CN111141815A - 一种空气电离显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气电离显示装置，包括多个脉冲光输出单元，每个脉冲光输出单元包括：脉冲光源、振镜组件和透镜组件，所述脉冲光源的输出光束经过所述振镜组件的调整作用和所述透镜组件的聚焦作用在透镜组件的焦点区域电离空气形成全息实像，多个所述脉冲输出单元的全息实像相互配合组成组合实像。根据本发明实施例的空气电离显示装置，采用多个脉冲光输出单元组合的办法将多个全息实像组合成一个整体的组合实像，由此可以大幅度的增加成像区域的范围，提升了空气电离显示装置的成像效率。

Description

一种空气电离显示装置

技术领域

本发明涉及空气电离领域，尤其是涉及一种空气电离显示装置。

背景技术

空气电离显示系统由高功率脉冲光源输出激光脉冲经空间光调制器调制光场，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。计算机主动控制空间光调制器、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。相关技术中的空气电离显示系统受到振镜系统和变焦透镜等因素影响，空气电离显示的画面区域较小，无法满足较大画面的空中成像显示需求。

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，本发明提出了一种空气电离显示装置，所述空气电离显示装置通过组合多个脉冲光输出单元可以扩大成像区域的范围。

根据本发明实施例的空气电离显示装置，包括多个脉冲光输出单元，每个脉冲光输出单元包括：脉冲光源、振镜组件和透镜组件，所述脉冲光源的输出光束经过所述振镜组件的调整作用和所述透镜组件的聚焦作用在透镜组件的焦点区域电离空气形成全息实像，多个所述脉冲输出单元电离空气形成各自的全息实像相互配合组合成整体实像。

根据本发明实施例的空气电离显示装置，采用多个脉冲光输出单元组合的办法将多个全息实像组合成一个整体的组合实像，由此可以大幅度的增加成像区域的范围，提升了空气电离显示装置的成像效率。

另外，根据本发明的空气电离显示装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，空气电离显示装置还包括控制计算机，所述控制计算机信号连接多个所述脉冲光输出单元，用于控制所述全息实像的成像状态以组成所述组合实像。

根据本发明的一些实施例，在垂直于所述全息实像与所述脉冲光输出单元之间连线的平面方向上，多个所述脉冲光输出单元成多排多列排布。

根据本发明的一些实施例，多个脉冲光输出单元中的一部分组成上脉冲光输出单元组，多个脉冲光输出单元中的另一部分组成下脉冲光输出单元组，所述上脉冲光输出单元组中的所述脉冲光输出单元形成的全息实像位于所述上脉冲光输出单元组的下方，所述下脉冲光输出单元组中的所述脉冲光输出单元形成的全息实像位于所述下脉冲光输出单元组的上方。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲光输出单元还包括空间光调制器，所述空间光调制器位于所述脉冲光源与所述振镜组件之间用于对光束的参数进行调整。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲光输出单元还包括：壳体，所述脉冲光源、所述振镜组件和所述透镜组件均设在所述壳体内，所述壳体中位于所述透镜组件与所述透镜组件的焦点之间的部分形成有脉冲输出口。

根据本发明的一些实施例，所述透镜组件包括变焦透镜和平场聚焦透镜，所述变焦透镜位于所述平场聚焦透镜与所述振镜组件之间。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲光源的脉冲宽度为50fs-100ns，所述脉冲光源的脉冲能量为20μJ-10mJ，所述脉冲光源的重复频率为500Hz-10MHz。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲光输出单元中的所述脉冲光源为多个，所述脉冲光输出单元还包括合束镜、重复频率调节组件、脉冲时间延迟监测器和至少一个时间延迟线。

上述的多个脉冲光源的光束均投射在所述合束镜上并合并成一条光束，所述合束镜射出的光束投射到所述振镜组件中，所述重复频率调节组件设在所述脉冲光源与所述合束镜之间用于调整所述多个脉冲光源的重复频率，所述脉冲时间延迟监测器设在所述合束镜与所述振镜组件之间用于监测所述合束镜射出光束的脉冲延迟信号，所述时间延迟线设在所述脉冲光源与所述合束镜之间并与所述脉冲时间延迟监测器信号相连，用于根据所述脉冲时间延迟监测器的反馈信息补偿所述脉冲光源射出光束的脉冲时延。

根据本发明的一些实施例，所述重复频率调节组件包括多个光电探测器、频率参考源和伺服控制器，多个所述光电探测器一一对应地设在多个所述脉冲光源之间用于探测所述脉冲光源的重复频率，所述频率参考源用于提供频率参考标准，所述伺服控制器信号连接所述光电探测器、所述频率参考源与所述脉冲光源，用于根据所述光电探测器的反馈信号与所述频率参考源的参考频率信号控制所述脉冲光源输出脉冲的重复频率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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：

图1为根据本发明一个实施例的空气电离显示装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的脉冲光输出单元的结构示意图；

图3为根据本发明另一个实施例的空气电离显示装置的结构示意图。

附图标记：

100：空气电离显示装置；

10：脉冲光输出单元；11：脉冲光源；12：振镜组件；13：透镜组件；131：变焦透镜；132：平场聚焦透镜；14：上脉冲光输出单元组；15：下脉冲光输出单元组；

20：控制计算机；

30：空间光调制器；

40：壳体；41：脉冲输出口；

50：显示区域。

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-图3描述根据本发明实施例的空气电离显示装置。

根据本发明实施例的一些实施例，空气电离显示装置100包括多个脉冲光输出单元10，每个脉冲光输出单元10包括脉冲光源11、振镜组件12和透镜组件13。

其中，脉冲光源11的输出光束经投射到振镜组件12上，振镜组件12包括垂直设置的两组反射镜，两组反射镜分别使光束进行前后和左右方向的摆动，进而控制光束的照射路径。通过振镜组件12的出射光束投射到透镜组件13上，透镜组件13对光束进行聚焦，光束集中在透镜组件13的焦点位置后功率密度增大，达到激光电离空气的功率阈值，最后高功率激光电离空气分子形成发光亮点，再形成用户所需要的全息实像。在此过程中单个脉冲光输出单元10形成的全息实像范围较小，无法形成用户所需要的复杂图形。

为此，空气电离显示装置100设置多个脉冲光输出单元10，多个脉冲光输出单元10输出的全息实像相互配合组成组合实像，由此可以大幅度增加空气电离显示装置100的成像区域，而且可以根据成像要求对脉冲光输出单元10进行调整，满足大范围成像和复杂成像的需要。

现有技术中的空气电离显示系统，由于振镜组件和变焦透镜等因素，空气电离系统能够显示画面的范围较小，无法满足较大画面的空气显示需求，若使用要求较高的振镜组件与透镜组件则需要大幅度提升成本投入。

根据本发明实施例的空气电离显示装置100，采用多个脉冲光输出单元10组合的方案将多个全息实像组合成整体的组合实像，由此可以大幅度的增加成像区域的范围，提升了空气电离显示装置100的成像效率，与现有技术中的空气电离显示系统相比，不仅提升了成像区域的范围，而且对振镜组件12和透镜组件13的要求较低，有利于降低生产成本。

根据本发明实施例的空气电离显示装置100，还包括控制计算机20，由于现代许多控制软件所面临的工业对象不再是简单的单任务线，而是较复杂的多任务系统，单任务线可以仅由物理方法或者简单的系统控制整个工作的流程，但现实生活中较复杂的多任务系统无法用物理方法或者简单的系统控制整个工作的流程，所以就需要用到控制计算机20，控制计算机20信号连接多个脉冲光输出单元10，用于控制全息实像的成像状态以组成组合实像。

通过设置信号连接多个脉冲光输出单元10的控制计算机20，在控制计算机20内设置对应的控制程序对脉冲光输出单元10进行调控，控制计算机20不仅可以根据成像要求，调整脉冲光输出单元10所形成全息实像的位置、结构等参数，而且可以根据多个脉冲光输出单元10的实时工作状态对其进行调整，保证多个脉冲光输出单元10形成的全息实像能够顺利拼接形成组合实像，并保证组合实像根据要求进行显示或播放画面。

如图2所示，根据本发明的一些实施例，在垂直于全息实像与脉冲光输出单元10之间连线的平面方向上多个脉冲光输出单元10多排多列排布，例如脉冲光输出单元10朝竖直上方形成全息实像。多个脉冲光输出单元10在水平方向上成多排多列排布，结构简单，容易实现，而且将脉冲光输出单元10多排多列排布能够减少空气电离显示装置100的整体体积，节省了占用空间；再者由此可以减少相邻两个脉冲光输出单元10之间的干涉，防止相邻两个脉冲光输出单元10的成像路径发生阻挡，提高了空气电离显示装置100的成像稳定性。

如图3所示，根据本发明的另一些实施例，多个脉冲光输出单元10中的一部分组成上脉冲光输出单元组14，多个脉冲光输出单元10中的另一部分组成下脉冲光输出单元组15，上脉冲光输出单元组14中的脉冲光输出单元10形成的全息实像位于上脉冲光输出单元组14的下方，下脉冲光输出单元组15中的脉冲光输出单元10形成的全息实像位于下冲光输出单元组15的上方。

也就是说，空气电离显示装置形成的组合实像位于上脉冲光输出单元组14与下脉冲光输出单元组15之间，上脉冲光输出单元组14中的脉冲光输出单元向下投射形成全息实像，下脉冲光输出单元组15中的脉冲光输出单元向上投射形成全息实像，上脉冲光输出单元组14与下脉冲光输出单元组15形成的全息实像在上脉冲光输出单元组14与下脉冲光输出单元组15之间集中形成组合实像。

通过设置上脉冲光输出单元组14和下脉冲光输出单元组15，可以增加组合实像的三维高度，而且上脉冲光输出单元组14和下脉冲光输出单元组15不会发生相互干扰。

根据本发明的一些实施例，脉冲光输出单元10还包括：壳体40，脉冲光源11、振镜组件12和透镜组件13均设在壳体40内，壳体40中位于透镜组件13与透镜组件13的焦点之间的部分形成有脉冲输出口41，脉冲光束可以通过脉冲输出口41投射在显示区域50上。通过设置壳体40，不仅可以保护脉冲光源11、振镜组件12和透镜组件13不受损坏，还可以提升脉冲光输出单元10的结构完整性，再者，具有壳体40的脉冲光输出单元10，排列过程中较为方便，线路结构简单，为多个脉冲光输出单元10的组合提供了方便。

根据本发明的一些实施例，透镜组件13包括变焦透镜131和平场聚焦透镜132，变焦透镜131位于平场聚焦透镜132与振镜组件12之间，高功率脉冲光源11输出激光脉冲经空间光调制器30调制光场，然后反射至振镜组件12调节其出射方向，光束透过变焦透镜131和平场聚焦透镜132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。

变焦透镜131可以根据成像要求调节焦点与变焦透镜131之间的距离，进而可以通过调整焦点位置产生三维立体结构的全息实像和组合实像，利用平场聚焦透镜132与变焦透镜131配合，可以防止全息实像与组合实像在成像过程中发生弯曲变形，控制计算机20主动控制空间光调制器30、振镜组件12以及透镜组件13，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。

根据本发明的一些实施例，脉冲光输出单元10还包括空间光调制器30，空间光调制器30对光波的空间分布进行调制，空间光调制器30含有许多独立单元，它们在空间排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接收光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质(透过率、反射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制。空间光调制器30位于合束镜与振镜组件12之间，当光束通过空间光调制器30时，其光学参量(振幅、强度、相位或偏振态)就受到空间光调制器30各单元的调制,结果变成一束具有新的光学参量空间分布的输出光。

通过设置空间光调制器30，对脉冲光源11产生的光束的振幅、相位、偏振态等参量进行调整，光束经过空间光调制器30调制光场，在经透镜组件后形成多个聚焦点，由此可以增加显示画面的成像质量。

根据本发明的一些实施例，多个脉冲光输出单元10的重复频率相同，脉冲光源11的脉冲宽度为50fs-100ns，脉冲光源11的脉冲能量为20μJ-10mJ，脉冲光源11的重复频率为500Hz-10MHz，上述范围内脉冲光源11产生的光束可以提升全息实像的成像效果和像素，而且重复频率相同的脉冲光输出单元10可以为全息实像的组合提供方便。

根据本发明的一些实施例，脉冲光输出单元10中的脉冲光源11为多个，脉冲光输出单元10还包括合束镜、重复频率调节组件、脉冲时间延迟监测器和至少一个时间延迟线。

其中，多个脉冲光源11中，每个脉冲光源11产生一条脉冲光束，多个脉冲光源11的多个光束经过反射作用后均投射在合束镜上并合并成一条光束，经过合束镜合并后的光束投射到光场调控组件中，光场调控组件对光束进行调整聚合并在显示区域50电离空气形成全息实像。

重复频率调节组件设在脉冲光源11与合束镜之间用于调整多个脉冲光源11的重复频率，重复频率调节组件与多个脉冲光源11信号连接，并且可以接收到多个脉冲光源11投射出光束的脉冲重复频率信号，然后根据接收到的重复频率信号对脉冲光源11进行调整。脉冲光源11的重复频率是指脉冲光源11每秒钟产生的激光脉冲的数目，通过重复频率调节组件可以将多个脉冲光源11发出的多个光束的脉冲重复频率严格锁定在相同数值。

脉冲时间延迟监测器设在合束镜与光场调控组件之间用于监测合束镜射出光束的脉冲延迟信号，不同脉冲光源11产生的光束到达合束镜的路径不同，例如，一个脉冲光源11产生的光束直线照射到合束镜上，另一个脉冲光源11产生的光束先通过一次反射再照射到合束镜上，从而两个脉冲光源11产生的光束在合束后存在脉冲时间延迟，通过在脉冲光源11与合束镜之间设置的且与脉冲时间延迟监测器信号连接的时间延迟线，根据脉冲时间延迟监测器的反馈信号对脉冲光源11产生的光束补偿由脉冲传输光程差和重复频率低频抖动引起的脉冲时延，使得两个脉冲在合束后时间同步。

多个脉冲光源11产生的光束经过合束镜形成一个光束的过程中，可以是一个脉冲光源11产生的光束穿过合束镜，其余脉冲光源11产生的光束经过反射与穿过合束镜的光束合并，由此可以以穿过合束镜的光束作为参照，调整经过反射进行合并的光束。

此时，经过反射的光束比脉冲光源11的数量少一个，所以时间延迟线的数量比脉冲光源11的数量少一个，时间延迟线与数量相同的脉冲光源11一一对应，每一个延迟线控制一个脉冲光源11产生光束的脉冲延时，这样可以将多个脉冲光源11产生的光束在通过合束镜时合成一个脉冲光束，防止合并后的光束因存在脉冲延迟使得合束光的瞬时功率没有叠加至最高从而影响空气电离成像。

根据本发明的一些实施例，重复频率调节组件包括多个光电探测器、频率参考源与伺服控制器。

其中，光电探测器可以为多个且数量与脉冲光源11的数量相同，光电探测器对应地设在脉冲光源11与合束镜之间用于探测脉冲光源11输出脉冲的重复频率。频率参考源用于为伺服控制器提供频率参考标准。伺服控制器信号连接光电探测器、频率参考源和脉冲光源11，光束射在与脉冲光源11对应的光电探测器上会产生反馈信号，伺服控制器可以根据光电探测器的反馈信号，控制脉冲光源11输出脉冲的重复频率。伺服控制器接收到光电探测器反馈的脉冲光源11输出脉冲的重复频率参数后，与频率参考源提供的频率参数对比，若脉冲光源11的输出脉冲重复频率参数不符合要求，便对脉冲光源11进行调整直至脉冲光源11的输出脉冲重复频率参数符合要求。

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 (10)

1.一种空气电离显示装置，其特征在于，包括：

多个脉冲光输出单元，所述脉冲光输出单元包括：脉冲光源、振镜组件和透镜组件，所述脉冲光源的输出光束经过所述振镜组件的调整作用和所述透镜组件的聚焦作用在透镜组件的焦点区域电离空气形成全息实像；

其中，多个所述脉冲输出单元的全息实像相互配合组成组合实像。

2.根据权利要求1所述的空气电离显示装置，其特征在于，还包括：

控制计算机，所述控制计算机信号连接多个所述脉冲光输出单元，用于控制所述全息实像的成像状态以组成所述组合实像。

3.根据权利要求1所述的空气电离显示装置，其特征在于，在垂直于所述全息实像与所述脉冲光输出单元之间连线的平面方向上，多个所述脉冲光输出单元成多排多列排布。

4.根据权利要求1所述的空气电离显示装置，其特征在于，多个脉冲光输出单元中的一部分组成上脉冲光输出单元组，多个脉冲光输出单元中的另一部分组成下脉冲光输出单元组，所述上脉冲光输出单元组中的所述脉冲光输出单元形成的全息实像位于所述上脉冲光输出单元组的下方，所述下脉冲光输出单元组中的所述脉冲光输出单元形成的全息实像位于所述下脉冲光输出单元组的上方。

5.根据权利要求1所述的空气电离显示装置，其特征在于，所述脉冲光输出单元还包括：壳体，所述脉冲光源、所述振镜组件和所述透镜组件均设在所述壳体内，所述壳体中位于所述透镜组件与所述透镜组件的焦点之间的部分形成有脉冲输出口。

6.根据权利要求1所述的空气电离显示装置，其特征在于，所述透镜组件包括变焦透镜和平场聚焦透镜，所述变焦透镜位于所述平场聚焦透镜与所述振镜组件之间。

7.根据权利要求6所述的空气电离显示装置，其特征在于，所述脉冲光输出单元还包括：空间光调制器，所述空间光调制器位于所述脉冲光源与所述振镜组件之间用于对光束的参数进行调整。

8.根据权利要求1所述的空气电离显示装置，其特征在于，所述脉冲光源的脉冲宽度为50fs-100ns，所述脉冲光源的脉冲能量为20μJ-10mJ，所述脉冲光源的重复频率为500Hz-10MHz。

9.根据权利要求1所述的空气电离显示装置，其特征在于，所述脉冲光输出单元中的所述脉冲光源为多个，所述脉冲光输出单元还包括：

合束镜，多个所述脉冲光源的光束均投射在所述合束镜上并合并成一条光束，所述合束镜射出的光束投射到所述振镜组件中；

重复频率调节组件，所述重复频率调节组件设在所述脉冲光源与所述合束镜之间用于调整所述多个脉冲光源的重复频率；

脉冲时间延迟监测器，所述脉冲时间延迟监测器设在所述合束镜与所述振镜组件之间用于监测所述合束镜射出光束的脉冲延迟信号；

至少一个时间延迟线，所述时间延迟线设在所述脉冲光源与所述合束镜之间并与所述脉冲时间延迟监测器信号相连，用于根据所述脉冲时间延迟监测器的反馈信息补偿所述脉冲光源射出光束的脉冲时延。

10.根据权利要求9所述的空气电离显示装置，其特征在于，所述重复频率调节组件包括：

多个光电探测器，多个所述光电探测器一一对应地设在多个所述脉冲光源之间用于探测所述脉冲光源的重复频率；

频率参考源，所述频率参考源用于提供频率参考标准；

伺服控制器，所述伺服控制器信号连接所述光电探测器、所述频率参考源与所述脉冲光源，用于根据所述光电探测器的反馈信号与所述频率参考源的参考频率信号控制所述脉冲光源的输出脉冲重复频率。

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