集成成像3D显示技术研究

摘要

人类是天生的具有立体视觉的生物。人们很早就学会了在一个平面内绘制透视图来表现空间的三维特征。但是，无论是手绘的图片还是照相机拍摄的照片，都只从某个角度某个侧面反映景物的三维特征，所能表现的深度信息严重的匮乏。时下流行的智能手机、平板电脑、超清电视等二维显示设备同样存在这样的问题。人们希望通过显示设备看到栩栩如生的景物，仿佛要走出屏幕一般，而不是被囚禁在一个平面内。在这样的期望下，一百多年前，三维(three dimensional,3D)显示技术诞生了，并被确定为显示技术的终极发展目标。经过一百多年的发展，各种3D显示技术相继涌现，在这中间，集成成像3D显示技术无需辅助设备、无需相干光源、无观看视疲劳，并且能够提供全视差、连续视点、全彩色、实时的真3D图像，被认为是最具前景的3D显示技术之一。但是，集成成像3D显示中的分辨率、视场角、深度范围等受到原理和器件的限制，还有待于研究改进。本文从高分辨率集成成像3D显示、2D/3D可切换的集成成像3D显示和浮动集成成像3D显示三个方面研究高性能的集成成像3D显示方案。
　　本论文的主要研究工作概述如下:
　　1.介绍了集成成像的原理和分类，详细介绍了全光集成成像和计算机集成成像的原理和用途。介绍了集成成像三种显示模式的特点。详细分析了集成成像3D显示性能参数的表达式和相互制约关系，并分析了集成成像3D显示的优点。
　　2.介绍了典型的提升集成成像显示分辨率的方法。分析了传统集成成像显示中单元像存在有效区域的问题，及其对分辨率的影响。提出一种利用不同焦距透镜阵列分别进行拍摄和显示的方法提高集成成像观看分辨率。该方法可以扩大单元像的有效区域，避免了像素的浪费，增加了观看者接收的信息量，即增加了分辨率。处理后的单元像阵列配合上长焦距透镜阵列进行显示，可以在保持观看视角不变，重建3D像不变的情况下有效提高观看分辨率。
　　3.介绍了基于点光源阵列的集成成像3D显示方法，分析了其观看分辨率特性，并介绍了相关改进方法和其不足。提出一种基于高密度点光源阵列的高分辨率集成成像显示方法，利用一个3×3的LED阵列和准直透镜形成9个方向传播的平行光，再通过透镜阵列后生成4倍于透镜元数量的点光源阵列，从而实现4倍分辨率的提升。与之前的高分辨率方法相比，该方法生成的点光源光束发散角相互平行，单元像尺寸均匀，观看视角保持不变。最后模拟分析实验结果中出现的颜色分离现象和模糊效应，得出当点光源尺寸与显示面板像素尺寸一致时，可以有效避免以上两个问题的出现。
　　4.介绍了2D/3D可切换集成成像显示方法，提出2D/3D可切换技术需要满足的三个特性，详细分析了几种典型方法的工作原理和优缺点。提出一种基于导光板的2D/3D可切换的集成成像显示装置。该装置由平板背光源、导光板和液晶面板构成。3D模式下，平板背光源关闭，导光板侧光源开启，导光板产生一个点光源阵列，被液晶面板上的单元像调制，形成3D图像。2D模式下，导光板侧光源关闭，平板背光源开启，液晶面板上的2D图像正常显示。因此，切换不同的光源，即可实现2D/3D切换。阐述了该方法的几大优点:系统厚度薄、成本低、光效率高、切换简单、2D模式图像质量高。对点光源成像像差和点光源密度优化作了分析。选取了合适的参数使得成像像差可以忽略。推导了投影分辨率和采样分辨率的表达式，提出一种点光源密度优化方法，可以得到最佳点光源密度使得观看分辨率最大。
　　5.介绍了浮动显示技术的基本概念，是一种通过各种光学手段形成浮动在半空中的2D图像的技术。详细分析了几种浮动显示技术的优缺点。介绍了基于浮动透镜的浮动集成成像显示技术，分析了其缺点例如窄小的观看视窗，透镜成像畸变和成像像差等。提出了一种基于角锥回射器阵列的浮动集成成像显示技术，该技术将基于角锥回射器阵列的浮动显示与集成成像显示相结合，不存在基于浮动透镜的浮动集成成像显示中的诸多问题，并且可以消除传统集成成像显示中深度—分辨率制约关系，增大实像模式的完全观看范围，克服深度反转问题。用偏振分束片和四分之一波片对该方法的光利用率做了提升，可用来实现具备增强现实特征的浮动集成成像显示。
　　本论文的主要创新点包括:
　　1.提出一种利用不同焦距透镜阵列分别进行拍摄和显示的方法提高集成成像观看分辨率。该方法不增加系统复杂度，通过扩大单元像有效区域有效增加观看者接收信息量即分辨率，同时保持观看视角和重建3D像不改变。
　　2.提出一种基于高密度点光源阵列的高分辨率集成成像显示方法，可以实现4倍分辨率的提升。与之前的高分辨率方法相比，该方法生成的点光源光束发散角相互平行，单元像尺寸均匀，观看视角保持不变。
　　3.提出一种基于导光板的2D/3D可切换的集成成像显示装置，该装置通过在传统二维显示器中集成一块导光板来实现2D/3D功能切换，具有系统厚度薄、成本低、光效率高、切换简单、2D模式图像质量高等优点。
　　4.提出了一种基于角锥回射器阵列的浮动集成成像显示技术，该技术将基于角锥回射器阵列的浮动显示与集成成像显示相结合，不存在基于浮动透镜的浮动集成成像显示中的诸多问题，并且可以消除传统集成成像显示中深度—分辨率制约关系，增大实像模式的完全观看范围，克服深度反转问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 3D显示的概念与发展历史

1．2 3D显示的分类

1．2．1 双目视差3D显示

1．2．2．真3D显示

1．3 集成成像3D显示的发展历史与研究现状

1．3．1 发展历史

1．3．2．研究现状

1．4 课题背景与研究意义

1．5 主要研究内容

参考文献

第2章 集成成像3D显示原理与性能分析

2．1 集成成像3D显示原理

2．1．1 集成成像基本原理及分类

2．1．2 显示模式

2．1．3 深度反转问题

2．2 集成成像3D显示性能参数

2．2．1 观看分辨率

2．2．2 观看视角

2．2．3 3D深度范围

2．2．4 集成成像3D显示的优点

参考文献

第3章 高分辨率集成成像3D显示方法

3．1 提高分辨率的典型方法介绍

3．1．1 增加采样率方法

3．1．2 增加显示屏幕像素方法

3．2 基于利用不同焦距透镜阵列分别进行拍摄和显示的高分辨率集成成像显示方法

3．2．1 原理和结构

3．2．2 模拟和实验验证

3．3 基于高密度点光源阵列的高分辨率集成成像显示方法

3．3．1 基于点光源阵列的集成成像显示

3．3．2 基于高密度点光源阵列的高分辨率集成成像显示方法

3．4 本章小结

参考文献

第4章 基于导光板的2D／3D可切换集成成像显示方法

4．1 2D／3D可切换集成成像显示方法介绍

4．1．1 基于点光源阵列的2D／3D可切换集成成像显示方法

4．1．2 基于微透镜阵列的2D／3D可切换集成成像显示方法

4．2 基于导光板的2D／3D可切换集成成像显示方法

4．2．1 结构和原理

4．2．2 点光源密度优化分析

4．2．2 实验结果

4．3 本章小结

参考文献

第5章 浮动集成成像3D显示

5．1 浮动显示技术

5．1．1 浮动显示基本概念

5．1．2 浮动显示分类

5．2 基于凸透镜的浮动集成成像显示

5．3 基于角锥回射器阵列的浮动集成成像显示

5．3．1 结构和原理

5．3．2 实验结果

5．4 本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

攻读博士学位期间发表的论文、专利及获奖情况

致谢