阅读说明：本技术 一种通过灯光振荡产生的三维全息投影系统及其工作方法 (Three-dimensional holographic projection system generated by light oscillation and working method thereof ) 是由 李伟 颜应文 刘云鹏 田泽民 李井华 刘勇 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通过灯光振荡产生的三维全息投影技术,属于投影领域,本发明的技术利用控制终端主要发送两种信息：1)是控制震荡发生器,使得振荡板产生振幅一定、频率一定的震荡,在振荡板的上、下边界残影内形成一个空白的立体投影空间；2)是控制LED灯的发光时间和电流大小,当LED灯随着振荡板摆动时,就会在投影空间中“划”出一条有颜色的光线,发光时间决定光线长度、电流大小决定了光线颜色,多颗LED灯产生的线条组成了一个完整的三维图形外表面轮廓,由于灯在接近振荡板上、下边界残影处不发光,所以组成的图形是悬浮在空中,达到全息投影的目的。(The invention discloses a three-dimensional holographic projection technology generated by light oscillation, which belongs to the field of projection and mainly utilizes a control terminal to send two kinds of information: 1) controlling an oscillation generator to enable an oscillation plate to generate oscillation with a certain amplitude and a certain frequency, and forming a blank three-dimensional projection space in the residual shadow of the upper and lower boundaries of the oscillation plate; 2) the light-emitting time and the current of the LED lamps are controlled, when the LED lamps swing along with the oscillating plate, colored light rays can be marked in a projection space, the length of the light rays is determined by the light-emitting time, the color of the light rays is determined by the current, lines generated by a plurality of LED lamps form a complete external surface outline of a three-dimensional graph, and the graph formed is suspended in the air because the lamps do not emit light at the positions close to the residual images of the upper and lower boundaries of the oscillating plate, so that the aim of holographic projection is fulfilled.)

一种通过灯光振荡产生的三维全息投影系统及其工作方法

技术领域

本发明属于投影领域，涉及一种全息投影技术，具体是一种通过灯光振荡产生的三维全息投影系统及其工作方法。

背景技术

自从电视图像的诞生以来，人们一直在追求一种更真实更逼近人类肉眼图像显示技术，3D投影技术应运而生。而其中的全息投影技术因给人以虚实难辨的真实视觉冲击感被大众所知。全息投影主要的应用场所有博物馆、科技园、广告活动等等，一般实现全息投影的方法主要是通过把光线投影在“空气”中获得立体感很强的图形，使用这种方法影响投影屏幕，舞台上一般通过隐藏投影屏幕的边缘消失隐藏技术获得图像悬浮效果，目前应用较广的是通过“视觉暂留原理”来达到物体投影效果。

发明内容

本发明鉴于现有研究的进展，提出了一种新型的实现全息投影的系统，通过振荡板的上下振荡带动与之相连的LED灯，通过控制LED灯的发光时间和通电电流在空间中划出一条有颜色的线，利用多颗LED灯划出的光线组成物体的外围轮廓显示在投影空间中，达到获得三维立体悬浮图像的目的。

本发明是这样实现的：

一种通过灯光振荡产生的三维全息投影系统，其特征在于，所述的系统包括振荡发生器、与振荡发生器连接的振荡板；所述的振荡板上设置有若干颗LED灯；所述的振荡发生器外设置有控制终端，通过控制终端向振荡发生器发送控制信号，进而控制振荡板产生固定频率和振幅的周期振荡；本发明通过振荡板的上、下振荡带动与之相连的LED灯振荡，并控制LED灯的发光时间和通电电流，在空间中划出一条有颜色的光线，利用多颗LED灯划出的光线组成物体的外围轮廓，显示在投影空间中，达到获得真实的悬浮的三维立体图像的目的。

为了使振荡板产生固定频率和振幅的周期振荡，需要通过控制终端向振荡发生器发送控制信号，振荡频率主要影响LED灯的摆动速度以及决定振荡板摆动时是否被人眼捕获，振幅决定投影空间的物理尺寸。

振荡板产生的最大振幅的上下边界处为振荡板边界轮廓残影，上下的振荡板边界轮廓残影之间形成投影空间；所述的LED灯发光划出的光线组成物体的外围轮廓，振荡显示在投影空间中；

由于振荡板的物理空间有限，LED光线组成的物理外围轮廓尺寸较小，为了获得更好的视觉效果，在投影空间的外围增加放大装置，其放大装置相似于凸透镜，投影空间位于凸透镜焦点处，将所有物理光线放大，通过控制焦距可任意控制放大倍数。因此在本发明的振荡发生器及其振荡板的外围设置有凸透镜，所述的投影空间位于凸透镜的焦点处，将所有物理光线放大，通过控制焦距控制投影图像的显示倍数。振荡板的物理尺寸不宜过大，为了获得更大型、更宏观的全息投影图，可水平方向放置了一个圆柱形的凸透镜，投影空间位于凸透镜的焦点，通过控制凸透镜的焦距可任意控制投影图像的显示倍数。

进一步，所述的凸透镜设置在振荡发生器及其振荡板的水平方向上，水平方向上设置的凸透镜为不完全圆柱形凸透镜；所述的不完全圆柱形凸透镜水平方向上开设有缺口，缺失的部分放置控制终端、振荡发生器。

进一步，所述的凸透镜设置在振荡发生器及其振荡板的垂直方向上，所述的垂直方向上设置的凸透镜为完全圆柱形凸透镜；所述的振荡板竖直位于完全圆柱形凸透镜的轴线处。振荡板振荡时边界速度为零，其振荡板边界轮廓残影容易被肉眼捕捉，若采用透明材质作为振荡板的制作材料，保证振荡板的透明不反光，此时振荡板竖直放置在完全圆柱凸透镜的轴线方向，则在水平方向360度均可观测到全息投影图形。

进一步，所述的振荡板采用透明不反光的材料制作，抗疲劳性能较好延长使用寿命，透明不反光是为了获得更好的图像观感，可以获得水平方向全方位360度均可观看到全息投影图像的效果，这样在光线较暗的空间振荡时，尽管边界处速度为零，眼睛也看不见边界处的振荡板边界轮廓残影。

进一步，所述的若干颗LED灯的排布方式为：以中心位置的LED灯为中间点，向四周一环一环的阵列排布LED灯，且每一颗LED灯指向中心一侧被LED灯的挡光面遮挡，光线不能穿过LED灯的挡光面到达投影图形内部，只能从背离中心的LED灯的发光面发射出去，保证从观测者方向只能看到投影物体的正面的光，看不到背面发出的光。

进一步，所述的振荡板在最大振幅的最低端和最顶端运动时，LED灯不发光，而是在投影空间发光，在空气中形成一个悬浮的灯光场。组成物体外围轮廓所用到的灯光线越多，显示的图像分辨率越高，所以通过控制LED灯的尺寸和数量可任意控制投影图形的分辨率。通过改变LED灯的数量和尺寸，可获得画质清晰，分辨率较高的3D立体图形。在技术允许的情况下，尺寸越小越好，LED灯可采用0402LED贴片，或者石墨原子灯，或者纳米发光材料，灯的尺寸越小数量越多，获得的图形就越清晰。

进一步，所述的LED灯的通电发光频率是振荡板振荡频率的两倍；由于人眼的图像采集频率小于振荡板的振荡频率，因此LED通电发光频率是振荡板振荡频率的两倍，所以在上一次发光结束、下一次发光时间开始这段时间内，人眼的图像残影还未消失就采集了下一次的发光信息，达到获得连续的三维立体实物图像的全息投影效果。

由于人眼的识别频率约为24HZ，周期约为41ms，而振荡LED的通电频率大于24HZ，则振荡板的振荡频率大于12HZ就可实现显示三维立体图像的目的，对振荡板的寿命要求较小，因此所述的LED灯的通电频率大于24HZ，所述的振荡板的振荡频率大于12HZ。

本发明还公开了一种通过灯光振荡产生的三维全息投影系统的工作方法，其特征在于，所述的方法具体为：

控制终端中存储所有LED灯的发光时间以及通电电流大小的控制程序，LED灯的发光时间与振荡频率决定了划出的光线长度，电流大小决定了光线颜色，所有LED灯的灯光线组成了物理的外围轮廓；

控制终端发送两种控制信号：

1）其一：控制终端控制振荡发生器，使得振荡板产生一定振幅、频率的振荡，通过振荡板的上、下振荡带动与之相连的LED灯振荡，由于人眼捕捉不到快速振荡的振荡板物理边界，就会在振荡板的上、下振荡板边界轮廓残影内形成一个空白的投影空间；

2）其二：控制终端是控制LED灯的发光时间和电流大小，当LED灯随着振荡板摆动时，就会在投影空间中“划”出一条有颜色的光线，发光时间决定光线长度、电流大小决定了光线颜色，多颗LED灯产生的线条组成了一个完整的三维图形外表面轮廓，由于LED灯在振荡板边界轮廓残影边界处不发光，所以组成的图形是悬浮的灯光场，即获得物体的所有三维信息的全息投影图形。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1）本次发明的通过灯光振荡产生的三维立体图像，与目前的空气投影和交互技术相比，不受制于环境温度，不用制造水蒸气，对场地使用没有任何要求；本发明的原理简单，可投影显示出悬浮的较真实的三维物体表面所有物理特征，主要使用在科技展、博物馆等大型展览活动现场。

2）与旋转LED显示技术相比，旋转LED灯技术同样是利用视觉暂留原理，但是该技术产生的是一个悬浮在空中的平面图形，而本次发明的振荡灯光全息投影技术是把多颗LED灯排列在一个二维平面上再产生振荡，获得的是一个真实的由多束灯光组成的三维灯光场，即真实的三维效果更立体。

3）该技术通过凸透镜原理将原本的小范围小尺寸的三维灯光场按照任意倍数放大，可获得更加大型震撼的全息投影效果。

4）若材料技术的达到要求，可采用透明色的物质作为振荡板材料，当在较暗空间产生振荡时看不到振荡板的物理边缘，这样采用水平全方位凸透镜的轴线方向振荡板与振荡板水平放置时，可实现水平方向360度全方位投影。

附图说明

图1是本发明的一种通过灯光振荡产生的全息投影技术的系统示意图；

图2是本发明的一种通过灯光振荡产生的全息投影技术系统的中凸透镜垂直位置摆放示意图；

图3是本发明的一种通过灯光振荡产生的全息投影技术的局部示意图；

图4是本发明的一种通过灯光振荡产生的全息投影技术中LED灯的空间排布示意图；

其中， 1-3D模型球，2-振荡板边界轮廓残影，3-控制终端，4-振荡发生器，5-振荡板，6-LED灯，7-不完全圆柱形凸透镜，8-完全圆柱形凸透镜，9-投影空间，001-观测者观测方向，002-LED灯的挡光面，003-LED灯的发光面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的系统包括振荡发生器4、与振荡发生器4连接的振荡板5；所述的振荡板5上设置有若干颗LED灯6；所述的振荡发生器4外设置有控制终端3，通过控制终端3向振荡发生器4发送控制信号，进而控制振荡板5产生固定频率和振幅的周期振荡；所述的振荡板5产生的最大振幅的上下边界处为振荡板边界轮廓残影2，上下的振荡板边界轮廓残影2之间形成投影空间9；所述的LED灯6发光划出的光线组成物体的外围轮廓，振荡显示在投影空间9中；所述的振荡发生器4及其振荡板5的外围设置有凸透镜，凸透镜可以设置在振荡发生器4及其振荡板5的水平方向上或垂直方向上。

如如图1所示，是本发明的通过灯光振荡产生的三维全息投影技术系统中凸透镜水平摆放位置示意图，也即为实际应用中正常的摆放位置。

控制终端3存储所有LED灯发光电流和通电时间以及指示振荡发生器控制振板产生荡频的程序。当系统工作时，控制终端3先发出信号让振荡发生器4工作，使得振荡板5产生振幅已知频率可控的机械振荡，与振荡板5相连的LED灯6也随之上下摆动，待振荡稳定后，由于振荡频率大于人眼的图像采集频率，所以只能在荡板5的上下最大边界处才能看清振荡板5的振荡板边界轮廓残影2，在上下最大边界之间形成一个假象的空白投影空间9，该空间并非真正空白，只是振荡太快，人眼无法识别。此时控制终端3通过程序控制所有的LED灯6有序离散的发光，该程序包括了LED灯的发光时间和通电电流大小，发光时间以及振荡频率可控制LED灯6在投影空间9内“划”出线段的长度，通电电流可控制LED灯6的发光颜色，由于在接近振荡板5的上下最大边界处不发光，这样就造成一个悬浮的灯光场。并不是所有的LED灯6同时发光，是否发光取决于所显示物体的三维外形轮廓，所有的LED灯的灯光线组成的形状即是所显示的三维物体外轮廓。

由于灯光场是通过振荡产生的，所以振荡板5物理尺寸不能太大，否则会消耗大量的能量，为了获得更大型、更逼真的三维形状，在投影空间9外水平放置一个不完全圆柱形凸透镜7将LED灯光场组成的图像进行放大，观测者从外面向里面看的时候，可观测到一个尺寸较大的三维全息投影实物图。当振荡板5处于上下最大边界时速度为零，容易被肉眼捕捉到，所以不完全圆柱形凸透镜7只能放置在水平方向，不能放置在竖直方向，缺失的部分主要是用于摆放控制终端3和振荡发生器4。

为了获得水平方向全方位360度均可观看到全息投影图像的效果，振荡板5可使用透明不反光的材料制作，这样在光线较暗的空间振荡时，尽管边界处速度为零，眼睛也看不见边界处的振荡板边界轮廓残影2，这时系统各部件摆放位置如图2所示。振荡板5竖直摆放在完全圆柱凸透镜8的轴线处，投影空间9正好处于凸透镜焦点处，避开了振荡板的遮挡，观测者围绕着完全圆柱凸透镜8进行360度旋转时均可看见悬浮的三维立体图像。

本发明所展示的三维立体图像是通过灯光场组成的，所有的LED灯的发光颜色和发光时长会在投影空间9中形成一条条有颜色的灯光线，这些线段组合起来就能拼凑成所显示的物体的外围轮廓。为了达到这个目的，所有的LED灯不能全部同时发光，且已发光的LED不能相互干扰， LED灯6发光划出的光线组成物体，如图3中所示的3D模型球1的外围轮廓，显示在投影空间9中：从观测者观测方向001看过来时，与观测者距离最近的LED灯只能向着观测者一侧发光，光线并不能反方向穿过模型球内部到达另一边，否则另一边的观测者看到的光就不完全是“轮廓上面的光”。为了达到上述的目的，本发明提供了一种LED灯的空间排列位置如图4所示，排列方式相似圆柱坐标的中心向四周一环一环的阵列排布，且每一颗LED灯指向中心一侧被LED灯的挡光面002遮挡，光线不能穿过此面到达投影物体内部，光线只能从背离中心的LED灯的发光面003发射出去，保证从观测者方向001只能看到3D模型球1正面的光，背面的光则往背面发射传播。

本发明公开了一种通过灯管振荡产生的全息投影技术，该系统主要由控制终端控制振荡发生器，使振荡板产生固定频率和幅度的振荡，并带动与振荡板相连接的LED灯上下振动。通过控制终端程序控制LED灯的通电时间与电流大小，从而可以控制LED灯的发光时长与发光颜色，在投影空间中形成一条有颜色有长短的光线，尽管出现时间很短，但是会交替重复出现，由于上一次出现时会在人眼上形成视觉残影与下一次光线出现时再次叠加，原本一个离散间断出现的光线被人眼识别为持续存在的光线，此时多颗LED灯的光线相互组合成需要显示物体的外围轮廓。通过程序控制LED灯在振荡板位于上下振幅最大位置时不发光，就会在上下振幅边界之间形成一个悬浮发立体的光线场，即拥有三维信息的全息投影图形。具体的工作过程为：

首先在控制终端3中存储所有LED灯6的发光时间以及通电电流大小的控制程序，LED灯6的发光时间与振荡频率决定了划出的光线长度，电流大小决定了光线颜色，所有LED灯6的灯光线组成了物理的外围轮廓；

控制终端3主要发送两种信息，其中之一是控制振荡发生器4使得振荡板5产生振幅一定、频率一定的振荡，由于人眼捕捉不到快速振荡的振荡板物理边界，就会在振荡板5的上、下边界处的振荡板边界轮廓残影2内形成一个空白的立体投影空间9；控制终端3的另一类信号是控制LED灯6的发光时间和电流大小，当LED灯6随着振荡板摆动时，就会在投影空间9中“划”出一条有颜色的光线，发光时间决定光线长度、电流大小决定了光线颜色，多颗LED灯产生的线条组成了一个完整的三维图形外表面轮廓，由于灯在接近振荡板上下边界的振荡板边界轮廓残影2处不发光，所以组成的图形是悬浮在空中，达到全息投影的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。