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柱透镜光栅式立体显示技术综述 　　摘 要 在众多自由立体显示技术中，基于柱透镜光栅的自由立体显示技术因技术比较实用、立体显示效果比较出众而成为当前的研究热点和主要方向。本文将分析透镜光栅立体显示的基本原理、技术演进、发展趋势和热点问题，以及其给专利审查工作带来的启示。 　　关键词 立体显示 柱透镜光栅 莫尔条纹 　　中图分类号：TN873 文献标识码：A 　　立体显示技术具有高度临场感，能给观众带来无与伦比的立体视觉享受，因此一直是显示技术领域的研究热点。以往的立体显示技术需要借助立体眼镜、头盔显示器等辅助视具，从而大大限制了其推广应用；而自由立体显示技术突破了这种局限性，使观众能够在较大角度内的多个位置用裸眼自由清晰地感受到立体画面所带来的视觉冲击，从而极大地推动了立体显示技术的发展和应用。 　　在众多自由立体显示技术中，基于柱透镜光栅的自由立体显示技术因技术比较实用、立体显示效果比较出众而成为当前的研究热点和主要方向。本文将分析透镜光栅立体显示的基本原理和热点问题，以及其给专利审查工作带来的启示。 　　1立体显示技术概述 　　1.1立体视觉机制及分类 　　人体产生立体视觉的原因是因为人的两眼一般相距65mm左右，所以当两眼观看同一物体时，是具有细微差别的，这就是所谓的“双目视差”。人类利用双目视差感知立体视觉效果的过程如下： 　　（1）通过左右两只眼睛获取同一景物的信息，得到两幅非常相似而角度又有所不同的二维图像； 　　（2）大脑通过对左右两幅有细微差别的二维图像进行综合分析和处理，产生出精确的三维物体以及该物体在场景中的定位，从而产生具有深度的立体感觉。 　　按照成像原理，三维显示大致可以分为全息和非全息两大类。全息技术是通过记录参考光和物光的干涉条纹，然后用与记录时相同的参考光来再现三维图像。这种方法的优点在于能够重现物体的光强和位相信息，从而显示具有真实深度信息的立体图像。但由于记录和再现过程（尤其是记录过程）需要相干光源这一苛刻的条件，并且再现的图像存在严重的色彩失真，因此全息技术一直没有得到广泛的应用。相比之下，非全息技术更加容易实现，获得了许多研究人员的青睐。 　　非全息技术包括双目视差、集成成像、真三维体显示等。其中，真三维体显示技术是将三维物体分成二维的点阵或者切面，并将其投影到一个旋转或者抖动的屏幕上，然后通过人眼的视觉暂留效应产生立体效果。由于系统构建复杂，该技术没能得到广泛应用。集成成像技术是在1908 年由Lippmann 提出来的，其基本原理是利用微透镜阵列或者针孔阵列记录并再现三维图像。受微透镜阵列的加工工艺限制，该技术自发明后沉寂了几十年，直到60 年代，相关的制作加工技术的成熟才使得集成成像技术重新得到人们的重视。但是，由于串扰、景深、视场角和分辨率等影响显示效果，集成成像技术至今仍处于基础研究阶段。相比之下，基于双目视差技术的三维显示技术发展较快，甚至有不少相关的三维显示产品问世。该技术的基本原理是通过特殊的光学器件，如偏振眼镜、狭缝光栅和柱透镜光栅等，使双眼同时观看到三维物体不同视角的图像，经过人脑的信息综合，产生对三维图像的感知。双目视差技术之所以能够得到广泛的应用，一方面是成像原理比较简单，另一方面是因为相关的光学器件，特别是狭缝光栅和柱面透镜光栅的制作工艺相当成熟，为该技术提供了硬件基础，使之成为自由立体显示的有效手段。所谓自由立体显示，就是不需要借助特殊的眼镜或是头盔，人眼能直接观看三维立体图像。因此，狭缝光栅和柱透镜光栅在现今的自由立体显示技术的研究和应用中极受关注。 　　1.2柱透镜光栅立体显示原理 　　柱透镜光栅式自由立体显示器的结构与原理如图1，在显示屏的前方或者后方放置一块透镜阵列（通常是柱透镜阵列），这样由于透镜单元的折射作用，观察者的单眼只能看到显示屏上的一列像素，如左眼只能看到奇像素列，而看不到偶像素列；同样，右眼只能看到偶像素列，而看不到奇像素列。这样一来，分别由奇偶像素列组成的两幅图像就成了具有水平视差的立体图像对，通过大脑的融合作用，最终形成一幅具有深度感的立体图。 　　2柱透镜光栅立体显示中的热点问题 　　2.1莫尔条纹的产生 　　柱透镜光栅不需要佩戴立体眼镜等附属设备，且其结构简单、容易实现和成本低廉，在产业上已经得到广泛应用。但是由于LCD的像素排列具有周期性，同时柱透镜光栅也具有周期性，因此，二者耦合会不可避免地产生莫尔条纹，这种现象严重时则会影响立体图像的质量。因此，如果避免或者减弱莫尔条纹成为了当前柱透镜光栅立体显示中的热点问题。 　　2.2避免莫尔条纹的方法 　　2.2.1将柱透镜光栅条纹设计成相对显示屏像素的列方向倾斜的结构 　　最早采用上述方法减弱莫尔条纹的专利申请是由飞利浦公司提出的，其专利