CN218848481U - 成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种成像装置，成像装置包括：平板透镜、显示器、至少一个自由曲面透镜。板透镜的厚度方向的两侧分别为第一侧和第二侧，显示器设于第一侧，自由曲面透镜设于平板透镜和显示器之间，显示器发出的光线适于经自由曲面透镜和平板透镜在第二侧形成浮空实像。根据本实用新型实施例的成像装置，通过在成像装置内设置自由曲面透镜，可以增加自由曲面透镜对显示器发出的光线的折射，且通过自由曲面的设置可以优化显示器或者浮空实像的成像位置，减小形成浮空实像的成像装置的体积，以使成像装置可以运用在更多的场合，且形成的浮空实像具有较大视场、大孔径、高解像、无畸变、无色散的特性，提高成像质量。

Description

成像装置

技术领域

本实用新型涉及空中成像技术领域，尤其是涉及一种成像装置。

背景技术

随着科技的不断发展，空中成像技术已成为全球科技类热点行业，并开始走进人们的现实生活。常见的空中成像技术可分为两种：一种是有介质空中成像技术，另一种是无介质空中成像技术。其中，有介质空中成像技术是通过将图像投射到透明介质上，通过介质实现空中成像，如水雾空中成像，该技术将喷射到空气中的水雾作为成像介质,利用光线的折射和散射成像，水雾屏幕可以被穿透和触碰,与手势识别技术结合使得使用者可以与屏幕交互。但有介质空中成像技术具有成像质量不佳，成像装置体积较大，且水雾成像的薄雾湿气易使人产生不适。

现有技术中，一般为提高成像质量选取无介质空中成像技术，但是，由于在成像过程中形成的浮空实像与显示器需要关于平板透镜对称分布，导致成像装置的体积较大，用户体验感不佳。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种成像装置，可以降低对空间的占用。

根据本实用新型实施例的成像装置，包括：平板透镜、显示器、至少一个自由曲面透镜，所述平板透镜的厚度方向的两侧分别为第一侧和第二侧，所述显示器设于所述第一侧，所述自由曲面透镜设于所述平板透镜和所述显示器之间，所述显示器发出的光线适于经所述自由曲面透镜和所述平板透镜在所述第二侧形成浮空实像。

根据本实用新型的成像装置，通过在成像装置内设置自由曲面透镜，可以增加自由曲面透镜对显示器发出的光线的折射，且通过自由曲面的设置可以优化显示器或者浮空实像的成像位置，减小形成浮空实像的成像装置的体积，以使成像装置可以运用在更多的场合，且形成的浮空实像具有较大视场、大孔径、高解像、无畸变、无色散的特性，提高成像质量。

在一些实施例中，所述自由曲面透镜的远离所述显示器的一侧表面呈朝向所述平板透镜凸出的曲面。

在一些实施例中，所述曲面的曲率由所述自由曲面透镜的中心向边沿方向逐渐增大。

在一些实施例中，所述自由曲面透镜的远离所述平板透镜的一侧与所述显示器平行。

在一些实施例中，所述显示器与所述平板透镜之间的最大间距为L1，所述浮空实像与所述平板透镜之间的最大距离为L，所述L1、L满足：L1＜L。

在一些实施例中，所述自由曲面透镜为菲涅尔透镜。

在一些实施例中，所述自由曲面透镜的远离所述显示器的一侧表面具有多个凹槽，至少两个所述凹槽的曲率不同。

在一些实施例中，所述的成像装置还包括：主控单元模块、交互传感模块、语音模块，所述主控单元模块与所述显示器连接，所述交互传感模块用于检测用户在所述浮空实像处的操作，所述交互传感模块与所述主控单元模块连接，所述语音模块用于接收用户的语音，所述语音模块与所述主控单元模块电连接。

在一些实施例中，所述平板透镜包括：两个透明基板和光波导阵列，所述光波导阵列包括多个反射单元，且多个所述反射单元以阵列的方式排布，所述光波导阵列设置于两个所述透明基板之间。

在一些实施例中，所述光波导阵列为两组且均由45°斜向布置的单列多排且横截面为矩形的反射单元组成，两组所述光波导阵列的相互对应部分的波导方向相互垂直。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的成像装置的原理示意图。

图2是根据本实用新型实施例的菲涅尔透镜的示意图。

图3是根据本实用新型实施例的平板透镜形成浮空实像的原理示意图。

图4是根据本实用新型实施例的平板透镜的示意图。

图5是图4中P部分的放大示意图。

图6是根据本实用新型实施例的平板透镜的立体拆分示意图。

图7是根据本实用新型实施例的光波导阵列的示意图。

图8是根据本实用新型实施例的光波导阵列的部分示意图。

图9是根据本实用新型实施例的单个光波导阵列的示意图。

图10是根据本实用新型实施例的光波导阵列内部的光路示意图。

图11是根据本实用新型实施例的成像装置的控制原理示意图。

附图标记：

1、显示器；

2、平板透镜；201、第一透明基板；202、第一光波导阵列；203、第二光波导阵列；204、第二透明基板；205、光敏胶；206、反射膜；

3、浮空实像；

4、自由曲面透镜；401、第一表面；402、第二表面；

5、虚像显示器件；

6、人机交互系统；601、主控单元模块；602、交互传感模块；603、语音模块；7、电源模块。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面参考图1-图11描述根据本实用新型实施例的成像装置，包括：平板透镜2、显示器1、至少一个自由曲面透镜4。

具体而言，如图1和图3所示，平板透镜2的厚度方向的两侧分别为第一侧和第二侧，显示器1设于第一侧，自由曲面透镜4设于平板透镜2和显示器1之间，显示器1发出的光线适于经自由曲面透镜4和平板透镜2在第二侧形成浮空实像3。显示器1与自由曲面透镜4的位置可以根据浮空实像3的成像位置进行合理的选择，这里以显示器1水平放置为例进行说明。自由曲面透镜4位于显示器1与平板透镜2之间，显示器1发出的光线经过自由曲面透镜4并穿过自由曲面透镜4射入平板透镜2中，入设的光线在平板透镜2的第二侧汇集形成浮空实像3，形成的浮空实像3与显示器1显示的内容保持一致。自由曲面透镜4为通过非对称复杂光学设计表面加工的技术，且自由曲面透镜4由于具有较高的自由度，可以有效改善视场实现视场的增大，具有更佳的光学性能和更高的精度。也即自由曲面透镜4的表面的曲率可以通过特定的要求进行个性化设计，不同的显示器1根据其发出光线和所要形成的浮空实像3的特点设计相应的自由曲面透镜4，以使穿过自由曲面透镜4的光线精度更高。

显示器1可以是二维显示器1，也可以是三维显示器1，其中，二维显示器1可以是利用CRT显示技术、LCD显示技术、LED显示技术、OLED显示技术、QLED显示技术、PDP显示技术、Micro LED显示技术、Mini LED显示技术、DLP显示技术等实现二维显示。三维显示器1可以是利用全息三维显示技术、体三维显示技术、光场三维显示技术等实现真正意义上的三维显示，也可以是利用人眼双目视差原理的三维显示，还可以是基于二维显示器1的计算机图形学模拟产生的三维显示。

根据本实用新型实施例的成像装置，通过在成像装置内设置自由曲面透镜4，可以增加自由曲面透镜4对显示器1发出的光线的折射，且通过自由曲面的设置可以优化显示器1或者浮空实像3的成像位置，减小形成浮空实像3的成像装置的体积，以使成像装置可以运用在更多的场合，且形成的浮空实像3具有较大视场、大孔径、高解像、无畸变、无色散的特性，提高成像质量。

在一些实施例中，如图1和图2所示，自由曲面透镜4的远离显示器1的一侧表面呈朝向平板透镜2凸出的曲面。也即自由曲面透镜4设于平板透镜2与显示器1之间时，自由曲面透镜4远离显示器1的一侧形成为曲面，从显示器1发出的光线进入自由曲面透镜4后在曲面处射出自由曲面透镜4，曲面上各处具有不同的曲率，例如，曲面的曲率由自由曲面透镜4的中心向边沿方向逐渐增大。光线在射出自由曲面透镜4时，曲率较大的曲面处射出的光线偏移的角度越大，也即从自由曲面透镜4射出的光线进入平板透镜2时，进入平板透镜2的光线越靠近平板透镜2的中心其与垂直平板透镜2的中心线的夹角越大，也即显示器1上汇集的光线在经过自由曲面透镜4后变得发散后进入平板透镜2，经平板透镜2内部的多次反射后在平板透镜2的另一侧汇集形成浮空实像3。由此，自由曲面透镜4具有朝向平板透镜2凸起的曲面，以便于经过曲面的光线得到发散，便于增加视场，以通过曲面上不同曲率的设计以使曲面的不同位置对光线具有不同的折射能力，实现对光线的不同折射，以能够在平板透镜2的第二侧形成较为清晰的浮空实像3。

可选地，结合图1，自由曲面透镜4具有第一表面401和第二表面402，至少第一表面401形成为曲面，第一表面401和第二表面402具有不同程度的折射，经自由曲面透镜4折射的光线为光线1、光线2和光线3，且光线1、光线2以及光线3的反向延长线汇聚至虚像显示器1，显示器1发出的光线经自由曲面透镜4和平板透镜2所成的浮空实像3等效于虚像显示器1直接经平板透镜2成像至浮空实像3，此时，浮空实像3与虚像显示器1关于平板透镜2对称，也即增加自由曲面透镜4后成像装置的体积较小。平板透镜2为等效负折射率平板透镜2。

在一些实施例中，如图1所示，自由曲面透镜4的远离平板透镜2的一侧与显示器1平行。也即自由曲面透镜4的第二表面402为平面，第二表面402与显示器1平行，减小自由曲面透镜4与显示器1之间的间距，改善显示器1形成浮空实像3时显示器1与平板透镜2之间的距离，便于减小成像装置的体积，相对于现有技术中显示器1经平板透镜2形成浮空实像3来说，本实施例中至少减小了成像装置在平板透镜2厚度方向的尺寸，以使显示器1与平板透镜2的紧凑性更高，且便于光线进入自由曲面透镜4。

可选地，如图2所示，自由曲面透镜4为菲涅尔透镜。菲涅尔透镜具有较薄的厚度，在设于显示器1和平板透镜2之间时可以进一步减小显示器1与平板透镜2之间的距离，有利于成像装置的小型化设计和集成化设计。同时，由于菲涅尔透镜只保留曲面的部分，可以节约制造自由曲面透镜4的材料，降低成像装置的成本。

在一些实施例中，如图1所示，显示器1与平板透镜2之间的最大间距为L₁，浮空实像3与平板透镜2之间的最大距离为L，L₁、L满足：L₁＜L。也即当设置自由曲面透镜4，且显示器1发出的光线经自由曲面透镜4的折射后进入平板透镜2时，显示器1可以尽可能的靠近平板透镜2的设置，自由曲面透镜4可以通过增加视场的方式增加光线入射平板透镜2的面积，避免光线不能全部进入导致形成的浮空实像3残缺的现象发生。由此，在设置自由曲面透镜4的成像装置中，限定显示器1与平板透镜2和浮空实像3与平板透镜2之间的距离，通过减小显示器1与平板透镜2之间的距离，显示器1可以相对靠近平板透镜2设置，在不改变浮空实像3成像位置的同时，减小显示器1与平板透镜2之间的距离，可以有效减小成像装置的体积，且能够保证浮空实像3的成像质量。

进一步地，如图2所示，自由曲面透镜4的远离显示器1的一侧表面具有多个凹槽，至少两个凹槽的曲率不同。例如，自由曲面透镜4上形成的多个凹槽均具有不同的曲率，每个凹槽可以看做一个独立的自由曲面透镜4，在经过不同的面入射的光线在到达凹槽时，每个凹槽可以根据其不同的曲率将光线调整呈聚光或者散光，以使形成的浮空实像3能够根据特定的设计形成，且可以有效消除部分球形像差给形成浮空实像3带去的影响。由此，多个凹槽的设计可以满足不同的成像设计，减小成像装置的体积。

在一些实施例中，如图11所示，成像装置还包括：主控单元模块601、交互传感模块602、语音模块603，主控单元模块601与显示器1连接，交互传感模块602用于检测用户在浮空实像3处的操作，交互传感模块602与主控单元模块601连接，语音模块603用于接收用户的语音，语音模块603与主控单元模块601电连接。也即主控单元模块601主要用于实现人机交互与外部装置之间的信息传输，交互传感模块602与主控单元模块601通过有线或无线的方式连接，主要用于捕捉用户在浮空实像3所处的区域内的手势动作或者触碰位置，将捕捉到的信号传输给主控单元模块601，主控单元模块601对信号做进一步处理后传输给显示器1，以此实现人机交互。交互传感模块602的感应形式包括但不限于远近红外、超声波、激光干涉、光栅、编码器、光纤式或CCD(电荷耦合器件)等。

另外，交互传感模块602的感应区域与浮空实像3位于同一平面，而且包含浮空实像3所处的三维空间，可以根据安装空间、观看角度和使用环境选择最佳的感应形式，从而方便用户以最佳的姿态对浮空实像3进行操作，提高用户操作的灵敏度和便捷性。语音模块603与主控单元模块601也可以通过有线或无线的方式连接，语音模块603可以对用户所发出的语音指令进行识别，然后将将捕捉到的信号传输给主控单元模块601，主控单元模块601对信号做进一步处理后传输给显示器1，以此实现人机交互。当然，成像装置还包括电源模块7，电源模块7与交互传感模块602、语音模块603、主控单元模块601和显示器1相连接，主要用于对上述模块和装置供电。

在一些实施例中，结合图4-图9，平板透镜2包括：两个透明基板和光波导阵列，光波导阵列包括多个反射单元，且多个反射单元以阵列的方式排布，光波导阵列设置于两个透明基板之间。两个透明基板包括第一透明基板201和第二透明基板204，第一透明基板201和第二透明基板204分别设于光波导阵列的两侧主要用于保护光波导阵列，需要说明的是，如果光波导阵列强度足够，或安装的环境有厚度限制，则也可以只配置一个透明基板或完全不配置透明基板。光波导阵列可以使得显示器1发出的光线在其内部经过一次或者多次的反射，最终形成浮空实像3，采用光波导阵列的方式可以有效去除杂光，可以使得显示图像真实且清晰度高。

在一些实施例中，如图6和图7所示，光波导阵列为两组且均由45°斜向布置的单列多排且横截面为矩形的反射单元组成，两组光波导阵列的相互对应部分的波导方向相互垂直。

光波导阵列为两组，两组光波导阵列包括第一光波导阵列202和第二光波导阵列203，第一光波导阵列202和第二光波导阵列203在透明基板的厚度方向上相互对应部分的波导方向垂直。如此设置的两组光波导阵列可以降低反射单元的制作难度，而且两组光波导阵列相互对应部分的波导方向相互垂直，可以使垂直两个方向的光束聚于一点，产生等效负折射现象得到浮空实像3，实现空中无介质交互，提升用户体验感。需要注意的是，两组反射单元之间只是45°斜向布置，而且相互垂直，其具体结构没有任何区别。

可选地，光波导阵列为一组，而且一组光波导阵列包括多排多列，并且呈45°斜向布置的矩形反射单元。在保证平板透镜2第一侧和第二侧的光线关于平板透镜2对称的前提下产生等效负折射现象，得到浮空实像3，实现空中无介质交互，提升用户体验感的同时，如此设置的光波导阵列结构也更加简单。

如图7-图9所示，核心成像元件为两组相互垂直的单排多列等效负折射率的光波导阵列，其可实现显示器1上的图像和浮空实像3上点对点的无像差成像。具体成像原理如下：对两组光波导阵列进行拆分，单层光波导阵列中显示器1件上的单点光线经单侧平板透镜2后，被各排反射单元分割进行镜像调制，然后重新汇聚在与反射单元长边平行的一条直线上，形成点对线一维成像效果。

如图10所示，为了实现两个方向均交于一点，需要两组光波导阵列联合使用，使两光波导阵列排布方向相互垂直，可对目标原像也即显示器1上的图像进行点对点调制，因此任意方向的光线经过此相互垂直的双层光波导阵列均可实现在光波导阵列对称位置处重新汇聚成浮空实像3，浮空实像3的成像距离与到原像距离相同，为等距离成像，而且浮空实像3的位置在空中，不需要任何介质载体，可直接把浮空实像3呈现在空中。结合图1，在显示器1与平板透镜2之间设置自由曲面透镜4，通过自由曲面透镜4的设置缩短显示器1发出的光线进入平板透镜2内的路径和改变显示器1设置的位置，以使显示器1的设置位置可以根据成像装置的空间进行设计，减小对成像装置内部空间的占用。且能够保证平板透镜2第一侧的入射光线和第二侧的出射光线能够关于平板透镜2一一对应，以使浮空实像3形成的图像与显示器1显示的图像保持一致。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。在本实用新型的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。在本实用新型的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种成像装置，其特征在于，包括：

平板透镜，所述平板透镜的厚度方向的两侧分别为第一侧和第二侧；

显示器，所述显示器设于所述第一侧；

至少一个自由曲面透镜，所述自由曲面透镜设于所述平板透镜和所述显示器之间，所述显示器发出的光线适于经所述自由曲面透镜和所述平板透镜在所述第二侧形成浮空实像。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述自由曲面透镜的远离所述显示器的一侧表面呈朝向所述平板透镜凸出的曲面。

3.根据权利要求2所述的成像装置，其特征在于，所述曲面的曲率由所述自由曲面透镜的中心向边沿方向逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述自由曲面透镜的远离所述平板透镜的一侧与所述显示器平行。

5.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述显示器与所述平板透镜之间的最大间距为L₁，所述浮空实像与所述平板透镜之间的最大距离为L，所述L₁、L满足：L₁＜L。

6.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述自由曲面透镜为菲涅尔透镜。

7.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述自由曲面透镜的远离所述显示器的一侧表面具有多个凹槽，至少两个所述凹槽的曲率不同。

8.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，还包括：

主控单元模块，所述主控单元模块与所述显示器连接；

交互传感模块，所述交互传感模块用于检测用户在所述浮空实像处的操作，所述交互传感模块与所述主控单元模块连接；

语音模块，所述语音模块用于接收用户的语音，所述语音模块与所述主控单元模块电连接。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的成像装置，其特征在于，所述平板透镜包括：两个透明基板和光波导阵列，所述光波导阵列包括多个反射单元，且多个所述反射单元以阵列的方式排布，所述光波导阵列设置于两个所述透明基板之间。

10.根据权利要求9所述的成像装置，其特征在于，所述光波导阵列为两组且均由45°斜向布置的单列多排且横截面为矩形的反射单元组成，两组所述光波导阵列的相互对应部分的波导方向相互垂直。

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