CN114363588A - 一种高亮度云层投影成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种光学亮度高、体积小、光学性能强的远距离高亮度云层投影成像系统，包括：超高亮度光源，调制装置，镜头组件，控制装置，超高亮度光源发出出射光至调制装置上，产生图像光，图像光经镜头组件后成像在云层上，控制装置分别与超高亮度光源以及调制装置电连接，用于调节超高亮度光源的电流、调节调制装置的图像光，以及用于协同处理超高亮度光源和控制调制装置的图像光，以在云层上呈现高对比度图像，并将高对比图像以高能见度传输到人眼中，并提高人眼的可视范围。本发明的技术方案根据后端光路中的反馈数据控制超高亮度光源的电流以及控制调制装置图像光，使得出射光、图像光等与反馈数据相匹配，在云层上得到高对比度图像。

Description

一种高亮度云层投影成像系统

技术领域

本发明涉及投影技术领域，特别是涉及一种高亮度云层投影成像系统。

背景技术

近年来，随着光学技术的不断发展，利用光学技术在城市建筑物、广场、景点等人造景观以及其上方空间呈现各种炫彩夺目的图案，以用于各种媒体宣传、广告推广以及城市美化，逐渐丰富了人们日益增长的娱乐需求和精神″视界″，然后，现有技术仅能在短距离、固定承载物上实现投影，将图案投影在云层实现云端成像的技术还较为少见。

目前，能够实现云端成像的光源主要包括LED、氙灯、激光等，其中，由于光线从光源传输至云层的过程中，会受到传输路径中各种因素的影响，能量会被逐渐衰减，最终被云层承接的图像的对比度极低，进而导致基本无法有足够的光被反射到人眼，成像的能见度较差，因此，云端成像对光源本身的光学扩展量和亮度提出了较高的要求，LED和氙灯等光源受限于光学扩展量过大，基本无法用于远距离、高亮度成像。

现有技术也有将光源设置为激光，从而进行高功率成像的方式，但是该类方式往往只能通过切换固定的图案膜片更换成像目标，操作复杂，成本较高，且其并未与后端实际成像参数进行匹配，导致最终的成像效果并不理想，无法适应不用的成像环境。

因此，有必要开发一种光学亮度高、体积小、光学性能强的远距离高亮度云层投影成像系统，从而在在保证高对比度、高能见度、低成本的前提下，扩大云层成像系统的应用场景和使用范围。

发明内容

针对上述现有技术的光源体积大、装置成本高、成像对比度低的缺陷，本发明提供一种光学亮度高、体积小、光学性能强的远距离高亮度云层投影成像系统，包括：超高亮度光源，所述超高亮度光源用于发射出射光，所述出射光用于成像；调制装置，所述调制装置设置在所述超高亮度光源的出射光的传输光路上，用于对所述出射光进行调制，并将所述出射光调制为图像光；镜头组件，所述镜头组件设置在所述图像光的出射端，用于将所述图像光成像到云层上；控制装置，所述控制装置可分别与所述超高亮度光源以及所述调制装置电连接，用于调节所述超高亮度光源的电流、调节所述调制装置图像光，以及用于协同处理所述超高亮度光源和所述调制装置图像光，以在所述云层上呈现高对比度图像，并将所述高对比图像以高能见度传输到人眼中。

在一个实施方式中，所述图像光在所述镜头组件的出射端的第一图像光的强度为I₁，传输距离L₁千米后，第一图像光衰减为强度为I₂的第二图像光，而后所述第二图像光与所述云层发生相互作用，产生强度为I₃的第三图像光，所述第三图像光的传输方向与所述第一图像光的传输方向不重合，并再次传输L₂千米后变为强度为I₄的第四图像光后进入人眼，其中，所述第一图像光、第二图像光、第三图像光和所述第四图像光的强度满足以下关系：

I₂(x，y，z)＝∫I₁(x，y，z)f(l，c，λ) (1)

其中，x，y，z表示空间立体坐标系中的坐标，f为传输函数，l表示传输距离，式(1)中，l＝L₁，c表示传输衰减系数，λ表示入射波长；

I₃(x，y，z)＝∫I₂(x，y，z)s(x，y，z，n，a，b，d，θ)I′(x，y，z) (2)

s为介质的作用函数，I′表示云层后端的背景光强度，n表示云层的等效折射率，a表示云层的调制因子，b表示云层的衰减系数，d表示云层平均厚度，θ为第二图像光的传输方向与云层的等效平面的法线的夹角；

I₄(x，y，z)＝∫I₃(x，y，z)cosγf(l，c，λ) (3)

式中，l＝L₂，γ表示经过云层作用后的第三图像光与云层的等效平面的法线的夹角；

CR＝I₃(x，y，z)/I′(x，y，z) (4)

式中，CR表示云层上的对比度；

VR＝I₄(x，y，z)/I₃(x，y，z) (5)

式中，VR表示传输到人眼时的能见度；

所述反馈数据为式(1)至式(5)的各项参数，控制装置根据所述反馈数据控制所述超高亮度光源的电流和所述调制装置出射的图像光，以在所述云层上呈现高对比度图像，将所述高对比图像以高能见度传输到人眼中，并增大人眼的可视范围。

在一个实施方式中，所述超高亮度光源为激光，或所述超高亮度光源为激光荧光光源。

在一个实施方式中，所述调制装置为强度调制器件，用于将待成像目标通过强度调制直接加载到所述出射光中以形成所述图像光。

在一个实施方式中，所述调制装置为相位调制器件，用于将待成像目标通过相位调制加载到所述出射光中以形成所述图像光。

在一个实施方式中，所述强度调制器件为GOBO片、数字镜元器件或扫描振镜。

在一个实施方式中，所述GOBO片设置在一个移动装置上，所述移动装置能够沿光线传输方向前后移动或所述移动装置控制所述GOBO片沿所述光线传输方向旋转。

在一个实施方式中，所述GOBO片包括透射区和反射区，所述透射区用于透过部分所述出射光，所述反射区用于反射其余部分所述出射光，以形成所述图像光。

在一个实施方式中，所述相位调制器件为相位掩膜或液晶空间光调制器，所述相位调制器件的调制深度为2π。

在一个实施方式中，所述镜头组件的焦距可调，所述调制装置位于所述镜头组件的前焦面。

与相关技术相比，本发明包括如下有益效果：根据本发明提供的高亮度云层投影成像系统，由于采用超高亮度光源，能够确保出射光在传输衰减过程中的衰减较小，能够将图像光投射到远距离云层上，由于设置了控制装置，能够根据后端光路中的反馈数据控制超高亮度光源的电流以及控制所述调制装置图像光，使得所述投影设备出射的第一图像光与各项反馈数据相匹配，使得第一图像光与云层的背景图像光的比值足够高，进而保证在云层上得到高对比度图像，同时，由于光源的电流以及所述调制装置图像光与各项数据相互匹配，第四图像光与第三图像光的比值足够高，使得进入人眼的图像能见度足够高。

附图说明

图1为本发明的高亮度云层投影成像系统的结构示意图；

图2为本发明的超高亮度光源的一种结构示意图；

图3为本发明的调制装置的一种结构示意图；

图4为本发明的调制装置的另外一种结构示意图；

图5为本发明的镜头组件前后的传输光线示意图；

图6为本发明的高亮度云层投影成像系统的光线传输示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及″实施例″意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1，图1是本发明的高亮度云层投影成像系统的结构示意图，本申请的高亮度云层投影成像系统包括超高亮度光源100，调制装置200，镜头组件300，控制装置400，其中，超高亮度光源100发出出射光500至调制装置200上，产生图像光600，图像光600经镜头组件300后成像在云层上，控制装置400分别与超高亮度光源100以及调制装置200电连接，用于调节超高亮度光源100的电流、调节调制装置200的图像光600，以及用于协同处理超高亮度光源100和控制调制装置200的图像光600，以在云层800上呈现高对比度图像，并将高对比图像以高能见度传输到人眼中，并提高人眼的可视范围。

在一个实施例中，超高亮度光源100可以采用激光光源，如半导体激光器，还可以采用激光荧光的方式，通过借助激光荧光生成的白光，实现较宽光谱下的云端成像，在本实施例中，采用激光荧光的方式作为高亮度光源以输出出射光500。

请参见图2，图2为本发明的超高亮度光源的一种结构示意图，本实施例的超高亮度光源100包括激光源101，匀光装置102，分光片103，第一收集透镜104，第二收集透镜105，荧光物质106及色轮体107，其中，激光源101出射激光，本实施例中，激光源101为蓝色激光二极管；匀光装置102设置在激光源的出光光路上，用于对激光进行匀光，可以采用复眼、方棒等器件实现；分光片103设置在匀光装置102的出光光路上，用于对入射到分光片103上的光束进行选择性透射和反射，本实施例中，所述分光片103为区域反蓝片；经分光片103反射的蓝激光经第一收集透镜104和第二收集透镜105的收集作用后，汇聚在位于色轮体107上，在本实施例中，色轮体107能够旋转，且107上可以设置不同的分区并将荧光物质106设置在不同的分区上，在本实施例中，荧光物质106用于将激发光源发出的激发光转换为受激光，受激光及未被吸收的激发光共同被色轮体107沿预设方向反射，从而合成白光，荧光物质106可以选择YAG系的黄色荧光材料以配合蓝光激光二极管，该系列的波长转换材料的转换效率高、材料稳定，在蓝光的激发下能够发出黄光激发光，并与剩余未被激发的蓝光受激光组合后形成荧光，荧光再经第一收集透镜104和第二收集透镜105后出射至分光片103，经其透射后传输进入后续光路。优选的，色轮体107可以是硅胶或环氧树脂封装的有机荧光结构，也可以是玻璃封装的无机荧光结构，还可以是荧光陶瓷，如单晶Ce：YAG或多晶Ce：YAG，或者以透明陶瓷材料(如氧化铝)封装的陶瓷荧光结构。

需要说明的是，上述实施例仅是本发明对高亮度光源实现过程进行详细阐述的具体实施例，并不对本发明进行限制，为实现亮度的高效利用，由于色轮体106旋转也能够实现较好的匀光，本领域技术人员也可以去除上述匀光装置102，而采用其它形式的激光荧光，如透射式色轮、在上述方案上增加补充光等方式，均不背离本发明的构思。

在一些实施例中，调制装置200可以采用强度调制器件，如数字镜元器件、扫描振镜或GOBO片等，用于将待成像目标通过强度调制直接加载到出射光500中以形成图像光600，还可以采用相位调制器件将待成像目标通过相位调制加载到所述出射光500中以形成图像光600。

在一些实施例中，强度调制器件为GOBO片，具体的，如图3所示，为本发明的调制装置的一种结构示意图，GOBO片包括透射区201和反射区202，透射区201用于透过部分出射光500，反射区用于反射其余部分出射光500，以形成图像光600，其中，透射区可以设置任意图像，以使的最终投射到云层上的图案更加丰富，可选的GOBO片还可以设计在一个移动装置上，具体的，GOBO片可以为单片式，此时移动装置能够沿光线传输方向前后移动GOBO片，从而控制最终投射到云层上的图案的大小，GOBO片还可以为多片式，并设计在移动装置的旋转盘210上，进而通过移动装置控制多片不同的GOBO片时序的切入光路中，从而在云层上实现动态投影。

调制装置200采用相位调制器件时，可以采用相位掩膜或液晶空间光调制器，其中，相位调制器件的调制深度为2π，从而能够实现最佳相位调制，保证最终云层成像的高对比度。具体的，如图4所示，图4为本发明的调制装置的另外一种结构示意图，可以采用透射式液晶空间光调制器或反射式空间光调制器，液晶空间光调制器上设置有调制区，调制区域设有多个像素阵列，用于对入射到调制区的出射光500的光场进行相位调制，进而能够将待成像目标的相位信息加载到图像光600中，由于相位调制能够将更多的图像信息加载到光场中，因而能够更好的匹配后续的云层介质。

请参见图5，图5为本发明的镜头组件前后的传输光线示意图，其中，镜头组件300的焦距可调，且调节焦距过程中，调制装置200始终位于镜头组件300的前焦面上，可选的，镜头组件可以为单个单独的镜头，也可以是透镜组。下面结合图5分析具体的传输光线原理。设此时的物体高度为2q，镜头此刻的焦距为f，则此时光线经镜头成像后出射的与光线传输轴axis1所成的扩散角β满足tan(β)＝λq/f，此时，因此，由于超高亮度光源的强度足够高，控制装置以及镜头组件的位置布局较为合适，最终出射的光线的扩散角足够小，也就是说，光学扩展量被控制在理想范围内，因此，即便传输较远的距离，也有足够的光能量照射到云层800上，从而实现高对比度成像。

请参阅图6，图6为本发明的高亮度云层投影成像系统的光线传输示意图，其中，图像光600在所述镜头组件300的出射端的第一图像光的强度为I₁，传输距离L₁千米后，第一图像光701的强度I₁衰减为第二图像光702的强度I₂，而后第二图像光702与所述云层800发生相互作用，产生第三图像光703，其强度为I₃，第三图像光703的传输方向与第一图像光701的传输方向不重合，并再次传输L₂千米后变为强度为I₄的第四图像光704后进入人眼，其中，所述第一图像光701、第二图像光702、第三图像光703和第四图像光704的强度满足以下关系：

I₂(x，y，z)＝∫I₁(x，y，z)f(l，c，λ) (1)

其中，x，y，z表示空间立体坐标系中的坐标，f为传输函数，l表示传输距离，式(1)中，l＝L1，c表示传输衰减系数，λ表示入射波长；

I₃(x，y，z)＝∫I₂(x，y，z)s(x，y，z，n，a，b，d，θ)I′(x，y，z) (2)

s为介质的作用函数，I′表示云层后端的背景光900的强度，n表示云层的等效折射率，a表示云层的调制因子，b表示云层的衰减系数，d表示云层平均厚度，θ为第二图像光的传输方向与云层的等效平面(图中表示为axis2)的法线normal1的夹角；

I₄(x，y，z)＝∫I₃(x，y，z)cosγf(l，c，λ) (3)

式中，l＝L₂，γ表示经过云层作用后的第三图像光与云层的等效平面的法线normal1的夹角；

CR＝I₃(x，y，z)/I′(x，y，z) (4)

式中，CR表示云层上的对比度；

VR＝I₄(x，y，z)/I₃(x，y，z) (5)

式中，VR表示传输到人眼时的能见度；

上述式(1)至式(5)的各项参数即为后端光路的反馈数据，控制装置根据所述反馈数据控制超高亮度光源的电流和调制装置出射的图像光，以在云层800上呈现高对比度图像，将高对比图像以高能见度传输到人眼中，并通过控制上述反馈参数，调节γ以使得最终入射到人眼的第四图像的可调角度增大，进而增大人眼的可视范围。

与相关技术相比，本发明包括如下有益效果：根据本发明提供的高亮度云层投影成像系统，由于采用超高亮度光源，能够确保出射光在传输衰减过程中的衰减较小，能够将图像光投射到远距离云层上，由于设置了控制装置，能够根据后端光路中的反馈数据控制超高亮度光源的电流以及控制所述调制装置图像光，使得所述投影设备出射的第一图像光与各项反馈数据相匹配，使得第一图像光与云层的背景图像光的比值足够高，进而保证在云层上得到高对比度图像，同时，由于光源的电流以及所述调制装置图像光与各项数据相互匹配，第四图像光与第三图像光的比值足够高，使得进入人眼的图像的能见度足够高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高亮度云层投影成像系统，其特征在于，包括：

超高亮度光源，所述超高亮度光源用于发射出射光，所述出射光用于成像；

调制装置，所述调制装置设置在所述超高亮度光源的出射光的传输光路上，用于对所述出射光进行调制，并将所述出射光调制为图像光；

镜头组件，所述镜头组件设置在所述图像光的出射端，用于将所述图像光成像到云层上；

控制装置，所述控制装置可分别与所述超高亮度光源以及所述调制装置电连接，用于调节所述超高亮度光源的电流、调节所述调制装置图像光，以及用于根据后端光路的反馈数据协同处理所述超高亮度光源和控制所述调制装置的图像光，以在所述云层上呈现高对比度图像，将所述高对比图像以高能见度传输到人眼中，并提高人眼的可视范围。

2.根据权利要求1所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述图像光在所述镜头组件的出射端的第一图像光的强度为I₁，传输距离L₁千米后，第一图像光衰减为强度为I₂的第二图像光，而后所述第二图像光与所述云层发生相互作用，产生强度为I₃的第三图像光，所述第三图像光的传输方向与所述第一图像光的传输方向不重合，并再次传输L₂千米后变为强度为I₄的第四图像光后进入人眼，其中，所述第一图像光、所述第二图像光、所述第三图像光和所述第四图像光的强度满足以下关系：

I₂(x，y，z)＝∫I₁(x，y，z)f(l，c，λ) (1)

其中，x，y，z表示空间立体坐标系中的坐标，f为传输函数，l表示传输距离，式(1)中，l＝L₁，c表示传输衰减系数，λ表示入射波长；

I₃(x，y，z)＝∫I₂(x，y，z)s(x，y，z，n，a，b，d，θ)I′(x，y，z) (2)

s为介质的作用函数，I’表示云层后端的背景光强度，n表示云层的等效折射率，a表示云层的调制因子，b表示云层的衰减系数，d表示云层平均厚度，θ为所述第二图像光的传输方向与所述云层的等效平面的法线的夹角；

I₄(x，y，z)＝∫I₃(x，y，z)cosγ f(l，c，λ) (3)

式中，l＝L₂，γ表示经过云层作用后的所述第三图像光与所述云层的等效平面的法线的夹角；

CR＝I₃(x，y，z)/I′(x，y，z) (4)

式中，CR表示云层上的对比度；

VR＝I₄(x，y，z)/I₃(x，y，z) (5)

式中，VR表示传输到人眼时的能见度；

所述反馈数据为式(1)至式(5)的各项参数，所述控制装置根据所述反馈数据控制所述超高亮度光源的电流和所述调制装置出射的所述图像光，以在所述云层上呈现高对比度图像，将所述高对比图像以高能见度传输到人眼中，并增大人眼的可视范围。

3.根据权利要求2所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述超高亮度光源为激光，或所述超高亮度光源为激光荧光光源。

4.根据权利要求1-3所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述调制装置为强度调制器件，用于将待成像目标通过强度调制直接加载到所述出射光中以形成所述图像光。

5.根据权利要求1-3所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述调制装置为相位调制器件，用于将待成像目标通过相位调制加载到所述出射光中以形成所述图像光。

6.根据权利要求4所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述强度调制器件为GOBO片、数字镜元器件或扫描振镜。

7.根据权利要求6所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述GOBO片设置在一个移动装置上，所述移动装置能够沿光线传输方向前后移动或所述移动装置控制所述GOBO片沿所述光线传输方向旋转。

8.根据权利要求7所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述GOBO片包括透射区和反射区，所述透射区用于透过部分所述出射光，所述反射区用于反射其余部分所述出射光，以形成所述图像光。

9.根据权利要求5所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述相位调制器件为相位掩膜或液晶空间光调制器，所述相位调制器件的调制深度为2π。

10.根据权利要求1-3所述的高亮度云层投影成像系统，其特征在于，所述镜头组件的焦距可调，所述调制装置位于所述镜头组件的前焦面。

Images