CN111338096B - 一种激发光三维聚焦扫描***及其图像扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激发光三维聚焦扫描***及其图像扫描方法,属于频率上转换发光材料激发技术领域,包括主控制器、激发光扫描子***以及动态调焦子***;图像处理和采集模块输入目标3D模型图像,图像处理和采集模块对图像进行切片处理,传输至主控制器;主控制器进行处理并规划图像扫描路径,将控制指令发送给激发光扫描子***和动态调焦子***;激发光扫描子***接受主控制器指令后,激发光光源开启发射激发光,实现上转换发光介质的激发光二维平面扫描;动态调焦子***接收主控制器指令后,实现激发光三维立体扫描。通过该***中各个子***的功能协同可实现聚焦的激发光动态二维、三维扫描,进而在上转换发光块体介质中实现动态真三维显示。
Description
技术领域
本发明属于频率上转换发光材料激发技术领域,具体涉及一种激发光三维聚焦扫描***及其图像扫描方法。
背景技术
多光子频率上转换发光是一个反斯托克斯发光过程。基于上转换发光原理的显示技术可实现不借助眼镜、头盔等外部设备,多人多角度实时观察的真三维显示。该技术是基于透明介质的上转换发光机制。介质中的发光中心吸收多个红外激发光光子的能量实现上转换可见光发射,在功率密度较高的激发光焦点处方可观察到可见光光斑。而在激发光光路上由于其功率密度小不能对介质中的发光中心进行有效激发,因此无发光显示。在激发光焦点处介质的可见光斑称为像素点,通过控制激发光焦点的空间坐标,可实现可见光斑在介质中任一位置的呈现。利用这一原理,辅助激光光源三维传动装置,即可实现透明介质中的真三维显示。目前,在材料制备领域已经通过提高晶体生长技术、制备掺杂纳米粒子的有机-无机复合材料等手段制备出了光学性质优异的上转换发光块体介质材料。但是,如何在这类透明的块体材料中实现激发光点状聚焦、像素点上转换发光强度可调谐、像素点动态显示等问题仍然是上转换真三维显示领域的技术难点。
发明内容
本发明是基于透明介质材料的上转换发光机制,辅助三维传动装置,设计并制备一种激发光三维聚焦扫描***,以解决在图像显示过程中激发光非点状聚焦,像素点不能动态二维、三维扫描等问题,在透明块体上转换介质中实现动态真三维显示。
本发明通过如下技术方案提供了一种装置的***结构:
一种激发光三维聚焦扫描***:包括主控制器、存储模块、图像处理和采集模块、激发光扫描子***、测距传感器以及动态调焦子***;所述主控制器分别与存储模块、图像处理和采集模块、激发光扫描子***、测距传感器及动态调焦子***连接;所述图像处理和采集模块用于输入目标3D模型图像,图像处理和采集模块中的切片软件对3D模型图像进行切片处理,生成的3D图像切片数据存储于存储模块中,同时将该切片数据传输至主控制器;主控制器将存储模块发送的3D模型图像数据进行处理并规划图像扫描路径,同时将控制指令发送给激发光扫描子***和动态调焦子***;所述激发光扫描子***接受主控制器指令后,激发光光源开启发射激发光,用于实现上转换发光介质的激发光二维平面扫描;所述动态调焦子***接收主控制器指令后,控制与动态调焦子***中的聚焦镜组连接的步进电机开启,使聚焦镜镜组中的可动透镜沿光路方向移动,改变激发光焦点位置,实现激发光的焦平面沿Z轴方向移动,用于实现上转换发光介质的激发光三维立体扫描;所述测距传感器用于探测激发光扫描子***中激发光源的镜头到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,并发送反馈信号到主控制器,主控制器对信号进行处理后再对动态调焦子***的发送控制指令进行实时校正。
进一步地,所述激发光扫描子***由激发光光源1、扩束镜2、扫描振镜组3及F-Theta场镜4组成;所述激发光光源1发射出的激发光经扩束镜2扩束后,经动态调焦子***的聚焦和扫描振镜组的反射后,再通过F-Theta场镜4后投射到上转换发光介质中激光焦平面位置。
进一步地,所述扫描振镜组3由X轴反射镜、Y轴反射镜及两个步进电机组成,所述两个步进电机分别控制X轴反射镜、Y轴反射镜的转动;主控制器的指令传输给扫描振镜组,控制其带动X轴反射镜和Y轴反射镜的步进电机按照切片数据指令进行的扫描,即可实现上转换发光介质的激发光二维平面扫描。
所述激发光光源1为半导体激光二极管或光纤激光器;所述扩束镜2用于通过扩大激发光光束的半径来减少激发光光束的发散角,进而减小光束的能量损失;所述扫描振镜组3,用于实现激发光在二维平面的扫描;所述的F-Theta场镜4用于消除激发光扫描子***中由于二维扫描光斑的轨迹为球面场而产生的聚焦误差,使激发光束均匀地照射在二维平面上,实现对激发光光程的静态补偿的作用。
进一步地,所述动态调焦子***由聚焦镜镜组5及聚焦镜镜头传动步进电机组成;所述聚焦镜组5由正透镜及负透镜组成,所述聚焦镜镜头传动步进电机与负透镜连接,激发光通过聚焦镜组5在介质材料中聚焦,主控制器发出指令控制聚焦镜镜头传动步进电机,使负透镜沿光路方向移动,通过控制负透镜的运动距离改变激发光光束通过整个透镜组的焦点位置,从而控制激发光的焦平面沿Z轴方向移动,即可实现激发光的三维扫描。
所述主控制器,用于接收图像处理和采集模块的图形切片数据并将其转化成单片机可接受的命令;用于发送扫描偏转指令至激发光扫描子***中的扫描振镜组,控制激发光束在二维平面上的偏转;用于接收测距传感器的测量和反馈信息,进行数据处理并发出指令控制动态调焦子***中步进电机的运动。
本发明还提供了一种激发光三维聚焦扫描***的图像扫描方法,具体步骤如下:
步骤一:在图像处理和采集模块中输入目标3D模型图像,图像处理和采集模块中的切片软件对图像模型进行切片处理,生成的3D图像切片数据存储于存储模块中,并将该切片数据再传输到主控制器上;主控制器接收存储模块中输出的图像数据进行处理,并对整个扫描***的扫描路径进行规划;主控制器将存储模块发送的图像切片数据进行处理并规划图像扫描路径,并将控制指令发送给激发光扫描子***和动态调焦子***;
步骤二:激发光扫描子***接收主控制器的控制信号后,激发光光源开启发射激发光;当激发光经过准直扩束镜时,光束被扩束整形从而获得准直的光束;然后激发光光束通过动态调焦子***的聚焦镜镜组5,从而使激发光光束聚焦;聚焦的激发光光束再依次通过激发光扫描子***中扫描振镜组3的X轴、Y轴反射镜,主控制器读取图像切片数据并分别发送控制指令给X轴、Y轴控制步进电机,实现激发光束在焦平面上的二维平面扫描;通过主控制器发送控制指令给聚焦镜镜组5中的动态聚焦镜镜头传动连接的步进电机,改变前后两透镜之间的距离,从而调控激发光光束的焦平面沿Z轴移动,实现激发光束的三维立体扫描;
步骤三:利用测距传感器测得的激发光扫描子***激发光源镜头到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,并发送反馈信号到主控制器;主控制器对信号进行处理后再对动态调焦子***发送控制指令进行实时校正;整个激发光三维聚焦扫描***各个子***协同工作,进行往复扫描,形成完整的三维图形,实现上转换发光介质中的动态真三维显示。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
本发明解决了在上转换真三维显示领域激发光扫描过程中无法一直保持点状聚焦的问题,并且通过该***中各个子***的功能协同可实现聚焦的激发光动态二维、三维扫描,进而在上转换发光块体介质中实现动态真三维显示。
附图说明
图1为本发明的一种激发光三维聚焦扫描***的图像处理和采集模块的流程示意图;
图2为本发明的一种激发光三维聚焦扫描***的光路图;
图3为本发明的一种激发光三维聚焦扫描***的功能模块示意图;
图4为本发明的一种激发光三维聚焦扫描***的结构示意图;
图中:激发光源1、扩束镜2、扫描振镜租3、F-Theta场镜4、聚焦镜组5、主控制器6、激发光扫描子***7、测距传感器8、动态调焦子***9。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
实施例1
激发光三维聚焦扫描***是基于上转换发光原理实现真三维显示。介质中的发光中心吸收多个红外激发光光子的能量实现上转换可见光发射,在功率密度较高的激发光焦点处方可观察到可见光光斑。而在激发光光路上由于其功率密度小不能对介质中的发光中心进行有效激发,因此无发光显示。这就要求激发光在动态三维扫描过程中一直保持点状聚焦。
一种激发光三维聚焦扫描***:包括主控制器、存储模块、图像处理和采集模块、激发光扫描子***、测距传感器以及动态调焦子***;所述主控制器分别与存储模块、图像处理和采集模块、激发光扫描子***、测距传感器及动态调焦子***连接;所述图像处理和采集模块用于输入目标3D模型图像,图像处理和采集模块中的切片软件对3D模型图像进行切片处理,生成的3D图像切片数据存储于存储模块中,同时将该切片数据传输至主控制器;主控制器将存储模块发送的3D模型图像数据进行处理并规划图像扫描路径,同时将控制指令发送给激发光扫描子***和动态调焦子***;所述激发光扫描子***接受主控制器指令后,激发光光源开启发射激发光,用于实现上转换发光介质的激发光二维平面扫描;所述动态调焦子***接受主控制器指令后可控制与聚焦镜组连接的步进电机,使聚焦镜镜组中的可动透镜沿光路方向移动,改变激发光焦点位置,实现激发光的焦平面沿Z轴方向移动,用于实现上转换发光介质的激发光三维立体扫描;所述测距传感器用于探测激发光扫描子***中激发光源的镜头到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,并发送反馈信号到主控制器,主控制器对信号进行处理后再对动态调焦子***的发送控制指令进行实时校正。
如图1所示,作为图像处理和采集模块,首先通过电脑上的图形软件将所需3D显示图像设计出来,再通过切片软件将3D图像进行切片处理(利用切片软件将3D图像进行层层切片,每层切片都可以看做一个二维平面图形),将生成相应的数据存储到存储模块中,通讯到主控制器上进行识别和读取。
如图2所示,激发光三维聚焦扫描***的光路图;主控制器发出指令后,控制激发光光源1开启发射可调谐激发光,该激发光依次通过扩束镜2(光束被扩束整形从而获得准直的光束),聚焦镜组5(使激发光光束聚焦),扫描振镜3以及F-Theta场镜4,在上转换发光块体介质中点状聚焦。主控制器的指令传输给扫描振镜3,控制其带动X轴镜片和Y轴镜片的步进电机按照切片数据指令进行的扫描,即可实现某一激发光聚焦平面的二维平面扫描。通过主控制器下发控制指令给与聚焦镜组5中动态聚焦镜镜头传动连接的步进电机,改变前后两透镜镜之间的距离,从而调控激发光光束的焦平面沿Z轴移动,实现激发光束的三维立体扫描。激发光焦点的精确控制是通过测距传感器探测激发光扫描子***中激发光源镜头到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,并发送反馈信号到主控制器,主控制器对信号进行处理后再对动态调焦子***的发送控制指令进行实时校正。
所述激发光扫描子***由激发光光源1、扩束镜2、扫描振镜组3及F-Theta场镜4组成;所述激发光光源1发射出的激发光经扩束镜2扩束后,经动态调焦子***的聚焦和扫描振镜组的反射后,再通过F-Theta场镜4后投射到上转换发光介质中激光焦平面位置。
所述扫描振镜组3由X轴反射镜、Y轴反射镜及两个步进电机组成,所述两个步进电机分别控制X轴反射镜、Y轴反射镜的转动;主控制器的指令传输给扫描振镜组,控制其带动X轴反射镜和Y轴反射镜的步进电机按照切片数据指令进行的扫描,即可实现上转换发光介质的激发光二维平面扫描。
所述激发光光源1为半导体激光二极管或光纤激光器;所述扩束镜2用于通过扩大激发光光束的半径来减少激发光光束的发散角,进而减小光束的能量损失;所述扫描振镜组3,用于实现激发光在二维平面的扫描;所述的F-Theta场镜4用于消除激发光扫描子***中由于二维扫描光斑的轨迹为球面场而产生的聚焦误差,使激发光束均匀地照射在二维平面上,实现对激发光光程的静态补偿的作用。
所述动态调焦子***由聚焦镜镜组5及聚焦镜镜头传动步进电机组成;所述聚焦镜组5由正透镜及负透镜组成,所述聚焦镜镜头传动步进电机与负透镜连接,激发光通过聚焦镜组5在介质材料中聚焦,主控制器发出指令控制聚焦镜镜头传动步进电机,使负透镜沿光路方向移动,通过控制负透镜的运动距离改变激发光光束通过整个透镜组的焦点位置,从而控制激发光的焦平面沿Z轴方向移动,即可实现激发光的三维扫描。
所述主控制器,用于接收图像处理和采集模块的图形切片数据并将其转化成单片机可接受的命令;用于发送扫描偏转指令至激发光扫描子***中的扫描振镜组,控制激发光束在二维平面上的偏转;用于接收测距传感器的测量和反馈信息,进行数据处理并发出指令控制动态调焦子***中步进电机的运动。
图3为本发明的一种激发光三维聚焦扫描***的功能模块示意图。
如图4所示,所述主控制器6,用于接收图像处理和采集模块的图形切片数据并将其转化成单片机可接受的命令;用于发送扫描偏转指令至激发光扫描子***中的扫描振镜组,控制激发光束在二维平面上的偏转;用于接收测距传感器的测量和反馈信息,进行数据处理并发出指令控制动态调焦子***中步进电机的运动。主控制器6会对存储模块发送过来的图像数据进行处理并对整个扫描装置的扫描路径进行规划,并将控制指令发送给激发光扫描子***7和动态调焦子***9。在激发光扫描子***中的激光光源1开启发射出功率可调谐的激发光,激发光通过扩束镜2,动态调焦子***的聚焦镜镜组5,通过扫描振镜3的X轴和Y轴反射镜反射,以及F-Theta场镜4聚焦到上转换发光介质中。主控制器的指令首先是控制激发光光源的通断和设置激发光功率,并控制扫描振镜3中X和Y两轴反射镜的对应步进电机运动。而对于动态调焦子***9,激发光会通过该***的聚焦镜镜组5(包含一个负透镜和一个正透镜的两透镜镜组)得以在介质材料中聚焦为点状光斑。主控制器6发出指令控制与聚焦镜镜组5中的负透镜传动连接的步进电机,实现激发光焦平面沿Z轴移动。这样实现了激发光在介质中的三维扫描。为了进一步的增加扫描的精准度,在***中增加了测距传感器8,主控制器6会根据测距传感器8测得的激发光扫描子***到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,对发送动态调焦子***9的控制指令进行实时校正。在激发光扫描子***7和扫描平面间存在F-Theta场镜4,所述F-Theta场镜4用于激光在扫描中的静态补偿(补偿激光在扫描时的光程差,使激光扫描点位于一个平面内)。
激发光的点状聚焦的过程可以描述为当激发光经过准直扩束镜2时,激光束被扩束整形从而获得准直的激发光束,动态调焦子***9通过下发的数据对激发光束进行焦距调整,使激发光束在介质中点状聚焦。
本发明还提供了一种激发光三维聚焦扫描***的图像扫描方法,具体步骤如下:
步骤一:在图像处理和采集模块中输入目标3D模型图像,图像处理和采集模块中的切片软件对图像模型进行切片处理,生成的3D图像切片数据存储于存储模块中,并将该切片数据再传输到主控制器上;主控制器接收存储模块中输出的图像数据进行处理,并对整个扫描***的扫描路径进行规划;主控制器将存储模块发送的图像切片数据进行处理并规划图像扫描路径,并将控制指令发送给激发光扫描子***和动态调焦子***;
具体地,主控制器控制激发光扫描子***中的激发光光源1的通断以及其激发光功率的设置,控制扫描振镜3中X和Y两轴反射镜的对应步进电机运动以及动态调焦子***中动态聚焦镜镜头传动步进电机运动,从而实现像素点的动态显示。
步骤二:激发光扫描子***接收主控制器的控制信号后,激发光光源开启发射激发光;当激发光经过准直扩束镜时,光束被扩束整形从而获得准直的光束;然后激发光光束通过动态调焦子***的聚焦镜镜组5,从而使激发光光束聚焦;聚焦的激发光光束再依次通过激发光扫描子***中扫描振镜组3的X轴、Y轴反射镜,主控制器读取图像切片数据并分别发送控制指令给X轴、Y轴控制步进电机,实现激发光束在焦平面上的二维平面扫描;通过主控制器发送控制指令给聚焦镜镜组5中的动态聚焦镜镜头传动连接的步进电机,改变前后两透镜之间的距离,从而调控激发光光束的焦平面沿Z轴移动,实现激发光束的三维立体扫描;
步骤三:利用测距传感器测得的激发光扫描子***激发光源镜头到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,并发送反馈信号到主控制器;主控制器对信号进行处理后再对动态调焦子***发送控制指令进行实时校正;整个激发光三维聚焦扫描***各个子***协同工作,进行往复扫描,形成完整的三维图形,实现上转换发光介质中的动态真三维显示。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (2)
1.一种激发光三维聚焦扫描***,其特征在于,包括主控制器、存储模块、图像处理和采集模块、激发光扫描子***、测距传感器以及动态调焦子***;所述主控制器分别与存储模块、图像处理和采集模块、激发光扫描子***、测距传感器及动态调焦子***连接;所述图像处理和采集模块用于输入目标3D模型图像,图像处理和采集模块中的切片软件对3D模型图像进行切片处理,生成的3D图像切片数据存储于存储模块中,同时将该切片数据传输至主控制器;主控制器将存储模块发送的3D模型图像数据进行处理并规划图像扫描路径,同时将控制指令发送给激发光扫描子***和动态调焦子***;所述激发光扫描子***接受主控制器指令后,激发光光源开启发射激发光,用于实现上转换发光介质的激发光二维平面扫描;所述动态调焦子***接收主控制器指令后,控制与动态调焦子***中的聚焦镜组连接的步进电机开启,使聚焦镜镜组中的可动透镜沿光路方向移动,改变激发光焦点位置,实现激发光的焦平面沿Z轴方向移动,用于实现上转换发光介质的激发光三维立体扫描;所述测距传感器用于探测激发光扫描子***中激发光源的镜头到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,并发送反馈信号到主控制器,主控制器对信号进行处理后再对动态调焦子***的发送控制指令进行实时校正;
所述激发光扫描子***由激发光光源(1)、扩束镜(2)、扫描振镜组(3)及F-Theta场镜(4)组成;所述激发光光源(1)发射出的激发光经扩束镜(2)扩束后,经动态调焦子***的聚焦和扫描振镜组的反射后,再通过F-Theta场镜(4)后投射到上转换发光介质中激光焦平面位置;
所述扫描振镜组(3)由X轴反射镜、Y轴反射镜及两个步进电机组成,所述两个步进电机分别控制X轴反射镜、Y轴反射镜的转动;主控制器的指令传输给扫描振镜组,控制其带动X轴反射镜和Y轴反射镜的步进电机按照切片数据指令进行的扫描,即可实现上转换发光介质的激发光二维平面扫描;
所述动态调焦子***由聚焦镜组(5)及聚焦镜镜头传动步进电机组成;所述聚焦镜组(5)由正透镜及负透镜组成,所述聚焦镜镜头传动步进电机与负透镜连接,激发光通过聚焦镜组(5)在介质材料中聚焦,主控制器发出指令控制聚焦镜镜头传动步进电机,使负透镜沿光路方向移动,通过控制负透镜的运动距离改变激发光光束通过整个透镜组的焦点位置,从而控制激发光的焦平面沿Z轴方向移动,即可实现激发光的三维扫描。
2.如权利要求1所述的一种激发光三维聚焦扫描***的扫描方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤一:在图像处理和采集模块中输入目标3D模型图像,图像处理和采集模块中的切片软件对图像模型进行切片处理,生成的3D图像切片数据存储于存储模块中,并将该切片数据再传输到主控制器上;主控制器接收存储模块中输出的图像数据进行处理,并对整个扫描***的扫描路径进行规划;主控制器将存储模块发送的图像切片数据进行处理并规划图像扫描路径,并将控制指令发送给激发光扫描子***和动态调焦子***;
步骤二:激发光扫描子***接收主控制器的控制信号后,激发光光源开启发射激发光;当激发光经过准直扩束镜时,光束被扩束整形从而获得准直的光束;然后激发光光束通过动态调焦子***的聚焦镜组,从而使激发光光束聚焦;聚焦的激发光光束再依次通过激发光扫描子***中扫描振镜组的X轴、Y轴反射镜,主控制器读取图像切片数据并分别发送控制指令给X轴、Y轴控制步进电机,实现激发光束在焦平面上的二维平面扫描;通过主控制器发送控制指令给聚焦镜组中的动态聚焦镜镜头传动连接的步进电机,改变前后两透镜之间的距离,从而调控激发光光束的焦平面沿Z轴移动,实现激发光束的三维立体扫描;
步骤三:利用测距传感器测得的激发光扫描子***激发光源镜头到上转换发光介质中激发光焦平面的距离,并发送反馈信号到主控制器;主控制器对信号进行处理后再对动态调焦子***发送控制指令进行实时校正;整个激发光三维聚焦扫描***各个子***协同工作,进行往复扫描,形成完整的三维图形,实现上转换发光介质中的动态真三维显示。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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