CN103869484A - 光学4f系统的大成像深度三维显示系统中成像深度的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种光学4f系统的大成像深度三维显示系统中成像深度的实现方法。本发明属于基于光学4f系统的单目三维成像技术领域，主要为4f系统中频谱面上相位模板中各透镜的焦距和透镜对数选择提供依据。不同成像深度下人眼注视物距确定方法为，根据增强现实的虚拟部分要覆盖真实环境的范围，利用人眼注视在某一物平面时，远点和近点计算公式，采用一种循环迭代的计算方法，逐一算出注视物距s_i，i=1,2……m。计算出s_i后，根据注视物距s_i与相位模板透镜焦距f之间已有的关系式计算出相位模板中不同透镜的焦距和透镜数m对。

Description

光学4f系统的大成像深度三维显示系统中成像深度的确定方法

技术领域

本发明属于基于光学4f系统的单目三维成像技术领域，主要为一种4f系统中相位模板中透镜的焦距和透镜对数的确定提供相关依据。 

背景技术

三维显示技术相比平面显示更能真实的反应现实世界，给人以身临其境的感觉，在娱乐，医学，教育等领域有着广泛的应用前景。目前发展比较成熟的有基于双目视差的三维显示技术，但是这种显示技术所形成的三维图像成像深度小，长时间观看易疲劳，且只能应用于双目显示系统中，无法实现大景深三维显示。 

发明内容

本发明的目的是解决现有三维显示技术成像深度小，长时间观看易疲劳，且只能应用于双目显示系统中的问题，提供一种光学4f系统的大成像深度三维显示系统中相位模板的设计方法，为相位模板的透镜焦距和透镜对数的选择提供依据。 

本发明提供的光学4f系统的大成像深度三维显示系统中成像深度的实现方法，不同成像深度下对应的注视物距确定步骤如下： 

第1、确定增强现实的虚拟部分要覆盖真实环境的范围，表示为距离从L₁到L₂，其中L₁<L₂，当覆盖范围到无穷大时，L₂=+∞;

第2、根据增强现实虚拟部分所要成像的范围，即L₁到L₂，确定选取m个像面就可以覆盖整个人眼清晰成像的范围，即L₁到L₂，m为大于1的整数。

第3、根据选取的m，确定注视物距s_i，i=1，…m；根据人眼在不同物距的景深范围，确定出在注视物距s_i时，人眼可看清的范围为：Ls_i1到Ls_i2，其中：Ls_i1<Ls_i2，当覆盖范围到无穷大时，Ls_i2=+∞； 

第4、当L₂≠+∞时，增强现实的虚拟部分要覆盖真实环境的范围表示为L₂-L₁，且                                                   

；

第5、当L₂=+∞时，选取s_m，使人眼在该物距时的景深为+∞到L₂’，则其余的m-1个增强现实的虚拟部分要覆盖真实环境的范围表示为L₂’-L₁，且   

。

以上第2步所述m值及第3步所述注视物距s_i的具体确定方法为： 

方法1：理论计算法

步骤一、根据人眼景深公式，可知当人眼聚焦在m个像面中的一个时，近点距离   

,远点距离   

，公式中s_i为注视物距；P为视网膜上允许模糊圈直径值，视力1.0时，该值为0.005mm；d为瞳孔直径，一般人眼瞳孔距为3至8mm;D为眼光系的总折光力，以58.64D计；

步骤二、像面个数m及对应注视物距s_i的确定计算方法如下：

（1）虚拟部分覆盖范围最远距离为L₂，令S_F=L₂，即   

，在给定的P、D、d值下可解得注视物距s_i，记为s_m；

（2）将（1）中计算得到的s_m代入近点距离公式中，即   

,可得近点距离S_N；

（3）将（2）中计算得到的S_N代入远点距离公式中，以S_N替换S_F可计算得注视物距，结果记为s_m-1；

（4）重复步骤（2）（3），直至计算出注视物距s₁，使得s₁满足   

。

采用这种循环迭代求解法，便可求得注视物距s₁、s₂……s_m，进而m值确定。 

方法2：图解法 

步骤一、根据近点距离和远点距离公式分别画出近点距离与注视物距的关系图像，以及远点距离与注视物距的关系图像；

步骤二、根据要覆盖的范围L₁到L₂，令L₂=L_Sm2,在步骤一确定的远点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m，L_Sm2），进而注视物距s_m值确定，物理意义为当人眼聚焦在注视物距为s_m的平面上时，人眼在不调焦的情况下，能清晰看清的最远点距离为L_Sm2；

步骤三、根据步骤二确定的s_m值，在步骤一确定的近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m，L_Sm1），物理意义为当人眼聚焦在注视物距为s_m的平面上时，人眼在不调焦的情况下，能清晰看清的最远点距离为L_Sm2；

步骤四、根据步骤三确定的L_Sm1，令L_S（m-1）2= L_Sm1，在远点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m-1，L_S（m-1）2），确定注视物距s_m-1；

步骤五、根据步骤四确定的s_m-1值，在近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m-1，L_S（m-1）1）；

步骤六、重复上述步骤，直到在近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s₁，L₁₁），且L₁₁满足L₁₁≤L₁为止，至此，s₁、s₂…s_m-1、s_m值确定，m值也随之确定。

  

本发明的优点和积极效果：

本发明为一种光学4f系统在不同成像深度下，相位模板透镜焦距和透镜对数的选择，提供了一种方法，计算方法简单，便于操作。

本发明提供的计算方法为相位模板的设计有积极的贡献，应用到这种光学4f系统中，可实现大成像深度的三位显示，使其在实时的三维显示和增强现实技术的三维显示技术中具有潜在的应用价值。 

附图说明

图1为图解法m值求解过程示意图，其中，a为远点距离与注视物距关系图，b为近点距离与注视物距关系图。 

图2为包含远点距离与注视物距关系图和近点距离与注视物距关系图，说明实施例中采用图解法的求解过程。 

   

具体实施方式

本发明依据主要公式是人眼聚焦在某一物平面的近点和远点公式，根据增强现实虚拟部分所要成像的范围确定了不同成像深度下人眼注视物距值及值的个数，进而根据相位模板透镜焦距与注视物距间的关系式   

，f为4f系统的透镜焦距，f_si相位模板的焦距，s_i为注视物距，可求得相位模板m对透镜的焦距值。 

实施例1

实现虚拟部分成像范围为2米至100米，近点远点距离公式中的P为视网膜上允许模糊圈直径值，视力1.0时，该值为0.005毫米；d为瞳孔直径，一般人眼瞳孔直径为3至8毫米，本例中取d值为3.5毫米;D为眼光系的总折光力，以58.64D计。

像面个数m及注视物距s_i的具体确定方法 

     方法一、采用理论计算的方法步骤如下：

（1）    令S_F=100m，代入远点距离公式得   

，解得s_i=10.68米，记为s_m=10.68米。

（2）    将步骤（1）中求得的s_m代入近点距离公式，得   

=5.64米。 

（3）    将S_F替换为S_N，有   

，解得s_i-1=3.83米，记为s_m-1。

（4）    将s_m-1代入近点距离公式可求得   =2.90米。 

（5）    同步骤（3），将S_F替换为S_N，有   

，解得s_i-2=2.33米，记为s_m-2。 

（6）    同步骤（4），将s_m-2代入近点距离公式，   

 =1.95米。此时，L1满足L1=2m≥1.95m，计算已经符合要求。且m=3 

s₁=2.33米     s₂=3.83米     s₃=10.68米。

（7）根据相位模板透镜焦距与注视物距间的关系式   

，本例中傅里叶透镜焦距f取240mm，可计算得相位模板不同焦距透镜焦距分别为 

f_S1=-27.6mm          f_S2=-16.0mm          f_S3=-5.5mm

则相位模板由焦距分别为-27.6mm、-16.0mm、-5.5mm的3对透镜组成。

实施例2

方法二、采用图解法，具体步骤如下：

（1）       在P=0.005mm、d=3.5mm、D=58.64D下，利用matlab分别画出远点距离、近点距离与注视物距的函数图像，如图2所示。

（2）       按照权利要求书里介绍的步骤找出各个点，如图2所示。 

步骤一、根据近点距离和远点距离公式分别画出近点距离与注视物距的关系图像，以及远点距离与注视物距的关系图像； 

步骤二、根据要覆盖的范围L₁到L₂，L₁=2米，L₂=100米，令L₂=L_Sm2=100米,在步骤一确定的远点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m，L_Sm2），进而注视物距s_m值确定，s_m=10.68米，物理意义为当人眼聚焦在注视物距为s_m的平面上时，人眼在不调焦的情况下，能清晰看清的最远点距离为L_Sm2；

步骤三、根据步骤二确定的s_m值，在步骤一确定的近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m，L_Sm1），该点为（10.68，5.64），物理意义为当人眼聚焦在注视物距为s_m的平面上时，人眼在不调焦的情况下，能清晰看清的最远点距离为L_Sm2；

步骤四、根据步骤三确定的L_Sm1，令L_S（m-1）2= L_Sm1=5.64，在远点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m-1，L_S（m-1）2），该点为（3.83，5.64），确定注视物距s_m-1；

步骤五、根据步骤四确定的s_m-1值，在近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m-1，L_S（m-1）1），该点为（3.83，2.90）；

步骤六、重复上述步骤，直到在近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s₁，L₁₁），该点为（2.33，1.95），且L₁₁满足L₁₁≤L₁为止，至此，s₁、s₂…s_m-1、s_m值确定，m值也随之确定，图2中要确定的m值为3，s₁=2.33米 、s₂=3.83米 、s₃=10.68米。

相位模板焦距的确定和实施例1中步骤（7）相同。 

Claims (3)

1.一种光学4f系统的大成像深度三维显示系统中成像深度的实现方法，不同成像深度下对应的注视物距确定步骤如下：

第1、确定增强现实的虚拟部分要覆盖真实环境的范围，表示为距离从L₁到L₂，其中L₁<L₂，当覆盖范围到无穷大时，L₂=+∞;

第2、根据增强现实虚拟部分所要成像的范围，即L₁到L₂，确定选取m个像面就能够覆盖整个人眼清晰成像的范围，即L₁到L₂，m为大于1的整数；

第3、根据选取的m，确定注视物距s_i，i=1，…m；根据人眼在不同物距的景深范围，确定出在注视物距s_i时，人眼看清的范围为：Ls_i1到Ls_i2，其中：Ls_i1<Ls_i2，当覆盖范围到无穷大时，Ls_i2=+∞；

第4、当L₂≠+∞时，增强现实的虚拟部分要覆盖真实环境的范围表示为L₂-L₁，且                                                   

；

第5、当L₂=+∞时，选取s_m，使人眼在该物距时的景深为+∞到L₂’，则其余的m-1个增强现实的虚拟部分要覆盖真实环境的范围表示为L₂’-L₁，且   

。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述m值及注视物距s_i的具体确定方法为：

步骤一：根据人眼景深公式，可知当人眼聚焦在m个像面中的一个时，近点距离   

,远点距离   

，公式中s_i为注视物距；P为视网膜上允许模糊圈直径值，视力1.0时，该值为0.005mm；d为瞳孔直径，一般人眼瞳孔距为3至8mm;D为眼光系的总折光力，以58.64D计；

步骤二：像面个数m及对应注视物距s_i的确定计算方法如下：

（1）虚拟部分覆盖范围最远距离为L₂，令S_F=L₂，即   

，在给定的P、D、d值下解得注视物距s_i，记为s_m；

（2）将（1）中计算得到的s_m代入近点距离公式中，即   

，得近点距离S_N；

（3）将（2）中计算得到的S_N代入远点距离公式中，以S_N替换S_F计算得注视物距，结果记为s_m-1；

（4）重复步骤（2）（3），直至计算出注视物距s₁，s₁满足   

；

采用这种循环迭代求解法，便能够求得注视物距s₁、s₂……s_m，进而m值确定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述m值及注视物距s_i的具体确定方法为：

步骤一、根据近点距离和远点距离公式分别画出近点距离与注视物距的关系图像，以及远点距离与注视物距的关系图像；

步骤二、根据要覆盖的范围L₁到L₂，令L₂=L_Sm2,在步骤一确定的远点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m，L_Sm2），进而注视物距s_m值确定，物理意义为当人眼聚焦在注视物距为s_m的平面上时，人眼在不调焦的情况下，能清晰看清的最远点距离为L_Sm2；

步骤三、根据步骤二确定的s_m值，在步骤一确定的近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m，L_Sm1），物理意义为当人眼聚焦在注视物距为s_m的平面上时，人眼在不调焦的情况下，能清晰看清的最远点距离为L_Sm2；

步骤四、根据步骤三确定的L_Sm1，令L_S（m-1）2= L_Sm1，在远点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m-1，L_S（m-1）2），确定注视物距s_m-1；

步骤五、根据步骤四确定的s_m-1值，在近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s_m-1，L_S（m-1）1）；

步骤六、重复上述步骤，直到在近点距离与注视物距的关系图像中找到点（s₁，L₁₁），且L₁₁满足L₁₁≤L₁为止，至此，s₁、s₂…s_m-1、s_m值确定，m值也随之确定。

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