一種原位立體顯示裝置及原位立體增強現實導航系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及增強現實導航技術領域，尤其涉及一種原位立體顯示裝置及原位立體增強現實導航系統。該原位立體顯示裝置包括裸眼三維顯示裝置和原位立體融合裝置，其中所述原位立體融合裝置包括外殼以及設置在所述外殼中的運動裝置，所述運動裝置包括平移運動裝置和旋轉運動裝置，所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置均與所述裸眼三維顯示裝置的兩端相連；該導航系統包括所述的原位立體顯示裝置。本實用新型原位立體顯示裝置及原位立體增強現實導航系統，具有多人同時裸眼觀察、操作方便，觀察角度大，配準精度高的優點。
【專利說明】
一種原位立體顯示裝置及原位立體増強現實導航系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及增強現實導航技術領域，尤其涉及一種原位立體顯示裝置及原位立體增強現實導航系統。
【背景技術】
[0002]目前，顯微系統在臨床醫學、生物學、藥學等研究領域的運用越來越廣泛。傳統的顯微顯示是通過顯微鏡直接獲得的，其觀察系統由主物鏡、雙目鏡筒和變倍單元組成，通過搭配不同倍率的目鏡與物鏡達到不同實體放大倍數與工作距離的要求。但這種顯微鏡的視野直徑很小，且僅能進行直線觀察，易產生觀察死角。同時，鏡內能投射顯示附加影像信息十分有限，同時欠缺直觀性。
[0003]為解決視野與影像信息顯示等問題，人們設計出了頭戴式顯示器，頭戴式顯示器在佩戴者左右眼各自的視場中分別放置微顯示器，基于左右眼觀察不同圖像時能產生立體視覺的原理，利用可自動變焦高清立體攝像設備獲取實體視覺圖像，將觀察實體與實體的三維圖像數據結合起來，在頭戴顯示器中呈現出增強現實融合顯示的實時圖像。但現有的頭戴式顯示器存在較明顯的限制，為了保證逼真的三維成像，頭戴式顯示器存在著體積較大、觀察時幅輳與焦點調節不一致等問題，在長時間使用時很易產生視覺疲勞、頭暈不適等現象。
[0004]為了解決頭戴式顯示器存在的缺陷，人們又設計出了一種全新的原位立體增強顯示系統，該系統主要由實體觀察裝置、裸眼三維顯示裝置和原位立體顯示裝置組成。該系統能夠不僅能夠對實體進行顯微觀察與操作，同時為觀察者提供三維裸眼立體實體原位增強顯示圖像，在透視融合圖像的輔助下實現對實體的內外部結合的清晰、連續的觀察。然而該系統的原位立體顯示裝置需要通過人工進行配準定位，而在原位立體顯示裝置進行配準后，裸眼三維顯示裝置也被定位，不僅操作不便，而且觀察視野有限，觀察角度較小，同時配準匹配的精度相對較低。
【實用新型內容】
[0005](一)要解決的技術問題
[0006]本實用新型要解決的技術問題是解決現有原位立體增強顯示系統操作不便，觀察角度小，配準精度低的問題。
[0007](二)技術方案
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種原位立體顯示裝置，包括裸眼三維顯示裝置和原位立體融合裝置，其中所述原位立體融合裝置包括外殼以及設置在所述外殼中的運動裝置，所述運動裝置包括平移運動裝置和旋轉運動裝置，所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置均與所述裸眼三維顯示裝置的兩端相連;所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置分別驅動所述裸眼三維顯示裝置在所述外殼中進行平移運動和旋轉運動。
[0009]進一步地，所述平移運動裝置包括分別安裝在所述外殼的左右兩側內壁上的滑軌，在各所述滑軌上分別設有滑動座，各所述滑動座分別連接直線電機。
[0010]進一步地，所述旋轉運動裝置包括分別安裝在各所述滑動座上的轉軸以及驅動連接所述轉軸的轉動電機，其中所述裸眼三維顯示裝置的兩端分別通過所述轉軸安裝在所述滑動座上。
[0011]具體地，在所述外殼的左右兩側內壁上分別安裝有滑軌固定支架，所述滑軌安裝在所述滑軌固定支架上。
[0012]具體地，在所述外殼的前端內壁上設有半透半反鏡，所述半透半反鏡通過固定件安裝在所述外殼上;其中所述半透半反鏡的平面與所述滑軌的延長線呈O?90°夾角。
[0013]具體地，所述原位立體融合裝置還包括安裝在所述半透半反鏡下面的照明裝置，所述照明裝置包括照明燈以及與所述照明燈連接的調節光亮控制器。
[0014]具體地，所述原位立體融合裝置還包括定位跟蹤裝置。
[0015]本實用新型還提供了一種原位立體增強現實導航系統，包括所述的原位立體顯示
目.ο
[0016]進一步地，所述的原位立體增強現實導航系統還包括數據處理控制裝置和多自由度機械臂，其中所述數據處理控制裝置與所述多自由度機械臂相連，所述多自由度機械臂與所述原位立體顯示裝置相連。
[0017]具體地，所述數據處理控制裝置包括用于生成實體視覺圖像的計算機，以及分別控制所述原位立體顯示裝置和所述多自由度機械臂的控制器，所述計算機通過數據傳輸線與所述控制器相連。
[0018](三)有益效果
[0019]本實用新型的上述技術方案具有如下優點:
[0020]本實用新型提供的原位立體顯示裝置，在原位立體融合裝置的外殼中設置平移運動裝置和旋轉運動裝置，所述裸眼三維顯示裝置分別通過平移運動裝置和旋轉運動裝置實現在外殼中的平移運動和旋轉運動，從而使用者能夠在較大的視場范圍內對實體及立體融合圖像進行清晰、連續的觀察，同時提高了配準匹配的精確度；
[0021]本實用新型提供的原位立體增強現實導航系統，將上述原位立體融合裝置與數據處理控制裝置通過多自由度機械臂進行連接，通過數據處理控制裝置分別控制多自由度機械臂和原位立體融合裝置進行自動配準匹配操作，其中控制多自由度機械臂初次配準，再控制原位立體融合裝置進行二次配準，并且使用過程中，實體產生小范圍的姿態變化，可以實現整個系統保持不動，僅通過運動裝置和三維顯示內容的自動調整實現與實體的重新的配準，不僅使用方便，操作靈活，而且擴大了觀察視角，有效提高了配準精度，便于使用者獲取真實直觀、三維增強顯示的實體原位融合的顯微信息，同時該系統還具有結構簡單、能滿足多人裸眼同時觀察、實現系統輕便小型化的優點。
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型實施例原位立體顯示裝置的結構示意圖；
[0023]圖2是本實用新型實施例原位立體顯示裝置的的運動裝置結構示意圖；
[0024]圖3是本實用新型實施例原位立體增強現實導航系統的結構示意圖。
[0025]圖中:1:裸眼三維顯示裝置；2:外殼；3:運動裝置;4:滑軌固定支架；5:半透半反鏡;6:固定件;7:定位跟蹤裝置;8:數據處理控制裝置;9:多自由度機械臂；10:原位立體顯示裝置;301:滑軌;302:滑動座;303:直線電機;304:轉軸;305:轉動電機。
【具體實施方式】
[0026]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0027]如圖1所示，本實施例提供一種原位立體顯示裝置，包括裸眼三維顯示裝置I和原位立體融合裝置，其中所述原位立體融合裝置包括外殼2以及設置在所述外殼2中的運動裝置3。其中所述裸眼三維顯示裝置I用于提供與實體視覺圖像內容相關的裸眼真三維圖像，其中實體視覺圖像，是指使用雙眼實際觀察到的實體，而裸眼真三維圖像是指三維顯示裝置生成的虛擬影像。所述原位立體融合裝置用于將裸眼真三維圖像疊加到實體上，進行原位立體增強現實后顯示給觀察者，所謂原位增強現實，是指將實體的三維影像投影疊加到實體相對應的位置，使其重合，可以同時觀察到影像和實體。
[0028]所述運動裝置3包括平移運動裝置和旋轉運動裝置，所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置均與所述裸眼三維顯示裝置I的兩端相連。其中所述平移運動裝置可以采用滑軌與滑塊相配合的結構形式，或采用連桿機構形式，或采用圓桿與套筒相配合的結構形式，或采用絲杠螺母的結構形式，再通過電機、氣缸、油缸或電液推桿進行驅動。而所述旋轉運動裝置可以采用轉軸或螺桿結構，通過轉動電機驅動轉軸、連桿機構或旋轉凸輪的結構形式，再通過轉動電機進行驅動。所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置能夠分別驅動所述裸眼三維顯示裝置I在所述外殼2中進行平移運動和旋轉運動。從而增大所述裸眼三維顯示裝置I的觀察視角以及視野范圍，提高了配準匹配的精確度，實現對實體及立體融合圖像的清晰、連續觀察。
[0029]進一步而言，如圖2所示，所述平移運動裝置包括分別安裝在所述外殼2的左右兩側內壁上的滑軌301，在各所述滑軌301上分別設有滑動座302，各所述滑動座302分別連接直線電機303，所述直線電機303能夠驅動所述滑動座302在所述滑軌301上進行往復直線運動，進而帶動所述裸眼三維顯示裝置I進行往復直線運動。
[0030]其中，所述旋轉運動裝置包括分別安裝在各所述滑動座302上的轉軸304以及驅動連接所述轉軸304的轉動電機305，其中所述裸眼三維顯示裝置I的兩端分別通過所述轉軸304安裝在所述滑動座302上，所述轉動電機305驅動所述轉軸304進行旋轉運動，進而帶動所述裸眼三維顯示裝置I進行旋轉運動。所述裸眼三維顯示裝置I分別在所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置的驅動下實現在空間內的平移運動和旋轉運動，操作靈活度大，觀察視角大，進行定位配準的精確度高。
[0031]具體來說，在所述外殼2的左右兩側內壁上分別安裝有滑軌固定支架4，所述滑軌301安裝在所述滑軌固定支架4上。
[0032]此外，在所述外殼2的前端內壁上設有半透半反鏡5，所述半透半反鏡5通過固定件6安裝在所述外殼2上，其中所述半透半反6的平面與所述滑軌301的延長線呈O?90°夾角，在本實施例中其夾角優選為45°。所述裸眼真三維圖像在所述半透半反鏡5處進行原位立體增強現實后顯示給觀察者。
[0033]此外，所述原位立體融合裝置還包括安裝在所述半透半反鏡5下面的照明裝置，所述照明裝置包括照明燈以及與所述照明燈連接的調節光亮控制器。通過所述照明裝置能夠根據需要調整光亮，調整實體視覺圖像的亮度，從而調整裸眼真三維圖像和的對比度。
[0034]此外，所述原位立體融合裝置還包括定位跟蹤裝置7，所述定位跟蹤裝置7可以是雙目相機或NDI導航裝置，所述定位跟蹤裝置7用于原位立體顯示裝置以及手術器械的定位跟蹤。
[0035]更具體地，所述裸眼三維顯示裝置I包括裸眼真三維圖像源和投影部件，其中所述裸眼真三維圖像源為微型計算機或顯示屏，所述投影部件為透鏡陣列或干涉裝置。根據裸眼三維顯示方法的不同，圖像源生成的圖像和投影部件的類型會有相應的調整，當裸眼三維顯示方法為基于立體全像技術型時，所述投影部件為透鏡陣列；當裸眼三維顯示方法為基于光場技術型時，所述投影部件為透鏡陣列；當裸眼三維顯示方法為基于全息技術型時，所述投影部件為干涉裝置。
[0036]如圖3所示，本實施例還提供一種原位立體增強現實導航系統，該系統包括，該導航系統還包括數據處理控制裝置8、多自由度機械臂9以及上述的原位立體顯示裝置10，其中所述數據處理控制裝置8與所述多自由度機械臂9通過線纜相連，所述多自由度機械臂9與所述原位立體顯示裝置10相連。
[0037]具體來說，所述數據處理控制裝置8包括用于生成實體視覺圖像的計算機，以及分別控制所述原位立體顯示裝置10和所述多自由度機械臂9的控制器，所述計算機通過數據傳輸線與所述控制器相連。
[0038]本實施例原位立體增強現實導航系統的工作原理是:
[0039]首先，通過所述數據處理控制裝置8中的計算機對數據進行處理，實時地、直接地獲取實體視覺圖像，同時通過計算機控制整個系統，將指令通過數據傳輸線傳到控制器和所述裸眼三維顯示裝置等執行器，所述數據處理控制裝置8控制所述多自由度機械臂9和原位立體融合裝置10進行自動配準匹配操作，其中控制所述多自由度機械臂9進行初次配準，再控制所述原位立體融合裝置10進行再次配準。進行再次配準時通過控制器控制相應的直線電機和轉動電機運動，使所述裸眼三維顯示裝置在空間實現平移和旋轉運動。然后，所述裸眼三維顯示裝置會根據裸眼真三維圖像的圖像源在空間中投影顯示出與實體視覺圖像內容相關的裸眼真三維圖像。最后，通過所述半透半反鏡，將實體視覺圖像和裸眼真三維圖像進行原位立體融合后顯示給使用者。
[0040]綜上所述，本實用新型提供的原位立體增強現實導航系統，通過多自由度機械臂進行初次配準定位，通過原位立體融合裝置進行二次配準定位，通過數據處理控制裝置實現自動配準匹配操作，并且使用過程中，實體產生小范圍的姿態變化，可以實現整個系統保持不動，僅通過運動裝置和三維顯示內容的自動調整實現與實體的重新的配準，其中原位立體融合裝置通過設置平移運動裝置和旋轉運動裝置來實現裸眼三維顯示裝置在空間內的平移和旋轉運動，具有結構簡單，操作靈活，觀察視角大，視野范圍大，配準定位精確度高的優點，便于使用者獲取真實直觀、三維增強顯示的實體原位融合的顯微信息。
[0041]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上；術語“上”、“下”、“左”、“右”、“內”、“外”、“前側”、“后側”、“頭部”、“尾部”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。
[0042]在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的普通技術人員而言，可視具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0043]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種原位立體顯示裝置，其特征在于:包括裸眼三維顯示裝置和原位立體融合裝置，其中所述原位立體融合裝置包括外殼以及設置在所述外殼中的運動裝置，所述運動裝置包括平移運動裝置和旋轉運動裝置，所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置均與所述裸眼三維顯示裝置的兩端相連;所述平移運動裝置和所述旋轉運動裝置分別驅動所述裸眼三維顯示裝置在所述外殼中進行平移運動和旋轉運動。2.根據權利要求1所述的原位立體顯示裝置，其特征在于:所述平移運動裝置包括分別安裝在所述外殼的左右兩側內壁上的滑軌，在各所述滑軌上分別設有滑動座，各所述滑動座分別連接直線電機。3.根據權利要求2所述的原位立體顯示裝置，其特征在于:所述旋轉運動裝置包括分別安裝在各所述滑動座上的轉軸以及驅動連接所述轉軸的轉動電機，其中所述裸眼三維顯示裝置的兩端分別通過所述轉軸安裝在所述滑動座上。4.根據權利要求2所述的原位立體顯示裝置，其特征在于:在所述外殼的左右兩側內壁上分別安裝有滑軌固定支架，所述滑軌安裝在所述滑軌固定支架上。5.根據權利要求2所述的原位立體顯示裝置，其特征在于:在所述外殼的前端內壁上設有半透半反鏡，所述半透半反鏡通過固定件安裝在所述外殼上;其中所述半透半反鏡的平面與所述滑軌的延長線呈O?90°夾角。6.根據權利要求5所述的原位立體顯示裝置，其特征在于:所述原位立體融合裝置還包括安裝在所述半透半反鏡下面的照明裝置，所述照明裝置包括照明燈以及與所述照明燈連接的調節光亮控制器。7.根據權利要求1所述的原位立體顯示裝置，其特征在于:所述原位立體融合裝置還包括定位跟蹤裝置。8.—種原位立體增強現實導航系統，其特征在于:包括如權利要求1-7任一所述的原位立體顯示裝置。9.根據權利要求8所述的原位立體增強現實導航系統，其特征在于:還包括數據處理控制裝置和多自由度機械臂，其中所述數據處理控制裝置與所述多自由度機械臂相連，所述多自由度機械臂與所述原位立體顯示裝置相連。10.根據權利要求9所述的原位立體增強現實導航系統，其特征在于:所述數據處理控制裝置包括用于生成實體視覺圖像的計算機，以及分別控制所述原位立體顯示裝置和所述多自由度機械臂的控制器，所述計算機通過數據傳輸線與所述控制器相連。
【文檔編號】G02B27/01GK205643888SQ201620419267
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】廖洪恩, 張博語, 屈小豐, 馬龍飛
【申請人】清華大學