集成成像3D顯示技術(shù)研究.pdf

1、人類是天生的具有立體視覺的生物。人們很早就學(xué)會(huì)了在一個(gè)平面內(nèi)繪制透視圖來表現(xiàn)空間的三維特征。但是，無論是手繪的圖片還是照相機(jī)拍攝的照片，都只從某個(gè)角度某個(gè)側(cè)面反映景物的三維特征，所能表現(xiàn)的深度信息嚴(yán)重的匱乏。時(shí)下流行的智能手機(jī)、平板電腦、超清電視等二維顯示設(shè)備同樣存在這樣的問題。人們希望通過顯示設(shè)備看到栩栩如生的景物，仿佛要走出屏幕一般，而不是被囚禁在一個(gè)平面內(nèi)。在這樣的期望下，一百多年前，三維(three dimensional,3D

2、)顯示技術(shù)誕生了，并被確定為顯示技術(shù)的終極發(fā)展目標(biāo)。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，各種3D顯示技術(shù)相繼涌現(xiàn)，在這中間，集成成像3D顯示技術(shù)無需輔助設(shè)備、無需相干光源、無觀看視疲勞，并且能夠提供全視差、連續(xù)視點(diǎn)、全彩色、實(shí)時(shí)的真3D圖像，被認(rèn)為是最具前景的3D顯示技術(shù)之一。但是，集成成像3D顯示中的分辨率、視場角、深度范圍等受到原理和器件的限制，還有待于研究改進(jìn)。本文從高分辨率集成成像3D顯示、2D/3D可切換的集成成像3D顯示和浮動(dòng)集成成像3D顯

3、示三個(gè)方面研究高性能的集成成像3D顯示方案。
　　本論文的主要研究工作概述如下:
　　1.介紹了集成成像的原理和分類，詳細(xì)介紹了全光集成成像和計(jì)算機(jī)集成成像的原理和用途。介紹了集成成像三種顯示模式的特點(diǎn)。詳細(xì)分析了集成成像3D顯示性能參數(shù)的表達(dá)式和相互制約關(guān)系，并分析了集成成像3D顯示的優(yōu)點(diǎn)。
　　2.介紹了典型的提升集成成像顯示分辨率的方法。分析了傳統(tǒng)集成成像顯示中單元像存在有效區(qū)域的問題，及其對分辨率的影響。提出一

4、種利用不同焦距透鏡陣列分別進(jìn)行拍攝和顯示的方法提高集成成像觀看分辨率。該方法可以擴(kuò)大單元像的有效區(qū)域，避免了像素的浪費(fèi)，增加了觀看者接收的信息量，即增加了分辨率。處理后的單元像陣列配合上長焦距透鏡陣列進(jìn)行顯示，可以在保持觀看視角不變，重建3D像不變的情況下有效提高觀看分辨率。
　　3.介紹了基于點(diǎn)光源陣列的集成成像3D顯示方法，分析了其觀看分辨率特性，并介紹了相關(guān)改進(jìn)方法和其不足。提出一種基于高密度點(diǎn)光源陣列的高分辨率集成成像顯示

5、方法，利用一個(gè)3×3的LED陣列和準(zhǔn)直透鏡形成9個(gè)方向傳播的平行光，再通過透鏡陣列后生成4倍于透鏡元數(shù)量的點(diǎn)光源陣列，從而實(shí)現(xiàn)4倍分辨率的提升。與之前的高分辨率方法相比，該方法生成的點(diǎn)光源光束發(fā)散角相互平行，單元像尺寸均勻，觀看視角保持不變。最后模擬分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的顏色分離現(xiàn)象和模糊效應(yīng)，得出當(dāng)點(diǎn)光源尺寸與顯示面板像素尺寸一致時(shí)，可以有效避免以上兩個(gè)問題的出現(xiàn)。
　　4.介紹了2D/3D可切換集成成像顯示方法，提出2D/3D可

6、切換技術(shù)需要滿足的三個(gè)特性，詳細(xì)分析了幾種典型方法的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。提出一種基于導(dǎo)光板的2D/3D可切換的集成成像顯示裝置。該裝置由平板背光源、導(dǎo)光板和液晶面板構(gòu)成。3D模式下，平板背光源關(guān)閉，導(dǎo)光板側(cè)光源開啟，導(dǎo)光板產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)光源陣列，被液晶面板上的單元像調(diào)制，形成3D圖像。2D模式下，導(dǎo)光板側(cè)光源關(guān)閉，平板背光源開啟，液晶面板上的2D圖像正常顯示。因此，切換不同的光源，即可實(shí)現(xiàn)2D/3D切換。闡述了該方法的幾大優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)厚度薄、成

7、本低、光效率高、切換簡單、2D模式圖像質(zhì)量高。對點(diǎn)光源成像像差和點(diǎn)光源密度優(yōu)化作了分析。選取了合適的參數(shù)使得成像像差可以忽略。推導(dǎo)了投影分辨率和采樣分辨率的表達(dá)式，提出一種點(diǎn)光源密度優(yōu)化方法，可以得到最佳點(diǎn)光源密度使得觀看分辨率最大。
　　5.介紹了浮動(dòng)顯示技術(shù)的基本概念，是一種通過各種光學(xué)手段形成浮動(dòng)在半空中的2D圖像的技術(shù)。詳細(xì)分析了幾種浮動(dòng)顯示技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。介紹了基于浮動(dòng)透鏡的浮動(dòng)集成成像顯示技術(shù)，分析了其缺點(diǎn)例如窄小的觀看

8、視窗，透鏡成像畸變和成像像差等。提出了一種基于角錐回射器陣列的浮動(dòng)集成成像顯示技術(shù)，該技術(shù)將基于角錐回射器陣列的浮動(dòng)顯示與集成成像顯示相結(jié)合，不存在基于浮動(dòng)透鏡的浮動(dòng)集成成像顯示中的諸多問題，并且可以消除傳統(tǒng)集成成像顯示中深度—分辨率制約關(guān)系，增大實(shí)像模式的完全觀看范圍，克服深度反轉(zhuǎn)問題。用偏振分束片和四分之一波片對該方法的光利用率做了提升，可用來實(shí)現(xiàn)具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特征的浮動(dòng)集成成像顯示。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:
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9、.提出一種利用不同焦距透鏡陣列分別進(jìn)行拍攝和顯示的方法提高集成成像觀看分辨率。該方法不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，通過擴(kuò)大單元像有效區(qū)域有效增加觀看者接收信息量即分辨率，同時(shí)保持觀看視角和重建3D像不改變。
　　2.提出一種基于高密度點(diǎn)光源陣列的高分辨率集成成像顯示方法，可以實(shí)現(xiàn)4倍分辨率的提升。與之前的高分辨率方法相比，該方法生成的點(diǎn)光源光束發(fā)散角相互平行，單元像尺寸均勻，觀看視角保持不變。
　　3.提出一種基于導(dǎo)光板的2D/3D可切