CN101013302A - 基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置。它由数字全息图记录系统、嵌入式摄像机、基于电寻址空间光调制器的光电再现系统和承载空间影像的悬浮粒子幕等组成。数字全息图载波物体的三维信息，由嵌入式摄像机记录并传输到电寻址空间光调制器上，在再现物波照射下实现影像空间再现，该再现影像投射到立方型或圆柱型悬浮粒子幕上，使人们可以从多角度观察物体的立体影像。

Description

基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置

技术领域

本发明专利涉及一种显示空间立体影像装置，该发明可以实现物体三维影像的空间真实显示。

该发明中，利用光学系统记录承载物体三维信息的数字全息图或计算机计算承载虚拟物体的数字全息图，并将获得的全息图传输到空间光调制器，将其再现的空间影像投射到悬浮粒子幕上，实现物体三维影像的真实空间显示。

背景技术

三维空间显示有广泛的应用。目前实现三维空间显示的方法主要有二种：一种要借助于立体眼镜或头盔等，这些显示方式由于需要佩戴工具，束缚了人们观看的自由性，降低了娱乐性和互动性。同时，为了在人脑中形成对物体影像的立体感，需要两幅相关的图像通过平面显示的交替显示，分时进入人的左右眼，增加了人眼的疲劳度。第二种方法是将头盔和立体眼镜的功能与显示器结合在一起，形成立体显示器，人眼可以在立体显示器前一定角度范围观察到具有立体感的物体图像。这两种立体显示方式都已有产品，在一些领域得到了应用。这两种立体显示方式，都需要对同一物体不同视角的两幅图进入人眼，在人脑中合成物体的立体影像，并不是真正意义上的物体的立体复现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像的装置，该装置只需投射一幅图像就可以在空间再现物体三维影像，对于该投射影像人们可以在一定视角内进行观察。

为达到上述目的，本发明的构思是：

将物体的三维轮廓信息通过光学全息技术载波到全息图上，该全息图由嵌入式摄像机记录为数字全息图，然后传输到电寻址空间光调制。当再现光束照射该空间光调制器时，根据光学全息理论，在空间可以再现出全息图中载波的物体的三维影像。该再现影像投射到可以承载空间影像的屏幕上，人们就可以在一定的视角范围观察到该立体影像。如记录过程是快速的，则可观察到动态的物体影像。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置由数字全息图记录系统、嵌入式摄像机、基于电寻址空间光调制器的光电再现系统和承载空间影像的悬浮粒子幕组成。

所述的数字全息图记录系统直接与嵌入式摄像机相连接，通过嵌入式摄像机来记录数字全息图记录系统所得到数字全息图，而嵌入式摄像机的输出端与基于电寻址空间光调制器的光电再现系统的输入端相连，嵌入式摄像机将所得到的数字全息图输出到基于电寻址空间光调制器的光电再现系统上，通过基于电寻址空间光调制器的光电再现系统重建原三维物体，并将重建的立体像显示在承载空间影像的悬浮粒子幕上，从而实现空间三维物体的显示。

上述的数字全息图记录系统(图3)的基本构成是：一台激光器、三个平面反射镜、两个普通分光镜、一个折光镜组及二个光束扩束镜组成。其中，激光器发出的激光，经过反射镜射向分光镜，在分光镜处分成两束，透射的光束作为参考光束射向折光镜组，经反射镜反射后由扩束镜扩束，获得一束与所述的嵌入式摄像机口径相当的平行光束，经分光镜反射后射向所述的嵌入式摄像机；而经过分光镜反射的光束为物光束，经反射镜反射、扩束镜扩束后射向被测物体；被测物体的散射光束透过分光镜也射向所述的嵌入式摄像机；参考光束和物光束在嵌入式摄像机处形成干涉，嵌入式摄像机记录了该干涉的强度信息，即全息图；通过折光镜组和被测物体的同步调整，可以满足不同大小被测物体的记录要求，同时保证了调整过程中光程差保持不变。

上述的基于电寻址空间光调制器的光电再现系统由一台激光器、两个平面反射镜、一个光束扩束镜、一个电寻址空间光调制器和一个成像透镜组成。其中激光器发出的激光束，经反射镜反射后经扩束镜扩束，经反射镜反射后射向电寻址空间光调制器，而且所述的嵌入式摄像机将所得的数字全息图输出到电寻址空间光调制器，则电寻址空间光调制器输出的衍射光束经成像透镜后投射到所述的悬浮粒子幕上。

上述的承载空间影像的悬浮粒子幕为立方形悬浮粒子幕，其结构是：一个立方形支撑机构的上面固定安装一个悬浮粒子发生器组，而下面安装一个悬浮粒子整形器组，所述的悬浮粒子发生器组中的悬浮粒子发生器及悬浮粒子整形器组中的悬浮粒子整形器按矩形排列，从而产生立方形悬浮粒子幕。

上述的承载空间影像的悬浮粒子幕为圆柱形悬浮粒子幕，其结构是：一个由吊线吊挂的支撑机构上安装一个悬浮粒子发生器组，对应下方的一个支撑机构上安装一个悬浮粒子整形器组，所述的悬浮粒子发生器组中的悬浮粒子发生器和悬浮粒子整形器组中的悬浮粒子整形器按圆形排列，从而产生圆柱形悬浮粒子幕；所述的基于电寻址空间光调制器的光电再现系统，安装在与圆柱形悬浮粒子幕同圆心的轨道上而绕其旋转。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

①利用悬浮粒子幕作为承载空间再现影像，实现了立体影像的空间显示，脱离了传统的依赖于平面显示器或屏幕的显示技术。

②发明提出了两种新型的屏幕形式，立方形屏幕针对小视角，圆柱形屏幕针对大视角观察图像。

③发明中提出的悬浮粒子幕，以空气或水等透明物质作为产生悬浮粒子的介质，产生的粒子可以按一定形式悬浮于空间，无需任何固体的承载介质，实现一种“看得见，摸不着”的虚幻的三维立体像，利用人的虚幻感觉，加强了娱乐性。

④发明中设计的基于空间光调制器的再现系统，利用了二次调制光束的方法，可以实现短距离内再现物体影像，克服了空间光调制器分辨率较低对再现距离要求较长的缺点，节省了装置尺寸。

⑤设计的数字全息记录系统，可以实现不同大小物体的记录。

⑥发明装置中采用了嵌入式摄像机，将对采集、参数控制、图像处理和传输控制等都有嵌入式摄像机完成，不需要体积较大的计算机，简化了装置结构，增加了实用性。

附图说明：

图1是基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置(立方形屏幕)结构框图。

图2是基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置(圆柱形屏幕)结构框图。

图3是数字全息图光学记录系统原理图。

图4是基于电寻址空间光调制器的光电再现系统原理图。

图5是立方型悬浮粒子幕结构原理图。

图6是圆柱形悬浮粒子幕结构原理图。

具体实施方式：

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

如图1和图2所示，本基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置是：由数字全息图记录系统1将物体三维信息载波到全息图中，由嵌入式摄像机2将全息图以数字的形式记录下来，然后传输到再现系统3，在空间再现物体三维影像。再现的影像被投射到悬浮粒子幕4、5上。

上述的数字全息图记录系统1，如图3所示，其工作过程是：激光器6发出的激光，经过反射镜7射向分光镜8，在分光镜8处分成两束，透射的光束作为参考光束射向折光镜组15，经反射镜14反射后由扩束镜13扩束，获得一束与摄像机口径相当的平行光束，经分光镜12反射后射向上述的嵌入式摄像机2；而经过分光镜8反射的光束为物光束，经反射镜9反射、扩束镜10扩束后射向被测物体11。被测物体11的散射光束透过分光镜12也射向上述嵌入式摄像机2。参考光束和物光束在嵌入式摄像机2处形成干涉，摄像机记录了该干涉的强度信息，即全息图。根据光学全息原理，全息图中已经将物体的三维轮廓信息载波其中。在记录系统1中，折光镜15放在可移动工作台上，被测物体11也放在可移动工作台上。本设计光路中，参考光和物光的光程基本相等，光程差要求小于激光器的相干波长。当被记录物体11的大小改变时，需要调整被测物体11离摄像机2的距离，同时为了保持参考光和物光的光程基本一致，需要同步调整折光镜15的位置。本结构中激光器6不但要求功率较大，满足全息图记录要求，而且要求相干长度较长，所以一般选用氦氖激光器或氩镉激光器等。

上述嵌入式摄像机2的工作过程是：自动调整曝光时间，适应记录图像强度的动态范围。按设定时间间隔记录图像，并作预处理。将图像以设定的视频方式传输到电寻址空间光调制器20上(见图4)。

参见图4，上述基于电寻址空间光调制器的光电再现系统3的工作过程是：激光器19发出的激光束，经反射镜18反射后经扩束镜17扩束，经反射镜16反射后射向电寻址空间光调制器20。该电寻址空间光调制器20由于受摄像机2传入的数字全息图的调制，从空间光调制器衍射的光也受到了调制，在一定的空间位置再现出物体的三维影像，为了扩大再现影像的尺寸，在系统中加入了成像透镜21，经过该透镜的影像投射到悬浮粒子幕4、5上。为了控制投射到空间光调制器20上光束的角度，反射镜16安装在旋转台上。同时了，为了控制影像的放大比率，将成像透镜放在移动工作台上，通过移动透镜实现对放大倍率的调整。激光器19一般采用高功率半导体激光器，或高亮度的激光二极管。

参见图5上述的立方型悬浮粒子幕4的工作原理是：由多个粒子发生器按矩形方式排列，构成粒子发生器组23，将空气或水等透明介质变成一定大小的粒子并向空间喷射。在幕屏下部按矩形方式放置了粒子整形器，构成粒子整形器组24。该整形器组24对粒子发生器喷射出的粒子分布方式进行整理，形成立体形的“看得见、摸不到”的透明屏幕。粒子发生器组和粒子整形组放置在支撑结构25上。参见图6，上述的圆柱形悬浮粒子幕5的工作原理与立体形悬浮粒子幕的基本相同，不同之处是为了使整个结构在工作中不遮挡投射光束，将上部分的支撑结构28由吊线26吊装在装置上方的屋顶或某支架上，上部支撑结构28上安装粒子发生器组27，下部支撑结构28安装粒子整形器组29，粒子发生器组27中的粒子发生器和粒子整形器组29中的粒子整形器按圆形分布，则产生圆柱形屏幕。

Claims (5)

1.一种基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置，由数字全息图记录系统(1)、嵌入式摄像机(2)、基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)和承载空间影像的悬浮粒子幕(4、5)组成，其特征在于所述的数字全息图记录系统(1)直接与所述的嵌入式摄像机(2)相连接，通过嵌入式摄像机(2)来记录数字全息图记录系统(1)所得到的数字全息图；所述的嵌入式摄像机(2)的输出端与所述的基于电寻址空间调制器的光电再现系统(3)的输入端相连，嵌入式摄像机将所得到的数字全息图输出到基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)，所述的基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)重建三维物体，并将重建的三维物体像投射到所述的承载空间影像的悬浮粒子幕(4、5)上，实现空间三维物体的显示。

2.根据权利要求1所述的基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置，其特征在于所述的数字全息记录系统(1)由一台激光器(6)、三个平面反射镜(7、9、14)、两个普通分光镜(8、12)、一个折光镜组(15)及二个光束扩束镜(10、13)组成；其中激光器(6)发出的激光，经过反射镜(7)射向分光镜(8)，在分光镜(8)处分成两束，透射的光束作为参考光束射向折光镜组(15)，经反射镜(14)反射后由扩束镜(13)扩束，获得一束与所述的嵌入式摄像机(2)口径相当的平行光束，经分光镜(12)反射后射向所述的嵌入式摄像机(2)；而经过分光镜(8)反射的光束为物光束，经反射镜(9)反射、扩束镜(10)扩束后射向被测物体(11)；被测物体的散射光束透过分光镜(12)也射向所述的嵌入式摄像机(2)；参考光束和物光束在嵌入式摄像机(2)处形成干涉，嵌入式摄像机(2)记录了该干涉的强度信息，即全息图；通过折光镜组(15)和被测物体(11)的同步调整，可以满足不同大小被测物体的记录要求，同时保证了调整过程中光程差保持不变。

3.根据权利要求1所述的基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像的装置，其特征在于所述的基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)由一台激光器(19)、两个平面反射镜(16、18)、一个光束扩束镜(17)、一个电寻址空间光调制器(20)及一个成像透镜(21)组成。其中激光器(19)发出的激光束，经反射镜(18)反射后经扩束镜(17)扩束，经反射镜(16)反射后射向电寻址空间光调制器(20)，而且所述的嵌入式摄像机(2)将所得的数字全息图输出到电寻址空间光调制器(20)，则电寻址空间光调制器(20)输出的衍射光束经成像透镜(21)后投射到所述的悬浮粒子幕(4、5)上。

4.根据权利要求1所述的基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置，其特征在于所述的承载空间影像的悬浮粒子幕为立方形悬浮粒子幕(4)，其结构是：一个立方形支撑机构(25)的上面固定安装一个悬浮粒子发生器组(23)，而下面安装一个悬浮粒子整形器组(24)，所述的悬浮粒子发生器组(23)中的悬浮粒子发生器及悬浮粒子整形器组(24)中的悬浮粒子整形器按矩形排列，从而产生立方形悬浮粒子幕。

5.根据权利要求1所述的基于悬浮粒子幕的光电再现空间影像装置，其特征在于所述的承载影像的悬浮粒子幕为圆柱形悬浮粒子幕(5)，其结构是：一个由吊线(27)吊挂的支撑机构(28)上安装一个悬浮粒子发生器组(27)，对应下方的一个支撑机构(28)上安装一个悬浮粒子整形器组(29)，所述的悬浮粒子发生器组(27)中的悬浮粒子发生器和悬浮粒子整形器组(29)中的悬浮粒子整形器按圆形排列，从而产生圆柱形悬浮粒子幕；所述的基于电寻址空间光调制器的光电再现系统(3)，安装在与圆柱形悬浮粒子幕同圆心的轨道上而绕其旋转。

Images