CN103605210A - 一种虚模式集成成像3d显示装置 - Google Patents

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王琼华
刘尧
唐松
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本发明提出一种虚模式集成成像3D显示装置，该装置包括图像显示设备、微透镜阵列和大口径成像物镜，图像显示设备上显示微图像阵列，图像元上的像素发出的光线经过微透镜阵列折射成像后，再经过大口径成像物镜折射成像，从而增大了3D深度；同时，图像显示设备上每个图像元边缘的像素发出的光线经过其对应透镜元折射后，再由大口径成像物镜折射，使得个图像元的观看视角在空间会聚，从而增大了3D观看视角。

Description

一种虚模式集成成像3D显示装置
技术领域
本发明涉及集成成像技术，特别涉及一种虚模式集成成像3D显示技术。
背景技术
集成成像包括拍摄和显示两个过程，拍摄过程利用微透镜阵列拍摄3D场景的立体信息，获得微图像阵列，显示过程中，微透镜阵列与微图像阵列精密耦合，全真地重建出3D场景的立体图像。在集成成像中3D深度为中心深度平面与微图像阵列的距离，3D观看视角为单个图像元观看视角的公共区域，目前3D深度小和3D观看视角窄是制约集成成像3D显示发展的重要因素。
如附图1所示，传统集成成像的 3D深度为中心深度平面I到微透镜阵列的距离l 1，由高斯成像公式推导得出，
                                                                                             （1）
其中f 1为微透镜阵列中透镜元的焦距，g为微透镜阵列到微图像阵列的距离，符号表示取绝对值。
如附图2所示，传统集成成像的3D观看视角θ 1为，
                  
Figure 155120DEST_PATH_IMAGE002
   （2）
其中p为微透镜阵列中透镜元的节距，D为观看距离，M为微透镜阵列在水平方向上包含的透镜元个数。
从公式（1）和（2）得出，在传统的虚模式集成成像3D显示装置中，即g < f，当微透镜阵列的焦距f 1不变时，随着微透镜阵列到微图像阵列的距离g的增大，3D深度会随之增大，而3D观看视角则会减小；然而随着微透镜阵列到微图像阵列的距离g的减小，3D深度会随之减少，而3D观看视角则会增大。因此，传统的虚模式集成成像3D显示装置无法通过改变参数来同时增大3D深度和扩大3D观看视角。
发明内容
本发明提出一种虚模式集成成像3D显示装置，如附图3所示，该装置包括图像显示设备、微透镜阵列和大口径成像物镜，图像显示设备上的像素经过大口径成像物镜成像后增大了3D深度，图像显示设备上每个图像元边缘的像素经过大口径成像物镜折射后增大了3D观看视角。
所述图像显示设备上的像素经过大口径成像物镜成像后增大了3D深度，如附图4所示。图像显示设备上显示微图像阵列，微图像阵列是M×N个图像元在水平和垂直方向上组成的二维阵列，微透镜阵列则是M×N个透镜元在水平和垂直方向上组成的二维阵列，图像元与透镜元的数目相同且一一对应，并保证微图像阵列与微透镜阵列的水平和垂直中轴线都分别对应对齐，设置该装置为集成成像虚模式显示方式，即微图像阵列与微透镜阵列的间距g小于微透镜阵列的焦距f 1。图像元上的一个像素A发出的光线经过微透镜阵列折射后，成像于中心深度平面I上的像点A1，此时中心深度平面I与微图像阵列的距离为l 1，之后，像点A1作为物，其发出的光线再经过大口径成像物镜折射，成像于中心深度平面II上的像点A2，此时中心深度平面II与微图像阵列的距离l 2为
Figure 651961DEST_PATH_IMAGE003
                                 （3）
式中符号表示取绝对值，p为透镜元和图像元的节距，f 2为大口径成像物镜的焦距，l 2即为本发明提出的一种虚模式集成成像3D显示装置的3D深度。
所述图像显示设备上每个图像元边缘的像素经过微透镜阵列和大口径成像物镜折射后增大了3D观看视角，如附图5所示，每个图像元边缘的像素发出的光线经过其对应透镜元折射后，再由大口径成像物镜折射，使得各图像元的观看视角不再互相平行，而是在空间中会聚，从而使得他们的公共区域变大，即3D观看视角θ 2增大。因此本发明提出的一种虚模式集成成像3D显示装置扩大了3D观看视角。
优选地，在微图像阵列和微透镜阵列间加入光学栅栏，以消除串扰图像。
优选地，该装置满足式（4）和（5）以避免微透镜阵列折射的光线无法到达大口径成像物镜而造成的光线损失，
Figure 302385DEST_PATH_IMAGE004
                                    （4）
Figure 210167DEST_PATH_IMAGE005
                                     （5）
其中H为大口径成像物镜在水平方向的长度，M为微透镜阵列在水平方向的单元数，V为大口径成像物镜在垂直方向的长度，N为微透镜阵列在垂直方向的单元数。
本发明通过在虚模式集成成像3D显示装置中加入大口径成像物镜，同时增大了3D深度和扩大了3D观看视角。
附图说明
附图1为传统虚模式集成成像3D显示装置的3D深度示意图
附图2为传统虚模式集成成像3D显示装置的3D观看视角示意图
附图3为本发明提出的一种虚模式集成成像3D显示装置示意图
附图4为本发明提出的一种虚模式集成成像3D显示装置的3D深度示意图
附图5为本发明提出的一种虚模式集成成像3D显示装置的3D观看视角示意图
上述附图中的图示标号为：
1 图像显示设备，2光学栅栏，3微透镜阵列，4图像元，5透镜元，6中心深度平面I ，7 大口径成像物镜，8 中心深度平面II 。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
具体实施方式
下面详细说明本发明的一种虚模式集成成像3D显示装置的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提出一种虚模式集成成像3D显示装置，如附图3所示，该装置包括图像显示设备、微透镜阵列和大口径成像物镜，图像显示设备上的像素经过大口径成像物镜成像后增大了3D深度，图像显示设备上每个图像元边缘的像素经过大口径成像物镜折射后增大了3D观看视角。
微图像阵列由10×10个图像元在水平和垂直方向上组成二维阵列，微透镜阵列则由10×10个透镜元在水平和垂直方向上组成二维阵列，图像元与透镜元的数目相同且一一对应，并保证微图像阵列与微透镜阵列的水平和垂直中轴线都分别对应对齐，透镜元焦距为f 1=3mm，透镜元节距为p=1.25mm，图像元节距也为p=1.25mm，微图像阵列与微透镜阵列的间距为 g=2.8mm，g小于f 1，满足虚模式的显示方式。大口径成像物镜焦距为f 2=58mm，在水平方向的长度H为100mm，在垂直方向的长度V也为100mm，它们分别满足公式（4）和（5）。在微图像阵列和微透镜阵列间加入光学栅栏，避免相邻图像元间的光线串扰，从而消除串扰图像。
图像元上的一个像素A发出的光线经过微透镜阵列折射，成像于中心深度平面I上的像点A1，此时中心深度平面I与显示屏的距离l 1由公式（1）计算出为l 1=42mm，因此传统虚模式集成成像3D显示装置的3D深度为42mm。之后，这束光线再经过大口径成像物镜折射，成像于中心深度平面II上的像点A2，此时中心深度平面II与显示屏的距离为l 2由公式（3）计算出为l 2=152.3mm。因此，本发明提出的虚模式集成成像3D显示装置的3D深度是传统集成成像3D显示装置3D深度的约3.6倍。
在观看距离D=58mm的位置上，传统虚模式集成成像3D显示装置的3D观看视角由公式（2）计算得出为θ 1 ≈ 14.6°。本发明提出的虚模式集成成像3D显示方法中，每个图像元边缘的像素发出的光线经过其对应透镜元折射后，再由大口径成像物镜折射，使得各图像元的观看视角不再互相平行，而是在空间中会聚，从而使得他们的公共区域变大，获得的3D观看视角为θ 2 ≈ 25.5°，因此本发明提出的虚模式集成成像3D显示装置的3D观看视角是传统集成成像3D显示装置3D观看视角的约1.75倍。
本发明通过在虚模式集成成像3D显示装置中加入大口径成像物镜，同时有效地增大了3D深度和扩大了3D观看视角。

Claims (3)

1.一种虚模式集成成像3D显示装置，其特征在于，该装置包括图像显示设备、微透镜阵列和大口径成像物镜，图像显示设备上显示微图像阵列，微图像阵列是M×N个图像元在水平和垂直方向上组成的二维阵列，微透镜阵列则是M×N个透镜元在水平和垂直方向上组成的二维阵列，图像元与透镜元的数目相同且一一对应，并保证微图像阵列与微透镜阵列的水平和垂直中轴线都分别对应对齐，设置该装置为集成成像虚模式显示方式，即微图像阵列与微透镜阵列的间距g小于微透镜阵列的焦距f 1，该装置的3D深度为                                                
Figure 137074DEST_PATH_IMAGE001
，式中符号表示取绝对值， p为透镜元和图像元的节距， f 2为大口径成像物镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种虚模式集成成像3D显示装置，其特征在于，在微图像阵列和微透镜阵列间加入光学栅栏，以消除串扰图像。
3.根据权利要求1所述的一种虚模式集成成像3D显示装置，其特征在于，该装置满足
Figure 172026DEST_PATH_IMAGE002
，，以避免微透镜阵列折射的光线无法到达大口径成像物镜而造成的光线损失，式中H为大口径成像物镜在水平方向的长度，M为微透镜阵列在水平方向的单元数，V为大口径成像物镜在垂直方向的长度，N为微透镜阵列在垂直方向的单元数。
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