CN104168470B - 一种无深度翻转三维成像系统 - Google Patents

Abstract

一种无深度翻转三维成像系统，包括：图像获取模块，该图像获取模块用于获取倒立一级像；图像翻转模块，该图像翻转模块用于将图像获取模块获取的一级像进行深度翻转得到二级像；采集模块，该采集模块与图像翻转模块相贴合，所述采集模块用于采集获二级像；显示模块，该显示模块用于将获取模块采集的二级像进行显示得到三维场景；所述图像获取模块、图像翻转模块、采集模块中心处于同一水平位置。本发明所述的一种无深度翻转三维成像系统，无需对图像进行二次获取，可单次实时获取无深度翻转像，无需任何数字计算，满足了实时性要求。

Description

一种无深度翻转三维成像系统

【技术领域】

本发明属于三维立体显示技术领域，具体涉及一种无深度翻转三维成像系统。

【背景技术】

集成成像是目前最有前景的三维显示技术之一，可以提供全彩色，准连续视差立体图像，并且不需要辅助观看设备等，无需相干光源，无视觉疲劳，因此得到了广泛应用。

传统集成成像将记录微单元图像阵列直接用于显示，如图1所示，传统集成成像在获取过程中，景物10经微透镜阵列11和位于微透镜阵列后焦面的图像传感器12对三维场景进行成像，得到一组微单元图像阵列。在重构过程，将记录的微单元图像阵列由图像传感器12显示，图像传感器放在微透镜阵列11的后焦面上，在微透镜阵列前方即可观看到三维重构图像13，但是三维重构图像13出现了深度翻转现象。

深度翻转一直是集成成像的瓶颈之一，研究者提出很多方法消除深度翻转效应。Ives等早在1931年提出两步光学记录模型，即将获取的微单元图像先进行光学重构，得到深度翻转的三维重构图像，对深度翻转的三维重构图像三维图像再次进行获取，将二次获取的微单元图像用于显示，即可消除深度翻转现象，但此方法需要额外的获取步骤，并且会导致图像退化。随后有人提出数字两步记录方法，即利用计算机模拟光学二次记录过程，但数字两步记录计算量大，难以满足实时性要求。

【发明内容】

针对现有技术不足，本发明提供一种无深度翻转三维成像系统，目的在于构造无深度翻转现象的集成成像系统，无需对图像进行二次获取，可单次实时获取无深度翻转像，无需任何数字计算，满足了实时性要求。

本发明提供一种无深度翻转三维成像系统，包括：

图像获取模块，该图像获取模块用于获取倒立一级像；

图像翻转模块，该图像翻转模块用于将图像获取模块获取的一级像进行深度翻转得到二级像；

采集模块，该采集模块与图像翻转模块相贴合，所述采集模块用于采集获二级像；

显示模块，该显示模块用于将获取模块采集的二级像进行显示得到三维场景；

所述图像获取模块、图像翻转模块、采集模块中心处于同一水平位置。

特别的，所述图像翻转模块为负折射率介质平板，该负折射率介质平板的折射率n₁为-1。

特别的，所述图像翻转模块高度大于获取模块高度，该图像翻转模块高度必须满足如下公式：

$H\≥[\frac{L}{g}+(N-1)]p,$

其中，N为微透镜个数，P为单个微透镜高度，L为物距，g为像距。

特别的，所述图像翻转模块与获取模块的上下端设有黑色屏障。

特别的，所述采集模块为负折射率微透镜阵列，该采集模块折射率n₂小于图像翻转模块折射率n₁。

特别的，所述显示模块为正折射率微透镜阵列，该显示模块折射率n₃等于-n₂。

特别的，所述图像获取模块为深度控制透镜。

相较于现有技术，本发明所提供的一种无深度翻转三维成像系统具有以下优点：

1.可单次实时获取无深度翻转像，无需二次获取；

2.成像过程中抑制图像降质，图像无畸变；

3.在深度翻转中图像分辨率无退化。

【附图说明】

图1为现有技术集成成像原理图；

图2为本发明负折射率介质平板的成像原理图；

图3为光在负折射率介质空间到负折射率介质组成的球面透镜阵列的传播原理图；

图4为物体于本发明无深度翻转成像系统中成像过程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

请参阅图2，不同深度的物体20(此处选取A、B和C)所发出的光线经空气21经过负折射率平板23的折射，在负折射率介质平板23中对应形成正立实像24(A′、B′、C′)，物体20和正立实像24位于折射界面22两侧，物距像距满足其中，n₀和n₁分别为空气与负折射率介质平板的折射率，I和I'分别为入射角与出射角，L和L'分别为物距与像距。于本实施例中，选取n₁＝-n₀＝-1，物距等于像距L'＝L。经过正折射率介质(即空气)和负折射率介质平板对从物体发出光线的折射作用，得到深度翻转的实像，这个实像相当于在二次获取过程中由直接获取微透镜直接重构出的深度翻转像，与二次获取微单元图像相比，此过程不存在图像降质因素。

请参阅图3，物体在负折射率平板中得到物体的深度翻转像A后；再由负折射率微透镜阵列30来记录此深度翻转像A′；之后深度翻转像A′经二维显示器31直接显示，在此过程中，负折射率微透镜阵列与正折射率微透镜阵列在集成成像的显示过程中是等效的。

请参阅图4，本发明提供的一种无深度翻转三维成像系统，包括

图像获取模块41，该图像获取模块41用于获取倒立一级像；

图像翻转模块43，该图像翻转模块43用于将图像获取模块获取的一级像进行深度翻转得到二级像；

采集模块45，该采集模块45与图像翻转模块43相贴合，所述采集模块用于采集获二级像；

显示模块48，该显示模块48用于将获取模块采集的二级像进行显示得到三维场景；

所述图像获取模块41、图像翻转模块43、采集模块45的中心处于同一水平位置，且所述图像获取模块41与图像翻转模块43之间的距离不大于焦距。

特别的，所述图像翻转模块43为负折射率介质平板，该负折射率介质平板的折射率n₁为-1，选用负折射率介质平板可实现无降质深度翻转像的获取。

特别的，所述图像翻转模块43高度大于获取模块45高度，该图像翻转模块43高度必须满足如下公式：

$H\≥[\frac{L}{g}+(N-1)]p,$

其中，N为微透镜个数，P为单个微透镜高度，L为物距，g为像距，通过图像翻转模块43高度大于获取模块45高度的设置，避免了处于边缘的单元微透镜处于无用区域。

特别的，所述图像翻转模块43与采集模块45的上下端设有黑色屏障44，通过黑色屏障的设置，消除了图像翻转模块43上下边缘所反射光线对成像造成的干扰。

特别的，所述采集模块45为负折射率微透镜阵列，该采集模块45折射率n₂小于图像翻转模块43折射率n₁，采集模块45与显示模块48均为负折射率材质，使得所成像与正折射率的光路相同，于本发明中，负折射率微透镜优选一面为平面、与平面相对应的一面为球面的微透镜，所述微透镜阵列由若干微透镜由上至下依次阵列而成，并且球面朝向一致。

特别的，所述显示模块48为正折射率微透镜阵列，该显示模块48折射率n₃等于-n₂，通过n₃＝-n₂的选取，使采集模块45与显示模块48参数匹配，成像过程中无需光场转化，所成三维重构像无畸变、无深度翻转，正折射率微透镜优选一面为平面、与平面相对应的一面为球面的微透镜，所述微透镜阵列由若干微透镜由上至下依次阵列而成，并且球面朝向一致。

特别的，所述图像获取模块41为深度控制透镜，该深度控制透镜的折射率为正折射率透镜。

于本发明实施例中，假设字母X和D作为三维景物40，经过图像获取模块41折射后形成倒立一级像42；一级像42经空气及图像翻转模块43深度翻转后得到二级像；获得的二级像再经由采集模块45的采集，获得无翻转二级像47；最后获得的无翻转二级像47经二维显示器46显示后由显示模块48显示，得到三维重构像49。

本发明所述的无深度翻转成像系，所述图像获取模块41(正折射率透镜)置于三维景物40与图像翻转模块43(负折射率介质平板)之间，如此设置可以使图像翻转模块43(负折射率介质平板)可以做的很薄，从而减小集成成像系统的体积。本发明所述的无深度翻转成像系不同于传统集成成像系统，获取物距和显示物距成反比，在重构显示时，重构景物位置深度和所成深度翻转像一致。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种无深度翻转三维成像系统，其特征在于，包括：

图像获取模块(41)，该图像获取模块(41)用于获取倒立一级像；

图像翻转模块(43)，该图像翻转模块(43)用于将图像获取模块获取的一级像进行深度翻转得到二级像；

采集模块(45)，该采集模块(45)与图像翻转模块(43)相贴合，所述采集模块用于采集二级像；

显示模块(48)，该显示模块(48)用于将采集模块采集的二级像进行显示得到三维重构像，

所述图像获取模块(41)、图像翻转模块(43)、采集模块(45)中心处于同一水平位置。

2.根据权利要求1所述的一种无深度翻转三维成像系统，其特征在于，所述图像翻转模块(43)为负折射率介质平板，该负折射率介质平板的折射率n₁为-1。

3.根据权利要求1所述的一种无深度翻转三维成像系统，其特征在于，所述图像翻转模块(43)高度大于采集模块(45)高度，该图像翻转模块(43)高度必须满足如下公式：

$H\≥\[\frac{L}{g}+(N-1)\]p,$

其中，N为采集模块中微透镜个数，P为采集模块中微透镜之间的间距，L为物距，g为像距。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种无深度翻转三维成像系统，其特征在于，所述图像翻转模块(43)与采集模块(45)的上下端设有黑色屏障(44)。

5.根据权利要求1所述的一种无深度翻转三维成像系统，其特征在于，所述采集模块(45)为负折射率微透镜阵列，该采集模块(45)折射率n₂小于图像翻转模块(43)折射率n₁。

6.根据权利要求1所述的一种无深度翻转三维成像系统，其特征在于，所述显示模块(48)为正折射率微透镜阵列，该显示模块(48)折射率n₃等于-n₂，n₂是采集模块中微透镜阵列的折射率。

7.根据权利要求1所述的一种无深度翻转三维成像系统，其特征在于，所述图像获取模块(41)为深度控制透镜。