CN204666963U - 一种虚拟影像显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种虚拟影像显示系统，包括机体、透光屏幕以及设置在机体内的影像源；影像源用于产生彩色影像光并发送至透光屏幕上；透光屏幕包括透明基板和设置在透明基板的表面上的光学薄膜，光学薄膜对于影像源产生的彩色影像光以及环境光中与彩色影像光的波长相同的第一环境光具有高反射率，对于第二环境光具有高透过率，第二环境光为不符合第一环境光的波长条件的环境光。本实用新型解决了现有的投影反射型幻影成像系统难以让观看者看到清晰的高对比度的、具有真实感以及融入环境感的拟真化全息立体影像的技术问题，本实用新型可以让观察者看到逼真、清晰、色彩艳丽、高对比度、高影像亮度的、在空中成像的虚拟影像。

Description

一种虚拟影像显示系统

技术领域

本实用新型涉及一种虚拟影像显示系统。

背景技术

传统投影是将影像直接成像在一个不透明或者透明的屏幕平面上，是2D平面影像，没有立体或全息观赏效果。虽然已有部分用于大型舞台的投影反射型幻影成像系统，如专利CN 1294517 C、CN1166210A、CN1035777A，其所使用的用于反射投影系统的影像光的反射屏幕，均无制备有特别对应于影像源三色特定波长发光的具有波长选择性反射特性的光学膜层，因此观察者看到的通过反射成像的影像质量较差(亮度与对比度低，色彩饱和度低)，无法获得逼真、清晰、色彩艳丽、高对比度、高影像亮度的、从而具有高拟真度的彩色影像，从而难以欣赏到逼真的立体和全息感受的影像显示。

现有技术通常使用的是具有宽谱反射特性的反射膜系，其光反射针对的是一个从包括大部分可见光范围内(420nm到750nm)的、具有较广连续波长范围的光波全部予以反射，这样会导致无分别地将环境光与影像光全部予以反射，会因环境光的大量掺入而造成影像光本身最终成像显示品质的劣化，难以让观看者看到清晰的、高对比度的、具有真实感以及融入环境感的拟真化全息立体影像。

发明内容

为了解决现有的投影反射型幻影成像系统难以让观看者看到清晰的高对比度的、具有真实感以及融入环境感的拟真化全息立体影像的技术问题，本实用新型提供一种虚拟影像显示系统。

本实用新型的技术解决方案：

一种虚拟影像显示系统，其特殊之处在于：包括机体、透光屏幕以及设置在机体内的影像源；

所述影像源用于产生彩色影像光并发送至透光屏幕上；

所述透光屏幕包括透明基板和设置在透明基板的表面上的光学薄膜，所述光学薄膜对于影像源产生的彩色影像光以及环境光中与彩色影像光的波长相同的第一环境光具有高反射率，对于第二环境光具有高透过率，所述第二环境光为不符合第一环境光的波长条件的环境光。

上述影像源产生的彩色影像光是波长在605～680nm的第一光、波长在500～565nm的第二光和波长在420～490nm的第三光中一种或多种的混合。

上述光学薄膜包括反射层，所述反射层为对彩色影像光以及环境光中与彩色影像光的波长相同的第一环境光具有高反射率，对第二环境光具有高透过率。

上述光学薄膜还包括涂覆在反射层上的透镜层，所述透镜层是薄膜光学透镜或者薄膜光学透镜阵列，所述薄膜光学透镜或薄膜光学透镜阵列用于对彩色影像光或环境光加以调制改变其光路中光线的发散或汇聚的特性。

上述薄膜光学透镜为菲涅耳透镜，所述薄膜光学透镜阵列为菲涅耳透镜阵列。

上述透明基板的材料为透明玻璃、透明陶瓷或无机电介质材料或透明有机化合物；所述透明基板的厚度为0.01mm～500mm。

上述透明陶瓷或无机电介质材料包括透明氧化铝、烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆、砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁或氟化钙。

上述透明有机材料包括PMMA、PC、PS、PET、PETG、透明ABS、透明PP、透明PA、SAN、MS、MBS、PES、J.D系列光学树脂、CR-39、TPX、HEMA、F4、F3、EFP、PVF、PVDF、EP、PF、UP、醋酸纤维素、硝酸纤维素或EVA；

所述PES为聚醚砜；所述J.D系列光学树脂为PES的共聚衍生物；SAN为苯乙烯/丙烯腈共聚物，TPX为聚甲基-1-戊烯，BS为25％丁二烯/75％苯乙烯共聚物，CR-39为双烯丙基二甘醇碳酸酯聚合物，HEMA为聚咿基丙烯酸羟乙酯。

上述反射层为厚度在5nm～1000nm的金属镀层、或粒径为5nm～500nm的纳米金属粒子涂层、或厚度为5nm～1000nm的电介质材料镀层中的一层或者多层的组合。

上述金属镀层的材料为铝、银、金、铜、铬、铂和铑中的一种或是多种的混合；所述电介质材料镀层的材料为一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝、烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆、砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化钙中的一种或多种的混合。

本实用新型所具有的优点：

本实用新型可以让观察者看到逼真、清晰、色彩艳丽、高对比度、高影像亮度的、在空中成像的虚拟影像，该影像可以有效地与环境融为一体，让观看者不使用任何立体眼镜的辅助，裸眼即可观察到具有立体和全息感受的影像显示。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为环境光经过透光屏幕的透过示意图；

图3为光学薄膜的反射层的工作原理示意图；

图4为光学薄膜的透镜层的工作原理示意图；

其中图4a为汇聚示意图；图4b为发散示意图；

其中附图标记为：1-影像源，2-透光屏幕，3-光学薄膜，4-空间虚拟成像。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一种虚拟影像显示系统的结构示意图，包括计算机控制系统、视频信号接口、机体、透光屏幕2以及设置在机体内的影像源1；计算机控制系统通过视频信号接口与影像源1连接。影像源1用于产生彩色影像光并发送至透光屏幕上；透光屏幕2的表面上设置有光学薄膜3，光学薄膜3对于影像源产生的彩色影像光以及环境光中与彩色影像光的波长相同的第一环境光具有高反射率，对于与彩色影像光的波长不同的第二环境光具有高透过率，第二环境光为不符合第一环境光的条件的环境光。如图2所示，连续光谱的自然环境光大部分透过。

影像源1包括一个由三色特定波长发光：红(605～680nm)、绿(500～565nm)、蓝(420～490nm)的形成的彩色影像；一个或者多个影像源将上述具有特定波长特征的彩色影像发光输出到设定的光路中去；

光学薄膜包括反射层，反射层为对彩色影像光以及环境光中与彩色影像光的波长相同的第一环境光具有高反射率，对第二环境光具有高透过率。

为了能够调整空间虚拟成像的距离，光学薄膜还包括涂覆在反射层上的透镜层，所述透镜层包括透明基板以及设置在透明基板上的薄膜光学透镜或者薄膜光学透镜阵列，薄膜光学透镜或薄膜光学透镜阵列用于对彩色影像光或环境光加以调制改变其光路的发散或汇聚的特性。例如当薄膜光学透镜为使用菲涅耳透镜的时候，所述薄膜光学透镜阵列为菲涅耳透镜阵列。

透光屏幕的材料为透明玻璃、透明陶瓷、透明有机化合物或聚合物或单晶；透光屏幕的厚度为0.01mm～500mm。

影像源产生的彩色影像光是波长在605～680nm的红光、波长在500～565nm的绿光和波长在420～490nm的蓝光中一种或多种的混合。

该膜层用于反射从影像源发出的由特定波长，如红(605～680nm)、绿(500～565nm)、蓝(420～490nm)，混合形成的彩色影像光；另外薄膜光学透镜或者薄膜光学透镜阵列，如菲涅耳透镜或菲涅耳透镜阵列，该薄膜光学透镜系统可以对成像光或环境光加以调制改变其光路的发散或汇聚的特性。影像源发出的影像光是由特定波长，如红(605～680nm)、绿(500～565nm)、蓝(420～490nm)，单一或者混合发出所形成的彩色影像光。影像源发出的影像光是由特定波长，如红(605～680nm)、绿(500～565nm)、蓝(420～490nm)，单一或者混合发出所形成的彩色影像光。透光屏幕是用对于可见光透明的材料制成的硬质或者柔性基板，厚度为0.01mm～500mm，材料为透明玻璃、透明陶瓷(如透明氧化铝，烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等氧化物透明陶瓷。或者是非氧化物透明陶瓷如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等)、透明有机化合物或聚合物或单晶等透明材料，其中透明性有机材料主要包括：PMMA、PC、PS、PET、PETG、透明ABS、透明PP、透明PA、SAN(又称AS)、(又称K树脂)、MS、MBS、PES、J.D系列、CR-39、TPX、HEMA、F4、F3、EFP、PVF、PVDF、EP、PF、UP、醋酸纤维素、硝酸纤维素及EVA等。其中PES为聚醚砜，J.D系列光学树脂为PES的共聚衍生物，SAN为苯乙烯/丙烯腈共聚物，TPX为聚甲基-1-戊烯，BS为25％丁二烯/75％苯乙烯共聚物，CR-39为双烯丙基二甘醇碳酸酯聚合物，HEMA为聚咿基丙烯酸羟乙酯。在这些透明性有机物中，最常用的为PC、PMMA、PS、PET、PETG、AS、BS、MS、MBS、透明ABS、透明PP及透明PA等。

反射层：包含由至少一层的厚度在5nm～1000nm的金属镀层，或粒径为5nm～500nm的纳米金属粒子涂层(材料如铝、银、金、铜、铬、铂、铑等)，或厚度为5nm～1000nm的电介质材料镀层(材料如一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等)。电介质材料镀层的每层的厚度与反射光的波长有一定比例关系。

例如，单一金属镀层可以实现宽谱范围内光的高反射率；金属粒子涂层和电介质材料镀层的复合可以实现一定波长范围内的光的高反射率；单一纳米金属粒子涂层利用表面等离子光波谐振效应可以实现针对特定波长的光的散射和折射；多层复合电介质薄膜镀层可以实现对于特定波长光的高反射率；

某特定波长的反射膜结构一例：多层反射膜结构由至少三层膜组成，每层膜由不同尺寸形态的纳米金属离子涂敷形成，可以对特定波长范围内的光波产生强散射效应获得＞45％以上反射率的具有特定波长选择性的高反射率薄膜特征。

某特定波长的反射膜结构一例：多层反射膜结构由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的，每层膜的厚度为某特定波长的四分之一。该条件下参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向相同。该特定波长的发射光的合成振幅将随着薄膜层数的增加而增加，最终形成对于该特定波长光的高反射率效应，理论反射率可以接近100％。如图3所示。

薄膜透镜例：薄膜透镜可以为单一的菲涅尔透镜或复数个菲涅尔透镜形成的阵列结构，或者是复数个液晶透镜形成的阵列结构。该薄膜光学透镜系统可以对成像光或环境光加以调制改变其光路的发散或会聚的特性。从而可以实现虚像成像尺寸以及成像景深的调制，如图4所示，其中图4a为汇聚示意图；图4b为发散示意图。

本实用新型的工作原理：

透光屏幕被设置于影像发光的传输光路中，该透光屏幕表面制备有各种不同光学功能的薄膜，该光学薄膜3由多层不同功能的膜组成，分别用于调制在光路中传输的彩色影像光和外界环境光的传输特性，经过该光学薄膜3对光路中传输光的调制后，影像源1发出的特定波长的三色影像光将被光学薄膜按照设定光路予以反射或反射大部分到观看者的眼中，同时具备连续光谱特征的环境光在光路中的传输，除去前述特定波长范围外，其余波长的环境光则可以顺利透过制备有前述具有选择波长反射特征的光学薄膜的透光屏幕，使得位于透光屏幕前的观察者可以观察到在前述透光屏幕后方的一定距离的空中产生一个色彩清晰艳丽的空间虚拟成像，该空间虚拟成像并非是显示在透光屏幕上或其他实物载体表面上，而是显示在空中并与背景环境融为一体，因此在观察者眼中该影像具有了某种立体影像或全息影像的显示特征；透光屏幕可以是柔性可弯曲的塑料屏，或者是硬性的玻璃屏。

Claims (10)

1.一种虚拟影像显示系统，其特征在于：包括机体、透光屏幕以及设置在机体内的影像源；

所述影像源用于产生彩色影像光并发送至透光屏幕上；

所述透光屏幕包括透明基板和设置在透明基板的表面上的光学薄膜，所述光学薄膜对于影像源产生的彩色影像光以及环境光中与彩色影像光的波长相同的第一环境光具有高反射率，对于第二环境光具有高透过率，所述第二环境光为不符合第一环境光的波长条件的环境光。

2.根据权利要求1所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述影像源产生的彩色影像光是波长在605～680nm的第一光、波长在500～565nm的第二光和波长在420～490nm的第三光中一种或多种的混合。

3.根据权利要求1或2所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述光学薄膜包括反射层，所述反射层对彩色影像光以及环境光中与彩色影像光的波长相同的第一环境光具有高反射率，对第二环境光具有高透过率。

4.根据权利要求3所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述光学薄膜还包括涂覆在反射层上的透镜层，所述透镜层是薄膜光学透镜或者薄膜光学透镜阵列，所述薄膜光学透镜或薄膜光学透镜阵列用于对彩色影像光或环境光加以调制改变其光路中光线的发散或汇聚的特性。

5.根据权利要求4所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述薄膜光学透镜为菲涅耳透镜，所述薄膜光学透镜阵列为菲涅耳透镜阵列。

6.根据权利要求5所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述透明基板的材料为透明玻璃、透明陶瓷或无机电介质材料或透明有机化合物；所述透明基板的厚度为0.01mm～500mm。

7.根据权利要求6所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述透明陶瓷或无机电介质材料包括透明氧化铝、烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆、砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁或氟化钙。

8.根据权利要求7所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述透明有机化合物包括PMMA、PC、PS、PET、PETG、透明ABS、透明PP、透明PA、SAN、MS、MBS、PES、J.D系列光学树脂、CR-39、TPX、HEMA、F4、F3、EFP、PVF、PVDF、EP、PF、UP、醋酸纤维素和硝酸纤维素或EVA中的一种；

所述PES为聚醚砜；所述J.D系列光学树脂为PES的共聚衍生物；SAN为苯乙烯/丙烯腈共聚物，TPX为聚甲基-1-戊烯，BS为25％丁二烯/75％苯乙烯共聚物，CR-39为双烯丙基二甘醇碳酸酯聚合物，HEMA为聚咿基丙烯酸羟乙酯。

9.根据权利要求8所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述反射层为厚度在5nm～1000nm的金属镀层、或粒径为5nm～500nm的纳米金属粒子涂层、或厚度为5nm～1000nm的电介质材料镀层中的一层或者多层的组合。

10.根据权利要求9所述的虚拟影像显示系统，其特征在于：所述金属镀层的材料为铝、银、金、铜、铬、铂和铑中的一种；所述电介质材料镀层的材料为一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝、烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆、砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化钙中的一种。