深度增强屏

摘要

本公开涉及一种用于产生模拟3D图像的深度增强屏。该屏包括多曲面的菲涅尔透镜，当沿着连接透镜边上两点的一条或每条最长线所取横截面观察时，透镜具有弧形截面，弧形截面在透镜中央区有一顶点，其中弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓。

权利要求

1.一种用于产生模拟3D图像的深度增强屏，其特征在于，包括：多曲面菲涅尔透镜，当沿着连接透镜边上两点的最长线所取横截面观察时，菲涅尔透镜具有弧形截面，弧形截面在透镜中央区有一顶点，并且弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓；

其中，所述的最长线是用来表示当透镜平直时，透镜表面上的最长直线。

2.根据权利要求1所述的深度增强屏，其中，所述透镜平直时形状为多边形。

3.根据权利要求2所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜平直时形状为正方形，包含两条最长线，每条线对角地连接透镜的对顶角。

4.根据权利要求2所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜平直时形状为矩形，包括两条最长线，每条线对角地连接透镜的对顶角。

5.根据权利要求2所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜形状为三角形，包括三条最长线，每条线连接透镜的邻角。

6.根据权利要求2所述的深度增强屏，其中，包括至少一个圆角。

7.根据权利要求1所述的深度增强屏，其中，菲涅尔透镜包括至少一条曲边。

8.根据权利要求1所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜平直时形状为圆，包括若干条最长线，其中每条最长线为圆的直径。

9.根据权利要求1所述的深度增强屏，其中，当沿着完全垂直于所述最长线的第二条线所取横截面观察时，所述透镜具有弧形截面，第二弧线在透镜的中央区域有一顶点，并且第二弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓。

10.根据权利要求9所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜平直时形状为椭圆，所述最长线为椭圆的长轴，所述第二条线为椭圆的短轴。

11.根据权利要求1所述的深度增强屏，其中，进一步包括框架，所述菲涅尔透镜安装在所述框架中。

12.根据权利要求11所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜安装在所述框架中，从而借助于安装装置将弧形截面引入透镜中。

13.根据权利要求11所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜平直时为矩形，框架为矩形，在框架的每个面上设置一个缘或缘段，从而将透镜的边塑造成对应的形状。

14.根据权利要求1所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜中的弧线是由作 用于透镜两表面上的力来获得。

15.根据权利要求14所述的深度增强屏，其中，所述力作用于临近透镜边的至少一个区域。

16.根据权利要求15所述的深度增强屏，其中，所述透镜平直时形状为多边形，所述力作用于透镜每个角的每条边上。

17.根据权利要求1所述的深度增强屏，其中，所述菲涅尔透镜平直时为圆，所述屏进一步包括：一对同轴环形框架，其中每个框架与透镜的一个表面接触，框架设置成使得第一框架对透镜的第一表面施加力，第二框架对透镜的另一表面施加力，从而获得透镜的横截弧线。

18.根据权利要求17所述的深度增强屏，其中，所述框架包括缘或凹槽，并且所述菲涅尔透镜安装在所述框架内，从而缘或凹槽塑造透镜边的形状并将弧线引入透镜。

19.根据权利要求18所述的深度增强屏，其中，所述缘或凹槽在其中部具有主弯曲，在其外围部分具有次弯曲。

20.一种包括深度增强屏的光学系统，其特征在于，包括：

多曲面菲涅尔透镜，当沿着连接透镜边上两点的最长线所取横截面观察时，菲涅尔透镜具有弧形截面，弧形截面在透镜中央区有一顶点，并且弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓；和附加的光学元件。

21.一种制造用于产生模拟3D图像的深度增强屏的方法，其特征在于：提供完全平直的菲涅尔透镜；

将反向的向内力和向外力作用于菲涅尔透镜区域，使透镜弯曲成多曲面菲涅尔透镜，当沿着连接透镜边上的两点的一条或每条最长线所取横截面观察时，透镜有弧形截面，弧形截面在透镜中央区有一顶点，并且弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述将向内力作用于透镜的步骤包括将力作用于透镜每个角的每条边上，而实际角不受力。

说明书

深度增强屏

技术领域

[0001] 本公开涉及一种深度增强屏，用于产生具有增强的深度或具有模拟三维效果的图像。

背景技术

[0002] 深度知觉是感知三维空间世界的视觉能力。人类(和其他动物)利用各种各样的单眼线索(即，仅一只眼睛的输入提供的线索)和双眼线索(即，需要两只眼睛共同输入的线索)来感知深度。

[0003] 运动视差是一种可影响深度知觉的单眼线索。当观测者移动时，多个静止物体相对背景表观上的相对运动给出了他们之间相对距离的线索。观测者的轻微移动结合实物，从而可更好地感知深度。不过，当观看平面电视或计算机屏幕上的图像时，这样的移动对深度知觉并没有帮助，这是由于二维图像中所示的目标之间没有相对的移动。

[0004] 立体视觉或视网膜像差是一种影响深度知觉的双眼线索。目标在每个视网膜上的不同投影所产生的信息用于辨别深度。利用从稍微不同角度获取同一目标的两个图像，大脑是可以计算出到一个目标的距离。如果目标在远处，视网膜像差变小。换句话说，如果目标在近处，视网膜像差变大。这个效果再配合上实物，从而使观测者更好地感知深度，但这个效果对平面二维屏并不起作用，这是由于屏上所有目标相对观测者都保持相同的距离。

[0005] 不过，立体视觉效果可用于“欺骗”大脑去感知二维图像中的深度，如“电子眼”图片或体视照片。同样地，立体视觉效果可用于将二维图像如平面电视或计算机屏幕上的图像生成模拟三维图像(即具有深度线索的图像)，如公开号为EP1 636631的欧洲专利申请所描述的。该文件描述一种包括柔韧菲涅尔透镜的装置，菲涅尔透镜在两个横向弯曲，从而形成一凸透镜。该装置可安装在诸如电视机屏募或如图1所示计算机显示器2的前方，从而产生一个显示在屏上的二维图像的模拟的三维图像。菲涅尔透镜3与屏2间隔一定距离，并且在第一平面(x-z平面)和第二平面(y-z平面)弯曲，从而形成具有两个弯曲面的菲涅尔透镜。如图所示，如果透镜的截面取在x-z平面，则贯穿透镜整个宽度的截面的形状为弧形或弓形。同样，如果截面取在y-z平面，该截面形状上也为弧形或弓形。由于x-和y-所定义的平面相互垂直，所以具有两个垂直的平面，在这两个平面上所取的透镜截面形状为弓形。菲涅尔透镜可以柔韧，可将其放置在配置有可调节受拉杆件的装置中，从而调整菲涅尔透镜的光学特征，使获得的模拟三维图像的质量最佳化。

[0006] 由于菲涅尔透镜在两个横向平面是弯曲的，由观测者左眼和右眼接受到的差别细微的图像产生一个立体视觉效果，然后大脑将立体视觉效果进行解释，从而使图像看起来有深度，即图像呈现三维效果，就像本案将要实现的一样。

[0007] 在EP1 636 631中，为了获得所需的弯度，将菲涅尔透镜的角(针对矩形透镜)固定在适当的位置。在固定点向弯曲菲涅尔透镜施加压力，这同时在透镜的其他部位也产生压力，包括沿固定点之间透镜的边产生压力。上面专利申请描述的装置将在这些受力区产生失真图像，而这些受力区包括整个图像的多个区。例如，在矩形屏中，四个角——屏上离观测者最远的区域——将显示很多明显的失真，并且这四条边将显示“凸肚形”效果。在这些区域的图像不是水平的，而是远离菲涅尔透镜中心向外弯，如图2所示。实际上，凸肚形效果可能更加明显，并且相对图2所示的例子，可能延伸到屏幕的更多区域。

[0008] 本公开旨在克服或至少减少上面提出的一个或多个问题引起的效果。

发明内容

[0009] 因此，本公开提供一种用于产生模拟3D图像的深度增强屏，包括：

[0010] 多曲面菲涅尔透镜，当沿着连接透镜边上两点的一条或每条最长线所取横截面观察时，具有弧形截面，弧形截面在透镜中央区有一顶点，其中弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓。

[0011] 这里使用的术语“最长线”是用来表示当透镜平直时，透镜表面上的最长直线。

[0012] 这里使用的术语“趋于平缓”是用来表示接近但不必伸展成平面，虽然透镜的边可以伸展成平面。优选地，弧形截面的末端是弯曲的，但截面弧线的弯曲度向着末端方向减小，即在末端曲面的半径小于接近顶点的曲面半径。优选地，弯曲度的差异不可忽视。

[0013] 根据本公开一实施方案，菲涅尔透镜平直时形状为多边形。菲涅尔透镜平直时形状可以为正方形，包括两条最长线，每条线对角地连接透镜的对顶角。菲涅尔透镜平直时可以为矩形，包括两条最长线，每条线对角地连接透镜的对顶角。可替代的，菲涅尔透镜形状可为三角形，包括三条最长线，每条线连接透镜的邻角。

[0014] 在本公开的一些实施方案中，菲涅尔透镜包括至少一个曲边，和/或至少一个圆角。透镜的角可替换为平的。可以理解的是，术语“正方形”、“矩形”、“三角形”和“圆”包含完全正方形、矩形、三角形和圆状透镜。透镜平直时可以是任何规则或不规则形状。例如，可使用具有圆角和曲边的透镜。

[0015] 菲涅尔透镜平直时形状为圆，包括若干条最长线，其中每条最长线为圆的直径。

[0016] 在本公开的至少一个实施方案中，当沿着完全垂直于最长线的第二条线所取横截面观察时，透镜具有弧形截面，第二弧线在透镜的中央区域有一顶点，其中第二弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓。

[0017] 菲涅尔透镜平直时形状可以为椭圆，其中最长线为椭圆的长轴，第二条线为椭圆的短轴。

[0018] 本公开进一步提供一种用于产生模拟3D图像的深度增强屏，包括：多曲面菲涅尔透镜，当沿着连接透镜边上两点的两条交叉线所取的横截面观察透镜时，其具有一在透镜中央区有一顶点的弧形截面，其中弧线的每个末端在其延伸至透镜的边之前趋于平缓。

[0019] 可以理解的是，本公开的屏所包含的菲涅尔透镜因此具有至少两个主弯曲，其中主弯曲设置成具有至少两个相互横切的平面，且在这两个平面上，菲涅尔透镜的横截面形状为弓形。

[0020] 透镜中的主弯曲设置成具有两个交叉或横切的平面，在平面中，透镜具有弓形或弧形横截面。这些平面可以垂直的(或完全垂直)，即相互成直角。可以具有多个交叉或横切的平面，在其上，透镜具有弧形截面。可以以类似于上面关于图1所述的方式设置主弯曲。

[0021] 在菲涅尔透镜中引入次弯曲可减少或消除图像的失真，从而保持增强的深度效果，因此产生改善的深度增强图像。在透镜外围部分引入的次(或修正)弯曲相对透镜特别大的面积对图像质量具有更好的积极效果。由于次弯曲仅仅引入透镜的外围部分，在可估计的范围内，他们并没有干扰图像区域。不过，次弯曲的失真-最小化效果扩展到大面积屏上。因此，深度增强的图像中的失真度明显减少，但图像大小并没有产生相应的减小。

[0022] 优选地，在使用中，将菲涅尔透镜设置成使有透镜的面朝显示屏方向放置，例如电视机或计算机显示器，没有透镜的(或光)面朝观测者放置。菲涅尔透镜可由柔韧材料制成，从而可以调节或调整其曲率。主弯曲的形状使得透镜(实体地)向观测者凸起。根据引入的主弯曲数量，可将透镜的表面描述成如完全圆屋顶形或“垫子”形状。如一实施方案中的举例，透镜平直时形状为正方形，透镜的中心或中央区域位于第一平面(平行图1所示的x-y平面)，透镜的角区域位于第二平面，第二平面平行于第一平面，且与第一平面保持一定间隔。因此透镜的每条边都是弯曲的，且在与两角等距处有一顶点。边的顶点位于第三平面，第三平面平行且位于第一和第二平面之间。透镜不受力的角可位于第二平面或可位于另一个平行的平面中。

[0023] 可通过调整透镜边附近的主弯曲将次弯曲引入到菲涅尔透镜中。例如，可借助作用于菲涅尔透镜中部的向外力(即指向观测者)，如利用受拉杆件或支架，和作用于透镜的角或边上的反方向向内力(即远离观测者)，如利用紧固件、支架或类似物，来获得主弯曲。不同强度的力可作用于透镜的不同区域，从而获得的形状可能不同。在本公开中，可将反方向向内力作用到菲涅尔透镜边附近但并不在其边上，从而获得次弯曲，即朝远离透镜的角/边位置移动向内力的作用点。由于透镜外围部分现在实际上是“自由-摇摆”，因此透镜在角和边位置的受力面积消除，或者受力面积和强度大大减小。次弯曲的引入(其具有较长曲面半径)缓冲了主弯曲在角位置产生的力。通过在离透镜边一定间隔的点位置处将透镜固定到一框架上，向内力可应用于调整主弯曲。

[0024] 该装置的一个优点为由于透镜外围部分无约束，因此受到很小的力或不受力，从而整个图像的失真减弱。

[0025] 例如，可借助于沿菲涅尔透镜边设置的支架将曲面引入到菲涅尔透镜中。菲涅尔透镜中的弧线可利用透镜两个表面所受力的作用来获得。对于矩形透镜，第一支架可设置在接近透镜每条边的中心点处的框架上，另一个支架可设置在离透镜的角一定间隔的点位置，从而产生向内力。这些支架作用于菲涅尔透镜上的相反作用力将使得透镜在两个垂直平面或方向表现主弯曲，在透镜角位置附近的外围部分处的每个平面中表现次弯曲。优选地，力作用到临近透镜一条边的至少一个区域。这里的至少一个区域可以是在透镜边上或其边附近。

[0026] 对于多边形透镜，在透镜的一个侧面上，力优选地作用于透镜每个角的每条边，两个力作用于透镜的同一个面上。这使得透镜实际角并不受力。

[0027] 在另一个实施方案中，菲涅尔透镜为圆，并提供一对同轴环状框架或环，使每个框架与透镜的一个表面接触。两个框架中的较小框架与菲涅尔透镜中有透镜的面接触，较大框架与菲涅尔透镜的光面接触。框架朝着对方方向彼此作用(例如借助夹紧装置)，从而在透镜上施加反方向作用力，在透镜中部形成一主弯曲(在多个平面/方向)，在其外围部分形成一次弯曲。优选地，每个框架与透镜其中一个表面接触，如此设置框架从而使得第一框架对透镜的第一表面施加一作用力，第二框架对透镜的另一表面施加一作用力，从而获得透镜的截面弧线。可以理解的是，每个作用力都需要一个垂直于透镜表面的分力。透镜在其中部显示多个主弯曲，从而其形状为完全圆屋顶形。大环的直径小于菲涅尔透镜，所以在菲涅尔透镜上的向内力作用在透镜边附近，而并不在其边上。透镜中位于环之外的部分呈现平缓。

[0028] 根据另一装置，框架可包括缘或凸缘，菲涅尔透镜可安装在框架内，从而缘或凸缘塑造透镜的边，赋予透镜主弯曲和/或次弯曲。缘在其中部可具有主弯曲，在其外围部分具有次弯曲。缘可沿着菲涅尔透镜整个边延伸。可替代的，沿菲涅尔透镜边可设置一个或多个缘段或凹槽段。在另一可替代实施方案中，可在框架中设置凹槽，从而菲涅尔透镜的边可插入到凹槽，保持想要的形状。

[0029] 在各个实施方案中，主弯曲可借助于缘、凹槽、凹槽段或缘段引入，次弯曲可借助于远离透镜角或边的接触点或紧固件或借助于缘、凹槽、缘段引入。使用“缘、凹槽、凹槽段或缘段”意思是缘或凹槽不必是连续的。其可包括多个单独的接触点。同样，支架可用于引入主弯曲，并且缘段可设置在框架的外围部分，从而将透镜外围部分塑造成次弯曲。

[0030] 在一实施方案中，菲涅尔透镜平直时为矩形，框架为矩形，并且在框架的每个面上提供缘或缘段，从而将透镜的边塑造成对应的形状。

[0031] 在使用当中，屏可设置成使透镜外围部分(具有次弯曲)相对用户是看不到的。例如，屏可包括一框架，而框架能够遮盖或掩饰透镜的外围部分。不过，曲面修正将减少透镜中其余暴露于观测者的那部分的失真。

附图说明

[0032] 图1为代表菲涅尔透镜二轴曲面的现有技术光学系统透视图；

[0033] 图2说明与图1所示的现有技术系统相关的最明显失真区域；

[0034] 图3a为图1所示现有技术系统中的菲涅尔透镜的横截面视图；

[0035] 图3b为依照本公开的深度增强屏中菲涅尔透镜的横截面视图；

[0036] 图4为本公开第一个实施方案的详细透视图；

[0037] 图5为依照本公开第二个实施方案中一个框架的部分透视图；

[0038] 图6为本公开第三个实施方案的主视图；和

[0039] 图7为图6所示的实施方案沿着A-A’线的截面图。

具体实施方式

[0040] 参照附图中的图3，图3a举例说明上面描述的现有技术系统中菲涅尔透镜3的横截面。如图所示，透镜的弯度在透镜整个宽上都基本相同。图3a表示仅在单平面上的透镜曲率。如上针对图1所述的，透镜在横向也是弯曲的，从而在横向平面的截面也有类似的横截面。

[0041] 图3b表示根据本公开其中一个实施方案中深度增强屏的菲涅尔透镜3的横截面。透镜103设置有横跨透镜中央部分的主弯曲104，即透镜的横截面形状为弓形或弧形。同时，在透镜外围部分设置有次弯曲105，如箭头指示。次弯曲的半径大于主弯曲的半径。次弯曲调整主弯曲，来减少透镜边的失真效应。和图3a一样，图3b表示在单平面中透镜的主弯曲和次弯曲。如上关于图1描述的，透镜在横向也为弧形，从而在横向平面所取的截面有类似的横截面。

[0042] 在图4所示的实施方案中，深度增强屏101包括菲涅尔透镜103，透镜设置成具有两个主弯曲104。因此有两个互相垂直的平面，菲涅尔透镜在这两个平面的横截面为弓形或弧形。透镜103设置成在其外围部分并同时处于两个平面上具有一个次弯曲。通过调整透镜边缘附近的主弯曲104，将次弯曲105引入透镜103中。

[0043] 借助于沿菲涅尔边设置的支架106、107可将弯曲部分104、105引入菲涅尔透镜103中。第一支架106设置在沿菲涅尔透镜103每个边的接近中间位置。第二支架(或紧固件)107设置在透镜103的每个角附近，但并不在透镜103的每个角位置上。支架107将透镜连接到框架上(未示出)，来调整透镜的曲率。支架106、107施加在菲涅尔透镜103上的反作用力使透镜在两个垂直面或方向上显示主弯曲104，在透镜角位置附近的外围部分的每个平面上显示次弯曲105。

[0044] 在一具体实施例中，菲涅尔透镜103宽度约365mm，高度约295mm，厚度约1.8mm。透镜的焦距优选在255mm至560mm之间。位于透镜较长边上的支架106长度处于14mm至
21mm之间，位于透镜较短边上的支架106长度处于6mm至14mm之间。外部支架107可设置成距离透镜较长边上的角9.5mm至13mm之间，而距离透镜较短边上的角7.5mm至11mm之间。这些支架不必放在透镜的边上；他们可以稍微处于周边的内部。在较长边上，透镜的主弯曲半径约为515mm，在较短边上透镜主弯曲半径约为470mm。在两个方位，次弯曲的半径都约为30m。因此透镜的外围部分几乎是平面的。

[0045] 在一替换实施方案中，借助于含有凸缘209的框架208获取主弯曲和次弯曲，图5所示为该框架的一部分。菲涅尔透镜可放置在框架208内部，从而其一个边与凸缘209接触。凸缘209在其中间部分有一个主弯曲，在其边缘部分有一个次弯曲。当将菲涅尔透镜放置在框架208内部时，凸缘209将菲涅尔透镜塑造成相应的形状。在另一个实施方案中，设置凹槽，从而可将菲涅尔透镜的边插入到凹槽中并保持想要的形状。

[0046] 图6和7表示深度增强屏301的实施方案，包括圆状菲涅尔透镜303。透镜放置在同轴的环306和307之间，从而透镜具有一个主弯曲304。为获得主弯曲，透镜303倚靠外环307，将环306朝环307方向挤压(借助于压板或类似设备)。主弯曲304使菲涅尔透镜的中央部分呈完全圆屋顶形，即其有多个主弯曲，从而有多个互相横截的平面，菲涅尔透镜在这些平面上的横截面形状为弓形或弧形。图7所示为类似这样横截面。不过，在穿过透镜303中心的平面所取的任何横截面形状是一样的。由于环306和307放置在离透镜303边较近的位置，因此透镜外围部分相对不受力，显示一个次弯曲305。

[0047] 在使用中，本公开的深度增强屏放置在显示屏或其他发射像源的前方，例如电视机屏幕或计算机显示器前方。菲涅尔透镜中有透镜的一面朝向显示屏，菲涅尔透镜的光面朝向观测者。透镜朝观测者是凸起的。由于菲涅尔透镜在两个横断面都为弧形，因此观测者的左眼和右眼可接受到稍微不同的图像，从而产生立体视觉效果，大脑解释该效果，从而图像表现出有深度，即图像呈现三维效果。由于菲涅尔透镜的边和角位置没有受到严重的压力，在这些区域的失真相对现有技术装置有所减少，因此可得到改善的深度增强图像。

[0048] 本公开中使用的术语“包含”和术语“具有/包括”是用于详细说明所述特征、整数、步骤或组成的存在，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整数、步骤、组成或其结合。

[0049] 可以理解，为了清楚起见，在不同实施方案中描述的本发明某些特征，也可以合并在一个单独实施方案中使用。相反地，为了简短，在一个单独实施方案中描述的本发明各种特征，也可以分别地或以任何合适的从属组合方式提供。