CN207233350U - 一种空中悬浮显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种空中悬浮显示系统，所述系统包括显示源、光学模组和弧面反射镜，所述光学模组包括透镜组和分光镜，所述透镜组包括至少一个透镜，所述弧面反射镜为凹面反射镜、凸面反射镜或与所述弧面反射镜等效的反射式菲涅尔镜；其中，所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经过所述透镜组和所述分光镜后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜后在空中汇聚形成悬浮像。该空中悬浮显示系统能够实现一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。

Description

一种空中悬浮显示系统

技术领域

本实用新型实施例涉及光学显示技术领域，更具体地，涉及一种空中悬浮显示系统。

背景技术

从黑白显示器到彩色显示器，从CRT显示器到量子点显示器，从平面显示器到裸眼3D显示器；长久以来，人们不断研究新的显示技术，并把这些显示技术成功地应用在了各个领域，例如生活娱乐、展览展示、广告传媒、医疗教育、军事指挥等。在众多的显示技术中，空中悬浮显示技术由于能够将图像呈现在空气之中，为观看者带来强烈的视觉冲击和亦真亦假的感官体验从而受到了许多研究者的关注。

悬浮的图像类别主要分为真实物体的三维空气成像和平面虚拟物体的空气成像。前者主要是将真实物体置于悬浮显示系统中，通过向真实物体照明从而实现观察者能通过该显示系统观看到悬浮在空气中的真实物体。后者主要是将LCD等平面显示器显示的虚拟图像通过显示系统后，实现在空中悬浮的平面内容。悬浮显示系统的实质在于能够成实像的光学系统。这种显示方式有着广阔的应用前景，例如在展览展示中，可以在空气中悬浮显示一个物体，为观看者提供一个科幻、逼真的视觉体验；例如医疗教育中，医生能够不接触实体屏幕来操作以便观察显示屏上的信息，这样在一定程度上就减少了细菌的传播；例如在军事作战中，军官通常需要佩戴手套来进行作战指挥或者操作设备，这时如果触控传统的显示屏幕就必须要脱去手套，而利用悬浮显示设备就能够在空中点击屏幕来完成作战指挥或设备操作。

传统的悬浮显示设备都是利用单个凹面反射镜加45度倾斜放置的分光镜来实现。该光学结构是此类显示系统最早提出的方案。其光路 为：被照明的真实物体或者LCD显示的内容由分光镜反射进入凹面反射镜，光线经过凹面反射镜的汇聚作用再次通过分光镜之后在其另一侧的空气中成像。此时，观察者可以看到空中悬浮的影像。这种方案的优点是结构简单，在应用树脂材料后，凹面反射镜的成本可以极大地降低。缺点是：悬浮的图像尺寸小、观看视角小且图像变形严重。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的空中悬浮显示系统。

本实用新型实施例提供了一种空中悬浮显示系统，一种空中悬浮显示系统，所述系统包括显示源、光学模组和弧面反射镜，所述光学模组包括透镜组和分光镜，所述透镜组包括至少一个透镜，所述弧面反射镜为凹面反射镜、凸面反射镜或与所述弧面反射镜等效的反射式菲涅尔镜；其中，

所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经过所述透镜组和所述分光镜后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜后在空中汇聚形成悬浮像。

进一步地，所述光学模组中的每个透镜为传统透镜或菲涅尔透镜。

进一步地，所述光学模组中相邻透镜中心之间的距离为d，且500mm≥d≥0mm；所述光学模组中各透镜的厚度为l，且500mm≥l＞0mm；所述光学模组中各透镜的外接圆直径为D，且5000mm≥D＞0mm。

可选地，所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经所述分光镜反射后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜透射后在空中汇聚形成悬浮像。

可选地，所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经所述分光镜透射后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜反射后在空中汇聚形成悬浮像。

可选地，所述系统还包括反射元件；

所述反射元件设置在所述显示源与所述光学模组的光线入射端之间、所述分光镜与所述系统成像位置之间或所述学模组中任意一个光学元件与所述弧面反射镜之间，所述任意一个光学元件为所述透镜组中任意一个透镜或所述分光镜。

其中，所述分光镜的旋转角为θ₀，90°＞θ₀＞0°；所述反射元件的旋转角为θ₁，且90°＞θ₁＞0°。

可选地，所述反射元件设置在所述显示源与所述光学模组的光线入射端之间；其中，

所述显示源的发光面与所述光学模组的光线入射端垂直设置，所述显示源发射的光线经所述反射元件发射后进入所述光学模组；

所述显示源的发光面与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm，所述光学模组的光线入射端的透镜中心与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm。

可选地，所述反射元件设置在所述分光镜与所述系统成像位置之间；其中，

所述弧面反射镜的反射光线经所述分光镜后，经所述反射元件反射在空中汇聚形成悬浮像；

所述系统的成像位置与所述反射元件的中心位置之间的距离为0-5000mm，所述分光镜的中心位置与所述反射元件的中心位置之间的距离为0-5000mm。

可选地，所述反射元件设置在所述光学模组中任意一个光学元件与所述弧面反射镜之间；其中，

所述弧面反射镜的反射光线经所述反射元件反射进入所述光学模组，并经所述分光镜后在空中汇聚形成悬浮像；

所述弧面反射镜与所述反射元件之间的距离为0-5000mm，所述任意一个光学元件的中心与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm。

本实用新型实施例提供了一种空中悬浮显示系统，通过包括透镜组和分光镜的光学模组对显示源发射的光线进行调制和分光后进入弧面反射镜，弧面反射镜再将光线反射经过分光镜分光在空中汇聚形成悬浮像，该空中悬浮显示系统能够实现一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示图；

图2为本实用新型实施例中传统透镜的形状；

图3为本实用新型实施例中菲涅尔透镜的形状；

图4为本实用新型实施例提供的另一种空中悬浮显示系统的结构示图；

图5为本实用新型实施例提供的又一种空中悬浮显示系统的结构示图；

图6为本实用新型实施例提供的又一种空中悬浮显示系统的结构示图；

图7为本实用新型实施例提供的又一种空中悬浮显示系统的结构示图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例涉及如下技术名词：

传统透镜，指球面或非球面的透镜，材料可以是各种玻璃或塑料；

菲涅尔透镜，是与传统透镜具有等效功能的平面透镜，它的齿纹可以是同心圆，也可是线性螺纹；

像差，是指实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，这些与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差，叫做像差。像差的一种为畸变，指图像的失真变形；

分光镜，指能将一束光分为透射光和反射光的平面镜，通常由光学玻璃镀膜而成。

为解决现有技术问题，实现更好的悬浮显示效果，本实用新型实施例提出了一种基于凹面反射镜或凸面反射镜联合光学透镜模组的空中悬浮显示系统。

图1为本实用新型实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括显示源、光学模组和弧面反射镜，所述光学模组包括透镜组和分光镜，所述透镜组包括至少一个透镜，所述弧面反射镜为凹面反射镜、凸面反射镜或与所述弧面反射镜等效的反射式菲涅尔镜。其中，

所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经过所述透镜组和所述分光镜后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜。光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜后在空中汇聚形成悬浮像。

其中，显示源M₁是一种电子设备或者被光照的实际物体，它能够向观看者提供视觉内容信息。它可以是液晶显示器(LCD)，激光显示器、投影仪、LED显示器、OLED显示器、量子点显示器、或其他能 够显示视觉内容的器件和系统。它用来显示静态的、动态的以及任意能够被显示或者看到的内容。静态的内容指显示的内容不随时间的变化而改变，它包括但不限于图片、静态影像、静态文本及图表数据等。动态内容指随时间的变化而改变的内容，它包括但不限于录制视频、实时视频、变化的图像、动态的文本及图表数据等。

光学模组包括M₂、M′₂和分光镜E₀，具体如下：

M₂、M′₂，M₂由图1所示的镜片1到镜片K组成，K代表复合透镜组M₂中透镜的数目。M′₂由图1所示镜片1到镜片N组成，N代表复合透镜组M′₂中透镜的数目，其中K和N满足的关系为：当N＝0，K≥1当N＞0时，K≥0。根据实际需要可在光学镜片上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。复合透镜组的作用是联合凹面反射镜R将显示源发出的光线进行调制(折射和反射)，使得出射光线能够按照一定的规律在空气中汇聚，以达到在空气中悬浮成像的目的。

分光镜E₀，具有部分透射及部分反射的平面光学元件，其透射率的范围是：1％～99％，其反射率的范围是：1％～99％。其材料可以是玻璃或者亚克力及其他塑料材料。其厚度可以根据实际需要制定。

弧面反射镜R，它的面型可以是普通球面、也可以是其他非球面面型，它的材料可以是各种玻璃、金属、亚克力及其他塑料材料。其反射面可以在前表面也可以在后表面，反射率的选择范围是：1％～99％(需要申明的是：反射率的控制可以在上述材料中添加一些成分或者镀膜或者在其表面贴膜等方式实现)。它的形状可以是矩形、圆形、正方形、六边形等任意形状，因此D₀指凹面反射镜外接圆直径的尺寸，其变化范围是5000mm≥D₀＞0mm。它的厚度可以根据实际需要制定。另外，弧面反射镜R也可以是与其等效的反射式菲涅尔镜。

系统在空中所成像M₃，代表悬浮在空气中的静态图像或者动态视频，观察者可以真切地看到图像或者视频漂浮在空中，并且可以用手穿过悬浮像。

本实用新型实施例提供了一种空中悬浮显示系统，通过包括透镜 组和分光镜的光学模组对显示源发射的光线进行调制和分光后进入弧面反射镜，弧面反射镜再将光线反射经过分光镜分光在空中汇聚形成悬浮像，该空中悬浮显示系统能够实现一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。

基于上述实施例，所述光学模组中的每个透镜为传统透镜或菲涅尔透镜。

具体地，在该悬浮显示系统中的光学模组中的光学镜片可以是传统的玻璃透镜、塑料透镜或者菲涅尔透镜或者是它们之间的任意组合。

如图2所示，上述实施例中的悬浮显示系统中的光学模组中的每个光学镜片可以是图2中任意一种结构或者是它们之间胶合在一起的复合结构。例如图2中的平凸透镜和双凹透镜可以组成双胶合透镜或者再加上双凸透镜组成三胶合结构等。R是光学透镜的曲率半径，其绝对值的取值范围是：R＞0。l是光学透镜的中心厚度，其取值范围是：500mm≥l＞0mm。l_E是光学透镜的边缘厚度，其取值范围是：500mm≥l_E＞0mm光学透镜的形状可以是矩形、圆形、正方形、六边形等任意形状，因此D指每个光学透镜外接圆直径的尺寸，选择范围是：5000mm≥D＞0mm。每个光学透镜所采用的材料可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃、火石玻璃、重冕玻璃、重火石玻璃或者LA系玻璃等)；可以是塑料树脂材料(如PMMA、PC、COC、POLYCARB等)；根据实际需要可在光学镜片上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。需要声明的是图2只是描述出传统透镜可能存在几种形式，并不是限制专利的保护范围和权限。图2展示了光学镜片是传统透镜的形式，同样光学镜片也可以是菲涅尔透镜的形式。

如图3所示，光学模组中的每个光学镜片可以是图3中任意一种结构或者是它们之间胶合在一起的复合结构。每个光学镜片的光焦度可以根据情况取正光焦度、负光焦度或者零光焦度。菲涅尔透镜的厚度取值范围是：500mm≥d＞0mm。菲涅尔透镜的形状可以是矩形、圆形、正方形、六边形等任意形状，因此D指每个菲涅尔透镜外接圆直径的 尺寸，选择范围是：5000mm≥D＞0mm。菲涅尔透镜的环距的取值范围是0.01mm～100mm。根据实际需要可在菲涅尔镜片上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。需要声明的是图3只是示意出了几种菲涅尔透镜，并不是限制菲涅尔透镜的结构形式。实际上，菲涅尔透镜的每个齿的齿深、倾斜角、拔模角都可以根据实际生产工艺和要求在保证光焦度不变的情况下做出调整。菲涅尔透镜的每个齿既可以是直线三角锯齿，也可以是与其相应透镜等效的弧线型。这些都在本专利所要保护的范围之内。

图2-3分别说明了光学模组中的光学镜片是传统透镜和菲涅尔透镜，需要声明的是，这只是其中的两个具体实施例，并不是限制专利的保护范围和权限。实际上，光学模组可以是这两者的组合(即传统透镜和菲涅尔透镜的组合)。

基于上述实施例，所述光学模组中相邻透镜中心之间的距离为d，且500mm≥d≥0mm；所述光学模组中各透镜的厚度为l，且500mm≥l＞0mm；所述光学模组中各透镜的外接圆直径为D，且5000mm≥D＞0mm.

基于上述实施例，如图1所示，所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经所述分光镜反射后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜透射后在空中汇聚形成悬浮像。

具体地，由显示源M₁发射出的光线进入复合透镜组M₂，经过该光学模组的调制(反射和折射)，这些光线会入射在具有部分透射及部分反射的平面光学元件E₀上，光线被E₀反射后进入复合透镜组M′₂，经过该光学模组的调制(反射和折射)，光线入射在凹面反射镜R上。由凹面反射镜R反射的光线将再次经过复合透镜组M′₂并穿过E₀后在其右侧的空气中汇聚成像。图1中L_O是显示元M₁的中心与复合透镜组M₂中第一个透镜中心的距离，其范围是：5000mm≥L_O≥0mm，d是光学模组 M₂、M′₂中相邻光学镜片中心的间距，其变化范围是500mm≥d≥0mm，l是每个光学镜片的厚度，其变化范围是500mm≥l＞0mm。

L₁是图1中复合透镜组M₂中第K个透镜的中心到E₀的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₁≥0mm。L₂是反射镜E₀的中心与图1中复合透镜组M′₂中第N个光学镜片中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₂≥0mm。θ₀是E₀的旋转角，其变化范围是：90°＞θ₀＞0°。L₃是复合透镜组M′₂中第1个光学镜片中心到凹面反射镜R的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₃≥0mm。L_I是E₀的中心与空气中悬浮像中心的距离，其变化范围是5000mm≥L_I≥0mm，θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ＞0°(需要申明的是：其环视视角可以是360度)，悬浮图像的尺寸与显示源M₁上显示图像尺寸的比的变化范围是0.1:1到10:1。

基于上述实施例，如图4所示，所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经所述分光镜透射后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜反射后在空中汇聚形成悬浮像。

基于上述实施例，所述系统还包括反射元件；

所述反射元件设置在所述显示源与所述光学模组的光线入射端之间、所述分光镜与所述系统成像位置之间或所述光学模组中任意一个光学元件与所述弧面反射镜之间，所述任意一个光学元件为所述透镜组中任意一个透镜或所述分光镜。

其中，所述分光镜的旋转角为θ₀，90°＞θ₀＞0°；所述反射元件的旋转角为θ₁，且90°＞θ₁＞0°。

具体地，通过加入反射元件可以使本系统的光路更加多变，结构调整更加灵活，更加适合市场推广。

基于上述实施例，如图5所示，所述反射元件设置在所述显示源与所述光学模组的光线入射端之间；其中，

所述显示源的发光面与所述光学模组的光线入射端垂直设置，所 述显示源发射的光线经所述反射元件发射后进入所述光学模组；

所述显示源的发光面与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm，所述光学模组的光线入射端的透镜中心与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm。

其中，所述反射元件是具有反射能力的平面镜，如玻璃反射镜、树脂反射镜、光滑的金属表面等具有反射能力的平面元件。其尺寸变化范围是：10mm～5000mm。反射率的变化范围是：1％～99％。

具体地，L_O是显示源M₁的中心到E₁的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L_O≥0mm。L₁是E₁的中心到复合透镜组M₂中第一个光学镜片的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₁≥0mm。θ₁是E₁的旋转角，其变化范围是：90°＞θ₁＞0°。L₂是复合透镜组M₂中第K个光学镜片的中心到E₀的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₂≥0mm。θ₀是E₀的旋转角，其变化范围是：90°＞θ₀＞0°。L₃是E₀的中心到复合透镜组M′₂中第N个光学镜片的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₃≥0mm。L₄是复合透镜组M₂′中第1个光学镜片的中心到凹面反射镜的距离，其变化范围是：5000mm≥L₄≥0mm。d是复合透镜组M₂、M‘₂中相邻光学镜片中心的间距，其变化范围是500mm≥d≥0mm，l是每个光学镜片的厚度，其变化范围是500mm≥l＞0mm。L_I是E₀的中心到空气中悬浮像M₃的中心的距离，其变化范围是5000mm≥L_I≥0mm，θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ＞0°(其环视视角可以是360度)。悬浮图像的尺寸与显示源M₁上显示图像尺寸的比的变化范围是0.1:1到10:1。

需要声明的是：在图5中，显示源M₁和复合透镜组M₂之间加入了具有反射功能的元件E₁，反射元件E₁可以是一个或者多个。图2只是其中一个例子，并不是限制了本专利的保护范围和权限，为了消除环境光和炫光的影响，也可以在上述光路中加入偏振器(线性偏振器或圆偏振器)、四分之一波长延迟器等。

基于上述实施例，如图6所示，所述反射元件设置在所述分光镜与所述系统成像位置之间；其中，

所述弧面反射镜的反射光线经所述分光镜后，经所述反射元件反射在空中汇聚形成悬浮像；

所述系统的成像位置与所述反射元件的中心位置之间的距离为0-5000mm，所述分光镜的中心位置与所述反射元件的中心位置之间的距离为0-5000mm。

具体地，由显示源M₁发射出的光线进入复合透镜组M₂，经过该光学模组的调制(反射和折射)，这些光线会入射在具有部分透射及部分反射的平面光学元件E₀上，光线被E₀反射后进入复合透镜组M′₂，经过该光学模组的调制(反射和折射)，光线入射在凹面反射镜R上。由凹面反射镜R反射的光线将再次经过复合透镜组M′₂并穿过E₀后入射在反射元件E₁上，被反射的光线在E₁上方的空气中汇聚成像。L_O是显示元M₁的中心与复合透镜组M₂中第一个透镜中心的距离，其范围是：5000mm≥L_O≥0mm，d是光学模组M₂、M′₂中相邻光学镜片中心的间距，其变化范围是500mm≥d≥0mm，l是每个光学镜片的厚度，其变化范围是500mm≥l＞0mm。L₁是图1中复合透镜组M₂中第K个透镜的中心到E₀的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₁≥0mm。L₂是反射镜E₀的中心与图1中复合透镜组M′₂中第N个光学镜片中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₂≥0mm。θ₀是E₀的旋转角，其变化范围是：90°＞θ₀＞0°。L₃是复合透镜组M′₂中第1个光学镜片中心到凹面反射镜R的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₃≥0mm。L₄是E₀的中心到反射元件E₁的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₄≥0mm。L_I是E₁的中心与空气中悬浮像中心的距离，其变化范围是5000mm≥L_I≥0mm，θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ＞0°(需要申明的是：其环视视角可以是360度)，悬浮图像的尺寸与显示源M₁上显示图像尺寸的比的变化范围是0.1:1到10:1。

图6所示只是该显示系统的其中一种结构形式，并不是限制该显示系统的保护范围，实际上可以在E₀与悬浮像M₃之间加入一个或多个具有反射功能的元件，同样可以实现悬浮显示的效果。为了消除环境 光和炫光的影响，也可以在上述光路中加入偏振器(线性偏振器或圆偏振器)、四分之一波长延迟器等。

基于上述实施例，如图7所示，所述反射元件设置在所述光学模组中任意一个光学元件与所述弧面反射镜之间；其中，

所述弧面反射镜的反射光线经所述反射元件反射进入所述光学模组，并经所述分光镜后在空中汇聚形成悬浮像；

所述弧面反射镜与所述反射元件之间的距离为0-5000mm，所述任意一个光学元件的中心与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm。

具体地，由显示源M₁发射出的光线进入复合透镜组M₂，经过该光学模组的调制(反射和折射)，这些光线会入射在具有部分透射及部分反射的平面光学元件E₀上，光线被E₀反射后进入复合透镜组M′₂，经过该光学模组的调制(反射和折射)及反射元件E₁的反射后入射在凹面反射镜R上。由凹面反射镜R反射的光线再次被反射元件E₁反射后第二次通过复合透镜组M′₂并穿过E₀后在其右侧的空气中汇聚成像。L_O是显示源M₁的中心到复合透镜组M₂中第一个光学镜片的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L_O≥0mm。L₁是复合透镜组M₂中第K个光学镜片中到E₀的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₁≥0mm。θ₀是E₀的旋转角，其变化范围是：90°＞θ₀＞0°。L₂是E₀的中心到复合透镜组M′₂中第N个光学镜片中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₂≥0mm。L₃是复合透镜组M′₂中第1个光学镜片中心到反射元件E₁的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₃≥0mm。θ₁是E₁的旋转角，其变化范围是：90°＞θ₁＞0°。L₄是E₁的中心到凹面反射镜R的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L₄≥0mm。d是复合透镜组M₂、M₂‘中相邻光学镜片中心的间距，其变化范围是500mm≥d≥0mm，l是每个光学镜片的厚度，其变化范围是500mm≥l≥0mm。L_I是E₀的中心到空气中悬浮像M₃的中心的距离，其变化范围是5000mm≥L_I≥0mm，θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ＞0°(其环视视角可以是360度)。悬浮图像的尺寸与显示源M₁上显示图像尺寸的比的变化范围是0.1:1到10:1。

需要声明的是：在图7中，E₀和凹面反射镜R之间加入了具有反射功能的元件E1，图7只是其中一个例子，并不是限制了本专利的保护范围和权限，实际上可以在E₀和凹面反射镜R之间加入一个或多个具有反射功能的元件，同样可以实现悬浮显示的效果。为了消除环境光和炫光的影响，也可以在上述光路中加入偏振器(线性偏振器或圆偏振器)、四分之一波长延迟器等。

基于上述实施例，所述光学模组中的每个透镜的面型是根据实际情况利用光学设计软件或算法得到。

具体地，以凹面反射镜和传统透镜组及图1所示的结构为例，在优化设计凹面反射镜和每个透镜的面型时，首先需要确定显示源M₁的中心与复合透镜组M₂中第一个透镜中心的距离L_O；复合透镜组M₂中第K个透镜中心与元件E₀中心的距离L₁；元件E₀中心到复合透镜组M₂‘中第N个透镜中心的距离L₂；复合透镜组M₂‘中第1个透镜中心与凹面反射R中心的距离L₃及元件E₀中心到悬浮图像M₃中的距离L_I。其次确定悬浮图像的尺寸及观看视角，最后确定复合透镜组中透镜的数量。

以上这些都是整个系统所要优化的目标值，要达到这些目标值，需要在选定优化变量后利用优化算法不断迭代计算，最终得到满足目标值的各个优化变量的值和具体面型参数。该系统的优化变量有：各个光学镜片的厚度、相邻光学镜片的间距、光学镜片选用的材料以及各个光学镜片所遵循的面型公式(包括公式中的各个变量：曲率、非球面系数等)(可以是已有的球面或非球面面型公式，亦或是用户自定义的面型公式)。表1是按照上述方法计算得到的凹面反射镜的参数，表2是按照上述方法计算得到的复合透镜组M₂、M₂‘其中一个光学镜片的参数如表1所示，是按照上述方法计算得到的其中一个光学镜片的参数。

表1

表2

表1、表2中光学元件遵循的面型公式如下：

其中，Z是透镜的矢高，c是曲率，r是径向口径，k是圆锥系数，a1～a5是非球面系数。

以上的实施例只是其中的一种可能性，实际上，系统优化目标值的改变、优化变量选用的改变、优化顺序的改变、面型公式的选择(内部变量的选择)及优化算法选用都能得出不同的变量值和面型参数，因此会有无数个满足要求的面型参数的结果。另外这些面型也可以是与其等效的菲涅尔透镜。这些都属于本行业人员在不付出创造性劳动的情况下在参考上述实施例后可以通过修改而得到不同的面型参数，这些应都属于本专利的保护范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种空中悬浮显示系统，其特征在于，所述系统包括显示源、光学模组和弧面反射镜，所述光学模组包括透镜组和分光镜，所述透镜组包括至少一个透镜，所述弧面反射镜为凹面反射镜、凸面反射镜或与所述弧面反射镜等效的反射式菲涅尔镜；其中，

所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经过所述透镜组和所述分光镜后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜后在空中汇聚形成悬浮像。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光学模组中的每个透镜为传统透镜或菲涅尔透镜。

3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述光学模组中相邻透镜中心之间的距离为d，且500mm≥d≥0mm；所述光学模组中各透镜的厚度为l，且500mm≥l＞0mm；所述光学模组中各透镜的外接圆直径为D，且5000mm≥D＞0mm。

4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经所述分光镜反射后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜透射后在空中汇聚形成悬浮像。

5.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述显示源发射的光线经所述光学模组的光线入射端进入所述光学模组，经所述分光镜透射后，再经所述光学模组的光线出射端进入所述弧面反射镜；光线经所述弧面反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入所述光学模组，并经过所述分光镜反射后在空中汇聚形成悬浮像。

6.根据权利要求4或5所述系统，其特征在于，所述系统还包括反射元件；

所述反射元件设置在所述显示源与所述光学模组的光线入射端之间、所述分光镜与所述系统成像位置之间或所述光学模组中任意一个光学元件与所述弧面反射镜之间，所述任意一个光学元件为所述透镜组中任意一个透镜或所述分光镜。

7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述分光镜的旋转角为θ₀，90°＞θ₀＞0°；所述反射元件的旋转角为θ₁，且90°＞θ₁＞0°。

8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述反射元件设置在所述显示源与所述光学模组的光线入射端之间；其中，

所述显示源的发光面与所述光学模组的光线入射端垂直设置，所述显示源发射的光线经所述反射元件发射后进入所述光学模组；

所述显示源的发光面与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm，所述光学模组的光线入射端的透镜中心与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm。

9.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述反射元件设置在所述分光镜与所述系统成像位置之间；其中，

所述弧面反射镜的反射光线经所述分光镜后，经所述反射元件反射在空中汇聚形成悬浮像；

所述系统的成像位置与所述反射元件的中心位置之间的距离为0-5000mm，所述分光镜的中心位置与所述反射元件的中心位置之间的距离为0-5000mm。

10.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述反射元件设置在所述光学模组中任意一个光学元件与所述弧面反射镜之间；其中，

所述弧面反射镜的反射光线经所述反射元件反射进入所述光学模组，并经所述分光镜后在空中汇聚形成悬浮像；

所述弧面反射镜与所述反射元件之间的距离为0-5000mm，所述任意一个光学元件的中心与所述反射元件中心之间的距离为0-5000mm。