CN107608570A - 激光电离空气成像的可触控系统及触控探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光电离空气成像的可触控系统及触控探测方法，包括激光接收与分析装置、激光电离空气成像装置、动态捕捉与探测装置及计算机控制模块，激光电离空气成像装置发射激光到空气中，电离空气成像，在发射端另外一侧，像的后面触摸，激光接收与分析转置包括激光回波光强测量装置，激光回波波长测量装置，激光回波相位分析装置，计时装置及通信装置，激光接收与分析转置接收激光回波信号和动态捕捉与探测装置捕捉的位置信号，实时对激光成像进行分析，计算机控制模块识别判断触摸信号。在成像中溶入带有触感的可触控技术，再与全息投影成像相结合，将具有广阔的应用和市场前景，运用到电脑和手机设备中将改变对现在电脑和手机的固有观念。

Description

激光电离空气成像的可触控系统及触控探测方法

技术领域

本发明涉及一种激光电离空气成像技术，特别涉及一种激光电离空气成像的可触控系统及触控探测方法。

背景技术

目前触控技术都要基于屏幕，如智能手机中的电容屏，电阻屏，没有能运用到空气中的成像的触控功能。国内目前已有激光成像的相关专利(激光激发空气电离的立体显示成像装置及其方法)但没有没有可触控的激光成像。

发明内容

本发明是针对现在有激光成像技术，但无法溶入触控功能的问题，提出了一种激光电离空气成像的可触控系统及触控探测方法，可以像美国大片里一样，让人在空气中操作图像。

本发明的技术方案为：一种激光电离空气成像的可触控系统，包括激光接收与分析装置、激光电离空气成像装置、动态捕捉与探测装置及计算机控制模块，计算机控制模块通过通信模块输出控制信号到激光接收与分析转置、激光电离空气成像装置及动态捕捉与探测装置输出的信号，激光接收与分析转置、激光电离空气成像装置及动态捕捉与探测装置将处理后信息通过通信模块送回计算机控制模块；

激光电离空气成像装置采用低功率的飞秒激光进行电离空气成像，激光接收与分析装置包括激光回波光强测量装置，激光回波波长测量装置，激光回波相位分析装置，计时装置及通信装置，激光接收与分析装置接收激光回波信号和动态捕捉与探测装置捕捉的位置信号，实时对接收信号进行分析，分析结果送计算机控制模块，计算机控制模块识别判断触摸信号。

所述动态捕捉与探测装置选择影像识别装置、超声波定位装置、红外光定位装置及鹰眼系统中的任意一种，用于探测触控者的触摸位置，送激光接收与分析装置。

所述激光电离空气成像的可触控系统的触控探测方法，所述激光电离空气成像装置为运用扫描成像系统时，激光接收与分析装置在常态下，检测每个空间角的的激光回波，进行光强分析，波长分析，和相位分析，在人没有触控时，激光发出后，空气吸收能量，无较强激光回波，在人触控时，激光照在人的手上，会有与未触摸时不同的激光回波，且激光回波的相位角发生变化，通过激光回波光强测量装置、激光回波波长测量装置，激光回波相位分析装置和计时装置接收信号进行分析，确定触摸信号。

所述激光电离空气成像的可触控系统的触控探测方法，计算机控制模块控制输出全息投影装置形成基本图像，同时控制激光电离空气成像装置在全息投影的成像面上按钮处成像，用于触控。

本发明的有益效果在于：本发明激光电离空气成像的可触控系统及触控探测方法，在空气的成像中溶入带触感的可触控的功能。具有广阔的应用前景和市场前景，若能将设备小型化，运用到电脑和手机设备中那么将改变人们对现在电脑和手机的固有观念。

附图说明

图1为本发明激光电离空气成像的可触控系统示意图；

图2为本发明动态捕捉与探测装置工作流程图；

图3为本发明模块信息传递图；

图4为本发明未触碰状态下的光路示意图；

图5为本发明触碰状态下的光路示意图；

图6为本发明触控分析检测流程图；

图7为本发明激光电离空气与全息投影混合成像示意图。

具体实施方式

如图1所示激光电离空气成像的可触控系统示意图，包括激光接收与分析转置、激光电离空气成像装置、动态捕捉与探测装置，激光电离空气成像装置发射激光到空气中，电离空气成像。激光接收与分析转置包括激光回波光强测量装置，激光回波波长测量装置，激光回波相位分析装置，计时装置及通信装置，激光接收与分析转置接收激光回波信号和动态捕捉与探测装置捕捉的位置信号，实时对激光成像进行分析，识别判断触摸信号。计算机控制模块通过通信模块输出控制信号到激光接收与分析转置、激光电离空气成像装置及动态捕捉与探测装置输出的信号，激光接收与分析转置、激光电离空气成像装置及动态捕捉与探测装置输出的信号将处理后信息通过通信模块送回计算机控制模块。

对于运用扫描成像系统(图像是由激光器电离一个点然后扫描而成)的可触控方法，用激光接收与分析装置，检测常态下，每个空间角的的激光回波，进行光强分析，波长分析，和相位分析。在人没有触控时，激光发出后，要有较长时间才有较强激光回波(因为激光要照在空气中，且激光电离空气，要被空气，吸收相当一部分能量)，而在人触控时，激光会照在人的手上，那么就会有较强的激光回波，且激光回波的相位角，也和人没有触控时不一样。即各项指标是否和常态下相同(利用激光测距原理，来分析，用于电离空气的激光回波)。

动态捕捉与探测装置，可用于探测触控者的大体位置，以利于激光接收与分析装置，进行重点分析，此外当触控检测系统出现问题时，可用动态捕捉与探测装置，精密探测触控者的位置，来大致确定是否被触碰。

对于动态捕捉与探测装置可用的技术有a,影像识别(Opti Track)，b.超声波定位c红外光定位(Lighthouse)d,采用和激光雷达相似的装置。e,运用VR领域的鹰眼系统等。可选的定位技术还有有A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术，如图2所示为动态捕捉与探测装置的辅助触碰检测分析工作流程图。

对于信息传递方式采用拓扑结构，各个装置通过通信模块进行信息传递如图3所示。计算机控制模块通过通信模块与接收激光电离空气成像装置通信，交换信息比如在哪里成像，成像是否成功时以及给激光电离空气成像装置发送成像指令；计算机控制模块通过通信模块与激光接收与分析装置通信，比如激光接收与分析装置分析过的激光回波的结果等，以及给激光接收与分析装置、发送检测与分析的指令。计算机控制模块通过通信模块与接收动态捕捉与探测装置通信，探测的位置信号以及给动态捕捉与探测装置发送检测与分析的指令。

如图5、6所示最基本的触控分析方式，未触碰状态下的光路和触碰状态下的光路示意图。通过激光回波的时间，确定是否被触控，通过空间角α，确定那个位置被触控。当然三维状态下则包含空间角(α,β,γ),不光要分析激光回波时间，也要分析相位，光强等。对于全方位的复杂触控分析，如图6所示触控分析检测流程图。

针对目前全息投影技术比较成熟，而激光电离空气成像，成像区域较小，且颜色单一，在国内外，尤其在国内处于初始研发阶段，故建议采用混合成像的方式，即采用全息投影形成较大的基本图像，激光电离空气在全息投影的成像面上按钮处成像，用于触控。将二者成像相叠加，实现优势互补，同时也可以让触控的位置，有触感。如图7所示激光电离空气与全息投影混合成像示意图。计算机控制模块也可通过通信模块与全息投影装置通信，接收成像信号，以及给全息投影装置，发送成像指令。

需要注意的是，在此方案下即使不使用激光电离空气的可触控成像原理形成触控按钮，只通过全息投影装置成像，通过动态捕捉与探测装置，检测触控者与图像的相对位置，来检测图像是否被触碰，也可大致实现图像的可触控，只是由于是检测触控者与图像的相对位置，所以触碰图像时没有触感，当然这些理论都还尚待于实践，此外动态捕捉的相关技术在VR，AR领域应用地非常广泛，大可将这些技术应用到此。

激光电离空气成像可触控原理:针对激光聚焦的高能量问题,由于飞秒激光是高斯光束，其能量分布集中在强度横截面的1/e²，因此只分析束腰范围内的能量密度。取飞秒激光脉宽的半高宽(FWHM)为τ，则高斯光束强度分布的极坐标形式为

I₀是飞秒激光的光束中心强度，公式右边第二项为空间强度分布，第三项为时间强度分布。

在空间和时间进行积分就可以得到飞秒激光的光束总能量。

由此可得

飞秒激光的脉冲能量E可以通过平均功率P求得，设飞秒激光的重复频率为f_q，可得单脉冲能量E＝P/f_q。因此峰值功率的表达式为:

由上公式可知，其他参数相同时相同，要获得相同的峰值功率I_peak，脉宽τ越小，所需的激光的平均功率P就越小，也就是说采用飞秒激光所需平均功率要比采用纳秒激光所需的平均功率小得多，而且在一定范围内，通过降低重复频率f_q，也能降低所需的激光的最小平均功率。所以这样就可比让触控者在触摸图像时不被聚焦的激光灼伤提供了可能，也就是采用低功率的飞秒激光进行电离空气成像，其优点是当触摸到图像时，会有触感，因为低功率飞秒激光聚焦也是有一定的能量的。

Claims (4)

1.一种激光电离空气成像的可触控系统，其特征在于，包括激光接收与分析装置、激光电离空气成像装置、动态捕捉与探测装置及计算机控制模块，计算机控制模块通过通信模块输出控制信号到激光接收与分析转置、激光电离空气成像装置及动态捕捉与探测装置，激光接收与分析转置、激光电离空气成像装置及动态捕捉与探测装置将处理后信息通过通信模块送回计算机控制模块；

激光电离空气成像装置采用低功率的飞秒激光进行电离空气成像，激光接收与分析装置包括激光回波光强测量装置，激光回波波长测量装置，激光回波相位分析装置，计时装置及通信装置，激光接收与分析装置接收激光回波信号和动态捕捉与探测装置捕捉的位置信号，实时对接收信号进行分析，分析结果送计算机控制模块，计算机控制模块识别判断触摸信号。

2.根据权利要求1所述激光电离空气成像的可触控系统，其特征在于，所述动态捕捉与探测装置选择影像识别装置、超声波定位装置、红外光定位装置及鹰眼系统中的任意一种，用于探测触控者的触摸位置，送激光接收与分析转置。

3.根据权利要求1或2所述激光电离空气成像的可触控系统的触控探测方法，其特征在于，所述激光电离空气成像装置为运用扫描成像系统时，激光接收与分析装置在常态下，检测每个空间角的的激光回波，进行光强分析，波长分析，和相位分析，在人没有触控时，激光发出后，空气吸收能量，无较强激光回波，在人触控时，激光照在人的手上，会有与未触摸时不同的激光回波，且激光回波的相位角发生变化，通过激光回波光强测量装置、激光回波波长测量装置，激光回波相位分析装置和计时装置接收信号进行分析，确定触摸信号。

4.根据权利要求3所述激光电离空气成像的可触控系统的触控探测方法，其特征在于，计算机控制模块控制输出全息投影装置形成基本图像，同时控制激光电离空气成像装置在全息投影的成像面上按钮处成像，用于触控。