[发明专利]一种光照粒子声悬浮全息显示系统

说明书

一种光照粒子声悬浮全息显示系统，包括PC机、两块相同的相对放置的超声波相控阵板和光照微粒子装置；光照微粒子装置安装在叠放的超声波相控阵板的上方一侧，由PC控制照明开关；根据声压节点计算出底层的超声波相控阵板中每个超声波换能器的相位延时，上层的超声波相控阵采用π弧度的偏移量，在PC机中设定系统参数和目标声压节点，系统参数包括矩形函数波形、通道、脉冲个数、占空比、输入电压、调制信号频率，通过上下位机通讯下发给超声波相控阵板，上下两块超声波相控阵探头发射超声波在设定的声压节点处形成声阱，实现悬浮粒子的驻留。本发明建立了粒子悬浮声场、构建光照粒子显示系统，并提供声全息图的交互触控功能和音响效果。

技术领域

本发明涉及一种光照粒子声悬浮全息显示系统，涉及裸眼3D显示技术、电子信息人机交互技术、虚拟现实/增强现实(VR/AR)等技术交叉领域。

背景技术

在VR/AR领域，3D显示技术从头盔、轻量化眼镜逐步向裸眼3D技术发展。目前的3D裸眼技术基于光学成像技术，形成的虚拟画面能被人眼视觉感受到，但存在一些局限性，如视场范围和观测距离上都有一定限制。基于粒子声悬浮原理的3D全息显示技术，可以实现真实粒子在空中的悬浮，是真实存在的3D立体图形。由于基于声学技术，可以直接用肉眼在同一时间看到、听到和感觉到3D图像，这是目前可能最贴近我们想象中的裸眼3D技术，在VR/AR、游戏、指挥系统和训练中具有大的运用前景。

超声驻波悬浮粒子与控制技术是超声操控的关键技术，它把若干悬浮装置依照一定规则组合起来形成悬浮装置阵列，其主要任务是在不同装置之间实现被悬浮物体能被稳定、准确地操控。超声波相控阵可以构成这样的悬浮装置。给超声波相控阵输入端加上适当的驱动信号后，超声探头内的压电晶片将会产生一定频率的振动，振动频率和驱动信号频率相一致，将会在空气中以超声波形式向周围空间辐射能量。两个相对的超声波相控阵可以构成两个超声探头。两个探头发射频率相同、振动方向一致而传播方向相反的超声波，则会在两个探头之间产生驻波和声压低点，从而实现微粒子的悬浮。通过两个超声探头驱动信号的控制作用，则可以使被悬浮物体随着悬浮位置的移动从一个空间移向另一个空间，从而利用超声驻波实现对物体的操控。

目前存在由于超声探头振幅限制及结构优化不够导致声悬浮装置悬浮力小和悬浮稳定性较差的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种光照粒子声悬浮全息显示系统，建立超声波相控阵组合系统粒子悬浮声场、构建光照粒子显示系统，并提供声全息图的交互触控功能和音响效果。该系统可以实现直接用肉眼在同一时间看到、听到和感觉到3D图像。

本发明的技术解决方案是：一种光照粒子声悬浮全息显示系统，包括PC机、两块相同的相对放置的超声波相控阵板和光照微粒子装置；光照微粒子装置安装在叠放的超声波相控阵板的上方一侧，由PC控制照明开关；

根据声压节点计算出底层的超声波相控阵板中每个超声波换能器的相位延时，上层的超声波相控阵采用π弧度的偏移量，在PC机中设定系统参数和目标声压节点，系统参数包括矩形函数波形、通道、脉冲个数、占空比、输入电压、调制信号频率，通过上下位机通讯下发给超声波相控阵板，上下两块超声波相控阵探头发射超声波在设定的声压节点处形成声阱，实现悬浮粒子的驻留。

每一块超声波相控阵板分别包括控制板、驱动板、换能器板；换能器板包括n个超声波换能器，由驱动板上互相独立的驱动电路分别驱动每一个超声波换能器；在PC机中设置目标声压节点下发至控制板中的FPGA；控制板包括CPU和FPGA，FPGA模块根据目标声压节点和换能器之间的距离实时计算所有换能器的相位延时，并控制波束成型器产生矩形波；FPGA在CPU的控制下进行n个阵源波形的生成和发送，生成n个阵源的相位信息和波形参数，下发给FPGA中波形输出控制模块；FPGA中波形输出控制模块将相位信息及控制信息分发到n个通道，对应控制驱动板中的驱动电路；驱动电路将FPGA输出的矩形波进行放大；n为正整数。