CN112558758A - 一种光照粒子声悬浮全息显示系统 - Google Patents

一种光照粒子声悬浮全息显示系统 Download PDF

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Abstract

一种光照粒子声悬浮全息显示系统，包括PC机、两块相同的相对放置的超声波相控阵板和光照微粒子装置；光照微粒子装置安装在叠放的超声波相控阵板的上方一侧，由PC控制照明开关；根据声压节点计算出底层的超声波相控阵板中每个超声波换能器的相位延时，上层的超声波相控阵采用π弧度的偏移量，在PC机中设定系统参数和目标声压节点，系统参数包括矩形函数波形、通道、脉冲个数、占空比、输入电压、调制信号频率，通过上下位机通讯下发给超声波相控阵板，上下两块超声波相控阵探头发射超声波在设定的声压节点处形成声阱，实现悬浮粒子的驻留。本发明建立了粒子悬浮声场、构建光照粒子显示系统，并提供声全息图的交互触控功能和音响效果。

Description

一种光照粒子声悬浮全息显示系统
技术领域
本发明涉及一种光照粒子声悬浮全息显示系统，涉及裸眼3D显示技术、电子信息人机交互技术、虚拟现实/增强现实(VR/AR)等技术交叉领域。
背景技术
在VR/AR领域，3D显示技术从头盔、轻量化眼镜逐步向裸眼3D技术发展。目前的3D裸眼技术基于光学成像技术，形成的虚拟画面能被人眼视觉感受到，但存在一些局限性，如视场范围和观测距离上都有一定限制。基于粒子声悬浮原理的3D全息显示技术，可以实现真实粒子在空中的悬浮，是真实存在的3D立体图形。由于基于声学技术，可以直接用肉眼在同一时间看到、听到和感觉到3D图像，这是目前可能最贴近我们想象中的裸眼3D技术，在VR/AR、游戏、指挥系统和训练中具有大的运用前景。
超声驻波悬浮粒子与控制技术是超声操控的关键技术，它把若干悬浮装置依照一定规则组合起来形成悬浮装置阵列，其主要任务是在不同装置之间实现被悬浮物体能被稳定、准确地操控。超声波相控阵可以构成这样的悬浮装置。给超声波相控阵输入端加上适当的驱动信号后，超声探头内的压电晶片将会产生一定频率的振动，振动频率和驱动信号频率相一致，将会在空气中以超声波形式向周围空间辐射能量。两个相对的超声波相控阵可以构成两个超声探头。两个探头发射频率相同、振动方向一致而传播方向相反的超声波，则会在两个探头之间产生驻波和声压低点，从而实现微粒子的悬浮。通过两个超声探头驱动信号的控制作用，则可以使被悬浮物体随着悬浮位置的移动从一个空间移向另一个空间，从而利用超声驻波实现对物体的操控。
目前存在由于超声探头振幅限制及结构优化不够导致声悬浮装置悬浮力小和悬浮稳定性较差的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种光照粒子声悬浮全息显示系统，建立超声波相控阵组合系统粒子悬浮声场、构建光照粒子显示系统，并提供声全息图的交互触控功能和音响效果。该系统可以实现直接用肉眼在同一时间看到、听到和感觉到3D图像。
本发明的技术解决方案是：一种光照粒子声悬浮全息显示系统，包括PC机、两块相同的相对放置的超声波相控阵板和光照微粒子装置；光照微粒子装置安装在叠放的超声波相控阵板的上方一侧，由PC控制照明开关；
根据声压节点计算出底层的超声波相控阵板中每个超声波换能器的相位延时，上层的超声波相控阵采用π弧度的偏移量，在PC机中设定系统参数和目标声压节点，系统参数包括矩形函数波形、通道、脉冲个数、占空比、输入电压、调制信号频率，通过上下位机通讯下发给超声波相控阵板，上下两块超声波相控阵探头发射超声波在设定的声压节点处形成声阱，实现悬浮粒子的驻留。
每一块超声波相控阵板分别包括控制板、驱动板、换能器板；换能器板包括n个超声波换能器，由驱动板上互相独立的驱动电路分别驱动每一个超声波换能器；在PC机中设置目标声压节点下发至控制板中的FPGA；控制板包括CPU和FPGA，FPGA模块根据目标声压节点和换能器之间的距离实时计算所有换能器的相位延时，并控制波束成型器产生矩形波；FPGA在CPU的控制下进行n个阵源波形的生成和发送，生成n个阵源的相位信息和波形参数，下发给FPGA中波形输出控制模块；FPGA中波形输出控制模块将相位信息及控制信息分发到n个通道，对应控制驱动板中的驱动电路；驱动电路将FPGA输出的矩形波进行放大；n为正整数。
超声波相控阵板的电源采用带PFC功能输出电压可调的开关电源，通过CPU控制DA输出电压来调节开关电源电压；
CPU采用飞思卡尔P1010系列的POWER PC，与上位机通信端口有2路USB2.0从接口、2路100/1000BASE-T网口和1路串口；CPU与FPGA之间的通信采用PCIE/LOCAL BUS。
超声波换能器驱动电压范围为5～20Vp-p。
驱动电路采用MOS管半桥驱动和MOS管推挽电路，其中半桥驱动使用LM5106，推挽电路采用双NMOS管组成。
光照微粒子装置采用RGB发光二极管。
换能器板包括252个中心频率是40KHz的超声波换能器。
系统的调制频率为1～1kHz。
PC机能够计算多焦点优化控制时换能器相位延时，下发至FPGA，实现用优化算法发射同一时刻多个焦点。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用光照粒子声悬浮全息显示技术，展现了现时基于光学成像技术的裸眼3D技术所不具备的优势，即真实感、360度全方位全景视图、自带触感功能和音效。
(2)本发明提供具有高的相位延时分辨率的超声相控阵组合系统，可以发射对应的多列超声波或高强度的聚焦超声波来形成驻波声压节点，可提高悬浮粒子系统的可操纵性和稳定性。
(3)本发明为了能对全息图进行旋转操作，通过设计旋转矩阵计算聚焦控制点下一时刻的坐标位置，以新坐标的位置反算相控阵换能器新的优化相位值，新的相位值输入控制系统使得相控阵声场空间声辐射力发生变化并控制粒子发生相应的移动到旋转位置。
附图说明
图1为本发明的相控阵超声操控系统框图；
图2为本发明的相控阵控制板设计方案框图；
图3为本发明的信号调制功能时序图；
图4为本发明的单块超声波相控阵结构端子图；
图5为本发明的单块相控阵外观结构图。
具体实施方式
本发明提供超声波相控阵组合系统实现声波镊子的功能，利用声辐射力来定位微毫米尺度粒子，形成空间三维立体图形。构建光照微粒子显示系统，用发光二极管将红、绿、蓝光投射到微粒子上，在空中展现彩色全息图。采用分时复用超声波相控阵焦点及脉冲调制的方法实现对空中显示对象的触摸及音响效果，创建一个能看能听还能触摸的裸眼3D系统。
本发明提供一个超声波相控阵组合装置及上下位机实时通讯操控系统，构建基于声悬浮技术的全息显示系统。单个超声波相控阵由基于CPU+FPGA的相控阵控制板、驱动电路板和换能器板组成。
通过两块相对放置的超声波相控阵装置相互发射频率相同、振动方向一致而传播方向相反的产生超声驻波的方式来形成驻波声场，使微粒子被捕获在其声压节点处实现在空中的悬浮驻留；
通过移动声压节点可以使被捕获的小颗粒跟随着驻波节点的移动而移动。提供改变超声相控阵列中振元的相位关系实现粒子在三维空间中的运动，在目标位置区捕捉和操控多个微粒，形成空间三维立体图形。
基于微粒子的运动轨迹构建光照粒子显示系统，用发光二极管将红、绿、蓝光投射到微粒子上，控制微粒子的颜色，在空中展现彩色全息图。
微粒子颜色RGB值与声场空间强度值满足设计给出的模型方程，以此构建彩色全息图。
超声波相控阵系统可以发射超声波在空中任一位置聚焦、多个任意位置同一时刻聚焦或极短时间依次聚焦。采用分时复用技术产生触觉焦点，并通过脉冲调制方法产生超声振动，使人手获得不同的触觉感知，以实现对空中显示对象的触摸及音响效果，创建一个能看能听还能触摸的裸眼3D系统。
如图1所示，一种光照粒子声悬浮全息显示系统，包括PC机、两块相对放置的超声波相控阵板和光照微粒子装置。光照微粒子装置安装在相控阵声悬浮系统的上端。
每一块超声波相控阵板分别包括控制板、驱动板、换能器板；换能器板包括252个中心频率是40KHz的超声波换能器，由驱动板上互相独立的驱动单元电路分别驱动每一个超声波换能器。在PC机中设置目标声压节点下发至控制板中的FPGA；系统也能够在PC机内完成对聚焦发射延时的计算。控制板包括CPU和FPGA，如图2所示。CPU采用飞思卡尔P1010系列的POWER PC，与上位机通信端口有2路USB2.0从接口、2路100/1000BASE-T网口和1路串口。CPU与FPGA之间的通信采用PCIE/LOCAL BUS。FPGA模块基于目标声压节点和换能器之间的距离实时计算所有换能器的相位延时，并控制波束成型器产生40kHz的矩形波。设定矩形波能够用1-1kHz脉冲(步进1Hz)信号进行调制，如图3所示，以获取用超声振动获得触觉感知的效果。FPGA在CPU的控制下进行252个阵源波形的生成和发送，生成252个阵源的相位信息和波形参数，下发给FPGA中波形输出控制模块；FPGA中波形输出控制模块将相位信息及控制信息分发到252个通道。超声波换能器驱动电压范围设计为5-20Vp-p。驱动电路功能是将FPGA输出的3.3V TTL矩形波进行放大，增强驱动能力。由于超声波换能器为容性负载，选择使用MOS管来驱动。为了增强驱动能力采用MOS管半桥驱动加MOS管推挽电路组成，其中半桥驱动使用LM5106，推挽电路采用双NMOS管组成。所以推挽电路的高端MOS管电源为5-20Vp-p可调。选择带PFC功能输出电压可调的开关电源，通过CPU控制DA输出电压来调节开关电源电压。
提供的单块超声波相控阵板的技术规范如表1所示：
表1：超声波相控阵板技术规范
Figure BDA0002803684700000051
Figure BDA0002803684700000061
电源端子引脚定义如表2：
表2电源端子引脚定义
引脚编号 引脚名称 引脚功能 备注
1-2 GND DC12V OUTPUT V- 所有GND为一个地
3-4 V12 DC12V OUTPUT V+ 输入电压12V
5-6 GND DC5-20V OUTPUT V- 所有GND为一个地
7-8 V24 DC5-20V OUTPUT V+ 输入电压5-20V
9 GND DC5-20V OUTPUT V- 所有GND为一个地
10 PV 控制V24输出电压大小 输出电压为1-5.5V
由上下相对两块相同的超声波相控阵板构建超声驻波悬浮操控系统。相控阵超声驻波悬浮操控系统主要性能指标如表3所示。
表3相控阵超声驻波悬浮操控系统主要性能指标
Figure BDA0002803684700000071
评估一个超声驻波声场中被悬浮颗粒受力情况时，遵循Cor’kov和Nyborg给出的超声驻波悬浮原理。定义了一个物理量U，这个物理量被称作超声辐射势能，它决定了悬浮颗粒在驻波声场中受到的超声辐射力值的大小。其表达式为：
Figure BDA0002803684700000072
式中，声轴与Z轴一致，p(x,y)是横截面声压分布；B＝3(ρ-ρ0)/(2ρ+ρ0),ρ和ρ0分别是小球密度和超声传播介质密度；γ＝β/β0，β和β0分别是小球和媒介的压缩率；c是介质中超声波的传播速度；λ是超声波波长。
在给出了超声辐射势能的表达式后，声场中作用于体积为V的小球上的超声辐射力可以由式(2)经下式给出：
Figure BDA0002803684700000073
实现声悬浮算法第一步设计声压节点，声压节点可以沿相控阵单列分布，也可设计为焦点，根据声压节点计算出底面相控阵每个换能器的相位延时，对于上层的相控阵采用π弧度的偏移量，然后设定矩形函数波形、通道选择(对252发射通道)、脉冲个数、占空比、输入电压(5V～20V)、调制信号选择(1～1023Hz)等系统参数，通过上下位机通讯下发给超声波相控阵，上下两块相控阵探头发射超声波在设计的声压节点处形成声阱，实现悬浮粒子的驻留。
为了能对全息图进行旋转操作，通过设计旋转矩阵计算声压节点控制点下一时刻的坐标位置，以新坐标的位置作为声压节点反算相控阵换能器新的优化相位值，新的相位值输入控制系统使得相控阵声场空间声辐射力发生变化并控制粒子发生相应的移动到旋转位置。
光照微粒子装置采用高强度RGB发光二极管，参数：电流150mA，电压2.5v(R)、3.3V(G/B)，发光二极管安装在相控阵声悬浮系统的右上端。
对于观测者来说，粒子亮度可以用公式(3)所展现的双向反射分布函数来描述，取决于观测者、粒子和光之间的角度α，近似为Lambertian表面。相对于光源的距离，粒子的直径很小这就保证了输入的亮度(单位时间单位面积发射的辐射能量)几乎是恒定的，并可以假设从粒子到观测者的光线是平行的。在公式(3)中，dEi是输入照亮粒子的光照强度微分量、dL是粒子表面对着观测者的某一点的光照强度微分量、ds是粒子表面积的微分量、θ和
Figure BDA0002803684700000082
代表球粒子的参数。另外，当粒子呈现在可视立体的某一位置时，要考虑人对光照的非线性反馈，输入亮度需要调整。可以采用gamma-correction method来进行调整。
Figure BDA0002803684700000081
采用分时复用技术实现触觉效果，通过超声波相控阵的焦点控制实现触觉感知和音响效果。
单点触觉即通过超声波相控阵发射超声波聚焦到工作区空间任意一点位置(手指位置)来实现。为了在人的任意多个手指获得力反馈效果或在手掌面渲染出物体的形状，则需要在皮肤表面上的多个位置同时或极短间隔时间内产生若干聚焦点来实现。在光照粒子声悬浮系统中，可采用超声波多焦点优化控制模式及算法来实现多点触觉力反馈技术(见普通发明《基于超声波多普勒手势识别与多点触感融合的系统及方法》，申请号201911368931.6)。还可以采用信号脉冲调制技术，通过低频信号对超声载波的调制技术，实现人手可检测到的最佳频率范围内的超声振动模式，使空中手势感知不同纹理的超声波，从而获得不同的触觉反馈。本系统调制频率为1～1kHz，通过调制频率的选择，可以获取不同的触觉纹理感知和音响效果。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，包括PC机、两块相同的相对放置的超声波相控阵板和光照微粒子装置；光照微粒子装置安装在叠放的超声波相控阵板的上方一侧，由PC控制照明开关；
根据声压节点计算出底层的超声波相控阵板中每个超声波换能器的相位延时，上层的超声波相控阵采用π弧度的偏移量，在PC机中设定系统参数和目标声压节点，系统参数包括矩形函数波形、通道、脉冲个数、占空比、输入电压、调制信号频率，通过上下位机通讯下发给超声波相控阵板，上下两块超声波相控阵探头发射超声波在设定的声压节点处形成声阱，实现悬浮粒子的驻留。
2.根据权利要求1所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，每一块超声波相控阵板分别包括控制板、驱动板、换能器板；换能器板包括n个超声波换能器，由驱动板上互相独立的驱动电路分别驱动每一个超声波换能器；在PC机中设置目标声压节点下发至控制板中的FPGA；控制板包括CPU和FPGA，FPGA模块根据目标声压节点和换能器之间的距离实时计算所有换能器的相位延时，并控制波束成型器产生矩形波；FPGA在CPU的控制下进行n个阵源波形的生成和发送，生成n个阵源的相位信息和波形参数，下发给FPGA中波形输出控制模块；FPGA中波形输出控制模块将相位信息及控制信息分发到n个通道，对应控制驱动板中的驱动电路；驱动电路将FPGA输出的矩形波进行放大；n为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，超声波相控阵板的电源采用带PFC功能输出电压可调的开关电源，通过CPU控制DA输出电压来调节开关电源电压。
4.根据权利要求3所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，CPU采用飞思卡尔P1010系列的POWER PC，与上位机通信端口有2路USB2.0从接口、2路100/1000BASE-T网口和1路串口；CPU与FPGA之间的通信采用PCIE/LOCAL BUS。
5.根据权利要求4所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，超声波换能器驱动电压范围为5～20Vp-p。
6.根据权利要求5所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，驱动电路采用MOS管半桥驱动和MOS管推挽电路，其中半桥驱动使用LM5106，推挽电路采用双NMOS管组成。
7.根据权利要求6所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，光照微粒子装置采用RGB发光二极管。
8.根据权利要求7所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，换能器板包括252个中心频率是40KHz的超声波换能器。
9.根据权利要求8所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，系统的调制频率为1～1kHz。
10.根据权利要求9所述的一种光照粒子声悬浮全息显示系统，其特征在于，PC机能够计算多焦点优化控制时换能器相位延时，下发至FPGA，实现用优化算法发射同一时刻多个焦点。
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