集成成像三維顯示系統(tǒng)顯示性能的研究進(jìn)展

趙 星 ，王 芳，楊 勇，方志良，袁小聰

(南開(kāi)大學(xué) 現(xiàn)代光學(xué)研究所 光學(xué)信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300071)

1 引 言

與傳統(tǒng)二維顯示圖像技術(shù)相比，三維立體顯示技術(shù)能在一定程度上真實(shí)地再現(xiàn)客觀世界的景象，給人以身臨其境的感覺(jué)，因此，在娛樂(lè)、醫(yī)療科學(xué)、機(jī)器人學(xué)、制造業(yè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，已成為當(dāng)前世界上顯示技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1-3］。根據(jù)基本原理的不同，三維立體顯示技術(shù)可分為兩大類［4］。其一為基于雙目視差的三維顯示技術(shù)，該技術(shù)原理較為簡(jiǎn)單，但是需要配戴相應(yīng)的偏光眼鏡，存在的單用戶性、圖像分辨率低、視覺(jué)疲勞等問(wèn)題，使其發(fā)展受到了限制。其二為非雙目視差的三維顯示技術(shù)，包括全息立體顯示、體顯示和集成成像立體顯示。由于全息立體顯示需要相干光照明，其應(yīng)用受到限制［5］。體顯示需要高速旋轉(zhuǎn)顯示屏，裝置較為復(fù)雜。因此，具有連續(xù)觀察點(diǎn)、全視差彩色圖像、裸眼觀看、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的集成成像三維顯示技術(shù)吸引了諸多研究者的關(guān)注［6］。

本文綜述了集成成像三維顯示技術(shù)的特點(diǎn)，從分辨率、景深、觀看視場(chǎng)角三個(gè)特性參數(shù)出發(fā)，對(duì)集成成像三維顯示系統(tǒng)的性能改善做了論述。通過(guò)不同方法的歸類總結(jié)，對(duì)提高分辨率、景深、視場(chǎng)角的研究工作做了系統(tǒng)分析。

2 集成成像三維顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)集成成像系統(tǒng)由獲取階段和顯示階段兩部分組成，如圖1 所示［7］。在獲取階段，通過(guò)透鏡陣列將物體的三維信息以元素圖像陣列的形式記錄在CCD 相機(jī)上。再現(xiàn)時(shí)，使用顯示設(shè)備( 如液晶顯示器) 顯示元素圖像陣列，人們便可通過(guò)再現(xiàn)透鏡陣列觀看到物體的三維立體圖像。大量研究表明:三維顯示的分辨率、景深和觀看視場(chǎng)角這三個(gè)特性參數(shù)決定了集成成像三維顯示系統(tǒng)的性能，而這些特性參數(shù)又與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及器件特性有著密切的關(guān)系。透鏡陣列的特性，如子透鏡的孔徑，陣列的間距和個(gè)數(shù)，以及獲取和顯示設(shè)備的分辨率特性都對(duì)集成成像再現(xiàn)圖像的分辨率有直接影響。對(duì)于景深，由透鏡的成像原理可知，只有在滿足物像關(guān)系的中心深度平面( Central Depth Plane，CDP) 附近的再現(xiàn)圖像具有較高的分辨率，圖像較清晰，隨著偏離CDP 程度的增大，圖像質(zhì)量會(huì)明顯下降，所以三維立體圖像的再現(xiàn)深度受到了限制。集成成像技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一是觀察點(diǎn)不固定，觀看者在一定的連續(xù)區(qū)域內(nèi)都可以看到三維圖像，但是系統(tǒng)子透鏡的孔徑和焦距及元素圖像之間的串?dāng)_限制了觀看視場(chǎng)角的大小，進(jìn)而限制了觀看區(qū)域的范圍?？梢?jiàn)，要提高再現(xiàn)圖像的分辨率，增大三維顯示的景深，提高可觀看視場(chǎng)角，以提升集成成像三維顯示系統(tǒng)的性能，克服各個(gè)參數(shù)的限制因素是關(guān)鍵。

圖1 傳統(tǒng)集成成像技術(shù)原理Fig.1 Principle diagram of the conventional integral imaging technology

3 集成成像三維顯示系統(tǒng)分辨率的提高

集成成像三維顯示系統(tǒng)的分辨率主要受透鏡陣列中子透鏡個(gè)數(shù)、子透鏡孔徑及顯示設(shè)備分辨率的影響。因此，通過(guò)時(shí)空復(fù)用或利用光學(xué)器件等效增加子透鏡的個(gè)數(shù)，用附加器件增加作用于再現(xiàn)像的光線數(shù)量，即等效增大子透鏡的孔徑，以及采用基于幾何光學(xué)數(shù)字仿真的計(jì)算集成成像再現(xiàn)( Computational Integral Imaging Reconstruction，CIIR) 技術(shù)突破顯示設(shè)備分辨率的限制，均可提高系統(tǒng)的分辨率。

Lars Erdmann 等人較早地提出了使用時(shí)間復(fù)用的方法來(lái)提高系統(tǒng)的分辨率［8］。他們將透鏡陣列固定在二維掃描導(dǎo)軌上，通過(guò)導(dǎo)軌移動(dòng)得到一系列元素圖像，經(jīng)過(guò)針孔陣列記錄下光強(qiáng)信息后，再經(jīng)過(guò)中繼透鏡記錄在CCD 上。再現(xiàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)控制元素圖像及透鏡陣列同步變換，實(shí)現(xiàn)了分辨率的提高。但是使用針孔陣列降低了再現(xiàn)像的亮度，影響了顯示觀看的質(zhì)量。

隨后，Bahram Javidi 團(tuán)隊(duì)的研究人員為了克服尼奎斯特定理對(duì)分辨率的限制，提出了使用非靜態(tài)的光學(xué)系統(tǒng)，即( Moving Array Lenslet Technique，MALT) 技術(shù)在獲取和顯示階段沿水平和豎直方向同步移動(dòng)獲取透鏡陣列和顯示透鏡陣列，如圖2 所示［9-11］。利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，在其響應(yīng)時(shí)間內(nèi)快速移動(dòng)透鏡陣列，記錄和顯示盡可能多的元素圖像，從而提高再現(xiàn)圖像的分辨率。在早期的研究中，他們?cè)谝苿?dòng)過(guò)程中將獲取透鏡陣列和顯示透鏡陣列傾斜放置，以在水平方向和豎直方向同時(shí)提高分辨率。該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置及條件有較高的要求，不僅需要透鏡陣列移動(dòng)的速度足夠快，還需要獲取和顯示階段兩組透鏡陣列完全同步移動(dòng)，否則不能再現(xiàn)出正確的三維圖像。為此，該研究組在后續(xù)的研究中對(duì)以上裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用計(jì)算集成成像技術(shù)來(lái)顯示三維立體圖像［12］。與先前方法的不同之處在于，該方法只在獲取階段移動(dòng)透鏡陣列，獲得較多的元素圖像后通過(guò)計(jì)算機(jī)再現(xiàn)三維圖像，從而避免了獲取和顯示階段透鏡陣列異步移動(dòng)造成的三維圖像質(zhì)量的下降。

圖2 移動(dòng)透鏡陣列效應(yīng)光學(xué)裝置Fig.2 Optical setup for the effect of moving lenslet arrays

移動(dòng)透鏡陣列快速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將伴隨著震動(dòng)、阻力、噪音等不良現(xiàn)象的發(fā)生，從而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，可以使用兩套傳統(tǒng)的集成成像顯示設(shè)備各自顯示相應(yīng)的元素圖像并得到兩個(gè)再現(xiàn)像，通過(guò)分束器將兩個(gè)再現(xiàn)圖像合成為一個(gè)高分辨率的三維再現(xiàn)圖像［13］。而Yunhee Kim 等人還提出用兩個(gè)液晶顯示器分別顯示針孔陣列和相應(yīng)的元素圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制兩個(gè)液晶顯示器的像素點(diǎn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)透鏡陣列等效平移的方法［14］。該方法不僅避免了機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的不利影響，而且可以方便地控制透鏡陣列和元素圖像之間的切換，使之完全同步。此外，時(shí)空復(fù)用提高分辨率的方法也可在三維顯微成像和視差障柵三維顯示等其他應(yīng)用上發(fā)揮作用［15-16］。

圖3 附加透鏡陣列增加點(diǎn)光源示意圖Fig. 3 Schematic diagram of generating an excess of point light sources by additional lens array

Jae-Hyeung Park 等人通過(guò)研究集成成像顯示原理發(fā)現(xiàn)，一個(gè)子透鏡及其相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)光源和顯示設(shè)備上的對(duì)應(yīng)區(qū)域共同作用于再現(xiàn)圖像的一個(gè)像素點(diǎn)，如圖3( a) 所示。因此增加點(diǎn)光源的個(gè)數(shù)，即等效增加子透鏡的個(gè)數(shù)，也可增大再現(xiàn)圖像的分辨率。為此，采用如圖3( b) 所示的光學(xué)系統(tǒng)［17］，在傳統(tǒng)的透鏡陣列和準(zhǔn)直透鏡之間附加一個(gè)透鏡陣列，將光源發(fā)出的光線重新匯聚分配，從而增加了點(diǎn)光源的個(gè)數(shù)，提高了分辨率。該方法容易實(shí)現(xiàn)，且減少了透鏡陣列的加工難度以及小孔徑透鏡引起的衍射效應(yīng)。

從集成成像顯示原理可知，增大子透鏡孔徑，可增加作用于再現(xiàn)像的光線，提高信噪比和顯示分辨率。但子透鏡孔徑的增大對(duì)大面積透鏡陣列的加工提出了更高的要求。為此，Hongen Liao 等人在傳統(tǒng)的集成成像顯示系統(tǒng)前端放置棱鏡片，使從透鏡陣列出射的光線經(jīng)過(guò)棱鏡作用后發(fā)生偏折。棱鏡片以光軸為中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，從棱鏡出射的偏折光線會(huì)以不加棱鏡片時(shí)出射的中心光線為中心旋轉(zhuǎn)。在棱鏡片高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，從同一子透鏡出射的光線增多，從而提高了系統(tǒng)的分辨率［18］。

光學(xué)集成成像再現(xiàn)技術(shù)( Optical Integral Imaging Reconstruction，OIIR) 因顯示設(shè)備物理特性的限制導(dǎo)致了再現(xiàn)圖像質(zhì)量的明顯下降，因此基于幾何光學(xué)數(shù)字仿真的CIIR 技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。Eun-Soo Kim 研究組提出了一些基于CIIR 技術(shù)提高集成成像系統(tǒng)分辨率的方法，例如采用中間視點(diǎn)再現(xiàn)技術(shù)( Intermediate-view Reconstruction Technique，IVRT) ，根據(jù)已有的相鄰元素圖像計(jì)算生成盡可能多的元素圖像，在一定程度上降低了分辨率對(duì)透鏡陣列個(gè)數(shù)的依賴性［19］;通過(guò)對(duì)元素圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，使構(gòu)成元素圖像的全部像素點(diǎn)都參與再現(xiàn)圖像的合成，從而提高了分辨率［20］;采用曲面計(jì)算集成成像再現(xiàn)技術(shù)( Curved Computational Integral Imaging Reconstruction，CCIIR) ，即在光學(xué)獲取階段，將一個(gè)大孔徑透鏡置于傳統(tǒng)透鏡陣列前面以提高采樣率，再運(yùn)用CIIR技術(shù)再現(xiàn)，得到高分辨率的再現(xiàn)圖像［21］; 通過(guò)模糊度量檢測(cè)及處理CIIR 技術(shù)得到高質(zhì)量的再現(xiàn)圖像［22］; 使用精確像素映射( Smart Pixel Mapping，SPM) 算法處理元素圖像，提高CIIR 技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)距離物體的清晰再現(xiàn)能力［23-24］。

4 集成成像三維顯示系統(tǒng)景深的增大

集成成像顯示系統(tǒng)遵循透鏡成像原理，物距和透鏡焦距決定了像距的大小，即集成成像中心深度平面CDP 的位置。由于CDP 都有其相應(yīng)的景深范圍，因此，可以通過(guò)改變物距，即顯示設(shè)備與再現(xiàn)透鏡陣列之間的距離，改變CDP 的位置，并產(chǎn)生多個(gè)CDP，從而增大系統(tǒng)的立體顯示深度。

Byoungho Lee 等人較早地提出了動(dòng)態(tài)改變顯示器和透鏡陣列間距增大景深的方法［25］。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制透鏡陣列沿軸向動(dòng)態(tài)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其與顯示器間距的動(dòng)態(tài)變化，伴隨元素圖像的同步變換，產(chǎn)生實(shí)像和虛像的交替再現(xiàn)。當(dāng)透鏡移動(dòng)速度足夠快時(shí)，利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)可以看到實(shí)虛像同時(shí)再現(xiàn)，從而增大系統(tǒng)的景深。為了避免透鏡陣列移動(dòng)造成的干擾，Ju-Seog Jang 等人通過(guò)理論推導(dǎo)分析了顯示器和透鏡陣列間距與透鏡焦距f間的相對(duì)關(guān)系對(duì)系統(tǒng)景深的影響［26］。二者相等時(shí)，從透鏡出射的光線平行，發(fā)散角小，且可同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)虛像的再現(xiàn)，因此景深較大。

圖4 SLA 結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the SLA

采用上述方法的集成成像系統(tǒng)，透鏡陣列的高速移動(dòng)不僅難度大，而且會(huì)造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，為此可從改變透鏡陣列結(jié)構(gòu)入手來(lái)緩解這一問(wèn)題。比較典型的兩種透鏡陣列結(jié)構(gòu)分別是階梯透鏡陣列( Stepped Lens Array，SLA) 和合成透鏡陣列( Composite Lens Array，CLA) 。前者如圖4所示，將子透鏡交替排列在與顯示設(shè)備間距不同的兩個(gè)平面內(nèi)，此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)不同的CDP，可以同時(shí)產(chǎn)生實(shí)像和虛像，增大了系統(tǒng)的景深［27］。但是由于僅有整個(gè)透鏡陣列的一半?yún)⑴c每個(gè)CDP 的成像過(guò)程，因此需要在兩個(gè)子透鏡平面內(nèi)快速切換以產(chǎn)生完整的再現(xiàn)圖像。CLA 是采用不同焦距和孔徑的子透鏡組成的陣列［28］。透鏡陣列中有M個(gè)不同焦距和孔徑的子透鏡，就會(huì)產(chǎn)生M個(gè)不同景深范圍的CDP，將其連接起來(lái)就可以產(chǎn)生較大的系統(tǒng)景深，如圖5 所示。

圖5 CLA 增大景深原理Fig.5 Principle diagram of enlarging deph of focus in the CLA

盡管改變透鏡陣列結(jié)構(gòu)可以有效提高系統(tǒng)的景深，但是不同焦距、孔徑及排列方式的透鏡陣列加工難度大，且成本比較高，所以除了改變透鏡結(jié)構(gòu)以外，還可以通過(guò)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)增大景深。Byoungho Lee 等人較早從光線光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)兩方面證明了雙設(shè)備集成成像系統(tǒng)可以獲取和顯示兩個(gè)CDP，從而增大了系統(tǒng)的景深［29］。他們提出了如圖6［30-31］所示的偏振選擇反射鏡或者反射鏡障柵陣列系統(tǒng)，使經(jīng)過(guò)偏振片或不同角度傾斜的障柵陣列的光線光程差不同，從而產(chǎn)生不同的CDP，增大景深。

圖6 偏振選擇反射鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 6 Structure of polarization-selective mirror pair system

之后，Byoungho Lee 團(tuán)隊(duì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。采用3 個(gè)平行放置的液晶顯示平板，分別顯示3 組不同的元素圖像［32］，如圖7 所示。由于每個(gè)液晶顯示平板與透鏡陣列的距離不同，因此可以產(chǎn)生3 個(gè)不同的CDP。通過(guò)控制每個(gè)液晶顯示平板的光透過(guò)率就可以選擇相應(yīng)的圖像再現(xiàn)。為了克服液晶顯示平板增多，顯示偏振器件降低圖像亮度的問(wèn)題，他們還提出使用聚合物分散液晶薄膜( Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC)來(lái)代替液晶顯示平板［33-35］。

圖7 多層顯示集成成像系統(tǒng)Fig.7 Multilayered display integral imaging system

除了上述通過(guò)增加顯示設(shè)備個(gè)數(shù)產(chǎn)生多個(gè)CDP 增大景深的方法以外，還可應(yīng)用偏振片和雙折射晶體對(duì)光線的偏折和分光特性形成多個(gè)CDP［36-37］; 在透鏡前面放置特殊模板進(jìn)行振幅或相位調(diào)制來(lái)改變透鏡成像特性［38-40］; 在遠(yuǎn)心中繼系統(tǒng)的光闌處添加折射率可變的液體透鏡改變CDP［41-42］; 利用透鏡陣列對(duì)傳統(tǒng)集成再現(xiàn)像進(jìn)行二次成像等方法增大景深［43］。

此外，從幾何光線追跡的角度對(duì)集成成像顯示原理進(jìn)行研究后，Raúl Martínez-Cuenca 等人提出降低透鏡陣列的填充因子，可在不降低分辨率的前提下增大系統(tǒng)的景深［44］。而Jae-Hyeung Park 等人則對(duì)系統(tǒng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，利用透鏡陣列形成的多個(gè)點(diǎn)光源照射元素圖像陣列，同時(shí)形成實(shí)像和虛像，從而增大了系統(tǒng)的景深［43］。

5 集成成像三維顯示系統(tǒng)觀看視場(chǎng)角的增大

集成成像系統(tǒng)的觀看視場(chǎng)角主要受透鏡陣列的視場(chǎng)角和元素圖像尺寸的限制。通過(guò)遮擋元素圖像實(shí)現(xiàn)奇偶列元素圖像交替顯示，或者改變透鏡及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增大元素圖像的有效面積，同時(shí)避免相鄰元素圖像間的串?dāng)_都可以增大系統(tǒng)的觀看視場(chǎng)角。

Byoungho Lee 及其團(tuán)隊(duì)首先提出了使用擋板遮擋相鄰子透鏡減小串?dāng)_的方法，如圖8( a) 所示［46-49］。在傳統(tǒng)集成成像系統(tǒng)再現(xiàn)透鏡陣列前面放置奇偶列交替遮擋的擋板，使奇數(shù)列和偶數(shù)列的透鏡陣列輪流顯示與之相對(duì)應(yīng)的元素圖像，可以分別再現(xiàn)得到不完整的立體像，利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，將擋板的快速移動(dòng)和元素圖像的切換完全同步，即可得到觀看視場(chǎng)角增大一倍的完整再現(xiàn)圖像。在此基礎(chǔ)上，采用滑動(dòng)擋板使任一時(shí)刻僅有一列透鏡參與圖像的再現(xiàn)，其余部分均被遮擋，還可以進(jìn)一步增大視場(chǎng)角，如圖8( b)所示。為了避免移動(dòng)擋板造成的阻力和噪聲干擾，人們提出采用偏振快門屏和正交偏振片組成的正交偏振開(kāi)關(guān)代替移動(dòng)的擋板［50-52］。其中正交偏振片對(duì)光線偏振的選擇透過(guò)效應(yīng)可以使透鏡奇偶列交替顯示偏振快門屏上同步變換的元素圖像。

圖8 透鏡遮擋增大視場(chǎng)角原理Fig. 8 Schematic diagram of viewing-angle-enhanced integral imaging by lens mask

除了上述通過(guò)擋板遮擋增大元素圖像有效面積的方法外，沿垂軸方向同步移動(dòng)獲取透鏡陣列和獲取設(shè)備、顯示設(shè)備和再現(xiàn)透鏡陣列也可以有效增大元素圖像的尺寸［53-54］。而Ju-Seog Jang 等人提出的降低透鏡陣列填充因子，同時(shí)使用MALT 技術(shù)提高系統(tǒng)的分辨率［55］的方法，在分辨率損失較少的情況下，等效增大了元素圖像的有效面積，實(shí)現(xiàn)了觀看視場(chǎng)角的增大。

傳統(tǒng)集成成像系統(tǒng)均采用平面顯示設(shè)備和平面透鏡陣列，使得離光軸中心較遠(yuǎn)的元素圖像因尺寸較小無(wú)法記錄大視角時(shí)物體的三維有效信息，導(dǎo)致看不到完整的再現(xiàn)像而限制了系統(tǒng)的觀看視場(chǎng)角范圍。但是若使用兩個(gè)甚至更多顯示設(shè)備分別顯示不同視角的物體信息，再經(jīng)過(guò)分束器合成，就可以看到不同視角的完整再現(xiàn)圖像，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)觀看視場(chǎng)角的增大［56］。此外，Yunhee Kim等人改變傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)，利用曲面透鏡陣列進(jìn)行顯示，同時(shí)隨觀看視角的增大，逐步增大與之對(duì)應(yīng)的元素圖像尺寸，令所有元素圖像都含有完整的物體信息，如圖9 所示［57］，從而增大了可觀看視場(chǎng)角。但由于該系統(tǒng)中元素圖像仍然由平面顯示設(shè)備顯示，致使大視場(chǎng)角觀看時(shí)曲面透鏡與平面顯示設(shè)備之間的距離易于偏離集成再現(xiàn)條件，限制了視場(chǎng)角的增大程度。因此研究組利用投影集成成像顯示系統(tǒng)，采用曲面顯示設(shè)備和曲面透鏡陣列來(lái)大幅度增大系統(tǒng)的觀看視場(chǎng)角，并實(shí)現(xiàn)水平和豎直方向觀看視場(chǎng)角的同時(shí)增大［58］?；谕瑯拥脑?，在投影集成成像顯示系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)如圖10 所示的圓弧形散射屏陣列［59］，也可使系統(tǒng)的觀看視場(chǎng)角增大2θ。而Joo-Bong Hyun等人用一個(gè)大孔徑的透鏡置于透鏡陣列前端，產(chǎn)生相同的曲面效應(yīng)，達(dá)到增大觀看視場(chǎng)角的目的［60-61］，避免了曲面顯示屏和曲面透鏡陣列等特殊器件在制作技術(shù)和成本上所面臨的困難。

圖9 曲面透鏡陣列成像系統(tǒng)Fig.9 System of curved lens array integral imaging

圖10 散射屏結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of an embossed screen

增大觀看視場(chǎng)角，需要避免相鄰元素圖像間在集成再現(xiàn)過(guò)程中的串?dāng)_。早期曾有人提出將全息技術(shù)與集成成像技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用體全息術(shù)記錄和再現(xiàn)物體的三維信息。此時(shí)即使元素圖像有重疊，但是由于相位共軛光沿不同方向傳播，因此不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_圖像［62］。另外，也可以在顯示設(shè)備與透鏡陣列之間添加兩個(gè)空間光調(diào)制器，如圖11 所示［63-64］，利用空間光調(diào)制器對(duì)光線的調(diào)節(jié)作用，改變從元素圖像出射的光線方向，使需要的光線通過(guò)相應(yīng)的子透鏡，并阻擋串?dāng)_的光線，同時(shí)又增加了形成再現(xiàn)圖像的光線數(shù)，從而增大了系統(tǒng)的視場(chǎng)角。

圖11 空間光調(diào)制器增大集成成像視場(chǎng)角結(jié)構(gòu)Fig. 11 Structure of viewing-angle-enhanced integral imaging by spatial light modulator

增大系統(tǒng)觀看視場(chǎng)角的另一類有效方法是增大透鏡陣列的視場(chǎng)角。顯然，在孔徑一定的情況下，焦距較小的透鏡陣列能夠產(chǎn)生較大的視場(chǎng)角，因此具有較短焦距的負(fù)折射率平面凹透鏡成為提高系統(tǒng)觀看視場(chǎng)角的選擇之一［65］。一種相對(duì)簡(jiǎn)單的增大透鏡陣列等效視場(chǎng)角的方法是在顯示設(shè)備與透鏡陣列之間填充大折射率的介質(zhì)，如圖12所示［66］。不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)的空氣介質(zhì)，大折射率的介質(zhì)可以改變光線的偏折方向，使系統(tǒng)的觀看視場(chǎng)角增大一倍。

圖12 使用折射率介質(zhì)增大視場(chǎng)角原理圖Fig.12 Schematic diagram of using refractive index medium to enhance viewing angle

以上都是從改進(jìn)集成成像系統(tǒng)本身這個(gè)角度提出的增大觀看視場(chǎng)角的方法，而從觀察者的角度出發(fā)，不同的觀察位置對(duì)應(yīng)不同的元素圖像信息，根據(jù)觀察者的觀察位置信息逆向計(jì)算出相應(yīng)的元素圖像，即可在不同的位置觀看到不同的完整再現(xiàn)圖像，實(shí)現(xiàn)具有大觀看視場(chǎng)角的多人觀看系統(tǒng)［67-68］。同理，利用不同方向偏折的障柵陣列也可實(shí)現(xiàn)在不同位置的多人觀看效果［69］。

6 我國(guó)集成成像三維顯示技術(shù)的研究現(xiàn)狀

關(guān)于體三維、雙目視差、全息三維技術(shù)方面的研究，國(guó)內(nèi)諸如北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、四川大學(xué)等單位已取得較多成果，部分已經(jīng)可以滿足實(shí)用要求［70-75］。近兩年來(lái)，集成成像三維顯示技術(shù)也逐漸引起了國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位的關(guān)注，并開(kāi)始了較為系統(tǒng)的研究，如四川大學(xué)王瓊?cè)A課題組已開(kāi)展了計(jì)算集成成像技術(shù)和顯示系統(tǒng)的研究［6-76］，本文作者所在的南開(kāi)大學(xué)袁小聰課題組在集成成像的基礎(chǔ)理論以及顯示系統(tǒng)性能改善方面也開(kāi)展了深入的研究。

本課題組在國(guó)家973 計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，采用柱鏡光柵正交相疊的方式構(gòu)建了微透鏡陣列［5］，利用此大面積透鏡陣列實(shí)現(xiàn)了基于投影和平板顯示器件的三維顯示。在關(guān)于系統(tǒng)光學(xué)性能的研究中，提出了基于人眼視覺(jué)的集成成像三維顯示分辨率的比較方法，通過(guò)定義相對(duì)分辨率參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用條件下的視覺(jué)效果進(jìn)行了表征。在景深方面，利用元素圖像中的同名點(diǎn)間距對(duì)系統(tǒng)再現(xiàn)景深的能力進(jìn)行了表征［77］。另外，提出并采用波前編碼技術(shù)以及小發(fā)散角的投影技術(shù)使系統(tǒng)的景深增大了6 倍。在觀看視場(chǎng)角方面，采用填充介質(zhì)的方法使系統(tǒng)的觀看視場(chǎng)角比傳統(tǒng)方法增大了50%。此外，課題組對(duì)于集成成像系統(tǒng)中三維信息獲取和顯示的一些問(wèn)題也進(jìn)行了研究和探索，例如，針對(duì)集成成像顯示系統(tǒng)中出現(xiàn)的串?dāng)_和信息丟失現(xiàn)象，可以根據(jù)人眼及系統(tǒng)的相關(guān)特性，在單個(gè)元素圖像周圍設(shè)置舒適度預(yù)留區(qū)域［78］;針對(duì)獲取和顯示階段不匹配的集成成像系統(tǒng)，通過(guò)獲取階段最佳紀(jì)錄距離的確定［79］、元素圖像的校正［80］以及再現(xiàn)像串?dāng)_的消除［81］，使系統(tǒng)的再現(xiàn)效果得到了改善。

近年來(lái)，隨著三維顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，三維顯示系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)已受到國(guó)內(nèi)外包括顯示技術(shù)、3D 媒體制作、眼科學(xué)、心理學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的普遍關(guān)注，“綠色3D”已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)此，在國(guó)內(nèi)TCL、長(zhǎng)虹、海信等企業(yè)已開(kāi)展針對(duì)現(xiàn)有3D 顯示技術(shù)的相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作的同時(shí)，西安電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)等科研院所也圍繞集成成像技術(shù)這一具有潛力的三維顯示技術(shù)，積極開(kāi)展了三維顯示系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方面的研究，并取得了初步成果［77-82］。

7 結(jié)束語(yǔ)

集成成像三維顯示技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今三維顯示研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題，其在娛樂(lè)、醫(yī)療、制造等領(lǐng)域均有著潛在的應(yīng)用前景。不過(guò)，受硬件設(shè)備及集成成像系統(tǒng)本身的限制，其性能也受到了制約。近年來(lái)，許多研究者通過(guò)對(duì)集成成像三維顯示技術(shù)理論的探索和研究，提出了多種提高系統(tǒng)性能的方法，使得再現(xiàn)三維立體圖像的質(zhì)量有了明顯的改善。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些硬件限制問(wèn)題也會(huì)逐步得到解決，集成成像三維顯示技術(shù)將進(jìn)一步走向?qū)嵱没?/p>

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