CN110139091A - 一种感光元件阵列装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感光元件阵列装置，用于全息三维显示系统，包括感光元件阵列，用于设置在信息采集透镜阵列板与物体相反的一侧，所述感光元件阵列具有M*N个感光元件，用于记录所述信息采集透镜阵列板的各透镜所采集的空间谱图像I_mn，各感光元件的分辨率不小于预先设定的所述物体在物空间的体像素H_jk的个数J*K，J和K为大于1的整数，所述空间谱图像I_mn表示为I_mn(j，k)，j＝1到J，k＝1到K。本发明有效地克服了集成照相术中微透镜阵列的成像质量与其所能显示三维图像的分辨率这一固有矛盾，实现了三维空间信息的全息编码及全息显示，获得人眼可视的完美真三维显示。

Description

一种感光元件阵列装置

技术领域

本发明涉及一种感光元件阵列装置，用于全息三维显示系统。

背景技术

集成照相术(APPLIED OPTICS/Vol.52，No.4/1 February 2013)理论上讲是一种理想的三维光场(light field)采集和显示技术，但微透镜阵列的成像质量与其所能显示三维图像的分辨率这一固有矛盾却难以克服，即：高分辨率三维显示需要更加精细尺寸的微透镜阵列，而微透镜太小，却又难以保证各个透镜的子图像成像质量，从而迄今都很难获得令人满意的真三维显示结果。WO2010/072065、WO2010/072066以及WO2010/072067披露了一种实时彩色全息三维显示系统及方法，利用数码全息原理，通过普通摄影-投影装置阵列系统以及全息功能屏实现人眼可视的完美真三维显示。但在实际操作过程中，对各单个摄影-投影设备的成像质量匹配与控制，以及阵列摄影-投影装置的锚定与校准，给系统集成化带来困难；同时，摄影-投影机的大量使用必将带来系统的制造成本的增加而难以被普通消费者所接受。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种感光元件阵列装置，用于全息三维显示系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种感光元件阵列装置，用于全息三维显示系统，包括感光元件阵列，用于设置在信息采集透镜阵列板与物体相反的一侧，所述感光元件阵列具有M*N个感光元件，用于记录所述信息采集透镜阵列板的各透镜所采集的空间谱图像I_mn，各感光元件的分辨率不小于预先设定的所述物体在物空间的体像素H_jk的个数J*K，J和K为大于1的整数，所述空间谱图像I_mn表示为I_mn(j，k)，j＝1到J，k＝1到K。

所述信息采集透镜阵列板具有平行光轴的M*N个成像参数一致的透镜，M和N为大于1的整数，M*N个透镜用于对所要三维显示的物体进行M*N个空间谱图像I_mn抽样采集，m＝1到M，n＝1到N。

空间抽样角为ω_mn＝d₁/l₁，d₁是各透镜之间的中心间距，l₁是所述信息采集透镜阵列板与所述物体之间的距离。

所述信息采集透镜阵列板和所述感光元件之间设置有信息采集视场光阑，以消除或减小所述信息采集透镜阵列板各透镜相互间的成像干扰。

感光元件阵列采用彩色胶片、CCD或CMOS。

还包括板体，所述感光元件阵列安装在所述板体上。

一种全息三维显示系统，具有所述的感光元件阵列装置。

将本发明的感光元件阵列装置用于全息三维显示，获得的全息三维显示系统有效地克服了集成照相术中微透镜阵列的成像质量与其所能显示三维图像的分辨率这一固有矛盾，实现了三维空间信息的全息编码及全息显示，实现人眼可视的完美真三维显示，相当于WO2010/072067中各摄影-投影装置锚定在无限远。其中一要点是：合理利用平面显示器的平面像素信息(J*K*M*N)，将离散空间谱图像信息I_mn通过全息编码转换为离散空间谱全息编码图像S_jk，利用相应的透镜阵列还原其离散空间谱，再通过WO2010/072067中的全息功能屏，实现抽样角为ω_mn的离散空间谱展宽，以实现原三维空间的完整空间谱还原。

1)利用所采集的空间谱图像I_mn获得原空间某一体像素H_jk的空间谱数码全息编码S_jk，可有效实现“谱-像坐标变换”，根除传统集成照相的赝视缺陷，完美实现原空间的离散空间谱还原。

2)该编码适用于任何形式的三维还原系统，所生成的全息编码图像S_jk(m，n)可直接应用于透镜阵列成像，或者作为傅里叶变换全息图的(hagel)输入逐点进行三维图像打印。

3)通过对空间谱全息编码图像S_jk的简单缩放，可任意改变体像素Hjk的尺寸大小以实现三维物体的放大或缩小显示。

4)可根据所要显示三维空间的具体要求(如：分辨率、景深、观察角等)设计出完整恢复该空间所需的最大空间谱抽样角ω_mn，从而以最少的空间谱数目(M，N)完美恢复所要显示的三维空间。

附图说明

图1为采用本发明实施例的感光元件阵列装置的空间谱平行采集示意图；

图2为WO2010/072065、WO2010/072066以及WO2010/072067中锚定采集的空间谱图像示意图，其中参照点R在各空间谱图像中的位置相同；

图3为本发明一种实施例的平行采集的空间谱图像示意图，其中参照点R_mn相对于图2平行移动了一位像因子δ_mn；

图4为本发明一种实施例的体像素H_jk的全息编码图像S_jk示意图；

图5为本发明一种实施例的三维物体O的完整离散空间谱编码示意图；

图6为本发明一种实施例的离散空间谱还原示意图；

图7为本发明一种实施例的全息功能屏解码再现示意图；

图8为本发明一种实施例的透镜排列示意图；

图9为本发明一种应用实例中的全息空间谱示意图；

图10为本发明一种应用实例的三维显示在上、下、左、右各方向所拍摄的照片。

图11为本发明实施例的全息三维显示系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作详细说明。虽然本发明已经进行了描述，但是还提供以下实例以便具体说明本发明的实施例以及清晰理解。对于本领域普通技术人员而言所明了的是，根据本文中所阐明的本发明传授内容，可以对如此所描述的这些实施例进行某些改变和修改，而此等改变和修改不脱离本发明的精神或范围。

参阅图1，一种感光元件阵列装置，用于全息三维显示系统，包括感光元件阵列S，用于设置在信息采集透镜阵列板L₁与物体相反的一侧，所述感光元件阵列S具有M*N个感光元件，用于记录所述信息采集透镜阵列板L₁的各透镜所采集的空间谱图像I_mn，各感光元件的分辨率不小于预先设定的所述物体O在物空间的体像素H_jk的个数J*K，J和K为大于1的整数，所述空间谱图像I_mn表示为I_mn(j，k)，j＝1到J，k＝1到K。

优选地，所述信息采集透镜阵列板L₁具有平行光轴的M*N个成像参数一致的透镜，M和N为大于1的整数，M*N个透镜用于对所要三维显示的物体O进行M*N个空间谱图像I_mn抽样采集，m＝1到M，n＝1到N。

优选地，空间抽样角为ω_mn＝d₁/l₁，d₁是各透镜之间的中心间距，l₁是所述信息采集透镜阵列板与所述物体O之间的距离。

优选地，所述信息采集透镜阵列板L₁和感光元件阵列S之间设置有信息采集视场光阑M₁，以消除或减小所述信息采集透镜阵列板各透镜相互间的成像干扰。

感光元件阵列可以采用彩色胶片、CCD、CMOS等。

优选地，感光元件阵列装置还包括板体，所述感光元件阵列S安装在所述板体上。

一种全息三维显示系统，具有所述的感光元件阵列装置S。

参阅图1、图7和图11，根据本发明的实施例，一种全息三维显示系统包括空间谱平行采集装置100、空间谱全息编码装置200和离散空间谱还原装置300。

图1示出空间谱平行采集装置进行空间谱信息采集。空间谱平行采集装置包括信息采集透镜阵列板L₁和感光元件阵列S。信息采集透镜阵列板L₁是一由M*N个成像参数一致的小透镜所组成的透镜阵列板，各透镜的光轴平行。各透镜的孔径为a₁，焦距为f₁，中心间距为d₁，各透镜的视场角(FOV)为Ω，满足tan(Ω/2)＝a₁/2f₁。对位于各单个透镜有效视角Ω内的三维物体O来说，各透镜所采集的空间谱信息I_mn(m＝1到M，n＝1到N)与WO2010/072065、WO2010/072066以及WO2010/072067中的描述相当，其抽样角可表示为：ω_mn＝d₁/l₁，这里l₁是信息采集透镜阵列板L₁与物体O间的距离。

感光元件阵列S可以采用彩色胶片、CCD、CMOS等。感光元件阵列S可放置在透镜板L₁的后焦面附近，距离透镜板l₁’处，以记录各透镜所采集的空间谱信息I_mn(j，k)，l₁与l₁’是各单透镜的物像共轭关系。各感光元件的分辨率不小于预先设定的所述物体O在物空间的体像素H_jk的个数J*K，J和K为大于1的整数，j＝1到J，k＝1到K。物体O对应的物空间体像素为H_jk，即：所采集的三维物体O由J*K个体像素(Hoxel)H_jk构成。H_jk体像素所在的参照面P_R与物体O的距离为l₃，参照点R位于参照面的中心位置。为防止各透镜所获取的信息在感光元件阵列S上相互干扰，可在感光元件阵列S和信息采集透镜阵列板L₁之间设置视场光阑M₁，以保证各个单透镜成像I_mn互不干扰。

与传统集成照相相比，这里的透镜阵列并不要求是微透镜阵列，其孔径a₁的大小以能采集到清晰的空间谱视图即可。清晰的空间谱视图是指普通摄影图像中各像素都能对应于所拍三维空间中的某一清晰点。这和普通照相的“景深”概念相同，即：孔径越小，所拍摄的照片“景深”越大。从这个角度上讲，孔径a₁越小，所能采集到的空间谱视图越清晰。但孔径a₁小到一定程度，受孔径衍射效应的影响，其所能分辨的最小距离将会增大，即成像质量将明显下降，这也是传统集成照相不能获得满意结果的根本原因。另外，透镜的孔径a₁和焦距f₁决定了各单个透镜的视场角Ω，Ω越大则所能采集的三维目标的场景范围就越大。在WO2010/072065、WO2010/072066以及WO2010/072067中，由于锚定采集，每个透镜都能采集到该三维目标全景的空间谱，而在本实施例平行采集中，被采集目标的场景被固有视场角Ω所切割，因此透镜可能不能采集到该三维目标全景的空间谱。在本实施例中，透镜阵列中心(M/2，N/2)附近至少有一个透镜能够采集到物体O(j，k)的全景。

与WO2010/072065、WO2010/072066以及WO2010/072067所揭示的锚定采集相比较，其各空间谱图像除I_(M/2)(N/2)(j，k)完全相同外，其他各图像相当于原锚定采集各空间谱图像I_mn(j，k)在谱面S上平移一相位因子δ_mn后被视场光阑M₁所裁切，使得原物体O的参照点R_mn在通过各透镜成像还原后仍然重叠在原空间同样位置，R_mn是参照点R在各空间谱图像I_mn中的对应坐标，如图2、3所示。该位相因子δ_mn是本发明平行采集的固有性质，也可作为锚定采集平行播放或平行采集锚定播放条件下，空间谱图像的坐标平移依据。

图4-图5示出通过空间谱全息编码装置，例如计算机(未图示)，对图1所采集的像素为J*K的M*N个空间谱图像I_mn(j，k)进行全息编码，获得J*K张空间谱全息编码图像S_jk(m，n)。其具体操作是将I_mn(j,k)中的第(j，k)像素P_mnjk，如图4所示，分别填入图1中物空间的某一体像素H_jk，以获得该体像素的空间谱全息编码图像S_jk。

如图1所示，采集透镜阵列从物体O的右侧采集空间谱，传统集成照相基本原理是将所采集到的空间谱图像通过原透镜板还原该物体，因此，当从左边观察还原物体时，所看到的便是赝视像，即：体视关系与原物体相反。我们在物体O的左侧建立参考面P_R，经过信息编码后从参考面P_R上所恢复的三维空间正好将原赝视像反转，即：能看到正视的还原像，其体视关系和原物体相同。因此，利用图1所采集的空间谱图像I_mn获得原空间某一体像素H_jk的空间谱全息编码图像S_jk可有效实现“谱-像坐标变换”，根除传统集成照相的赝视缺陷。“谱-像坐标变换”的含义可以解释为，原M*N个空间谱图像可以表达为原物体M*N个方向的空间谱视图，而空间谱全息编码图像S_jk便是这些视图元素在还原空间的体像素编码，即：每个体像素H_jk包含了原物体空间各方向的信息S_jk。

如图5所示，对应于图1中各体像素H_jk，将图4所示的J*K个空间谱全息编码图像S_jk经简单缩放处理后显示到平面显示器D上面，该平面显示器D的分辨率不小于M*N*J*K，从而在该平面显示器D上显示出完整离散空间谱编码图案。

如图6至图7所示，离散空间谱还原装置包括平面显示器D、信息还原透镜阵列板L₂和全息功能屏HFS。图6示出离散空间谱还原装置对离散空间谱进行还原。在平面显示器D前面距离l₂’处放置信息还原透镜阵列板L₂。信息还原透镜阵列板L₂是由J*K个成像参数一致的小透镜所组成的阵列透镜板，各透镜的孔径为a₂，中心间距为d₂(其正好是所要还原的体像素H_jk的尺寸)。在D与信息还原透镜阵列板L₂之间，同样放置视场光阑M₂以避免各单个透镜成像的相互干扰。

优选地，信息还原透镜阵列板L₂各透镜的视场角(FOV)与信息采集透镜阵列板L₁各透镜的视场角相同，也为Ω。如果视场角不相同，将会带来还原三维空间的畸变。平面显示器D上各空间谱编码信息S_jk(m，n)被信息还原透镜阵列板L₂投射还原为原三维物体O的离散空间谱I_mn(j，k)所构成的三维成像O’，其体像素H_jk’的个数变为J’*K’。J’*K’的大小是由以下因素决定的：1.S_jk中每个像素的大小为Δ_D即：平面显示器的像素大小；2.S_jk经信息还原透镜阵列板L₂中的小透镜成像后，其尺寸被放大了M倍，所对应体像素的大小为MΔ_D；3.假设平面显示器的长和宽分别为a和b，则：J’＝a/MΔ_D,K’＝b/MΔ_D。可见J’*K’的大小与J*K没有直接关系，它是体像素H_jk在空间M*N个方向所投射的空间谱图编码图像S_jk的堆积所构成的最终体像素H_jk’在显示器a*b面积中的个数，即：最终全息显示的体像素分辨率。同样，与传统集成照相相比，这里的信息还原透镜阵列板L₂并不需要是微透镜阵列，各透镜孔径a₂的大小以能清晰的还原各空间谱全息编码图像S_jk(m，n)为原则，能够分辨并清晰成像Δ_D，但应避免孔径a₂太小，因为那样将会带来散斑噪声。另外，原则上来说，各单个透镜的视场角Ω越大，所能清晰分辨的离散空间谱数目(M,N)越多，所能还原三维物体的视场角就越大。

如图7所示，在到信息还原透镜阵列板L₂距离为l₂的位置O’处，放置WO2010/072065、WO2010/072066以及WO2010/072067所披露的相应的全息功能屏，使其对各输入空间谱S_jk的展宽角正好是图1所示的空间抽样角ω_mn，即：使各离散空间谱编码S_jk相互衔接且不重叠(表现为各透镜的边沿特征刚好被模糊而成为一整体亮背景)，形成一完整连续的空间谱输出，人眼便可在视场角Ω内，通过HFS观察到O’的全息真三维成像。体像素H_jk’的大小正好是S_jk(m，n)各像素的相应放大。

如图1和图7所示，空间抽样角ω_mn＝d₁/l₁＝d₂/l₂。图7中，l₂与l₂’的关系是信息还原透镜阵列板L2上各小透镜的物像共轭关系。图6、7中信息还原透镜阵列板L₂到全息功能屏置O’的距离l₂与图1中参照面P_R到物体O的距离l₃相等(这里所说的相等，并非要求全息功能屏的位置O’严格意义上处在该距离处，全息功能屏在其附近也都能解码，只是像面发生变化)，或是参照面P_R与物体O的距离l₃的放大或缩小(即图1中物体放大或缩小后所对应的距离l₃)。

成像质量分析

1.三维空间信息的空间谱描述

假设三维空间的体像素H_jk的大小为Δ_jk，三维空间深度为ΔZ,则其所对应的空间抽样角可表示为ω_mn＝Δ_jk/ΔZ。也就是说由J*K*ΔZ*Δ_jk个体积为Δ_jk ³的独立小立方体发光单元所构成的三维物体可以完全由M*N*J*K根楔形光束所表达，该楔形光束的顶点位于全息功能屏HFS所在平面，发散角为ω_mn。

该三维物体的观察视角为

这里：ΔZ*Δ_jk＝Δ_jk*Δ_jk/ω_mn＝M*N，因为体像素H_jk中包含了M*N个空间谱。

2.人眼视觉的空间谱描述

人眼的基本参数是：1)瞳距(两眼的平均间距)：d≈6.5cm；2)眼瞳直径(2～8mm与亮度有关)，平均值为：a≈5mm；3)角分辨极限：ω_E≈1.5*10^-4；4)定点静态视场角Ω_E≈90°。

可以看出，当固定双眼位置，则人眼视觉可表示为J*K＝(Ω_E/ω_E)²≈[(π/2)/1.5*10^-4]²≈10⁸个体像素和两个空间谱(M*N＝2)所构成的双目视差立体图像。其另一物理含义是，大自然中有10⁸个空间谱被人眼所处固定位置的两个体像素H_左眼和H_右眼所包含并被人眼所接收，形成了淹没在体像素海洋中的人眼对自然的三维客观认识。

3.空间三维信息的有效采集和还原

针对第1，2点所描述的可视三维空间信息的空间谱表达，可用图1所示透镜板阵列L₁完整采集，也可用图6所示的透镜板阵列L₂完整还原。相关的参数有以下关系：a₁＝2λl₁/Δ_jk,a₂＝2λl₂/Δ_jk，λ是可见光平均波长，约为550nm；ω_mn＝d₁/l₁＝d₂/l₂；tan(Ω/2)＝a₁/2f₁＝a₂/2f₂。这里透镜孔径的大小决定了所能采集和还原的体像素大小Δ_jk，透镜中心距离决定了所能采集和还原的空间抽样角ω_mn，从而决定了所要采集和还原三维空间的景深ΔZ＝Δ_jk/ω_mn，透镜的焦距决定了该三维空间信息的视场角Ω，表现为透镜单元对三维空间信息空间谱的处理能力，

即：

其关键是具备相应分辨率的感光和显示器件(图1中的感光元件阵列S和图6中的平面显示器D)，使其足以分辨和显示上述J*K*M*N个平面像素所构成的空间谱信息。

应用实例

我们利用现有商用4K平面显示器，按照上述原理实现了全彩色全视差数码全息三维还原显示，其具体显示参数如下：1.体像素H_jk’尺寸为4mm*4mm；2.体像素H_jk’个数为J’*K’＝211*118；3.空间谱数目为M*N＝36*36；4.空间观察角度Ω＝300，显示景深约50cm。

图8是我们采用的透镜阵列示意图，为了充分利用显示器有限平面像素的信息量，我们采用蜂窝状排列方式排列了3818个直径为10mm的小透镜。

图9是每个小透镜内全息空间谱编码示意图，这里我们免去了实物信息采集步骤，代之以计算机虚拟三维模型渲染，所示编码图像仅限于“车头驾驶舱”部位。图10是“卡车”三维显示上下左右各方向所拍摄的显示照片。可见“车头驾驶舱”部位体视关系清晰明了。

为了提高显示分辨率，以下两种方案均可实用：

1.利用多台4K显示器的空间拼接以实现大面积三维全息显示。

目前4mm体像素的显示相当于LED大屏幕显示的分辨率，但本发明是体像素显示，每个体像素都由M*N(这里是36*36)根光线构成，从而可以实现真三维大面积显示。在本实例中，若用3*4块同样的4K屏幕拼接，便可得到平面分辨率为633*472，显示空间为2.5m*1.9m*0.5m的三维显示，这相当于4mm³的显示点在显示空间里用光线搭积木。

2.利用高分辨率平面显示器以实现高分辨率全息显示

不难想象，如果我们利用8K，16K，乃至32K的平面显示器，则利用本发明基本原理，便可实现普清乃至高清的全息显示。实际上利用目前光学显微镜的目镜系统配合相应抽样角ω_mn，便可设计并制造出理想的全息三维显示仪器。

上述细节描述仅仅是出于便于理解的目的而给出的，而不应从中理解出任何不必要的限制，而对其进行的修改对于所属领域的技术人员而言是显而易见的。虽然本发明是结合其特定的实施例来描述的，但是应理解可以做出进一步的修改，并且本申请意图涵盖大体上遵照本发明的原理的本发明的任何变体、应用，或者调整，并且包括本披露的此类扩展内容，即在本发明所涉及的领域内的已知的或者惯常的实践的范围内的、可以应用到上文提出的基本特征并且遵照所附权利要求书的范围的。

并且，虽然上文描述了且具体实例化了本发明的某些优选实施例，但是这并非意图将本发明限制于此类实施例，并且任何此类的限制仅包含在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种感光元件阵列装置，用于全息三维显示系统，其特征在于，包括感光元件阵列，用于设置在信息采集透镜阵列板与物体相反的一侧，所述感光元件阵列具有M*N个感光元件，用于记录所述信息采集透镜阵列板的各透镜所采集的空间谱图像I_mn，各感光元件的分辨率不小于预先设定的所述物体在物空间的体像素H_jk的个数J*K，J和K为大于1的整数，所述空间谱图像I_mn表示为I_mn(j，k)，j＝1到J，k＝1到K。

2.如权利要求1所述的感光元件阵列装置，其特征在于，所述信息采集透镜阵列板具有平行光轴的M*N个成像参数一致的透镜，M和N为大于1的整数，M*N个透镜用于对所要三维显示的物体进行M*N个空间谱图像I_mn抽样采集，m＝1到M，n＝1到N。

3.如权利要求1所述的感光元件阵列装置，其特征在于，空间抽样角为ω_mn＝d₁/l₁，d₁是各透镜之间的中心间距，l₁是所述信息采集透镜阵列板与所述物体之间的距离。

4.如权利要求1所述的感光元件阵列装置，其特征在于，所述信息采集透镜阵列板和所述感光元件之间设置有信息采集视场光阑，以消除或减小所述信息采集透镜阵列板各透镜相互间的成像干扰。

5.如权利要求1至4任一项所述的感光元件阵列装置，其特征在于，感光元件阵列采用彩色胶片、CCD或CMOS。

6.如权利要求1至5任一项所述的感光元件阵列装置，其特征在于，还包括板体，所述感光元件阵列安装在所述板体上。

7.一种全息三维显示系统，其特征在于，具有如权利要求1至6任一项所述的感光元件阵列装置。