一種光場(chǎng)成像打印裝置及具有三維浮動(dòng)圖像的薄膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光場(chǎng)成像領(lǐng)域，尤其涉及一種光場(chǎng)成像打印裝置及具有三維浮動(dòng)圖像的薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]真實(shí)的三維物體之所以能被人們觀察到，是因?yàn)槲矬w向空間發(fā)出光能的緣故，可以把物體視為具有許多發(fā)光的點(diǎn)光源的集合，每個(gè)點(diǎn)光源稱之為物體的一個(gè)體像素。人們?cè)谟^察三維物體時(shí)，實(shí)際上是在獲取該物體各體像素的空間位置信息以及每個(gè)體像素點(diǎn)所發(fā)出光線的方向信息?；谝陨显?，光場(chǎng)成像理論認(rèn)為，在二維平面上表達(dá)一個(gè)三維物體信息，至少需要四個(gè)獨(dú)立變量，即三維坐標(biāo)變量χ-y-z和方向變量θ，光場(chǎng)即定義為空間中所有該四參量光線輻射度函數(shù)L(x，y，z，θ)的集合。
[0003]光場(chǎng)成像技術(shù)可追溯至1908年法國(guó)科學(xué)家李普曼提出的集成照相術(shù)(IntegralPhotography，IP)，該方法利用覆有微透鏡或者針孔陣列的記錄材料獲取三維物體的光場(chǎng)信息。真實(shí)物體發(fā)出的光線通過(guò)微透鏡陣列成縮小的實(shí)像并使照相底片的感光層曝光，由于所處的空間位置不同，每個(gè)微透鏡都從不同的視角對(duì)物體成像，因而照相底片最終所成的像是由每個(gè)微透鏡所成像的合成像。照相底片顯影之后，通過(guò)該微透鏡陣列觀看底片上的合成像，根據(jù)光線可逆原理，觀察者會(huì)看到所拍攝場(chǎng)景的三維再現(xiàn)，且該三維再現(xiàn)像的視覺效果好像懸浮在底片上。由于微透鏡材料是從不同方向?qū)ξ矬w作記錄，即記錄了具有視差的物體圖像。再現(xiàn)時(shí)，如果觀察者改變方位，微透鏡對(duì)倆眼的觀察視角將發(fā)生連續(xù)的細(xì)微變化，視覺上會(huì)形成空間動(dòng)態(tài)三維浮動(dòng)成像效果。
[0004]基于光場(chǎng)成像原理的激光打印技術(shù)，利用會(huì)聚激光聚焦點(diǎn)模擬三維物體體像素輻射光場(chǎng)，并由微透鏡陣列薄膜材料獲取該光場(chǎng)信息。利用光、機(jī)、電裝置來(lái)調(diào)控不同入射角度、不同聚焦高度的會(huì)聚光線，輸入文字、二維或三維的圖像，再現(xiàn)具有不同動(dòng)態(tài)景深物象。該類技術(shù)主要包括微透鏡薄膜記錄材料的設(shè)計(jì)制作和模擬點(diǎn)光場(chǎng)的獲取。
[0005]對(duì)于微透鏡記錄材料，美國(guó)專利US2326634公開了一種將透明微球部分嵌入聚合材料粘結(jié)劑層中，再在該聚合材料背面鍍上SOnm左右厚度的鋁膜。該型材料由透明微球?qū)θ肷涔鈭?chǎng)進(jìn)行聚焦，聚焦光點(diǎn)能量達(dá)到鋁膜的損傷閾值而燒蝕鋁膜，破壞該處材料的反射率，從而與本底鋁層的反射率有所差別，造成對(duì)比度不同，即生成了像素。為了獲得彩色圖像，也可使用多層薄膜材料來(lái)代替單一的鍍鋁層，當(dāng)多層薄膜吸收不同光能而被燒蝕成厚度不均的浮雕結(jié)構(gòu)時(shí)，基于薄膜干涉原理而呈現(xiàn)彩色的圖像。如美國(guó)專利US3801183中所描述的，使用冰晶石/硫化鋅(Na3 AlF6/ZnS)雙層膜結(jié)構(gòu)，或者鉻/聚合物/ 二氧化硅/鋁多層膜，更多膜層結(jié)構(gòu)詳見專利CN200880106663.4。上述材料半裸露的微球容易被破壞，造成再現(xiàn)圖像質(zhì)量的下降，中國(guó)專利CN201180053337.3提供了一種保護(hù)微透鏡的結(jié)構(gòu)，其將透明微球完全浸沒(méi)在粘合劑層中，然后在粘合劑層上涂覆200um左右的透明材料層，該透明材料層不僅可防止微球離開所在位置，還可獲得極佳的抗摩擦、抗沖擊等耐用性，而且該透明材料層可為整體材料提供極好的有光澤的外觀。
[0006]對(duì)于模擬點(diǎn)光場(chǎng)的獲取，中國(guó)專利文獻(xiàn)CN200880106663.4描述了多種光場(chǎng)的獲取方案。方案一，是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將平行激光光源的直徑縮小至大約1_，照射在約5_的陶瓷小珠上，利用表面粗糙的陶瓷珠的散射作用來(lái)獲取擴(kuò)散的光場(chǎng)，配合記錄材料的x-y-z空間坐標(biāo)的移動(dòng)來(lái)記錄三維物體的光場(chǎng)數(shù)據(jù)。方案二，是利用透鏡會(huì)聚平行激光光束來(lái)產(chǎn)生點(diǎn)光場(chǎng)。該方法通過(guò)擴(kuò)散片擴(kuò)大光斑，通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)獲得擴(kuò)束光束，用凸透鏡的會(huì)聚或凹透鏡擴(kuò)散功能，產(chǎn)生具有聚焦效應(yīng)的點(diǎn)光場(chǎng)，該點(diǎn)光場(chǎng)即代表了待打印物體的一個(gè)體像素。通過(guò)移動(dòng)記錄材料所在的χ-y平臺(tái)以改變體像素的相對(duì)空間位置，可直寫入一幅二維圖形信息，再配合通過(guò)改變匯聚透鏡的高度，則可獲得不同深度信息的體像素空間位置，從而，通過(guò)逐層掃描打印的方式實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)圖形。方案三，提出利用激光束照射微透鏡陣列面，由大數(shù)值孔徑的微透鏡對(duì)光束進(jìn)行折射，再由凸透鏡收集此發(fā)散的光束，得到會(huì)聚的點(diǎn)光場(chǎng)。同時(shí)通過(guò)振鏡的掃描移動(dòng)光點(diǎn)，從而在記錄材料上直接打印圖像信息。
[0007]中國(guó)專利文獻(xiàn)CN201310291009.8利用振鏡在會(huì)聚透鏡上做掃描，利用會(huì)聚透鏡的折射得到不同入射角的光線，在透鏡焦平面附近放置大數(shù)值孔徑微透鏡陣列，利用微透鏡偏折光束，得到擴(kuò)散的點(diǎn)光場(chǎng)。該點(diǎn)光源始終懸浮在記錄材料表面上方，為了獲得下沉的會(huì)聚點(diǎn)光場(chǎng)，專利中指出可在微透鏡陣列與記錄材料之間放置一凸透鏡，收集被擴(kuò)散的光能，并使其聚焦在記錄材料的下方，從而可得到下沉的打印成像。由于振鏡掃描的頻率很高，在極短的時(shí)間內(nèi)透鏡可將各掃描光線聚焦到同一點(diǎn)，在透鏡的焦平面處瞬時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的會(huì)聚光斑，比之專利CN200880106663.4的單光束匯聚成像，可增加再現(xiàn)圖像的視場(chǎng)角，圖像動(dòng)態(tài)感較強(qiáng)。
[0008]中國(guó)專利文獻(xiàn)CN200880117941.6公開了一種可以利用微透鏡記錄材料母模進(jìn)行大批量復(fù)制的技術(shù)。該方法依然采用透鏡會(huì)聚平行光的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)獲取匯聚光場(chǎng)，而文中所述母模材料記錄層不再是上述鋁或多層膜，而是涂覆具有可光聚合的材料層，該材料層對(duì)于飛秒激光光源可發(fā)生單光子、雙光子甚至多光子吸收，以致使該聚合材料發(fā)生局部物理、化學(xué)特性的變化，比如該局部屬性變化的材料不可以被乙醇等有機(jī)溶劑溶解，而未吸收光子的材料部分則可以溶解，如此被溶解后的材料將呈現(xiàn)浮雕結(jié)構(gòu)，從而記錄了圖像的信息。對(duì)此浮雕結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列固化以制成具有一定抗機(jī)械變形的母模，利用業(yè)已成熟的微復(fù)制技術(shù)，如卷對(duì)卷壓印，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
[0009]上述專利中制作具有三維浮動(dòng)圖像薄膜的方法各不相同，尤其是模擬點(diǎn)光場(chǎng)的獲取裝置各不相同，導(dǎo)致薄膜再現(xiàn)的浮動(dòng)圖像可觀察視角和動(dòng)態(tài)觀察范圍各不相同，雖各有優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很明顯。如專利CN200880106663.4中方案一所述，所獲取的體像素尺寸至少為激光束的直徑大小，導(dǎo)致再現(xiàn)時(shí)的成像質(zhì)量分辨率低。而方案二中所述，由于激光束光強(qiáng)分布屬于高斯分布，這種對(duì)單光束激光進(jìn)行擴(kuò)束聚焦的方法，使得記錄材料面收集到的光能密度不均，難以控制各點(diǎn)位置都能達(dá)到記錄材料的改性能量閾值，從而，不能有效利用光能，導(dǎo)致獲取的圓錐型點(diǎn)光場(chǎng)的數(shù)值孔徑小，影響再現(xiàn)時(shí)的觀察視角。雖然圖像有懸浮或下沉景深感，但由于視場(chǎng)角較小，因而動(dòng)態(tài)感較弱，且該系統(tǒng)沒(méi)有可變的“方位角”變量，不具備不同視場(chǎng)角下輸入不同圖形的能力，打印模式單一。方案三要求掃描光斑與微透鏡對(duì)準(zhǔn)精確，否則，當(dāng)激光束移動(dòng)至兩微透鏡的邊界時(shí)，其折射功能減弱，有可能將光束一分為二，影響成像結(jié)構(gòu)，光斑掃描至邊緣時(shí)，將有部分光線偏離透鏡的收集范圍，降低能量利用率，減少系統(tǒng)數(shù)值孔徑和視場(chǎng)角，由于該方案僅依靠振鏡掃描來(lái)投射輸入圖像的像素位置，由于最終光線不再是沿振鏡的出射方向傳播，而是經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的偏折，成像點(diǎn)偏離預(yù)設(shè)位置，導(dǎo)致最終成像不再是理想像，比如畸變。同時(shí)，其所描繪的打印多視角圖形過(guò)程，先由系統(tǒng)提供一個(gè)入射角度的匯聚光場(chǎng)，保持此入射角度，通過(guò)移動(dòng)χ-y平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)視角圖的輸入，再由系統(tǒng)提供另一個(gè)入射角度的會(huì)聚光場(chǎng)，重復(fù)移動(dòng)χ-y平臺(tái)輸入另一視角圖形，不光效率低下，而且存在各視角光線與同一位置精確對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題。專利CN201310291009.8所采用的方法，最終還是通過(guò)微透鏡陣列折射獲得會(huì)聚光場(chǎng)，同樣會(huì)出現(xiàn)上述專利的弊端，同時(shí)，由于透鏡只在一維方向上聚焦，導(dǎo)致其它方位角信息的丟失，所呈現(xiàn)圖像只在一維方向上有動(dòng)感，方案中輸入多視角圖像時(shí)需先校準(zhǔn)光路以得到所需視角，再輸入視角圖，接著重新校準(zhǔn)另一視角光路，再輸入另一幅圖片，重復(fù)此程序，直至輸出全部視角圖。很明顯，這樣的方案不但效率低，且在同一位置輸入多幅視角圖，需每次的操作都能夠?qū)υ撐恢镁_對(duì)準(zhǔn)，增加了復(fù)雜性。
[0010]對(duì)于雙目視覺系統(tǒng)具有同時(shí)從兩個(gè)方向觀察同一物體的功能，物體分別在視網(wǎng)膜上作二維投影，通過(guò)大腦對(duì)兩幅視差投影圖合成，產(chǎn)生立體效果。真實(shí)三維物體的每個(gè)表面點(diǎn)所輻射的光場(chǎng)具有錐形擴(kuò)散的特點(diǎn)，該錐形輻射的夾角α范圍可以從0-360°，夾角越大，說(shuō)明可觀察到此物點(diǎn)的視場(chǎng)角越大。激光打印光場(chǎng)成像系統(tǒng)采用會(huì)聚激光來(lái)合成三維物體的光場(chǎng)，其聚焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)著物體的一個(gè)體像素，前文方案中所獲得的模擬體像素光場(chǎng)特性各不相同，因而，再現(xiàn)時(shí)觀察到的效果也不同。比如，數(shù)值孔徑不同，導(dǎo)致可動(dòng)態(tài)觀察圖像的視場(chǎng)角有大有小。數(shù)值孔徑越大，視場(chǎng)角越大，動(dòng)態(tài)感越強(qiáng)，所以，如何合成大數(shù)值孔徑的體像素光場(chǎng)，是本專利需要解決的問(wèn)題。
[0011]當(dāng)然，如何記錄所合成光場(chǎng)信息是本專業(yè)的另一重心。利用二維平面記錄三維物體，再現(xiàn)時(shí)，希望能猶如身臨其境，連續(xù)的從不同角度觀察到此物體，這就要求材料能最大程度的記錄物體各點(diǎn)發(fā)出的錐形輻射光場(chǎng)。更進(jìn)一步，由于三維物體的信息量比二維要大，人們希望，同樣的材料面積能夠記錄更豐富的信息，即要求材料具有空間復(fù)用功能，這樣觀察者可以從不同的方位觀察到不同的物象?；谖⑼哥R陣列記錄材料的激光光場(chǎng)成像打印系統(tǒng)同時(shí)滿足模擬與記錄的技術(shù)條件，可以打印完成后直接再現(xiàn)三維物體的像。
[0012]如前所述，光場(chǎng)成像技術(shù)需要四個(gè)獨(dú)