基于透镜阵列的双向成像显示及相关技术研究

摘要

随着显示技术水平的提高，人们追求的新型显示性能越来越多样化。其中，人机交互、三维显示及激光显示等技术成为现代光学显示研究的重要方向。然而，这些技术本身及其在显示应用方面目前还都存在一定的问题，例如基于透镜阵列的裸眼三维显示理论不完善，传统成像装置无法与显示系统有效集成影响了人机交互功能的实现，等等。本文以显示系统集成人机交互功能为主线，提出并研究了多种显示与成像互不影响的双向成像显示方案。其中，集成度比较高的液晶屏-透镜阵列二维远场成像系统，可以拓展为基于面部表情、眼睛动作、嘴唇和手势等二维信息的人机交互；基于透镜阵列双向三维成像显示系统，三维显示使得观察临场感更强，三维成像则可提取肢体动作等复杂信息，有效达到了虚拟现实高级人机交互效果。为更贴近市场需求及应用，提出两种新型偏振式三维显示方案，特别是搭建使用激光光源的单投影三维显示系统。激光散射技术不仅可以应用于设计制作投影显示屏和消除其中的激光散斑，同样可以实现散射物相关参数的测量，这种逆散射技术继承了传统光学诊断技术的许多优点。由于颗粒浓度、尺寸分布在背投显示屏设计、超燃雾化场测试等问题中非常重要，本文特别研究了从颗粒散射光场提取粒径信息的散射法粒径测量技术。
　　 本论文主要的研究工作概述如下：
　　 1．使用光线场方法详细阐述了透镜阵列成像基本理论。针对人机交互应用，介绍并归纳了通过处理阵列像以获得恢复物体三维信息的各种数字技术的基本原理和数值算法。
　　 2．建立考虑人眼参数及对焦特性的透镜阵列三维显示模型，从观察角度给出了该三维显示性能特征描述。以透镜阵列共轭面位置和透镜口径为变量研究了高性能三维显示优化设计方法。研究结果显示：人眼对每个单元透镜的响应范围（即弥散斑）与瞳孔孔径和透镜填充口径成正比；透镜的F数值越大，观察视场也越大；透镜阵列的填充口径和显示像素越小时，共轭像面位置范围越偏离透镜阵列，三维重建像的最大深度位置也越大，此外当透镜口径满足F/D＞2时，可以有效降低像差对显示的影响。
　　 3．为了解决人眼对视等问题，提出了利用透镜阵列-探测器阵列远场阵列成像与液晶屏显示相结合的集成方案，即透镜阵列-液晶屏二维双向成像显示系统。建立了透镜阵列远场成像物理模型，研究了系统主要参数对阵列成像的影响。研究结果显示：为了使轴上点获得衍射极限的成像效果，要求表面形貌型折射率微透镜的F数数值大于4.5；提出使用2％判据确定贡献采样点的个数。对于一定数目的采样点，为了获得较高的收集光效率和较远的工作距离，透镜焦距和探测像素比值必须处于合适的水平。对直接成像情形，研究了视场受限和光线隔离两种解决单元像串扰的实验方案，并搭建实验平台，获得了比较好的成像效果；对间接成像情形，研究了各种图像处理算法反演应用，并证明2%判据所产生的截断误差仅会对反演结果产生非常小的影响。
　　 4．提出了多种可实现虚拟现实人机交互的三维双向成像显示方案。对于PDLC-透镜阵列构成的投影式三维成像显示系统，分析了透镜阵列成像的特征，结合集成像显示分析结果，最终给出了总体系统设计方法。本文还研究了高度集成的平板显示器-透镜阵列双向三维成像显示方案。研究了两种佩戴眼镜式的新型三维显示技术，包括偏振薄膜-LED显示屏的大屏幕三维显示以及基于液晶偏振旋转的单投影三维显示。对于后者，针对不同的液晶响应需求、投影类型，给出了不同的设计方案。实验建立并研究了激光作为光源的单投影芯片偏振三维背投显示系统。
　　 5．详细阐述了光散射理论及逆散射测量基本原理。为了反演粒径分布，研究了Chin-Shifrin积分变换反演算法的工作机制、存在的问题以及反演性能。研究结果显示：衍射近似误差会引起反演分布峰值位置发生错误偏移，当粒径参数x＜100时，近似误差ε＜3%；当x粒径参数＞100时，近似误差ε＜10%，这种误差影响可以忽略。基于此，本文提出了一种新型的基于最大似然估计，的EM迭代反演算法，并数值计算了其在粒径反演问题上的性能，包括不同分布类型、噪声水平等。结果显示：当测量角度足够大时，EM反演算法能够获得比较准确的粒径分布。建立了一套基于线阵CCD的实验测量装置，并对实验结果进行了分析。
　　 本论文的创新点主要包括：
　　 1．提出并从实验上验证了液晶屏-透镜阵列集成的双向成像显示方案。建立了透镜阵列远场成像物理模型，研究了系统主要参数对阵列成像的影响。数值计算了可提高系统分辨率及工作距离的图像处理方法。
　　 2．提出了多种可实现虚拟现实人机交互的三维成像显示方案。针对裸眼三维显示，考虑人眼参数及对焦特性，建立了完善的基于透镜阵列的裸眼三维显示物理模型，分析了无间隙、连续图案、宽视场、低像差显示等观察效果的限制条件，特别是透镜口径填充率的影响。基于此，给出了高度集成的平板显示器-透镜阵列和PDLC-透镜阵列投影式两种裸眼双向三维成像显示具体实施方法。
　　 3．本文还提出了偏振薄膜-发光二级管阵列显示屏和基于液晶偏振旋转单投影两种三维显示方案。建立了使用激光光源的单投影芯片三维显示系统，有效地结合人机交互、三维显示和激光显示三个现代显示技术。
　　 4．数值研究了衍射近似误差对Chin-Shifrin反演算法的影响，并获得了最小可测粒径的范围。推导了一种新型的逆问题求解方法-EM迭代算法，并应用于逆散射粒径反演问题，实验表明该算法收敛速度快，抗噪声能力强。