CN219122515U - 一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统，包括图像/视频源、图像/视频发光屏，由多个自聚焦透镜排列而成的自聚焦透镜阵列，所述的图像/视频源通过控制连接线连接图像/视频发光屏，所述图像/视频发光屏上的图像或视频发出的所有光点通过自聚焦透镜阵列汇聚在自聚焦透镜阵列出光端侧的对应的各自像点上，形成空中实像。本实用新型可以通过改变自聚焦透镜阵列中自聚焦透镜的排列方式，在空中投出与物等大、缩小或者放大的像。可以通过改变单个自聚焦透镜的大小与所用自聚焦透镜的数量，来增大透镜阵列的直径，从而增大在空中可视角度，增加三维沉浸感。
Description
技术领域
本实用新型属于空中成像技术领域，尤其涉及一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统。
背景技术
一般的光投影放映系统或投影仪是一种利用光学元件将图像/视频源等放大,并将其投射到屏幕上的设备。一般的投影仪目前广泛应用于家庭、办公室、学校和娱乐场所。根据工作方式不同，有CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管），LCD（Liquid CrystalDisplay，液晶显示屏），DLP（Digital Light Processing，数字光处理器）等不同类型。以上投影仪都需要屏幕来接收图像，不是在空中成像的系统。
近眼显示（near-to-eye display），也称头戴显示或可穿戴显示，可在单眼或双眼视场中创建虚像，近眼显示通过置于人眼非明视距离内的显示设备，向人眼渲染出光场信息，进而在眼前重建虚拟场景的技术。此系统虽然属于空中成像的光投影放映系统，但是这个系统投影在空中的是虚像。观影者需要带特殊的眼镜，才可以看到空中的像，虚像是摸不着的，因此三维沉浸感不好。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统，可以通过改变透镜阵列中透镜的排列方式，在空中投出与物等大、缩小或放大的实像。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统，包括图像/视频源、图像/视频发光屏，由多个自聚焦透镜排列而成的自聚焦透镜阵列，所述的图像/视频源通过控制连接线连接图像/视频发光屏，所述图像/视频发光屏上的图像或视频发出的所有光点通过自聚焦透镜阵列汇聚在自聚焦透镜阵列出光端侧的对应的各自像点上，形成空中实像。
所述的自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的长度满足以下条件：
其中
为自聚焦透镜的聚光周期长度，/>
为自聚焦透镜的长度。
所述的自聚焦透镜阵列中的单个自聚焦透镜为圆柱体或六棱体或四棱体。
具体地，可以采用此种方案：所述的自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜轴线相互平行排列形成平行阵列，且它们的进光端面和出光端面分别在同一平面，此时自聚焦透镜阵列的放大倍数为1，其中图像/视频发光屏与自聚焦透镜阵列的距离和自聚焦透镜阵列与空中成像的距离相等。
具体地，可以采用此种方案：所述的自聚焦透镜阵列中央的自聚焦透镜的轴线与水平面平行，从中央到边缘的自聚焦透镜的轴线与中央的自聚焦透镜的轴线逐渐按一定角度上下左右倾斜放置，形成一个锥台阵列；此时图像/视频发光屏上的图像或视频发出的光进入锥台阵列的小端，从锥台阵列的大端出去，则自聚焦透镜阵列的放大倍数大于1；其中图像/视频发光屏与自聚焦透镜阵列的距离小于自聚焦透镜阵列与空中成像的距离。
具体地，可以采用此种方案：所述的自聚焦透镜阵列中央的自聚焦透镜的轴线与水平面平行，从中央到边缘的自聚焦透镜的轴线与中央的自聚焦透镜的轴线逐渐按一定角度上下左右倾斜放置，形成一个锥台阵列；此时图像/视频发光屏上的图像或视频发出的光进入锥台阵列的大端，从锥台阵列的小端出去，则自聚焦透镜阵列的放大倍数小于1，其中图像/视频发光屏与自聚焦透镜阵列的距离大于自聚焦透镜阵列与空中成像的距离。
所述的锥台阵列或平行阵列可以为多级；前一级的出光端进入后一级的进光端。
本实用新型提出一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统，可以通过改变自聚焦透镜阵列中自聚焦透镜的排列方式，在空中投出与物等大、缩小或者放大的实像。可以通过改变单个自聚焦透镜的大小与所用自聚焦透镜的数量，来增大透镜阵列的直径，从而增大在空中可视角度，本实用新型所成的实像是可以被手摸着的（图像在手上），从而能够增加三维沉浸感。
附图说明
图1是本实用新型的系统原理示意图；
图2是实施例1的成像原理示意图；
图3是实施例1的系统原理示意图；
图4是实施例2的成像原理示意图；
图5是实施例2的系统原理示意图；
图6是实施例3的系统原理示意图；
图7是实施例4的系统原理示意图；
图8是实施例5的系统原理示意图。
具体实施方式
本实用新型提出一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统，如图1所示，包括图像/视频源1、图像/视频发光屏2以及由多个自聚焦透镜排列而成的自聚焦透镜阵列3，所述的图像/视频源1通过控制连接线连接图像/视频发光屏2，所述图像/视频发光屏2上的图像或视频发出的所有光点通过自聚焦透镜阵列3汇聚在自聚焦透镜阵列出光端侧的对应的各自像点上，形成空中实像4。其中图像/视频源1可以采用来自互联网的机顶盒或计算机；图像/视频发光屏2可以采用液晶显示屏或LED阵列显示屏等，是现有技术，本实用新型的创新点主要是在于自聚焦透镜阵列3。
所述的自聚焦透镜又称为梯度渐变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。当光线在从一个折射率的介质传播到另一个的折射率的介质时，由于介质的折射率不同，光线会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面（空气介质与玻璃介质的界面）的曲率，使光线在表面/界面改变方向，使光线聚焦和成像。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦（柱状）透镜材料的折射率是沿径向有接近抛物线形的连续分布（离透镜中心越远，折射率越小）的。光线在自聚焦透镜内部连续改变方向，从而其也具有聚焦和成像功能。当多个自聚焦透镜组成阵列时，在合适的自聚焦透镜参数及排列时，这个阵列有类似单个大透镜的成像特性：可以通过改变自聚焦透镜的排列方式，从而得到在空中的与物等大、放大或者缩小的实像。并且通过增加自聚焦透镜的数量或直径，来增大透镜阵列的直径，从而增大在空中可视角度，增加三维沉浸感。另外，也可以用多级透镜阵列来进一步增加像的放大/缩小倍数。
其中所述的自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的长度满足以下条件：
实施例1：
自聚焦透镜阵列成等大像原理如图2所示。本原理图中，同等长度
、同等性能参数(自聚焦透镜的形状与大小、折射率分布曲线等)的多个自聚焦透镜按轴线互相平行的排列，各自聚焦透镜端面与轴线垂直，各自聚焦透镜端面与轴线垂直呈六边形密接叠放，且它们的进光端面和出光端面分别在同一平面，形成平行阵列。如图3所示，在自聚焦透镜阵列的左边的某个图像的所有物点发出的光点，经过所有的单个自聚焦透镜，这些光都汇聚在右边的对应的各自像点上。而且物距与像距相等，成放大倍率为1的正立综合实图像。
除此之外，通过增加自聚焦透镜的数量可以增大自聚焦透镜阵列的整体直径，增加单个自聚焦透镜的直径也可以增大自聚焦透镜阵列的整体直径，而增大自聚焦透镜阵列的整体直径能够增大在空中可视角度，增加三维沉浸感。
所述的平行阵列也可以多级阵列，比如第二级平行阵列可以用来修正部分图像（位置相关）的畸变。
实施例2：
呈锥台阵列的自聚焦透镜阵列成放大综合像的原理如图4所示。本原理图中所有的自聚焦透镜具有同等长度、同等性能参数。所述的自聚焦透镜阵列中央的自聚焦透镜水平放置，从中央到边缘的自聚焦透镜上下前后按一定角度倾斜设置。本实施例中是从中央到边缘的自聚焦透镜上下对称、前后对称、呈六边形逐渐按一定角度倾斜放置，形成一个立体上是锥台的阵列。若各发光点的放大倍数要求不一致的话，或为了补偿各自聚焦透镜的不一致性，上述的从中央到边缘的自聚焦透镜上下前后可以不对称设置。如图5所示，在自聚焦透镜阵列的左边的的某个图像的所有物点发出的光点，进入锥台阵列的小端，经过所有的单个自聚焦透镜，从锥台阵列的大端出去，这些光点都汇聚在右边的对应的各自像点上。这时，其像点离自聚焦透镜的距离大于物点离自聚焦透镜的距离，也即，其像距大于物距。锥台阵列的自聚焦透镜阵列能成放大的正立的综合实像。
除此之外，通过增加自聚焦透镜的数量可以增大自聚焦透镜阵列的整体直径，增加单个自聚焦透镜的直径也可以增大自聚焦透镜阵列的整体直径，而增大自聚焦透镜阵列的整体直径能够增大在空中可视角度，增加三维沉浸感。
实施例3：
与实施例2不同的是：本实用新型也可以用多级透镜阵列来进一步增加成像的放大倍数，增加可视角度。如图6所示，所述的锥台阵列为第一级锥台阵列（实施例2中的锥台阵列）和第二级锥台阵列（实施例2中的锥台阵列），第一级锥台阵列的出光端进入第二级锥台阵列的进光端。第二级锥台阵列与第一级锥台阵列的排列方式一样，第二级锥台阵列的直径可以与第一级相同或者更大，从而增大在空中可视角度。此系统的放大倍数是第一级锥台阵列的放大倍数和第二级锥台阵列放大倍数的乘积。物经过两级（或多级）锥台阵列能在空气中形成一个更加放大的实像，增加了三维沉浸感。
第一级和第二级锥台阵列也可以是性能参数（自聚焦透镜的形状与大小、长度
，折射率分布曲线等)不一样的单元自聚焦透镜，可以根据放大倍数来选择需要选用的自聚焦透镜。
除上述外，根据放大倍数的需要还可以设置多级锥台阵列，从而实现不同放大倍数的成像。
实施例4：
本实施例实现的是通过自聚焦透镜阵列实现缩小成像的功能。自聚焦透镜阵列实现缩小成像的原理同实施例2中实现放大的自聚焦透镜阵列原理一样（图4），只是物在锥台阵列的直径大的一侧，像在锥台阵列的直径小的一侧。
本实施例中所有的自聚焦透镜具有同等长度、同等性能参数。所述的自聚焦透镜阵列中央的自聚焦透镜水平放置，从中央到边缘的自聚焦透镜上下对称、前后对称、呈六边形逐渐按一定角度倾斜放置，形成一个锥台阵列。如图7所示，在自聚焦透镜阵列的左边的某个图像的所有物点发出的光点，进入锥台阵列的大端，经过所有的单个自聚焦透镜，从锥台阵列的小端出去，这些光点都汇聚在右边的的对应的各自像点上。这时，其像点离自聚焦透镜的距离小于物点离自聚焦透镜的距离，也即，其像距小于物距。锥台阵列的自聚焦透镜阵列能成缩小的正立的综合实像。
除上述外，通过减少自聚焦透镜的数量可以减小透镜阵列的整体直径，减小每个自聚焦透镜的直径也可以减小透镜阵列的整体直径，而减小透镜阵列的直径能够减小在空中可视角度，增加三维放映的图像分辨率，即单位面积里有更多的像点，像点更密集。
实施例5：
与实施例4不同的是：本实用新型也可以用多级透镜阵列来进一步减小成像的缩小倍数，进一步增加三维放映的图像分辨率。如图8所示，所述的锥台阵列为第一级锥台阵列（实施例4中的锥台阵列）和第二级锥台阵列（实施例4中的锥台阵列），第一级锥台阵列的出光端进入第二级锥台阵列的进光端。第二级锥台阵列与第一级锥台阵列的排列方式一样，第二级锥台阵列的直径可以与第一级相同或者更小。那么此系统的缩小倍数是第一级锥台阵列的缩小倍数和第二级锥台阵列缩小倍数的乘积。物经过两级（或多级）自聚焦透镜阵列能在空气中形成一个更加缩小的像，进一步增加了三维放映的图像分辨率，即单位面积里有更多的像点，像点更密集。
第一级和第二级锥台阵列也可以是性能参数（自聚焦透镜的形状与大小、长度
，折射率分布曲线等)不一样的单元自聚焦透镜。可以根据缩小倍数来选择需要选用的自聚焦透镜。
除上述外，根据缩小倍数的需要还可以设置多级锥台阵列，从而实现不同缩小倍数的成像。
本实用新型所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，可以通过改变自聚焦透镜阵列中自聚焦透镜的排列方式，在空中投出与物等大、缩小或者放大的像。其中上述实施例中自聚焦透镜阵列的端面均是六边形，具体实施的时候并不局限其形状，还可以是正方形、长方形、圆形等，只要是能够成像的形状都可以。
Claims (9)
1.一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：包括图像/视频源、图像/视频发光屏，由多个自聚焦透镜排列而成的自聚焦透镜阵列，所述的图像/视频源通过控制连接线连接图像/视频发光屏，所述图像/视频发光屏上的图像或视频发出的所有光点通过自聚焦透镜阵列汇聚在自聚焦透镜阵列出光端侧的对应的各自像点上，形成空中实像。
2.根据权利要求1所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的长度满足以下条件：
其中
为自聚焦透镜的聚光周期长度，/>
为自聚焦透镜的长度。
3.根据权利要求1所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的自聚焦透镜阵列中的单个自聚焦透镜为圆柱体或六棱体或四棱体。
4.根据权利要求1或2或3所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜轴线相互平行排列形成平行阵列，且它们的进光端面和出光端面分别在同一平面，此时自聚焦透镜阵列的放大倍数为1，其中图像/视频发光屏与自聚焦透镜阵列的距离和自聚焦透镜阵列与空中成像的距离相等。
5.根据权利要求1或2或3所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的自聚焦透镜阵列中央的自聚焦透镜的轴线与水平面平行，从中央到边缘的自聚焦透镜的轴线与中央的自聚焦透镜的轴线逐渐按一定角度上下左右倾斜放置，形成一个锥台阵列；此时图像/视频发光屏上的图像或视频发出的光进入锥台阵列的小端，从锥台阵列的大端出去，则自聚焦透镜阵列的放大倍数大于1；其中图像/视频发光屏与自聚焦透镜阵列的距离小于自聚焦透镜阵列与空中成像的距离。
6.根据权利要求1或2或3所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的自聚焦透镜阵列中央的自聚焦透镜的轴线与水平面平行，从中央到边缘的自聚焦透镜的轴线与中央的自聚焦透镜的轴线逐渐按一定角度上下左右倾斜放置，形成一个锥台阵列；此时图像/视频发光屏上的图像或视频发出的光进入锥台阵列的大端，从锥台阵列的小端出去，则自聚焦透镜阵列的放大倍数小于1，其中图像/视频发光屏与自聚焦透镜阵列的距离大于自聚焦透镜阵列与空中成像的距离。
7.根据权利要求4所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的平行阵列为多级；前一级的出光端进入后一级的进光端。
8.根据权利要求5所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的锥台阵列为多级；前一级的出光端进入后一级的进光端。
9.根据权利要求6所述的利用透镜阵列的空中光投影放映系统，其特征在于：所述的锥台阵列为多级；前一级的出光端进入后一级的进光端。
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Family
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| CN202320114005.1U Active CN219122515U (zh) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | 一种利用透镜阵列的空中光投影放映系统 |
Country Status (1)
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| GR01 | Patent grant |