CN111948832A - 一种集成成像系统 - Google Patents

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刘云鹏
蒋晓瑜
毛岩
屈强
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    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
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Abstract

本发明涉及一种集成成像系统。所述系统包括捕获装置和重构装置；所述捕获装置包括：场镜、捕获微透镜阵列以及感光介质；所述场镜、所述捕获微透镜阵列以所述感光介质依次排列；目标物体的三维信息依次通过所述场镜和所述捕获微透镜阵列在所述感光介质上形成元素图像阵列；所述目标物体与所述场镜的距离大于所述场镜的焦距；所述重构装置用于将所述元素图像阵列进行三维光场显示。本发明所提供的一种集成成像系统，确保在不损失分辨率的同时，有效增大集成成像系统的视场角。

Description

一种集成成像系统
技术领域
本发明涉及集成成像技术领域，特别是涉及一种集成成像系统。
背景技术
光场三维显示始终是国内外研究热点，集成成像技术作为其中一种技术手段也被广泛关注。集成成像技术在光场三维显示领域应用广泛，例如文物展示、生活娱乐、远程会议、重要内容的增强交互显示等场合，具有较大的应用前景。在集成成像系统中，视场角是评价其优良性的一项重要指标，它是指观看者能够观看到无跳变、无串扰的重构的三维图像的最大角度范围。
集成成像技术原理可以概括为：首先利用一组捕获微透镜阵列捕获目标光场三维信息，在记录介质上形成带有视差信息的元素图像阵列，然后利用同一组捕获微透镜阵列重构光场波前，进而显示三维光场。图1展示了其基本原理。
通常，在集成成像技术中，元素图像与元素透镜大小相同。为避免元素图像之间的再现重叠，捕获微透镜阵列的视场角必须足够小，这也导致了集成成像技术“与生俱来”的缺陷——视场角狭窄。如图2所示：由于捕获微透镜阵列中每个元素透镜都只对应一个元素图像，因此当超出规定视角进行观察时，人眼会从错误的元素透镜观察到图像，导致图像之间的串扰，形成伪像。伪像的出现，迫使观察者只能在特定的视场角内进行观察。
常用的增大视场角的方法可以由数学分析得到，参考图3，分析如下：
如图3所示，系统的视场角为θsystem，D为捕获微透镜阵列到显示屏幕的距离，N表示一幅元素图像中的像素数，p为像素间距，则元素图像的尺寸大小，即元素透镜的尺寸大小为Np。在理想状态下为了使相邻元素图像不发生串扰现象，则在记录过程中每个元素透镜能产生的最大视角θmicrolen为：
Figure BDA0002666545360000011
在系统的重构阶段，为了保证观看者能够在视场范围内看到完整的重构图像，系统视场θsystem必须满足：
θsystem≤θmicrolen。
因此，观看者能够在视场范围内看到完整的重构图像的视场角的最大值应为：
Figure BDA0002666545360000021
综上所述，将生成元素图像时的最大视场角和观看者能够在视场范围内看到完整的重构图像的视场角的最大值都认为是系统的总视场角θsystem。因此，如果想增大系统显示端的视场角的大小，可以增加元素图像中的像素数，或者增大元素图像的尺寸大小(元素透镜的尺寸大小)，亦或是缩短捕获微透镜阵列和显示屏幕之间的距离。
但是在集成成像系统中，高的成像分辨率与优良的视场角始终是一个相互制约的关系。以上三种解决方法在实现时都会一定程度上损失分辨率，造成较差的视觉体验。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成成像系统，确保在不损失分辨率的同时，有效增大集成成像系统的视场角。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种集成成像系统，包括：捕获装置和重构装置；
所述捕获装置包括：场镜、捕获微透镜阵列以及感光介质；
所述场镜、所述捕获微透镜阵列以所述感光介质依次排列；
目标物体的三维信息依次通过所述场镜和所述捕获微透镜阵列在所述感光介质上形成元素图像阵列；所述目标物体与所述场镜的距离大于所述场镜的焦距；
所述重构装置用于将所述元素图像阵列进行三维光场显示。
可选的，所述捕获微透镜阵列包括多个元素透镜；每个所述元素透镜相同。
可选的，所述场镜的放大率为1/M，所述捕获微透镜阵列的视场角与所述每个元素透镜的视场角相同；所述捕获装置的总视场角为所述捕获微透镜阵列的视场角或所述每个元素透镜的视场角的M倍。
可选的，所述重构装置包括重构微透镜阵列；所述重构微透镜阵列与所述捕获微透镜阵列相同。
可选的，所述场镜为远心场镜。
可选的，所述感光介质为显示屏。
可选的，还包括：激光装置；
所述激光装置发射的激光照射到所述目标物体上，得到所述目标物体的三维信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种集成成像系统，利用场镜对目标物体进行成像，利用微透镜阵列对物体的像进行光场信息捕获来获得元素图像阵列。利用场镜的调制作用能够有效增大集成成像系统的视场角。
为了减缓像差对显示效果的影响，提出了使用远心光路作为场镜。其在增大视场角的同时，也减缓了像差对视觉体验的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为集成成像系统基本原理；
图2为伪像示意图；
图3为集成成像系统视场区域示意图；
图4为本发明所提供的一种集成成像系统；
图5为普通成像系统和远心场镜光路示意图；
图6为远心场镜成像示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种集成成像系统，确保在不损失分辨率的同时，有效增大集成成像系统的视场角。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图4为本发明所提供的一种集成成像系统，如图4所示，本发明所提供的一种集成成像系统，包括：捕获装置和重构装置。
所述捕获装置包括：场镜、捕获微透镜阵列以及感光介质。
所述场镜、所述捕获微透镜阵列以所述感光介质依次排列。
目标物体的三维信息依次通过所述场镜和所述捕获微透镜阵列在所述感光介质上形成元素图像阵列；所述目标物体与所述场镜的距离大于所述场镜的焦距。
所述重构装置用于将所述元素图像阵列进行三维光场显示。
所述捕获微透镜阵列包括多个元素透镜；每个所述元素透镜相同。
所述场镜的放大率为1/M，所述捕获微透镜阵列的视场角与所述每个元素透镜的视场角相同；所述捕获装置的总视场角为所述捕获微透镜阵列的视场角或所述每个元素透镜的视场角的M倍。
即每个元素透镜的视场角θmicrolen与微透镜阵列的视场角θarray相同。
所述捕获装置的总视场角θsystem为：θsystem＝M×θarray＝M×θmicrolen。
所述重构装置包括重构微透镜阵列；所述重构微透镜阵列与所述捕获微透镜阵列相同。
为了避免考虑像差的影响，所述场镜为远心场镜。
像差产生的原因，是出瞳的重构波前偏离理想波前。此时，位于三维物体中心深度平面两侧的物点没有被准确重构在空间中，造成与理想像的偏差。为了减缓由像差带来的影响，准确重构目标光场的三位轮廓，我们提出使用远心光学系统作为捕获系统的场镜，既远心场镜。
远心场镜的作用，实际上是使得具有深度的三维光场始终能够成像在像面的特定位置。对于某一像点而言，即使会出现弥散斑，但由于其主光线的传播路径并未改变，仍是弥散斑的中心点。因此，只要弥散程度不影响人眼的视觉效果，既弥散斑对于人眼形成的视角小于人眼的最小可分辨角度，就可以忽略弥散效应的影响，此时可将其看作点像。因此，对于三维光场不同深度平面上带来的像差，可以利用远心场镜得到减缓或消除。远心场镜减缓像差的原理可参考图5。
图5(a)为普通成像系统示意图，透镜两侧分别是物体AB和像MN，O为正薄透镜中心点，直线OZ为该成像系统主光轴。将AB位置向远离透镜的方向调整至A'B'位置时，其像应位于图中M'N'的位置。可以看出，其长度有明显缩短。光线继续向后传播，会在原MN形成弥散斑，人眼处于该位置观察时，会出现由像差带来的模糊，视觉体验较差。图5(b)为远心场镜成像示意图，与图5(a)不同的是在透镜后焦面加入了孔径光阑，把透镜与光阑的组合视为远心场镜。此时，由于孔径光阑的限制作用，阻挡了部分光线，而允许主光线(平行于光轴OZ)及其附近光线通过，因此最终在MN位置的弥散斑大大减小。当人眼观察的弥散斑小于某一数值时，便能够清晰分辨出点像，有效减缓像差的影响，视觉体验较好。
将远心场镜能够在增大视场角的同时减缓像差对再现像带来的影响。可利用透镜孔径作为孔径光阑，这样，远心场镜便成为透镜组合远心场镜成像原理参考图6。
所述感光介质为显示屏。
本发明所提供的一种集成成像系统，还包括：激光装置。
所述激光装置发射的激光照射到所述目标物体上，得到所述目标物体的三维信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种集成成像系统，其特征在于，包括：捕获装置和重构装置；
所述捕获装置包括：场镜、捕获微透镜阵列以及感光介质；
所述场镜、所述捕获微透镜阵列以所述感光介质依次排列；
目标物体的三维信息依次通过所述场镜和所述捕获微透镜阵列在所述感光介质上形成元素图像阵列；所述目标物体与所述场镜的距离大于所述场镜的焦距；
所述重构装置用于将所述元素图像阵列进行三维光场显示。
2.根据权利要求1所述的一种集成成像系统，其特征在于，所述捕获微透镜阵列包括多个元素透镜；每个所述元素透镜相同。
3.根据权利要求2所述的一种集成成像系统，其特征在于，所述场镜的放大率为1/M，所述捕获微透镜阵列的视场角与所述每个元素透镜的视场角相同；所述捕获装置的总视场角为所述捕获微透镜阵列的视场角或所述每个元素透镜的视场角的M倍。
4.根据权利要求1所述的一种集成成像系统，其特征在于，所述重构装置包括重构微透镜阵列；所述重构微透镜阵列与所述捕获微透镜阵列相同。
5.根据权利要求1所述的一种集成成像系统，其特征在于，所述场镜为远心场镜。
6.根据权利要求1所述的一种集成成像系统，其特征在于，所述感光介质为显示屏。
7.根据权利要求1所述的一种集成成像系统，其特征在于，还包括：激光装置；
所述激光装置发射的激光照射到所述目标物体上，得到所述目标物体的三维信息。
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