CN104391344B - 一种用于消除主瓣畸变像差的微透镜阵列设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于消除主瓣畸变像差的微透镜阵列设计方法，主要利用液晶显示屏、自由曲面微透镜阵列、基板、CCD相机以及计算机。通过动态反馈优化设计方法，将图像源发出的准直矩形光源，经过自由曲面微透镜阵列，通过设定在最佳观测距离D处的CCD相机采集光强信息。通过计算畸变率S反向对自由曲面微透镜阵列进行曲面优化。根据CCD实测畸变率S，调整二次曲面系数k，重复上述步骤，直到找到一个合适的二次曲面系数k，使得畸变率S接近于零时，即可得到消除主瓣畸变像差的微透镜阵列。该方法简单有效，采用动态反馈的方法，可以在微透镜阵列设计中有效消除畸变像差，提高了集成成像中的成像质量。

Description

一种用于消除主瓣畸变像差的微透镜阵列设计方法
技术领域
本发明涉及三维显示领域，特别是一种用于消除主瓣畸变像差的自由曲面微透镜阵列***及方法。
背景技术
近年来，三维成像与显示技术受到越来越多的关注。由于基于微透镜阵列的集成成像技术具有完整的视差、连续的视点且无需任何观察眼镜和特殊光照，因此该技术在三维成像与显示技术领域脱颖而出，逐渐发展成为最具潜力和前景的自动立体显示技术。
微透镜阵列(Microlensarray)就是其中一种重要的微光学元件，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学***、形成多种新功能，包括微棱镜阵列、微反射阵列、光开关阵列等。
微透镜阵列中的微透镜的个数一定程度上决定着集成成像的分辨率，所以微透镜阵列的光学性能决定了集成成像质量。基于微透镜阵列的集成成像具有多个优点，如可以提供完整的视差(包括垂直视差和水平视差)、准连续视点、全彩色和实时图像、不需要任何特殊设备并且多个观察者可以看到集成的3D图像等。但集成成像仍存在视角有限、景深有限和分辨率不足等问题。
为了解决上述问题，国际上采用了很多方法，如限制视场、光线隔离和贴附散射膜等方法。但是上述方法都是基于固定微透镜阵列而进行微透镜阵列以外的改变。这样操作的主要原因是微透镜阵列生产周期长、制作成本大以及微透镜阵列的光学参数与集成成像质量之间的关联不是很清楚。
发明内容
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种用于消除主瓣畸变像差的微透镜阵列设计方法，通过改变微透镜阵列本身来消除主瓣枕形畸变进而解决现有的微透镜阵列集成成像技术中存在的成像质量不理想的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于消除主瓣畸变像差的微透镜阵列设计方法，本方法中包括液晶显示屏、基板、自由曲面微透镜阵列、CCD相机和计算机；
所述液晶显示屏上带有发出准直矩形光的图像源；
所述自由曲面微透镜阵列中的微透镜一侧表面为平面另一侧表面为圆弧形状；
所述基板位于液晶显示屏和自由曲面微透镜阵列的平面一侧之间并且基板紧密贴合自由曲面微透镜阵列，所述图像源位于自由曲面微透镜阵列的后焦面上；所述CCD相机对准设置在距离自由曲面微透镜阵列前方的最佳观测距离D的位置处，并且CCD相机连接至计算机；所述后焦面的具体计算方法可以根据最佳观测距离D和放大率m的设计要求，通过公式f＝D/(2m-1)，计算出透镜的焦距f，则后焦面即位于微透镜的平面一侧的焦距位置处。
首先所述CCD相机采集图像源发出的图像信息，并将采集到的图像信息发送至计算机，根据畸变率公式计算出当前的畸变率S，在畸变率公式中，yp’表示CCD相机采集到的图像的实际像高，y0’表示无畸变情况下CCD相机应当采集到的图像的理想像高，δy'表示线畸变；
然后根据当前计算得到的畸变率S调整自由曲面微透镜阵列中的微透镜的二次曲面系数k，使得调整后再次计算的畸变率S变小，反复试值，直至畸变率S＝0，此时的二次曲面系数k所对应的自由曲面微透镜阵列即为消除主瓣畸变像差的微透镜阵列。
由于微透镜曲面为扁平的圆形形状，那么就满足曲面函数的关系，在曲面函数中，c为曲率，r为以微透镜长度单位为单位的径向坐标；举例说明，双曲面对应的二次曲面系数k小于–1，抛物面对应的二次曲面系数k为–1，椭圆面对应的二次曲面系数k在–1到0之间，球面对应的二次曲面系数k为0；每一次调整后的二次曲面系数k便对应一个新的曲面函数，即对应一个新的微透镜曲面的具体形状，这将直接影响图像畸变的程度，畸变率S为0时的所用的微透镜曲面的形状即为最终可以消除主瓣畸变像差的曲面，这样的微透镜组成的微透镜阵列为所需的设计结果。
本发明利用动态反馈优化的设计方法，将CCD相机采集到的图像信息中获得当前微透镜阵列导致的畸变率S，根据畸变率S从而改变微透镜整列中的微透镜的二次曲面系数k，不断调整，直至最终得到的畸变率S为0，由此便消除了畸变像差，提高了成像质量。
进一步的，在本发明中，图像源的大小与单个微透镜一致，并且与其中一个微透镜严格对齐；自由曲面微透镜阵列通过基板紧密贴合在液晶显示屏上；所述CCD相机与该图像源以及图像源对应的微透镜位于一条直线上。保持图像源与单个微透镜大小一致、位置对齐，图像源的光线由微透镜的平面一侧射入并从自由曲面一侧射出，可以使得在一条直线上的CCD相机采集图像更加准确，避免周围有其他图像源产生干扰。
进一步的，在本发明中，所述基板与微透镜阵列均采用采用折射率一致的透明材料。良好的透光性是微透镜阵列设计中必须满足的条件，这种材料比较广泛，如石英玻璃、PET膜、亚克力板等。
有益效果：
本发明利用动态反馈，提出了一种用于集成成像中消除主瓣枕形畸变的微透镜阵列及其优化后的结构参数的获取方法，利用CCD相机摆放到恰当位置，模拟人眼收集观看位置处的图像，进而与理想情况中的图像进行对比，获得畸变率S，以此为参考反向改变微透镜的表面形状，逐步使得畸变率S降低直至趋于0在该结构参数下的微透镜阵列可以有效地消除集成成像中成像面侧主瓣的枕形像差，提高了3D显示质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为像素点示意图；
图3为倾斜微透镜阵列示意图；
图4为优化前的主瓣形状；
图5为优化后的主瓣形状。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1。
如图1中包括液晶显示屏1、基板2、自由曲面微透镜阵列3、CCD相机和计算机4；
如图3所示，自由曲面微透镜阵列3中由多个相同的微透镜组成，每个微透镜的一侧表面为平面另一侧表面为圆弧形状，每个微透镜的大小如下，长0.2865mm、宽0.2056mm、曲率c为0.6，并且由透明的亚克力材料制成；所述液晶显示屏1上带有发出准直矩形光的图像源，且该图像源与其中一个微透镜严格对齐、大小也与单个微透镜相同，本发明即是通过观测该准直光源经过自由曲面微透镜阵列后的形状变化来进行调整微透镜的曲面形状从而实现发明目的的；如图2所示，该图像源中的每个子图即在真三维显示中的每个像素点是由5行16列个子像素组成的，每个子像素分别是R、G、B，图2中灰色区域表示单个微透镜大小，作为图像源时，只点亮该区域内所有子像素，其他像素点不点亮；所述自由曲面微透镜阵列3相对于光轴垂直放置，且与图像源平行，每个微透镜在图像源上的投影为矩形。
所述基板2位于液晶显示屏1和自由曲面微透镜阵列3的平面一侧之间并且基板2紧密贴合自由曲面微透镜阵列3和液晶显示屏1，基板2的材料与微透镜相同，并且根据最佳观看距离D和放大率m的设计要求，通过公式f＝D/(2m-1)，计算出微透镜的焦距f＝0.19m，这里的最佳观看距离D是自由曲面微透镜阵列3的一个已知的设计指标，一般是根据该设计指标反推出自由曲面微透镜阵列3的结构参数。焦距f恰好是从自由曲面微透镜阵列3的主点到微透镜的焦点之间的距离，该段距离由3段组成，分别是自由曲面微透镜阵列3的主点到微透镜后表面的厚度、基板2的厚度以及液晶显示屏1的厚度，所以选择基板2的厚度恰好可使所述图像源位于自由曲面微透镜阵列3的后焦面上；所述CCD相机对准设置在距离自由曲面微透镜阵列3前方的最佳观测距离D的位置处，所述CCD相机与该图像源以及图像源对应的微透镜位于一条直线上，将CCD相机连接至计算机4。
首先所述CCD相机采集图像源发出的图像信息，并将采集到的图像信息发送至计算机4，根据畸变率公式计算出当前的畸变率S，在畸变率公式中，yp’表示CCD相机采集到的图像的实际像高，y0’表示无畸变情况下CCD相机应当采集到的图像的理想像高，δy'表示线畸变；
然后根据当前计算得到的畸变率S调整自由曲面微透镜阵列3中的微透镜的二次曲面系数k，使得调整后再次计算的畸变率S变小，反复试值，直至畸变率S趋于0，此时的二次曲面系数k在-1.5到-1.7之间，此时所对应的自由曲面微透镜阵列3即为消除主瓣畸变像差的微透镜阵列。如图4和图5所示，分别为优化前后的主瓣形状，可见利用本发明方法可以有效改善主瓣畸变。
实施例2。
在裸眼3D中，为了消除莫尔条纹，有效的方法是将自由曲面微透镜阵列3相对于图像源以光轴为旋转轴，顺时针旋转14.1411°倾斜放置(如图3)。在这种情况下，图像源子图需要根据倾斜角度重新配置，图像源子图作为整个真三维显示的一个像素点，通过其正对的基板2和微透镜时，会产生畸变等像差，最终体现在镇三维显示的图像与像源图像不一致，降低观众的立体体验效果。
那么，同样采用本发明的方法，采用与实施例1中同样的硬件，仅将自由曲面微透镜阵列3的摆放位置按照上文所述进行倾斜放置，其他硬件之间的位置关系不变。
在这样的情况下，采用与实施例1同样的方法进行调整，最终同样能够在二次系数k为-1.5到-1.7之间时，可以使得畸变率S趋于0，即可获得消除主瓣畸变像差的微透镜阵列。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于消除主瓣畸变像差的微透镜阵列设计方法，其特征在于：本方法中包括液晶显示屏(1)、基板(2)、自由曲面微透镜阵列(3)、CCD相机和计算机(4)；
所述液晶显示屏(1)上带有发出准直矩形光的图像源；
所述自由曲面微透镜阵列(3)中的微透镜一侧表面为平面另一侧表面为圆弧形状；
所述基板(2)位于液晶显示屏(1)和自由曲面微透镜阵列(3)的平面一侧之间并且基板(2)紧密贴合自由曲面微透镜阵列(3)，所述图像源位于自由曲面微透镜阵列(3)的后焦面上；所述CCD相机对准设置在距离自由曲面微透镜阵列(3)前方的最佳观测距离D的位置处，并且CCD相机连接至计算机(4)；
首先所述CCD相机采集图像源发出的图像信息，并将采集到的图像信息发送至计算机(4)，根据畸变率公式计算出当前的畸变率S，在畸变率公式中，y′p表示CCD相机采集到的图像的实际像高，y′0表示无畸变情况下CCD相机应当采集到的图像的理想像高，δy'表示线畸变；
然后根据当前计算得到的畸变率S调整自由曲面微透镜阵列(3)中的微透镜的二次曲面系数k，使得调整后再次计算的畸变率S变小，反复试值，直至畸变率S＝0，此时的二次曲面系数k所对应的自由曲面微透镜阵列(3)即为消除主瓣畸变像差的微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的一种用于消除主瓣畸变该像差的微透镜阵列设计方法，其特征在于：图像源的大小与单个微透镜一致，并且与其中一个微透镜严格对齐；自由曲面微透镜阵列(3)通过基板(2)紧密贴合在液晶显示屏(1)上；所述CCD相机与该图像源以及图像源对应的微透镜位于一条直线上。
3.根据权利要求1所述的一种用于消除主瓣畸变该像差的微透镜阵列设计方法，其特征在于：所述基板(2)与自由曲面微透镜阵列(3)均采用折射率一致的透明材料。
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