上海濟(jì)麗信息技術(shù)有限公司 劉 紅

1908年，法國(guó)物理學(xué)家Lippmann首次提出了集成攝影術(shù)，運(yùn)用微透鏡陣列對(duì)3維(3D)立體場(chǎng)景進(jìn)行記錄，根據(jù)光路可逆原理，便可重建得到3D圖。集成成像3D顯示具有全視差、連續(xù)視點(diǎn)和無(wú)需輔助設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，從而受到各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注。但是，集成成像3D顯示也存在一些缺點(diǎn)與不足，例如：重建的3D立體場(chǎng)景視角窄、分辨率低、記錄和再現(xiàn)過(guò)程中存在著空間深度反轉(zhuǎn)等。為了克服這些問(wèn)題，研究人員提出了許多解決方法，例如：通過(guò)采用狹縫光柵來(lái)取代2維集成成像3D顯示中的微透鏡陣列。狹縫光柵的參數(shù)設(shè)計(jì)是1維集成成像3D顯示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。但是，在基于狹縫光柵的一維集成成像3D顯示器中，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有關(guān)于狹縫孔徑寬度的理論研究報(bào)道。因此，作者設(shè)計(jì)了一種新型的狹縫光柵結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)對(duì)狹縫孔徑寬度的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算提高一維集成成像3D顯示的實(shí)用價(jià)值。并提出了關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法。

1.狹縫光柵裸眼3D顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

集成成像3D顯示技術(shù)是一種無(wú)需任何助視設(shè)備的真3D顯示技術(shù)。該技術(shù)具有裸眼觀看的特點(diǎn)，其記錄和顯示的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，且能顯示全視差和全真色彩的立體圖像，是目前3D顯示技術(shù)中的熱點(diǎn)技術(shù)之一。集成3D顯示裝置利用了光路可逆原理，通過(guò)針孔陣列或者微透鏡陣列將3D場(chǎng)景的立體信息記錄到圖像記錄設(shè)備上，生成微圖像陣列，然后把該微圖像陣列顯示于2D顯示屏上，透過(guò)針孔陣列或者微透鏡陣列重建出原3D場(chǎng)景的立體圖像。

目前，通過(guò)采用狹縫光柵來(lái)取代針孔陣列或者微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)一維集成成像3D顯示可以增加3D圖像的垂直或者水平分辨率

2.狹縫光柵一維集成成像3D顯示關(guān)鍵技術(shù)

目前的基于狹縫光柵的一維集成成像3D顯示裝置仍然存在觀看視角的缺點(diǎn)，從而限制了它的實(shí)際應(yīng)用。而現(xiàn)有的解決方法有：一是通過(guò)減小狹縫的孔徑寬度來(lái)增大光看視角，但是同步減小光學(xué)效率，降低亮度；二是可以通過(guò)減小微圖像陣列中圖像元的數(shù)目來(lái)增大觀看視角，但是會(huì)降低分辨率；表明其實(shí)用性不強(qiáng)。由于用戶和市場(chǎng)的新型需求，我們要尋找新型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。

通過(guò)前述得知，集成成像3D顯示采用狹縫光柵技術(shù)，其應(yīng)用受限于兩大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，一個(gè)是分辨率指標(biāo)，其技術(shù)上影響觀看的圖像元多少，效果上反映觀看的清晰程度、逼真程度等等，分辨率越高，清晰度、逼真度更好。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)則是光學(xué)效率指標(biāo)，其實(shí)際上是光通過(guò)效率，即透光率，透光率越高，顯示亮度越大。既然，狹縫光柵必須存在，其必然起到在屏前的遮擋作用，勢(shì)必要影響到透光率和圖像元數(shù)量。

3.漸變孔徑狹縫光柵的設(shè)計(jì)

為了克服以上的障礙并增強(qiáng)狹縫光柵3D顯示的實(shí)用性。在狹縫光柵、分辨率和透光率三者中權(quán)衡，找到平衡點(diǎn)，我們進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、測(cè)試實(shí)驗(yàn)和理論分析。

圖1 傳統(tǒng)狹縫光柵示意圖

圖1 所示為傳統(tǒng)狹縫光柵結(jié)構(gòu)圖，2為傳統(tǒng)光柵。而我們的技術(shù)突破方案是設(shè)計(jì)出一種新型的狹縫光柵孔徑尺寸結(jié)構(gòu)模型，即漸變孔徑的狹縫光柵。并設(shè)計(jì)了孔徑寬度的算法，以便于作為實(shí)際工藝生產(chǎn)的依據(jù)。最終實(shí)現(xiàn)能夠在不減小光學(xué)效率（顯示亮度關(guān)鍵指標(biāo)）和分辨率（顯示效果關(guān)鍵指標(biāo)）的前提下，實(shí)現(xiàn)寬視角的一維集成成像3D顯示的集成成像3D顯示，將能大大滿足用戶的需求，大大提高一維集成成像3D顯示的實(shí)際應(yīng)用性。由于漸變孔徑具有技術(shù)創(chuàng)新，所以申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專利[1-2]。

圖2 漸變孔徑狹縫光柵示意圖

如圖2所示，4為我們新型的漸變孔徑狹縫光柵。漸變孔徑狹縫光柵包括N列平行設(shè)置的狹縫，從光柵中間的一列狹縫開(kāi)始，到光柵邊緣的一列狹縫結(jié)束，各列狹縫的孔徑寬度逐漸增大；N為正整數(shù)。

其中，通過(guò)使用孔徑寬度從中心到邊緣逐漸增大的漸變孔徑狹縫光柵取代傳統(tǒng)如圖3所示的孔徑寬度不變的狹縫光柵，再配合以隔離相鄰圖像元的障壁，從而使得顯示效果在不減小光學(xué)效率和分辨率的前提下，實(shí)現(xiàn)更寬視角的一維集成成像3D顯示。

4.漸變孔徑狹縫光柵的關(guān)鍵參數(shù)算法

如圖1所示，1為普通2D顯示屏，3為障壁，障壁設(shè)置在相鄰兩個(gè)圖像元之間，從而將相鄰的圖像元分隔開(kāi)來(lái)。圖像元個(gè)數(shù)與漸變孔徑狹縫光柵中狹縫列數(shù)相同，均為M個(gè)和M列，漸變孔徑狹縫光柵上第i列狹縫的孔徑寬度Wi由以下公式[1]計(jì)算得到：

其中i是小于或等于M的正整數(shù)，p為漸變孔徑狹縫光柵中單個(gè)狹縫的節(jié)距，l為觀看距離，g為2D顯示屏與漸變孔徑狹縫光柵的間距，w為位于漸變孔徑狹縫光柵中心位置的狹縫的孔徑寬度，由此，可以精確計(jì)算出狹縫光柵的孔徑。

依據(jù)圖2所示，我們可以理論上依據(jù)公式[1]計(jì)算出可視角度θ′：

由上述計(jì)算可視角度θ′的公式可以看出，我們所設(shè)計(jì)的漸變孔徑狹縫光柵一維集成成像裸眼3D顯示設(shè)備的觀看視角僅僅與光柵自身之間的節(jié)距p、中心位置狹縫光柵的孔徑寬度w和光柵至2D顯示屏間距g有關(guān)。其中，與狹縫的孔徑寬度成正比；與光柵至2D顯示屏的間距成反比；而與微圖像陣列中圖像元的數(shù)目無(wú)關(guān)，也與微圖像陣列中圖像元的數(shù)目無(wú)關(guān)。

5.狹縫光柵的工藝技術(shù)簡(jiǎn)介與分析

眾所周知，狹縫光柵是相對(duì)比較成熟的光柵，因?yàn)橹谱鳘M縫光柵比較簡(jiǎn)單，技術(shù)難度不大。以液晶屏為例，實(shí)現(xiàn)方法是使用一個(gè)開(kāi)關(guān)液晶屏、偏振膜和高分子液晶層，利用液晶層和偏振膜制造出一系列方向?yàn)?0°的垂直條紋。這些條紋寬幾十微米，通過(guò)它們的光就形成了垂直的細(xì)條柵模式，稱之為“視差障壁”。而該技術(shù)正是利用了安置在背光模塊及LCD面板間的視差障壁。通過(guò)將左眼和右眼的可視畫(huà)面分開(kāi)，使觀者看到3D影像。

然而，采用這種技術(shù)的屏幕亮度偏低，影響分辨率且可視角度偏小，只能在一個(gè)合適的角度和位置才能有比較好的視覺(jué)效果。我們研究的漸變孔徑狹縫光柵正好從技術(shù)上突破，很好的解決了亮度（光學(xué)效率）、分辨率和可視角度均衡的問(wèn)題。

因此，漸變孔徑狹縫光柵保持了成本優(yōu)勢(shì)和制造工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼顧和優(yōu)化了亮度、分辨率和可視角度的關(guān)系，將大大利于該裸眼3D顯示方案的產(chǎn)業(yè)化推廣。

6.總結(jié)

裸眼3D技術(shù)首先處于政策推動(dòng)的前沿，同時(shí)處于行業(yè)用戶與消費(fèi)者認(rèn)知提升的關(guān)鍵階段。2016年底，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，裸眼3D被列入規(guī)劃的第六章節(jié)“促進(jìn)數(shù)字創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，創(chuàng)造引領(lǐng)新消費(fèi)”，文中提出加強(qiáng)內(nèi)容和技術(shù)裝備協(xié)同創(chuàng)新，在內(nèi)容生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域緊跟世界潮流，在消費(fèi)服務(wù)裝備領(lǐng)域建立國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)， 提升創(chuàng)作生產(chǎn)技術(shù)裝備水平，加快裸眼3D等核心技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。對(duì)3D產(chǎn)業(yè)而言，這是行業(yè)發(fā)展史上的一次重大標(biāo)志性事件，是政策引導(dǎo)的裸眼3D產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。運(yùn)用新技術(shù)，我們已經(jīng)成功打造了國(guó)內(nèi)多個(gè)仿真、規(guī)劃場(chǎng)館的大型裸眼3D顯示系統(tǒng)行業(yè)案例。隨著客戶需求的不斷提高和市場(chǎng)引導(dǎo)，我們必須不斷創(chuàng)新，不斷開(kāi)發(fā)和利用最新的技術(shù)，改進(jìn)我們的設(shè)計(jì)，盡可能滿足用戶在視覺(jué)技術(shù)上的新需求。經(jīng)過(guò)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院專業(yè)市場(chǎng)研究分析，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)3—5年里，裸眼3D產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展期，全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到近千億美元市場(chǎng)，年復(fù)合增長(zhǎng)率將超過(guò)10%，市場(chǎng)滲透率將達(dá)到50%以上。因此，我們必須充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)、推陳出新，不斷研究開(kāi)發(fā)出適合于時(shí)代發(fā)展潮流的世界領(lǐng)先的技術(shù)產(chǎn)品，這樣才能更好的推動(dòng)整個(gè)裸眼3D顯示產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

[1]劉紅.基于障壁和漸變孔徑狹縫光柵的一維集成成像3D顯示裝置[P].中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)號(hào)ZL201610039136.2.

[2]劉紅,顧偉,鄒芳芳,羅亮,朱傳香.一種漸變節(jié)距針孔陣列的集成成像3D顯示裝置[P].中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)號(hào)ZL201610511000.7.