CN108181716B - 用于在空中成像的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜和对向反射元件；像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成实像；对向反射元件包括大量用于对向反射的微结构，微结构的半径、像源像素点阵的点距以及实像到对向反射元件的光程之间的关系设计成，微结构的直径与点距成线性关系，而光程与点距的平方成线性关系。利用本发明，不需要借助任何介质，可以直接在空气，甚至真空中中呈现影像。

Description

用于在空中成像的系统
本申请要求于2016年12月8日提交的中国专利申请CN2016111240031的优先权，该申请通过引用完整地结合在本文中。
技术领域
本发明涉及全息成像领域，更具体地，涉及一种用于在空中成像的系统。
背景技术
全息技术是利用干涉和衍射原理来记录并再现物体真实的三维图像的技术。
传统的全息成像方法是利用激光干涉的原理，产生全息图像。激光光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，最后利用数字图像基本原理对再现的全息图进行进一步处理，去除数字干扰，得到清晰的全息图像。这种方法存在对单色性要求高，彩色成像的实现比较困难的缺点。
现有的全息成像技术，一般分为以下三种：
第一种是需要借助虚拟现实或增强现实眼镜或者头盔，如微软的HoloLens等；这种技术因为需要借助于辅助器具，应用场景有限，且目前造价昂贵。
第二种需要借助高速旋转的反光板和高速刷新的投影仪，将图像投影在高速旋转的反光板上从而实现三维图像。专利文献CN105372926A中公开了一种利用此类技术的转动式全息投影展示柜。这种技术很难实现互动，并且对场地空间的要求很苛刻。
第三种是借助含有细微颗粒的介质，例如含水蒸汽的空气，将图像投射在水蒸汽液化形成的小水珠上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。在专利文献CN104977794A以及CN 103116422 A中，公开了这种技术的应用，都是利用水蒸汽幕墙在空气中形成图像。应用这种技术仍然需要配备辅助工具，用于产生水蒸汽幕墙，因此使用并不是很方便。
总的来说，以上技术或成像于虚拟现实或增强现实工具，或成像于高速旋转的反光板，或成像于空气中的蒸汽微粒，都不是真正意义上的在空中成像。
发明内容
本发明旨在克服上述技术的缺陷，提供一种真正的在空中成像的系统和方法，使得可以直接在没有任何特殊介质的空气中成像，甚至可以在真空中成像；这使应用范围大大扩展，不再受辅助工具的限制，对现有的人机互动场景带来革命性的突破。
根据本发明的一个主要方面，提供一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜和对向反射元件；其中
像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成实像。
根据本发明的另一个主要方面，提供一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜和对向反射元件；其中
像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成实像。
根据本发明的又一个主要方面，提供一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜、第一对向反射元件和第二对向反射元件；其中
像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到第一对向反射元件上，光线在第一对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成第一实像；而
另外，像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到第二对向反射元件上，光线在第二对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成第二实像。
根据本发明的另一个主要方面，提供一种用于在空中成像的系统，其包括，第一像源、第二像源、透反镜和对向反射元件；其中
第一像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成第一实像；而
第二像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成第二实像；并且
第一像源和第二像源的位置设置成，使得第一实像和第二实像形成在同一位置。
优选地，像源是发出虚像或者实像的显示成像设备，或者由这些显像设备所形成的虚像或实像。
优选地，像源的光源为激光、发光二极管、有机发光二极管、受激荧光发光材料中的一种或多种。
优选地，透反镜的透射率的范围为20％～80％。
优选地，透反镜的反射率的范围为20％～80％。
在一种优选的实施形式中，对向反射元件包括带反射面的基材，以及分布在基材上的微结构。
优选地，微结构是透明材质形成的直角顶点微结构，其中该直角顶点微结构带至少一个直角顶点且该直角顶点的三条棱互成直角。
优选地，微结构是含有直角顶点微结构的凹陷部，其中该直角顶点微结构带至少一个直角顶点且该直角顶点的三条棱互成直角。
优选地，微结构是透明材质形成的球状微结构。
优选地，反射面形成于所述基材朝向所述微结构的面上。
优选地，反射面形成于所述基材与所述微结构交界的区域上。
优选地，微结构和所述基材是由同样的透明材质一体形成的，所述直角顶点是向外凸起的，所述反射面形成在所述直角顶点的三条棱两两交互而成的三个面上。
优选地，微结构在基材上均匀分布。
优选地，所述基材是薄膜、幕布、板材或树脂。
在另一种优选的实施形式中，对向反射元件包括大量对向反射单元。
优选地，对向反射单元包括带反射面的微结构。
优选地，微结构是透明材质形成的直角顶点微结构，其中该直角顶点微结构带至少一个直角顶点且该直角顶点的三条棱互成直角，而这三条棱两两相交形成的三个面或至少它们的部分区域形成反射面。
优选地，微结构是含有直角顶点微结构的凹陷部，其中该直角顶点微结构带至少一个直角顶点且该直角顶点的三条棱互成直角，而这三条棱两两相交形成的三个面或至少它们的部分区域形成反射面。
优选地，微结构是透明材质形成的球状微结构；该球状微结构离所述透反镜较远的那部分表面形成反射面。
优选地，微结构的反射面附着在基材上或与之形成为一体；其中该基材能够用于承载所述对向反射元件。
优选地，微结构的反射面以外的面附着在透明的基材上或与之形成为一体；其中该基材能够用于承载所述对向反射元件。
在又一种优选的实施形式中，对向反射元件也包括大量对向反射单元。
优选地，对向反射单元包括第一材质和第二材质中的一种，该对向反射单元还包括反射面；
第一材质是透明的实体材料；
第一材质从光线的入射路径看去，位于反射面的前方；光线经由第一材质入射后，在反射面上经反射后，又从第一材质出射；
第二材质从光线的入射路径看去，位于反射面的后方。
优选地，对向反射单元包括第一材质和第二材质，对向反射单元还包括反射面；
第一材质是空气或者真空；而第二材质是薄膜、幕布、板材或树脂；
第一材质从光线的入射路径看去，位于反射面的前方；光线经由第一材质入射后，在反射面上经反射后，又从第一材质出射；
第二材质从光线的入射路径看去，位于反射面的后方。
优选地，反射面是由直角顶点的三条棱两两相交形成的三个面或至少它们的部分区域，其中该直角顶点的三条棱互成直角。
优选地，反射面是球体表面的一部分，从光线的入射路径看去所述球体的圆心位于所述反射面的前方。
优选地，第二材质是薄膜、幕布、板材或树脂。
优选地，直角顶点的三条棱等长。
优选地，反射面上附着有高反射材料。
优选地，高反射材料的反射率高达60％、70％、80％或90％以上。
优选地，高反射材料以喷涂或者镀膜的方式附着在反射面上。
优选地，对向反射元件具有朝向透反镜弯曲的弧度。
优选地，微结构在对向反射元件上均匀分布。
优选地，像源为立体像源。
优选地，立体像源为可以显示三维立体的图像，结构和视频源的三维立体显示设备。
优选地，三维立体显示设备包括平移扫描成像系统或旋转扫描成像系统。
优选地，透反镜的两个面中的一个面附着有透反材质，使得反射率在20％－80％，相应的透射率在80％－20％之间。
优选地，透反镜的两个面中没有附着透反材质的面附着有增透材质。
优选地，三条棱的长度在20微米～5毫米之间。
优选地，三条棱中，最长的棱长度不超过最短的棱长度的10倍。
优选地，第一材质是透明的实体材料时，其入射面附着有增透材质。
优选地，第一材质是透明的实体材料时，其入射面是平面。
优选地，三条棱所形成的三个面中至少有一个面与入射面的夹角小于54度。
根据本发明的一个主要方面，提供一种用于在空中成像的方法，其包括下列步骤：
(1)提供像源、透反镜和对向反射元件；
(2)使像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到对向反射元件上；
(3)使光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，再透射过透反镜后形成实像。
根据本发明的另一个主要方面，提供一种用于在空中成像的方法，其包括下列步骤：
(1)提供像源、透反镜和对向反射元件；
(2)使像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到对向反射元件上；
(3)使光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成实像。
根据本发明的又一个主要方面，提供一种用于在空中成像的方法，其包括下列步骤：
(1)提供像源、透反镜、第一对向反射元件和第二对向反射元件；
(2)使像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到第一对向反射元件上；并使像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到第二对向反射元件上，
(3)使光线在第一对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成第一实像；并使光线在第二对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成第二实像。
根据本发明的另一个主要方面，提供一种用于在空中成像的方法，其包括下列步骤：
(1)提供第一像源、第二像源、透反镜和对向反射元件；
(2)使第一像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到对向反射元件上；并使第二像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到对向反射元件上；
(3)使第一像源发出的光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成第一实像；并使第二像源发出的光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成第二实像；
(4)设置第一像源和第二像源的位置，使得第一实像和第二实像形成在同一位置。
在本发明中，“对向反射”的含义是，光线在对向反射元件上发生对向反射时，从宏观上观察，反射光线与入射光线处于同一条路径上，只是方向相反，(当然，从微观上观察，可以认为反射路径和入射路径略有偏移)。另外，由于光具有波粒二象性，光线从对向反射元件反射时，会存在一定的衍射效应，反射光会产生一定的发散角；在这个角度理解时，只要反射光的主轴与入射光方向相反，也是满足本发明中“对向反射”的要求的。
对向反射对光线的微观上的偏移以及夫朗和费衍射是影响本发明空中成像的清晰度的两个核心因素，这两种因素也是相互制约的。对向反射元件的微结构尺寸越小，则造成的光线偏移越小，但是衍射造成的光斑则越大；相反的，如果微结构尺寸越大，则衍射造成的光斑越小，但是造成的光线偏移越大。
光线偏移对光斑大小的影响不随成像距离变化，不过随着微结构的尺度而线性变化。因此可以用减小微结构单元的大小，例如超精细加工等办法来解决。而衍射造成的斑点大小是随着成像距离的变化而线性变化的，所以设法降低衍射所造成的光线发散是很关键的因素。
在采取通常的直角三角锥结构作为对向反射单元时，入射光线在上表面发生折射，之后入射到对向反射单元的直角三角锥上发生发射，同时因为夫朗和费衍射的原因，以一定角度发散。之后在对向反射元件的上表面再一次发生折射，形成主轴与入射光线方向相反，但是带有少量位移和一定发散角的反射光线。
为了尽可能降低衍射所造成的光线发散对成像清晰度的不利影响，本发明还提供以下方案来以提高成像清晰度。
根据本发明的一个主要方面，提供一种对向反射元件，包括透明基体以及附着在透明基体上的反射材料，其中，光线经透明基体入射，到达反射材料并在反射材料上形成反射后，又经透明基体以相反方向沿原入射路径出射；该对向反射元件包括大量用于对向反射的微结构，每个微结构都包括一个凸透镜单元和多个直角三角锥单元，该多个直角三角锥单元在入射路径上处于该凸透镜单元的下游，该反射材料在入射路径上处于该多个直角三角锥单元的下游，并且附着在该直角三角锥单元上；并且，该多个直角三角锥单元排列在该凸透镜单元的焦平面上。
根据本发明的另一个主要方面，提供一种对向反射元件，包括透明基体以及附着在透明基体上的反射材料，其中，光线经透明基体入射，到达反射材料并在反射材料上形成反射后，又经透明基体以相反方向沿原入射路径出射；该对向反射元件还包括凸透镜单元阵列和直角三角锥单元阵列，该直角三角锥单元阵列在入射路径上处于该凸透镜单元阵列的下游，该反射材料在入射路径上处于该直角三角锥单元阵列的下游，并且附着在该直角三角锥单元阵列上；每一个凸透镜单元都覆盖多个直角三角锥单元；并且，该多个直角三角锥单元排列在该凸透镜单元的焦平面上。
优选地，该凸透镜单元的表面上附着有增透材料，使得其表面透过率大于0.7、0.8或0.9。
优选地，该反射材料的反射率大于0.5、0.6、0.7、0.8或0.9。
优选地，该凸透镜单元的直径是该直角三角锥单元边长的约50倍。
优选地，该凸透镜单元的直径小于等于1mm。
优选地，该直角三角锥单元边长小于等于0.02mm。
根据本发明的又一个主要方面，提供一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜和前文该的对向反射元件；其中，像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成实像。
根据本发明的再一个主要方面，提供一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜和前文该的对向反射元件；其中，像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成实像。
根据本发明的又一个主要方面，提供一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜、第一对向反射元件和第二对向反射元件；第一对向反射元件和第二对向反射元件都分别由前文该的对向反射元件形成；其中，像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到第一对向反射元件上，光线在第一对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成第一实像；而，另外，像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到第二对向反射元件上，光线在第二对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成第二实像。
应当理解，以上虽然在各主要方面之下分别记载了多个优选特征，但是这些优选特征并非只能用于该主要方面，而是在合适的情况下可以也用于其他主要方面；除了有特别说明的情形外，这些特征都可以单独地或者相结合地使用。
本发明的开创性的使用例如对向反射膜和透反镜面的组合，将虚像变成实像，从而实现空中的成像。本发明的优点在于：不需要借助任何介质(例如屏幕，含有微小颗粒的气体或液体等)，可以直接在空气，甚至真空中中呈现影像；也不需要借助头盔，眼镜等其他辅助设备，可以多人同时观看影像；另外，图像是漂浮在空中的，可以直接用手触摸，因此可以延伸出非常多的交互应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅描述本发明的一部分实施例。这些附图对于本发明来说并不是限制性的，而是起示例性的作用。其中，
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施形式的成像系统；
图2示意性地显示了根据本发明的另一个实施形式的成像系统；
图3示意性地显示了根据本发明的一个实施形式的对向反射元件；
图4示意性地显示了根据本发明的一个实施形式的对向反射元件的微结构及对向反射路径示意图；
图5示意性地显示了根据本发明的另一个实施形式的对向反射元件；
图6A、6B和6C示意性地显示了根据本发明的另一个实施形式的对向反射元件的微结构及对向反射路径示意图；
图7示意性地显示了根据本发明的又一个实施形式的对向反射元件；
图8示意性地显示了根据本发明的又一个实施形式的对向反射元件的微结构及对向反射路径示意图；
图9以顶视图的方式示意性地显示了根据本发明的一个实施形式的对向反射元件的微结构的分布；以及
图10显示了根据本发明的一个实施形式的采取直角三角锥结构作为对向反射单元时的光路示意图；
图11则显示了根据本发明的一个实施形式的结合直角三角锥结构与凸透镜结构作为对向反射单元时的光路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。“第一”、“第二”等仅用于对特征的指代，而并不意图对该特征进行任何限制、例如顺序上的限制。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
图1显示了根据本发明的一个实施形式的成像系统。如图所示，该系统包括像源1、透反镜2和对向反射元件3；透反镜2所处的平面将空间分为第一半区I和第二半区II，像源1和对向反射元件3都处在第一半区I中。
其中，像源1发出的光线经过透反镜2的反射，照射到对向反射元件3上，光线在对向反射元件3上发生对向反射，使得对向反射元件3上的反射光线与入射光线处于同一条路径上，只是方向相反。因此，光线经对向反射元件3反射后沿原入射路径出射(当然，从微观上观察，可以认为反射路径和入射路径略有偏移；然而，从宏观上观察，可以认为两条路径是完全重合的)，再经透反镜透射后，在第二半区II形成实像4。
像源1既可以是显示成像设备，也可以是由这些显示成像设备所形成的虚像或者实像。
例如，显示成像设备可以是液晶屏幕，液晶屏幕的背光光源包括激光、发光二极管、有机发光二极管、受激荧光发光材料、量子点激发光源中的一种或多种；显示成像设备也可以是由LED、OLED、等离子发光点等发光点光源组成的主动发光的点阵屏幕；显示成像设备也可以是基于例如DLP，LCOS，LCD等投影技术，由LED、OLED、激光、荧光等光源或其组合驱动，经DMD，LCOS，LCD等显示面板反射或透射，再经投影镜头投射在投影屏幕上成像的投影成像系统；显示成像设备还可以是激光束在屏幕上扫描成像的投影成像系统。并且，以上所述的所有显示成像设备，经由一次或多次折射或反射所成的实像或虚像也都可作为像源。
优选的实施形式中下，像源1可以是立体像源。立体像源包括可以显示3D立体的图像、结构和视频源的三维立体显示设备。这种三维立体显示设备通常包括控制模组与高速投影模组或高速显示模组，由控制模组控制投影模组或显示模组将一系列的2D图像切片高速的投影或显示到多个光学平面上，以使得观察者观察到三维立体的图像、结构或视频。三维立体显示设备包括平移扫描成像系统，旋转扫描成像系统等。
透反镜可以是由各种合适的透明材料制成的，如PC树脂、PET树脂、PMMA树脂、玻璃、石英等。其透射率在20％-80％之间；优选地，约为50％。其反射率也在20％-80％之间；优选地，也约为50％。
对向反射元件3优选地是分布有微结构的薄膜、幕布、板材或树脂，其最好具有一定弧度，朝向透反镜的弯曲，这样可以增加成像的亮度。下文中将详细介绍对向反射元件3。
参见图2，在本发明的另一个实施形式中，系统包括像源1、透反镜2和对向反射元件3；透反镜2所处的平面将空间分为第一半区I和第二半区II，像源1处在第一半区I中，而对向反射元件3处在第二半区II中。
其中，像源1发出的光线经过透反镜2的透射，照射到对向反射元件3上，光线在对向反射元件3上发生对向反射，使得对向反射元件3上的反射光线与入射光线处于同一条路径上，只是方向不同。因此，光线经对向反射元件3反射后后沿原入射路径出射，再经透反镜反射后，在第二半区II形成实像4。
当然，需要理解，由于光具有波粒二象性，光线从对向反射元件3反射时，会存在一定的衍射效应，反射光会产生一定的发散角；在这个角度理解时，只要反射光的主轴与入射光方向相反，也是满足本发明中“对向反射”的含义的。
在这个实施形式中，像源1发出的光线经透反镜2的透射(而非经过反射)后到达对向反射元件3。而经对向反射元件3反射的光线再经由透反镜2反射(而非透射)后，生成实像4。最后所成的实像4和对向反射元件3位于同一半区，而非不同的半区。
在本发明的又一个实施形式中(未示出)，将上述两个实施形式结合，采用两个对向反射元件，使像源发出的光线经透反镜的反射后到达其中一个对向反射元件，而经对向反射元件反射的光线再经由透反镜透射后，生成实像；像源发出的光线经透反镜的透射后到达另一个对向反射元件，而经该另一个对向反射元件反射的光线再经由透反镜反射后，生成实像。这使得所生成的两个实像重叠在一起，这样得到亮度更强的成像。
当然，应当明白，在其他实施方式中，附加地或者替代地，可以使用两个像源。这时需要调整这两个像源与透反镜和对向反射元件的位置，使得其最后所成的实像在空间中重叠在一起。
本发明中的对向反射元件是经特殊处理的元件，它包括例如涂有高反射涂层的基材，以及例如均匀地分布在基材上的对向反射微结构。该高反射涂层的反射率达60％以上，优选地，达70％、80％或90％以上。应当明白，该高反射涂层也可以是以其他方式附着在基材上的，例如镀膜。
当然，该高反射涂层可以例如附在微结构朝向基材的面上，或是附在微结构与基材交界的区域上。
应当理解，对向反射微结构在基材上的分布也可以是不均匀的，均匀的分布会有更好的成像效果；不过一些刻意布置的不均匀分布可以用于特殊的成像目的。
参见图3，其中显示了根据本发明的一个实施形式的对向反射元件。该对向反射元件3包括作为基材30的薄膜或幕布。基材30上涂有高反射涂层。另外，在基材30上还均匀地分布有球状微结构31。
参见图4，其中显示了球状微结构的放大图及对向反射路径的示意图。
光线从透反镜经球状微结构31的上表面折射后射向基材30的高反射涂层，经反射后，射回球状微结构31的上表面，再次折射，射向透反镜。球状微结构31的结构使得光线能够几乎经由原路返回透反镜(如前所述，在宏观环境下观察，可以认为光线就是沿原路返回)。
参见图5，其中显示了根据本发明的另一个实施形式的对向反射元件。该对向反射元件3的基材30上还均匀地分布有直角顶点微结构31’。直角顶点微结构31’可以是嵌入在基材30上的、透明的、带至少一个顶点且该顶点的三条棱互成直角的微结构体，例如微立方体或是微长方体，或者是它们的含至少一个顶点的一部分，当然，该至少一个顶点是嵌入在基材30中的(参见图6A)。在一些实施方式中，直角顶点微结构31’是三条棱互成直角的微三角椎体，其顶点嵌入在基材30中(参见图6B)；优选地，顶点所对的底面与基材30平齐；更优选地，在该底面上还附有增透膜。在更加优选地实施形式中，三条棱所形成的三个面中至少有一个面与该底面面的夹角小于54度。
应当理解，这三条棱可以是等长的，当然也可以是不等长的。棱的长度可以在20微米～5毫米之间选择。优选地，三条棱中，最长的棱长度不超过最短的棱长度的10倍。
还应当理解，三条棱所形成的三个面也应该是互相垂直的，也即三个面两两之间的二面角大小应为90度，不过由于工艺的制约，即使这些二面角大小不是精确的90度，而是在加工允许的误差范围内，例如+－2分，也是可以满足本发明的要求的。
在另一个实施形式中，该直角顶点微结构31’可以是由上述微结构体的一个顶点的一部分压印在基材30上而形成的凹陷部(参见图6C)。
图6A、6B和6C显示了图5中的直角顶点微结构的放大图及对向反射路径的示意图。在图6A和6B所示的实施形式中，直角顶点微结构31’是透明的微结构体。光线从透反镜经直角顶点微结构31’的入射表面(例如上表面)折射后射向薄膜或幕布30的高反射涂层，经三次反射后，射回直角顶点微结构31’的出射表面(例如上表面)，再次折射，射向透反镜。在图6C所示的实施形式中，直角顶点微结构31’为凹陷部，光线在通过透反镜透射或反射后，直接入射到凹陷部上，经三次反射后，射向透反镜。直角顶点微结构31’的结构使得光线能够几乎经由原路返回透反镜(同样，在宏观环境下观察，可以认为光线就是沿原路返回)。
图7显示了本发明的又一个实施形式的对向反射元件。该对向反射元件3的基材30’上均匀地分布有直角顶点微结构31’。基材30’自身是透明的基材，直角顶点微结构31’也是透明的微结构体。直角顶点微结构31’与基材30’相背离的那些面上涂有高反射涂层。
直角顶点微结构31’优选地与基材30’一体地形成；当然，也可以是分开制成然后附在基材30’上。优选的情况下，基材30’的材料与直角顶点微结构31’的材料是一样的，或至少具有相同的折射率。
图8显示了图7中的直角顶点微结构的放大图及对向反射路径的示意图。光线从透反镜经基材30’的上表面折射后射向直角顶点微结构31’的高反射涂层，经三次反射后，射回基材30’的上表面，再次折射，射向透反镜。直角顶点微结构31’的结构使得光线能够几乎经由原路返回透反镜(如前所述，在宏观环境下观察，可以认为光线就是沿原路返回)。
图9以顶视图的方式示意性地显示了根据本发明的一个实施形式的对向反射元件上的微结构的分布，以更好地理解微结构的分布情况。如图所示，多个微结构依次紧邻彼此分布，在对向反射元件上延伸。应当理解，图中显示的只是对向反射元件的局部，微结构可以在整个对向反射元件上作这样的分布。另外，虽然本图中显示的微结构是类似于长方体的凹陷部，应当理解，微结构的形状并不局限于此，而可以是上文中所述的任一种微结构。
如上所述，对向反射元件在微观上还是会对光线的反射路径和入射路径造成一定偏移；同时，光的衍射效应会使反射光产生一定的发散角。光线偏移对光斑大小的影响不随成像距离变化，不过随着微结构的尺度而线性变化。因此可以用减小微结构单元的大小，例如超精细加工等办法来解决。而衍射造成的斑点大小是随着成像距离的变化而线性变化的，所以设法降低衍射所造成的光线发散是很关键的因素。
如图10中示意性所示，在采取直角三角锥结构作为对向反射单元时，入射光线在上表面发生折射，之后入射到对向反射单元的直角三角锥上发生发射，同时因为夫朗和费衍射的原因，以一定角度发散。之后在对向反射元件的上表面再一次发生折射，形成主轴与入射光线方向相反，但是带有少量位移和一定发散角的反射光线。
为了尽可能降低衍射所造成的光线发散对成像清晰度的不利影响，本发明对对向反射单元做出新的设计以降低衍射造成的发散。
如图11所示，在一个实施形式中，将对向反射单元的基体部分分为两个主要部分。在基体部分的上部，也即朝向透反镜的那一侧，使用凸透镜结构，形成凸透镜阵列。而在基体部分的下部，即远离透反镜的那一侧，使用直角三角锥结构，形成直角三角锥阵列。整个基体部分使用透明基材。同时基体部分的厚度设计成使得下部的直角三角锥结构排列在上部的凸透镜的焦平面上。
在基体部分的下表面，也即直角三角锥结构的下表面或者说外侧，镀有高反射材料层。由此，入射光线在基体部分的上表面，也即凸透镜结构的上表面或者说外侧，发生折射；之后入射到直角三角锥上，在其下表面发生多次反射，同时因为夫朗和费衍射的原因，以一定对角度发散；之后在对向反射元件的上表面再一次发生折射，因为凸透镜聚焦的原理，这次折射使带有一定散射的光线聚拢，以接近平行光的形式发射出去。由此，降低了衍射造成的发散，即使在成像距离较长的情况下也能够减小衍射造成的斑点尺寸。
在这个实施形式中，凸透镜阵列中的每一个凸透镜结构的直径为约1mm，最好在1mm以下；而直角三角锥阵列中的每一个直角三角锥结构都为等边直角三角锥结构，其底面为等边三角形；该底面的边长为约0.02mm，最好在0.02mm以下。一般情况下，一个凸透镜结构对应数十个直角三角锥结构；然而，一个凸透镜结构对应一个直角三角锥结构的情况也是可以考虑的。
在这个实施形式中，基体部分下表面所镀有的反射材料层的反射率达60％以上，优选地，达70％、80％或90％以上。
在一个优选的实施形式中，基体部分上表面还镀有增透材质，使得该表面的透过率达70％以上。更优选地，达80％或90％以上。
应当理解，在本发明中，虽然大部分情况下将对向反射元件中的反射面(例如，涂有高反射涂层的面)描述为是附在基材上的一部分，但是也可以认为反射面是附在微结构上的一部分。例如，可以将对向反射元件划分成大量的对向反射单元，每个对向反射单元都包括带反射面的微结构；微结构可以是前述的球状微结构或者直角顶点微结构，或者是在图11所示实施形式中的一个凸透镜结构与若干个直角三角锥结构的组合。或者，甚至也可以将反射面当作一个独立结构单元来描述。例如，每个对向反射单元都包括反射面，以及可以使反射面附着于其上的第一材质和第二材质中的至少一种；反射面可以是由前述的微结构的一个或几个面所形成的。
根据本发明，既不需要借助头盔等辅助设备，也不需要借助成像屏幕或是空气中的微粒介质，即可以直接在空气中，甚至在真空中成像。是真正的空气成像技术。由于所成的像悬浮在空气中，可以拓展出大量的互动和应用，具有划时代的意义。
应当明白，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。应当理解，以上实施例中所公开的特征，除了有特别说明的情形外，都可以单独地或者相结合地使用。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本文所公开的本发明并不局限于所公开的具体实施例，而是意在涵盖如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的修改。

Claims (10)

1.一种对向反射元件，包括透明基体以及附着在透明基体上的反射材料，其中，光线经透明基体入射，到达反射材料并在反射材料上形成反射后，又经透明基体以相反方向沿原入射路径出射；
该对向反射元件包括大量用于对向反射的微结构，每个微结构都包括一个凸透镜单元和多个直角三角锥单元，所述多个直角三角锥单元在入射路径上处于所述凸透镜单元的下游，所述反射材料在入射路径上处于所述多个直角三角锥单元的下游，并且附着在所述直角三角锥单元上；并且，
所述多个直角三角锥单元排列在所述凸透镜单元的焦平面上。
2.一种对向反射元件，包括透明基体以及附着在透明基体上的反射材料，其中，光线经透明基体入射，到达反射材料并在反射材料上形成反射后，又经透明基体以相反方向沿原入射路径出射；
该对向反射元件还包括凸透镜单元阵列和直角三角锥单元阵列，所述直角三角锥单元阵列在入射路径上处于所述凸透镜单元阵列的下游，所述反射材料在入射路径上处于所述直角三角锥单元阵列的下游，并且附着在所述直角三角锥单元阵列上；
每一个凸透镜单元都覆盖多个直角三角锥单元；并且，所述多个直角三角锥单元排列在所述凸透镜单元的焦平面上。
3.根据权利要求1或2所述的对向反射元件，其特征在于，所述凸透镜单元的表面上附着有增透材料，使得其表面透过率大于0.7、0.8或0.9。
4.根据权利要求1或2所述的对向反射元件，其特征在于，所述反射材料的反射率大于0.6、0.7、0.8或0.9。
5.根据权利要求1或2所述的对向反射元件，其特征在于，所述凸透镜单元的直径是所述直角三角锥单元边长的约50倍。
6.根据权利要求5所述的对向反射元件，其特征在于，所述凸透镜单元的直径小于等于1mm，所述直角三角锥单元的边长小于等于0.02mm。
7.根据权利要求5所述的对向反射元件，其特征在于，所述直角三角锥单元具有直角顶点，所述直角顶点的三条棱互成直角，并且所述三条棱中最长的棱的长度不超过最短的棱的长度的10倍。
8.一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜和根据权利要求1-7中任一项所述的对向反射元件；其中
像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成实像。
9.一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜和根据权利要求1-7中任一项所述的对向反射元件；其中
像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到对向反射元件上，光线在对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成实像。
10.一种用于在空中成像的系统，其包括，像源、透反镜、第一对向反射元件和第二对向反射元件；其中所述第一对向反射元件和所述第二对向反射元件都分别由根据权利要求1-7中任一项所述的对向反射元件形成；其中
像源发出的光线经过透反镜的反射，照射到第一对向反射元件上，光线在第一对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，透射过透反镜后形成第一实像；而
另外，像源发出的光线经过透反镜的透射，照射到第二对向反射元件上，光线在第二对向反射元件上发生反射后以相反方向沿原入射路径出射，经透反镜反射后形成第二实像。
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