CN116909117A - 一种可变距光镊立体成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可变距光镊立体成像装置及成像方法，涉及成像装置技术领域。一种可变距光镊立体成像装置，包括底座以及罩设于底座顶部的透明外壳，底座顶部设有多个可变距单光镊立体成像组件，可变距单光镊立体成像组件位于透明外壳内，多个可变距单光镊立体成像组件成矩阵式排布；透明外壳顶部设有投影仪。此外本发明还提出一种可变距光镊立体成像方法，包括上述的一种可变距光镊立体成像装置。采用本发明，其具有投影成像交互性强，可控性强，应用场景广泛等特点，本发明应用场景广泛，实用性强，商业用途广，改良发展前景好，可以满足不同的使用需求，给人一种更加真实立体的感受。

Description

一种可变距光镊立体成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及成像装置技术领域，具体而言，涉及一种可变距光镊立体成像装置及成像方法。

背景技术

现有主流的立体投影技术是通过光的偏振原理来实现的，即采用两台投影机同步放映图像，将两台投影机前的偏光片的偏振方向互相垂直，让产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。而偏振光投射到专用的投影幕上再反射到观众位置时偏振光方向须不改变，观众通过偏光眼镜每只眼睛只能看到相应的偏振光图像，从而在视觉神经系统中产生立体感觉。现在的立体投影主要分为主动投影和被动立体投影，不过由于主动立体投影本身存在着很大的技术缺陷，因此我们接触到的大多是被动立体投影。被动立体投影对屏幕的偏振性提出了很高的要求，对于屏幕的选择，我们首先就排除了白塑幕和玻珠幕。因为白塑幕和玻珠幕并不具备偏振性，其光线反射原理注定了它们不能满足被动立体投影的需求。

立体投影除了对屏幕的偏振性要求很高外，对屏幕的增益也提出了要求。立体投影过程中存在着严重的光损问题，由于技术的不同，光损程度从50%到80%不等，也就是说，用一台4000流明的投影机在进行立体投影的时候，有可能进入到人眼的亮度只剩下800流明（Zscreen方法）。说到高增益，很多人很自然的就想到了金属幕。虽然金属幕的增益达到了立体投影的需求，但是金属幕本身存在着严重的太阳效应和金属眩光问题，这也会严重影响立体投影的显示效果，无法达到满意的效果。

纵观投影屏幕市场，虽然品牌众多，种类繁多，但是能满足立体投影需求屏幕却很少，专业性的立体投影屏幕更是少之又少。

目前立体成像技术总体分类为分色技术、分光技术、分时技术、光栅技术。前三种成像技术使用时需佩戴专用眼镜来实现立体效果，光栅技术虽不用专用眼镜，但需佩戴定位设备以及在特定范围内才能实现立体效果。眼睛观看使用分色技术实现的立体成像时，会造成双眼接受到的颜色信息严重不平衡，长时间使用会造成视神经疲劳。分时技术对显示器刷新率有较高要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变距光镊立体成像装置及成像方法，其能够针对现有技术的不足，提出解决方案，其具有投影成像交互性强，可控性强，应用场景广泛等特点，可以在三维空间中进行可控制的立体成像。将光镊技术进行优化扩展应用，其关键技术为在光纤探头末端安装透镜组构成变焦系统，该变焦系统可以调整光纤探头发射出的激光焦距从而控制微粒在竖轴方向的微粒位置，在底座安装多个可变距单光镊立体成像组件，对可变距单光镊立体成像组件进行矩阵排列从而对捕捉的微粒形成三维立体投影。本发明舍弃了原有利用光学错觉和视觉差呈现的全息投影的方案，对全息投影进行了优化创新，从而实现三维立体成像效果。本发明应用场景广泛，实用性强，商业用途广，改良发展前景好，可以满足不同的使用需求，给人一种更加真实立体的感受。

本发明采用的技术方案为：

第一方面，本申请实施例提供一种可变距光镊立体成像装置，包括底座以及罩设于底座顶部的透明外壳，底座顶部设有多个可变距单光镊立体成像组件，可变距单光镊立体成像组件位于透明外壳内，多个可变距单光镊立体成像组件成矩阵式排布；透明外壳顶部设有投影仪。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述可变距单光镊立体成像组件包括音圈电机、固定套筒和光纤，音圈电机包括位于外部的定子和滑动设于定子内部的动子，音圈电机的定子设于底座，动子内部中空，动子内固定设有第二透镜；音圈电机的定子设有第一透镜，固定套筒固定设于音圈电机的定子，固定套筒内固定设有第三透镜，第二透镜位于第一透镜与第三透镜之间；光纤的一端与固定套筒连接。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述还包括相互连接的激光器和分光器，光纤远离固定套筒的一端与分光器连接。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述透明外壳一侧设有可控环境组件。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述可控环境组件包括设于透明外壳一侧的安装盒体以及设于安装盒体内部的风扇和微粒盒，安装盒体与透明外壳内部连通。

第二方面，本申请实施例提供一种可变距光镊立体成像方法，包括上述的一种可变距光镊立体成像装置，还包括如下步骤：

各个音圈电机连接计算机，启动激光器，激光器将激光通过分光器分配到各个光纤，激光通过各个光纤传输到各个可变距单光镊立体成像组件的第三透镜位置；

可变距单光镊立体成像组件捕获进入焦点处光陷域中的微粒，通过计算机控制各个音圈电机的动子移动以驱动第二透镜移动，第二透镜相对于第一透镜和第三透镜移动以调整各个可变距单光镊立体成像组件的焦点位置，通过改变各个可变距单光镊立体成像组件焦点的位置从而使得光陷域所捕获的微粒进行移动，从而使得阵列中所捕获的微粒形成可控三维立体图形的效果；

开启风扇使得微粒盒中的大量微粒扩散至透明外壳内部的空间中，扩散的微粒被可变距单光镊立体成像组件焦点处的光陷域所捕获并保持稳定；

开启投影仪，投影仪连接计算机，投影仪投影到透明外壳内部，投影仪可以使得形成的三维图像变为彩色，通过计算机控制投影仪投影的画面和颜色，从而使得可变距光镊立体成像装置产生更好的显示效果。

相对于现有技术，本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

其具有投影成像交互性强，可控性强，应用场景广泛等特点，可以在三维空间中进行可控制的立体成像。将光镊技术进行优化扩展应用，其关键技术为在光纤探头末端安装透镜组构成变焦系统，该变焦系统可以调整光纤探头发射出的激光焦距从而控制微粒在竖轴方向的微粒位置，在底座安装多个可变距单光镊立体成像组件，对可变距单光镊立体成像组件进行矩阵排列从而对捕捉的微粒形成三维立体投影。本发明舍弃了原有利用光学错觉和视觉差呈现的全息投影的方案，对全息投影进行了优化创新，从而实现三维立体成像效果。本发明应用场景广泛，实用性强，商业用途广，改良发展前景好，可以满足不同的使用需求，给人一种更加真实立体的感受。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的可变距光镊立体成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的可变距单光镊立体成像组件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的可变距单光镊立体成像组件的局部剖视图；

图4为本发明实施例提供的底座和多个可变距单光镊立体成像组件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的可控环境组件的局部剖视图。

图标：1-底座；2-透明外壳；3-可变距单光镊立体成像组件；4-投影仪；5-激光器；6-分光器；7-可控环境组件；31-音圈电机；32-固定套筒；33-光纤；34-第一透镜；35-第二透镜；36-第三透镜；71-安装盒体；72-风扇；73-微粒盒。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或者竖直，而是可以稍微的倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对于“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1-图5，本实施例提供一种可变距光镊立体成像装置，包括底座1以及罩设于底座1顶部的透明外壳2，底座1和透明外壳2均为长方体形状，底座1顶部设有多个可变距单光镊立体成像组件3，可变距单光镊立体成像组件3位于透明外壳2内，多个可变距单光镊立体成像组件3成矩阵式排布；透明外壳2顶部设有投影仪4，投影仪4位于透明外壳2顶部的正中间位置。

可变距单光镊立体成像组件3包括音圈电机31、固定套筒32和光纤33，音圈电机31包括位于外部的定子和滑动设于定子内部的动子，音圈电机31采用圆柱形音圈电机，音圈电机31的定子设于底座1，动子内部中空，动子内固定设有第二透镜35；音圈电机31的定子设有第一透镜34，固定套筒32固定设于音圈电机31的定子，固定套筒32内固定设有第三透镜36，第二透镜35位于第一透镜34与第三透镜36之间；光纤33的一端与固定套筒32连接，本实施例的光纤33采用可以承受住高能激光的特种光线。

音圈电机31利用永久磁钢的磁场与通电线圈导体产生的磁场中磁极间的相互作用来产生直线型运动，通过改变通电线圈导体电流的大小从而使得安装在音圈电机31中的透镜组改变透镜组中透镜之间的间距大小，通过光学折射来实现直线型光学变焦的目的。

还包括相互连接的激光器5和分光器6，激光器5和分光器6之间通过主光纤连接，各个可变距单光镊立体成像组件3对应的光纤33远离固定套筒32的一端与分光器6连接。

透明外壳2一侧设有可控环境组件7。可控环境组件7包括设于透明外壳2一侧的安装盒体71以及设于安装盒体71内部的风扇72和微粒盒73，安装盒体71与透明外壳2内部连通。

本实施例还提供一种可变距光镊立体成像方法，包括上述的一种可变距光镊立体成像装置，还包括如下步骤：

各个音圈电机31连接计算机，启动激光器5，激光器5将激光通过分光器6分配到各个光纤33，激光通过各个光纤33传输到各个可变距单光镊立体成像组件3的第三透镜36位置；

可变距单光镊立体成像组件3捕获进入焦点处光陷域中的微粒，通过计算机控制各个音圈电机31的动子移动以驱动第二透镜35移动，第二透镜35相对于第一透镜34和第三透镜36移动以调整各个可变距单光镊立体成像组件3的焦点位置，通过改变各个可变距单光镊立体成像组件3焦点的位置从而使得光陷域所捕获的微粒进行移动，从而使得阵列中所捕获的微粒形成可控三维立体图形的效果；

开启风扇72使得微粒盒73中的大量微粒扩散至透明外壳2内部的空间中，扩散的微粒被可变距单光镊立体成像组件3焦点处的光陷域所捕获并保持稳定；

开启投影仪4，投影仪4连接计算机，投影仪4采用彩色微型投影仪，投影仪4投影到透明外壳2内部，投影仪4可以使得形成的三维图像变为彩色，通过计算机控制投影仪4投影的画面和颜色，从而使得可变距光镊立体成像装置产生更好的显示效果。

综上，本申请通过光镊技术实现，光镊技术是通过光与物质相互作用的产物，光镊也是一种操作微小颗粒（如金属颗粒、半导体颗粒、生物细胞或其他颗粒）的工具。光镊的操作可以通过高度聚焦的激光束来执行。纳米或微米级的颗粒可以被激光束产生的力所操作。

通过以上各个步骤，通过计算机进行控制，从而在透明外壳2内部形成设置好的三维立体影像，人们不需要专业的设备和三维眼镜等装备进行观看，可以用眼睛直接进行观察，可变距光镊立体成像装置的成像效果良好，颜色鲜艳，立体感强，可以满足不同的使用需求在各个领域中投入使用。

本装置是利用光镊技术通过许多可变距单光镊立体成像组件3与光纤33组成。利用光纤33将激光传递到可变距单光镊立体成像组件3内与复合透镜组合进行聚焦形成光镊，从而实现捕获粒子，粒子通过力学平衡聚集于焦点的光陷域处，从而形成一个光点，将许多可变距单光镊立体成像组件3与光纤33组合体进行矩阵排列，计算机将成像图像计算成可变距单光镊立体成像组件3的焦点位置，光镊通过捕获介质中的微粒，通过改变可变距单光镊立体成像组件3的焦点位置，从而将捕获微粒移动到所要成像的焦点位置，以此类推从而形成立体图像，实现真实裸眼立体效果，图像亮度高，立体效果好。该立体效果十分直观，无需佩戴专业眼镜，不受位置影响到观看效果，无需将图像颜色信息分离传输到眼镜，对视力无损伤。

本发明舍弃了原有利用光学错觉和视觉差呈现的全息投影的方案，对全息投影进行了优化创新，从而实现三维立体成像效果。本发明应用场景广泛，实用性强，商业用途广，改良发展前景好，可以满足不同的使用需求，给人一种更加真实立体的感受。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可变距光镊立体成像装置，其特征在于：包括底座以及罩设于所述底座顶部的透明外壳，所述底座顶部设有多个可变距单光镊立体成像组件，所述可变距单光镊立体成像组件位于所述透明外壳内，多个所述可变距单光镊立体成像组件成矩阵式排布；所述透明外壳顶部设有投影仪。

2.根据权利要求1所述的一种可变距光镊立体成像装置，其特征在于：所述可变距单光镊立体成像组件包括音圈电机、固定套筒和光纤，所述音圈电机包括位于外部的定子和滑动设于所述定子内部的动子，所述音圈电机的定子设于所述底座，所述动子内部中空，所述动子内固定设有第二透镜；所述音圈电机的定子设有第一透镜，所述固定套筒固定设于所述音圈电机的定子，所述固定套筒内固定设有第三透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜与所述第三透镜之间；所述光纤的一端与所述固定套筒连接。

3.根据权利要求2所述的一种可变距光镊立体成像装置，其特征在于：还包括相互连接的激光器和分光器，所述光纤远离所述固定套筒的一端与所述分光器连接。

4.根据权利要求1所述的一种可变距光镊立体成像装置，其特征在于：所述透明外壳一侧设有可控环境组件。

5.根据权利要求4所述的一种可变距光镊立体成像装置，其特征在于：所述可控环境组件包括设于所述透明外壳一侧的安装盒体以及设于所述安装盒体内部的风扇和微粒盒，所述安装盒体与所述透明外壳内部连通。

6.一种可变距光镊立体成像方法，其特征在于：包括如权利要求1-5任意一项所述的一种可变距光镊立体成像装置，还包括如下步骤：

各个音圈电机连接计算机，启动激光器，激光器将激光通过分光器分配到各个光纤，激光通过各个光纤传输到各个可变距单光镊立体成像组件的第三透镜位置；

可变距单光镊立体成像组件捕获进入焦点处光陷域中的微粒，通过计算机控制各个音圈电机的动子移动以驱动第二透镜移动，第二透镜相对于第一透镜和第三透镜移动以调整各个可变距单光镊立体成像组件的焦点位置，通过改变各个可变距单光镊立体成像组件焦点的位置从而使得光陷域所捕获的微粒进行移动，从而使得阵列中所捕获的微粒形成可控三维立体图形的效果；

开启风扇使得微粒盒中的大量微粒扩散至透明外壳内部的空间中，扩散的微粒被可变距单光镊立体成像组件焦点处的光陷域所捕获并保持稳定；

开启投影仪，投影仪连接计算机，投影仪投影到透明外壳内部，投影仪可以使得形成的三维图像变为彩色，通过计算机控制投影仪投影的画面和颜色，从而使得可变距光镊立体成像装置产生更好的显示效果。