显示装置和显示方法与流程

显示装置和显示方法
1.本技术是申请号为201911217074.x、申请日为2019年12月3日、发明名称为“显示装置和显示方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及显示装置和显示方法，该显示装置和显示方法用波长大于等于380nm且小于等于780nm的激光束照射空气中的照射点，并在照射点处形成具有期望的显示颜色的显示像素。


背景技术：

3.常规地，已经提出了通过聚焦激光束而在空气中形成图像的技术。例如，日本专利申请公开第2003-233339号公开了一种通过局部产生闪光(等离子体光)在空气中显示图像的技术。当不可见的激光束引起空气气体中的电介质击穿并局部产生高密度等离子体时，产生闪光。该技术使得扫描装置在控制产生等离子体光的位置的同时用激光束扫描空气的区域，以在空气中形成图像。这里，日本专利申请公开第2003-233339号也公开了冲击声与等离子体一起产生这一事实。
4.在如上所述，等离子体光被直接用于显示图像的情况下，由于等离子体光是白色，所以所显示的图像将是黑白的。另外，日本专利申请公开第2003-233339号公开了另一种技术。在该技术中，当不可见的激光束聚焦在空气中的期望显示位置上时，在显示位置发生波动。因此，当用有色激光束照射波动中的显示位置时，该显示位置可以用作有色图像的显示像素。
5.作为另一提议，日本专利申请公开第2009-186654号公开了一种有色图像形成装置，该有色图像形成装置在液体中产生等离子体光并且允许观察者在视觉上识别有色发光体。在这种情况下，观察者在相对于有色发光体与激光束相反的一侧在视觉上识别有色发光体。
6.如果通过使用这种激光束在空气中显示图像，则可以在空气中显示3d图像，从而使观察者可以在各种观察方向上观察3d图像。因此，期望实现实用的图像形成装置和方法。然而，本发明人通过使用日本专利申请公开第2003-233339号的方法进行了用于再现三维图像的实验，但是没有产生任何有色发光体。特别地，尽管本发明人通过使用不可见的激光束在空气中的显示位置处产生了波动，并且用有色激光束照射该照射点，但是没有产生任何有色发光体。
7.因此，在仅发生波动的这种空气加热状态下，难以散射激光束以用于显示图像。另外，在日本专利申请公开第2003-233339号中，由于包含闪光和冲击声的等离子体发光体具有极高的能量和亮度，因此难以通过使用等离子体发光体来产生颜色。此外，由于在等离子体(具有可以在视觉上识别的高亮度)闪光时产生冲击声，所以难以将这种技术用于可容易地在室内使用的显示装置，例如液晶显示器。在日本专利申请公开第2009-186654号中公开的技术中，由于图像显示在液体中，即在容纳液体的容器中，因此该技术不能用于在空气中
在观察者上方的位置自由地显示有色图像。


技术实现要素：

8.根据本发明的第一方面，一种显示装置包括至少一个激光照射装置，被配置为用波长大于等于380nm且小于等于780nm的激光束照射空气中的显示位置处的照射点，并在显示位置处产生等离子体；和控制装置，被配置为控制从所述至少一个激光照射装置发射的激光束的强度，以使得在显示位置处从所述等离子体发射的等离子体光的强度与从激光束产生并被所述等离子体散射的散射光的强度之间的关系成为用以显示有色像素的预定关系。
9.根据本发明的第二方面，一种显示方法包括显示步骤，在所述显示步骤中，至少一个激光照射装置用波长大于等于380nm且小于等于780nm的激光束照射空气中的显示位置处的照射点，并在显示位置处产生等离子体。显示步骤包括控制步骤，在所述控制步骤中，控制从至少一个激光照射装置发射的激光束的强度，以使得在显示位置处从所述等离子体发射的等离子体光的强度与从激光束产生并被所述等离子体散射的散射光的强度之间的关系成为用以显示有色像素的预定关系。
10.参考附图从下文对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得显而易见。
附图说明
11.图1是示出本发明的实施例的显示装置的示意性配置的示图。
12.图2是示出本发明的实施例的显示装置的观察视野的示图。
13.图3是示出通过使用本发明的实施例的显示装置来显示运动图像或三维图像的配置的示例的示图。
14.图4是具体示出本发明的实施例的显示装置的配置的示例的示图。
15.图5是本发明的实施例的显示装置的照射能量密度的曲线图，该照射能量密度被定义为由光谱仪在2ms的累积时间内测量的辐射能量密度。
16.图6是本发明的实施例的显示装置的照射能量密度的曲线图，该照射能量密度被定义为由光谱仪在1s的累积时间内测量的辐射能量密度。
17.图7是示出在激光束的波长下获得的本发明的实施例的显示装置的辐射能量密度与激光束功率之间的关系的曲线图。
18.图8是示出在激光束的另一波长下获得的本发明实施例的显示装置的辐射能密度与激光束功率之间的关系的曲线图，该辐射能密度的尺度与图7的尺度不同。
19.图9是示出当通过从本发明的实施例的显示装置发射的波长为532nm的激光束在空气中产生发光体并且通过光谱仪以相对于照射方向成45
°
的角度对于从发光体发射的光测量200ms时获得的光谱的曲线图。
20.图10是示出当通过从本发明的实施例的显示装置发射的波长为532nm的激光束在空气中产生发光体并且通过光谱仪以相对于照射方向成45
°
的角度对于从发光体发射的光测量10,000ms时获得的光谱的曲线图。
21.图11是示出当通过光谱仪测量由激光束在空气中产生的等离子体时获得的光谱的曲线图。
22.图12是示出cie 1931的xy色度图的示图。
23.图13是表格，其中针对每一激光功率，描述了通过从本发明的实施例的显示装置发射的波长为532nm的激光束在空气中产生的发光体的观察颜色。
24.图14是表格，其中针对每一激光功率，描述了通过从本发明的实施例的显示装置发射的波长为532nm的激光束在空气中产生的发光体的观察颜色，以及等离子体光的y值与在激光束的波长处或附近的光的y值的比率。
25.图15是表格，其中针对每一测量角度，具体描述了通过从本发明的实施例的显示装置发射的绿色激光束在空气中产生的发光体的观察颜色，以及等离子体光的y值与在绿色激光束的波长处或附近的光的y值的比率。
26.图16是表格，其中针对每一测量角度，具体描述了通过从本发明的实施例的显示装置发射的蓝色激光束在空气中产生的发光体的观察颜色，以及等离子体光的y值与在蓝色激光束的波长处或附近的光的y值的比率。
27.图17是表格，其中针对每一测量角度，具体描述了通过从本发明的实施例的显示装置发射的红色激光束在空气中产生的发光体的观察颜色，以及等离子体光的y值与在红色激光束的波长处或附近的光的y值的比率。
28.图18是表格，其中针对每一测量角度，描述了通过从比较例1的显示装置以使得等离子体光的y值与在绿色激光束的波长处或附近的光的y值的比率小于等于5％或大于100％的方式发射的绿色激光束在空气中产生的发光体的观察颜色。
29.图19是表格，其中针对每一测量角度，描述了通过从比较例2的显示装置以使得等离子体光的y值与在蓝色激光束的波长处或附近的光的y值的比率小于等于5％或大于100％的方式发射的蓝色激光束在空气中产生的发光体的观察颜色。
30.图20是表格，其中针对每一测量角度，描述了通过从比较例3的显示装置以使得等离子体光的y值与在红色激光束的波长处或附近的光的y值的比率小于等于5％或大于100％的方式发射的红色激光束在空气中产生的发光体的观察颜色。
31.图21是示出本发明的实施例的显示装置的控制系统的详细配置的示例的框图。
32.图22是示出本发明的实施例的彩色图像显示装置的示意性配置的示图。
33.图23是示出通过使用本发明的实施例的彩色图像显示装置来显示运动图像或三维图像的配置的示例的示图。
具体实施方式
34.在下文中，将参考附图描述本发明的一些实施例。这里，由于以下配置仅是示例，因此本领域技术人员可以在不背离本发明的精神的情况下适当地修改配置的细节部分。另外，实施例的数值是示例。
35.在下面的第一和第二实施例中，将描述通过使用可见激光束在空气中形成原色像素的配置。在空气中显示有色图像所需的原色像素的颜色等于激光束的发光颜色。在第三实施例中，将描述彩色图像显示装置。彩色图像显示装置包括多个激光照射装置，每个激光照射装置在第一和第二实施例中进行了描述，并且发射具有三原色r，g和b中的相应一个的可见激光束。第三实施例的彩色图像显示装置用激光束照射位于像素的显示位置附近的照射点；并且通过使用加色混合在显示位置处形成具有任何发光颜色的有色像素。
36.第一实施例
37.激光照射装置
38.本实施例的显示装置(图像形成装置)使用预定波长范围内的激光束，特别是可见光的波长范围内的激光束；并允许观察者在视觉上识别激光束的发光颜色。这里，预定波长范围或可见光的波长范围可以根据定义和观察者的个体差异而变化。因此，在本实施例中，可见光的波长范围被定义为大于等于380nm且小于等于780nm的范围。但是，即使后述的值在预定波长范围(可见光的波长范围)内在在预定波长范围(可见光的波长范围)内在的范围内变化，通过实现与稍后描述的示例相同的配置或控制仍将产生大致相同的效果。本实施例不同于常规技术，常规技术使用不可见激光束产生等离子体以用于显示图像，或者使用不可见激光束产生空气波动而不产生等离子体，并且使用可见激光束使位于波动中的照射点着色。
39.在本实施例中，在空气中、即在大气(空气)气体中产生的颜色是可见激光束的颜色。原则上，在空气中的位置处形成由激光束产生的红色、绿色和蓝色的发光体。这些位置彼此相同或彼此靠近。因此，每个像素用作全色显示像素，并且以这种方式形成的多个像素可以显示三维图像。在本实施例中，作为实现全色显示像素的基础，通过使用单色激光束形成显示像素的配置和控制将被描述。
40.用于显示图像的激光器优选地是高功率激光器，即短脉冲激光器。已知的短脉冲激光器是固体激光器、光纤激光器、半导体激光器或气体激光器。在这些激光器中，诸如固体激光器和光纤激光器的激光器是优选的，因为它们具有良好的激光器稳定性。
41.显示有色图像的机制
42.这里，将描述本实施例的用于显示三维彩色图像的机制。图1至图4示出了本实施例的显示装置(图像形成装置)的示意性配置。在图1中，激光光源101是稍后描述的可见激光束的光源。可见激光束的光源发射激光束201以在显示位置301处产生显示像素。当产生显示像素时，观察者将在视觉上识别发光体，就像发光体出现在显示位置似的。如稍后具体描述的，从显示位置发送到观察者的光的大部分是当来自激光光源101的可见激光束被弱等离子体散射时产生的散射光，该弱等离子体由可见激光束在显示位置处产生。由于观察者在视觉上将显示像素识别为就好像发光体出现，因此在说明书中可以将在显示位置处可见激光束强烈散射的空间称为发光体。另外，在本说明书中，在显示位置显示的白色以外的颜色也可以表示为有色颜色。另外，在表和图中，尽管为了便于描述可以将白色等离子体光称为无色光，但是该光不是透明的，而仅具有除上述有色颜色之外的颜色。
43.图1的激光照射装置100包括激光光源101、扩束器102、偏振片103、分束器104和聚光透镜(聚光装置)105。图1的激光束101产生可见光波长范围内的激光束201。例如，激光束201具有532nm的波长。该激光束201在视觉上被识别为绿色激光束。使激光束201入射在图1所示的光路上。光路可以由增大激光束直径的扩束器102、偏振片103、分束器(偏振光束分离器)104和聚光透镜105构成。调整光路以使得激光束203聚焦在与聚光透镜105分隔开预定距离的显示位置上。例如，显示位置与聚光透镜105的前端分隔开90mm。扩束器102使激光束201的直径增大大约十倍，并且输出激光束202。这里，当焦距改变时，扩束器102的放大率可以相应地改变。
44.在图1中，来自激光光源101的激光束的照射强度由控制单元1010控制。例如，控制单元1010控制激光光源101的驱动功率，从而控制从激光光源101发射的激光光束的照射强
度。另外，如在第二实施例中具体描述的，控制单元1010改变偏振片103中的偏振方向和扩束器102的放大率的组合，从而控制从激光光源101发射的激光束的照射强度。在图1中，激光照射装置100可包括用于控制激光照射强度的另一控制部件1021。控制部件1021可以是可以改变光透射率的组件，例如液晶快门。
45.图21示出了构成控制单元1010的控制系统的具体配置的一个示例。图21可以是pc硬件，其包括用作主控制部件的cpu 1601，以及用作存储设备的rom 1602和ram 1603。rom 1602存储用于执行稍后描述的控制过程的控制程序和常数数据。当执行控制程序时，ram 1603用作cpu 1601的工作区域。图21的控制系统与外部存储设备1606连接。外部存储设备1606可以是hdd，ssd或另一网络安装系统的外部存储设备，但是在本发明的实施例中可以不使用。
46.用于cpu 1601执行本实施例的激光功率控制的控制程序可以存储在诸如上述外部存储设备1606或rom 1602(例如，rom 1602的eeprom区域)的存储单元中。在这种情况下，用于cpu 1601执行本实施例的控制过程的控制程序可以经由网络接口1607被提供给上述存储单元，并且可以被新的(另一个)程序替换(更新)。可替代地，用于cpu 1601实现稍后描述的控制过程的控制程序可以经由诸如磁盘、光盘或闪存之类的存储部件并经由用于存储部件的驱动装置被提供给上述存储单元；并可被更新。存储用于cpu 1601实现本实施例的控制过程的控制程序的存储部件、存储单元或存储装置是存储本发明的控制过程的计算机可读存储介质。
47.cpu 1601与图1的激光光源101连接。尽管为了简化描述，在图21中激光光源101直接与cpu 1601连接，但是它可以经由已知接口与cpu 1601连接。在另一种情况下，激光光源101可以经由网络接口1607和网络1608与cpu 1601连接。
48.可以通过使用诸如有线通信标准ieee 802.3或无线通信标准ieee 802.11或802.15之类的通信标准来实现网络接口1607。cpu 1601可以经由网络接口1607与其他设备1104和1121通信。设备1104和1121可以是集中控制设备和管理服务器，其使用显示装置来执行性能的控制和记录。
49.另外，图21的控制系统包括用户界面(ui)设备1604。ui设备1604包括操作单元和显示装置。操作单元可以是诸如手持终端之类的终端，或者可以是诸如键盘、转盘、指示设备之类的设备。可替代地，操作单元可以是控制终端，其包括键盘、拨盘、指示设备等。该显示装置可以是任何显示装置，例如液晶显示器，只要该显示装置可以显示消息或图像即可。
50.ui设备1604的显示装置可以显示关于激光光源101的驱动条件的各种类型的数据。另外，ui设备1604的显示装置可以显示与通过本实施例的激光显示装置正在空气中显示的三维图像相对应的图像。在这种情况下，ui设备1604的显示装置可以显示激光光源101的驱动条件以及与正在空气中显示的三维图像相对应的图像。
51.在图21中，测量仪器1605对应于在图4中示出的包括高速照相机6、光谱仪7和热量计8的测量系统。测量装置1605可以由cpu 1601使用，其在闭环控制中确定激光照射强度。在稍后描述的第二实施例中，将详细说明测量仪器1605的高速照相机6、光谱仪7以及热量计8。
52.图2示出了光谱仪的布置。在这种布置中，聚光透镜105的照射方向(光轴方向)被定义为0
°
，并且光谱仪以20
°
，30
°
，45
°
，的观察角顺时针布置。这里，确认了在通过使用偏振
片103和分束器104来调整激光的照射能量时，存在观察者能够在视觉上识别在显示位置301产生的绿色发光体的观察范围(稍后将描述的图13)。发光体是在其中激光束被强烈散射的空间。
53.当测量绿色发光体时，获得图9的光谱。在测量中，绿色发光体由具有1500mw的激光功率的激光束产生，并使用光谱仪(例如avantes制造的avaspec-uls2048cl)在与光源分隔开50mm且测量角度为45
°
的点处(如图2所示)测量200ms的时段。在图9的光谱中，检测到532nm(其为来自光源的激光束的波长)处或附近的光谱大于具有不同波长的其它光谱。该结果与观察者沿显示(观察)方向在视觉上识别为绿色的事实相符。
54.然而，通过聚焦绿色激光束(532nm)在空气中形成绿色发光体(即，在其中激光束被强烈散射的空间)需要一定的条件。这里，在图9的光谱测量数据中，略微包含具有其它波长的可见光的成分。由于可见光的成分轻微，因此对于10,000ms(10s)的时段进行了另一次光谱测量。图10是示出测量结果的曲线图。在图10中，可知光是在宽的可见光波长范围内产生的。顺便说一下，图11是示出测量如日本专利申请公开第2003-233339号中所述的涉及闪光和冲击声的高密度等离子体发光体的结果的曲线图。比较图10和图11，由于图10的光谱与图11相似，因此可以想到在本实施例中进行的且其结果在图10中示出的测量中产生了少量的等离子体光。
55.也就是说，在空气中形成有色(例如绿色)可见发光体的条件之一是通过控制可见激光束的功率来在空气中产生弱等离子体空间。具体地，由于弱等离子体的折射率与气体(在本实施例中为空气)的折射率略有不同，因此等离子体产生光的散射场，该散射场散射有色(绿色)激光束并用作有色(绿色)发光体。因此，由于通过使用弱等离子体形成发光体，所以几乎不产生由等离子体的出现所引起的噪声。因此，显示装置也将能够在办公室或其他环境中使用，如同包括液晶显示器的普通显示装置那样。
56.本发明人对允许观察者识别有色(绿色)发光体的可见激光束的散射光强度和等离子体光的发光强度的组合进行了实验，并获得了图14所示的结果。在该实验中，本发明人在大于等于380nm且小于等于780nm的波长范围内每1nm测量发光强度，将发光强度转换为cie 1931的xyz三刺激值，并确定仅等离子体光的y值与由可见激光束产生且不包含等离子体光的散射光的y值的比率。
57.作为本发明人进行的实验的结果，为了使普通观察者能够在视觉上识别有色(绿色)的发光体，必须将激光照射条件设定为仅等离子体光的y值与从可见激光束产生且不包含等离子体光的散射光的y值的比率大于等于1％且小于等于95％。例如，如果仅等离子体光的y值与从可见激光束产生且不包含等离子体光的散射光的y值的比率小于1％，则观察者将几乎识别不到有色散射光，因为散射等离子体场很弱，因此激光束几乎不被散射。更优选地，该比率大于等于25％。当该比率在该范围内时，观察者将容易地在视觉上识别有色发光体。相反，如果仅等离子体光的y值与从可见激光束产生且不包含等离子体光的散射光的y值的比率大于95％，则有色散射光的强度变得小于白色等离子体光的强度，这是因为等离子体光的强度太大。因此，即使有色散射光被混合，观察者也将发光体的颜色识别为白色。当测量从可见激光束(如图9所示为绿色)产生并且不包含等离子体光的散射光的y值时，y值是从有色(绿色)激光束产生的散射光本身的值。因此，当使用波长为532nm的激光束时，光谱仪如图2所示布置，并且处理来自每个光谱仪的输出数据，使得采用在波长范围(在这
种情况下为522至542nm)中获得的数据段，而将其他数据视为零。这里，从522至542nm的波长范围是从比激光束的波长小10nm的值到比激光束的波长大10nm的值的范围。
58.关于仅等离子体光的y值，由于当识别有色发光体时等离子体光是轻微的，因此例如以10,000ms的累积测量时间来测量y值。然而，在该测量中，有色散射激光束的强度增加。具体地，如图10所示，散射激光束的强度的基线在约515nm至603nm的范围内增加。因此，如果在此状态下计算xyz值，则这些值将受到散射激光束的显著影响。这是因为与等离子体光的强度相比，散射激光束的强度太大。结果，散射激光束在散射激光束的波长范围内对等离子体光的光谱造成不利影响。因此，即使消除了532nm的光谱，由于基线的强度仍然太大，从剩余光谱获得的y值仍将与仅等离子体光的y值不同。作为该问题的对策，执行以下过程以仅计算等离子体光的y值。首先，检查来自光谱仪的光谱，并确定一个波长。具体而言，比该波长长10nm的波长处的光强度(即，本实施例中的计数值)是该波长处的光强度的两倍。在本实施例中进行的实验中，计数值在515nm处为1061，在505nm处为521。
59.然后，检查来自光谱仪的光谱，并确定另一波长。具体而言，比该另一波长长10nm的波长处的光强度(即，本实施例中的计数值)是该另一波长处的光强度的一半。在本实施例中进行的实验中，计数值在603nm处为1190，在613nm处为212。当激光束的波长是532nm时，基线的宽度通过累积而增加，至515nm至603nm的范围。
60.如果去除基线中从515到603nm的光谱并将其设置为零，则从所得光谱获得的y值将变得低于仅等离子体光的y值。因此，为了获得仅等离子体光的计数曲线(例如，图11)，执行以下过程。首先，在波长为505nm的计数值与波长为613nm的计数值之间绘制直线501。然后，通过使用直线501，在从505nm的波长到613nm的波长的范围内每1nm确定计数值。在本实施例的图10中，由于对于比测量有色散射激光束的时间段(图9)长50倍的时间段进行了测量，因此将各波长的计数值除以50，然后计算xyz值以用于确定仅等离子体光的y值。
61.这里，如果等离子体光的强度高并且有色散射激光束的强度低于等离子体光的强度，则测量时间可能不会变长。顺便提及，cie 1931的xyz值(三刺激值)是指示在可见光的波长范围内的光的红色，绿色和蓝色的强度的指标。指标是根据人眼的敏感性通过实验确定的值。特别地，y值是指示颜色亮度的指标。
62.在本实施例中，每个显示状态不是通过每个波长下的光强度被评估的，而是通过xyz三刺激值被评估的，这是因为需要由人类在视觉上识别该状态。因此，xyz三刺激值对于人类表达颜色和光强度的手段是最佳的。
63.接下来，将描述从发光体发出的光的方向依赖性。在本实施例中，如图2所示，前向散射方向402相对于聚光透镜105的光轴方向具有大于等于0
°
且小于30
°
、以及大于330
°
且小于等于360
°
的角度范围。另一方面，在本实施例中，图2的显示角度范围401是如下的优选范围，在该优选范围中可以以高的颜色纯度观察在显示位置301处散射的激光束。具体地，显示角度范围401是除了上述前向散射方向402之外的范围，并且大于等于30
°
且小于等于330
°
。
64.在通过使用不可见激光束产生等离子体光的实验中，本发明人确认，当从上述前向散射方向观察在空气中产生的等离子体光时，没有观察到等离子体的光白色，而是观察到绿色。绿色的光的波长约为500nm。当空气中的氮和氧的原子或分子进入等离子体状态时，可能会产生发光颜色，但是为何等离子体光的颜色在前向散射方向上变为绿色的原因
尚不清楚。然而，从该实验中可以理解，显示方向(观察方向)对于控制显示颜色是重要的。
65.例如，当在前向散射方向上观察通过使用绿色激光束产生的发光体时，在532nm处的散射激光束和在约500nm处的等离子体光相互混合。由于空气的组成而产生等离子体光。因此，尽管发光像素显示绿色颜色，但是发光像素的xy值不同于绿色激光束的xy值。由于发光颜色与激光束的预期颜色不同，因此难以产生期望的颜色。另外，当在前向散射方向上观察通过使用另一有色激光束(例如红色或蓝色)产生的发光体时，该前向散射方向相对于激光照射方向具有大于等于0
°
且小于30
°
、以及大于330
°
且小于等于360
°
的角度范围，散射激光束与约500nm处的等离子体光(由于空气的组成而产生)相互混合，可能会降低所显示颜色的纯度。
66.因此，在本实施例中，显示方向被定义为除了前向散射方向之外的范围，该前向散射方向相对于激光照射方向大于等于0
°
且小于30
°
、以及大于330
°
且小于等于360
°
。显示方向可以防止颜色混合，并且允许观察者将发光体的颜色识别为来自显示装置的有色激光束的颜色。
67.因此，在本实施例中，如图2所示，显示方向优选地大于等于30
°
且小于等于330
°
。在如图2所示的光轴的布置中，可以布置导向器以限定观察者可以在其中在视觉上识别发光体的区域。在这种情况下，该区域被限定为使得观察者仅在例如大于等于30
°
且小于等于135
°
、以及大于等于225
°
且小于等于330
°
的角度范围内观察发光体。可替代地，在如图2所示的光轴的布置中，可以布置遮蔽装置以限定观察者可以在其中在视觉上识别发光体的区域。另外，在这种情况下，区域被限定为使得观察者在大于等于30
°
且小于等于135
°
、以及大于等于225
°
且小于等于330
°
的角度范围内观察发光体。该遮蔽装置可以是遮蔽壁、遮蔽板或遮光板。
68.通过这种遮蔽装置的布置，可以将发光体的颜色识别为来自显示装置的有色激光束的发光颜色，而不受有色散射激光束与空气中产生的等离子体光的颜色混合的影响。相反，日本专利申请公开第2009-186654号利用在上述前向散射方向上的颜色混合来在液体中显示图像。然而，为了在空气中形成图像，本发明的图像形成装置的显示方向是合适的。
69.发光体的光谱测量
70.通过使用光谱仪(例如，avantes制造的avaspec-uls2048cl)作为测量仪器来测量以上述方式在空气中产生的发光体。在该测量中，以图2所示的测量角度中的每一个测量每个波长下的光强度。由于除了激光束波长以外的各波长下的光强度都非常低，因此每1nm进行测量。这里，尽管从光谱仪输出的每个波长下的光强度是计数值，因此不同于亮度，但是该计数值可以用作光强度。
71.在该测量中，将激光照射方向(即，聚光透镜105的光轴方向)定义为0
°
，并且以20
°
，30
°
，45
°
，90
°
，135
°
，225
°
，270
°
，315
°
，330
°
和340
°
的角度进行测量。另外，尽管图2示出了在包括光轴的平面中定义的角度，但是可以在围绕光轴形成的圆的圆周方向上定义用于测量(或观察)的角度。这里，在围绕光轴形成的圆的圆周方向上定义的并且用于测量(或观察)的角度无意于限制本发明。
72.cie xyz三刺激值和xy的计算
73.xyz三刺激值是通过用通过光谱测量并且在大于等于380nm且小于等于780nm的波长范围内获得的计数值取代cie数值而计算得到的。在计算中，使用了(cie 1931 2-deg，
xyz cmfs)的颜色匹配函数，并且每1nm对数据进行积分。
74.通过使用下式(1)和(2)从xyz值计算xy值。
[0075][0076][0077]
在式(1)和(2)中，参数x和y表示颜色，并且通过使用cie xy色度图(图12)确定本实施例的发光体的颜色。在本实施例中，在xy色度图(图12)中，当x在0.24至0.40的范围内并且y在0.24至0.41的范围内时，获得白色(无色)颜色。另外，当x在0.50至0.74的范围内且y在0.20至0.35的范围内时，获得红色；当x在0至0.23的范围内且y在0.40至0.84的范围内时，获得绿色；并且当x在0.16至0.30的范围内并且y在0至0.30的范围内时，获得蓝色。在此，图12所示的cie xy色度图最初旨在通过使用颜色表示在坐标系中示出颜色。然而，在本实施例的图12中，为了在图中使用黑白色表示，大致限定的白色(无色)，红色，绿色和蓝色的区域在色度图中分别由字母“w”，“r”，“g”和“b”指示。
[0078]
空气中显示图像
[0079]
当用激光束扫描空气中的某个区域以在空气中形成图像时，可以使用如图3所示的激光照射装置100。在图3中，两个反射镜装置106可以是数字检流计扫描器(例如，佳能公司(canon inc.)制造的gm-1020)。另外，用于反射镜装置106的马达驱动器可以是佳能公司制造的gc-211。在激光照射装置100的基本配置中，有色激光束的直径被扩束器102增大，并且经扩展的激光束被聚光透镜105聚焦，该聚光透镜105具有与期望的显示位置301相对应的焦距。通过该操作，在显示位置301处形成可见图像，即有色(非白色)显示像素。
[0080]
布置在光束路径上的反射镜装置106将焦点移动到空气中的期望位置，从而在空气中形成图像。反射镜装置106可以是检流计镜或多面镜。另外，当在空气中形成2-d或3-d图像时，可以使用用于改变焦距的变焦透镜或可动透镜来改变显示位置的距离。可替代地，除了上述作为示例的配置之外的另一配置可以用于控制显示位置。
[0081]
在下文中，将描述如下条件，该条件可以在显示位置处形成具有与来自激光光源的r(红色)，g(绿色)或b(蓝色)的可见激光束的颜色基本上相同的颜色的显示像素，并允许观察者观察显示像素的颜色。
[0082]
在以下示例1至3和比较例1至3中，使用了以下激光光源中的任何一个。
[0083]
激光光源l1
[0084]
颜色：绿色
[0085]
波长：532nm(短脉冲激光)
[0086]
峰值功率：100kw
[0087]
能量：60μj
[0088]
重复频率：45khz
[0089]
脉冲宽度：650ps
[0090]
产品名称：hng-50f(autex inc.制造)
[0091]
激光光源l2
[0092]
颜色：蓝色
[0093]
波长：447nm(短脉冲激光)
[0094]
峰值功率：100kw
[0095]
能量：60μj
[0096]
重复频率：45khz
[0097]
脉冲宽度：650ps
[0098]
产品名称：hng-50f(autex inc.制造)
[0099]
激光光源l3
[0100]
颜色：红色
[0101]
波长：635nm(短脉冲激光)
[0102]
峰值功率：100kw
[0103]
能量：60μj
[0104]
重复频率：45khz
[0105]
脉冲宽度：650ps
[0106]
产品名称：hng-50f(autex inc.制造)
[0107]
示例1
[0108]
在该示例中，在改变绿色激光光源l1的激光功率的同时在45
°
的角度测量其他光谱曲线。另外，在图2所示的角度测量光谱曲线。具体地，发射激光束，并且通过调整偏振片和分束器来改变焦点处的能量。此时，比较等离子体光的y值和在从522至542nm范围内的发光体的y值(发光体的测量位置为45
°
，发光体的距离为50毫米)。激光功率为1500mw。
[0109]
发光体能够在30
°
至330
°
的角度范围内被识别为绿色发光体。图15示出根据发光体的xy值计算出的发光体的xyz值(xyz值包括散射激光束的值和等离子体光的值)。如图15所示，所识别的发光颜色全部在绿色范围内(在绿色范围内，x在0至0.23的范围内，并且y在0.40至0.84的范围内)。此外，通过使来自发光体的等离子体光的y值与在激光束的波长处或附近的散射激光束的y值具有适当的比率，观察者可以视觉上识别发光体不具有白色光，但是具有激光束的发光颜色(例如绿色)。
[0110]
在角度为20
°
的观察方向上(图15中的左边缘)，虽然观察到绿色，但是除了532nm(其是激光束的主波长)的光以外，还测量了约500nm的光。因此，没有观察到纯绿色，而是观察到两种颜色的混合色，并且混合色的xy值更接近蓝色的xy值。当通过使用红色、绿色和蓝色形成全色图像时，这种颜色混合使得难以调整颜色。因此，在本实施例中，不使用相对于作为照射方向(聚光透镜105的光轴方向)的0
°
定义的-30
°
到 30
°
的观察角。为此目的，设置诸如遮蔽壁、遮蔽板或遮光板之类的遮蔽装置以将在其中观察者可以在视觉上识别发光体的观察视野限制为大于等于30
°
且小于等于135
°
、以及大于等于225
°
且小于等于330
°
的范围。
[0111]
此外，即使仅等离子体光的y值与不包含等离子体光的散射可见激光束的y值的比率在大于等于0
°
且小于30
°
以及大于330
°
且小于等于360
°
的前向散射方向上超过95％，观察到的颜色在大于等于30
°
且小于等于135
°
以及大于等于225
°
且小于等于330
°
的范围内不会变成白色。这是因为发生了前述现象并且没有产生等离子体光的白色。
[0112]
当在图15的照射条件下形成绿色显示像素时，几乎不发生噪音。具体地，当用精密声级计(例如，aco co.，ltd制造的type6224)在与发光体分隔开1m的位置处测量声压级时，
声压级为40db或更小。另外，图3的装置还能够通过经由检流计镜用激光束扫描空气中的区域而形成绿色显示像素，并通过使用绿色显示像素在空气中形成图像。
[0113]
示例2
[0114]
除了使用上述蓝色激光光源l2以外，示例2的条件与示例1相同。具体地，从激光光源l2发射激光束，并且通过调整偏振片和分束器来改变焦点处的能量，使得来自发光体的等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率小于等于95％。结果，在图2的从30
°
至330
°
的观察角度中在视觉上识别出蓝色发光体。图16示出位于显示位置的发光体的xy值。xy值由xyz值计算得出。如图16所示，所识别的发光颜色全部在蓝色范围内(在蓝色范围内，x在0.16至0.30的范围内，并且y在0至0.30的范围内)。
[0115]
在20
°
的观察角处，观察到作为蓝色和绿色的混合色的蓝绿色(图16中的左边缘)。具体地，除了在作为激光束的主波长的447nm的光之外，还发射了在大约500nm的光，因此观察到的颜色不是纯蓝色，而是蓝色和绿色的混合色。xy值从蓝色的值转向蓝绿色的值。因此，即使当使用蓝色激光光源时，在角度处观察到的颜色也包括绿色，这是因为空气中的气体(例如氮气)的原子或分子产生等离子体光。
[0116]
如示例2中所见，允许观察者在视觉上识别具有既不是混合色也不是白色的激光束的颜色(例如，蓝色)的发光体的观察角度范围与用于绿色激光束的观察角度范围是相同的。观察角度范围是相对于0
°
的照射方向大于等于30
°
且小于等于135
°
、以及大于等于225
°
且小于等于330
°
的范围。因此，观察角度在除-30
°
至 30
°
的角度范围之外的范围内。
[0117]
即使在如图16所示的用于蓝色激光束的照射条件下，几乎不产生噪音。具体地，当用精密声级计(例如，aco co.，ltd制造的type6224)在与发光体分隔开1m的位置处测量声压级时，声压级为40db或更小。另外，图3的装置还能够通过经由检流计镜用激光束扫描空气中的区域而形成蓝色显示像素，并通过使用蓝色显示像素在空气中形成图像。
[0118]
示例3
[0119]
除了使用上述红色激光光源l3以外，示例3的条件与示例1相同。具体地，从激光光源l3发射激光束，并且通过调整偏振片和分束器来改变焦点处的能量，使得等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率小于等于50％。结果，在图2的从30
°
至330
°
的观察角度中在视觉上识别出红色发光体。图17示出位于显示位置的发光体的xy值。xy值由xyz值计算得出。如图17所示，所识别的发光颜色全部在红色范围内(在红色范围内，x在0.50至0.74的范围内，并且y在0.20至0.35的范围内)。
[0120]
在20
°
的观察角处，观察到作为红色和绿色的混合色的黄色(橙色)。具体地，除了在作为激光束的主波长的635nm的光之外，还发射了在大约500nm的光，因此观察到的颜色不是纯红色，而是红色和绿色的混合色。xy值从红色的值转向黄色的值。因此，即使当使用红色激光光源时，在角度处观察到的颜色也包括绿色，这是因为空气中的气体(例如氮气)的原子或分子产生等离子体光，如上所述。
[0121]
如在示例3中可以看到的，允许观察者在视觉上识别具有既不是混合色也不是白色的激光束的颜色(例如，红色)的发光体的观察角度范围与用于绿色激光束的观察角度范围是相同的。观察角度范围是相对于0
°
的照射方向大于等于30
°
且小于等于135
°
、以及大于等于225
°
且小于等于330
°
的范围。因此，观察角度在除-30
°
至 30
°
的角度范围之外的范围内。
[0122]
即使在如图17所示的用于红色激光束的照射条件下，几乎不产生噪音。具体地，当用精密声级计(例如，aco co.，ltd制造的type6224)在与发光体分隔开1m的位置处测量声压级时，声压级为40db或更小。另外，图3的装置还能够通过经由检流计镜用激光束扫描空气中的区域而形成红色显示像素，并通过使用红色显示像素在空气中形成图像。
[0123]
比较例1
[0124]
图18示出了比较例1中的评价结果。在比较例1中，使用了绿色激光光源l1和示例1的光学系统。具体地，从激光光源l1发射激光束，并且通过调整偏振片和分束器改变焦点处的能量，使得等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束y值的比率大于95％。结果，在30
°
至330
°
的观察角范围内在视觉上识别到无色(白色)发光体。另外，图18示出了根据xyz值计算出的xy值。xy值全都在无色(白色)的范围内，该范围与绿色的范围不同。也就是说，即使使用绿色激光束，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率超过约95％时，观察到的颜色也变为无色。
[0125]
在20
°
的角度(图18中的左边缘)，观察到绿色。具体地，不仅观察到在作为激光束的主波长的532nm的光，而且观察到在约500nm的光。观察到的光具有与激光束不同的发光颜色。以该角度获得的发光体的xy值与示例1的xy值不同。如上所述，大约500nm处的光可能是由空气元素引起的等离子体光。
[0126]
另外，研究了当形成图像时产生的噪声。结果，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率超过120％时，开始轻微听到蠕变声。此外，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率达到200％时，噪声听起来像冲击声。当用精密声级计(由aco co.，ltd制造的type6224)在与发射点分隔开1m的位置处测量噪声时，噪声水平为90db或更高。
[0127]
另外，图3的装置能够通过经由检流计镜用激光束扫描空气中的区域而形成显示像素；并通过使用显示像素在空气中形成图像。但是，整个图像是无色的(白色)。
[0128]
比较例2
[0129]
图19示出了比较例2中的评价结果。在比较例2中，使用了蓝色激光光源l2和示例1的光学系统。具体地，从激光光源l2发射激光束，并且通过调整偏振片和分束器改变焦点处的能量，使得等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束y值的比率为约120％。结果，在30
°
至330
°
的观察角范围内在视觉上识别到无色(白色)发光体。另外，图19示出了根据xyz值计算出的xy值。xy值全都在无色(白色)的范围内，该范围与蓝色的范围不同。也就是说，即使使用蓝色激光束，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率超过约95％时，观察到的颜色也变为无色。
[0130]
另外，在比较例2中，即使发出在447nm的蓝色激光束，在20
°
的观察角也观察到在约500nm的光的绿色发光颜色。如上所述，在大约500nm的光可能是由空气元素引起的等离子体光。
[0131]
另外，研究了当形成图像时产生的噪声。结果，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率超过120％时，开始轻微听到蠕变声。此外，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率达到200％时，噪声听起来像冲击声。当用精密声级计(由aco co.，ltd制造的type6224)在与发射点分隔开1m的位置处测量噪声时，噪声水平为90db或更高。另外，图3的装置能够通过经由检流计镜
用激光束扫描空气中的区域而形成显示像素；并通过使用显示像素在空气中形成图像。但是，整个图像是无色的(白色)。
[0132]
比较例3
[0133]
图20示出了比较例3中的评价结果。在比较例3中，使用了红色激光光源l3和示例1的光学系统。具体地，从激光光源l3发射激光束，并且通过调整偏振片和分束器改变焦点处的能量，使得等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束y值的比率为约120％。结果，在30
°
至330
°
的观察角范围内在视觉上识别到无色(白色)发光体。另外，图20示出了根据xyz值计算出的xy值。xy值全都在无色(白色)的范围内，该范围与红色的范围不同。也就是说，即使使用红色激光束，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率超过约95％时，观察到的颜色也变为无色。
[0134]
另外，在比较例3中，即使发射在635nm的红色激光束，在20
°
和340
°
的观察角度也观察到黄绿色。如上所述，其波长从红色光波长转向黄绿色光波长的黄绿色发射光可能是由空气的元素引起的等离子体光。
[0135]
另外，研究了当形成图像时产生的噪声。结果，同样在比较例3的照射强度的范围中，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率超过120％时，开始轻微听到蠕变声。此外，当等离子体光的y值与在激光束的主波长处或附近的散射激光束的y值的比率达到200％时，噪声听起来像冲击声。当用精密声级计(由aco co.，ltd制造的type6224)在与发射点分隔开1m的位置处测量噪声时，噪声水平为90db或更高。
[0136]
另外，图3的装置能够通过经由检流计镜用激光束扫描空气中的区域而形成显示像素；并通过使用显示像素在空气中形成图像。但是，整个图像是无色的(白色)。
[0137]
第二实施例
[0138]
等离子体形成阈值的测量
[0139]
图4示出了包括测量系统和激光功率控制系统的显示装置的配置的示例。图4的激光照射装置发射单色激光束。因此，在后述的第三实施例中，可使用图4的激光照射装置作为激光照射装置1001到1003(图22和图23)中的每一个。另外，从后述的第三实施例的彩色图像显示装置发射的并具有rgb的三种颜色的激光不沿同一轴行进，在假想的显示像素的周围并且在不同位置形成激光束聚焦于其上的照射点。因此，由于后述的各激光照射装置1001到1003(图22和图23)中的每一个包括以下的测定系统，因此，用于各rgb颜色的照射系统能够独立地控制激光照射强度。该特征是使用照射点的激光照射系统的优点之一，该照射点在空间上是独立的并且没有布置在同一轴线上，如第三实施例中所述。
[0140]
图4的激光光源1可以是yag激光器，可见激光束的波长是532nm，是二次谐波。来自激光光源1的激光的脉冲宽度为0.65ns，重复频率为12khz，在光束输出部测量的光束直径为2mm。另外，由激光光源1产生的激光束是s偏振激光束。来自激光光源1的激光束被发送到扩束器2。
[0141]
在扩束器2之后，布置了半波片3和偏振分束器(pbs)4，以控制激光能量和用于显示图像的偏振分量。半波片3可以是可变的半波片，其被旋转以选择光束被偏振的期望角度。半波片3的旋转角度由控制单元1010的cpu 1601控制。当半波片3相对于半波片3的光轴以旋转角度θ旋转时，偏振面的角度为2θ。以这种方式，半波片3将由激光光源1产生的s偏振激光束改变为具有p偏振分量的激光束。偏振分束器(pbs)4是使p偏振分量朝着输出方向透
射而完全反射s偏振分量的光学元件。
[0142]
因此，控制单元1010的cpu 1601控制半波片3的旋转角度，从而改变从偏振分束器(pbs)4输出的激光束的能量。作为替代，控制单元1010的cpu 1601可以改变激光光源1的驱动条件，以改变聚焦在显示位置bp上的激光束的功率。在另一种情况下，如图1所示，激光照射装置100可以包括用于控制激光照射强度的另一控制部件1021。控制部件1021可以是可以改变光透射率的组件，例如液晶快门。因此，上述组件中的任何一个都可以用于控制激光照射强度，以形成具有期望颜色并且位于显示位置bp处的显示像素。
[0143]
另外，图4的激光照射装置100可以包括扩束器2和聚光透镜5，用于在空气中在显示位置bp处形成显示像素(在显示位置处，在激光照射装置100与显示位置bp之间获得期望的距离)。扩束器2是增大激光束的直径的光学元件，并且在本实施例中放大率为9。聚光透镜5的焦距为60mm。当改变激光照射装置100与在该处形成显示像素的显示位置bp之间的距离时，可以使用在其中通过马达等控制聚光透镜5的变焦光学系统来改变焦距。因此，通过使用上述组件中的任何一种或任意组合来控制激光照射强度，激光束的能量被调整并且由聚光透镜5聚焦在显示位置bp上，以在显示位置bp处形成高能量密度区域。
[0144]
如图9所示的激光照射强度通过包括在图4的配置中布置的高速照相机6、光谱仪7和热量计8作为测量仪器的测量系统被测量。然而，在用于显示图像的显示装置的实际使用中，可以在通过预先进行的实验而确定的激光驱动条件下，开环控制显示位置bp处的激光照射强度。
[0145]
另外，在实际操作的显示装置中，可以布置诸如高速照相机6、光谱仪7和热量计8之类的测量仪器，并且可以闭环控制显示位置bp处的激光照射强度。在此，关于空气(大气)中的等离子体形成的条件可能受到大气压力、温度，湿度和来自激光光源1的激光束的波长的影响。因此，上述测量系统的布置对于闭环控制(在显示位置bp处测量的)激光照射强度是重要的。
[0146]
高速照相机6被用于观察产生的等离子体状态。光谱仪7是纤维探针高速光谱仪(例如由avantes制造的avaspec-uls2048cl)，以针对每个波长测量从发射点发送的光的强度。热量计8测量在焦点处产生的激光功率(通常可以称为激光能量)，并将在一定的测量时间内获得的测量结果表示为激光能量值w[j/s]。原则上，热量计8吸收激光并将其转换为热以测量激光束的功率。例如，热量计8可以是其中由ophir optronics制造的传感器主体la40(150)a附接到诸如starbright的控制和显示单元的计量器。
[0147]
在下文中，将描述计算与等离子体形成阈值相对应的激光束的功率密度i[w/m2]的方法。功率密度通常可以称为能量密度。首先，将热量计8的测量值除以脉冲激光束的重复频率f[hz]，以获得每脉冲的能量值j[j]。然后，将能量值j除以脉冲宽度[s]，以获得激光束的峰值功率值pp[w]。这里，由于激光束脉冲的上升和下降非常陡峭，所以通过将能量值j除以脉冲宽度[s]而获得的平均功率值基本上等于峰值功率值pp。然后，将峰值功率值pp除以在焦点处获得的光束光斑面积s以获得能量密度(w/m2)。可以通过使用基于刀刃的光束轮廓仪(例如，coherent，inc制造的beammaster-usb)来测量光束光斑面积s。由于基于刀刃的光束轮廓仪的分辨率为0.1μm，因此它可以测量甚至几微米的光束直径。激光束光斑的直径可以使用下式计算：
[0148]
d＝4fλm2/nπd
[0149]
其中d[μm]是激光束光斑的直径，f[mm]是聚光透镜的焦距，λ[μm]是激光束的波长，d[mm]是在激光束被聚光之前获得的激光束的直径值，m2是光束质量，n是空气的折射率。因此，可以通过使用直径d和下式来计算激光束光斑面积s：
[0150]
s＝π
·
(d/2)2[0151]
是否产生等离子体可以在激光焦点处被视觉识别，或者可以通过使用上述光纤探针高速光谱仪7检测入射激光束的散射光谱来识别。
[0152]
在图4的布置中，热量计8布置在显示位置bp的前面。然而，当例如在预备实验中实际测量激光能量时，热量计8可以设置在聚光透镜5的输出部分处以用于测量激光功率。因此，可以通过调整在聚光透镜5的输出部分处测量的激光能量来识别与等离子体形成阈值相对应的能量。
[0153]
图5示出了在显示位置bp处产生、在图4的配置中并且通过光谱仪7在2ms的累积时间中获得的激光束(波长：532nm)和其他成分的能量的光谱。在图5中，仅观察到散射的激光束。然而，如图6所示，在光谱仪7中在1秒的测量时间内，观察到宽范围的发射光谱，包括在作为入射激光束的波长的532nm处的光谱。该宽发射光谱是当产生等离子体时获得的特征发射光谱。
[0154]
当通过使用图4的装置来测量发射光谱对于入射激光束的能量的依赖性时，对应于等离子体形成阈值的能量为1.1w。此外，当未观察到等离子体光时，也未观察到从在532nm的入射激光束产生的散射激光束。即，等离子体光是通过散射入射激光束来形成(有色)显示像素所需要的。当将等离子体形成阈值计算为在显示位置处获得的每脉冲能量密度的峰值时，其为2.6tw/cm2。随着入射激光束沿聚光透镜5的光轴行进，聚光透镜5使入射激光束的横截面面积减小得更多。当横截面面积减小的激光束的功率密度在显示位置bp处超过上述阈值时，在显示位置bp处出现弱等离子体，使可见激光束散射。
[0155]
散射光强度与激光束功率之间的关系
[0156]
图7示出了随激光束功率而变化的散射光强度。散射光强度是从入射激光束产生的散射激光束的强度，并且激光束功率是从激光光源1发射的通过聚光透镜5的激光束的功率。如图7中所示，由竖轴表示的散射光强度在约1w的激光束功率处升高，并且在约2至4(或5)w的激光束功率范围中变得稳定。在激光束功率大于等于4(或5)w的范围中，由竖轴表示的散射光强度趋于再次上升。另一方面，图8示出了在等于图7的激光束功率的范围的范围内测量的等离子体光(380nm)的强度。如图8所示，等离子体光的强度趋于随着激光束功率的增加而单调增加。
[0157]
如从图7和8中可以看出，在上述配置中，优选地，在大约1-2w的范围内选择激光束功率。这是因为，在该范围内，散射激光束的强度升高并且变得稳定，而等离子体光的强度不高。
[0158]
图13示出了通过使用图4的配置进行的实验的结果的一个示例。在该实验中，来自激光光源1的激光束的波长是532nm(即，yag激光器中的二次谐波)，激光束的脉冲宽度是0.65ns，并且扩束器2的放大率为9。另外，在光束位置固定在空气中的状态下，通过使用光纤高速光谱仪7以1ms的获取时间来对于散射激光束的强度连续测量10s。此时，观察到了发光体。图13示出了当改变激光功率时如何在视觉上识别发光体。
[0159]
如图13所示，当通过cpu 1601控制激光照射强度以使显示位置处的功率密度在大
于等于等离子体形成阈值的1.5倍且小于等于等离子体形成阈值的4倍的范围内时，可以获得可被可视地和稳定地识别的散射激光束的强度。通过该控制，可以在显示位置bp处形成具有期望的(绿色)颜色的发光体，从而稳定地显示发光颜色。另外，当通过使用图3的扫描系统并用激光束扫描空气中的区域而形成有色图像时，能够以良好再现性产生目标颜色。
[0160]
可以根据激光光斑直径、脉冲宽度和从激光照射装置发射的激光束的波长中的至少一个来设置上述等离子体形成阈值。
[0161]
这里，可能影响散射光强度的其他因素包括从激光光源产生的激光束功率的稳定性、由光学系统中的变化引起的光束形状的变化、空气的组成、以及温度和湿度。但是，如果图4所示的测量系统(高速照相机6、光谱仪7和热量计8)甚至设置在实际使用的显示装置中，并且被控制为使得激光照射强度在上述范围内，则用于显示图像的散射光强度和发光颜色将变得稳定。在这种情况下，可以根据图4中所示的测量系统(高速照相机6、光谱仪7和热量计8)的输出，在显示图像的同时闭环控制激光照射强度。在另一种情况下，可以在最初安装显示装置或在显示装置上进行维护的定时，根据图4中所示的测量系统(高速照相机6、光谱仪7和热量计8)的输出，在显示图像的同时闭环控制激光照射强度。
[0162]
第三实施例
[0163]
在以上描述中，已经描述了形成用于在空气中显示有色图像所需的原色像素的配置。通过使用可见激光束形成原色像素，并且该像素的颜色与激光束的单一发光颜色相同。在下文中，将描述独立控制并发射具有rgb的三种原色的可见激光束的激光照射装置。下述的彩色图像显示装置以具有rgb的三种原色的相应激光束照射位于像素的显示位置附近的照射点，并且通过使用加色混合在显示位置处形成具有任何发光颜色的有色像素。
[0164]
装置配置
[0165]
如图22和图23所示，本实施例的彩色图像显示装置包括激光照射装置1001、1002和1003。激光照射装置1001、1002和1003中的每一个具有与在第一和第二实施例的图1至图4中示出的激光照射装置100相同的基本配置。例如，来自激光照射装置1001的激光光源的激光束的波长为532nm(绿色)，来自激光照射装置1002的激光光源的激光束的波长为635nm(红色)，并且来自激光照射装置1003的激光光源的激光束的波长是447nm(蓝色)。
[0166]
图22和23所示的彩色图像显示装置以具有不同颜色的相应光束照射位于像素的显示位置附近的照射点；并通过将散射光束彼此混合的加色混合在显示位置形成全色显示像素。这里，在本实施例中，由于人类观察到来自全色显示像素的发光颜色，因此来自在空气中形成的全色显示像素的发光颜色处于人类可见光的波长范围内。在本实施例中，激光束具有基本上是红色(r)，绿色(g)和蓝色(b)的发光颜色，并且通过使用激光束根据加色混合来显示任何颜色。这里，由于上述用于发光颜色的波长是示例，因此根据装置的用途可以使用不同的波长，作为用于根据加色混合而显示图像的可见激光束的波长。
[0167]
如在第一和第二实施例中所述，当激光照射装置1001发射具有在532nm的发光颜色(绿色)的激光束时，控制激光功率以使得等离子体光的强度被抑制。通过该控制，显示像素可以形成为使得与激光束的发光颜色的颜色偏差被抑制。在这种情况下，适合于显示像素的观察方向是如图2所示的方向。
[0168]
例如，激光照射装置1001以具有1500mw的激光功率的激光束照射与光源分离50mm的照射点。当使用光谱仪(avaspec-uls2048cl)在45
°
的角度对在照射点处产生的发光体进
行200ms的测量时，在发射光谱中532nm的激光束的波长处出现峰值，如图5所示。另外，在照射点(显示位置)处由波长为635nm并从激光照射装置1002发射的红色激光束形成的显示像素处，约635nm的光被强烈地散射。此外，在照射点(显示位置)处由波长为447nm并从激光照射装置1003发射的蓝色激光束形成的显示像素处，约447nm的光被强烈地散射。
[0169]
如图22和23所示，来自激光照射装置1001、1002和1003的激光束分别聚焦在照射点1011、1012和1013上，照射点1011、1012和1013围绕显示位置3010的中心点p定位并且彼此不同。然后，在照射点1011、1012和1013的每一个处产生弱等离子体，并且具有r，g和b的颜色的激光束分别被弱等离子体散射，使得r，g和b的发光体在相应照射点附近形成。
[0170]
中心点p与照射点1011、1012和1013之间的距离具有很小的值，例如，在1毫米到数毫米的范围内，但是它根据观察者与发光体之间的观察距离而变化。通过这种布置，观察位于显示位置3010处的发光体的观察者将把发光体识别为具有rgb的混合颜色的发光体。
[0171]
例如，当红色光与绿色光混合时，将根据加色混合的原理获得淡黄色的显示颜色。显示原理与应用于二维显示的原理相同。即，在后者的原理中，即使在微观上斑点的颜色彼此不重叠，当具有颜色的斑点彼此足够接近并且观察者在与斑点相距适当距离的位置处观察斑点时，观察者会将这些颜色识别为另外混合颜色。
[0172]
另外，图22和图23所示的彩色图像显示装置可以适当地调整与各颜色对应的并且在各照射点1011、1012、1013产生的散射光强度和等离子体区域；因此可以在空气中形成可以显示任何颜色的有色像素。可以通过调整激光照射装置1001、1002、1003的输出来控制照射点1011、1012、1013处的散射光强度。另外，可以通过调整各聚光透镜1051、1052和1053的聚焦水平来控制发光体的大小(图23)。
[0173]
观察者与其颜色被识别为一种颜色的发光体之间的最小距离根据显示系统的发射强度和大小而变化，在该最小距离中颜色没有彼此分离以及另外相互混合。然而，当观察者与发光体分隔开发光颜色彼此影响的距离时，可以获得加色混合的效果。
[0174]
例如，当通过用波长为532nm(例如，yag激光束中的二次谐波)、脉冲宽度为650ns、并且激光功率为1500mw的激光束照射照射点，并且通过使用放大率为9的扩束器2(图4)，在照射点处形成发光体时，在照射点处的发光体的大小将为数毫米或更小。因此，为了使多种发光颜色相互影响，将具有不同颜色的发光体彼此更靠近地布置，使得发光体之间的距离小于发光体的大小。
[0175]
空气中显示3d或运动图像
[0176]
在本发明中，为了在空气中显示3-d或运动图像，使用图23所示的照射控制装置作为图像形成部件。图23的照射控制装置改变从各激光照射装置1001、1002、1003发射的激光束的照射方向和/或图像形成距离，从而在气体(空气)中的任何位置处定位显示位置3010。
[0177]
为了将显示位置3010定位在空气中的任何位置，照射控制装置使得扫描装置1061、1062和1063用从激光照射装置1001、1002和1003发射的激光束同步扫描空气中的区域，并且移动照射点1011、1012和1013的位置。用于激光照射装置1001、1002和1003的扫描装置1061、1062和1063可以是检流计镜或多面镜，如参照图3所描述的那样，
[0178]
另外，为了控制显示距离，可以使用激光照射装置1001、1002和1003的聚光透镜1051、1052和1053。聚光透镜1051、1052和1053是可变焦距变焦系统，并且分别对应于图1和图3的聚光透镜105、以及图4的聚光透镜5。通过控制装置(图21的cpu 1601)经由马达等来
控制聚光透镜1051、1052和1053的变焦量。
[0179]
因此，图23的配置可以显示位置3010(其为空气中的任何三维位置)处形成具有任何显示颜色的显示像素。另外，图23的配置可以通过控制扫描装置1061、1062和1063以及聚光透镜1051、1052和1053，并且通过顺序改变显示像素的位置，在空气中形成图像。图像可以是其形状根据观察方向而变化的2d图像或三维(3d)图像。
[0180]
图23的配置使照射点1011、1012和1013彼此更靠近，以达到各个观察颜色在显示位置3010处彼此影响的程度，从而允许观察者在视觉上识别其中具有不同颜色的散射光束以任何比例相互混合的显示颜色。另外，图23的配置可以对要用不同颜色的激光束照射的照射点1011、1012和1013进行微调。具体地，可以通过扫描装置1061、1062和1063使照射点1011、1012和1013彼此更靠近或远离。通过该操作，可以改变发光体的颜色和亮度。
[0181]
在下文中，将描述示例4、5和6以及比较例4。在那些示例中，将两种颜色的激光束彼此混合以更具体地研究由图22或23的彩色图像显示装置执行的颜色混合。在以下示例和比较例中，激光照射装置1001、1002和1003的激光光源(l1，l2和l3)被如下地配置。这里，扩束器2(图4)的放大率为9。另外，在以下的示例和比较例中，上述光谱仪(avaspec-uls2048cl)被用于光谱测量。
[0182]
激光光源l1
[0183]
颜色：绿色
[0184]
波长：532nm(短脉冲激光)
[0185]
峰值功率：100kw
[0186]
能量：60μj
[0187]
重复频率：45khz
[0188]
脉冲宽度：650ps
[0189]
产品名称：hng-50f(autex inc.制造)
[0190]
激光光源l2
[0191]
颜色：蓝色
[0192]
波长：447nm(短脉冲激光)
[0193]
峰值功率：100kw
[0194]
能量：60μj
[0195]
重复频率：45khz
[0196]
脉冲宽度：650ps
[0197]
产品名称：hng-50f(autex inc.制造)
[0198]
激光光源l3
[0199]
颜色：红色
[0200]
波长：635nm(短脉冲激光)
[0201]
峰值功率：100kw
[0202]
能量：60μj
[0203]
重复频率：45khz
[0204]
脉冲宽度：650ps
[0205]
产品名称：hng-50f(autex inc.制造)
[0206]
示例4
[0207]
分别用来自激光照射装置1001的激光束(绿色)和来自激光照射装置1002的激光束(红色)照射照射点1011和1012。具体地，照射点1011和1012被激光束照射为使得在照射点1011和1012处激光功率密度超过等离子体形成阈值。照射点1011和1012之间的距离为1mm或更小。结果，观察者将位于显示位置3010的显示像素的颜色识别为黄色。在从显示像素周围区域发出的光的光谱中，在532和635nm处发现了高发射峰。另外，当图23的装置使用上述光源并移动扫描装置1061和1062时，能够在空气中形成黄色的三维图像。
[0208]
示例5
[0209]
分别用来自激光照射装置1001的激光束(绿色)和来自激光照射装置1003的激光束(蓝色)照射照射点1011和1013。具体地，照射点1011和1013被激光束照射为使得在照射点1011和1013处激光功率密度超过等离子体形成阈值。照射点1011和1013之间的距离为1mm或更小。结果，观察者将位于显示位置3010的显示像素的颜色识别为青色。在从显示像素周围区域发出的光的光谱中，在532和447nm处发现了高发射峰。另外，当图23的装置使用上述光源并移动扫描装置1061和1063时，能够在空气中形成青色的三维图像。
[0210]
示例6
[0211]
分别用来自激光照射装置1002的激光束(红色)和来自激光照射装置1003的激光束(蓝色)照射照射点1012和1013。具体地，照射点1012和1013被激光束照射为使得在照射点1012和1013处激光功率密度超过等离子体形成阈值。照射点1012和1013之间的距离为1mm或更小。结果，观察者将位于显示位置3010的显示像素的颜色识别为品红色。在从显示像素周围区域发出的光的光谱中，在447和635nm处发现了高发射峰。另外，当图23的装置使用上述光源并移动扫描装置1062和1063时，能够在空气中形成品红色的三维图像。
[0212]
比较例4
[0213]
如示例4至6中所述，当彼此足够接近的两个照射点被用相应的两种颜色的激光束照射时，这两种颜色彼此混合。在这种情况下，观察者将根据加色混合的原理观察到混合颜色。在本比较示例中，分别用相应的两种颜色的激光束照射的两个照射点相互进一步分离。这里，本比较例旨在与基于加色混合的上述优选示例进行比较，因此并非旨在指示超出本发明精神的示例。因此，本比较例可以用作确定极限分辨率的指导，低于该极限分辨率时，可以在不进行颜色混合的情况下显示图像。
[0214]
在本比较例中，用来自激光照射装置1001的激光束(绿色)和来自激光照射装置1002的激光束(红色)照射两个照射点，并且这两个照射点彼此分隔开10mm。即，彼此分隔开的10mm的两个照射点被激光束照射为使得激光功率密度在该两个照射点处超过等离子体形成阈值。在这种情况下，观察者在视觉上识别绿色和红色的两个显示像素，作为彼此分离的像素。在光谱测量中，在从彼此分隔开10mm的两个照射点发送的光的光谱中主要测量了在532nm(绿色)和635nm(红色)的光谱。并且没有检测到混合色的任何光谱。尽管理论上显示像素的中心点p是两个照射点之间的中心，但是当照射点彼此分隔开10mm时，观察者在视觉上没有识别到任何混合色。
[0215]
如上所述，优选地，示例3的彩色图像显示装置利用从多个激光照射装置发射的具有不同波长的激光束照射位于空气中的显示位置附近并且彼此分隔开(例如，小于等于1mm)的照射点，并且使在照射点产生的等离子体对激光束进行散射以用于显示有色图像。
例如，彩色图像显示装置使用具有三种原色的激光束，并通过使用加色混合在空气中显示任何颜色的图像。
[0216]
另外，通过使用图23中所示的照射控制装置，改变从每个激光照射装置发射的激光束的照射方向和/或成像距离，可以将显示位置3010定位在空气中的任何位置以用于形成具有任何颜色的显示像素。因此，在空气中不仅可以显示2-d静止或运动图像，而且可以显示3-d静止或运动图像。
[0217]
本发明可以由本领域技术人员在装置、系统和软件的细节上在设计上进行适当地修改，而不限于上述实施例和示例。另外，本发明可以被体现为使得用于实现上述实施例的一个或多个功能的程序经由网络或存储介质被提供给系统或装置，并且该系统或装置的一个或多个处理器读取并执行程序。该程序可以由实现该一个或多个功能的电路(诸如asic)执行。
[0218]
其他实施例
[0219]
本发明的实施例还可以通过系统或装置的计算机来实现，该计算机读取并执行记录在存储介质(也可以更完整地被称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)来执行上述一个或多个实施例中的一个或多个的功能，并且/或者包括用于执行上述一个或多个实施例中的一个或多个的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(asic))，并且可通过如下方法来实现，该方法由系统或设备的计算机通过，例如，从存储介质中读取并执行计算机可执行指令来执行上述一个或多个实施例中的一个或多个的功能和/或控制一个或多个电路来执行上述一个或多个实施例中的一个或多个的功能而执行。该计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(cpu)，微处理单元(mpu))，并且可以包括分离计算机或分离处理器的网络，以读出并执行计算机可执行指令。可以例如从网络或存储介质将计算机可执行指令提供给计算机。该存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、分布式计算系统的存储器、光盘(诸如紧致盘(cd)，数字多功能盘(dvd)或蓝光盘(bd)
tm
)，闪存设备，存储卡等中的一个或多个。
[0220]
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu)读出并执行程序的方法。
[0221]
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改以及等同的结构和功能。