立的變量才能表達(dá)一個空間三維物體，根據(jù)所采用的變量的取值范圍可現(xiàn)不同的成像效果。已有文獻(xiàn)資料所述的光場成像技術(shù)，只有三個獨(dú)立變量，而另一維為常量。如CN200880106663.4專利中所述為空間坐標(biāo)x_y_z變量系統(tǒng)，方向角變量Θ為常量，故而該系統(tǒng)可獲得3D景深圖像，而不能實現(xiàn)空間復(fù)用功能，且由于前面分析的原因，3D動態(tài)感弱。而專利CN201310291009.8為(X，y，ζ，Θ )變量系統(tǒng)，z為常量，因而，可以在不同視角下輸入不同的二維圖形，而不能打印三維物體。
[0013]因此，業(yè)界亟需一種能夠?qū)崿F(xiàn)更真實三維動態(tài)感圖像的薄膜以及具有四維變量的光場成像打印裝置，可以通過控制不同的變量值，實現(xiàn)多種不同特性的浮動圖像。確保既能實現(xiàn)諸如多視角變圖的成像效果，又能獲得更加真實物體的三維觀察體驗。比如實現(xiàn)360°周視浮動圖像和更加強(qiáng)烈的動態(tài)效果。還可從不同的取向角打印不同圖像，制備具有空間復(fù)用的立體圖像薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種四維變量光場成像打印裝置，及通過該四維變量光場成像打印裝置而制備的具有三維浮動圖像的微透鏡薄膜。
[0015]四維變量光場成像打印裝置包括光源、掃描振鏡系統(tǒng)、會聚光學(xué)組件，微透鏡記錄材料以及χ-y-z三軸移動平臺，其中會聚光學(xué)組件包括可控旋轉(zhuǎn)柱透鏡，記錄材料置于移動平臺上，光源通過掃描振鏡在可控旋轉(zhuǎn)柱透鏡圓弧面上掃描，最終形成具有大數(shù)值孔徑的會聚光場，該會聚光場通過各個微透鏡聚焦到薄膜材料的記錄層，聚焦的能量使該記錄層改性以提供一個像素點，移動χ-y-z平臺改變微透鏡記錄材料的空間位置，則該會聚光場可在各個微透鏡后面的記錄層上形成多個像素點，這些像素點組成了各個微透鏡后面的子圖像，再現(xiàn)時，各個微透鏡將與其關(guān)聯(lián)的子圖像折射到空間成像，共同合成浮動圖像。子圖像對應(yīng)著不同的視角范圍，故而可以從薄膜的不同視角觀察合成圖像，隨著觀察者的移動，所視合成圖像具有動態(tài)效果。
[0016]微透鏡薄膜由上述四維變量光場成像打印裝置制備而成，其記錄了一個或多個物體的光場信息，并且能夠再現(xiàn)相對于材料表面懸浮或下沉的圖像，這些圖像是由微透鏡對薄膜材料所成放大像組成的合成圖像，這些懸浮或下沉的合成圖像簡稱為浮動圖像。浮動圖像可以是二維圖像或三維圖像，其可以是黑白的，也可以是彩色的，浮動圖像看起來是顯現(xiàn)在薄膜材料上方、平面上或下方的三維景深圖像，也可以看起來是從一深度向另一深度連續(xù)變化的三維圖像。浮動圖像具有視角變化特性，觀察者可以用肉眼觀看，并且可以隨著觀察者移動而變化。本發(fā)明中的微透鏡薄膜材料再現(xiàn)圖像，不僅可觀察視角大、圖像動態(tài)感強(qiáng)，而且其視角還具有面域取向的特性，即在某個取向面內(nèi)可以動態(tài)觀察到某一再現(xiàn)圖像，而在另一取向面內(nèi)則可以在同一位置再現(xiàn)另一不同的圖像，不同的取向面由取向角θ來表征，其值0-360°連續(xù)可選。
[0017]本發(fā)明，可以通過控制不同的變量值，實現(xiàn)多種不同特性的浮動圖像。確保既能實現(xiàn)諸如多視角變圖的成像效果，又能獲得更加真實物體的三維觀察體驗。比如實現(xiàn)360°周視浮動圖像和更加強(qiáng)烈的動態(tài)效果。還可從不同的取向角打印不同圖像，制備具有空間復(fù)用的立體圖像薄膜。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種光場成像打印裝置，包括光源、掃描振鏡系統(tǒng)、透鏡、擴(kuò)散片、會聚透鏡組及微透鏡記錄材料，所述掃描振鏡系統(tǒng)包括振鏡與平場聚焦透鏡，所述透鏡置于平場聚焦透鏡的焦平面處，所述擴(kuò)散片放置在透鏡的焦面上，擴(kuò)散片與會聚透鏡組的上端保持一段可調(diào)距離，所述光源發(fā)射激光，光線依次經(jīng)過掃描振鏡系統(tǒng)、透鏡、擴(kuò)散片與會聚透鏡組，輸出瞬時動態(tài)的聚焦光斑，獲得體像素輻射光場，再由所述微透鏡記錄材料記錄瞬時體像素輻射光場信息。
[0019]優(yōu)選的，所述微透鏡記錄材料包括微透鏡陣列及位于微透鏡陣列下方的光敏感層，所述微透鏡陣列是由通光孔徑及浮雕深度為微米級的透鏡組成的列陣，所述光敏感層是一種不可逆的光變材料。
[0020]優(yōu)選的，所述光源發(fā)射激光，經(jīng)掃描振鏡系統(tǒng)出射光線，在透鏡表面作線性掃描，形成掃描光線簇，經(jīng)透鏡后，掃描光線簇會聚在所述擴(kuò)散片表面，并被散射出，所述會聚透鏡組對光束進(jìn)行收集會聚。
[0021]優(yōu)選的，打印三維物體時，移動所述微透鏡記錄材料所在的x-y-z平臺來獲取不同空間位置的體像素。
[0022]優(yōu)選的，所述體像素輻射光場由四個獨(dú)立參量控制，包括三維空間坐標(biāo)變量及透鏡取向角變量，變量間可自由取值組合，將四維變量降成三維或者二維。
[0023]優(yōu)選的，固定所述微透鏡記錄材料的ζ軸高度，以及固定透鏡的取向角，微透鏡記錄材料所在的平臺僅作χ-y方向的移動，則四維體像素光場表達(dá)降為二維，由此打印具有多視角或連續(xù)變化視角的懸浮或下沉的二維光場圖形，利用振鏡掃描系統(tǒng)，直接輸出一個宏像素，所述宏像素包含有許多不同視角的子像素，每個子像素對應(yīng)著待輸入多視角圖形的像素。
[0024]優(yōu)選的，所述透鏡選用柱透鏡、圓對稱的球面透鏡、聚焦能力更佳且數(shù)值孔徑與柱透鏡相匹配的非球面透鏡、具有像差校正的組合透鏡中的一種。
[0025]優(yōu)選的，所述透鏡選用柱透鏡，柱透鏡的數(shù)值孔徑在0.3?0.95之間，對入射光線在一維方向聚焦，另一維直接透射光線，由會聚點繼續(xù)傳播的光束成扇形面域擴(kuò)散。
[0026]優(yōu)選的，所述柱透鏡繞其自身幾何中心的Z軸旋轉(zhuǎn)，柱透鏡的旋轉(zhuǎn)角度決定扇形面域輻射光場的取向角，當(dāng)采用某一取向角定值打印三維光場數(shù)據(jù)時，觀察者只能在此取向角的扇形面內(nèi)觀察到圖像，當(dāng)偏離此取向角時，則圖像消失或觀察到偏離后的取向面內(nèi)的圖像。
[0027]優(yōu)選的，所述透鏡選用球面透鏡，所述掃描振鏡系統(tǒng)沿著球面透鏡的水平對稱軸方向線性掃描，會聚透鏡組輸出端獲得扇形面域體像素輻射光場。
[0028]本發(fā)明還提出一種具有三維浮動圖像的薄膜，由權(quán)利要求1-9中任一項所述的光場成像打印裝置制備，其特征在于:記錄了一個或多個物體的光場信息，可再現(xiàn)相對于薄膜表面懸浮或下沉的浮動圖像，所述浮動圖像由多個不同視角的子圖合成，可從不同的空間視角觀察到。
[0029]優(yōu)選的，在一個取向面內(nèi)觀察到的圖像，是同一物體的多視角圖或多幅不同的圖像，當(dāng)偏離所述取向面時，則圖像消失或觀察到偏離后的取向面內(nèi)的圖像。
[0030]優(yōu)選的，所述浮動圖像是二維圖像或三維圖像，為三維圖像時，浮動圖像是顯現(xiàn)在薄膜上方、薄膜平面或下方的三維景深圖像，或是從一深度向另一深度連續(xù)變化的三維圖像。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的技術(shù)優(yōu)勢:
[0032](I)提出用四維光場參數(shù)實現(xiàn)3D物體數(shù)據(jù)的打印輸出，使用四維變量參數(shù)定量的描述該物體所輻射的所有光線能量，即光場可量化表達(dá)，對光場從不同角度的理解，可以用不同的四維參數(shù)來表征，例如一條光線與兩個平行平面相交，兩個交點位置即是四個變量，也可用三個空間坐標(biāo)變量與一維旋轉(zhuǎn)角度變量表征光場數(shù)據(jù)信息。而現(xiàn)有的集成成像理論并不關(guān)心微透鏡陣列材料所捕獲的光場信息是由哪些參數(shù)控制的。但本發(fā)明中，使用會聚激光模擬物體體像素光場的打印系統(tǒng)，輻射光場可以由參數(shù)精確控制，更加具有實用價值。
[0033](2)本發(fā)明可提供更加豐富的打印模式，對于四維變量光場成像打印裝置，可以固定其中若干參量為定值，或者取若干參量為有限的離散值，則可依次打印出具有大視場高動態(tài)的二維或三維圖形。而且從預(yù)想的圖形再現(xiàn)結(jié)果，逆向考慮去設(shè)定系統(tǒng)的打印參數(shù)，思路清晰、不易混亂。更為難能可貴的是，由于柱透鏡只在一維方向上聚焦，當(dāng)設(shè)定柱透鏡的取向角為某些離散的定值時，可分別輸入不同的圖形信息，實現(xiàn)材料同一空間的多重利用?，F(xiàn)有的技術(shù)方案中并沒有給出材料的空間復(fù)用功能。
[0034](3)本發(fā)明可高效的實現(xiàn)光場數(shù)據(jù)打印，因某空間位置處的宏像素光場實質(zhì)是由一個周期內(nèi)振鏡掃描得到的許多不同入射視角的子像素光場組成，這些子像素光場代表著不同視角的多幅圖像相同位置的像素信息，而由于振鏡的高頻掃描，可在極短的時間內(nèi)就實現(xiàn)該子像素集合的輸入與記錄，依次進(jìn)行下一位置的宏像素光場輸入與記錄，即可完成多視角圖形的打印，由于振鏡可作高頻連續(xù)掃描，因而本發(fā)明還可高效的輸入具有視角連續(xù)變化的圖形，現(xiàn)有技術(shù)中并不能實現(xiàn)同樣的效果。
[0035](4)本發(fā)明中的成像視場角大、動態(tài)感強(qiáng)。因為激光束光強(qiáng)服從高斯分布，能量中間密邊緣疏，高斯光束經(jīng)過本發(fā)明裝置的光學(xué)系統(tǒng)后，到達(dá)微透鏡記錄材料表面的光場能量分布仍然不夠均勻，由于材料能量閾值的限制，不是所有的光能均能使材料改性，由此將縮小該會聚光場的有效數(shù)值孔徑，從而使視場角減少，降低觀察再現(xiàn)圖形時的動態(tài)感。而本發(fā)明中，采用振鏡掃描，使得通過透鏡組后面的不同視場角的入射光能分布均勻，雖然單光束視場角的成像點屬于小視場成像，但是由許多該小視角的掃描出射光線組合得到的宏像素具有大視場高動態(tài)的特點，此宏像素的幾何尺寸取決于振鏡在柱透鏡表面的掃描距離、柱透鏡數(shù)值孔徑和光路結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)值孔徑越大，越靠近柱透鏡焦距，宏像素尺寸越小，再現(xiàn)圖形越清晰。
[0036](5)微透鏡薄膜再現(xiàn)浮動圖像可由多個不同視角的子圖合成，合成浮動圖像可以從不同的空間視角觀察到，在某個取向面內(nèi)所觀察到的圖像可以是同