CN1873470A - 一种空间三维沙盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间三维沙盘，它涉及光学技术领域，其目的是采用本沙盘可使其具有空间图形分辨率高，并能用积木方式拼装产生更大的显示体积。该沙盘包括微激光阵列扫描引擎，光纤微透镜阵列和特别设计的2D－3D解调器。2D－3D解调器由多个独立光纤柱组成，光纤柱的结构和数量决定系统空间显示的体积和分辨率，几个2D－3D解调器在XY平面上拼装即可增大空间的显示体积。微激光阵列扫描引擎产生的二维图像光束通过光纤微透镜阵列寻址耦合到2D－3D解调器的输入面上，经不同长短的光纤传递，在光纤输出端口上被解调成为一个空间分布的3D体素图像。本发明可用来显示三维图像。

Description

一种空间三维沙盘

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及光学显示，具体地说是一种空间三维3D沙盘，用于显示三维图像。

背景技术

空间3D沙盘是在卫星侦察、雷达侦察、航空侦察等各种手段获得信息的基础上，通过计算机处理，将这些信息融合并显示，建立一个与真实战场环境成一定比例、能正确显示各种实际地物和空间机动物体的光电子装置。这对于指挥员了解战场态势、指挥部队行动或进行军事训练都是非常重要的。自90年代以来，由于计算机、微电子、计算机图形处理、光电子、微机械等技术迅速发展，空间3D显示器的专利和原型机的创新频率得到加速。近十年来出现过的有代表性的空间3D显示方案有：1989年I.I.Kim等人的利用双激光束寻址铷蒸汽实现双频两步上转换(two-frequency，two-step upconversion)显示方法，1994年E.Downing等人的ZBLAN玻璃掺杂Er3+实现双频两步上转换激光寻址方法，其基本原理是利用两束相交的不同波长的红外激光交叉作用于频率上转换材料，在两束激光交叉点，发光中心的电子经过两级泵浦激发，被从基态能级激发到较高激发能级，当这些电子向下能级跃迁时产生可见光发射，两束激光的交叉点按所显示的立体图形在上转换材料中做相应的空间三维寻址扫描，即可以显示各种三维立体图象；1994年D.L.MacFarlane等人的液晶光阀控制的光纤体素寻址方法，原型机显示体积300cm³，可以显示11×11×5的单色体素，使用平面液晶做光阀，激光或汞灯做光源，它的主要优势是可以通过液晶阵列使光纤体素同时显示，因而具有较高的图像刷新频率；1998年M.S.Leung等人的单光源(激光或氙灯)分层液晶3D显示；德国Braunschweig大学的FELIX 3D Display和ActualitySystems公司的Perspecta 3D System，这两套设备都属于精密光机型的扫频体积显示系统，基于旋转螺旋靶屏原理，即：螺旋面可看作是沿Z方向上螺旋排列的茎线的集合。当它高速旋转时，每条茎线就划出了一个圆面，在这个圆面上就能显示一个所对应Z坐标值的XY平面的图像，利用人眼视觉暂留的效应，使所有Z坐标所对应的圆面上图像组合，就显示出X、Y、Z三个维度上的图像。2001年，第二代Perspecta 3D System显示体素达到40,000个，直径91.4cm，螺旋靶屏重达125磅，以600rpm旋转。这类基于旋转螺旋靶屏原理设备的缺点有二：一是螺旋靶屏过大，将带来机械抖动使观测图像清晰度下降；二是在中心轴区域会出现原理性的显示死区。另外，以上所有设备均不能采用积木方式拼装，以使其具有更大的显示体积。我国首先注意到空间3D显示技术的是陈晓波等人。他们研究了ZBLAN:Pr，Yb玻璃材料在两束激光泵浦下上转换发光光谱，重复了E.Downing等人的试验并获得成功。但主要问题是：双光束扫描的结构布局，原理上不可能采用积木方式拼装以使显示器具有更大的显示体积；材料的转换效率不到1％；为使其可见光发光在室内昏暗条件下可见，必须将红外激光器输出功率提高到10W数量级上，从而存在对人体潜在的危害。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种空间3D沙盘，使其具有空间图形分辨率高，并能用积木方式拼装产生更大的显示体积。

实现本发明目的的技术方案是：构建一个空间3D沙盘，该沙盘包括微激光阵列扫描引擎、光纤微透镜阵列和特别设计的2D-3D解调器。其中微激光阵列扫描引擎包括微激光阵列、声光调制器和透镜；光纤微透镜阵列由多个光纤微透镜排列而成；2D-3D解调器由多个独立光纤柱组成，这些光纤柱的一端在解调器的输入表面上排列为XY二维的形状，另一端终止于显示体内部不同的三维坐标位置上，光纤柱的结构和数量决定系统空间显示的体积和分辨率，将几个2D-3D解调器在XY平面上拼装相当于增加了原来的光纤柱的排列数量，从而增大了2D-3D解调器在空间的显示体积，也提高了显示器在XY平面上的分辨率。微激光阵列扫描引擎产生的二维图像光束通过光纤微透镜阵列寻址耦合到2D-3D解调器的输入面上，经不同长短的光纤传递，在光纤输出端口上被解调成为一个空间分布的3D体素图像。

上述的空间3D沙盘，所说的光纤柱，是由与2D-3D解调器的输入平面XY上垂直排列的数个或数十个光纤集合组成的方形光纤阵列，方形光纤阵列由独立光纤排列组成，相邻的光纤沿逆时针或顺时针Z方向上的高度相差一个单位高度，其中一个光纤柱位置对应二维图像中的XY平面中的一个坐标点，该二维坐标的z高度由计算机控制的激光阵列在光纤柱中寻址点亮对应高度的体素来实现。

上述的空间3D沙盘，所说的2D-3D解调器由多个独立的光纤柱组成，当在光纤柱中加大光纤的数量以增加图像分辨率时，因为光纤和空气介质的折射率不同，造成光纤与空气的多次折射会导致显示器性能下降，影响人眼观测，在光纤阵列容器中添加与光纤包层材料的折射率相近的硅油做添充液，使2D-3D解调器内部的折射率趋于均匀，以削弱折射作用带来的影响。

本发明与现有技术相比具有的优点：

本发明采用了光纤柱作为显示单元，在此基础上实现了可拼装的显示装置，可快速任意地调整分辨率大小。用光纤单元显示能完整地显示图像，避免了显示死区现象。采用微激光扫描，扫描速率快，光学解调周期短，图像更新迅速，2D-3D解调方式能真实精确地反映出战场3D信息，适应作战指挥的需要。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明中激光与光纤输入不准直导致光损耗示意图

图3是本发明中激光通过光纤微透镜阵列使像素光入射到光纤的光路图

图4是本发明光纤阵列的2D-3D解调器

图5是本发明光纤柱空间结构图

图6是本发明光纤柱排列的平面示意图

图7是本发明光纤柱位置细化前解调所得三维图像的X，Y坐标图

图8是本发明光纤柱位置细化后解调所得三维图像的x，y坐标图

具体实施方式

参照图1，它是本发明的结构示意图，本发明由微激光阵列扫描引擎1、光纤微透镜阵列2和2D-3D解调器3组成。微激光阵列扫描引擎1包括微激光阵列7、声光调制器6和透镜5。微激光阵列扫描引擎1是一个小尺寸、结构紧凑、光学参数相同的可见光阵列激光光源。该激光阵列光源可以由集成电路生产工艺将多个激光器排成一列得到。微激光阵列7发出的像素光，通过声光调制器6改变其扫描的方向，入射到透镜5上，将声光调制器6置于透镜5的焦点上，则出射的为平行光，该平行光有一定的发散角度，若不加以准直就会因为光线离轴导致在一定的孔径数下发生光子损失现象，如图2所示。因此让平行光通过光纤微透镜阵列2汇聚以后，入射到2D-3D解调器3中的光纤4，如图3。

参照图1、图2和图3，图2是本发明中激光与光纤输入不准直导致光损耗示意图，图3是本发明中激光通过光纤微透镜阵列使像素光入射到光纤的光路图。光纤微透镜阵列2中的光纤微透镜的排列与2D-3D解调器中的光纤排列一一对应，使得具有一定发散角度的像素光能够汇聚在光纤入射端面上，满足光纤传导的数值孔径要求，避免因耦合光离轴导致的在一定的数值孔径下发生光子损失的现象。

参照图1、图4～图6，2D-3D解调器3由许多独立光纤柱组成，这些光纤柱的一端在输入表面上排列为XY二维的形状，另一端终止于显示体内部不同的三维坐标位置XYZ上，如图4。光纤柱是由与输入平面XY上垂直排列的数个或数十个光纤集合组成的方形光纤阵列，相邻的光纤沿逆时针或顺时针Z方向上的高度相差一个单位高度，这样的根部较大类似宝塔的设计可以有效的防止光纤倒伏，如图5所示。其中一个光纤柱位置对应二维图像中的XY平面中一个坐标点，该二维坐标的z高度由计算机控制的激光阵列在光纤柱中寻址点亮对应高度的体素来实现。光纤柱的结构和数量决定系统空间显示的分辨率。若组成光纤柱的数量为p×q，如图6排列，则每个柱有p×q个单位高度，2D-3D解调器在Z方向上的分层数为F_Z＝p×q；若光纤柱在XY平面上为r×s排列，则2D-3D解调器在空间最大的分辨率为(r×s×F_Z)。光纤柱的设计不同可在Z方向上产生不同的分辨率；光纤柱在XY平面排列的数量不同在XY平面上产生的分辨率也不同。因此，将几个2D-3D解调器3在XY平面上拼装相当于增加了原来的光纤柱的排列数量，从而增大了2D-3D解调器3在空间的显示体积，也提高了显示器在XY平面上的分辨率。

在光纤柱中加大光纤4的数量以增加图像分辨率时，因为光纤4和空气介质的折射率不同，造成光纤4与空气的多次折射会导致显示器性能下降，影响人眼观测。在光纤阵列容器中添加与光纤包层材料的折射率相近的硅油做添充液，使2D-3D解调器3内部的折射率趋于均匀，以削弱折射作用带来的影响。

参照图6、图7和图8，显示寻址的过程如下：一幅二维图像，其中每一个像素的坐标为(x，y)，它的高度信息z由计算机记录供寻址时使用。在2D-3D解调器3中，对应的像素坐标为(X，Y，Z)。假设所设计的光纤柱为一个p×q排布，即在Z方向上解调器能解调出p×q个高度值。这些高度值的分布可表示为一个高度分布矩阵：

$Z_h=\left[\begin{array}{cccccc}1& 2& 3& \·\·\·& p-1& p\\ 2p+2q-4& 2p+2q-3& \·\·\·& 3p+2q-7& 3p+2q-6& p+1\\ 2p+2q-5& & \·\·\·& & 3p+2q-5& p+2\\ \·& \·& & & \·& \·\\ \·& \·& p\×q& & \·& \·\\ \·& \·& & & \·& \·\\ 2p+q-1& 4p+3q-12& \·\·\·& 3p+3q-8& 3p+3q-9& p+q-2\\ 2p+q-2& 2p+q-3& \·\·\·& p+q+1& p+q& p+q-1\end{array}\right]$

高度值在这个矩阵中为顺时针依次递增。与此相对应的有一个位置矩阵：

$Z_{(i,j)}=\left[\begin{array}{cccccc}\left(\mathrm{1,1}\right)& \left(\mathrm{1,2}\right)& \left(\mathrm{1,3}\right)& \·\·\·& (1,p-1)& (1,p)\\ (2,1)& (2,2)& (2,3)& \·\·\·& (2,p-1)& (2,p)\\ (3,1)& (3,2)& (3,3)& \·\·\·& (3,p-1)& (3,p)\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ (q-\mathrm{1,1})& (q-\mathrm{1,2})& (q-\mathrm{1,3})& \·\·\·& (q-1,p-1)& (q-1,p)\\ (q,1)& (q,2)& (q,3)& \·\·\·& (q,p-1)& (q,p)\end{array}\right]$

矩阵中的(i，j)，与高度分布矩阵中的元素一一对应，反映了该高度在光纤柱中的位置。给解调后的三维图像加上(X，Y，Z)坐标，图7给出了在(X，Y)平面上的坐标，图中每一个小方格对应于二维图像中的一个像素，每一个像素都由一个p×q的光纤柱解调，即图中的阴影方格代表了一个光纤柱的位置。图8给出了光纤柱位置细化后的坐标图(x，y)，图7中的一个小方格代表的是一根光纤，显然，(X，Y)坐标和(x，y)坐标有如下关系：

$X=\left[\frac{x}{p}\right]$

$Y=\left[\frac{y}{q}\right]$

对于每一个二维图像的像素点(X，Y)，计算机根据它的坐标先寻址到2D-3D解调器3的(X，Y)位置，这个位置对应于p×q个高度值，再通过记录在电脑中的像素高度信息在高度分布矩阵Z_h中找到对应高度，搜索到位置矩阵中Z_(i，j)对应的(i，j)，这个位置的光纤就是所要寻址的目标。在(x，y)坐标平面上，该光纤的坐标为(p×X+I，q×Y+j)。由计算机控制的微激光阵列7点亮坐标为(p×X+I，q×Y+j)处光纤4上的体素就完成了该像素的寻址显示。计算机对二维图像中所有像素一次性完成寻址，得到需要点亮的体素所在的光纤4位置信息，微激光阵列7就能在计算机的控制下迅速准确地完成一帧图像的显示。

这里以10×10排列的光纤柱为例进一步说明寻址一个像素的过程。在此分别有高度分布矩阵Z_h和位置矩阵Z_(i，j)：

$Z_h=\left[\begin{array}{cccccccccc}1& 2& 3& 4& 5& 6& 7& 8& 9& 10\\ 36& 37& 38& 39& 40& 41& 42& 43& 44& 11\\ 35& 64& 65& 66& 67& 68& 69& 70& 45& 12\\ 34& 63& 84& 85& 86& 87& 88& 71& 46& 13\\ 33& 62& 83& 96& 97& 98& 89& 72& 47& 14\\ 32& 61& 82& 95& 100& 99& 90& 73& 48& 15\\ 31& 60& 81& 94& 93& 92& 91& 74& 49& 16\\ 30& 59& 80& 79& 78& 77& 76& 75& 50& 17\\ 29& 58& 57& 56& 55& 54& 53& 52& 51& 18\\ 28& 27& 26& 25& 24& 23& 22& 21& 20& 19\end{array}\right]$

$Z_{(i,j)}=\left[\begin{array}{cccccccccc}\left(\mathrm{1,1}\right)& \left(\mathrm{1,2}\right)& \left(\mathrm{1,3}\right)& \left(\mathrm{1,4}\right)& \left(\mathrm{1,5}\right)& \left(\mathrm{1,6}\right)& \left(\mathrm{1,7}\right)& \left(\mathrm{1,8}\right)& \left(\mathrm{1,9}\right)& \left(\mathrm{1,10}\right)\\ \left(\mathrm{2,1}\right)& \left(\mathrm{2,2}\right)& \left(\mathrm{2,3}\right)& \left(\mathrm{2,4}\right)& \left(\mathrm{2,5}\right)& \left(\mathrm{2,6}\right)& \left(\mathrm{2,7}\right)& \left(\mathrm{2,8}\right)& \left(\mathrm{2,9}\right)& \left(\mathrm{2,10}\right)\\ \left(\mathrm{3,1}\right)& \left(\mathrm{3,2}\right)& \left(\mathrm{3,3}\right)& \left(\mathrm{3,4}\right)& \left(\mathrm{3,5}\right)& \left(\mathrm{3,6}\right)& \left(\mathrm{3,7}\right)& \left(\mathrm{3,8}\right)& \left(\mathrm{3,9}\right)& \left(\mathrm{3,10}\right)\\ \left(\mathrm{4,1}\right)& \left(\mathrm{4,2}\right)& \left(\mathrm{4,3}\right)& \left(\mathrm{4,4}\right)& \left(\mathrm{4,5}\right)& \left(\mathrm{4,6}\right)& (4,7)& \left(\mathrm{4,8}\right)& \left(\mathrm{4,9}\right)& \left(\mathrm{4,10}\right)\\ \left(\mathrm{5,1}\right)& \left(\mathrm{5,2}\right)& \left(\mathrm{5,3}\right)& \left(\mathrm{5,4}\right)& \left(\mathrm{5,5}\right)& \left(\mathrm{5,6}\right)& \left(\mathrm{5,7}\right)& \left(\mathrm{5,8}\right)& \left(\mathrm{5,9}\right)& \left(\mathrm{5,10}\right)\\ \left(\mathrm{6,1}\right)& \left(\mathrm{6,2}\right)& \left(\mathrm{6,3}\right)& \left(\mathrm{6,4}\right)& \left(\mathrm{6,5}\right)& \left(\mathrm{6,6}\right)& \left(\mathrm{6,7}\right)& (6,8)& \left(\mathrm{6,9}\right)& \left(\mathrm{6,10}\right)\\ \left(\mathrm{7,1}\right)& \left(\mathrm{7,2}\right)& \left(\mathrm{7,3}\right)& \left(\mathrm{7,4}\right)& \left(\mathrm{7,5}\right)& \left(\mathrm{7,6}\right)& \left(\mathrm{7,7}\right)& \left(\mathrm{7,8}\right)& \left(\mathrm{7,9}\right)& \left(\mathrm{7,10}\right)\\ \left(\mathrm{8,1}\right)& \left(\mathrm{8,2}\right)& \left(\mathrm{8,3}\right)& \left(\mathrm{8,4}\right)& \left(\mathrm{8,5}\right)& \left(\mathrm{8,6}\right)& \left(\mathrm{8,7}\right)& \left(\mathrm{8,8}\right)& \left(\mathrm{8,9}\right)& \left(\mathrm{8,10}\right)\\ \left(\mathrm{9,1}\right)& \left(\mathrm{9,2}\right)& \left(\mathrm{9,3}\right)& \left(\mathrm{9,4}\right)& \left(\mathrm{9,5}\right)& \left(\mathrm{9,6}\right)& \left(\mathrm{9,7}\right)& \left(\mathrm{9,8}\right)& \left(\mathrm{9,9}\right)& \left(\mathrm{9,10}\right)\\ \left(\mathrm{10,1}\right)& \left(\mathrm{10,2}\right)& \left(\mathrm{10,3}\right)& \left(\mathrm{10,4}\right)& \left(\mathrm{10,5}\right)& \left(\mathrm{10,6}\right)& \left(\mathrm{10,7}\right)& \left(\mathrm{10,8}\right)& \left(\mathrm{10,9}\right)& \left(\mathrm{10,10}\right)\end{array}\right]$

在二维图像的(20，30)位置上有一个高度信息为75的像素，计算机根据高度信息在Z_h中找到75，并在位置矩阵Z_(i，j)中找到对应的位置坐标(8，8)，因此这里要点亮的体素所在的光纤位置应该在(20×10+8，30×10+8)，即(208，308)位置上。

Claims (3)

1、一种空间三维沙盘，包括由微激光阵列(7)、声光调制器(6)和透镜(5)组成的微激光阵列扫描引擎(1)、光纤微透镜阵列(2)，其特征在于还包括2D-3D解调器(3)，2D-3D解调器(3)由多个独立的光纤柱组成，这些光纤柱的一端在解调器(3)的输入表面上排列为XY二维的形状，另一端终止于由该2D-3D解调器(3)构成的显示体内部不同的三维坐标位置上，光纤柱的结构和数量决定系统空间显示的体积和分辨率，将几个2D-3D解调器(3)在XY平面上拼装相当于增加了原来的光纤柱的排列数量，从而增大了2D-3D解调器(3)在空间的显示体积，也提高了显示器在XY平面上的分辨率；微激光阵列扫描引擎(1)产生的二维图像光束通过光纤微透镜阵列(2)寻址耦合到2D-3D解调器(3)的输入面上，经不同长短的光纤(4)传递，在光纤(4)输出端口上被解调成为一个空间分布的3D体素图像。

2、根据权利1所述的一种空间三维沙盘，其特征在于所说的光纤柱，是由与2D-3D解调器(3)的输入平面XY上垂直排列的数个或数十个光纤集合组成的方形光纤阵列，方形光纤阵列由独立的光纤排列组成，相邻的光纤沿逆时针或顺时针Z方向上的高度相差一个单位高度，其中一个光纤柱位置对应二维图像中的XY平面中的一个坐标点，该二维坐标的z高度由计算机控制的激光阵列在光纤柱中寻址点亮对应高度的体素来实现。

3、根据权利1所述的一种空间三维沙盘，其特征在于所说的2D-3D解调器(3)由多个独立的光纤柱组成，当在光纤柱中加大光纤(4)的数量以增加图像分辨率时，因为光纤(4)和空气介质的折射率不同，造成光纤(4)与空气的多次折射会导致显示器性能下降，影响人眼观测，在光纤阵列容器中添加与光纤包层材料的折射率相近的硅油做添充液，使2D-3D解调器(3)内部的折射率趋于均匀，以削弱折射作用带来的影响。

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