本实用新型实施例涉及光学显示技术领域，更具体地，涉及一种空中悬浮显示系统。
背景技术：
从黑白显示器到彩色显示器，从CRT显示器到量子点显示器，从平面显示器到裸眼3D显示器。长久以来，人们不断研究新的显示技术，并把这些显示技术成功地应用在了各个领域，例如生活娱乐、展览展示、广告传媒、医疗教育、军事指挥等。在众多的显示技术中，空中悬浮显示技术由于能够将图像呈现在空气之中，为观看者带来强烈的视觉冲击和亦真亦假的感官体验从而受到了许多研究者的关注。从悬浮出的图像类别主要分为真实物体的三维空气成像和虚拟物体的平面空气成像。前者主要是将真实物体置于悬浮显示系统中，通过向真实物体照明从而实现观察者能通过该显示系统观看到悬浮在空气中的真实物体。后者主要是将LCD等平面显示器显示的虚拟图像通过显示系统后，实现在空中悬浮的平面内容。悬浮显示系统的实质在于能够成实像的光学系统，依据之前研究者的工作报导主要可以分为五类：
凹面反射镜加分光镜：该光学结构是此类显示系统最早提出的方案。被照明的真实物体或者LCD显示的内容由分光镜反射进入凹面反射镜，光线经过凹面反射镜的汇聚作用再次通过分光镜之后在其另一侧成像。此时，观察者可以看到空中悬浮的影像。为了避免环境光影响视觉感受，可以在系统中加入圆偏振片来抑制环境杂光的影响。此方案的优点是结构简单，在应用树脂材料的球形反射镜后可以极大降低成本。缺点是：悬浮的图像尺寸小、观看视角小且图像变形严重。
同轴结构：为了解决方案1中存在的问题，研究者提出了同轴反射结构，该类结构主要是由上下两个正对的轴上反射镜组成，并且在上方的反射镜中心开有一定尺寸的通光孔径。真实物体放置于两个反射镜的内部，物体发出的光线经过上下两个反射镜的反射后从上方反射镜的通光孔径处射出，从而在空中成像。优点：观察者可以在360度的范围内环视悬浮在空中的物体像；结构简单易装配。缺点：由于在上方有通光小孔，因此观察者在其上方的一定角度范围内无法观看；只适用于显示小尺寸图像，如果显示大尺寸图像，显示系统的尺寸会十分巨大从而增大了成本又降低了实用性。
离轴反射结构：为了进一步改善效果，研究者又提出了离轴反射结构。显示源的内容通过离轴并旋转一定角度的反射镜多次反射后在空中成像。优点：通过反射镜的离轴解决了同轴结构无法在上方观察的问题；观看视角大、显示清晰度高。缺点：由于采用了离轴的方式，因此反射镜的面型必须是非球面的面型从而消除因离轴引入的偏心像差，这增加了工艺难度和成本；反射镜相互的距离和各自的旋转角度为装配带来了极大的难度；不宜显示较大尺寸的悬浮图像。
逆反射结构加分束镜：为了能够实现较大尺寸悬浮图像，研究者提出了基于逆反射结构和分束镜的空中悬浮显示系统。该结构主要是由空心或实心的球形透镜组成并且在下半球的表面镀有反射膜。该结构能够实现反射光线与入射光线相互平行且方向相反的效果。显示源发出的光线经分束镜入射到逆反射结构，通过逆反射结构的反射光线将沿着入射光线的相反方向再次通过分束镜从而在其另一侧汇聚成像。优点：能够实现较大尺寸的悬浮显示图像；加工工艺成熟、成本低；观看视角大。缺点；由于球形透镜严重的像差导致了悬浮图像十分模糊，极大影响了悬浮图像的显示效果。
双层平面镜阵列：该方案是由上下两层平面镜阵列组成且两层之间的平面镜单元相互垂直。显示源发出的光线经过该平面镜阵列的反射后在另一侧汇聚成像。优点：由于是平面镜反射成像因此系统不存在像差，可以实现一个无畸变、高清晰度的悬浮图像。缺点：理论上显示源的每一条光线应在上下两层平面镜阵列上各发生一次反射后汇聚成像。实际中可能会再两层反射镜之前发生多次反射，这导致观察者在看到悬浮图像的同时也能同时观察到残影；反射镜单元的间隔决定了系统的显示频率和分辨率较低；有效的观看视角小；光能利用率低；制作成本极高。
综上所述，现有的空中悬浮显示系统存在观察视角小、成像尺寸小和空中悬浮显示图像不清晰等问题。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的空中悬浮显示系统。
本实用新型实施例提供了一种空中悬浮显示系统，所述系统包括显示源、直角三角形棱镜阵列、第一光学模组、第二光学模组以及第一平面光学元件；其中，
所述直角三角形棱镜阵列包括多个阵列设置的直角三角形棱镜，所述直角三角形棱镜阵列中各直角三角形棱镜端面的斜边所在面共面设置，各直角三角形棱镜端面的直角边所在面上镀有反射膜；
所述第一光学模组和所述第二光学模组分别至少包括一个单方向聚焦透镜；
所述第一平面光学元件具有部分透射和部分反射功能；
所述显示源发射的光线依次经过所述第一光学模组调制、第一平面光学元件反射以及所述第二光学模组调制后进入所述直角三角形棱镜阵列，在所述直角三角形棱镜阵列中经所述多个直角三角形棱镜上的反射膜反射后，依次经过所述第二光学模组调制以及所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
进一步地，所述第一光学模组和所述第二光学模组中的每个透镜为传统单方向聚焦透镜或线性菲涅尔透镜。
进一步地，所述第一光学模组和所述第二光学模组中相邻透镜中心之间的距离为d，且500mm≥d≥0mm；所述第一光学模组和所述第二光学模组中各透镜的厚度为l，且500mm≥l>0mm；所述第一光学模组和所述第二光学模组中各透镜的外接圆直径为D，且5000mm≥D>0mm。
进一步地，所述显示源与所述直角三角形棱镜阵列相互垂直设置或相互平行设置。
进一步地，所述显示源与所述直角三角形棱镜阵列相互垂直设置，且所述显示源的发光面正对所述第一光学模组设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第一预设角度设置，所述第一预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线依次经过所述第一光学模组调制、第一平面光学元件反射以及所述第二光学模组调制后进入所述直角三角形棱镜阵列，在所述直角三角形棱镜阵列中经所述多个直角三角形棱镜上的反射膜反射后，依次经过所述第二光学模组调制以及所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
进一步地，所述显示源与所述直角三角形棱镜阵列相互平行设置，所述系统还包括具有反射功能的第二平面光学元件，且所述显示源的发光面与所述第一光学模组相互垂直设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第二预设角度设置，所述第二预设角度为0-90°，所述第二平面光学元件与所述第一光学模组呈第三预设角度设置，所述第三预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第二平面光学元件反射后，依次经过所述第一光学模组调制、第一平面光学元件反射以及所述第二光学模组调制后进入所述直角三角形棱镜阵列，在所述直角三角形棱镜阵列中经所述多个直角三角形棱镜上的反射膜反射后，依次经过所述第二光学模组调制以及所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
本实用新型实施例提供了一种空中悬浮显示系统，通过具有部分透射和部分反射功能的第一平面光学元件对显示源发射的光线进行光路变换，使调制前后光线的光路分离，同时通过第一光学模组、第二光学模组以及包括多个阵列布置的直角三角形棱镜的直角三角形棱镜阵列对显示源发射的光线进行调制，最终实现在空中悬浮显示一个大视角、大尺寸、可拼接、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示图；
图2为本实用新型实施例中直角三角形棱镜的截面示意图；
图3为本实用新型实施例中传统单方向聚焦透镜的形状示意图；
图4为本实用新型实施例中线性菲涅尔透镜的形状示意图；
图5为本实用新型实施例提供的另一种空中悬浮显示系统的结构示图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例涉及如下技术名词：
单方向聚焦透镜：柱面透镜或等效的线性菲涅尔透镜，只在一个方向上汇聚，材料可以是各种玻璃或塑料，面型轮廓是球型或者非球面型；
线性菲涅尔透镜：与传统柱面透镜具有等效功能的平面透镜，它的齿纹是直线型螺纹。
图1为本实用新型实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图，如图1所示，所述系统包括显示源M1、直角三角形棱镜阵列、第一光学模组M2、第二光学模组M3以及第一平面光学元件E0；其中，所述直角三角形棱镜阵列包括多个阵列设置的直角三角形棱镜，所述直角三角形棱镜阵列中各直角三角形棱镜端面的斜边所在面共面设置，各直角三角形棱镜端面的直角边所在面上镀有反射膜；所述第一光学模组M2和所述第二光学模组M3分别至少包括一个单方向聚焦透镜；所述第一平面光学元件E0具有部分透射和部分反射功能；所述显示源M1发射的光线依次经过所述第一光学模组M2调制、第一平面光学元件E0反射以及所述第二光学模组调制M3后进入所述直角三角形棱镜阵列，在所述直角三角形棱镜阵列中经所述多个直角三角形棱镜上的反射膜反射后，依次经过所述第二光学模组M3调制以及所述第一平面光学元件E0透射后在空中汇聚形成悬浮像。
其中，显示源M1是有光照的实际物体或一种电子设备，它能够向观看者提供视觉内容信息。它可以是液晶显示器(LCD)，激光显示器、投影仪、LED显示器、OLED显示器、量子点显示器、或其他能够显示视觉内容的器件和系统。它用来显示静态的、动态的以及任意能够被显示或者看到的内容。静态的内容指显示的内容不随时间的变化而改变，它包括但不限于图片、静态影像、静态文本及图表数据等。动态内容指随时间的变化而改变的内容，它包括但不限于录制视频、实时视频、变化的图像、动态的文本及图表数据等。
第一光学模组M2和第二光学模组M3分别包括至少两个单方向聚焦透镜组，M2由图1所示的镜片1到镜片K组成，K代表透镜组M2中透镜的数目。M3由图1所示镜片1到镜片N组成，镜片1的后表面沿X方向附有直角棱镜阵列，棱镜阵列的表面附有反射层。N代表透镜组M3中透镜的数目。l指透镜组中每个透镜的厚度，选择范围是：500mm≥l>0mm。透镜的形状可以是矩形、正方形等任意形状，因此D指每个光学镜片外接圆直径的尺寸，其变化范围是5000mm≥D>0mm。每个光学镜片的尺寸可以相同也可以不同。根据实际需要可在光学镜片上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。透镜组中的每个镜片的曲率半径绝对值的取值范围是：R0>0mm，每个面轮廓的面型可以是普通球面、平面或者非球面。
直角三角形棱镜阵列沿图1的X轴方向附在第二光学模组M3中镜片1的后表面，其作用是将光将显示源M1发射的光线中X方向分量逆向反射，将显示源M1发射的光线中Y方向分量镜面反射，如图2所示。
具有部分透射和部分反射功能的第一平面光学元件E0，其透射率的范围是：1％～99％，其反射率的范围是：1％～99％。其材料可以是玻璃或者亚克力及其他塑料材料。其厚度可以根据实际需要制定。
系统在空中所成悬浮像M4，代表悬浮在空气中的静态图像或者动态视频，观察者可以真切地看到图像或者视频漂浮在空中，并且可以用手穿过悬浮像。
可以理解地，上述系统中直角三角形棱镜阵列中的直角三角形棱镜可以进行更大范围的拼接，而第一光学模组M2和第二光学模组M3中的单方向聚焦透镜也可以在特定方向上进行拼接。那么只要根据实际需求，对直角三角形棱镜阵列中的直角三角形棱镜进行拼接，同时对第一光学模组M2和第二光学模组M3中的单方向聚焦透镜也可以在特定方向上进行拼接，即可实现上述系统的拓展。
本实用新型实施例提供了一种空中悬浮显示系统，通过具有部分透射和部分反射功能的第一平面光学元件对显示源发射的光线进行光路变换，使调制前后光线的光路分离，同时通过第一光学模组、第二光学模组以及包括多个阵列布置的直角三角形棱镜的直角三角形棱镜阵列对显示源发射的光线进行调制，最终实现在空中悬浮显示一个大视角、大尺寸、可拼接、高清晰度无畸变的空中悬浮图像。
基于上述实施例，所述第一光学模组和所述第二光学模组中的每个透镜为传统单方向聚焦透镜或线性菲涅尔透镜。
具体地，在该悬浮显示系统中的第一光学模组和第二光学模组中的光学镜片可以是传统的当方向聚焦的玻璃透镜、塑料透镜或者线性菲涅尔透镜或者是它们之间的任意组合。
如图3所示，上述实施例中的悬浮显示系统中的光学模组中的每个光学镜片可以是图3中任意一种结构或者是它们之间胶合在一起的复合结构。例如图3中的平凸透镜和双凹透镜可以组成双胶合透镜或者再加上双凸透镜组成三胶合结构等。R是光学透镜的曲率半径，其绝对值的取值范围是：R>0。l是光学透镜的中心厚度，其取值范围是：500mm≥l>0mm。lE是光学透镜的边缘厚度，其取值范围是：500mm≥lE>0mm光学透镜的形状可以是矩形、圆形、正方形、六边形等任意形状，因此D指每个光学透镜外接圆直径的尺寸，选择范围是：5000mm≥D>0mm。每个光学透镜所采用的材料可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃、火石玻璃、重冕玻璃、重火石玻璃或者LA系玻璃等)；可以是塑料树脂材料(如PMMA、PC、COC、POLYCARB等)；根据实际需要可在光学镜片上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。需要声明的是，图3只是描述出传统透镜可能存在几种形式，并不是限制实用新型实施例的保护范围和权限。图3展示的光学镜片是传统透镜的形式，同样光学镜片也可以是线性菲涅尔透镜的形式。
如图4所示，光学模组中的每个光学镜片可以是图4中任意一种结构或者是它们之间胶合在一起的复合结构。每个光学镜片的光焦度可以根据情况取正光焦度、负光焦度或者零光焦度。线性菲涅尔透镜的厚度取值范围是：500mm≥d>0mm。线性菲涅尔透镜的形状可以是矩形、圆形、正方形、六边形等任意形状，因此D指每个线性菲涅尔透镜外接圆直径的尺寸，选择范围是：5000mm≥D>0mm。线性菲涅尔透镜的环距的取值范围是0.01mm～100mm。根据实际需要可在菲涅尔镜片上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。需要说明的是图4只是示意出了几种线性菲涅尔透镜，并不是限制线性菲涅尔透镜的结构形式。实际上，线性菲涅尔透镜的每个齿的齿深、倾斜角、拔模角都可以根据实际生产工艺和要求在保证光焦度不变的情况下做出调整。线性菲涅尔透镜的每个齿既可以是直线三角锯齿，也可以是与其相应等效透镜的弧线型。这些都在本专利所要保护的范围之内。
图3-4分别说明了光学模组中的光学镜片是传统透镜和线性菲涅尔透镜，需要说明的是，这只是其中的两个具体实施例，并不是限制专利的保护范围和权限。实际上，光学模组可以是这两者的组合(即传统透镜和线性菲涅尔透镜的组合)。
进一步地，所述第一光学模组和所述第二光学模组中相邻透镜中心之间的距离为d，且500mm≥d≥0mm；所述第一光学模组和所述第二光学模组中各透镜的厚度为l，且500mm≥l>0mm；所述第一光学模组和所述第二光学模组中各透镜的外接圆直径为D，且5000mm≥D>0mm
基于上述实施例，所述显示源与所述直角三角形棱镜阵列相互垂直设置或相互平行设置。
基于上述实施例，所述显示源与所述直角三角形棱镜阵列相互垂直设置，且所述显示源的发光面正对所述第一光学模组设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第一预设角度设置，所述第一预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线依次经过所述第一光学模组调制、第一平面光学元件反射以及所述第二光学模组调制后进入所述直角三角形棱镜阵列，在所述直角三角形棱镜阵列中经所述多个直角三角形棱镜上的反射膜反射后，依次经过所述第二光学模组调制以及所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
具体地，再次参考图1，由显示源M1发射出的光线进入第一光学模组M2，经过M2的调制(反射和折射)，这些光线会入射在具有部分透射及部分反射的第一平面光学元件E0上，光线被E0反射后进入第二光学模组M3，光线经过M3中镜片1的后表面上的直角三角形棱镜阵列反射后第二次经过M3。直角三角形棱镜的作用是将光线的X分量逆向反射，将光线的Y向分量镜面反射。这些光线最终经过E0后在其右侧的空气中汇聚成像。图1中LO是显示源M1的中心与第一光学模组M2中第一个透镜中心的距离，其范围是：5000mm≥LO≥0mm，d是光学模组M2、M3中相邻光学镜片中心的间距，其变化范围是500mm≥d≥0mm，l是每个光学镜片的厚度，其变化范围是500mm≥l>0mm。L1是图1中d第一光学模组M2中第K个透镜的中心到E0的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L1≥0mm。L2是第一平面光学元件E0的中心与图1中第二光学模组M3中第N个光学镜片中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L2≥0mm。θ0是E0的与显示源所呈的第一预设角度，也称为的旋转角，其变化范围是：90°>θ0>0°。LI是E0的中心与空气中悬浮像M4中心的距离，其变化范围是5000mm≥LI≥0mm，θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ>0°，需要说明的是，其环视视角可以是360度，悬浮图像的尺寸与显示源M1上显示图像尺寸的比的变化范围是0.1:1到10:1。
基于上述实施例，所述显示源与所述直角三角形棱镜阵列相互平行设置，所述系统还包括具有反射功能的第二平面光学元件，且所述显示源的发光面与所述第一光学模组相互垂直设置，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第二预设角度设置，所述第二预设角度为0-90°，所述第二平面光学元件与所述第一光学模组呈第三预设角度设置，所述第三预设角度为0-90°；
所述显示源发射的光线经所述第二平面光学元件反射后，依次经过所述第一光学模组调制、第一平面光学元件反射以及所述第二光学模组调制后进入所述直角三角形棱镜阵列，在所述直角三角形棱镜阵列中经所述多个直角三角形棱镜上的反射膜反射后，依次经过所述第二光学模组调制以及所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
具体地，如图5所示，与图1所述实施例相比较，本实用新型实施例中加入了一个具有反射功能的第二平面光学元件E1。第二平面光学元件可以具有反射能力的平面镜，如玻璃反射镜、树脂反射镜、光滑的金属表面等具有反射能力的平面元件。它的形状可以是矩形、圆形、正方形、六边形等任意形状，因此其尺寸指外接圆的直径，变化范围是：10mm～5000mm。反射率的变化范围是：1％～99％。厚度可根据实际需要选择。
图5中LO是显示源M1的中心到E1的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥LO≥0mm。L1是E1的中心到第一光学模组M2中第一个光学镜片的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L1≥0mm。θ1是E1第一光学模组呈第三预设角度，也称为E1的旋转角，其变化范围是：90°>θ1>0°。L2是透镜组M2中第K个光学镜片的中心到E0的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L2≥0mm。θ0是E0与显示源所呈的第二预设角度，也称为E0的旋转角，其变化范围是：90°>θ0>0°。L3是E0的中心到第二光学模组M3中第N个光学镜片的中心的距离，其变化范围是：5000mm≥L3≥0mm。d是M2、M3中相邻光学镜片中心的间距，其变化范围是500mm≥d≥0mm，l是每个光学镜片的厚度，其变化范围是500mm≥l>0mm。LI是E0的中心到空气中悬浮像M4的中心的距离，其变化范围是5000mm≥LI≥0mm，θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ>0°，需要说明的是，其环视视角可以是360度。悬浮图像的尺寸与显示源M1上显示图像尺寸的比的变化范围是0.1:1到10:1。
基于上述实施例，光学模组M2、M3中光学镜片的具体面型参数是根据成像要求设计得到的。以图1所示的空中悬浮显示系统结构为例，在优化设计每个透镜的面型时，首先需要确定显示源M1的中心与第一光学模组M2中第一个透镜中心的距离LO；第一光学模组M2中第K个透镜中心与第一平面元件E0中心的距离L1；E0的中心到第二光学模组M3中第N个透镜中心的距离L2；第一平面光学元件E0的中心到悬浮图像M4中的距离LI。其次确定悬浮图像的尺寸及观看视角，最后确定透镜组中透镜的数量。
以上这些都是整个系统所要优化的目标值，要达到这些目标值，需要在选定优化变量后利用优化算法不断迭代计算，最终得到满足目标值的各个优化变量的值和具体面型参数。该系统的优化变量有：各个光学镜片的厚度、相邻光学镜片的间距、光学镜片选用的材料以及各个光学镜片所遵循的面型公式(包括公式中的各个变量：曲率、非球面系数等)(可以是已有的球面或非球面面型公式，亦或是用户自定义的面型公式)。表1是按照上述方法计算得到的M2、M3其中一个光学镜片的参数：
表1
表1中光学元件遵循的面型公式：
上式中，Z是透镜的矢高，c是曲率，r是径向口径，k是圆锥系数，a1～a5是非球面系数。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。