CN103698967B - 一种投影式集成成像3d显示装置 - Google Patents

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本发明提出一种投影式集成成像3D显示装置，该装置包括投影机、微透镜阵列和成像物镜，微图像阵列由投影机直接投射在空间中，并使得微图像阵列与微透镜阵列的间距等于微透镜阵列的焦距，根据投影机边缘以及透镜元边缘设置图像元的有效像素区域，并根据图像元在微图像阵列中的位置设置图像元中心与对应透镜元中心的偏移量，各图像元有效像素区域中的像素发出的光线经过微透镜阵列和成像物镜折射，实现了大视角的集成成像3D显示。

Description

一种投影式集成成像3D显示装置
技术领域
本发明涉及集成成像技术，特别涉及一种投影式集成成像3D显示装置。
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对三维场景进行3D拍摄，微透镜阵列由一系列像“蝇眼”一样的透镜元分别在水平和垂直方向上等间距排列组合而成，所有透镜元具有相同的成像功能，并将三维场景不同角度的信息记录在位于微透镜阵列后焦平面的记录胶片上，组成微图像阵列。显示过程是拍摄过程的逆过程，采用与拍摄时参数相同的微透镜阵列与微图像阵列精密耦合，根据光路可逆原理，微透镜阵列又把微图像阵列中的所有像素发出的光线聚集还原，在微透镜阵列的前后方重建出与拍摄时的三维场景完全相同的3D图像。在集成成像3D显示时，3D景深为中心深度平面附近的前后边界深度平面的距离，3D观看视角则是所有透镜元观看视角的公共区域。3D景深小、3D观看视角窄是制约集成成像3D显示发展的重要因素。
聚焦模式是最常用的集成成像3D显示方式，即微图像阵列与微透镜阵列的距离等于微透镜阵列的焦距。采用投影的方式进行聚焦模式的集成成像3D显示，微图像阵列被直接投射在空间中，而没有投影屏对光线的漫反射作用，能有效地减小微图像阵列中像素的发散角，从而增大3D景深，但是由于投影机投射出的微图像阵列与微透镜阵列中心对齐且节距相同，使得远离微图像阵列中心的像素发出的光线倾角较大，如附图1中A像素点所示，从而被相邻的透镜元折射，将会引起严重的串扰，并减小3D观看视角，获得的3D观看视角如附图2中的灰色区域所示。
发明内容
本发明提出一种投影式集成成像3D显示装置，如附图3所示，该装置包括投影机、微透镜阵列和成像物镜。微图像阵列由投影机直接投射在空间中，并使得微图像阵列与微透镜阵列的间距等于微透镜阵列的焦距，根据投影机边缘以及透镜元边缘设置图像元的有效像素区域，并根据图像元在微图像阵列中的位置设置图像元中心与对应透镜元中心的偏移量，各图像元有效像素区域中的像素发出的光线经过微透镜阵列和成像物镜折射，实现了大视角的集成成像3D显示。
所述根据投影机边缘以及透镜元边缘设置图像元的有效像素区域，如附图3所示，投影机镜头下边缘与透镜元上边缘连线与微图像阵列的交点为上边缘点，同理，投影机镜头上边缘与透镜元下边缘连线与微图像阵列的交点为下边缘点，投影机镜头左边缘与透镜元右边缘连线与微图像阵列的交点为右边缘点，投影机镜头右边缘与透镜元左边缘连线与微图像阵列的交点为左边缘点，此上、下、左、右边缘点包含的区域为对应图像元的有效像素区域，而相邻图像元的有效像素区域之间的部分称为无效像素区域。有效像素区域宽度p 1，无效像素区域宽度p 2以及图像元节距p′分别为：
(1)
(2)
(3)
其中，l为投影机与微图像阵列之间的距离，p为微透镜阵列的节距，f 1为微透镜阵列的焦距，k为投影机镜头的口径。
优选地，将无效像素区域的像素填充白色或黑色，以避免无效像素区域的像素发出的光线同时被相邻的两个透镜元折射而产生串扰图像。
所述根据图像元在微图像阵列中的位置设置图像元中心与对应透镜元中心的偏移量，如附图3所示，微图像阵列中第i列第j行图像元的中心与其对应透镜元中心的水平偏移量H i,j 和垂直偏移量V i,j 分别为：
(4)
(5)
其中M为微透镜阵列在水平方向上包含的透镜元个数，N为微透镜阵列在垂直方向上包含的透镜元个数。当H i,j >0时，图像元向左偏移，当H i,j <0时，图像元向右偏移，当V i,j >0时，图像元向下偏移，当V i,j <0时，图像元向上偏移。
所述各图像元有效像素区域中的像素发出的光线经过微透镜阵列和成像物镜折射，实现了大视角的集成成像3D显示，如附图4所示，各图像元有效像素区域两端的像素发出的光线，经过其对应透镜元折射后，成为平行光线，再由成像物镜折射，图像元的有效像素区域两端的两束光线在空间中所成的夹角为该透镜元的观看视角，而所有透镜元观看视角的公共区域就构成了该装置的3D观看视角，获得的3D观看视角如附图4中的灰色区域所示。
本发明通过设置有效像素区域，根据各图像元在微图像阵列中的位置设置其偏移量，并加入成像物镜，有效地避免了串扰图像的出现，并增大了3D观看视角。
附图说明
附图1为传统投影式集成成像3D显示装置示意图
附图2为传统投影式集成成像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投影式集成成像3D显示装置示意图
附图4为本发明装置的3D观看视角示意图
上述附图中的图示标号为：
1投影机，2微透镜阵列，3透镜元，4微图像阵列，5图像元，6传统装置的3D观看视角，7成像物镜，8本发明装置的3D观看视角。
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投影式集成成像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。
本发明提出一种投影式集成成像3D显示装置，如附图3所示，该装置包括投影机、微透镜阵列和成像物镜。微图像阵列由投影机直接投射在空间中，并使得微图像阵列与微透镜阵列的间距等于微透镜阵列的焦距，根据投影机边缘以及透镜元边缘设置图像元的有效像素区域，并根据图像元在微图像阵列中的位置设置图像元中心与对应透镜元中心的偏移量，各图像元有效像素区域中的像素发出的光线经过微透镜阵列和成像物镜折射，实现了大视角的集成成像3D显示。
投影机镜头的口径为k=60mm，投影机与微图像阵列的距离为l=300mm，微图像阵列和微透镜阵列分别包含100×100个图像元和透镜元，透镜元节距和焦距分别为p=1.27mm，f 1=3mm，微图像阵列与微透镜阵列的距离等于微透镜阵列的焦距f 1。
根据投影机边缘以及透镜元边缘设置图像元的有效像素区域，如附图3所示，投影机镜头下边缘与透镜元上边缘连线与微图像阵列的交点为上边缘点，同理，投影机镜头上边缘与透镜元下边缘连线与微图像阵列的交点为下边缘点，投影机镜头左边缘与透镜元右边缘连线与微图像阵列的交点为右边缘点，投影机镜头右边缘与透镜元左边缘连线与微图像阵列的交点为左边缘点，此上、下、左、右边缘点包含的区域为对应图像元的有效像素区域，而相邻图像元的有效像素区域之间的部分称为无效像素区域。根据公式（1），（2）和（3）计算出，有效像素区域宽度p 1，无效像素区域宽度p 2以及图像元节距p′分别为p 1=0.6634mm，p 2=0.5941mm，p′=1.2575mm。将无效像素区域的像素填充白色或黑色，以避免无效像素区域的像素发出的光线同时被相邻的两个透镜元折射而产生串扰图像。
根据公式（4）和（5）计算出各图像元的中心与其对应透镜元中心的水平偏移量H i,j 和垂直偏移量V i,j ，如第3列第7行的图像元的中心与其对应透镜元中心的水平偏移量H 3,7和垂直偏移量V 3,7分别为H 3,7=0.5973，V 3,7=0.5470。当H i,j >0时，图像元向左偏移，当H i,j <0时，图像元向右偏移，当V i,j >0时，图像元向下偏移，当V i,j <0时，图像元向上偏移。
如附图4所示，各图像元有效像素区域两端的像素发出的光线，经过其对应透镜元折射后，成为平行光线，再由成像物镜折射，图像元的有效像素区域两端的两束光线在空间中所成的夹角为该透镜元的观看视角，而所有透镜元观看视角的公共区域就构成了该装置的3D观看视角，获得的3D观看视角如附图4中的灰色区域所示。
本发明通过设置有效像素区域，根据各图像元在微图像阵列中的位置设置其偏移量，并加入成像物镜，有效地减小了串扰图像的出现，并增大了3D观看视角。

Claims (2)

1.一种投影式集成成像3D显示装置，该装置包括投影机、微透镜阵列和成像物镜，其特征在于，微图像阵列由投影机直接投射在空间中，并使得微图像阵列与微透镜阵列的间距等于微透镜阵列的焦距；根据投影机边缘以及透镜元边缘设置图像元的有效像素区域，投影机镜头下边缘与透镜元上边缘连线与微图像阵列的交点为上边缘点，同理，投影机镜头上边缘与透镜元下边缘连线与微图像阵列的交点为下边缘点，投影机镜头左边缘与透镜元右边缘连线与微图像阵列的交点为右边缘点，投影机镜头右边缘与透镜元左边缘连线与微图像阵列的交点为左边缘点，此上、下、左、右边缘点包含的区域为对应图像元的有效像素区域，而相邻图像元的有效像素区域之间的部分称为无效像素区域，有效像素区域宽度p 1，无效像素区域宽度p 2以及图像元节距p′分别为，和，其中，l为投影机与微图像阵列之间的距离，p为微透镜阵列的节距，f 1为微透镜阵列的焦距，k为投影机镜头的口径；并根据图像元在微图像阵列中的位置设置图像元中心与对应透镜元中心的偏移量，微图像阵列中第i列第j行图像元的中心与其对应透镜元中心的水平偏移量H i,j 和垂直偏移量V i,j 分别为，，其中M为微透镜阵列在水平方向上包含的透镜元个数，N为微透镜阵列在垂直方向上包含的透镜元个数，当H i,j >0时，图像元向左偏移，当H i,j <0时，图像元向右偏移，当V i,j >0时，图像元向下偏移，当V i,j <0时，图像元向上偏移；各图像元有效像素区域两端的像素发出的光线，经过其对应透镜元折射后，成为平行光线，再由成像物镜折射，图像元的有效像素区域两端的两束光线在空间中所成的夹角为该透镜元的观看视角，而所有透镜元观看视角的公共区域就构成了该装置的3D观看视角，实现了大视角的集成成像3D显示。
2.根据权利要求1所述的一种投影式集成成像3D显示装置，其特征在于，将无效像素区域的像素填充白色或黑色，以避免无效像素区域的像素发出的光线同时被相邻的两个透镜元折射而产生串扰图像。
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