CN105259664B - 一种光场成像打印装置及具有三维浮动图像的薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光场成像打印装置及通过该光场成像打印装置而制备的具有三维浮动图像的微透镜薄膜，利用扫描振镜系统在透镜面上扫描，结合空间三维坐标的改变以实现四维光场数据打印。光场成像打印装置包括光源、扫描振镜系统、透镜、扩散片、会聚透镜组及微透镜记录材料，光线依次经过扫描振镜系统、透镜、扩散片与会聚透镜组，输出瞬时动态的聚焦光斑，获得体像素辐射光场，再由所述微透镜记录材料记录瞬时体像素辐射光场信息。本发明可以实现更真实的三维动态感图像，通过控制不同的变量值，实现多种不同特性的浮动图像，确保实现诸如多视角变图的成像效果。

Description

一种光场成像打印装置及具有三维浮动图像的薄膜

技术领域

本发明涉及光场成像领域，尤其涉及一种光场成像打印装置及具有三维浮动图像的薄膜。

背景技术

真实的三维物体之所以能被人们观察到，是因为物体向空间发出光能的缘故，可以把物体视为具有许多发光的点光源的集合，每个点光源称之为物体的一个体像素。人们在观察三维物体时，实际上是在获取该物体各体像素的空间位置信息以及每个体像素点所发出光线的方向信息。基于以上原理，光场成像理论认为，在二维平面上表达一个三维物体信息，至少需要四个独立变量，即三维坐标变量x-y-z和方向变量θ，光场即定义为空间中所有该四参量光线辐射度函数L(x，y，z，θ)的集合。

光场成像技术可追溯至1908年法国科学家李普曼提出的集成照相术(IntegralPhotography，IP)，该方法利用覆有微透镜或者针孔阵列的记录材料获取三维物体的光场信息。真实物体发出的光线通过微透镜阵列成缩小的实像并使照相底片的感光层曝光，由于所处的空间位置不同，每个微透镜都从不同的视角对物体成像，因而照相底片最终所成的像是由每个微透镜所成像的合成像。照相底片显影之后，通过该微透镜阵列观看底片上的合成像，根据光线可逆原理，观察者会看到所拍摄场景的三维再现，且该三维再现像的视觉效果好像悬浮在底片上。由于微透镜材料是从不同方向对物体作记录，即记录了具有视差的物体图像。再现时，如果观察者改变方位，微透镜对俩眼的观察视角将发生连续的细微变化，视觉上会形成空间动态三维浮动成像效果。

基于光场成像原理的激光打印技术，利用会聚激光聚焦点模拟三维物体体像素辐射光场，并由微透镜阵列薄膜材料获取该光场信息。利用光、机、电装置来调控不同入射角度、不同聚焦高度的会聚光线，输入文字、二维或三维的图像，再现具有不同动态景深物象。该类技术主要包括微透镜薄膜记录材料的设计制作和模拟点光场的获取。

对于微透镜记录材料，美国专利US2326634公开了一种将透明微球部分嵌入聚合材料粘结剂层中，再在该聚合材料背面镀上80nm左右厚度的铝膜。该型材料由透明微球对入射光场进行聚焦，聚焦光点能量达到铝膜的损伤阈值而烧蚀铝膜，破坏该处材料的反射率，从而与本底铝层的反射率有所差别，造成对比度不同，即生成了像素。为了获得彩色图像，也可使用多层薄膜材料来代替单一的镀铝层，当多层薄膜吸收不同光能而被烧蚀成厚度不均的浮雕结构时，基于薄膜干涉原理而呈现彩色的图像。如美国专利US3801183中所描述的，使用冰晶石/硫化锌(Na3 AlF6/ZnS)双层膜结构，或者铬/聚合物/二氧化硅/铝多层膜，更多膜层结构详见专利CN200880106663.4。上述材料半裸露的微球容易被破坏，造成再现图像质量的下降，中国专利CN201180053337.3提供了一种保护微透镜的结构，其将透明微球完全浸没在粘合剂层中，然后在粘合剂层上涂覆200um左右的透明材料层，该透明材料层不仅可防止微球离开所在位置，还可获得极佳的抗摩擦、抗冲击等耐用性，而且该透明材料层可为整体材料提供极好的有光泽的外观。

对于模拟点光场的获取，中国专利文献CN200880106663.4描述了多种光场的获取方案。方案一，是通过光学系统将平行激光光源的直径缩小至大约1mm，照射在约5mm的陶瓷小珠上，利用表面粗糙的陶瓷珠的散射作用来获取扩散的光场，配合记录材料的x-y-z空间坐标的移动来记录三维物体的光场数据。方案二，是利用透镜会聚平行激光光束来产生点光场。该方法通过扩散片扩大光斑，通过准直系统获得扩束光束，用凸透镜的会聚或凹透镜扩散功能，产生具有聚焦效应的点光场，该点光场即代表了待打印物体的一个体像素。通过移动记录材料所在的x-y平台以改变体像素的相对空间位置，可直写入一幅二维图形信息，再配合通过改变汇聚透镜的高度，则可获得不同深度信息的体像素空间位置，从而，通过逐层扫描打印的方式实现浮动图形。方案三，提出利用激光束照射微透镜阵列面，由大数值孔径的微透镜对光束进行折射，再由凸透镜收集此发散的光束，得到会聚的点光场。同时通过振镜的扫描移动光点，从而在记录材料上直接打印图像信息。

中国专利文献CN201310291009.8利用振镜在会聚透镜上做扫描，利用会聚透镜的折射得到不同入射角的光线，在透镜焦平面附近放置大数值孔径微透镜阵列，利用微透镜偏折光束，得到扩散的点光场。该点光源始终悬浮在记录材料表面上方，为了获得下沉的会聚点光场，专利中指出可在微透镜阵列与记录材料之间放置一凸透镜，收集被扩散的光能，并使其聚焦在记录材料的下方，从而可得到下沉的打印成像。由于振镜扫描的频率很高，在极短的时间内透镜可将各扫描光线聚焦到同一点，在透镜的焦平面处瞬时可产生一个动态的会聚光斑，比之专利CN200880106663.4的单光束汇聚成像，可增加再现图像的视场角，图像动态感较强。

中国专利文献CN200880117941.6公开了一种可以利用微透镜记录材料母模进行大批量复制的技术。该方法依然采用透镜会聚平行光的光学系统来获取汇聚光场，而文中所述母模材料记录层不再是上述铝或多层膜，而是涂覆具有可光聚合的材料层，该材料层对于飞秒激光光源可发生单光子、双光子甚至多光子吸收，以致使该聚合材料发生局部物理、化学特性的变化，比如该局部属性变化的材料不可以被乙醇等有机溶剂溶解，而未吸收光子的材料部分则可以溶解，如此被溶解后的材料将呈现浮雕结构，从而记录了图像的信息。对此浮雕结构进行一系列固化以制成具有一定抗机械变形的母模，利用业已成熟的微复制技术，如卷对卷压印，可以实现批量化生产。

上述专利中制作具有三维浮动图像薄膜的方法各不相同，尤其是模拟点光场的获取装置各不相同，导致薄膜再现的浮动图像可观察视角和动态观察范围各不相同，虽各有优点，但缺点也很明显。如专利CN200880106663.4中方案一所述，所获取的体像素尺寸至少为激光束的直径大小，导致再现时的成像质量分辨率低。而方案二中所述，由于激光束光强分布属于高斯分布，这种对单光束激光进行扩束聚焦的方法，使得记录材料面收集到的光能密度不均，难以控制各点位置都能达到记录材料的改性能量阈值，从而，不能有效利用光能，导致获取的圆锥型点光场的数值孔径小，影响再现时的观察视角。虽然图像有悬浮或下沉景深感，但由于视场角较小，因而动态感较弱，且该系统没有可变的“方位角”变量，不具备不同视场角下输入不同图形的能力，打印模式单一。方案三要求扫描光斑与微透镜对准精确，否则，当激光束移动至两微透镜的边界时，其折射功能减弱，有可能将光束一分为二，影响成像结构，光斑扫描至边缘时，将有部分光线偏离透镜的收集范围，降低能量利用率，减少系统数值孔径和视场角，由于该方案仅依靠振镜扫描来投射输入图像的像素位置，由于最终光线不再是沿振镜的出射方向传播，而是经过光学系统的偏折，成像点偏离预设位置，导致最终成像不再是理想像，比如畸变。同时，其所描绘的打印多视角图形过程，先由系统提供一个入射角度的汇聚光场，保持此入射角度，通过移动x-y平台来实现一个视角图的输入，再由系统提供另一个入射角度的会聚光场，重复移动x-y平台输入另一视角图形，不光效率低下，而且存在各视角光线与同一位置精确对准的问题。专利CN201310291009.8所采用的方法，最终还是通过微透镜阵列折射获得会聚光场，同样会出现上述专利的弊端，同时，由于透镜只在一维方向上聚焦，导致其它方位角信息的丢失，所呈现图像只在一维方向上有动感，方案中输入多视角图像时需先校准光路以得到所需视角，再输入视角图，接着重新校准另一视角光路，再输入另一幅图片，重复此程序，直至输出全部视角图。很明显，这样的方案不但效率低，且在同一位置输入多幅视角图，需每次的操作都能够对该位置精确对准，增加了复杂性。

对于双目视觉系统具有同时从两个方向观察同一物体的功能，物体分别在视网膜上作二维投影，通过大脑对两幅视差投影图合成，产生立体效果。真实三维物体的每个表面点所辐射的光场具有锥形扩散的特点，该锥形辐射的夹角α范围可以从0-360°，夹角越大，说明可观察到此物点的视场角越大。激光打印光场成像系统采用会聚激光来合成三维物体的光场，其聚焦点对应着物体的一个体像素，前文方案中所获得的模拟体像素光场特性各不相同，因而，再现时观察到的效果也不同。比如，数值孔径不同，导致可动态观察图像的视场角有大有小。数值孔径越大，视场角越大，动态感越强，所以，如何合成大数值孔径的体像素光场，是本专利需要解决的问题。

当然，如何记录所合成光场信息是本专业的另一重心。利用二维平面记录三维物体，再现时，希望能犹如身临其境，连续的从不同角度观察到此物体，这就要求材料能最大程度的记录物体各点发出的锥形辐射光场。更进一步，由于三维物体的信息量比二维要大，人们希望，同样的材料面积能够记录更丰富的信息，即要求材料具有空间复用功能，这样观察者可以从不同的方位观察到不同的物象。基于微透镜阵列记录材料的激光光场成像打印系统同时满足模拟与记录的技术条件，可以打印完成后直接再现三维物体的像。

如前所述，光场成像技术需要四个独立的变量才能表达一个空间三维物体，根据所采用的变量的取值范围可现不同的成像效果。已有文献资料所述的光场成像技术，只有三个独立变量，而另一维为常量。如CN200880106663.4专利中所述为空间坐标x-y-z变量系统，方向角变量θ为常量，故而该系统可获得3D景深图像，而不能实现空间复用功能，且由于前面分析的原因，3D动态感弱。而专利CN201310291009.8为(x，y，z，θ)变量系统，z为常量，因而，可以在不同视角下输入不同的二维图形，而不能打印三维物体。

因此，业界亟需一种能够实现更真实三维动态感图像的薄膜以及具有四维变量的光场成像打印装置，可以通过控制不同的变量值，实现多种不同特性的浮动图像。确保既能实现诸如多视角变图的成像效果，又能获得更加真实物体的三维观察体验。比如实现360°周视浮动图像和更加强烈的动态效果。还可从不同的取向角打印不同图像，制备具有空间复用的立体图像薄膜。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种四维变量光场成像打印装置，及通过该四维变量光场成像打印装置而制备的具有三维浮动图像的微透镜薄膜。

四维变量光场成像打印装置包括光源、扫描振镜系统、会聚光学组件，微透镜记录材料以及x-y-z三轴移动平台，其中会聚光学组件包括可控旋转柱透镜，记录材料置于移动平台上，光源通过扫描振镜在可控旋转柱透镜圆弧面上扫描，最终形成具有大数值孔径的会聚光场，该会聚光场通过各个微透镜聚焦到薄膜材料的记录层，聚焦的能量使该记录层改性以提供一个像素点，移动x-y-z平台改变微透镜记录材料的空间位置，则该会聚光场可在各个微透镜后面的记录层上形成多个像素点，这些像素点组成了各个微透镜后面的子图像，再现时，各个微透镜将与其关联的子图像折射到空间成像，共同合成浮动图像。子图像对应着不同的视角范围，故而可以从薄膜的不同视角观察合成图像，随着观察者的移动，所视合成图像具有动态效果。

微透镜薄膜由上述四维变量光场成像打印装置制备而成，其记录了一个或多个物体的光场信息，并且能够再现相对于材料表面悬浮或下沉的图像，这些图像是由微透镜对薄膜材料所成放大像组成的合成图像，这些悬浮或下沉的合成图像简称为浮动图像。浮动图像可以是二维图像或三维图像，其可以是黑白的，也可以是彩色的，浮动图像看起来是显现在薄膜材料上方、平面上或下方的三维景深图像，也可以看起来是从一深度向另一深度连续变化的三维图像。浮动图像具有视角变化特性，观察者可以用肉眼观看，并且可以随着观察者移动而变化。本发明中的微透镜薄膜材料再现图像，不仅可观察视角大、图像动态感强，而且其视角还具有面域取向的特性，即在某个取向面内可以动态观察到某一再现图像，而在另一取向面内则可以在同一位置再现另一不同的图像，不同的取向面由取向角θ来表征，其值0-360°连续可选。

本发明，可以通过控制不同的变量值，实现多种不同特性的浮动图像。确保既能实现诸如多视角变图的成像效果，又能获得更加真实物体的三维观察体验。比如实现360°周视浮动图像和更加强烈的动态效果。还可从不同的取向角打印不同图像，制备具有空间复用的立体图像薄膜。

根据本发明的目的提出的一种光场成像打印装置，包括光源、扫描振镜系统、透镜、扩散片、会聚透镜组及微透镜记录材料，所述扫描振镜系统包括振镜与平场聚焦透镜，所述透镜置于平场聚焦透镜的焦平面处，所述扩散片放置在透镜的焦面上，扩散片与会聚透镜组的上端保持一段可调距离，所述光源发射激光，光线依次经过扫描振镜系统、透镜、扩散片与会聚透镜组，输出瞬时动态的聚焦光斑，获得体像素辐射光场，再由所述微透镜记录材料记录瞬时体像素辐射光场信息。

优选的，所述微透镜记录材料包括微透镜阵列及位于微透镜阵列下方的光敏感层，所述微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，所述光敏感层是一种不可逆的光变材料。

优选的，所述光源发射激光，经扫描振镜系统出射光线，在透镜表面作线性扫描，形成扫描光线簇，经透镜后，扫描光线簇会聚在所述扩散片表面，并被散射出，所述会聚透镜组对光束进行收集会聚。

优选的，打印三维物体时，移动所述微透镜记录材料所在的x-y-z平台来获取不同空间位置的体像素。

优选的，所述体像素辐射光场由四个独立参量控制，包括三维空间坐标变量及透镜取向角变量，变量间可自由取值组合，将四维变量降成三维或者二维。

优选的，固定所述微透镜记录材料的z轴高度，以及固定透镜的取向角，微透镜记录材料所在的平台仅作x-y方向的移动，则四维体像素光场表达降为二维，由此打印具有多视角或连续变化视角的悬浮或下沉的二维光场图形，利用振镜扫描系统，直接输出一个宏像素，所述宏像素包含有许多不同视角的子像素，每个子像素对应着待输入多视角图形的像素。

优选的，所述透镜选用柱透镜、圆对称的球面透镜、聚焦能力更佳且数值孔径与柱透镜相匹配的非球面透镜、具有像差校正的组合透镜中的一种。

优选的，所述透镜选用柱透镜，柱透镜的数值孔径在0.3～0.95之间，对入射光线在一维方向聚焦，另一维直接透射光线，由会聚点继续传播的光束成扇形面域扩散。

优选的，所述柱透镜绕其自身几何中心的Z轴旋转，柱透镜的旋转角度决定扇形面域辐射光场的取向角，当采用某一取向角定值打印三维光场数据时，观察者只能在此取向角的扇形面内观察到图像，当偏离此取向角时，则图像消失或观察到偏离后的取向面内的图像。

优选的，所述透镜选用球面透镜，所述扫描振镜系统沿着球面透镜的水平对称轴方向线性扫描，会聚透镜组输出端获得扇形面域体像素辐射光场。

本发明还提出一种具有三维浮动图像的薄膜，由权利要求1-9中任一项所述的光场成像打印装置制备，其特征在于：记录了一个或多个物体的光场信息，可再现相对于薄膜表面悬浮或下沉的浮动图像，所述浮动图像由多个不同视角的子图合成，可从不同的空间视角观察到。

优选的，在一个取向面内观察到的图像，是同一物体的多视角图或多幅不同的图像，当偏离所述取向面时，则图像消失或观察到偏离后的取向面内的图像。

优选的，所述浮动图像是二维图像或三维图像，为三维图像时，浮动图像是显现在薄膜上方、薄膜平面或下方的三维景深图像，或是从一深度向另一深度连续变化的三维图像。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术优势：

(1)提出用四维光场参数实现3D物体数据的打印输出，使用四维变量参数定量的描述该物体所辐射的所有光线能量，即光场可量化表达，对光场从不同角度的理解，可以用不同的四维参数来表征，例如一条光线与两个平行平面相交，两个交点位置即是四个变量，也可用三个空间坐标变量与一维旋转角度变量表征光场数据信息。而现有的集成成像理论并不关心微透镜阵列材料所捕获的光场信息是由哪些参数控制的。但本发明中，使用会聚激光模拟物体体像素光场的打印系统，辐射光场可以由参数精确控制，更加具有实用价值。

(2)本发明可提供更加丰富的打印模式，对于四维变量光场成像打印装置，可以固定其中若干参量为定值，或者取若干参量为有限的离散值，则可依次打印出具有大视场高动态的二维或三维图形。而且从预想的图形再现结果，逆向考虑去设定系统的打印参数，思路清晰、不易混乱。更为难能可贵的是，由于柱透镜只在一维方向上聚焦，当设定柱透镜的取向角为某些离散的定值时，可分别输入不同的图形信息，实现材料同一空间的多重利用。现有的技术方案中并没有给出材料的空间复用功能。

(3)本发明可高效的实现光场数据打印，因某空间位置处的宏像素光场实质是由一个周期内振镜扫描得到的许多不同入射视角的子像素光场组成，这些子像素光场代表着不同视角的多幅图像相同位置的像素信息，而由于振镜的高频扫描，可在极短的时间内就实现该子像素集合的输入与记录，依次进行下一位置的宏像素光场输入与记录，即可完成多视角图形的打印，由于振镜可作高频连续扫描，因而本发明还可高效的输入具有视角连续变化的图形，现有技术中并不能实现同样的效果。

(4)本发明中的成像视场角大、动态感强。因为激光束光强服从高斯分布，能量中间密边缘疏，高斯光束经过本发明装置的光学系统后，到达微透镜记录材料表面的光场能量分布仍然不够均匀，由于材料能量阈值的限制，不是所有的光能均能使材料改性，由此将缩小该会聚光场的有效数值孔径，从而使视场角减少，降低观察再现图形时的动态感。而本发明中，采用振镜扫描，使得通过透镜组后面的不同视场角的入射光能分布均匀，虽然单光束视场角的成像点属于小视场成像，但是由许多该小视角的扫描出射光线组合得到的宏像素具有大视场高动态的特点，此宏像素的几何尺寸取决于振镜在柱透镜表面的扫描距离、柱透镜数值孔径和光路结构设计，数值孔径越大，越靠近柱透镜焦距，宏像素尺寸越小，再现图形越清晰。

(5)微透镜薄膜再现浮动图像可由多个不同视角的子图合成，合成浮动图像可以从不同的空间视角观察到，在某个取向面内所观察到的图像可以是同一物体的多视角图，也可以是多幅不同的图像，当偏离该取向面，则图像消失，或是观察到偏离后的取向面内的图像。

(6)大数值孔径的柱透镜，可绕其自身光轴旋转，柱透镜的旋转角决定观察时的取向角，即柱透镜的旋转角度提供四维光场的一个独立变量θ。

(7)激光束在柱透镜圆弧面上扫描以获得瞬时动态的扇形面域体像素入射光场，柱透镜的圆弧面也可以设计为其它具有一维聚焦的对称二次曲面。柱透镜4可用圆对称的球面透镜，或聚焦能力更佳且数值孔径与柱透镜相匹配的非球面透镜，或具有像差校正的组合透镜替代，当扫描振镜系统沿着球面透镜的水平对称轴方向线性扫描时，会聚透镜组输出端也可以获得扇形面域体像素光场，控制光线轨迹沿着不同取向的水平对称轴扫描，因此无需机械旋转也可实现本发明中的打印模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是微透镜记录材料侧视图

图2是微透镜记录材料剖面图

图3是在微透镜记录材料上记录物体光场信息示意图

图4是微透镜薄膜通过反射环境光再现物体浮动三维图像示意图

图5是光场成像打印装置中独立参量的空间坐标系标定方向及可旋转柱透镜示意图

图6是光场成像打印装置示意图

图7是光场成像打印装置打印多幅视角图示意图

图8是图7中光场成像打印装置打印多幅视角图的局部放大示意图

图9是微透镜薄膜多视角观察示意图

图10是具有三维浮动图像的微透镜薄膜特性示意图，即微透镜薄膜不同取向角下观察到不同物体的示意图

图11是360°周视动态观察薄膜所现三维浮动物体示意图

图12是子像素组成宏像素示意图

图13是光场成像打印装置中用圆对称聚焦透镜取代柱透镜的示意图

图14是扫描振镜系统在圆对称聚焦透镜上扫描轨迹线取向示意图

图15是微透镜薄膜再现动态线示意图

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有技术中，制作出的三维浮动图像薄膜，具有再现时的成像质量分辨率低、光能利用率低、打印模式单一、复杂性高等缺点，因此，本发明提出具有四维变量的光场成像打印装置，能够制备出更真实三维动态感图像的薄膜，通过控制不同的变量值，实现多种不同特性的浮动图像，确保既能实现诸如多视角变图的成像效果，又能获得更加真实物体的三维观察体验，还可从不同的取向角打印不同图像，制备具有空间复用的立体图像薄膜。

下面，将对本发明的具体技术方案做详细介绍。

请一并参见图1～图2，分别是微透镜记录材料1的侧视图和剖视图，微透镜记录材料1包括覆在上方的微透镜阵列11及微透镜阵列11下方的光敏感层12，微透镜阵列11是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，通常每个透镜的周期在20μm-200μm之间。微透镜本身可以具有不同形式，如圆形平凸小透镜、圆形双凸小透镜、微球体或水珠形小透镜。制作微透镜的材料包括玻璃、聚合物、矿石、晶体、半导体、以及这些材料与其他材料的组合。

光敏感层12是一种不可逆的光变材料，当超过其表面阈值能量的光照之后，这种材料会发生包括色彩或性质上的改变。这些材料包括金属、金属氧化物、聚合物、半导体材料以及由这些材料所构成的多层薄膜。比如镀铝材料吸热蒸发或一些高分子聚合物材料在激光照射下表面发黑，从而导致材质改性，与原基底材质产生对比度变化，即产生了像素。当一束激光经过微透镜阵列11在光敏感层12上形成一些图像后，通过微透镜阵列11对像素光线的细微改变，使得再现图案看上去有上浮或下沉的动态效果。

光源2提供激光照射，光源2为光纤激光器或者半导体泵浦的固态激光器或者准分子激光器、掺铷钇铝石榴石(简称Nd：YAG)激光器等具有高峰值功率的激光器。通过这些高峰值功率的辐射源烧蚀记录层来形成图案。而当光敏感层12为非烧蚀如光致变色方法成像时，可采用诸如激光二极管、离子激光器、气体激光器等低峰值功率的激光光源。利用本发明中的光场成像打印装置，将平行的激光光束调制为向不同方向扩散或向同一方向会聚的聚焦光束，以模拟真实物体的体像素辐射特性。

请参见图3，图3是在微透镜记录材料上记录物体光场信息的原理图。在记录阶段，如图3所示，由发散的激光光斑模拟立体模型的一个体像素O，该像素所辐射的空间光场信息被微透镜阵列材料捕获并记录，由于三维物体可视为上述不同空间位置体像素的集合，当我们依次模拟各个体像素的空间光场并记录之，最终可实现二维材料记录3D物体信息的目的。从图3上我们可以看出，每个微透镜好比一个个微小的照相机，从不同的空间位置对该三维物体成像，由于受模拟光场的辐射空间范围限制，单个微透镜只能对该物体的局部成像，我们把由每个微透镜后面所成的像叫做子图。可见，正是这些二维子图完成了对三维物体的信息分解。

请参见图4，图4是微透镜薄膜通过反射环境光再现物体浮动三维图像示意图。图中光线201a、201b为随机照射的环境光，202为图3中微透镜记录材料所记录的一个像素点，203a及203b为透镜对基底材料的折射光。基于光线可逆原理，子图图像将由微透镜阵列在原空间位置投射成像，子图所成的像的集合即为该三维物体像的再现。这里需要强调的是，本发明的薄膜材料不仅利用反射光可再现物体，通过透射光照射同样可再现物体。在观察此物像时，由于人眼只能部分的接收这些子图阵列所成的像，所以在一个固定视角只能看到物体的部分信息，当观察者变换对成像材料的相对位置，比如上下左右翻转材料，或者移动观察者的空间位置，就可以看到物体的不同位置的信息，即实现了不同视角下可见不同物体部分的动态的三维物体效果。

基于以上分析可看到，模拟的会聚激光光场辐射特性对最终成像效果起着重要作用。其中包括，会聚激光的聚焦光斑的空间位置坐标(x，y，z)(决定上浮或下沉效果)，会聚激光的数值孔径NA(决定视场角的大小)，尤其是在本发明方案中，由于柱透镜只在一维方向上对光线起偏折会聚作用，实际上得到的体像素辐射光场为扇形面域，而不是采用圆透镜得到的锥体。故而该扇形面辐射光场的取向角θ作为独立变量改变时对动态成像效果起着尤其重要的影响。后面将在实施例中详细分析它的作用。

激光打印光学系统的数值孔径NA决定着最大可观测视场角的大小，即可在多大角度范围内能够看到再现物体的像，NA越大，视场角越大，动态感也就越强烈。一般情况下光学系统数值孔径是确定的，即数值孔径是常量，则意味着系统模拟的各个体像素的视场角范围都相等，因而视场角虽然有一定的取值范围，但是对于以体像素为描述对象而言，它仍被视作常量。

本发明打印装置中模拟的体像素光场辐射由四个独立参量控制，请参见图5，图5为光场成像打印装置中独立参量的空间坐标系标定方向及可旋转柱透镜示意图，约定空间坐标系为右手坐标系，x-y-z的正方向如图所示，柱透镜取向角0°标定为x轴正方向，逆时针旋转为正，取值范围为0-360°。

参见图6，图6是光场成像打印装置示意图，图6所示结构系统包括微透镜记录材料1、光源2、扫描振镜系统3、柱透镜4、扩散片5、会聚透镜组6及扫描光线簇7，扫描振镜系统3包括振镜31、振镜32及f-theta(平场聚焦)透镜33。如图6所示，柱透镜4置于f-theta透镜33的焦平面附近，扩散片5放置在柱透镜4的焦面上，扩散片5与透镜组6上端保持一段可调距离。由于f-theta透镜33的焦距较长，故而可视扫描在柱透镜4表面的光线为平行光束。该光场成像打印装置工作时首先由光源2发射激光，通过计算机软件控制扫描振镜系统3，经过f-theta镜33的出射光线7在柱透镜4表面作高频往复的线性扫描，由计算机精确控制柱透镜4旋转，并同时确保光线扫描方向保持与柱透镜4光轴垂直，那么经过柱透镜4的一维偏折作用，该扫描光线簇7会聚在扩散片5表面，由于扩散片5对光线簇7的随机散射作用，具有高斯分布特性的激光光强被均匀化，同时光线簇7的扩散角也被增大，经过透镜组6对光束的收集会聚作用，可输出一个瞬时动态的聚焦光斑V，即获得了一个体像素辐射光场，再由微透镜记录材料1记录此瞬时体像素光场信息。打印三维物体时，通过计算机控制移动微透镜记录材料1所在的x-y-z平台来获取不同空间位置的体像素，从而最终完成3D物体光场的打印记录。本发明中的四维变量，包括三维空间坐标变量及柱透镜旋转取向角变量，变量间可自由取值组合，将四维变量降成三维或者二维。其中，柱透镜4的数值孔径在0.3～0.95之间，对入射光线在一维方向聚焦，另一维直接透射光线，由会聚点继续传播的光束成扇形面域扩散。可动态观察物像的视场角大小可由会聚透镜组的数值孔径计算。计算公式为φ＝2arcsin(NA)，NA为会聚透镜组6的数值孔径，即最大视场角等于数值孔径取反正弦值的2倍。

相比于背景技术中所述的现有的发明专利，本发明光场成像打印装置主要有两个不同。一方面，本发明采用在柱透镜4上做线性扫描的方式得到一个瞬时动态变化的体像素会聚光场。请参见图7，图7是振镜系统3在柱透镜4上扫描出的光线簇7的部分单光束放大图，由于激光光源发射的激光束可视为具有一定几何直径的平行光，如光纤激光器发射波长为1064nm激光束，直径约为8mm左右。平行光束71通过柱透镜4后出射光线角度发生改变，经扩散片5匀光扩束及透镜组6的会聚作用，得到会聚的打印光束711，随着光束71在柱透镜3上连续扫描至光束73位置，打印光束也从打印光束711连续变为打印光束731，即入射光束的角度连续改变，这样不仅可提升视场角范围，也实现了视场角的连续调节。请参见图8，图8是图7中打印光束711、721、731的放大图，可以看出打印光束711、721、731本身就可以分别得到聚焦像点v1、v2、v3，每个聚焦像点可视为一个子像素，由于扫描振镜系统3的高频扫描，当光束71从柱透镜4表面扫描至73位置时，即可得到许多个对应不同视角的子像素，这些子像素在极短的时间内组成一个单元宏像素，即图8中所示的体像素V。由这样的一个个体像素所辐射的光场具有如下特点：视场角大，光能分布均匀，成像清晰度高，3D光场成像的动态感强。

另一方面，柱透镜4可以绕通过其自身几何中心的Z轴(即光轴)精确旋转，如附图7所示。上文已指出，此柱透镜的旋转角度决定了扇形面域辐射光场的取向角，故而在四参量的光场表达L(x，y，z，θ)中，θ变量即为此柱透镜的旋转角，或称之为柱透镜的取向角，其取值范围为0-360°精确可调。当采用某一定值θ打印3D光场数据时，观察者只能在此对应取向的扇形面内观察到物体的像，当偏离此取向角时，比如旋转记录材料1一个角度，此物像将会消失。

在此，着重强调本文所述取向角与视场角这两个不同概念。视场角定义为在某个平面内可以选定不同的观察点，因而观察视角有所变化，比如观察者仅在x-y面内移动位置以改变视角，但如果x-y面发生翻转的话显然的同样可以改变观察者的视角，比如将x-y翻转至y-z平面，因此，定义平面的翻转角度为该平面的取向角，在上文有关描述中，正是因为旋转柱透镜可以实现观察平面的取向角不同，因而观察者不仅可以在同一平面内改变视角，还可以在不同平面内改变视角，其实质是视角参量需两维方向变量控制，然而，对于本文激光打印装置，同一平面的视场角取值范围均相同，可将其视为常量，仅将取向角作为变量来表征视角参量。

本发明中的四变量光场L(x，y，z，θ)打印系统，由于空间坐标变量x-y-z及柱透镜取向角变量θ相互独立，当固定某一变量而仅改变其它三个变量打印3D物体时，可再现许多独特的3D动态视角效果，下面将通过几个具体的实施例加以详细描述。

实施方式1：

在图6所示光场成像打印装置中，当进行打印时，固定柱透镜4至某一取向角，计算机控制扫描振镜系统3，保持激光在柱透镜圆弧面上扫描，通过会聚透镜组6所得到的体像素光场为一固定取向角的扇形面，并被微透镜记录材料1所记录。根据输入3D模型数据，控制微透镜记录材料1所在的x-y-z平台，采用水平逐层打印的方式，实现3D物体的光场记录。由于此3D物体的所有体像素光场皆为同一取向角的扇形面域，再现时，也只能在具有此取向角的集合面内观察到该物体，当观察者在此取向面内连续改变观察视角时可见动态效果。如图9所示，观察者在纸面内从视角3连续变换到视角4可见动态的立方体图形，而当视角脱离纸面时，物体将会消失。故而具有这种视角特性的3D再现仅能供一人观看，不能同时供多人观看，可以很好的保护观察者的隐私。

实施方式2：

在实施方式1中，体像素光场可以表达为L1(x，y，z)，完成该3D光场成像打印后，旋转柱透镜4，重复上述打印流程可再输入另一3D物体光场数据L2(x，y，z)，当柱透镜4旋转至不同取向角时依次输入不同的3D物体的光场数据Ln(x，y，z)。再现时，原理如实施方式一所述，观察者只能在选定的取向角扇形集合面内依次观察到不同的3D打印物体，如图10所示，当在取向角位置时，可以观察到立方体模型，当旋转记录材料至取向角时又可见球体模型。具有这种视角特性的3D再现可供多人从不同方向观察不同的物体信息，实现了记录材料同一空间的多重复用，使得材料信息存储密度增加。如果每间隔一个角度比如15°取一个取向角，在每个取向角打印一个3D模型，这些3D模型属于动态变化3D影视的一帧，比如一只正在奔跑中的小动物，或者一个旋转的人物模型，则0-360°的取向角可输入12帧3D图像，当观察者快速旋转微透镜记录材料1以改变取向角观察时，由于人眼的视角暂留作用，可见动态的3D动画效果。需要指出的是，由于人眼光瞳为圆形，仅当观察者在材料正上方垂直观察时，会同时接收到不同取向角的图形信息，为避免这种视角串扰的发生，观察者应保持一定的倾斜角度观察。这里，强调每帧图像都是三维的，而不是二维的，表明观察者可以以不同的倾斜角(即视场角)观察到同一帧3D物体的不同侧面，增加了观察动态物体的真实感。

实施方式3：

作为实施方式2的特例，旋转柱透镜4使得取向角连续变化，而不再是离散的值。这里柱透镜4的旋转频率应远低于扫描振镜系统3的扫描频率，以确保柱透镜4在旋转角度低于1毫弧(即1mrad)的时间内，扫描振镜系统3仍然能够在柱透镜4圆弧面上完成至少一个完整的扫描周期。假设扫描振镜系统3的扫描频率是T1，柱透镜4的旋转频率是T2，按照上述条件，则应保证柱透镜4旋转了1mrad的时间不小于1/T1，从而可以得出关系式T2≤T1/(2000π)，比如T1＝200000Hz，经计算，柱透镜4的旋转频率应不大于31Hz。满足上述条件则经过打印系统输出的体像素辐射可视为四变量光场L(x，y，z，θ)，且每个体像素光场可视为某个取向角扇形面的360°旋转锥体。扫描振镜系统3的高频扫描和柱透镜4的旋转共同作用，可以理解为，体像素不再是单一像素，而是由许多个对应不同视场(在扫描方向)的子像素的组合，共同合成微大视场宏像素，不同视场角的子像素的位置不同，紧靠在一起，微透镜记录材料1对小视场光场的成像清晰度高，从而3D光场成像的动态感强。如图11所示，采用本例实施方法打印一个立方体模型，再现时，观察者不仅可以从某一位置看到该3D模型，也可以围绕该模型作360°周视观察。做固定位置观察时，人眼部分地接收了该模型的光场信息，此时，可以通过上下左右翻转微透镜记录材料1，可见动态的3D效果；当作周视观察时，即保持物体空间位置不动，观察者围绕此物体旋转，可以观察到3D物体的前后左右各方位信息，空间真实感大大增强。

实施方式4：

固定图6所示光场成像打印装置中微透镜记录材料1的z轴高度，以及固定柱透镜4的取向角为θ，控制平台仅作x-y方向的移动，则四维体像素光场表达降为二维L1(x，y)，据此可以打印具有多视角或连续变化视角的悬浮或下沉的二维光场图形。与背景技术中所述的现有专利不同的是，本发明方案中打印多视角二维图形不需要将多视角图形一幅一幅的打印，而是利用振镜扫描的方式直接输出一个宏像素，该宏像素包含有许多不同视角的子像素，每个子像素对应着待输入多视角图形的像素。

为了便于更好的理解，参照图7、8、12，图7中光束71、72、73为某个扫描周期内的三条光束(且每个扫描周期内仅作此三位置离散扫描)，其对应的三条打印光束分别为附图8中的711、721、731，上文已指出，711、721、731分别代表了三个不同的入射视角，扫描时控制光源2的脉冲开关，即可用此三条会聚光束分别代表三幅视角图同一位置上的三个像素，这三个子像素则组成了宏像素V。激光脉冲开与关，应根据待输入图形的像素信息控制。参见图12，图中所示为三幅二值视角图的像素排列，上方两个矩形长条排列表示由三幅视角图同一位置上的三个像素有序排列组成的宏像素。用脉冲激光开代表像素值1，脉冲激光关代表像素值0，则图8中宏像素V可分别由三个子像素v1、v2、v3组成，利用脉冲激光的开与关，V值可以表达为1-1-1，当移动到下一个位置时，扫描振镜系统3在柱透镜4上重复扫描此三视角光线，根据图形的像素信息，输出此位置的三个子像素组成的宏像素值V′，如图12所示为1-0-1，以此类推，直至输出所有视角图形的像素信息。可以看到，每个位置输入的3个像素信息是每幅视角图同一位置的有序排列，比如每张视角图像素矩阵(1，1)位置的顺序排列，由于扫描振镜系统2的扫描频率高，这种方法批量输入多视角图形具有瞬时性，而且不存在多次输入视角图的对位问题，因而效率高。尤其制作连续视角变化图形时，这种效率是已有方案中难以企及的。

本实施例中的待输入图形不限于同一物体的多视角图，也可以是不同物体的二维图形。当输入的是同一物体的多幅视角图时，由于观察者俩眼可分别接收到具有视差的视角图，经过大脑对两幅视差投影图合成，可感觉到物体相对材料表面漂浮或下沉的立体效果，晃动微透镜记录材料1以改变观察视角，可见明显的动态3D效果。如果输入的是不同的物体图形，晃动微透镜记录材料1可见动态的变图效应，如观察到一只正在奔跑的兔子，前文已有描绘，不再赘述。当完成上述多视角图光场L1(x，y)输入时，改变柱透镜4的取向角，可以进行下一组多视角图光场L2(x，y)的输入，实现材料同一空间的多重利用。

实施方式5：

上述实施方式4中，打印光场数据L1(x，y)后，调整x-y-z平台的高度，如法炮制打印另一光场数据L2(x，y)，则可再现一浮动图像及一下沉图像，观察此上浮下沉图像时，将获得强烈的3D景深感，且在取向角为的扇形面内连续改变视角，可见明显的动态效果。参见图13所示的浮动飘带9，二维光场L1打印数据对应上浮正弦飘带91，光场数据L2打印数据对应下沉飘带92，上浮正弦飘带91与下沉正弦飘带92振幅与周期都相同，二者位相相差π/4，上面视图是观察者在视角a时观察到的上浮正弦飘带91与下沉正弦飘带92的相对位置关系，中间视图是观察者在视角b时观察到的上浮正弦飘带91与下沉正弦飘带92的另一相对位置关系，下层视图是观察者在视角c时观察到的上浮正弦飘带91与下沉正弦飘带92所呈现的几何空间位置。可见，视角不同时，两条正弦飘带发生了错位，观察者视角连续地从a变到c，即可见两条飘带之间相对位置有明显动态的改变。

实施方式6：

请参见图14，图14将前述本发明中使用的柱透镜4用圆对称的球面透镜8或或聚焦能力更佳且数值孔径与柱透镜相匹配的非球面透镜，或具有像差校正的组合透镜替代，该球面透镜8数值孔径NA不小于柱透镜4的数值孔径NA。当扫描振镜系统3沿着球面透镜8的水平对称轴方向线性扫描时，会聚透镜组6输出端也可以获得扇形面域体像素光场，控制光线轨迹沿着不同取向的水平对称轴扫描，即无需旋转柱透镜4，利用非旋转球面透镜8也可获得不同取向的扇形面，实现本发明中的打印模式。请参见图15，图15是扫描振镜系统3在球面透镜8表面扫描轨迹的正视投影图，线段81、82为球面透镜8的两条水平对称轴，同时线段81、82也分别是取向角为θ3、θ4的扫描光线。本实施例中，扫描光线的取向角即为四变量光场L(x，y，z，θ)中的θ变量。所不同的是柱面透镜4的会聚光斑是狭长型的，由于仅一维聚焦，高斯光斑不均匀影响小，有利于扫描方向上的子像素平铺打印的光强均匀性，可提供优良的微透镜阵列的成像品质以及空间复用的效果。而采用球面透镜8的优势在于，不需要机械旋转即可获得取向角变量θ，然而利用对称球面透镜8的聚焦，高斯光斑的不均匀使得可利用能量效率降低，同时，由于在另一维方向仍然具有聚焦效应，因而对于实施例4中所述子像素而言其可观察视角分布具有空间圆对称性，当以不同取向角观察时，再现像容易与前一取向角的像发生串扰，从而降低动态3D的观察体验。故而本发明优选采用柱透镜旋转的方案。

综上所述，本发明中的光场成像打印装置主要是利用扫描振镜系统在透镜面上扫描结合空间三维坐标的改变以实现四维光场数据打印。激光脉冲开关、柱透镜旋转、振镜系统扫描、x-y-z平台移动均需根据待输入图形信息协调有序控制。由此，实现更真实的三维动态感图像的薄膜，通过控制不同的变量值，实现多种不同特性的浮动图像。确保既能实现诸如多视角变图的成像效果，又能获得更加真实物体的三维观察体验。另外，还可从不同的取向角打印不同图像，制备具有空间复用的立体图像薄膜。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (12)

1.一种光场成像打印装置，其特征在于：包括光源、扫描振镜系统、透镜、扩散片、会聚透镜组及微透镜记录材料，所述扫描振镜系统包括振镜与平场聚焦透镜，所述透镜置于平场聚焦透镜的焦平面处，所述扩散片放置在透镜的焦面上，扩散片与会聚透镜组的上端保持一段可调距离，所述光源发射激光，光线依次经过扫描振镜系统、透镜、扩散片与会聚透镜组，输出瞬时动态的聚焦光斑，获得体像素辐射光场，再由所述微透镜记录材料记录瞬时体像素辐射光场信息，所述体像素辐射光场由四个独立参量控制，包括三维空间坐标变量及透镜取向角变量，变量间可自由取值组合，将四维变量降成三维或者二维。

2.如权利要求1所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：所述微透镜记录材料包括微透镜阵列及位于微透镜阵列下方的光敏感层，所述微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，所述光敏感层是不可逆的光变材料。

3.如权利要求1所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：所述光源发射激光，经扫描振镜系统出射光线，在透镜表面作线性扫描，形成扫描光线簇，经透镜后，扫描光线簇会聚在所述扩散片表面，并被散射出，所述会聚透镜组对光束进行收集会聚。

4.如权利要求1所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：打印三维物体时，移动所述微透镜记录材料所在的x-y-z平台来获取不同空间位置的体像素。

5.如权利要求1所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：固定所述微透镜记录材料的z轴高度及透镜的取向角，微透镜记录材料所在的平台仅作x-y方向的移动，则四维体像素光场表达降为二维，由此打印具有多视角或连续变化视角的悬浮或下沉的二维光场图形，利用振镜扫描系统，直接输出一个宏像素，所述宏像素包含有许多不同视角的子像素，每个子像素对应着待输入多视角图形的像素。

6.如权利要求1所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：所述透镜选用柱透镜、圆对称的球面透镜、聚焦能力更佳且数值孔径与柱透镜相匹配的非球面透镜、具有像差校正的组合透镜中的一种。

7.如权利要求6所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：所述透镜选用柱透镜，柱透镜的数值孔径在0.3～0.95之间，对入射光线在一维方向聚焦，另一维直接透射光线，由会聚点继续传播的光束成扇形面域扩散。

8.如权利要求7所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：所述柱透镜绕其自身几何中心的Z轴旋转，柱透镜的旋转角度决定扇形面域辐射光场的取向角，当采用某一取向角定值打印三维光场数据时，观察者只能在此取向角的扇形面内观察到图像，当偏离此取向角时，则图像消失或观察到偏离后的取向面内的图像。

9.如权利要求6所述的一种光场成像打印装置，其特征在于：所述透镜选用球面透镜，所述扫描振镜系统沿着球面透镜的水平对称轴方向线性扫描，会聚透镜组输出端获得扇形面域体像素辐射光场。

10.一种具有三维浮动图像的薄膜，由权利要求1-9中任一项所述的光场成像打印装置制备，其特征在于：记录了一个或多个物体的光场信息，可再现相对于薄膜表面悬浮或下沉的浮动图像，所述浮动图像由多个不同视角的子图合成，可从不同的空间视角观察到。

11.如权利要求10所述的一种具有三维浮动图像的薄膜，其特征在于：在一个取向面内观察到的图像，是同一物体的多视角图或多幅不同的图像，当偏离所述取向面时，则图像消失或观察到偏离后的取向面内的图像。

12.如权利要求10所述的一种具有三维浮动图像的薄膜，其特征在于：所述浮动图像是二维图像或三维图像，为三维图像时，浮动图像是显现在薄膜上方、薄膜平面或下方的三维景深图像，或是从一深度向另一深度连续变化的三维图像。