一种空中悬浮显示模组及其系统的制作方法

1.本发明涉及光学显示技术领域，特别涉及一种空中悬浮显示模组及其系统。


背景技术：

2.空中悬浮显示，又称空气成像/空中成像，是一种将影像投映至几乎看不见的空气墙中，使观看者看到的漂浮在空气中的影像或影片的技术。空中悬浮显示作为一种新型显示方式，为生活娱乐等各领域的创造性应用带来更多的可能。如在商业活动中，悬浮显示可以代替传统的实体广告版，促进产品推广及商业宣传。现有技术中的空中悬浮显示模组存在着所显示的悬浮显示像模糊，清晰度不高的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种空中悬浮显示模组及其系统，旨在解决现有技术中的空中悬浮显示模组存在着所显示的悬浮显示像模糊，清晰度不高的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明提出一种空中悬浮显示模组，包括显示元件，所述显示元件用于发射线性偏振光；偏振反射元件，所述偏振反射元件位于x轴方向上，所述显示元件倾斜设置于所述偏振反射元件的下方，所述显示元件与所述偏振反射元件之间形成预设夹角α；逆向反射元件，所述逆向反射元件位于所述预设夹角α的延伸区域内，所述逆向反射元件朝向所述预设夹角α的一侧为曲面；其中，所述偏振反射元件用于接收所述显示元件射出的线性偏振光并将线性偏振光反射至所述逆向反射元件上，一部分所述偏振反射元件所反射的线性偏振光被所述逆向反射元件接收并改变线性偏振光的偏振方向，然后将偏振方向改变的线性偏振光按原路反射，使得偏振方向改变的线性偏振光透过所述偏振反射元件射出，并在所述偏振反射元件的远离所述逆向反射元件的一侧聚焦形成悬浮显示像；另一部分所述偏振反射元件所反射的线性偏振光被曲面的所述逆向反射元件镜面反射，镜面反射的线性偏振光透过所述偏振反射元件射出，其中，镜面反射后的线性偏振光的射出方向偏离所述悬浮显示像的视窗方向。
5.优选地，所述偏振反射元件包括反射式偏光膜，所述反射式偏光膜的偏光轴方向与所述线性偏振光的偏振方向垂直；所述反射式偏光膜用于接收所述显示元件射出的线性偏振光并将线性偏振光反射至所述逆向反射元件上。
6.优选地，所述逆向反射元件包括四分之一相位延迟膜，以及位于所述四分之一相位延迟膜的远离所述预设夹角α的一侧的逆反射膜；所述四分之一相位延迟膜用于将所述反射式偏光膜所反射的线性偏振光接收并改变线性偏振光的偏振方向；所述逆反射膜用于将偏振方向改变的线性偏振光按原路反射。
7.优选地，所述逆反射膜为高回归性逆反射膜，所述高回归性逆反射膜上设有微三角锥棱镜阵列层。
8.优选地，定义所述逆向反射元件的曲面上任意一点的法线和z轴之间的夹角为θ3，定义所述视窗方向和z轴之间的夹角为θa；其中，以z轴为参考轴，所述法线以及所述视窗方
向向z轴旋转时所对应的旋转角度，顺时针为负逆时针为正；
9.则θ3与θa之间满足关系式：
10.θ3＞θa。
11.优选地，所述θa的最小值满足关系式：
[0012][0013]
其中，h为所述显示元件的显示区域上靠近所述偏振反射元件的第一边缘点与所述偏振反射元件之间沿z轴方向的距离；
[0014]w13
为所述显示元件上靠近所述逆向反射元件的第二边缘点与所述显示元件的靠近所述逆向反射元件的边缘之间的距离；
[0015]
w1为所述显示元件的所述第一边缘点与所述第二边缘点之间的距离；
[0016]
α为所述显示元件与所述偏振反射元件之间形成预设夹角的角度。
[0017]
优选地，所述逆向反射元件的曲面为球形弧面设计。
[0018]
优选地，定义所述逆向反射元件的球形弧面的圆心为(xc，zc)，半径为r，则xc、zc、r满足关系式：
[0019]
xc《xe；
[0020]
其中，
[0021][0022]
r2》zc2+(xg1-xc)^2；
[0023]
其中，xb1≤xg1≤w2；
[0024]
其中，w
12
为所述显示元件的所述第一边缘点与所述显示元件的靠近所述偏振反射元件的边缘之间的距离；
[0025]
w2为所述偏振反射元件沿x轴方向的长度；
[0026]
xb1为所述第二边缘点所射出的光线锥照射在所述偏振反射元件上的有效区域的远离所述显示元件的边缘点的横坐标；
[0027]
xe为所述显示元件的靠近所述逆向反射元件的边缘点的横坐标；
[0028]
ze为所述显示元件的靠近所述逆向反射元件的边缘点的纵坐标；
[0029]
xg1为所述第二边缘点所射出的光线锥经所述偏振反射元件反射在所述逆向反射元件上的远离所述显示元件的边缘点的横坐标。
[0030]
优选地，当xc、zc、r满足关系式：
[0031]
(x
e-xc)2+(z
e-zc)2＝r2；
[0032]
所述空中悬浮显示模组在z轴方向上的厚度最小。
[0033]
为实现上述目的，本发明提出一种空中悬浮显示系统，空中悬浮显示系统包括上述的空中悬浮显示模组。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0035]
本发明通过将逆向反射元件的朝向预设夹角α的一侧设计为曲面，从而将另一部分的偏振反射元件所反射的线性偏振光被曲面的逆向反射元件镜面反射，使镜面反射的线性偏振光透过偏振反射元件射出。其中，镜面反射后的线性偏振光的射出方向偏离悬浮显
示像的视窗方向。由于镜面反射后的线性偏振光偏离悬浮显示像的视窗方向，因此不会在悬浮显示像处出现由于镜面反射而形成的虚像，从而能够提供用户看到悬浮显示像的清晰度。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为现有技术中的空中悬浮显示模组的结构示意图其一；
[0038]
图2为现有技术中的空中悬浮显示模组的结构示意图其二；
[0039]
图3为本发明空中悬浮显示模组一实施例的结构示意图其一；
[0040]
图4为本发明空中悬浮显示模组一实施例的结构示意图其二；
[0041]
图5为本发明空中悬浮显示模组一实施例的结构示意图其三；
[0042]
图6为本发明空中悬浮显示模组一实施例的结构示意图其四；
[0043]
图7为附图6的f处局部放大图。
[0044]
图中所标各部件的名称如下：
[0045]
1、显示元件；2、偏振反射元件：3、逆向反射元件
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
针对现有技术中空中悬浮显示模组所显示的悬浮显示像模糊，清晰度不高的技术问题，本发明人对其进行研究分析，得到的结果如下：
[0048]
如附图1所示，现有的空中悬浮显示模组包括显示元件1、偏振反射元件2以及逆向反射元件3，显示元件1、偏振反射元件2以及逆向反射元件3三者形成三角形区域。其中，逆向反射元件3朝向显示元件1以及偏振反射元件1的一侧为平面。引入a点代表显示元件显示区域一侧边缘上的一点，b点代表显示元件显示区域另一侧边缘上的一点，a点出射的光束锥经过逆向反射元件和偏振反射元件后形成实像点a’，b点出射的光束锥经过逆向反射元件和偏振反射元件后形成实像点b’，a’点光束锥和b’点光束锥形成的共同区域c，在该区域c用户可以同时观察到a’点和b’点，即区域c定义为本系统的视窗，可观察到悬浮显示像a’b’；但是，如附图2所示，a点、b点由于平面的逆向反射元件的镜面反射会形成虚像a”b”(为了观看方便，附图2中将虚像a”b”画成分布在逆向反射元件的远离偏振反射元件的一侧，实际中虚像a”b”是以逆向发射元件为轴线对称设置，即悬浮显示像a’b’与虚像a”b”位于同一侧)，由于悬浮显示像a’b’与虚像a”b”相互重叠对悬浮显示像的产生干扰，从而导致悬浮显示像模糊，清晰度不高。
[0049]
基于上述的研究发现，本实施例公开了一种空中悬浮显示模组，参考附图3，包括
显示元件1，所述显示元件1用于发射线性偏振光；偏振反射元件2，所述偏振反射元件2水平设置，即位于附图3中的x轴方向上，所述显示元件1倾斜设置于所述偏振反射元件2的下方，所述显示元件1与所述偏振反射元件2之间形成预设夹角α；逆向反射元件3，所述逆向反射元件3位于所述预设夹角α的延伸区域内，所述逆向反射元件3朝向所述预设夹角α的一侧为曲面；其中，所述偏振反射元件3用于接收所述显示元件1射出的线性偏振光并将线性偏振光反射至所述逆向反射元件2上，一部分所述偏振反射元件所2反射的线性偏振光被所述逆向反射元件3接收并改变线性偏振光的偏振方向，然后将偏振方向改变的线性偏振光按原路反射，使得偏振方向改变的线性偏振光透过所述偏振反射元件2射出，并在所述偏振反射元件2的远离所述逆向反射元件3的一侧聚焦形成悬浮显示像；另一部分所述偏振反射元件2所反射的线性偏振光被曲面的所述逆向反射元件3镜面反射，镜面反射的线性偏振光透过所述偏振反射元件2射出，其中，镜面反射后的线性偏振光的射出方向偏离所述悬浮显示像的视窗方向。
[0050]
本实施例通过将逆向反射元件3的朝向预设夹角α的一侧设计为曲面，从而将另一部分的偏振反射元件2所反射的线性偏振光被曲面的逆向反射元件3镜面反射，使镜面反射的线性偏振光透过偏振反射元件2射出。其中，镜面反射后的线性偏振光的射出方向偏离悬浮显示像的视窗方向。由于镜面反射后的线性偏振光偏离悬浮显示像的视窗方向，因此不会在悬浮显示像处出现由于镜面反射而形成的虚像，从而能够提供用户看到悬浮显示像的清晰度。
[0051]
下面结合附图3进行说明，显示元件上的a点以及b点分别发射光束锥，光线aa1被偏振反射元件反射后的光束a1p1与逆向反射元件相交p1点，光线aa2被偏振反射元件反射后的光束a2p2与逆向反射元件相交p2点，光线aa3被偏振反射元件反射后的光束a2p3与逆向反射元件相交p3点，光线bb1被偏振反射元件反射后的光束b1s1与逆向反射元件相交s1点，光线bb2被偏振反射元件反射后的光束b2s2与逆向反射元件相交s2点，光线bb3被偏振反射元件反射后的光束b3s3与逆向反射元件相交s3点，图中点划线为逆向反射元件在p1/p2/p3处的法线，经过曲面逆向反射元件的镜面反射后的光线分别为p1p1’/p2p2’/p3p3’/s1s1’/s2s2’/s3s3’，由于镜面反射后的光线均偏离视窗方向，因此在视窗c内观察不到由于逆向反射元件的镜面反射带来的干扰，从而能够提高用户看到的悬浮显示像a’b’的清晰度。
[0052]
要说明的一点是，以上技术问题研究分析以及解决方案思考过程均属于本发明人的智慧结晶，也是本发明的发明点之一。在评价创造性过程中，也应当将上述问题分析以及解决方案思考过程列入评价范围。
[0053]
具体的，所述偏振反射元件包括反射式偏光膜，所述反射式偏光膜的偏光轴方向与所述线性偏振光的偏振方向垂直；所述反射式偏光膜用于接收所述显示元件射出的线性偏振光并将线性偏振光反射至所述逆向反射元件上。
[0054]
具体的，所述逆向反射元件包括四分之一相位延迟膜，以及位于所述四分之一相位延迟膜的远离所述预设夹角α的一侧的逆反射膜；所述四分之一相位延迟膜，又称四分之一波片，在光路中用于将所述反射式偏光膜所反射的线性偏振光接收并改变线性偏振光的偏振方向；所述逆反射膜用于将偏振方向改变的线性偏振光按原路反射。
[0055]
进一步的，所述逆反射膜为高回归性逆反射膜，所述高回归性逆反射膜上设有微
三角锥棱镜阵列层。如此设置，使得照射至逆反射膜的光线高回归性地沿原路径返回，有效提高成像精度，使得成像画面清晰。
[0056]
作为上述实施例的优选方案，如附图4所示，定义所述逆向反射元件的曲面上任意一点p的法线np和z轴之间的夹角为θ3，定义所述视窗方向和z轴之间的夹角为θa；其中，以z轴为参考轴，所述法线np以及所述视窗方向向z轴旋转时所对应的旋转角度，顺时针为负逆时针为正；
[0057]
则θ3与θa之间满足关系式：
[0058]
θ3＞θa。
[0059]
要说明的一点是，上述关系式的比较中，需将正负号代入比较。即若θ3的角度为30
°
，θa的角度为36度，由于法线np以及视窗方向向z轴均为顺时针转动，所以θ3＝-30
°
，θa＝-36
°
，由于-30＞-36，因此θ3＞θa。在后续有关夹角角度的大小比较中，也需按上述方法将正负号代入比较，故后续不再作详细说明。
[0060]
其中，所述θa满足关系式：
[0061][0062]
其中，h为所述显示元件的显示区域上靠近所述偏振反射元件的第一边缘点a与所述偏振反射元件之间沿z轴方向的距离；
[0063]w13
为所述显示元件上靠近所述逆向反射元件的第二边缘点b与所述显示元件的靠近所述逆向反射元件的边缘e之间的距离；
[0064]
w1为所述显示元件的所述第一边缘点a与所述第二边缘点b之间的距离；
[0065]
α为所述显示元件与所述偏振反射元件之间形成预设夹角的角度。
[0066]
如此设置，通过将法线np和z轴的夹角之间的夹角θ3设置为大于视窗方向和z轴之间的夹角θa，从而使得显示元件发射的线性偏振光经过偏振反射元件反射后入射到逆向反射元件曲面的光线lp被曲面镜面反射后的光线lp’和z轴的夹角θ4大于θa。进而保证了镜面反射后的线性偏振光的射出方向偏离悬浮显示像的视窗方向，以避免在悬浮显示像处形成虚像从而产生干扰。
[0067]
关于上述关系式的推导过程为：
[0068]
如附图6所示，在三角形aa1e中有：
[0069][0070]
其中，ae＝w1+w
13
；
[0071]
aa1＝h/cos(|θa|)；
[0072]
θe＝∠aea1＝90-α-|θa|；
[0073]
将上述代入后得到：
[0074]
变形调整后得到：
[0075]
作为上述实施例的优选方案，所述逆向反射元件的曲面为球形弧面设计。原则上，只要满足上述θ3与θa之间的关系式的曲面可以是球面/非球面/自由曲面，在实际应用中，为降低逆向反射元件的曲面加工难度，可以采用常规的球形弧面。
[0076]
其中，如附图5所示，定义所述逆向反射元件的球形弧面的圆心为(xc，zc)，半径为r，则xc、zc、r满足关系式：
[0077]
xc《xe；
[0078]
其中，
[0079][0080]
r2》zc2+(xg1-xc)^2；
[0081]
其中，xb1≤xg1≤w2；
[0082]
其中，w
12
为所述显示元件的所述第一边缘点a与所述显示元件的靠近所述偏振反射元件的边缘之间的距离；
[0083]
w2为所述偏振反射元件沿x轴方向的长度；
[0084]
xb1为所述第二边缘点b所射出的光线锥照射在所述偏振反射元件上的有效区域的远离所述显示元件的边缘点b1的横坐标；
[0085]
xe为所述显示元件的靠近所述逆向反射元件的边缘点e的横坐标；
[0086]
ze为所述显示元件的靠近所述逆向反射元件的边缘点e的纵坐标；
[0087]
xg1为所述第二边缘点b所射出的光线锥经所述偏振反射元件反射在所述逆向反射元件上的远离所述显示元件的边缘点g1的横坐标。
[0088]
如此设置，当球形弧面的圆心以及半径满足上述关系式时，使得法线np和z轴的夹角之间的夹角θ3设置为大于视窗方向和z轴之间的夹角θa，从而使得显示元件发射的线性偏振光经过偏振反射元件反射后入射到逆向反射元件曲面的光线lp被曲面镜面反射后的光线lp’和z轴的夹角θ4大于θa。进而保证了镜面反射后的线性偏振光的射出方向偏离悬浮显示像的视窗方向，以避免在悬浮显示像处形成虚像从而产生干扰。
[0089]
关于上述关系式的推导过程为：
[0090]
如附图6所示，关于e点的横坐标xe以及纵坐标ze的计算：
[0091]
xe＝de*cos(α)-do；
[0092]
ze＝-de*sin(α)；
[0093]
其中，
[0094][0095]
将上述do以及de代入后得到：
[0096][0097]
ze＝-(h+(w1+w
13
)*sin(α))
[0098]
根据圆方程：
[0099]
圆上任意一点的法线满足：
[0100]
(x-xc)2+(z-zc)2＝r^2；
[0101]
对圆方程求一阶导数dx/dz
[0102][0103][0104]
θ
p
为曲线上点p对应的切线和z轴的夹角，对应的法线和z轴的夹角为：
[0105]
θ3＝θ
p-90；
[0106][0107]
当显示元件发出的光线经过偏振反射元件反射后的光线lp和逆向反射元件的交点p所对应的法线np和z轴的夹角θ3≥θ2,θ2为光线lp和z轴的夹角，镜面反射光线lp’和z轴的夹角θ4必然满足θ4》θ3，且当θ3≥θa满足时，有θ4》θa,即逆向反射元件镜面反射的光线不会进入区域c。
[0108]
要使得θ3≥θ2需要：
[0109]
tan(θ3)≥tan(θ2)；
[0110][0111][0112]
当，
[0113][0114]
令xg1＜w2，即：
[0115]
能够满足上述关系式。
[0116]
当光线bb2经偏振反射元件反射后的光线经过e点时，|θ2|具有最小的值，在实际实施过程中，由于显示屏的非显示边缘区域尺寸相对整个系统很小，此时可以认为：
[0117][0118][0119]
要使得θ3≥θa需要：
[0120]
tan(θ3)≥tan(θa)；
[0121][0122]
x-xc≤(z-zc)*tan(θa)；
[0123]
(x-xc)/tan(θa)≥(z-zc)；
[0124][0125][0126]
[0127]
因此，zc需要满足：
[0128][0129]
对于r：g1在圆弧曲线上，满足圆方程，
[0130]
(xg1-xc)2+(zg1-zc)2＝r^2；
[0131]
r2》zc2+(xg1-xc)^2；
[0132]
xb1≤xg1≤w2；
[0133]
进一步的，当xc、zc、r满足关系式：
[0134]
(x
e-xc)2+(z
e-zc)2＝r2；
[0135]
所述空中悬浮显示模组在z轴方向上的厚度最小。
[0136]
如此设置，考虑到现有的电子产品的发展趋势的越来越微型，即体积越来越小，厚度越来越薄。因此为了满足电子产品的发展趋势，当球形弧面的圆心以及半径满足上述关系式时，空中悬浮显示模组在z轴方向上的厚度最小，从而满足电子产品的发展趋势。
[0137]
本实施例还公开了一种空中悬浮显示系统，该空中悬浮显示系统包括上述的空中悬浮显示模组。
[0138]
需要说明的是，本发明公开的一种空中悬浮显示模组及其系统的其它内容为现有技术，在此不再赘述。
[0139]
另外，需要说明的是，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0140]
此外，需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0141]
以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。