專利名稱：：一種在云層投影成像的裝置和方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種利用高功率光源產(chǎn)生強光束，在夜空云層底部進行光學動態(tài)投影成像的裝置和方法。
背景技術：
：高功率光源技術不斷發(fā)展，輸出功率超過到從幾千瓦的激光器或高壓汞燈等已經(jīng)出現(xiàn)。內置高功率光源的空中探照燈能產(chǎn)生各色強光束，在空氣中的穿透距離達到l-15km?？罩刑秸諢糁饕獞檬抢脧姽獾恼凵涔猓诖蟪鞘械囊恍┐髲B、廣場或景點上方向空中照射，達到美化夜空的目的，或者是在夜晚對地面指定區(qū)域照明。天空的云層高度從幾百米到幾公里，一些云層高度低，反射率高，在晚上，當強光照射到云層，反射光可以在i^巨離觀測到。而且現(xiàn)在各種探測云層的技術快速發(fā)展，比如激光雷達測量云層信息的技術也已經(jīng)成熟。當前，投影技術已經(jīng)發(fā)展成熟，包括直接投影技術、透射式投影技術、反射式投影技術等等，但到目前為止，投影成像距離一般在幾百米之內，在天空'的云層底部i^巨離投影成像的裝置和方法未見報道。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種在云層投影成像的裝置和方法，為云下方附近的人群播放圖像信息。其中，本發(fā)明裝置包括高功率光源、投影設備、圖案器件、云層探測設備、機械框架和控制裝備。另外，本發(fā)明方法是利用所述高功率光源產(chǎn)生強光束，通過所述投影設備把所述圖案器件的圖案的投影到云層底部，為云下方附近地面約幾十平方公里范圍播放圖案影像。本發(fā)明的方法中，可進一步采用所述云層探測設備測量云層位置等信息，并通過所述控制設備實時分析云層信息，實時調整所迷投影設備的出射光束角度、發(fā)散角、像距等和所述圖案器件的圖案信息，從而把指定圖案持續(xù)投影到低空云層底部。詳細的說，本發(fā)明中的裝置的組成部分，包括高功率光源、投影設備、圖案器件、云層探測設備、機械框架和控制裝備，各自的具體描述如下。所述高功率光源可以是高壓汞燈、高功率激光器、由鎢燈、屬卣化物燈和高壓氙燈，輸出功率lkw以上，建議5kW以上，波長范圍為可見光范圍，發(fā)散角度較小，建議小于O.lrad，可通過鏡組會聚光束，輸出功率可通過能量衰減器調整。所述投影設備可包括照明鏡組和投影鏡組。所述照明鏡組，可由一組可動凹凸透鏡組組成，用于調整光束的束徑和發(fā)散角度；所迷投影鏡組可以直接為空，或者是若干用于調節(jié)光強或發(fā)散角度的普通鏡組，這樣，根據(jù)采用平行光穿過物面直接投影的原理，可以直接在遠方運底成像;.所述投影鏡組也可以是一系列凹凸透鏡或反射鏡組組成的物鏡，把物面的圖案器件的圖案i^巨離成像到1公里外云層底部；所述照明鏡組和所述投影鏡組都要求透過率高和吸熱少。所述圖案器件安裝在所述投影設備的物面或出射口，可以是中間有中空圖案的模具，或者印有圖像的玻璃或透明塑料，或者是LCD等電子圖案設備。圖案可以是彩色的或黑白或灰色圖的。圖案器件和圖案模具要求散熱快或比熱大，不易變形，可以選擇金屬和石英玻璃。所述圖案器件可根據(jù)需要切換所需圖案。所述云層探測設備可以是激光雷達，其采用激光脈沖，探測空中云層的位置、高度和反射率等云層信息，具體可以是差分吸收激光雷達、米氏散射激光雷達等，或它們的組合。'所述機械框架用于安裝所述投影設備、所述圖案器件和所述高功率光源，結構上包括基座、鏡筒、旋轉裝置等?；脕矸胖眯D裝置和鏡筒的，鏡筒內安裝所述投影設備、所述圖案器件，其中所述高功率光源根據(jù)需要決定安裝在鏡筒內或基座上，旋轉裝置是用來帶動鏡筒沿各個方向旋轉，從而達到改變出射光束角度的目的。所述控制設備是用于分析所述云層探測設備的反饋信息，跟蹤云層位置和反射率等，動態(tài)控制圖案器件里的圖案切換、機械框架的鏡筒方向、投影設備的鏡組位置等，實現(xiàn)裝置自適應投影成像，如果云層飄遠或不再適合成像，則控制關閉高功率光源。本發(fā)明中的方法所采用的技術方案的步驟是1.所述云層探測設備掃描探測天空，在黃昏或晚上尋找距離近而反射率高的云層。一般云層高度在二百米到一萬米，高云的云層高度在六千米以上；中云云底高度在二千五百米至六千米之間，一般分為高層云和高積云；低云云底高度低于二千五百米，又分為層積云、層云和雨層云。云的反射率在O.1-0.7之間，高云的反射率約為25%、中云約為50%、低云約為65%。采用激光雷達可測量出十幾公里內云的位置和反射率等信息。本發(fā)明中的投影成像的"屏幕"，一般選擇距離小于三公里的反射率高于50%的云層。2.所述控制設備根據(jù)云層探測設備反饋的云層信息，調整裝置初始狀態(tài)。把所述投影設備鏡筒方向調整朝向云層底部，計算出合適的出射光強，放大倍率、發(fā)散角度、和焦距等，并把需要投影的的圖案模具切換到光路上的物面上。3.所述圖案器件里設置所需要投影的圖案，并設置合適的物距。4.啟動所述高功率光源和所述投影設備，把圖案投影到遠方的云底；通過云層漫反射，投影被地面的人群觀測到。5.所述云層探測設備實時測量云底信息，所述控制設^4艮據(jù)反饋信息調整所述投影設備的出射角度、出射光強、放大倍率、發(fā)散角度或物距等，實現(xiàn)裝置自適應投影成像。—6.所述圖案器件可根據(jù)需要不斷切換圖案，使遠方云層圖案發(fā)生變化。需要指出的是，本發(fā)明的方法中，可以沒有第一步和第二步和第五步，/人第三步開始，直接設置所述圖案器件里的圖案，啟動所述高功率光源和所述投影設備，把圖案直接4更影到遠方的云底。需要進一步說明，反射面為積云底部效果較佳，其云底高度僅為0.1-2'.5km,高度低，面積大，密度大，反射率高(>0.3)。不宜選擇高云和中云，雖然有的反射率高，但是云底較高，分別在4.5-10km和2.5-4.5km之間，十千瓦左右的光束被反射回地面后也被削弱得很厲害，在地面上的能見度低。也不宜選擇巻云或層云，反射率低、密度低和面積小的，成像面小，清晰度低。另夕卜，為了降低成本，所述圖案器件可為印有簡單圖案的平面石英玻璃，也可為中間有中空的特定圖案形狀的材料，如塑料板或鐵板。所述圖案器件可進一步安裝多個圖案模具的輪盤。當然，也可根據(jù)需要選擇由芯片控制圖案變換的透射LCD屏幕。圖案形狀的選擇宜是相對簡單的圖案，如文字、物體形狀等，原因是云底反射面平整情況和反射率均勻情況對影像質量影響嚴重，并且圖案影像可能存在一定程度的變形；因此，簡單的圖案投影后更容易被人們識別。此外，地面較佳的觀測范圍和光源功率、空氣透射率、云底高度和反射率等相關，經(jīng)分析能達到約50km2。裝置的使用時間的選擇是晚上。裝置的使用地點的建議為大廈頂部等較高地方，或者是農(nóng)村、小鄉(xiāng)鎮(zhèn)等環(huán)境光較少的地方，或者是經(jīng)常有多云天氣的地點。本發(fā)明的有益效果是在晚上，云底圖案影像可以在云下方地面幾十平方公里的范圍內被觀測到，不僅具有美化云彩、增加氣氛和廣告宣傳的效果，還是一種在室外向大范圍的公眾傳播信息的新手段。圖l是本發(fā)明裝置的一個低成本的較佳的實施例，其不使用物鏡，直接將圖案動態(tài)投影到云層底部。圖2是本發(fā)明裝置的另一個較佳實施例，其使用物鏡將圖案動態(tài)投影到云層底部。圖3是本發(fā)明裝置中一種低成本的圖案器件，其可才艮據(jù)需要切換不同的圖案。圖4是本發(fā)明裝置的使用方法的一個較佳實施例。具體實施例方式下面通過具體實施例結合附圖對本發(fā)明中的裝置和方法作進一步說明。如圖l，為本發(fā)明裝置的一個低成本的較佳的實施例。采用輸出功率超過5kW超高壓汞燈(101)作為所述高功率光源；采用透鏡組(102)作為所述的投影設備的照明鏡組，用于調整光束的發(fā)散角度，^J^散角度小于0.1;采用中間有圖案玻璃(103)作為所述圖案器件；采用透光玻璃(104)作為最筒單的所述投影設備的投影鏡組；采用金屬鏡筒(105)作為所述機械框架的鏡筒，內置放上述超高壓汞燈(101)、透鏡組(102)、圖案玻璃(103)、透光玻璃(104);采用旋轉裝置(106)帶動鏡筒沿著不同方向轉動；采用基座(107),其上裝在鏡筒(105)和旋轉裝置(106);采用激光雷達(108)作為所述云層探測設備，用于探測天空附近合適投影的云層信息，并反饋到控制設備(109)上；控制設備(109)為一系列電子設備，能自.動分析激光雷達傳回的信息，根據(jù)需要控制超高壓汞燈(101)的開關，并通過控制旋轉裝置(106),帶動鏡筒(106)的旋轉，從而動態(tài)改變出射光束的方向，實現(xiàn)自動跟蹤云層位置遠距離將圖案投影到云層底部的目的。如圖2，為本發(fā)明裝置的另一個較佳實施例。采用輸出功率超過5kW的激光器(201)作為所述高功率光源，提供發(fā)散度小，準直性好的強光束，光源主體部分安裝在基座(207)上，通過光學器件引入到鏡筒(205)內。采用透鏡組(202)為所述投影設備的照明鏡組，用于改變光路為圖案器件(203)提供照明；圖案器件(203)的位置可被動態(tài)調整，用來改變成像的物距；采用物鏡(204)作為所述投影設備的投影鏡組，用于把圖案器件(203)里的圖案成像到遠方的云層上；所述機械框架的鏡筒(205)用于安裝激光器(201)的光束出口、透鏡組(202)、圖案器件(203)和物鏡(204);所述機械框架的旋轉裝置(206)，用于帶動鏡筒(205)旋轉，從而改變出射光束的方向；所述機械框架的基座(207)，用來放置激光器(201)的主體部分，鏡筒(205)和旋轉裝置(206);采用激光雷達(208)作為所述云層探測設備，用于探測天空附近合適投影的云層信息，包括位置，反射率等，并反饋到控制設備(209)上；控制設備(209)為一系列電子設備，能自動分析激光雷達傳回的信息，控制激光器(201)的開關，從而決定是否啟動本發(fā)明裝置，和控制旋轉裝置(106)的旋轉，從而動態(tài)改變出射光束的方向，和控制圖案器件(204)的位置，從而改變物距和像距，最終實現(xiàn)自動跟蹤云層i^l巨離清晰成像目的。如圖3,為一種低成本的圖案器件，中間為耐高溫玻璃，在不同圖案框架位置上中間印有不同圖案，其中每個圖案分為透光部分(301)和不透光部分(302),該玻璃通過固定器件(304)安裝在鏡筒(303)的對應位置上，其中有位置分別有圖案框架1(305)、圖案框架2(306)、圖案框架3(307)、圖案框架(308)等?？赏ㄟ^機械裝置切換玻璃中的不同圖案框架的位置，實現(xiàn)切換所投影圖案的目的。如圖4，為本發(fā)明方法的一個較佳實施例。為了方便說明，本實施例中，裝置采用圖1的實施例，其中圖案器件選用圖3的類型的圖案器件。所述裝置中包括了所述高功率光源、所述投影設備和所述圖案器件的鏡筒(401),旋轉裝置和基座(402),激光雷達(403)，和控制設備(404)。另外圖中還有攜帶圖案信息的出射光束(405)、云層(406)和地面觀察者(407)。本實施例中，投影成像裝置的超高壓汞燈功率取P-10kW,光輸出比率為k-8(W,發(fā)射綠色強光束，即波長X-555nm,光束發(fā)散角M-O.025rad,針對以上設置，可采用以下步驟在云層動態(tài)投影。1.激光雷達(403)掃描探測天空，在黃昏或晚上尋找距離小于4公里的反射率高于50%的大面積云層，并將相關信息反饋給控制設備(404)。2.控制設備(404)才艮據(jù)激光雷達(403)反饋的云層信息，調整本發(fā)明裝置的鏡筒(401)的方向，使^j"準所選中的云層。3.通過圖案器件的位置改變，切換設置所需要投影的圖案。4.啟動所述高功率光源和所述投影設備，把圖案投影到遠方的云層底部。并通過云層漫反射，從而禎:i也面的AJf7見測到。5.激光雷達(403)實時測量云層信息，控制設備(404)在投影過程中實時分析反饋信息，通過旋轉裝置和基座(402)調整鏡筒的角度等，實現(xiàn)裝置自適應投影成像，如果云層飄遠或不再適合成像，則關閉高功率光源。6.圖案器件根據(jù)需要不斷切換圖案，使遠方云底圖案發(fā)生變化。為了分析本實施例中不同高度云底的投影效果，在此，假設取出射光束角度A-45',云底反射面相對地面傾斜角度G-20',圖案面積S(HO.07m2，'投影時間是在晚上，夜空環(huán)境較好，背景光較少，空氣消光系數(shù)是a-O.388E-3m—1,云為積云，漫反射系數(shù)取ka-O.5,視見函數(shù)取V(入)-V(555nm),人眼的分辨角取6=1.5，，人眼在夜空云底可清晰分辨的光強取I^-21x，則經(jīng)過計算，得到投影在不同云底高度h-400m-2400m的圖案影像的相關情況如表1。表1不同高度的云底投影效果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>26003677184.12.77641551630029100從表中可以看出，在本實施例中，通過本發(fā)明的裝置和方法，圖案可以動態(tài)投影到幾百米到幾公里以上高度的云層底部，地面幾十平方公里的范圍內人群能清晰觀察到云底的圖案投影。需要指出的是，受限于人眼的分辨角和可清晰分辨光強，本實施例中，云層投影可被地面人群清晰分辨的像素數(shù)只達到一萬多個，所以，在云層投影成像所使用圖案器件中，建議選擇較為簡單圖案，比如文字、圖標等等。因此，利用本發(fā)明可將簡單圖案動態(tài)投影到云層底部，并被地面較大范圍的A^清晰7見測到。權利要求1.一種用于把圖案信息投影到遠方云層底部的投影成像裝置，其特征在于包括投影設備、圖案器件、控制裝備、云層探測設備和高功率光源。2.根據(jù)權利要求1所述的投影成像裝置，其特征在于所述的投影設備包括可調整束徑和發(fā)散角的照明鏡組，和用于將所述圖案器件里的圖案投影到云底的投影鏡組，所述投影鏡組可以是用于直接投影的鏡組或者直接為空，也可以是用于遠距離成像的物鏡。3.根據(jù)權利要求1所述的投影成像裝置，其特征在于所述圖案器件安裝在所述投影設備內，可以是具有中空圖案的模具、印有圖像的玻璃、透明塑料或LCD等電子圖案設備，用于切換不同圖案。4.根據(jù)權利要求1所述的投影成像裝置，其特征在于所述的控制裝置用于分析所述云層探測設備反饋信息，實時控制所述投影設備和所述圖案器件，實現(xiàn)持續(xù)在云底投影成像。5.根據(jù)權利要求1所述的投影成像裝置，其特征在于所述云層探測設備用于測量天空云層位置、高度和反射率等信息。6.根據(jù)權利要求1所述的投影成像裝置，其特征在于所述高功率光源可以是高壓汞燈、高功率激光器、卣鎢燈、屬卣化物燈和高壓氙燈，輸出功率lkw以上，用于為所述投影設備提供照明投影光束。7.—種利用強光束在云層投影成像的方法，其特征在于利用高功率光源產(chǎn)生強光束，通過投影設備把圖案器件的圖案的投影到合適云層底部，為云下方大范圍4播放圖案影像。8.根據(jù)權利要求7所述的在云層投影成像的方法，其特征在于所述的云層底部是幾^^里距離內的反射率高的大面積的積云底部。9.根據(jù)權利要求7所述的在云層投影成像的方法，其特征在于可通過一控制設備分析一云層探測設備所測量的云層信息，進而實時控制調整所述投影設備的出射光束角度和所述圖案器件里的圖案，使得各種圖案信息持續(xù)投影到云層底部。全文摘要本發(fā)明為一種在云層投影成像的裝置和方法，涉及一種投影成像的裝置和方法，利用強光束在云底動態(tài)遠距離投影成像。本發(fā)明裝置包括高功率光源、投影設備、圖案器件、云層探測設備、機械框架和控制裝備。本發(fā)明方法是在夜晚，采用云層探測設備測量云層位置等信息，利用高功率光源產(chǎn)生強光束，通過控制設備實時控制機械框架內的投影設備把圖案器件的圖案的投影到幾公里內反射率高的云層底部，從而把指定圖案持續(xù)投影到低空云層底部，為云下方附近地面約幾十平方公里范圍的人群播放圖案影像。該方法具有在夜空中美化云彩、增加氣氛、在室外大范圍廣播信息和廣告宣傳等一系列用途。文檔編號G09F19/12GK101409033SQ200810200448公開日2009年4月15日申請日期2008年9月25日優(yōu)先權日2008年9月25日發(fā)明者俊張申請人:俊張