用于3-D图像产生的激光投影设备和方法

摘要

本文公开了一种消费激光装置，其用于通过使用光学效果轮来产生激光效果。在一些方面中，本公开涉及一种用于选择性地提供操纵激光束的多种光学效果中的一种光学效果的装置，其包含定位在光路中的光学效果轮，所述光学效果轮具有雕刻在所述光学效果轮的第一部分上的第一光学效果和雕刻在所述光学效果轮的第二部分上的第二光学效果，其中所述第一部分和所述第二部分部分地重叠。可以进一步修改所述光学效果轮，以确保所述装置符合针对激光装置的消费安全要求。

说明书

技术领域

技术领域为激光投影显示。更具体地，所公开的设备和方法涉及三维(3D)激光显示的产生，例如激光表演中所产生的那些3D激光显示。

背景技术

为了创建激光表演中常见的3D光显示，通常通过安装到检流计的可移动镜来操纵激光束。安装在检流计上的镜可以在一个或两个维度上旋转，并且可以安装在轨道上。对于激光表演，通常使用二维检流计——也称为X-Y扫描仪。激光通过例如乙二醇、油或水之类的微粒得以显示，所述微粒通过压缩热量或空气的烟雾机释放到大气中。

然而，用于激光表演和投影的检流计通常非常昂贵，超出了个人消费者的承受能力。另外，当用于观众扫描时，激光能量必须保持在或低于某些政府规定的能量密度水平。相应地，检流计必须产生强而准确的激光效果，同时还也必须减少非常亮的激光对眼睛的潜在伤害。

因此，需要一种激光投影系统，其能够在不需要昂贵且复杂的X-Y检流计扫描仪设备及其相关的激光安全合规系统的情况下产生3D激光显示。

发明内容

在一些方面中，本公开涉及一种用于选择性地提供操纵激光束的多种光学效果中的一种光学效果的装置，其具有：能够沿着光路引导光束的激光源；在所述光路中的静止全息光学元件；包括旋转轴的电动机；光学效果轮，其固定到所述旋转轴且被布置成使得所述光学效果轮定位在所述光路中，所述光学效果轮具有雕刻在所述光学效果轮的第一部分上的第一光学效果和雕刻在所述光学效果轮的第二部分上的第二光学效果，其中所述第一部分和所述第二部分部分地重叠；以及电源，其用于提供功率以操作所述激光源和所述电动机。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施例的设备的外观图。

图2是根据本公开的一个实施例的激光器、电动机、轮和电路板的视图。

图3是根据本公开的一个实施例的示出不同域的轮视图。

具体实施方式

图1描绘了根据本发明的一个实施例的激光投影系统2的组件。投影系统2包含壳体4。在一些实施例中，壳体4可以安装到底座(未示出)。基座可以为壳体提供稳定性，以维持一致的照明显示。可以完全或部分地围住壳体4。如图1所描绘，壳体4具有顶壁、底壁和两个侧壁。壳体4可以包含具有孔的前壁，所述孔允许激光通过所述孔进行显示。透射光学元件6可以横过孔放置。光学元件是操纵光的材料，例如透镜、干涉滤光片、衍射光栅或分光镜。也可以使用其它光学元件。壳体还可以具有背板或盖子。壳体的前盖，背板和任何其它可移除部分都可以通过螺钉、螺栓、黏合剂或其它安装机构附接。这些可移除部件还可以包含垫圈，以防止湿气进入壳体。

还提供了电源8。可以在外部或内部提供电源。例如，外部电源可以是允许插到标准电插座或连接到一些其它外部电池、发电机或电源的电源线。替代地，可以在内部提供电源——例如电池。如果电源在外部且外壳被完全围住，则电源可以插到壳体上的电连接或插座。如图1所描绘，电源是电源线，并且背板包含电插座和内部连接。

图2示出了根据一个实施例的系统2的内部组件的示意图。后壳体在外部侧具有用于接收电源线的电源接口，并且所述电源接口在图2中示出为AC电源8。在背板的内部面上的是连接设备的各个部分的布线。其它布线在背板的外部面上的用户控件上连接到用户控件。下面进一步描述图2所示的布线。

在一些实施例中，板10位于壳体内。板10提供了用于安装设备的各种其它组件的位置。电路板12可以安装到所述板上。激光器模块14可以安装到所述板上。电动机16可以安装到所述板上。在图2所描绘的实施例中，所有这些组件均示出为安装到所述板上。电路板12包含用于向激光器模块14和电动机16提供电功率的驱动器电路。

激光器模块14包含激光器和准直光学器件。当提供功率时，引导激光器沿着光路18从激光器模块14的一个末端发射光束。激光器模块14还可以将一个或多个光学元件20保持在激光束的光路18内。激光器模块14安装到板10，使得当设置在外壳4内时，在提供此外壳和/或光学元件的情况下，由激光器模块14发射的光束的光路18通过外壳4中的孔和光学元件6。

电动机16附接到旋转轴22并且驱动所述旋转轴。连接到旋转轴22的末端的是光学效果元件，例如透射、反射干涉轮24或其它衍射光学元件。如图2所示，轮24被定位成使得轮24的一部分横穿从激光器模块14发射的光束的光路18。下文进一步描述轮24以及轮的设计和制造。

例如图2所示的轮24的衍射光学元件是基于衍射原理操控光类型的光学元件。传统的光学元件使用其几何形状来折射光。相比之下，衍射光学器件使用相长干涉和相消干涉，以使得光波的电磁方面重组成大量的波，接着重组以形成全新的波组。衍射光学元件可以包含衍射光栅或预定义的透镜功能。衍射光学元件可以用多种材料制成，包含但不限于铝、硅、石英玻璃或塑料。

全息照相术是一种技术，所述技术允许记录从物体散射的光并随后对其进行重构，以使看起来物体好像相对于记录介质处于与记录时相同的位置。随着观察系统的位置和定向的变化，图像以与物体仍然存在时相同的方式变化，由此使得记录的图像(被称为全息图)看起来是三维的。全息图可以通过从物体散射回来并受到频率稳定的参考光束干涉的激光束而产生。例如感光板或全息底片等的二维记录介质记录物体三维体积相位信息(volumetric phase information)，其被称为条纹或迭代傅里叶变换算法(IFTA)图案。此过程类似于摄影，在摄影中，将从被摄物体散射的白光记录在卤化银底片上。光体现了横向相位(体积)和光子分布密度(photon population density)(强度)性质，但常规摄影中仅记录了强度。然而，由于参考光束的干涉，全息图会存储振幅和相位两者。由于激光的作用，所述参考光束具有与散射光相同的特性。相位信息是全息照相术中最重要的因素，这是因为它为眼睛提供了深度提示，并且允许图像以三维的形式显示。

可以在计算机上执行创建全息图像的另一种方法，所述计算机在数值上模拟光衍射和干涉的物理现象。计算机软件计算从或通过物体反射或透射的光的相位是有可能的。计算不同物体(例如点、线和线框)的光的相位会产生干涉模拟，所述干涉模拟随后可以使用电子束(E-beam)方法传送到摄影敏感介质或写入光刻胶涂布的硅晶片上。

全息光学元件是衍射光学元件类型。全息光学元件是点光源的全息图，并用作具有光焦度(即聚光能力)的透镜或镜。全息图由呈现为表面浮雕的衍射图案组成，所述衍射图案可以是例如在整个底片厚度上包含折射率调制的薄底片(使用光刻胶和/或重铬酸盐明胶创建而成)。“折射率调制”是指周期性特征集，其具有图案的线性分布，以产生在制备全息光学元件的过程中创建的新颖光学效果。两种方法(重铬酸盐明胶或光刻胶)均可以用于创建数学分布，以创建线性导数，从而产生在相位掩模中实施的周期性特征集。在本发明的一个实施例中，IFTA的非线性实施方案产生对数的或双曲的IFTA波函数，所述函数可以用于在衍射表面上产生非线性相位导数。在一些实施例中，全息图可以分类成两种类别：(I)“反射”全息图，其中入射光和衍射光在全息光学元件的同一侧上；以及(ii)“透射”全息图，其中入射光和衍射光在相对侧上。

返回图2所描绘的示意图，可以提供若干用户控件。这些用户控件可以设置在背板的外部面上或设置在外壳4的其它外部表面上。例如，一个控件可以是用以控制激光的开/关式开关26。另一控件可以是调制器28，其用于增加或减小使轮24旋转的电动机16的速度。还可以提供控制或操控设备的其它机械或光学特性的其它控件。

光学效果轮24可以包含一个或多个光学元件，其布置在轮面上的域中。设置在轮上的一个或多个域中的每个域中的光学效果可以体现：多个光学效果元件——即衍射光学元件；产生干涉的特征，其折射、反射、透射、衍射或通过与激光等相干光源直接相互作用以其它方式创建视觉效果。在一个实施例中，光学效果可以类似于使用检流计扫描仪的激光的光学效果，使得可以在激光束通过大气微粒示出时提供3D效果。

光学效果轮24是使用技术的组合制造而成的，以产生期望效果。更具体地，域是施加于轮的一部分的两个或更多个光图案的干涉产物。第一干涉图案是全息图像。全息图像可以是任何期望的图像或设计。全息图像是对光场的摄影记录，所述光场是通过保留参考激光束创建的干涉图案和被记录物体反射产生的物体光束而产生的。将干涉图案记录在记录介质(例如感光板或底片)上。

轮上的第二或额外光图案可以从使用金刚石车削机床雕刻的金属表面产生，可以从所述金刚石车削机床产生“母版(master)”雕刻。在一些实施例中，所述雕刻可以是约1微米深。在其它实施例中，所述雕刻可以是约0.5-10微米深。选择的雕刻图案可以是任何期望的雕刻图案。在一些实施例中，雕刻图案可以是作为对期望曲线或形状应用傅里叶逆变换算法的结果的线或图案。在此类实施例中，由此在本设计中对期望的曲线或形状进行编码，其结果是通过应用本文中所描述的干涉照明技术，雕刻上的编码图案使得期望的曲线或形状得以显示。母版雕刻可以由选择的基板形成，所述基板上电镀有适于雕刻的恰当的金属，例如铬金属。一旦创建了母版，就可以将全息单体(例如由

为了在轮上产生域，将频率稳定的激光束引导通过每个全息元件以及从金属雕刻产生的复制品。将激光束引导到另一摄影底板或底片上以创建干涉图案作为两种或更多种效果的产物，并且可以将所述干涉图案记录在底板或底片上。将此干涉图案记录在感光介质底片(例如，重铬酸盐明胶)上，以生成另一“母版”图案，而可以从此第二母版产生复制品。该图像可以显影到各种介质上，包含使用全息压力计复制的底片或感光材料，所述全息压力计通过使用UV光源而固化，所述UV光源可以直接施加或压印到轮上的期望位置。

如果轮上存在超过一个域，则域可以重叠且互相调制，以允许在两个域之间进行平滑的视觉过渡。例如，第一域的振幅可以在特定空间内减小，使得图像随着激光横穿所述部分且远离域的主区域移动而逐渐褪色。相比之下，第二域的振幅可能会增加，使得其渐显且变成主图像。

图3示出了根据本发明的实施例的光学效果轮，其具有布置在轮的部分上的域。所述轮具有域30、32、34和36，每个域覆盖轮的表面积的大约四分之一。每个域和与其弧形相邻的域具有小重叠区域38。在这些重叠区域38中，一个域的光学效果的幅值随着相邻域中的光学效果的幅值增加而减小。因此，当轮旋转使得激光从一个域传递到下一个域时，第一效果逐渐淡出视野，而第二效果变得越来越明显。

使用效果轮的一个问题在于所述效果轮具有不规则的表面图案，这可能会导致在超出消费电子装置允许的激光功率级别的强度或能级下分裂和重组激光。例如，美国国家标准学会将2类激光定义为功率为1mW或更小的连续可见光激光束，所述激光在大多数情况下都被认为是安全的。3R类激光束被定义为功率在1.0mW到4.99mW之间的连续可见光激光束，可以在受限的视野下小心地操控所述3R类激光束。对于消费者使用，必须以维持激光能量符合此类要求的方式创建激光效果。

进行此操作的一种方法是在轮的一侧或两侧上提供准随机、非周期性的浮雕拓扑特征。浮雕结构被实施为表面特征，所述表面特征在密度、高度、深度、形状、各种空间分布的分布、轮表面平整度变化、(关于光学透射度、反射度、扩散度的)材料光学性质、二色性波长选择性涂层等方面本质上是不规则的。轮的表面拓扑的这些变化使得散射激光或以更多的衍射级衍射光，由此降低光的强度。

使激光能量降低到或维持在消费者使用可接受水平的另一种方法是在光路中使用衍射光栅。衍射光栅使主激光束能量分成较小功率衍射级。衍射的能量级加起来大约等于：原始未衍射的激光束的能量减去由于衍射光栅和光学效果轮而吸收的任何能量。衍射光栅可以是静止或移动的，例如干涉轮。然后可以将衍射光引导到光学效果轮上，所述光学效果轮也可以是静止或移动的，用以进一步衍射或散射光。

用于使激光能量降低到或维持在消费者使用可接受水平的另一种方法是增大光学效果轮的表面附带的准直激光束的发散角。这增大了轮上的激光束的横截面积，从而使得光束能量的分布更广且在任何给定点处的能量相对应地减少。从光学效果轮散射的随后折射或衍射的光也相对应地减少。例如，在某些配置中，光学效果轮垂直于光路激光束放置，并且发散角为。在所述配置中，通过各种光学效果的激光束的最大功率为2mW，但希望将所述最大功率减小到1mW以下，使得装置被分类为2类激光。为此，可以将激光的发散度增加2的平方根倍(即，约1.414)，这会产生激光束冲击光学效果轮时使激光束的表面积加倍的效果，以及相对应地使激光功率降低的效果。

应理解，本文中的实施例和描述仅是示例性的，并且普通技术人员可以使用本文中的教示和描述来实现相同或类似的效果。因此，本公开的范围应由所附权利要求书限定。