CN103913939B

CN103913939B - 光栅扫描式立体曝光机

Info

Publication number: CN103913939B
Application number: CN201310000052.4A
Authority: CN
Inventors: 薄淑英
Original assignee: Three-Dimensional Science And Technology Ltd Co Of Beijing Kang Get Xin
Current assignee: The three-dimensional science and technology limited Company of Beijing Kang get Xin
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-01-04
Also published as: CN103913939A

Abstract

本发明公开了一种光栅扫描式立体曝光机，采用数码放大原理，用数码片夹作为图像源，通过放大镜头将图像投射到扫描光栅，对感光材料进行曝光。微位移扫描光栅进行多次曝光提高输出图像的横向分辨率。立体曝光机由图像处理控制平台、扫描曝光单元、冲印系统组成，冲印后的图像与立体光栅复合形成立体照片。与其它平面输出设备相比，其横向清晰度提高了10倍以上，具有精度高、立体感强的优点，特别是立体灯片的清晰度完全媲美高清晰的平面图像，观看舒适无眼晕感，可广泛应用于摄影行业、广告行业。

Description

光栅扫描式立体曝光机

技术领域：

本发明涉及一种数字图片输出设备，更具体地讲，涉及一种输出立体照片的数码曝光机，所述曝光机可用于立体照片、立体广告片的高精度输出。

背景技术：

主流数码彩扩机影像输出技术包括LASER技术和LDD技术。LASER技术即激光法，是通过红、绿、蓝三色激光管将数字电信号转化为红、绿、蓝光曝光于相纸，激光具有单色性好、几乎无扩散等特点，能制得清晰度、锐度非常高、色彩非常鲜明照片的特点，而且很容易实现大幅面的曝光。将激光束直接发送至相纸使之感光，不需要成像镜头的参与，而且一般是将红、绿、蓝三色激光器发出的三种不同颜色的激光束会聚到一起后在相纸上感光，因而几乎不存在色彩漂移现象，不存在画面边缘和画面中间影像清晰度不一的现象，可实现约200～400DPI的图像输出精度。

LDD技术采用投射式液晶屏(以下简称LCD)，LCD是一种投射式灰度TFT，液晶的分辨率为1200*1600，仅仅依靠液晶屏本身的相素扩印照片是远远不够的，因此这类产品往往通过相素的横向及纵向错动，分四个位置曝光和九个位置曝光来提高分辨率。在每个位置上需要经过红绿蓝三次曝光，因此制作一张数码照片需要动作12次和27次移位曝光。它采用逐点可调的LED阵列发光二极管作为光源，与逐点可调的LCD配合，拥有双重数码调节的能力，理论上可以达到的色彩层次灰阶为256*256，极大的优于液晶器件本身的层次。其次，由于光源逐点可调，可以对成像曝光中心的亮度和边缘的亮度分别调节，无须对数码图像进行任何调节，便可保证逐点曝光的均匀度，这样扩印出的照片，边缘与中心将拥有完全一致的层次。LED对相纸成像拥有与激光器相同的色纯度。因此，LDD扩印照片有很好的色彩表现力。通常情况下，Sony、Epson等厂家高温LCD的开口率为40-60％，采用“像素微动技术”通过成像像素在不同位置曝光来提高分辨率，在16寸以内的图像上可实现200～300DPI的输出精度。

另一种影像输出方式是采用高精度的写真喷绘机，EPSON大幅面打印机是输出光栅立体图像的首选。不足之处在于，墨点的扩散带来了图像相邻像素之间的融合，打印机的实际分辨率并不高，输出高于75线光栅立体图片的实际效果并不好就说明了这点。

用LASER曝光技术、LDD曝光技术以及高精度写真喷绘直接输出立体图像，均存在输出分辨率不够高的缺点。

立体照片输出的另一个途径是，将加载每一张视差序列图像的入射光分别以一定角度投射到柱镜光栅上，通过柱镜折射聚焦后对感光材料曝光。也就是说立体图像的合成是通过柱镜光栅实现的，图像具有较高的分辨率，但是大部分光线是斜入射的非近轴光，并不能聚焦成一条极细线，因此进一步提高图像分辨率存在障碍。

高清晰立体图像输出有如下要求：a，非对称输出精度，即极高的横向分辨率，2000～8000DPI，可以将更多的视差序列图像合成到立体图像中，降低立体照片前后景深处的重影，同时降低人像拍摄时“静止不动”的要求，避免了表情僵化；较低的纵向分辨率，可以减轻图像处理的运算量，减少曝光次数。b，立体图像像素具有较高的独立性，图像锐度好，主观感觉立体感强、清晰透彻；像素独立性差，融合度高的立体图像立体感差，不清晰。

发明内容：

本发明公开了一种光栅扫描式立体曝光机的结构和原理，目的在于提供一种具有横向高分辨率，像素独立性好，可以输出高清晰立体图像的曝光设备。

光栅扫描式立体曝光机采用数码放大原理，用数码片夹作为图像源，通过放大镜头将图像投射到扫描光栅，对感光材料进行曝光，微位移扫描光栅进行多次曝光提高输出图像的横向分辨率。立体曝光机由图像处理控制平台、扫描曝光单元、冲印系统组成，冲印后的图像还需要与立体光栅复合才能形成立体照片。

先说明几个容易混淆的概念。

扫描光栅与立体光栅的区别在于，扫描光栅是为了追求极致的扫描细线而设计的，充分考虑了衍射效应、像差、玻璃材质等因素，可以是狭缝光栅也可以是柱镜光栅，扫描光栅是曝光机的关键部件，因此成本不是考虑的重要因素；立体光栅是用来与立体图像复合成立体照片的，其成像质量和成本之间要均衡考虑，主要用透明塑料类材料来生产。扫描光栅与立体光栅的栅距可以相同也可以不同，相应的微动曝光序列图也有所区别。

视差序列图像、立体图像、微动曝光序列图像、成像芯片图像的区别：视差序列图像是立体拍摄得到的一系列具有水平方向视差的数字图像，将一系列视差序列图像抽样组合成一幅立体图像，将立体图像按曝光要求分解成一系列微动曝光序列图像进行微动曝光，更具体地，每幅微动序列图像需要分解成4幅或9幅RGB图像、12或27幅灰度图像显示在成像芯片上进行微动曝光。当扫描光栅的栅距与立体光栅相同时，视差序列图像与微动曝光序列图像是相同的，不需要合成立体图像的过程。

下面说明实现高清晰立体照片输出的过程。

图像处理控制平台完成三项功能：立体图像预处理，序列图微动曝光，扫描光栅移动。

立体图像预处理完成后，控制平台将微动曝光序列图分解成灰度图像在成像芯片上显示，并控制LED灯开关、成像芯片微移动，完成一个微动曝光过程。

每完成一次微动曝光过程后，控制平台控制驱动模块将扫描光栅在横向，即X方向移动一步，步长为d，横向分辨率V_x＝25.4/d，扫描光栅的栅距为D，共分M步扫描，即D＝M*d，需要M次微动曝光过程完成立体照片的曝光。当步长为5微米时，V_x＝5080dpi，要达到如此高的分辨率，必须保证透过扫描光栅达到曝光阈值的扫描线的宽度低于步长的2倍。

扫描曝光单元由数码片夹(1)、放大镜头(2)、扫描光栅(3)、感光材料吸附平台(4)和感光材料(5)构成，如图1所示。为了获得更细的扫描光线，需要让入射光线(6)尽可能正入射到扫描光栅(3)上，采用长焦距放大镜头增大投射距离，加入反光镜(7)，缩小扫描曝光单元占据的空间，如图2所示。

数码片夹(1)由成像芯片(9)和光源(8)组成，如图3所示，成像芯片是指LCD、Lcos、DMD等，还可以采用较大尺寸的视网膜屏作成像芯片；用LED作光源的数码片夹全电子控制，无快门，无滤色机构，结构简洁，运行稳定。LDD是数码片夹的一种类型，由红绿蓝三色LED组成矩阵式LED平行光源，透射式LCD作成像芯片，采用“像素微动技术”，数码片夹(1)与放大镜头(2)安装在一起，通过压电式陶瓷或机械定位装置控制LCD板，对像素施以微位移，以硬件插值法提升图像分辨率。受限于开口率，如图4A所示，在X、Y方向移动半个像素，两个像素间插入一个像素提高了曝光分辨率，如果在两个像素间强行插入两个像素，由于像素间重叠过多，分辨率提高非常有限，但可以平滑像素网格的痕迹，减轻与立体光栅复合后出现的网纹，也就是说1200*1600的LCD采用像素微动技术分辨率可以提高到2400*3200。要进一步提升纵向分辨率，可用横向狭缝光栅作掩模遮挡像素来降低纵向开口率，如图4B所示。一般情况下XY方向各移动一次，共12次曝光就可以完成一个微动曝光过程。

微动曝光序列图像的像素尺寸就是微动曝光的分辨率P_X*P_Y，其单位是像素而不是dpi，立体图像的纵向像素数也是P_Y，扫描光栅的总线数是指立体照片幅宽W内的光栅线总数P_w，P_w＝W/D，要求P_X≥P_w。当需要曝光的立体照片幅宽W很大时，可以增加扫描光栅的栅距D，增大与立体光栅的倍率N，理论上，最大输出幅面不受成像芯片分辨率的限制。

扫描光栅(3)支架固定在滑块(17)上，在驱动模块(18)的驱动下，滑块(17)沿着滑轨(16)在X向移动，由支座(15)固定滑轨(16)，如图5所示。驱动模块(18)的位移驱动由步进电机控制千分尺旋转实现，并用长度计实时测量位移量反馈给步进电机，位移精度可达1微米。扫描光栅(3)移动时，数码片夹(1)及放大镜头(2)与之作为整体一起移动效果更佳。

扫描光栅(3)分为狭缝扫描光栅和柱镜扫描光栅。

狭缝扫描光栅的基体是光学玻璃，透明度好，狭缝光栅位于玻璃的下面，正对感光材料的感光面，两者之间间隙越小越好，但必须可相对移动。狭缝扫描光栅如图6A所示，透光条(20)宽度约5～20微米，越细图像精度越高，但曝光时间越长，太细的狭缝同时带来严重的衍射现象。狭缝扫描光栅的设计和加工相对简单，可以根据不同立体光栅的栅距要求制作出一一对应的规格，很容易满足扫描光栅的栅距是立体光栅N倍的条件，N为整数，大多数情况下N＝1。由于成像芯片的像素存在网格结构，尽管微动曝光技术已经消除了大部分网格，与立体光栅复合时仍然可能出现让人不舒适的网纹，可以把扫描光栅的栅线设计成倾斜的角度θ，如图6B所示，预先优化的角度θ可以完全消除网纹，复合成立体照片时立体光栅也要倾斜相同的角度。

柱镜扫描光栅如图7所示，由玻璃基板(21)和柱面镜(22)构成。只需要满足聚焦平面正好处于相纸的感光面的条件，柱面镜朝向感光材料，或者朝向放大镜头均可。如图8A所示，镜头的出射光线(6)入射到玻璃基板(21)、经柱面镜(22)聚焦在感光材料(5)；如图8B所示，镜头的出射光线(6)入射到柱面镜(22)、穿过玻璃基板(21)聚焦在感光材料(5)。为了保证扫描光栅的平整度，玻璃基板有一定的厚度，而柱镜的焦距往往很短，相对来说图8A的方法更容易实现。

用立体光栅来代替柱镜扫描光栅是可行的，但不宜获得高质量的扫描线。专用的柱镜扫描光栅设计加工并不容易，无法与狭缝光栅一样制作出不同的规格来，我们需要设计一款通用性好的柱镜扫描光栅，以适应不同立体光栅栅距的需要。如图9所示，柱镜扫描光栅由玻璃基板(21)、狭缝光栅、柱面镜(22)构成。柱面镜的焦距相对较长，对感光面是否精确处于焦平面位置的宽容度较高；狭缝光栅由遮光条(23)和透光条(25)组成，作用有两个，其一，隔离远轴光线，提高聚焦精度，其二是增加微动曝光序列图列像素的隔离度，避免串像。

通用型扫描光栅的入射像素必须是可分离的。如果放大镜头的畸变较小，让微动曝光序列图像的每一列像素的分界线处于遮光条(23)的位置，如图10所示，一个完整的投影像素(26)左右两边被遮光条(23)遮挡，中间部分透过柱面镜聚焦在感光面上，因此每一列像素与每个扫描线一一对应；如果放大镜头的畸变较大，遮光条(23)的宽度必须大于像素宽度，以保证微动曝光序列图像的像素列分界线处于遮光条(23)的覆盖范围，这时数个像素列与一个扫描线对应。

立体图像预处理分两种情况。扫描光栅与立体光栅的栅距相同时，N＝1，将视差序列图像直接缩放、裁切成P_X*P_Y的微动曝光序列图。当N≠1时，先将视差序列图像按立体光栅栅距合成立体图像，归一化插值处理成横向分辨率为V_x，纵向像素为P_Y的立体图像，将立体图像每M列抽取一列像素组成新的图像，共分解出M幅P_w*P_Y的扫描图像T，保持高度P_Y不变，横向插值将扫描图像T变成可曝光的微动曝光序列图，像素尺寸变成P_X*P_Y。

当N为不等于1的整数，即扫描光栅的栅距是立体光栅的N倍，不用考虑投影镜头的畸变，直接将扫描图像T插值成微动曝光序列图；当N不为整数时，扫描光栅的栅距与立体光栅无相关，也就是说立体照片的栅距是任意给定的，对扫描图像T插值处理的同时还需要进行补偿校正，以保证扫描图像T的每一列像素对应到扫描光栅的每一个扫描线。

微动曝光序列图进一步可分解成4幅大小为(P_X/2)*(P_Y/2)的RGB图像，12幅(P_X/2)*(P_Y/2)的灰度图像G，分别记为G(0，r)，G(0，g)，G(0，b)，G(1，r)，G(1，g)，G(1，b)，G(2，r)，G(2，g)，G(2，b)，G(3，r)，G(3，g)，G(3，b)。一个微动曝光的具体过程为：

LCD在原位置0，显示图像G(0，r)，开红色LED灯曝光，关闭红色LED灯；显示图像G(0，g)，开绿色LED灯曝光，关闭绿色LED灯；显示图像G(0，b)，开蓝色LED灯曝光，关闭蓝色LED灯。LCD在X正向移动半个像素点距到位置1，显示图像G(1，r)，开红色LED灯曝光，关闭红色LED灯；显示图像G(1，g)，开绿色LED灯曝光，关闭绿色LED灯；显示图像G(1，b)，开蓝色LED灯曝光，关闭蓝色LED灯。LCD在Y负向移动半个像素点距到位置2，显示图像G(2，r)，开红色LED灯曝光，关闭红色LED灯；显示图像G(2，g)，开绿色LED灯曝光，关闭绿色LED灯；显示图像G(2，b)，开蓝色LED灯曝光，关闭蓝色LED灯。LCD在X负向移动半个像素点距到位置3，显示图像G(3，r)，开红色LED灯曝光，关闭红色LED灯；显示图像G(3，g)，开绿色LED灯曝光，关闭绿色LED灯；显示图像G(3，b)，开蓝色LED灯曝光，关闭蓝色LED灯。LCD在Y正向移动半个像素点距到位置0，曝光完毕。

一个扫描线曝光过程包括：将一幅微动曝光序列图进行一次完整的微动曝光过程，然后扫描光栅在X向移动一个步长d。

立体照片完整的曝光周期包括M次扫描线曝光的过程。

附图说明：

图1是扫描曝光单元结构示意图。

图2是加入反射镜的扫描曝光单元结构示意图。

图3是数码片夹结构示意图。

图4A是LCD成像芯片像素示意图，图4B是加入横向掩模后LCD成像芯片像素示意图。

图5是光栅移位曝光扫描支架的结构示意图。

图6A是狭缝扫描光栅结构示意图，图6B是斜纹狭缝扫描光栅结构示意图。

图7是柱镜扫描光栅结构示意图。

图8A是光线正入射柱镜面示意图，图8B是光线背入射柱镜面示意图。

图9是通用型扫描光栅结构示意图。

图10是图像投影到通用型扫描光栅像素位置关系示意图。

上述各附图中的图示标号为：

1数码片夹，2放大镜头，3扫描光栅，4感光材料吸附平台，5感光材料，6入射光线，7反光镜，8光源，9成像芯片，10RGB平行光，11成像芯片上的像素，12像素间的暗间隔，13纵向缩小的像素，14增大的暗间隔，15支座，16滑轨，17滑块，18驱动模块，19狭缝扫描光栅的遮光条，20狭缝扫描光栅的透光条，21玻璃基板，22柱镜扫描光栅的柱面镜，23遮光条，24柱面镜聚焦形成垂直于纸面的扫描细线，25透光条，26投影像素。

本发明公开的光栅扫描式立体曝光机，与平面输出设备相比，其横向清晰度提高了10倍以上，立体照片输出具有精度高、立体感强的优点，特别是输出的立体灯片，其清晰度完全媲美高精度的平面图像，观看舒适无眼晕感，可广泛应用于摄影行业、广告行业。

具体实施方式：

光栅扫描式立体曝光机由图像处理控制平台、扫描曝光单元、冲印系统组成，冲印系统与普通平面彩扩机相同。扫描曝光单元的数码片夹采用透射式灰度LCD作为成像芯片，分辨率为1200*1600，可控曝光时间的RGB三色LED作光源，采用12次的微动曝光程序，微动曝光分辨率为2400*3200。

狭缝扫描光栅的栅距为0.362mm，与70线立体光栅栅距相同，透光条宽度为10微米，移动步长为6.03微米，M＝60次，横向分辨率为4210dpi。扫描光栅的有效幅面为600mm*800mm，可输出同画幅的立体照片，视差序列图像的像素尺寸缩放至2400*3200，最佳数目为60幅，如果不够可重复到60幅，如果多余则删减至60幅。感光材料被吸附在平台上，与扫描光栅的间距不大于0.2mm。立体照片完整的曝光周期如下：

扫描光栅位于原点，微动曝光视差序列图像T₀；

扫描光栅右移6.03微米，微动曝光视差序列图像T₁；

扫描光栅右移6.03微米，微动曝光视差序列图像T₂；

扫描光栅右移6.03微米，微动曝光视差序列图像T₃；A

扫描光栅右移6.03微米，微动曝光视差序列图像T₅₈；

扫描光栅右移6.03微米，微动曝光视差序列图像T₅₉。

曝光完毕，扫描光栅左移回到原点位置。扫描光栅的移位精度是1微米，位移量四舍五入取整，并将误差累计进入下一步。感光相纸或灯片曝光完成后进行冲洗、干燥，贴合立体光栅形成立体照片。

对以上实施方式稍作改变，可组成通用型柱镜光栅扫描式立体曝光机。

柱镜扫描光栅的栅距为1.27mm，遮光条宽度为0.5mm，移动步长为5微米，M＝254次，横向分辨率为5080dpi。扫描光栅的玻璃基板厚度大于5mm，有效幅面为900mm*1200mm，可输出同画幅的立体照片，感光材料被吸附在平台上，为了保持平整度，扫描光栅与感光材料吸附平台均竖立安装，两者的间距可精细调整，以保证光栅聚焦的精确度。

曝光之前先将视差序列图像按立体光栅栅距合成立体图像，归一化插值处理成横向分辨率为5080dpi，纵向像素为3200的立体图像，将立体图像每254列抽取一列像素组成新的图像，共分解出254幅709*3200的扫描图像T，插值并进行投影补偿校正，将扫描图像T变成可曝光的微动曝光序列图，像素尺寸变成2400*3200，扫描图像T的每一列像素对应到扫描光栅的每一个扫描线上，可以输出任意光栅栅距的超高精度立体照片。

Claims

1.一种光栅扫描式立体曝光机，其特征在于，由图像处理控制平台、扫描曝光单元、冲印系统组成；

所述图像处理控制平台用于立体图像预处理、序列图微动曝光、扫描光栅移动；

扫描曝光单元由数码片夹(1)、放大镜头(2)、扫描光栅(3)、感光材料吸附平台(4)和感光材料(5)构成，用数码片夹作为图像源，通过放大镜头将图像投射到扫描光栅，对感光材料进行曝光，微位移扫描光栅进行多次曝光提高输出图像的横向分辨率；

图像处理控制平台完成立体图像预处理后，将微动曝光序列图分解成灰度图像在数码片夹的成像芯片上显示，并控制LED灯开关、成像芯片微移动，完成一个微动曝光过程，然后控制驱动模块将扫描光栅在X方向移动一步，步长为d，横向分辨率V_x＝25.4/d，扫描光栅的栅距D＝M*d，共分M步扫描，即M次微动曝光过程完成立体照片的曝光，透过扫描光栅达到曝光阈值的扫描线的宽度低于步长的2倍，微动曝光序列图像的像素尺寸就是微动曝光的分辨率P_X*P_Y，P_Y为纵向分辨率，其横向分辨率P_X不小于扫描光栅的总线数P_w。

2.如权利要求1所述的立体曝光机，其特征还在于，扫描光栅采用狭缝光栅，基体是透明度好的光学玻璃，狭缝光栅位于玻璃正对感光材料的一面，扫描光栅的栅距D是立体光栅的N倍，N为整数。

3.如权利要求1所述的立体曝光机，其特征还在于，扫描光栅采用柱镜光栅，由玻璃基板(21)和柱面镜(22)构成，聚焦平面正好处于感光材料的感光面，柱面镜可以朝向感光材料，也可以朝向放大镜头。

4.如权利要求3所述的立体曝光机，其特征还在于，柱镜光栅由玻璃基板(21)、狭缝光栅、柱面镜(22)构成，柱面镜的焦距相对较长，狭缝光栅由遮光条(23)和透光条(25)组成，作用有两个，其一，隔离远轴光线，提高聚焦精度，其二是增加微动曝光序列图列像素的隔离度，避免串像。

5.如权利要求1所述的立体曝光机，其特征还在于，扫描光栅与立体光栅的栅距相同，N＝1，将视差序列图像直接缩放、裁切成P_X*P_Y的微动曝光序列图进行曝光。

6.如权利要求1所述的立体曝光机，其特征还在于，当N≠1时，将视差序列图像按立体光栅栅距合成立体图像，归一化插值处理成横向分辨率为V_x，纵向像素为P_Y的立体图像，将立体图像每M列抽取一列像素组成新的图像，共分解出M幅P_w*P_Y的扫描图像T，保持纵向像素P_Y不变，横向插值将扫描图像T变成可曝光的微动曝光序列图，像素尺寸变成P_X*P_Y，当N为不等于1的整数，即扫描光栅的栅距是立体光栅的N倍，不用考虑投影镜头的畸变，直接将扫描图像T插值成微动曝光序列图，当N不为整数时，对扫描图像T插值处理的同时还需要进行补偿校正，以保证扫描图像T的每一列像素对应到扫描光栅的每一个扫描线。

7.如权利要求1所述的立体曝光机，其特征还在于，用横向狭缝光栅作掩模遮挡像素来降低成像芯片的纵向开口率，提升纵向分辨率。

8.如权利要求1所述的立体曝光机，其特征还在于，可以把扫描光栅的栅线设计成预先优化的倾斜角度θ来消除与立体光栅复合时产生的网纹。

9.如权利要求1所述的立体曝光机，其特征还在于，扫描光栅(3)支架固定在滑块(17)上，在驱动模块(18)的驱动下，滑块(17)沿着滑轨(16)在X向移动，由支座(15)固定滑轨(16)，驱动模块(18)的位移驱动由步进电机控制千分尺旋转实现，并用长度计实时测量位移量反馈给步进电机，位移精度可达1微米。