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Research on a technology of realizing integral 3D visionAbstract: This article presents a model to realize integral 3d vision based on microl
2、ens 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；int
3、egral 3D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，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（microlens array）可有效的记录全真图像，又称集成式图像1（integral imaging
4、），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
5、行 4 列相机矩阵摄取纵横序列立体视差图 A、B、C 、D、E、F、G、H、I、J、K 、L、M、N 共 16 幅，每幅图分割为 MN 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 44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 2 44 相机阵列视差图像获取图 3 图像分割与合
6、成原理示意图实验中我们也采用了 3D-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*22.1 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。其中为板厚度，一般取. 为透镜焦距，为方切微透镜行列间距，若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熔成形的方法5，
7、制作出单元透镜直径 90300 m，中心间隔 100320 m，面积 2020 mm 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 1.0 m 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构采用线型狭缝光栅薄膜与软质柱镜光栅膜纵横胶合
8、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合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，充分利用了狭缝光栅与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；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。2.2 微透镜阵列立体图像显示基本原理2.2.1 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
9、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像。图 7 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。这种显示装置旋转 90 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，所以称全方向立体显示。 图 7 微透镜阵列立体图像显示原理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6。设微透镜阵列显示屏上显示的 3 个图像特征点 A、B、C(如图 7)，每一个特征点由左、右两个图像对构成同一图
10、像点，在显示屏上分别位于 AL、AR，BL、BR，CL、CR 。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。AL、AR 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 ELAL、ERAR，人眼凭这两条光线，可判定 A点在显示屏面上。对特征相同的 BL、BR 两点，如 BL 点透射出的光线只能到达左眼，而 BR 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 B，B 点在屏面上，既形成近景。同样，如果 CL 点透射出的光线只能到达左眼，而 CR 点透射出的光线只能到达右眼，形成的错觉点 C，C 点在屏面下，既形成远景。设人的两眼的
11、瞳距为 L，人眼到屏的观看距离为 H，左右图像对特征点的间距为 p，则根据三角关系7不难推导出人眼视觉将左右图像对融合后形成的景深位置为：h=H L+pp，其中，近景特征点交叉，间距 p 取正，远景特征点间距 p 取负。3 全方向立体显示应用与实践*23.1 日本开发的圆形微透镜阵列 LCD 屏 日立制作所利用圆形微透镜阵列开发出可上下左右全方向立体显示的 LCD 液晶屏，该显示屏为 5 英寸，像素数为1024768，背光照明采用 LED，显示装置总厚度不到 10 mm，如图8 所示。图 8 微透镜阵列 LCD 玩具应用这种显示屏样品试用在一种电子玩具，将进一步开发用于计算机断层扫描摄影诊断等
12、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。立体图像的精细度取决于显示屏的透镜数量；景深范围、视野宽度由透镜的参数、视差像素对数以及视差图布局决定。该样品每一微型透镜下由 44=16 个像素按田字排列，透镜直径 0.3 mm，共约有 256192=49152 个微透镜。由这近 5 万个微透镜阵列构成的 LCD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已有生产，但应用还不普及。3.2 线
13、型光栅仿透镜阵列在手机模组的实验微透镜阵列 LCD 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 LCD 液晶屏进行小型化及开发厚 5 mm 以下的薄型化模组，它需要高精细圆形微透镜面板，面板制作成本较高。图 9 手机立体模组 PCB 板为降低成本，我们采用了图 6 狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶合的仿透镜阵列在手机模组上进行了实验，狭缝光栅的制备采用 TFT-LCD同样的薄膜工艺技术，形成与 LCD 像素列精密吻合的光栅。狭缝宽度与像素宽度相等，狭缝光栅密度取像素密度的 1/2，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 PVC
14、，其焦距 F=柱镜光栅膜厚度 +液晶屏厚度+狭缝膜厚度，柱镜光栅密度等于像素密度的 1/4，试验装置如图10。4 实验总结1） 由于狭缝光栅采用 LCD 同样的薄膜工艺制作，所形成的狭缝光栅与 LCD 像素列精密吻合，屏尺寸小，故横向图像视点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。2） 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。3） 横向、纵向观察的立体效果优于斜向的立体效果。4） 狭缝由狭缝 LCD 板独立控制，当通过对 LCD 板的控制使其偏振遮光消失时（相当于狭缝全透光），L
15、CD 屏形成普通的柱镜光栅立体显示屏。5） 将柱镜光栅换成狭缝光栅，亮度损失过大，应用受限。5 结束语虽然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，但存在制作难度大，需相干光照明，彩色显示困难，观察条件苛刻，也不适合动态景物摄制，大幅立体图像显示技术成本极高。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，我们采用狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶合的低成本仿透镜阵列方案简便可行，立体效果令人满意，具有应用价值。全真立体显示技术可应用于立体电视、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。【
