专利名称：一种微光栅亚像素三维光学图像及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学图像及其设计和实现方法，具体涉及一种具有多视角信息的 三维数字图像及其制作，可用于三维显示、立体印刷和虚拟现实领域。
背景技术：
人们对客观环境的感知总是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等获取的，逼真地 模拟再现出这些临场感觉，是现代科技的重要研究课题之一。通过立体声系统，人们在听觉 上可以感受到现场感觉，立体声技术目前已发展到了较高的技术水平。而立体视觉技术，还 需要技术突破，才能实现实用化的应用。立体视觉技术包含立体图像和立体视频，本发明所 涉及的是立体图像技术。按观察方式分类，立体图像可分为借助观察工具类型和肉眼观察两种类型。借助 观察工具的有偏振式的立体图像、红绿滤色片立体图像等，由于受制于观察工具，所以实际 应用极不方便。适合肉眼观察的立体图像有柱透镜光栅图像、微透镜阵列图像和全息图像。 柱透镜光栅图像和微透镜阵列图像，采用在印刷有多视角信息的图案上覆盖一层光学透镜 膜，实现各视角信息的光线在空间上分离，形成三维观察效果，但是受制于光学结构的尺寸 (几百微米量级)，所以图像粗糙，制造成本也较高。激光全息技术也可以实现三维立体图，传统的全息图像技术自20世纪60年代激 光器问世后得到了迅速的发展，其基本机理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅与相 位。由于全息再现像的光波保留了原有物光波的全部振幅与相位的信息，再现像与原物体 有着完全相同的三维特性，是一种真正的三维图像。全息图像的微观结构是微小的亚微米 结构，具有衍射光的特性，所以全息图像是一种无油墨图像，可以呈现出彩色立体的信息， 模压技术可以实现这种图像的批量复制，从而实现了低制造成本，平面的全息图像已成功 地实现了批量化的商业应用。然而，由于传统立体全息图像母板制作工艺步骤多而复杂，制 作环境条件苛刻，限制了这种立体图像的应用，商业化应用的案例寥寥无几，将这种立体全 息技术数字化，避开一些不易控制的因素，使得这种图像能够在工业化的条件下制作，是这 种图像发展的必然要求，也将产生巨大的商业价值。人对立体的感知是由于双眼视角差异实现的，物体距离眼睛近，视角大，物体距离 眼睛远，视角小，若平面上的信息能够在被观察时形成不同的观察视角，人脑会根据这些具 有差异的视角感知出立体的景象，如图1所示，11是平面图案，12、13是人的双眼，14是被感 知出的立体景象。全息图像具有这种特性，所以适合肉眼观察。目前大规模市场应用的光学可变图像是由平面全息发展而来，通常由具有1000 线/毫米左右的单一衍射结构像素点组成，如图2所示。这类光变图像可形成动态的光变 观察效果，通过像素平移技术，也可以实现简单的平面分层图像，如图3所示，但离立体图 像的观察要求还相差甚远。
发明内容
本发明目的是提供一种不需要借助观察工具进行观察的三维图像及其制作方法， 实现三维图像制作的数字化，使其能适于工业化生产。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种微光栅亚像素三维光学图像，由 排列于平面上的像素阵列结构构成，含有多个视角的分视角图像信息，每一像素由多个亚 像素构成，每一亚像素对应于一个视角在该像素处的图像，每一亚像素为一光栅状图像单 元，光栅状图像的条纹取向对应于视角，条纹的周期代表颜色信息，每一像素的面积不大于 254微米，每一亚像素的面积不大于100微米。上述技术方案的思想是第一，设计一种具有衍射特征的像素结构，经过这种像素 的衍射光线具有多视角的特征；第二，根据多视角图像数据设计每一个具体的像素结构； 第三，用光刻设备逐一输出这种像素，最后形成一幅完整的三维衍射光学图像。其中，采用 由亚像素构成的体视像素为图像单元，来组成三维图像。通过设定每个亚像素中光栅的条 纹取向，来获得不同的观察视角，由此实现可肉眼观察的三维图像。进一步的技术方案，为获得真彩色的图像，可以将每一亚像素分割为多个子亚像 素，每一子亚像素通过改变光栅的周期获得不同的颜色，利用这些子亚像素的颜色组合获 得该像素所需的颜色，每种颜色的亮度可以通过改变该颜色的光栅面积实现。其中，优选的 技术方案，每一所述亚像素含有红、绿、蓝三色子亚像素。采用三原色组合获得彩色，可以利 用现有的分色软件对每个视角的图像进行分色，便于实现。上述技术方案中，所述亚像素或子亚像素由两部分构成，一部分为光栅区，另一部 分为空白区，光栅区面积占整个亚像素或子亚像素的面积的比例代表该亚像素或子亚像素 所在视角在该像素处的灰度。对单色图像，可以此实现灰度显示，对彩色图像，通过各子亚 像素的光栅面积调节，可以获得各像素处的不同颜色显示。上述技术方案中，每一所述亚像素的形状可以根据需要选择，优选的技术方案，每 一所述亚像素的形状为矩形、三角形或六边形。一种微光栅亚像素三维光学图像的制作方法，首先获取需要制作成三维光学图像 的各个视角的分视角图像，每一图像按相同的分辨率由像素阵列构成，根据分视角图像的 数量n、原始视角参数、和再现三维图像光线的角度参数，设计具有亚像素结构的体视像素 结构，在一个体视像素结构中，每一亚像素对应一个分视角图像；对应图像的每个像素位 置，将各个分视角图像在该位置的像素合成一个大的体视像素结构，每一亚像素为一光栅 状图像单元，光栅状图像的条纹取向对应于视角，条纹的周期代表颜色信息；根据上述获得 的体视像素结构，设计具有亚像素结构的体视像素数字模板图像，该图像是黑白二值光栅 条纹状图像，将这种光栅条纹状图像结构微缩至亚微米尺度，制作在光刻材料上，即获得所 需的微光栅亚像素三维光学图像。进一步的技术方案，每一所述亚像素含有红、绿、蓝三色子亚像素。上述技术方案中，所述亚像素或子亚像素由两部分构成，一部分为光栅区，另一部 分为空白区，光栅区面积占整个亚像素或子亚像素的面积的比例代表该亚像素所在视角在 该像素处的灰度。上述技术方案中，每一所述亚像素的形状为矩形、三角形或六边形。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点
本发明对三维图像信息进行像素化，这种像素与平面像素不同，是一种具有多视 角信息的体视像素，立体图像由这些像素拼接组成，这种图像制作技术可以摆脱传统全息 工艺的束缚，建立光刻装置，数字化地输出立体图像，用这种方案，输出图像尺寸由光刻装 置幅面决定，实现大幅面的图像具有可行性。
图1是三维体视原理示意图；图2是现有技术中光学可变图像结构示意图；图3是现有技术中光学可变图像实现简单分层图像示意图；图4是实施例一中体视像素再现光场示意图；图5是实施例一中红绿蓝三色三维图像数据生成示意图；图6中本发明实施例一亚像素模板示意图；图7(a)是本发明实施例一的一个体视像素图像示意图；图7(b)是本发明实施例一的子亚像素结构示意图；图8是本发明实施例中三维衍射光学图像输出装置框架图；图9是本发明实施例一单色亚像素模板示意图；图10是本发明实施例二模板结构示意图；图11是本发明实施例三模板结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一一种微光栅亚像素三维光学图像的制作方法，包括(1)用数字化方法获得具有体视效果的一系列平面数字图像；(2)通过数字图像处理技术，将这一系列信息关联的平面图像合成三维图像数 据；(3)根据合成图像的数量和颜色，设计体视像素结构和模板图像；(4)根据三维图像数据和模板，生成每一个具体的体像素图像；(5)将体像素图像精缩光刻输出，最终得到三维衍射光学图像。具体的实现步骤如下1、获得三维物体的分视角数字图像，可以采用相机拍摄，以物体为中心，每隔一定 的角度拍摄，也可以采用计算机虚拟的三维图像处理，获得虚拟物的分视角图像。图像编号 为从1至n，图像格式不限。2、根据分视角图像的数量n和原始视角参数，以及再现三维图像光线的角度参 数，设计具有亚像素结构的体视像素结构，这种体视像素结构能够在再现光的照射下，在观 察平面可以衍射出各视角的光线和颜色(光的波长)，每一个视角光线分别由体视像素中 的一个亚像素衍射出。体视像素的再现光场示意图如图4所示，41是观察时的再现光，42是具有多角度 特性的衍射光，根据衍射光学原理，亚像素结构通常采用微光栅结构，光栅的取向决定衍射 光的方向，即视角，光栅的周期决定颜色，体视像素中亚像素中的比例可以代表灰度等级。光栅的方向和周期可以通过光栅方程计算设计。3、将这n幅图像合成三维图像数据。其方法是分别取n幅图像的第I个像素；将 这n个像素作为亚像素，综合成一个大像素P (i)；重复上述过程，直至所有像素处理完毕， 即获得合成的三维图像数据。图5是R(红)、G(绿)、B (蓝)三色三维图像数据生成示意图，设计成的衍射光学 图像的体视像素具有亚像素结构，亚像素的数量等于合成图像的数量，体视像素由红、绿、 蓝三色子亚像素构成，亚像素51、52、5n分别对应各个视角图像的某个像素，53表示合成的 图像数据。对于单色图像，可省略R、G、B信息，亚像素不包含子亚像素。4、根据特定的体视像素结构，设计具有亚像素结构的体视像素数字模板图像，这 种图像是黑白二值光栅条纹状图像，将这种光栅条纹状图像结构微缩至亚微米尺度，制作 在光刻材料上，即为具有多视角衍射功能的体视像素。采用空间光调制器将体视像素数字模板图像逐个输入显示，按序在记录材料上光 刻，并控制二维移动平台相应移位，直到整个图像体视像素光刻完成。后经图像显影处理等 后序工序，最终实现三维衍射光学图像的输出。如图6所示，为本实施例亚像素体视模板示意图。该模板包含n个亚像素结构，61、 62、…、6n对应于n个视角，每一个亚像素结构包含R、G、B三个子亚像素Ri、Gi、Bi，按照 矩阵结构排列。各亚像素是黑白二值周期光栅状结构的图像，不同视角亚像素的条纹空间 取向不同，不同颜色的子亚像素的条纹空间频率不同。亚像素模板经微缩光刻至记录材料， 得到具有视角和颜色信息的体视像素。三维衍射光学图像数据中的每一个像元对应一个亚像素体视模板，将其转化成待 光刻输出的亚像素体视单元图像，将这些亚像素体视单元图像逐一在记录材量上微缩光刻 到亚微米尺度，形成三维衍射光学图像。如图7(a)所示，为本实施例的一个亚像素体视图像示意图。根据三维衍射光学图 像每一个像元的数据参数(灰度等级)，选取亚像素模板图像中的部分，形成待输出的体视 像素图像，71、72、…、7n表示n个亚像素。如图7(b)所示，根据图像数据的灰度等级，设计模板中的每一个亚子像素，条纹 结构的比例与灰度等级对应。条纹结构多，表明像素亮，反之则暗，73表示条纹结构。如附图8所示，为本发明三维衍射光学图像输出装置框架图。这种装置包含空间 光调制器81、光源82、精缩光学系统83、二维移动平台84和控制系统85组成。空间光调制 器用于显示亚像素体视图像单元，可以采用透射式的IXD、反射式的DMD、LC0S等，像素结构 尺寸具有lOum量级；光源照明空间光调制器；精缩光学系统将空间光调制器上的图像微缩 到记录材料表面，条纹图像的周期被微缩至亚微米量级，具有衍射可见光的能力；二维移动 平台提供光学系统和记录材料的相对移动；控制系统用于显示、曝光、移动工作协调进行。如附图9所示，为本实施例单色体视模板示意图。若设计的图像不具备彩色信息， 可以采用附图9所示的无子亚像素结构的体视模板，减少数据处理量，简化实现过程。91、 92、…、9n为各单色亚像素体视模板。事实上，亚像素体视模板的结构不局限于上述的矩形结构，只要能够具有上文阐 述的特征，均可以作为亚像素体视模板。实施例二一种微光栅亚像素三维光学图像，其主体结构与实施例一获得的图像一致，其中，如附图10所示，其体视模板结构中，各亚像素101、102、…、10n可以采用三角
形的方案。 实施例三一种微光栅亚像素三维光学图像，其主体结构与实施例一获得的图像 一致，其中，如附图11所示，其体视模板结构中，各亚像素111、112、…、lln可以采用六角 形的方案。
权利要求
一种微光栅亚像素三维光学图像，由排列于平面上的像素阵列结构构成，含有多个视角的分视角图像信息，其特征在于每一像素由多个亚像素构成，每一亚像素对应于一个视角在该像素处的图像，每一亚像素为一光栅状图像单元，光栅状图像的条纹取向对应于视角，条纹的周期代表颜色信息，每一像素的面积不大于254微米，每一亚像素的面积不大于100微米。
2.根据权利要求1所述的微光栅亚像素三维光学图像，其特征在于每一所述亚像素 含有红、绿、蓝三色子亚像素。
3.根据权利要求1或2所述的微光栅亚像素三维光学图像，其特征在于所述亚像素 或子亚像素由两部分构成，一部分为光栅区，另一部分为空白区，光栅区面积占整个亚像素 或子亚像素的面积的比例代表该亚像素或子亚像素所在视角在该像素处的灰度。
4.根据权利要求1所述的微光栅亚像素三维光学图像，其特征在于每一所述亚像素 的形状为矩形、三角形或六边形。
5.一种微光栅亚像素三维光学图像的制作方法，首先获取需要制作成三维光学图像的 各个视角的分视角图像，每一图像按相同的分辨率由像素阵列构成，其特征在于根据分视 角图像的数量η、原始视角参数、和再现三维图像光线的角度参数，设计具有亚像素结构的 体视像素结构，在一个体视像素结构中，每一亚像素对应一个分视角图像；对应图像的每个 像素位置，将各个分视角图像在该位置的像素合成一个大的体视像素结构，每一亚像素为 一光栅状图像单元，光栅状图像的条纹取向对应于视角，条纹的周期代表颜色信息；根据上 述获得的体视像素结构，设计具有亚像素结构的体视像素数字模板图像，该图像是黑白二 值光栅条纹状图像，将这种光栅条纹状图像结构微缩至亚微米尺度，制作在光刻材料上，即 获得所需的微光栅亚像素三维光学图像。
6.根据权利要求5所述的微光栅亚像素三维光学图像的制作方法，其特征在于每一 所述亚像素含有红、绿、蓝三色子亚像素。
7.根据权利要求5或6所述的微光栅亚像素三维光学图像，其特征在于所述亚像素 或子亚像素由两部分构成，一部分为光栅区，另一部分为空白区，光栅区面积占整个亚像素 或子亚像素的面积的比例代表该亚像素所在视角在该像素处的灰度。
8.根据权利要求5所述的微光栅亚像素三维光学图像，其特征在于每一所述亚像素 的形状为矩形、三角形或六边形。
全文摘要
本发明公开了一种微光栅亚像素三维光学图像，由排列于平面上的像素阵列结构构成，含有多个视角的分视角图像信息，其特征在于每一像素由多个亚像素构成，每一亚像素对应于一个视角在该像素处的图像，每一亚像素为一光栅状图像单元，光栅状图像的条纹取向对应于视角，条纹的周期代表颜色信息。其制作方法包括如下步骤设计三维衍射光学图像数据；设计具有亚像素体视结构的模板图像；根据图像数据和模板，生成体像素图像；微缩光刻亚像素体视图像单元，得到由亚像素体视单元构成的三维衍射光学图像。本发明可以数字化地输出立体图像。
文档编号G03H1/04GK101930207SQ20101023837
公开日2010年12月29日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者张瑾, 浦东林, 温源, 胡进, 陈林森, 魏国军 申请人:苏州苏大维格光电科技股份有限公司;苏州大学