集成成像显示系统性能优化研究

【摘要】：真实立体的视觉体验,是人类在成像领域不断追求和探索的方向。集成成像显示技术是目前最具有发展前景的三维立体显示技术之一,它具有图像全色彩、视差平滑、可供多人多视角同时观看并且不会产生视觉疲劳等优点。近年来,集成成像显示系统的相关理论创新研究以及具体的实际应用都得到了长足的发展,在国际范围内许多知名院校、科研机构和公司企业对集成成像技术都十分的关注,该技术已经成为裸眼三维立体显示领域的研究热点。但是,集成成像系统在图像采集、大屏幕的立体显示以及观看效果提升等方面也存在一些亟需解决的问题。在传统的集成成像显示系统中,由于显示透镜阵列排列紧密,每个立体元图像发出的光在散射方向上为圆锥漫射光,光线进入相邻透镜,对周围视点造成串扰,降低显示分辨率,影响观看效果。为了提高显示清晰度,本文在理论分析的基础上,针对光线串扰问题进行了深入的研究,提出了相对应的解决方案,同时利用光学软件进行仿真,搭建集成成像显示系统实验平台,给出了实验结果和相关分析。本文通过基于角谱和衍射的光场理论分析,以单个透镜为代表分析了理想成像系统的成像过程。在理想成像系统中,我们可以把图像看作是几何光学所预测的像与出瞳光线的夫琅和费衍射图像的卷积。根据冲激响应的理论推导,本文设计并制作了遮挡板,遮挡板的应用使集成成像显示系统更接近理想的光学系统。遮挡板上的孔洞呈棋盘式的奇偶排列,解决了相邻透镜元间光的串扰和混叠的问题。遮挡板的应用虽然解决了成像分辨率较低的问题,但是对成像效果造成了新的影响,遮挡导致成像的亮度较低且显示图像上出现孔洞等问题。为了解决上述问题,本文根据全息术的原理设计并制作了扩散屏,扩散屏将射入的光线以特定的角度发散,以达到连续光场和恢复光场信息的功能。本文利用Virtual Lab Fusion软件进行仿真,同时搭建集成成像显示系统进行实验验证扩散屏的功能和作用。本文搭建了基于遮挡板和扩散屏的全视差集成成像显示系统,根据透镜阵列和显示屏的具体参数设计与之光学参数匹配的遮挡板和扩散屏,通过对比实验验证,本文提出的显示方法与传统的集成成像显示相比,显示的立体图像具有更好的清晰度,成像效果无颗粒感、细腻逼真,具有连续平滑的视差。本文提出的显示方法不受透镜阵列形状、大小和透镜元数量的限制,成本较低,无论是在基于LED的集成成像系统还是基于LCD的集成成像显示系统中都有很好的显示效果,本文提出的方法不仅能够提高立体显示效果,同时也具有很好的普适性。