CN105425404A - 一种集成成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种集成成像光学系统，包括光学单元阵列、微图像阵列；光学单元阵列包括若干微光学单元；该光学单元阵列用以使焦平面上的点发散到空间中的各个方向；微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素单元；微图像单元的显示图层位于微光学单元的焦平面附近；各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，在设定界面形成对应的微图像；所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像。本发明可以实现垂直于物理显示平面并且成实像的悬浮显示效果，具有很强的科技感和未来感。本发明可以通过拼接显示的方式，实现360度全视角的三维显示，有效减少了实现复杂三维场景的数据量。并且有效的消除了人眼观看的疲劳感。

Description

一种集成成像光学系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种光学系统，尤其涉及一种集成成像光学系统。

背景技术

视觉是人类感知世界的主要途径，人类获取的信息约80％来自于视觉，长期以来，表达可视信息的主要方法仍然是二维显示。传统的二维显示技术遗失了真实物理世界的深度信息，无法准确表达三维空间关系，而且只能呈现单个角度上物体的表面特性。这一缺陷严重地阻碍了人类对客观世界的感知，如何在真实物理空间实现三维重现一直是人们孜孜以求的目标。为了真实地描述客观三维世界，人们努力用各种方法在空间里呈现出虚拟的三维场景。三维显示在传统二维显示的基础上通过提供各种生理和心理上的调节线索产生深度暗示，并通过大脑进行融合形成三维感知。

在现有的三维显示技术中，集成成像法(IntegralImaging)是一种重要的三维显示技术，该技术由法国科学家Lippmann于1908年提出的集成摄像术(Integralphotography)发展而来。集成成像通过二维透镜阵列来记录和再现真实三维场景，原理图如图1a、图1b所示。在记录过程中，透镜阵列中每个透镜对三维场景进行成像，得到一系列独立的二维图像，这些图像分别称作元素图像。元素图像各不相同，它们表示的是透镜从不同视角记录得到的三维物体的信息。所有元素图像在记录介质上的排列称为元素图像阵列，元素图像阵列包含了物体的三维信息。再现过程中，元素图像阵列由显示面板显示出来，显示面板前面放置透镜阵列，元素图像发出的光线经过透镜阵列后在像空间集成出一个个体像素点，所有的这些像素点构成了三维物体的像。因此集成成像是一种真三维显示技术，由于集成成像技术得到的三维图像包含连续的视差信息，观看者在不同位置看到的三维信息是不同的。与同样是真三维显示技术的全息术相比，集成成像在记录和再现时不需要相干光源，而且实时性较好，可实时再现动态三维场景。同体显示技术相比，集成成像技术具有结构简单、易实现、实时性好的优势。集成成像还是一种“裸眼"三维显示技术，观看者在观看时不需要佩戴立体眼镜及其它辅助器件。此外，集成成像的元素图像阵列是二维的，可以和现有的比较成熟的二维图像处理方法和显示技术结合起来。以上的这些特点使得集成成像技术在三维显示领域有着良好的发展前景。

传统的集成成像在再现三维场景时，只有一个和显示面板共轭的像平面，当再现三维像的像面偏离这个平面时，分辨率就会下降的很厉害。人们把和显示面板共轭的那个面称作中心深度平面(CentralDepthPlane，简称CDP)。传统的集成成像的CDP平面平行于显示平面，重建图像深度区域小，这制约了集成成像三维显示的商业化。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的集成成像光学系统，以便克服现有光学系统存在的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种集成成像光学系统，可以实现在与物理显示平面形成一定夹角的平面上形成多个中心深度平面CDP，多个中心深度平面拼接形成一个与物理显示平面形成一定夹角的CDP平面。并且在空间中的像为实像，具有悬浮显示效果，有很强的科技感和未来感。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种集成成像光学系统，所述光学系统包括：光学单元阵列、微图像阵列；

所述光学单元阵列包括若干微光学单元，微光学单元的主面或者微光学单元主面的像面与微图像阵列形成的平面形成一定的角度β，0≤β＜180°；该光学单元阵列用以使微图像单元内的像素点发散到空间中的各个方向；

所述微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素点；微图像单元或者该微图像单元的像面位于微光学单元的焦平面附近；微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面成一定夹角α，0≤α＜180°；

各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，不同微光学单元下的微图像单元的对应像素点在设定界面汇聚为一点，形成空间中悬浮图像中的一点；所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像；形成的总体图像与微图像阵列形成的平面形成夹角。

作为本发明的一种优选方案，所述光学系统还包括微光线折变单元阵列，微光线折变单元阵列包括若干微光线折变单元，微光线折变单元用以改变微图像单元出射光线的传播方向，微图像单元或者微光学单元的主面经过微光线折变单元产生的像面与微图像阵列形成的平面形成一定夹角。

作为本发明的一种优选方案，所述微图像阵列包括m*n个微图像单元，各个微图像单元的像素为s*t，微图像单元通过微光学单元在空间中形成的像重合在了一起，在设定界面形成的总体图像的像素为s*t。

作为本发明的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间中任意成像点的坐标为(x_i，y_i，z_i)，微光学单元光心或者该微光学单元光心的像的坐标为(x_o，y_o，z_o),微光学单元的焦距为f,则该微光学单元对应的单元图像中的子像素或者该子像素的像的坐标(x,y,z)满足关系式 $y=\frac{f*\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})(y_0-y_1)}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-f*\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})}+y_o,z=\frac{f*d*\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-f*\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})}+z_o,$ 其中d为微光学单元光心到空间所成图像的中心深度平面CDP的距离，d满足关系式d＝(z_i*tanω+(x_o-x_i))*cosω，CDP平面与Y-Z平面的夹角为ω，微光学单元的主面或者该主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β，θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角。

作为本发明的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间所成图像的中心深度平面CDP与竖直平面Y-Z的夹角为ω。微图像单元为平面。微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角α满足公式 $\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\frac{k-\tan \mathrm{\ω}}{1+k*\tan \mathrm{\ω}},k=tan(a+\mathrm{\ω})=\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})-\frac{f}{d*\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})},$ 其中d为微光学单元光心到CDP平面的距离，微光学单元的主面或者该微光学单元主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β,微光学单元的焦距为f；

当空间所成图像的中心深度平面CDP垂直于微图像阵列形成的平面时，微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角为

作为本发明的一种优选方案，微光学单元阵列中不同的微光学单元的主面或者该主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角β为相同；

微单元图像阵列中不同的微单元图像或者该微单元图像的像面与微图像阵列形成的平面的夹角α为相同；

微单元图像阵列中经过集成成像光学系统具有相同俯仰角θ的出射光线的子像素在空间成像中心深度平面CDP上成的像具有相同的放大倍数k_θ；

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，对于m行、n列的微光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；每一列中的微光学单元焦距相同，列与列之间的微光学单元焦距为不同，沿x方向的每一列的微光学单元的焦距线性增加；对于第n列微光学单元的焦距为其中dn为第n列微光学单元的光心到空间成像中心深度平面CDP的距离，d为距离中心深度平面CDP最近的微光学单元的光心到CDP平面的距离，f为该点微光学单元的焦距；

对于m行、n列的微光学单元阵列每一列中的微光学单元的孔径相同，列与列之间的微光学单元孔径为不同，沿x方向的每一列微光学单元的孔径尺寸线性增加；

作为本发明的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，对于m行、n列的微光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；微光学单元阵列中每一列的微光学单元的主面或者主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角β为相同，不同列的夹角β为不相同；空间成像中心深度平面CDP的中心点距离微图像阵列形成的平面的距离为定值h,距离每一列微光学单元光心的距离dn为不相同；每一列微光学单元的主面或者该主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角

作为本发明的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；微光学单元与空间成像点之间的距离为l_θ,满足关系式微光学单元下的像素点距离微光学单元光心的距离为g_θ,满足关系式其中空间所成图像的中心深度平面CDP与竖直平面Y-Z的夹角为ω，d为该点微光学单元光心到CDP平面的距离，f为微光学单元的焦距，β为微光学单元的主面或者主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角；θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角。

作为本发明的一种优选方案，空间中任意单元图像中的子像素P,P点坐标为(x,y,z)，经过集成成像光学系统按照任意角度(θ，φ)在空间中投射成像，任意子像素P在中心深度平面CDP上成的像的大小都是相同的,并且像与像之间的间距相同；θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线的俯仰角，φ为像素点通过集成成像光学系统出射光线的水平方位角。

作为本发明的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；通过集成成像光学系统对应于不同俯仰角θ出射光线的微单元图像中的子像素，在空间成像的中心深度平面CDP上成的像具有不同的放大倍数k_θ， $k_{\mathrm{\θ}}=\frac{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})}{f}+\frac{d*\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})}{f}*tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})-1,$ 其中ω为CDP平面与竖直平面Y-Z的夹角，d为该点微光学单元的光心到CDP平面的距离，f为微光学单元的焦距，β为微光学单元的主面或者该主面的像面与水平面X-Y平面的夹角,θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角；

微图像单元平面或该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面X-Y成一定夹角α，将该平面定义为Y-U平面；对于s行t列的单元图像子像素阵列，t列沿着Y方向排列，s行沿着U方向排列；微光学单元中的每一行子像素的大小a和间距p设置为相同，不同行的子像素的大小a和间距p设置为不相同,满足关系式A为该像素在CDP平面形成的像的大小,P_i为空间平面成像的像素间距，k_θ为出射光线俯仰角为θ的子像素在空间中成像的放大倍数；

微图像单元中的每一行子像素的放大倍数k_θ随着其经过集成成像光学系统出射光线的俯仰角θ增加而线性增加；每一行子像素的大小a和间距p随着其经过集成成像光学系统出射光线的俯仰角θ的增加而线性减小。

作为本发明的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，微图像单元平面或微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面X-Y成一定夹角α，将该平面定义为Y-U平面；对于s行t列的单元图像子像素阵列，t列沿着Y方向排列，s行沿着U方向排列；微光学单元中心在Y方向的坐标y₀与空间中成像的中心深度平面CDP的中心在Y方向的坐标y_i的距离为w＝y_o-y_i；θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角；该微光学单元中的每一行内的子像素经过集成成像光学系统的出射光线具有相同的俯仰角θ，该行子像素的中心相对于其对应的微光学单元的中心沿Y方向的位置偏移量为k_θ为不同俯仰角θ出射光线对应行像素的成像放大倍数；微光学单元下不同行的像素的行中心相对于微光学单元中心沿Y方向的位置偏移量Δy为不相同；

微光学单元下不同行像素的行中心相对于微光学单元中心沿Y方向的位置偏移量Δy随俯仰角θ的增加而线性减小。

作为本发明的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；对与m行n列的微光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；每一列中不同的微光学单元的光心的横坐标设置为相同，即在同一条横坐标为x的直线上，不同微光学单元的光心在Y方向的间距为不相同。

作为本发明的一种优选方案，所述微光学单元为微透镜，或针孔，或凹面镜，或光学衍射单元；所述微图像单元为胶片或显示装置；所述微光线折变单元为具有反射层的光学单元或折射棱镜；所述微光线折变单元和光学单元阵列设置为一个整体的光学单元。

一种集成成像光学系统，实现在与物理显示平面形成一定夹角的空间平面上形成多个中心深度平面CDP，多个中心深度平面拼接形成一个与物理显示平面形成一定夹角的中心深度平面。

一种集成成像光学系统，所述光学系统由n组上述的集成成像光学系统组成，n为大于2；n组上述的集成成像光学系统按照环形排列的方式拼接在一起，每一组集成成像系统在空间中形成一个与物理显示平面呈一定角度的悬浮二维显示平面，并指向于一个方向，该组合集成成像光学系统实现在空间中360°环视的显示效果。

本发明的有益效果在于：本发明提出的集成成像光学系统，可以实现垂直于物理显示平面并且成实像的悬浮显示效果，具有很强的科技感和未来感。本发明可以通过拼接显示的方式，实现360度全视角的三维显示，有效减少了实现复杂三维场景的数据量。并且有效的消除了人眼观看的疲劳感。

附图说明

图1a为通过集成成像技术记录三维场景的原理图。

图1b为通过集成成像技术再现三维场景的原理图。

图2为本发明专利所述的集成成像系统在空间中成像的原理图。

图3为本发明专利所述的集成成像系统结构示意图。

图4经过单元透镜出射光线的俯仰角和水平方位角示意图。

图5为在空间中倾斜成像的示意图。

图6为单元透镜与楔形玻璃和单元图像的组合结构示意图。

图7为单元透镜与单元图像倾斜排列的示意图。

图8为单元透镜阵列排列示意图。

图9为单元透镜下单元图像的子像素排布示意图。

图10为成像空间坐标系X-Y-Z与透镜坐标系Y-U-V示意图。

图11为单元图像与单元透镜相对位置示意图。

图12为不同位置单元透镜对应的单元图像的子像素排布示意图。

图13为串扰像(鬼影)形成的光路示意图。

图14为单元图像和单元透镜水平放置成像的示意图。

图15为三棱镜反射面效果的示意图。

图16为单元图像和单元透镜水平放置通过反射镜成像的光路原理图。

图17为凹面镜成像原理图。

图18放置凹面镜的倾斜凹槽的底座示意图。

图19为凹面镜成像的结构示意图。

图20为拼接方式实现三维显示的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明通过针孔成像模型分析了空间中的成像点与物理显示阵列之间的关系，提出了一种微光学系统的设计结构，可以实现中心深度平面(CDP)垂直于物理显示平面并且成实像的悬浮显示效果，具有很强的科技感和未来感。并且可以通过拼接显示的方式，实现360度全视角的三维显示，有效减少了实现复杂三维场景的数据量。并且有效的消除了人眼观看的疲劳感。

集成成像在再现三维场景时，只有一个和显示面板共轭的像平面，当再现三维像的像面偏离这个平面时，分辨率就会下降的很厉害。人们把和显示面板共轭的那个面称作中心深度平面(CentralDepthPlane，简称CDP)。

本发明揭示的集成成像光学系统包括：光学单元阵列、微图像阵列。所述光学单元阵列形成一平面，包括若干微光学单元，微光学单元的主面或者微光学单元主面的像面与微图像阵列形成的平面形成一定的角度β，0≤β＜180°；该光学单元阵列用以使微图像单元内的像素点发散到空间中的各个方向。所述微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素点；微图像单元的显示图层或者该显示图层的像面位于微光学单元的焦平面附近；微图像单元的显示图层或者该显示图层的像面与微图像阵列形成的平面成一定夹角α，0≤α＜180°。各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，不同微光学单元下的微图像单元的对应像素点在设定界面汇聚为一点，形成空间中悬浮图像中的一点；所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像；形成的总体图像与微图像阵列形成的平面形成夹角。

此外，所述光学系统还可以包括微光线折变单元阵列，微光线折变单元阵列包括若干微光线折变单元，微光线折变单元用以改变微图像单元出射光线的传播方向，微图像单元或者微光学单元的主面经过微光线折变单元产生的像面与微图像阵列形成的平面形成一定夹角。

本发明实现在空间中形成悬浮显示的实像并且其中心深度平面(CDP)垂直于物理显示平面的原理如图2所示。该光学成像系统由微光学单元阵列和微图像阵列两部分组成，在本实施例中微光学单元为透镜2，微图像单元阵列由若干液晶显示器组成，微图像单元1的像素为液晶显示器的像素。微图像阵列形成的平面为X-Y(可以为水平面)。单元透镜相对于微图像单元阵列10形成的平面倾斜一定的角度β设置为0≤β＜180°，微图像单元设置在单元透镜的焦平面附近，其与微图像单元阵列10形成的平面成一定夹角α，0≤α＜180°，如图3所示。单元微透镜将其对应的单元图像中的像素以不同的俯仰角θ和方位角φ投射到空中，如图4所示。各个微图像单元分别与对应的微透镜单元配合，不同微光学单元下分辨率为s*t的微图像单元的对应像素点在设定界面汇聚为一点，形成空间中悬浮图像中的一点，所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像3(如图2所示)，空间中悬浮的图像的分辨率为s*t。

具体的，如图5所示，对于空间中预定形成的悬浮图像的中心深度平面CDP与竖直平面Y-Z的夹角为ω，单元透镜2'主面与微图像阵列形成的平面(可以为水平面X-Y)之间的夹角为β,透镜的焦距为f。为了便于计算，将X-Z坐标系旋转ω角形成新的坐标系X’-Z’,对于空间中的像点1'，其与单元透镜2'主面平行的面为像平面，像点与光心的距离为v，像距为v*cosγ，空间中像点对应的单元平面上的像素点，其与单元透镜主面平行的平面为物平面，像素点与光心的距离为u，物距为u*cosγ。γ为像素光线出射方向与透镜主轴的夹角。根据透镜成像公式 $\frac{1}{f}=\frac{1}{v*\cos \mathrm{\γ}}+\frac{1}{u*\cos \mathrm{\γ}},$ 可得像素点距离透镜光心的距离d为在x＇-z＇空间中成像平面到透镜光心的距离，θ为像素点出射光线在x-z坐标系中的俯仰角,在x＇-z＇坐标系中与坐标轴x＇的夹角为φ＝θ-ω。任意两像点对应的像素点的到透镜光心的距离为 $u1=\frac{f*d}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}1)-f*\cos (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\ω})},u1=\frac{f*d}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}2)-f*\cos (\mathrm{\θ}2-\mathrm{\ω})}.$ 两像素点的坐标为： $x1=\frac{f*d*\cos (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\ω})}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}1)-f*\cos (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\ω})},z1\frac{f*d*\sin (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\ω})}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}1)-f*\cos (\mathrm{\θ}1-\mathrm{\ω})};x2=\frac{f*d*\cos (\mathrm{\θ}2-\mathrm{\ω})}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}2)-f*\cos (\mathrm{\θ}2-\mathrm{\ω})},$ $z2=\frac{f*d*\sin (\mathrm{\θ}2-\mathrm{\ω})}{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\θ}2)-f*\cos (\mathrm{\θ}2-\mathrm{\ω})};$ 任意两像素点间的斜率满足关系式 $k=\frac{y2-y1}{x2-x1}.$ 将x1,z1,x2,z2带入公式经过化简可得 $k=\cot (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})-\frac{f}{d*\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})}.$ d1为在X-Z坐标系下空间像点A距离透镜光心的水平距离，h为在X-Z坐标系下空间像点A的成像高度，则有d＝(h*tanω+d1)*cosω，将d带入公式化简得 $k=\tan (\mathrm{\α}+\mathrm{\ω})=\tan (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})-\frac{f}{(h*\sin \mathrm{\ω}+d1*\cos \mathrm{\ω})*\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\ω})},$ 显然d为定值，因此空间中任意两成像点对应的两像素点之间具有相同的斜率，所以图像单元为平面，其与水平面(本实施例中，微图像阵列形成的平面为水平面)的夹角α可由公式求得。

本实施例中采用m行n列的单元透镜组成的透镜阵列，每一列透镜为一个整体，由m个单元透镜组成，其对应的每一列微图像单元为一个整体，为一个平板显示屏。每一列透镜2采用光学胶水贴合在一个楔形玻璃上，然后采用光学胶水将透镜2和楔形玻璃11一起粘合在条状的平板显示器上，如图6所示。本实施例中空间成像平面的CDP与水平面垂直，即ω为0，X-Z坐标系与X＇-Z＇坐标系重合，此时单元图像1平面与水平面的夹角为因此本实施例中优选的将楔形玻璃的夹角设置为σ＝β-α，然后再通过光学胶水将粘贴了单元透镜的显示器粘合在倾斜面角度为的底座凹槽中，如图7所示。按照此方法将n列的单元透镜2和显示面板组装成m*n的透镜阵列和1*n的图像阵列。为了便于加工，本实施例中优选的底座12凹槽的倾斜平面的倾斜角度不同列均为相同，不同列的楔形玻璃13的夹角也为相同。

对于m行、n列的微光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列。由于不同列的透镜距离空间成像的CDP平面的距离为不同，为了使单元图像通过不同列的透镜在空间中投射的像素大小相同，像素与像素的间距相同，在本实施例中优选的将每一列中的透镜焦距设置为相同，列与列之间的透镜焦距设置为不同，沿x方向的每一列的透镜单元的焦距随着远离CDP平面线性增加，对于第n列透镜的焦距为其中dn为第n列透镜的光心到CDP平面的距离，d为第一列透镜光心到空间成像平面的距离，f为该列透镜单元的焦距。

作为本发明的一种优选方案，对于m行，n列的光学单元阵列每一列中的透镜的孔径相同，列与列之间的透镜孔径为不同，沿x方向的每一列的透镜单元的孔径尺寸在远离空间中的像的位置线性增加，如图8所示。

单元透镜下对应于不同俯仰角θ的单元图像的像素，在空间中CDP平面上成的像具有不同的放大倍数k_θ，其中ω为CDP平面与竖直平面的夹角，d为该点透镜光心到CDP平面的距离，f为透镜的焦距，β为透镜的焦平面或者焦平面的成像平面与水平方向的夹角，k_θ可以化简为 $k_{\mathrm{\θ}}=\frac{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})}{f}+\frac{d*\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})}{f}*tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\ω})-1.$

平板显示器提供单元透镜下的单元图像，每一个单元图像由显示器中的s*t个像素组成，如图9所示。因为单元透镜下的像素通过透镜在空间中成像的像距为不同，所以对应的单元透镜下的像素大小也不同。对于s行，t列子像素的单元图像，每一行的像素的大小a为相同，不同行的子像素大小为a为不同，满足关系式A为该像素在空间形成的像的大小，本实施例中ω＝0， $k_{\mathrm{\θ}}=\frac{d*\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})}{f}+\frac{d*\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\β})}{f}*\tan \mathrm{\θ}-1.$ 因为 $\tan \mathrm{\θ}=\frac{h}{d},$ 空间中在CDP平面上成像高度h为线性变化，单元透镜2到CDP平面的距离为不变，容易推导出像素的放大倍数k_θ为线性变化。如图10所示，在单元图像1平面建立坐标系Y-U-V,作为本发明的一种优选方案，沿着U方向的正方向，显示器上的像素大小为线性增加。

如图11所示，每一行像素与单元透镜之间的距离相同，为g_θ，该行像素经过透镜的成像距离为l_θ，则该行像素的中心与其对应的透镜的中心沿Y方向的位置偏移量设置为w_θ＝d/k_θ，其中为不同俯仰角出射光线的对应像素的放大倍数，d为透镜光心到CDP平面中心的距离。作为本发明的一种优选方案，沿着U方向的正方向,行像素的中心与其对应的透镜的中心沿Y方向的位置位置偏移量w_θ设置为线性增加，如图12所示。

沿着Y方向的每一列透镜阵列对应的图像单元可以通过对应的透镜在中心位置成像，同时也会通过相邻的透镜在中心成像位置两侧也形成像，这些像是我们所不需要的，称之为“鬼影”，如图13所示。本实施例将每一列单元透镜中相邻的单元透镜的距离设置为均不相同，使得显示相同信息的图像点经过相邻的透镜成像不汇聚在同一位置，从而来消除这些鬼影，实现效果较好的悬浮显示。

实施例二

该技术方案实现在空间中形成一个垂直于水平面的二维悬浮显示的实像，光学组件的结构如图14所示，本实施例中，微图像阵列放置在倾斜角度为ω的楔形玻璃基板上，微图像单元阵列形成的平面与水平面成一个小角度ω，微图像单元与微图像单元阵列形成的平面之间的夹角为0，微光学单元阵列设置为平面，与水平面平行并反向置于微图像阵列之上，在光学单元阵列的上方放置一组微光线折变单元，用来改变图像经过透镜调制后的光线传播方向。本实施例中优选的将微光学单元为透镜，微图像阵列采用一个超高分辨率的液晶显示器，液晶显示器可以显示m*n个单元图像，采用m*n个侧面镀有反射膜的三棱镜组成微光线折变单元阵列。本实施例中优选的将三棱镜反射面与微图像单元阵列的夹角设置为如图15所示，这样微图像单元在三棱镜的反射面上成的像面的角度与微图像单元阵列的夹角为α，透镜单元的主面与微图像单元阵列平面的夹角设置为σ，这样微透镜单元的主面的平面在三棱镜的反射面上成的像面与微图像单元阵列的夹角为β＝α+σ。

空间中形成的二维悬浮图像与微图像阵列平面对应的竖直平面之间的夹角为-ω，微图像单元为平面，在三棱镜的反射面上的像面与微图像单元阵列的平面间的角度α满足关系式 $\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\frac{k-\tan \mathrm{\ω}}{1+k*\tan \mathrm{\ω}},k=\tan (\mathrm{\α}-\mathrm{\ω})=\tan (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})-\frac{f}{d*\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\ω})},$ 其中f为单元透镜的焦距，d为透镜单元光心到成像平面的距离，三棱镜的反射面上的像面与水平面的夹角为α-ω；透镜单元主面在三棱镜的反射面上成的像面与微图像单元阵列的夹角为β可以由单元透镜阵列的中心单元透镜对应的单元图像单元中的中心像素在空间CDP平面上的成像位置确定，该成像点相对于微图像单元阵列平面的俯仰角为θ，则可以唯一确定微单元图像与微图像单元阵列平面的角度α和透镜单元的主面与微图像单元阵列平面的夹角σ。

本实施例中优选的将所有的单元透镜主面的像面与微图像阵列平面的夹角β设置为相同，将每一列中的透镜焦距设置为相同，列与列之间的透镜焦距设置为不同，沿x方向的每一列的透镜单元的焦距随着远离成像平面线性增加，对于第n列透镜的焦距设置满足关系式此时为定值，因此所有单元图像的像面与微图像阵列平面的夹角α为相同，所有微图像单元与微透镜单元之间的角度σ都相同。

为了提高光线利用率，采用出射光线指向三棱镜反射面的指向型背光提供液晶显示器所需光源。该结构实现悬浮二维成像平面并垂直于单元显示图像的过程如下，我们将透镜成像近似为小孔成像来分析，原理图如图16所示，单元图像经过透镜在空间中成像，单元图像向空间发出的光线经过单元透镜后经过三棱镜的反射面反射，使光的传播方向发生改变，使成像面为与水平面垂直。同时为了使像素点在空间中成等大的像，单元透镜下的像素点的像的尺寸沿u方向的正方向逐渐增大。对于沿x方向不同的单元透镜，随之到空间成像平面距离的增加，透镜的焦距设置为逐渐增加，同时透镜孔径设置为逐渐增大。楔形的玻璃板保证了随着单元透镜的焦距变大，单元图像与单元透镜间的物距也逐渐变大。

空间中形成垂直于水平面的悬浮显示平面的显示分辨率为s*t,作为本发明的一种优选方案,将液晶显示器的总的分辨率设置为(m*t)*(n*s)，每个单元透镜下对应的微显示单元的像素分辨率设置为s*t，对应于空间中相同位置成像点在不同的单元透镜下的像素点的栅极和源极分别并联在一起，这样对于整个液晶显示器的输入驱动信号的分辨率只需为s*t即可，每个单元图像显示相同的内容，不同位置的单元图像相对于单元透镜的位置偏移量为不同，最后不同单元透镜下的对应像素点会通过透镜和三棱镜的反射面最终在空间中汇聚为一点，不同的像素点最终在空间中形成垂直于水平面的悬浮显示平面。在不同的显示帧画面给液晶显示面板送入不同的动态画面，最终可以在空间中显示动态的二维悬浮图像。

实施例三

该技术方案实现在空间中形成一个垂直于显示平面的二维悬浮显示的实像,微光学单元为凹面镜阵列，采用非等间距排列的一维透镜阵列，在透镜的表面蒸镀金属Al作为反射层，这样透镜阵列就变成了凹面镜阵列，如图17所示，每个一维凹面镜上有m个单元凹面镜。

本实施例中优选的选用透明OLED显示器作为微图像单元阵列，将一维的OLED显示器阵列贴合于一维的凹面镜阵列上。将n组这样贴合了OLED显示器的一维凹面镜阵列(作为反射层40)放置于刻有n个倾斜凹槽的底座中，使OLED显示器阵列平面与水平面平行，凹面镜的焦平面与水平面的夹角为β，如图18所示。

对于同一组的一维凹面镜的焦距设置为相同，对于不同组的一维凹面镜随着其到空间成像面的距离增加，凹面镜的焦距设置为逐渐增大，焦距的选择满足关系其中dn为第n列凹面镜的光心到空间成像平面的距离。d为距离像面最近的凹面镜的光心到空间成像平面的距离，f为该点凹面镜单元的焦距。距离像面最近的凹面镜的焦距f的选取由该点凹面镜的像距和所需的图像放大倍数确定。这样设置是为了使经过凹面镜出射的相同俯仰角的光线对应的单元图像的像素大小是相同的。如图19所示，单元图像101置于单元凹面镜201的焦平面附近(凹面镜201设置于一底座202上)，单元图像和单元凹面镜201的焦平面形成一定角度σ＝β-α，单元图像和单元图像阵列间的夹角为本实施例中优选的阵列中所有单元的α，β角度全部为相同。最后对于单元图像中的子像素，因为其对应的凹面镜的焦距为相同，而在竖直平面上的像距有较大的不同，为了保证各点子像素在空间中成等大的像，凹面镜单元中的每一行子像素的大小a和间距p设置为相同，不同行的子像素的大小a和间距p设置为不相同,满足关系式A为该像素在CDP平面形成的像的大小,P_i为空间平面成像的像素间距，k_θ为出射光线俯仰角为θ的子像素在空间中成像的放大倍数。OLED显示单元中的每一行子像素的放大倍数k_θ随着其经过该集成成像光学系统出射光线的俯仰角θ增加而线性增加；每一行子像素的大小a和间距p随着其经过集成成像光学系统出射光线的俯仰角θ的增加而线性减小。该光学系统通过以上设置，采用自然光通过凹面镜的反射成像，可以在空间中的竖直平面形成清晰的二维图像。该方案可以用于电子手表，智能手环的等户外电子产品，有很强的科技感。

实施例四

本实施例与以上实施例的区别在于，本实施例中，可以从侧面拍摄获取的真实物体的侧视光场，通过拼接的方式，还原为真实场景。

通过将多个实施例一、二所述的显示装置以拼接的方式水平放置组成一个可以360°环视的悬浮显示系统，如图20所示。每个显示器在系统的中心位置投射出一个竖直平面，并指向于一个方向。同时每个显示器显示针对于这个方向的三维物体的场景，这样人们环绕该显示系统观察，就可以看到物体的各个面的再现图像，从而形成一种全景三维显示的感觉。随着用以拼接悬浮显示系统的显示装置数量增加，显示系统可以再现三维物体的不同角度的场景也增多，显示器与显示器所成的像之间的过渡区域会更加平滑自然，人们感受到的再现的三维场景也会更加的真实生动。

综上所述，本发明提出的集成成像光学系统，可以实现垂直于物理显示平面并且成实像的悬浮显示效果，具有很强的科技感和未来感。本发明可以通过拼接显示的方式，实现360度全视角的三维显示，有效减少了实现复杂三维场景的数据量。并且有效的消除了人眼观看的疲劳感。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (15)

1.一种集成成像光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：光学单元阵列、微图像阵列；

所述光学单元阵列包括若干微光学单元，微光学单元的主面或者微光学单元主面的像面与微图像阵列形成的平面形成一定的角度β，0≤β＜180°；该光学单元阵列用以使微图像单元内的像素点发散到空间中的各个方向；

所述微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素点；微图像单元或者该微图像单元的像面位于微光学单元的焦平面附近；微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面成一定夹角α，0≤α＜180°；

各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，不同微光学单元下的微图像单元的对应像素点在设定界面汇聚为一点，形成空间中悬浮图像中的一点；所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像；形成的总体图像与微图像阵列形成的平面形成夹角。

2.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

所述光学系统还包括微光线折变单元阵列，微光线折变单元阵列包括若干微光线折变单元，微光线折变单元用以改变微图像单元出射光线的传播方向，微图像单元或者微光学单元的主面经过微光线折变单元产生的像面与微图像阵列形成的平面形成一定夹角。

3.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

所述微图像阵列包括m*n个微图像单元，各个微图像单元的像素为s*t，微图像单元通过微光学单元在空间中形成的像重合在了一起，在设定界面形成的总体图像的像素为s*t。

4.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间中任意成像点的坐标为(x_i，y_i，z_i)，微光学单元光心或者该微光学单元光心的像的坐标为(x_o，y_o，z_o),微光学单元的焦距为f,则该微光学单元对应的单元图像中的子像素或者该子像素的像的坐标(x,y,z)满足关系式 其中d为微光学单元光心到空间所成图像的中心深度平面CDP的距离，d满足关系式CDP平面与Y-Z平面的夹角为ω，微光学单元的主面或者该主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β，θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角。

5.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间所成图像的中心深度平面CDP与竖直平面Y-Z的夹角为ω。微图像单元为平面。微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角α满足公式 其中d为微光学单元光心到CDP平面的距离，微光学单元的主面或者该微光学单元主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β,微光学单元的焦距为f；

当空间所成图像的中心深度平面CDP垂直于微图像阵列形成的平面时，微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角为

6.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

微光学单元阵列中不同的微光学单元的主面或者该主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角β为相同；

微单元图像阵列中不同的微单元图像或者该微单元图像的像面与微图像阵列形成的平面的夹角α为相同；

微单元图像阵列中经过集成成像光学系统具有相同俯仰角θ的出射光线的子像素在空间成像中心深度平面CDP上成的像具有相同的放大倍数k_θ；

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，对于m行、n列的微光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；每一列中的微光学单元焦距相同，列与列之间的微光学单元焦距为不同，沿x方向的每一列的微光学单元的焦距线性增加；对于第n列微光学单元的焦距为其中dn为第n列微光学单元的光心到空间成像中心深度平面CDP的距离，d为距离中心深度平面CDP最近的微光学单元的光心到CDP平面的距离，f为该点微光学单元的焦距；

对于m行、n列的微光学单元阵列每一列中的微光学单元的孔径相同，列与列之间的微光学单元孔径为不同，沿x方向的每一列微光学单元的孔径尺寸线性增加。

7.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，对于m行、n列的微光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；微光学单元阵列中每一列的微光学单元的主面或者主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角β为相同，不同列的夹角β为不相同；空间成像中心深度平面CDP的中心点距离微图像阵列形成的平面的距离为定值h,距离每一列微光学单元光心的距离dn为不相同；每一列微光学单元的主面或者该主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角

8.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；微光学单元与空间成像点之间的距离为l_θ,满足关系式微光学单元下的像素点距离微光学单元光心的距离为g_θ,满足关系式其中空间所成图像的中心深度平面CDP与竖直平面Y-Z的夹角为ω，d为该点微光学单元光心到CDP平面的距离，f为微光学单元的焦距，β为微光学单元的主面或者主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角；θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角。

9.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

空间中任意单元图像中的子像素P,P点坐标为(x,y,z)，经过集成成像光学系统按照任意角度(θ，φ)在空间中投射成像，任意子像素P在中心深度平面CDP上成的像的大小都是相同的,并且像与像之间的间距相同；θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线的俯仰角，φ为像素点通过集成成像光学系统出射光线的水平方位角。

10.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；通过集成成像光学系统对应于不同俯仰角θ出射光线的微单元图像中的子像素，在空间成像的中心深度平面CDP上成的像具有不同的放大倍数k_θ，其中ω为CDP平面与竖直平面Y-Z的夹角，d为该点微光学单元的光心到CDP平面的距离，f为微光学单元的焦距，β为微光学单元的主面或者该主面的像面与水平面X-Y平面的夹角,θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角；

微图像单元平面或该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面X-Y成一定夹角α，将该平面定义为Y-U平面；对于s行t列的单元图像子像素阵列，t列沿着Y方向排列，s行沿着U方向排列；微光学单元中的每一行子像素的大小a和间距p设置为相同，不同行的子像素的大小a和间距p设置为不相同,满足关系式A为该像素在CDP平面形成的像的大小,P_i为在CDP平面上成像的像素间距，k_θ为出射光线俯仰角为θ的子像素在空间中成像的放大倍数；

微图像单元中的每一行子像素的放大倍数k_θ随着其经过集成成像光学系统出射光线的俯仰角θ增加而线性增加；每一行子像素的大小a和间距p随着其经过集成成像光学系统出射光线的俯仰角θ的增加而线性减小。

11.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，微图像单元平面或微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面X-Y成一定夹角α，将该平面定义为Y-U平面；对于s行t列的单元图像子像素阵列，t列沿着Y方向排列，s行沿着U方向排列；微光学单元中心在Y方向的坐标y₀与空间中成像的中心深度平面CDP的中心在Y方向的坐标y_i的距离为w＝y_o-y_i；θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角；该微光学单元中的每一行内的子像素经过集成成像光学系统的出射光线具有相同的俯仰角θ，该行子像素的中心相对于其对应的微光学单元的中心沿Y方向的位置偏移量为k_θ为不同俯仰角θ出射光线对应行像素的成像放大倍数；微光学单元下不同行的像素的行中心相对于微光学单元中心沿Y方向的位置偏移量Δy为不相同；

微光学单元下不同行像素的行中心相对于微光学单元中心沿Y方向的位置偏移量Δy随俯仰角θ的增加而线性减小。

12.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；对与m行n列的微光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；每一列中不同的微光学单元的光心的横坐标设置为相同，即在同一条横坐标为x的直线上，不同微光学单元的光心在Y方向的间距为不相同。

13.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：

所述微光学单元为微透镜，或针孔，或凹面镜，或光学衍射单元；所述微图像单元为胶片或显示装置；所述微光线折变单元为具有反射层的光学单元或折射棱镜；所述微光线折变单元和光学单元阵列设置为一个整体的光学单元。

14.一种集成成像光学系统，其特征在于：

实现在与物理显示平面形成一定夹角的空间平面上形成多个中心深度平面CDP，多个中心深度平面拼接形成一个与物理显示平面形成一定夹角的中心深度平面。

15.一种集成成像光学系统，其特征在于：所述光学系统由n组权利要求1至14之一所述的集成成像光学系统组成，n为大于2；n组权利要求1至14之一所述的集成成像光学系统按照环形排列的方式拼接在一起，每一组集成成像系统在空间中形成一个与物理显示平面呈一定角度的悬浮二维显示平面，并指向于一个方向，该组合集成成像光学系统实现在空间中360°环视的显示效果。