基于伪全息原理的立体影像展示机设计

桂 亮, 胡改玲, 奚延辉, 金 悦, 段玉岗

(西安交通大学 机械工程学院，西安 710049)

0 引 言

随着科学技术的不断发展，在媒体传播、展览、展示等诸多领域，传统技术已经不能满足人们的需求[1]，三维立体投影技术由于可使观众在无需佩戴3D眼镜的情况下就能观看到立体图像[2-4]，因而广泛用于舞台灯光设计和电影动画的制作，以及博物馆和各种展会的现场展示。同样，这项技术也慢慢走进教室，广泛应用于教学的各个方面[5-6]，使教师所讲授的物体更直观、立体地呈现出来，打破了传统教学手段的束缚。

全息投影技术也称虚拟成像技术，是利用干涉和衍射原理记录并再现物体的三维图像技术，产生立体的空中幻象。大部分实现全息投影的方法技术要求高，实现成本昂贵且携带不方便[7-11]。基于此，本文设计了一种基于伪全息技术的有别于传统投影设备的立体影像展示机,该展示机成像逼真、立体感强、操作简单、成本低廉。

1 立体影像展示机总体方案

立体影像展示机包括光学成像系统、机械运动系统和动力控制系统三部分，具备立体成像、360°旋转、上下升降，以及收合等功能，总体方案如图1所示。旋转模块可让处于不同方位的人观察到4块有机玻璃上的像；升降模块可以保证不同大小物体和不同高度场合的展示；收合模块则可将4块有机玻璃板铺平，从而节省设备放置空间。

(a) 结构示意图(b) 三维立体模型图

1—旋转电动机,2—收合电动机,3—导轨,4—底板,5—X型架,6—屏幕旋转电动机,7—升降连杆,8—屏幕升降电动机,9—顶板,10—直线推杆,11—中心板,12—曲柄滑块,13—有机玻璃板,14—液晶屏,15—底座顶板,16—底座底板

图1 立体影像展示机

2 光学成像模块设计方案

伪全息3D技术起源于佩珀尔幻像技术，其基本原理是采用投影机或其他显示方法使光源折射45°成像在幻影成像膜的全息投影具有3D 的立体显示效果[12]。完成这样的投影过程需要两个最基本的设备：投影源和投影成像设备[13]。

在本设计中，通过4块具有特定角度的呈倒金字塔形的有机玻璃板将液晶显示器上制作好的图像向4个方向反射使之成像，反射的像位于有机玻璃组成的倒四棱台的中间位置，如图2所示。由此通过4块有机玻璃板的成像便呈现出物体4个不同方位的形态。有机玻璃板上贴有幻影成像膜以减弱光的透射,从而增强光的反射，以达到更清晰的成像效果。

(a) 成像部分光路图

(b) 成像部分实物图

3 机械结构模块设计方案

3.1 收合功能

展示机梯形框支撑的4块有机玻璃板成像时均与地面呈45°，收合功能是为了在不使用时使展示机得以升至天花板，从而大大提升教室空间利用率。收合功能利用了滑块和曲柄连杆的复合机构，直线电动机通过伸缩带动与其相连接的2个滑块进行运动，然后通过曲柄和连杆的旋转使得4个滑块可以同步收合，然后利用合页的配合，实现了装有有机玻璃板的框架同步开合，如图3所示。此结构仅用一个电动机巧妙地让4块有机玻璃板同步开合，简化了机构，同时使得装置运行的一致性与协调性得以保证。

(a) 机构简图(仰视)

(b) 机构简图(主视)

(c) 三维模型图

图3 收合机构

3.2 旋转功能

旋转功能主要是为了让在一个方位的学生能够看清立体模型4个不同方位的情况。旋转功能分为展示机和显示器两部分，展示机旋转功能的实现是通过将电动机的转子固定于天花板，定子与整个机构相连，通过电动机的转子和定子之间的相对运动实现旋转。底座上显示屏的旋转则是依靠与底座相连接的步进电机带动推力轴承，进而带动显示器X支架而实现的，如图4所示。

3.3 升降功能

升降功能分为主体(展示机)和底座升降台，其中展示机部分的升降是利用直线推杆电动机，通过控制直线推杆电动机的运动距离来进行高度的调节，将立体影像展示机降至合适的位置与液晶显示器配合成像，从而保证学生可以平视有机玻璃板，清晰地看到所展示的影像，并且在不使用立体影像展示机时，将立体影像展示机升至天花板，从而节省教室空间。底座升降台主要是为了在使用时调节显示器的高度，以达到最清晰的成像效果，并且将显示器与展示机分离的这种结构设置能够最大程度保证展示机所有功能稳定有效实现，如图5所示。

(a) 主体旋转机构模型图(b) 显示器旋转机构模型图

图4 旋转机构

(a) 主体升降部分模型图(b) 底座升降机构简图(c) 底座升降部分模型图

图5 升降部分

4 动力控制系统设计方案

4.1 控制模块

控制部分使用推杆电动机控制器和步进电动机控制器。推杆电机控制器控制升降，含有上升、停止和下降3个按钮。变压器将220 V交流电转化为24 V直流电传送给驱动器，进而通过步进电动机控制器控制电动机旋转速度，达到旋转与开合功能。步进电动机控制器通过编程实现了梯形框展开到所需角度、装置整体正反转和梯形框收至天花板。

4.2 动力模块

动力模块利用了步进电动机和直线推杆电动机。升降功能通过直线推杆电动机实现，步进电动机完成开合与旋转功能。直线推杆电动机具有行程自锁功能，可以将立体影像展示定于某一高度。设计制作出的立体影像展示机如图6所示，图7则分别显示了汽车和阀门两个物体由4幅平面图像成像为立体图像的展示效果。

图6 立体影像展示机实物图

5 结 语

该展示样机为笔者指导本科生根据第六届全国大学生机械创新设计大赛主题提出并研制。该样机具有较好的立体影像展示效果,获得该届大赛国赛一等奖、陕西省一等奖，并获得授权国家发明专利。

(a) 汽车

(b) 阀门

参考文献(References)：

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