CN112946915A - 一种带张角反射式几何全息屏及其应用 - Google Patents

一种带张角反射式几何全息屏及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学显示技术领域，公开了一种带张角反射式几何全息屏机及其应用，包括反射式几何全息屏，沿所述反射式几何全息屏的边缘一周设有至少一个张角镜，所述张角镜用于将超出反射式几何全息屏边缘的部分光线反射至反射式几何全息屏上，并经过反射式几何全息屏的光学转化参与成像；所述反射式几何全息屏的水平投影面积为S1，所有张角镜的水平投影面积总和为S2，S1和S2单位为㎜2，满足：
Figure DDA0002948565800000011
本发明采用相对较小的成本就能实现显示窗口的显著增大，同时还可以增加反射式几何全息屏的机械强度，提高稳定性。

Description

一种带张角反射式几何全息屏及其应用
技术领域
本发明涉及光学显示技术领域，尤其是涉及一种带张角反射式几何全息屏及其应用。
背景技术
反射式几何全息屏是一种新型平板光学透镜元件，它可以把照射到其上的光线原路反射回去。这种特殊的方式使得它可以用于空气悬浮显示设备等。但是这种新型反射元件在生产加工过程需要大规模制备非常精密的微结构，所以加工成本极高。因此实际应用中，为了节省成本，显示窗口往往制备的很小，无法满足大面积显示的应用。
而用户对于显示设备的显示尺寸是非常敏感的，比如对于传统的手机显示屏，其实所谓的全面屏手机相对于非全面屏手机的显示面积仅仅增加了不到5％，但是用户就已经感觉到显著的视觉效果改善。因此，对于显示设备而言，提高显示面积是非常有必要的。
发明内容
针对现有反射式几何全息屏加工成本高对显示设备显示窗口的限制，提供一种带张角反射式几何全息屏及其应用，采用相对较小的成本就能实现显示窗口的显著增大，同时还可以增加反射式几何全息屏的机械强度，提高稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种带张角反射式几何全息屏，包括反射式几何全息屏，沿所述反射式几何全息屏的边缘一周设有至少一个张角镜，所述张角镜用于将超出反射式几何全息屏边缘的部分光线反射至反射式几何全息屏上，并经过反射式几何全息屏的光学转化参与成像；
所述反射式几何全息屏的水平投影面积为S1，所有张角镜的水平投影面积总和为S2，S1和S2单位为㎜2，满足：
Figure BDA0002948565780000011
进一步地，所述反射式几何全息屏的周长为C，所有的张角镜与反射式几何全息屏的相交线长度总和为L，满足：
Figure BDA0002948565780000012
C和L的单位为㎜。
进一步地，单个所述张角镜最小宽度为W㎜，W≥3。
进一步地，单个所述张角镜与反射式几何全息屏之间的角度可调。
进一步地，单个所述张角镜的强度满足：平搭荷重质量不小于219g。
本发明还提供一种带张角反射式几何全息屏，由多个上述的带张角反射式几何全息屏拼接形成。
本发明还提供一种上述带张角反射式几何全息屏的应用，具体应用于虚拟显示系统，包含显示设备、分光屏、交互设备以及带张角反射式几何全息屏，显示设备的图像经过分光屏以及带张角反射式几何全息屏的光学转换形成悬浮在空中的实像，交互设备可以识别用户的交互信息。
本发明还提供一种上述带张角反射式几何全息屏的应用，具体应用于几何全息显示系统，包含投影显示设备、分光屏、交互设备以及带张角反射式几何全息屏，投影显示设备的投射光线经过分光屏以及带张角反射式几何全息屏的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备可以识别用户的交互信息。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过增设张角镜使得本发明采用相对较小的成本就能实现显示窗口的显著增大，同时还可以增加反射式几何全息屏的机械强度，提高稳定性。
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中记载的一些实施例，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为本发明的一种实施方式的结构示意图，
图2为图1的顶视图，
图3为图1的正视图，
图4是采用弧形结构的张角镜2的结构示意图，
图5为矩形反射式几何全息屏1的两个长边上设置张角镜2的结构示意图，
图6为张角镜2采用异型结构的最小宽度W的示意图，
图7为本发明的光路示意图，
图8为本发明应用于虚拟显示系统的示意图，
图9为本发明应用于几何全息显示系统的示意图，
图10为平搭荷重质量测试示意图；
附图标记如下：
反射式几何全息屏1，张角镜2，显示设备100，分光屏101，交互设备102，
带张角反射式几何全息屏103，投影显示设备104。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图10，本发明提供一种带张角反射式几何全息屏，包括反射式几何全息屏1，沿反射式几何全息屏1的边缘一周设有至少一个张角镜2，张角镜2用于将超出反射式几何全息屏1边缘的部分光线反射至反射式几何全息屏1上，并经过反射式几何全息屏1的光学转化参与成像，如图7，超出反射式几何全息屏1边缘的入射光由张角镜2反射至反射式几何全息屏1上，经过反射式几何全息屏1的光学转化，偏移一段距离后再原路反射回去参与成像(偏移的距离非常小，所以效果上就像是原路返回)；
张角镜2起到反射光线来增大光学孔径的作用，这就需要张角镜2与反射式几何全息屏1的入射面之间具有一定的角度，具体的,单个张角镜2分别与反射式几何全息屏1入射面形成有角度为θ的夹角，90°≤θ≤160°；
张角镜2可以采用平面镜也可以采用弧面镜，需要说明的是，采用弧面镜时，张角镜2与反射式几何全息屏1之间的角度θ为张角镜2和反射式几何全息屏1的相交线处，弧形张角镜2的切平面与反射式几何全息屏1之间的夹角,如图4所示；
张角镜2除了可以有效扩大光学孔径之外，还可以增加整个屏幕的结构稳定性。从反射式几何全息屏1的工作原理知道，当它在外界作用下(如在外界振动、风扇吹动等)发生形变是会产生显著的像差，从而无法正常工作。因此，通过一些设计来增加其结构稳定性非常有必要。而张角镜2在边缘处可以形成倒三角枝杈，这种结构可以显著增加结构的稳定性，同时在暴力击打、跌落、撞击等极端情况下的损坏情况也可以大大减少。因此，从多方面考虑，张角镜2的材料选择，最好要有一定的机械强度，优选采用玻璃材质或者透明塑料材质的镜面，通过结构仿真模拟发现，当张角镜2满足：平搭荷重质量≥219g时，可以大大提高带张角反射式几何全息屏整体的结构强度，并且张角镜2一般需要设有一个镀层面，对于玻璃或者透明塑料材质，其表面只能反射少量光线，镀层面才会对于光线的反射起主导作用，张角镜2的镀层面为工作反射面；
如图10，上述的平搭荷重质量的测试方法如下：
选用厚度与张角镜2一致，宽度为5±1㎜测试窄条(张角镜2材质相同的窄条或者张角镜2上裁切下来的窄条)横搭载在相距4±0.5㎝的支架上，在测试条上悬挂219g的砝码，测量窄条于竖直方向上的形变位移小于3㎜，且未发生断裂，则认为平搭荷重质量≥219g，否则不满足该要求；
通常，为了使用户有更好的体验，显示面积需要尽可能的增加，通常当显示面积增加5％以上时，用户就可以有明显的体验升级。本发明反射式几何全息屏1的水平投影面积为S1，所有张角镜2的水平投影面积总和为S2，S1和S2的单位为㎜2，S1和S2之间优选满足：
Figure BDA0002948565780000031
时，对于移动显示设备比较合适；
为了进一步增加有效光学孔径，优选
Figure BDA0002948565780000032
此时可以极大的提升用户体验，使用户可以用于移动、桌面、自主购票机等各种场合；
进一步地，
Figure BDA0002948565780000033
此时不仅仅可以增加有效光学孔径，由于反射式几何全息膜的使用率大幅降低，所以还可以大大节省成本；
此外，虽然理论上
Figure BDA0002948565780000034
的值越大，光学孔径的增加效果越明显，但是实际应用中，从成本以及产品重量体积等方面考虑，其数值不能够设计的过大，否则会失去应用价值，通过理论分析，当
Figure BDA0002948565780000035
时，才会体现出足够的应用价值；
进一步地，优选
Figure BDA0002948565780000036
此时视角的限制不太明显，同时光学孔径增加幅度也比较大，对于大多数应用场景都比较适合；
需要说明的是，上述的水平投影面积是指在物体正上方采用垂直于水平面的光线进行照射时，该物体于水平面上的投影面积，一个简单的测量方法：可以把本发明的带张角反射式几何全息屏整体放置在水平面上(由于张角镜2与反射式几何全息屏1不在同一平面，不能够全部与平面贴合)，采用垂直于水平面的光线进行照射，整体的水平投影面积记为S，单位为㎜2，然后把反射式几何全息屏1边缘设置的张角镜2全部拆下，再单独把反射式几何全息屏1放置在水平面上，反射式几何全息屏1的水平投影面积记为S1，那么所有张角镜2的水平投影面积总和S2＝S-S1；
反射式几何全息屏1的周长为C，所有的张角镜2与反射式几何全息屏1的相交线长度总和为L，C和L的单位为㎜，优选满足
Figure BDA0002948565780000041
时，可以显著增加有效光学孔径，有非常大的实用价值，由于本发明包括多个张角镜2，那么我们可以将张角镜2与反射式几何全息屏1相交线的长度依次记为L1、L2、……、Ln，所有的张角镜2与反射式几何全息屏1的相交线长度总和L＝L1+L2+……+Ln，上述所涉及长度的单位为㎜；
通常情况下，反射式几何全息屏1以及张角镜2一般采用规则的形状，例如矩形，这样张角镜2可以设置在反射式几何全息屏1的四边，或者局部边缘，例如可以设置在反射式几何全息屏1的一个短边上，或者两个短边上，或者一个长边上，或者两个长边上，或者一个短边和一个长边上，具体的设置方式，可以根据实际应用灵活调整，如图1和图2，在矩形的反射式几何全息屏1的其中一个短边和一个长边上分别设置一个张角镜2，那么张角镜2与反射式几何全息屏1的相交线长度总和L＝L1+L2；
作为一种优选的实施方式，如图5，分别在反射式几何全息屏1的两个长边上设置张角镜2，这样可以减少制作加工时的加工工序，同时又能显著增加光学孔径；
当然，反射式几何全息屏1以及张角镜2也可以采用其它的异形结构；
优选的是，单个张角镜2的最小宽度为W，单位㎜，W≥3，这样就可以使用户明显感觉到有效孔径的增加，带来更大的视觉空间体验；
需要说明的是，当张角镜2为规则的矩形时，单个张角镜2的最小宽度为即为矩形张角镜2的宽度，为了装饰美观，可能会将张角镜2的相交线对边做成不规则的形状，如斜边、波浪边等，如图6，当张角镜2的形状不规则时，单个张角镜2的最小宽度则为相交线与其对边之间的最小垂直距离；
而当张角镜2为弧面镜结构时，单个张角镜2的宽度为弧面镜起止点之间的距离，如图4所示；
由于不同应用场景的屏幕存在较大差异，所以难以用一个固定尺寸来进行设计，采用比例设计更为有效，定义：反射式几何全息屏1的最大线长为L屏，单位㎜，反射式几何全息屏1的最大线长L屏为屏幕上能够画出的最大线段的长度，比如，对于矩形屏幕就是对角线长度，对于圆形屏幕就是圆的直径，优选W≥0.02L屏，此时才能比较有效的增加光学孔径，但是W过大的话，光线的约束效果会变差，有些光线经过张角镜2反射后不能够到达反射式几何全息屏1上，就达不到扩大显示面积的效果，进一步优选W≤0.3L屏；
为了增加本发明应用时的通用性和灵活性，单个张角镜2与反射式几何全息屏1之间可以设计成的角度可调的形式，具体的可以通过现有的活动装配、铰接等方式来实现。
本发明在实际运用时，超出反射式几何全息屏1边缘的部分光线，经过增设的张角镜2的光学转化，反射至反射式几何全息屏1上，这部分光线再经过反射式几何全息屏1的光学转化就能参与成像，能够有效增大显示窗口。
本发明的带张角反射式几何全息屏于虚拟显示系统的应用，如图8，具体包含现有的显示设备100、分光屏101和交互设备102，再配备本发明的带张角反射式几何全息屏103，实现虚拟悬浮成像，其中显示设备100可以采用LCD屏幕、LED屏幕、OLED屏幕以及体显示设备等，显示设备100显示的图像经过分光屏101以及带张角反射式几何全息屏103的光学转换形成悬浮在空中的实像，交互设备102可以识别用户的交互信息，交互设备102包括控制器以及交互动作捕捉单元，属于常规的现有技术，不作赘述。
本发明的带张角反射式几何全息屏于几何全息显示系统的应用，如图9，具体包含投影显示设备104、分光屏101和交互设备102，再配备本发明的带张角反射式几何全息屏103，实现3D全息显示，投影显示设备104为通过投影方式显示画面的设备(投影仪、全息投影器以及3D投影器等)，投射的光线经过分光屏101和带张角反射式几何全息屏103的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备102可以识别用户的交互信息，交互设备102包括控制器以及交互动作捕捉单元，属于常规的现有技术，不作赘述；
对于非穿戴式应用场景，还需要用户跟踪系统，用于跟踪用户的运动情况，并调整视窗位置，使视窗位置始终覆盖用户的眼睛。
为了进一步实现超大孔径全息屏，可以将多个带张角反射式几何全息屏拼接起来形成更大的几何全息屏，如阵列形式等
可以将上述由多个带张角反射式几何全息屏拼接形成的超大孔径全息屏应用于上述的虚拟显示系统或者几何全息系统中，来实现系统的光学孔径显著的增大。
以上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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带张角反射式几何全息屏，包括反射式几何全息屏(1)，其特征在于：沿所述反射式几何全息屏(1)的边缘一周设有至少一个张角镜(2)，所述张角镜(2)用于将超出反射式几何全息屏(1)边缘的部分光线反射至反射式几何全息屏(1)上，并经过反射式几何全息屏(1)的光学转化参与成像；
所述反射式几何全息屏(1)的水平投影面积为S1，所有张角镜(2)的水平投影面积总和为S2，S1和S2单位为㎜2，满足：
Figure FDA0002948565770000011
2.根据权利要求1所述的一种带张角反射式几何全息屏，其特征在于：所述反射式几何全息屏(1)的周长为C，所有的张角镜(2)与反射式几何全息屏(1)的相交线长度总和为L，满足：
Figure FDA0002948565770000012
C和L的单位为㎜。
3.根据权利要求1所述的一种带张角反射式几何全息屏，其特征在于：单个所述张角镜(2)最小宽度为W㎜，W≥3。
4.根据权利要求1所述的一种带张角反射式几何全息屏，其特征在于：单个所述张角镜(2)与反射式几何全息屏(1)之间的角度可调。
5.根据权利要求1所述的一种带张角反射式几何全息屏，其特征在于：单个所述张角镜(2)的强度满足：平搭荷重质量不小于219g。
6.一种带张角反射式几何全息屏，其特征在于：由多个如权利要求1至5任意一项所述的带张角反射式几何全息屏拼接形成。
7.如权利要求1至5任意一项所述的一种带张角反射式几何全息屏的应用，具体应用于虚拟显示系统，包含显示设备(100)、分光屏(101)、交互设备(102)以及带张角反射式几何全息屏(103)，显示设备(100)的图像经过分光屏(101)以及带张角反射式几何全息屏(103)的光学转换形成悬浮在空中的实像，交互设备(102)可以识别用户的交互信息。
8.如权利要求6所述的一种带张角反射式几何全息屏的应用，具体应用于虚拟显示系统，包含显示设备(100)、分光屏(101)、交互设备(102)以及带张角反射式几何全息屏(103)，显示设备(100)的图像经过分光屏(101)以及带张角反射式几何全息屏(103)的光学转换形成悬浮在空中的实像，交互设备(102)可以识别用户的交互信息。
9.如权利要求1至5任意一项所述的一种带张角反射式几何全息屏的应用，具体应用于几何全息显示系统，包含投影显示设备(104)、分光屏(101)、交互设备(102)以及带张角反射式几何全息屏(103)，投影显示设备(104)的投射光经过分光屏(101)以及带张角反射式几何全息屏(103)的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备(102)可以识别用户的交互信息。
10.如权利要求6所述的一种带张角反射式几何全息屏的应用，具体应用于几何全息显示系统，包含投影显示设备(104)、分光屏(101)、交互设备(102)以及带张角反射式几何全息屏(103)，投影显示设备(104)的投射光经过分光屏(101)以及带张角反射式几何全息屏(103)的光学转换形成共轭像，共轭像的光线输出至视窗位置，供用户观看，交互设备(102)可以识别用户的交互信息。
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