CN107121786A - 集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于基于集成成像的光场显示技术领域，具体涉及光场显示***中透镜阵列的校准方法。集成成像光场显示***包括显示面板、透镜阵列和定向散射屏，针对透镜阵列的装配过程中存在的误差问题，本发明提出一种降低透镜阵列中心位置偏差和一种消除透镜阵列中心位置偏差的方法，其基本思想为：理想透镜光心位置与相应显示单元中心位置的连线与定向散射屏会有交点，以此交点作为参考点；在理想透镜对应显示单元的中心点处加载校验图像，该图像经实际透镜后会在定向散射屏上成像；再根据实际成像位置与参考点的位置偏差进行相应的校准处理，以降低或消除透镜阵列中心位置偏差。

Description

集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法
技术领域
本发明属于基于集成成像的光场显示技术领域，具体涉及光场显示***中透镜阵列的校准方法。
背景技术
集成成像包括三维场景的记录与再现两个过程。记录过程中，透镜阵列和记录介质(如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或胶片)对三维场景发出光线的方向信息和亮度信息进行采样，得到二维单元图像阵列，单元图像阵列中的每个单元图像都是其对应的透镜对三维场景成的像，包含着三维场景的不同视差信息。显示过程中，记录的二维单元图像阵列显示在二维显示面板上，如液晶显示面板(LCD)，单元图像发出的光线通过透镜阵列或针孔阵列后重构形成三维图像。集成成像的记录与再现过程不需要相干光照明，可实现裸眼连续视差、真彩色的三维显示，在一定视角范围内，可供多人在不同方向同时观看。传统集成成像的可视分辨率受透镜间隔的限制，为增大可视分辨率，构建基于集成成像的光场显示***：在重构三维物体的某一深度平面放置定向散射屏，从而在散射屏的前后一段深度范围内人眼都能获得较高的可视分辨率。
理想情况下，集成成像光场显示***中所有透镜的中心位置和对应显示单元中心位置的连线应该是平行的，更确切的说，它们应该均垂直于显示面板。然而实际情况中，透镜阵列的装配过程会存在误差，在横向和纵向会产生偏移，造成三维重构精度的下降，成像质量的恶化，因此需要对各个透镜的位置进行校准。本发明是关于透镜位置的横向偏移的校准方法。
在先技术“一种针对透镜阵列的阵列图像配准模板”(中国专利，申请号：CN103824288A)，针对透镜阵列加工过程中存在误差的问题，公开了一种阵列图像配准模板，但该模板较为复杂。
本发明提出集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法，具体包括一种降低中心位置横向偏差的方法和一种消除中心位置横向偏差的方法。
发明内容
本发明的目的是提出集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法，确保各透镜的光心位置和对应显示单元的中心位置横向重合，以提高三维重构的精度，提升成像显示质量。
本发明的特征在于，集成成像光场显示***包括显示面板、透镜阵列和定向散射屏，显示面板上加载对应的单元图像阵列，理想情况下，单元图像的中心与相应透镜光心的连线应该是平行的(即横向重合)，并垂直于显示面板；而实际情况下，由于透镜阵列的装配存在误差，会产生横向的偏移，各显示单元的中心与相应透镜光心的连线不再平行。如果仍然按照理想透镜的位置加载相应的单元图像，将会造成三维重构精度的下降，成像质量的恶化。针对以上情形，本发明提出一种降低透镜阵列中心位置偏差和一种消除透镜阵列中心位置偏差的方法。
采用本发明降低中心位置偏差的方法为：各理想透镜光心与对应显示单元中心的连线在定向散射屏上会有交点，在定向散射屏标记这些交点并将其作为参考点，，在理想透镜对应单元图像的中心点处加载校验图像，如“十”字形图像，该图像经实际透镜作用，将会成像至定向散射屏，所成像的中心与之前标记点之间会存在偏差。此时通过程序精确控制“十”字形图像的加载位置，使其逐渐偏离理想透镜对应单元图像的中心点，而该图像经实际透镜后所成像逐渐逼近定向散射屏上的参考点，当两者重合时，程序停止，将此时“十”字形图像的加载位置作为实际透镜光心的横向位置。对所有的透镜都做上述操作后，透镜阵列中心的横向位置的校准完成，透镜的中心位置为显示面板加载的对应单元图像的中心位置。通过数学分析可知，采用以上方法时，透镜光心位置的横向偏差将会减小，减小程度与透镜成像***的放大倍率有关。
采用本发明消除中心位置偏差的方法为：将校验图像，如“十”字形图像，加载至理想透镜对应单元图像的中心位置处，该图像经实际透镜作用，将会成像至定向散射屏，各理想透镜光心与对应单元图像中心的连线在定向散射屏上会有交点，可以精确测量实际成像位置与理想交点之间的位置偏差，进而计算得到实际透镜对应单元图像中心位置的校正量，完成透镜阵列的校准。
附图说明
实施例图：
本发明提供的集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法的附图有5个
图1理想情况下显示面板、透镜阵列和定向散射屏的位置关系示意图。
图2实际情况下显示面板、透镜阵列和定向散射屏的位置关系示意图。
图3集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法的原理图。
图4“十”字形校验图像相对透镜的偏移和透镜阵列校准后的正视图。
图5采用降低中心位置偏差校准方法后实现成像质量提升的效果图。
图1～图3中，(1)-显示面板，(2)-透镜阵列，(3)-定向散射屏。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明“集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法”实施方式作进一步地详细描述。
图1为理想情况下显示面板、透镜阵列和定向散射屏的位置关系示意图。显示面板(1)上加载单元图像阵列，各单元图像的中心表示为C1，C2，C3……每个显示单元正前方放置一个透镜，组成透镜阵列(2)，各透镜的光心表示为O1，O2，O3……各显示单元中心与相应透镜光心的连线与定向散射屏(1)的交点为R1，R2，R3……理想情况下，各单元图像中心与透镜光心的连线应该是平行的，更确切地说，它们应该均垂直于显示面板(1)。
图2为实际情况下显示面板、透镜阵列和定向散射屏的位置关系示意图。由于透镜阵列(2)的装配过程中存在误差，会产生横向偏移。在透镜阵列(2)位置处，实线表示理想透镜的位置，虚线表示实际透镜的位置，各理想透镜的光心表示为O1，O2，O3……各实际透镜的光心表示为O′1，O′2，O′3……此时，各显示单元中心与实际透镜光心的连线不再平行，如果仍按照理想透镜位置生成并加载单元图像阵列，将会造成三维重构精度的下降，成像质量的恶化。
图3为集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法的原理图。假设透镜阵列(2)的z轴坐标为0，定向散射屏(3)的z轴坐标为l，显示面板(2)的z轴坐标为-g，以单透镜成像为例进行说明，实线框表示理想透镜的位置，它的光心记为O点，Cerr点表示理想透镜对应单元图像的理想中心位置，Cerr点与O点的连线与定向散射屏的交点记为R点。由于透镜装配时存在误差，实际透镜位置会偏离理想透镜的位置，虚线框表示实际透镜的位置，它的光心记为O′点，Copt点表示实际透镜对应单元图像的实际中心位置，Copt点与O′点的连线与定向散射屏的交点记为Ropt点。如果此时仍将Cerr点作为实际透镜对应单元图像的中心位置，Cerr点与O′点的连线与定向散射屏的交点记为Rerr点，该点将远远偏离正确的像点位置Ropt点。
采用方法一降低中心位置偏差。根据理想透镜的光心O点和相应单元图像中心Cerr点的位置关系，在定向散射屏上对R点进行标记，它代表了透镜光心的理想位置，此后在显示单元的理想中心位置Cerr处加载校验图像，如“十”字形图像，经实际透镜后，“十”字形图像的中心会成像至Rerr处，编写程序调整控制“十”字形图像的加载位置，当“十”字形图像的中心经实际透镜成像后与定向散射屏上的R点重合，停止移动，此时“十”字形图像的加载位置为Ccal点，我们将Ccal点当作单元图像的实际加载位置。
未校准前，单元图像加载在Cerr处，经实际透镜后的像点位于Rerr处，这两点的连线与水平方向的夹角为校准后，单元图像加载在Ccal处，经实际透镜后的像点在R处，这两点的连线与水平方向的夹角为M为透镜成像***的放大倍数。由于M＞1，则β＜α，可见该方法可有效降低中心位置的偏差。
采用方法二消除中心位置偏差。加载校验图像，如“十”字形图像，使其中心位于Cerr处，经实际透镜后的像点位于Rerr处，精确测量值，计算校正量根据Cerr的位置和校正量找到相应点Copt，该点即为准确的透镜中心的横向位置。
图4为“十”字形校验图像相对透镜的偏移和透镜阵列校准后的正视图。图4(a)为透镜阵列校准前各“十”字形校验图像相对透镜偏移的正视图，“十”字形图像没有整齐排列，偏差较大，图4(b)为校准后的正视图，各“十”字形校验图像整齐排列。
图5为采用降低中心位置偏差校准方法后实现成像质量提升的效果图。图5(a)为校准前的集成成像光场显示效果，图5(b)为校准后的集成成像光场显示效果，图5(b)的成像质量更佳，图像更清晰，
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法，其特征在于，所述集成成像光场显示***包括显示面板(1)、透镜阵列(2)和定向散射屏(3)，所述显示面板(1)上加载单元图像阵列，每一单元图像与透镜一一对应，且透镜的光心与单元图像的中心横向重合。单元图像阵列经透镜阵列(2)投影后重构出三维场景，为了提高人眼观看的可视分辨率，在重构三维场景的某一平面放置定向散射屏(3)，在定向散射屏(3)前后一段深度范围内，人眼都能获得较高的可视分辨率。
2.如权利要求1所述的一种集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法，其特征在于，透镜阵列(2)一般非精密加工制作，其中的透镜在装配过程中存在误差，透镜的间距不为定值，实际透镜位置会偏离理想透镜位置，采用以下方法减小透镜阵列(2)光心位置的横向偏差：
A.理想透镜光心与显示面板(1)上相应单元图像的中心的连线与定向散射屏(3)会有交点，在定向散射屏(3)上标记出该点作为参考点，所有的参考点具有相同的间距；
B.在显示面板(1)上加载校验图像，校验图像的中心与单元图像的中心重合，该图像经实际透镜后会在定向散射屏(3)上成像，所成像的中心与参考点之间存在偏差，为了在定向散射屏(3)上得到清晰的像，定向散射屏(3)位于透镜像平面；
C.调整校验图像的加载位置，使其逐渐偏离理想透镜对应单元图像的中心点，该图像的中心经实际透镜后所成像会逐渐逼近定向散射屏(3)上相应的参考点；
D.当校验图像经实际透镜所成像与定向散射屏(3)上参考点重合时，将此时校验图像的加载位置作为实际透镜对应单元图像的中心点，进而减小透镜阵列(2)光心位置的横向偏差。
3.如权利要求1所述的一种集成成像光场显示***透镜阵列的校准方法，其特征在于，透镜阵列(2)的装配过程中存在误差，实际透镜位置会偏离理想透镜位置，采用以下方法消除透镜阵列(2)中心位置的横向偏差：
A.理想透镜光心与显示面板(1)上相应单元图像的中心的连线与定向散射屏(3)会有交点，在定向散射屏(3)上标记出该点作为参考点，所有的参考点具有相同的间距；
B.在显示面板(1)上加载校验图像，校验图像的中心与单元图像的中心重合，该图像经实际透镜后会在定向散射屏(3)上成像，所成像的中心与参考点之间存在偏差，精确测量这一位置偏差；
C.根据显示面板(1)、透镜阵列(2)和定向散射屏(3)之间的位置关系，以及上一步精确测量得到的位置偏差值，可以计算得到实际透镜光心位置与理想光心位置之间的准确偏差值，进而消除透镜阵列(2)光心位置的横向偏差。
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