一種集成成像光學系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學成像技術領域，涉及一種光學系統，尤其涉及一種集成成像光學 系統。
【背景技術】
[0002] 視覺是人類感知世界的主要途徑，人類獲取的信息約80%來自于視覺，長期以來， 表達可視信息的主要方法仍然是二維顯示。傳統的二維顯示技術遺失了真實物理世界的深 度信息，無法準確表達三維空間關系，而且只能呈現單個角度上物體的表面特性。這一缺陷 嚴重地阻礙了人類對客觀世界的感知，如何在真實物理空間實現三維重現一直是人們孜孜 以求的目標。為了真實地描述客觀三維世界，人們努力用各種方法在空間里呈現出虛擬的 三維場景。三維顯示在傳統二維顯示的基礎上通過提供各種生理和心理上的調節線索產生 深度暗示，并通過大腦進行融合形成三維感知。
[0003] 在現有的三維顯示技術中，集成成像法（Integra1Imaging)是一種重要的三維 顯示技術，該技術由法國科學家Lippmann于1908年提出的集成攝像術（Integra1 photography)發展而來。集成成像通過二維透鏡陣列來記錄和再現真實三維場景，原理圖 如圖la、圖lb所示。在記錄過程中，透鏡陣列中每個透鏡對三維場景進行成像，得到一系列 獨立的二維圖像，這些圖像分別稱作元素圖像。元素圖像各不相同，它們表示的是透鏡從不 同視角記錄得到的三維物體的信息。所有元素圖像在記錄介質上的排列稱為元素圖像陣 列，元素圖像陣列包含了物體的三維信息。再現過程中，元素圖像陣列由顯示面板顯示出 來，顯示面板前面放置透鏡陣列，元素圖像發出的光線經過透鏡陣列后在像空間集成出一 個個體像素點，所有的這些像素點構成了三維物體的像。因此集成成像是一種真三維顯示 技術，由于集成成像技術得到的三維圖像包含連續的視差信息，觀看者在不同位置看到的 三維信息是不同的。與同樣是真三維顯示技術的全息術相比，集成成像在記錄和再現時不 需要相干光源，而且實時性較好，可實時再現動態三維場景。同體顯示技術相比，集成成像 技術具有結構簡單、易實現、實時性好的優勢。集成成像還是一種"裸眼〃三維顯示技術，觀 看者在觀看時不需要佩戴立體眼鏡及其它輔助器件。此外，集成成像的元素圖像陣列是二 維的，可以和現有的比較成熟的二維圖像處理方法和顯示技術結合起來。以上的這些特點 使得集成成像技術在三維顯示領域有著良好的發展前景。
[0004]傳統的集成成像在再現三維場景時，只有一個和顯示面板共輒的像平面，當再現 三維像的像面偏離這個平面時，分辨率就會下降的很厲害。人們把和顯示面板共輒的那個 面稱作中心深度平面(CentralDepthPlane，簡稱CDP)。傳統的集成成像的CDP平面平行于 顯示平面，重建圖像深度區域小，這制約了集成成像三維顯示的商業化。
[0005]有鑒于此，如今迫切需要設計一種新的集成成像光學系統，以便克服現有光學系 統存在的上述缺陷。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是:提供一種集成成像光學系統，可以實現在與物理 顯示平面形成一定夾角的平面上形成多個中心深度平面CDP，多個中心深度平面拼接形成 一個與物理顯示平面形成一定夾角的CDP平面。并且在空間中的像為實像，具有懸浮顯示效 果，有很強的科技感和未來感。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：
[0008] -種集成成像光學系統，所述光學系統包括:光學單元陣列、微圖像陣列；
[0009] 所述光學單元陣列包括若干微光學單元，微光學單元的主面或者微光學單元主面 的像面與微圖像陣列形成的平面形成一定的角度β，0<β<180°;該光學單元陣列用以使微 圖像單元內的像素點發散到空間中的各個方向；
[0010] 所述微圖像陣列包括若干微圖像單元，微圖像單元包括若干像素點；微圖像單元 或者該微圖像單元的像面位于微光學單元的焦平面附近;微圖像單元或者該微圖像單元的 像面與微圖像陣列形成的平面成一定夾角α，0<α<180° ;
[0011] 各個微圖像單元分別與對應的微光學單元配合，不同微光學單元下的微圖像單元 的對應像素點在設定界面匯聚為一點，形成空間中懸浮圖像中的一點；所有微圖像的各個 像素組合在一起，形成總體圖像;形成的總體圖像與微圖像陣列形成的平面形成夾角。
[0012] 作為本發明的一種優選方案，所述光學系統還包括微光線折變單元陣列，微光線 折變單元陣列包括若干微光線折變單元，微光線折變單元用以改變微圖像單元出射光線的 傳播方向，微圖像單元或者微光學單元的主面經過微光線折變單元產生的像面與微圖像陣 列形成的平面形成一定夾角。
[0013] 作為本發明的一種優選方案，所述微圖像陣列包括m*n個微圖像單元，各個微圖像 單元的像素為s*t，微圖像單元通過微光學單元在空間中形成的像重合在了一起，在設定界 面形成的總體圖像的像素為s*t。
[0014] 作為本發明的一種優選方案，在空間中建立X-Y-Z坐標系，微圖像陣列形成的平面 定義為乂-￥平面;空間中任意成像點的坐標為(11，71，2：1)，微光學單元光心或者該微光學單 元光心的像的坐標為(x〇，y。，z。），微光學單元的焦距為f,則該微光學單元對應的單元圖像 中的子像素或者該子像素的像的坐標(X，y，z)滿足關系式
，其中d為微光學單元光心 至|J空間所成圖像的中心深度平面⑶P的距離，d滿足關系式d=(Zi*tanc〇+(xQ-Xi))*C0Sω，CDP平面與Y-Z平面的夾角為ω，微光學單元的主面或者該主面的像與微圖像陣列形成的平 面之間的夾角為β，θ為像素點通過集成成像光學系統出射光線相對于微圖像陣列形成的平 面的俯仰角。
[0015] 作為本發明的一種優選方案，在空間中建立Χ-Υ-Ζ坐標系，微圖像陣列形成的平面 定義為Χ-Υ平面;空間所成圖像的中心深度平面CDP與豎直平面Υ-Ζ的夾角為ω。微圖像單元 為平面。微圖像單元或者該微圖像單元的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角α滿足公式
，其中d為微光學單元光 心到CDP平面的距離，微光學單元的主面或者該微光學單元主面的像與微圖像陣列形成的 平面之間的夾角為β，微光學單元的焦距為f;
[0016]當空間所成圖像的中心深度平面CDP垂直于微圖像陣列形成的平面時，微圖像單 元或者該微圖像單元的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角為
[0017]作為本發明的一種優選方案，微光學單元陣列中不同的微光學單元的主面或者該 主面的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角β為相同；
[0018]微單元圖像陣列中不同的微單元圖像或者該微單元圖像的像面與微圖像陣列形 成的平面的夾角α為相同；
[0019]微單元圖像陣列中經過集成成像光學系統具有相同俯仰角Θ的出射光線的子像素 在空間成像中心深度平面CDP上成的像具有相同的放大倍數ke;
[0020] 在空間中建立X-Y-Z坐標系，微圖像陣列形成的平面定義為X-Y平面，對于m行、η列 的微光學單元陣列，m行沿Υ方向排列，η列沿X方向排列;每一列中的微光學單元焦距相同， 列與列之間的微光學單元焦距為不同，沿X方向的每一列的微光學單元的焦距線性增加;對 于第η列微光學單元的焦距為4 = 其中dn為第η列微光學單元的光心到空間成像中心 深度平面⑶Ρ的距離，d為距離中心深度平面⑶Ρ最近的微光學單元的光心到⑶Ρ平面的距 離，f為該點微光學單元的焦距；
[0021] 對于m行、η列的微光學單元陣列每一列中的微光學單元的孔徑相同，列與列之間 的微光學單元孔徑為不同，沿X方向的每一列微光學單元的孔徑尺寸線性增加；
[0022] 作為本發明的一種優選方案，在空間中建立Χ-Υ-Ζ坐標系，微圖像陣列形成的平面 定義為Χ-Υ平面，對于m行、η列的微光學單元陣列，m行沿Υ方向排列，η列沿X方向排列;微光 學單元陣列中每一列的微光學單元的主面或者主面的像面與微圖像陣列形成的平面的夾 角β為相同，不同列的夾角β為不相同；空間成像中心深度平面CDP的中心點距離微圖像陣列 形成的平面的距離為定值h，距離每一列微光學單元光心的距離dn為不相同；每一列微光學 單元的主面或者該主面的像面與微圖像陣列形成的平面的夾角
[0023]作為本發明的一種優選方案，在空間中建立X-Y-Z坐標系，微圖像陣列形成的平面 定義為X-Y平面;微光學單元與空間成像點