CN111338076A - 微机电纵深成像集成电路及成像方法 - Google Patents

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Abstract

微机电纵深成像集成电路及成像方法，涉及广播电视，计算机图像处理以及集成电路领域，解决现有DMD在应用过程中，只能在一个维度上改变闪耀角，用于三维显示时，需要采用其它工作介质反射或散射实现成像，同时无法在全透明环境下成像等问题，由振镜阵列组成；每个反射振镜均包括反射镜、镜架、关节头、电极台面和衬底；电极台面上对称安装四个电极；反射镜、镜架以及关节头的一端刚性连接组成镜体，电极台面的中心与衬底上表面中心形成关节窝，关节头的另一端为椭球形状，关节头关节窝中晃动，限制镜体绕关节头轴线方向旋转。成像方法通过控制振镜阵列的有效区域，产生不同视角下景物自身遮挡的逼真效果。

Description

微机电纵深成像集成电路及成像方法
技术领域
本发明涉及广播电视、计算机图像处理以及集成电路领域，具体涉及一种微机电纵深成像集成电路。
背景技术
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是指尺寸在几毫米乃至更小的微电子机械系统装置，内部结构一般在微米甚至纳米量级。数字微镜器件(DigitalMicro-mirror Device,DMD)是由MEMS与光器件融合为一体的微光机电系统，是一种闪耀角可变的光栅；尽管微镜在二维平面上排列，但只能在一个维度上改变闪耀角。
目前已广泛用于光测量及二维显示系统，最常见的显示应用就是投影仪；DMD用于三维显示时，必须有工作介质反射或散射，还不能在全透明的空气中祼眼可见成像；
现有微镜阵列的镜架采用铰链联接，两端分别受到两个电极的电场力，使反射镜像跷跷板一样绕铰链轴转动，尽管具有二维结构，但组成的光栅只在一个维度上可变。
发明内容
本发明为解决现有DMD在应用过程中，只能在一个维度上改变闪耀角，用于三维显示时，需要采用其它工作介质反射或散射实现成像，同时无法在全透明环境下成像等问题，提供一种微机电纵深成像集成电路及成像方法。
微机电纵深成像集成电路，由振镜阵列组成；每个反射振镜均包括反射镜、镜架、关节头、电极台面和衬底；所述电极台面上对称安装四个电极；所述反射镜、镜架以及关节头的一端刚性连接组成镜体，所述电极台面的中心与衬底上表面中心形成关节窝，关节头的另一端为椭球形状，所述关节头关节窝中晃动，限制镜体绕关节头轴线方向旋转；所述反射镜所在平面与镜架所在平面平行，关节头轴线与镜架所在平面垂直。
微机电纵深成像集成电路的成像方法，具体实现过程为：搭建成像系统，包括依次同轴设置凹面镜、显示屏和振镜阵列；设置凹面镜的内表面为抛物面，抛物面的焦距为F，焦点为O点，抛物面主光轴所在直线为z轴，以O点为坐标原点建立三维直角坐标系，垂直方向为y轴，水平方向为x轴，所述显示屏的图像显示在xy平面上；所述振镜阵列的反射面垂直于z轴，反射面与z轴的交点A与O点的距离为H；
控制显示屏发出的光通过振镜阵列反射到凹面镜上，经所述凹面镜反射后由人眼接收；所述显示屏上图像经过振镜阵列和凹面镜后成像，则在不同视角人眼接收成像物体的不同图像信息，实现三维景物自身遮蔽效果的真三维显示。
本发明的有益效果：本发明所述的电路中，振镜镜架采用关节联接，受到四个电极的电场力作用，反射镜可以向任意方向晃动，组成了二维光栅；一种应用是在真实三维显示系统中作为可变焦距的凹面成像镜或凸面成像镜使用；
本发明所述的成像方法中，所述振镜阵列元件是二维可变光栅，可作为变焦距成像镜，同步配合固定位置的平面动态图像，能够在纵深方向上实现无介质的三维视频显示，在空中显示具有真实视角的三维动态景物；通过控制阵列的有效区域，可以产生不同视角下景物自身遮挡的逼真效果。
附图说明
图1为本发明所述的微机电纵深成像集成电路中一个反射振镜的装配结构图；
图2为将关节头刚性连接在衬底上的连接关系示意图；
图3为包括图1所述振镜阵列组成的成像系统示意图；
图4为本发明所述成像系统中振镜按照电路控制倾斜成为凹面镜的示意图；
图5为本发明所述的微机电纵深成像集成电路的成像方法中控制振镜成像的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种微机电纵深成像集成电路，包括由多个反射振镜组成的振镜阵列；每个反射振镜包括反射镜1，镜架2，关节头3，电极台面4和衬底5；在电极台面上安装有四个电极，分别是：电极6，电极7，电极8和电极9；
所述反射镜1，镜架2以及关节头3刚性连接在一起组成镜体，反射镜1所在平面与镜架2所在平面平行，关节头3轴线与镜架2所在平面垂直，电极台面4与衬底5之间形成了一个关节窝，关节头3可以在关节窝中晃动，但不能脱离关节窝；所述关节头3和关节窝为椭球形状，凸凹关系可以限制镜体绕关节头轴线方向旋转。
所述四个电极加电时，镜架2与四个电极之间产生电场力，当四个电极对镜架2的力不相等时，镜架2向吸引力最大的电极一侧倾倒，并且远离排斥力最大的电极一侧；通过控制四个电极上的电压，可以控制反射镜1的倾斜角度与方向。
本实施方式中，每个振镜的四个电极都独立接收电信号，从而独立控制每个反射镜1的倾斜角度；
结合图2说明本实施方式，本实施方式中，还可以将关节头3设置为圆柱体，刚性连接在衬底5上，利用材料的弹性，所述关节头3、电极台面4和衬底5的材料均可以为半导体硅材料。在电场力作用下扭曲变形而晃动；可以明显降低制作成本。
本实施方式中，振镜元件与传统DMD元件相比，多了一个可变维度，可以实现在两个维度上都可变的光场干涉。
具体实施方式二、结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种微机电纵深成像集成电路的成像方法，该方法具体实现过程为：
首先，搭建成像系统，包括依次同轴设置的凹面镜10，显示屏11和振镜阵列12；
所述凹面镜10内表面为抛物面，直径大于显示的景物，焦距为F，焦点为O点，抛物面主光轴所在直线为z轴，以O点为坐标原点建立三维直角坐标系，垂直方向为y轴，水平方向为x轴。
所述显示屏11是平面显示元件，可以由LCD，LED或有机发光等显示器件构成，其图像显示在xy平面上。
所述振镜阵列12的光反射面垂直于z轴，反射面与z轴交点A距离O点为H，对向显示屏11，使显示屏11发出的光通过振镜阵列12反射到凹面镜10方向。人眼13可以在凹面镜10开口侧看到被凹面镜10反射出的光。
采用外部电路控制振镜阵列12中每一个振镜的倾斜角度，使整个振镜阵列成为一个光反射镜，即可以作为凹面镜，也可以作为凸面镜。
本实施方式中，所述显示屏11产生一个平面图像E，经过振镜阵列12反射到达凹面镜10之后可再次成像W，成像位置在z轴上坐标数值Z可以计算为：
Figure BDA0002432621210000041
由此可见，在外部电路控制下，改变振镜阵列12的焦距S，就可以改变像W在z轴方向上的纵深位置，同时可以计算出像W相对于像E的横向放大率V；
Figure BDA0002432621210000042
外部电路改变振镜阵列12的焦距S，并同步改变显示屏11上显示图像E的大小，可以使像W在保持大小不变的情况下在纵深方向上移动位置。
外部电路快速按照横向放大率V控制显示屏11，显示出物体在与xy平面平行的纵深截面图像轮廓边缘，并同步控制振镜阵列12的焦距S，可以在空中勾勒这个物体的立体图像，人眼视觉暂留可以看到这个空中出现了物体；
因为空间是透明的，所以这个物体也都是透明的，造成物体背面也意外被看见；电路控制振镜阵列12上指定位置无效振镜的倾斜方向与角度，被这些无效振镜反射出的光线不能到达凹面镜10，这样就实现了真实物体能够遮挡住自身背面的逼真实景效果。
结合图4说明本实施方式，振镜阵列中几个振镜按照电路控制倾斜成为凹面镜的示意图；每个振镜各自按角度倾斜，使入射的平行光聚焦在P点，光心为Q点，此时的振镜阵列成为一个可在外部电路的控制下动态变焦的凹面镜；当电路控制每个振镜向相反方向倾斜时，振镜阵列就成为一个动态变焦的凸面镜。
结合图5说明本实施方式，所述显示屏11上图像经过振镜阵列12和凹面镜10之后成像14，成像14上边缘C点对应像15上D点；振镜阵列中z轴上侧的振镜为有效成像振镜；同时控制z轴下侧的振镜的倾斜方向，不让参与成像，使其成为无效振镜，则人眼13在区域T范围内看到像15的边缘D点，而在其他区域看不到D点；处于不同视角的观众将看到成像物体的不同图像信息，是真正的三维景物显示系统。
本实施方式所述的成像方法，可以在空气中实现三维无介质成像,并且成像是具有真实视角与自身遮蔽效果的真三维像。

Claims (6)

1.微机电纵深成像集成电路，其特征是：由振镜阵列组成；每个反射振镜均包括反射镜(1)、镜架(2)、关节头(3)、电极台面(4)和衬底(5)；所述电极台面(4)上对称安装四个电极；
所述反射镜(1)、镜架(2)以及关节头(3)的一端刚性连接组成镜体，所述电极台面(4)的中心与衬底(5)上表面中心形成关节窝，关节头(3)的另一端为椭球形状，所述关节头(3)关节窝中晃动，限制镜体绕关节头轴线方向旋转；
所述反射镜(1)所在平面与镜架(2)所在平面平行，关节头(3)轴线与镜架(2)所在平面垂直。
2.根据权利要求1所述的微机电纵深成像集成电路，其特征在于：所述电极台面(4)与衬底(5)固定连接；关节头(3)为圆柱体，将所述关节头(3)通过电极台面(4)的通孔与衬底(5)刚性连接。
3.根据权利要求1所述的微机电纵深成像集成电路，其特征在于：所述四个电极加电后，通过外部控制电路控制四个电极上的电压，实现控制反射镜的倾斜角度与方向。
4.根据权利要求1所述的微机电纵深成像集成电路，其特征在于：每个反射振镜上的四个电极均独立接收电信号，实现独立控制每个反射镜的倾斜角度与方向。
5.根据权利要求1所述的微机电纵深成像集成电路的成像方法，其特征是：该方法具体实现过程为：
搭建成像系统，包括依次同轴设置凹面镜(10)、显示屏(11)和振镜阵列(12)；
设置凹面镜(10)的内表面为抛物面，抛物面的焦距为F，焦点为O点，抛物面主光轴所在直线为z轴，以O点为坐标原点建立三维直角坐标系，垂直方向为y轴，水平方向为x轴，所述显示屏(11)的图像显示在xy平面上；
所述振镜阵列(12)的反射面垂直于z轴，反射面与z轴的交点A与O点的距离为H；
控制显示屏(11)发出的光通过振镜阵列(12)反射到凹面镜(10)上，经所述凹面镜(10)反射后由人眼接收；
所述显示屏(11)上图像经过振镜阵列(12)和凹面镜(10)后成像，则在不同视角人眼接收成像物体的不同图像信息，实现三维景物自身遮蔽效果的真三维显示。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于：所述显示屏(11)产生一个平面图像E，经过振镜阵列(12)反射到达凹面镜(10)后再次成像W，成像位置在z轴上坐标数值Z用公式表示为：
Figure FDA0002432621200000021
在外部电路控制下，改变振镜阵列(12)的焦距S，实现改变像W在纵深方向上的移动位置，同时计算出像W相对于平面图像E的横向放大率V，用公式表示为：
Figure FDA0002432621200000022
在改变振镜阵列(12)的焦距S的同时，同步改变显示屏(11)上显示平面图像E的内容以及大小，使像W在纵深方向上改变内容并移动位置，在空中显示出三维像。
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