用于悬浮成像的光学系统和方法与流程

1.本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及用于悬浮成像的光学系统和用于悬浮成像的方法。


背景技术：

2.在日常生活、工业生产、科学研究中，悬浮成像是一种新型的显示方式。这种技术的出现，给各个领域的创造性应用带来了很多可能。在广告行业，可以代替传统的广告版，更加吸引人们的眼球。在工业的作业现场，这种悬浮成像的显示方式可以使工人在带着手套的前提下进行各种安全的操作。在车载领域，可以将汽车的各项数据信息呈现到人眼的前方，带来更加安全的驾驶体验。除了这些方面，悬浮成像技术更可以在娱乐，安全，医疗等各个领域带来便利。特别是在新冠疫情期间，隔空的3d指纹或掌纹识别需求越来越大。通过3d悬浮成像方式可对人的指纹或手掌悬停位置进行光场指示。
3.背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种用于悬浮成像的光学系统，包括：光源，配置成发射出发散光束；整形透镜，位于所述光源的光路下游，配置成接收所述光源发出的光束，调整后出射；衍射光学元件，位于所述整形透镜的光路下游，配置成接收所述出射光束，并在空间中的预设位置投射出悬浮的具有特定图案的光场，其中所述衍射光学元件包括微结构面，所述微结构面上设置有一个或多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成将入射光进行调制，以投射出所述具有特定图案的光场。
5.根据本发明的一个方面，所述光源为点光源，所述点光源设置在沿光传播方向远离所述整形透镜焦平面的位置处。
6.根据本发明的一个方面，通过调节所述点光源与所述整形透镜的焦平面的距离，以使得所述光学系统在所述预设位置处投射出所述具有特定图案的光场。
7.根据本发明的一个方面，所述点光源包括半导体激光器、发光二极管中的一种或多种。
8.根据本发明的一个方面，所述整形透镜包括准直镜、菲涅尔透镜中的一种或多种。
9.根据本发明的一个方面，所述衍射光学元件以平行光作为光源、以所述具有特定图案的光场作为目标光场进行设计。
10.根据本发明的一个方面，所述特定图案包括掌纹、指纹中的一种或多种。
11.根据本发明的一个方面，所述特定图案包括立体图、平面图中的一种或多种。
12.根据本发明的一个方面，所述光学系统还包括：
13.光栅单元，位于所述衍射光学元件的光路下游，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置进行复制。
14.根据本发明的一个方面，所述光栅单元包括二维光栅，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置以阵列形式进行扩展。
15.本发明还提供一种悬浮成像的方法，包括：
16.通过光源发射出发散光束；
17.通过整形透镜接收所述光源发出的光束，调整后出射；
18.通过衍射光学元件接收所述出射光束，并在空间中的预设位置投射出具有特定图案的光场，其中所述衍射光学元件包括微结构面，所述微结构面上设置有一个或多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成将入射光进行调制，以投射出所述具有特定图案的光场。
19.根据本发明的一个方面，所述方法进一步包括：
20.通过调节所述光源与所述整形透镜的焦平面的距离，以使得所述光学系统在所述预设位置处投射出所述具有特定图案的光场。
21.根据本发明的一个方面，所述方法进一步包括：
22.通过光栅单元将所述具有特定图案的光场在所述预设位置进行复制。
23.根据本发明的一个方面，所述光栅单元包括二维光栅，所述方法进一步包括：通过所述二维光栅将所述具有特定图案的光场在所述预设位置以阵列形式进行扩展。
24.本发明还提供一种用于悬浮成像的光学系统，包括：
25.光源，配置成发射出发散光束；和
26.衍射光学元件，位于所述光源的光路下游，配置成接收所述光源发出的光束并进行整形，并在空间中的预设位置投射出悬浮的具有特定图案的光场，其中所述衍射光学元件包括微结构面，所述微结构面上设置有一个或多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成将入射光进行整形和调制，以投射出所述具有特定图案的光场。
27.根据本发明的一个方面，所述光学系统还包括：
28.光栅单元，位于所述衍射光学元件的光路下游，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置进行复制。
29.根据本发明的一个方面，所述光栅单元包括二维光栅，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置以阵列形式进行扩展。
30.本发明还提供一种悬浮成像的方法，包括：
31.通过光源发射出发散光束；
32.通过衍射光学元件接收所述出射光束，进行整形调制，并在空间中的预设位置投射出具有特定图案的光场，其中所述衍射光学元件包括微结构面，所述微结构面上设置有一个或多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成将入射光进行整形和调制，以投射出所述具有特定图案的光场。
33.根据本发明的一个方面，所述方法进一步包括：
34.通过二维光栅将所述具有特定图案的光场在所述预设位置以阵列形式进行扩展。本发明的实施例提出了一种空中悬浮成像的实现方案。通过对准直光设计的衍射光学元件(doe)利用发散光光源进行照明的方式，来实现在空中特定位置成悬浮实像。基于准直光设计的衍射光学元件会将像成在无穷远处，在衍射光学元件之前加入发散光光源(ld或者单色led)及准直透镜(或菲涅尔透镜)后，根据几何光学中透镜的物像关系来调节光源到准直
透镜的距离，可实现在空中特定位置处成像。doe的物理尺寸越大，人眼观察悬浮像的可视角范围(fov)也越大。通常，doe的尺寸会受到装置结构的尺寸限制。为了进一步提高悬浮像的可视角范围(fov)，可在doe之后加入光栅，用于悬浮像的阵列拓展，这样人眼可在更大的fov范围内看到悬浮像，视觉效果更佳。
附图说明
35.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
36.图1示出了根据本发明实施例的用于悬浮成像的光学系统；
37.图2示出了图1实施例的光路参数的示意图；
38.图3示出了根据本发明另一个实施例的用于悬浮成像的光学系统；
39.图4示出了根据本发明一个实施例的悬浮成像的方法；和
40.图5示出了根据本发明另一个实施例的用于悬浮成像的光学系统。
具体实施方式
41.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
42.在本发明的描述中，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"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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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。而且，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。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"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小于第二特征。
45.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并
且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
46.以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
47.图1示出了根据本发明第一实施例的用于悬浮成像的光学系统100，下面参考图1详细描述。
48.如图1所示，光学系统100包括光源101、整形透镜102以及衍射光学元件103，其中光源101配置成发射出发散光束b1，如图1所示，发散光束b1具有比较明显的发散角。整形透镜102位于光源101的光路下游，接收所述光源发出的发散光束b1，调整后出射光束b2。所述整形透镜102优选为准直镜(例如凸透镜)或者菲涅尔透镜，用于将来自光源101的发散光束进行汇聚后入射到光路下游的衍射光学元件103上。衍射光学元件103接收来自整形透镜102的出射光束b2，并在空间中的预设位置投射出悬浮的具有特定图案的光场p。在图1的示例中，所述光场具有手掌形状的图案，也可以投射出其他图案，例如掌纹、指纹、箭头、手指等图案，这些都在本发明的保护范围内。
49.所述衍射光学元件103上包括微结构面，微结构面上设置有一个或多个微结构图案单元，用于对入射到其上的光束进行调制，例如对相位进行调制，以投射出具有特定图案的光场。在设计和制造衍射光学元件103时，可以根据入射到衍射光学元件103上的光束的参数(例如平行光或发散光、波长等参数)以及目标光场的参数(例如目标光场的位置、目标光场的图案等)，来计算所述微结构图案单元的相位分布，在获得了微结构图案单元的相位分布之后，即可用于制造衍射光学元件103。根据本发明的一个优选实施例，以平行光作为入射的光场、以所述具有特定图案的光场p作为目标光场来设计所述衍射光学元件103。
50.另外，本发明中，光学系统100投射出的图案不限于二维的平面图案，也可以是三维立体图案，通过对衍射光学元件103的具体设计可以实现不同的投射图案，此处不再赘述。
51.上面描述了根据本发明实施例的光学系统100，其中利用了衍射光学元件103以在空间中的预设位置投射出悬浮的图案。
52.根据本发明的一个实施例，所述光源101例如为点光源，包括但不限于半导体激光器、发光二极管中的一种或多种，所述点光源设置在沿光轴方向远离所述整形透镜102焦平面的位置处，也就是距离所述整形透镜102的距离大于所述整形透镜102的焦距。
53.另外，通过调节所述光源101与所述整形透镜102的焦平面的距离，可以调节光学系统100在所述预设位置处投射出所述具有特定图案的光场，或者调节所述特定图案的大小和/或清晰度。
54.图1的实施例中，根据实际的成像效果可选择激光器或发光二极管作为光源，在选择光源之后，可确定光源101与衍射光学元件103之间的距离s1，该距离s1优选在10cm-15cm之间。通过使用主动光源投射的方式，激光器或发光二极管发射出的光束经过整形透镜102和衍射光学元件103后，例如可以距离衍射光学元件103的距离s2为15cm处形成悬浮的图案。
55.图2示出了图1实施例的光路参数的示意图。如图2所示，光源101位于整形透镜102的焦平面f外，例如位于整形透镜102的光轴上，从光源101发射出的光束经过整形透镜102之后，被汇聚并入射到衍射光学元件103上，并在图像平面i p上投射出特定图案的光场p，图2中以正方形线框(上下边缘分别通过a和b界定)表示通过衍射光学元件103所投射出的悬浮像的范围，悬浮像上的每一个点均通过衍射光学元件103的全部区域贡献而得到。在图中的竖直方向上，衍射光学元件103的尺寸为d，投射出的图案的尺寸为d，衍射光学元件103距离图像平面i p的距离为l1，图像平面i p距离观察者眼部的距离为l2。对于正方形线框所表示的悬浮像，观察者的视场fovθ如图中所示，为通过衍射光学元件103的上下边缘与悬浮像的中心的连线所成的角度。因此d/l1的值越大，观察者的视场fovθ也越大。另外，如图2所示，观察者的眼睛只有在ω区域内，才能观察到完整的单周期指示图像。
56.衍射光学元件103的尺寸d的值越大越好，但人眼要观察到完整的单周期图像，需同时满足以下条件：
57.1.d/d》((l1+l2)/l2)
58.2.要满足fovθ的需求，则d》2*tan(θ/2)
°
*l1。例如要满足fov5
°
的需求，d》2*tan2.5
°
*150mm＝13.1mm
59.d的取值越大，人眼可观察到的指示图像的周期数也会更多，若希望能看到3x3个阵列指示图案，在d不变的情况下，d可扩大3倍
60.根据本发明的一个实施例，d＝40mm，d＝9.5mm。
61.在上述实施例中，需要将衍射光学元件103的尺寸d设置成较大，才能保证人眼能够观察到完整的单周期图像，这同时可能为衍射光学元件103的设计和制造带来一定困难，因为衍射光学元件103尺寸越大，制造越困难。并且衍射光学元件的尺寸会受到装置结构的尺寸限制。
62.针对上述问题，根据本发明的一个优选实施例，还可以为光学系统设置光栅单元，位于所述衍射光学元件的光路下游，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置进行复制，图3示出了这样的一个实施例的光路结构，下面参考图3详细描述。
63.图3示出了根据本发明另一个实施例的光学系统200，其包括光源201、整形透镜202以及衍射光学元件203，分别与图1所示的光学系统100中的光源101、整形透镜102以及衍射光学元件103基本相同，其中光源201配置成发射出发散光束，整形透镜202位于光源201的光路下游，接收所述光源发出的光束，调整后出射。衍射光学元件203接收来自整形透镜202的出射光束，并在空间中的预设位置投射出悬浮的具有特定图案的光场p。如图3所示，光学系统200还包括光栅单元204，光栅单元204位于所述衍射光学元件203的光路下游，配置成将所述具有特定图案的光场进行复制，例如在图像平面i p处进行复制，因此可以投射出重复的多个特定图案。所述光栅单元优选为二维光栅，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置以阵列形式进行扩展，如图3中所示，光栅单元204将图案p扩展为3*3的阵列。
64.在图3的实施例中，衍射光学元件203用于生成图中小方框内的单个图案p(手掌纹，或者其它指示性图案)，可以基于标量gs算法直接进行衍射光学元件203的设计。另外，根据单个图案p的尺寸，可计算出光栅单元204的二维周期，光栅的结构根据目标阵列数(m*n)以及二维周期进行矢量优化设计以实现均匀能量分布，此处不再赘述。加入光栅单元204
后，人眼可在更大的fov内看到图案。
65.基于图3的实施例，使用主动光源投射的方式，光源201例如激光器或发光二极管发出的光束经过整形透镜202和衍射光学元件203及二维阵列光栅204后，可以例如在距离二维阵列光栅204的距离s2为15cm处形成悬浮的周期性阵列指示图案，人眼位于不同视角时可观察到不同周期的指示图案。衍射光学元件203实现在小的区域内成实像，阵列光栅实现图案在实像面上的周期化排布。
66.在上述实施例中，本发明提出了一种空中悬浮成像的实现方案。通过对准直光设计的衍射光学元件(doe)利用发散光光源进行照明的方式，来实现在空中特定位置成悬浮实像。基于准直光设计的衍射光学元件会将像成在无穷远处，在衍射光学元件之前加入发散光光源(ld或者单色led)及准直透镜(或菲涅尔透镜)后，根据几何光学中透镜的物像关系来调节光源到准直透镜的距离，可实现在空中特定位置处成像。doe的物理尺寸越大，人眼观察悬浮像的可视角范围(fov)也越大。通常，doe的尺寸会受到装置结构的尺寸限制。为了进一步提高悬浮像的可视角范围(fov)，可在doe之后加入光栅，用于悬浮像的阵列拓展，这样人眼可在更大的fov范围内看到悬浮像，视觉效果更佳。
67.本发明还涉及一种悬浮成像的方法300，如图4所示，所述方法例如可通过图1-3所示的光学系统100或200来实施。方法300包括：
68.在步骤s301，通过光源发射出发散光束。例如通过图1或图3中所示的光源101或201发射出发散光束。
69.在步骤s302，通过整形透镜接收所述光源发出的光束，调整后出射。整形透镜例如图1或图3中所示的整形透镜102或202。
70.在步骤s303，通过衍射光学元件接收所述出射光束，并在空间中的预设位置投射出具有特定图案的光场。衍射光学元件例如图1或图3中所示的整形透镜103或203。
71.根据本发明的一个优选实施例，所述方法300进一步包括：通过调节所述光源与所述整形透镜的焦平面的距离，以使得所述光学系统在所述预设位置处投射出所述具有特定图案的光场。
72.根据本发明的一个优选实施例，所述方法300进一步包括：通过光栅单元将所述具有特定图案的光场在所述预设位置进行复制。
73.根据本发明的一个优选实施例，所述光栅单元包括二维光栅，所述方法进一步包括：通过所述二维光栅将所述具有特定图案的光场在所述预设位置以阵列形式进行扩展。
74.以上实施例中，光学系统100或200中包括相互分离的整形透镜和衍射光学元件。本发明不限于此，也可以将整形透镜完全地或者部分地集成在衍射光学元件中，图5示出了根据本发明另一个实施例的光学系统400，下面参考图5详细描述。
75.如图5所示，光学系统400包括光源401以及衍射光学元件403，光源401配置成发射出发散光束，衍射光学元件403集成了图2和图3实施例中的整形透镜(102,202)以及衍射光学元件(103,203)的功能。衍射光学元件403位于光源401的光路下游，接收光源401发出的光束并进行整形，并在空间中的预设位置投射出悬浮的具有特定图案的光场(如图5中在i p平面上的手掌形的图案p)，其中所述衍射光学元件包括微结构面，所述微结构面上设置有一个或多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成将入射光进行调制，以对光束进行整形并投射出所述具有特定图案的光场。
76.图5实施例中的衍射光学元件403在功能逻辑上可分为两部分，分别为光束整形和图案投射，这两部分功能的不分先后。
77.在设计衍射光学元件403时，直接给定光源401发出的光束的参数(例如光源位置，发散角度、波长等参数)以及目标光场的参数(例如目标光场的位置、目标光场的图案等)，来计算所述微结构图案单元的相位分布，用于制造衍射光学元件403。因此在本实施例中，衍射光学元件403针对发散光进行设计。
78.类似于图3实施例，在图5的实施例中，光学系统400优选还包括光栅单元404，光栅单元404位于衍射光学元件403的光路下游，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置进行复制。光栅单元404例如可以是二维光栅，配置成将所述具有特定图案的光场在空间中的所述预设位置以阵列形式进行扩展，如图5所示，通过光栅单元，手掌形的图案p在在i p平面上的获得了二维方向的复制扩展。
79.以上重点描述了图5实施例与图1-3的实施例的不同，图1-3的实施例中所描述的其他特征均可自由结合应用到图5实施例的光学系统400中，此处不再赘述。
80.本发明还提供一种悬浮成像的方法，例如通过图5的光学系统400来试试。该方法包括：
81.s501：通过光源发射出发散光束；
82.s502：通过衍射光学元件接收所述出射光束，进行整形调制，并在空间中的预设位置投射出具有特定图案的光场，其中所述衍射光学元件包括微结构面，所述微结构面上设置有一个或多个微结构图案单元，所述微结构图案单元配置成将入射光进行调制，以投射出所述具有特定图案的光场。
83.根据本发明的一个方面，所述方法进一步包括：
84.通过二维光栅将所述具有特定图案的光场在所述预设位置以阵列形式进行扩展。
85.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。