CN110488565A - 一种利用光声效应实现空气成像的装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括第一激光器、第一偏转镜、第一投影仪；所述第一激光器、第一偏转镜处于同一直线上；所述第一偏转镜用于改变第一激光器发出光束的传播方向，所述第一偏转镜高速偏转使光线传播形成一个立体面，经过空气中的水蒸气由于光声效应，形成空气屏幕，所述第一投影仪向空气屏幕投射光线，实现图像显示；一种利用光声效应实现空气成像的系统；本方法避免了传统空气成像方法的复杂、繁琐的步骤，可以实现高分辨率的成像，更快速、简单地在空气中成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光声效应实现空气成像的装置及系统，属于空气成像技术领域。
背景技术
光声效应就是当物质受到周期性强度调制的光照射时，产生声信号的现象。用光照射某种媒质时，由于媒质对光的吸收会使其内部的温度改变从而引起媒质内某些区域结构和体积变化；当采用脉冲光源或调制光源时，媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩，因而可以向外辐射声波。这种现象称为光声效应（photoacoustic effect）。
空气成像主要是通过空气显示屏来完成的。空气显示屏主要包括两种： 一有介质空中成像显示屏，二无介质空中成像显示屏。
有介质空中成像显示屏从硬件构成，我们可以看出它有两个致命的缺点，成像质量不佳；薄雾的湿气使人不适；
无介质空中成像显示屏主要包括两种：1）AIR屏，基本原理是通过一个具有负折射率的玻璃，将二维图像推送到另一个三维空间；2）Magic Screen；将一个平面传送到另一个三维空间中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用光声效应实现空气成像的装置及系统，以解决现有技术中导致的上述像质量不佳，薄雾的湿气使人不适的缺陷。
一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括第一激光器、第一偏转镜、第一投影仪；所述第一激光器、第一偏转镜处于同一直线上；
所述第一偏转镜用于改变第一激光器发出光束的传播方向，所述第一偏转镜高速偏转使光线传播形成一个立体面，通过光声效应、空气中的水蒸气，形成空气屏幕，所述第一投影仪向空气屏幕投射光线，实现图像显示。
优选地，还包括至少一个第一波前调制器，所述第一波前调制器设于第一激光器的下方，所述第一波前调制器将；第一激光器发出的光束进行调制。
优选地，还包括第一反射镜，所述第一反射镜设于第一偏转镜的对侧，所述第一反射镜将第一偏转镜反射的光线进行反射产生更大范围的光束范围与光束强度。
优选地，所述第一投影仪为三色激光器，所述三色激光器与两路波前调制器共同作用实现三维z方向的空间调制，即第一激光器和第二激光器分别通过第一波前调制器和第二波前调制器、三色激光器通过第一分光器和第二分光器耦合到同一个光路上，第一偏转镜实现耦合光路的偏振，三色激光器加载视频信号，视频信号与第一偏转镜空间扫描的位置一一对应。
优选地，所述第一激光器的激光波长工作在水蒸气吸收波段。
优选地，所述第一偏转镜为电流偏转镜、或通过MEMS技术制成的偏转镜、或是基于超表面结构的高速光偏转器至少之一，所述第一偏转镜实现至少一维空间高速偏转。
优选地，还括空气加湿器，所述空气加湿器用于为装置提供空气湿度。
一种利用光声效应实现空气成像的系统，所述系统包括权利要求1至7任一项所述的装置。
优选地，所述系统包括多套，多套所述系统共同成像。
优选地，多套所述系统产生的超声波在空间相干叠加。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提出了将光声效应应用于空气成像领域，可以在空间任意位置显示任意图像，既可以用于平面显示，又可以应用真三维显示领域。同时，本装置避免了传统空气成像方法的复杂、繁琐的步骤，可以实现高分辨率的成像，更快速、简单地在空气中成像，为未来真三维显示的进一步发展提供了新思路。
附图说明
图1为本发明实施例1的系统光路图；
图2为本发明实施例2的系统光路图；
图3为本发明实施例3的系统光路图；
图4为本发明实施例4的系统光路图；
图5为本发明实施例5的系统光路图；
图6为本发明实施例6的系统光路图；
图7为本发明实施例7的系统光路图；
图8为本发明实施例8的系统光路图；
图9为本发明实施例9的系统光路图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1：
由图1-图9所示，公开了利用光声效应实现空气成像的装置，包括第一激光器1、第一偏转镜2、第一投影仪3；第一激光器1、第一偏转镜2处于同一直线上；
第一偏转镜2用于改变第一激光器1发出光束的传播方向，第一偏转镜2高速偏转使光线传播形成一个立体面，通过光声效应、空气中的水蒸气，形成空气屏幕，第一投影仪3向空气屏幕投射光线，实现图像显示。
装置还包括至少一个第一波前调制器4，第一波前调制器4设于第一激光器1的下方，第一波前调制器4将第一激光器1发出的光束进行调制。
装置还包括第一反射镜10，第一反射镜10设于第一偏转镜2的对侧，第一反射镜10将第一偏转镜2反射的光线进行反射产生更大范围的光束范围与光束强度。
第一投影仪3为三色激光器5，三色激光器5与两路波前调制器共同作用实现三维z方向的空间调制，即第一激光器1和第二激光器6分别通过第一波前调制器4和第二波前调制器7、三色激光器5通过第一分光器8和第二分光器9耦合到同一个光路上，第一偏转镜2实现耦合光路的偏振，三色激光器5加载视频信号，视频信号与第一偏转镜2空间扫描的位置一一对应。
第一激光器1的激光波长工作在水蒸气吸收波段。
第一偏转镜2为电流偏转镜、或通过MEMS技术制成的偏转镜、或是基于超表面结构的高速光偏转器至少之一，第一偏转镜2实现至少一维空间高速偏转。
装置还包括空气加湿器，空气加湿器用于为装置提供空气湿度。
一种利用光声效应实现空气成像的系统，系统包括权利要求1至7任一项的装置。
系统包括多套，多套系统共同成像，其叠加的空间实现更大尺度的空间成像；多套系统产生的超声波在空间相干叠加，实现固定位置超声波的增强。
具体如图1所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图1将第一激光器1、第一偏转镜2和第一投影仪3依次布设，使得第一激光器1、第一偏转镜2处于同一条直线上；同时在空间另一侧布设第一投影仪3；第一偏转镜2为电流偏转镜、或通过MEMS技术制成的偏转镜、或是基于超表面结构的高速光偏转器；偏转镜既可以在一个空间维度上偏转，即实现一维（x方向）的高速偏转，又可以在两个甚至多个空间维度上偏转，即实现二维（x,y方向）的高速偏转。从而在二维空间或三维空间造成空气扰动，从而增强空气屏幕显示效果。
2，第一激光器1发出的光束通过第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射改变传播方向，同时，第一偏转镜2既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转，光线被快速偏转的第一偏转镜2反射到一侧一个小于360°的三维空间区域内，从而使得这一个三维空间范围内充满激光光束；第一激光器1的激光波长工作在水蒸气吸收波段，例如在1300nm-2000nm附近，工作模式可以为连续波或者脉冲波。
3，在上述的三维空间区域内，空气中的水蒸气由于声光效应会对于特定波长的激光存在较高的吸收率，从而会导致空气扰动，此区域内的空气漫反射会增强，当我们使用投影仪向此区域内投影时，此区域可充当空气屏幕，即可用于显示图像。
实施例2：
如图2所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图2将第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2第一反射镜10和第一投影仪3依次布设，使得第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2处于同一条直线上；同时在第一偏转镜一侧布设第一反射镜10，在空间另一侧布设第一投影仪3。
2，第一激光器1发出的光束通过第一声光调制器4进行调制，调制光通过第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，改变传播方向，第一偏转镜2既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转，使得光线被反射到其一侧的三维空间内，随后光入射到第一反射镜10上，经过第一反射镜10的反射，在与之前方向相反的三维空间内产生更大范围的光束范围与光束强度。
3，在快速偏转镜与反射镜之间的三维空间区域内，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，从而会导致空气扰动，此区域内的空气漫反射会增强，当我们使用投影仪向此区域内投影时，此区域可充当空气屏幕，即可用于显示图像。
实施例3：
如图3所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图3将第一激光器1、第二激光器6，第一声光调制器4、第二声光调制器7、第一激光器5，第一分光器8、第二分光器9，第一偏转镜2依次布设。其中第一激光器1、第一声光调制器4、第一分光器8在一条直线上，第二激光器6、第二声光调制器7、第二分光器9在一条直线上，第一RGB激光器5、第一分光器8、第二分光器9、第一偏转镜2在一条直线上；
2，第一激光器1发出的光束通过第一声光调制器4到达第一分光器8被反射到第二分光器9上，之后透过第二分光器9到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，改变传播方向，第二激光器6发出的光束通过第二声光调制器7到达第二分光器9被反射到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，改变传播方向，第一RGB激光器5发出的光束到达第一分光器8被透射到第二分光器9上，之后透过第二分光器9到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，第一偏转镜2既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转，光线被反射到其一侧的三维空间内，因为光声效应而造成空气扰动，形成空气屏幕。
3，在快速偏转镜与反射镜之间的区域内，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，两束从不同声光调制器出射的光束由于调制频率不同，其产生的超声波频率也会不同，这样就会导致在该区域内某个方向上的某一点会出现一个由于频率不同而产生的极大值点，该点的空气扰动是在此方向上最强，该点的空气漫反射效果可以被认为是此方向上最强之处，我们用算法控制该点出现的位置，这样就会在这片由于超声波的扰动形成空气屏幕的区域处显示我们想要显示的最清晰的图像。并以此为依据对可通过编程控制的第一RGB激光器5进行控制，使得当使用第一RGB激光器5向此区域内投影时，空间中每个方向每个最大值点处都正好是我们想要投射的像素点所投射之处，通过同步第一RGB激光器5加载的图像信号与三维空间中最强处空气扰动位置，就可以实现三维空间任意位置的彩色显示，当完成三维空间所有位置像素点的彩色显示时，就可以实现三维空间的立体显示。
实施例4：
如图4所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图4将第一激光器1、第二激光器6，第一声光调制器4、第二声光调制器7、第一投影仪3，第一偏转镜2，第二偏转镜11依次布设。其中第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2在一条直线上，第二激光器6、第二声光调制器7、第二偏转镜11在一条直线上，其中第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2所构成的系统1与第二激光器6、第二声光调制器7、第二偏转镜11所构成的系统2在空间中处于同一水平面上，第一投影仪3在此水平面上任意一处布设。
2，第一激光器1发出的光束通过第一声光调制器4到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，第一偏转镜2既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转；第二激光器6发出的光束通过第二声光调制器7到达第二偏转镜11并被第二偏转镜11反射，第二偏转镜11既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转；第一偏转镜2与第二偏转镜11同时高速偏转，在两偏转镜之间区域因为光声效应而造成空气扰动，形成三维空气屏幕。
3，在第一快速偏转镜2与第二偏转镜11的区域内，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，两束从不同声光调制器出射的光束由于调制频率不同，其产生的超声波频率也会不同，这样就会导致在该区域内某个方向上的某一点会出现一个由于频率不同而产生的极大值点，该点的空气扰动是在此方向上最强，该点的空气漫反射效果可以被认为是此方向上最强之处，我们用算法控制该点出现的位置，并以此为依据对可通过编程控制的第一投影仪3进行控制，使得当我们使用第一投影仪3向此区域内投影时，空间中每个方向每个最大值点处都正好是我们想要投射的像素点所投射之处，这样就会在这片由于超声波的扰动形成空气屏幕的区域处显示我们想要显示的最清晰的图像。
实施例5：
如图5所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图5将第一激光器1、第二激光器6，第一声光调制器4、第二声光调制器7、第一投影仪3，第一偏转镜2，第二偏转镜11依次布设。其中第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2在一条直线上，第二激光器6、第二声光调制器7、第二偏转镜11在一条直线上，其中第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2所构成的系统1与第二激光器6、第二声光调制器7、第二偏转镜11所构成的系统2在空间中成垂直关系，第一投影仪3在此垂直面上任意一处布设。
2，第一激光器1发出的光束通过第一声光调制器4到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，第一偏转镜2既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转；第二激光器6发出的光束通过第二声光调制器7到达第二偏转镜11并被第二偏转镜11反射，第二偏转镜11既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转；第一偏转镜2与第二偏转镜11同时高速偏转，在两偏转镜之间区域因为光声效应而造成空气扰动，形成三维空气屏幕。
3，在第一快速偏转镜2与第二偏转镜11的区域内，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，两束从不同声光调制器出射的光束由于调制频率不同，其产生的超声波频率也会不同，这样就会导致在该区域内某个方向上的某一点会出现一个由于频率不同而产生的极大值点，该点的空气扰动是在此方向上最强，该点的空气漫反射效果可以被认为是此方向上最强之处，我们用算法控制该点出现的位置，并以此为依据对可通过编程控制的第一投影仪3进行控制，使得当我们使用第一投影仪3向此区域内投影时，空间中每个方向每个最大值点处都正好是我们想要投射的像素点所投射之处，这样就会在这片由于超声波的扰动形成空气屏幕的区域处显示我们想要显示的最清晰的图像。
实施例6：
如图6所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图6将系统1 ，系统2，系统3，系统4依次布设，其中系统1由第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2构成，系统2由第二激光器6、第二声光调制器7、第二偏转镜11，系统3由第三激光器12、第三声光调制器13、第三偏转镜14所构成，系统4由第四激光器15、第四声光调制器16、第四偏转镜17所构成，系统1，系统2，系统3，系统4在空间中成立体关系，但需保证每个系统出射的光束可以出现在空间中的同一片区域。第一投影仪3在空间中任意一处布设。
2，每个系统所出射的光束都经过各自系统内部的声光调制器的调制。
3，在系统1，系统2，系统3，系统4出射光线所交汇的区域内，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，两束从不同声光调制器出射的光束由于调制频率不同，其产生的超声波频率也会不同，这样就会导致在该区域内某个方向上的某一点会出现一个由于频率不同而产生的极大值点，该点的空气扰动是在此方向上最强，该点的空气漫反射效果可以被认为是此方向上最强之处，我们用算法控制该点出现的位置，并以此为依据对可通过编程控制的第一投影仪3进行控制，使得当我们使用第一投影仪3向此区域内投影时，空间中每个方向每个最大值点处都正好是我们想要投射的像素点所投射之处，这样就会在这片由于超声波的扰动形成空气屏幕的区域处显示我们想要显示的最清晰的图像。
实施例7：
如图7所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图7将第一激光器1、第一声光调制器4、第一偏转镜2、第一RGB激光器5、第一分光器8和加湿器18依次布设，使得第一激光器1、第一声光调制器4、第一分光器8处于同一条直线上；第一RGB激光器5、第一分光器8,第一偏转镜2处于同一直线上；加湿器18在第一偏转器2一侧布设。
2，第一激光器1发出的光束通过第一声光调制器4进行调制，调制光通过第一分光器8并被第一分光器8反射，改变传播方向，被反射到第一偏转镜2上，同时RGB激光器发出的光束通过第一分光器8并被透射到第一偏转镜2，第一偏转镜2既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转；在其一侧的三维空间区域内充满光线。同时使用加湿器对该区域进行加湿操作。
3，在该区域内，加湿器对于此区域的加湿导致此区域的湿度增加，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，从而会导致空气扰动，此区域内的空气漫反射会增强，当我们使用投影仪向此区域内投影时，此区域可充当空气屏幕，即可用于显示图像。
实施例8：
如图8所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图8将系统1，系统2···系统n布设，系统1，系统2···系统n在水平空间中其中每个系统都由激光器、声光调制器与偏转镜构成；
2，在系统1中，第一激光器1发出的光束通过第一声光调制器4第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，此时的第一偏转镜2只在一个方向上发生偏转，所以系统1出射的光线只存在于一个平面上，同时系统2，系统n的出射光束也只在一个平面上。
3，在此区域内，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，从而产生空气扰动，并以此为依据对可通过编程控制的第一RGB激光器5进行控制，使得当我们使用第一RGB激光器5向此区域内投影时，这样就会在这片由于超声波的扰动形成空气屏幕的区域处显示我们想要显示的最清晰的图像。
实施例9：
如图9所示，本发明实施例公开的一种利用光声效应实现空气成像的装置，包括以下：
1，布设设备：按照图9将第一激光器1、第二激光器6，第一声光调制器4、第二声光调制器7、第一RGB激光器5，第一分光器8、第二分光器9，第一偏转镜2依次布设。其中第一激光器1、第一声光调制器4、第一分光器8在一条直线上，第二激光器6、第二声光调制器7、第二分光器9在一条直线上，第一RGB激光器5、第一分光器8、第二分光器9、第一偏转镜2在一条直线上。
2，第一激光器1发出的光束通过第一声光调制器4到达第一分光器8被反射到第二分光器9上，之后透过第二分光器9到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，改变传播方向，第二激光器6发出的光束通过第二声光调制器7到达第二分光器9被反射到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，改变传播方向，第一RGB激光器5发出的光束到达第一分光器8被透射到第二分光器9上，之后透过第二分光器9到达第一偏转镜2并被第一偏转镜2反射，第一偏转镜2既在水平方向上使光线发生偏转，又在垂直方向上使光线发生偏转，光线被反射到其一侧的三维空间内，因为光声效应而造成空气扰动，形成空气屏幕。
3，在快速偏转镜与反射镜之间的区域内，空气中的水蒸气对于特定波长的激光存在较高的吸收率，而且由于光束经过调制，此区域内由于光声效应会产生超声波，两束从不同声光调制器出射的光束由于调制频率相同，其产生的超声波频率也会相同，这样就会导致在该区域内产生相干相加，某些点的空气扰动是在此方向上最强，这些点的空气漫反射效果可以被认为是此方向上最强之处，我们用算法控制该点出现的位置，并以此为依据对可通过编程控制的第一RGB激光器5进行控制，使得当我们使用第一RGB激光器5向此区域内投影时，空间中每个方向每个最大值点处都正好是我们想要投射的像素点所投射之处，这样就会在这片由于超声波的扰动形成空气屏幕的区域处显示我们想要显示的最清晰的图像。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用光声效应实现空气成像的装置，其特征在于，包括第一激光器（1）、第一偏转镜（2）、第一投影仪（3）；所述第一激光器（1）、第一偏转镜（2）处于同一直线上；
所述第一偏转镜（2）用于改变第一激光器（1）发出光束的传播方向，所述第一偏转镜（2）高速偏转使光线传播形成一个立体面，通过光声效应、空气中的水蒸气，形成空气屏幕，所述第一投影仪（3）向空气屏幕投射光线，实现图像显示。
2.根据权利要求1所述的利用光声效应实现空气成像的装置，其特征在于，还包括至少一个第一波前调制器（4），所述第一波前调制器（4）设于第一激光器（1）的下方，所述第一波前调制器（4）将第一激光器（1）发出的光束进行调制。
3.根据权利要求1所述的利用光声效应实现空气成像的装置，其特征在于，还包括第一反射镜（10），所述第一反射镜（10）设于第一偏转镜（2）的对侧，所述第一反射镜（10）将第一偏转镜（2）反射的光线进行反射产生更大范围的光束范围与光束强度。
4.根据权利要求1所述的利用光声效应实现空气成像的装置，其特征在于，所述第一投影仪（3）为三色激光器（5），所述三色激光器（5）与两路波前调制器共同作用实现三维z方向的空间调制，即第一激光器（1）和第二激光器（6）分别通过第一波前调制器（4）和第二波前调制器（7）、三色激光器（5）通过第一分光器（8）和第二分光器（9）耦合到同一个光路上，第一偏转镜（2）实现耦合光路的偏振，三色激光器（5）加载视频信号，视频信号与第一偏转镜（2）空间扫描的位置一一对应。
5.根据权利要求1所述的利用光声效应实现空气成像的装置，其特征在于，所述第一激光器（1）的激光波长工作在水蒸气吸收波段。
6.根据权利要求1所述的利用光声效应实现空气成像的装置，其特征在于，所述第一偏转镜（2）为电流偏转镜、或通过MEMS技术制成的偏转镜、或是基于超表面结构的高速光偏转器至少之一，所述第一偏转镜（2）实现至少一维空间高速偏转。
7.根据权利要求1所述的利用光声效应实现空气成像的装置，其特征在于，还包括空气加湿器，所述空气加湿器用于为装置提供空气湿度。
8.一种利用光声效应实现空气成像的系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至7任一项所述的装置。
9.根据权利要求8所述的利用光声效应实现空气成像的系统，其特征在于，所述系统包括多套，多套所述系统共同成像。
10.根据权利要求9所述的利用光声效应实现空气成像的系统，其特征在于，多套所述系统产生的超声波在空间相干叠加。
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