微細光線，如微米光線、納米光線甚至更小量級光線等，在裸眼3d虛像屏、裸眼3d實像屏和裸眼3d攝像屏等功能實現(xiàn)中的應(yīng)用。裸眼3d放像設(shè)備和裸眼3d攝像設(shè)備的系統(tǒng)功能框架設(shè)計。

背景技術(shù)：

基于“微細光線匯聚形成的虛像、實像與人眼成像”，要實像裸眼3d影像，關(guān)鍵是如何消除微細光線發(fā)生器的影像障礙。本文提出“微細光線發(fā)生器不可見與微細光線匯聚成像可見”的實現(xiàn)策略：1、公式(4)和公式(5)。意義：當(dāng)微細光線發(fā)生器還沒有細小到人眼“不可見”的程度，但單束微細光線的亮度可以暗到人眼“不可見”程度，然后由多束微細光線匯聚形成的像點亮度可以達到和超過人眼亮度識別閾值，那么這些微細光線匯聚形成的像就“可見”了。2、公式(6)和公式(7)。意義：當(dāng)微細光線發(fā)生器細小到人眼“不可見”程度，但微細光線形成的眾多像點在視網(wǎng)膜上匯聚形成的匯聚斑亮度達到和超過人眼亮度閾值，這些微細光線形成的像就“可見”了。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一、微細光線及設(shè)計(微米光線、納米光線甚至更小量級光線)

定義：微細光線是指圓柱體光線的直徑非常細微的光線，被稱作微細光線。如圓柱體光線的直徑為微米級,該柱體光線被稱作微米光線。如直徑為納米級，該柱體光線被稱作納米光線。如直徑為更小量級，該柱體光線被稱作更小量級光線。微細光線是本文裸眼3d視像的基石。

微細光線發(fā)生器由微細光線光源和微細光線導(dǎo)向孔組成。微細光線光源可以有等離子體光源和發(fā)光二極管光源等。微細光線發(fā)生器發(fā)生的平行于微細光線導(dǎo)向孔的光線就是微細光線。不平行于微細光線導(dǎo)向孔的那部分光線會形成光暈干擾和孔壁反射干擾，還有光的衍射干擾，如圖1微細光線發(fā)生器示意圖所示。

附圖1說明：名稱，微細光線發(fā)生器示意圖，1-孔壁反射干擾，2-光暈干擾，3-熒光物質(zhì)，4-等離子體填充，5-電極，6-微細光線光源(以等離子體光源為例)，7-微細光線導(dǎo)向孔。

ρ：光孔橫向線度，δ光孔：光孔深度，即微細光線集成屏厚度，φ光孔：光孔直徑，φ瞳孔：人眼瞳孔直徑，d眼-屏：人眼與微細光線集成屏之間的距離。

干擾一，光暈干擾，指由微細光線光源發(fā)生的不平行于微細光線導(dǎo)向孔也未碰壁而出射的一部分光線。此為主要干擾因素，公式(1)和(2)表明，其一可通過增大光孔橫向線度來減少干擾，其二微細光線在裸眼3d視像中的應(yīng)用被限定在了光暈干擾直徑小于等于瞳孔直徑的范圍內(nèi)。

人眼瞳孔直徑取值為2mm。根據(jù)公式(2)，在超大屏幕電視設(shè)計中，本文假定人眼與電視屏距之距為4m，如果集成屏的厚度取2mm，那么光束的直徑<＝0.5um；在1mm²的面上，直徑0.5um的光束理論上可以做到4×10⁶束，直徑1nm的光束理論上可以做到1×10¹²束。在普通屏電視設(shè)計中，本文假定人眼與電視屏距之距為2m，如果集成屏的厚度取1mm，那么光束的直徑<＝0.5um；在1mm²的面上，直徑0.5um的光束理論上可以做到4×10⁶束，直徑1nm的光束理論上可以做到1×10¹²束。在手機屏設(shè)計中，本文假定人眼與手機屏距之距為30cm，如果集成屏的厚度取1mm，那么光束的直徑<＝3.3um。在0.0225mm²的面上，直徑為3.3um的光束理論上可以做到2025束，直徑為1nm的光束理論上可以做到2.25×10¹⁰束。

干擾二，孔壁反射干擾，指由微細光線光源發(fā)生的不平行于微細光線導(dǎo)向孔且一次或多次碰壁被吸收部分光線后再反射出的一部分光線。因孔壁吸收，此為次要干擾?？梢酝ㄟ^選取吸收可見光能力比較強的材料做集成屏基材料來減少此干擾。

干擾三，光的衍射干擾。理論上研究表明,光孔橫向線度ρ與衍射發(fā)散角δθ之間存在反比關(guān)系

ρ·δθ≈λ(3)

ρ：光孔橫向線度，δθ：衍射發(fā)散角，λ：可見光波長。

當(dāng)光孔線度遠遠大于波長時，衍射效應(yīng)很不明顯，光近似于直線傳播。可見光的波長范圍為390nm至780nm，集成屏厚度都在1mm以上，遠遠大于可見光波長。

特別說明，將微細光線導(dǎo)向孔集成在一起成為微細光線導(dǎo)向孔集成屏，文中統(tǒng)稱集成屏。將微細光線光源集成在一個面上稱作微細光線發(fā)光面。將微細光線感光元器件集成在一個面上被稱作微細光線感光面。將微細光線發(fā)生器的微細光線光源換成微細光線感光元器件，就成為微細光線感光器。

二、人眼三維視像的基本規(guī)律探索

1、微細光線匯聚形成的虛像、實像與人眼成像

微細光線匯集形成的虛像與人眼成像：圖2為多束微細光線虛像成像示意圖(k＝4)。多束微細光線，其反向延長線交于一點并形成x虛像，該多束微細光線通過人眼光學(xué)系統(tǒng)匯聚到視網(wǎng)膜上x’點，該x’點亮度達到視網(wǎng)膜識別閾值，在人腦形成x點的“可見”虛像。

附圖2說明：名稱，多束微細光線虛像成像示意圖(k＝4)，1-微細光線視網(wǎng)膜匯聚點x’，2-玻璃體，3-虹膜，4-瞳孔，5-微細光線發(fā)生器(a、b、c和d)，6-虛像點x。

微細光線匯集形成的實像與人眼成像：圖3為多束微細光線實像成像示意圖(k＝4)。多束微細光線，交于一點并形成x實像，該多束微細光線通過人眼光學(xué)系統(tǒng)匯聚到視網(wǎng)膜上x’點，該x’點亮度達到視網(wǎng)膜識別閾值，在人腦形成x點的“可見”實像。

附圖3說明：名稱，多束微細光線實像成像示意圖(k＝4)，1-微細光線視網(wǎng)膜匯聚點x’，2-玻璃體，3-虹膜，4-瞳孔，5-實像點x，6-微細光線發(fā)生器(a、b、c和d)。

2、人眼的“微細光線發(fā)生器不可見與微細光線匯聚成像可見”實現(xiàn)策略

根據(jù)“微細光線匯聚形成的虛像、實像與人眼成像”，要實像裸眼3d影像，關(guān)鍵是如何消除微細光線發(fā)生器的影像障礙。本文提供以下兩種策略：

策略一，當(dāng)微細光線發(fā)生器還沒有細小到人眼“不可見”的程度，但單束微細光線的亮度可以暗到人眼“不可見”程度，然后由多束微細光線匯聚形成的像點亮度可以達到和超過人眼亮度識別閾值，那么這些微細光線匯聚形成的像就“可見”了。分兩種情形討論：

情形1：在白天環(huán)境亮度10000cd/㎡時，人眼大約能分辨的亮度范圍為200cd/㎡至20000cd/㎡，低于200cd/㎡的亮度就被感覺為黑色，此時每一根微細光線的亮度最小值則為有：

l單束：單束微細光線的亮度，l白天：白天環(huán)境亮度，k：匯聚成像的微細光線的束數(shù)，l像點：k束微細光線匯聚成像像點亮度，l視網(wǎng)膜匯聚點：k束微細光線在視網(wǎng)膜匯聚點亮度。

情形2：在夜間環(huán)境為30cd/㎡時，可分辨的亮度范圍為1cd/㎡至200cd/㎡，這時低于1cd/㎡才引起黑色感覺，此時每一根微細光線的亮度值則為有：

l單束：單束微細光線的亮度，l夜晚：夜晚環(huán)境亮度，k：匯聚成像的微細光線的束數(shù)，l像點：k束微細光線匯聚成像像點亮度，l視網(wǎng)膜匯聚點：k束微細光線在視網(wǎng)膜匯聚點亮度。

策略二，當(dāng)微細光線發(fā)生器細小到人眼“不可見”程度，但微細光線形成的眾多像點在視網(wǎng)膜上匯聚形成的匯聚斑亮度達到和超過人眼亮度閾值，這些微細光線形成的像就“可見”了。

l所有像點：形成視網(wǎng)膜匯聚斑的所有像點亮度，l視網(wǎng)膜匯聚斑：視網(wǎng)膜匯聚斑亮度，l環(huán)境閾值：環(huán)境亮度閾值，l單束：單束微細光線亮度，k：匯聚成像的微細光線的束數(shù)，σ：投射入人眼的所有像點數(shù)，l像點：k束微細光線匯聚成像像點亮度，l視網(wǎng)膜匯聚點：k束微細光線在視網(wǎng)膜匯聚點亮度。

在現(xiàn)實世界中，光線是微小的，小到不被人眼“可見”的程度。景物的每一個無窮細分的微小像點發(fā)出的幾乎“不可見”微細光線通過人眼系統(tǒng)匯聚到視網(wǎng)膜的匯聚點上，眾多的像點匯聚成為視網(wǎng)膜上大的匯聚斑，當(dāng)該大的匯聚斑亮度達到人眼視網(wǎng)膜的“可見”閾值，景物的像就被“看見”了。

根據(jù)生活經(jīng)驗，煙塵的直徑范圍在10-100um，能被人眼一定程度地可見。當(dāng)塵埃直徑小于等于10um，塵埃一般就不易被看見了。

微細光線成實像或虛像原理表明微細光線束數(shù)k大于或等于2，為便于作圖和描述，文中k取4。在集成屏中，k值就是人單眼占據(jù)的可視點數(shù)。一個可視點匯聚有每一個像點的1束微細光，n個可視點就有源自同一像點的n束光線。投射入人眼的所有像點(計數(shù)為σ)匯集成視網(wǎng)膜上的匯聚斑。人眼瞳孔直徑本文取值2mm。如果在2mm直徑圓內(nèi)能匯聚k個可視點并成像，那么所有像點亮度及在視網(wǎng)膜上匯聚斑的亮度則為，

l所有像點＝l視網(wǎng)膜匯聚斑＝k·σ·l單束(7)

3、可視點間距

可視點指人眼要看到三維實像或虛像所處的三維位置點。在裸眼3d顯像屏的設(shè)計中，人眼的可視點/可視區(qū)，跟集成屏和像素點/成像區(qū)一樣，是被定制的。根據(jù)凸透鏡成像原理，人的單眼能看到實像或虛像，是因為實像或虛像的每一個像點的至少2根光線透過人眼光學(xué)系統(tǒng)打在了視網(wǎng)膜上。這要求人眼瞳孔應(yīng)至少占據(jù)2個可視點，即相鄰可視點之間的距離應(yīng)該小于等于瞳孔直徑。

d相鄰可視點間≤φ瞳孔(8)

d相鄰可視點間：相鄰可視點間距，φ瞳孔：瞳孔直徑。

在現(xiàn)實世界中，由于光的漫反射，可視點在三維空間中的分布幾乎是完全連續(xù)的。

4、人眼線粒識別比閾值

線粒識別比定義為相鄰離散點之間的距離與該離散點與人眼之間最近距離的比。

ζ：線粒識別比，d相鄰離散點間：相鄰離散點之間的距離，dmin人眼-離散點：人眼與離散點間的最短距離。

它的意義是，在人眼可視范圍內(nèi)，當(dāng)人眼與離散點的距離逐漸拉長，當(dāng)?shù)竭_一定距離時，線性排列的離散點就會被人腦識別為連續(xù)的線，這時的線粒識別比值就是ζ閾值。

經(jīng)筆者實驗：對發(fā)光面積約1mm²的點光源，當(dāng)線粒識別比ζ<＝1/2000時，線性排列的離散點就逐漸被人腦識別成為一條線了。本文線粒識別比閾值取值為1/2000，

ζmax：人腦將人眼所看見離散點識別為連續(xù)線的最大比值。

在超大屏幕電視設(shè)計中，假定人眼與電視屏距之距為4m，那么制作電視的集成屏的像素距閾值就為2mm，即電視虛像像素點為中心的正方體的邊長為2mm，每一個虛像像素點正對集成屏的底面和表面的正方形的邊長是2mm。在普通屏電視設(shè)計中，假定人眼與電視屏距之距為2m，那么制作電視的集成屏的像素距閾值就為1mm，即電視虛像像素點為中心的正方體的邊長為1mm，每一個虛像像素點正對集成屏的底面和表面的正方形的邊長是1mm。在手機屏設(shè)計中，本文假定人眼與手機屏距之距為30cm，那么制作手機的集成屏的像素距閾值就為0.15mm，即手機虛像像素點為中心的正方體的邊長為0.15mm，每一個虛像像素點正對集成屏的底面和表面的正方形的邊長是0.15mm。在公共產(chǎn)品設(shè)計中，人眼線粒識別比閾值要在統(tǒng)計基礎(chǔ)上選取，產(chǎn)品才具有普適性。

三、集成屏在裸眼3d視像中的工作原理

集成屏是裸眼3d技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。下面以裸眼3d虛像屏，即微細光線發(fā)光面加集成屏，為例說明。

1、集成屏單元中心點、虛像點和可視點的空間定位管理

集成屏由屏單元組成。集成屏、屏單元及其空間點在三維坐標(biāo)系中均實行定位管理。寬距軸對應(yīng)x軸，圖層距軸對應(yīng)y軸，高距軸對應(yīng)z軸。本文中，在三個軸上的標(biāo)尺相等且均為單位距，如圖4所示。

附圖4說明：名稱，集成屏、虛像點/虛像區(qū)和可視點/可視區(qū)在三維坐標(biāo)中的定位管理示意圖，1-可視區(qū)第3層左下頂點(-6，-4，-5)，2-可視區(qū)第2層左下頂點(-5，-3，-4)，3-可視區(qū)第1層左下頂點(-4，-2，-3)，4-中心屏單元中心點(0，0，0)，5-左下屏單元中心點(-2，0，-1)，6-集成屏(以5╳3為例)，7-微細光線發(fā)光面，8-虛像區(qū)第1層左下頂點(-3，1，-2)，9-虛像區(qū)第2層左下頂點(-4，2，-3)，10-虛像區(qū)第3層左下頂點(-5，3，-4)，11-虛像區(qū)第3層右上頂點(5，3，4)，12-虛像區(qū)第2層右上頂點(4，2，3)，13-虛像區(qū)第1層右上頂點(3，1，2)，14-右上屏單元中心點(2，0，1)，15-可視區(qū)第1層右上頂點(4，-2，3)，16-可視區(qū)第2層右上頂點(5，-3，4)，17-可視區(qū)第3層右上頂點(6，-4，5)。

圖4作圖條件：屏寬距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面圖層距＝-0.5，屏底圖層距＝0.5，虛像區(qū)圖層距＝{1,2,3}，可視區(qū)圖層距＝{-2,-3,-4}，揚角＝45°。

集成屏屏單元中心點的寬距坐標(biāo)和高距坐標(biāo)與該屏的過該屏單元中心點的法線上所有虛像點和可視點的寬距坐標(biāo)和高距坐標(biāo)一致。屏單元為屏面和屏底均為正方形的長方體，其屏面和屏底面邊線的寬距坐標(biāo)和高距坐標(biāo)為其中心點寬距坐標(biāo)和高距坐標(biāo)加減0.5個單位距。屏單元的圖層距坐標(biāo)分別為屏面圖層距坐標(biāo)和屏底圖層距坐標(biāo)。

δ屏＝y(tǒng)底-y面(11)

δ屏：集成屏厚度，y底：屏底圖層距坐標(biāo)，y面：屏面圖層距坐標(biāo)。

圖4中，屏面中心單元中心坐標(biāo)為(0，-0.5，0)，每一個屏單元中心點坐標(biāo)就定位該屏單元。設(shè)屏各單元中心點在寬距坐標(biāo)上的取值范圍為[-w，w]，屏各單元中心點在高距坐標(biāo)上的取值范圍為[-h，h]，那么集成屏單元數(shù)為(2w+1)×(2h+1)。本文中，屏面圖層距坐標(biāo)為-0.5，屏底圖層距坐標(biāo)為0.5。屏單元中心點、虛像點/虛像區(qū)和可視點/可視區(qū)的各點三維坐標(biāo)如圖4所示，揚角＝45°，各層矩形四角頂點坐標(biāo)為：

虛像第li層，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)；

虛像第3層，左下(-5，3，-4)，左上(-5，3,4)，右上(5，3,4)，右下(5,3，-4)；

虛像第2層，左下(-4，2，-3)，左上(-4，2,3)，右上(4，2,3)，右下(4,2，-3)；

虛像第1層，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)；

可視區(qū)第-1層，左下(-3,-1,-2)，左上(-3,-1,2)，右上(3,-1,2)，右下(3,-1,-2)；(作為“視距”示意，本層未畫出)

可視區(qū)第-2層，左下(-4,-2,-3)，左上(-4,-2,3)，右上(4,-2,3)，右下(4,-2,-3)；

可視區(qū)第-3層，左下(-5,-3,-4)，左上(-5,-3,4)，右上(5,-3,4)，右下(5,-3,-4)；

可視區(qū)第-4層，左下(-6,-4,-5)，左上(-6,-4,5)，右上(6,-4,5)，右下(6,-4,-5)；

可視區(qū)第le層，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、揚角

根據(jù)視像屏四點共線法則，虛像區(qū)和可視區(qū)是以集成屏為對稱面的兩個側(cè)立的矩形錐臺體，該倆側(cè)立矩形錐臺體以集成屏為頂面，以按揚角定義生成的最末層為底面。

定義，虛像區(qū)矩形錐臺側(cè)面與集成屏法線之間的最小夾角為揚角。顯然，可視區(qū)矩形錐臺側(cè)面與集成屏法線之間的最小夾角為也揚角。在本文matlab仿真計算中，虛像區(qū)揚角等于可視區(qū)揚角。揚角的大小決定了各圖像層和可視層在集成屏基礎(chǔ)上的生成方式。本文揚角選取45°和arctg(1/2)作圖例。在圖5集成屏的虛像像素區(qū)和可視區(qū)揚角示意圖中，揚角＝45°。

附圖5說明：名稱，集成屏的虛像區(qū)和可視區(qū)揚角示意圖(揚角＝45°)，1-可視區(qū)，以集成屏為頂面的側(cè)立矩形錐臺體，2-集成屏法線在可視區(qū)上側(cè)面的垂線，3-可視區(qū)揚角(本圖為45°)，4-集成屏，5-集成屏法線，6-虛像區(qū)揚角(本圖為45°)，7-集成屏法線在虛像區(qū)上側(cè)面的垂線，8-虛像區(qū)，以集成屏為頂面的側(cè)立矩形錐臺體。

圖5作圖條件：屏寬距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面圖層距＝-0.5，屏底圖層距＝-0.25，虛像區(qū)圖層距＝{1,2,3,4}，可視區(qū)圖層距＝{-1,-2,-3,-4}，揚角＝45°。

3、可視點、屏面點、屏底點和像點的四點共線及集成屏虛像點和可視點之間的全映射

可視點、屏面點、屏底點和像點的四點共線，是將裸眼3d視像屏屏底點、屏面點、像點和可視點連接和編織起來的基本法則。在集成屏的定制中，根據(jù)matlab仿真計算，每一定制屏就有唯一的可視點、屏面點、屏底點和像點的坐標(biāo)對照表，簡稱視像屏四點共線坐標(biāo)對照表。受篇幅和計算資源及精度限制，本文只列出視像屏四點共線坐標(biāo)對照摘錄表。根據(jù)視像屏四點共線法則，裸眼3d虛像屏的虛像點和可視點之間的全映射仿真圖如圖6所示。

附圖6說明：名稱，集成屏虛像點和可視點之間的全映射示意圖，1-可視點/可視區(qū)，2-微細光線光源到可視點之間的微細光線，3-集成屏，4-集成屏左下頂點屏單元，5-微細光線發(fā)光面，6-可視點到虛像點之間在微細光線光源后的虛線(可視點與微細光線光源之間光線的反向延長線，止于虛像點)，7-虛像點/虛像區(qū)。

圖6作圖條件：屏寬距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面圖層距＝-0.5，屏底圖層距＝-0.25，虛像區(qū)圖層距＝{1,2,3}，可視區(qū)圖層距＝{-2,-3,-4}，揚角＝45°。

表1為在該作圖條件下仿真計算生成的裸眼3d虛像屏視像屏四點共線坐標(biāo)對照摘錄表(揚角＝45°)。表1表明，只要有了這四點坐標(biāo)信息，每一條微細光線導(dǎo)向孔就可以在集成屏上刻出來，每一個虛像點的圖像信號就可以通過對應(yīng)的微細光線發(fā)生器播放出來，投射到可視區(qū)的人眼睛。

四、集成屏設(shè)計

仍以裸眼3d虛像屏，即微細光線發(fā)光面加集成屏，為例說明。

1、集成屏的仿真

圖7是微細光線發(fā)光面和集成屏的示意圖。屏中紅色點集合形成的面代表微細光線光源，及其組成的微細光線發(fā)光面。藍色光線匯集成的就是微細光線導(dǎo)光孔集合體，在基材料上把這些微細光線導(dǎo)向孔燒蝕掉，剩下的部分就是集成屏。決定微細光線導(dǎo)向孔本質(zhì)特征的是“視像屏四點共線坐標(biāo)對照表”，它在定制和作圖條件下仿真計算生成，供制造時查找坐標(biāo)點和放像攝像時像點矩陣與電極矩陣之間的轉(zhuǎn)換使用。

附圖7說明：名稱，集成屏的微細光線導(dǎo)向孔集成示意圖，1-微細光線導(dǎo)向孔，及其組成的集成屏，2-微細光線光源，及其組成的嵌于裸眼3d視像屏屏底的微細光線發(fā)光面，備注：在集成屏屏底增加發(fā)光面或感光面，才有實際意義。本圖在屏底增加發(fā)光面，組成裸眼3d視像屏。

圖7作圖條件同圖6。

2、集成屏選材即制造工藝要點

(1)集成屏基礎(chǔ)材料、工具和工藝等選擇

集成屏制造工具：直徑為微米級、納米級甚至更小量級的高能激光束。要微細光線導(dǎo)向孔直徑精確到微米級、納米級甚至更小量級，切削工具就只能選用高能微米直徑、納米直徑甚至更微小量級直徑的激光束。

集成屏制造工藝：微細激光束燒蝕工藝。

集成屏基材料選擇條件：

①激光燒蝕無殘留。在高能激光束燒蝕中不產(chǎn)生液體或固體殘留，即燒蝕過程中只產(chǎn)生氣體廢物并揮發(fā)掉。②形變小。集成屏是非常精密的光學(xué)產(chǎn)品，在屏幕上打孔的精度直接決定著微細光線的精度，以及這些微細光線所定制的像素點和可視點的精度。③耐高溫，以適應(yīng)生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)中的高溫環(huán)境。④導(dǎo)熱快，易散熱。⑤可見光吸收率高。⑥易于整屏幕的加工制造。

綜上，石墨是理想的選擇之一。石墨在激光燒蝕中產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳，在高溫?zé)o氧環(huán)境下可氣化。形變小，耐高溫，導(dǎo)熱性能好，可見光吸收率較高。通過參雜等方式硬度韌度可調(diào)，易于整體制造。

(2)集成屏的制造工藝及要點

工藝一：在常溫或低溫下，在控制氧輸入的環(huán)境中，用微細激光束按照視像屏四點共線坐標(biāo)對照表中的坐標(biāo)參數(shù)對集成屏的石墨基材料進行精確定位和高能有氧燒蝕，制成集成屏。

工藝二：借助碳納米管的制造工藝，在充滿惰性氣體環(huán)境中，在石墨基臨近氣化點高溫下，用微細激光束氣化導(dǎo)向孔內(nèi)的碳，并將光孔壁催化生成碳納米管或類似于碳納米管的光孔，從而制成集成屏。

3、集成屏設(shè)計

圖8為集成屏結(jié)構(gòu)示意圖。集成屏基材料選用石墨等便于導(dǎo)光孔集成制造。基材料里的微細光線導(dǎo)向孔用惰性氣體填充，防氧化。

附圖8說明：名稱，集成屏結(jié)構(gòu)示意圖，1-屏基材料，2-透明封裝層，3-微細光線導(dǎo)向孔，4-微細光線導(dǎo)向孔的入射或出射光線，5-集成屏。

對于微細光線導(dǎo)向孔在基材料里形成空間交叉的情形，第一是盡可能避免，第二在不可避免的情況下，要減小其微細光線之間的相互干擾，方法同“一、微細光線及設(shè)計”。

集成屏的屏面點和屏底點坐標(biāo)，即為可視點和像點所共之線與屏面、屏底的交點坐標(biāo)。將這些交點坐標(biāo)仿真計算并存儲于視像屏四點共線坐標(biāo)對照表中，在制造、攝像和放像中即查即用。可視點/可視區(qū)和3d像點/3d像區(qū)的每一種定制就有唯一對應(yīng)的視像屏四點共線坐標(biāo)對照表，因此視像屏四點共線坐標(biāo)對照表是本文裸眼3d技術(shù)之關(guān)鍵。

五、裸眼3d虛像屏設(shè)計

1、裸眼3d虛像屏仿真計算

虛像點/虛像區(qū)和可視點/可視區(qū)分居于裸眼3d虛像屏的兩側(cè)，虛像點/虛像區(qū)居屏底一側(cè)，可視點/可視區(qū)居屏面一側(cè)。根據(jù)可視點、虛像點、屏面點和屏底點四點共線法則進行仿真計算，得到裸眼3d虛像屏視像屏四點共線坐標(biāo)對照表，作為生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)。根據(jù)matlab仿真計算，裸眼3d虛像屏的虛像點/虛像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝45°)見圖9，裸眼3d虛像屏視像屏四點共線坐標(biāo)對照摘錄表(揚角＝45°)見表1，裸眼3d虛像屏的虛像點/虛像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝arctg(1/2))見圖10。

需要特別說明的是，裸眼3d視像屏四點共線坐標(biāo)對照表就是裸眼3d虛像屏的關(guān)鍵。但囿于計算資源和計算精度，本文只列出了45°揚角的坐標(biāo)對照摘錄表，為的是不影響表達，下面裸眼3d實像屏和裸眼3d攝像屏也一樣。

附圖9說明：名稱，裸眼3d虛像屏的虛像點/虛像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝45°)，1-人眼，2-人眼所在位置的4個可視點(以k＝4作圖)，3-可視點/可視區(qū)，4-裸眼3d虛像屏發(fā)出的到可視點的微細光線，5-裸眼3d虛像屏左下屏單元，6-裸眼3d虛像屏，7-裸眼3d虛像屏屏底發(fā)光面(微細光線發(fā)光面)，8-裸眼3d虛像屏屏底發(fā)光面發(fā)出的到可視點的微細光線的反向延長線，至虛像點，9-虛像點/虛像區(qū)。

圖9作圖條件：屏寬距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面圖層距＝-0.5，屏底圖層距＝-0.25，虛像區(qū)圖層距＝{1,2,3}，可視區(qū)圖層距＝{-2,-3,-4}，揚角＝45°。

表1裸眼3d虛像屏視像屏四點共線坐標(biāo)對照摘錄表(揚角＝45°)

表1生成條件同圖9作圖條件。

附圖10說明：名稱，裸眼3d虛像屏的虛像點/虛像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝arctg(1/2))，1-人眼，2-人眼所在位置的4個可視點(以k＝4作圖)，3-可視點/可視區(qū)，4-裸眼3d虛像屏發(fā)出的到可視點的微細光線，5-裸眼3d虛像屏左下屏單元，6-裸眼3d虛像屏，7-裸眼3d虛像屏屏底發(fā)光面(微細光線發(fā)光面)，8-裸眼3d虛像屏發(fā)出的到可視點的微細光線的反向延長線，至虛像點，9-虛像點/虛像區(qū)。

圖10作圖條件：屏寬距[-2，2]，屏高距[-1，1]，屏面圖層距＝-0.5，屏底圖層距＝-0.25，虛像區(qū)圖層距＝{1,2,3}，可視區(qū)圖層距＝{-2,-3,-4}，揚角＝arctg(1/2)。

2、裸眼3d虛像屏(等離子體光源)設(shè)計

裸眼3d虛像屏(等離子體光源)設(shè)計的整體設(shè)計理念就是，等離子體發(fā)光面加上集成屏。等離子體光源亮度高，對比度好，是裸眼3d虛像屏設(shè)計中的理想光源之一。裸眼3d虛像屏(等離子體光源)結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

附圖11說明：名稱，裸眼3d虛像屏(等離子體光源)結(jié)構(gòu)示意圖，1-屏基材料，2-透明封裝層，3-出射微細光線，4-微細光線導(dǎo)向孔(惰性氣體填充抗氧化)，5-集成屏，6-熒光膜，7-等離子腔，惰性氣體填充，8-公共電極(—)，9-絕緣層，10-電極陣列(+)，11-屏后殼封裝層，12-微細光線發(fā)光面(等離子體光源陣列面)。

在生產(chǎn)工藝流程中，除電極陣列板、熒光膜外，絕緣板、公共電極板和石墨基都是激光燒蝕一體成型，之后在公共電極板與石墨基之間敷上熒光膜。電極陣列板的生產(chǎn)，要求非常精細。若微細光線導(dǎo)向孔直徑在某一數(shù)量級，那么陣列電極點寬度量級還要低于此量級，以確保在選擇有效電極點的時候有冗余電極點可供選擇。

3、裸眼3d虛像屏(發(fā)光二極管光源)的設(shè)計

裸眼3d虛像屏(發(fā)光二極管)設(shè)計的整體設(shè)計理念就是，發(fā)光二極管發(fā)光面加上集成屏。發(fā)光二極管光源方向性好，整個發(fā)光面易于集成制造，是裸眼3d虛像屏設(shè)計中的理想光源之一。裸眼3d虛像屏(發(fā)光二極管)結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。

附圖12說明：名稱，裸眼3d虛像屏(發(fā)光二極管光源)結(jié)構(gòu)示意圖，1-屏基材料，2-透明封裝層，3-出射微細光線，4-微細光線導(dǎo)向孔(惰性氣體填充抗氧化)，5-集成屏，6-屏后殼封裝層，7-透明絕緣層，8-發(fā)光二極管陣列，9-微細光線發(fā)光面(發(fā)光二極管光源陣列面)。

微細光線發(fā)光面即發(fā)光二極管光源陣列面要做得跟日常電視屏一樣大，要么拼接，要么一體成型，這是裸眼3d虛像屏(發(fā)光二極管)設(shè)計制造的難點所在。

六、裸眼3d實像屏設(shè)計

1、裸眼3d實像屏仿真計算

實像點/實像區(qū)和可視點/可視區(qū)居于裸眼3d虛像屏的同側(cè)，即屏面一側(cè)。根據(jù)可視點、實像點、屏面點和屏底點四點共線法則進行仿真計算，得到裸眼3d實像屏視像屏四點共線坐標(biāo)對照表，作為生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)。根據(jù)matlab仿真計算，裸眼3d實像屏的實像點/實像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝45°)見圖13，裸眼3d實像屏視像屏四點共線坐標(biāo)對照摘錄表(揚角＝45°)見表2，裸眼3d實像屏的實像點/實像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝arctg(1/2))見圖14。

附圖13說明：名稱，裸眼3d視像屏的實像點/實像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝45°)，1-人眼，2-人眼所在位置的4個可視點(以k＝4作圖)，3-可視點/可視區(qū)，4-裸眼3d實像屏發(fā)出的先到實像點再到可視點的微細光線，5-實像點/實像區(qū)，6-裸眼3d實像屏左下屏單元，7-裸眼3d實像屏，8-裸眼3d實像屏屏底發(fā)光面(微細光線發(fā)光面)。

圖13作圖條件：屏寬距[-12，12]，屏高距[-11，11]，屏面圖層距＝-0.5，屏底圖層距＝1.5，實像區(qū)圖層距＝{-1,-2,-3}，可視區(qū)圖層距＝{-7,-8,-9}，揚角＝45°。

表2裸眼3d實像屏視像屏四點共線坐標(biāo)對照摘錄表(揚角＝45°)

表2生成條件同圖13作圖條件。

附圖14說明：名稱，裸眼3d視像屏的實像點/實像區(qū)和可視點/可視區(qū)(揚角＝arctg(1/2))，1-人眼，2-人眼所在位置的4個可視點(以k＝4作圖)，3-可視點/可視區(qū)，4-裸眼3d實像屏發(fā)出的先到實像點再到可視點的微細光線，5-實像點/實像區(qū)，6-裸眼3d實像屏左下屏單元，7-裸眼3d實像屏，8-裸眼3d實像屏屏底發(fā)光面(微細光線發(fā)光面)。

圖14作圖條件：屏寬距[-6，6]，屏高距[-5，5]，屏面圖層距＝-0.5，屏底圖層距＝1.5，實像區(qū)圖層距＝{-1,-2,-3}，可視區(qū)圖層距＝{-7,-8,-9}，揚角＝arctg(1/2)。

2、裸眼3d實像屏設(shè)計

裸眼3d實像屏(等離子體光源)設(shè)計和裸眼3d實像屏(發(fā)光二極管光源)設(shè)計，同裸眼3d虛像屏(等離子體光源)設(shè)計和裸眼3d虛像屏(發(fā)光二極管光源)設(shè)計一樣，其整體設(shè)計理念都是，等離子體光源發(fā)光面，或發(fā)光二極管光源發(fā)光面，加上集成屏。關(guān)鍵在每一種集成屏的視像屏四點共線坐標(biāo)對照表的區(qū)別。

七、裸眼3d攝像屏設(shè)計

1、裸眼3d攝像屏仿真計算

裸眼3d攝像屏的設(shè)計。首先，將裸眼3d實像屏和虛像屏的微細光源發(fā)生器面換成了光敏二極管陣列面等感光材料做成的感光面。其次，在集成屏的設(shè)計中引入了雙眼(本文稱頂眼和底眼)的概念。第一，滿足了采用源自同一被攝點的兩條光線來對被攝點進行定位和圖像信號采集的需要；第二，優(yōu)化了集成屏上導(dǎo)向孔的均勻分布；第三，引入雙眼，拓展了光學(xué)鏡頭在裸眼3d攝像屏中的應(yīng)用空間，讓被攝區(qū)的固定設(shè)計擴展為在一定程度上伸縮可調(diào)，擴展了其適用范圍；第四，假設(shè)一對雙眼裸眼3d攝像屏為一個模塊，那么多對雙眼裸眼3d攝像屏模塊就可以自由組合，為更寬幅和大縱深被攝區(qū)的裸眼3d攝像屏設(shè)計奠定基礎(chǔ)；第五，雙眼設(shè)計巧妙解決了裸眼3d被攝區(qū)與裸眼3d放像區(qū)在空間形體上的一致性問題。裸眼3d放像區(qū)是側(cè)立的矩形錐臺體。裸眼3d攝像屏的每一只眼所能攝取的區(qū)域是按照揚角方式生產(chǎn)的一個以眼為頂點，以最遠層為正方形底的椎體，那么，兩只眼的公共被攝區(qū)是倆側(cè)立正方形椎體的重疊區(qū)域，該區(qū)域剛好是一個側(cè)立的矩形錐臺體。只要揚角、起始層和終了層設(shè)定一致，裸眼3d攝像屏和放像屏就可以即攝即放，不需轉(zhuǎn)換。

根據(jù)被攝點、眼、屏面點和屏底點四點共線法則進行仿真計算，得到裸眼3d攝像屏物屏五點坐標(biāo)對照表，作為生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)。根據(jù)matlab仿真計算，裸眼3d攝像屏、頂眼、底眼和被攝點/被攝區(qū)(揚角＝45°)見圖15，裸眼3d攝像屏物屏五點坐標(biāo)對照摘錄表(揚角＝45°)見表3，裸眼3d攝像屏、頂眼、底眼和被攝點/被攝區(qū)(揚角＝arctg(1/2))見圖16。

對于裸眼3d攝像屏物屏五點坐標(biāo)對照摘錄表，要說明的是，其一，頂眼和底眼坐標(biāo)已知不需在表中贅述；其二，一個被攝物點對應(yīng)兩眼的屏底坐標(biāo)點放在表中同一條記錄中，便于數(shù)據(jù)比對時查找，提高系統(tǒng)運行效率。

附圖15說明：名稱，裸眼3d攝像屏、頂眼、底眼和被攝點/被攝區(qū)(揚角＝45°)，1-被攝點/被攝區(qū)，2-過底眼光線，3-裸眼3d攝像屏，4-底眼感光底(底眼微細光線感光面)，5-頂眼感光底(頂眼微細光線感光面)，6-過頂眼光線。

圖15作圖條件：頂眼坐標(biāo)(0,0,4)，底眼坐標(biāo)(0,0,-4)，屏寬距[-9，9]，屏高距[-18，18]，屏面圖層距＝4，屏底圖層距＝6，被攝區(qū)圖層距＝{-9,-10,-11,-12,-13,-14,-15,-16,-17,-18,-19,-20,-21,-22,-23}，被攝區(qū)第一層寬距[-9，9]，第一層高距[-5，5]，揚角＝45°。

表3裸眼3d攝像物屏五點坐標(biāo)對照摘錄表(揚角＝45°)

表3生成條件同圖15作圖條件。

附圖16說明：名稱，裸眼3d攝像屏、頂眼、底眼和被攝點/被攝區(qū)(揚角＝arctg(1/2))，1-被攝點/被攝區(qū)，2-過底眼光線，3-裸眼3d攝像屏，4-底眼感光底(底眼微細光線感光面)，5-頂眼感光底(頂眼微細光線感光面)，6-過頂眼光線。

圖16作圖條件：頂眼坐標(biāo)(0,0,4)，底眼坐標(biāo)(0,0,-4)，屏寬距[-9，9]，屏高距[-18，18]，屏面圖層距＝14，屏底圖層距＝16，被攝區(qū)圖層距＝{-21,-22,-23,-24,-25,-26,-27}，被攝區(qū)第一層寬距[-10，10]，第一層高距[-6，6]，揚角＝arctg(1/2)。

2、裸眼3d攝像屏設(shè)計

裸眼3d攝像屏設(shè)計的理念是光敏二極管感光陣列感光面加集成屏。集成屏由裸眼3d物屏五點坐標(biāo)對照表決定。相對于集成屏，光敏二極管陣列感光面的制造精度要求更加高。它要保證在每一個微細光線導(dǎo)向孔底至少有3到4只光敏二極管對三基色分別進行信號采集和處理。裸眼3d攝像屏結(jié)構(gòu)示意圖見圖17。

附圖17說明：名稱，裸眼3d攝像屏結(jié)構(gòu)示意圖，1-屏基材料，2-透明封裝層，3-入射微細光線，4-微細光線導(dǎo)向孔(惰性氣體填充抗氧化)，5-集成屏，6-透明絕緣層，7-光敏二極管陣列，8-微細光線感光面(光敏二極管陣列感光面)。

八、裸眼3d虛像屏、實像屏和攝像屏的發(fā)生面/感光面擴展設(shè)計

裸眼3d虛像屏、裸眼3d實像屏和裸眼3d攝像屏，其發(fā)光面和感光面是受到平面限制的。以揚角45°為例，假設(shè)集成屏定制有l(wèi)層圖像，屏長×寬＝m×n＝(2w+1)×(2h+1)，那么集成屏每個像點的亮度只有同等面積2d屏等離子顯示器像點亮度的因此，持續(xù)增大微細光線發(fā)光面的面積和增加微細光線感光面的面積成為裸眼3d虛像屏、裸眼3d實像屏和裸眼3d攝像屏設(shè)計的重大課題。

為此，本文在微細光線發(fā)光面和微細光線感光面設(shè)計中引入皺褶面設(shè)計，以增加裸眼3d虛像屏、實像屏和攝像屏的發(fā)生面和感光面面積。圖18為裸眼3d顯像屏發(fā)光面或攝像屏感光面的擴展設(shè)計示意圖(俯視圖或側(cè)視圖)。說明，第一，每一個皺褶面仍為平面，便于微細光線發(fā)光面、微細光線感光面和集成屏的設(shè)計制造；第二，圖18俯視圖是一種設(shè)計，側(cè)視圖是另一種設(shè)計，是皺褶走向由縱向改橫向的區(qū)別；第三，皺褶面設(shè)計后的微細光線發(fā)光面和微細光線感光面面積擴展為原平面設(shè)計的倍。

附圖18說明：名稱，裸眼3d顯像屏發(fā)光面或攝像屏感光面的擴展設(shè)計示意圖(俯視圖或側(cè)視圖)，1-皺褶設(shè)計的屏底面(微細光線發(fā)光面或者微細光線感光面)，2-屏基材料，3-裸眼3d顯像屏或攝像屏屏面。

只要裸眼3d屏的微細光線發(fā)生器足夠多，在裸眼3d虛像屏、裸眼3d實像屏外，還可以設(shè)計出裸眼3d虛像+實像屏來，即屏后是虛像，屏前是實像，同時放像。

九、裸眼3d放像設(shè)備整體功能模塊設(shè)計

圖19為裸眼3d虛像/實像放像設(shè)備功能框架圖。

功能框架第一步，將三維影像信息接收、存儲和解壓，并按照圖層距軸(y軸)對齊的方式轉(zhuǎn)換成為虛像/實像區(qū)的圖像信息空間點陣。如遇影像規(guī)格與放像區(qū)不匹配的情況，就需要得到用戶關(guān)于圖像擴充或壓縮模式的選項選擇，以達成在被攝區(qū)和放像區(qū)不匹配時的用戶3d視像需求和體驗的最佳滿足。第二步，將實像/虛像的圖像信息點陣，按照視像屏四點共線坐標(biāo)對照表，轉(zhuǎn)換成為微細光線光源的電極邏輯矩陣信息。第三步，根據(jù)觀眾定位攝像頭的感測和定位，對觀眾進行最佳觀賞區(qū)的導(dǎo)引和提示。再根據(jù)觀眾的位置信息，進行微細光線發(fā)生器電極邏輯選擇，即專用微細光線發(fā)生器和公共微細光線發(fā)生器的優(yōu)化選擇，按照近觀眾點優(yōu)先的原則進行，以實現(xiàn)裸眼3d放像和節(jié)能。最后將電極邏輯矩陣信息轉(zhuǎn)換成為微細光線光源的電極物理矩陣信息，點亮物理電極和放像。

第三步需要特別說明的是兩個判斷選擇：一個是，正對觀眾的微細光線發(fā)生器的選擇，根據(jù)視像屏四點共線坐標(biāo)對照表和觀眾的感測定位信息，正對觀眾的專用微細光線發(fā)生器才被點亮；另一個，在接下來對正對觀眾的公共微細光線發(fā)生器選擇中，按照近觀眾的像點優(yōu)先的原則，近觀眾點的像點信息優(yōu)先占據(jù)公共微細光線發(fā)生器。觀眾3d最佳視效和節(jié)能目標(biāo)都實現(xiàn)。

十、裸眼3d攝像設(shè)備整體功能模塊設(shè)計

圖20為裸眼3d攝像設(shè)備功能框架圖。

裸眼3d攝像設(shè)備功能框架，首先，保留了傳統(tǒng)2d攝像屏。為的是彌補裸眼3d攝像屏對被攝區(qū)的有界性和對遠景背景景物的缺失缺陷。把遠景景物用傳統(tǒng)2d攝像屏攝下來并轉(zhuǎn)換成為裸眼3d被攝區(qū)的最遠層圖像。要說明的是，為避開3d被攝區(qū)景物對遠景的阻擋，2d攝像屏的拍攝角度要避免與3d攝像屏同方位。如3d攝像屏在正面拍攝，2d攝像屏就可以從兩側(cè)面，或者從頂面高視角等方位進行拍攝。其次，采用了3d屏遠景拍攝作為量化對比參數(shù)的策略。目的是在優(yōu)化策略中盡可能減少和排除被攝區(qū)以外光線對被攝區(qū)的判斷干擾。具體功能框架如下：

第一步，裸眼3d攝像屏的微細光線感光面將被攝點/被攝區(qū)的光信號轉(zhuǎn)換成為裸眼3d攝像屏感光元器件的電極物理信號矩陣。第二步，信號采集。感光元器件電極模擬信號經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成電極數(shù)字信號3d矩陣，即形成電極數(shù)字信號，生成電極邏輯信號矩陣。第三步，按照物屏五點坐標(biāo)對照表，對被攝點的雙眼信號進行比對篩選，一是篩選出被攝區(qū)的圖像信號，二是與遠景拍攝數(shù)據(jù)的比對，排除遠景光線干擾。此步旨在將電極邏輯信號矩陣轉(zhuǎn)換成為像點信號矩陣。第四步，按圖層距(y軸)對齊原則，將2d攝像屏獲取的圖像信號作為最遠層信號，將像點信號矩陣轉(zhuǎn)換成為優(yōu)化的像點信號矩陣(有近景有遠景)。第五步，打包壓縮形成裸眼3d影像信息供傳輸、存儲和放像使用。

遠景光線干擾，是指被攝點沒有景物，接收到從被攝點以遠方向傳來的兩條交叉的微細光線，它給被攝點造成“假象”而成為主要干擾，被稱作遠景光線干擾。用左右眼兩條光線比對判斷的方式可以排除大部分干擾，但仍不能全面徹底解決。需引入被攝區(qū)情景模式選擇，以進一步細化此干擾消除的解決方案。比如，按照被攝區(qū)以遠景物特性可以設(shè)置有天際、全天際、多天際、少天際、無天際、空曠遠景、近景等模式，按照被攝區(qū)的景物特性可以設(shè)置室內(nèi)、舞臺、建筑物，園林，森林等模式，以及兩種特性的組合模式。這些模式的選擇必將為深入消除遠景光線干擾，提供更加優(yōu)化的解決方案。

十一、裸眼3d攝像、放像系統(tǒng)實現(xiàn)的限制因素

作為一個全新的制造領(lǐng)域，裸眼3d攝像、放像系統(tǒng)實現(xiàn)的難點很多。主要有，第一、精密的制造工具如微細高能激光束的制造實現(xiàn)。第二、在集成屏、微細光線發(fā)光面和微細光線感光面的制造中，米級的屏，微米級、納米級甚至更小量級的像點定位精度及其實現(xiàn)。第三、裸眼3d攝像屏和放像屏的微細光線有限與像點無窮多要求和可視點無窮多要求之間的矛盾難以調(diào)和。假設(shè)像點數(shù)為σ，可視點數(shù)為π，理論上放像屏上的微細光線束數(shù)應(yīng)為π·σ。囿于裸眼3d屏的微細光線發(fā)生器等制造實現(xiàn)的局限，在設(shè)計制造中不得不適當(dāng)限制集成屏可視區(qū)的可視點數(shù)，以換取更多像點的三維視像。正因為這些限制因素的存在，不斷開發(fā)更高精度的裸眼3d攝像、放像關(guān)鍵組件及其設(shè)備將會成為各國乃至全世界裸眼3d視像產(chǎn)業(yè)成長和進步的階梯。