基于微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)全真立體顯示技術(shù)的研究

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 technology of realizing integral 3D vision Abstract: This article presents a model to realize integral 3d vision based on micr

2、olens array optical instruments. It introduces the method of acquiring array pictures and proposes a plan of displaying panel structure, combined by a lenticular and parallax barrier. The results show that this model is practical and feasible. Key words: microlens array； lenticular；parallax barrier；

3、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，他宣稱使用微小凸透鏡陣列（microlens array）可有效的記錄全真圖像，又稱集成式圖像1（integral imag

4、ing），這種圖像具有類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)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

5、列相機(jī)矩陣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MN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)44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 44相機(jī)陣列視差圖像獲取 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

6、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*22.1 微透鏡陣列結(jié)構(gòu)2.1.1 方切微透鏡陣列 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，若稱對(duì)稱式微透鏡陣列。 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。 2.1.2 圓形微透鏡陣列 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10

7、0320 m，面積2020 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，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。 2.1.3 線型光柵仿透鏡陣列結(jié)構(gòu) 采用線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

8、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優(yōu)點(diǎn)。狹縫光柵分像效果好，精度高成本低，但會(huì)阻隔圖像顯示光束，降低顯示亮度，可通過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 2.2.1 立體景深的形成 我們知道，人們觀察萬物之所以呈現(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

9、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、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

10、于微透鏡的折射作用，使顯示屏上的任何一點(diǎn)的光線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)入雙眼的光線為ELAL、ERAR，人眼憑這兩條光線，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)透射出的光線只能到達(dá)左眼，而BR點(diǎn)透射出的光線只能到達(dá)右眼，人眼憑這兩條光線就會(huì)形成一種錯(cuò)覺，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)透射出的光線只能到達(dá)左眼，而CR點(diǎn)透射出的光線只能到達(dá)右眼，形成的錯(cuò)覺點(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

11、覺將左右圖像對(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1024768，背光照明采用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)的微型樹脂透鏡，每一微型樹脂透鏡覆蓋一定方式排列的像素，通過從透鏡折射出與像素對(duì)

12、應(yīng)光線再現(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44=16個(gè)像素按田字排列，透鏡直徑0.3 mm，共約有256192=49152個(gè)微透鏡。由這近5萬個(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)

13、行小型化及開發(fā)厚5 mm以下的薄型化模組，它需要高精細(xì)圓形微透鏡面板，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) 1） 由于狹縫光柵采用LCD同樣的薄膜工

14、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。 5） 將柱鏡光柵換成狹縫光柵，亮度損失過大，應(yīng)用受限。 5 結(jié)束語 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

15、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，允許畫面傾斜，允許畫面旋轉(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案簡(jiǎn)便可行，立體效果令人滿意，具有應(yīng)用價(jià)值。 全真立體顯示技術(shù)可應(yīng)用于立體電視、玩具娛樂、新型包裝印刷、商品的高層次防偽標(biāo)識(shí)等領(lǐng)域，應(yīng)用前景極為廣闊?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】 1 Ives H E. Optical properties of a Lippman lenticulated sheet J.Opt Soc Am, 1931, 21:171-176.2 劉莉. 光學(xué)體視顯微圖像立體測(cè)量系統(tǒng)研究與開發(fā)J. 中國(guó)體視學(xué)與圖像分析, 2003, 8(4):220-224.3 謝俊國(guó). 立體光學(xué)成像原理及立體照相J. 江門教育學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 4:32-34.4 Popovic Z D, Sprague R A, Neville G A. Technique f