可提高立體圖像顯示分辨率的蜂窩式透鏡陣列設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于立體視頻顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蜂窩式透鏡陣列的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的二維平面顯示已經(jīng)不能滿足人們 的視覺需求，具有逼真效果和豐富色彩的立體視頻顯示技術(shù)，是目前顯示領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。 3D立體顯示更接近人眼視覺系統(tǒng)，能使圖像具有深度感、立體感和真實(shí)感，為人們提供了更 多的信息量。
[0003] 目前，立體顯示方法主要分為兩類：基于視差的立體顯示方法、真三維立體顯示方 法。第一類方法是使人的左右眼看到不同的圖像，進(jìn)而在大腦中形成具有深度信息的畫面， 需要佩戴特殊的眼鏡，而且容易產(chǎn)生視覺疲勞；第二類方法主要有全息術(shù)、體顯示技術(shù)、組 合成像技術(shù)。這類方法是在空間中形成真實(shí)存在的3D影像，具有深度信息，而且不會給觀 看者帶來不適。全息術(shù)利用的是干涉原理，需要具有高度相干性的光源，因此對光學(xué)系統(tǒng)的 要求較高，而且多用于記錄靜止物體，在視頻顯示領(lǐng)域應(yīng)用較少。體顯示技術(shù)是快速運(yùn)動的 3D場景的2D切片圖像，利用的是人眼視覺暫留特性，丟失了場景的3D信息，而且需要一個(gè) 近于真空環(huán)境的保護(hù)罩，使得顯示空間和顯示方式都受限。
[0004] 組合成像技術(shù)是利用昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)的成像原理，可以提供一定視角范圍內(nèi)的連續(xù) 視點(diǎn)，顯示的3D影像立體感突出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較簡單。組合成像技術(shù)主要由記錄、傳輸、 顯示三部分組成。記錄階段用透鏡陣列獲取物體的3D信息，并以二維圖像的方式存儲在成 像平面，因此可以利用現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)對圖像進(jìn)行傳輸。顯示時(shí)，將成像平面放置在透鏡陣 列的焦平面上，根據(jù)光路可逆的原理就可以再現(xiàn)物體的3D信息。重現(xiàn)立體圖像的效果與平 面顯示器的分辨率、立體元圖像的分辨率有關(guān)。當(dāng)立體元圖像的分辨率與顯示器的分辨率 相等或更高時(shí)，顯示器的分辨率可以被完整的利用；然而，當(dāng)立體元圖像的分辨率低于顯示 器的分辨率時(shí)，顯示器的分辨率則不能被充分利用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，顯示器的分 辨率已達(dá)到較高的水平，因此，提高立體元圖像的分辨率對于獲得高質(zhì)量的立體圖像是非 常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種能在相同透鏡尺寸條件下，增大透鏡陣列的成像面 積，提高成像效率，從而提高再現(xiàn)立體圖像分辨率的蜂窩式透鏡陣列的設(shè)計(jì)方法。
[0006] 本發(fā)明的可提高立體圖像顯示分辨率的蜂窩式透鏡陣列設(shè)計(jì)方法，包括下列步 驟：
[0007] 1.對比成像效率設(shè)定設(shè)計(jì)對象：將正方形透鏡陣列成像效率11 =與蜂窩式透鏡陣 列成像效率η**進(jìn)行對比，選取成像效率更高的蜂窩式透鏡陣列作為設(shè)計(jì)對象，成像效率 定義為透鏡陣列的有效傳光面積S w與總面積S,g,的比值：η = Sw /S,g,。對固定的S,g,，有效 的傳光面積Sw越大，光信息的丟失才會越小。具體包括下列步驟：
[0008] I. 1在正方形透鏡陣列中，選取一個(gè)正方形內(nèi)包含的四個(gè)透鏡元為單元，計(jì)算正方 形透鏡陣列成像效率
[0009] 1. 2在蜂窩式透鏡陣列中，選取一個(gè)正六邊形內(nèi)包含的七個(gè)透鏡元為單元，計(jì)算蜂 窩式透鏡陣列成像效率η
[0010] I. 3將正方形透鏡陣列成像效率Ii1與蜂窩式透鏡陣列成像效率！!^進(jìn)行對比，取 成像效率高、光信息多的蜂窩式透鏡陣列作為設(shè)計(jì)對象。
[0011] 2.蜂窩式透鏡陣列模板的光學(xué)設(shè)計(jì)及成像特性分析：包括設(shè)定蜂窩式透鏡陣列 每個(gè)透鏡元的形狀、大小、間距，計(jì)算焦距、曲率半徑，分析物像關(guān)系，具體包括下列步驟：
[0012] 2. 1設(shè)蜂窩式透鏡陣列的透鏡元間距等于正方形透鏡陣列的透鏡元間距，即Ptl = P1= P，蜂窩式透鏡陣列的折射率為n，每個(gè)透鏡元的形狀為正六邊形，直徑為.
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可提高立體圖像顯示分辨率的蜂窩式透鏡陣列設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括下列 步驟： (1) 對比成像效率設(shè)定設(shè)計(jì)對象：將正方形透鏡陣列成像效率Πι與蜂窩式透鏡陣列 成像效率η?進(jìn)行對比，選取成像效率更高的蜂窩式透鏡陣列作為設(shè)計(jì)對象，具體包括下 列步驟： 1.1在正方形透鏡陣列中，選取一個(gè)正方形內(nèi)包含的四個(gè)透鏡元為單元，計(jì)算正方形透 鏡陣列成像效率; 1. 2在蜂窩式透鏡陣列中，選取一個(gè)正六邊形內(nèi)包含的七個(gè)透鏡元為單元，計(jì)算蜂窩式 透鏡陣列成像效率η 1.3將正方形透鏡陣列成像效率Ii1與蜂窩式透鏡陣列成像效率η**進(jìn)行對比，取成像 效率高、光信息多的蜂窩式透鏡陣列作為設(shè)計(jì)對象； (2) 蜂窩式透鏡陣列模板的光學(xué)設(shè)計(jì)及成像特性分析：包括設(shè)定蜂窩式透鏡陣列每個(gè) 透鏡元的形狀、大小、間距，計(jì)算焦距、曲率半徑，分析物像關(guān)系，具體包括下列步驟： 2. 1設(shè)蜂窩式透鏡陣列的透鏡元間距等于正方形透鏡陣列的透鏡元間距，即Ptl = P1 = Ρ，蜂窩式透鏡陣列的折射率為n,每個(gè)透鏡元的形狀為正六邊形,直徑為I ,球缺高為h 3 * ?，則蜂窩式透鏡陣列的焦距f**為：? = R/n-1，R為曲率半徑；R的計(jì)算與透鏡陣列的制 作工藝有關(guān)，若采用光刻熱熔法，貝
Hjr為涂膠厚度； 2. 2蜂窩式透鏡陣列的物像關(guān)系滿足高斯成像公式：4 + 4 = ^ ;由光線光學(xué)得出： U V j'峰 "_ "1;3 V 其中：11為物距、V為像距、&為焦距、％為空間物體物高、％為經(jīng)蜂窩式透鏡陣列的 一個(gè)透鏡元成像后的像高； 2. 3設(shè)定蜂窩式透鏡陣列的每個(gè)透鏡元的間距p，p要滿足hift < p ; (3) 顯示平面與蜂窩式透鏡陣列的參數(shù)匹配：具體包括下列步驟： 3. 1將顯示模式設(shè)置為聚焦模式，即蜂窩式透鏡陣列到顯示平面的距離g等于蜂窩式 透鏡陣列的焦距^; 3. 2計(jì)算正方形透鏡陣列的立體圖像顯示分辨率R1、觀看視角Ω =、景深ΛΖρ正方形 透鏡陣列在聚焦模式時(shí)有= 1/Ρ
其中：P為每個(gè)透鏡元的間距、4為焦距、Pix為顯示平面像素尺寸； 3. 3計(jì)算蜂窩式透鏡陣列的立體圖像顯示分辨率％、觀看視 角、景深Λ Ztl，蜂窩式透鏡陣列在聚焦模式時(shí)，在水平方向上有：
在垂直方向上有：
其中：P為每個(gè)透鏡元的間距、&為焦距、Pix為顯示平面像素尺寸。
【專利摘要】可提高立體圖像顯示分辨率的蜂窩式透鏡陣列設(shè)計(jì)方法屬立體視頻顯示技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明主要步驟為：對比成像效率設(shè)定設(shè)計(jì)對象、蜂窩式透鏡陣列模板的光學(xué)設(shè)計(jì)及成像特性分析和顯示平面與蜂窩式透鏡陣列的參數(shù)匹配，與傳統(tǒng)的矩形透鏡陣列相比，采用本發(fā)明的蜂窩式透鏡陣列，能充分利用光學(xué)器件的有效面積，增大成像區(qū)域，使立體圖像分辨率顯著提高，從而獲得高質(zhì)量的三維再現(xiàn)像，提高觀看的真實(shí)感和立體感。
【IPC分類】G02B27-00, G02B27-22
【公開號】CN104635337
【申請?zhí)枴緾N201510086401
【發(fā)明人】王世剛, 武偉, 趙巖, 趙文婷
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月17日