一种空气电离显示装置的制作方法

本发明涉及空气显示领域，尤其是涉及一种空气电离显示装置。

背景技术：

空气电离成像系统在成像过程中，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单位面积内的光功率阈值较高，则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，而现有技术难以大幅度提升光源输出脉冲功率，导致了空气电离系统显示画面的像素难以提高。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种空气电离显示装置，所述空气电离显示装置通过增加脉冲光源的数量，将多个光源输出光束合并同时调整脉冲时延实现脉冲同步从而可以提高空气电离显示画面的像素。

根据本发明实施例的空气电离显示装置，包括：多个脉冲光源、合束镜和光场调控组件，多个所述脉冲光源产生的光束均投射在所述合束镜上合并成一条光束，所述合束镜合并后的光束投射到所述光场调控组件中，所述光场调控组件对光束进行调整聚合并在显示区域使空气电离形成全息实像。

根据本发明实施例的空气电离显示装置，通过增加脉冲光源的数量，并利用合束镜对多个脉冲光源的光束进行合并，可以保证多个脉冲光源输出的多个脉冲在显示区域中的同一位置、同一时刻出现并使空气发生电离，即解决了多脉冲光源输出的多个脉冲之间的空间同步和时间同步的问题，进而可以成倍数的提升空气电离显示画面的像素，给用户带来了良好的使用体验。

另外，根据本发明实施例的空气电离显示装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，还包括：重复频率调节组件，所述重复频率调节组件设在所述脉冲光源与所述合束镜之间用于调整所述多个脉冲光源的重复频率。

根据本发明的一些实施例，所述重复频率调节组件包括：多个光电探测器，频率参考源，伺服控制器，多个所述光电探测器一一对应地设在多个所述脉冲光源与所述合束镜之间用于探测所述脉冲光源的重复频率，所述频率参考源用于提供频率参考标准，所述伺服控制器信号连接所述光电探测器、所述频率参考源与所述脉冲光源，用于根据所述光电探测器的反馈信号与所述频率参考源的参考频率信号控制所述脉冲光源的输出脉冲重复频率。

根据本发明的一些实施例，所述脉冲光源与所述合束镜之间设有第一分光片，多个所述第一分光片一一对应地将多个所述脉冲光源的部分光束反射到多个所述光电探测器上。

根据本发明的一些实施例，所述第一分光片的透过率为a1，99％≤a1≤99.5％；所述第一分光片的反射率为a2，0.5％≤a2≤1％。

根据本发明的一些实施例，还包括：脉冲时间延迟监测器和至少一个时间延迟线，所述脉冲时间延迟监测器设在所述合束镜与所述光场调控组件之间用于监测所述合束镜射出光束的脉冲延迟信号；所述时间延时线设在所述脉冲光源与所述合束镜之间并与所述脉冲时间延迟监测器信号相连，用于根据所述脉冲时间延迟监测器的反馈信息补偿所述脉冲光源的射出光束的脉冲时延。

根据本发明的一些实施例，所述时间延迟线的数量比所述脉冲光源的数量少一个，所述延迟线与数量相同的所述脉冲光源一一对应。

根据本发明的一些实施例，所述合束镜与所述光场调控组件之间设有第二分光片，所述第二分光片将所述合束镜的射出光束的部分光束反射到所述脉冲时间延迟监测器上。

根据本发明的一些实施例，所述第二分光片的透过率为a3，98％≤a3≤99.5％，所述第二分光片的反射率为a4，0.5％≤a4≤2％。

根据本发明的一些实施例，所述合束镜为多个，所述合束镜的数量比所述脉冲光源的数量少一个，多个所述合束镜沿其中一个所述脉冲光源的射出光束间隔开设置，其余所述脉冲光束的射出光束一一对应地投射在多个所述合束镜上，并将多个所述脉冲光源的射出光束合并成一条光束。

根据本发明的一些实施例，还包括：多个反射镜，所述反射镜设在所述脉冲光源与所述合束镜之间，用于将所述脉冲光源的输出光束反射到所述合束镜上。

根据本发明的一些实施例，所述反射镜的数量比所述脉冲光源的数量少一个。

根据本发明的一些实施例，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20μj-10mj，所述脉冲光源的重复频率为500hz-10mhz。

根据本发明的一些实施例，所述光场调控组件包括：振镜组件、透镜组件和空间光调制器，所述合束镜的出射光束投射到所述振镜组件上，所述振镜组件对光束的方向进行调整；所述振镜组件的出射光束投射到所述透镜组件上，所述透镜组件对光束聚焦在所述透镜组件的焦点位置电离空气形成实像，所述空间光调制器位于所述合束镜与所述振镜组件之间用于对光束的参数进行调整。

附图说明

本发明的上述和/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：

本发明的上述和/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根据本发明一个实施例的双光源空气电离显示装置的结构示意图；

图2根据本发明另一个实施例的三光源空气电离显示装置的结构示意图。

附图标记：

1：光电探测器；

11：第一光电探测器；12：第二光电探测器；13：第三光电探测器；

2：伺服控制器；

21：第一伺服控制器；22：第二伺服控制器；23：第三伺服控制器；

3：脉冲光源；

31：第一脉冲光源；32：第二脉冲光源；33：第三脉冲光源；

41：频率参考源；42：控制器；43：脉冲时间延迟监测器；44：光场调控组件；

5：显示区域；

6：时间延迟线；

61：第一时间延迟线；62：第二时间延迟线；63：第三时间延迟线；

7：反射镜；

71：第一反射镜；72：第二反射镜；

8：合束镜；

81：第一合束镜；82：第二合束镜；

9：分光片；

91：第一中分光片；92：第一下分光片；93：第一上分光片；94：第二分光片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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。

下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的基于空气电离显示装置。

根据本发明实施例的空气电离显示装置，包括：多个脉冲光源3、合束镜8、光场调控组件44和控制器42。

其中，多个脉冲光源中，每个脉冲光源3产生一条脉冲光束，多个脉冲光源3的多个光束经过折射和反射作用后均投射在合束镜8上并合并成一条光束，经过合束镜8合并后的光束投射到光场调控组件44中，光场调控组件44对光束进行调整聚合并在显示区域5电离空气形成实像画面。

光场调控组件44可以对光束的方向进行改变，而且可以利用透镜对光束聚焦，光束在焦点处能量集中便会使空气发生电离，随着光束方向的摆动电离点的位置发生相应的变化，进而可以形成全息实像。控制器42可以是控制计算机，用于控制空气电离显示装置中不同组件的工作与调整。

现有技术中的空气电离显示装置中，多采用单一脉冲光源3，由于脉冲光源3的功率受限，显示画面的像素达不到用户的使用要求，若要提高显示画面的像素，增加图像清晰度，则需进一步提高脉冲光源3的输出脉冲功率。由于现有技术难以大幅度提升脉冲光源3的输出脉冲功率，导致了空气电离显示装置的显示画面的像素难以提高。

由此，根据本发明实施例的空气电离显示装置，通过增加脉冲光源3的数量，并利用合束镜8对多个脉冲光源3的光束进行合并，可以保证多个脉冲光源3输出的多个脉冲在显示区域中的同一位置、同一时刻出现并使空气发生电离，即解决了多脉冲光源3输出的多个脉冲之间的空间同步和时间同步的问题，进而可以成倍数的提升空气电离显示画面的像素，给用户带来了良好的使用体验。

如图1所示，在一些具体实施例中，空气电离显示装置还包括重复频率调节组件，重复频率调节组件设在脉冲光源3与合束镜8之间用于调整多个脉冲光源3的重复频率。重复频率调节组件与多个脉冲光源3信号连接，并且可以接收到多个脉冲光源3投射出光束的重复频率信号，然后根据接收到的重复频率信号对脉冲光源3进行调整。

其中，脉冲光源3的重复频率是指脉冲光源每秒钟输出的光脉冲数目，通过重复频率调节组件可以调节多个脉冲光源发出的多个脉冲的重复频率。

显示装置要求采用相同重复频率的脉冲光源3，即便如此，每个脉冲光源输出脉冲因激光器内部和外部因素的影响会产生不同的重复频率抖动，此时通过设置重复频率调节组件使多个脉冲光源的输出脉冲重复频率锁定的相同的数值上。

根据本发明实施例的空气电离显示装置，重复频率调节组件包括：光电探测器1、频率参考源41和伺服控制器2。

光电探测器1可以为多个且数量与脉冲光源3的数量相同，如图1所示，在本实施例中，脉冲光源3和光电探测器1均为两个，两个脉冲光源3分别为第一脉冲光源31和第二脉冲光源32，；两个光电探测器1分别为第一光电探测器11和第二光电探测器12。第一光电探测器11对应地设在第一脉冲光源31与合束镜8之间用于探测第一脉冲光源31输出脉冲的重复频率，第二光电探测器12对应地设在第二脉冲光源32与合束镜8之间用于探测第二脉冲光源32输出脉冲的重复频率。

伺服控制器2信号连接光电探测器1、频率参考源41和脉冲光源3，频率参考源41用于为伺服控制器2提供频率参考标准。

伺服控制器2连接第一光电探测器11、频率参考源41、第一脉冲光源31、第二光电探测器12与第二脉冲光源32，光束照射到与脉冲光源3对应的光电探测器1上会产生脉冲重复频率信号，伺服控制器2可以根据光电探测器1的反馈信号以及频率参考源41的参考频率信号，控制脉冲光源3的输出脉冲重复频率。

具体地，伺服控制器2接收到第一光电探测器11反馈的第一脉冲光源31输出脉冲的重复频率参数后，与频率参考源41提供的频率参数对比，若第一脉冲光源31的输出脉冲不符合参数要求，便对第一脉冲光源31进行调整直至第一脉冲光源31的输出脉冲符合要求；类似低，伺服控制器2根据频率参考源和第二光电探测器12调整第二脉冲光源32的输出脉冲重复频率参数。

根据本发明的一些具体实施例，脉冲光源3与合束镜8之间设有第一分光片，第一中分光片91对应地将第一脉冲光源31的部分光束反射到第一光电探测器11上，其中，第一分光片可以为多个，多个第一分光片与多个脉冲光源3一一对应，例如，如图1所示，第一分光片可以为两个，分别为第一中分光片91和第一下分光片92，第一脉冲光源31产生的光束通过第一中分光片91将会分成两个光束，一个光束投射到第一光电探测器11上用于检测第一脉冲光源31产生光束的重复频率，另一个光束投射到合束镜8上；类似地，第二脉冲光源32产生的光束通过第一下分光片92将会分成两个光束，一个光束投射到第二光电探测器12上用于检测第二脉冲光源32产生光束的重复频率，另一个光束投射到合束镜8上。伺服控制器2根据第一光电探测器11和第二光电探测器12的反馈信号调节第一脉冲光源31和第二脉冲光源32的实际输出脉冲重复频率参数。

如图2所示，在一些具体实施例中，第一分光片为三个分别为：第一上分光片93、第一中分光片91和第一下分光片92，脉冲光源为三个分别为：第一脉冲光源31、第二脉冲光源32和第三脉冲光源33，光电探测器1为三个分别为第一光电探测器11、第二光电探测器12和第三光电探测器13，第一中分光片91将第一脉冲光源31产生的光束部分反射到第一光电探测器11上，第一下分光片92将第二脉冲光源32产生的光束部分反射到第二光电探测器12上，第一上分光片93将第三脉冲光源33产生的光束部分反射到第三光电探测器13上。

在一些具体实施例中，第一分光片的透过率为a1，99％≤a1≤99.5％，第一分光片的反射率为a2，0.5％≤a2≤1％。脉冲光源3产生的光束经过分光片9，一部分反射到光电探测器1上用于检测光束的重复频率参数，另一部分透过第一分光片投射到合束镜8上。光电探测器1在检测光束的重复频率参数时，对检测光束的能量要求较低，很少一部分光便可完成重复频率的检测，因此，将第一分光片的透过率和反射率设定在上述范围内，不仅可以确保光电探测器1稳定精确地检测光束的重复频率，而且可以提升照射到合束镜8上光束能量的占比，绝大多数的光束透过分光片9照射在合束镜8上然后照射到光场调控组件44上用于成像，有利于进一步提升全息实像的像素。

如图所示，在本实施例中，空气电离显示装置还包括：脉冲时间延迟监测器43和至少一个时间延迟线6。

脉冲时间延迟监测器43设在合束镜8与光场调控组件44之间用于监测合束镜8射出光束的脉冲延迟信号，不同脉冲光源3产生的光束到达合束镜8的路径不同，例如，第二脉冲光源32产生的光束直线照射到合束镜8上，第一脉冲光源31产生的光束通过一次反射再照射到合束镜8上，从而两个脉冲光源3产生的光束在合束后存在脉冲延迟，通过在脉冲光源31与合束镜8之间设置的且与脉冲时间延迟监测器43信号连接的时间延迟线61，并根据脉冲时间延迟监测器43的反馈信号对脉冲光源31产生的光束补偿由脉冲传输光程差和重复频率低频抖动引起的脉冲时延，使得两个脉冲在合束后时间同步。

如图所示，根据本发明的一些实施例，多个脉冲光源3产生的光束经过合束镜8形成一个光束的过程中，可以是一个脉冲光源3产生的光束穿过合束镜8，其余脉冲光源3产生的光束经过反射与穿过合束镜的光束合并，由此可以以穿过合束镜8的光束作为参照，调整经过反射进行合并的光束。

此时，经过反射的光束比脉冲光源3的数量少一个，所以时间延迟线6的数量比脉冲光源3的数量少一个，时间延迟线6与数量相同的脉冲光源3一一对应，每一个时间延迟线6控制一个脉冲光源3产生的光束中的脉冲延时，这样可以将多个脉冲光源3产生的光束在通过合束镜8时合成一个脉冲光束，并使得脉冲时间同步从而避免光束合束后因存在脉冲延迟而无法电离空气的情形。

如图所示，根据本发明的一些实施例，合束镜与光场调控组件44之间设有第二分光片94，第二分光片94将合束镜8产生的一个光束分成两部分，一部分透过第二分光片94投射在光场调控组件44上，通过光场调控组件44电离空气形成用户所需要的图形，另一部分通过第二分光片94反射到脉冲时间延迟监测器43上，通过脉冲时间延迟监测器43反馈信息给控制器42与时间延迟线6来控制脉冲光源31输出光束的脉冲时延。通过设置第二分光片94可以为脉冲时间延迟监测器43获取合束后脉冲延迟信息提供方便，而且结构简单，容易实现。

根据本发明的一些具体实施例，第二分光片94的透过率为a3，98％≤a3≤99.5％，第二分光片94的反射率为a4，0.5％≤a4≤2％。脉冲时间延迟监测器43在检测光束的延迟参数时，对检测光束的能量要求较低，很少一部分光便可完成脉冲延迟的检测，因此，将第二分光片的透过率和反射率设定在上述范围内，不仅可以确保脉冲时间延迟监测器稳定精确地检测光束的延迟信息，而且可以提升照射到光场调控组件44上光束能量的占比，绝大多数的光束透过分光片9照射在光场调控组件44上用于成像，有利于进一步提升全息实像的像素。

如图所示，在一些具体实施例中，合束镜8为多个，合束镜8的数量可以比脉冲光源3的数量少一个，多个合束镜8沿其中一个脉冲光源3的射出光束间隔开设置，其余脉冲光源3产生的光束一一对应地投射在多个合束镜8上，并将多个脉冲光源3的射出光束通过多个合束镜8合并成一条光束。

如图所示，多个合束镜8相互平行设置，多个脉冲光源中的一个产生的光束依次穿过多个合束镜8照射，其余脉冲光源产生的光束一一对应地照射在多个合束镜8上，并在合束镜8的反射作用下与穿过合束镜8的光束合并。

通过设置多个合束镜8，可以简化多个脉冲光源3的合并方式，进而简化了空气电离显示装置的结构设计，同时可以减少光束合并过程中造成的损耗。

如图所示，根据本发明的一些实施例中，空气电离显示装置还包括：多个反射镜7，反射镜7设在脉冲光源3与所述合束镜8之间，用于将脉冲光束反射到合束镜8上进行合并，通过设置反射镜7，可以将多个平行设置的光束反射到合束镜8上，进而为多个脉冲光源3的设置提供了方便，而且可以减少多个脉冲光源3之间的距离，有利于缩小空气电离显示装置的整体结构。

进一步地，如图所示，反射镜7的数量比脉冲光源3的数量少一个，多个脉冲光源3中，其中一个脉冲光源3产生的光束穿过合束镜8，其余脉冲光源3产生的光束经过合束镜8的反射与穿过合束镜8的光束合并，穿过合束镜8的光束无需反射结构，直接照射在合束镜8上便可，其余脉冲光源3产生的光束经过反射镜7的反射作用照射在合束镜8上。由此可以减少一个反射镜7，可以进一步简化了空气电离显示装置的结构设计。

在本实施例中，多个脉冲光源的重复频率相同，脉冲光源的脉冲宽度为50fs-100ns，脉冲光源的脉冲能量为20μj-10mj，脉冲光源的重复频率为500hz-10mhz，由此可以提升全息实像的成像效果和像素。

根据本发明实施例的空气电离显示装置，光场调控组件44包括：振镜组件、透镜组件和空间光调制器，合束镜8的出射光束投射到振镜组件上，振镜组件包括垂直设置的两组反射镜，两组反射镜分别进行前后和左右方向的摆动，进而控制光束的照射路径。通过振镜组件的出射光束投射到透镜组件上，透镜组件对光束进行聚焦，光束集中在透镜组件的焦点位置后功率密度增大，达到产生电离的功率阈值，最后高功率激光电离空气分子形成发光亮点，再形成用户所需要的实像。

空间光调制器位于合束镜与振镜组件之间，通过调制光的振幅、相位、偏振态等参量达到光波调制的目的，光束经过空间光调制器调制光场，在经聚焦系统后形成多个聚焦点，因此增加了显示画面的像素。

透镜组件包括：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之间，高功率脉冲光源输出激光脉冲经空间光调制器调制光场，然后反射至振镜组件调节其出射方向，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实像，利用平场聚焦透镜与变焦透镜配合，可以防止产生的实像在成像过程中发生弯曲变形，控制器42主动控制空间光调制器、振镜组件以及透镜组件，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。

根据本发明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。

在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，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。

在本发明的描述中，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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。