TWM585357U - 實現空中懸浮顯示的光學系統 - Google Patents

Abstract

本新型創作提供了一種實現空中懸浮顯示的光學系統，該光學系統包括四部分：一部分是顯示源，一部分是第一菲涅爾透鏡組，一部分是平面反射鏡，另一部分是第二菲涅爾透鏡組；其中每個菲涅爾透鏡組都是由兩片菲涅爾透鏡組成。所述顯示源發出光線經過第一菲涅爾透鏡組的折射調製後入射在平面反射鏡上，經過平面反射鏡的反射後入射在第二菲涅爾透鏡組，經過第二菲涅爾透鏡組的折射調製後，將顯示源發出的各個方向的光線會聚在空中，人眼通過此光學系統就能感知在空中形成的懸浮像。該空中懸浮顯示系統能夠實現高清晰度無畸變的空中懸浮顯示。

Description

實現空中懸浮顯示的光學系統

本新型創作是有關於一種光學系統，且特別是有關於一種實現空中懸浮顯示的光學系統。

長久以來，為了更加逼真地還原真實世界，人們不斷的探索新的顯示技術，並把這些顯示技術應用在生活娛樂、展覽展示、廣告傳媒、醫療教育、軍事之魂等各個領域。繼靜態圖片顯示、黑白動態顯示、彩色動態顯示之後，空中懸浮投影顯示技術普遍被認為是下一代顯示的發展方向。空中懸浮顯示技術能夠將真實物體或虛擬影像直接投射在空氣中，觀看者可以用手直接穿過懸浮在空中的三維圖像，為觀看者帶來強烈的視覺衝擊和亦真亦假的感官體驗。

申請公佈號為CN107390378A的專利提出了一種空中成像系統及空中成像方法。該系統通過顯示器發出的光線部分垂直透過半透半反射鏡片，通過光學組件對光線進行聚焦，然後通過逆反射層射向半反半透鏡片後，部分光線經過全反射開口進行成像。這種系統由於逆反射結構會導致較為嚴重的雜散光，導致圖像十分模糊，而且半反半透鏡對光線的利用率低，導致成像亮度低。

申請公佈號為CN107703726A的專利提出了一種方法來實現空中成像。該系統的光學組件部分包括三個豎直設置的聚焦透鏡，且第一聚焦透鏡波紋面朝向全反射鏡，第二聚焦透鏡和第三聚焦透鏡的各自波紋面相對設置，顯示源發出的光線需要先經過反射鏡後再經過聚焦透鏡成像。該方案雖然能夠實現空中成像的效果，但是由於像差的原因，人眼看到的懸浮圖像的畸變會很嚴重，這極大地惡化了顯示效果。

本新型創作提供一種實現空中懸浮顯示的光學系統，其特徵在於，包括：顯示源、第一菲涅爾透鏡組、平面反射鏡，以及第二菲涅爾透鏡組。其中第一菲涅爾透鏡組是由兩片菲涅爾透鏡組成，第二菲涅爾透鏡組是由兩片菲涅爾透鏡組成。四片菲涅爾透鏡的口徑、焦距、面型都完全一致，且四片菲涅爾透鏡的口徑為D、焦距為f，滿足關係：f≥1.3D，四片菲涅爾透鏡的面型都是非球面。顯示源發出光線經過第一菲涅爾透鏡組的折射調製後入射在平面反射鏡上，經過平面反射鏡的反射後入射在第二菲涅爾透鏡組，經過第二菲涅爾透鏡組的折射調製後，將顯示源發出的各個方向的光線會聚在空中，人眼通過此光學系統就能感知在空中形成的懸浮像。

在本新型創作的一實施例中，上述的光學系統，其特徵在於：其中第一菲涅爾透鏡組中的兩片菲涅爾透鏡的齒面都面向平面反射鏡且中心對齊且互相平行。第二菲涅爾透鏡組中的兩片菲涅爾透鏡的齒面都背離平面反射鏡且中心對齊且互相平行。第一菲涅爾透鏡組的中心光軸與第二菲涅爾透鏡組的中心光軸會聚在平面反射鏡上的同一點。

在本新型創作的一實施例中，上述的光學系統，其特徵在於：其中四片菲涅爾透鏡的面型都是只消除球差的非球面面型，當入射光為平行光時，能夠在像面會聚為一點，其作用是使人眼中觀看到的懸浮圖像沒有變形。

在本新型創作的一實施例中，上述的光學系統，其特徵在於：其中平面反射鏡與水平方向的夾角為θ，且取值範圍為48º＜θ＜60º。

在本新型創作的一實施例中，上述的光學系統，其特徵在於：其中顯示源與第一菲涅爾透鏡組中心對齊且互相平行。顯示源與第一菲涅爾透鏡組之間距離為d ₁，且滿足：0.7f＞d ₁＞0.3f。

在本新型創作的一實施例中，上述的光學系統，其特徵在於：其中第一菲涅爾透鏡組到平面反射鏡之間的距離為d ₂，平面反射鏡到第二菲涅爾透鏡組之間的距離為d ₃，滿足：1.4f＞d2+d3＞0.6f。

在本新型創作的一實施例中，上述的光學系統，其特徵在於：其中四片菲涅爾透鏡為利用熱壓工藝或者UV固化工藝製作而成，其材料為PMMA或UV膠。

基於上述，本新型創作針對現有空中成像方案的不足，基於設計的光學結構提出了一種高清晰度無畸變的空中懸浮顯示系統。具體實施方法如下。

本新型創作提供了一種實現空中懸浮顯示的光學系統，該光學系統包括四部分：一部分是顯示源，一部分是第一菲涅爾透鏡組，一部分是平面反射鏡，另一部分是第二菲涅爾透鏡組；其中每個菲涅爾透鏡組都是由兩片菲涅爾透鏡組成，圖1中，101為顯示源，102為第一菲涅爾透鏡組，103為反射元件，104為第二菲涅爾透鏡組。所述顯示源101發出光線經過第一菲涅爾透鏡組102的折射調製後入射在平面反射鏡103上，經過平面反射鏡103的反射後入射在第二菲涅爾透鏡組104，經過第二菲涅爾透鏡組104的折射調製後，將顯示源101發出的各個方向的光線會聚在空中，人眼S通過此光學系統就能感知在空中形成的懸浮像。該空中懸浮顯示系統能夠實現高清晰度無畸變的空中懸浮顯示。

圖2以空中懸浮顯示的光學系統結構示意圖為例進行說明，其中101為顯示源，102和104為第一菲涅爾透鏡組和第二菲涅爾透鏡組，103為平面反射鏡。其中第一菲涅爾透鏡組102是由兩片菲涅爾透鏡102-A和102-B組成，第二菲涅爾透鏡組104是由兩片菲涅爾透鏡104-A和104-B組成。所述顯示源101發射的光線首先經過第一菲涅爾透鏡組102，然後通過平面反射鏡103對光線進行反射調製，最後經過第二菲涅爾透鏡組104的出射光線會聚後進入人眼S，觀察者可以真切的感知到圖像或者視頻漂浮在空中，並且可以用手穿過懸浮像。下面將對各光學元件作用及參數進行詳細說明。
顯示源

顯示源101可以是液晶顯示器（LCD顯示器），也可以是等離子顯示器（PDP顯示器），也可以是OLED顯示器，也可以是背投顯示器（DLP背投顯示，LED背投顯示等）等，或其他能夠顯示視覺內容的器件和系統。它用來顯示靜態的、動態的以及任意能夠被顯示或者看到的內容。靜態的內容指顯示的內容不隨時間的變化而改變，它包括但不限於圖片、靜態影像、靜態文本及圖表數據等。動態內容指隨時間的變化而改變的內容，它包括但不限於錄製視頻、實時視頻、變化的圖像、動態的文本及圖表數據等。

需要說明的是顯示源101與第一菲涅爾透鏡組102中心對齊且互相平行；顯示源101與第一菲涅爾透鏡組102之間距離為d ₁，且取值範圍為0.7f＞d ₁＞0.3f。
第一菲涅爾透鏡組和第二菲涅爾透鏡組

第一菲涅爾透鏡組102中兩片菲涅爾透鏡102-A和102-B的齒面都面向平面反射鏡103且中心對齊、互相平行；第二菲涅爾透鏡組104中兩片菲涅爾透鏡104-A和104-B的齒面都背離平面反射鏡103且中心對齊、互相平行；第一菲涅爾透鏡組102與第二菲涅爾透鏡組104中心光軸會聚於平面反射鏡103上的同一點。

需要說明的是第一菲涅爾透鏡組102到平面反射鏡103之間的距離d ₂和平面反射鏡103到第二菲涅爾透鏡組104之間的距離d ₃滿足：1.4f＞d ₂+d ₃＞0.6f。

需要說明的是所述菲涅爾透鏡的面型都是能夠將入射的平行光會聚為一點的非球面面型（只消除球差）。菲涅爾透鏡的非球面面型設計需滿足如下公式：

其中， 是透鏡的矢高， 是曲率， 是徑向口徑， 是圓錐係數， 是非球面係數。下面例舉幾種情況：

當焦距 =260mm時，各參數最優取值如下：

c	k
0.00773	-1.627	-3.01×10 -5	7.38×10 -9	8.17×10 -14

當焦距 =300mm時，各參數最優取值如下：

c	k
0.00675	-1.616	-5.763×10 -7	4.691×10 -9	-3.924×10 -14

當焦距 =400mm時，各參數最優取值如下：

c	k
0.00506	-1.616	-4.322×10 -7	1.979×10 -9	-9.311×10 -15

當焦距 =600mm時，各參數最優取值如下：

c	k
0.00338	-1.616	-2.882×10 -7	5.863×10 -10	-1.226×10 -15

當焦距 =800mm時，各參數最優取值如下：

c	k
0.00253	-1.616	-2.161×10 -7	2.474×10 -10	-2.910×10 -16

當焦距 =1000mm時，各參數最優取值如下：

c	k
0.001	-1.616	-1.729×10 -7	1.267×10 -10	-9.534×10 -17

當焦距 =1300mm時，各參數最優取值如下：

c	k
0.00156	-1.616	-1.33×10 -7	5.765×10 -11	-2.568×10 -17

需要說明的是上述參數只是例舉的幾種情況，實際上只要能夠使得入射的平行光會聚為一點（即消除球差）的非球面參數都是本專利所保護的範圍。

菲涅爾透鏡可以通過UV固化成型工藝製作，所用材料為UV膠，所使用UV膠的折射率沒有限定。還可以用熱壓成型的工藝製作，其材料可以是塑料樹脂材料（如PMMA，PC，COC，POLYCARB等）。此外，可以在菲涅爾透鏡表面鍍各種光學膜來改善元件的光學性能，所述光學膜包括增透減反膜。
平面反射鏡

平面反射鏡103可以是玻璃反射鏡、樹脂反射鏡、光滑的金屬表面等具有反射能力的元件。其與水平方向的夾角為θ，且取值範圍為48º＜θ＜60º。
畸變的改善

本新型創作中，第一菲涅爾透鏡組102中兩片菲涅爾透鏡102-A和102-B的齒面都面向平面反射鏡103，第二菲涅爾透鏡組104中兩片菲涅爾透鏡104-A和104-B的齒面都背離平面反射鏡103，而且每個菲涅爾透鏡的面型都是非球面。如圖3（a）所示，這樣的設計能減小懸浮圖像P1的變形甚至無變形，從而使人眼S看到無畸變的懸浮圖像P2。如圖3（b）所示，現有的利用透鏡或者菲涅爾透鏡的方案會讓觀察者（人眼S）看到具有桶形畸變的懸浮影像P3，這將引起視覺疲勞甚至無法觀察到懸浮的影像，從而降低觀看的視覺感受。
雜散光暈現象的消除

當菲涅爾透鏡F1棱齒的傾斜角比較大的時候，在其齒面會發生如圖4（a）所示的全反射問題，則穿過菲涅爾透鏡F1的光線會出現大量由於光線全反射而帶來的雜散光，從而造成光暈現象，嚴重影響人眼觀看懸浮圖像的視覺體驗。因此本新型創作中提出菲涅爾透鏡的焦距和孔徑的比值需滿足f≥1.3D，可以很大程度地消除在菲涅爾透鏡的邊緣由於光線全反射造成的雜散光和光暈現象，提升懸浮圖像觀看的視覺質量和舒適性。為了最大程度的保證光線能按如圖4（b）所示的方向進行會聚，對菲涅爾透鏡的焦距和孔徑做出限制，使穿過菲涅爾透鏡F2的光線絕大部分會按理想情況進行會聚，雖然邊緣可能存在少部分雜散光的現象，但相比於圖4（a）有了很大程度的提升，其影響可以忽略不計。

綜上所述，本新型創作的技術方案可以充分有效的實現上述新型創作目的，且本新型創作的結構及功能原理都已經在實施例中得到充分的驗證，能達到預期的功效及目的，在不背離本新型創作的原理和實質的前提下，可以對新型創作的實施例做出多種變更或修改。因此，本新型創作包括一切在專利申請範圍中所提到範圍內的所有替換內容，任何在本新型創作申請專利範圍內所作的等效變化，皆屬本案申請的專利範圍之內。

101‧‧‧顯示源
102‧‧‧第一菲涅爾透鏡組
102-A、102-B、104-A、104-B‧‧‧菲涅爾透鏡
103‧‧‧平面反射鏡
104‧‧‧第二菲涅爾透鏡組
D‧‧‧口徑
d ₁、d ₂、d ₃‧‧‧距離
F1、F2‧‧‧菲涅爾透鏡
P1、P2‧‧‧懸浮圖像
P3‧‧‧具有桶形畸變的懸浮影像
S‧‧‧人眼
θ‧‧‧夾角

圖1是依照本新型創作的一實施例的一種空中懸浮顯示的光學系統整體的光路分布圖。
圖2是依照本新型創作的一實施例的一種空中懸浮顯示的光學系統結構示意圖。
圖3（a）是本新型創作的一實施例的一種空中懸浮顯示的光學系統及使人眼看到的懸浮圖像的示意圖。
圖3（b）是現有的技術方案讓觀察者看到的具有桶形畸變的懸浮影像示意圖。
圖4（a）是菲涅爾透鏡傾斜角較大時局部放大的光路示意圖。
圖4（b）是本新型創作的一實施例的菲涅爾透鏡的局部放大的光路示意圖。

Claims (7)

1. 一種實現空中懸浮顯示的光學系統，其特徵在於，包括：顯示源；第一菲涅爾透鏡組；平面反射鏡；以及第二菲涅爾透鏡組；其中所述第一菲涅爾透鏡組是由兩片菲涅爾透鏡組成，所述第二菲涅爾透鏡組是由兩片菲涅爾透鏡組成；所述四片菲涅爾透鏡的口徑、焦距、面型都完全一致，且所述四片菲涅爾透鏡的口徑為D、焦距為f，滿足關係：f1.3D，所述四片菲涅爾透鏡的面型都是非球面；所述顯示源發出光線經過所述第一菲涅爾透鏡組的折射調製後入射在所述平面反射鏡上，經過所述平面反射鏡的反射後入射在所述第二菲涅爾透鏡組，經過所述第二菲涅爾透鏡組的折射調製後，將所述顯示源發出的各個方向的光線會聚在空中，人眼通過此光學系統就能感知在空中形成的懸浮像。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述第一菲涅爾透鏡組中的所述兩片菲涅爾透鏡的齒面都面向所述平面反射鏡且中心對齊且互相平行；所述第二菲涅爾透鏡組中的所述兩片菲涅爾透鏡的齒面都背離所述平面反射鏡且中心對齊且互相平行；所述第一菲涅爾透鏡組的中心光軸與所述第二菲涅爾透鏡組的中心光軸會聚在所述平面反射鏡上的同一點。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光學系統，其中所述四片菲涅爾透鏡的面型都是只消除球差的非球面面型，當入射光為平行光時，能夠在像面會聚為一點，其作用是使人眼中觀看到的懸浮圖像沒有變形。
4. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述平面反射鏡與水平方向的夾角為θ，且取值範圍為48°<θ<60°。
5. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述顯示源與所述第一菲涅爾透鏡組中心對齊且互相平行；所述顯示源與所述第一菲涅爾透鏡組之間距離為d₁，且滿足：0.7f>d₁>0.3f。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述第一菲涅爾透鏡組到所述平面反射鏡之間的距離為d₂，所述平面反射鏡到所述第二菲涅爾透鏡組之間的距離為d₃，滿足：1.4f>d₂+d₃>0.6f。
7. 如申請專利範圍第1項所述的光學系統，其中所述四片菲涅爾透鏡為利用熱壓工藝或者UV固化工藝製作而成，其材料為PMMA或UV膠。