一种集成成像光学系统技术方案

本发明专利技术揭示了一种集成成像光学系统，包括光学单元阵列、微图像阵列；光学单元阵列包括若干微光学单元；该光学单元阵列用以使焦平面上的点发散到空间中的各个方向；微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素单元；微图像单元的显示图层位于微光学单元的焦平面附近；各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，在设定界面形成对应的微图像；所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像。本发明专利技术可以实现垂直于物理显示平面并且成实像的悬浮显示效果，具有很强的科技感和未来感。本发明专利技术可以通过拼接显示的方式，实现360度全视角的三维显示，有效减少了实现复杂三维场景的数据量。并且有效的消除了人眼观看的疲劳感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学成像
，涉及一种光学系统，尤其涉及一种集成成像光学系统。
技术介绍
视觉是人类感知世界的主要途径，人类获取的信息约80％来自于视觉，长期以来，表达可视信息的主要方法仍然是二维显示。传统的二维显示技术遗失了真实物理世界的深度信息，无法准确表达三维空间关系，而且只能呈现单个角度上物体的表面特性。这一缺陷严重地阻碍了人类对客观世界的感知，如何在真实物理空间实现三维重现一直是人们孜孜以求的目标。为了真实地描述客观三维世界，人们努力用各种方法在空间里呈现出虚拟的三维场景。三维显示在传统二维显示的基础上通过提供各种生理和心理上的调节线索产生深度暗示，并通过大脑进行融合形成三维感知。在现有的三维显示技术中，集成成像法(IntegralImaging)是一种重要的三维显示技术，该技术由法国科学家Lippmann于1908年提出的集成摄像术(Integralphotography)发展而来。集成成像通过二维透镜阵列来记录和再现真实三维场景，原理图如图1a、图1b所示。在记录过程中，透镜阵列中每个透镜对三维场景进行成像，得到一系列独立的二维图像，这些图像分别称作元素图像。元素图像各不相同，它们表示的是透镜从不同视角记录得到的三维物体的信息。所有元素图像在记录介质上的排列称为元素图像阵列，元素图像阵列包含了物体的三维信息。再现过程中，元素图像阵列由显示面板显示出来，显示面板前面放置透镜阵列，元素图像发出的光线经过透镜阵列后在像空间集成出一个个体像素点，所有的这些像素点构成了三维物体的像。因此集成成像是一种真三维显示技术，由于集成成像技术得到的三维图像包含连续的视差信息，观看者在不同位置看到的三维信息是不同的。与同样是真三维显示技术的全息术相比，集成成像在记录和再现时不需要相干光源，而且实时性较好，可实时再现动态三维场景。同体显示技术相比，集成成像技术具有结构简单、易实现、实时性好的优势。集成成像还是一种“裸眼\三维显示技术，观看者在观看时不需要佩戴立体眼镜及其它辅助器件。此外，集成成像的元素图像阵列是二维的，可以和现有的比较成熟的二维图像处理方法和显示技术结合起来。以上的这些特点使得集成成像技术在三维显示领域有着良好的发展前景。传统的集成成像在再现三维场景时，只有一个和显示面板共轭的像平面，当再现三维像的像面偏离这个平面时，分辨率就会下降的很厉害。人们把和显示面板共轭的那个面称作中心深度平面(CentralDepthPlane，简称CDP)。传统的集成成像的CDP平面平行于显示平面，重建图像深度区域小，这制约了集成成像三维显示的商业化。有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的集成成像光学系统，以便克服现有光学系统存在的上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种集成成像光学系统，可以实现在与物理显示平面形成一定夹角的平面上形成多个中心深度平面CDP，多个中心深度平面拼接形成一个与物理显示平面形成一定夹角的CDP平面。并且在空间中的像为实像，具有悬浮显示效果，有很强的科技感和未来感。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种集成成像光学系统，所述光学系统包括：光学单元阵列、微图像阵列；所述光学单元阵列包括若干微光学单元，微光学单元的主面或者微光学单元主面的像面与微图像阵列形成的平面形成一定的角度β，0≤β＜180°；该光学单元阵列用以使微图像单元内的像素点发散到空间中的各个方向；所述微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素点；微图像单元或者该微图像单元的像面位于微光学单元的焦平面附近；微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面成一定夹角α，0≤α＜180°；各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，不同微光学单元下的微图像单元的对应像素点在设定界面汇聚为一点，形成空间中悬浮图像中的一点；所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像；形成的总体图像与微图像阵列形成的平面形成夹角。作为本专利技术的一种优选方案，所述光学系统还包括微光线折变单元阵列，微光线折变单元阵列包括若干微光线折变单元，微光线折变单元用以改变微图像单元出射光线的传播方向，微图像单元或者微光学单元的主面经过微光线折变单元产生的像面与微图像阵列形成的平面形成一定夹角。作为本专利技术的一种优选方案，所述微图像阵列包括m*n个微图像单元，各个微图像单元的像素为s*t，微图像单元通过微光学单元在空间中形成的像重合在了一起，在设定界面形成的总体图像的像素为s*t。作为本专利技术的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间中任意成像点的坐标为(xi，yi，zi)，微光学单元光心或者该微光学单元光心的像的坐标为(xo，yo，zo),微光学单元的焦距为f,则该微光学单元对应的单元图像中的子像素或者该子像素的像的坐标(x,y,z)满足关系式y=f*cos(θ-ω)(y0-y1)d*cos(π2-β-θ)-f*cos(θ-ω)+yo,z=f*d*sin(θ-ω)d*cos(π2-β-θ)-f*cos(θ-ω)+zo,]]>其中d为微光学单元光心到空间所成图像的中心深度平面CDP的距离，d满足关系式d＝(zi*tanω+(xo-xi))*cosω，CDP平面与Y-Z平面的夹角为ω，微光学单元的主面或者该主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β，θ为像素点通过集成成像光学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角。作为本专利技术的一种优选方案，在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间所成图像的中心深度平面CDP与竖直平面Y-Z的夹角为ω。微图像单元为平面。微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角α满足公式α=tan-1k-tanω1+k*tanω,k=tan(a+ω)=tan(β+ω)-fd*cos(β+ω),]]>其中d为微光学单元光心到CDP平面的距离，微光学单元的主面或者该微光学单元主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β,微光学单元的焦距为f；当空间所成图像的中心深度平面CDP垂直于微图像阵列形成的平面时，微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角为作为本专利技术的一种优选方案，微光学单元阵列中不同的微光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成成像光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：光学单元阵列、微图像阵列；所述光学单元阵列包括若干微光学单元，微光学单元的主面或者微光学单元主面的像面与微图像阵列形成的平面形成一定的角度β，0≤β＜180°；该光学单元阵列用以使微图像单元内的像素点发散到空间中的各个方向；所述微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素点；微图像单元或者该微图像单元的像面位于微光学单元的焦平面附近；微图像单元或者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面成一定夹角α，0≤α＜180°；各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，不同微光学单元下的微图像单元的对应像素点在设定界面汇聚为一点，形成空间中悬浮图像中的一点；所有微图像的各个像素组合在一起，形成总体图像；形成的总体图像与微图像阵列形成的平面形成夹角。

【技术特征摘要】
1.一种集成成像光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：光学单元阵列、微图像阵
列；
所述光学单元阵列包括若干微光学单元，微光学单元的主面或者微光学单元主面的像
面与微图像阵列形成的平面形成一定的角度β，0≤β＜180°；该光学单元阵列用以使微图像
单元内的像素点发散到空间中的各个方向；
所述微图像阵列包括若干微图像单元，微图像单元包括若干像素点；微图像单元或者
该微图像单元的像面位于微光学单元的焦平面附近；微图像单元或者该微图像单元的像面
与微图像阵列形成的平面成一定夹角α，0≤α＜180°；
各个微图像单元分别与对应的微光学单元配合，不同微光学单元下的微图像单元的对
应像素点在设定界面汇聚为一点，形成空间中悬浮图像中的一点；所有微图像的各个像素
组合在一起，形成总体图像；形成的总体图像与微图像阵列形成的平面形成夹角。
2.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：
所述光学系统还包括微光线折变单元阵列，微光线折变单元阵列包括若干微光线折变
单元，微光线折变单元用以改变微图像单元出射光线的传播方向，微图像单元或者微光学
单元的主面经过微光线折变单元产生的像面与微图像阵列形成的平面形成一定夹角。
3.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：
所述微图像阵列包括m*n个微图像单元，各个微图像单元的像素为s*t，微图像单元通
过微光学单元在空间中形成的像重合在了一起，在设定界面形成的总体图像的像素为s*t。
4.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：
在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间中任意成像
点的坐标为(xi，yi，zi)，微光学单元光心或者该微光学单元光心的像的坐标为(xo，yo，zo),
微光学单元的焦距为f,则该微光学单元对应的单元图像中的子像素或者该子像素的像的
坐标(x,y,z)满足关系式其中d为微光
学单元光心到空间所成图像的中心深度平面CDP的距离，d满足关系式
CDP平面与Y-Z平面的夹角为ω，微光学单元的
主面或者该主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β，θ为像素点通过集成成像光
学系统出射光线相对于微图像阵列形成的平面的俯仰角。
5.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：
在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面；空间所成图像的
中心深度平面CDP与竖直平面Y-Z的夹角为ω。微图像单元为平面。微图像单元或者该微图
像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角α满足公式其中d为微光学单元光心到CDP平面的距离，微
光学单元的主面或者该微光学单元主面的像与微图像阵列形成的平面之间的夹角为β,微
光学单元的焦距为f；
当空间所成图像的中心深度平面CDP垂直于微图像阵列形成的平面时，微图像单元或
者该微图像单元的像面与微图像阵列形成的平面的夹角为6.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：
微光学单元阵列中不同的微光学单元的主面或者该主面的像面与微图像阵列形成的
平面的夹角β为相同；
微单元图像阵列中不同的微单元图像或者该微单元图像的像面与微图像阵列形成的
平面的夹角α为相同；
微单元图像阵列中经过集成成像光学系统具有相同俯仰角θ的出射光线的子像素在空
间成像中心深度平面CDP上成的像具有相同的放大倍数kθ；
在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，对于m行、n列的微
光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；每一列中的微光学单元焦距相同，列与
列之间的微光学单元焦距为不同，沿x方向的每一列的微光学单元的焦距线性增加；对于第
n列微光学单元的焦距为其中dn为第n列微光学单元的光心到空间成像中心深度
平面CDP的距离，d为距离中心深度平面CDP最近的微光学单元的光心到CDP平面的距离，f为
该点微光学单元的焦距；
对于m行、n列的微光学单元阵列每一列中的微光学单元的孔径相同，列与列之间的微
光学单元孔径为不同，沿x方向的每一列微光学单元的孔径尺寸线性增加。
7.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：
在空间中建立X-Y-Z坐标系,微图像阵列形成的平面定义为X-Y平面，对于m行、n列的微
光学单元阵列，m行沿Y方向排列，n列沿X方向排列；微光学单元阵列中每一列的微光学单元
的主面或者主面的像面与微图像阵列形成的平面的夹角β为相同，不同列的夹角β为不相
同；空间成像中心深度平面CDP的中心点距离微图像阵列形成的平面的距离为定值h,距离
每一列微光学单元光心的距离dn为不相同；每一列微光学单元的主面或者该主面的像面与
微图像阵列形成的平面的夹角8.根据权利要求1所述的集成成像光学系统，其特征在于：
在空间中建立X-Y-Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：隆弢，
申请(专利权)人：上海誉沛光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31