[发明专利]一种微光栅亚像素三维光学图像及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学图像及其设计和实现方法，具体涉及一种具有多视角信息的三维数字图像及其制作，可用于三维显示、立体印刷和虚拟现实领域。

背景技术

人们对客观环境的感知总是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及味觉等获取的，逼真地模拟再现出这些临场感觉，是现代科技的重要研究课题之一。通过立体声系统，人们在听觉上可以感受到现场感觉，立体声技术目前已发展到了较高的技术水平。而立体视觉技术，还需要技术突破，才能实现实用化的应用。立体视觉技术包含立体图像和立体视频，本发明所涉及的是立体图像技术。

按观察方式分类，立体图像可分为借助观察工具类型和肉眼观察两种类型。借助观察工具的有偏振式的立体图像、红绿滤色片立体图像等，由于受制于观察工具，所以实际应用极不方便。适合肉眼观察的立体图像有柱透镜光栅图像、微透镜阵列图像和全息图像。柱透镜光栅图像和微透镜阵列图像，采用在印刷有多视角信息的图案上覆盖一层光学透镜膜，实现各视角信息的光线在空间上分离，形成三维观察效果，但是受制于光学结构的尺寸(几百微米量级)，所以图像粗糙，制造成本也较高。

激光全息技术也可以实现三维立体图，传统的全息图像技术自20世纪60年代激光器问世后得到了迅速的发展，其基本机理是利用光波干涉法同时记录物光波的振幅与相位。由于全息再现像的光波保留了原有物光波的全部振幅与相位的信息，再现像与原物体有着完全相同的三维特性，是一种真正的三维图像。全息图像的微观结构是微小的亚微米结构，具有衍射光的特性，所以全息图像是一种无油墨图像，可以呈现出彩色立体的信息，模压技术可以实现这种图像的批量复制，从而实现了低制造成本，平面的全息图像已成功地实现了批量化的商业应用。然而，由于传统立体全息图像母板制作工艺步骤多而复杂，制作环境条件苛刻，限制了这种立体图像的应用，商业化应用的案例寥寥无几，将这种立体全息技术数字化，避开一些不易控制的因素，使得这种图像能够在工业化的条件下制作，是这种图像发展的必然要求，也将产生巨大的商业价值。

人对立体的感知是由于双眼视角差异实现的，物体距离眼睛近，视角大，物体距离眼睛远，视角小，若平面上的信息能够在被观察时形成不同的观察视角，人脑会根据这些具有差异的视角感知出立体的景象，如图1所示，11是平面图案，12、13是人的双眼，14是被感知出的立体景象。全息图像具有这种特性，所以适合肉眼观察。

目前大规模市场应用的光学可变图像是由平面全息发展而来，通常由具有1000线/毫米左右的单一衍射结构像素点组成，如图2所示。这类光变图像可形成动态的光变观察效果，通过像素平移技术，也可以实现简单的平面分层图像，如图3所示，但离立体图像的观察要求还相差甚远。

发明内容

本发明目的是提供一种不需要借助观察工具进行观察的三维图像及其制作方法，实现三维图像制作的数字化，使其能适于工业化生产。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微光栅亚像素三维光学图像，由排列于平面上的像素阵列结构构成，含有多个视角的分视角图像信息，每一像素由多个亚像素构成，每一亚像素对应于一个视角在该像素处的图像，每一亚像素为一光栅状图像单元，光栅状图像的条纹取向对应于视角，条纹的周期代表颜色信息，每一像素的面积不大于254微米，每一亚像素的面积不大于100微米。

上述技术方案的思想是：第一，设计一种具有衍射特征的像素结构，经过这种像素的衍射光线具有多视角的特征；第二，根据多视角图像数据设计每一个具体的像素结构；第三，用光刻设备逐一输出这种像素，最后形成一幅完整的三维衍射光学图像。其中，采用由亚像素构成的体视像素为图像单元，来组成三维图像。通过设定每个亚像素中光栅的条纹取向，来获得不同的观察视角，由此实现可肉眼观察的三维图像。

进一步的技术方案，为获得真彩色的图像，可以将每一亚像素分割为多个子亚像素，每一子亚像素通过改变光栅的周期获得不同的颜色，利用这些子亚像素的颜色组合获得该像素所需的颜色，每种颜色的亮度可以通过改变该颜色的光栅面积实现。其中，优选的技术方案，每一所述亚像素含有红、绿、蓝三色子亚像素。采用三原色组合获得彩色，可以利用现有的分色软件对每个视角的图像进行分色，便于实现。

上述技术方案中，所述亚像素或子亚像素由两部分构成，一部分为光栅区，另一部分为空白区，光栅区面积占整个亚像素或子亚像素的面积的比例代表该亚像素或子亚像素所在视角在该像素处的灰度。对单色图像，可以此实现灰度显示，对彩色图像，通过各子亚像素的光栅面积调节，可以获得各像素处的不同颜色显示。