CN109001852A - 一种透镜阵列、3d图像采集***以及3d显示成像*** - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种透镜阵列、3D图像采集***以及3D显示成像***，所述透镜阵列包括多个阵列排布的透镜元，每一个所述透镜元包括一个非球面透镜，所述非球面透镜为包括第一镜面和第二镜面的凸透镜，所述第一镜面为平面，所述第二镜面为非球面。本发明实施例提供一种透镜阵列、3D图像采集***以及3D显示成像***，以实现降低像差和畸变，并降低透镜阵列的安装调节难度。

Description

一种透镜阵列、3D图像采集***以及3D显示成像***
技术领域
本发明实施例涉及显示技术，尤其涉及一种透镜阵列、3D图像采集***以及3D显示成像***。
背景技术
随着科技的发展，目前主流的2D(二维)显示因只能够带来平面视觉，已经越来越难以满足人类的生活需求，与此同时，3D(三维)显示技术因为能够带来逼真的立体画面正开始受到了广泛的关注。目前3D显示技术的主要手段是利用柱状透镜或视差光栅将两个2D画面分开，分别被人的左右眼识别后在人脑感知到3D图像。该技术方案本质上是将2D图像分开，在固定视角上才有双目视觉。
集成成像3D显示是一种真实的自由立体显示技术，一种能够体现真实三维显示的新方法。集成成像3D显示采用透镜阵列或微孔结构来实现3D显示的重新构建，可以实现连续视点，全彩等诸多优良特性。集成成像3D显示技术己经成为3D显示的研究热点。
无论是在3D图像采集还是3D显示成像过程中，均需要用到透镜阵列，透镜阵列以透镜元为单元阵列排布。使用单个球面透镜作为透镜元时，单个球面透镜像差较大(尤其是边缘部分彗差较大)，畸变较大，调制传递函数(MTF)高频部分较低，因此单球面透镜成像的边缘部分和高频部分效果较差。为了提高成像效果，可以采用两个球面透镜的复合透镜作为透镜阵列中的透镜元。但是复合透镜尺寸较厚，增加了透镜阵列的安装调节难度。
发明内容
本发明实施例提供一种透镜阵列、3D图像采集***以及3D显示成像***，以实现降低像差和畸变，并降低透镜阵列的安装调节难度。
第一方面，本发明实施例提供一种透镜阵列，所述透镜阵列包括多个阵列排布的透镜元，每一个所述透镜元包括一个非球面透镜，所述非球面透镜为包括第一镜面和第二镜面的凸透镜，所述第一镜面为平面，所述第二镜面为非球面。
可选地，所述第二镜面满足公式：
其中，r为所述第二镜面沿径向的长度，z为所述第二镜面沿垂直于径向方向的长度，0≤r≤4.5mm。
可选地，沿第一方向上，所述透镜元重复排列；沿第二方向上，所述透镜元重复排列；所述第一方向与所述第二方向垂直。
可选地，沿第一方向上，所述透镜元重复排列；沿第三方向上，所述透镜元重复排列；所述第一方向与所述第三方向的夹角为45°。
可选地，一所述透镜元和与之距离最近的透镜元之间的距离为L，所述透镜元的直径为R，L/R位于[1，4/3]，两个所述透镜元之间的距离为两个所述透镜元的中心的距离。
第二方面，本发明实施例还提供一种3D图像采集***，包括第一方面所述的透镜阵列；
所述3D图像采集***还包括成像记录设备，所述透镜阵列中非球面透镜的第一镜面位于所述成像记录设备与所述透镜阵列中非球面透镜的第二镜面之间，所述成像记录设备用于获取并记录物体的3D信息。
第三方面，本发明实施例提供一种3D显示成像***，包括第一方面所述的透镜阵列；所述3D显示成像***还包括显示屏，所述透镜阵列中非球面透镜的第一镜面位于所述显示屏与所述透镜阵列中非球面透镜的第二镜面之间。
可选地，所述3D显示成像***还包括全息功能屏，所述全息功能屏位于所述透镜阵列远离所述显示屏一侧。
本发明实施例中，透镜阵列的每一个透镜元包括一个非球面透镜，非球面透镜相对于单个球面透镜而言像差和畸变较小，成像质量更好。且单个非球面透镜在满足成像质量要求的前提下，相对于由多个球面透镜构成的复合透镜而言具有更小的厚度，因此更容易实现透镜阵列与图像采集设备以及图像显示设备的安装，降低了透镜阵列的安装调节难度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种透镜阵列的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种非球面透镜的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种透镜阵列的排列示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种透镜阵列的排列示意图；
图5为图2中所示非球面透镜的调制传递函数的曲线图；
图6为图2中所示非球面透镜的点列图；
图7为图2中所示非球面透镜的栅格畸变图；
图8为本发明实施例提供的一种3D图像采集***的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种3D显示成像***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种透镜阵列的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种非球面透镜的结构示意图，参考图1和图2，透镜阵列10包括多个阵列排布的透镜元11，每一个透镜元11包括一个非球面透镜(图1中所示透镜元11为非球面透镜，在其他实施方式中，一个透镜元11例如可以包括一个非球面透镜和一个平行玻璃板)，非球面透镜为包括第一镜面111和第二镜面112的凸透镜，第一镜面111为平面，第二镜面112为非球面，即第二镜面112为除球面外的其他曲面。第一镜面111可以为非球面透镜的入光面，第二镜面112可以为非球面透镜的出光面；或者，第一镜面111可以为非球面透镜的出光面，第二镜面112可以为非球面透镜的入光面。
本发明实施例中，透镜阵列中的每一个透镜元包括一个非球面透镜，非球面透镜相对于单个球面透镜而言像差和畸变较小，成像质量更好。且单个非球面透镜在满足成像质量要求的前提下，相对于由多个球面透镜构成的复合透镜而言具有更小的厚度，因此更容易实现透镜阵列与图像采集设备以及图像显示设备的安装，降低了透镜阵列的安装调节难度。
可选地，参考图2，为了将非球面透镜构成的透镜阵列适配于3D图像采集***和/或3D显示成像***，需要对非球面透镜中的第二镜面112进行特殊的设计，以实现降低像差和畸变，并降低透镜阵列的安装调节难度，也就是说，本发明实施例中的非球面透镜在设计时，既考虑了像差和畸变，又考虑了厚度等因素。非球面透镜可以设计为偶数阶的非球面，偶数阶的非球面相对于奇数阶的非球面来说更容易制备。非球面透镜的最高阶数为16阶。进一步地，第二镜面112可以满足公式：
其中，r为第二镜面112沿径向的长度，z为第二镜面112沿垂直于径向方向的长度，0≤r≤4.5mm。对于第二镜面112上的任意一点P，在RZ坐标系中，点P对应的坐标值(r，z)满足上述公式。
可选地，参考图2，非球面透镜的厚度D小于等于3mm。非球面透镜的厚度指的是非球面透镜沿其中心轴上的厚度，非球面透镜沿其中心轴旋转对称。一般而言，由两个球面透镜构成的复合透镜的厚度至少为7.9mm，可见，本发明实施例提供的非球面透镜相对于由多个球面透镜构成的复合透镜而言具有更小的厚度。
图3为本发明实施例提供的一种透镜阵列的排列示意图，参考图1和图3，沿第一方向上，透镜元11重复排列。沿第二方向上，透镜元11重复排列。第一方向与第二方向垂直。相邻两行透镜元11重复排列，相邻两列透镜元11重复排列。其中，第一方向为行方向，第二方向为列方向。与一个透镜元11距离最近的所有透镜元构成一个正方形(图3中虚线所示)。
图4为本发明实施例提供的另一种透镜阵列的排列示意图，参考图1和图4，沿第一方向上，透镜元11重复排列。沿第三方向上，透镜元11重复排列。第一方向与第三方向的夹角为45°。相邻两行透镜元11交错排列，奇数行的透镜元11重复排列，偶数行的透镜元11重复排列。相邻两列透镜元11交错排列，奇数列的透镜元11重复排列，偶数列的透镜元11重复排列。其中，第一方向为行方向，垂直于第一方向的方向为列方向。与一个透镜元11距离最近的所有透镜元构成一个正六边形(图4中虚线所示)。
可选地，参考图3，一透镜元11和与之距离最近的透镜元11之间的距离为L，透镜元的直径为R，L/R位于[1，4/3]，两个透镜元11之间的距离为两个透镜元11的中心的距离。如果相邻两个透镜元11距离得比较远(即L/R＞4/3)，则透镜元11在透镜阵列10中比较分散。由于经过多个透镜元11之后的光线将形成多个光斑，分散的透镜元11构成的透镜阵列10会降低成像质量。本发明实施例中设置L/R位于[1，4/3]，相邻两个透镜元11距离得比较近，透镜元11在透镜阵列10中比较集中，透镜阵列10的成像质量较高。
图5为图2中所示非球面透镜的调制传递函数的曲线图，参考图5，非球面透镜的中心视场较优，非球面透镜的边缘视场稍差，但总体成像质量较好，可以满足透镜阵列的使用需求。
图6为图2中所示非球面透镜的点列图，参考图6，非球面透镜的像差较小，像差已被校正。
图7为图2中所示非球面透镜的栅格畸变图，参考图7，非球面透镜的最大畸变小于6％，非球面透镜的畸变较小，畸变已被校正。
3D图像采集***可以采集物体的3D图像信息，被采集到的3D图像信息经算法处理(转换)后可以被3D显示成像***显示出来，3D显示成像***可以实现真实的三维显示。被采集到的3D图像信息例如可以采用智能伪视到正视的转换算法(smart pseudoscopic-to-orthoscopic conversion，SPOC)或者像素映射算法(pixel mapping)等算法将其转化为可以用于显示的基元图像阵列(elemental image array，EIA)。
图8为本发明实施例提供的一种3D图像采集***的结构示意图，参考图1、图2和图8，3D图像采集***包括上述实施例中的透镜阵列10。3D图像采集***还包括成像记录设备20，透镜阵列10中非球面透镜的第一镜面111位于成像记录设备20与透镜阵列10中非球面透镜的第二镜面112之间，成像记录设备20用于获取并记录物体的3D信息，成像记录设备例如可以为电荷耦合元件(又称为CCD)。图8中箭头所示方向为光线的传播方向，3D图像采集时，非球面镜的第二镜面112为入光面，非球面透镜的第一镜面111为出光面，光线首先经过透镜阵列10，然后再到达成像记录设备20。由于本发明实施例中的3D图像采集***包括上述透镜阵列10，因此能够实现降低像差和畸变，并降低透镜阵列10的安装调节难度。
图9为本发明实施例提供的一种3D显示成像***的结构示意图，参考图1、图2和图9，3D显示成像***包括上述实施例中的透镜阵列10。3D显示成像***还包括显示屏30，透镜阵列10中非球面透镜的第一镜面111位于显示屏30与透镜阵列10中非球面透镜的第二镜面112之间。显示屏30中可以包括多个阵列排布的基元图像阵列，每个基元图像阵列可以包括一个或者多个像素，透镜阵列10中的一个透镜元11(例如，一个透镜元11是一个非球面透镜)可以一一对应地覆盖一个基元图像阵列。透镜阵列10位于显示屏30的发光面一侧。显示屏30例如可以是液晶显示面板、有机发光显示面板、LcoS显示面板或micro-LED显示面板等。图9中箭头所示方向为光线的传播方向，3D图像显示时，非球面镜的第一镜面111为入光面，非球面透镜的第二镜面112为出光面。显示屏30发光并将基元图像阵列经由透镜阵列10投射出去，从而实现3D显示。由于本发明实施例中的3D显示成像***包括上述透镜阵列10，因此能够实现降低像差和畸变，并降低透镜阵列10的安装调节难度。
可选地，参考图1、图2和图9，3D显示成像***还包括全息功能屏40，全息功能屏40位于透镜阵列10远离显示屏30一侧。如果不设置全息功能屏40，由于透镜阵列10中的多个透镜元11是分立的，经过多个透镜元11之后将形成多个光斑，也就是说，成像亮度分布不均，成像质量不佳。全息功能屏40全息功能屏可以对投射其上的光进行角谱调制，具有匀化光强的作用，使得成像亮度分布均匀，以提高成像质量，即提高3D显示的显示效果。全息功能屏40可以设置于透镜阵列10的非球面透镜的焦面上。
以下对全息功能屏40上可以实现角谱调制的过程做简单介绍。
物体发射出的光可以用角谱表示为以下公式(1)：
其中，l＝1,L,k，k为正整数。
公式(1)中，空间光强分布ψ(x,y,z；λl；t)可以用角谱的傅里叶变换表示。和分别为角谱在x和y方向的分量，λl为不同波长的光。
物体发出的光传播距离z后，成像记录设备20采集到的光可以表示为以下公式(2)：
其中，αmn≠0，βmn≠0，M和N为正整数(为了便于理解，可以将M和N理解为透镜阵列10在两个不同方向上的数量，两个不同的方向例如可以是第一方向和第二方向)。
公式(2)表示将物体发出的光离散化采样，并且传播距离z被成像记录设备采集。为传播距离z后的附加相位。
显示屏30发出的光可以表示为以下公式(3)：
全息功能屏40的调制函数可由表示为以下公式(4)：
其中，ωmn为全息功能屏40在mn方向(可以用mn表方向)上的扩散角度，也就是说，全息功能屏40对第mn个透镜元透射的光线的扩散角度。
显示屏30发出的光经过全息功能屏40后的光分布符合以下公式(5)：
其中，Ω为透镜阵列10透射的光经过全息功能屏40后总的扩散角度。公式(5)与公式(1)之间只差一个相位项
因此全息功能屏40上实现了物体的3D显示。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种透镜阵列，其特征在于，所述透镜阵列包括多个阵列排布的透镜元，每一个所述透镜元包括一个非球面透镜，所述非球面透镜为包括第一镜面和第二镜面的凸透镜，所述第一镜面为平面，所述第二镜面为非球面。
2.根据权利要求1所述的透镜阵列，其特征在于，
所述第二镜面满足公式：
其中，r为所述第二镜面沿径向的长度，z为所述第二镜面沿垂直于径向方向的长度，0≤r≤4.5mm。
3.根据权利要求1所述的透镜阵列，其特征在于，沿第一方向上，所述透镜元重复排列；沿第二方向上，所述透镜元重复排列；所述第一方向与所述第二方向垂直。
4.根据权利要求1所述的透镜阵列，其特征在于，沿第一方向上，所述透镜元重复排列；沿第三方向上，所述透镜元重复排列；所述第一方向与所述第三方向的夹角为45°。
5.根据权利要求1所述的透镜阵列，其特征在于，一所述透镜元和与之距离最近的透镜元之间的距离为L，所述透镜元的直径为R，L/R位于[1，4/3]，两个所述透镜元之间的距离为两个所述透镜元的中心的距离。
6.一种3D图像采集***，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的透镜阵列；
所述3D图像采集***还包括成像记录设备，所述透镜阵列中非球面透镜的第一镜面位于所述成像记录设备与所述透镜阵列中非球面透镜的第二镜面之间，所述成像记录设备用于获取并记录物体的3D信息。
7.一种3D显示成像***，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的透镜阵列；所述3D显示成像***还包括显示屏，所述透镜阵列中非球面透镜的第一镜面位于所述显示屏与所述透镜阵列中非球面透镜的第二镜面之间。
8.根据权利要求7所述的3D显示成像***，其特征在于，所述3D显示成像***还包括全息功能屏，所述全息功能屏位于所述透镜阵列远离所述显示屏一侧。
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