本发明实施例涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种空中悬浮显示系统。
背景技术
在日常生活，工业生产，科学研究中，悬浮成像作为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。因此，研发一个高分辨率，大出屏距，宽视角的空中成像装置具有重要意义。
现有的所谓悬浮成像技术，大致可分为以下几种：
1.利用分光膜制作的全息机柜，这种方式，是将显示屏放到一张分光膜下面，使观察者不需要佩戴任何设备就可以观看到在空中的像，但是这种方式，并不是真正意义上的悬浮成像，因为像始终在分光膜的里面，人也无法直接进行交互，且技术门槛较低。
2.利用高功率的激光来电离空气，或者喷烟雾粉尘等，人为改变介质折射率来实现悬浮成像的效果，但是这种方式，尺寸一般都比较小，并且具有一定的危险性，同样的，不能直接进行交互。
3.利用像素高速扫描的方法，因为人眼视觉暂留的特性，形成悬浮成像的效果，但是这种方式分辨率不高，具有颗粒感，装置复杂。
综上所述，现有的空中悬浮显示系统存在结构复杂、加工困难、观察视角小、成像尺寸小和空中悬浮显示图像不清晰的问题。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种空中悬浮显示系统，用以解决现有的空中悬浮显示系统存在结构复杂、加工困难、观察视角小、成像尺寸小和空中悬浮显示图像不清晰的问题的缺陷，具有结构简单，便于加工，几乎不损失分辨率、观察视角大、成像尺寸大的优点。
本发明实施例提供一种空中悬浮显示系统，包括：
显示源、逆向微结构和第一平面光学元件；其中，
所述逆向微结构包括若干个逆向反射单元，每个逆向反射单元包括一个带有凹面的柱面镜和覆盖于所述柱面镜的任一凹面上的多个直角棱镜，每个直角棱镜的两个直角面上均镀有反射膜；
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经所述第一平面光学元件后射向所述逆向微结构的多个直角棱镜，经所述逆向微结构的多个直角棱镜的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件后在空中汇聚形成悬浮像。
本发明实施例提供的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，同时通过包括多个逆向反射单元的逆向微结构对显示源发射的光线进行调制反射，最终实现在空中悬浮显示一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像，同时，该系统具有结构简单和便于加工的优点。
附图说明
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
图1为本发明实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种逆向微结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种平凹柱面镜的光路图；
图4为本发明实施例提供的一种直角棱镜的光路图；
图5为本发明实施例提供的一种柱面镜的分类图；
图6为本发明实施例提供的一种等腰直角棱镜的结构示意图；
图7为本发明另一实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图；
图8为本发明又一实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图；
图9为本发明再一实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动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。
本发明实施例涉及如下技术名词：
柱面镜：柱面镜是一种非球面透镜，在一个方向有光焦度而在另一个方向相当于平行平板，可以把一个点光斑转换成一条线光斑。柱面镜可以有效减小球差和色差。可分为平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、双凸柱面透镜、双凹柱面等。制作材料可以使玻璃或塑料。
直角棱镜：顶角为直角的三棱镜，两个直角面通常要镀反射膜。直角棱镜通常用来转折光路或者将光学系统所成的像偏转90°。利用临界角的特性，高效地内部全反射入射光是直角棱镜的基本功能之一。其中，两个直角边相等的直接棱镜为等腰直角棱镜。
逆反射：光线打到反射元件上发生反射现象，反射光线从接近入射光线的反方向返回后的一种反射现象。
像差：实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，这些与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差，叫做像差。
图1为本发明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，该系统包括：
显示源m1、逆向微结构m3和第一平面光学元件m2。其中：
所述逆向微结构m3包括若干个逆向反射单元，每个逆向反射单元包括一个带有凹面的柱面镜和覆盖于所述柱面镜的任一凹面上的多个直角棱镜，每个直角棱镜的两个直角面上均镀有反射膜。所述第一平面光学元件m2具有部分透射和部分反射功能。所述显示源m1发射的光线经所述第一平面光学元件m2后射向所述逆向微结构m3的多个直角棱镜，经所述逆向微结构m3的多个直角棱镜的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件m2后在空中汇聚形成悬浮像。
其中，显示源m1是一种电子设备，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、被照明的实际物体以及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。
逆向微结构m3由若干个逆向反射单元构成，其中，若干个为一个或多个。需要说明的是，若逆向微结构m3由多个逆向反射单元构成，则多个逆向反射单元呈阵列状设置。对于每个逆向反射单元，由一个带有凹面的柱面镜和覆盖于该柱面镜的任一凹面上的多个直角棱镜，多个直角棱镜呈阵列状设置。可以理解地，逆向微结构m3中逆向反射单元的数量可由实际需要选定。并且，作为优选，直角棱镜覆盖满整个凹面。
图2为本发明实施例提供的一种逆向微结构的结构示意图，结合图2对逆向微结构作出说明。如图2所示，逆向微结构包括一个逆向反射单元，该逆向反射单元包括一个平凹柱面镜和覆盖在平凹柱面镜的凹面上的多个直角棱镜，作为优选，此处的直角棱镜可以为等腰直角棱镜。
图2(a)为逆向微结构的侧视图，图2(b)为逆向微结构的俯视图。如图2(a)和图2(b)所示，逆向微结构由反射镜层1和平凹柱面镜2组成，其中，反射镜层1包括多个直角棱镜。如图2(a)所示，由于多个直角棱镜覆盖在了平凹柱面镜的凹面，因此，单独看直角棱镜的话，直角棱镜是呈凹面覆盖的。实际上平凹柱面镜仅仅提供一个凹面覆盖面的环境，如果不用平凹柱面镜，直接让棱镜呈凹面覆盖也是可以的。由于直角棱镜呈凹面覆盖，因此，其具有平凹柱面镜的功能，即，对光线在一个方向上进行调制，换言之为将光线在某一方向上进行压缩，而在另一方向上不作任何处理。而直角棱镜可以对光线在直角方向进行调制，使光线按照原路径返回，达到逆反射的效果。因此，本发明实施例中的直角棱镜可以实现光线在两个方向上的同时调制，达到对物体逆反射成像的效果。
图3为本发明实施例提供的一种平凹柱面镜的光路图，结合图3对平凹柱面镜的作用进行说明。如图3所示，图3(a)为平凹柱面镜的侧视图，光线从发光点射向平凹柱面镜的凹面，并从凹面反射回来形成汇聚点。图3(b)为平凹柱面镜的俯视图。从图3可以看出，平凹柱面镜在竖直方向对光线汇聚，在水平方向相当于平行平板，不对光线做调制。
图4为本发明实施例提供的一种直角棱镜的光路图，图4(a)为立体图，图4(b)为侧视图。如图4所示，直角棱镜可对光线在直角方向进行调制，使光线按照原路径返回，达到逆反射的效果。
以下说明如何确定逆向微结构m3中逆向反射单元的数量：
为减小加工难度，利于加工，直接在带有凹面的柱面镜的任一凹面覆盖直角棱镜，这样，就可以同时利用平凹柱面镜和直角棱镜的光线调制，形成悬浮成像的效果。当需求的尺寸较小时，逆向微结构可只包括一块平凹柱面镜，然后在凹面覆盖直角棱镜，这样也可以节约成本。当需求的成像精度比较大或者要做大尺寸的悬浮效果时，可以将平凹柱面镜的尺寸做小，然后在凹面覆盖直角棱镜阵列，再将整个结构做阵列，即可实现大尺寸的悬浮像。
具有部分透射和部分反射功能的第一平面光学元件m2，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。
具体地，显示源m1发射的光线第一次经过第一平面光学元件m2后射向直角棱镜，每条光线被对应的直角棱镜的反射膜反射后，第二次经过第一平面光学元件m2，在空中汇聚形成悬浮像m4。由于逆向微结构阵列m2中可能包括了多个阵列设置的逆向反射单元，每个逆向反射单元可能包括了多个阵列设置的直角棱镜，使得射向直角棱镜的光线能够被对应的直角棱镜单独调制和反射，大大提高对显示源m1发出光线的调制能力。
本发明实施例提供的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，同时通过包括多个逆向反射单元的逆向微结构对显示源发射的光线进行调制反射，最终实现在空中悬浮显示一个大视角、大尺寸、高清晰度无畸变的空中悬浮图像，同时，该系统具有结构简单和便于加工的优点。
基于上述实施例，所述柱面镜为平凹柱面镜、双凹柱面镜或凹凸柱面镜。
图5为本发明实施例提供的一种柱面镜的分类图，如图5所示，图5(a)为平凹柱面镜、图5(b)为双凹柱面镜、图5(c)为凹凸柱面镜。本发明实施例中的柱面镜可以为上述三种柱面镜中的任一种。
基于上述实施例，所述柱面镜的中心厚度为0-500mm，所述柱面镜的边缘厚度为0-500mm，所述柱面镜的外接圆直径为0-500mm。
如图5所示，r1和r2是柱面镜的前后两个面的曲率半径，其绝对值的取值范围是：r≥0mm。l是柱面镜的中心厚度，其取值范围是：500mm≥l＞0mm。l1是柱面镜的边缘厚度，其取值范围是：500mm≥l1＞0mm。光学柱面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指每个柱面镜外接圆直径的尺寸，选择范围是：500mm≥d＞0mm。每个柱面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)；根据实际需要可在柱面镜上镀各种光学膜(例如增透减反膜)。
基于上述实施例，所述直角棱镜为等腰直角棱镜。
进一步地，图6为本发明实施例提供的一种等腰直角棱镜的结构示意图，为了减小系统的像差以提高显示的清晰度，将等腰直角棱镜的尺寸做小，如图6所示，p的取值范围为：1mm≥p≥10um。h的取值范围为1mm≥h≥10um，其中，在此范围内，取值越小，图像像差会越小，图像会越清晰。
基于上述实施例，作为一个优选实施例，进一步地，为了减小系统的像差以提高显示的清晰度，将柱面镜做成非球面面型
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，α1～α7是非球面系数。
表1为面型优化结果表，表1中的曲率、厚度和半口径的单位均为mm。
表1面型优化结果表
表1中的面型参数只是其中的一种可能性，实际上，系统优化目标值的改变、优化变量选用的改变、优化顺序的改变、面型公式的选择(内部变量的选择)及优化算法选用都能得出不同的变量值和面型参数，因此会有无数个满足要求的面型参数的结果。这些都属于本行业人员在不付出创造性劳动的情况下在参考上述实施例后可以通过修改而得到不同的面型参数，这些应都属于本发明实施例的保护范围。
基于上述实施例，所述显示源与所述逆向微结构相互垂直设置或相互平行设置。
基于上述实施例，所述显示源与所述逆向微结构相互垂直设置，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经所述第一平面光学元件后射向所述逆向微结构的多个直角棱镜，经所述逆向微结构的多个直角棱镜的反射膜反射后，再经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发射出的光线入射到具有部分透射和部分反射的第一平面光学元件m2上，光线被m2反射后射向逆向微结构m3上，经过该逆向微结构m3调制后被反射穿过m2后在其右侧空气中汇聚成像。l1是显示源m1中心到第一平面光学元件m2中心的距离。其变化范围为5000mm≥l1≥0mm。l2是第一平面光学元件m2中心到逆向微结构m3中心的距离，其变化范围为5000mm≥l2≥0mm。l3是第一平面光学元件m2中心到悬浮在空中的图像m4中心的距离，其变化范围为5000mm≥l3≥0mm。θ0是第一预设角度，其变化范围为0°≥θ0≥90°。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。
图1所示只是该显示系统的其中一种结构形式，并不是限制该显示系统的保护范围，实际上可以在显示源和悬浮图像之间的任意位置加入一个或多个具有反射功能的元件，同样可以实现悬浮显示的效果。为了消除环境光和炫光的影响，也可以在上述光路中加入偏振器(线性偏振器或圆偏振器)、四分之一波长延迟器等。
基于上述实施例，所述系统还包括：具有反射功能的第二平面光学元件；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显示源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一平面光学元件后射向所述逆向微结构的多个直角棱镜，经所述逆向微结构的多个直角棱镜的反射膜反射后，再依次经所述第一平面光学元件和所述第二平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
图7为本发明另一实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图，参照图7，由显示源m1发射出的光线入射到具有部分透射和部分反射的第一平面光学元件m2上，光线被m2反射后进入逆向微结构m3上，经过该逆向微结构m3调制后被反射穿过m2后再进入第二平面光学元件n1，由n1反射后形成悬浮的像m4。l1是图7中显示源m1中心到第一平面光学元件m2中心的距离。其变化范围为5000mm≥l1≥0mm。l2是第一平面光学元件m2中心到逆向微结构m3中心的距离，其变化范围为5000mm≥l2≥0mm。l3是第一平面光学元件m2中心到第二平面光学元件n1中心的距离，其变化范围为5000mm≥l3≥0mm。l0是悬浮像m4到第二平面光学元件n1中心的距离。θ0为第二预设角度，其变化范围为0°≥θ0≥90°。θ1为第三预设角度，其变化范围为0°≥θ1≥90°。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。
需要说明的是，在图7中，具有部分透射和部分反射的第一平面光学元件m2和逆向微结构m3之间加入了具有反射功能的第二平面光学元件n1，图7只是其中一个例子，并不是限制了本发明实施例的保护范围和权限，实际上可以在m2和悬浮像m4之间加入一个或多个具有反射功能的元件，同样可以实现悬浮显示的效果。为了消除环境光和炫光的影响，也可以在上述光路中加入偏振器(线性偏振器或圆偏振器)、四分之一波长延迟器等。
基于上述实施例，所述显示源与所述逆向微结构相互平行设置，所述系统还包括：具有反射功能的第三平面光学元件；所述第一平面光学元件与所述显示源呈第四预设角度设置，所述第四预设角度为0-90°；所述第三平面光学元件与所述显示源呈第五预设角度设置，所述第五预设角度为0-90°。所述显示源发射的光线依次经所述第三平面光学元件和所述第一平面光学元件反射后射向所述逆向微结构的多个直角棱镜，经所述逆向微结构的多个直角棱镜的反射膜反射后，再经所述第一平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
图8为本发明又一实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图，参照图8，l0是显示源m1中心到第三平面光学元件n1中心的距离，其变化范围是：5000mm≥l0≥0mm。l1是第三平面光学元件n1中心到具有部分透射及部分反射的第一平面光学元件m2中心的距离，其变化范围是5000mm≥l1≥0mm。θ0为第四预设角度，其变化范围为0°≥θ0≥90°。θ1为第五预设角度，其变化范围是：0°≥θ1≥90°。l2是第一平面光学元件m2中心到逆向微结构m3中心的距离，其变化范围为5000mm≥l2≥0mm。l3是第一平面光学元件m2中心到悬浮在空中的图像m4中心的距离，其变化范围为5000mm≥l3≥0mm。θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ≥0°，需要申明的是：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。
需要说明的是，在图8中，显示源m1和具有部分透射及部分反射的第一平面光学元件m2之间加入了具有反射功能的第三平面光学元件n1，n1可以是一个或者多个。图8只是其中一个例子，并不是限制了本发明实施例的保护范围和权限，为了消除环境光和炫光的影响，也可以在上述光路中加入偏振器(线性偏振器或圆偏振器)、四分之一波长延迟器等。
基于上述实施例，所述第一平面光学元件与所述显示源呈第六预设角度设置，所述第六预设角度为0-90°；所述第三平面光学元件与所述显示源呈第七预设角度设置，所述第七预设角度为0-90°。所述显示源发射的光线依次经所述第一平面光学元件和所述第三平面光学元件反射后射向所述逆向微结构的多个直角棱镜，经所述逆向微结构的多个直角棱镜的反射膜反射后，再经所述第三平面光学元件透射后在空中汇聚形成悬浮像。
图9为本发明再一实施例提供的一种空中悬浮显示系统的结构示意图，参照图9，由显示源m1发射出的光线入射到具有部分透射和部分反射的第一平面光学元件m2上，光线被m2反射后进入第三平面光学元件n1上，经过n1反射后，进入逆向微结构m3上，经过该逆向微结构m3调制后被反射穿过m2后在其右侧空气中汇聚成像。l1是图9中显示源m1中心到第一平面光学元件m2中心的距离。其变化范围为5000mm≥l1≥0mm。l2是第一平面光学元件m2中心到逆向微结构m3中心的距离，其变化范围为5000mm≥l2≥0mm。l3是第一平面光学元件m2中心到悬浮在空中的图像m4中心的距离，其变化范围为5000mm≥l3≥0mm。θ0是第六预设角度，其变化范围为0°≥θ0≥90°。θ1是第七预设角度，其变化范围为0°≥θ1≥90°。θ是观看视角，其变化范围是：180°≥θ≥0°，需要申明的是：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。
需要说明的是，在图9中，具有部分透射和部分反射的第一平面光学元件m2和逆向微结构m3之间加入了具有反射功能的第三平面光学元件n1，图9只是其中一个例子，并不是限制了本发明实施例的保护范围和权限，实际上可以在m2和m3之间加入一个或多个具有反射功能的元件，同样可以实现悬浮显示的效果。为了消除环境光和炫光的影响，也可以在上述光路中加入偏振器(线性偏振器或圆偏振器)、四分之一波长延迟器等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。