空气电离显示装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种空气电离显示装置及其控制方法。


背景技术：

2.空气电离成像系统在成像过程中，需利用透镜对光束聚合并在透镜的焦点处电离空气形成光点。由于形成空气电离所需脉冲在单位面积内的光功率阈值较高，因此在每个电离点处由空间光调制器调制光场形成的聚焦点个数受到了脉冲功率的限制，即显示画面的像素受制于脉冲功率的大小。若要提高显示画面的像素，则需进一步提高光源输出脉冲功率，但就目前技术而言，难以大幅度提升光源输出脉冲功率。
3.另外，空气电离显示系统中变焦透镜等光学元器件损伤阈值有限，通常难以承受高峰值功率密度的脉冲激光长时间作用，使得光源输出脉冲功率也有上限，综合因素导致了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。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种空气电离显示装置，以在激光光源输出功率较低的前提下实现大范围的空气电离。
5.本发明的第二个目的在于提出一种空气电离显示装置的控制方法。
6.为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种空气电离显示装置，包括：脉冲激光光源，用于产生脉冲激光光束；分束镜，用于将所述脉冲激光光束分成第一子光束和第二子光束；脉冲激光调节组件，用于调节所述第二子光束的波长以得到第三子光束，并调节所述第三子光束与所述第一子光束之间的时间差，以延迟出射所述第三子光束；合束镜，用于将所述第一子光束和经延迟出射的第三子光束合并，得到合并光束；光场调控组件，用于对所述合并光束进行调整聚合，并在显示区域处使空气电离形成全息图像。
7.为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种空气电离显示装置的控制方法，该方法用于上述的空气电离显示装置，所述方法包括以下步骤：通过所述脉冲激光光源输出脉冲激光光束，并通过所述分束镜将所述脉冲激光光束分成第一子光束和第二子光束；通过所述脉冲激光调节组件调节所述第二子光束的波长以得到第三子光束，并调节所述第三子光束与所述第一子光束之间的时间差，以延迟出射所述第三子光束；通过所述合束镜将所述第一子光束和经延迟出射的第三子光束合并，得到合并光束；通过所述光场调控组件对所述合并光束进行调整聚合，并在显示区域处使空气电离形成全息图像；获取所述全息图像的亮度信息，并根据所述全息图像的亮度信息对所述脉冲激光调节组件、所述光场调控组件进行控制，以使所述全息图像的亮度满足预设条件。
8.本发明实施例的空气电离显示装置及其控制方法，可以利用脉冲激光光源产生脉冲激光光束，进而分束镜将该脉冲激光光束分成第一子光束与第二子光束，脉冲激光调节组件调节第二子光束的波长以得到第三子光束，并调节第三子光束与第一子光束之间的时
间差，以延迟出射第三子光束，进而合束镜将第一子光束与第二子光束合并成为合并光束，光场调控组件对合并光束进行调整聚合，并在显示区域处使空气电离形成全息图像。由此，可以在激光光源输出功率较低的前提下实现大范围的空气电离。
9.本发明附加的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
10.图1是本发明一个实施例的空气电离显示装置的结构框图；
11.图2是本发明另一个实施例的空气电离显示装置的结构框图；
12.图3是本发明又一个实施例的空气电离显示装置的结构框图；
13.图4是本发明一个示例的光学延迟线的结构示意图；
14.图5是本发明另一个示例的光学延迟线的结构示意图；
15.图6是本发明第一示例的光场调控组件的结构示意图；
16.图7是本发明第二示例的光场调控组件的结构示意图；
17.图8是本发明第三示例的光场调控组件的结构示意图；
18.图9是本发明第四示例的光场调控组件的结构示意图；
19.图10是本发明第五示例的光场调控组件的结构示意图；
20.图11是本发明一个实施例的空气电离显示装置的工作流程图；
21.图12是本发明一个实施例的空气电离显示装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.下面参考附图描述本发明实施例的空气电离显示装置及其控制方法。
24.图1是本发明一个实施例的空气电离显示装置的结构框图。
25.如图1所示，空气电离显示装置10包括：脉冲激光光源11、分束镜12、脉冲激光调节组件13、合束镜14、光场调控组件15。
26.具体地，上述脉冲激光光源11用于产生脉冲激光光束；上述分束镜12用于将脉冲激光光束分成第一子光束和第二子光束；上述脉冲激光调节组件13用于调节第二子光束的波长以得到第三子光束，并调节第三子光束与第一子光束之间的时间差，以延迟出射第三子光束；上述合束镜14用于将第一子光束和经延迟出射的第三子光束合并，得到合并光束；上述光场调控组件15用于对合并光束进行调整聚合，并在显示区域处使空气电离形成全息图像。
27.其中，上述脉冲激光光源11产生的脉冲激光光束的脉冲宽度可以为50fs
‑
100ns，脉冲能量可以为20μj
‑
10mj，重复频率可以为500hz
‑
10mhz，波长可以为1000nm
‑
1200nm。脉冲激光光源11产生脉冲激光光束后，该脉冲激光光束经过分束镜12被分为第一子光束和第二子光束。
28.进一步地，在上述分束镜12将脉冲激光光束分为第一子光束与第二子光束后，上
述第一子光束经过分束镜12到达合束镜14，上述第二子光束经过分束镜12到达脉冲激光调节组件13。
29.上述第一子光束经过合束镜14到达光场调控组件15，光场调控组件15对第一子光束进行调整聚焦，上述第一子光束在显示区域处使空气中的分子或原子进入第一激发态。由于大多数分子或原子的电离势范围在5
‑
20ev之间，由e＝hλ/c可知，单光子电离的波长范围为62
‑
248nm，即一般的单个紫外光子或可见光波段光子并不能使空气中的原子或分子电离。因而，上述第一子光束在显示区域处使空气中的原子或分子被激发到一个较低的第一激发态。
30.上述脉冲激光调节组件13对第二子光束进行调节得到第三子光束，上述第三子光束的波长可以为800nm
‑
2000nm，第三子光束的重复频率与第二子光束相同。进而脉冲激光调节组件13延迟输出第三子光束至合束镜14，第三子光束经过合束镜14到达光场调控组件15，光场调控组件15对第三子光束进行调整聚焦。由于上述第一子光束已经使得显示区域处的空气进入第一激发态，上述第三子光束可以对空气中的已被激发到较低的第一激发态的原子或分子进行再次激发，从而使得空气发生电离。
31.具体而言，电离原子数与合并光束的光流密度、第一子光束的波长、第三子光束的波长有着如下关系：
[0032][0033][0034][0035]
其中，上述n0(t)为总原子数，上述n1(t)为第一激发态的原子数，上述σ
a
为基态到第一激发态的受激吸收截面，σ
i
为第一激发态到连续态的电离截面，τ1为第一激发态的自发发射寿命，φ为合并光束的光流密度，上述n
i
(t)为电离原子数。上述σ
a
与第一子光束的波长有关，上述σ
i
与第三子光束的波长有关。
[0036]
将上式(1)与上式(2)相加，并对上式(3)微分，可以得到：
[0037][0038]
上式(4)的通解为：
[0039][0040]
其中，
[0041][0042][0043]
上述b与ξ2分别为：
[0044][0045]
[0046]
由此可知，电离原子数ni(t)的解为：
[0047][0048]
由此，可以通过调节第三子光束的延时，使第三子光束在第一子光束将空气中的分子或原子激发到第一激发态后以恰当的时间再次对空气中的原子或分子进行激发。且可通过调整第三子光束的波长，使得第三子光束可以对第一激发态的原子或分子进行共振激发，从而可以降低激光电离空气所需的输出功率的阈值，实现在激光光源输出功率较低的前提下实现大范围的空气电离。
[0049]
需要说明的是，上述分束镜12的消光比tp：ts＞1000:1，上述合束镜14的消光比tp：ts＞1000:1，上述光场调控组件15可以控制合并光束的扫描范围为x方向：100
‑
200mm；y方向：100
‑
200mm；z方向：100
‑
200mm。上述显示区域为三维显示区域，且优选大于合并光束的扫描范围。
[0050]
进一步地，参见图2，上述空气电离显示装置10还包括：控制器16、半波片17，上述控制器16分别与脉冲激光光源11、脉冲激光调节组件13和光场调控组件15连接。
[0051]
具体地，上述控制器16用于根据全息图像的亮度信息，对脉冲激光光源11输出激光、脉冲激光调节组件13、光场调控组件15进行控制，从而控制在显示区域显示出上述全息图像。
[0052]
上述半波片17用于调节脉冲激光光源11输出脉冲激光光束的偏振，上述脉冲激光光源11产生的脉冲激光光束在经过半波片17后成为水平偏振光与垂直偏振光，进而可以利用分束镜12与合束镜14可以对该偏振光进行过滤；例如，可以设置上述分束镜12对水平偏振光的反射率为0.5％
‑
1％、上述合束镜14对垂直偏振光的反射率为99％
‑
99.5％，从而使得上述合并光束基本为水平偏振光。其中，上述半波片17的尺寸可以为20mm
‑
30mm。
[0053]
进一步地，参见图3，上述脉冲激光调节组件13包括：脉冲激光调节器131、光学延迟线132。
[0054]
具体地，上述脉冲激光调节器131用于调节第二子光束的波长以得到第三子光束。例如，第二子光束可以作为脉冲激光调节器131的泵浦源，对脉冲激光调节器131中的激光工作物质进行激励，使得脉冲激光调节组件13产生第三子光束；或者，也可使第二子光束通过预设的介质，使得第二子光束的波长发生改变。
[0055]
进一步地，上述光学延迟线132用于调节第三子光束与第一子光束之间的时间差，以延迟出射第三子光束。
[0056]
其中，参见图4，上述光学延迟线132包括：角锥棱镜1321、电动平移台1322。角锥棱镜1321包括两个全反射镜，两个全反射镜相互垂直，角锥棱镜1321用于将脉冲激光调节器131出射的第三子光束反射至合束镜14上；电动平移台1322，用于带动角锥棱镜1321在第三子光束的入射方向上移动，上述电动平移台1322的精度可以为1um
‑
10um。
[0057]
可选地，参见图5，上述光学延迟线132还可包括：第一角锥棱镜1323、第二角锥棱镜1324、第一反射镜1325、第二反射镜1326，还可包括电动平移台1322。第一角锥棱镜1323和第二角锥棱镜1324均包括两个全反射镜，两个全反射镜相互垂直，第一角锥棱镜1323的一个全反射镜与第二角锥棱镜1324的一个全反射镜正对设置；第一反射镜1325用于将脉冲激光调节器131出射的第三子光束反射至第一角锥棱镜1323的另一个全反射镜上，第二反
射镜1326用于将第二角锥棱镜1324的另一个全反射镜出射的第三子光束反射至合束镜14上。上述电动平移台1322用于带动至少一个角锥棱镜在第三子光束的入射方向上移动。电动平移台1322的数量也可为多个，且与角锥棱镜一一对应。上述电动平移台1322的精度可以为1um
‑
10um。
[0058]
需要说明的是，上述第三子光束与第一子光束之间的时间差可以为100fs
‑
10ns，且可以优选为1ps。
[0059]
进一步地，参见图6，上述光场调控组件15包括：调节单元151、聚焦单元152、变焦单元153。
[0060]
具体地，调节单元151，用于对合并光束的方向进行调整；聚焦单元152，用于对方向调整后的合并光束在显示区域进行聚焦，并在焦点位置电离空气形成图像；变焦单元153设置在振镜单元与聚焦单元152之间，用于调整振镜单元出射光束的发散角，并调整焦点的纵深位置，以显示出全息图像。
[0061]
其中，上述调节单元151包括振镜组件，振镜组件包括垂直设置的两组反射镜，聚焦单元152包括平场聚焦透镜组件，变焦单元153包括变焦透镜组件。上述振镜单元中的两组反射镜分别进行水平方向的偏转与垂直方向的偏转，从而控制焦点在平面上的位置；例如，可以利用振镜组件调整焦点在x方向与z方向的位置，并利用变焦单元153调整焦点在y方向的位置，进而聚焦单元152使得焦点处空气电离形成图像。由此，可以通过对显示区域进行扫描，实现全息图像显示。
[0062]
可选地，上述调节单元151、聚焦单元152、变焦单元153均可为可更换的单元，进而用户也可自行更换上述光场调控组件15中的各组成部分，从而令光场调控组件15可以更好地满足用户自身的需求。
[0063]
作为一个示例，参见图7，上述调节单元151也可包括超快多面转镜组件，超快多面转镜组件包括快速旋转的多面反射体，变焦单元153包括超快变形镜组件，超快变形镜组件包括压电材料驱动器和反射镜面。上述超快多面转镜组件为快速选择的多面反射体，通光孔径为15
‑
20mm，由于多面反射体在旋转时仅需向一个方向转动，因而可以进行快速地转动，转速可达到500
‑
600m/s；上述反射镜面可以由多块小反射镜组成，也可是一整块薄的反射面。由此，可以提高光场调控组件15的成像速度。
[0064]
或者，参见图8，上述调节单元151也可包括mems(micro
‑
electro
‑
mechanical system，微机电系统)微面镜，mems微面镜包括反射镜面20、固定电极21和移动电极22。上述mems微面镜可以按照特定的方式与时间顺序偏转进入光场调控组件15中的合并光束，由于上述反射镜面20具有尺寸小、静电驱动、无万向节的特性，上述mems微面镜具有扫描频率高、尺寸小、成本低的优点，可以提高光场调控组件15的成像速度。上述mems微面镜的扫描频率通常可以达到500
‑
1000hz。
[0065]
或者，参见图9，上述调节单元151也可包括液晶光学相控阵，液晶光学相控阵包括液晶分子层26。上述液晶光学相控阵可以通过调节液晶分子层26的取向以使进入光场调控组件15中的合并光束的方向发生偏转。上述液晶光学相控阵具有驱动电压低、偏转速度快、易于与微电子控制电路相结合的特性。图9中的24为合并光束，25为调整后的合并光束。
[0066]
或者，参见图10，上述调节单元151也可包括数字微振镜阵列，数字微振镜阵列包括微振镜阵列镜片30，如dmd(digital micro mirror device，数字微镜)芯片。数字微振镜
阵列可以通过控制微振镜阵列镜片30的开关以控制合并光束是否在显示区域聚焦。上述数字微振镜阵列的分辨率通常可以达到1280
×
800，像元大小10
‑
20微米，可用波长范围为850
‑
2000nm，光学窗口透过率大于93％，帧频高达5000fps。通过上述数字微振镜阵列，可以提高三维显示的频帧，并提高光场调控组件15的成像速度。图10中的28为合并光束，29为调整后的合并光束。
[0067]
在本发明的一个实施例中，如图11所示，上述空气电离显示装置10可以通过如下步骤在显示区域处形成全息图像：
[0068]
s111，上位机根据脉冲激光光源的光学特征，输出一定重复频率和能量的脉冲激光光束，作为测试脉冲。
[0069]
s112，脉冲激光光束首先通过光场调控组件显示出初步的测试图案。
[0070]
作为一个示例，上述测试图案例如可以为一个正方形。
[0071]
s113，通过下位机控制电动平移台进行延迟时间调谐，同时通过下位机控制脉冲激光调节器进行波长扫描。
[0072]
具体地，下位机可以控制电动平移台1322带动角锥棱镜在第三子光束的入射方向上移动以改变第三子光束与第一子光束之间的时间差，同时控制脉冲激光调节器131进行波长扫描以改变第三子光束的波长。
[0073]
s114，通过光场调控组件采集测试图案亮度，转换成电信号，传送至下位机。
[0074]
具体地，光场调控组件15利用测试脉冲在显示区域显示测试图案，进而采集该测试图案的亮度。
[0075]
s115，下位机根据测试图案亮度，控制电动平移台和脉冲激光调节器调节至最佳位置，在最佳位置处，测试图案亮度最高。
[0076]
其中，上述最佳位置处为使测试图案亮度最高的第三子光束与第一子光束之间的时间差，以及第三子光束的波长。
[0077]
s116，上位机控制脉冲激光光源，输出最高重复频率和满足电离阈值的最低能量的脉冲激光光束。
[0078]
由此，光场调控组件15可以利用该脉冲激光光束在显示区域内进行扫描。
[0079]
s117，下位机控制光场调控组件，扫描出三维显示图案。
[0080]
其中，上述上位机例如可以为远程控制模块，上述下位机例如可以为现场控制模块，且上述控制器16包括上述的上位机与下位机。
[0081]
由此，可以实现获取全息图像的亮度信息，并根据全息图像的亮度信息对脉冲激光调节组件13、光场调控组件15进行控制，以使全息图像的亮度满足预设条件。
[0082]
综上，本发明实施例的空气电离显示装置，通过分束镜将脉冲激光光束分为第一子光束与第二子光束，并利用第一子光束将显示区域处的空气激发至第一激发态；脉冲激光调节组件调节第二子光束的波长得到第三子光束，并将第三子光束延时输出，进而利用第三子光束对处于第一激发态的空气进行电离，从而在显示区域处使空气电离形成全息图像。由此，可以实现在激光光源输出功率较低的前提下实现大范围的空气电离，从而保证了空气电离显示装置的安全性，降低了装置的成本。而且，通过在显示区域形成全息图像，可以使用户能够直接观看三维图像，提高了用户的使用体验。
[0083]
图12是本发明一个实施例的空气电离显示装置的控制方法的流程图。
[0084]
在该实施例中，空气电离显示装置的控制方法用于上述实施例的空气电离显示装置。
[0085]
如图12所示，空气电离显示装置的控制方法包括以下步骤：
[0086]
s121，通过脉冲激光光源输出脉冲激光光束，并通过分束镜将脉冲激光光束分成第一子光束和第二子光束。
[0087]
s122，通过脉冲激光调节组件调节第二子光束的波长以得到第三子光束，并调节第三子光束与第一子光束之间的时间差，以延迟出射第三子光束。
[0088]
s123，通过合束镜将第一子光束和经延迟出射的第三子光束合并，得到合并光束。
[0089]
s124，通过光场调控组件对合并光束进行调整聚合，并在显示区域处使空气电离形成全息图像。
[0090]
s125，获取全息图像的亮度信息，并根据全息图像的亮度信息对脉冲激光调节组件、光场调控组件进行控制，以使全息图像的亮度满足预设条件。
[0091]
可选地，在根据全息图像的亮度信息对脉冲激光调节组件、光场调控组件进行控制之后，还可控制脉冲激光光源输出最高允许重复频率和满足空气电离阈值的最低能量的激光脉冲光束。
[0092]
需要说明的是，本发明实施例的空气电离显示装置的控制方法的其他具体实施方式，可以参见上述的空气电离显示装置。
[0093]
综上，本发明实施例的空气电离显示装置的控制方法，通过将脉冲激光光束分成第一子光束和第二子光束，并调节第二子光束的波长以得到第三子光束，同时调节第三子光束与第一子光束之间的时间差，以延迟出射第三子光束，进而将第一子光束和经延迟出射的第三子光束合并，得到合并光束，从而利用合束光束在显示区域处使空气电离形成全息图像；且还可获取全息图像的亮度信息，并根据全息图像的亮度信息进行控制，以使全息图像的亮度满足预设条件。由此，可以实现在激光光源输出功率较低的前提下实现大范围的空气电离，从而保证了空气电离显示装置的安全性，降低了装置的成本。而且，通过在显示区域形成全息图像，可以使用户能够直接观看三维图像，提高了用户的使用体验。
[0094]
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0095]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述
实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0096]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0097]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0098]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0099]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0100]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0101]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。