專利名稱：一種空間三維沙盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光學(xué)顯示，具體地說是一種空間三維3D沙盤，用于顯示三維圖像。
背景技術(shù)：
空間3D沙盤是在衛(wèi)星偵察、雷達(dá)偵察、航空偵察等各種手段獲得信息的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)處理，將這些信息融合并顯示，建立一個(gè)與真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境成一定比例、能正確顯示各種實(shí)際地物和空間機(jī)動(dòng)物體的光電子裝置。這對于指揮員了解戰(zhàn)場態(tài)勢、指揮部隊(duì)行動(dòng)或進(jìn)行軍事訓(xùn)練都是非常重要的。自90年代以來，由于計(jì)算機(jī)、微電子、計(jì)算機(jī)圖形處理、光電子、微機(jī)械等技術(shù)迅速發(fā)展，空間3D顯示器的專利和原型機(jī)的創(chuàng)新頻率得到加速。近十年來出現(xiàn)過的有代表性的空間3D顯示方案有1989年I.I.Kim等人的利用雙激光束尋址銣蒸汽實(shí)現(xiàn)雙頻兩步上轉(zhuǎn)換(two-frequency，two-step upconversion)顯示方法，1994年E.Downing等人的ZBLAN玻璃摻雜Er3+實(shí)現(xiàn)雙頻兩步上轉(zhuǎn)換激光尋址方法，其基本原理是利用兩束相交的不同波長的紅外激光交叉作用于頻率上轉(zhuǎn)換材料，在兩束激光交叉點(diǎn)，發(fā)光中心的電子經(jīng)過兩級泵浦激發(fā)，被從基態(tài)能級激發(fā)到較高激發(fā)能級，當(dāng)這些電子向下能級躍遷時(shí)產(chǎn)生可見光發(fā)射，兩束激光的交叉點(diǎn)按所顯示的立體圖形在上轉(zhuǎn)換材料中做相應(yīng)的空間三維尋址掃描，即可以顯示各種三維立體圖象；1994年D.L.MacFarlane等人的液晶光閥控制的光纖體素尋址方法，原型機(jī)顯示體積300cm3，可以顯示11×11×5的單色體素，使用平面液晶做光閥，激光或汞燈做光源，它的主要優(yōu)勢是可以通過液晶陣列使光纖體素同時(shí)顯示，因而具有較高的圖像刷新頻率；1998年M.S.Leung等人的單光源(激光或氙燈)分層液晶3D顯示；德國Braunschweig大學(xué)的FELIX 3D Display和ActualitySystems公司的Perspecta 3D System，這兩套設(shè)備都屬于精密光機(jī)型的掃頻體積顯示系統(tǒng)，基于旋轉(zhuǎn)螺旋靶屏原理，即螺旋面可看作是沿Z方向上螺旋排列的莖線的集合。當(dāng)它高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，每條莖線就劃出了一個(gè)圓面，在這個(gè)圓面上就能顯示一個(gè)所對應(yīng)Z坐標(biāo)值的XY平面的圖像，利用人眼視覺暫留的效應(yīng)，使所有Z坐標(biāo)所對應(yīng)的圓面上圖像組合，就顯示出X、Y、Z三個(gè)維度上的圖像。2001年，第二代Perspecta 3D System顯示體素達(dá)到40,000個(gè)，直徑91.4cm，螺旋靶屏重達(dá)125磅，以600rpm旋轉(zhuǎn)。這類基于旋轉(zhuǎn)螺旋靶屏原理設(shè)備的缺點(diǎn)有二一是螺旋靶屏過大，將帶來機(jī)械抖動(dòng)使觀測圖像清晰度下降；二是在中心軸區(qū)域會出現(xiàn)原理性的顯示死區(qū)。另外，以上所有設(shè)備均不能采用積木方式拼裝，以使其具有更大的顯示體積。我國首先注意到空間3D顯示技術(shù)的是陳曉波等人。他們研究了ZBLAN:Pr，Yb玻璃材料在兩束激光泵浦下上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜，重復(fù)了E.Downing等人的試驗(yàn)并獲得成功。但主要問題是雙光束掃描的結(jié)構(gòu)布局，原理上不可能采用積木方式拼裝以使顯示器具有更大的顯示體積；材料的轉(zhuǎn)換效率不到1％；為使其可見光發(fā)光在室內(nèi)昏暗條件下可見，必須將紅外激光器輸出功率提高到10W數(shù)量級上，從而存在對人體潛在的危害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種空間3D沙盤，使其具有空間圖形分辨率高，并能用積木方式拼裝產(chǎn)生更大的顯示體積。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是構(gòu)建一個(gè)空間3D沙盤，該沙盤包括微激光陣列掃描引擎、光纖微透鏡陣列和特別設(shè)計(jì)的2D-3D解調(diào)器。其中微激光陣列掃描引擎包括微激光陣列、聲光調(diào)制器和透鏡；光纖微透鏡陣列由多個(gè)光纖微透鏡排列而成；2D-3D解調(diào)器由多個(gè)獨(dú)立光纖柱組成，這些光纖柱的一端在解調(diào)器的輸入表面上排列為XY二維的形狀，另一端終止于顯示體內(nèi)部不同的三維坐標(biāo)位置上，光纖柱的結(jié)構(gòu)和數(shù)量決定系統(tǒng)空間顯示的體積和分辨率，將幾個(gè)2D-3D解調(diào)器在XY平面上拼裝相當(dāng)于增加了原來的光纖柱的排列數(shù)量，從而增大了2D-3D解調(diào)器在空間的顯示體積，也提高了顯示器在XY平面上的分辨率。微激光陣列掃描引擎產(chǎn)生的二維圖像光束通過光纖微透鏡陣列尋址耦合到2D-3D解調(diào)器的輸入面上，經(jīng)不同長短的光纖傳遞，在光纖輸出端口上被解調(diào)成為一個(gè)空間分布的3D體素圖像。
上述的空間3D沙盤，所說的光纖柱，是由與2D-3D解調(diào)器的輸入平面XY上垂直排列的數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)光纖集合組成的方形光纖陣列，方形光纖陣列由獨(dú)立光纖排列組成，相鄰的光纖沿逆時(shí)針或順時(shí)針Z方向上的高度相差一個(gè)單位高度，其中一個(gè)光纖柱位置對應(yīng)二維圖像中的XY平面中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，該二維坐標(biāo)的z高度由計(jì)算機(jī)控制的激光陣列在光纖柱中尋址點(diǎn)亮對應(yīng)高度的體素來實(shí)現(xiàn)。
上述的空間3D沙盤，所說的2D-3D解調(diào)器由多個(gè)獨(dú)立的光纖柱組成，當(dāng)在光纖柱中加大光纖的數(shù)量以增加圖像分辨率時(shí)，因?yàn)楣饫w和空氣介質(zhì)的折射率不同，造成光纖與空氣的多次折射會導(dǎo)致顯示器性能下降，影響人眼觀測，在光纖陣列容器中添加與光纖包層材料的折射率相近的硅油做添充液，使2D-3D解調(diào)器內(nèi)部的折射率趨于均勻，以削弱折射作用帶來的影響。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用了光纖柱作為顯示單元，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可拼裝的顯示裝置，可快速任意地調(diào)整分辨率大小。用光纖單元顯示能完整地顯示圖像，避免了顯示死區(qū)現(xiàn)象。采用微激光掃描，掃描速率快，光學(xué)解調(diào)周期短，圖像更新迅速，2D-3D解調(diào)方式能真實(shí)精確地反映出戰(zhàn)場3D信息，適應(yīng)作戰(zhàn)指揮的需要。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明中激光與光纖輸入不準(zhǔn)直導(dǎo)致光損耗示意3是本發(fā)明中激光通過光纖微透鏡陣列使像素光入射到光纖的光路4是本發(fā)明光纖陣列的2D-3D解調(diào)器圖5是本發(fā)明光纖柱空間結(jié)構(gòu)6是本發(fā)明光纖柱排列的平面示意7是本發(fā)明光纖柱位置細(xì)化前解調(diào)所得三維圖像的X，Y坐標(biāo)8是本發(fā)明光纖柱位置細(xì)化后解調(diào)所得三維圖像的x，y坐標(biāo)圖具體實(shí)施方式
參照圖1，它是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明由微激光陣列掃描引擎1、光纖微透鏡陣列2和2D-3D解調(diào)器3組成。微激光陣列掃描引擎1包括微激光陣列7、聲光調(diào)制器6和透鏡5。微激光陣列掃描引擎1是一個(gè)小尺寸、結(jié)構(gòu)緊湊、光學(xué)參數(shù)相同的可見光陣列激光光源。該激光陣列光源可以由集成電路生產(chǎn)工藝將多個(gè)激光器排成一列得到。微激光陣列7發(fā)出的像素光，通過聲光調(diào)制器6改變其掃描的方向，入射到透鏡5上，將聲光調(diào)制器6置于透鏡5的焦點(diǎn)上，則出射的為平行光，該平行光有一定的發(fā)散角度，若不加以準(zhǔn)直就會因?yàn)楣饩€離軸導(dǎo)致在一定的孔徑數(shù)下發(fā)生光子損失現(xiàn)象，如圖2所示。因此讓平行光通過光纖微透鏡陣列2匯聚以后，入射到2D-3D解調(diào)器3中的光纖4，如圖3。
參照圖1、圖2和圖3，圖2是本發(fā)明中激光與光纖輸入不準(zhǔn)直導(dǎo)致光損耗示意圖，圖3是本發(fā)明中激光通過光纖微透鏡陣列使像素光入射到光纖的光路圖。光纖微透鏡陣列2中的光纖微透鏡的排列與2D-3D解調(diào)器中的光纖排列一一對應(yīng)，使得具有一定發(fā)散角度的像素光能夠匯聚在光纖入射端面上，滿足光纖傳導(dǎo)的數(shù)值孔徑要求，避免因耦合光離軸導(dǎo)致的在一定的數(shù)值孔徑下發(fā)生光子損失的現(xiàn)象。
參照圖1、圖4～圖6，2D-3D解調(diào)器3由許多獨(dú)立光纖柱組成，這些光纖柱的一端在輸入表面上排列為XY二維的形狀，另一端終止于顯示體內(nèi)部不同的三維坐標(biāo)位置XYZ上，如圖4。光纖柱是由與輸入平面XY上垂直排列的數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)光纖集合組成的方形光纖陣列，相鄰的光纖沿逆時(shí)針或順時(shí)針Z方向上的高度相差一個(gè)單位高度，這樣的根部較大類似寶塔的設(shè)計(jì)可以有效的防止光纖倒伏，如圖5所示。其中一個(gè)光纖柱位置對應(yīng)二維圖像中的XY平面中一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，該二維坐標(biāo)的z高度由計(jì)算機(jī)控制的激光陣列在光纖柱中尋址點(diǎn)亮對應(yīng)高度的體素來實(shí)現(xiàn)。光纖柱的結(jié)構(gòu)和數(shù)量決定系統(tǒng)空間顯示的分辨率。若組成光纖柱的數(shù)量為p×q，如圖6排列，則每個(gè)柱有p×q個(gè)單位高度，2D-3D解調(diào)器在Z方向上的分層數(shù)為FZ＝p×q；若光纖柱在XY平面上為r×s排列，則2D-3D解調(diào)器在空間最大的分辨率為(r×s×FZ)。光纖柱的設(shè)計(jì)不同可在Z方向上產(chǎn)生不同的分辨率；光纖柱在XY平面排列的數(shù)量不同在XY平面上產(chǎn)生的分辨率也不同。因此，將幾個(gè)2D-3D解調(diào)器3在XY平面上拼裝相當(dāng)于增加了原來的光纖柱的排列數(shù)量，從而增大了2D-3D解調(diào)器3在空間的顯示體積，也提高了顯示器在XY平面上的分辨率。
在光纖柱中加大光纖4的數(shù)量以增加圖像分辨率時(shí)，因?yàn)楣饫w4和空氣介質(zhì)的折射率不同，造成光纖4與空氣的多次折射會導(dǎo)致顯示器性能下降，影響人眼觀測。在光纖陣列容器中添加與光纖包層材料的折射率相近的硅油做添充液，使2D-3D解調(diào)器3內(nèi)部的折射率趨于均勻，以削弱折射作用帶來的影響。
參照圖6、圖7和圖8，顯示尋址的過程如下一幅二維圖像，其中每一個(gè)像素的坐標(biāo)為(x，y)，它的高度信息z由計(jì)算機(jī)記錄供尋址時(shí)使用。在2D-3D解調(diào)器3中，對應(yīng)的像素坐標(biāo)為(X，Y，Z)。假設(shè)所設(shè)計(jì)的光纖柱為一個(gè)p×q排布，即在Z方向上解調(diào)器能解調(diào)出p×q個(gè)高度值。這些高度值的分布可表示為一個(gè)高度分布矩陣Zh=123···p-1p2p+2q-42p+2q-3···3p+2q-73p+2q-6p+12p+2q-5···3p+2q-5p+2······p×q······2p+q-14p+3q-12···3p+3q-83p+3q-9p+q-22p+q-22p+q-3···p+q+1p+qp+q-1]]>高度值在這個(gè)矩陣中為順時(shí)針依次遞增。與此相對應(yīng)的有一個(gè)位置矩陣Z(i,j)=(1,1)(1,2)(1,3)···(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-1,1)(q-1,2)(q-1,3)···(q-1,p-1)(q-1,p)(q,1)(q,2)(q,3)···(q,p-1)(q,p)]]>矩陣中的(i，j)，與高度分布矩陣中的元素一一對應(yīng)，反映了該高度在光纖柱中的位置。給解調(diào)后的三維圖像加上(X，Y，Z)坐標(biāo)，圖7給出了在(X，Y)平面上的坐標(biāo)，圖中每一個(gè)小方格對應(yīng)于二維圖像中的一個(gè)像素，每一個(gè)像素都由一個(gè)p×q的光纖柱解調(diào)，即圖中的陰影方格代表了一個(gè)光纖柱的位置。圖8給出了光纖柱位置細(xì)化后的坐標(biāo)圖(x，y)，圖7中的一個(gè)小方格代表的是一根光纖，顯然，(X，Y)坐標(biāo)和(x，y)坐標(biāo)有如下關(guān)系
X=[xp]]]>Y=[yq]]]>對于每一個(gè)二維圖像的像素點(diǎn)(X，Y)，計(jì)算機(jī)根據(jù)它的坐標(biāo)先尋址到2D-3D解調(diào)器3的(X，Y)位置，這個(gè)位置對應(yīng)于p×q個(gè)高度值，再通過記錄在電腦中的像素高度信息在高度分布矩陣Zh中找到對應(yīng)高度，搜索到位置矩陣中Z(i，j)對應(yīng)的(i，j)，這個(gè)位置的光纖就是所要尋址的目標(biāo)。在(x，y)坐標(biāo)平面上，該光纖的坐標(biāo)為(p×X+I，q×Y+j)。由計(jì)算機(jī)控制的微激光陣列7點(diǎn)亮坐標(biāo)為(p×X+I，q×Y+j)處光纖4上的體素就完成了該像素的尋址顯示。計(jì)算機(jī)對二維圖像中所有像素一次性完成尋址，得到需要點(diǎn)亮的體素所在的光纖4位置信息，微激光陣列7就能在計(jì)算機(jī)的控制下迅速準(zhǔn)確地完成一幀圖像的顯示。
這里以10×10排列的光纖柱為例進(jìn)一步說明尋址一個(gè)像素的過程。在此分別有高度分布矩陣Zh和位置矩陣Z(i，j)Zh=123456789103637383940414243441135646566676869704512346384858687887146133362839697988972471432618295100999073481531608194939291744916305980797877767550172958575655545352511828272625242322212019]]>Z(i,j)=(1,1)(1,2)(1,3)(1,4)(1,5)(1,6)(1,7)(1,8)(1,9)(1,10)(2,1)(2,2)(2,3)(2,4)(2,5)(2,6)(2,7)(2,8)(2,9)(2,10)(3,1)(3,2)(3,3)(3,4)(3,5)(3,6)(3,7)(3,8)(3,9)(3,10)(4,1)(4,2)(4,3)(4,4)(4,5)(4,6)(4,7)(4,8)(4,9)(4,10)(5,1)(5,2)(5,3)(5,4)(5,5)(5,6)(5,7)(5,8)(5,9)(5,10)(6,1)(6,2)(6,3)(6,4)(6,5)(6,6)(6,7)(6,8)(6,9)(6,10)(7,1)(7,2)(7,3)(7,4)(7,5)(7,6)(7,7)(7,8)(7,9)(7,10)(8,1)(8,2)(8,3)(8,4)(8,5)(8,6)(8,7)(8,8)(8,9)(8,10)(9,1)(9,2)(9,3)(9,4)(9,5)(9,6)(9,7)(9,8)(9,9)(9,10)(10,1)(10,2)(10,3)(10,4)(10,5)(10,6)(10,7)(10,8)(10,9)(10,10)]]>
在二維圖像的(20，30)位置上有一個(gè)高度信息為75的像素，計(jì)算機(jī)根據(jù)高度信息在Zh中找到75，并在位置矩陣Z(i，j)中找到對應(yīng)的位置坐標(biāo)(8，8)，因此這里要點(diǎn)亮的體素所在的光纖位置應(yīng)該在(20×10+8，30×10+8)，即(208，308)位置上。
權(quán)利要求
1.一種空間三維沙盤，包括由微激光陣列(7)、聲光調(diào)制器(6)和透鏡(5)組成的微激光陣列掃描引擎(1)、光纖微透鏡陣列(2)，其特征在于還包括2D-3D解調(diào)器(3)，2D-3D解調(diào)器(3)由多個(gè)獨(dú)立的光纖柱組成，這些光纖柱的一端在解調(diào)器(3)的輸入表面上排列為XY二維的形狀，另一端終止于由該2D-3D解調(diào)器(3)構(gòu)成的顯示體內(nèi)部不同的三維坐標(biāo)位置上，光纖柱的結(jié)構(gòu)和數(shù)量決定系統(tǒng)空間顯示的體積和分辨率，將幾個(gè)2D-3D解調(diào)器(3)在XY平面上拼裝相當(dāng)于增加了原來的光纖柱的排列數(shù)量，從而增大了2D-3D解調(diào)器(3)在空間的顯示體積，也提高了顯示器在XY平面上的分辨率；微激光陣列掃描引擎(1)產(chǎn)生的二維圖像光束通過光纖微透鏡陣列(2)尋址耦合到2D-3D解調(diào)器(3)的輸入面上，經(jīng)不同長短的光纖(4)傳遞，在光纖(4)輸出端口上被解調(diào)成為一個(gè)空間分布的3D體素圖像。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的一種空間三維沙盤，其特征在于所說的光纖柱，是由與2D-3D解調(diào)器(3)的輸入平面XY上垂直排列的數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)光纖集合組成的方形光纖陣列，方形光纖陣列由獨(dú)立的光纖排列組成，相鄰的光纖沿逆時(shí)針或順時(shí)針Z方向上的高度相差一個(gè)單位高度，其中一個(gè)光纖柱位置對應(yīng)二維圖像中的XY平面中的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，該二維坐標(biāo)的z高度由計(jì)算機(jī)控制的激光陣列在光纖柱中尋址點(diǎn)亮對應(yīng)高度的體素來實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的一種空間三維沙盤，其特征在于所說的2D-3D解調(diào)器(3)由多個(gè)獨(dú)立的光纖柱組成，當(dāng)在光纖柱中加大光纖(4)的數(shù)量以增加圖像分辨率時(shí)，因?yàn)楣饫w(4)和空氣介質(zhì)的折射率不同，造成光纖(4)與空氣的多次折射會導(dǎo)致顯示器性能下降，影響人眼觀測，在光纖陣列容器中添加與光纖包層材料的折射率相近的硅油做添充液，使2D-3D解調(diào)器(3)內(nèi)部的折射率趨于均勻，以削弱折射作用帶來的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間三維沙盤，它涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，其目的是采用本沙盤可使其具有空間圖形分辨率高，并能用積木方式拼裝產(chǎn)生更大的顯示體積。該沙盤包括微激光陣列掃描引擎，光纖微透鏡陣列和特別設(shè)計(jì)的2D－3D解調(diào)器。2D－3D解調(diào)器由多個(gè)獨(dú)立光纖柱組成，光纖柱的結(jié)構(gòu)和數(shù)量決定系統(tǒng)空間顯示的體積和分辨率，幾個(gè)2D－3D解調(diào)器在XY平面上拼裝即可增大空間的顯示體積。微激光陣列掃描引擎產(chǎn)生的二維圖像光束通過光纖微透鏡陣列尋址耦合到2D－3D解調(diào)器的輸入面上，經(jīng)不同長短的光纖傳遞，在光纖輸出端口上被解調(diào)成為一個(gè)空間分布的3D體素圖像。本發(fā)明可用來顯示三維圖像。
文檔編號G02B6/00GK1873470SQ20061004306
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者林曉春 申請人:西安電子科技大學(xué)