专利名称：球面光栅全息立体图像摄取设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种立体图像摄取设备，特别涉及一种全息立体图像摄取设备。
背景技术：
激光全息照相技术是利用光的干涉原理，以干涉条纹的形式记录物光波的全部信 息，它是将同频同相的两束单色激光，一束直达感光板作为参考光，一束照射在被摄物上， 经被摄物反射形成物光，物光与参考光在感光板上产生干涉条纹，感光板记录这些干涉条 纹，从而实现对现场信息的三维立体记录。激光全息照相技术具有立体感真实，照片无限可 分割等特性(激光全息照相技术所得到的照片的每一部分，不论大小，都能再现出原来的 整个景象)。但激光全息照相技术对光源要求极高，为了满足参考光与物光的频率与相位要 求，通常使用同源激光经分光镜分光得到所需的参考光与物光光源，同时要求被摄现场不 能有其它光源，这使得利用激光全息照相技术记录活动场景信息还有很多的技术难点要解 决。由于记录现场使用专用的单色激光源作为唯一的现场照明光源，使得记录图像没有自 然场景的真实色彩。
发明内容
本发明的目的是设计一个操作简单，不会出现彩色失真的全息立体图像摄取设备。为实现以上发明目的，设计一个球面光栅，球面光栅是由表面是微小球面凸起的 弧形面并均勻紧密排列成正六边形或六边形或正方形或四边形的透明材料构成。构成球面 光栅的透明材料可以是玻璃，或聚氯乙烯，或聚乙烯，或聚丙烯，或聚对苯二甲酸乙二酯， 或聚对苯二甲酸丁二酯，或聚苯乙烯，或聚碳酸脂，或聚甲基丙烯酸甲酯，或热塑性聚氨酯。 球面光栅表面的微小球面凸起的对角线长度在0. 001至2毫米之间，球面光栅表面的微小 球面凸起高度是凸起对角线长度的百分之一至二分之一之间，球面光栅表面的相邻微小球 面凸起的中心距在0. 001至2毫米之间，球面光栅除去表面的微小球面凸起高度后的厚度 是微小球面凸起形成的微形光学透镜焦距的1倍至2倍。球面光栅表面的微小球面凸起的 弧形面是球面的一部分，每一个微小球面凸起等效为一个微形光学透镜(微透镜)，各微透 镜有相等的焦距、相同的高度与相同的焦点平面。将上述由微透镜阵列构成的球面光栅放置于图像摄取设备感光器件与成像镜头 之间并覆盖在感光器件上制成一个球面光栅全息立体图像摄取设备，如图1所示。要求所 加球面光栅的每一个微透镜镜心与感光器平面距离Δ、微透镜镜心与成像镜头等效物镜对 应的孔径光阑平面间的距离V、微透镜焦距f、微透镜占用光栅平面内的最大圆直径δ、成
像镜头等效物镜对应的孔径光阑直径D、满足Γ1=八-1 -1、^ = +，同时Δ是f的1倍至2
倍。球面光栅全息立体图像摄取设备工作时，对着现场拍摄图像，将球面光栅的每一球面微 透镜下对应的感光器上的有效成像区域(有效成像区域是指被摄场景的物光通过成像镜头的孔径光阑和一个微透镜在感光器上的成像的微小区域，它实际上是孔径光阑工作面通 过微透镜在感光器上形成的像所在区域)内的所有像素点作为一个全息立体像素单元，感 光器件上覆盖有多少个微透镜，图像上就有多少个全息立体像素单元，全息立体像素单元 内的各像素点按上下左右位置倒置重排，各全息立体像素单元在图像上的相对位置不变， 形成全息立体图像。将像素点重排后所得的全息立体图像重现并在其上覆盖与图像等比例 缩小或放大的球面光栅，使球面光栅的每一个微透镜都处在图像全息立体像素单元的正上 方，在一定视场内通过球面光栅分像，让成像镜头左部光线形成的左侧图像进入人左眼，成 像镜头右部光线形成的右侧图像进入人右眼，形成立体视觉，移动观看位置使其它视差对 进入人左右眼，形成全息立体视觉。由于微透镜阵列的每一微透镜焦距与安装位置满足Γ1 = Δ-1+,1，所以微透镜阵
列的每一个微透镜均能将镜头孔径光阑工作面成像于各自对应的全息立体像素单元上，全
息立体像素单元的每一像素点都唯一对应孔径光阑上的一个点，而孔径光阑的不同点相对
被摄场景均有不同视角，即是说，全息立体像素单元的每一像素点都记录了现场一个物点
信息的一个独有视角，经镜头孔径光阑上一点的物光形成的像被记录在所有全息立体像素
单元的同一相对位置上。所有全息立体像素单元的同一相对位置上的像点合成一幅视差图
像，全息立体像素单元有多少个像点，就形成多少个视差图像。由于微透镜阵列的每一微透镜及位置满足D/δ=V/△，从而确保了相邻全息立体像素
单元彼此相邻而不重叠，保证了全息立体像素单元上任一像素点记录的方位性息的唯一 性。由于每一全息立体像素单元内的各像素点按上下左右位置倒置重排，保证了全息 立体图像在用球面或柱面光栅分像时立体深度与图片方位的一致性。不会出现在保证了图 片水平与垂直方位正确时就不能保证纵深方位的正确、保证了纵深方位的正确时就不能保 证图片水平与垂直方位的正确的情况出现。本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备，具有以下特点1、本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备所摄取的立体图像是真彩色全息立 体图像，全息立体像素单元的任意一像素点，都记录了来自镜头孔径光阑工作面上对应唯 一位置的亮度与色度信息，全息立体像素单元的全部像素点，共同记录了来自镜头整个孔 径光阑工作面的亮度与色度信息，重现立体图像时，左眼通过微透镜观看到全部全息立体 像素单元偏右的同一相对位置上的像点合成一幅视差图像，右眼通过微透镜观看到全部全 息立体像素单元的偏左的同一相对位置上的像点合成的另一幅视差图像，两视差图像经大 脑融合形成一个真彩色立体图像，移动观看位置，可看到另一立体视差图像对，在立体视场 内，人眼总能看到不同方位的真彩立体视差图像对从而形成真彩全息立体视觉。2、本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备所记录的立体方位数是由感光器件 的分辨率决定，当整个图片的球面光栅数确定时，立体图像记录的立体方位数与感光器件 的分辨率成正比，在一个全息立体像素单元上，每一像素点都唯一对应于镜头孔径光阑工 作面的一个点，都唯一记录了来自镜头的一个方位信息，全部全息立体像素单元的同一相 对位置上的像点合成一幅视差图像，全息立体像素单元有多少个像点，就能合成多少个视 差图像，全息立体图像就记录了多少个立体方位。
3、本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备所摄取的立体图像，其分辨率是由球 面光栅的微透镜数量决定的。由于立体图像是通过球面光栅分像观看的，所以在一个确定 位置上，人单眼通过一个微透镜只能看到其下对应全息立体像素单元的一个像素点，所有 全息立体像素单元的同一相对位置上的像素点合成一个视差图像，因此，整个图片上覆盖 的球面光栅的微透镜数量与实际观看到的每一视差图像像素数是一致的。4、本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备，记录立体图像的色彩是由感光器件 记录色彩决定，当感光器是单色时只能实现单色全息立体图像记录，当感光器是彩色时能 实现彩色全息立体图像记录。5、本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备，其记录的立体图像的最大视差由镜 头孔径光阑工作面的有效通光直径决定，有效通光直径越大，立体图像的最大视差就越大。6、本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备，为了能正确的观看立体信息，立体 图像重现时要将全息立体像素单元的所有像素点位置在水平与垂直方向上进行逆向重排， 以保证全息立体图像在用球面或柱面光栅分像时立体深度与图片方位的一致性。7、用本发明的球面光栅全息立体图像摄取设备摄像时，对现场光源没有特殊要 求，这与激光全息照相技术有本质区别，从而使得全息立体摄像变得方便可行。
为了说明本发明的原理与系统实现方法，给出如下附图图1是球面光栅全息立体图像摄取设备结构框图。图2是球面光栅全息立体图像摄取设备的球面光栅结构示意图。图3是球面光栅全息立体图像摄取设备的球面光栅安装要求示意图。图4是感光器件上图像像素点排列图示意图。图5是图像像素点重排后的图像像素点排列示意图。图6是立体重现示意图。图7是立体重现视场分布示意图。图8为本发明所能记录立体图像的最大视差图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的原理作进一步详细说明。图1是球面光栅全息立体图像摄取设备结构框图。其中，1为被摄现场，2为摄像镜头的等效物镜，20为摄像镜头的等效物镜对应的 孔径光阑，3为微透镜阵列构成的球面光栅，4为感光器件，5为图像像点重排电路，6为像机 存贮及其它控制电路。球面光栅全息立体图像摄取设备在像机存贮及其它控制电路6的控制下对焦于 场景1摄像时，场景1通过镜头聚焦成像于球面光栅3的光栅平面上，球面光栅的每一球面 微透镜将来自镜头等效物镜对应的孔径光阑20的工作面上不同点的光汇聚于其下感光器 上，将球面光栅的每一球面微透镜下对应的感光器上的有效成像区域(有效成像区域是指 被摄场景的物光通过成像镜头的孔径光阑和一个微透镜在感光器上的成像的微小区域，它 实际上是孔径光阑工作面通过微透镜在感光器上形成的像所在区域)内的所有像素点作为一个全息立体像素单元，感光器记录这些由一个个全息立体像素单元构成的立体图像信 息送图像像点重排电路5，图像像点重排电路5将每一个全息立体像素单元内的像素点在 水平与垂直方向上的位置倒置重排，各全息立体像素单元在图片上的位置不变，像素点重 排后的全息立体图像送像机存贮及其它控控制电路6对图像进行记录与输出。图2是球面光栅全息立体图像摄取设备的球面光栅的结构示意图。其中图2(1)是球面光栅是由表面是微小球面凸起的弧形面并均勻紧密排列成正 方形时的一种结构示意图，图2(2)是球面光栅是由表面是微小球面凸起的弧形面并均勻 紧密排列成正六边形的一种结构示意图。图3是球面光栅全息立体图像摄取设备的球面光栅安装要求示意图。其中，2为摄像镜头的等效物镜，3为微透镜阵列构成的球面光栅，4为感光器件，D 为成像镜头等效物镜对应的孔径光阑直径，Δ为微透镜镜心与感光器平面距离，ν为微透 镜镜心与成像镜头等效物镜对应的孔径光阑平面间的距离，f为微透镜焦距，δ为微透镜 占用光栅平面内的最大圆直径。图3 中各参满足 Γ1 = Δ、一、^ = 二。
δ Δ当满足Γ1 = Δ ^+V-1时，微透镜阵列的每一个微透镜均能将镜头孔径光阑工作面
成像于各自对应的全息立体像素单元上，全息立体像素单元的每一像素点都唯一对应孔径
光阑工作面上的一个点，而孔径光阑工作面的不同点相对被摄场景均有不同视角，即是说，
全息立体像素单元的每一像素点都记录了现场信息的一个独有视角，经镜头孔径光阑工作
面上一点的物光形成的像被记录在所有全息立体像素单元的同一相对位置上。所有全息
立体像素单元的同一相对位置上的像点合成一幅视差图像，全息立体像素单元有多少个像
点，就形成多少个视差图像。
权利要求
球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于图像摄取设备感光器件与成像镜头之间安装有一个由微透镜阵列构成的球面光栅，球面光栅覆盖在感光器件上，球面光栅全息立体图像摄取设备对着现场拍摄图像时，将球面光栅的每一球面微透镜下对应的感光器上的有效成像区域作为一个全息立体像素单元，全息立体像素单元内的各像素点按上下左右位置倒置重排，各全息立体像素单元在图像上的相对位置不变，所得的全息立体图像重现并在其上覆盖与图像等比例缩小或放大的球面光栅得到全息立体图像。
2.根据权利要求1所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于所加球面光栅 是由表面是微小球面凸起的弧形面并均勻紧密排列成正六边形或六边形或正方形或四边 形的透明材料构成。
3.根据权利要求1或2所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于球面光栅 表面的微小球面凸起的对角线长度在0. 001至2毫米之间，球面光栅表面的微小球面凸起 高度是凸起对角线长度的百分之一至三分之一之间，球面光栅表面的相邻微小球面凸起的 中心距在0. 001至2毫米之间。
4.根据权利要求1或2所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于球面光栅 表面的微小球面凸起的弧形面是球面的一部分，每一个微小球面凸起等效为一个微形光学 透镜，各微形光学透镜有相等的焦距、相同的高度与相同的焦点平面。
5.根据权利要求1或2所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于球面光栅 除去表面的微小球面凸起高度后的厚度是微形光学透镜焦距的1倍至2倍之间。
6.根据权利要求1所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于所加球面光栅 的每一个微透镜镜心与感光器平面距离Δ、微透镜镜心与成像镜头等效物镜对应的孔径光 阑平面间的距离V、微透镜焦距f、微透镜占用光栅平面内的最大圆直径S、成像镜头等效 物镜对应的孔径光阑直径
7.根据权利要求1或5所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于所加球面 光栅的每一个微透镜镜心与感光器平面距离Δ是微透镜焦距f的1倍至2倍。
8.根据权利要求1所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于将球面光栅的 每一球面微透镜下对应的感光器上的有效成像区形成的全息立体像素单元域内的各像素 点按上下左右位置倒置重排，各全息立体像素单元在图像上的相对位置不变，形成全息立 体图像。
9.根据权利要求1所述的球面光栅全息立体图像摄取设备其特征在于将像素点重排 后所得的全息立体图像重现并在其上覆盖与图像等比例缩小或放大的球面光栅，使球面光 栅的每一个微透镜都处在图像全息立体像素单元的正上方。
全文摘要
本发明提出一种真彩色全息立体图像摄取设备，其特征在于在摄像设备感光器件与成像镜头之间并覆盖在感光器件上有微透镜阵列构成的球面光栅，球面光栅的每一个微透镜镜心与感光器平面距离Δ、微透镜镜心与成像镜头等效物镜对应的孔径光阑平面间的距离v、微透镜焦距f、微透镜占用光栅平面内的最大圆直径δ、成像镜头等效物镜对应的孔径光阑直径D、满足f-1＝Δ-1+v-1、同时Δ是f的1倍至2倍，设备拍摄工作时，将球面光栅的每一球面微透镜下对应的有效成像区域内的各像素点按上下左右位置倒置重排，所得的图像重现并在其上覆盖与图像等比例缩小或放大的球面光栅，在一定视场内通过球面光栅分像形成全息立体视觉。
文档编号G02B27/22GK101995754SQ201010283210
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者张德忠 申请人:张德忠