基于微透镜阵列实现全真立体显示技术的研究

【摘要】 本文提出采用微透镜阵列的光学器件实现各方向全真的立体显示技术，介绍了阵列图像的获取方法，并提出一种由狭缝光栅和柱镜光栅膜复合的显示屏结构方案，实验结果证明该方案是可行的。

【关键词】 微透镜阵列; 柱镜光栅; 狭缝光栅; 全真的立体

Research on a technology of realizing integral 3D vision

ba[x]sed on microlens array XIE Junguo, ZHOU Yongmin, YU Bintao

（Department of Electronics and Communication Engineering, Guangdong College of Industrial Technology，

Guangzhou 510300，China）

Abstract: This article presents a model to realize integral 3d vision ba[x]sed on microlens array optical instruments. It introduces the method of acquiring array pictures and proposes a plan of displaying panel structure, combined by a lenticular and parallax barrier. The results show that this model is practical and feasible.

Key words: microlens array； lenticular；parallax barrier；integral 3D

目前，光栅立体成像技术都采用柱镜状光栅或狭缝光栅对水平视差立体抽样图进行角度选择，配合人的双眼视差融合作用形成立体显示；因光栅纵向排列，可实现图像在水平方向立体显示效果，但纵向不具有立体效果。

本文提出采用矩阵排列微透镜原理的光学器件实现具有各方向真实的空间立体显示的方案，并应用在LCD显示模组上，实验结果证明全真立体显示方案是可行的。

1 全真立体图像获取及合成

微透镜阵列原理的立体显示技术早由法国物理学家加布里埃尔·李普曼在1908年首先提出，他宣称使用微小凸透镜阵列（microlens array）可有效的记录全真图像，又称集成式图像［1］（integral imaging），这种图像具有类似全息摄影的立体显示效果。限于微透镜阵列加工技术的精密要求极高，以及早期图像光学合成［2］处理的困难而难于实现。进入21世纪，随着精密光学技术与计算机图形图像处理技术的发展［3］，使微透镜阵列立体显示成为可能。

1.1 具有纵横视差立体图像的获取

矩阵视差图样的来源可根据视差原理由计算机软件设计，也可如图1所示由矩阵排列相机采集；这种摄影装置可用于采集动态图像，也称之为“蝇眼式照相阵列”，可有效的记录全方向立体视差图像。为降低研究成本，我们采用数码单反相机纵横平移拍摄静物获得极好的前期实验样图。

图1 相机阵列同步摄影装置

1.2 图像分割合成方法

实验布置如图2所示，用4行4列相机矩阵摄取纵横序列立体视差图A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N共16幅，每幅图分割为M×N个微图单元。M、N取值越大图越清晰细腻。设微透镜阵列显示板宽高比例与相机图像相同，则该数值取决于微透镜阵列显示板行列参数p、q。图3为示意图，取M=N=4，每一幅图分割为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16共十六个微图块，再合成为“IMG3D”图像，“IMG3D”图像由16个4×4像素块组成，每一像素块对应于一个微透镜下的像素排列，注意排列方向逆序。

图2 4×4相机阵列视差图像获取

图3 图像分割与合成原理示意图

实验中我们也采用了3D-18四镜头立体相机［3］采集和软件模拟的方式，并采用自编软件进行数码处理实现图像的分割与合成。

2 全方向LCD立体图像显示原理〖*2〗2.1 微透镜阵列结构2.1.1 方切微透镜阵列

图4为方切微透镜阵列板，具有板面覆盖率高，定位方便，算法简单的特点。其中ｄ为板厚度，一般取ｄ＝Ｆ. Ｆ为透镜焦距，ａ，ｂ为方切微透镜行列间距，若ａ＝ｂ称对称式微透镜阵列。

图4 方切微透镜阵列

上述微透镜阵列模具制作难度大，工艺要求高，各个微凸透镜的边缘易产生融合变形失真，因此高精细面板制作成本较高。

2.1.2 圆形微透镜阵列

圆形微透镜阵列制作工艺已比较成熟［4］，在国内已有运用光刻胶热熔成形的方法［5］，制作出单元透镜直径90—300 μm，中心间隔100—320 μm，面积20×20 mm以上的光刻胶折射型微透镜阵列。在此基础上，采用微电铸镍的方法进行成形，获得了表面图形偏差不超过1.0 μm的较高精度的镍模板，可用于批量复制(图5)。

图5 圆形微透镜阵列

圆形微透镜阵列比方切微透镜阵列板面覆盖率低，图像损失略大。

根据微透镜阵列排列方式可分为品字排列、田字排列、六角排列等不同种类，相应图像制备要求也不同。微透镜阵列板总体成本、精度要求等均高于技术成熟的狭缝光栅与柱镜光栅，因此，实验方案上也采用了下述仿微镜措施。

2.1.3 线型光栅仿透镜阵列结构

采用线型狭缝光栅薄膜与软质柱镜光栅膜纵横胶合模拟一种微透镜阵列板，如图6所示。

图6 狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶合

该方案由狭缝光栅实现横向(纵向)分像，柱镜光栅实现纵向(横向)分像，充分利用了狭缝光栅与柱镜光栅的各自优点。狭缝光栅分像效果好，精度高成本低，但会阻隔图像显示光束，降低显示亮度，可通过提高背光源的亮度解决；而柱面光栅不阻隔图像显示光束，可充分利用图像显示的亮度，二者的结合优于仅由狭缝光栅纵横胶合的效果。

2.2 微透镜阵列立体图像显示基本原理

2.2.1 立体景深的形成

我们知道，人们观察万物之所以呈现立体状态是由于人的双眼视差效应。物光进入双眼在视网膜上成像，由于两眼相距一定距离，在两眼底视网膜所形成的两幅图像是基本相同的但又稍有差异而存在一定视差，经大脑综合后就形成了一幅立体图像。

图7所示为微透镜阵列屏立体显示原理，利用微透镜折射作用实现左右视差图像分别进入左、右眼实现立体显示。这种显示装置旋转90度仍具有立体感，且纵向移动视角方向产生不同立体效果，与人眼观察实际景物相似，所以称全方向立体显示。

图7 微透镜阵列立体图像显示原理

人的大脑在综合从不同的方位获取同一景物的信息时，其中一个很重要的因素，就是物点光线的入射方向，人眼可根据各物点发射（或反射）到人眼光线的方向，判定该物点的方位及远近［6］。

设微透镜阵列显示屏上显示的3个图像特征点A、B、C(如图7)，每一个特征点由左、右两个图像对构成同一图像点，在显示屏上分别位于AL、AR，BL、BR，CL、CR。

由于微透镜的折射作用，使显示屏上的任何一点的光线只能按特定的方位出射。AL、AR两点为屏上非常接近的两点，由该点透射进入双眼的光线为ELAL、ERAR，人眼凭这两条光线，可判定A点在显示屏面上。

对特征相同的BL、BR两点，如BL点透射出的光线只能到达左眼，而BR点透射出的光线只能到达右眼，人眼凭这两条光线就会形成一种错觉，认为这两点是一个点B，B点在屏面上，既形成近景。

同样，如果CL点透射出的光线只能到达左眼，而CR点透射出的光线只能到达右眼，形成的错觉点C，C点在屏面下，既形成远景。

设人的两眼的瞳距为L，人眼到屏的观看距离为H，左右图像对特征点的间距为p，则根据三角关系［7］不难推导出人眼视觉将左右图像对融合后形成的景深位置为：h=H L+pp，其中，近景特征点交叉，间距p取正，远景特征点间距p取负。

3 全方向立体显示应用与实践〖*2〗3.1 日本开发的圆形微透镜阵列LCD屏 日立制作所利用圆形微透镜阵列开发出可上下左右全方向立体显示的LCD液晶屏，该显示屏为5英寸，像素数为1024×768，背光照明采用LED，显示装置总厚度不到10 mm，如图8所示。

图8 微透镜阵列LCD玩具应用

这种显示屏样品试用在一种电子玩具，将进一步开发用于计算机断层扫描摄影诊断等医疗设备上。其结构是在液晶面板上制作阵列状铺设的微型树脂透镜，每一微型树脂透镜覆盖一定方式排列的像素，通过从透镜折射出与像素对应光线再现立体图像。

立体图像的精细度取决于显示屏的透镜数量；景深范围、视野宽度由透镜的参数、视差像素对数以及视差图布局决定。该样品每一微型透镜下由4×4=16个像素按田字排列，透镜直径0.3 mm，共约有256×192=49152个微透镜。由这近5万个微透镜阵列构成的LCD液晶屏实现左右、上下各方向具有的立体视差，因此，围绕该显示屏从各方向观看都具有立体感，这是裸眼实现立体视觉的又一突破。

这种微透镜阵列光学屏板在德国和日本已有生产，但应用还不普及。

3.2 线型光栅仿透镜阵列在手机模组的实验

微透镜阵列LCD液晶屏比较看好的另一重要应用领域为手机。日本目前正在考虑对圆形微透镜阵列LCD液晶屏进行小型化及开发厚5 mm以下的薄型化模组，它需要高精细圆形微透镜面板，面板制作成本较高。

图9 手机立体模组PCB板

为降低成本，我们采用了图6狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶合的仿透镜阵列在手机模组上进行了实验，狭缝光栅的制备采用TFT-LCD同样的薄膜工艺技术，形成与LCD像素列精密吻合的光栅。狭缝宽度与像素宽度相等，狭缝光栅密度取像素密度的 1/2，狭缝相对于液晶屏的距离根据人眼观看距离、瞳孔间距值以及像素间距计算。柱镜光栅膜材料为PVC，其焦距F=柱镜光栅膜厚度+液晶屏厚度+狭缝膜厚度，柱镜光栅密度等于像素密度的1/4，试验装置如图10。

4 实验总结

1） 由于狭缝光栅采用LCD同样的薄膜工艺制作，所形成的狭缝光栅与LCD像素列精密吻合，屏尺寸小，故横向图像视点只需取两个即可达到非常好的立体效果，这对减小图像数据极为有利。

2） 柱镜光栅因样品精度与分像锐性上不如狭缝光栅，纵向图像视点取四个比两个立体效果好。当然，提高柱镜光栅精度与质量会进一步提高立体显示效果。

3） 横向、纵向观察的立体效果优于斜向的立体效果。

4） 狭缝由狭缝LCD板独立控制，当通过对LCD板的控制使其偏振遮光消失时（相当于狭缝全透光），LCD屏形成普通的柱镜光栅立体显示屏。

5） 将柱镜光栅换成狭缝光栅，亮度损失过大，应用受限。

5 结束语

虽然激光全息立体摄影技术制作的全息立体图像具有各方向真实的空间立体效果，但存在制作难度大，需相干光照明，彩色显示困难，观察条件苛刻，也不适合动态景物摄制，大幅立体图像显示技术成本极高。

微透镜阵列立体图像显示属几何光学范畴，技术实现简单。观看这种立体图像不需佩戴特制眼镜，允许画面倾斜，允许画面旋转，立体效果更自然真实，并易于实现大幅面与动态显示。微透镜阵列实现全真的立体显示效果明显，我们采用狭缝光栅与柱镜光栅纵横胶合的低成本仿透镜阵列方案简便可行，立体效果令人满意，具有应用价值。

全真立体显示技术可应用于立体电视、玩具娱乐、新型包装印刷、商品的高层次防伪标识等领域，应用前景极为广阔。

【参考文献】
［1］ Ives H E. Optical properties of a Lippman lenticulated sheet ［J］.Opt Soc Am, 1931, 21:171-176.

［2］ 刘莉. 光学体视显微图像立体测量系统研究与开发［J］. 中国体视学与图像分析, 2003, 8(4):220-224.

［3］ 谢俊国. 立体光学成像原理及立体照相［J］. 江门教育学院学报, 2000, 4:32-34.

［4］ Popovic Z D, Sprague R A, Neville G A. Technique for monolithic fabrication of microlensarray ［J］. Applied Optics, 1998, 27(4):1281-1284。 ［5］ 陈祥献. 光刻热熔微透镜阵列的电铸成形复制技术研究［J］. 仪器仪表学报, 1998, 19(1):56-60.

［6］ 王元庆. 基于LCD的自由立体显示技术 ［J］. 液晶与显示, 2003, 18(2):116-120.

［7］ 段风云. 黑白光栅成像的数学模型及实验验证［J］. 实验室研究与探索, 2005, 24(5):29-31.