WO2021143815A1 - 一种基于强激光电离空气的三维空中成像装置 - Google Patents

Abstract

基于强激光电离空气的三维空中成像装置，包括：脉冲光源(1)、光学快门(3)、振镜组件(6)、透镜组件(7)和控制器(9)，脉冲光源(1)产生的脉冲光束通过出光口照出，光学快门(3)设在出光口处用于打开或关闭出光口，振镜组件(6)设在脉冲光束的照射路径上用于在水平或竖直方向上改变脉冲光束的照射方向，透镜组件(7)用于对振镜组件(6)反射出的脉冲光束聚焦用以在成像区域对应的位置使空气发生电离形成全息实像(8)，控制器(9)信号连接脉冲光源(1)与光学快门(3)，并通过控制脉冲光源(1)输出脉冲的能量以及光学快门(3)的闭合调节电离发光点的亮度。

Description

一种基于强激光电离空气的三维空中成像装置

相关申请的交叉引用

本申请要求安徽省东超科技有限公司于2020年1月16日提交的名称为“一种基于强激光电离空气的三维空中成像装置”的中国专利申请号“2020100482796”和“2020201031050”的优先权。

技术领域

本公开涉及空气显示领域，具体而言，涉及一种基于强激光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，其中光束调控模块包括二维高速扫描振镜和由变焦透镜以及平场聚焦透镜组成的透镜组件。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的x方向和y方向扫描；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，可操控电离点位置在三维立体空间内变化；平场聚焦透镜则是控制光束在整个平面内形成均匀大小的聚焦光斑，抑制光斑畸变。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，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，由空间光调制器调制的光束，经聚焦模组后形成多个聚焦点，因此增加了显示画面的像素。

然而，实际的画面显示中还存在不连续图像的显示需求以及对画面不同区域的显示亮度要求不同的显示需求，因此本公开装置通过控制电离亮点的间断和亮度解决了以上需求，提高了显示效果。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本公开提供了一种基于强激光电离空气的三维空中成像装置，所述基于强激光电离空气的三维空中成像装置通过调整成像区域不同位置处电离亮光点的间断和亮度，可以提升空气电离显示画面的显示效果。

根据本公开实施例的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，包括：脉冲光源、光学快门、振镜组件、透镜组件和控制器，所述脉冲光源上设有出光口，所述脉冲光源产生的脉冲光束通过所述出光口照出，所述光学快门设在所述出光口处用于打开或关闭所述出光口，所述振镜组件设在所述脉冲光束的照射路径上用于在水平或竖直方向上改变所述脉冲光束的照射方向，所述透镜组件用于对所述振镜组件反射出的脉冲光束聚焦以在对应的位置使空气发生电离从而形成全息实像，所述控制器信号连接所述脉冲光源与所述光学快门，并在所述光学快门关闭所述出光口时调节所述脉冲光束的能量。

根据本公开实施例的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，利用光学快门与脉冲光源配合，可以控制全息成像中不同位置的亮度，利用亮度的配合可以增加显示全息成像的画面感和层次感，进而可以提升空气电离显示画面的显示效果。

根据本公开的一些实施例，还包括：扩束镜，所述扩束镜设在所述所述脉冲光源与所述光学快门之间用于控制所述光束的束腰光斑大小。

根据本公开的一些实施例，还包括：光电探测器，所述光电探测器设在所述脉冲光源与所述光学快门之间用于监测所述脉冲光源输出脉冲的平均功率。

根据本公开的一些实施例，所述脉冲光源与所述光学快门之间设有分光片，所述分光片用于将所述脉冲光源输出的光束部分反射到多个所述光电探测器上。

根据本公开的一些实施例，还包括：空间光调制器，所述空间光调制器设在所述脉冲光源与所述振镜组件之间用于对脉冲光束的参数进行调整。

根据本公开的一些实施例，还包括：散热器，所述散热器设在所述脉冲光源与所述光学快门之间，用于降低光学快门遮挡脉冲光束时产生的热量积累。

根据本公开的一些实施例，所述分光片的透光率为A，0.99≤A≤0.995。

根据本公开的一些实施例，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。

根据本公开的一些实施例，多个所述脉冲光源的重复频率相同，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1μJ-200mJ，所述脉冲光源的重复频率为50Hz-50MHz。

本公开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，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

本公开的上述和/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根据本公开实施例的基于强激光电离空气的三维空中成像装置的结构示意图；

图2根据本公开实施例的脉冲光源的结构示意图。

附图标记：

1：脉冲光源；1-2：分光片；1-3：光电探测器；2：扩束镜；3：光学快门；4：散热器；5：空间光调制器；6：振镜组件；7：透镜组件；8：全息实像；9：控制器。

具体实施方式

下面详细描述本公开的实施例，所述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，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。

下面参考图1和图2描述根据本公开实施例的基于强激光电离空气的三维空中成像装置。

如图1所示，根据本公开实施例的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，包括：脉冲光源1、光学快门3、振镜组件6、透镜组件7和控制器9。

其中，脉冲光源1可以包括壳体和激光发生器，激光发生器产生脉冲光束，壳体上设有出光口，光束通过出光口照出，激光发生器信号连接控制器9，控制器9控制激光发生器产生光束的能量。光学快门3设在出光口处用于打开或关闭出光口，光学快门3可以设在脉冲光源1的壳体上并临近出光口设置。

振镜组件6设在脉冲光束的照射路径上用于在水平或竖直方向上改变脉冲光束的照射方向，透镜组件7用于对振镜组件6反射出的脉冲光束聚焦以在对应的位置使空气电离形成全息实像8。也就是说，光束通过出光口照射到振镜组件6上，振镜组件6对光束进行反射，进而控制光束的照射方向；光束穿过透镜组件7，在透镜组件7的聚焦作用下光束在焦点位置处聚焦使光斑直径达到极小值，此时激光单位面积内的功率迅速提升并达到空气电离阈值，从而对焦点周围的空气产生电离并形成光点。振镜组件6通过改变光束的反射方向改变电离光点的位置，由于振镜带动光点移动的过程极快，在前一个光点消失之前，就已经完成下一个聚焦点电离形成光点，由此可以在透镜组件7的焦点附近扫描形成全息实像8。

进一步地，控制器9信号连接脉冲光源1与光学快门3，并在光学快门3关闭出光口时调节脉冲光束的能量。也就是说，在光束穿过光学快门3射向振镜组件6，然后在振镜组件6和透镜组件7配合成像的过程中，光学快门3可以控制光束断开，在光学快门3遮挡光束的时间里，控制器9控制脉冲光源1进而调整光束的能量，由此可以控制下一个电离点处形成光点的亮度。

由此，根据本公开实施例的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，利用光学快门3与脉冲光源1配合，可以控制全息成像图像中不同位置的亮度，利用亮度的配合可以增加全息成像的画面感和层次感，进而可以提升空气电离显示画面的显示效果。

根据本公开的一些实施例，还包括：扩束镜2，扩束镜2设在脉冲光源1与光学快门3之间用于控制光束的束腰光斑大小，脉冲光源1产生的光束穿过扩束镜2照射到光学快门3处，扩束镜2可以增加光束的束腰光斑面积，进而可以降低光斑的单位面积光功率参量从而提高元器件的使用寿命，同时配合透镜组件7参数优化，进一步缩小聚焦光焦点的大小从而降低空气电离的脉冲能量阈值。

根据本公开的一些实施例，还包括：光电探测器1-3，光电探测器1-3设在脉冲光源1与光学快门3之间用于探测脉冲光源1的输出脉冲光束功率，脉冲光源1产生的光束照射到光电探测器1-3上探测照射的光束功率，通过分光比例换算可得知脉冲光源1输出光束的功率。在光束电离成像的过程中，光电探测器1-3可以实时监测脉冲光源1的功率，防止脉冲光源1的功率波动影响成像效果。

如图2所示，在一些具体实施例中，脉冲光源1与光学快门3之间设有分光片1-2，分光片1-2 用于将脉冲光源1的输出光束部分反射到多个光电探测器1-3上，分光片1-2与光束的延伸方向交叉设置，脉冲光源1产生的光束照射在分光片1-2上，大部分的光束穿过分光片1-2照向光学快门3用于成像，还有少量一部分光束在分光片1-2反射的作用下照向光电探测器1-3。

通过设置分光片1-2，不仅可以为光电探测器1-3检测脉冲光源1的功率提供方便，还可以简化成像装置的结构设计，防止光电探测器1-3遮挡光束而影响成像效果，而且分光片1-2结构简单，容易实现。

根据本公开的一些实施例，还包括：空间光调制器5，空间光调制器5设在脉冲光源1与振镜组件6之间用于对脉冲光束的参数进行调整。空间光调制器5对光波的空间分布进行调制，空间光调制器5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5位于光学快门3与振镜组件6之间，当光束通过空间光调制器5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5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5，对脉冲光源1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5调制光场，在经透镜组件7后形成多个聚焦点，由此可以增加立体图形的成像质量。

如图1所示，根据本公开的一些实施例，还包括：散热器4，散热器4设在脉冲光源1与光学快门3之间，用于对光学快门3遮挡脉冲光束时产生的热量积累进行散热。

在本实施例中，脉冲光源1产生的光束会照射到光学快门3上，光学快门3在遮挡光束时光被吸收使得光学快门3的热量慢慢积累，通过设置散热器4，促使光学快门3散热，可以防止光学快门3温度过高造成损坏。其中，光学快门3和散热器4均可以设置在脉冲光源1的壳体上。

根据本公开的一些实施例，分光片1-2的透光率为A，0.99≤A≤0.995。也就是说，光束照射到分光片1-2上时，光束99％-99.5％的部分穿过分光片1-2照向光学快门3用于电离成像，0.5％-1％的部分照射到光电探测器1-3上，用于检测光束的功率，由于光电探测器1-3在检测光束功率的过程中所需的光量较低，由此可以提升电离区域光束的能量，进而可以提升成像效果。

根据本公开的一些实施例，透镜组件7包括变焦透镜和平场聚焦透镜，变焦透镜位于平场聚焦透镜与振镜组件6之间，高功率脉冲光源1输出激光脉冲经空间光调制器5调制光场，然后反射至振镜组件6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。

变焦透镜可以根据成像要求调节焦点与变焦透镜之间的距离，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8，利用平场聚焦透镜与变焦透镜配合，可以防止全息实像8在成像过程中发生弯曲变形，控制计算机主动控制空间光调制器5、振镜组件6以及透镜组件7，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。

根据本公开的一些实施例，多个脉冲光源1的重复频率相同，脉冲光源1的脉冲宽度为 50fs-100ns，脉冲光源1的脉冲能量为1μJ-200mJ，脉冲光源1的重复频率为50Hz-50MHz。

根据本公开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。

在本公开的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。

在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本公开的描述中，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。

在本公开的描述中，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公开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公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开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，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1. 一种基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，包括：

   脉冲光源，所述脉冲光源上设有出光口，所述脉冲光源产生的脉冲光束通过所述出光口照出；

   光学快门，所述光学快门设在所述出光口处用于打开或关闭所述出光口；

   振镜组件，所述振镜组件设在所述脉冲光束的照射路径上用于在水平或竖直方向上改变所述脉冲光束的照射方向；

   透镜组件，所述透镜组件用于对所述振镜组件反射出的脉冲光束聚焦以在对应的位置使空气电离形成全息实像；

   控制器，所述控制器信号连接所述脉冲光源与所述光学快门，并在所述光学快门关闭所述出光口时调节所述脉冲光束的能量。
2. 根据权利要求1所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

   扩束镜，所述扩束镜设在所述脉冲光源与所述光学快门之间用于控制所述光束的束腰光斑大小。
3. 根据权利要求1所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

   光电探测器，所述光电探测器设在所述脉冲光源与所述光学快门之间用于监测所述脉冲光源输出脉冲的平均功率。
4. 根据权利要求3所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，所述脉冲光源与所述光学快门之间设有分光片，所述分光片用于将所述脉冲光源输出光束部分反射到多个所述光电探测器上。
5. 根据权利要求4所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

   空间光调制器，所述空间光调制器设在所述脉冲光源与所述振镜组件之间用于调整脉冲光束的光场参数。
6. 根据权利要求4所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，还包括：

   散热器，所述散热器设在所述脉冲光源所述光学快门之间，用于降低光学快门遮挡脉冲光束时产生的热量积累。
7. 根据权利要求4所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，所述分光片的透光率为A，0.99≤A≤0.995。
8. 根据权利要求1所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，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。
9. 根据权利要求1-8中任意一项所述的基于强激光电离空气的三维空中成像装置，其特征在于，多个所述脉冲光源的重复频率相同，所述脉冲光源输出脉冲的脉冲宽度为5fs-100ns，脉冲能量为1μJ-200mJ，脉冲重复频率为50Hz-50MHz。

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