CN216351591U - 2d/3d可转换的透镜阵列、集成成像显示及采集装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种适用于集成成像的2D/3D可转换的透镜阵列，及应用该透镜阵列的2D/3D可转换的集成成像显示装置和子图采集装置。其中的透镜阵列包括超透镜阵列，由多个超透镜组成，所述超透镜包括基底和纳米结构；相变材料层，填充于所述超透镜的表面，并能够根据加载的电压改变折射率；所述纳米结构组成结构单元。集成成像显示装置包括上述透镜阵列及子图阵列；子图采集装置包括上述透镜阵列及感光阵列。本申请技术方案能够减少色差，提高成像质量，便于2D/3D转换成像。

Description

2D/3D可转换的透镜阵列、集成成像显示及采集装置

技术领域

本申请涉及显示技术领域，具体涉及一种适用于集成成像的透镜阵列，及包含有该透镜阵列的集成成像显示装置和子图采集装置。

背景技术

集成成像技术是一种自由立体显示技术，利用微透镜阵列将子图(elementalimage)阵列会聚到一个二维显示平板上，从而重现出三维场景，实现三维成像。该技术可以让观察者无需佩戴任何辅助设备，例如立体眼镜，就可以观看立体图像。

现有的集成成像技术，容易产生色差，影响成像的质量，另一方面，在需要转换2D/3D图像显示时较为复杂。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供了一种适用于集成成像的透镜阵列，及包括有该透镜阵列的集成成像显示装置和子图采集装置，以提升集成成像的质量和实现便捷的2D/3D的转换。

本申请第一方面提供一种透镜阵列，包括：

超透镜阵列，由多个超透镜组成，所述超透镜包括基底和设置在基底表面的纳米结构；

相变材料层，覆盖于所述超透镜的表面，并能够根据加载的电压改变折射率；

其中，所述纳米结构组成至少一个结构单元。

优选地，所述相变材料层具体为GST层，并设置有电极，能够在加载预设电压时，使自身折射率变化为与对应位置的超透镜折射率相同。

优选地，所述相变材料层填充于所述纳米结构之间。

优选地，所述结构单元呈阵列排布，排布周期为200nm～1500nm。

优选地，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述结构单元为扇形，所述扇形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

本申请第二方面提供一种集成成像显示装置，包括：

本申请第一方面技术方案所述的透镜阵列；

子图阵列，所述子图阵列中包括与透镜阵列中超透镜数量相同的子图单元；

电极，与所述透镜阵列中的相变材料层电连接；

其中，所述透镜阵列用于使各子图单元发出的光线聚集在目标位置。

优选地，所述子图单元包括带有图像的胶片。

优选地，所述子图单元包括图像显示装置。

优选地，所述电极包括与电源连接的正电极和负电极，分别设置在所述透镜阵列的两侧；所述电源用于提供并调节加载于相变材料层的电压。

本申请第三方面提供一种集成成像子图采集装置，包括：

本申请第一方面技术方案所述的透镜阵列；

感光阵列，包括多个感光单元，所述感光单元与透镜阵列中超透镜数量相同；

电极，与所述透镜阵列中的相变材料层电连接；

其中，所述透镜阵列用于使目标物体发出的光线会聚于感光阵列，使各感光单元能够采集对应角度目标物体的图像信息。

优选地，所述电极包括与电源连接的正电极和负电极，分别设置在所述透镜阵列的两侧；所述电源用于提供并调节加载于相变材料层的电压。

本申请技术方案的优点和有益效果是：

使用了超透镜取代现有技术中的球面镜，超透镜作为一种平面光学器件，可以减小成像***的色差，进一步地，超透镜上的超表面可以通过设计合适的纳米柱参数，实现宽带消色差的功能，极大地提高集成成像的成像质量。另一方面，在超透镜上填充相变材料，调节其上加载的电压可以使相变材料的折射率发生变化。当相变材料的折射率与超透镜纳米柱的折射率相同时，超透镜层对光线不再具有会聚作用，其效果等效为一块平行平板，此时子图阵列被显示为二维图像，借此，可以便捷地实现2D/3D显示的转换。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请中子图采集实施例的示意图；

图2为本申请中三维显示实施例的示意图；

图3为本申请中带有相变材料的超透镜横截面示意图；

图4为本申请中透射式超表面示意图；

图5为本申请中超表面正六边形结构单元示意图；

图6为本申请中超表面正方形结构单元示意图；

图7为本申请中超表面扇形结构单元示意图；

图8为本申请中纳米方柱示意图；

图9为实施例中纳米结构在中心波长处的相位延迟分布；

图10为实施例中纳米结构关于频率的相位延迟分布；

图11为不同纳米柱的宽带群时延匹配；

图12为非晶硅、Ge₂Sb₂Se₅(晶态与非晶体)在近红外波段折射率变化曲线。

图中标注：

1超透镜阵列；2子图阵列；3感光阵列；

11基底；12超表面结构；121纳米结构；13相变材料；14电极。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

现有的集成成像技术由子图采集***和重现***构成，其中子图的采集可以通过计算机模拟实现，三维图像重现通过光学***实现。该光学***由一组与子图数量相同的微透镜阵列组成，由计算机模拟得到的子图阵列，可以经过微透镜阵列重现在目标位置。子图阵列由计算机中的虚拟摄像机在不同位置拍摄得到。因此观察者以不同视角观看重现的三维图像时，左右眼可以看到不同的子图，也就是视差图像，从而观察到三维图像。

集成成像技术中所需的微透镜阵列通常是球面镜，实用新型人经过研究发现，现有技术中成像***存在色差的原因在于，制造球面镜的玻璃对不同波长的光有着不同的折射率，因此微透镜会产生色差，影响成像的质量。此外，为了提升重现图像的分辨率，需要增加单位面积上的微透镜数量，因此会导致微透镜尺寸的减小，进而加重色差。基于上述原因，本申请技术方案选用超透镜取代球面镜，超透镜作为一种平面光学器件，可以减小成像***的色差，超透镜上的超表面可以通过设计合适的纳米柱参数，实现宽带消色差的功能，极大地提高集成成像的成像质量。

现有技术中的集成成像装置，在需要进行二维图像跟三维图像的转换时，采取的手段是，基于凸透镜构成的微透镜阵列，最上层由聚二甲基硅氧烷(PDMS)加工成的微流体通道，液体可以通过PDMS层上表面的洞注入和排出。当微流体通道内没有液体的时候，微透镜阵列可以实现三维显示的功能；在微流体通道中注入与微透镜折射率相同的液体时，整个***可以等效为一块平板，对光线没有会聚作用，此时其可以作为二维显示器件。可见，现有技术在进行2D/3D转换时，需要进行液体的注入/排出，其结构较为繁杂，转换速度也比较慢。为解决此技术问题，本申请技术方案选用受电压影响的相变材料，并覆盖于透镜阵列，以实现2D/3D显示转换。

下面将结合附图和示例性实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

如图3所示，本例提供一种适用于集成成像的透镜阵列，根据光路可逆的原理，该透镜阵列既可以应用于子图阵列的采集***，亦可以应用于重现三维物体的重现***。具体包括：

超透镜阵列1，被配置为会聚光线，由多个超透镜组成，所述超透镜包括基底11和超表面结构12；相变材料层13，填充于所述超透镜的表面，并能够根据加载的电压改变折射率；其中，所述超表面结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括设置在基板表面的纳米结构。

应当理解，在上述超透镜阵列中的每个超透镜都是一个独立的成像***。超表面结构如图4所示，为透射式超表面，超表面由基底和周期排列在基底上的纳米结构构成。基底需在可见光波段透明材料，优选地，基底材料是石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等。超表面的工作波段为可见光(380～760nm)，或者其中至少一个波段(波段中心波长为λc，带宽为Δλ)。超表面按照周期排布，可选地，排布周期为200～1500nm，周期中心或顶点有纳米结构。纳米结构的材料为可见光透过材料，可选的材料包括：氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等材料。其中的纳米结构优选为偏振无关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位，同时需要对可见光无色散。

在实施例1的优选实施例中，相变材料层具体为GST层，即Ge₂Sb₂Te₅层，并设置有电极14。调节电极连接的外部电压可以使相变材料在晶体与非晶体状态之间转换，折射率也随之变化。当相变材料的折射率与超透镜纳米柱的折射率相同时，超透镜层对光线不再具有会聚作用，其效果等效为一块平行平板，此时子图阵列被显示为二维图像；当相变材料折射率与超透镜纳米柱不同时，超透镜可以实现实施例1中所述的重现-采集功能。具体的，电控相变材料Ge₂Sb₂Se₅被沉积在超透镜表面，当施加电压的时候，GST为非晶态，其折射率约为3.1，此时超透镜可以会聚光线，显示三维图像；当无外加电压的时候，GST为晶态，其折射率与非晶硅接近，如图12所示，***等效为平板，显示二维图像。

在实施例1的优选实施例中，相变材料层填充于所述纳米结构之间，其同时可以起到保护纳米结构的功能。

在实施例1的优选实施例中，如图3，电极14的第一极贴合设置于超透镜基底11，第二极设置于相变材料层的外侧表面。

在实施例1的优选实施例中，所示电极14与电源和用于控制电压的控制电路电连接。

在实施例1的优选实施例中，超表面结构中的结构单元呈阵列排布，排布周期为200nm～1500nm。进一步地，结构单元可以有多种形状，如图5-7中，具体可以为正六边形、正方形和扇形。

在实施例1的优选实施例中，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图5-7所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。根据纳米结构在不同波长下所需的相位，在纳米结构数据库中查找相位最接近的纳米结构。

如图5中示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图6中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

也可如图7所示，为扇形，包括一个中枢纳米结构和周边的四个纳米结构。其中，扇形结构单元的排布形式与正六边形、正方形不同，是围绕一个中心的纳米结构(图7中左下角)，做圆周阵列排布，分层环绕设置于中心的纳米结构。

在实施例1的优选实施例中，为了实现可见光波段宽带消色差，微透镜调制相位应该与光波角频率、透镜上位置以及焦距满足以下关系：

其中r代表透镜任何一点到圆心的距离，f是焦距，ω是光波的角频率，c是光速。

在此实施例中，中心波长为2μm，带宽200nm。超表面的纳米结构如图8所示，基底为玻璃，周期为740nm；纳米方柱材料为非晶硅，高度为800nm，所选取的结构尺寸如下表所示。

纳米柱序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									W1/nm	220	340	450	530	550	600	610	670
W2/nm	660	540	560	420	380	320	280	190

图9为所选取纳米圆环柱结构在波长为2μm的相位延迟分布，由此可以设计一个焦距为1mm，直径为500μm的超透镜。图10给出了方柱5在应用波段的相位调控，相位分布满足上式。宽带群时延匹配用以评价不同尺寸纳米方柱对不同波长光波调制效果，其定义如下：

其中，τ_g为被设计的结构具有的群时延，τ_ref是目标的群时延，图10给出了所选纳米方柱的宽带群时延匹配情况。为了实现三维显示的功能，此处给出一个50×50的超透镜阵列，超透镜的数目也可以是其他数量，整个显示器尺寸为2.8×2.8cm。

实施例2

本例涉及一种集成成像显示装置，其包括有实施例1及其各项优选实施例中涉及的透镜阵列；并设置有其他装置与透镜阵列共同组成光路结构，以实现集成成像的复现功能，具体包括：

子图阵列，所述子图阵列中包括与透镜阵列中超透镜数量相同的子图单元；应当理解，子图可以由计算机模拟产生，故在本实施例中只详细阐述重现***的组成和原理。子图单元数目应当与超透镜的数目相当。子图可以是胶片上的图像，也可以是LCD或LED等显示器件显示的图像。如图2所示，子图阵列发出的光线经过超透镜的会聚作用在目标位置，实现三维图像的重现。

应当理解，借由实施例1中说明的透镜阵列的特性，本例中的集成成像显示装置，可以方便快捷第实现2D和3D成像之间的转换。通过调节相变材料电极上加载的电压，可以使相变材料在晶体与非晶体状态之间转换，折射率也随之变化。当相变材料的折射率与超透镜纳米柱的折射率相同时，超透镜层对光线不再具有会聚作用，其效果等效为一块平行平板，此时子图阵列被显示为二维图像。

应当理解，子图阵列、单元等，还应设置有光源，或其本身具备自发光的功能，与现有技术类似，本实施例中不再赘述。

在本实施例的优选实施例中，在透镜阵列的两侧设置有电极，用以对相变材料加载电压，使其能够改变折射率，从而实现2D和3D之间的转换。更具体地说，电极包括正电极和负电极，相变材料的周边具体包括的结构依次为：正/负电极、超透镜基底、超透镜表面的纳米结构、相变材料层、正/负电极；在进一步优选的实施例中，纳米结构可以嵌入相变材料层中，使相变材料层能够兼具保护层的作用，避免纳米结构受到损伤。其中，电极可以设置于透镜阵列上不影响成像的位置，也可选用透明材料的电极覆盖于透镜阵列的表面；或采用沉积、镀层的形式覆盖于透镜阵列的表面。电极与电源连接，电源用于提供电压，所述电源应包括有能够调节电极上电压的电路结构。

在优选实施例中，正/负电极的材质可以选用ITO(氧化铟锡)或者石墨烯，这些材料对于实施例的工作波段——红外光是透明且导电的。其中，ITO对于红外光的吸收会比石墨烯多一些，但是加工工艺相对成熟。

在优选实施例中，对于基底侧的电极，可以通过将基底和电极同时延伸出来的形式，即基底和下层电极的直径大于上层结构，提供足够的空间连接电极；也可以直接从侧面连接下层电极，从而施加电压。

实施例3

本例涉及一种集成成像的子图采集装置，其包括有实施例1及其各项优选实施例中涉及的透镜阵列；并设置有其他装置与透镜阵列共同组成光路结构，以实现用于集成成像的子图采集功能，具体包括：

感光阵列，包括多个感光单元，所述感光单元与透镜阵列中超透镜数量相同；所述透镜阵列用于使目标物体发出的光线会聚于感光阵列，使感光单元能够采集目标物体的图像信息。应当理解，每个感光单元都能与对应的超透镜形成光路，并记录对应角度的目标物体图像信息，通过感光阵列，即可记录目标物体各个方向、角度的图像信息，并且可以通过调节相变材料电极上加载的电压，来对成像、子图采集的具体参数进行微调。

本实施例中还可以包括与实施例2中类似的电极、电源结构，为简洁起见，在此不重复描述。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种2D/3D可转换的透镜阵列，其特征在于，包括：

超透镜阵列，由多个超透镜组成，所述超透镜包括基底和设置在所述基底表面的纳米结构；

相变材料层，覆盖于所述超透镜的表面，并能够根据加载的电压改变折射率；

其中，所述纳米结构组成至少一个结构单元。

2.根据权利要求1所述的透镜阵列，其特征在于，所述相变材料层具体为GST层，能够在加载预设电压时，使自身折射率变化为与对应位置的超透镜折射率相同。

3.根据权利要求1或2所述的透镜阵列，其特征在于，所述相变材料层填充于所述纳米结构之间。

4.根据权利要求1所述的透镜阵列，其特征在于，所述结构单元呈阵列排布，排布周期为200nm～1500nm。

5.根据权利要求4所述的透镜阵列，其特征在于，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

6.根据权利要求4所述的透镜阵列，其特征在于，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

7.根据权利要求4所述的透镜阵列，其特征在于，所述结构单元为扇形，所述扇形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

8.一种2D/3D可转换的集成成像显示装置，其特征在于，包括：

如权利要求1～7任一项所述的透镜阵列；

子图阵列，所述子图阵列中包括与透镜阵列中超透镜数量相同的子图单元；

电极，与所述透镜阵列中的相变材料层电连接；

其中，所述透镜阵列用于使各子图单元发出的光线聚集在目标位置。

9.根据权利要求8所述的集成成像显示装置，其特征在于，所述子图单元包括带有图像的胶片。

10.根据权利要求8所述的集成成像显示装置，其特征在于，所述子图单元包括图像显示装置。

11.根据权利要求8所述的集成成像显示装置，其特征在于，所述电极包括与电源连接的正电极和负电极，分别设置在所述透镜阵列的两侧；所述电源用于提供并调节加载于相变材料层的电压。

12.一种2D/3D可转换的集成成像子图采集装置，其特征在于，包括：

如权利要求1～7任一项所述的透镜阵列；

感光阵列，包括多个感光单元，所述感光单元与透镜阵列中超透镜数量相同；

电极，与所述透镜阵列中的相变材料层电连接；

其中，所述透镜阵列用于使目标物体发出的光线会聚于感光阵列，使各感光单元能够采集对应角度目标物体的图像信息。

13.根据权利要求12所述的集成成像子图采集装置，其特征在于，所述电极包括与电源连接的正电极和负电极，分别设置在所述透镜阵列的两侧；所述电源用于提供并调节加载于相变材料层的电压。

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