一種高大集成成像再現(xiàn)深度的方法

一種高大集成成像再現(xiàn)深度的方法

1微成像技術(shù)發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，裸視3d顯示逐漸成為顯示領(lǐng)域的研究熱點?，F(xiàn)階段,裸視3D顯示主要有光柵3D顯示、集成成像3D顯示、體3D顯示,全息3D顯示等,其中集成成像3D顯示以其全視差、連續(xù)視點、無視疲勞等諸多優(yōu)點而備受關(guān)注。集成成像最早是由Lippmann于1908年提出,是一種利用微透鏡陣列來記錄和再現(xiàn)空間3D場景的真3D顯示技術(shù)。在集成成像的記錄和再現(xiàn)階段都要使用到微透鏡陣列,由于微透鏡陣列的特殊結(jié)構(gòu),以及拍攝器件和顯示器件的分辨率有限等諸多因素,集成成像還存在一系列的缺點和不足:如3D圖像的深度反轉(zhuǎn)、觀看視角小、分辨率低、再現(xiàn)深度小等問題。再現(xiàn)深度(DOF)是指中心深度平面(CDP)附近3D圖像的厚度,即3D圖像前后邊緣深度平面(MDP)之間的距離。針對再現(xiàn)深度小這一問題,研究人員對其進行了大量的研究,并提出了一系列行之有效的解決方法。2003年,Jang等提出了利用不同焦距、不同節(jié)距的透鏡元組成復(fù)合微透鏡陣列來增大再現(xiàn)深度,利用不同參數(shù)的透鏡元形成不同的中心深度平面,通過合理的參數(shù)設(shè)計使得不同的再現(xiàn)深度區(qū)間彼此連接,從而增大再現(xiàn)深度,但同時也減小了3D分辨率。2007年,Castro等提出在傳統(tǒng)透鏡元前面添加一個不對稱的相位掩膜來增大再現(xiàn)深度,相位掩膜不僅可以聚集光的能量,還能夠阻止特定頻率的光波通過透鏡元,使得在同一成像平面上的衍射斑比不加相位掩膜時的衍射斑小很多,從而改善像的質(zhì)量,增大再現(xiàn)深度。2012年,張蕾等提出了一種投影式集成成像顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)通過一個輔助透鏡來減小每個像素的發(fā)散角,使得在非中心深度平面上的彌散斑半徑減小,從而增大再現(xiàn)深度,但該方法只適用于投影式顯示系統(tǒng)。在前人研究的基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于光孔陣列的集成成像3D顯示方法,該方法在微透鏡陣列的前面添加一個光孔陣列來減小像素光線的發(fā)散角,從而有效地增大集成成像的再現(xiàn)深度。2基于成像的光透射率的成像數(shù)字模擬傳統(tǒng)的集成成像3D顯示方法原理如圖1(a)所示。f,p分別為透鏡元的焦距和節(jié)距。假設(shè)人眼所能接受的最大彌散斑直徑為s。根據(jù)文獻并結(jié)合圖1(a)可得傳統(tǒng)集成成像顯示方法的再現(xiàn)深度(FDOF)為式中g(shù),l分別為顯示面板到微透鏡陣列和微透鏡陣列到中心深度平面的距離,它們之間滿足高斯公式:傳統(tǒng)集成成像顯示方法的觀看視角為提出的基于光孔陣列的集成成像3D顯示方法的原理如圖1(b)所示。d和e分別為光孔的直徑和光孔與微透鏡陣列之間的距離?？傻锰岢龅募沙上竦脑佻F(xiàn)深度(F′DOF)和觀看視角分別為比較(1)式和(4)式,當(dāng)光孔陣列中光孔的直徑和光孔陣列到微透鏡陣列的距離滿足關(guān)系式此時F′DOF≥FDOF,即本文提出方法的再現(xiàn)深度比傳統(tǒng)方法的再現(xiàn)深度大。比較(3)式和(5)式,當(dāng)光孔與透鏡元之間的距離與光孔直徑滿足關(guān)系式:此時β≥α,考慮到顯示屏上圖像元的限制,觀看視角仍為α,與傳統(tǒng)集成成像方法的觀看視角一樣。在不考慮光散射和光吸收的情況下,提出的集成成像顯示方法的光透射率為用數(shù)字模擬來驗證光孔直徑與再現(xiàn)深度、光透射率之間的關(guān)系。所用參數(shù)如表1所示,由(6)、(7)式得d的取值范圍為0.143~1.427mm。數(shù)字模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,采用提出的方法,隨著光孔直徑d的逐漸減小再現(xiàn)深度隨之增大,光透射率隨之減小。也就是說在所提方法中再現(xiàn)深度和光透射率之間是相互制約的,需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求適當(dāng)?shù)倪x取參數(shù)。在不考慮光透射率的情況下,本文提出的集成成像顯示方法在所給參數(shù)下的再現(xiàn)深度可高達349mm。3不同深度平面上的三維再現(xiàn)像為了驗證本文提出方法的正確性和有效性,采用ASAP光學(xué)模擬軟件對提出的方法和傳統(tǒng)方法進行對比光學(xué)模擬實驗。在光學(xué)模擬實驗中,為了保證增加再現(xiàn)深度的同時光透射率不受到顯著地影響,取光孔直徑d=1mm,系統(tǒng)其余的參數(shù)如表1和表2所示。由理論計算公式可知,在此參數(shù)條件下,提出的方法和傳統(tǒng)方法的再現(xiàn)深度的理論值分別為50mm和35mm,提出方法的理論光透射率為傳統(tǒng)方法理論光透射率的41%。在ASAP軟件中根據(jù)前面所討論的參數(shù)對本文提出的方法和傳統(tǒng)方法進行建模,分別如圖3(a)和(b)所示。光學(xué)模擬實驗中的三維場景用同一水平面上三個等間距的線光源代替,相鄰線光源之間的距離為2mm,如圖3(c)所示。對兩種方法的模型分別進行光線追跡,在不同的深度平面上用探測器接收,得到不同深度平面上的三維再現(xiàn)像,如圖4(a)、(b)所示。根據(jù)光學(xué)模擬實驗結(jié)果可以看出,在兩種集成成像顯示方法的中心深度平面上都能夠看到清晰的再現(xiàn)像,如圖4(a)、(b)中0mm所表示的再現(xiàn)像。從圖4(a)可以看出,在傳統(tǒng)方法中,離中心深度平面13mm處,能清晰地分辨再現(xiàn)像,而在離中心深度平面15mm處三個線光源的再現(xiàn)像相互重疊,完全不能分辨出再現(xiàn)像,由于3D像在中心深度平面的前后具有近似相同的深度,說明傳統(tǒng)集成成像顯示方法的再現(xiàn)深度為30mm。從圖4(b)中可以看出,在提出的集成成像顯示方法中,不僅15mm處,再現(xiàn)像能夠清晰分辨,在離中心深度平面20mm處,仍然能夠分辨出三個線光源的再現(xiàn)像,而在離中心深度平面23mm處三個線光源的再現(xiàn)像開始重疊,不能夠被分辨出來。模擬實驗結(jié)果表明提出集成成像顯示方法的再現(xiàn)深度為46mm,是傳統(tǒng)集成成像顯示方法的1.5倍。實驗結(jié)果和理論值之間的偏差是由于像差等因素造成的。圖5(a)、(b)分別表示提出的集成成像顯示方法和傳統(tǒng)集成成像顯示方法在中心深度平面處再現(xiàn)像的輻照度。從圖中可以看出提出的集成成像顯示方法和傳統(tǒng)集成成像顯示方法的再現(xiàn)像中最大的輻照度分別為476W/mm2和1114W/mm2,所提集成成像顯示方法的輻照度降低為傳統(tǒng)集成成像顯示方法輻照度的43%。光學(xué)模擬實驗結(jié)果很好的驗證了提出的方法能在一定程度上增大集成成像的再現(xiàn)深度。4實驗結(jié)果分析提出了一種基于光孔陣列的集成成像3D顯示方法。詳細地分析了光孔陣列中光孔的直徑與再現(xiàn)深度的關(guān)系。并在ASAP光學(xué)軟件中對提出的方法和傳統(tǒng)方法進行了對比光學(xué)模擬實驗,實驗結(jié)果顯示,當(dāng)光孔的直徑為1mm時,提出的集成成像顯