CN108389531A - 一种空中悬浮显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种空中悬浮显示系统，包括显示源、逆向微结构阵列和第一平面光学元件；所述逆向微结构阵列包括多个阵列设置的逆向反射单元，每个逆向反射单元由至少两个透镜组合而成，且所述逆向反射单元远离所述第一平面光学元件的一面镀有反射膜；所述第一平面光学元件具有部分透射和部分反射功能；所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件后在空中汇聚形成悬浮像。通过逆向微结构阵列对显示源发射的光线进行调制，最终实现在空中悬浮显示一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学显示技术领域，更具体地，涉及一种空中悬浮显示系统。
背景技术
从黑白显示器到彩色显示器；从CRT显示器到量子点显示器；从平面显示器到裸眼3D显示器。长久以来，人们不断研究新的显示技术，并把这些显示技术成功地应用在了各个领域，例如生活娱乐、展览展示、广告传媒、医疗教育、军事指挥等。在众多的显示技术中，空中悬浮显示技术由于能够将图像呈现在空气之中，为观看者带来强烈的视觉冲击和亦真亦假的感官体验从而受到了许多研究者的关注。从悬浮出的图像类别主要分为真实物体的三维空气成像和虚拟物体的平面空气成像。前者主要是将真实物体置于悬浮显示系统中，通过向真实物体照明从而实现观察者能通过该显示系统观看到悬浮在空气中的真实物体。后者主要是将LCD等平面显示器显示的虚拟图像通过显示系统后，实现在空中悬浮的平面内容。悬浮显示系统的实质在于能够成实像的光学系统，依据之前研究者的工作报导主要可以分为五类：
凹面反射镜加分光镜：该光学结构是此类显示系统最早提出的方案。被照明的真实物体或者LCD显示的内容由分光镜反射进入凹面反射镜，光线经过凹面反射镜的汇聚作用再次通过分光镜之后在其另一侧成像。此时，观察者可以看到空中悬浮的影像。为了避免环境光影响视觉感受，可以在系统中加入圆偏振片来抑制环境杂光的影响。此方案的优点是结构简单，在应用树脂材料的球形反射镜后可以极大降低成本。缺点是：悬浮的图像尺寸小、观看视角小且图像变形严重。
同轴结构：为了解决方案1中存在的问题，研究者提出了同轴反射结构，该类结构主要是由上下两个正对的轴上反射镜组成，并且在上方的反射镜中心开有一定尺寸的通光孔径。真实物体放置于两个反射镜的内部，物体发出的光线经过上下两个反射镜的反射后从上方反射镜的通光孔径处射出，从而在空中成像。优点：观察者可以在360度的范围内环视悬浮在空中的物体像；结构简单易装配。缺点：由于在上方有通光小孔，因此观察者在其上方的一定角度范围内无法观看；只适用于显示小尺寸图像，如果显示大尺寸图像，显示系统的尺寸会十分巨大从而增大了成本又降低了实用性。
离轴反射结构：为了进一步改善效果，研究者又提出了离轴反射结构。显示源的内容通过离轴并旋转一定角度的反射镜多次反射后在空中成像。优点：通过反射镜的离轴解决了同轴结构无法在上方观察的问题；观看视角大、显示清晰度高。缺点：由于采用了离轴的方式，因此反射镜的面型必须是非球面的面型从而消除因离轴引入的偏心像差，这增加了工艺难度和成本；反射镜相互的距离和各自的旋转角度为装配带来了极大的难度；不宜显示较大尺寸的悬浮图像。
逆反射结构加分束镜：为了能够实现较大尺寸悬浮图像，研究者提出了基于逆反射结构和分束镜的空中悬浮显示系统。该结构主要是由空心或实心的球形透镜组成并且在下半球的表面镀有反射膜。该结构能够实现反射光线与入射光线相互平行且方向相反的效果。显示源发出的光线经分束镜入射到逆反射结构，通过逆反射结构的反射光线将沿着入射光线的相反方向再次通过分束镜从而在其另一侧汇聚成像。优点：能够实现较大尺寸的悬浮显示图像；加工工艺成熟、成本低；观看视角大。缺点；由于球形透镜严重的像差导致了悬浮图像十分模糊，极大影响了悬浮图像的显示效果。
双层平面镜阵列：该方案是由上下两层平面镜阵列组成且两层之间的平面镜单元相互垂直。显示源发出的光线经过该平面镜阵列的反射后在另一侧汇聚成像。优点：由于是平面镜反射成像因此系统不存在像差，可以实现一个无畸变、高清晰度的悬浮图像。缺点：理论上显示源的每一条光线应在上下两层平面镜阵列上各发生一次反射后汇聚成像。实际中可能会再两层反射镜之前发生多次反射，这导致观察者在看到悬浮图像的同时也能同时观察到残影；反射镜单元的间隔决定了系统的显示频率和分辨率较低；有效的观看视角小；光能利用率低；制作成本极高。
综上所述，现有的空中悬浮显示系统存在观察视角小、成像尺寸小和空中悬浮显示图像不清晰等问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的空中悬浮显示系统。
本发明实施例提供了一种空中悬浮显示系统，所述系统包括显示源、逆向微结构阵列和第一平面光学元件；其中，
所述逆向微结构阵列包括多个阵列设置的逆向反射单元，每个逆向反射单元由至少两个透镜组合而成，且所述逆向反射单元远离所述第一平面光学元件的一面镀有反射膜；
所述第一平面光学元件具有部分透射和部分反射功能；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件后在空中汇聚形成悬浮像。
进一步地，所述逆向反射单元中的每个透镜为传统透镜或或由紫外光固化制成的微透镜。
进一步地，所述逆向反射单元中相邻透镜之间间隙为0-10mm；所述逆向反射单元中每个透镜的厚度为0-10mm；所述逆向反射单元中每个透镜的孔径为0-10mm。
进一步地，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互垂直设置或相互平行设置。
进一步地，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互垂直设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第一预设角度设置，所述第一预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件反射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
进一步地，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互平行设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第二预设角度设置，所述第二预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件透射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件反射后在空中汇聚形成悬浮像。
进一步地，所述系统还包括具有反射功能的第二平面光学元件，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第三预设角度设置，所述第三预设角度为0-90°；所述第二平面光学元件与所述显示源呈第四预设角度设置，所述第四预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线依次经所述第二平面光学元件和所述第一平面光学元件反射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
本发明实施例提供了一种空中悬浮显示系统，通过具有部分透射和部分反射功能的第一平面光学元件对显示源发射的光线进行光路变换，使调制前后光线的光路分离，同时通过包括多个阵列布置的逆向反射单元的逆向微结构阵列对显示源发射的光线进行调制，最终实现在空中悬浮显示一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中传统透镜的形状示意图；
图3为本发明实施例实例中逆向反射单元的结构示意图；
图4为本发明实施例中一种逆向反射单元加工示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种空中悬浮显示系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种空中悬浮显示系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例涉及如下技术名词：
传统透镜，指球面或非球面的透镜，材料可以是各种玻璃或塑料。
图1为本发明实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括显示源M1、逆向微结构阵列M2和第一平面光学元件E0。其中，所述逆向微结构阵列M2包括多个阵列设置的逆向反射单元，每个逆向反射单元由至少两个透镜组合而成，且所述逆向反射单元远离所述第一平面光学元件的一面镀有反射膜；所述第一平面光学元件E0具有部分透射和部分反射功能；所述显示源M1发射的光线经所述第一平面光学元件E0后进入所述逆向微结构阵列M2，在所述逆向微结构阵列M2中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件E0后在空中汇聚形成悬浮像M3。
其中，显示源M1是有光照的实际物体或一种电子设备，它能够向观看者提供视觉内容信息。它可以是液晶显示器(LCD)，激光显示器、投影仪、LED显示器、OLED显示器、量子点显示器、或其他能够显示视觉内容的器件和系统。它用来显示静态的、动态的以及任意能够被显示或者看到的内容。静态的内容指显示的内容不随时间的变化而改变，它包括但不限于图片、静态影像、静态文本及图表数据等。动态内容指随时间的变化而改变的内容，它包括但不限于录制视频、实时视频、变化的图像、动态的文本及图表数据等。
逆向微结构阵列M2由多个阵列设置的逆向反射单元组成，逆向反射单元由多层结构组成并且最后一层镀有反射膜。微结构的材料可以是玻璃材料、树脂材料或聚合物材料等。可以理解地，逆向微结构阵列M2中逆向反射单元中逆向反射单元的数量可由实际需要选定。
具有部分透射和部分反射功能的第一平面光学元件E0，其透射率的范围是：1％～99％，其反射率的范围是：1％～99％。其材料可以是玻璃或者亚克力及其他塑料材料。其厚度可以根据实际需要制定。
系统在空中所成悬浮像M3，代表悬浮在空气中的静态图像或者动态视频，观察者可以真切地看到图像或者视频漂浮在空中，并且可以用手穿过悬浮像。
具体地，显示源M1发射的光线第一次经过第一平面光学元件E0后进入逆向微结构阵列M2中，每条光线在对应的逆向微结构阵列M2的逆向反射单元中经至少两个透镜的调制，再由对应的逆向反射单元中离第一平面光学元件E0较远的一面上的反射膜反射，第二次经过第一平面光学元件E0在空中汇聚形成悬浮像M3。由于逆向微结构阵列M2中包括了多个阵列设置的逆向反射单元，使得进入逆向微结构阵列M2中光线能够被对应的逆向反射单元单独调制和反射，大大提高对显示源发出光线的调制能力。
本发明实施例提供了一种空中悬浮显示系统，通过具有部分透射和部分反射功能的第一平面光学元件对显示源发射的光线进行光路变换，使调制前后光线的光路分离，同时通过包括多个阵列布置的逆向反射单元的逆向微结构阵列对显示源发射的光线进行调制，最终实现在空中悬浮显示一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。
基于上述实施例，所述逆向反射单元中的每个透镜为传统透镜或由紫外光固化制成的微透镜。
具体地，在该悬浮显示系统中的逆向反射单元中的光学镜片可以是传统的玻璃透镜、塑料透镜或者是由紫外光固化(UV固化)工艺制作的微透镜。
如图2所示，上述实施例中的悬浮显示系统中的光学模组中的每个光学镜片可以是图2中任意一种结构或者是它们之间胶合在一起的复合结构。例如图2中的平凸透镜和双凹透镜可以组成双胶合透镜或者再加上双凸透镜组成三胶合结构等。R是光学透镜的曲率半径，其绝对值的取值范围是：|R|＞0mm。l是光学透镜的中心厚度，其取值范围是：10mm≥d＞0mm。lE是光学透镜的边缘厚度，其取值范围是：10mm≥lE＞0mm。每个光学透镜所采用的材料可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃、火石玻璃、重冕玻璃、重火石玻璃或者LA系玻璃等)；可以是塑料树脂材料(如PMMA、PC、COC、POLYCARB等)；根据实际需要可在光学镜片上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。需要声明的是，图2只是描述出传统透镜可能存在几种形式，并不是限制发明实施例的保护范围和权限。图2展示的光学镜片是传统透镜的形式，由紫外光固化制成的微透镜的也可制成与图2所示传统透镜相同的形式。
基于上述实施例，所述逆向反射单元中相邻透镜之间间隙为0-10mm；所述逆向反射单元中每个透镜的厚度为0-10mm；所述逆向反射单元中每个透镜的孔径为0-10mm。
具体地，通过一个实例对逆向反射单元的结构和工作原理进行说明，可以理解地，以下仅仅是本发明实施例的一个实例，本发明实施例的保护范围并不以此为限。
如图3所示，逆向反射单元由两个透镜组成，从左至右，第一个透镜是一个双凸透镜，第二个透镜是一个月凸透镜。R1、R2、R3分别是两个透镜三个面的曲率半径，其绝对值的取值范围是|R1|＞0mm,|R2|＞0mm,|R3|＞0mm。d1、d2是两个透镜的厚度，其取值范围是10mm≥d1＞0mm，10mm≥d2＞0mm。P是透镜的孔径，其取值范围是10mm≥P＞0mm。两个透镜之间的间距的取值范围是50mm≥dair≥0mm。入射光线经过三个面的折射作用后汇聚在第三面上，汇聚的光线经过第三面反射膜的反射后再次经过前面两个面，最终实现M点的反射光线与入射光线呈相反的方向，实现了逆向反射的效果。
进一步地，逆向反射单元中每一个面的面型具体面型参数是根据逆向反射的要求设计得到的。以图3所示的结构为例，在优化设计每个透镜的面型时，首先需要确定显示源与逆向结构阵列的距离，其次确定入射光线的最大角度，最后确定逆向反射单元中透镜的数量。以上这些都是整个系统所要达到的外部条件，整个优化过程需要在满足逆向反射的目标下同时满足这些外部条件，需要在选定优化变量后利用优化算法不断迭代计算，最终得到满足目标值的各个优化变量的值和具体面型参数。该系统的优化变量有：各个光学镜片的厚度、相邻光学镜片的间距、光学镜片选用的材料以及各个光学镜片所遵循的面型公式(包括公式中的各个变量：曲率、非球面系数等)(可以是已有的球面或非球面面型公式，亦或是用户自定义的面型公式)。表1是按照上述方法计算得到的逆向反射单元的具体参数，其中相邻两个透镜之间的间距为0。
表1
表1中光学透镜遵循的面型公式：
上式中，Z是透镜的矢高，c是曲率，r是径向口径，k是圆锥系数，a1～a5是非球面系数。
表1中的面型参数只是其中的一种可能性，实际上，系统优化目标值的改变、优化变量选用的改变、优化顺序的改变、面型公式(包括内部变量)及优化算法选用都能得出不同的变量值和面型参数，因此会有无数个满足要求的面型参数的结果。例如面型公式也可以选择以下公式：
以上的这些情况都属于本行业人员在不付出创造性劳动的情况下在参考上述实施例后可以通过修改而得到不同的面型参数，这些应都属于本发明实施例的保护范围。
另外，图3中的复合透镜由两个透镜组成，为了进一步提高光线逆向反射的精度，复合透镜可以三个、四个或者更多的透镜组成，每个透镜的厚度、曲率半径、面型参数、材料等都是依据上述的方法优化得到，这些同样属于行业人员在不付出创造性劳动的情况下在参考上述实施例后可以通过修改而得到不同的面型参数，这些应都属于本发明实施例的保护范围。
需要说明的是，上述实施例中的微透镜单元的孔径为5mm，这会影响到观察者看到的空中悬浮图像的分辨率。可以通过减小透镜孔径来增加分辨率。因此，可以利用单点精钢石加工工艺和紫外光固化的加工工艺将微透镜阵列的每一面都制作为一个膜层，再将这些膜层复合在一起，组成逆向微结构阵列。如图4所示，利用单点精钢石加工工艺制作每一个膜层的模具，然后利用紫外光固化工艺制作成型，最后将三个膜层精确对准贴合，从而形成了逆向微结构阵列。更多的膜层也可以依照图样的方法来制作。
基于上述实施例，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互垂直设置或相互平行设置。
基于上述实施例，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互垂直设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第一预设角度设置，所述第一预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件反射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
具体地，再次参考图1，L1是显示源M1的中心与第一平面光学元件E0的中心之间的距离，其范围是：5000mm≥L1＞0m。L2是第一平面光学元件E0的中心与逆向微结构阵列的中心之间的距离，其变化范围是：5000mm≥L2＞0mm。θ0是第一预设角度，也称为第一平面光学元件E0的旋转角，其变化范围是：90°＞θ0＞0°。LI是第一平面光学元件E0的中心与空气中悬浮像中心之间的距离，其变化范围是5000mm≥LI＞0mm。θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ＞0°，需要说明的是，其环视视角可以是360度。
基于上述实施例，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互平行设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第二预设角度设置，所述第二预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件透射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件反射后在空中汇聚形成悬浮像。
具体地，如图5所示，L1是显示源M1的中心与第一平面光学元件E0的中心之间的距离，其范围是：5000mm≥L1＞0m。L2是第一平面光学元件E0的中心与逆向微结构阵列的中心之间的距离，其变化范围是：5000mm≥L2＞0mm。θ0是第二预设角度，也称为第一平面光学元件E0的旋转角，其变化范围是：90°＞θ0＞0°。LI是第一平面光学元件E0的中心与空气中悬浮像中心之间的距离，其变化范围是5000mm≥LI＞0mm。θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ＞0°，需要说明的是，其环视视角可以是360度。
基于上述实施例，所述系统还包括具有反射功能的第二平面光学元件，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第三预设角度设置，所述第三预设角度为0-90°；所述第二平面光学元件与所述显示源呈第四预设角度设置，所述第四预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线依次经所述第二平面光学元件反射后和所述第一平面光学元件反射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
具体地，如图6所示，相比图5所示实施例中的系统，加入了第二平面光学元件E1，L0是显示源M1的中心到第二平面光学元件E1的中心之间的距离，其变化范围是：5000mm≥L0＞0mm。L1是E1的中心到第一平面光学元件E0的中心之间的距离，其变化范围是：5000mm≥L1＞0mm。θ1是第四预设角度，也称为第二平面光学元件E1的旋转角，其变化范围是：90°＞θ1＞0°。L2是第一平面光学元件E0的中心到逆反射结构的中心之间的距离，其变化范围是：5000mm≥L2＞0mm。θ0是第三预设角度，也称为第一平面光学元件E0的旋转角，其变化范围是：90°＞θ0＞0°。LI是第一平面光学元件E0的中心到空气中悬浮像M3的中心之间的距离，其变化范围是5000mm≥LI＞0mm，θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ＞0°需要说明的是，其环视视角可以是360度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种空中悬浮显示系统，其特征在于，所述系统包括显示源、逆向微结构阵列和第一平面光学元件；其中，
所述逆向微结构阵列包括多个阵列设置的逆向反射单元，每个逆向反射单元由至少两个透镜组合而成，且所述逆向反射单元远离所述第一平面光学元件的一面镀有反射膜；
所述第一平面光学元件具有部分透射和部分反射功能；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件后在空中汇聚形成悬浮像。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述逆向反射单元中的每个透镜为传统透镜或由紫外光固化制成的微透镜。
3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述逆向反射单元中相邻透镜之间间隙为0-10mm；所述逆向反射单元中每个透镜的厚度为0-10mm；所述逆向反射单元中每个透镜的孔径为0-10mm。
4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互垂直设置或相互平行设置。
5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互垂直设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第一预设角度设置，所述第一预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件反射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
6.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述显示源与所述逆向微结构阵列相互平行设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第二预设角度设置，所述第二预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第一平面光学元件透射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件反射后在空中汇聚形成悬浮像。
7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述系统还包括具有反射功能的第二平面光学元件，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第三预设角度设置，所述第三预设角度为0-90°；所述第二平面光学元件与所述显示源呈第四预设角度设置，所述第四预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线依次经所述第二平面光学元件和所述第一平面光学元件反射后进入所述逆向微结构阵列，在所述逆向微结构阵列中经逆向反射单元的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
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