CN115280223A - 空中成像系统及空中成像方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种空中成像系统及空中成像方法。空中成像系统包括控制模块(200)、光学模块(300)及两个图像发生模块(100)，两个图像发生模块(100)并排设置，均用于显示图像；控制模块(200)与两个图像发生模块(100)分别有线连接或者无线连接，用于向两个图像发生模块(100)分别发送图像数据，以使得两个图像发生模块(100)能够显示具有预设视差的两个图像；光学模块(300)用于分别接收两个图像发生模块(100)发出的图像光，并将两束图像光分别会聚输出。本申请提供的空中成像系统及空中成像方法，能够在同一位置有效地生成两副有视差的空中图像，且整体结构简单，价格低廉，便于推广。

Description

空中成像系统及空中成像方法

技术领域

本申请涉及空中成像技术领域，具体涉及一种空中成像系统及空中成像方法。

背景技术

随着科技的不断发展，空中成像技术在人们的生产生活中也逐渐得到应用，空中成像技术生成的空中屏幕无需任何介质，观察者观察到的将会是漂浮在空中的图像或者影像。

技术问题

本申请实施例的目的之一在于：提供一种空中成像系统及空中成像方法。

技术解决方案

本申请实施例采用的技术方案是：

第一方面，提供了一种空中成像系统，包括：

两个图像发生模块，并排设置，均用于显示图像；

控制模块，与两个所述图像发生模块分别有线连接或者无线连接，用于向两个所述图像发生模块分别发送图像数据，以使得两个所述图像发生模块能够显示具有预设视差的两个图像；以及

光学模块，用于分别接收两个所述图像发生模块发出的图像光，并将两束所述图像光分别会聚输出；

其中一个所述图像发生模块发出的图像光经所述光学模块聚焦生成左眼空中图像，另一个所述图像发生模块发出的图像光经所述光学模块聚焦生成右眼空中图像，所述右眼空中图像和所述左眼空中图像能够分别被观察者的左眼和右眼接收并在人脑中合成一个立体图像。

在一个实施例中，所述空中成像系统还包括：

外壳，具有出光口；

所述光学模块和两个所述图像发生模块均固定或者活动安装于所述外壳内，所述出光口用于经所述光学模块输出的图像光射出所述外壳。

在一个实施例中，所述空中成像系统还包括：

半透半反元件，安装于所述出光口处，用于反射环境光并使所述图像光透过。

在一个实施例中，所述半透半反元件包括玻璃板以及贴设于所述玻璃板其中一个板面上的半透半反膜。

在一个实施例中，所述空中成像系统还包括：

支撑件，位于所述外壳外，并与所述外壳连接，用于支撑所述外壳；

所述支撑件的高度可调，且所述外壳能够借助所述支撑件高度的调整实现自身高度的调整。

在一个实施例中，所述支撑件为具有伸缩功能的支架，所述外壳安装于所述支架的顶部。

在一个实施例中，所述空中成像系统还包括：

升降装置，固定安装于所述外壳内；

所述升降装置设有多个并与所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件一一对应连接，用于驱动所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件分别沿竖直方向移动；

或者，所述升降装置设有一个，并与所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件分别连接，用于驱动所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件组成的组合件沿竖直方向移动。

在一个实施例中，所述空中成像系统还包括：

升降装置，位于所述外壳外，并与所述外壳连接；

所述升降装置用于驱动所述外壳、所述图像发生模块和所述光学模块组成的成像组件沿竖直方向移动。

在一个实施例中，所述空中成像系统还包括：

图像获取装置，与所述控制模块有线连接或者无线连接，用于获取所述光学模块出光侧的环境图像，并将所述环境图像发送至所述控制模块；

所述升降装置为电动升降装置，与所述控制模块有线连接或者无线连接；所述控制模块和所述图像获取装置中的至少一个能够根据所述环境图像，分析得出观察者的眼睛坐标，所述控制模块还能够根据所述眼睛坐标控制所述升降装置工作，以使得经所述图像发生模块和所述光学模块所呈现的图像的高度与所述眼睛的高度相适配。

在一个实施例中，所述光学模块包括：

两个第一透镜，一一对应的设置于两个所述图像发生模块的出光侧，每个所述第一透镜用于缩小相应所述图像发生模块发出的图像光的发射角；以及

第二透镜，位于所述第一透镜的出光侧，用于接收所述第一透镜输出的图像光并将所述图像光会聚输出。

在一个实施例中，所述第一透镜和所述第二透镜分别为双凸透镜或者菲涅尔透镜。

在一个实施例中，各个所述图像发生模块与相对应的所述第一透镜组成一个图像发生组件；

所述空中成像系统还包括：

隔光板，位于两个所述图像发生组件之间，用于阻挡任一所述图像发生组件内的光线进入另一所述图像发生组件内。

在一个实施例中，两个所述所述图像发生模块显示的图像所具有的视差为60-70mm。

在一个实施例中，两个所述所述图像发生模块显示的图像所具有的视差为65mm。

在一个实施例中，所述外壳的侧壁上设有散热结构。

第二方面，提供了一种空中成像方法，其特征在于，采用上述各实施例提供的空中成像系统，所述空中成像方法包括以下步骤：

通过两个所述图像发生模块显示两个具有视差的空中图像；

通过所述光学模块将两个空中图像聚焦于同一位置。

在一个实施例中，所述空中成像方法还包括以下步骤：

获取所述光学模块出光侧的环境图像；

确定观察者的眼睛坐标；

根据所述眼睛坐标调节空中图像距离地面的高度。

有益效果

本申请实施例提供的空中成像系统的有益效果在于：本申请实施例提供的空中成像系统，包括控制模块、光学模块和两个图像发生模块，其中控制模块能够向两个图像发生模块发送不同图像数据，以使得两个图像发生模块能够显示具有预设视差的两个图像，同时上述图像对应的光线经过相应光学模块后，可以分别聚焦生成左眼空中图像和右眼空中图像。

本申请实施例提供的空中成像方法的有益效果在于：本申请实施例提供的空中成像方法，采用上述各实施例提供的空中成像系统，该空中成像方法包括以下步骤：

通过两个图像发生模块显示两个具有视差的空中图像；

通过光学模块将两个空中图像聚焦于同一位置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性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申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本申请一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图2是本申请一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图3是本申请另一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图4是图3中半透半反元件的侧视结构示意图；

图5是本申请一实施例所采用的支撑件的结构示意图；

图6是本申请另一实施例所采用的支撑件的结构示意图；

图7是本申请另一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图8是本申请另一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图9是本申请另一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图10是本申请另一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图11是图10所示的空中成像系统中的其中一个图像发生模块、第一透镜和第二透镜的移动状态示意图；

图12是本申请另一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图13是图12所示空中成像系统对应的光路原理示意图；

图14是本申请另一实施例提供的空中成像系统的结构示意图，图中箭头代表光线传播方向；

图15是本申请实施例提供的空中成像方法的流程示意图；

图16是本申请实施例所采用的空中图像位置调节方法的流程示意图。

附图标记说明：

100、图像发生模块；200、控制模块；300、光学模块；310、第一透镜；320、第二透镜；400、外壳；410、出光口；420、半透半反元件；421、玻璃板；422、半透半反膜；430、散热结构；500、支撑件；600、升降装置；700、图像获取装置；800、隔光板；900、空中图像位置；910、A观察者；920、B观察者。

本发明的实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述，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申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

传统的空中成像技术只能呈现二维的空中图像，然而二维的空中图像缺乏空间感和纵深感，所以人们开始研究如何呈现立体的空中图像，一般的方法是用特殊的图像发生模块例如柱状透镜等裸眼3D图像发生模块替代普通的图像发生模块，这些方法往往存在系统结构复杂、成本昂贵的问题。为解决这一问题，发明人提供了本申请的技术方案。

为了说明本申请所提供的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请参照图1所示，在本申请的一些实施例中，提供了一种空中成像系统，包括图像发生模块100、控制模块200以及光学模块300。

其中，图像发生模块100设有两个，两个图像发生模块100并排设置，且均用于显示图像。具体的，图像发生模块100可以包括显示屏以及与显示屏电连接的线缆、驱动器、电源模块等。这里所说的显示屏可以采用具有背光单元的显示屏，如LCD(Liquid CrystalDisplay，液晶显示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)或者Micro-LED等，也可以采用不具有背光单元的显示屏，如LCOS(Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶)或者DMD(Digital Micromirror Device，数字微反射镜器件)等，具体可以根据使用需要灵活选择。进一步的，当图像发生模块100包括不具有背光单元的显示屏时，图像发生模块100除显示屏外一般还包括照明模块，以与显示屏配合发出携带图像信息的光线，进而使得经图像发生模块100发出的图像可视。

控制模块200与两个图像发生模块100分别有线连接或者无线连接，用于向两个图像发生模块100分别发送图像数据，以使得两个图像发生模块100能够显示具有预设视差的两个图像。这里所说的预设视差可与观察者的瞳距相当，如选用50mm、60mm、70mm等。

本实施例中的控制模块200可以为计算机、单片机、CPU、云平台、计算机集群等中的任一种或多种组合，只要能够实现上述功能即可。控制模块200具有存储功能或者由外界获取包括上述图像数据在内的数据的功能。使用前，可提前针对同一场景进行拍摄以生成具有视差的两个图像数据，之后可将这两个图像数据存储于控制模块200，或者发送至另一能够与控制模块200实现数据交互的云平台等控制单元内。使用时，控制模块200可直接将这两个图像数据分别发送至两个图像发生模块100，或者先获取上述两个图像数据，再将其分别发送至两个图像发生模块100。以上描述中针对同一场景进行拍摄以生成具有视差的两个图像数据可采用现有3D电影拍摄方式进行拍摄。

光学模块300用于分别接收两个图像发生模块100发出的图像光，并将两束图像光分别会聚输出。本实施例中的光学模块300可以由至少一个透镜、棱镜等光学元件组成，具体可以根据使用需要灵活选择。另外，光学模块300中的光学元件可与两个图像发生模块100一一对应设置，也可以两个图像发生模块100共用一个光学元件，具体根据设计需要和光线会聚效果而定。

其中一个图像发生模块100发出的图像光经光学模块300聚焦生成左眼空中图像，另一个图像发生模块100发出的图像光经光学模块300聚焦生成右眼空中图像。右眼空中图像和左眼空中图像能够分别被观察者的左眼和右眼接收并在人脑中合成一个立体图像。

本申请实施例提供的空中成像系统的工作流程如下：

使用时，控制模块200向两个图像发生模块100分别发送图像数据，之后两个图像发生模块100将接收到的图像数据对应的图像光显示出来，然后两束图像光分别经光学模块300调整后会聚输出，聚焦生成左眼空中图像和右眼空中图像。

需要说明的是，上述两个空中图像在三维空间中的位置相同，且具有共同的中心点。但两个空中图像的视野范围如图1所示，没有交集，即左眼空中图像只能被观察者的左眼看到，右眼空中图像只能被观察者的右眼看到，观察者的任一个眼睛不能同时看到两个空中图像。当且仅当体验着的左眼位于左眼空中图像的视野范围内，观察者的右眼位于右眼空中图像的视野范围内时，观察者的两只眼睛才能分别观看到上述两个空中图像。

上述过程中，控制模块200向两个图像发生模块100发送的图像数据不同，两个图像数据是针对同一场景由具有间距的两个图像获取装置(如摄像机、手机等)拍摄而成，因此两个图像数据对应的图像具有一定视差。又由于左眼空中图像与发出该图像光的图像发生模块100所显示的图像一致，右眼空中图像与发出该图像光的图像发生模块100所显示的图像一致，在两个图像发生模块100获取的图像数据对应的图像具有视差的情况下，左眼空中图像和右眼空中图像也具有视差。这两个图像分别被左眼和右眼接收后，可在人脑中合成一个副有纵深感的立体图像。

本申请实施例提供的空中成像系统，包括控制模块200、光学模块300和两个图像发生模块100，其中控制模块200能够向两个图像发生模块100发送不同图像数据，以使得两个图像发生模块100能够显示具有预设视差的两个图像，同时上述图像对应的光线经过相应光学模块300后，可以分别聚焦生成左眼空中图像和右眼空中图像，如此观察者在预设区域内可通过左眼接收左眼空中图像，右眼接收右眼空中图像，再经人脑合成一副有纵深感的立体图像。由此可见，本申请实施例提供的空中成像系统，利用了双目视差原理与空中成像原理，能够在同一位置有效地生成两副有视差的空中图像，使得观察者无需佩戴特殊的设备，即可在空中观察到三维立体的图像，且整体结构简单，所需材料可选范围大，便于安装，价格低廉，便于推广。

在一个可选的实施例中，如图2所示，空中成像系统还包括具有出光口410的外壳400。光学模块300和两个图像发生模块100均固定或者活动安装于外壳400内。出光口410用于经光学模块300输出的图像光射出外壳400。

本实施例中的外壳400可采用金属材质、塑料材质等不透光材料制成，以避免外部光线对显示效果造成影响。外壳400上的出光口的尺寸可以与出射光束的尺寸相当，或者大于出射光束的尺寸，只要能保证图像的完整呈现即可，具体可以根据使用需要灵活选择。控制模块200也可以安装于外壳400内，或者外壳400外，具体可以根据使用需要灵活选择。具体的，若控制模块200与图像发生模块100采用无线连接方式连接，则控制模块200可以与外壳400分隔放置，也可以安装于外壳400上；若控制模块200与图像发生模块100采用有线连接，则可根据布线需要选择控制模块200安装位置，可以位于外壳400内、外表面上，或者不设置在外壳400上。

空中成像系统采用本实施例提供的结构，可使得大多数模块均安装于外壳400上，以形成一个整体，便于搬运和移动，同时可防止外界光线的干扰。

在一个具体的实施例中，如图2所示，控制模块200安装于外壳400内，使得所有模块形成一个整体，便于搬运和移动，同时可以降低控制模块200发生碰撞的风险，保证其较长的使用寿命。

为进一步降低外界环境光对成像效果的不良影响，在一个可选的实施例中，如图3所示，空中成像系统还包括半透半反元件420。半透半反元件420安装于出光口410处，用于反射环境光并使图像光透过。本实施例中的半透半反元件420可以为半透半反膜、半透半反板、半透半反透镜等。这样外界的环境光不会进入外壳400内，与图像光混合，以对成像效果造成干扰，同时还可以避免粉尘等进入外壳400内，保证了外壳400内腔清洁。

在一个具体的实施例中，如图4所示，半透半反元件420包括玻璃板421以及贴设于玻璃板421其中一个板面上的半透半反膜422。半透半反元件420采用本实施例提供的结构时，结构稳定，且便于安装。

由于不同身高的人，眼睛距离地面的高度不同，若空中成像系统的出射图像位置固定，则不适用于不同身高的观察者观看。为使得不同身高的观察者能够获得相同的观看体验，在一个可选的实施例中，如图5所示，空中成像系统还包括支撑件500。支撑件500位于外壳400外，并与外壳400连接，用于支撑外壳400。支撑件500的高度可调。本实施例中的支撑件500可以采用具有高度可调功能、以及能够实现外壳400支撑的任一架体，如直线升降模组(如气缸、液压缸等)、伸缩架等。外壳400可借助支撑件500高度的调整实现自身距离地面高度的调整，即外壳400设置于支撑件500的可伸缩部分的上方。

具体的，外壳400可与支撑件500固定连接，也可通过夹具、螺栓、磁吸件等工具与支撑件500可拆卸连接，或者滑动设置于支撑件500上。当外壳400与支撑件500滑动连接时，外壳400移动到位后，可通过夹具、螺栓、磁吸件等工具固定于支撑件500上。

使用时，可根据观察者的高度，将外壳400安装于支撑件500上相应位置，或者移动外壳400在支撑件500上的位置，以使得经出光口射出的光线所形成的图像高度与观察者眼睛的高度相当。

综上所述，本实施例提供的空中成像系统能够根据观察者的身高来调节空中图像的高度位置，使不同身高的观察者都能够获得良好的观看体验。

在一个具体的实施例中，如图6所示，支撑件500为具有伸缩功能的支架，外壳400安装于支架的顶部。本实施例中的支撑件可以采用市场上现有具体伸缩功能的任一支架，如具有伸缩功能的摄影三角架、具有升降功能的支撑台等。采用这一结构，便于空中成像系统的成像位置高度的调节，且便于安装。

在另一个可选的实施例中，如图7所示，空中成像系统还包括升降装置600。当图像发生模块100和光学模块300固定安装于外壳400内时，升降装置600位于外壳400外，用于驱动外壳400、图像发生模块100和光学模块300组成的成像组件沿竖直方向移动。本实施例中的升降装置600可以包括气缸、液压缸、曲柄连杆机构等中的任一种或者多种组合。组装时，可根据升降装置600的具体结构，确定升降装置600的安装位置和与外壳400的连接关系。如，当升降装置600为气缸或液压缸时，外壳400可放置于气缸或液压缸的顶部，或者通过螺栓、胶层等固定于气缸或液压缸的顶部；当升降装置600具有吸盘、夹具等结构时，可始终通过吸盘、夹具等于外壳400相接，也可仅在外壳400需要移动时与外壳400连接，外壳400移动到位后，则通过上述支撑架或者其他装置固定位置，升降装置600则与外壳400分离。采用这一结构，升降装置600裸露在外壳400外，便于维护和更换，且可实现成像组件的整体移动。

当图像发生模块100和光学模块300活动安装于外壳400内，且能够相对外壳400沿竖直方向移动时，升降装置600固定安装于外壳400内，用于驱动图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件分别或同步沿竖直方向移动。

本方案中，升降装置600可有多种安装形式，在一个具体的实现方式中，升降装置600设有多个并与图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件一一对应连接，用于驱动图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件分别沿竖直方向移动。具体的，光学模块300中可能存在多个光学元件，这些光学元件可以有部分位置可调，也可以全部位置可调，具体可根据使用需要灵活选择。本实施例中的升降装置600可以包括气缸、液压缸、曲柄连杆机构等中的任一种或者多种组合。多个升降装置600可同步工作或者各自独立工作，具体可根据使用需要灵活选择。采用这一结构，便于图像发生模块100和光学模块300的分别调节，调节精度高。

在另一个具体的实现方式中，如图8所示，升降装置600设有一个，并与图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件分别连接，用于驱动图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件组成的组合件沿竖直方向移动。具体的，光学模块300中可能存在多个光学元件，这些光学元件可以有部分位置可调，也可以全部位置可调，具体可根据使用需要灵活选择。本实施例中的升降装置600可以包括气缸、液压缸、曲柄连杆机构等中的任一种或者多种组合。使用时，可将两个图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件通过连接件连接成一个整体，再将该整体与升降装置600连接；也可以通过连接件将图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件分别与升降装置600连接，具体可以根据使用需要灵活选择。采用这一结构，便于图像发生模块100和光学模块300中的至少部分光学元件的同步调节，且使得整个系统部件较少，生产成本较低。

另外，需要注意的是，在上述各实施例中，升降装置600和连接件的安装不应对图像光造成遮挡，以保证空中图像的稳定呈现。

采用上述具有升降装置600的各实施例，使用时，可根据观察者的高度，通过控制升降装置600实现成像组件、图像发生模块100、光学模块300位置的移动，进而实现图像呈现位置高低的移动，以使得经出光口射出的光线所形成的图像高度与观察者眼睛的高度相当，满足不同身高观察者的观看需要。

另外，上述各实施例中的升降装置600可以与上述实施例中的支撑件500配合使用，或者单独使用，具体可根据使用需要灵活选择。

为进一步提高上述实施例的智能化程度，在一个可选的实施例中，如图10及图11所示，空中成像系统还包括图像获取装置700。图像获取装置700与控制模块200有线连接或者无线连接，用于获取光学模块300出光侧的环境图像，并将环境图像发送至控制模块200。本实施例中的图像获取装置700可以为摄像头、摄像机、相机、手机等能够实现环境画面拍摄的任一个或多个设备。

升降装置600为电动升降装置，与控制模块200有线连接或者无线连接。控制模块200和图像获取装置700中的至少一个能够根据环境图像，分析得出观察者的眼睛坐标，控制模块200还能够根据眼睛坐标控制升降装置600工作，以使得经图像发生模块100和光学模块300所呈现的图像的高度与眼睛的高度相适配。具体的，控制模块200和图像获取装置700中的至少一个包含有能够根据图像分析得出眼睛坐标的人脸识别模块、活体检测等模块，控制模块200还包含有能够根据该眼睛坐标控制升降装置600工作的驱动模块等。上述图像发生模块100和光学模块300所呈现的图像的高度与眼睛的高度相适配，是指两者之间的间距在预设范围内，这里所说的预设范围可根据观看习惯设定，如±5cm、±2cm等。

使用时，图像获取装置700对光学模块300出光侧的环境进行实时拍摄，并将获取的环境图像实时传递至控制模块200，控制模块200通过人脸识别、检测技术，识别环境图像中是否包含有人脸，人脸是否为正脸，是否有眼睛，若有眼睛则进一步确定眼睛坐标。这里所说的眼睛坐标至少包括环境图像中心点距离任一瞳孔中心在竖直方向(即高度方向)上的间距。之后根据上述间距，控制模块200控制升降装置600进行相应长度的升降或伸缩，以使得经图像发生模块100和光学模块300所呈现的图像的高度与眼睛的高度相适配。

为便于调节，可通过调整使得通过图像获取装置700获取的环境图像的中心与光学模块300的光轴位于同一直线上，进而使得环境图像的中心点距离任一瞳孔中心在竖直方向(即高度方向)上的间距，即为经光学模块300输出的图像光所呈现图像的中心与任一瞳孔中心在竖直方向(即高度方向)上的间距，从而使得通过该间距调节后，经光学模块300输出的图像光所呈现的图像与瞳孔的高度相当，便于观察者观看。

在一个具体的实施例中，如图10及图11所示，图像获取装置700为摄像头，安装于外壳400顶部靠近出光口的位置。摄像头朝向观察者用于拍摄含有观察者的图像。为验证效果，选择两个身高不同的观察者(A观察者910和B观察者920)进行体验，其中A观察者910的身高要低于B观察者920，设他们之间的高度差为H1，当观察者由A更换为B时，控制模块200控制图像发生模块100、光学模块300向上移动H2的距离，可以推出空中图像也向上移动了H2的距离，当且仅当H1＝H2时，空中图像的中心位置能与观察者的眼睛位置保持在同一水平线。

在一个可选的实施例中，如图12所示，光学模块300包括沿光线传输方向依次设置的第一透镜310和第二透镜320。

其中，第一透镜310设有两个，两个第一透镜310一一对应的设置于两个图像发生模块100的出光侧。每个第一透镜310用于缩小相应图像发生模块100发出的图像光的发射角。本实施例中的第一透镜310可以由一个或者多个透镜组成，主要用于接收图像发生模块100发出的光束并将该光束会聚后输出至第二透镜320。

第二透镜320位于第一透镜310的出光侧，用于接收第一透镜310输出的图像光并将图像光会聚输出。

本实施例中的第二透镜320可以由一个或者多个透镜组成，主要用于接收两个第一透镜310输出的光束并将该光束聚焦于目标区域。

使用时，图像发生模块100发出的光线，可先将第一透镜310实现光路收窄，再通过第二透镜320折射后光路进一步收窄，最后聚焦形成左眼空中图像，或者右眼空中图像。

光学模块300采用本实施例提供的结构，结构简单，便于调试出光效果，且成本低廉，便于推广。

在一个具体的实施例中，如图12所示，两个第一透镜310均为双凸透镜，且焦距相同，图像发生模块100分别位于相应第一透镜310的焦平面上。即第一透镜310的焦距为f1，各图像发生模块100与相应第一透镜310的间距也为f1。

第二透镜320为一个双凸透镜，且第二透镜320的直径大于第一透镜310并且第二透镜320的直径能够覆盖第一透镜310透射出的光的范围。

安装时，可先安装第一透镜310，再在距离第一透镜310f1处安装图像发生模块100中的显示部分，在距离第一透镜310的另一侧距离第一透镜310f1+f2的处安装焦距为f2的第二透镜320。第一透镜310和第二透镜320可直接固定于外壳400的内壁或者，或者借助固定件，如夹具、支架等固定与外壳400内。

光学模块300采用本实施例提供的结构时，其中一个图像发生模块100对应的光路俯视图如图13所示：

该图像发生模块100边界上的一点a发出的光线L1经过相应第一透镜310边界上的一点c，由该图像发生模块100边界上的一点a发出的光线L2经过第一透镜310边界上的一点d，由该图像发生模块100边界上的一点b发出的光线L3经过第一透镜310边界上的一点c，由该图像发生模块100边界上的一点b发出的光线L4经过第一透镜310边界上的一点d。其中L1经过第二透镜320上一点g并且经过左眼空中图像边界上一点j，L2经过第二透镜320上一点h并且经过左眼空中图像边界上一点j，L3经过第二透镜320上一点e并且经过左眼空中图像边界上一点i，L4经过第二透镜320上一点f并且经过左眼空中图像边界上一点i。其中L2与L3相交于点k，L2与L4相交于点m，L1与L3相交于点n。可以得出左眼空中图像的视野范围为点k、点m、点n与射线im、射线jn组成的五边形区域。

左眼空中图像的放大倍率可以用f2/f1求出，可以求出点m到第二透镜320的距离为f2/f1(f1+f2)，即观察者的左眼距离第二透镜320的距离为f2/f1(f1+f2)时可观看到左眼空中图像。又因为右眼空中图像和左眼空中图像在同一个位置，同理可得观察者的右眼距离第二透镜320的距离也为f2/f1(f1+f2)时可观看到右眼空中图像。

如图12所示，为避免两个图像发生模块100发出的光线发生串扰，在一个可选的实施例中，各个图像发生模块100与相对应的第一透镜310组成一个图像发生组件。

空中成像系统还包括隔光板800。隔光板800位于两个图像发生组件之间，用于阻挡任一图像发生组件内的光线进入另一图像发生组件内。本实施例中的隔光板800可以采用塑料板、金属板等中任一种，只要可以防止任一图像发生模块100内的光线进入另一图像发生组件内即可。

需要说明的是，上述第二透镜320的光轴、左眼空中图像和右眼空中图像的中心点均位于隔光板800的延长线上。

上述各实施例中，第一透镜310和第二透镜320分别为双凸透镜或者菲涅尔透镜，第一透镜310和第二透镜320的透镜类型可以相同也可以不同，具体可以根据使用需要灵活选择。第一透镜310和第二透镜320采用本实施例中的两种透镜类型，所需透镜数量较小，有利于减小空中成像系统的制造成本。

上述各实施例中，两个图像发生模块显示的图像所具有的视差为60-70mm，与人们的瞳距相当，符合观看习惯。

在一个具体的实施例中，两个图像发生模块显示的图像所具有的视差为65mm。根据双目视差原理与空中成像原理，使用两个普通的显示屏在同一个位置生成两幅视差约为65mm的空中图像，当观察者站在指定的位置观察空中图像时，观察者的左眼只能看到左眼空中图像、右眼只能看到右眼空中图像，最后在观察者的大脑中合成一副有纵深感的立体画面。

在一个具体的实施例中，各图像发生模块中的显示屏，均为宽度44mm、高度50mm的OLED显示屏；两个第一透镜皆为直径50mm、焦距75mm的双凸透镜；第二透镜为直径200mm、焦距200mm的双凸透镜；在靠近观察者并且距离第二透镜200mm位置处生成有位置相同的左眼空中图像和右眼空中图像，其宽度皆为117mm、高度皆为133mm；观察者的最佳观察位置距离第二透镜约为733mm。

为保证上述各实施例提供的空中成像系统具有较为稳定的工作性能和较长的使用寿命，在一个可选的实施例中，如图14所示，外壳400的侧壁上设有散热结构430。本实施例中的散热结构430，可以为形成于外壳的侧壁上的散热孔、散热翅片等，还可以为安装于侧壁上的换热结构，如换热管、换热系统等。采用本实施例提供的结构，可使得外壳内的热量可以尽快散发至空气中或者外壳外的其他区域，以提高空中成像系统的散热性能，保证外壳内电气部件的稳定工作和较长的使用寿命。

请参照图15及图16所示，在本申请的另一实施例中，提供了一种空中成像方法，采用上述各实施例提供的空中成像系统。

如图15所示，空中成像方法包括以下步骤：

S1、通过两个图像发生模块显示两个具有视差的空中图像；

S2、通过光学模块将两个空中图像聚焦于同一位置。

步骤S1和S2的具体实现方式可以参照上文中关于空中成像系统的工作流程和原理的相关描述，在此不再赘述。

本申请实施例提供的空中成像方法，采用了上述各实施例提供的空中成像系统，能够在同一位置有效地生成两副有视差的空中图像，使得观察者无需佩戴特殊的设备，即可在空中观察到三维立体的图像，且整体结构简单，所需材料可选范围大，便于安装，价格低廉，便于推广。

在一个可选的实施例中，如图16所示，空中成像方法还包括以下步骤：

S3、获取光学模块出光侧的环境图像；

S4、确定观察者的眼睛坐标；

S5、根据眼睛坐标调节空中图像距离地面的高度。

具体的，本实施例中，环境图像的获取可采用上述图像获取装置，也可以采用其他方式，如人眼观察，或者空中成像系统外的摄像头、手机等，观察者的眼镜坐标可以通过上述控制装置、空中成像系统外的计算机、人工测量等方式确定。空中图像的高度可以通过上述支撑架、升降装置或者空中成像系统外的升降设备实现调节。

需要说明的是，上述步骤S3、S4和S5可以在步骤S1和S2之前进行，也可以在步骤S1和S2进行过程中进行，具体可以根据实际情况灵活选择。

通过本申请实施例提供的空中成像方法，能够根据观察者的身高来调节空中图像的高度位置，使不同身高的观察者都能够获得良好的观看体验。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (17)

1.一种空中成像系统，其特征在于，包括：

两个图像发生模块，并排设置，均用于显示图像；

控制模块，与两个所述图像发生模块分别有线连接或者无线连接，用于向两个所述图像发生模块分别发送图像数据，以使得两个所述图像发生模块能够显示具有预设视差的两个图像；以及

光学模块，用于分别接收两个所述图像发生模块发出的图像光，并将两束所述图像光分别会聚输出；

其中一个所述图像发生模块发出的图像光经所述光学模块聚焦生成左眼空中图像，另一个所述图像发生模块发出的图像光经所述光学模块聚焦生成右眼空中图像，所述右眼空中图像和所述左眼空中图像能够分别被观察者的左眼和右眼接收并在人脑中合成一个立体图像。

2.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统还包括：

外壳，具有出光口；

所述光学模块和两个所述图像发生模块均固定或者活动安装于所述外壳内，所述出光口用于经所述光学模块输出的图像光射出所述外壳。

3.如权利要求2所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统还包括：

半透半反元件，安装于所述出光口处，用于反射环境光并使所述图像光透过。

4.如权利要求3所述的空中成像系统，其特征在于，所述半透半反元件包括玻璃板以及贴设于所述玻璃板其中一个板面上的半透半反膜。

5.如权利要求2所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统还包括：

支撑件，位于所述外壳外，并与所述外壳连接，用于支撑所述外壳；

所述支撑件的高度可调，且所述外壳能够借助所述支撑件高度的调整实现自身高度的调整。

6.如权利要求5所述的空中成像系统，其特征在于，所述支撑件为具有伸缩功能的支架，所述外壳安装于所述支架的顶部。

7.如权利要求2所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统还包括：

升降装置，固定安装于所述外壳内；

所述升降装置设有多个并与所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件一一对应连接，用于驱动所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件分别沿竖直方向移动；

或者，所述升降装置设有一个，并与所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件分别连接，用于驱动所述图像发生模块和所述光学模块中的至少部分光学元件组成的组合件沿竖直方向移动。

8.如权利要求2所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统还包括：

升降装置，位于所述外壳外，并与所述外壳连接；

所述升降装置用于驱动所述外壳、所述图像发生模块和所述光学模块组成的成像组件沿竖直方向移动。

9.如权利要求7或8所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统还包括：

图像获取装置，与所述控制模块有线连接或者无线连接，用于获取所述光学模块出光侧的环境图像，并将所述环境图像发送至所述控制模块；

所述升降装置为电动升降装置，与所述控制模块有线连接或者无线连接；所述控制模块和所述图像获取装置中的至少一个能够根据所述环境图像，分析得出观察者的眼睛坐标，所述控制模块还能够根据所述眼睛坐标控制所述升降装置工作，以使得经所述图像发生模块和所述光学模块所呈现的图像的高度与所述眼睛的高度相适配。

10.如权利要求1-9任一项所述的空中成像系统，其特征在于，所述光学模块包括：

两个第一透镜，一一对应的设置于两个所述图像发生模块的出光侧，每个所述第一透镜用于缩小相应所述图像发生模块发出的图像光的发射角；以及

第二透镜，位于所述第一透镜的出光侧，用于接收所述第一透镜输出的图像光并将所述图像光会聚输出。

11.如权利要求10所述的空中成像系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜分别为双凸透镜或者菲涅尔透镜。

12.如权利要求10所述的空中成像系统，其特征在于，各个所述图像发生模块与相对应的所述第一透镜组成一个图像发生组件；

所述空中成像系统还包括：

隔光板，位于两个所述图像发生组件之间，用于阻挡任一所述图像发生组件内的光线进入另一所述图像发生组件内。

13.如权利要求1-9任一项所述的空中成像系统，其特征在于，两个所述所述图像发生模块显示的图像所具有的视差为60-70mm。

14.如权利要求1-9任一项所述的空中成像系统，其特征在于，两个所述所述图像发生模块显示的图像所具有的视差为65mm。

15.如权利要求2-9任一项所述的空中成像系统，其特征在于，所述外壳的侧壁上设有散热结构。

16.一种空中成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-15任一项所述的空中成像系统，所述空中成像方法包括以下步骤：

通过两个所述图像发生模块显示两个具有视差的空中图像；

通过所述光学模块将两个空中图像聚焦于同一位置。

17.如权利要求16所述的空中成像方法，其特征在于，所述空中成像方法还包括以下步骤：

获取所述光学模块出光侧的环境图像；

确定观察者的眼睛坐标；

根据所述眼睛坐标调节空中图像距离地面的高度。

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