【摘要】 本文提出采用微透鏡陣列的光學器件實現(xiàn)各方向全真的立體顯示技術，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合的顯示屏結(jié)構方案，實驗結(jié)果證明該方案是可行的。
【關鍵詞】 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
ba[x]sed on microlens array XIE Junguo, ZHOU Yongmin, YU Bintao
（Department of Electronics and Communication Engineering, Guangdong College of Industrial Technology，
Guangzhou 510300，China）
Abstract: This article presents a model to realize integral 3d vision ba[x]sed on microlens 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；integral 3D
目前，光柵立體成像技術都采用柱鏡狀光柵或狹縫光柵對水平視差立體抽樣圖進行角度選擇，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器件實現(xiàn)具有各方向真實的空間立體顯示的方案，并應用在LCD顯示模組上，實驗結(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早由法國物理學家加布里埃爾·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 imaging），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的精密要求極高，以及早期圖像光學合成［2］處理的困難而難于實現(xiàn)。進入21世紀，隨著精密光學技術與計算機圖形圖像處理技術的發(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)視差原理由計算機軟件設計，也可如圖1所示由矩陣排列相機采集；這種攝影裝置可用于采集動態(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)碼單反相機縱橫平移拍攝靜物獲得極好的前期實驗樣圖。
圖1 相機陣列同步攝影裝置
1.2 圖像分割合成方法
實驗布置如圖2所示，用4行4列相機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M×N個微圖單元。M、N取值越大圖越清晰細膩。設微透鏡陣列顯示板寬高比例與相機圖像相同，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共十六個微圖塊，再合成為“IMG3D”圖像，“IMG3D”圖像由16個4×4像素塊組成，每一像素塊對應于一個微透鏡下的像素排列，注意排列方向逆序。
圖2 4×4相機陣列視差圖像獲取
圖3 圖像分割與合成原理示意圖
實驗中我們也采用了3D-18四鏡頭立體相機［3］采集和軟件模擬的方式，并采用自編軟件進行數(shù)碼處理實現(xiàn)圖像的分割與合成。
2 全方向LCD立體圖像顯示原理〖*2〗2.1 微透鏡陣列結(jié)構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，算法簡單的特點。其中ｄ為板厚度，一般取ｄ＝Ｆ. Ｆ為透鏡焦距，ａ，ｂ為方切微透鏡行列間距，若ａ＝ｂ稱對稱式微透鏡陣列。
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，各個微凸透鏡的邊緣易產(chǎn)生融合變形失真，因此高精細面板制作成本較高。
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］，在國內(nèi)已有運用光刻膠熱熔成形的方法［5］，制作出單元透鏡直徑90—300 μm，中心間隔100—320 μm，面積20×20 mm以上的光刻膠折射型微透鏡陣列。在此基礎上，采用微電鑄鎳的方法進行成形，獲得了表面圖形偏差不超過1.0 μm的較高精度的鎳模板，可用于批量復制(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成熟的狹縫光柵與柱鏡光柵，因此，實驗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
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 狹縫光柵與柱鏡光柵縱橫膠合
該方案由狹縫光柵實現(xiàn)橫向(縱向)分像，柱鏡光柵實現(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。狹縫光柵分像效果好，精度高成本低，但會阻隔圖像顯示光束，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。物光進入雙眼在視網(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現(xiàn)左右視差圖像分別進入左、右眼實現(xiàn)立體顯示。這種顯示裝置旋轉(zhuǎn)90度仍具有立體感，且縱向移動視角方向產(chǎn)生不同立體效果，與人眼觀察實際景物相似，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，其中一個很重要的因素，就是物點光線的入射方向，人眼可根據(jù)各物點發(fā)射（或反射）到人眼光線的方向，判定該物點的方位及遠近［6］。
設微透鏡陣列顯示屏上顯示的3個圖像特征點A、B、C(如圖7)，每一個特征點由左、右兩個圖像對構成同一圖像點，在顯示屏上分別位于AL、AR，BL、BR，CL、CR。
由于微透鏡的折射作用，使顯示屏上的任何一點的光線只能按特定的方位出射。AL、AR兩點為屏上非常接近的兩點，由該點透射進入雙眼的光線為ELAL、ERAR，人眼憑這兩條光線，可判定A點在顯示屏面上。
對特征相同的BL、BR兩點，如BL點透射出的光線只能到達左眼，而BR點透射出的光線只能到達右眼，人眼憑這兩條光線就會形成一種錯覺，認為這兩點是一個點B，B點在屏面上，既形成近景。
同樣，如果CL點透射出的光線只能到達左眼，而CR點透射出的光線只能到達右眼，形成的錯覺點C，C點在屏面下，既形成遠景。
設人的兩眼的瞳距為L，人眼到屏的觀看距離為H，左右圖像對特征點的間距為p，則根據(jù)三角關系［7］不難推導出人眼視覺將左右圖像對融合后形成的景深位置為：h=H L+pp，其中，近景特征點交叉，間距p取正，遠景特征點間距p取負。
3 全方向立體顯示應用與實踐〖*2〗3.1 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，像素數(shù)為1024×768，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玩具應用
這種顯示屏樣品試用在一種電子玩具，將進一步開發(fā)用于計算機斷層掃描攝影診斷等醫(yī)療設備上。其結(jié)構是在液晶面板上制作陣列狀鋪設的微型樹脂透鏡，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應光線再現(xiàn)立體圖像。
立體圖像的精細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)、視差像素對數(shù)以及視差圖布局決定。該樣品每一微型透鏡下由4×4=16個像素按田字排列，透鏡直徑0.3 mm，共約有256×192=49152個微透鏡。由這近5萬個微透鏡陣列構成的LCD液晶屏實現(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，這是裸眼實現(xiàn)立體視覺的又一突破。
這種微透鏡陣列光學屏板在德國和日本已有生產(chǎn)，但應用還不普及。
3.2 線型光柵仿透鏡陣列在手機模組的實驗
微透鏡陣列LCD液晶屏比較看好的另一重要應用領域為手機。日本目前正在考慮對圓形微透鏡陣列LCD液晶屏進行小型化及開發(fā)厚5 mm以下的薄型化模組，它需要高精細圓形微透鏡面板，面板制作成本較高。
圖9 手機立體模組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模組上進行了實驗，狹縫光柵的制備采用TFT-LCD同樣的薄膜工藝技術，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，試驗裝置如圖10。
4 實驗總結(jié)
1） 由于狹縫光柵采用LCD同樣的薄膜工藝制作，所形成的狹縫光柵與LCD像素列精密吻合，屏尺寸小，故橫向圖像視點只需取兩個即可達到非常好的立體效果，這對減小圖像數(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，縱向圖像視點取四個比兩個立體效果好。當然，提高柱鏡光柵精度與質(zhì)量會進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板獨立控制，當通過對LCD板的控制使其偏振遮光消失時（相當于狹縫全透光），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，應用受限。
5 結(jié)束語
雖然激光全息立體攝影技術制作的全息立體圖像具有各方向真實的空間立體效果，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，也不適合動態(tài)景物攝制，大幅立體圖像顯示技術成本極高。
微透鏡陣列立體圖像顯示屬幾何光學范疇，技術實現(xiàn)簡單。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，并易于實現(xiàn)大幅面與動態(tài)顯示。微透鏡陣列實現(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便可行，立體效果令人滿意，具有應用價值。
全真立體顯示技術可應用于立體電視、玩具娛樂、新型包裝印刷、商品的高層次防偽標識等領域，應用前景極為廣闊。
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