基于全息技术的3D显像设备的设计

刘正芳 安熠 丁绅 房剑飞 吴世斌

【摘 要】全息投影与3D显像技术领域一直以来都是现代研究的热门领域，全息技术的3D显像设备的设计也一直是人们研究热门。全息技术结合3D显像技术不仅能使人在空间中看到立体三维图像还能再较低的成本下达到3D裸眼的效果。基于全息技术的3D显像设备的设计包括全息技术、3D显像、3D打印等相结合的投影特点，进行整体的设计，同时还能将它运用在教育、社会生活方面

【关键词】全息技术;3D显像;3D打印;单片机嵌入

Abstract：holographic projection and 3D imaging technology has always been a hot field of modern research，holographic technology of 3D imaging equipment design has also been a hot field of research.Holographic technology combined with 3D imaging technology can not only enable people to see three-dimensional images in space，but also achieve the effect of 3D naked eye at a lower cost.The design of 3D imaging equipment based on holographic technology includes the projection features of holographic technology，3D imaging，3D printing，etc.，which can be used in education and social life as a whole

Keywords：holographic technology;3 d imaging;3 d printing;MCU embedded.

引言

全息技術主要是利用光干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的记录和再现的技术，进年来应用于社会生活的方方面面。随着时间的推移，越来越多全息技术的产品走向生活，但该技术的普及依然存在很多的问题。结合全息3D显像技术和3D打印技术的全息智能风扇，利用干涉和衍射的原理，短时间造成人眼的视觉暂留，记录并再现物体的三维图像，既能解决传统图像模糊问题，又能实现全方位多角度观察物品的需要。该项目使用简单的结构打破时间、空间的限制，用动态的立体影像将具有时间和有故事情节的事件丰富大展现出来。

1、基于全息成像技术的3D显像设备的总体设计

基于全息技术的3D显像设备的主要研究内容在于利用光在人眼中的视觉差，结合光的折射、反射原理达到呈现三维立体图像的目的。

眼睛的视觉惰性就是光象一旦在视网膜上形成，视觉将会对这个光象的感觉维持一个有限的时间，该设计基于视觉暂留时间约为0.05至0.2秒确定LED频闪时间，对人眼视网膜进行仿生计算，通过对圆角速度的计算拟定设计思路。通过设计运用LED显示器单列或多列风扇屏旋转实现人眼视觉的暂留因素（POV技术），即光对视网膜所产生的视觉效果在光停止作用后，仍会保留一段时间。利用此间隙完成图像的显示，同时嵌入单片机系统进行调控。

使用单片机定时程序对系统进行控制，使频闪达到预期效果，既对led规律闪烁的控制，利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像在一定程度上完成3D裸眼效果。之后由单片机程序控制电机转速，使电机转速达到预定转速后，配合人眼视觉0.05—0.2秒的暂留时长和LED规律闪烁为扇叶的的运动提供动力。通过单片机计数器的计数达到定时的功能，以单片机机器周期作为计数脉冲。

2.3D显像设备的系统设计

装置的设计包括动力源模块和LED闪烁模块。现阶段，将LED灯嵌入扇叶中。通过扇叶旋转带动LED灯转动，依据人眼视觉停留时间为0.05～0.2秒进行LED灯规律闪烁的计算，最终形成3D效果。整个系统以重力势能进行转换，为风扇提供转动的能量。重物经过传送带的运输落在下方的传感器上。在传感器作用下将机械信号转换为电信号，为马达提供最初的工作能量。

2.1 设备的控制系统

整体设计包括动力传输、能量转换、系统成像三个部分。

动力传输部分主要利用齿轮外啮合带动马达产生电流的方式，为扇叶及LED灯提供电能。

能量转换主要包括齿轮、传感器、电机马达三部分。齿轮啮合转动将机械能转化为电信号，电信号驱动电机马达转动，马达直接与扇叶连接实现扇叶的旋转。

系统成像部分主要由单片机控制，使用c语言对单片机进行编程。通过编程实现LED灯规律闪烁。利用人眼视觉暂留的效应，使LED灯在规定时间内闪烁的次数大于24秒/帧，最终在人眼中呈现图像效果。

2.2 3D显现设备的模型设计

模型初始能量由齿轮啮合带动电机获得能量，电流经放大器放大得到足够强的电流信号。利用该电流信号驱动电机进行转动，产生的电流经过电流放大器的放大作用后一部分为风扇内的电机马达提供能量，马达转动输出转矩带动风扇旋转。另一部分为扇叶上的LED灯提供能量，使LED发光。利用光在人眼中的视觉暂留效应，设备中的LED经过单片机的编程控制它的亮暗规律，使其在空间中留下视觉效果。

2.2.1传动装置的CAD模型设计

采用CAD绘图软件AutoCAD 2014对传送装置进行概念模型设计，设计的装置如图3所示

2.3整体设计效果图及各零件效果图

采用三维绘图软件SOKIDWORKS 2019对装置的扇叶进行概念模型设计，设计出的扇叶如图1、2所示

3、总结

本文提出了一种基于全息投影技术的3D显像设备的设计方法。该方法通过对单片机进行编程，达到控制LED规律闪烁的结果，最终在人眼中留下三维视觉效果。不仅能使人在空间中看到立体三维图像还能再较低的成本下达到3D裸眼的效果，解决了传统全息投影技术复杂及对投影设备要求苛刻的问题。此外，本次设计还结合了3D裸眼的设计，能在较为简单的设备下达到立体三维图像的效果。

参考文献：

[1]软X射线扫描相干衍射成像方法学研究[D].王春鹏.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）2016.

[2]徐海彤.3D打印技术在产品设计中的应用研究[J].包装世界，2017（05）：20-22.

[3]刘柯.光学扫描全息术中切片成像关键技术研究[D].电子科技大学，.

[4]袁媛媛.数字全息衍射层析成像及其实验研究[D].北京工业大学，.

[5]张珑荟.基于3D打印技术在文创产品设计中的应用研究[D].湖北工业大学，2018.

作者简介：

刘正芳（1996—），女，彝族，学生，学士;

安熠（1999—），男，汉族，学生，学士;

丁绅（1998—），男，汉族，学生，学士;

房剑飞（1991-），男，汉族，江苏南京，教师，讲师，硕士，研究方向机电一体化;

吴世斌（1993—），男，汉族，江苏南京，助教。

基金项目：

江苏省高等学校大学生创新训练计划项目<基于全息技术的3D显像设备的设计>项目编号：201913905005Y。

（作者单位：1，2，3，4南京工业大学浦江学院）