一種集成成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種光學(xué)系統(tǒng),尤其涉及一種集成成像光學(xué) 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 視覺是人類感知世界的主要途徑,人類獲取的信息約80%來自于視覺,長期以來, 表達(dá)可視信息的主要方法仍然是二維顯示。傳統(tǒng)的二維顯示技術(shù)遺失了真實(shí)物理世界的深 度信息,無法準(zhǔn)確表達(dá)三維空間關(guān)系,而且只能呈現(xiàn)單個角度上物體的表面特性。這一缺陷 嚴(yán)重地阻礙了人類對客觀世界的感知,如何在真實(shí)物理空間實(shí)現(xiàn)三維重現(xiàn)一直是人們孜孜 以求的目標(biāo)。為了真實(shí)地描述客觀三維世界,人們努力用各種方法在空間里呈現(xiàn)出虛擬的 三維場景。三維顯示在傳統(tǒng)二維顯示的基礎(chǔ)上通過提供各種生理和心理上的調(diào)節(jié)線索產(chǎn)生 深度暗示,并通過大腦進(jìn)行融合形成三維感知。
[0003] 在現(xiàn)有的三維顯示技術(shù)中,集成成像法(Integra1Imaging)是一種重要的三維 顯示技術(shù),該技術(shù)由法國科學(xué)家Lippmann于1908年提出的集成攝像術(shù)(Integra1 photography)發(fā)展而來。集成成像通過二維透鏡陣列來記錄和再現(xiàn)真實(shí)三維場景,原理圖 如圖la、圖lb所示。在記錄過程中,透鏡陣列中每個透鏡對三維場景進(jìn)行成像,得到一系列 獨(dú)立的二維圖像,這些圖像分別稱作元素圖像。元素圖像各不相同,它們表示的是透鏡從不 同視角記錄得到的三維物體的信息。所有元素圖像在記錄介質(zhì)上的排列稱為元素圖像陣 列,元素圖像陣列包含了物體的三維信息。再現(xiàn)過程中,元素圖像陣列由顯示面板顯示出 來,顯示面板前面放置透鏡陣列,元素圖像發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡陣列后在像空間集成出一 個個體像素點(diǎn),所有的這些像素點(diǎn)構(gòu)成了三維物體的像。因此集成成像是一種真三維顯示 技術(shù),由于集成成像技術(shù)得到的三維圖像包含連續(xù)的視差信息,觀看者在不同位置看到的 三維信息是不同的。與同樣是真三維顯示技術(shù)的全息術(shù)相比,集成成像在記錄和再現(xiàn)時不 需要相干光源,而且實(shí)時性較好,可實(shí)時再現(xiàn)動態(tài)三維場景。同體顯示技術(shù)相比,集成成像 技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、實(shí)時性好的優(yōu)勢。集成成像還是一種"裸眼〃三維顯示技術(shù),觀 看者在觀看時不需要佩戴立體眼鏡及其它輔助器件。此外,集成成像的元素圖像陣列是二 維的,可以和現(xiàn)有的比較成熟的二維圖像處理方法和顯示技術(shù)結(jié)合起來。以上的這些特點(diǎn) 使得集成成像技術(shù)在三維顯示領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。
[0004]傳統(tǒng)的集成成像在再現(xiàn)三維場景時,只有一個和顯示面板共輒的像平面,當(dāng)再現(xiàn) 三維像的像面偏離這個平面時,分辨率就會下降的很厲害。人們把和顯示面板共輒的那個 面稱作中心深度平面(CentralDepthPlane,簡稱CDP)。傳統(tǒng)的集成成像的CDP平面平行于 顯示平面,重建圖像深度區(qū)域小,這制約了集成成像三維顯示的商業(yè)化。
[0005]有鑒于此,如今迫切需要設(shè)計(jì)一種新的集成成像光學(xué)系統(tǒng),以便克服現(xiàn)有光學(xué)系 統(tǒng)存在的上述缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種集成成像光學(xué)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)在與物理 顯示平面形成一定夾角的平面上形成多個中心深度平面CDP,多個中心深度平面拼接形成 一個與物理顯示平面形成一定夾角的CDP平面。并且在空間中的像為實(shí)像,具有懸浮顯示效 果,有很強(qiáng)的科技感和未來感。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008] -種集成成像光學(xué)系統(tǒng),所述光學(xué)系統(tǒng)包括:光學(xué)單元陣列、微圖像陣列;
[0009] 所述光學(xué)單元陣列包括若干微光學(xué)單元,微光學(xué)單元的主面或者微光學(xué)單元主面 的像面與微圖像陣列形成的平面形成一定的角度β,0<β<180°;該光學(xué)單元陣列用以使微 圖像單元內(nèi)的像素點(diǎn)發(fā)散到空間中的各個方向;
[0010] 所述微圖像陣列包括若干微圖像單元,微圖像單元包括若干像素點(diǎn);微圖像單元 或者該微圖像單元的像面位于微光學(xué)單元的焦平面附近;微圖像單元或者該微圖像單元的 像面與微圖像陣列形成的平面成一定夾角α,0<α<180° ;
[0011] 各個微圖像單元分別與對應(yīng)的微光學(xué)單元配合,不同微光學(xué)單元下的微圖像單元 的對應(yīng)像素點(diǎn)在設(shè)定界面匯聚為一點(diǎn),形成空間中懸浮圖像中的一點(diǎn);所有微圖像的各個 像素組合在一起,形成總體圖像;形成的總體圖像與微圖像陣列形成的平面形成夾角。
[0012] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述光學(xué)系統(tǒng)還包括微光線折變單元陣列,微光線 折變單元陣列包括若干微光線折變單元,微光線折變單元用以改變微圖像單元出射光線的 傳播方向,微圖像單元或者微光學(xué)單元的主面經(jīng)過微光線折變單元產(chǎn)生的像面與微圖像陣 列形成的平面形成一定夾角。
[0013] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述微圖像陣列包括m*n個微圖像單元,各個微圖像 單元的像素為s*t,微圖像單元通過微光學(xué)單元在空間中形成的像重合在了一起,在設(shè)定界 面形成的總體圖像的像素為s*t。
[0014] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,在空間中建立X-Y-Z坐標(biāo)系,微圖像陣列形成的平面 定義為乂-¥平面;空間中任意成像點(diǎn)的坐標(biāo)為(11,71,2:1),微光學(xué)單元光心或者該微光學(xué)單 元光心的像的坐標(biāo)為(x〇,y。,z。),微光學(xué)單元的焦距為f,則該微光學(xué)單元對應(yīng)的單元圖像 中的子像素或者該子像素的像的坐標(biāo)(X,y,z)滿足關(guān)系式
,其中d為微光學(xué)單元光心 至|J空間所成圖像的中心深度平面⑶P的距離,d滿足關(guān)系式d=(Zi*tanc〇+(xQ-Xi))*C0Sω,CDP平面與Y-Z平面的夾角為ω,微光學(xué)單元的主面或者該主面的像與微圖像陣列形成的平 面之間的夾角為β,θ為像素點(diǎn)通過集成成像光學(xué)系統(tǒng)出射光線相對于微圖像陣列形成的平 面的俯仰角。
[0015] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,在空間中建立Χ-Υ-Ζ坐標(biāo)系,微圖像陣列形成的平面 定義為Χ-Υ平面;空間所成圖像的中心深度平面CDP與豎直平面Υ-Ζ的夾角為ω。微圖像單元 為平面。微圖像單元或者該微圖像單元的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角α滿足公式
,其中d為微光學(xué)單元光 心到CDP平面的距離,微光學(xué)單元的主面或者該微光學(xué)單元主面的像與微圖像陣列形成的 平面之間的夾角為β,微光學(xué)單元的焦距為f;
[0016]當(dāng)空間所成圖像的中心深度平面CDP垂直于微圖像陣列形成的平面時,微圖像單 元或者該微圖像單元的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角為
[0017]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,微光學(xué)單元陣列中不同的微光學(xué)單元的主面或者該 主面的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角β為相同;
[0018]微單元圖像陣列中不同的微單元圖像或者該微單元圖像的像面與微圖像陣列形 成的平面的夾角α為相同;
[0019]微單元圖像陣列中經(jīng)過集成成像光學(xué)系統(tǒng)具有相同俯仰角Θ的出射光線的子像素 在空間成像中心深度平面CDP上成的像具有相同的放大倍數(shù)ke;
[0020] 在空間中建立X-Y-Z坐標(biāo)系,微圖像陣列形成的平面定義為X-Y平面,對于m行、η列 的微光學(xué)單元陣列,m行沿Υ方向排列,η列沿X方向排列;每一列中的微光學(xué)單元焦距相同, 列與列之間的微光學(xué)單元焦距為不同,沿X方向的每一列的微光學(xué)單元的焦距線性增加;對 于第η列微光學(xué)單元的焦距為4 = 其中dn為第η列微光學(xué)單元的光心到空間成像中心 深度平面⑶Ρ的距離,d為距離中心深度平面⑶Ρ最近的微光學(xué)單元的光心到⑶Ρ平面的距 離,f為該點(diǎn)微光學(xué)單元的焦距;
[0021] 對于m行、η列的微光學(xué)單元陣列每一列中的微光學(xué)單元的孔徑相同,列與列之間 的微光學(xué)單元孔徑為不同,沿X方向的每一列微光學(xué)單元的孔徑尺寸線性增加;
[0022] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,在空間中建立Χ-Υ-Ζ坐標(biāo)系,微圖像陣列形成的平面 定義為Χ-Υ平面,對于m行、η列的微光學(xué)單元陣列,m行沿Υ方向排列,η列沿X方向排列;微光 學(xué)單元陣列中每一列的微光學(xué)單元的主面或者主面的像面與微圖像陣列形成的平面的夾 角β為相同,不同列的夾角β為不相同;空間成像中心深度平面CDP的中心點(diǎn)距離微圖像陣列 形成的平面的距離為定值h,距離每一列微光學(xué)單元光心的距離dn為不相同;每一列微光學(xué) 單元的主面或者該主面的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角
[0023]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,在空間中建立X-Y-Z坐標(biāo)系,微圖像陣列形成的平面 定義為X-Y平面;微光學(xué)單元與空間成像點(diǎn)