CN101409033A

CN101409033A - 一种在云层投影成像的装置和方法

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Publication number: CN101409033A
Application number: CNA2008102004482A
Authority: CN
Inventors: 张俊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2009-04-15

Abstract

本发明为一种在云层投影成像的装置和方法，涉及一种投影成像的装置和方法，利用强光束在云底动态远距离投影成像。本发明装置包括高功率光源、投影设备、图案器件、云层探测设备、机械框架和控制装备。本发明方法是：在夜晚，采用云层探测设备测量云层位置等信息，利用高功率光源产生强光束，通过控制设备实时控制机械框架内的投影设备把图案器件的图案的投影到几公里内反射率高的云层底部，从而把指定图案持续投影到低空云层底部，为云下方附近地面约几十平方公里范围的人群播放图案影像。该方法具有在夜空中美化云彩、增加气氛、在室外大范围广播信息和广告宣传等一系列用途。

Description

一种在云层投影成像的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用高功率光源产生强光束，在夜空云层底部进行光学动态投影成像的装置和方法。

背景技术

高功率光源技术不断发展，输出功率超过到从几千瓦的激光器或高压汞灯等已经出现。内置高功率光源的空中探照灯能产生各色强光束，在空气中的穿透距离达到1-15km。空中探照灯主要应用是利用强光的折射光，在大城市的一些大厦、广场或景点上方向空中照射，达到美化夜空的目的，或者是在夜晚对地面指定区域照明。

天空的云层高度从几百米到几公里，一些云层高度低，反射率高，在晚上，当强光照射到云层，反射光可以在远距离观测到。而且现在各种探测云层的技术快速发展，比如激光雷达测量云层信息的技术也已经成熟。

当前，投影技术已经发展成熟，包括直接投影技术、透射式投影技术、反射式投影技术等等，但到目前为止，投影成像距离一般在几百米之内，在天空的云层底部远距离投影成像的装置和方法未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种在云层投影成像的装置和方法，为云下方附近的人群播放图像信息。其中，本发明装置包括高功率光源、投影设备、图案器件、云层探测设备、机械框架和控制装备。另外，本发明方法是：利用所述高功率光源产生强光束，通过所述投影设备把所述图案器件的图案的投影到云层底部，为云下方附近地面约几十平方公里范围播放图案影像。本发明的方法中，可进一步采用所述云层探测设备测量云层位置等信息，并通过所述控制设备实时分析云层信息，实时调整所述投影设备的出射光束角度、发散角、像距等和所述图案器件的图案信息，从而把指定图案持续投影到低空云层底部。

详细的说，本发明中的装置的组成部分，包括高功率光源、投影设备、图案器件、云层探测设备、机械框架和控制装备，各自的具体描述如下。

所述高功率光源可以是高压汞灯、高功率激光器、卤钨灯、属卤化物灯和高压氙灯，输出功率1kw以上，建议5kW以上，波长范围为可见光范围，发散角度较小，建议小于0.1rad，可通过镜组会聚光束，输出功率可通过能量衰减器调整。

所述投影设备可包括照明镜组和投影镜组。所述照明镜组，可由一组可动凹凸透镜组组成，用于调整光束的束径和发散角度；所述投影镜组可以直接为空，或者是若干用于调节光强或发散角度的普通镜组，这样，根据采用平行光穿过物面直接投影的原理，可以直接在远方运底成像；所述投影镜组也可以是一系列凹凸透镜或反射镜组组成的物镜，把物面的图案器件的图案远距离成像到1公里外云层底部；所述照明镜组和所述投影镜组都要求透过率高和吸热少。

所述图案器件安装在所述投影设备的物面或出射口，可以是中间有中空图案的模具，或者印有图像的玻璃或透明塑料，或者是LCD等电子图案设备。图案可以是彩色的或黑白或灰色图的。图案器件和图案模具要求散热快或比热大，不易变形，可以选择金属和石英玻璃。所述图案器件可根据需要切换所需图案。

所述云层探测设备可以是激光雷达，其采用激光脉冲，探测空中云层的位置、高度和反射率等云层信息，具体可以是差分吸收激光雷达、米氏散射激光雷达等，或它们的组合。

所述机械框架用于安装所述投影设备、所述图案器件和所述高功率光源，结构上包括基座、镜筒、旋转装置等。基座用来放置旋转装置和镜筒的，镜筒内安装所述投影设备、所述图案器件，其中所述高功率光源根据需要决定安装在镜筒内或基座上，旋转装置是用来带动镜筒沿各个方向旋转，从而达到改变出射光束角度的目的。

所述控制设备是用于分析所述云层探测设备的反馈信息，跟踪云层位置和反射率等，动态控制图案器件里的图案切换、机械框架的镜筒方向、投影设备的镜组位置等，实现装置自适应投影成像，如果云层飘远或不再适合成像，则控制关闭高功率光源。

本发明中的方法所采用的技术方案的步骤是：

1.所述云层探测设备扫描探测天空，在黄昏或晚上寻找距离近而反射率高的云层。一般云层高度在二百米到一万米，高云的云层高度在六千米以上；中云云底高度在二千五百米至六千米之间，一般分为高层云和高积云；低云云底高度低于二千五百米，又分为层积云、层云和雨层云。云的反射率在0.1-0.7之间，高云的反射率约为25％、中云约为50％、低云约为65％。采用激光雷达可测量出十几公里内云的位置和反射率等信息。本发明中的投影成像的“屏幕”，一般选择距离小于三公里的反射率高于50％的云层。

2.所述控制设备根据云层探测设备反馈的云层信息，调整装置初始状态。把所述投影设备镜筒方向调整朝向云层底部，计算出合适的出射光强，放大倍率、发散角度、和焦距等，并把需要投影的的图案模具切换到光路上的物面上。

3.所述图案器件里设置所需要投影的图案，并设置合适的物距。

4.启动所述高功率光源和所述投影设备，把图案投影到远方的云底；通过云层漫反射，投影被地面的人群观测到。

5.所述云层探测设备实时测量云底信息，所述控制设备根据反馈信息调整所述投影设备的出射角度、出射光强、放大倍率、发散角度或物距等，实现装置自适应投影成像。

6.所述图案器件可根据需要不断切换图案，使远方云层图案发生变化。

需要指出的是，本发明的方法中，可以没有第一步和第二步和第五步，从第三步开始，直接设置所述图案器件里的图案，启动所述高功率光源和所述投影设备，把图案直接投影到远方的云底。

需要进一步说明，反射面为积云底部效果较佳，其云底高度仅为0.1-2.5km，高度低，面积大，密度大，反射率高(＞0.3)。不宜选择高云和中云，虽然有的反射率高，但是云底较高，分别在4.5-10km和2.5-4.5km之间，十千瓦左右的光束被反射回地面后也被削弱得很厉害，在地面上的能见度低。也不宜选择卷云或层云，反射率低、密度低和面积小的，成像面小，清晰度低。另外，为了降低成本，所述图案器件可为印有简单图案的平面石英玻璃，也可为中间有中空的特定图案形状的材料，如塑料板或铁板。所述图案器件可进一步安装多个图案模具的轮盘。当然，也可根据需要选择由芯片控制图案变换的透射LCD屏幕。图案形状的选择宜是相对简单的图案，如文字、物体形状等，原因是云底反射面平整情况和反射率均匀情况对影像质量影响严重，并且图案影像可能存在一定程度的变形；因此，简单的图案投影后更容易被人们识别。

此外，地面较佳的观测范围和光源功率、空气透射率、云底高度和反射率等相关，经分析能达到约50km²。装置的使用时间的选择是晚上。装置的使用地点的建议为大厦顶部等较高地方，或者是农村、小乡镇等环境光较少的地方，或者是经常有多云天气的地点。

本发明的有益效果是：在晚上，云底图案影像可以在云下方地面几十平方公里的范围内被观测到，不仅具有美化云彩、增加气氛和广告宣传的效果，还是一种在室外向大范围的公众传播信息的新手段。

附图说明

图1是本发明装置的一个低成本的较佳的实施例，其不使用物镜，直接将图案动态投影到云层底部。

图2是本发明装置的另一个较佳实施例，其使用物镜将图案动态投影到云层底部。

图3是本发明装置中一种低成本的图案器件，其可根据需要切换不同的图案。

图4是本发明装置的使用方法的一个较佳实施例。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明中的装置和方法作进一步说明。

如图1，为本发明装置的一个低成本的较佳的实施例。采用输出功率超过5kW超高压汞灯(101)作为所述高功率光源；采用透镜组(102)作为所述的投影设备的照明镜组，用于调整光束的发散角度，使发散角度小于0.1；采用中间有图案玻璃(103)作为所述图案器件；采用透光玻璃(104)作为最简单的所述投影设备的投影镜组；采用金属镜筒(105)作为所述机械框架的镜筒，内置放上述超高压汞灯(101)、透镜组(102)、图案玻璃(103)、透光玻璃(104)；采用旋转装置(106)带动镜筒沿着不同方向转动；采用基座(107)，其上装在镜筒(105)和旋转装置(106)；采用激光雷达(108)作为所述云层探测设备，用于探测天空附近合适投影的云层信息，并反馈到控制设备(109)上；控制设备(109)为一系列电子设备，能自动分析激光雷达传回的信息，根据需要控制超高压汞灯(101)的开关，并通过控制旋转装置(106)，带动镜筒(106)的旋转，从而动态改变出射光束的方向，实现自动跟踪云层位置远距离将图案投影到云层底部的目的。

如图2，为本发明装置的另一个较佳实施例。采用输出功率超过5kW的激光器(201)作为所述高功率光源，提供发散度小，准直性好的强光束，光源主体部分安装在基座(207)上，通过光学器件引入到镜筒(205)内。采用透镜组(202)为所述投影设备的照明镜组，用于改变光路为图案器件(203)提供照明；图案器件(203)的位置可被动态调整，用来改变成像的物距；采用物镜(204)作为所述投影设备的投影镜组，用于把图案器件(203)里的图案成像到远方的云层上；所述机械框架的镜筒(205)用于安装激光器(201)的光束出口、透镜组(202)、图案器件(203)和物镜(204)；所述机械框架的旋转装置(206)，用于带动镜筒(205)旋转，从而改变出射光束的方向；所述机械框架的基座(207)，用来放置激光器(201)的主体部分，镜筒(205)和旋转装置(206)；采用激光雷达(208)作为所述云层探测设备，用于探测天空附近合适投影的云层信息，包括位置，反射率等，并反馈到控制设备(209)上；控制设备(209)为一系列电子设备，能自动分析激光雷达传回的信息，控制激光器(201)的开关，从而决定是否启动本发明装置，和控制旋转装置(106)的旋转，从而动态改变出射光束的方向，和控制图案器件(204)的位置，从而改变物距和像距，最终实现自动跟踪云层远距离清晰成像目的。

如图3，为一种低成本的图案器件，中间为耐高温玻璃，在不同图案框架位置上中间印有不同图案，其中每个图案分为透光部分(301)和不透光部分(302)，该玻璃通过固定器件(304)安装在镜筒(303)的对应位置上，其中有位置分别有图案框架1(305)、图案框架2(306)、图案框架3(307)、图案框架(308)等。可通过机械装置切换玻璃中的不同图案框架的位置，实现切换所投影图案的目的。

如图4，为本发明方法的一个较佳实施例。为了方便说明，本实施例中，装置采用图1的实施例，其中图案器件选用图3的类型的图案器件。所述装置中包括了所述高功率光源、所述投影设备和所述图案器件的镜筒(401)，旋转装置和基座(402)，激光雷达(403)，和控制设备(404)。另外图中还有携带图案信息的出射光束(405)、云层(406)和地面观察者(407)。本实施例中，投影成像装置的超高压汞灯功率取P＝10kW，光输出比率为k＝80％，发射绿色强光束，即波长λ＝555nm，光束发散角M＝0.025rad，针对以上设置，可采用以下步骤在云层动态投影。

1.激光雷达(403)扫描探测天空，在黄昏或晚上寻找距离小于4公里的反射率高于50％的大面积云层，并将相关信息反馈给控制设备(404)。

2.控制设备(404)根据激光雷达(403)反馈的云层信息，调整本发明装置的镜筒(401)的方向，使之对准所选中的云层。

3.通过图案器件的位置改变，切换设置所需要投影的图案。

4.启动所述高功率光源和所述投影设备，把图案投影到远方的云层底部。并通过云层漫反射，从而被地面的人群观测到。

5.激光雷达(403)实时测量云层信息，控制设备(404)在投影过程中实时分析反馈信息，通过旋转装置和基座(402)调整镜筒的角度等，实现装置自适应投影成像，如果云层飘远或不再适合成像，则关闭高功率光源。

6.图案器件根据需要不断切换图案，使远方云底图案发生变化。

为了分析本实施例中不同高度云底的投影效果，在此，假设取出射光束角度A＝45°，云底反射面相对地面倾斜角度G＝20°，图案面积S0＝0.07m²，投影时间是在晚上，夜空环境较好，背景光较少，空气消光系数是a＝0.388E-3m^-1，云为积云，漫反射系数取k_d＝0.5，视见函数取V(λ)＝V(555nm)，人眼的分辨角取θ＝1.5’，人眼在夜空云底可清晰分辨的光强取I_min＝21x，则经过计算，得到投影在不同云底高度h＝400m-2400m的图案影像的相关情况如表1。

表1不同高度的云底投影效果

云底高度h(m)	云底到本发明装置的距离L(m)	云底全图案影像直径d(m)	云底图案影像到达观测者处光强I2(lx)	云底图案可辨认的像素数N	云底到观测者的平均距离L2(m)	地面可清晰观测的范围的直径D(m)
云底高度h(m)	云底到本发明装置的距离L(m)	云底全图案影像直径d(m)	云底图案影像到达观测者处光强I2(lx)	云底图案可辨认的像素数N	云底到观测者的平均距离L2(m)	地面可清晰观测的范围的直径D(m)	400	566	28.6	1032.3	15796	462	1400
600	848	42.7	378.53	15688	693	2100	400	566	28.6	1032.3	15796	462	1400
600	848	42.7	378.53	15688	693	2100	800	1131	56.9	175.06	15632	924	2800
1000	1414	71.0	91.984	15600	1155	3500	800	1131	56.9	175.06	15632	924	2800
1000	1414	71.0	91.984	15600	1155	3500	1200	1697	85.1	52.407	15576	1386	4200
1400	1980	99.3	31.577	15560	1616	4900	1200	1697	85.1	52.407	15576	1386	4200
1400	1980	99.3	31.577	15560	1616	4900	1600	2263	113.4	19.822	15548	1847	5600
1800	2545	127.6	12.839	15540	2078	6300	1600	2263	113.4	19.822	15548	1847	5600
1800	2545	127.6	12.839	15540	2078	6300	2000	2828	141.7	8.5241	15532	2309	7000
2200	3111	155.9	5.7738	15528	2540	7700	2000	2828	141.7	8.5241	15532	2309	7000
2200	3111	155.9	5.7738	15528	2540	7700	2400	3394	170.0	3.9761	15520	2771	8400

2600

3677

184.1

2.7764

15516

3002

9100

从表中可以看出，在本实施例中，通过本发明的装置和方法，图案可以动态投影到几百米到几公里以上高度的云层底部，地面几十平方公里的范围内人群能清晰观察到云底的图案投影。需要指出的是，受限于人眼的分辨角和可清晰分辨光强，本实施例中，云层投影可被地面人群清晰分辨的像素数只达到一万多个，所以，在云层投影成像所使用图案器件中，建议选择较为简单图案，比如文字、图标等等。

因此，利用本发明可将简单图案动态投影到云层底部，并被地面较大范围的人群清晰观测到。

Claims

1.一种用于把图案信息投影到远方云层底部的投影成像装置，其特征在于包括投影设备、图案器件、控制装备、云层探测设备和高功率光源。

2.根据权利要求1所述的投影成像装置，其特征在于所述的投影设备包括可调整束径和发散角的照明镜组，和用于将所述图案器件里的图案投影到云底的投影镜组，所述投影镜组可以是用于直接投影的镜组或者直接为空，也可以是用于远距离成像的物镜。

3.根据权利要求1所述的投影成像装置，其特征在于所述图案器件安装在所述投影设备内，可以是具有中空图案的模具、印有图像的玻璃、透明塑料或LCD等电子图案设备，用于切换不同图案。

4.根据权利要求1所述的投影成像装置，其特征在于所述的控制装置用于分析所述云层探测设备反馈信息，实时控制所述投影设备和所述图案器件，实现持续在云底投影成像。

5.根据权利要求1所述的投影成像装置，其特征在于所述云层探测设备用于测量天空云层位置、高度和反射率等信息。

6.根据权利要求1所述的投影成像装置，其特征在于所述高功率光源可以是高压汞灯、高功率激光器、卤钨灯、属卤化物灯和高压氙灯，输出功率1kw以上，用于为所述投影设备提供照明投影光束。

7.一种利用强光束在云层投影成像的方法，其特征在于利用高功率光源产生强光束，通过投影设备把图案器件的图案的投影到合适云层底部，为云下方大范围人群播放图案影像。

8.根据权利要求7所述的在云层投影成像的方法，其特征在于所述的云层底部是几公里距离内的反射率高的大面积的积云底部。

9.根据权利要求7所述的在云层投影成像的方法，其特征在于可通过一控制设备分析一云层探测设备所测量的云层信息，进而实时控制调整所述投影设备的出射光束角度和所述图案器件里的图案，使得各种图案信息持续投影到云层底部。