光学元件组件，其中光学元件组件利用折射效应来产生以下观看模式之一：正视差超立体观看模式、正视差弱立体观看模式、负视差超立体观看模式和负视差弱立体观看模式，这可以使得观看者对诸如电影，电视，计算机，平板电脑，游戏机，广告牌，移动设备等传统显示屏幕上显示的2D图像内容感觉出3D立体视觉。
Description
技术领域
本发明属于光学立体显示屏幕领域。确切地说，本发明涉及裸眼观赏常规显示屏上的二维(“2D”)影视节目时可感知出三维(“3D”)立体视觉的光学立体显示屏幕。
背景技术
追求“增强现实”与“沉浸式”观赏屏幕意味着色彩鲜艳、高清显示与立体显示。除立体显示外，现有的高清晰度显示及明快鲜艳色彩技术已日趋完美。现有的裸眼观赏立体显示可分为非全息裸眼显示与全息裸眼显示两种技术手段，非全息裸眼显示又分为空间方式(Spatial Pattern)如视差屏障法(Parallax Barrier)、柱状透镜法(LenticularLens)、体积型点阵法(Volumetric Matrix)、微透镜投影法(Micro-Mirrier Projection)等技术方案，时间方式(Time Pattern)如微位相差板法(Micro Retarded Plate Method)、指向源法(Pointing Source Method)等技术方案。除了以牺牲亮度与分辨率换取立体显示外，现行非全息裸眼显示的缺点是(a)可视角度受限；(b)亮度及成像分辨率低；(c)眼睛与屏幕处于等高位置；(d)画面不流畅；(e)有串扰现象；(f)成本高价格贵；(g)节目片源匮乏；(h)观看者产生眩晕与恶心。全息裸眼显示如透镜全息法(Lens Holographic Method)、反射全息法(Reflection Holographic Method)、合成全息法(Synthetic HolographicMethod)、体积全息法(Volumetric Holographic Method)等技术方案。目前，全息裸眼显示仍有许多技术难题尚待解决。
人眼观看自然空间的景物时有3D立体视觉，这是由于处于并排紧邻位置的双眼观看景物同一区域时每只眼睛的视角略有不同，生成两幅具有空间偏移的像图称之为双目视差。自然的3D立体视觉是人类大脑融合两幅偏移像图的结果，大脑匹配两幅偏移像图的相同之处并添加其微小差异，正是两幅偏移像图的细微差异使大脑感知出3D立体视觉。通常情况下，观赏真实空间景物时，观赏者的双眼同时聚焦并会聚于被观察的景物，双目视差据此预示大脑感知景物的空间位置与景深。观赏常规显示屏上的3D节目时，如电影、电视、电脑、平板电脑、游戏机、广告牌、便携式设备，手机等屏幕，观赏者的双眼表现不同于真实空间，它们聚焦于显示屏幕但会聚于视觉空间被观察的景物，形成空间视差。视差是指沿着两条视线方向观看景物时形成的位置差或位移，视差使观赏者的大脑对2D屏幕上的景物感知出立体视觉。此外，在观赏空间，当被观赏的景物成像在观赏者与常规显示屏之间，称之为负视差效应；当被观赏的景物成像在常规显示屏的后方，称之为正视差效应。观赏常规显示屏上的2D节目时，观赏者的双眼表现不同于真实空间，它们聚焦并会聚于显示屏幕，零视差使观赏者的大脑对2D屏幕上的景物感知为2D平面视觉。零视差的影响如此之大，以至于完全消除了大脑的空间感知，尽管一些表征空间的信息如空间透视、相对位置、相对运动等存在，这一现象被称之为零视差对3D立体视觉的负效应。因此，为了观看常规显示屏上的2D节目时再现空间感知，技术方案是消除零视差的负效应。
人眼具有双目调节、辐辏及视差特性。对所拍摄场景，双目调节将场景映射到观赏者的视网膜，辐辏则将成像在左眼视网膜上的左眼偏移图像及成像在右眼视网膜上的右眼偏移图像组合并处理成一个像图，同时避免重影现象；视差则进一步诱使观赏者感知出场景的空间位置与空间深度。即当左眼像图与右眼像图展示出特定的差异或形成空间位移时，视差将诱使观赏者获取3D立体感知。
图1所示为观赏常规显示屏4上影像时的3D立体视觉成像原理以及陷入或跳出显示屏4的成像效果。假设瞳孔距离(双眼间距)为1，常规显示屏4与眼睛平行，当左眼“L”和右眼“R”观看空间物点30时，左眼的偏移像点和右眼偏移像点分别位于屏幕平面4上的31和32，连接双眼中间点2与空间物点30，其在屏幕平面4上的交点为3。对于3D立体观赏，一种情况是，双目调节使眼睛聚焦在屏幕平面4上，双目辐辏则将左眼像点31和右眼像点32合并为像点3，由于大脑习惯了辐辏效果，则自动将左眼的偏移像点31和右眼的偏移像点32映射到空间像点30。与屏幕4上的像点3相比，空间像点30具有空间深度，诱导出3D立体视觉，空间像点30位于屏幕4的后方，表征为像点3陷入屏幕平面4中(正视差)；另一种情况是，像点41落在左眼视网膜(41＝32)上且像点42落在右眼视网膜(42＝31)，大脑自动将两个像点合并为空间图像40。与屏幕4上的像点3相比，空间像点40具有空间深度，诱导出3D立体视觉，空间像点40位于屏幕4的前方，表征为像点3跳出屏幕平面4(负视差)。换句话说，观看空间景物40时，屏幕平面4上的左眼偏移像点为41，右眼偏移像点为42，该成像点是散焦(发散)的。通常制备3D立体节目时，由于没有考虑散焦问题，使用屏幕平面4上的右眼聚焦像点32作为左眼的发散像点41以及左眼聚焦像点31作为右眼的发散像点42，其结果是观赏者的大脑极度缺乏适应性，导致眩晕与恶心等现象。因此，在3D立体显示上极少采用负视差这一观赏模式。
3D立体节目的常规制作通常划分为前期制作与后期制作两个阶段。在前期制作阶段，使用两台摄影机来拍摄影视节目；在后期制作阶段，将所拍摄的节目按照空间视差原理进行数字化处理。通常情况下，该过程还涉及到将景物划归为多层次景深(通常为4～8层)以强化3D效果。后期制作也被用做2D节目转换为3D立体节目。
常规裸眼立体显示展现出大量的技术难题，缺少优质的3D节目片源，存在串扰现象，明显降低了亮度与分辨率，因过度视差、过度会聚或发散而使观赏者发生眼睛疲劳、头痛、眩晕、恶心状况。此外，经常性地在发散和收敛间切换也会导致观赏者对观赏节目产生畸形，失真和重影感知。
发明内容
本发明是发明专利“可调节光学立体眼镜”US14637439和WO2016140655技术原理的延伸。
本发明解决了前述问题，提供了裸眼观赏常规显示屏上的2D节目时形成3D立体感知的光学立体显示屏幕。本发明包括了由光学棱镜，球形和柱面透镜，其它对称透镜，特殊光学元件(“光学元件”)组成的光学组件，其功能是通过光学折射作用引入了视差，其中：(a)通过光学组件观赏常规显示屏上的2D场景时，光学组件引发左眼感知出左眼的偏移像图及右眼感知出右眼的偏移像图，且感知的偏移像图其空间位置与显示屏上2D场景的实际物理位置不同；(b)左眼视网膜上的左眼偏移像图位置与右眼视网膜上的右眼偏移像图位置间存在空间差异；(c)由光学组件引发的左眼偏移像图及右眼偏移像图形成如下观看模式中的一种：正视差超立体观看模式；正视差弱立体观看模式；负视差超立体观看模式；及负视差弱立体观看模式，使观赏者观看常规显示屏上的2D场景时感知出3D立体视觉。本发明的基本原理是通过光学折射作用引入视差。
本发明为应用空间视差使观赏者观看常规显示屏上的2D节目时诱发出3D立体视觉，本发明的光学立体显示屏使用光学组件来提供空间视差。所述2D节目可以是任何常规图像，而无需进行常规3D立体节目的处理。观赏常规显示屏上的2D节目时，光学组件将观看者的双眼会聚从显示屏幕移开，达到双眼聚焦与会聚分离的目的，进而消除了零视差对3D立体视觉的负效应。该技术手段是使屏幕与其像平面分离，使双眼会聚与聚焦产生分离，观看者的双眼聚焦于实际屏幕但会聚于像平面上。视差使得左眼视网膜和右眼视网膜上生成了两个偏移像图，大脑进一步将两个偏移像图融合并处理为单一像图，诱发出3D立体感知。
本发明的光学3D立体显示屏幕全面实现了：(a)观赏常规显示屏上的2D节目时感知出3D立体视觉；(b)无屈光度；(c)无明显色散；(d)增加了亮度、色彩鲜艳度与清晰度；(e)未丢失分辨率；(f)连续延伸的空间纵深；(g)连续图像；(h)没有失真与重影现象。就商业应用而言，光学元件选用具有高透明度、高折射率的固体光学材料。
附图说明
阅读了下面的示例性实施例、详尽描述、权利要求以及图示后，本发明的特点与创新方面会更加显著，以下为简要描述：
图1说明了左眼和右眼裸眼观赏常规显示屏形成3D立体视觉的成像原理。
图2说明本发明的光学立体显示屏其光学组件是由多个光学元件所构成。
图3说明本发明的光学立体显示组件一个实施例的上截面图以及左右眼睛裸眼观赏常规显示屏时形成的3D立体感知效应。
图4(a)所示为正视差超立体观看模式；
图4(b)所示为负视差超立体观看模式；
图4(c)所示为正视差弱立体观看模式；
图4(d)所示为负视差弱立体观看模式。
图5说明三角棱镜可以被称之为菲涅尔棱镜具有相同顶角的连续重复的三角棱镜所代替。
图6(a)说明具有相同曲率的同心环平凹透镜可替代平凹透镜，或是具有相同曲率的一组柱面平凹透镜可替代柱面平凹透镜；
图6(b)说明被称之为菲涅尔透镜的具有相同曲率的同心环平凸透镜可替代平凸透镜，或是被称之为菲涅尔柱面透镜的具有相同曲率的一组柱面平凸透镜可替代柱面平凸透镜；
图6(c)说明相对于垂直轴线预设具体角度的一对矩形棱镜可被柱面平板透镜替代，该角度与曲率按具体规则形成相关；
图6(d)说明相对于垂直轴线预设具体角度的一对矩形棱镜可被柱面平板透镜替代，该角度与曲率按具体规则形成相关；
图7(a)所示为中心角三棱镜可被具有相同顶角的中心角菲涅尔棱镜替代，进而被柱面平凹透镜替代，顶角与曲率按具体规则形成相关，再者，可被具有相同曲率的菲涅尔柱面平凹透镜替代；
图7(b)所示为中心边三棱镜可被具有相同顶角的中心边菲涅尔棱镜替代，进而被柱面平凸透镜替代，顶角与曲率按具体规则形成相关，再者，可被具有相同曲率的柱面菲涅尔透镜替代。
图8所示为透过三角棱镜观看显示屏上景物的观看模式。
图9所示为两个倒置三角棱镜基于不同空间间隔而形成的水平位移差。
图10(a)所示为透过与水平轴成逆时针夹角的矩形棱镜观看空间景物时，成像的水平位移向右及竖直位移向后。
图10(b)所示为透过与水平轴成顺时针夹角的矩形棱镜观看空间景物时，成像的水平位移向左及竖直位移向后。
图11所示为透过一对矩形棱镜观看常规显示屏所形成的正视差超立体观看模式。
图12所示为透过另外一对矩形棱镜观看常规显示屏所形成的正视差弱立体观看模式。
图13所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差超立体观看模式，其包括了一个凹面向观赏者的球面(非球面)平板透镜或柱面平板透镜作为光学元件。
图14所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差弱立体观看模式，其包括了一个凸面向观看者的球面(非球面)平板透镜或柱面平板透镜作为光学元件。
图15所示为透过图8、图11的棱镜组合下的光学组件观看常规显示屏时具有增强效果的正视差超立体观看模式。
图16所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差超立体观看模式，其组合了中心顶角三棱镜以及由图6(c)、图15演变而来的曲面透镜。
图17所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差超立体视觉模式，其组合了中心顶角菲涅尔棱镜以及由图7(a)、图16演变而来的曲面透镜；。
图18所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差超立体视觉模式，其组合了由图7(a)、图17演变而来的平凹透镜和曲面透镜或柱面平凹透镜和柱面透镜。
图19所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差超立体视觉模式，其组合了由图7(a)、图18演变而来的同心环平凹透镜和曲面透镜或柱面菲涅尔平凹透镜和柱面透镜。
图20所示为透过图8、图12的棱镜组合下的光学组件观看常规显示屏时具有增强效果的正视差弱立体观看模式。
图21所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差弱立体观看模式，其组合了中心边三棱镜以及由图6(d)、图20演变而来的曲面透镜；
图22所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差弱立体观看模式，其组合了中心边对称菲涅尔棱镜以及由图7(b)、图21演变而来的曲面透镜。
图23所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差弱立体观看模式，其组合了由图7(b)、图22演变而来的平凸透镜和曲面透镜或柱面平凸透镜和柱面透镜。
图24所示为透过本发明一个实施例的光学立体显示组件观看常规显示屏所形成的正视差弱立体观看模式，其组合了由图7(b)、图23演变而来的平凸菲涅尔透镜和曲面透镜或柱面菲涅尔平凸透镜和柱面透镜。
图25所示为同心环菲涅尔平凹透镜的三维构图。
图26所示为同心环菲涅尔平凸透镜的三维构图。
图27所示为菲涅尔柱面平凹透镜的三维构图。
图28所示为同心环柱面平凸透镜亦称为平面菲涅尔柱面透镜的三维构图。
图29说明本发明的光学立体显示组件的大尺寸显示屏的组合方式，这是由多个沿二维方向重复排列的多个小尺寸光学立体显示组件所构成。
具体实施方式
图2是本发明的光学立体显示组件5的光学组件示意图。组件中的每个光学元件分别由100、200、300…等表示。基于商业应用要求和需求，光学组件中的光学元件数可以是1到100之间。
图3是本发明一个实施例的光学立体显示组件5的上截面图，说明当左眼L与右眼R观看常规显示屏4上的景点3时形成3D立体视觉的成像原理。假设瞳距为1，双眼与显示屏4平行，如图19所示，当观看显示屏4上的景点3时，由于光学元件的折射，显示屏幕4的像屏幕6发生向后方向位移，像屏幕6上的右眼偏移像图和左眼偏移像图相应位于31和32，就立体观赏而言，双目调视使得眼睛聚焦于屏幕4，由于大脑适应了双目会聚效果，则自动将左眼偏移像点31和右眼偏移像点32组合并映射到空间景物30。因此，在观赏空间中，观看者的眼睛会聚于景物30并由此引发3D立体感知，像屏幕6落在屏幕4的后方，代表景物3陷入屏幕4，形成正视差观看模式。
图4(a)-4(d)所示为本发明光学立体显示屏幕的四种立体观看模式。当透过本发明的光学立体显示组件5观看常规显示屏4上的2D节目时，显示屏幕4上的左侧景点10、11以及右侧景点12、13分别落在了像屏幕6上的左侧像点20、21及右侧像点22、23，产生了空间位移，致使双眼会聚沿着观赏方向从显示屏幕4上移开，形成了双眼聚焦与双眼会聚的分离。双眼瞳距使得在左眼视网膜上成像的像图与右眼视网膜上成像的像图间呈现微小差异，满足了大脑组合与融熔左眼视网膜和右眼视网膜上两个视差像图的要求，诱导大脑恢复了空间深度，从而产生了立体视觉感知。此外，根据3D成像特征，像屏幕6位于显示屏幕4的后方(或向后方向)，图4(a)代表缩小成像的正视差超立体观看模式；像屏幕6位于显示屏幕4的前方(或向前方向)，图4(b)代表缩小成像的负视差超立体观看模式；像屏幕6位于显示屏幕4的后方(或向后方向)，图4(c)代表放大成像的正视差弱立体观看模式；像屏幕6位于显示屏幕4的前方(或向前方向)，图4(d)代表放大成像的负视差弱立体观看模式。
图4(a)所示为本发明涉及了水平视差与竖直视差的正视差超立体观看模式。在该模式中，像屏幕6位于显示屏幕4的后方(或向后方向)。此外，参照屏幕4的中心点，通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的左侧景点10、11时，如像屏幕6上的像点20、21所示，发生了向右方向的水平移位；通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的右侧景点12、13时，如像屏幕6上的像点22、23所示，发生了向左方向的水平移位，竖直位移向后，形成缩小成像，为正视差超立体观看模式。除非另有说明，竖直方向在下文中表示眼睛观看的视线方向。
图4(b)所示为本发明涉及了水平视差与竖直视差的负视差超立体观看模式。在该模式中，像屏幕6位于显示屏幕4的前方(或向前方向)。此外，参照屏幕4的中心点，通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的左侧景点10、11时，如像屏幕6上的像点20、21所示，发生了向右方向的水平移位；通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的右侧景点12、13时，如像屏幕6上的像点22、23所示，发生了向左方向的水平移位，竖直位移向前，形成缩小成像，为负视差超立体观看模式。
图4(c)所示为本发明涉及了水平视差与竖直视差的正视差弱立体观看模式。在该模式中，像屏幕6位于显示屏幕4的后方(或向后方向)。此外，参照屏幕4的中心点，通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的左侧景点10、11时，如像屏幕6上的像点20、21所示，发生了向左方向的水平移位；通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的右侧景点12、13时，如像屏幕6上的像点22、23所示，发生了向右方向的水平移位，竖直位移向后，形成放大成像，为正视差弱立体观看模式。
图4(d)所示为本发明涉及了水平视差与竖直视差的负视差弱立体观看模式。在该模式中，像屏幕6位于显示屏幕4的前方(或向前方向)。此外，参照屏幕4的中心点，通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的左侧景点10、11时，如像屏幕6上的像点20、21所示，发生了向左方向的水平移位；通过本发明的光学立体显示组件5观看屏幕4的右侧景点12、13时，如像屏幕6上的像点22、23所示，发生了向右方向的水平移位，竖直位移向前，形成放大成像，为负视差弱立体观看模式，。
图5说明了具有相同顶角称之为菲涅尔棱镜的连续重复三棱镜101可用来替代光学三棱镜100，基于折射基本原理，只要三棱镜保持相同的顶角，入射的平行光通过两个主光学平面后经折射的出射光保持相同方向。
图6(a)说明了同心圆环平凹透镜101可用来替代平凹透镜100，基于折射基本原理，只要在相对应的表面位置保持曲率相同，经折射的出射光保持相同方向。也其说明了菲涅尔柱面平凹透镜101可以替代柱面平凹透镜100，且能产生与上述相似的效果。
图6(b)说明了被称之为菲涅尔透镜的同心圆环平凸透镜101可用来替代平凸透镜100，基于折射基本原理，只要在相应表面位置保持曲率相同，经折射的出射光保持相同方向。其还说明了被称为菲涅尔柱面透镜的一组平凸圆柱透镜101可以替代平凸柱面透镜100，且能产生与上述相似的效果。
图6(c)说明了柱面平板透镜101可用来替代一对与竖直方向成预设定角度的矩形棱镜100。假设光学元件101是由无限个连续的小矩形棱镜对组合而成，顶角与曲率按具体规则形成相关，如顶角和曲率角近似相等且相对较小，长度相对较长，...等等，则当入射平行光通过光学面A和B后经折射的出射光保持相同方向。
图6(d)说明了柱面平板透镜101可用来替代一对与竖直方向成预设定角度的矩形棱镜100。假设光学元件101是由无限个连续的小矩形棱镜对组合而成，顶角与曲率按具体规则形成相关，如顶角和曲率角近似相等且相对较小，长度相对较长，...等等，则当入射平行光通过光学面A和B后经折射的出射光保持相同的方向。
图7(a)说明中心角菲涅尔棱镜101可用来替代中心角三棱镜100，进而被柱面平凹透镜102替代，再被菲涅尔柱面平凹透镜103替代。基于折射基本原理，只要相应表面位置的曲率相同、顶角相同，且顶角与曲率按具体规则形成相关，如顶角和曲率角近似相等且相对较小，长度相对较大...等等，则当入射平行光通过光学面A和B后经折射的出射光保持相同的方向。
图7(b)说明中心顶角菲涅尔棱镜101可用来替代中心顶角三棱镜100，进而被柱面平凸透镜102替代，再被菲涅尔柱面平凸透镜103替代。基于折射基本原理，只要相应表面位置的曲率相同、顶角相同，且顶角与曲率按具体规则形成相关，如顶角和曲率角近似相等且相对较小，长度相对较大...等等，则当入射平行光通过光学面A和B后经折射的出射光保持相同的方向。
双目视差与空间视差是感知3D立体视觉的最重要因素。本发明提供了一种由光学组件组合而成的光学立体显示屏，使得在观赏常规显示屏幕上的2D节目时感知出3D立体视觉，诱导观看者大脑产生深度感知，恢复连续延伸的空间，产生3D立体视觉和连续景深。本发明的光学立体显示屏不仅解决了多层空间深度的技术问题，还取消了用于3D立体观赏的3D立体节目制备。
商业化立体显示屏应考虑到每个人对调节会聚以及适应视差所存在的差异，防止过度的会聚与发散产生，满足广泛的应用需求，最大程度地提升舒适性、便利性和可调节性。正确设计的光学立体显示屏应具备正视差、会聚成像，适当的空间深度和强烈的3D视觉感的特点。在图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)中，图4(a)代表了正视差超立体观看模式，具有适当的空间深度感和强烈立体视觉感，就3D立体显示而言，该立体显示为首选立体观赏模式；图4(b)代表了负视差超立体观看模式，如果不能适当地限制近距景物则会形成极度的视觉会聚，导致过度地向内斜视，引发视觉疲劳与视觉疾病。此外，观赏者的大脑不能充分地适应近距成像，特别是散焦的图像。因而，它不适合作为商业化产品的开发；图4(c)代表了正视差弱立体观看模式，如果不能适当地限制远距景物则会形成极度的视觉发散，导致过度地向外斜视。此外，该观赏模式可适当地感知3D视觉，但空间深度较差。如果能够在制片时控制折射并限制近距场景，该立体显示为下一个首选的立体观赏模式；图4(d)代表了负视差弱立体观赏模式，如果不能适当地限制近距和远距景物则会形成极度的视觉收敛与视觉发散，导致过度地向内和向外斜视，引发视觉疲劳与视觉疾病。此外，观赏者的大脑不能适应远距景物的放大成像，特别是散焦的图像。因此，它不合适作为商业化产品的开发。综上所述，结论是采用正视差感知出3D立体视觉为最佳选择，此外，超立体是比弱立体优选的观赏模式。
本发明的光学立体显示组件5是由光学元件组成。如图2所示，每个元件代表了光学棱镜、球面和柱面透镜、相关的菲涅尔透镜、其他对称透镜、特殊光学元件等。当通过光学立体显示组件5观看常规显示屏幕4上2D节目时，折射使像平面6发生了空间位移，使双目会聚沿着视线方向从屏幕4移开从而发生双目会聚与双目聚焦的分离。因而，消除了零视差对3D立体视觉的负效应，引发了立体感知并实现了图4(a)-4(d)所示的3D立体观看模式。针对商业应用，光学立体显示组件5的厚度应尽可能薄，这可以通过选择高折射率光学材料来实现。因此，在设计光学元件时，图5所示的菲涅尔棱镜结构优于三角棱镜；图6(a)所示的菲涅尔同心环形平凹透镜与菲涅尔柱面平凹透镜优于平凹透镜与柱面平凹透镜；图6(b)所示的菲涅尔同心环形平凸透镜与菲涅尔柱面平凸透镜优于平凸透镜和柱面平凸透镜。此外，当通过本发明的光学立体显示组件观赏常规屏幕上的2D节目时，除了感知立体视觉外，还获得了比直接观赏更鲜艳的色彩及更明亮、更清晰的图像。这是因为背景光和杂散光对眼睛的直接响应远大于经光学元件过滤后的响应。本发明的光学立体显示组件是由具有分离并过滤背景光与杂散光功能的多个光学元件组成。
如图8所示，光学元件100为沿水平轴线放置顶角为70的三角棱镜。透过光学元件100观赏常规显示屏4上的三个物点10、11、12时，折射使视线发生了空间偏转正如像平面6上的像点20、21、22所示，水平位移向左，竖直位移向后。三角棱镜100实现了空间位移说明三角棱镜可以作为立体显示组件5的光学元件，实现如图4(a)-4(d)所示观看模式的功能要求。除非另有说明，三角棱镜在本中定义为两个主光学平面或其延伸相交于一个顶角。
如图9所示，左侧部分是顶角为70的三角棱镜100与顶角为71的三角棱镜101对置并相隔为96，右侧部分是顶角为70的三角棱镜100与顶角为71的三角棱镜101对置并相隔为97。左侧部分与右侧部分的区别在于相隔空间97大于96。透过光学元件100与101观看物点10、11及12、13时，折射使视线发生了空间偏转正如相应像点20、21及22、23所示，发生的空间位移为水平位移(720，721)和(722，723)向左和竖直位移为零。比较图9的左侧部分和右侧部分，得出相隔空间97比96越大，水平位移(722，723)比(720，721)则更大。因而，可以通过调整相隔空间实现调节水平位移即水平视差。
如图10(a)、10(b)所示，矩形棱镜100与水平轴与成逆时针角60和顺时针角61的预设角度放置。透过光学元件100观看物点10、11、12时，折射使视线发生了空间偏转如像点20、21、22所示，空间位移包括了水平位移720和竖直位移820。预设为逆时针角60的矩形棱镜的水平移位向右竖直移位向后，预设为顺时针角61的矩形棱镜的水平移位向左竖直移位向后。预设角度的矩形棱镜100实现了空间位移说明矩形棱镜可作为立体显示组件5的光学元件，实现如图4(a)-4(d)所示观看模式的功能要求。除非另有说明，矩形棱镜在本文中定义为两个主光学平面相互平行。
如图11所示，一对矩形棱镜100和110与水平轴线间，其一为预设逆时针角，另一为预设顺时针角。根据光学基础理论，透过其观赏常规显示屏4上的2D节目时，出现下述状况。在没有光学元件下观赏显示屏4上的2D节目时，观赏者直接聚焦并会聚于显示屏4，显示屏4上的物体及其对应的成像保持不变，未发生空间位移，为零视差，没有立体感知。当透过矩形棱镜观赏显示屏4上的2D节目时，显示屏4上左侧的物点10、11发生向右方向的水平移位(720，721)，如像屏幕6上的像点20、21所示；显示屏4上右侧的物点12、13发生向左方向的水平移位(722，723)，如图像屏幕6上的成像点22和23所示，该矩形棱镜结构产生出缩小的图像，像屏幕6位于显示屏4的后方(或向后方向)，致使发生向后方向的竖直位移820。发生竖直位移的直接结果是使双目会聚沿视线方向离开显示屏幕4形成双目聚焦与双目会聚的分离。双眼间距使左右视网膜上的两个成像间存在微小差异，满足了大脑组合与融合空间视差的要求并引发出3D立体感知。
如图12所示，一对矩形棱镜100和110与水平轴线间，其一为预设逆时针角，另一为预设顺时针角。与图11相比较，此光学元件结构产生如水平位移(720，721)和(722，723)所示的放大图像，该矩形棱镜结构产生出放大的图像。像屏幕6位于显示屏幕4的后方(或向后方向)导致向后的竖直位移820。发生竖直位移的直接结果是使双目会聚沿视线方向离开显示屏幕4形成双目聚焦与双目会聚的分离。双眼间距使左右视网膜上的两个成像间存在微小差异，满足了大脑组合与融合空间视差的要求并引发出3D立体感知。
如图13所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5的光学元件为凹平板透镜100或凹面柱面透镜100，其可视为如图11所示的无限个连续小矩形棱镜对100和110的组合，光学立体显示组件5和显示屏幕4间的相隔空间90与91是从光学元件边缘到显示屏4的度量。通常而言，左、右相隔空间相等(90＝91)。透过本发明显示组件5观赏显示屏4上的2D节目时，显示屏4左侧的物点10、11、12发生了向右的水平移位(720，721，722)，如像平面6上的成像点20、21、22所示；显示屏4右侧的物点13、14、15发生了向左的水平移位(723，724，725)，如像平面6上的成像点22、23、24所示。像平面6位于显示屏幕4的后方(或向后方向)，导致向后的竖直位移820。作为像平面6发生竖直位移的结果，消除了零视差对3D立体感知的负效应，通过沿视线方向的双目会聚远离显示屏4使得双目聚焦与双目会聚分离，并且产生出位于显示屏4后方(或向后方向)的缩小图像。
如图14所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5的光学元件为凸平板透镜100或凸面柱面透镜100。与图13相比较，此光学元件结构产生如水平位移(720，721，722相对于723，724,725)所示的放大图像，像平面6位于显示屏幕4的前方(或向前方向)导致向前的竖直位移820。作为相对于像平面6发生竖直位移的直接结果是消除了零视差对3D立体感知的负效应，沿着观看视线方向使双目会聚远离显示屏幕4，使得双目聚焦和双目会聚分离，形成位于显示屏幕4后方(或向后方向)的放大图像。
如图15所示，通过顶部为一对三角棱镜(102，112)底部为一对矩形棱镜(100，110)的光学元件观看常规显示屏4上的2D节目时为正视差超立体观看模式。折射使水平位移(720，721)向右，(722，723)向左，显示屏4上的物点10，11及12，13反映在像平面6上的像点20，21及22，23，像平面6位于屏幕4的后方(或向后方向)，形成向后的竖直位移820。光学立体显示组件5与显示屏幕4之间的间隔空间为90和91，顶部光学元件与底部光学元件之间的间隔空间为92和93。该光学元件(100，110，102，112)结构可视为图8和图11中所示棱镜的组合效应。由于叠加效应，其代表了增强型正视差超立体观赏下缩小图像的视觉体验。
如图16所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了中心顶角对称三角棱镜100作为顶部光学元件，以及凹面向观看者的凹柱面透镜200作为底部光学元件。通过本发明的光学立体显示组件5观看常规显示屏4上的2D节目时，显示屏4上左侧的物点10，11，12发生向右的水平位移(720，721，722)，成像在像平面6上的像点20，21，22，显示屏4上右侧的物点13，14，15发生向左的水平移位(723，724，725)，成像在像平面幕6上的像点22，23，24，像平面6位于屏幕4的后方(或向后方向)，形成向后的竖直位移820。光学立体显示组件5与显示屏幕4之间的分隔空间为90和91，顶部光学元件与底部光学元件之间的间隔空间为92和93。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图15演变而来，即通过延伸和连接光学元件(102，112)并且用图6(c)所示的柱面凹透镜200替代光学元件(100，110)。作为像平面6发生竖直位移820的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的缩小图像。
如图17所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了中心顶角对称菲涅尔棱镜100作为顶部光学元件，及凹面向观看者的凹面柱面透镜200作为底部光学元件。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图16演变而来，即用中心顶角对称菲涅尔棱镜100替代如图5所示的中心顶角对称三角棱镜100。与图16做比较，这一光学元件结构产生出由水平位移720，721，722相对于723，724，725所表征的缩小图像。作为像平面6发生竖直位移的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的缩小图像。
如图18所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了平凹透镜100或柱面平凹透镜100作为顶部光学元件，及凹面向观看者的凹平板透镜200或凹柱面透镜200作为底部光学元件。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图17演变而来，即用如图7(a)所示的平凹透镜或柱面平凹透镜102代替中心顶角菲涅尔棱镜101。与图17相比较，这一光学元件结构也产生出由水平位移(720，721，722)相对于(723，724，725)所表征的缩小图像。作为像平面6发生竖直位移的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的缩小图像。
如图19所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了同心环平凹透镜100或菲涅尔柱面平凹透镜100作为顶部光学元件，及凹面向观看者的凹平板透镜200或凹柱面透镜200作为底部光学元件。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图18演变而来，即用如图7(a)所示的同心环平凹透镜或菲涅尔柱面平凹透镜103代替平凹透镜或柱面平凹透镜102。与图18相比较，这一光学元件结构也产生出由水平位移(720，721，722)相对于(723，724，725)所表征的缩小图像。作为像平面6发生竖直位移的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的缩小图像。
对于如图13、16、17、18、19所示实施例，通过本发明的光学立体显示组件5观看常规显示屏4上2D节目时，显示屏4上左侧的物点10，11，12发生向右水平移位(720，721，722)，如像平面6上的像点20，21，22所示；显示屏4上右侧的物点13，14，15发生向左的水平位移(723，724，725)，如像平面6上的像点22，23，24所示，像平面6位于屏幕4的后方(或向后方向)，形成向后的竖直位移820。光学立体显示组件5与显示屏幕4之间的分隔空间为90和91，顶部光学元件与底部光学元件之间的间隔空间为92和93。由于像平面6发生了竖直位移，使得双目聚焦和双目会聚分离并消除了零视差的负效应，引发了3D立体感知并形成缩小的图像。因而，这些实施例表现为如图4(a)所示的正视差超立体观看模式。
如图20所示，通过顶部为一对三角棱镜(102，112)底部为一对矩形棱镜(100，110)的光学元件观看常规显示屏幕4上的2D节目时为正视差弱立体观看模式。折射使水平位移(720，721)向左，(722，723)向右，显示屏幕4上的物点10，11及12，13反映在像平面6上的像点20，21及22，23，像平面6位于屏幕4的后方(或向后方向)，形成向后的竖直位移820。光学立体显示组件5与显示屏幕4之间的间隔空间为90和91，顶部光学元件与底部光学元件之间的间隔空间为92和93。该光学元件(100，110，102，112)结构可视为图8和图11中所示棱镜的组合效应。由于叠加效应，其代表了增强型正视差弱立体观赏下放大图像的视觉体验。
如图21所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了中心边对称三角棱镜100作为顶部光学元件，以及凸面向观看者的凸柱面平板透镜200作为底部光学元件。通过本发明的光学立体显示组件5观看常规显示屏4上的2D节目时，显示屏4上左侧的物点10，11，12发生向左的水平位移(720，721，722)，成像在像平面6上的像点20，21，22，显示屏4上右侧的物点13，14，15发生向右的水平移位(723，724，725)，成像在像平面6上的像点22，23，24，像平面6位于屏幕4的后方(或向后方向)，形成向后的竖直位移820。光学立体显示组件5与显示屏幕4之间的分隔空间为90和91，顶部光学元件与底部光学元件之间的间隔空间为92和93。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图20演变而来，即通过延伸和连接一对三角棱镜102和112，并如图6(d)所示101替代一对矩形棱镜100。作为像平面6发生竖直位移820的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的放大图像。
如图22所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了中心边对称菲涅尔棱镜100作为顶部光学元件，及凸面向观看者的凸柱面透镜200作为底部光学元件。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图21演变而来，即用如图7(b)所示的中心边对称菲涅尔棱镜101代替中心边对称三角棱镜100。与图21相比较，这一光学元件结构也产生出由水平位移(720，721，722)相对于(723，724，725)所表征的放大图像。作为像平面6发生竖直位移820的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的放大图像。
如图23所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了平凸透镜100或柱面平凸透镜100作为顶部光学元件，及凸面向观看者的凸平板透镜200或柱面凸平板透镜200作为底部光学元件。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图22演变而来，即用如图7(b)所示的平凸透镜102或柱面平凸透镜102代替中心边对称菲涅尔棱镜101。与图22相比较，这一光学元件结构也产生出由水平位移(720，721，722)相对于(723，724，725)所表征的放大图像。作为像平面6发生竖直位移820的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的放大图像。
如图24所示，在本实施例中，本发明的光学立体显示组件5包括了同心环平凸透镜100(亦称为平面菲涅尔透镜)或菲涅尔柱面平凸透镜100(亦称为平面菲涅尔柱面透镜)为顶部光学元件，及凸面向观看者的凸平板透镜200或凸柱面透镜200作为底部光学元件。本发明的立体显示组件5的结构可视为由图23演变而来，即用如图7(b)所示的平面菲涅尔透镜或平面菲涅尔柱面透镜103代替平凸透镜或柱面平凸透镜102。与图23相比较，这一光学元件结构也产生出由水平位移(720，721，722)相对于(723，724，725)所表征的放大图像。作为像平面6发生竖直位移820的结果，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离，表现为落在显示屏4后方(或向后方向)的放大图像。
对于如图14、20、21、22、23所示实施例，通过本发明的光学立体显示组件5观看常规显示屏4上2D节目时，空间位移的水平方向位移(720，721，722)向左以及(723，724，725)向右，空间位移的竖向位移820向后方，像平面6上的像点20，21，22和23，24，25反映了折射对物点10，11，12和13，14，15的影响。光学立体显示组件5与显示屏幕4之间的分隔空间为90和91，顶部光学元件与底部光学元件之间的间隔空间为92和93。由于像平面6发生了竖直位移，使得双目聚焦和双目会聚分离并消除了零视差的负效应，引发了3D立体感知并形成放大的图像。因而，这些实施例表现为如图4(c)所示的正视差弱立体观看模式。
图25为如前所述同心环平凹透镜的三维草图，图26为如前所述同心环平凸透镜的三维草图，亦称之为菲涅尔透镜；图27为如前所述菲涅尔柱面平凹透镜的三维草图，图28为如前所述菲涅尔柱面平凸透镜的三维草图，亦称之为菲涅尔柱面透镜。
图29所示为大规模展现本发明的光学立体显示组件的方式，是由在二维方向上重复排列的小光学立体显示组件构成。
如图2所示，本发明的裸眼光学立体显示组件5是由诸如光学棱镜、球面、非球面和柱面透镜，其它对称透镜，特殊光学元件等光学元件组合而成。当裸眼观看显示屏4上的2D节目时，双眼聚焦并会聚在显示屏幕4上，在左右眼视网膜上形成的两幅2D节目像图相同，大脑生成零视差的2D视觉感知。当通过本发明的光学立体显示组件5观看显示屏4上的2D节目时，光学元件的折射使得像平面6发生了空间移位，使双目会聚沿观看的视线方向远离显示屏4，形成双目聚焦和双目会聚的分离。当聚焦在显示屏幕4上时，在左右眼视网膜上形成的两幅2D节目像图存有微小的差异，致使大脑在组合并熔融两幅图像时感知出3D立体视觉，形成如图4(a)，4(b)，4(c)，4(d)所示的特定观赏模式。就商业应用而言，光学立体显示组件应尽可能地薄，即应选择高折射率的光学材料。然而，高折射率的光学元件易形成色散，为使色散效应最小化，在技术手段上可以组合并混用不同折射率的光学元件并使其非对称。此外，通过本发明的光学3D立体显示组件观看常规显示屏幕上的2D节目，与裸眼观看进行对比，其亮度增强，色彩鲜艳度与屏幕清晰度增加。这是因为背景光和杂散光对显示屏幕的直接影响远大于对光学显示组件下的显示屏幕影响，是因为光学元件具有分离和过滤背景光与杂散光的功能性特征。
在上述实施例中，将最靠近显示屏幕4的光学元件掉换一面，对空间纵深感和立体感知度会有影响；调节间隔空间(90，91)，也对空间纵深感和立体感知度产生影响；而调整间隔空间(92，93，94，95，96，97)，对空间纵深感和立体感知度的影响相对较小。通常而言，在一定调节范围内，通过缩减间隔空间(90，91)，在一定程度上使空间纵深感有所增强但立体感知度有所减弱；通过增加间隔空间(90，91)，在一定程度上使空间深度感有所减弱但立体感知度有所增强。此外，当观看固定放置的常规显示屏如电影，电视，电脑，游戏机，广告牌等屏幕上的2D节目时，本发明光学立体显示组件的光学元件可选择棱镜、球面、非球面及柱面透镜以及其他具对称性的透镜；当观看非固定放置的常规显示屏如平板电脑、便携式游戏机、便携设备、移动电话等屏幕上的2D节目时，本发明光学立体显示组件的光学元件宜选择球面透镜、非球面或其他具对称性的透镜，这是由于观赏者可以任选屏幕的长边或短边作为底部基边，而柱面透镜与棱镜都具有特定的取向。此外，视差只能发生在左右(水平)的方向，而非上下的(竖直)方向。因此，非固定放置的显示屏对光学立体显示组件的光学元件选取有一定的限制与规范。
以上述实施例作为示例，本发明的裸眼光学立体显示组件5为光学元件的组合，只要这些组合可以实现观赏2D节目时感知出所期望的3D立体视觉。本发明包括但不限于制作方法和以此光学立体显示组件5观赏常规显示屏上的2D节目时感知3D立体视觉的使用方法。
本发明还包括但不限于观看常规显示屏上的2D节目时使用光学组件提供3D立体视觉的制作方法与使用方法，且该光学组件优选地提供如图4(a)所示的正视差超立体观赏模式，并依次，提供如图4(c)所示的正视差弱立体观赏模式。
以上所述细节仅作为示例用以说明和讨论本发明，提供了被认为是对本发明原理和概念最有用的和最容易理解的一些描述。在这方面，并未尝试描述比基本理解本发明之外一些更详细的发明结构细节。发明说明书及附图的描述对于本领域技术人员来说如何在实践中体验本发明的几种形式是显而易见的。应当理解为，本文所描述的和要求保护的发明可用于许多其它目的，因此，本发明适用于其它的领域及用途范围，而不仅限于本文所述。本文所提供的说明和图示旨在使本领域技术人员熟悉本发明，其原理以及实际应用。本领域技术人员可以多种形式来适应和应用本发明，可能找到最适合的特定的用途要求。因此，如上所述的具体实施例不旨在意味着穷举或限制本发明。本发明范围不应参照上述描述来确定，而应参考所附的权利要求书以及这些权利要求所赋予等同物的全部范围来确定。
Claims (13)
1.光学立体显示屏幕是由光学组件构成，其中：
A.光学组件由多个光学元件组成，其中：
a.光学元件为棱镜，球面及柱面透镜，以及其它适用于固定放置该显示屏的对称透镜；
b.光学元件为适用于非固定放置该显示屏幕的球面透镜以及其它对称透镜；
c.光学元件的组合对视线的折射作用导致成像发生了空间位移由此引入了空间视差。
B.当观赏者透过光学组件观看常规显示屏幕上的2D图像时，发生了像平面由显示屏幕向后或向前的位移。
C.像平面至显示屏幕的空间位移致使双目会聚沿着视线方向远离显示屏幕导致了双目聚焦与双目会聚的分离。
D.当观赏者的左眼透过光学组件观看常规显示屏幕上的2D节目图像时，光学组件引发左眼感知出左眼偏移像图的空间位置与显示屏幕上2D节目的实际位置不同；
E.当观赏者的右眼透过光学组件观看常规显示屏幕上的2D节目图像时，光学组件引发右眼感知出右眼偏移像图的空间位置与显示屏幕上2D节目的实际位置不同；
F.左眼感知的左眼偏移像图位置与右眼感知的右眼偏移像图位置之间存在微小的空间位移；
G.由立体显示屏引发的左眼偏移像图和右眼偏移像图(i)形成下述观看模式之一：正视差超立体观看模式，正视差弱立体观看模式，负视差超立体视觉模式，负视差弱立体观看模式；(ii)致使观赏者将常规显示屏幕上的2D图像感知为3D立体图像。
2.根据权利要求1所述的显示屏幕，其特征在于所述显示屏幕引发的左眼偏移像图与右眼偏移像图形成正视差超立体观看模式。
3.根据权利要求1所述的显示屏幕，其特征在于所述显示屏幕引发的左眼偏移像图与右眼偏移像图形成正视差弱立体观看模式。
4.根据权利要求1所述的显示屏幕，其特征在于所述光学组件包括至少一个光学元件。
5.根据权利要求4所述的显示屏幕，其特征在于至少一个光学元件为光学棱镜、球面透镜，非球面透镜，柱面透镜，其它对称透镜以及上述组合。
6.根据权利要求4所述的显示屏幕，其特征在于至少一个光学元件为多个相互间有间隔空间的透镜之一。
7.光学立体显示屏幕的光学组件至少由一个光学元件构成，折射作用使该立体显示屏弱化了零视差对立体感知的负效应，使观赏者观看常规显示屏幕上的2D图像时感知出立体图像。
8.根据权利要求7所述的显示屏幕，其特征在于所述显示屏幕为观赏者提供了正视差超立体观看模式。
9.根据权利要求7所述的显示屏幕，其特征在于所述显示屏幕为观赏者提供了正视差弱立体观看模式。
10.权利要求7所述的显示屏幕提供了充足的会聚，致使观赏者在不发生视觉疲劳下将常规显示屏幕上的2D图像感知为3D立体图像。
11.光学立体显示屏幕是由光学组件构成，其中：
A、光学组件是由两个或多个彼此空间隔离的对称透镜组成；
B、光学组件与常规显示屏幕间为隔离空间；
C、透过光学组件观看常规显示屏幕上的2D图像时对称透镜配置使观赏者感知出3D立体图像，形成正视差超立体观看模式或正视差弱立体观看模式。
12.根据权利要求11所述的光学立体显示屏幕为正视差超立体观看模式。
13.根据权利要求11所述的光学立体显示屏幕为正视差弱立体观看模式。
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