[发明专利]立体全像技术

说明书

立体全像技术

另：利用复眼型凸透镜阵列聚成完全的立体图象技术及其应用

本发明涉及计算机图象处理技术和光学透镜成像装置，尤其是空间立体成像技术。

在真实世界中，我们在观察物体时两只眼睛分别获得不同的信息----两眼观察到的物象之间有些细微的差别，再经大脑处理从而感知被观察物远近程度。我们的大脑“知道”当一个物体在两眼看来相同时，也就是视野差别很小时，被观察物位于较远的位置；当两个视野差别很大时被观察物位于较近的位置，由此而感觉立体空间的存在。

立体图象从广义上分为两眼式立体图象和狭义的立体图象。两眼式立体图象是利用两眼分别获得不同的图象信息再由大脑综合产生立体感觉。现在为众人所知的立体显示器和立体电影大多利用这种两眼的视觉差的方式制作而成。但是这种两眼式立体图象并不能完全反映被表示物的所有信息，而且不能精确地反映原物体的空间位置，将来立体图象技术主流，应该是能够在空间中完全再现被表示物的三维实像，也就是我们定义的狭义的立体图象。一个简单的例子，观察者在观察这种图象时，往左边转就可看到被表示物左侧的面，往右边转就可看到被表示物右侧的面，也就是具有空间纵向的视觉感。

狭义的立体图象包括全息照相技术(holography)和立体全像技术(integral photography)以及由这两者派生而成的其他成像技术。

全息照相技术与普通照相的区别是，普通照相用的底片的感光材料只能记录物光波的振幅(光强)，而不能记录相位，所以只能在底片上显示物体的平面图象。而全息照相技术是利用光的干涉把物光波的振幅和相位同时记录下来，再利用光的衍射使之在一定条件下再现，从而获得三维图象。全息照相技术所获得的立体图象虽然满足两眼的视差和辐度与立体感的关系，但受激光及高分辨率的记录胶片等技术及价格的限制，制作大尺寸、广视野，且反映原物体色彩的全息照片相当困难；另外由于受激光不能照射人眼以及人体易动性(全息照片拍摄时要求被拍摄物静止)等的影响，人体不可能直接被制作全息照片；并且位相形全息照相的再生效率为普通的20％以下，振幅形全息图为10％以下，不可能取得高效率。

1908年法国的M.G.Lippmann提出利用昆虫复眼形状的凸透镜板在一张胶片上拍摄完全的三维照片，这是立体全像最初的概念。由于需要高精度的技术及高分辨率的照片技术，当时并不被人注意。此技术在世界上开始试作是在60年代末，具体方法是利用光学成像的原理，将记录胶片与复眼形凸透镜板的焦点面保持一致，利用激光照射被记录物，在记录胶片上结成对应于每个透镜的微小的图象。它的制作成本较全息照片低，而且可以记录完全的三维信息，实现或超过全息照片所能达到的效果。但是由于记录媒体使用的是胶片，因此同样有不能制成动画，而且暴光后的胶片不能重复利用等有待解决的问题。

全息照相技术虽然可取得逼真的立体图象，但受激光及高分辨率的记录胶片等的限制，制作大尺寸、广视野，反映原物体色彩的全息照片却相当困难。而原有的立体全像技术虽制作成本较全息照片低，且可以记录完全的三维信息，但也带有胶片不能重复利用更不能制成动画等不足之处。由此可见，降低技术难度和生产成本，实现简单制作和再生立体图象，达到可重复利用，特别是能在显示器上显示制成的图象以达到制作动态立体图象的效果，是当前立体图象急需解决的问题。

本发明的目的是降低制作立体影像的技术难度和生产成本，开发具有彩色、动画、无偏差等特性的完全的立体图象，实现在任何地点、无需其他辅助装置即可用肉眼直接观察到被表示对象物的立体像的效果。另外一个目的是制作广视野，不受尺寸限制且能够准确反映物体结构和空间位置的立体图象，并且利用现有的简单动画显示装置(如显示器、投影仪)，只需传入处理后的三维图象信息即可看到动态的立体图象。

本发明仿照昆虫复眼型凸透镜(微型六边形凸透镜)阵列的成像方式，利用特殊的计算机图象处理技术取代原来的光学成像方式，产生立体图象面中各象素点的位置和颜色(或灰度)，然后再利用复眼型凸透镜阵列将经处理后的图象面在三维空间中重新聚成被表示对象物的立体像。

本发明对超精密微型凸透镜阵列的设计以及透镜尺寸(半径、焦距)对图象的影响的作了定量的分析，提出生成最佳立体图象的透镜阵列加工方案。