CN111123552A - 一种基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，包括：脉冲种子源、分光耦合器、多个振镜组件、多个脉冲放大模块和多个时间延迟线，所述分光耦合器设在所述脉冲光束的线路上用于将所述脉冲光束分成多个子光束，多个所述脉冲放大模块、多个所述时间延迟线和多个振镜组件均一一对应地设在多个所述子光束的线路上。采用分光耦合器将脉冲光束分成多个子光束，多个子光束经过放大处理、时间延迟处理和转向处理后交汇，由于多个子光束由同一个脉冲光束分成，由此可以解决子光束之间的脉冲时间同步问题，利用多个振镜组件控制多个子光束进行交汇电离，由此可以提升子光束交汇点的区域范围，进而可以扩大三维空中成像装置的成像范围。

Description

一种基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置

技术领域

本发明涉及空气显示领域，尤其是涉及一种基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置。

背景技术

现有的空气电离系统分为平面显示空气电离系统和立体显示空气电离系统。平面显示空气电离系统包括高功率脉冲光源、光束调控和空气电离三个模块，其中光束调控模块由二维高速扫描振镜和平场聚焦透镜组成。振镜系统由x方向和y方向的振镜组合而成，可以使反射光束在一个平面内扫描；平场聚焦透镜则是将光束在整个平面内形成均匀大小的聚焦光斑。对于立体显示空气电离系统，则是在平面显示系统的基础上增加变焦透镜。变焦透镜是通过改变透镜的焦距从而改变电离区域聚焦点处z方向的位置，结合x方向和y方向振镜，可操控电离点在立体空间内变化，从而形成立体画面。为了增加显示画面的像素，在光束调控系统中增加空间光调制器(SLM)，通过调制光场的振幅、相位、偏振态等参量达到光波调制的目的。脉冲光源输出光束由SLM调制光场，经变焦系统后形成多个聚焦点，因此增加了显示画面的像素。

现有的立体显示空气电离系统中，高功率脉冲光源输出激光脉冲经SLM调制光场，然后反射至振镜系统调节其出射方向，光束透过变焦透镜和平场聚焦透镜后聚焦至空气电离区域中的指定点，最后高功率激光电离空气分子形成发光亮点。计算机主动控制SLM、振镜系统以及变焦透镜，根据所需显示的画面调节激光电离点的位置以及显示画面的像素。

由于振镜系统中振镜偏转角度的限制以及变焦透镜尺寸限制等因素，使得空气电离系统的显示画面范围较小，无法满足较大画面的空中显示需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，将脉冲光源分成多路子光束并于空气中交汇，解决交汇点处脉冲之间的同步问题，并在光束交汇点处产生空气电离，解决了受显示系统中各种因素限制导致的空气电离系统显示画面范围较小的技术难题，将空气电离显示区域的范围显著提高。

根据本发明实施例的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，包括：脉冲种子源、分光耦合器、多个振镜组件、多个脉冲放大模块和多个时间延迟线，所述脉冲种子源产生脉冲光束，所述分光耦合器设在所述脉冲光束的线路上用于将所述脉冲光束分成多个子光束，多个所述振镜组件一一对应地设在多个所述子光束线路上，用于在水平或竖直方向上改变所述子光束的照射方向以将多个所述子光束在交汇点处交汇并使空气发生电离形成全息实像，多个所述脉冲放大模块一一对应地设在多个所述子光束的线路上用于对所述子光束的脉冲进行放大处理，且所述脉冲放大模块位于所述振镜组件与所述分光耦合器之间，多个所述时间延迟线一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述时间延迟线位于所述脉冲放大模块与所述振镜组件之间，所述时间延迟线用于调整所述子光束的脉冲时间位置使得所述子光束在交汇点处交汇时多个脉冲时间重合。

根据本发明实施例的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，采用分光耦合器将脉冲光束分成多个子光束，多个子光束经过放大处理、时间延迟处理和转向处理后交汇，由于多个子光束由同一个脉冲光束分成，由此可以解决子光束之间的脉冲时间同步问题。此外，利用多个振镜组件控制多个子光束进行交汇电离，由此可以提升子光束交汇点的区域范围，进而可以扩大三维空中成像装置的成像范围。

根据本发明的一个实施例，三维空中成像装置还包括：多个脉冲压缩装置，多个所述脉冲压缩装置一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述脉冲压缩装置位于所述脉冲放大模块与所述时间延迟线之间，所述脉冲压缩装置用于压缩所述子光束的脉冲宽度以提高所述子光束的脉冲光峰值功率。

根据本发明的一个实施例，三维空中成像装置还包括：多个光束准直装置，多个所述脉光束准直装置一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述光束准直装置位于所述脉冲压缩装置与所述时间延迟线之间，所述光束准直装置用于将所述子光束调整成满足电离阈值的准直光束。

根据本发明的一个实施例，三维空中成像装置还包括：水冷散热器，所述水冷散热器连接所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置用于为所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置散热。

根据本发明的一个实施例，三维空中成像装置还包括：脉冲光源壳体、温度传感器和控制器，所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置均设在所述脉冲光源壳体内，所述脉冲光源壳体上形成有多个供所述子光束穿过的出光口，所述温度传感器设在所述脉冲光源壳体内用于检测所述脉冲光源壳体内部的温度，所述控制器信号连接所述温度传感器和所述水冷散热器，用于控制所述脉冲光源壳体内的温度。

根据本发明的一个实施例，所述控制器信号连接所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置以控制所述子光束的输出参数。

根据本发明的一个实施例，所述脉冲放大模块包括：预放大模块和主放大模块，所述预放大模块位于所述主放大模块与所述分光耦合器之间。

根据本发明的一个实施例，多个所述子光束的脉冲宽度为10fs-100ns，脉冲能量为10μJ-100mJ，脉冲重复频率为50Hz-10MHz。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1根据本发明实施例的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置的结构示意图。

附图标记：

1-1：脉冲种子源；1-2：分光耦合器；1-3：第一脉冲放大模块；1-4：第二脉冲放大模块；1-5：第一脉冲压缩装置；1-6：第二脉冲压缩装置；1-7；第一光束准直装置；1-8：第二光束准直装置；2：时间延迟线；2-1：第一时间延迟线；2-2：第二时间延迟线；3：振镜组件；3-1：第一振镜组件；3-2：第二振镜组件；4：全息实像；5：控制器；6：水冷散热器；7：计算器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1描述根据本发明实施例的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置。

如图1所示，根据本发明实施例的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，包括：脉冲种子源1-1、分光耦合器1-2、多个振镜组件3、多个脉冲放大模块和多个时间延迟线2。

具体而言，脉冲种子源1-1可以产生脉冲光束，所述分光耦合器1-2设在所述脉冲光束的线路上且临近脉冲种子源1-1设置，用于将所述脉冲光束分成多个子光束，脉冲光束照射在分光耦合器1-2上分成多个子光束，其中，多个子光束的能量可以是平均分配的，一般情况下，脉冲光束分成两个子光束便可。

其中，多个所述振镜组件3一一对应地设在多个所述子光束线路上，用于在水平或竖直方向上改变所述子光束的照射方向以将多个所述子光束在交汇点处交汇并使空气发生电离形成全息实像4，多个所述脉冲放大模块一一对应地设在多个所述子光束的线路上用于对所述子光束的脉冲进行放大处理，且所述脉冲放大模块位于所述振镜组件3与所述分光耦合器1-2之间，多个所述时间延迟线2一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述时间延迟线2位于所述脉冲放大模块与所述振镜组件3之间，所述时间延迟线2用于调整所述子光束的脉冲时间位置使得所述子光束在交汇点处交汇时多个脉冲时间重合。

如图1所示，以两个子光束为例，三维空中成像装置包括：脉冲种子源1-1、分光耦合器1-2、两个振镜组件3、两个脉冲放大模块和两个时间延迟线2，两个振镜组件3分别为第一振镜组件3-1和第二振镜组件3-2，两个脉冲放大模块分别为第一脉冲放大模块1-3和第二脉冲放大模块1-4，两个时间延迟线2分别为第一时间延迟线2-1和第二时间延迟线2-2。

脉冲种子源1-1产生的脉冲光束经过分光耦合器1-2形成两个子光束，分别为第一子光束和第二子光束，第一振镜组件3-1、第一脉冲放大模块1-3和第一时间延迟线2-1设在第一子光束上，第二振镜组件3-2、第二脉冲放大模块1-4和第二时间延迟线2-2设在第二子光束上。

也就是说，在每个子光束的前进方向上，依次设置有脉冲放大模块、时间延迟线2和振镜组件3，分光耦合器1-2分出的子光束能量相对较低，经过脉冲放大模块后，子光束的能量升高，然后经过时间延迟线2，保证多个子光束中的多个脉冲时间同步，子光束进入振镜组件3改变照射方向后，多个子光束在空中交汇，交汇后子光束的能量汇合达到空气电离的阈值，多个子光束在交汇点电离空气形成全息实像4。

根据本发明实施例的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，采用分光耦合器1-2将脉冲光束分成多个子光束，多个子光束经过放大处理、时间延迟处理和转向处理后交汇，由于多个子光束由同一个脉冲光束分成，由此可以解决子光束中多个脉冲之间的时间同步问题。此外，利用多个振镜组件3控制多个子光束进行交汇电离，由此可以提升子光束交汇点的区域范围，进而可以扩大三维空中成像装置的成像范围。

如图1所示，在一些具体实施例中，三维空中成像装置还包括多个脉冲压缩装置，多个所述脉冲压缩装置一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述脉冲压缩装置位于所述脉冲放大模块与所述时间延迟线2之间，也就是说，在每个子光束上均设有一个脉冲压缩装置，在子光束前进方向上，脉冲压缩装置设在所述脉冲放大模块与所述时间延迟线2之间，所述脉冲压缩装置用于压缩所述子光束的脉冲宽度以提高所述子光束的脉冲光峰值功率。

如图1所示，脉冲压缩装置为两个，分别为第一脉冲压缩装置1-5和第二脉冲压缩装置1-6，第一脉冲压缩装置1-5设在第一子光束上，第二脉冲压缩装置1-6设在第二子光束上。通过在子光束上设置脉冲压缩装置，可以提升子光束的脉冲光峰值功率，进而可以提升子光束交汇处的激光功率密度，有利于降低电离阈值，提升成像效果。

如图1所示，在一些具体实施例中，三维空中成像装置还包括多个光束准直装置，多个所述脉光束准直装置一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述光束准直装置位于所述脉冲压缩装置与所述时间延迟线2之间，也就是说，每个子光束上设有一个光束准直装置，在子光束前进的方向上，光束准直装置位于子光束上的所述脉冲压缩装置与所述时间延迟线2之间，所述光束准直装置可以将子光束调整成满足电离阈值的准直光束。

其中，光束准直装置为两个，分别为第一光束准直装置1-7和第二光束准直装置1-8，第一光束准直装置1-7设在第一子光束上，第二光束准直装置1-8设在第二子光束上。通过在子光束上设置光束准直装置，可以利用光束准直装置对子光束的光束参数进行调整，以保证子光束满足电离阈值的要求，进而可以提升电离成像的效果。

根据本发明的一个实施例，三维空中成像装置还包括水冷散热器6，所述水冷散热器6连接所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置用于为所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置散热。

由于脉冲种子源1-1产生高能量脉冲光源，且光束依次穿过所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置，所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置在工作过程中会产生大量的热量，通过设置水冷散热器6，可以对所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置进行散热，防止所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置上的热量过于集中造成设备损坏。此外，水冷散热器6可以通过调整水路的流向调整散热区域，可控制性较强，可以对多个设备同时进行散热，而且水冷的成本低，效果好，可以满足三维空中成像装置的散热要求。

根据本发明的一个实施例，三维空中成像装置还包括：脉冲光源壳体、温度传感器和控制器5。

所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置均设在所述脉冲光源壳体内，所述脉冲光源壳体上形成有多个供所述子光束穿过的出光口，也就是说，所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置的外侧套设有脉冲光源壳体，利用脉冲光源壳体罩设所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置，并在脉冲光源壳体上设置出光口，不仅可以利用脉冲光源壳体保护所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置不受损坏，而且结构简单，不会影响光束的正常传输。

其中，所述温度传感器设在所述脉冲光源壳体内用于检测所述脉冲光源壳体内部的温度，所述控制器5信号连接所述温度传感器和所述水冷散热器6，用于控制所述脉冲光源壳体内的温度。

通过在脉冲光源壳体内设置温度传感器，可以利用温度传感器检测脉冲光源壳体的温度，然后将温度信息反馈给控制器5，控制器5控制水冷散热器6对脉冲光源壳体内的设备进行散热，为脉冲光源壳体内的设备提供一个稳定良好的工作环境。

根据本发明的一个实施例，所述控制器5信号连接所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置以控制所述子光束的输出参数。也就是说，控制器5还能控制所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置，并通过控制所述脉冲种子源1-1、所述分光耦合器1-2、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置的工作状态调整子光束的输出参数，保证子光束满足电离成像的要求。

其中，控制器5还可以信号连接振镜组件3，计算机将控制程序传输至控制器5，控制器5控制振镜组件3对各子光束的传输方向进行调整，使子光束在指定的位置交汇并电离空气形成全息实像4。

根据本发明的一个实施例，所述脉冲放大模块包括：预放大模块和主放大模块，所述预放大模块位于所述主放大模块与所述分光耦合器1-2之间。也就是说，脉冲放大模块由预放大模块和主放大模块组成，子光束先经过预放大模块，然后经过主放大模块，可以提升脉冲放大模块对子光束的放大效果。

根据本发明的一个实施例，多个所述子光束的脉冲宽度为10fs-100ns，脉冲能量为10μJ-100mJ，脉冲重复频率为50Hz-10MHz。

根据本发明实施例的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，包括：

脉冲种子源，所述脉冲种子源产生脉冲光束；

分光耦合器，所述分光耦合器设在所述脉冲光束的线路上用于将所述脉冲光束分成多个子光束；

多个振镜组件，多个所述振镜组件一一对应地设在多个所述子光束线路上，用于在水平或竖直方向上改变所述子光束的照射方向以将多个所述子光束在空中交汇并使空气发生电离从而形成全息实像；

多个脉冲放大模块，多个所述脉冲放大模块一一对应地设在多个所述子光束的线路上用于对所述子光束的脉冲进行放大处理，且所述脉冲放大模块位于所述振镜组件与所述分光耦合器之间；

多个时间延迟线，多个所述时间延迟线一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述时间延迟线位于所述脉冲放大模块与所述振镜组件之间，所述时间延迟线用于调整所述子光束的脉冲时间位置使得所述子光束在交汇点交汇时多个脉冲时间重合。

2.根据权利要求1所述的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

多个脉冲压缩装置，多个所述脉冲压缩装置一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述脉冲压缩装置位于所述脉冲放大模块与所述时间延迟线之间，所述脉冲压缩装置用于压缩所述子光束的脉冲宽度以提高所述子光束的脉冲光峰值功率。

3.根据权利要求2所述的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

多个光束准直装置，多个所述脉光束准直装置一一对应地设在多个所述子光束的线路上，且所述光束准直装置位于所述脉冲压缩装置与所述时间延迟线之间，所述光束准直装置用于将所述子光束调整成满足电离阈值的准直光束。

4.根据权利要求3所述的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

水冷散热器，所述水冷散热器连接所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置用于为所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置散热。

5.根据权利要求4所述的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

脉冲光源壳体，所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置均设在所述脉冲光源壳体内，所述脉冲光源壳体上形成有多个供所述子光束穿过的出光口；

温度传感器，所述温度传感器设在所述脉冲光源壳体内用于检测所述脉冲光源壳体内部的温度；

控制器，所述控制器信号连接所述温度传感器和所述水冷散热器，用于控制所述脉冲光源壳体内的温度。

6.根据权利要求5所述的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，所述控制器信号连接所述脉冲种子源、所述分光耦合器、所述脉冲放大模块、所述脉冲压缩装置和所述光束准直装置以控制所述子光束的输出参数。

7.根据权利要求1所述的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，所述脉冲放大模块包括：预放大模块和主放大模块，所述预放大模块位于所述主放大模块与所述分光耦合器之间。

8.根据权利要求1所述的基于光束交汇电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，多个所述子光束的脉冲宽度为10fs-100ns，脉冲能量为10μJ-100mJ，脉冲重复频率为50Hz-10MHz。

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