一种集成成像三维显示系统的制作方法

本申请涉及三维显示领域，特别涉及一种集成成像三维显示系统。

背景技术：

三维显示技术可以向人们再现立体的三维物体，相较于二维显示更真实的还原人眼对客观世界的认识。近些年，三维显示技术获得了快速发展，在诸多三维显示技术中，集成成像三维显示因无需借助特殊设备、结构简单等优点，一直是研究的热点。

传统的集成成像三维显示系统中，三维场景的记录由微透镜阵列和图形传感器组成，再现时由二维显示器和微透镜阵列构成，记录和再现过程具有类对称的结构。但是，由于使用了微透镜阵列，分辨率、景深和视场角三者之间存在相互制约，图像分辨率依赖于系统参数的匹配度，再现图像的连续性和均匀性较差，而且，微透镜阵列使得系统体积和重量较大，不利于集成成像三维显示系统的集成化和轻量化。

技术实现要素：

本申请提供一种集成成像三维显示系统，至少解决现有技术中存在的至少一个问题。

为解决上述问题，一方面，本申请实施例提供的集成成像三维显示系统，包括显示器和仿生复眼结构，其中，显示器用于加载三维记录的图像阵列，并将图像阵列照射到仿生复眼结构；

仿生复眼结构用于将图像阵列再现成像，包括多个紧密排列的单眼结构和基底结构，基底结构用于支撑单眼结构。

可选地，滤波单元为空间滤波器阵列，光束扩展单元为光束扩展器阵列，准直单元为准直透镜阵列，其中，空间滤波器阵列、光束扩展器阵列和准直透镜阵列相互之间的器件一一对应。

可选地，所述单眼结构包括透镜结构或反射结构。

可选地，反射结构为长方体结构，其中，长方体结构中的四个长边面为反射面，长边面的长度为宽度的2-3倍。

可选地，单眼结构排布于基底结构的表面或者至少部分嵌入基底结构中。

可选地，基底结构包括曲面结构。

可选地，曲面结构包括半球面结构或球壳结构。

可选地，若单眼结构为透镜结构，则单眼结构排布于基底结构的曲面方向的外表面或内表面；若单眼结构为反射结构，则单眼结构排布于基底结构的曲面方向的内表面。

可选地，单眼结构包括六边形结构或正方形结构。

可选地，显示器包括曲面显示器。

可选地，还包括支撑显示器和仿生复眼结构的导轨结构，用于调整显示器和仿生复眼结构之间的距离。

本申请公开的集成成像三维显示系统，包括显示器和仿生复眼结构，其中，显示器用于加载三维记录的图像阵列，并将图像阵列照射到仿生复眼结构，仿生复眼结构用于将图像阵列再现成像，包括多个紧密排列的单眼结构和基底结构，基底结构用于支撑单眼结构。在集成成像中，由于使用了仿生复眼结构，各个单眼结构之间紧密排列，提高再现图像的连续性和观看视角，增大分辨率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：

图1(a)为传统集成成像三维显示系统的结构图，(b)三维再现中透镜之间的间距示意图，(c)为传统集成成像三维显示系统的原理图；

图2为本申请一实施例中集成成像三维显示系统的结构示意图；

图3为本申请一实施例中仿生复眼结构的结构示意图；

图4为本申请一实施例中单眼结构和基底结构之间的结构示意图；

图5为本申请一实施例中三维重建的原理图；

图6为本申请一实施例中三维重建的扩大视场角原理图；

图7为本申请一实施例中反射型单眼结构的成像原理图；

图8为本申请另一实施例中三维重建的原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

传统的集成成像三维显示系统的结构如图1(a)所示，三维空间的物体111发出或散射的光在空间传播，透过微透镜阵列112之后在图形传感器113上形成一系列携带有物体三维信息的二维微图像阵列记录下来，这个过程即为三维记录。三维再现过程是三维记录的逆过程，即二维微图像阵列加载到二维显示器123上，根据光路可逆原理，每个单元图像上的像素发出光线经过对应的微透镜阵列122后，在中心深度平面附近重建出再现三维物体121。此处，中心深度平面指的是以显示器所在平面为物平面，其共轭像面的位置，该平面垂直于景深方向(即三维坐标系中的z轴方向)。

根据二维显示器123与微透镜阵列122之间的距离为p2与微透镜阵列中的每个透镜的焦距为f2之间的大小关系，集成成像可被分为虚像模式、实像模式和聚焦模式。具体地，当p2＜f2时，再现三维图像为虚像，中心深度平面显示在集成成像系统的内部、微透镜阵列后方；当p2＞f2时，再现三维图像为实像，中心深度平面显示在集成成像系统外部、微透镜阵列前方；当p2＝f2时，中心深度平面显示在无穷远处，此时观察者能够同时看到位于显示系统内部和外部的再现三维图像，该再现图像由于实像和虚像相互干扰变得较低。

由于常规集成成像三维重建过程使用的微透镜为圆形结构，离散排列，透镜之间不可避免的存在间隙，如图1(b)和图1(c)。图1(c)明确示出了传统集成成像的重建过程，显示器123不同部分发光分别照射到对应的微透镜上，透镜使光线发生偏折，对于虚像显示，沿着透镜出射光线反向延长线即可得到重建的三维虚像121。由于每个透镜之间存在间隙，使出射的边缘光线之间不能重合，造成了显示视场的间断和重建图像不连续。

相邻透镜的间隔决定了观看视角pi为重建过程相邻透镜的水平和竖直间距。受限于透镜数值孔径和整体性能的考虑，透镜间隔无法大幅增加，重建物距也不可能大幅减小，观看视角难以得到有效提高。

对于虚像模式和实像模式(即分辨率优先模式)来说，根据几何光学分析，再现三维图像的分辨率随着显示器像素尺寸的减小而增大，且相同显示尺寸下微透镜阵列中的透镜口径越小、透镜数量越多，能够捕获的三维场景越大，但是，根据波动光学分析，透镜口径会引起光线衍射，透镜口径的减小会导致波动光学决定的中心深度平面处可分辨的两点距离变大。简单来说，显示器的像素尺寸减小到一定值，波动光学决定的分辨率占优，该情况下，如果透镜口径相应的减小，会造成波动光学决定的分辨率降低。

基于此，本申请实施例提供一种集成成像三维显示系统，包括显示器和仿生复眼结构，其中，显示器用于加载三维记录的图像阵列，并将该图像阵列照射到仿生复眼结构上，该仿生复眼结构用于将所述图像阵列再现成像，仿生复眼结构包括多个紧密排列的单眼结构和基底结构，基底结构用于支撑所述单眼结构。

需要说明的是，三维重建过程是三维记录过程的逆过程，显示器所加载的三维记录的图像阵列为与该三维重建过程对应的图像阵列。三维记录时，记录介质中的每一个视角图像上的所有像素点都记录下来对应视点物体图像信息，经过集成成像算法的处理后，合成了带有物体深度信息的图像阵列，三维再现时，将该图像阵列加载到显示器上。

如图2所示，为本申请实施例的集成成像三维显示系统的结构示意图，包括显示器210和仿生复眼结构220，其中该显示器具有很小的像素尺寸和像素间距，即为高像素密度的大尺寸二维显示器，仿生复眼结构220包括单眼结构221和基底结构222，该单眼结构221紧密排列，如图3所示。此外，三维显示系统还包括导轨结构230，支撑显示器210和仿生复眼结构220，该导轨优选高精度导轨，可以精确的调整两者之间的距离。

本申请实施例中由于使用了仿生复眼结构，各个单眼结构之间紧密排列，获得了均匀连续的视场，提高了再现图像的连续性，同时，各单眼结构之间没有光阑或界限，降低了显示系统的衍射，在使用高像素密度的大尺寸二维显示器的情况下，提高了再现图像的分辨率。

根据成像原理不同，仿生复眼结构分并列型仿生复眼结构和重叠型仿生复眼结构两种，其中重叠型复眼又由光学反射重叠、光学折射重叠以及神经重叠三类组成。并列型复眼的特点是每一感杆束接收的光只是它上面对应的一个小眼的视场范围内的光线，重叠型复眼的则是每一感杆束可接收由若干小眼折射过来的光线。

仿生复眼结构中的单眼结构可以排布在基底结构的表面，如图4(a)所示，也可以是至少部分嵌入到基底结构中，如图4(b)所示。该基底结构的材料可以是具有高折射率的材料，其结构可以是空心结构，本申请对基底结构的材料和结构不做严格限制。该基底结构包括曲面结构，单眼结构紧密排布于该曲面结构上，可以实现各单眼结构边缘视场的重合，且曲面基底结构使得相邻单眼结构之间的光轴旋转，扩大了视场角。可以理解的是，基底结构也可以是平面结构。

上述曲面结构包括半球面结构或球壳结构中的一种，其中球壳结构是一个内部空心的球体结构，显示位于该结构内部。当然，该曲面结构也可以是其他任意的曲面，本申请实施例不限定于半球面结构或球壳结构。

本申请实施例中的单眼结构包括透镜结构或反射结构，该反射结构又称为反射盒子结构。透镜结构可以是同一折射率均匀的材料，也可以是渐变折射率材料，本申请不做限定。

对应的，单眼结构为透镜结构的仿生复眼结构为并列型仿生复眼，包括但不限于类似虾蛄、昼行昆虫、甲壳类生物的仿生复眼；单眼结构为反射结构的仿生复眼结构为重叠型仿生复眼结构，包括但不限于类似飞蛾、双翅目蝇类、片脚类甲壳生物的仿生复眼。

对于单眼结构为透镜结构的仿生复眼结构，单眼结构排布于基底结构的曲面方向的外表面或内表面，每个单眼结构是六边形结构，当然也可以是四边形等其他结构。本申请实施例以单眼结构排布于基底结构的曲面方向的外表面、虚像模式为例，其三维重建原理如图5所示，对于同一原始三维物点的记录信息由显示器照射后出的光311、312、313分别经过仿生复眼320中与之对应的单眼结构321、322、323，每个单眼结构对通过的光线进行偏折，在虚像模式下，光线不会实际聚集成实像，而是沿着光线的反向延长线汇集处得到虚拟的三维物体330。经过仿生复眼作用之后的光线重建出原始三维物体的光场分布，由于各透镜边缘视场连续，从而实现三维显示。透镜结构可以是凹凸透镜结构，也可以是平凸透镜结构，也可以是双凸透镜结构。

该结构的集成成像三维显示系统不仅可以连续图像，提高分辨率，还可以扩大视场角。具体地，如图6所示，331和332为两个相邻的单眼结构的光轴，321和322为两个相邻的单眼结构，基底结构320的曲面半径为r，每个单眼结构为半径r的球面结构，透镜的口径为2γε，根据几何关系可以得到，两个相邻单眼结构间的视场角扩大值δω0为：

仿生复眼结构中的所有相邻单眼结构之间的视场角扩大值叠加，可以极大的扩大再现三维图像的视场角，总的视场角扩大为

ni,i＝x,y为所用复眼结构中水平和竖直方向的有效单眼数。

同样的，单眼结构可以排布于基底结构的曲面方向的内表面，此种集成成像三维显示系统是实像模式，具体的成像原理不做赘述。

对于单眼结构为反射盒子结构的仿生复眼结构，单眼结构排布于曲面基底结构的曲面方向的内表面，其用于集成成像三维显示系统的实像模式。该单眼结构为长方体结构，长方体的四个长边面为反射面，长边面的长度为宽度的2-3倍。需要说明的，该结构为本申请实施例中为了说明本方案的工作原理，所有能够采用本申请的结构都在本申请的保护范围之内。

对于两个互相垂直的反射面，入射的光线在两个平面上发生两次反射，将以入射光线的反方向出射，即直角反射。如果忽略出射光线的位移量，可以认为光线将按原路返回，折转向焦点处，如图7所示，互相垂直的反射面构成反射通道，入射光线和反射光线通常不在一个水平面内，光线经过单眼后，仍沿反射通道方向传播，但从中心轴的方向看，光线的传输过程与直角反射相同，当光线经过某一对平行平面的奇数次反射时，光线能够聚焦。

其三维重建原理如图8所述，411、412、413来自同一原始三维物点的记录，反射型仿生复眼的单眼421、422、423分别与之对应，410为显示器。每个单眼对每个物点能够分别聚焦，但421、422、423分别聚焦将得到三个离散的像点，基底结构420具有负透镜的结构，一方面使各单眼光抽偏移，另一方面对光线进行发散，向远离光轴方向偏折，距离420中心不同位置的单眼入射光线的角度偏折不同，从而使411、412、413聚焦在同一位置，得到三维物体430。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。