CN107102445A - 裸眼3d放像和摄像的一种策略和系统实现 - Google Patents

Abstract

本文提出了“微细光线发生器不可见与微细光线汇聚成像可见”的一种策略。讨论了集成屏，作为裸眼3D技术实现基础，的选材、制造及技术要点。对集成屏、裸眼3D虚像屏、裸眼3D实像屏、裸眼3D摄像屏、裸眼3D摄像屏感光面和放像屏的发光面扩展设计、裸眼3D放像设备和裸眼3D摄像设备等提出了具体设计及功能实现的系统解决方案。

Description

裸眼3D放像和摄像的一种策略和系统实现

技术领域

微细光线，如微米光线、纳米光线甚至更小量级光线等，在裸眼3D虚像屏、裸眼3D实像屏和裸眼3D摄像屏等功能实现中的应用。裸眼3D放像设备和裸眼3D摄像设备的系统功能框架设计。

背景技术

基于“微细光线汇聚形成的虚像、实像与人眼成像”，要实像裸眼3D影像，关键是如何消除微细光线发生器的影像障碍。本文提出“微细光线发生器不可见与微细光线汇聚成像可见”的实现策略：1、公式(4)和公式(5)。意义：当微细光线发生器还没有细小到人眼“不可见”的程度，但单束微细光线的亮度可以暗到人眼“不可见”程度，然后由多束微细光线汇聚形成的像点亮度可以达到和超过人眼亮度识别阈值，那么这些微细光线汇聚形成的像就“可见”了。2、公式(6)和公式(7)。意义：当微细光线发生器细小到人眼“不可见”程度，但微细光线形成的众多像点在视网膜上汇聚形成的汇聚斑亮度达到和超过人眼亮度阈值，这些微细光线形成的像就“可见”了。

发明内容

一、微细光线及设计(微米光线、纳米光线甚至更小量级光线)

定义：微细光线是指圆柱体光线的直径非常细微的光线，被称作微细光线。如圆柱体光线的直径为微米级,该柱体光线被称作微米光线。如直径为纳米级，该柱体光线被称作纳米光线。如直径为更小量级，该柱体光线被称作更小量级光线。微细光线是本文裸眼3D视像的基石。

微细光线发生器由微细光线光源和微细光线导向孔组成。微细光线光源可以有等离子体光源和发光二极管光源等。微细光线发生器发生的平行于微细光线导向孔的光线就是微细光线。不平行于微细光线导向孔的那部分光线会形成光晕干扰和孔壁反射干扰，还有光的衍射干扰，如图1微细光线发生器示意图所示。

附图1说明：名称，微细光线发生器示意图，1-孔壁反射干扰，2-光晕干扰，3-荧光物质，4-等离子体填充，5-电极，6-微细光线光源(以等离子体光源为例)，7-微细光线导向孔。

ρ：光孔横向线度，δ_光孔：光孔深度，即微细光线集成屏厚度，φ_光孔：光孔直径，φ_瞳孔：人眼瞳孔直径，d_眼-屏：人眼与微细光线集成屏之间的距离。

干扰一，光晕干扰，指由微细光线光源发生的不平行于微细光线导向孔也未碰壁而出射的一部分光线。此为主要干扰因素，公式(1)和(2)表明，其一可通过增大光孔横向线度来减少干扰，其二微细光线在裸眼3D视像中的应用被限定在了光晕干扰直径小于等于瞳孔直径的范围内。

人眼瞳孔直径取值为2mm。根据公式(2)，在超大屏幕电视设计中，本文假定人眼与电视屏距之距为4m，如果集成屏的厚度取2mm，那么光束的直径<＝0.5um；在1mm²的面上，直径0.5um的光束理论上可以做到4×10⁶束，直径1nm的光束理论上可以做到1×10¹²束。在普通屏电视设计中，本文假定人眼与电视屏距之距为2m，如果集成屏的厚度取1mm，那么光束的直径<＝0.5um；在1mm²的面上，直径0.5um 的光束理论上可以做到4×10⁶束，直径1nm的光束理论上可以做到1×10¹²束。在手机屏设计中，本文假定人眼与手机屏距之距为30cm，如果集成屏的厚度取1mm，那么光束的直径<＝3.3um。在0.0225mm²的面上，直径为3.3um的光束理论上可以做到2025束，直径为1nm的光束理论上可以做到2.25×10¹⁰束。

干扰二，孔壁反射干扰，指由微细光线光源发生的不平行于微细光线导向孔且一次或多次碰壁被吸收部分光线后再反射出的一部分光线。因孔壁吸收，此为次要干扰。可以通过选取吸收可见光能力比较强的材料做集成屏基材料来减少此干扰。

干扰三，光的衍射干扰。理论上研究表明,光孔横向线度ρ与衍射发散角Δθ之间存在反比关系

ρ·Δθ≈λ (3)

ρ：光孔横向线度，Δθ：衍射发散角，λ：可见光波长。

当光孔线度远远大于波长时，衍射效应很不明显，光近似于直线传播。可见光的波长范围为390nm至 780nm，集成屏厚度都在1mm以上，远远大于可见光波长。

特别说明，将微细光线导向孔集成在一起成为微细光线导向孔集成屏，文中统称集成屏。将微细光线光源集成在一个面上称作微细光线发光面。将微细光线感光元器件集成在一个面上被称作微细光线感光面。将微细光线发生器的微细光线光源换成微细光线感光元器件，就成为微细光线感光器。

二、人眼三维视像的基本规律探索

1、微细光线汇聚形成的虚像、实像与人眼成像

微细光线汇集形成的虚像与人眼成像：图2为多束微细光线虚像成像示意图(K＝4)。多束微细光线，其反向延长线交于一点并形成x虚像，该多束微细光线通过人眼光学系统汇聚到视网膜上x’点，该x’点亮度达到视网膜识别阈值，在人脑形成x点的“可见”虚像。

附图2说明：名称，多束微细光线虚像成像示意图(K＝4)，1-微细光线视网膜汇聚点x’，2-玻璃体， 3-虹膜，4-瞳孔，5-微细光线发生器(A、B、C和D)，6-虚像点x。

微细光线汇集形成的实像与人眼成像：图3为多束微细光线实像成像示意图(K＝4)。多束微细光线，交于一点并形成x实像，该多束微细光线通过人眼光学系统汇聚到视网膜上x’点，该x’点亮度达到视网膜识别阈值，在人脑形成x点的“可见”实像。

附图3说明：名称，多束微细光线实像成像示意图(K＝4)，1-微细光线视网膜汇聚点x’，2-玻璃体， 3-虹膜，4-瞳孔，5-实像点x，6-微细光线发生器(A、B、C和D)。

2、人眼的“微细光线发生器不可见与微细光线汇聚成像可见”实现策略

根据“微细光线汇聚形成的虚像、实像与人眼成像”，要实像裸眼3D影像，关键是如何消除微细光线发生器的影像障碍。本文提供以下两种策略：

策略一，当微细光线发生器还没有细小到人眼“不可见”的程度，但单束微细光线的亮度可以暗到人眼“不可见”程度，然后由多束微细光线汇聚形成的像点亮度可以达到和超过人眼亮度识别阈值，那么这些微细光线汇聚形成的像就“可见”了。分两种情形讨论：

情形1：在白天环境亮度10000cd/㎡时，人眼大约能分辨的亮度范围为200cd/㎡至20000cd/㎡，低于 200cd/㎡的亮度就被感觉为黑色，此时每一根微细光线的亮度最小值则为有：

L_单束：单束微细光线的亮度，L_白天：白天环境亮度，K：汇聚成像的微细光线的束数，L_像点：K束微细光线汇聚成像像点亮度，L_{视网膜汇聚点}：K束微细光线在视网膜汇聚点亮度。

情形2：在夜间环境为30cd/㎡时，可分辨的亮度范围为1cd/㎡至200cd/㎡，这时低于1cd/㎡才引起黑色感觉，此时每一根微细光线的亮度值则为有：

L_单束：单束微细光线的亮度，L_夜晚：夜晚环境亮度，K：汇聚成像的微细光线的束数，L_像点：K束微细光线汇聚成像像点亮度，L_{视网膜汇聚点}：K束微细光线在视网膜汇聚点亮度。

策略二，当微细光线发生器细小到人眼“不可见”程度，但微细光线形成的众多像点在视网膜上汇聚形成的汇聚斑亮度达到和超过人眼亮度阈值，这些微细光线形成的像就“可见”了。

L_所有像点：形成视网膜汇聚斑的所有像点亮度，L_{视网膜汇聚斑}：视网膜汇聚斑亮度，L_环境阈值：环境亮度阈值，L_单束：单束微细光线亮度，K：汇聚成像的微细光线的束数，Σ：投射入人眼的所有像点数，L_像点： K束微细光线汇聚成像像点亮度，L_{视网膜汇聚点}：K束微细光线在视网膜汇聚点亮度。

在现实世界中，光线是微小的，小到不被人眼“可见”的程度。景物的每一个无穷细分的微小像点发出的几乎“不可见”微细光线通过人眼系统汇聚到视网膜的汇聚点上，众多的像点汇聚成为视网膜上大的汇聚斑，当该大的汇聚斑亮度达到人眼视网膜的“可见”阈值，景物的像就被“看见”了。

根据生活经验，烟尘的直径范围在10-100um，能被人眼一定程度地可见。当尘埃直径小于等于10um，尘埃一般就不易被看见了。

微细光线成实像或虚像原理表明微细光线束数K大于或等于2，为便于作图和描述，文中K取4。在集成屏中，K值就是人单眼占据的可视点数。一个可视点汇聚有每一个像点的1束微细光，N个可视点就有源自同一像点的N束光线。投射入人眼的所有像点(计数为Σ)汇集成视网膜上的汇聚斑。人眼瞳孔直径本文取值2mm。如果在2mm直径圆内能汇聚K个可视点并成像，那么所有像点亮度及在视网膜上汇聚斑的亮度则为，

L_所有像点＝L_{视网膜汇聚斑}＝K·Σ·L_单束 (7)

3、可视点间距

可视点指人眼要看到三维实像或虚像所处的三维位置点。在裸眼3D显像屏的设计中，人眼的可视点/ 可视区，跟集成屏和像素点/成像区一样，是被定制的。根据凸透镜成像原理，人的单眼能看到实像或虚像，是因为实像或虚像的每一个像点的至少2根光线透过人眼光学系统打在了视网膜上。这要求人眼瞳孔应至少占据2个可视点，即相邻可视点之间的距离应该小于等于瞳孔直径。

d_{相邻可视点间}≤φ_瞳孔 (8)

d_{相邻可视点间}：相邻可视点间距，φ_瞳孔：瞳孔直径。

在现实世界中，由于光的漫反射，可视点在三维空间中的分布几乎是完全连续的。

4、人眼线粒识别比阈值

线粒识别比定义为相邻离散点之间的距离与该离散点与人眼之间最近距离的比。

ζ：线粒识别比，d_{相邻离散点间}：相邻离散点之间的距离，d_{min人眼-离散点}：人眼与离散点间的最短距离。

它的意义是，在人眼可视范围内，当人眼与离散点的距离逐渐拉长，当到达一定距离时，线性排列的离散点就会被人脑识别为连续的线，这时的线粒识别比值就是ζ_阈值。

经笔者实验：对发光面积约1mm²的点光源，当线粒识别比ζ<＝1/2000时，线性排列的离散点就逐渐被人脑识别成为一条线了。本文线粒识别比阈值取值为1/2000，

ζ_max：人脑将人眼所看见离散点识别为连续线的最大比值。

在超大屏幕电视设计中，假定人眼与电视屏距之距为4m，那么制作电视的集成屏的像素距阈值就为 2mm，即电视虚像像素点为中心的正方体的边长为2mm，每一个虚像像素点正对集成屏的底面和表面的正方形的边长是2mm。在普通屏电视设计中，假定人眼与电视屏距之距为2m，那么制作电视的集成屏的像素距阈值就为1mm，即电视虚像像素点为中心的正方体的边长为1mm，每一个虚像像素点正对集成屏的底面和表面的正方形的边长是1mm。在手机屏设计中，本文假定人眼与手机屏距之距为30cm，那么制作手机的集成屏的像素距阈值就为0.15mm，即手机虚像像素点为中心的正方体的边长为0.15mm，每一个虚像像素点正对集成屏的底面和表面的正方形的边长是0.15mm。在公共产品设计中，人眼线粒识别比阈值要在统计基础上选取，产品才具有普适性。

三、集成屏在裸眼3D视像中的工作原理

集成屏是裸眼3D技术实现的基础。下面以裸眼3D虚像屏，即微细光线发光面加集成屏，为例说明。

1、集成屏单元中心点、虚像点和可视点的空间定位管理

集成屏由屏单元组成。集成屏、屏单元及其空间点在三维坐标系中均实行定位管理。宽距轴对应X轴，图层距轴对应y轴，高距轴对应z轴。本文中，在三个轴上的标尺相等且均为单位距，如图4所示。

附图4说明：名称，集成屏、虚像点/虚像区和可视点/可视区在三维坐标中的定位管理示意图，1-可视区第3层左下顶点(-6，-4，-5)，2-可视区第2层左下顶点(-5，-3，-4)，3-可视区第1层左下顶点(-4， -2，-3)，4-中心屏单元中心点(0，0，0)，5-左下屏单元中心点(-2，0，-1)，6-集成屏(以5╳3为例)， 7-微细光线发光面，8-虚像区第1层左下顶点(-3，1，-2)，9-虚像区第2层左下顶点(-4，2，-3)，10- 虚像区第3层左下顶点(-5，3，-4)，11-虚像区第3层右上顶点(5，3，4)，12-虚像区第2层右上顶点(4， 2，3)，13-虚像区第1层右上顶点(3，1，2)，14-右上屏单元中心点(2，0，1)，15-可视区第1层右上顶点(4，-2，3)，16-可视区第2层右上顶点(5，-3，4)，17-可视区第3层右上顶点(6，-4，5)。

图4作图条件：屏宽距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面图层距＝-0.5，屏底图层距＝0.5，虚像区图层距＝{1,2,3}，可视区图层距＝{-2,-3,-4}，扬角＝45°。

集成屏屏单元中心点的宽距坐标和高距坐标与该屏的过该屏单元中心点的法线上所有虚像点和可视点的宽距坐标和高距坐标一致。屏单元为屏面和屏底均为正方形的长方体，其屏面和屏底面边线的宽距坐标和高距坐标为其中心点宽距坐标和高距坐标加减0.5个单位距。屏单元的图层距坐标分别为屏面图层距坐标和屏底图层距坐标。

δ_屏＝y_底-y_面 (11)

δ_屏：集成屏厚度，y_底：屏底图层距坐标，y_面：屏面图层距坐标。

图4中，屏面中心单元中心坐标为(0，-0.5，0)，每一个屏单元中心点坐标就定位该屏单元。设屏各单元中心点在宽距坐标上的取值范围为[-w，w]，屏各单元中心点在高距坐标上的取值范围为[-h，h]，那么集成屏单元数为(2w+1)×(2h+1)。本文中，屏面图层距坐标为-0.5，屏底图层距坐标为0.5。屏单元中心点、虚像点/虚像区和可视点/可视区的各点三维坐标如图4所示，扬角＝45°，各层矩形四角顶点坐标为：

虚像第li层，左下(-(w-1)/2-li，li，-(h-1)/2-li)，左上(-(w-1)/2-li，li，(h-1)/2+li)，右上((w-1)/2+li，li， (h-1)/2+li)，右下((w-1)/2+li，li，-(h-1)/2-li)；

虚像第3层，左下(-5，3，-4)，左上(-5，3,4)，右上(5，3,4)，右下(5,3，-4)；

虚像第2层，左下(-4，2，-3)，左上(-4，2,3)，右上(4，2,3)，右下(4,2，-3)；

虚像第1层，左下(-3，1，-2)，左上(-3，1,2)，右上(3，1,2)，右下(3,1，-2)；

屏表面，左下(-2，-0.5，-1)，左上(-2，-0.5,1)，右上(2，-0.5,1)，右下(2，-0.5，-1)；

可视区第-1层，左下(-3,-1,-2)，左上(-3,-1,2)，右上(3,-1,2)，右下(3,-1,-2)；(作为“视距”示意，本层未画出)

可视区第-2层，左下(-4,-2,-3)，左上(-4,-2,3)，右上(4,-2,3)，右下(4,-2,-3)；

可视区第-3层，左下(-5,-3,-4)，左上(-5,-3,4)，右上(5,-3,4)，右下(5,-3,-4)；

可视区第-4层，左下(-6,-4,-5)，左上(-6,-4,5)，右上(6,-4,5)，右下(6,-4,-5)；

可视区第le层，左下(-(w-1)/2+le，le，-(h-1)/2+le)，左上(-(w-1)/2+le，le，(h-1)/2-le)，右上((w-1)/2-le， le，(h-1)/2-le)，右下((w-1)/2-le，le，-(h-1)/2+le)。

2、扬角

根据视像屏四点共线法则，虚像区和可视区是以集成屏为对称面的两个侧立的矩形锥台体，该俩侧立矩形锥台体以集成屏为顶面，以按扬角定义生成的最末层为底面。

定义，虚像区矩形锥台侧面与集成屏法线之间的最小夹角为扬角。显然，可视区矩形锥台侧面与集成屏法线之间的最小夹角为也扬角。在本文MATLAB仿真计算中，虚像区扬角等于可视区扬角。扬角的大小决定了各图像层和可视层在集成屏基础上的生成方式。本文扬角选取45°和arctg(1/2)作图例。在图5 集成屏的虚像像素区和可视区扬角示意图中，扬角＝45°。

附图5说明：名称，集成屏的虚像区和可视区扬角示意图(扬角＝45°)，1-可视区，以集成屏为顶面的侧立矩形锥台体，2-集成屏法线在可视区上侧面的垂线，3-可视区扬角(本图为45°)，4-集成屏，5-集成屏法线，6-虚像区扬角(本图为45°)，7-集成屏法线在虚像区上侧面的垂线，8-虚像区，以集成屏为顶面的侧立矩形锥台体。

图5作图条件：屏宽距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面图层距＝-0.5，屏底图层距＝-0.25，虚像区图层距＝{1,2,3,4}，可视区图层距＝{-1,-2,-3,-4}，扬角＝45°。

3、可视点、屏面点、屏底点和像点的四点共线及集成屏虚像点和可视点之间的全映射

可视点、屏面点、屏底点和像点的四点共线，是将裸眼3D视像屏屏底点、屏面点、像点和可视点连接和编织起来的基本法则。在集成屏的定制中，根据MATLAB仿真计算，每一定制屏就有唯一的可视点、屏面点、屏底点和像点的坐标对照表，简称视像屏四点共线坐标对照表。受篇幅和计算资源及精度限制，本文只列出视像屏四点共线坐标对照摘录表。根据视像屏四点共线法则，裸眼3D虚像屏的虚像点和可视点之间的全映射仿真图如图6所示。

附图6说明：名称，集成屏虚像点和可视点之间的全映射示意图，1-可视点/可视区，2-微细光线光源到可视点之间的微细光线，3-集成屏，4-集成屏左下顶点屏单元，5-微细光线发光面，6-可视点到虚像点之间在微细光线光源后的虚线(可视点与微细光线光源之间光线的反向延长线，止于虚像点)，7-虚像点/虚像区。

图6作图条件：屏宽距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面图层距＝-0.5，屏底图层距＝-0.25，虚像区图层距＝{1,2,3}，可视区图层距＝{-2,-3,-4}，扬角＝45°。

表1为在该作图条件下仿真计算生成的裸眼3D虚像屏视像屏四点共线坐标对照摘录表(扬角＝45°)。表1表明，只要有了这四点坐标信息，每一条微细光线导向孔就可以在集成屏上刻出来，每一个虚像点的图像信号就可以通过对应的微细光线发生器播放出来，投射到可视区的人眼睛。

四、集成屏设计

仍以裸眼3D虚像屏，即微细光线发光面加集成屏，为例说明。

1、集成屏的仿真

图7是微细光线发光面和集成屏的示意图。屏中红色点集合形成的面代表微细光线光源，及其组成的微细光线发光面。蓝色光线汇集成的就是微细光线导光孔集合体，在基材料上把这些微细光线导向孔烧蚀掉，剩下的部分就是集成屏。决定微细光线导向孔本质特征的是“视像屏四点共线坐标对照表”，它在定制和作图条件下仿真计算生成，供制造时查找坐标点和放像摄像时像点矩阵与电极矩阵之间的转换使用。

附图7说明：名称，集成屏的微细光线导向孔集成示意图，1-微细光线导向孔，及其组成的集成屏， 2-微细光线光源，及其组成的嵌于裸眼3D视像屏屏底的微细光线发光面，备注：在集成屏屏底增加发光面或感光面，才有实际意义。本图在屏底增加发光面，组成裸眼3D视像屏。

图7作图条件同图6。

2、集成屏选材即制造工艺要点

(1)集成屏基础材料、工具和工艺等选择

集成屏制造工具：直径为微米级、纳米级甚至更小量级的高能激光束。要微细光线导向孔直径精确到微米级、纳米级甚至更小量级，切削工具就只能选用高能微米直径、纳米直径甚至更微小量级直径的激光束。

集成屏制造工艺：微细激光束烧蚀工艺。

集成屏基材料选择条件：

①激光烧蚀无残留。在高能激光束烧蚀中不产生液体或固体残留，即烧蚀过程中只产生气体废物并挥发掉。②形变小。集成屏是非常精密的光学产品，在屏幕上打孔的精度直接决定着微细光线的精度，以及这些微细光线所定制的像素点和可视点的精度。③耐高温，以适应生产和使用环节中的高温环境。④导热快，易散热。⑤可见光吸收率高。⑥易于整屏幕的加工制造。

综上，石墨是理想的选择之一。石墨在激光烧蚀中产生二氧化碳、一氧化碳，在高温无氧环境下可气化。形变小，耐高温，导热性能好，可见光吸收率较高。通过参杂等方式硬度韧度可调，易于整体制造。

(2)集成屏的制造工艺及要点

工艺一：在常温或低温下，在控制氧输入的环境中，用微细激光束按照视像屏四点共线坐标对照表中的坐标参数对集成屏的石墨基材料进行精确定位和高能有氧烧蚀，制成集成屏。

工艺二：借助碳纳米管的制造工艺，在充满惰性气体环境中，在石墨基临近气化点高温下，用微细激光束气化导向孔内的碳，并将光孔壁催化生成碳纳米管或类似于碳纳米管的光孔，从而制成集成屏。

3、集成屏设计

图8为集成屏结构示意图。集成屏基材料选用石墨等便于导光孔集成制造。基材料里的微细光线导向孔用惰性气体填充，防氧化。

附图8说明：名称，集成屏结构示意图，1-屏基材料，2-透明封装层，3-微细光线导向孔，4-微细光线导向孔的入射或出射光线，5-集成屏。

对于微细光线导向孔在基材料里形成空间交叉的情形，第一是尽可能避免，第二在不可避免的情况下，要减小其微细光线之间的相互干扰，方法同“一、微细光线及设计”。

集成屏的屏面点和屏底点坐标，即为可视点和像点所共之线与屏面、屏底的交点坐标。将这些交点坐标仿真计算并存储于视像屏四点共线坐标对照表中，在制造、摄像和放像中即查即用。可视点/可视区和 3D像点/3D像区的每一种定制就有唯一对应的视像屏四点共线坐标对照表，因此视像屏四点共线坐标对照表是本文裸眼3D技术之关键。

五、裸眼3D虚像屏设计

1、裸眼3D虚像屏仿真计算

虚像点/虚像区和可视点/可视区分居于裸眼3D虚像屏的两侧，虚像点/虚像区居屏底一侧，可视点/可视区居屏面一侧。根据可视点、虚像点、屏面点和屏底点四点共线法则进行仿真计算，得到裸眼3D虚像屏视像屏四点共线坐标对照表，作为生产制造数据。根据MATLAB仿真计算，裸眼3D虚像屏的虚像点/ 虚像区和可视点/可视区(扬角＝45°)见图9，裸眼3D虚像屏视像屏四点共线坐标对照摘录表(扬角＝45°) 见表1，裸眼3D虚像屏的虚像点/虚像区和可视点/可视区(扬角＝arctg(1/2))见图10。

需要特别说明的是，裸眼3D视像屏四点共线坐标对照表就是裸眼3D虚像屏的关键。但囿于计算资源和计算精度，本文只列出了45°扬角的坐标对照摘录表，为的是不影响表达，下面裸眼3D实像屏和裸眼 3D摄像屏也一样。

附图9说明：名称，裸眼3D虚像屏的虚像点/虚像区和可视点/可视区(扬角＝45°)，1-人眼，2-人眼所在位置的4个可视点(以K＝4作图)，3-可视点/可视区，4-裸眼3D虚像屏发出的到可视点的微细光线， 5-裸眼3D虚像屏左下屏单元，6-裸眼3D虚像屏，7-裸眼3D虚像屏屏底发光面(微细光线发光面)，8-裸眼3D虚像屏屏底发光面发出的到可视点的微细光线的反向延长线，至虚像点，9-虚像点/虚像区。

图9作图条件：屏宽距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面图层距＝-0.5，屏底图层距＝-0.25，虚像区图层距＝{1,2,3}，可视区图层距＝{-2,-3,-4}，扬角＝45°。

表1裸眼3D虚像屏视像屏四点共线坐标对照摘录表(扬角＝45°)

表1生成条件同图9作图条件。

附图10说明：名称，裸眼3D虚像屏的虚像点/虚像区和可视点/可视区(扬角＝arctg(1/2))，1-人眼， 2-人眼所在位置的4个可视点(以K＝4作图)，3-可视点/可视区，4-裸眼3D虚像屏发出的到可视点的微细光线，5-裸眼3D虚像屏左下屏单元，6-裸眼3D虚像屏，7-裸眼3D虚像屏屏底发光面(微细光线发光面)，8-裸眼3D虚像屏发出的到可视点的微细光线的反向延长线，至虚像点，9-虚像点/虚像区。

图10作图条件：屏宽距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面图层距＝-0.5，屏底图层距＝-0.25，虚像区图层距＝{1,2,3}，可视区图层距＝{-2,-3,-4}，扬角＝arctg(1/2)。

2、裸眼3D虚像屏(等离子体光源)设计

裸眼3D虚像屏(等离子体光源)设计的整体设计理念就是，等离子体发光面加上集成屏。等离子体光源亮度高，对比度好，是裸眼3D虚像屏设计中的理想光源之一。裸眼3D虚像屏(等离子体光源)结构示意图如图11所示。

附图11说明：名称，裸眼3D虚像屏(等离子体光源)结构示意图，1-屏基材料，2-透明封装层，3- 出射微细光线，4-微细光线导向孔(惰性气体填充抗氧化)，5-集成屏，6-荧光膜，7-等离子腔，惰性气体填充，8-公共电极(—)，9-绝缘层，10-电极阵列(+)，11-屏后壳封装层，12-微细光线发光面(等离子体光源阵列面)。

在生产工艺流程中，除电极阵列板、荧光膜外，绝缘板、公共电极板和石墨基都是激光烧蚀一体成型，之后在公共电极板与石墨基之间敷上荧光膜。电极阵列板的生产，要求非常精细。若微细光线导向孔直径在某一数量级，那么阵列电极点宽度量级还要低于此量级，以确保在选择有效电极点的时候有冗余电极点可供选择。

3、裸眼3D虚像屏(发光二极管光源)的设计

裸眼3D虚像屏(发光二极管)设计的整体设计理念就是，发光二极管发光面加上集成屏。发光二极管光源方向性好，整个发光面易于集成制造，是裸眼3D虚像屏设计中的理想光源之一。裸眼3D虚像屏 (发光二极管)结构示意图如图12所示。

附图12说明：名称，裸眼3D虚像屏(发光二极管光源)结构示意图，1-屏基材料，2-透明封装层， 3-出射微细光线，4-微细光线导向孔(惰性气体填充抗氧化)，5-集成屏，6-屏后壳封装层，7-透明绝缘层， 8-发光二极管阵列，9-微细光线发光面(发光二极管光源阵列面)。

微细光线发光面即发光二极管光源阵列面要做得跟日常电视屏一样大，要么拼接，要么一体成型，这是裸眼3D虚像屏(发光二极管)设计制造的难点所在。

六、裸眼3D实像屏设计

1、裸眼3D实像屏仿真计算

实像点/实像区和可视点/可视区居于裸眼3D虚像屏的同侧，即屏面一侧。根据可视点、实像点、屏面点和屏底点四点共线法则进行仿真计算，得到裸眼3D实像屏视像屏四点共线坐标对照表，作为生产制造数据。根据MATLAB仿真计算，裸眼3D实像屏的实像点/实像区和可视点/可视区(扬角＝45°)见图13，裸眼3D实像屏视像屏四点共线坐标对照摘录表(扬角＝45°)见表2，裸眼3D实像屏的实像点/实像区和可视点/可视区(扬角＝arctg(1/2))见图14。

附图13说明：名称，裸眼3D视像屏的实像点/实像区和可视点/可视区(扬角＝45°)，1-人眼，2-人眼所在位置的4个可视点(以K＝4作图)，3-可视点/可视区，4-裸眼3D实像屏发出的先到实像点再到可视点的微细光线，5-实像点/实像区，6-裸眼3D实像屏左下屏单元，7-裸眼3D实像屏，8-裸眼3D实像屏屏底发光面(微细光线发光面)。

图13作图条件：屏宽距[-12，12]，屏高距[-11，11]，屏面图层距＝-0.5，屏底图层距＝1.5，实像区图层距＝{-1,-2,-3}，可视区图层距＝{-7,-8,-9}，扬角＝45°。

表2裸眼3D实像屏视像屏四点共线坐标对照摘录表(扬角＝45°)

表2生成条件同图13作图条件。

附图14说明：名称，裸眼3D视像屏的实像点/实像区和可视点/可视区(扬角＝arctg(1/2))，1-人眼，2-人眼所在位置的4个可视点(以K＝4作图)，3-可视点/可视区，4-裸眼3D实像屏发出的先到实像点再到可视点的微细光线，5-实像点/实像区，6-裸眼3D实像屏左下屏单元，7-裸眼3D实像屏，8-裸眼3D实像屏屏底发光面(微细光线发光面)。

图14作图条件：屏宽距[-6，6]，屏高距[-5，5]，屏面图层距＝-0.5，屏底图层距＝1.5，实像区图层距＝{-1,-2,-3}，可视区图层距＝{-7,-8,-9}，扬角＝arctg(1/2)。

2、裸眼3D实像屏设计

裸眼3D实像屏(等离子体光源)设计和裸眼3D实像屏(发光二极管光源)设计，同裸眼3D虚像屏 (等离子体光源)设计和裸眼3D虚像屏(发光二极管光源)设计一样，其整体设计理念都是，等离子体光源发光面，或发光二极管光源发光面，加上集成屏。关键在每一种集成屏的视像屏四点共线坐标对照表的区别。

七、裸眼3D摄像屏设计

1、裸眼3D摄像屏仿真计算

裸眼3D摄像屏的设计。首先，将裸眼3D实像屏和虚像屏的微细光源发生器面换成了光敏二极管阵列面等感光材料做成的感光面。其次，在集成屏的设计中引入了双眼(本文称顶眼和底眼)的概念。第一，满足了采用源自同一被摄点的两条光线来对被摄点进行定位和图像信号采集的需要；第二，优化了集成屏上导向孔的均匀分布；第三，引入双眼，拓展了光学镜头在裸眼3D摄像屏中的应用空间，让被摄区的固定设计扩展为在一定程度上伸缩可调，扩展了其适用范围；第四，假设一对双眼裸眼3D摄像屏为一个模块，那么多对双眼裸眼3D摄像屏模块就可以自由组合，为更宽幅和大纵深被摄区的裸眼3D摄像屏设计奠定基础；第五，双眼设计巧妙解决了裸眼3D被摄区与裸眼3D放像区在空间形体上的一致性问题。裸眼3D放像区是侧立的矩形锥台体。裸眼3D摄像屏的每一只眼所能摄取的区域是按照扬角方式生产的一个以眼为顶点，以最远层为正方形底的椎体，那么，两只眼的公共被摄区是俩侧立正方形椎体的重叠区域，该区域刚好是一个侧立的矩形锥台体。只要扬角、起始层和终了层设定一致，裸眼3D摄像屏和放像屏就可以即摄即放，不需转换。

根据被摄点、眼、屏面点和屏底点四点共线法则进行仿真计算，得到裸眼3D摄像屏物屏五点坐标对照表，作为生产制造数据。根据MATLAB仿真计算，裸眼3D摄像屏、顶眼、底眼和被摄点/被摄区(扬角＝45°)见图15，裸眼3D摄像屏物屏五点坐标对照摘录表(扬角＝45°)见表3，裸眼3D摄像屏、顶眼、底眼和被摄点/被摄区(扬角＝arctg(1/2))见图16。

对于裸眼3D摄像屏物屏五点坐标对照摘录表，要说明的是，其一，顶眼和底眼坐标已知不需在表中赘述；其二，一个被摄物点对应两眼的屏底坐标点放在表中同一条记录中，便于数据比对时查找，提高系统运行效率。

附图15说明：名称，裸眼3D摄像屏、顶眼、底眼和被摄点/被摄区(扬角＝45°)，1-被摄点/被摄区， 2-过底眼光线，3-裸眼3D摄像屏，4-底眼感光底(底眼微细光线感光面)，5-顶眼感光底(顶眼微细光线感光面)，6-过顶眼光线。

图15作图条件：顶眼坐标(0,0,4)，底眼坐标(0,0,-4)，屏宽距[-9，9]，屏高距[-18，18]，屏面图层距＝4，屏底图层距＝6，被摄区图层距＝{-9,-10,-11,-12,-13,-14,-15,-16,-17,-18,-19,-20,-21,-22,-23}，被摄区第一层宽距[-9，9]，第一层高距[-5，5]，扬角＝45°。

表3裸眼3D摄像物屏五点坐标对照摘录表(扬角＝45°)

表3生成条件同图15作图条件。

附图16说明：名称，裸眼3D摄像屏、顶眼、底眼和被摄点/被摄区(扬角＝arctg(1/2))，1-被摄点/ 被摄区，2-过底眼光线，3-裸眼3D摄像屏，4-底眼感光底(底眼微细光线感光面)，5-顶眼感光底(顶眼微细光线感光面)，6-过顶眼光线。

图16作图条件：顶眼坐标(0,0,4)，底眼坐标(0,0,-4)，屏宽距[-9，9]，屏高距[-18，18]，屏面图层距＝14，屏底图层距＝16，被摄区图层距＝{-21,-22,-23,-24,-25,-26,-27}，被摄区第一层宽距[-10，10]，第一层高距[-6，6]，扬角＝arctg(1/2)。

2、裸眼3D摄像屏设计

裸眼3D摄像屏设计的理念是光敏二极管感光阵列感光面加集成屏。集成屏由裸眼3D物屏五点坐标对照表决定。相对于集成屏，光敏二极管阵列感光面的制造精度要求更加高。它要保证在每一个微细光线导向孔底至少有3到4只光敏二极管对三基色分别进行信号采集和处理。裸眼3D摄像屏结构示意图见图 17。

附图17说明：名称，裸眼3D摄像屏结构示意图，1-屏基材料，2-透明封装层，3-入射微细光线，4- 微细光线导向孔(惰性气体填充抗氧化)，5-集成屏，6-透明绝缘层，7-光敏二极管阵列，8-微细光线感光面(光敏二极管阵列感光面)。

八、裸眼3D虚像屏、实像屏和摄像屏的发生面/感光面扩展设计

裸眼3D虚像屏、裸眼3D实像屏和裸眼3D摄像屏，其发光面和感光面是受到平面限制的。以扬角 45°为例，假设集成屏定制有L层图像，屏长×宽＝m×n＝(2w+1)×(2h+1)，那么集成屏每个像点的亮度只有同等面积2D屏等离子显示器像点亮度的因此，持续增大微细光线发光面的面积和增加微细光线感光面的面积成为裸眼3D虚像屏、裸眼3D实像屏和裸眼3D摄像屏设计的重大课题。

为此，本文在微细光线发光面和微细光线感光面设计中引入皱褶面设计，以增加裸眼3D虚像屏、实像屏和摄像屏的发生面和感光面面积。图18为裸眼3D显像屏发光面或摄像屏感光面的扩展设计示意图(俯视图或侧视图)。说明，第一，每一个皱褶面仍为平面，便于微细光线发光面、微细光线感光面和集成屏的设计制造；第二，图18俯视图是一种设计，侧视图是另一种设计，是皱褶走向由纵向改横向的区别；第三，皱褶面设计后的微细光线发光面和微细光线感光面面积扩展为原平面设计的倍。

附图18说明：名称，裸眼3D显像屏发光面或摄像屏感光面的扩展设计示意图(俯视图或侧视图)， 1-皱褶设计的屏底面(微细光线发光面或者微细光线感光面)，2-屏基材料，3-裸眼3D显像屏或摄像屏屏面。

只要裸眼3D屏的微细光线发生器足够多，在裸眼3D虚像屏、裸眼3D实像屏外，还可以设计出裸眼 3D虚像+实像屏来，即屏后是虚像，屏前是实像，同时放像。

九、裸眼3D放像设备整体功能模块设计

图19为裸眼3D虚像/实像放像设备功能框架图。

功能框架第一步，将三维影像信息接收、存储和解压，并按照图层距轴(y轴)对齐的方式转换成为虚像/实像区的图像信息空间点阵。如遇影像规格与放像区不匹配的情况，就需要得到用户关于图像扩充或压缩模式的选项选择，以达成在被摄区和放像区不匹配时的用户3D视像需求和体验的最佳满足。第二步，将实像/虚像的图像信息点阵，按照视像屏四点共线坐标对照表，转换成为微细光线光源的电极逻辑矩阵信息。第三步，根据观众定位摄像头的感测和定位，对观众进行最佳观赏区的导引和提示。再根据观众的位置信息，进行微细光线发生器电极逻辑选择，即专用微细光线发生器和公共微细光线发生器的优化选择，按照近观众点优先的原则进行，以实现裸眼3D放像和节能。最后将电极逻辑矩阵信息转换成为微细光线光源的电极物理矩阵信息，点亮物理电极和放像。

第三步需要特别说明的是两个判断选择：一个是，正对观众的微细光线发生器的选择，根据视像屏四点共线坐标对照表和观众的感测定位信息，正对观众的专用微细光线发生器才被点亮；另一个，在接下来对正对观众的公共微细光线发生器选择中，按照近观众的像点优先的原则，近观众点的像点信息优先占据公共微细光线发生器。观众3D最佳视效和节能目标都实现。

十、裸眼3D摄像设备整体功能模块设计

图20为裸眼3D摄像设备功能框架图。

裸眼3D摄像设备功能框架，首先，保留了传统2D摄像屏。为的是弥补裸眼3D摄像屏对被摄区的有界性和对远景背景景物的缺失缺陷。把远景景物用传统2D摄像屏摄下来并转换成为裸眼3D被摄区的最远层图像。要说明的是，为避开3D被摄区景物对远景的阻挡，2D摄像屏的拍摄角度要避免与3D摄像屏同方位。如3D摄像屏在正面拍摄，2D摄像屏就可以从两侧面，或者从顶面高视角等方位进行拍摄。其次，采用了3D屏远景拍摄作为量化对比参数的策略。目的是在优化策略中尽可能减少和排除被摄区以外光线对被摄区的判断干扰。具体功能框架如下：

第一步，裸眼3D摄像屏的微细光线感光面将被摄点/被摄区的光信号转换成为裸眼3D摄像屏感光元器件的电极物理信号矩阵。第二步，信号采集。感光元器件电极模拟信号经过放大、模数转换，形成电极数字信号3D矩阵，即形成电极数字信号，生成电极逻辑信号矩阵。第三步，按照物屏五点坐标对照表，对被摄点的双眼信号进行比对筛选，一是筛选出被摄区的图像信号，二是与远景拍摄数据的比对，排除远景光线干扰。此步旨在将电极逻辑信号矩阵转换成为像点信号矩阵。第四步，按图层距(y轴)对齐原则，将2D摄像屏获取的图像信号作为最远层信号，将像点信号矩阵转换成为优化的像点信号矩阵(有近景有远景)。第五步，打包压缩形成裸眼3D影像信息供传输、存储和放像使用。

远景光线干扰，是指被摄点没有景物，接收到从被摄点以远方向传来的两条交叉的微细光线，它给被摄点造成“假象”而成为主要干扰，被称作远景光线干扰。用左右眼两条光线比对判断的方式可以排除大部分干扰，但仍不能全面彻底解决。需引入被摄区情景模式选择，以进一步细化此干扰消除的解决方案。比如，按照被摄区以远景物特性可以设置有天际、全天际、多天际、少天际、无天际、空旷远景、近景等模式，按照被摄区的景物特性可以设置室内、舞台、建筑物，园林，森林等模式，以及两种特性的组合模式。这些模式的选择必将为深入消除远景光线干扰，提供更加优化的解决方案。

十一、裸眼3D摄像、放像系统实现的限制因素

作为一个全新的制造领域，裸眼3D摄像、放像系统实现的难点很多。主要有，第一、精密的制造工具如微细高能激光束的制造实现。第二、在集成屏、微细光线发光面和微细光线感光面的制造中，米级的屏，微米级、纳米级甚至更小量级的像点定位精度及其实现。第三、裸眼3D摄像屏和放像屏的微细光线有限与像点无穷多要求和可视点无穷多要求之间的矛盾难以调和。假设像点数为Σ，可视点数为Π，理论上放像屏上的微细光线束数应为Π·Σ。囿于裸眼3D屏的微细光线发生器等制造实现的局限，在设计制造中不得不适当限制集成屏可视区的可视点数，以换取更多像点的三维视像。正因为这些限制因素的存在，不断开发更高精度的裸眼3D摄像、放像关键组件及其设备将会成为各国乃至全世界裸眼3D视像产业成长和进步的阶梯。

Claims (11)

1.本文提出的人眼“微细光线发生器不可见与微细光线汇聚成像可见”实现策略。

2.本文提出的微细光线集成屏的基材料选择及制造工艺要点。

3.按照1和2实现策略提出的，遵循可视点、像点、微细光线集成屏屏面点和屏底点四点共线法则的微细光线集成屏。

4.按照3四点共线法则仿真计算的视像屏四点共线坐标对照表，由微细光线发光面加微细光线集成屏组成的裸眼3D虚像屏（等离子体光源）。

5.按照3四点共线法则仿真计算的视像屏四点共线坐标对照表，由微细光线发光面加微细光线集成屏组成的裸眼3D虚像屏（发光二极管光源）。

6.按照3四点共线法则仿真计算的视像屏四点共线坐标对照表，由微细光线发光面加微细光线集成屏组成的裸眼3D实像屏（等离子体光源）。

7.按照3四点共线法则仿真计算的视像屏四点共线坐标对照表，由微细光线发光面加微细光线集成屏组成的裸眼3D实像屏（发光二极管光源）。

8.按照3四点共线法则仿真计算的物屏五点坐标对照表，由微细光线感光面加微细光线集成屏组成的裸眼3D摄像屏。

9.基于4至8提出的，裸眼3D摄像屏感光面和放像屏发光面的由平面改皱褶面的扩展设计。

10.基于4和7的，裸眼3D放像设备的功能框架设计。

11.基于8的，裸眼3D摄像设备的功能框架设计。