[发明专利]用于3维显示的光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及图像和/或视频信号的三维(3D)显示领域。特别的，本发明提供适于与传统二维(2D)显示器一起使用的光学系统。此外，本发明提供一种3D显示设备和基于2D图像提供3D效果的方法。

背景技术

在广播电视系统中，3D电视(3DTV)可能是继于彩色电视引入之后的下一场革命。在专业应用(医学/工业)中，3D可视化已经很常见。在娱乐和移动通信中，3D可视化是未来商业的重心。

一种3D显示器是自动立体多视点显示器，比如在[C.van Berkel的“Image preparation for 3D-LCD”，Proc SPIE，Vol.3639，84-91页，1999]中描述的3D-LCD。该显示器为多个观看者提供自由的3D观看，而不需要特制的3D眼镜。其由标准2D矩阵显示器以及一些光学前端组成。

这些显示器的一个严重问题是分辨率。光学前端将2D矩阵显示器的原始空间分辨率分布在空间和角度分辨率上。后者被称为“视点数量”N_views。当前的显示器具有N_views～10，导致了空间分辨率损失因子～10。

当前的发展通过可切换显示器部分地解决了分辨率损失的问题。光学前端可被切换为开或关，导致了具有降低分辨率的3D成像或者具有完全2D分辨率的2D成像。当前基于透镜的切换原则导致附加性能损失，其是由于可调整透镜相对于固定透镜的较低折射能力造成的。

多视点显示器需要N_views～100来满足高质量的深度和视角需求。这导致了严重的分辨率损失。

最后，当前的显示器仅提供水平角度分辨率。这在正常的观看条件是足够了。但是在一些情况下，观看被削弱了。观看者的垂直运动导致了3D图像中的灵活性。如果显示器例如对于文档写入被旋转90°，或者如果观看者旋转他的头(例如在躺椅上看电视)，3D效果会损失。附加垂直角度分辨率导致了附加因子的分辨率损失(整体上例如N^views：x*N_views：y)。

US6,014,259描述了一种具有生成多个像素的2D图像以及插入在其前方用于对显示器产生的图像提供光学深度的显示器的可替换3D显示器。所述前端包括配置在显示器前方的微透镜阵列，其中阵列的每个微透镜与一个像素对准，每个像素一个微透镜。每个微透镜的聚焦长度可响应于深度信息来调整，并且因此光学深度可应用到2D图像。理论上这种显示器可从很大的视角来观看。然而实际上，所述的显示器不能够用传统2D显示器满意地操作——结果是严重的可视伪像：图像看起来模糊和重像，就像同时看见了多个稍微移位的副本。

发明内容

可见本发明的目的是提供一种能将光学深度信息附加到2D图像例如可由传统2D显示器产生的方法和光学系统，并且没有2D显示器的空间分辨率损失。

本发明的第一方面提供了一种适于将光学深度信息附加到二维图像的光学系统，该光学系统包括

-配置在二维图像前方的光学透镜阵列，其中光学透镜的聚焦长度可响应于深度信息进行调整，

-配置在光学透镜阵列前方的挡光板，其中挡光板的光学开口与光学透镜阵列的光学透镜对准。

根据第一方面的光学系统可用作配置在2D图像前方并且为2D图像提供光学深度的光学前端。光学系统可应用于所有2D图像，例如打印的2D图像或来自显示器的2D图像，显示器比如为液晶显示器(LCD)，等离子显示器，硅基液晶(LCOS)显示器，和阴极射线管(CRT)显示器。

具有附加光学深度的2D图像的空间分辨率由原始2D图像的分辨率的最小值和光学前端的间距(即透镜和挡光板的间距)来确定。典型地，对于来自例如LCD监视器的像素化的2D图像，透镜和挡光板的间距可选择为等于或小于像素间距，从而不会恶化最终的空间分辨率。那么就因而保持了2D图像的原始空间分辨率，而深度已经被附加到图像。

显而易见的是，光学系统生成的深度的特征在于有效的视点数量N_views，类似于现有的多视点显示器。通过这种光学系统，不考虑N_views，没有分辨率损失。水平和/或垂直角度分辨率都可相同地获得。

通过光学透镜的可调整聚焦长度可以理解光学透镜的影响聚焦长度的任意可调整光学属性。存在着这种通过对每个光学透镜(例如，GRIN透镜或者所谓流体聚焦透镜)单独施加电流而能够调整聚焦长度的阵列。