CN120928552B - 一种多次折叠反射式的空中成像显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多次折叠反射式的空中成像显示系统，涉及空中成像领域，包括显示源、平面反射镜、分光镜和曲面反射镜；显示源发出的光束由平面反射镜反射至分光镜，部分光束由分光镜的表面反射至曲面反射镜；到达曲面反射镜的光束被反射至分光镜并透过分光镜，在分光镜的另一侧形成悬浮图像。本发明利用平面反射镜、分光镜、曲面反射镜三者的离轴放置来实现系统体积的压缩，解决了此类空中成像系统体积庞大、悬浮图像悬浮距离小的问题，实现了系统的轻薄化并增强了系统的显示效果。

Description

一种多次折叠反射式的空中成像显示系统

技术领域

本发明涉及空中成像领域，具体涉及一种多次折叠反射式的空中成像显示系统。

背景技术

空中成像技术通过调控光线传播路径或者直接激发介质等方法在空中生成图像信息，使得观看者无需佩戴助视设备便可看到悬浮图像。空中成像技术摆脱了传统显示系统中显示屏幕对于显示内容的限制，具有独特、震撼的显示效果，在娱乐、教育、医疗等领域具有广阔的应用场景，被视为是下一代新型显示技术。

然而，现阶段的基于分光镜和曲面反射镜的空中成像显示设备多为同轴系统，需要将分光镜斜置45°才能实现悬浮显示效果，因此会出现以下两种问题：

1.由于分光镜45°斜置，因此系统的体积会比较庞大，这就使得其难以满足对空间布局要求高的场景的应用需求。

2.分光镜的45°斜置也会减小悬浮图像与系统之间的距离，因此会降低悬浮图像的出屏感，弱化显示效果。

以上两点严重阻碍了该技术的商业化普及与应用。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种多次折叠反射式的空中成像显示系统解决了现有分光镜45°斜置导致系统体积庞大、降低悬浮图像的出屏感，弱化显示效果的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种多次折叠反射式的空中成像显示系统，其包括显示源、平面反射镜、分光镜和曲面反射镜；其中：

显示源发出的光束由平面反射镜反射至分光镜，部分光束由分光镜的表面反射至曲面反射镜；到达曲面反射镜的光束被反射至分光镜并透过分光镜，在分光镜的另一侧形成悬浮图像；

当来自曲面反射镜的光束水平射出分光镜时，显示源位于分光镜的下方，平面反射镜位于曲面反射镜的下方，分光镜和曲面反射镜中心对齐，分光镜与垂直方向的夹角大于10°小于25°。

进一步地，悬浮图像与空中成像显示系统的距离通过调整曲面反射镜的等效焦距、显示源发出的光束到曲面反射镜所走过的路径、显示源与垂直方向的夹角、平面反射镜与垂直方向的夹角和/或分光镜与垂直方向的夹角来调整；其中悬浮图像与空中成像显示系统的距离具有如下约束关系：

其中为悬浮图像与分光镜的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离；为曲面反射镜的等效焦距；为显示源发出的光束到曲面反射镜所走过的路径，即物距；为余弦函数；为显示源与垂直方向的夹角；为平面反射镜与垂直方向的夹角；为分光镜与垂直方向的夹角；为空中成像显示系统的厚度；

。

进一步地，当来自曲面反射镜的光束水平射出分光镜时，空中成像显示系统的厚度为：

其中为空中成像显示系统的厚度；为分光镜中心与曲面反射镜中心之间的水平距离；为分光镜的高度；为分光镜与垂直方向的夹角；为正弦函数。

进一步地，物距通过调整光束从显示源到平面反射镜所走过的路径、光束从平面反射镜到分光镜所走过的路径和/或光束从分光镜到曲面反射镜所走过的距离来调整；其中物距为：

其中为显示源发出的光束到曲面反射镜所走过的路径，即物距；为光束从显示源到平面反射镜所走过的路径；为显示源中心与平面反射镜中心之间的水平距离；为光束从平面反射镜到分光镜所走过的路径；为平面反射镜中心与分光镜中心之间的垂直距离；为光束从分光镜到曲面反射镜所走过的距离。

进一步地，悬浮图像的尺寸通过调整曲面反射镜的等效焦距、物距、显示源与垂直方向的夹角、平面反射镜与垂直方向的夹角、分光镜与垂直方向的夹角和/或显示源的宽度来调整；其中悬浮图像的尺寸具有如下约束关系：

其中为悬浮图像的尺寸；为曲面反射镜的等效焦距；为显示源发出的光束到曲面反射镜所走过的路径，即物距；为余弦函数；为显示源与垂直方向的夹角；为平面反射镜与垂直方向的夹角；为分光镜与垂直方向的夹角；为显示源的宽度。

进一步地，悬浮图像的可视角度通过调整曲面反射镜的宽度、悬浮图像的尺寸和/或悬浮图像与空中成像显示系统的距离来调整；其中悬浮图像的可视角度具有如下约束关系：

其中为悬浮图像的可视角度；为正切函数；为曲面反射镜的宽度；为悬浮图像的尺寸；为悬浮图像与分光镜的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离。

进一步地，曲面反射镜的宽度与焦距具有如下约束关系：

其中为曲面反射镜的宽度；为曲面反射镜的等效焦距；

曲面反射镜的焦距与显示源的宽度、悬浮图像的宽度具有如下约束关系：

其中为悬浮图像与分光镜的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离；为空中成像显示系统的厚度。

进一步地，当来自曲面反射镜的光束水平射出分光镜时，平面反射镜与垂直方向的夹角的取值范围和曲面反射镜与垂直方向的夹角的取值范围分别为：

。

进一步地，平面反射镜中心与分光镜中心之间的垂直距离具有如下约束关系：

其中为平面反射镜的高度；为平面反射镜与垂直方向的夹角；为曲面反射镜的高度；为曲面反射镜与垂直方向的夹角；为余弦函数；

分光镜的高度大于等于曲面反射镜的高度；

曲面反射镜的高度具有如下约束关系：

其中为曲面反射镜的宽度。

进一步地，当来自曲面反射镜的光束水平射出分光镜时，空中成像显示系统的高度为：

其中为显示源中心与平面反射镜中心之间的垂直距离；为平面反射镜中心与分光镜中心之间的垂直距离；为显示源的高度；为分光镜的高度；为显示源与垂直方向的夹角；为分光镜与垂直方向的夹角；为余弦函数。

本发明的有益效果为：本发明利用平面反射镜、分光镜、曲面反射镜三者的离轴放置来实现系统体积的压缩，解决了此类空中成像系统体积庞大、悬浮图像悬浮距离小的问题，实现了系统的轻薄化并增强了系统的显示效果。

附图说明

图1为本空中成像显示系统的立体结构示意图；

图2为本空中成像显示系统的侧视图；

其中：1、显示源；2、平面反射镜；3、分光镜；4、曲面反射镜。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例一：

本实施例是以来自曲面反射镜4的光束水平射出分光镜3为例进行介绍的，当需要调整来自曲面反射镜4的光束射出分光镜3的角度时，可以整体调整该多次折叠反射式的空中成像显示系统的角度。

如图1和图2所示，该多次折叠反射式的空中成像显示系统包括显示源1、平面反射镜2、分光镜3和曲面反射镜4；其中：

显示源1发出的光束由平面反射镜2反射至分光镜3，部分光束由分光镜3的表面反射至曲面反射镜4，另一部分光束会透过分光镜3，并且后续不会再被使用；到达曲面反射镜4的光束被反射至分光镜3并透过分光镜3，在分光镜3的另一侧形成悬浮图像；

显示源1位于分光镜3的下方，平面反射镜2位于曲面反射镜4的下方，分光镜3和曲面反射镜4中心对齐，分光镜3与垂直方向的夹角大于10°小于25°。

对于空中成像系统来说，悬浮图像的成像距离会影响显示效果，成像距离越远，显示效果越震撼。对于本空中成像显示系统来说，悬浮图像与空中成像显示系统的距离通过调整曲面反射镜4的等效焦距、显示源1发出的光束到曲面反射镜4所走过的路径、显示源1与垂直方向的夹角、平面反射镜2与垂直方向的夹角和/或分光镜3与垂直方向的夹角来调整；其中悬浮图像与空中成像显示系统的距离具有如下约束关系：

其中为悬浮图像与分光镜3的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离；为曲面反射镜4的等效焦距；为显示源1发出的光束到曲面反射镜4所走过的路径，即物距；为余弦函数；为显示源1与垂直方向的夹角；为平面反射镜2与垂直方向的夹角；为分光镜3与垂直方向的夹角；为空中成像显示系统的厚度。

空中成像显示系统的厚度为：

其中为分光镜3中心与曲面反射镜4中心之间的水平距离；为分光镜3的高度；为正弦函数。

在本实施例中，物距通过调整光束从显示源1到平面反射镜2所走过的路径、光束从平面反射镜2到分光镜3所走过的路径和/或光束从分光镜3到曲面反射镜4所走过的距离来调整；其中物距为：

其中为显示源1发出的光束到曲面反射镜4所走过的路径，即物距；为光束从显示源1到平面反射镜2所走过的路径；为显示源1中心与平面反射镜2中心之间的水平距离；为光束从平面反射镜2到分光镜3所走过的路径；为平面反射镜2中心与分光镜3中心之间的垂直距离；为光束从分光镜3到曲面反射镜4所走过的距离。

为了确保显示源1发出的光线能在空中汇聚，生成显示源1的实像，需要控制空中成像显示系统中各个元件之间的距离以控制光线传播的路径长度（即控制物距），物距需要满足公式：

。

在本实施例中，悬浮图像的尺寸通过调整曲面反射镜4的等效焦距、物距、显示源1与垂直方向的夹角、平面反射镜2与垂直方向的夹角、分光镜3与垂直方向的夹角和/或显示源1的宽度来调整；其中悬浮图像的尺寸具有如下约束关系：

其中为悬浮图像的尺寸；为曲面反射镜4的等效焦距；为显示源1发出的光束到曲面反射镜4所走过的路径，即物距；为余弦函数；为显示源1与垂直方向的夹角；为平面反射镜2与垂直方向的夹角；为分光镜3与垂直方向的夹角；为显示源1的宽度。

在本实施例中，悬浮图像的可视角度通过调整曲面反射镜4的宽度、悬浮图像的尺寸和/或悬浮图像与空中成像显示系统的距离来调整；其中悬浮图像的可视角度具有如下约束关系：

其中为悬浮图像的可视角度；为正切函数；为曲面反射镜4的宽度；为悬浮图像的尺寸；为悬浮图像与分光镜3的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离。

在本实施例中，为了保证悬浮图像的显示质量，需要控制曲面反射镜4的相对孔径，曲面反射镜4的宽度与焦距具有如下约束关系：

其中为曲面反射镜4的宽度；为曲面反射镜4的等效焦距；

曲面反射镜4的焦距与显示源1的宽度、悬浮图像的宽度具有如下约束关系：

其中为悬浮图像与分光镜3的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离。

在本实施例中，当来自曲面反射镜4的光束水平射出分光镜3时，平面反射镜2与垂直方向的夹角的取值范围和曲面反射镜4与垂直方向的夹角的取值范围分别为：

。

平面反射镜2中心与分光镜3中心之间的垂直距离具有如下约束关系：

其中为平面反射镜2的高度；为平面反射镜2与垂直方向的夹角；为曲面反射镜4的高度；为曲面反射镜4与垂直方向的夹角；为余弦函数；

分光镜3的高度大于等于曲面反射镜4的高度；

曲面反射镜4的高度具有如下约束关系：

其中为曲面反射镜4的宽度。

在本实施例中，当来自曲面反射镜4的光束水平射出分光镜3时，空中成像显示系统的高度为：

其中为显示源1中心与平面反射镜2中心之间的垂直距离；为平面反射镜2中心与分光镜3中心之间的垂直距离；为显示源1的高度；为分光镜3的高度；为显示源1与垂直方向的夹角；为分光镜3与垂直方向的夹角；为余弦函数。

实施例二：

本实施例是在实施例一的基础上的进一步扩展，在本实施例，空中成像显示系统的参数的确定步骤如下：

S1、根据需求确定显示图像悬浮距离、悬浮图像的尺寸、悬浮图像的可视角度、系统厚度的目标值；

S2、确定曲面反射镜4的尺寸；

S3、确定显示源1的尺寸和、在所划定的范围内确定平面反射镜2的旋转角、在所划定的范围内确定分光镜3旋转角、在所划定的范围内确定曲面反射镜4的高度、在所划定的范围内确定分光镜3的高度。在本实施例中，，，；

S4、确定分光镜3中心与曲面反射镜4中心之间的水平距离；

S5、在所划定的范围内确定曲面反射镜4的焦距，在本实施例中；

S6、确定显示源1的旋转角；

S7、根据需求确定空中成像显示系统的高度，进而可以确定显示源1中心与平面反射镜2中心之间的水平距离和和平面反射镜2中心与分光镜3中心之间的垂直距离；

S8、在所划定的范围内确定曲面反射镜4的旋转角；在所划定的范围内确定平面反射镜2的高度，在本实施例中，平面反射镜2的上沿与曲面反射镜4的下沿紧贴，，因此就可以确定的准确值。

未给出限定的系统参数则可以酌情选择。

本实施例可以得到的参数包括：

显示源1宽度为70mm，高度为40mm，与垂直方向的夹角为45°，显示源1的中心到平面反射镜2中心的水平距离为41mm，垂直距离为42mm。

平面反射镜2的宽度为34mm，高度为34mm，垂直于地面，平面反射镜2中心到分光镜3中心的垂直距离为60mm。

分光镜3的宽度为120mm，高度为80mm，分光比为1，与垂直方向的夹角为20°，分光镜3的中心到曲面反射镜4中心的水平距离为48mm。

曲面反射镜4的宽度为120mm，高度为80mm，曲率半径为150mm，焦距为75mm，面型为球面，与垂直方向的夹角为5°。

空中成像显示系统最终的宽度约为61.5mm，高度约为160mm，能够实现在距离空中成像显示系统水平距离为80mm的位置处生成宽度为50mm，高度为26mm的悬浮图像。

Claims (9)

1.一种多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，包括显示源（1）、平面反射镜（2）、分光镜（3）和曲面反射镜（4）；其中：

显示源（1）发出的光束由平面反射镜（2）反射至分光镜（3），部分光束由分光镜（3）的表面反射至曲面反射镜（4）；到达曲面反射镜（4）的光束被反射至分光镜（3）并透过分光镜（3），在分光镜（3）的另一侧形成悬浮图像；

当来自曲面反射镜（4）的光束水平射出分光镜（3）时，显示源（1）位于分光镜（3）的下方，平面反射镜（2）位于曲面反射镜（4）的下方，分光镜（3）和曲面反射镜（4）中心对齐，分光镜（3）与垂直方向的夹角大于10°小于25°；

悬浮图像与空中成像显示系统的距离通过调整曲面反射镜（4）的等效焦距、显示源（1）发出的光束到曲面反射镜（4）所走过的路径、显示源（1）与垂直方向的夹角、平面反射镜（2）与垂直方向的夹角和/或分光镜（3）与垂直方向的夹角来调整；其中悬浮图像与空中成像显示系统的距离具有如下约束关系：

其中为悬浮图像与分光镜（3）的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离；为曲面反射镜（4）的等效焦距；为显示源（1）发出的光束到曲面反射镜（4）所走过的路径，即物距；为余弦函数；为显示源（1）与垂直方向的夹角；为平面反射镜（2）与垂直方向的夹角；为分光镜（3）与垂直方向的夹角；为空中成像显示系统的厚度；

。

2.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，当来自曲面反射镜（4）的光束水平射出分光镜（3）时，空中成像显示系统的厚度为：

其中为空中成像显示系统的厚度；为分光镜（3）中心与曲面反射镜（4）中心之间的水平距离；为分光镜（3）的高度；为分光镜（3）与垂直方向的夹角；为正弦函数。

3.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，物距通过调整光束从显示源（1）到平面反射镜（2）所走过的路径、光束从平面反射镜（2）到分光镜（3）所走过的路径和/或光束从分光镜（3）到曲面反射镜（4）所走过的距离来调整；其中物距为：

其中为显示源（1）发出的光束到曲面反射镜（4）所走过的路径，即物距；为光束从显示源（1）到平面反射镜（2）所走过的路径；为显示源（1）中心与平面反射镜（2）中心之间的水平距离；为光束从平面反射镜（2）到分光镜（3）所走过的路径；为平面反射镜（2）中心与分光镜（3）中心之间的垂直距离；为光束从分光镜（3）到曲面反射镜（4）所走过的距离。

4.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，悬浮图像的尺寸通过调整曲面反射镜（4）的等效焦距、物距、显示源（1）与垂直方向的夹角、平面反射镜（2）与垂直方向的夹角、分光镜（3）与垂直方向的夹角和/或显示源（1）的宽度来调整；其中悬浮图像的尺寸具有如下约束关系：

其中为悬浮图像的尺寸；为曲面反射镜（4）的等效焦距；为显示源（1）发出的光束到曲面反射镜（4）所走过的路径，即物距；为余弦函数；为显示源（1）与垂直方向的夹角；为平面反射镜（2）与垂直方向的夹角；为分光镜（3）与垂直方向的夹角；为显示源（1）的宽度。

5.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，悬浮图像的可视角度通过调整曲面反射镜（4）的宽度、悬浮图像的尺寸和/或悬浮图像与空中成像显示系统的距离来调整；其中悬浮图像的可视角度具有如下约束关系：

其中为悬浮图像的可视角度；为正切函数；为曲面反射镜（4）的宽度；为悬浮图像的尺寸；为悬浮图像与分光镜（3）的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离。

6.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，曲面反射镜（4）的宽度与焦距具有如下约束关系：

其中为曲面反射镜（4）的宽度；为曲面反射镜（4）的等效焦距；

曲面反射镜（4）的焦距与显示源（1）的宽度、悬浮图像的宽度具有如下约束关系：

其中为悬浮图像与分光镜（3）的最小距离，也即悬浮图像与空中成像显示系统的距离；为空中成像显示系统的厚度。

7.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，当来自曲面反射镜（4）的光束水平射出分光镜（3）时，平面反射镜（2）与垂直方向的夹角的取值范围和曲面反射镜（4）与垂直方向的夹角的取值范围分别为：

。

8.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，平面反射镜（2）中心与分光镜（3）中心之间的垂直距离具有如下约束关系：

其中为平面反射镜（2）的高度；为平面反射镜（2）与垂直方向的夹角；为曲面反射镜（4）的高度；为曲面反射镜（4）与垂直方向的夹角；为余弦函数；

分光镜（3）的高度大于等于曲面反射镜（4）的高度；

曲面反射镜（4）的高度具有如下约束关系：

其中为曲面反射镜（4）的宽度。

9.根据权利要求1所述的多次折叠反射式的空中成像显示系统，其特征在于，当来自曲面反射镜（4）的光束水平射出分光镜（3）时，空中成像显示系统的高度为：

其中为显示源（1）中心与平面反射镜（2）中心之间的垂直距离；为平面反射镜（2）中心与分光镜（3）中心之间的垂直距离；为显示源（1）的高度；为分光镜（3）的高度；为显示源（1）与垂直方向的夹角；为分光镜（3）与垂直方向的夹角；为余弦函数。