基于微透镜阵列实现全真立体显示技术的研究

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1、基于微透镜阵列实现全真立体显示技术的研究作者：谢俊国，周永明，于丙涛【摘要】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，介绍了阵列图像的获取方法，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，实验结果证明该方案是可行的。【关键词】微透镜阵列;柱镜光栅;狭缝光栅;全真的立体Researchonatechnologyofrealizingintegral3DvisionAbstract:Thisarticlepresentsamodeltorealizeintegral3dvisionbasedonmicrolensarrayo

2、pticalinstruments.Itintroducesthemethodofacquiringarraypicturesandproposesaplanofdisplayingpanelstructure,binedbyalenticularandparallaxbarrier.Theresultsshoodelispracticalandfeasible.Keyicrolensarray；lenticular；parallaxbarrier；integral3D目前，光栅立体成像技术都采用柱镜状光栅或狭缝光栅对水平视差立体抽样图进行角度选择，

3、配合人的双眼视差融合作用形成立体显示；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LCD显示模组上，实验结果证明全真立体显示方案是可行的。1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1908年首先提出，他宣称使用微小凸透镜阵列（microlensarray）可有效的记录全真图像，又称集成式图像［1］（integralimaging），这种图像具有类似全息摄影的立体显示效果。限于微透镜阵列加工

4、技术的精密要求极高，以及早期图像光学合成［2］处理的困难而难于实现。进入21世纪，随着精密光学技术与计算机图形图像处理技术的发展［3］，使微透镜阵列立体显示成为可能。1.1具有纵横视差立体图像的获取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1所示由矩阵排列相机采集；这种摄影装置可用于采集动态图像，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。为降低研究成本，我们采用数码单反相机纵横平移拍摄静物获得极好的前期实验样图。图1相机阵列同步摄影装置1.2图像分割合成方法实验布置如图2所示，用4行4列相机矩阵摄取纵横序列立体视差图

5、A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N共16幅，每幅图分割为M×N个微图单元。M、N取值越大图越清晰细腻。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p、q。图3为示意图，取M=N=4，每一幅图分割为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16共十六个微图块，再合成为“IMG3D”图像，“IMG3D”图像由16个4×4像素块组成，每一像素块对应于一个微透镜下的像素排列，注意排列方向逆序。图24×4相机阵列视差图像获取图3图像分割与合成原理示意图实验中我们也采用了3D-

6、18四镜头立体相机［3］采集和软件模拟的方式，并采用自编软件进行数码处理实现图像的分割与合成。2全方向LCD立体图像显示原理〖*2〗2.1微透镜阵列结构2.1.1方切微透镜阵列图4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ｄ为板厚度，一般取ｄ＝Ｆ.Ｆ为透镜焦距，ａ，ｂ为方切微透镜行列间距，若ａ＝ｂ称对称式微透镜阵列。图4方切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。2.1.2圆形微透镜阵列圆形微透镜阵列制作工艺已比较成熟［4］，在国内已有运用光刻胶热

7、熔成形的方法［5］，制作出单元透镜直径90—300μm，中心间隔100—320μm，面积20×20mm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1.0μm的较高精度的镍模板，可用于批量复制(图5)。图5圆形微透镜阵列圆形微透镜阵列比方切微透镜阵列板面覆盖率低，图像损失略大。根据微透镜阵列排列方式可分为品字排列、田字排列、六角排列等不同种类，相应图像制备要求也不同。微透镜阵列板总体成本、精度要求等均高于技术成熟的狭缝光栅与柱镜光栅，因此，实验方案上也采用了下述仿微镜措施。2.1.3线型光栅仿透镜阵列结

8、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6所示。图6狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶