CN112965262A - 一种基于dmd的体积成像系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DMD的体积成像系统及其方法，该系统包括DMD单元、SLM单元以及放大镜单元，其中，DMD单元用于加载二维图片，SLM单元用于为二维图片添加不同相位，放大镜单元用于对添加不同相位后的图片进行傅里叶变换和放大处理。与现有技术相比，本发明通过利用具有高分辨率且能够快速切换图片的DMD，结合SLM和由双焦距透镜组成的放大镜单元，能够在二维平面上完成三维成像，实现肉眼3D视频播放的效果，具有快速切换图像、清晰度高的优点。

Description

一种基于DMD的体积成像系统及其方法

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，尤其是涉及一种基于DMD的体积成像系统及其方法。

背景技术

随着科学技术的发展以及人类对周围世界认知的愿望日益加深，传统的二维显示技术已经不能满足人类在科研教育、生命医疗、军事领域以及日常生活娱乐中的需要，为了更好地还原人类所想了解的真实三维世界，三维显示技术应运而生。

作为三维显示的一个分支，三维体积显示器凭借真实的物理景深、灵活的显示方式、无显示死区等优越性而得到了快速的发展，三维体积显示具体是在空间中物理地形成实际形状以呈现三维图像。但现有的三维体积显示容易受到周围像素的光的干扰，难以实现高清晰度成像，此外，当前三维体积显示对显示载体的刷新速度要求比较高，往往不能实现快速切换成像的目的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于DMD(Digtial Micromirror Devices，数字微镜器件)的体积成像系统及其方法，以使得体积成像能够快速切换且具有高清晰度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于DMD的体积成像系统，包括DMD单元、SLM(Spatial Light Modulator，空间光调制器)单元以及放大镜单元，所述DMD单元用于加载二维图片，所述SLM单元用于为二维图片添加不同相位，所述放大镜单元用于对添加不同相位后的图片进行傅里叶变换和放大处理。

进一步地，所述DMD单元上照射有平行光。

进一步地，所述DMD单元反射的光照射在SLM单元上。

进一步地，所述平行光与DMD单元的反射光之间的夹角为45°。

进一步地，所述放大镜单元输出的图像投射至显示屏上。

进一步地，所述放大镜单元包括第一傅里叶透镜、偏振分光棱镜和第二傅里叶透镜，所述第二傅里叶透镜的焦距大于第一傅里叶透镜的焦距。

进一步地，所述第一傅里叶透镜与SLM单元之间的距离等于第一傅里叶透镜的焦距。

进一步地，所述偏振分光棱镜与第二傅里叶透镜之间的距离等于第二傅里叶透镜的焦距。

进一步地，所述第二傅里叶透镜与显示屏之间的距离等于第二傅里叶透镜的焦距。

一种基于DMD的体积成像方法，包括以下步骤：

S1、在DMD单元上加载二维图片，之后将平行光照射在DMD单元上；

S2、DMD单元将携带有二维图片信息的反射光照射在提前加载好不同相位的SLM单元上；

S3、SLM单元为二维图片添加不同相位，其中，不同相位对应不同的光程；

S4、SLM单元反射出的光经过放大镜单元的放大处理，实现三维体积成像，其中，SLM单元反射出的光的光程间具有光程差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明基于DMD、SLM以及放大镜单元，构建得到体积成像系统，利用DMD单元能够高帧率刷新加载二维图片，每张二维图片通过SLM单元被添加不同的相位，从而在空间中呈现立体感、实现三维体积成像，此外，考虑到DMD以及SLM二者的物理尺寸较小，因此在光路中加入放大镜单元，使得显示图像面积成倍数扩大，由此降低了对显示载体刷新速度的要求、提高了整体刷新频率，从而实现快速切换图像以及具有高清晰度的目的。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为实施例中SLM单元中液晶面板的结构示意图；

图3为本发明的方法流程示意图；

图4为实施例中体积成像系统光路示意图；

图中标记说明：1、DMD单元，2、SLM单元，3、放大镜单元，4、显示屏，301、第一傅里叶透镜，302、偏振分光棱镜，303、第二傅里叶透镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于DMD的体积成像系统，包括DMD单元1、SLM单元2以及放大镜单元3，DMD单元1用于加载二维图片，SLM单元2用于为二维图片添加不同相位，放大镜单元3用于对添加不同相位后的图片进行傅里叶变换和放大处理，在具体应用时，DMD单元1上照射有平行光，DMD单元1反射的光照射在SLM单元2上，平行光与DMD单元1的反射光之间的夹角为45°，放大镜单元3输出的图像投射至显示屏4上。

其中，放大镜单元3包括第一傅里叶透镜301、偏振分光棱镜302和第二傅里叶透镜303，第二傅里叶透镜303的焦距大于第一傅里叶透镜301的焦距，第一傅里叶透镜301与SLM单元2之间的距离等于第一傅里叶透镜301的焦距，偏振分光棱镜302与第二傅里叶透镜303之间的距离等于第二傅里叶透镜303的焦距，第二傅里叶透镜303与显示屏4之间的距离等于第二傅里叶透镜303的焦距。

本发明提出的技术方案中，DMD(Digtial Micromirror Devices，数字微镜器件)是一种由多个高速数字式光反射开光组成的阵列，由许多小型铝制反射镜面构成的。镜片的多少由显示分辨率决定，一个小镜片对应一个像素。通常DMD芯片上密密麻麻地排列了80万至100万面小镜子，而且每个小镜子都可以独立向正负方向翻转12度，并可以每秒钟翻转65000次。将物体成像于DMD器件上，通过DMD器件的像素级可控特性及其高速的翻转频率，再将每个像点依次扫描到探测器上，即可实现白天对可见光条件下物体的高速被动式点扫描成像。加入适当光源还可实现主动式扫描成像，光源通过这些小镜子反射到屏幕上直接形成图像，其光学路径也相当简单，体积更小。相较于一般的三管背投影电视无可避免地会产生X射线辐射的缺点，采用数字光学反射原理进行成像的DMD芯片本身不会发出X射线，可以保护观看者的健康。

DMD器件是DLP(Digital Light Processing，数字光处理)的基础，一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关，50至130万个微镜片聚集在CMOS硅基片上，一片微镜片表示一个像素，变换速率为1000次/秒，或更快。每一镜片的尺寸为14μm×14μm(或16μm×16μm)，为便于调节其方向与角度，在其下方均设有类似铰链作用的转动装置，微镜片的转动受控于来自CMOS RAM的数字驱动信号。当数字信号被写入SRAM时，静电会激活地址电极、镜片和轭板以促使铰链装置转动，一旦接收到相应信号，镜片倾斜+12°；如显微镜片处于非投影状态，则被示为“关”，并倾斜-12°。简而言之，DMD的工作原理就是借助微镜装置反射需要的光，同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影，而其光照方向则是借助静电作用，通过控制微镜片角度来实现的，表1给出了本实施例中使用的DMD参数。

表1

参数	值
		分辨率	1920(H)×1080(W)
位深	256(8bit)
		像素大小	7.6μm
帧率	1446Hz(8bitmax)

SLM单元，即空间光调制器，含有许多独立液晶单元，它们在空间上排列成二维阵列，每个单元都可以独立地接收光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。本实施例中采用的是电寻址纯相位反射式液晶空间光调制器，由驱动器、排线和液晶面板组成，其中液晶面板的结构如图2所示。空间光调制器在主动控制下，通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，将数字信息写入光波中，达到光波调制的目的。它可以方便地将信息加载到二维的光场中，利用光的宽带宽，多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理，它是构成实时光学信息处理、光互连、光计算等系统的核心器件。将空间光调制器与计算机的DVI接口相连，就可以通过计算机将任意信号调制到了空间光调制器。表2给出了本实施例使用的空间光调制器参数。

表2

参数	值
		分辨率	1920(H)×1080(W)
调制尺寸	15.36mm×8.64mm
		位深	256(8bit)
像素大小	8μm
		帧率	60Hz

将上述体积成像系统应用于实际，其具体的方法过程如图3所示，包括以下步骤：

S1、在DMD单元上加载二维图片，之后将平行光照射在DMD单元上；

S2、DMD单元将携带有二维图片信息的反射光照射在提前加载好不同相位的SLM单元上；

S3、SLM单元为二维图片添加不同相位，其中，不同相位对应不同的光程；

S4、SLM单元反射出的光经过放大镜单元的放大处理，实现三维体积成像，其中，SLM单元反射出的光的光程间具有光程差。

本实施例中，如图4所示，采用相干光源发射波长为532nm的激光、通过准直扩束形成平行光，平行光首先照射在DMD芯片上，DMD芯片已经加载若干张二维图片，因此从DMD反射出的光将会携带有图片信息，反射后的光将会照在SLM上，也就是SLM所在的位置，然后在SLM上提前加载好不同的相位，当光从SLM反射出后，这些相位加载将会加载在二维图片上，附加的相位使得光路的光程产生变化，不同的相位对应不同的光程，因此携带每张图片的光程间将会产生光程差，从而实现3D效果，光程差即为两束光光程之差，是将光传播的几何距离与光波的振动的性质整合在一起的重要物理量，在几何光学和波动光学中光的干涉、衍射及双折射效应等的推导过程中都具有重要意义。在波动光学中，两束光的相位差成为了主要的研究对象，而光在不同介质之中传播是频率不变而波长会发生改变，因而相位关系也就不同。光程差整合了传播路径这一几何特征量和介质中光的波动性质的变化，利用真空折合距离差这一相同标准，可以计算出不同距离不同介质中传播的两束光的相位差。

而焦距不同的L1和L2透镜组成放大镜系统产生将图片放大的作用，使得接收屏上的图像更易于观看，当输入两束相干的偏振光时，经过特殊的光学装置，余弦光栅、变换平面等，使输入的光在屏幕上产生衍射谱。精细的横向移动余弦光栅，可以连续的改变两束光的衍射级数的相位差，达到衍射光强相减或相加的目的。因此傅里叶透镜L1、L2可以实现傅里叶变换，同时完成放大图像的功能。具体的光路结构为：相干光源激光器透过针孔扩束，扩束后的相干光穿过凸透镜M获得平行光，经过DMD反射，由于DMD内部结构原因，反射出来角度与原平行光夹角为45°，在其反射光线路径上放置SLM(空间光调制器)，在距离SLM一倍f₁处(本实施例中，f₁＝10cm)放置焦距为f₁的透镜L1，再在距离透镜L1稍大于一倍f₁处放置PBS(偏振分光棱镜)(目的：改变光的路径从而节约空间)，然后在透镜L1后距离f₁+f₂的位置放置透镜L2(本实施例中，f₂＝25cm)，最后在距离透镜L2一倍f₂处放置光屏。

综上所述，本技术方案考虑人眼舒适放松时可视帧数是每秒24帧，本研究性实验利用DMD芯片(1080×1920)上百万片小镜子的高速翻转切换多张图片，超过人的肉眼放松时的每秒可视帧数，来产生立体投影的视觉误差，再利用放大镜系统将所成图像放大；

利用两个透镜焦距不同而使产生的像具有放大效果(例：即当f₁＝10cm，f₂＝25cm，所成像与原物象最终放大2.5倍。)利用DMD改变振幅，SLM改变相位，由公式

得出出射角，由于光程差的改变，产生3D视觉效果，最终可获得清晰放大的3D图像。

因此，本技术方案中，体积成像系统主要由以下几部分组成：1、用于加载单张二维图片的DMD；2、用于为二维图片添加不同相位的SLM；3、用于实现傅里叶变换以及放大功能的放大镜单元。首先DMD以高帧率刷新二维图片，刷新帧率高于人眼分辨率，然后每张二维图片通过SLM被添加不同的相位，在空间中呈现立体感，从而实现三维成像。因为DMD和SLM二者的物理尺寸较小，所以需要在光路中加入放大镜系统使显示图像面积成倍数扩大。与现有技术相比，本发明可以快速切换图像，清晰度高，具有3D效果。

Claims (10)

1.一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，包括DMD单元(1)、SLM单元(2)以及放大镜单元(3)，所述DMD单元(1)用于加载二维图片，所述SLM单元(2)用于为二维图片添加不同相位，所述放大镜单元(3)用于对添加不同相位后的图片进行傅里叶变换和放大处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述DMD单元(1)上照射有平行光。

3.根据权利要求2所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述DMD单元(1)反射的光照射在SLM单元(2)上。

4.根据权利要求3所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述平行光与DMD单元(1)的反射光之间的夹角为45°。

5.根据权利要求1所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述放大镜单元(3)输出的图像投射至显示屏(4)上。

6.根据权利要求5所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述放大镜单元(3)包括第一傅里叶透镜(301)、偏振分光棱镜(302)和第二傅里叶透镜(303)，所述第二傅里叶透镜(303)的焦距大于第一傅里叶透镜(301)的焦距。

7.根据权利要求6所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述第一傅里叶透镜(301)与SLM单元(2)之间的距离等于第一傅里叶透镜(301)的焦距。

8.根据权利要求7所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜(302)与第二傅里叶透镜(303)之间的距离等于第二傅里叶透镜(303)的焦距。

9.根据权利要求8所述的一种基于DMD的体积成像系统，其特征在于，所述第二傅里叶透镜(303)与显示屏(4)之间的距离等于第二傅里叶透镜(303)的焦距。

10.一种应用权利要求1所述基于DMD的体积成像系统的体积成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在DMD单元上加载二维图片，之后将平行光照射在DMD单元上；

S2、DMD单元将携带有二维图片信息的反射光照射在提前加载好不同相位的SLM单元上；

S3、SLM单元为二维图片添加不同相位，其中，不同相位对应不同的光程；

S4、SLM单元反射出的光经过放大镜单元的放大处理，实现三维体积成像，其中，SLM单元反射出的光的光程间具有光程差。

Images