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悬浮光场显示光学系统优化技术研究

高超  
【摘要】:三维显示技术能够为观察者提供真三维影像,还原三维物体或三维场景不同角度信息,提供正确的空间遮挡关系,受到各行各业的广泛关注。悬浮光场显示技术利用悬浮器件,将3D光场图像成像为悬浮在空中的悬浮光场图像,为观察者提供空中真三维影像,打造沉浸式悬浮真三维显示效果,被认为是最有前景的三维显示技术。然而,传统悬浮光场显示存在显示视角小、显示串扰大、显示像质差、离屏距离小的问题,这些问题大大限制了悬浮光场显示在各个领域的应用与推广。对悬浮光场显示性能起决定作用的是悬浮光场显示光学系统。因此,有必要对悬浮光场显示光学系统优化展开研究,提升悬浮光场显示性能,实现大视角、低串扰、高像质、出屏远的悬浮光场显示效果。论文的主要研究内容和创新点如下:(1)大视角、低串扰3D光场显示光学系统优化技术3D光场图像是悬浮光场显示物光源,其实际显示性能是悬浮光场显示性能基础。针对传统3D光场显示存在的显示视角小、显示串扰大、显示像质差的问题,采用定向背光3D光场显示方法,构建反向追迹3D光场串扰一像差分析模型,提出当体像素光斑尺寸小于3D光场编码图像单元时,系统像差被抑制到合理范围内,同时显示串扰是可以接受的这一评价标准。依据提出的串扰—像差分析模型,设计优化折反混合定向背光模组、异向微棱镜阵列视角增强器与对称三胶合控光元件。依据设计的光学系统,搭建3D光场显示系统,实现了显示视角为90°、整体串扰小于5%、SSIM值为0.9618的3D光场显示效果,为实现大视角、高像质、低串扰、出屏远的悬浮光场显示奠定基础。(2)像差抑制能力强、高逆反射效率逆反射悬浮器件优化技术针对传统逆反射悬浮器件像差抑制能力差、逆反射效率低、生成的悬浮光场图像像质差的问题,提出逆反射悬浮器件光学设计方法,建立逆反射悬浮器件像差合理化分析模型与逆反射效率分析模型。依据提出的设计方法与分析模型,设计并优化像差抑制能力强、逆反射效率高、显示视角大的折反混合逆反射悬浮器件。利用折反混合逆反射悬浮器件,实现了显示视角90°、PSNR值32.1958、整体串扰小于5%、出屏距离226.8mm的悬浮光场显示效果,完成了大视角、高像质、低串扰、出屏远的悬浮光场显示。(3)悬浮光场显示光学—图像联合优化像质提升方法针对悬浮光场显示光学系统复杂度高、残余像差校正难引起的实际显示像质差的问题展开研究。提出悬浮光场显示分波长光学—图像联合优化设计方法。首先对光学系统进行光学设计优化,再根据光学优化得到的像差分布,对悬浮光场编码图像进行图像非线性缩放与反卷积处理,得到增强型悬浮光场编码图像以补偿残余像差。依据提出的分波长光学—图像联合优化设计方法,采用结构简单的单透镜为控光元件,实现了显示视角为60°、PSNR值28.3050、SSIM值0.9152的悬浮光场显示效果。为不增加光学系统复杂度前提下,持续提升悬浮光场显示像质提供可行方法。


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