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文檔簡(jiǎn)介
1、基于微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)全真立體顯示技術(shù)的研究 作者:謝俊國(guó), 周永明, 于丙濤 【摘要】 本文提出采用微透鏡陣列的光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)各方向全真的立體顯示技術(shù),介紹了陣列圖像的獲取方法,并提出一種由狹縫光柵和柱鏡光柵膜復(fù)合的顯示屏結(jié)構(gòu)方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案是可行的。 【關(guān)鍵詞】 微透鏡陣列; 柱鏡光柵; 狹縫光柵; 全真的立體 Research on a
2、 technology of realizing integral 3D vision Abstract: This article presents a model to realize integral 3d vision based on microlens array optical instruments. It introduces the method of acquiring array pictures and proposes a plan of displaying panel structure, combined by a lenticular
3、 and parallax barrier. The results show that this model is practical and feasible. Key words: microlens array; lenticular;parallax barrier;integral 3D 目前,光柵立體成像技術(shù)都采用柱鏡狀光柵或狹縫光柵對(duì)水平視差立體抽樣圖進(jìn)行角度選擇,配合人的雙眼視差融合作用形成立體顯示;因光柵縱向排列,可實(shí)現(xiàn)圖像在水平方向立體顯示效果,但縱向不具有立體效果。 本文提出采用矩陣排列
4、微透鏡原理的光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)具有各方向真實(shí)的空間立體顯示的方案,并應(yīng)用在LCD顯示模組上,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明全真立體顯示方案是可行的。 1 全真立體圖像獲取及合成 微透鏡陣列原理的立體顯示技術(shù)最早由法國(guó)物理學(xué)家加布里埃爾·李普曼在1908年首先提出,他宣稱(chēng)使用微小凸透鏡陣列(microlens array)可有效的記錄全真圖像,又稱(chēng)集成式圖像1(integral imaging),這種圖像具有類(lèi)似全息攝影的立體顯示效果。限于微透鏡陣列加工技術(shù)的精密要求極高,以及早期圖像光學(xué)合成2處理的困難而難于實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì),隨著精密光學(xué)技術(shù)與計(jì)
5、算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展3,使微透鏡陣列立體顯示成為可能。 1.1 具有縱橫視差立體圖像的獲取 矩陣視差圖樣的來(lái)源可根據(jù)視差原理由計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì),也可如圖1所示由矩陣排列相機(jī)采集;這種攝影裝置可用于采集動(dòng)態(tài)圖像,也稱(chēng)之為“蠅眼式照相陣列”,可有效的記錄全方向立體視差圖像。為降低研究成本,我們采用數(shù)碼單反相機(jī)縱橫平移拍攝靜物獲得極好的前期實(shí)驗(yàn)樣圖。 圖1 相機(jī)陣列同步攝影裝置 1.2 圖像分割合成方法 實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示,用4行4列相機(jī)矩陣
6、攝取縱橫序列立體視差圖A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N共16幅,每幅圖分割為M×N個(gè)微圖單元。M、N取值越大圖越清晰細(xì)膩。設(shè)微透鏡陣列顯示板寬高比例與相機(jī)圖像相同,則該數(shù)值取決于微透鏡陣列顯示板行列參數(shù)p、q。圖3為示意圖,取M=N=4,每一幅圖分割為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16共十六個(gè)微圖塊,再合成為“IMG3D”圖像,“IMG3D”圖像由16個(gè)4×4像素塊組成,每一像素塊對(duì)應(yīng)于一個(gè)微透鏡下的像素排列,注意排列方向逆序。 圖2 4×4相機(jī)陣列視差圖像獲取
7、160; 圖3 圖像分割與合成原理示意圖 實(shí)驗(yàn)中我們也采用了3D-18四鏡頭立體相機(jī)3采集和軟件模擬的方式,并采用自編軟件進(jìn)行數(shù)碼處理實(shí)現(xiàn)圖像的分割與合成。 2 全方向LCD立體圖像顯示原理 圖4為方切微透鏡陣列板,具有板面覆蓋率高,定位方便,算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。其中為板厚度,一般取. 為透鏡焦距,為方切微透鏡行列間距,若稱(chēng)對(duì)稱(chēng)式微透鏡陣列。 圖4 方切微透鏡陣列 上述微透鏡陣列模具制作難度大,工藝要求高,各
8、個(gè)微凸透鏡的邊緣易產(chǎn)生融合變形失真,因此高精細(xì)面板制作成本較高。 圓形微透鏡陣列制作工藝已比較成熟4,在國(guó)內(nèi)已有運(yùn)用光刻膠熱熔成形的方法5,制作出單元透鏡直徑90300 m,中心間隔100320 m,面積20×20 mm以上的光刻膠折射型微透鏡陣列。在此基礎(chǔ)上,采用微電鑄鎳的方法進(jìn)行成形,獲得了表面圖形偏差不超過(guò)1.0 m的較高精度的鎳模板,可用于批量復(fù)制(圖5)。 圖5 圓形微透鏡陣列 圓形微透鏡陣列比方
9、切微透鏡陣列板面覆蓋率低,圖像損失略大。 根據(jù)微透鏡陣列排列方式可分為品字排列、田字排列、六角排列等不同種類(lèi),相應(yīng)圖像制備要求也不同。微透鏡陣列板總體成本、精度要求等均高于技術(shù)成熟的狹縫光柵與柱鏡光柵,因此,實(shí)驗(yàn)方案上也采用了下述仿微鏡措施。 采用線(xiàn)型狹縫光柵薄膜與軟質(zhì)柱鏡光柵膜縱橫膠合模擬一種微透鏡陣列板,如圖6所示。 圖6 狹縫光柵與柱鏡光柵縱橫膠合 該方案由狹縫光柵實(shí)現(xiàn)橫向(縱向)分像,柱鏡光柵實(shí)現(xiàn)縱向(橫向)分像,充分利用了狹縫光柵與柱鏡光柵的各自?xún)?yōu)點(diǎn)。狹縫光柵分像效果好,精度高
10、成本低,但會(huì)阻隔圖像顯示光束,降低顯示亮度,可通過(guò)提高背光源的亮度解決;而柱面光柵不阻隔圖像顯示光束,可充分利用圖像顯示的亮度,二者的結(jié)合優(yōu)于僅由狹縫光柵縱橫膠合的效果。 2.2 微透鏡陣列立體圖像顯示基本原理 我們知道,人們觀察萬(wàn)物之所以呈現(xiàn)立體狀態(tài)是由于人的雙眼視差效應(yīng)。物光進(jìn)入雙眼在視網(wǎng)膜上成像,由于兩眼相距一定距離,在兩眼底視網(wǎng)膜所形成的兩幅圖像是基本相同的但又稍有差異而存在一定視差,經(jīng)大腦綜合后就形成了一幅立體圖像。 圖7所示為微透鏡陣列屏立體顯示原理,利用微透鏡折射作用實(shí)現(xiàn)左右視差圖像分別進(jìn)入左、右
11、眼實(shí)現(xiàn)立體顯示。這種顯示裝置旋轉(zhuǎn)90度仍具有立體感,且縱向移動(dòng)視角方向產(chǎn)生不同立體效果,與人眼觀察實(shí)際景物相似,所以稱(chēng)全方向立體顯示。 圖7 微透鏡陣列立體圖像顯示原理 人的大腦在綜合從不同的方位獲取同一景物的信息時(shí),其中一個(gè)很重要的因素,就是物點(diǎn)光線(xiàn)的入射方向,人眼可根據(jù)各物點(diǎn)發(fā)射(或反射)到人眼光線(xiàn)的方向,判定該物點(diǎn)的方位及遠(yuǎn)近6。 設(shè)微透鏡陣列顯示屏上顯示的3個(gè)圖像特征點(diǎn)A、B、C(如圖7),每一個(gè)特征點(diǎn)由左
12、、右兩個(gè)圖像對(duì)構(gòu)成同一圖像點(diǎn),在顯示屏上分別位于AL、AR,BL、BR,CL、CR。 由于微透鏡的折射作用,使顯示屏上的任何一點(diǎn)的光線(xiàn)只能按特定的方位出射。AL、AR兩點(diǎn)為屏上非常接近的兩點(diǎn),由該點(diǎn)透射進(jìn)入雙眼的光線(xiàn)為ELAL、ERAR,人眼憑這兩條光線(xiàn),可判定A點(diǎn)在顯示屏面上。 對(duì)特征相同的BL、BR兩點(diǎn),如BL點(diǎn)透射出的光線(xiàn)只能到達(dá)左眼,而B(niǎo)R點(diǎn)透射出的光線(xiàn)只能到達(dá)右眼,人眼憑這兩條光線(xiàn)就會(huì)形成一種錯(cuò)覺(jué),認(rèn)為這兩點(diǎn)是一個(gè)點(diǎn)B,B點(diǎn)在屏面上,既形成近景。 同樣,如果CL點(diǎn)透射出的光線(xiàn)只能到達(dá)左眼,而CR點(diǎn)透射出的光線(xiàn)只能
13、到達(dá)右眼,形成的錯(cuò)覺(jué)點(diǎn)C,C點(diǎn)在屏面下,既形成遠(yuǎn)景。 設(shè)人的兩眼的瞳距為L(zhǎng),人眼到屏的觀看距離為H,左右圖像對(duì)特征點(diǎn)的間距為p,則根據(jù)三角關(guān)系7不難推導(dǎo)出人眼視覺(jué)將左右圖像對(duì)融合后形成的景深位置為:h=H L+pp,其中,近景特征點(diǎn)交叉,間距p取正,遠(yuǎn)景特征點(diǎn)間距p取負(fù)。 3 全方向立體顯示應(yīng)用與實(shí)踐*23.1 日本開(kāi)發(fā)的圓形微透鏡陣列LCD屏 日立制作所利用圓形微透鏡陣列開(kāi)發(fā)出可上下左右全方向立體顯示的LCD液晶屏,該顯示屏為5英寸,像素?cái)?shù)為1024×768,背光
14、照明采用LED,顯示裝置總厚度不到10 mm,如圖8所示。 圖8 微透鏡陣列LCD玩具應(yīng)用 這種顯示屏樣品試用在一種電子玩具,將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)用于計(jì)算機(jī)斷層掃描攝影診斷等醫(yī)療設(shè)備上。其結(jié)構(gòu)是在液晶面板上制作陣列狀鋪設(shè)的微型樹(shù)脂透鏡,每一微型樹(shù)脂透鏡覆蓋一定方式排列的像素,通過(guò)從透鏡折射出與像素對(duì)應(yīng)光線(xiàn)再現(xiàn)立體圖像。 立體圖像的精細(xì)度取決于顯示屏的透鏡數(shù)量;景深范圍、視野寬度由透鏡的參數(shù)、視差像素對(duì)數(shù)以及視差圖布局決定。該樣品每一微型透鏡下由4×4=16個(gè)像素按田字排列,透鏡直徑0.
15、3 mm,共約有256×192=49152個(gè)微透鏡。由這近5萬(wàn)個(gè)微透鏡陣列構(gòu)成的LCD液晶屏實(shí)現(xiàn)左右、上下各方向具有的立體視差,因此,圍繞該顯示屏從各方向觀看都具有立體感,這是裸眼實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)的又一突破。 這種微透鏡陣列光學(xué)屏板在德國(guó)和日本已有生產(chǎn),但應(yīng)用還不普及。 3.2 線(xiàn)型光柵仿透鏡陣列在手機(jī)模組的實(shí)驗(yàn) 微透鏡陣列LCD液晶屏比較看好的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槭謾C(jī)。日本目前正在考慮對(duì)圓形微透鏡陣列LCD液晶屏進(jìn)行小型化及開(kāi)發(fā)厚5 mm以下的薄型化模組,它需要高精細(xì)圓
16、形微透鏡面板,面板制作成本較高。 圖9 手機(jī)立體模組PCB板 為降低成本,我們采用了圖6狹縫光柵與柱鏡光柵縱橫膠合的仿透鏡陣列在手機(jī)模組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),狹縫光柵的制備采用TFT-LCD同樣的薄膜工藝技術(shù),形成與LCD像素列精密吻合的光柵。狹縫寬度與像素寬度相等,狹縫光柵密度取像素密度的 1/2,狹縫相對(duì)于液晶屏的距離根據(jù)人眼觀看距離、瞳孔間距值以及像素間距計(jì)算。柱鏡光柵膜材料為PVC,其焦距F=柱鏡光柵膜厚度+液晶屏厚度+狹縫膜厚度,柱鏡光柵密度等于像素密度的1/4,試驗(yàn)裝置如圖10。 4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)&
17、#160; 1) 由于狹縫光柵采用LCD同樣的薄膜工藝制作,所形成的狹縫光柵與LCD像素列精密吻合,屏尺寸小,故橫向圖像視點(diǎn)只需取兩個(gè)即可達(dá)到非常好的立體效果,這對(duì)減小圖像數(shù)據(jù)極為有利。 2) 柱鏡光柵因樣品精度與分像銳性上不如狹縫光柵,縱向圖像視點(diǎn)取四個(gè)比兩個(gè)立體效果好。當(dāng)然,提高柱鏡光柵精度與質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步提高立體顯示效果。 3) 橫向、縱向觀察的立體效果優(yōu)于斜向的立體效果。 4) 狹縫由狹縫LCD板獨(dú)立控制,當(dāng)通過(guò)對(duì)LCD板的控制使其偏振遮光消失時(shí)(相當(dāng)于狹縫全透光),LCD屏形成普通的柱鏡光柵立體顯示屏。
18、 5) 將柱鏡光柵換成狹縫光柵,亮度損失過(guò)大,應(yīng)用受限。 5 結(jié)束語(yǔ) 雖然激光全息立體攝影技術(shù)制作的全息立體圖像具有各方向真實(shí)的空間立體效果,但存在制作難度大,需相干光照明,彩色顯示困難,觀察條件苛刻,也不適合動(dòng)態(tài)景物攝制,大幅立體圖像顯示技術(shù)成本極高。 微透鏡陣列立體圖像顯示屬幾何光學(xué)范疇,技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。觀看這種立體圖像不需佩戴特制眼鏡,允許畫(huà)面傾斜,允許畫(huà)面旋轉(zhuǎn),立體效果更自然真實(shí),并易于實(shí)現(xiàn)大幅面與動(dòng)態(tài)顯示。微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)全真的立體顯示效果明顯,我們采用狹縫光柵與柱鏡光柵縱橫膠合的低成本仿透鏡陣列方
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