CN113655628A - 一种利用激波效应实现在空气中成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激波效应实现在空气中成像的方法，采用单色激光器(1)、RGB三色激光器(2)、第一偏转镜(3)、分光镜(4)构成成像装置；其中，采用RGB三色激光器(2)与单色激光器(1)的光束传播路径共轴方法，RGB三色激光器(2)发出的三色激光与单色激光器(1)发出的激光通过分光镜(4)形成共轴光束，该共轴光束通过第一偏转镜(3)反射后照射在空气中，利用激波对空气的散射效应进行空间散射成像。本发明提出的通过脉冲激光照射空气产生的激波效应进行成像结构简单，由于即使在相对湿度较低的空气中水蒸气也依然能够产生，所以只需通过上述步骤获得效果，对高温高压下的分子研究，空间成像，裸眼三维显示有研究价值。

Description

一种利用激波效应实现在空气中成像的方法

技术领域

本发明涉及一种实现在空气中产生的激波效应进行成像的方法，特别涉及一种利用光声效应在空气中产生激波的效应进行三维显示。

背景技术

激波是气体超音速流动时产生的压缩现象。我们往往通过光声效应来实现：一种利用频域的方法用连续的激光器快速扫描空气产生光声效应来产生激波，二种利用时域的方法用脉冲激光器通过调节频率照射空气产生的光声效应来产生激波。

频域方法产生光生效应以Ryan M.Sullenberger提出利用1907nm连续激光以声速扫描空气产生的光声效应为例。基本原理是利用激光通过振镜对激光进行频率调制，调制后的激以一定的频率对指定的空气区域进行扫描。从硬件构成，我们可以看出它有两个致命的缺点，(1)振镜频率会影响光声信号；(2)容易受外界干扰。

时域方法产生光声效应的应用非常的多，也是目前主要的方法应用在生物体成像方面。以Razansky,Daniel的实验室为例。基本原理是利用激光照射在生物上，产生光声效应，通过接收光声信号来对图像进行图像重建。目前在利用光声效应在空气中来进行成像的还没有实现。

本发明采用时域方法，通过调制光，从而实现在三维空间的空气扰动，在扰动的空气上实现三维图像的散射显示。与上面的时域方法在生物体成像对比是完全不同的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种利用激波效应实现在空气中成像的方法，该方法首次提出了通过脉冲激光直接在空气中产的激波进行成像的方法。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。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明的一种利用激波效应实现在空气中成像的方法包括如下步骤：

采用单色激光器、RGB三色激光器、第一偏转镜、分光镜构成成像装置；其中，采用RGB三色激光器与单色激光器的光束传播路径共轴方法，RGB三色激光器发出的三色激光与单色激光器发出的激光通过分光镜形成共轴光束，该共轴光束通过第一偏转镜反射后照射在空气中，利用激波对空气的散射效应进行空间散射成像。

所述的第一偏转镜由第一空间光调制器替代，该共轴光束通过第一空间光调制器后反射在空气中，利用激波对空气的散射效应进行空间散射成像。

所述的成像装置中，在第一偏转镜与分光镜之间设置分束器，由分束器将分束光送至第二偏转镜，通过第一偏转镜和第二偏转镜的反射位置和调节偏转镜的频率，让激波在空气中相互干扰叠加显示不同的图像。

所述的成像装置中，所述的第二偏转镜由第二空间光调制器替代，采用以偏转镜和空间光调制器空间相互相干，从而实现固定位置超声波的增强，结合RGB三色激光器，实现三维空间定点位置图像显示。

所述的成像装置中，第一偏转镜由第一空间光调制器替代，第二偏转镜由第二空间光调制器替代，采用第一空间光调制器和第二空间光调制器通过编程不同的算法让激光在三维空间中显示不同的图像。

所述的第一偏转镜是电流偏转镜或是通过MEMS技术制成的偏转镜。

所述的第一偏转镜，在一个空间维度上偏转即实现一维x方向的高速偏转，或在两个空间维度上偏转即实现二维x-y方向的高速偏转，或在多个空间维度上偏转从而在多维空间造成空气扰动，从而增强空气屏幕显示效果。

所述的单色激光器的激光波长在1400nm或1900nm附近，工作模式脉冲波；这两个波长附近的光可以被空气中的水蒸气大量吸收，从而造成空气扰动。

所述的第一激光器为单色脉冲激光器，并且激光能量至少在毫焦耳这个量级。

所述的成像的方法采用增加一个空气加湿装置，提升和控制周围空气的湿度。

有益效果：本方法首次提出了通过利用在空气产生激波应用于空气成像领域，采用单色激光器(1)与RGB三色激光器(2)的光束同轴的方法进行显示成像，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，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为实施例1的系统光路图；

图2为实施例2的系统光路图；

图3为实施例3的系统光路图；

图4为实施例4的系统光路图；

图5为实施例5的系统光路图；

图中有：单色激光器1、RGB三色激光器2，第一偏转镜3、分光镜4、分束器5、第二偏转镜6、第一空间光调制器7、第二空间光调制器8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例公开的一种利用激波制备空气屏幕方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)，布设设备：按照图1将单色激光器1、RGB三色激光器2，第一偏转镜3和分光镜4依次布设，通过分光镜4使得单色激光器1与RGB三色激光器2的光束进行共轴传播，两个激光器的光束同时通过第一偏转镜3反射在空气中。

2)，单色激光器1与RGB三色激光器2的光束通过分光镜4发出的光束通过第一偏转镜3并被第一偏转镜3反射改变传播方向，同时，第一偏转镜3既在空气内水平方向上使光线发生偏转，光线被快速偏转的第一偏转镜3反射到一侧一个小于360°的二维空间区域x-y内，从而使得这一个二维空间范围内充满激光光束。

3)，在上述的二维空间区域内，由于高能量的脉冲激光照射水蒸气，从而空气中会产生激波，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2：

1)，布设设备：按照图1将单色激光器1、RGB三色激光器2，第一偏转镜3、第二偏转镜6，分束器5和分光镜4依次布设，使得单色激光器1与RGB三色激光器2的光束同时通过分束器5和分光镜4，RGB三色激光器2，第一偏转镜3，分束器5和分光镜4在一条直线y上。

2)，单色激光器1和RGB三色激光器2发出的光束通过分光镜4，然后被第一偏转镜3和第二偏转镜6反射改变传播方向，第一偏转镜3既在水平方向上使光线发生偏转，光线被快速偏转的第一偏转镜3反射到一侧一个小于360°的二维空间区域x-y内，同时，第二偏转镜6反色的光束改变传播方向，第二偏转镜6即在y-z方向上发生偏转，光线同时被第二偏转镜6反射到第一偏转镜3反色的区域y-z平面内。从而使得这一个三维空间范围内充满激光光束。

3)，在上述的三维空间区域内，由于高能量的脉冲激光照射水蒸气，从而空气中会产生激波，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：

1)，布设设备：按照图1将单色激光器1、RGB三色激光器2，第一空间光调制器7和分光镜4依次布设，使得第一激光器1、第一空间光调制器7和分光镜4处于同一条直线y上。

2)，单色激光器1和RGB三色激光器2发出的光束通过第一分光镜(4)后共轴传播，在第一空间光调制器7反射改变传播方向，同时，第一空间光调制器7可以通过电脑编程设计算法让光线在空气中按照目标图像进行移动扫描，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。

3)，在上述的三维空间区域内，由于高能量的脉冲激光照射水蒸气，从而空气中会产生激波，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4：

1)，布设设备：按照图1将单色激光器1、RGB三色激光器2，第一空间光调制器7，第二空间光调制器8，分束器5和分光镜4依次布设，使得第一激光器1、第一空间光调制器7，分束器5和分光镜4在同一条直线y上；单色激光器1、分光镜4在一条直线上；分束器5和第二空间光调制器8处于一条直线x方向。

2)，单色激光器1和RGB三色激光器2发出的光束通过分光镜4后，共轴光束在第一空间光调制器7反射改变传播方向，第一空间光调制器7将通过电脑编程设计好的目标图像扫描进而反射在空气中的三维空间内，然后从分束器5出来的另外共轴光束通过第二空间光调制器8后反射在一个三维空间内，从而使得这一个三维空间范围内两束激光束同时按目标图像进行快速扫描，并可以同时显示两个图像。另外也可以让这两个反射的光束进行叠加，产生像素更高的图像。

3)，在上述的三维空间区域内，由于高能量的脉冲激光照射水蒸气，从而空气中会产生激波，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5：

1)，布设设备：按照图1将单色激光器1、RGB三色激光器2，第一偏转镜3，第一空间光调制器7，分束器5和分光镜4依次布设，使得单色激光器1、第一偏转镜3，分束器5和分光镜4在同一条直线y上；单色激光器1分光镜4在一条直线上；分束器5和第一空间光调制器7处于一条直线x方向。

2)，单色激光器1和RGB三色激光器2发出的光束通过分光镜4后，共轴光束在第一偏转镜3并被第一偏转镜3反射改变传播方向，第一偏转镜3将设计好的光束反射在空气中的二维空间x-y平面内，然后从分束器5出来的另外一束共轴光束通过第一空间光调制器7后反射在相同的三维空间内，从而使得这一个三维空间范围内充满激光光束，并可以同时显示两个图像效果。另外也可以让两个反射的光束进行叠加，产生像素更高的图像。

3)，在上述的三维空间区域内，由于高能量的脉冲激光照射水蒸气，从而空气中会产生激波，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。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，采用单色激光器(1)、RGB三色激光器(2)、第一偏转镜(3)、分光镜(4)构成成像装置；其中，采用RGB三色激光器(2)与单色激光器(1)的光束传播路径共轴方法，RGB三色激光器(2)发出的三色激光与单色激光器(1)发出的激光通过分光镜(4)形成共轴光束，该共轴光束通过第一偏转镜(3)反射后照射在空气中，利用激波对空气的散射效应进行空间散射成像。

2.根据权利要求1所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的第一偏转镜(3)由第一空间光调制器(7)替代，该共轴光束通过第一空间光调制器(7)后照射在空气中，利用激波对空气的散射效应进行空间散射成像。

3.根据权利要求1所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的成像装置中，在第一偏转镜(3)与分光镜(4)之间设置分束器(5)，由分束器(5)将分束光送至第二偏转镜(6)，通过第一偏转镜(3)和第二偏转镜(6)的反射位置和调节偏转镜的频率，让激波在空气中相互干扰叠加显示不同的图像。

4.根据权利要求3所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的成像装置中，所述的第二偏转镜(6)由第二空间光调制器(8)替代，采用以偏转镜和空间光调制器空间相互相干，从而实现固定位置超声波的增强，结合RGB三色激光器，实现三维空间定点位置图像显示。

5.根据权利要求3所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的成像装置中，第一偏转镜(3)由第一空间光调制器(7)替代，第二偏转镜(6)由第二空间光调制器(8)替代，采用第一空间光调制器(7)和第二空间光调制器(8)通过编程不同的算法让激光在三维空间中显示不同的图像。

6.根据权利要求1所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的第一偏转镜(3)是电流偏转镜或是通过MEMS技术制成的偏转镜。

7.根据权利要求3所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的第一偏转镜(3)，在一个空间维度上偏转即实现一维x方向的高速偏转，或在两个空间维度上偏转即实现二维x-y方向的高速偏转，或在多个空间维度上偏转从而在多维空间造成空气扰动，从而增强空气屏幕显示效果。

8.根据权利要求1所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的单色激光器(1)的激光波长在1400nm或1900nm附近，工作模式脉冲波；这两个波长附近的光可以被空气中的水蒸气大量吸收，从而造成空气扰动。

9.根据权利要求1所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的第一激光器(1)激光能量至少在毫焦耳这个量级。

10.根据权利要求1所述的利用激波效应实现在空气中成像的方法，其特征在于，所述的成像的方法采用增加一个空气加湿装置，提升和控制周围空气的湿度。

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