CN110989195A - 一种三维图像悬浮显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种三维图像悬浮显示系统及方法，该系统包括图像投影源、半反半透镜、以及逆反射阵列；其中，所述图像投影源，用于发出光线以形成待显示的三维图像，并将形成所述待显示的三维图像的光线传输至所述半反半透镜；所述半反半透镜，用于将所接收到的来自于图像投影源的光线进行分光后传输至逆反射阵列，并接收逆反射阵列反射回的光线，对所述反射回的光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示；其中，所述半反半透镜相对于所述图像投影源呈倾斜悬空放置；所述逆反射阵列用于接收所述半反半透镜输出的光线并将光线沿原光路反射回半反半透镜，从而通过该三维图像悬浮显示系统实现了三维图像的悬浮显示。

Description

一种三维图像悬浮显示系统及方法

技术领域

本发明涉及立体显示技术领域，尤其涉及一种三维图像悬浮显示系统及方法。

背景技术

随着多媒体技术的不断发展，图像显示器已经是现代生活一个不可缺少的部分，从监测显示器到智能手机与平板电视屏幕，图像显示器能够给用户以多种形式提供信息。目前，简单的平面二维显示技术已经不能满足人们的需求，二维图像只能使人们了解到世界某个空间侧面的信息，限制了人们对世界的全面认识，人们希望能够更直接的反应现实世界，能将虚拟图像或物体显示在空中。

悬浮显示技术近年来发展迅速，悬浮显示技术指的是不需要投影屏幕或者介质，直接将图像在空中悬浮显示，它能将虚拟图像或物体显示在空中，无需任何承载介质，具有很强的视觉冲击力。但是目前的悬浮显示设备只能显示平面图像，缺少了深度信息，无法显示真正的三维图像。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供一种三维图像悬浮显示系统及方法，旨在实现三维图像的悬浮显示。

本发明实施例提供一种三维图像悬浮显示系统，包括：图像投影源、半反半透镜、以及逆反射阵列；其中，

图像投影源，用于发出光线以形成待显示的三维图像，并将形成所述待显示的三维图像的光线传输至所述半反半透镜；

半反半透镜，用于将所接收到的来自于图像投影源的光线进行分光后传输至逆反射阵列，并接收逆反射阵列反射回的光线，对所述光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示；其中，所述半反半透镜相对于所述图像投影源呈倾斜悬空放置；

所述逆反射阵列用于接收所述半反半透镜输出的光线，并将光线沿原光路反射回半反半透镜。

在一些实施例中，所述图像投影源生成第一光线输出以形成所述待显示的三维图像,并将所述第一光线传输至所述半反半透镜；所述半反半透镜将第一光线分成第一反射分量和第一透射分量,并将所述第一反射分量或所述第一透射分量传输至所述逆反射阵列。

在一些实施例中，当所述逆反射阵列相对于所述图像投影源垂直放置时，所述逆反射阵列接收第一反射分量，并将所述第一反射分量沿原光路反射回半反半透镜；所述半反半透镜将所述第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像。

在一些实施例中，当所述逆反射阵列相对于所述图像投影源平行放置时，所述逆反射阵列接收所述第一透射射分量，并将第一透射分量沿原光路反射回半反半透镜；所述半反半透镜将所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使所述第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像。

在一些实施例中，所述半反半透镜与图像投影源之间的倾斜角度设置为(0,89°]。

在一些实施例中，所述图像投影源包括二维平面显示设备和微透镜阵列，其中，所述微透镜阵列设置在所述二维平面显示设备出射光线的一面，所述二维平面显示设备和所述微透镜阵列之间的距离设置为等于或大于微透镜阵列的焦距。

在一些实施例中，所述微透镜阵列包括多个柱面透镜，所述柱面透镜的倾斜角度设置为(0,89°]，多个柱面透镜的节距p设置为0<p<20mm。

在一些实施例中，所述微透镜阵列包括多个圆透镜，所述圆透镜的直径d设置为0<d<20mm，相邻两个圆透镜的边缘间距q设置为0<q<8mm。

本发明实施例提供一种三维图像悬浮显示方法，包括如下步骤：

S1:通过图像投影源发出光线以形成待显示的三维图像，并将形成所述待显示的三维图像的光线传输至一半反半透镜；

S2:通过所述半反半透镜将所接收到的来自于图像投影源的光线，进行分光后传输至一逆反射阵列，通过逆反射阵列接收所述半反半透镜输出的光线，并将所述光线沿原光路反射回半反半透镜；半反半透镜接收逆反射阵列反射回的光线，对所述光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示。

在一些实施例中，步骤S1中，所述图像投影源生成第一光线输出以形成所述待显示的三维图像,并将所述第一光线传输至半反半透镜；

在步骤S2中，所述半反半透镜将所述第一光线分成第一反射分量和第一透射分量,其中第一反射分量或第一透射分量传输至所述逆反射阵列；逆反射阵列将所述第一反射分量或所述第一透射分量沿原光路反射回半反半透镜；半反半透镜将所述第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像；或者，半反半透镜将所述所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使所述第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像。

本发明实施例提供一种三维图像悬浮显示系统，包括：图像投影源、半反半透镜、以及逆反射阵列；其中，图像投影源用于发出光线以形成待显示的三维图像，并将形成所述待显示的三维图像的光线传输至所述半反半透镜；半反半透镜用于将所接收到的来自于图像投影源的光线进行分光后传输至逆反射阵列，并接收逆反射阵列反射回的光线，对所述反射回的光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示；从而通过该三维图像悬浮显示系统实现了三维图像的悬浮显示。

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是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例三维图像悬浮显示系统的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例三维图像悬浮显示系统的结构示意图；

图3a-图3c为本发明一个实施例三维图像悬浮显示系统的图像投影源的微透镜阵列的示意图；

图4为本发明一个实施例三维图像悬浮显示系统的逆反射阵列的示意图；

图5为本发明一个实施例三维图像悬浮显示方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是有线连接到另一个元件或无线连接至该另一个元件上，连接用于数据传输作用。

此外，在本发明的说明书、权利要求书及附图中的术语中涉及“第一”或“第二”等的描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，也就是说，这些描述不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，应该理解这些描述在适当情况下可以互换，以便描述本发明的实施例。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供一种三维图像悬浮显示系统，参照图1、图2所示，该三维图像悬浮显示系统10包括：图像投影源11、半反半透镜104、以及逆反射阵列105；其中，图像投影源11用于发出光线以形成待显示的三维图像103，并将形成待显示的三维图像103的光线传输至半反半透镜104；半反半透镜104相对于图像投影源11呈倾斜悬空放置，用于将所接收到的来自于图像投影源11的光线进行分光后传输至逆反射阵列105，并接收逆反射阵列105反射回的光线，对反射回的光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示；逆反射阵列105用于接收半反半透镜104输出的光线，并将光线沿原光路反射回半反半透镜104。

具体地,图像投影源11生成第一光线输出以形成待显示的三维图像103,并将第一光线传输至半反半透镜104；半反半透镜104将第一光线分成第一反射分量和第一透射分量,并将第一反射分量或第一透射分量传输至逆反射阵列105；逆反射阵列105用于将所述第一反射分量或所述第一透射分量沿原光路反射回半反半透镜104；半反半透镜104将所述第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像；或者，半反半透镜104将所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使所述第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像106。

在图1中,逆反射阵列105相对于图像投影源11垂直放置,半反半透镜104设置于图像投影源11的上方且相对于图像投影源11呈倾斜悬空放置；图像投影源11发出形成待显示的三维图像103的第一光线，并将所述第一光线传输至半反半透镜104；半反半透镜104接收所述第一光线，将所述第一光线分成第一反射分量和第一透射分量，其中第一反射分量传输至逆反射阵列105；逆反射阵列105接收所述第一反射分量，并将所述第一反射分量沿原光路反射回半反半透镜104；半反半透镜104将所述第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像106。

在图2中,逆反射阵列105相对于图像投影源11呈平行放置,半反半透镜104设置于逆反射阵列105与图像投影源11之间。图像投影源11发出形成待显示的三维图像103的第一光线，并将所述第一光线传输至半反半透镜104；半反半透镜104接收所述第一光线，将所述第一光线分成第一反射分量和第一透射分量，其中第一透射分量传输至逆反射阵列105；逆反射阵列105接收所述第一透射分量，并将所述第一透射分量沿原光路反射回半反半透镜104；半反半透镜104将所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使所述第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像106。

在一些实施例中，半反半透镜104与图像投影源11之间的倾斜角度设置为(0,89°]。当半反半透镜104与图像投影源11之间的倾斜角度为45°时，水平放置的图像投影源11发出的光线所形成待显示的三维图像103通过系统10在空中形成的三维悬浮图像106会以竖直方式显示。

在一些实施例中，图像投影源11为三维图像投影源，其包括二维平面显示设备101和微透镜阵列102；其中，微透镜阵列102设置在二维平面显示设备101出射光线的一面，二维平面显示设备101和微透镜阵列102之间的距离设置为等于或大于微透镜阵列102的焦距。可选地，二维平面显示设备101设置成水平放置，微透镜阵列102设置在二维平面显示设备101的上方。可以理解的是，所述二维平面显示设备101也可以设置成其他方式放置。具体地，二维平面显示设备101用于发出光线，微透镜阵列102接收从二维显示设备101发出的光线，并调节光线的方向以形成待显示的三维图像103。

在一些实施例中，二维平面显示设备101可以是液晶显示器、OLED、LED、投影仪或等离子显示器。在本发明实施例中对二维平面显示设备101不做任何的限制。

图3a、3b、3c为本发明的一个实施例三维图像悬浮显示系统的图像投影源的微透镜阵列的示意图，如图3a所示，微透镜阵列102包括多个柱面透镜301，柱面透镜301的倾斜角度设置为(0,89°]，多个柱面透镜301的节距p设置为0<p<20mm。

在一些实施例中，微透镜阵列102还可以设置为包括多个圆透镜302，如图3b所示，多个圆透镜302构成的圆透镜阵列的排布方式可以是矩形排列；如图3c所示，也可以是六边形排列，其中，圆透镜302的直径d设置为0<d<20mm，相邻两个圆透镜302的边缘间距q设置为0<q<8mm。在本发明实施例中，对微透镜阵列中的透镜的形状、透镜的排布方式和透镜的数量不做任何的限制。

在一些实施例中，如图4所示，逆反射阵列105包括有多个玻璃微珠401或多个微棱镜402。在本发明实施例中对玻璃微珠401或微棱镜402的数量、结构以及排列方式不做限制。在其他实施例中，逆反射阵列105也可以由其他多个光学元件排列而成，在此不做限制。

在一些实施例中，经逆反射阵列105沿原光路反射的光线与入射至逆反射阵列105的第一透射分量或第一反射分量的光线平行，方向相反。

本发明另一实施例为一种三维图像的悬浮显示方法，参照图5所示，所述三维图像的悬浮显示方法包括如下步骤：

S1:通过图像投影源11发出光线以形成待显示的三维图像103，并将形成所述待显示的三维图像103的所述光线传输至一半反半透镜104；

S2:通过半反半透镜104将所接收到的来自于图像投影源11的光线进行分光后传输至一逆反射阵列105，逆反射阵列105接收半反半透镜104输出的光线，并将光线沿原光路反射回半反半透镜104；半反半透镜104接收逆反射阵列105反射回的光线，对反射回的光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示。其中，半反半透镜104相对于图像投影源11呈倾斜悬空放置。

步骤S1中，图像投影源11生成第一光线输出以形成待显示的三维图像103,并将第一光线传输至半反半透镜104。其中，参照图1、图2所示，图像投影源11为三维图像投影源，其包括二维平面显示设备101和微透镜阵列102；所述微透镜阵列102设置在二维平面显示设备101出射光线的一面，二维平面显示设备101和微透镜阵列102之间的距离设置为等于或大于微透镜阵列102的焦距。可选地，二维平面显示设备101设置成水平放置，微透镜阵列102设置在二维平面显示设备101的上方。可以理解的是，所述二维平面显示设备101也可以设置成其他方式放置。具体地，二维平面显示设备101用于发出光线，微透镜阵列102接收从二维显示设备101发出的光线，并调节光线的方向以形成待显示的三维图像103。

在一些实施例中，二维平面显示设备101可以是液晶显示器、OLED、LED、投影仪或等离子显示器。在本发明实施例中对二维平面显示设备101不做任何的限制。

参照图3a所示，在一些实施例中，微透镜阵列102包括多个柱面透镜301，柱面透镜301的倾斜角度设置为(0,89°]，多个柱面透镜301的节距p设置为0<p<20mm。

在一些实施例中，微透镜阵列102还可以设置为包括多个圆透镜302，如图3b所示，多个圆透镜302构成的圆透镜阵列的排布方式可以是矩形排列；如图3c所示，也可以是六边形排列，其中，圆透镜302的直径d设置为0<d<20mm，相邻两个圆透镜302的边缘间距q设置为0<q<8mm。在本发明实施例中，对微透镜阵列中的透镜的形状、透镜的排布方式和透镜的数量不做任何的限制。

在步骤S2中，半反半透镜104将第一光线分成第一反射分量和第一透射分量,其中第一反射分量或第一透射分量传输至逆反射阵列105；逆反射阵列105用于将所述第一反射分量或所述第一透射分量沿原光路反射回半反半透镜104；半反半透镜104将所述第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像；或者，半反半透镜104将所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使所述第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像106。

具体地，在一些实施例中，逆反射阵列105相对于图像投影源11垂直放置,半反半透镜104设置于图像投影源11的上方且相对于图像投影源11呈倾斜悬空放置；半反半透镜104接收所述第一光线，将所述第一光线分成第一反射分量和第一透射分量，其中第一反射分量传输至逆反射阵列105；逆反射阵列105接收所述第一反射分量，并将所述第一反射分量沿原光路反射回半反半透镜104；半反半透镜104将所述第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像106。

在一些实施例中，逆反射阵列105相对于图像投影源11呈平行放置,半反半透镜104设置于逆反射阵列105与图像投影源11之间。半反半透镜104接收所述第一光线，将所述第一光线分成第一反射分量和第一透射分量，其中第一透射分量传输至逆反射阵列105；逆反射阵列105接收所述第一透射分量，并将所述第一透射分量沿原光路反射回半反半透镜104；半反半透镜104将所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使所述第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像106。

在步骤S2中，所述逆反射阵列105包括有多个玻璃微珠401或多个微棱镜402。在本发明实施例中对玻璃微珠401或微棱镜402的数量、结构以及排列方式不做限制。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (10)

1.一种三维图像悬浮显示系统，其特征在于，包括：图像投影源、半反半透镜、以及逆反射阵列；其中，

图像投影源，用于发出光线以形成待显示的三维图像，并将形成所述待显示的三维图像的光线传输至所述半反半透镜；

半反半透镜，用于将所接收到的来自于图像投影源的光线进行分光后传输至逆反射阵列，并接收逆反射阵列反射回的光线，对所述反射回的光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示；其中，所述半反半透镜相对于所述图像投影源呈倾斜悬空放置；

逆反射阵列，用于接收所述半反半透镜输出的光线，并将光线沿原光路反射回所述半反半透镜。

2.根据权利要求1所述的三维图像悬浮显示系统，其特征在于，所述图像投影源生成第一光线输出以形成所述待显示的三维图像,并将所述第一光线传输至所述半反半透镜；半反半透镜将所述第一光线分成第一反射分量和第一透射分量,并将所述第一反射分量或所述第一透射分量传输至所述逆反射阵列。

3.根据权利要求2所述的三维图像悬浮显示系统，其特征在于，当所述逆反射阵列相对于图像投影源垂直放置时，逆反射阵列用于接收所述第一反射分量，并将第一反射分量沿原光路反射回所述半反半透镜；半反半透镜将第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像。

4.根据权利要求2所述的三维图像悬浮显示系统，其特征在于，当所述逆反射阵列相对于图像投影源平行放置时，逆反射阵列用于接收所述第一透射射分量，并将第一透射分量沿原光路反射回所述半反半透镜；半反半透镜将所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像。

5.根据权利要求1-4任一项所述的三维图像悬浮显示系统，其特征在于，所述半反半透镜与所述图像投影源之间的倾斜角度设置为(0,89°]。

6.根据权利要求1-4任一项所述的三维图像悬浮显示系统，其特征在于，所述图像投影源包括二维平面显示设备和微透镜阵列，其中，所述微透镜阵列设置在所述二维平面显示设备出射光线的一面，所述二维平面显示设备与微透镜阵列之间的距离设置为等于或大于微透镜阵列的焦距。

7.根据权利要求6所述的三维图像悬浮显示系统，其特征在于，所述微透镜阵列包括多个柱面透镜，所述柱面透镜的倾斜角度设置为(0,89°]，多个所述柱面透镜的节距p设置为0<p<20mm。

8.根据权利要求6所述的三维图像悬浮显示系统，其特征在于，所述微透镜阵列包括多个圆透镜，所述圆透镜的直径d设置为0<d<20mm，相邻两个所述圆透镜的边缘间距q设置为0<q<8mm。

9.一种三维图像悬浮显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:通过图像投影源发出光线以形成待显示的三维图像，并将形成所述待显示的三维图像的光线传输至一半反半透镜；

S2:通过所述半反半透镜将所接收到的来自于所述图像投影源的光线，进行分光后传输至一逆反射阵列，所述逆反射阵列接收所述半反半透镜输出的光线，并将所述光线沿原光路反射回半反半透镜；半反半透镜接收逆反射阵列反射回的光线，对所述光线分光后在空中进行三维图像悬浮显示。

10.根据权利要求9所述的三维图像悬浮显示方法，其特征在于：

步骤S1中，所述图像投影源生成第一光线输出以形成所述待显示的三维图像,并将所述第一光线传输至半反半透镜；

在步骤S2中，所述半反半透镜将所述第一光线分成第一反射分量和第一透射分量,并将所述第一反射分量或所述第一透射分量传输至逆反射阵列，逆反射阵列将所述第一反射分量或所述第一透射分量沿原光路反射回半反半透镜；半反半透镜将所述第一反射分量分成第二反射分量和第二透射分量，以使所述第二透射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像；或者，半反半透镜将所述所述第一透射分量分成第三反射分量和第三透射分量，以使所述第三反射分量在空中汇聚形成三维悬浮图像。

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