第二届立体图象技术及其应用国际研讨会论文集基于微透镜阵列实现全真立体显示技术的研究谢俊国 、 周永明!于丙涛∀∀∃!、∀∃广东轻工职业技术学院电子通信工程系广州# %一&∋卜()∗+,∗+−.澄+/12摘要3,本文提出采用微透镜阵列的光学器件实现各方向全真的立体显示技术并提出一种由狭缝光栅和柱镜光栅膜复合的显示屏结构方案行的。,介绍了阵列图像的获取方法,实验结果证明该方案是可关健词3微透镜阵列4柱镜光栅4狭缝光栅4全真的立体<;Α!∀Φ=<>≅Α<2=Ι>.&≅# 5:9 <∗∗2∋,&Α∀Φ>∋Γ<Ε=∋≅2)/2∗Κ<≅2?≅Χ/.≅∗Λ,,9&比Λ<<2<<Ε<Ε≅Β%Α>≅2∋2+&ΠΛ∗?2Χ&/%Λ一2/Ε∋≅2%2∋<&∗∋2<≅/ΚΜ.2∋,Ν∋2∗Π<>∋2/Ο∀&Ε∋/2∗+2&≅∗2+=ΕΑ.<2?<&Α<≅ΑΑ<∗<∋# ∃∀∃∃,2&Θ?∋Α3∋&)(><&∗∋2=Ε>/Λ=Ε&Ν>Ι<2<3?5<9><=<>∋<Α∋=&Ε≅=Ε2Ε?≅&Λ≅≅+<ΑΕ≅Χ<∋Α∋2Ε<∗>,+∗+0<+−./><=2ΘΝ&=<+≅2&&Α∀+Ρ∋=∋≅2Λ∋<>≅Α2<=≅=&Σ厅&.<=9Ε∋≅=Ε2ΕΕΑ>Δ+/<<=Ε?<Λ<<+Β&>∋2∗1−/∋=Ε><∋>/1奴,Ε∋<≅ΛΝ∋2Ν.&&2+Υ<.Τ,≅+>=3Λ∋1>≅Α<2≅&9∋1Ε>.&9&Ν拼∋<,5>?&ΑΑ(>2+9>≅9≅=<=&=/9Α2&=9ΑΒ+∋.&∗2∋9&2<Α<<>Ε==Α?≅ΤΕ?4&ΕΕ?<=Λ∋≅+<Α #9>&<Ε∋<&Α=目前光栅立体成像技术多采用柱镜状光栅或狭缝光栅对水平视差立体抽样图进>&<4ς&>&ΑΑ&(Ν,行角度选择配合人的双眼视差融合作用形成立体显示4因光栅纵向排列可实现图像在水平方向立体显示效果但纵向不具有立体效果本文提出采用矩阵排列微透镜原理的光学器件实现具有各方向真实的空间立体显示的方案并应用在ΩΘΦ显示模组上实验结果证明全真立体显示方案是可行的 全真立体图像获取及合成微透镜阵列原理的立体显示技术最早由法国物理学家加布里埃尔李普曼在 Ξ∃7年首先提出他宣称使用微小凸透镜1>≅Α可有效的记录全真阵列Η∋2=Ι>&<.=2Ε<∗Α>&图像又称集成式图像ΨΑ〕Δ2∗这种图像具有类似全息摄影的立∗∋Λ&Α体显示效果限于微透镜阵列加工技术的精密要求极高以及早期图像光学合成Ψ!Ζ 世纪随处理的困难而难于实现进入!着精密光学技术与计算机图形图像处理技,,术的发展能 具有纵横视差立体图像的获取。>Δ∋2&∋<>&Α∀ΦΑ∗使微透镜阵列立体显示成为可,。,,图Α相机阵列同步摄影装置,。・,,,。,。,矩阵视差图样的来源可根据视差原理由计算机软件设计也可如图 所示由矩阵排列相机采集4该装置可用于采集动态图像为降低研究成本采用数码单反相机纵横平移拍摄静物可获得极好的前期实验样图“上述摄影装置也称之为蝇眼式照相阵列可有效的记录全方向立体视差图像 !图像分割合成方法图!所示用[行[列相机矩阵摄取纵横序列立体视差图Ι6ΘΦ%∴Π]ΔΣΥΩΗ⊥共 8幅每幅图。,。”,。,、、、、、、、、、、、、、,基于微透镜阵列实现全真立体显示技术的研究谢俊国分割为Η(⊥个微图单元。Η、⊥取值图[为方切微透镜阵列板,具有板面覆盖率高,定位方便,算法简单的特点。其中+为板厚度,一般取+二∴∴为透镜焦距,&,Ν为方切微透镜行列间距,若&二Ν称对称式微透镜阵列。上述微透镜阵列模具制作难度大,工艺要求高,各个微凸透镜的边缘易产生融合变形失真,因此高精细面板制作成本较高。! !圆形微透镜阵列圆形微透镜阵列制作工艺已比较成熟∀ΨΖ,在国内己有运用光刻胶热熔成形的方法Ψ[Ζ,制作出单元透镜直径Ξ∃一∀∃ςΛ,中心+<’Α隔 ∃∃一∀!∃ςΛ,面积!∃(ΜΟΛΛ以上的光刻胶折射型微透镜阵列。在此基础上,采用微电铸镍的方法进行成形,获得了表面图形偏差不超过 ∃ςΛ的较高精度的镍模板,可用于批量复制图#。越大图越清晰细腻。设微透镜阵列显示板宽高比例与相机图像相同,则该数值取决于微透镜阵列显示板行列参数ς、−。图∀为示意图,取Η_3⊥二[,每一幅图分割为 、!、∀、[、#、8、:、7、Ξ、 ∃、 、 !、图#圆形微透镜阵列 ∀、 [、 #、 8共十六个微图块,再合成为“ΔΗΠ∀Φ”图像,“ΔΗΠ∀Φ”图像由 8圆形微透镜阵列比方切微透镜阵列板个[义[像素块组成,每一像素块对应于一面覆盖率低,图像损失略大。个微透镜下的像素排列,注意排列方向逆根据微透镜阵列排列方式又可分为品序。字排列、田字排列、六角排列等不同种类,现今大多采用软件进行数码处理实现相应图像制备要求也不同。微透镜阵列板图像的分割与合成。总体成本、精度要求等均高于技术成熟的!全方向ΩΘΦ立体图像显示原理狭缝光栅与柱镜光栅,因此,实验方案上! 微透镜阵列结构也采用了下述仿微镜措施。! 方切微透镜阵列! ∀线型光栅仿透镜阵列结构采用线型狭缝光栅薄膜与软质柱镜光栅膜纵横胶合模拟一种微透镜阵列板,如图8所示。该方案由狭缝光栅实现横向纵向分像,柱镜光栅实现纵向横向分像,它充分利用了狭缝光栅与图[方切微透镜阵列第二届立体图象技术及其应用国际研讨会论文集图8狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶合。柱镜光栅的各自优点狭缝光栅分像效果好精度高成本低但会阻隔图像显示光束降低显示亮度可通过提高背光源的亮度解决4而柱面光栅不阻隔图像显示光束可充分利用图像显示的亮度二者的结合优于仅由狭缝光栅纵横胶合的效果!!微透镜阵列立体图像显示基本原理,示装置旋转Ξ∃度仍具有立体感且纵向移动视角方向产生不同立体效果与人眼观察实际景物相似称全方向立体显示人的大脑在综合从不同的方位获取同一景物的信息时其中一个很重要的因素就是物点光线的入射方向人眼可根据各物点发射或反射到人眼光线的方向判定该物点的方位及远近【 #设微透镜阵列显示屏上显示的∀个图像特征点Ι6Θ如图:每一个特征点由左右两个图像对构成同一图像点,,。,,,,,。、、,、,,,,在显示屏上分别位于凡吼。、么,风、凡,−、,,由于微透镜的折射作用使显示屏上的,。任何一点的光线只能按特定的方位出射。凡、‘两点为屏上非常接近的两点、,由该,点透射进入双眼的光线为凡凡眼凭这两条光线上。凡‘人,可判定Ι点在显示屏面、对特征相同的几焦两点如凡点透,,射出的光线只能到达左眼,而凡点透射出的光线只能到达右眼人眼凭这两条光线就会形成一种错觉认为这两点是一个点66点在屏面上既形成近景,,,。图:微透镜阵列立体图像显示原理,同样,如果−点透射出的光线只能到立体景深的形成我们知道人们观察万物之所以呈现立体状态是由于人的双眼视差效应物光进入双眼在视网膜上成像由于两眼相距一定距离在两眼底视网膜所形成的两幅图像是基本相同的但又稍有差异而存在一定视差经大脑综合后就形成了一幅立体图。0! !达左眼眼,,而吼点透射出的光线只能到达右,,,,,像。图:所示为微透镜阵列屏立体显示原理利用微透镜折射作用实现左右视差图像分别进入左右眼实现立体显示该显,、。形成的错觉点ΘΘ点在屏面下既形成远景设人的两眼的瞳距为Ω人眼到屏的观看距离为]左右图像对特征点的间距为ς则根据三角关系Ψ8Ζ不难推导出人眼视觉将3左右图像对融合后形成的景深位置为。,,,?_]Ω⎯9基于微透镜阵列实现全真立体显示技术的研究谢俊国其中,近景特征点交叉,间距ς取正,化及开发厚α2Α以下的薄型化模组,它需远景特征点间距ς取负。要高精细圆形微透镜面板,面板制作成本∀全方向立体显示应用与实践较高。∀ 日本开发的圆形微透镜阵列ΩΘΦ为降低成本,我们采用了图8狭缝光栅屏与柱镜光栅纵横胶合的仿透镜阵列在手机日立制作所已开发出可上下左右全方模组上进行了实验,向立体显示的圆形微透镜阵列ΩΘΦ液晶屏,该显示屏为#英寸,像素数为 ∃![(:87,背光照明采用Ω,总不,Φ%显示装置厚度到 ∃ΛΛ如图7所示。该显示屏样品用在一种电子玩具,并将开发用于计算机断层扫描摄影诊断等医疗设备上。其结构是在液晶面板上制作阵列状铺设的微型树脂透镜,每一微型树脂透镜覆盖一定方式排列的像素,通过从透镜折射出与像素对应光线再现立体图像。狭缝光栅的制备采用5∴β5ΩΘΦ同样的薄膜工艺技术,形成与ΩΘΦ像素列精密吻合的液晶光栅。狭缝宽度与像素宽度相等,狭缝光栅密度取像素密度的 !χ,狭缝相对于液晶屏的距离根据人眼观看距离、瞳孔间距值以及像素间距计算。柱镜光栅膜材料为9ΓΘ,其焦距∴_柱镜光栅膜厚度⎯液立体图像的精细度取决于显示屏的透晶屏厚度十狭缝膜厚度,柱镜光栅密度等于镜数量4景深范围、视野宽度由透镜的精像素密度的 χ[,试验装置如图 ∃。度、像素数以及视差图布局决定。该样品每一微型透镜下由[([_8 个像素按田字排列,透镜直径0∃∀ΛΛ,共约有!#8( Ξ!_[Ξ #!个微透镜。由这近#万个微透镜阵列构成的ΩΘΦ液晶屏实现左右、上下各方向具有的立体视差,因此,围绕该显示屏从各方向观看都具有立体感,这是裸眼实现立体视觉的又一突破。这种微透镜阵列光学屏板在德国和日本己有生产,但应用还不普及。∀!线型光栅仿透镜阵列在手机模组的实验微透镜阵列ΩΘΦ液晶屏比较看好的另一重要应用领域为手机。日本目前正在考虑对圆形微透镜阵列ΩΘΦ液晶屏进行小型一一一一一一一一一才兰熨进塑遨鲤ΩΘΦ研讨会论文集—δ…、δ0…δ屏板的主要参数如下<&Ε∋9<<∋万=2≅3表+≅Ε=Α3ΩΘΦ玩具娱乐新型包装印刷商品的高层次防伪标识等领域应用前景极为广阔,。、⊥ΚΛΝ<>α<><<2=Χ<≅Β∀!∃ε![∃2∋ΕΚ参考文献]ΨΔΔΕ∋<=%ΔΡ<=Ο9Ε∋1&Α9>≅9<>,≅Β,&ΩΑ!∃,,∋2Θ?9ΛΔβ2&Ω<2Ε∋1/Α(<ΩΘΦ9∋Α2>叭<Τ∋∗&!#8#ΥΑΣΨ谢俊国立体光学成像原理及立体照相ΨΖ!江门教育学院学报!∃∃∃[3∀!∀[<Ε&+α?<<,Ε明,Ο9Εα≅<ΙΛΜΔ ∀Ξ 3 : ,一<&[∃[8φΛΛ<ϑ∋<9>∋2<∋9Α2∗//)2+&9≅ς≅下时<<+∋2Λ即=∋≅一&Αϑ∀∃07[=Ε∋19≅而&∗2∗∋<2间=Ε<><≅,>&9?Ψ月Σ≅/Λ∗,一&Α≅2ΒΣ∋2&∗>≅2Δ2=Ε∋切Ε≅Α2<,≅Ρ∋<Μ>Φα9>&∗/<,;Ι⊥,<Ρ∋ΑΑ<Π≅由于狭缝光栅采用ΩΘΦ同样的薄膜工艺制作所形成的狭缝光栅与ΩΘΦ像素列精密吻合屏尺寸小故横向图像视点可只需取两个即可达到非常好的立体效果这对减小图像数据极为有利!柱镜光栅因样品精度与分像锐性上不如狭缝光栅纵向图像视点取四个比两个立体效果好当然提高柱镜光栅精度与质量会进一步提高立体显示效果横向纵向观察的立体效果优于斜∀向的立体效果由于狭缝是由狭缝ΩΘΦ板独立控[制当通过对ΩΘΦ板的控制使其不形成狭缝时狭缝全透光这时ΩΘΦ屏就是普通的柱镜光栅立体显示屏若将柱镜光栅也换成狭缝光栅亮#度损失过大应用受限#结束语采用激光全息立体摄影技术制作的全息立体图像具有各方向真实的空间立体效果属物理光学原理存在制作难度大彩色显示困难需相干光照明观察条件苛刻不适合动态景物摄制大幅立体图像显示技术成本高微透镜阵列立体图像显示属几何光学范畴技术实现简单观看这种立体图像不需佩戴特制眼镜允许画面倾斜允许画面旋转立体效果更自然真实并易于实现大幅面与动态显示微透镜阵列实现全真的立体显示效果明显采用狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶合的仿透镜阵列是一种简便可行的低成本方案全真立体显示技术可应用于立体电视,,,,。,。<<25?∋−/<=,≅ΒΛ2≅一≅Α∋Ε?∋<>盯Ψ习Ι&99Α∋<+Ν&Β><&Ε≅2∋∋ΒΟ9Ε∋<= ΞΞ7!:[3 !7 !7[[Α陈祥献光刻热熔微透镜阵列的电铸成形Ψ复制技术研究闭仪器仪表学报 ΞΞ73#88∃一,≅Ρ≅Α.∗#Α Ξ⊥≅ΑΘ?<2<<Ε>%Α≅ϑ∋&2∗一(∋2&<<25?Σ≅一≅≅ΒΒ,≅Β。Ε∋≅><=∋=闭Θ?∋2Η<Α∗9?≅Ε2Λ∋>∗2,6&#<+≅2<=<Η∋<>≅Α<2Ι>&.≅、帅&Α≅Βα<∋<∋<2Ε∋Β。<ΕΓ2≅Α Ξ⊥≅ΑΖΞΞ7#88∃ΖΧΨ王元庆基于Ω1Φ的自由立体显示技术ΨΖ#7卷第!期!∃∃∀年[月液晶与显示第 Δ2=Ε2刀刀二,!∃∃∀ 7!,3 8一 !∃一,认币&2∗6&=<+≅22/&γΩΘΦ2−∋∗Ι/Ε≅一=Ε<><≅=<≅9∋<≅=9ΑΦ∋.&。2Ψ月Θ?∋=<=<Σ≅帅&一ΑΒΩ∋−/∋+,ΕΑΘΕ.=&=9Α=.&2+Φ∋&!∃∃∀ 7!3 8 !∃一,。8Ζ段风云黑白光栅成像的数学模型及实验Ψ3∀验证《实验室研究与探索》!∃∃#![!Ξ #Φ/2&∴<2∗八仙2,/Ω∋Θ≅2∗,?Μ&2∗Σ/2Ω∋一Η&?ΕΛ<&Ε∋<&Α&&≅2Φ<>∋9Ε∋=<一2+&%(9∋><Λ<2Ε&Α,,,<Γ>∋Β∋<Ε∋≅2&&<ηΝ≅/Ε6Αφ?∋Ε<ΠΕ&>2<=<∋2∗ΨΣΖΘ?∋,,Σ≅/>2Α≅Ε≅.ΒΩ&Ν≅>&>一;<=<&1?>>Ε≅2∋2+%(&9Α≅&,,!∃∃#夕[#3!Ξ∀ 。,。基金项目3广东轻工职业技术学院科研基金,,,,,项目!∃∃8∃∃!#3作者简介谢俊国 Ξ8[副教授,男,,,河南信阳人,。河南大学物理系毕业、现就职于广东轻主要研究方向音视频技术,。、,工职业技术学院电子通信工程系为立体摄影技术无线通信技术3。通讯联系人谢俊国,副教授%Λ一Α∋&3、(∗+,∗+.)−<+/12