用于悬浮显示的装置和方法与流程

1.本文所述的实施例总体上涉及光学显示技术领域，更具体地涉及用于悬浮显示的装置和方法，其能用于裸眼3d显示。


背景技术：

2.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。
3.悬浮显示装置通常包括在特定方向上发散光束的散射屏，以使得光束在该特定方向上形成较大的视角范围，同时悬浮显示装置使得光束在与该特定方向和光轴正交的另一方向上具有较大的像方孔径角，从而满足双目视差条件，由此在其输出像平面处呈现悬浮图像，这样的悬浮图像具有该另一方向上的视差而没有该特定方向上的视差。
4.悬浮图像的大小会随着人眼在特定方向的移动而发生变化，但是另一方向的图像尺寸不会随人眼位置变化而变化，从而导致图像的显示比例变化，造成观看的不适。


技术实现要素：

5.本发明的示例性实施例的目的在于克服现有技术中的上述的和/或其他的问题，特别是能够实现基于用户的脸部特征位置变化来实时改变悬浮图像的显示位置和大小，从而保证用户观察到的悬浮图像基本上不变化，提高用户观看悬浮图像时的舒适性。
6.具体地，本发明的示例性实施例提供了一种用于悬浮显示的装置，所述装置包括：光学成像系统，被配置成在其物面上接收构成物面图像的光以在其输出像平面处呈现悬浮图像，其中所述光学成像系统包括用于沿特定方向发散光的主散射屏，所述特定方向与所述光学成像系统的光轴正交；图像显示单元，被配置成在所述光学成像系统的所述物面上形成所述物面图像，其中构成所述物面图像的光在所述光学成像系统中传播并且到达所述主散射屏以在所述主散射屏上形成光照区域；检测单元，被配置成检测所述用户的特征信息；以及控制单元，被配置成从所述检测单元获取所述特征信息并且基于所述特征信息的变化来根据所述光学成像系统的信息改变所述主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而使得所述悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变。
7.根据本发明的另一示例性实施例，提供了一种用于悬浮显示的方法，该方法包括：在光学成像系统的物面上形成物面图像，其中所述光学成像系统被配置成在其物面上接收构成所述物面图像的光以在其输出像平面处呈现悬浮图像，所述光学成像系统包括用于沿特定方向发散光的主散射屏，所述特定方向与所述光学成像系统的光轴正交，并且构成所述物面图像的光在所述光学成像系统中传播并且到达所述主散射屏以在所述主散射屏上形成光照区域；检测所述用户的特征信息；基于所述特征信息的变化来根据所述光学成像系统的信息改变所述主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而使得所述悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变。
8.较佳地，在上述示例性实施例的装置或方法中，所述悬浮图像的至少一个属性包
括所述悬浮图像的位置和尺寸。
9.较佳地，在上述示例性实施例的装置中，所述控制单元通过以下方式来改变所述主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置：使所述图像显示单元调整形成在所述物面上的物面图像的尺寸和/或位置。
10.较佳地，在上述示例性实施例的装置中，所述光学成像系统还包括至少一个成像单元，所述至少一个成像单元在光轴上介于所述物面与所述主散射屏之间，其中所述至少一个成像单元在所述特定方向上具有焦距；并且所述控制单元通过以下方式来改变所述主散射屏上的光照区域的大小和/或位置：调整所述至少一个成像单元的焦距从而改变所述光照区域相对于所述物面图像的放大率。优选地，所述至少一个成像单元包括变焦透镜，并且能够通过加电的方式改变所述变焦透镜的焦距。
11.较佳地，在上述示例性实施例的装置中，所述光学成像系统还包括光学反射元件，所述光学反射元件在光轴上介于所述物面与所述主散射屏之间，所述光学反射元件相对于所述特定方向以一角度对来自所述物面的光进行反射；并且所述控制单元通过以下方式来改变所述主散射屏上的光照区域的大小和/或位置：调整所述角度从而在所述特定方向上改变所述光照区域的位置。
12.较佳地，在上述示例性实施例的装置中，所述检测单元还被配置成确定所述用户的人眼坐标，并且所述特征信息包括所述人眼坐标。
13.较佳地，在上述示例性实施例的装置或方法中，所述光学成像系统的信息包括：所述光学成像系统的物面图像与所述主散射屏上的光照区域之间的映射关系，和/或所述光学成像系统内的可调光学元件的可变参数范围。
14.较佳地，在上述示例性实施例的方法中，通过以下方式来改变所述主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置：调整形成在所述物面上的物面图像的尺寸和/或位置。
15.较佳地，在上述示例性实施例的方法中，所述光学成像系统还包括至少一个成像单元，所述至少一个成像单元在光轴上介于所述物面与所述主散射屏之间，其中所述至少一个成像单元在所述特定方向上具有焦距；并且通过以下方式来改变所述主散射屏上的光照区域的大小和/或位置：调整所述至少一个成像单元的焦距从而改变所述光照区域相对于所述物面图像的放大率。优选地，所述至少一个成像单元包括变焦透镜，并且能够通过加电的方式改变所述变焦透镜的焦距。
16.较佳地，在上述示例性实施例的方法中，所述光学成像系统还包括光学反射元件，所述光学反射元件在光轴上介于所述物面与所述主散射屏之间，所述光学反射元件相对于所述特定方向以一角度对来自所述物面的光进行反射；并且通过以下方式来改变所述主散射屏上的光照区域的大小和/或位置：调整所述角度从而在所述特定方向上改变所述光照区域的位置。
17.较佳地，上述示例性实施例的方法还包括确定所述用户的人眼坐标，并且所述特征信息包括所述人眼坐标。
18.较佳地，上述示例性实施例的方法还包括以下步骤：在光学成像系统的物面上形成物面图像之前，检测用户的特征信息并且基于所述特征信息来设定所述物面图像的位置和尺寸。
19.较佳地，上述示例性实施例的方法还包括以下步骤：在光学成像系统的物面上形
成物面图像之前，检测用户的特征信息并且基于所述特征信息来设定所述至少一个成像单元的焦距。
20.通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。
附图说明
21.通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
22.图1a示出用于悬浮显示的光学成像系统100的成像过程的原理示意图；
23.图1b示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统100分别在水平方向和竖直方向上的光线传播的原理示意图；
24.图2示出物面上一点的光线在示例性光学成像系统100内的成像示意图；
25.图3示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统200分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图；
26.图4a示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统300的成像过程的原理示意图；
27.图4b示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统300分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图；
28.图5示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统400分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图；
29.图6示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统500分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图；
30.图7示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统600分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图；
31.图8示出成像单元的示例元件；
32.图9示出一维回射屏的示例；
33.图10a示出散射屏的示例；
34.图10b示出百叶窗遮光结构的示例；
35.图11a示出增加中继成像单元的示意图；
36.图11b示出可选的无焦系统的示意图；
37.图12a-图12c示出第一示例的悬浮显示装置的示意图；
38.图13示出第二示例的悬浮显示装置的示意性侧视图和俯视图；
39.图14示出第三示例的悬浮显示装置的示意图；
40.图15a-15c分别示出第四示例的悬浮显示装置的示意性立体图、侧视图和俯视图；
41.图16示出第五示例的悬浮显示装置的示意图；
42.图17示出第六示例的悬浮显示装置的示意图；
43.图18示出第七示例的悬浮显示装置的示意图；
44.图19示出第八示例的悬浮显示装置的示意图；
45.图20a-图20c示出环视显示装置2000的示意图；
46.图21a-图21b分别示出悬浮图像随人眼位置变化而变化的情况示例；
47.图22示出根据本发明实施例的用于悬浮显示的装置的示意性框图；
48.图23和图24分别示出根据本发明的示例性实施例的控制单元基于眼睛的位置来使得悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变的示意图；
49.图25、图26和图27分别示出了改变主散射屏上的光照区域的尺寸和位置的示例性图示；以及
50.图28是根据本发明实施例的用于悬浮显示的方法的流程图。
具体实施方式
51.以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
52.除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。
53.图1a示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统100的成像过程的原理示意图。图1b示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统100分别在水平方向和竖直方向上的光线传播的原理示意图。
54.参见图1a的光线传输立体图，用于悬浮显示的示例性光学成像系统100可以沿其光轴依次限定物面10、第一像平面101和第二像平面102。光学成像系统可以包括至少一个成像单元110和主散射屏120。至少一个成像单元110在光轴上介于所述物面与第一像平面之间，并且在第一方向和第二方向上具有不同的会聚光线的能力。第一方向和第二方向分别与光轴正交。主散射屏120可以沿第二方向发散光。光学成像系统100被配置为使得来自物面10上的点的光束在第一像平面101上形成第一方向的线像，并且使得来自物面10上的点的光束在第二像平面102上形成第二方向的线像。第二像平面102为悬浮图像面。可选地，主散射屏120可以被放置于第一像平面101的焦深(在一般情况下可以称之为景深)内。
55.分别在第一方向和第二方向上对光学成像系统100的光束传播做剖面分析。第一方向与第二方向可以基本上正交。例如，第一方向可以是水平方向，而第二方向可以是竖直方向，反之亦然。参见图1b，在第一方向上，物面10上的物点a1,o,a2发出的光线具有较大的发散角，通过至少一个成像单元110(诸如，透镜、回射屏、柱面镜等)在第二像平面102上成
像为a1’,o”,a2’。在第二方向上，物点b1,o,b2发出的光线通过至少一个成像单元110成像在第一像平面101上，形成像点b1’,o’,b2’；主散射屏120放置在第一像平面101的焦深内(作为示例，图中示出为放置在第一像平面101处)，像点b1’,o’,b2’的光线由散射屏120在第二方向上散射，从而在第二方向形成较大的视角范围。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元110成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，以满足双目视差条件，由此可以在第二像平面102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有第一方向视差而没有第二方向视差。
56.图2示出物面上一点的光线在示例性光学成像系统100内的成像示意图。从图2可见，物面10上的一点p经由成像单元110分别在第一像平面101和第二像平面102上形成线像ab与线像cd。
57.物面10可以是自发光显示器的显示面，或投影式显示器产生的投影面，而显示器(即，图像源)发出的光线可以按照光线发散角度要求进行设置。特别地，物面上的物点发出的光线需要在第一方向上具有一定的物方孔径角(例如，30度至180度，具体根据需要由像方孔径角结合拉氏不变量公式来确定)，这可以通过光源(即，图像源)的固有特性来实现，或者可以通过对来自光源(即，图像源)的光线进行调制来实现。例如，诸如oled等自发光显示器可以发出具有较大的发散角光线，所以将其显示面设置在上述光学成像系统100的物面处时，就能够实现悬浮显示的效果。
58.可选地，在物面10上的物点发出的光线在第一方向上不具有较大的发散角的情况下，可以在物面10处设置附加散射屏以用于在第一方向上发散光，从而使得由该附加散射屏出射的光在第一方向上具有较大的发散角。
59.如上所述，至少一个成像单元110被配置为在第一方向和第二方向上具有不同的会聚光线的能力。对于透镜来说就是第一方向和第二方向具有不同的焦距f，f可以为∞，例如柱面镜，其在第二方向f为∞。一维回射屏也可以被用来实现这样的效果。成像单元110可以包括用于成像的主成像单元，以及用于传播或调制光线的一个或多个辅助成像单元或光学元件。注意，至少一个成像单元110中的每一个可以是一个光学元件，也可以是多个光学元件的组合。
60.可选地，在一些实施例中，至少一个成像单元110可以包括主成像单元和辅助成像单元。主成像单元被配置为在第一方向上会聚光线。辅助成像单元可以设置在物面10与第一像平面101之间的任何位置。辅助成像单元可以包括一维孔径光阑，用于在第二方向上约束来自物面10的光线。例如，一维孔径光阑可以是狭缝光栅。一维孔径光阑可以被配置为足够小以使得在第二方向上获得相对较大的焦深。辅助成像单元还可以包括设置在物面10与一维孔径光阑之间的光学元件，以用于在第二方向上会聚光线，从而使得来自物面10的更多的光线能够穿过该一维孔径光阑以提高成像光强。可选地，光学元件可以在第二方向上将来自物面上的点的光束转变为近似平行光，以使得光束经过孔径光阑后的光束发散角接近于0。例如，光学元件可以是透镜或透镜组。
61.可选地，至少一个成像单元可以包括在第二方向构成无焦系统的多个光学元件，以使得由无焦系统的入瞳进入无焦系统的不同入射角度的第二方向的平行光束在经过无焦系统后在其出瞳处的出射光束依然是不同角度的第二方向的平行光束，如图11b所示。
62.图3示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统200分别在第一方向和第二方向上
的光线传播的原理示意图。光学成像系统200的若干细节与上文关于图1a-1b描述的光学成像系统100是相同的，在此不再赘述。以下主要描述光学成像系统200的不同之处。
63.分别在第一方向和第二方向上对光学成像系统200的光束传播做剖面分析。参见图2，在第一方向上，物面10上的物点a1,o,a2发出的光线具有较大的发散角，通过主成像单元211在第二像平面102上成像为a1’,o”,a2’。在第二方向上，物点b1,o,b2发出的光线通过辅助成像单元212(在图2中示出为光学元件2122和狭缝光阑2121)成像在第一像平面101上，形成像点b1’,o’,b2’；主散射屏220放置在第一像平面101的焦深内(作为示例，图中示出为放置在第一像平面101处)，像点b1’,o’,b2’的光线由主散射屏220在第二方向上散射，从而在第二方向形成较大的视角范围。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元211成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，以满足双目视差条件，由此可以在第二像平面102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有第一方向(例如，水平方向)视差而没有第二方向(例如，竖直方向)视差。
64.在上述可选实施例中，辅助成像单元212可以只包括一维孔径光阑2121以进行小孔成像，就可以实现光学成像系统200的悬浮显示效果，而不必包括如图2中所示的光学元件2122。不过，考虑到光学效率和成像清晰度，光学成像系统优选地包括光学元件2122(例如，透镜或透镜组)以提高成像效果。例如，光学元件2122可以在第二方向上将来自物面10上的点的光束转变为近似平行光，以使得光束经过孔径光阑后的光束发散角接近于0。注意，虽然在图3中示出辅助成像单元212介于物面10与主成像单元211之间，但是本领域技术人员能够理解到，辅助成像单元212也可以设置在主成像单元211与第一像平面101之间；或者，辅助成像单元212中的一些光学元件可以设置在物面10与主成像单元211之间，而其他光学元件可以被设置在主成像单元211与第一像平面101之间。
65.特别地，如果一维孔径光阑2121被设置为足够小，则可以在第二方向获得很大的景深。如此，主散射屏220可以放置在一维孔径光阑2121与第二像平面102之间的任何位置处。或者，可以将物面10放置在光学元件2122的焦平面上，这样可以获得在第二方向的近似平行光束。在光线传输过程中，主成像单元不改变光线在第二方向的发散角，因此物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。在此实施例中，物面10可以是自发光显示器的显示面，或投影式显示器产生的投影面，而显示器(即，图像源)发出的光线可以按照光线发散角度要求进行设置。
66.可选地，在一些实施例中，至少一个成像单元110可以包括主成像单元和辅助成像单元。主成像单元可以被配置为在第一方向上会聚光线。辅助成像单元可以被配置为使得光学成像系统100进一步限定一个或多个中继像平面，所述一个或多个中继像平面在光轴上介于所述物面与所述主散射屏之间。光学成像系统100还可以包括设置在一个或多个中继像平面中的特定中继像平面的焦深内的附加散射屏以用于沿第一方向发散光。辅助成像单元可以被配置为将来自物面10上的点的光束在所述特定中继像平面处形成为第二方向的线像
67.图4a示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统300的成像过程的原理示意图。图4b示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统300分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图。光学成像系统300的若干细节与上文关于图1a-3描述的光学成像系统100或200是相同的，在此不再赘述。以下主要描述光学成像系统300的不同之处。
68.如图4a所示，在光学成像系统300中，从物面10上的物点发出的光束经过各像平面上的成像过程如下：光束经过辅助成像单元312，在中继像平面103(即，特定中继像平面)上成像为线ef；附加散射屏330可以被设置在中继像平面103的焦深内并且只在第一方向发散光线，而不改变第二方向光线的传播方向，即，中继像平面上的线光束ef在第一方向上被发散；被附加散射屏发散的光束经由主成像单元311在第一方向上会聚。物面10上物点发出的光束经过辅助成像单元312在第一像平面101上会聚成线ab，ab与ef基本上正交并且分别与光学成像系统300的光轴正交；线光束ab被主散射屏320在第二方向上散射，最后在第二像平面102上会聚成线光束cd。中继像平面103与附加散射屏330的设置相关联，因此在本文中被称为特定中继像平面。该示例性光学成像系统300的特点是，来自物面上的物点的光束在第一、第二和中继像平面上都不是成像为一个点，而是一条线。具体地，线ef是物点o在中继像平面103上成的像，线ab是物点o在第一像平面101上成的像，线cd是物点o在第二像平面102上成的像。
69.分别在第一方向和第二方向上对光学成像系统300的光束传播做剖面分析。参见图4b，在第一方向上，物面10上的物点a1,o,a2发出的光线通过辅助成像单元312(作为示例，图中示出为光学元件3122和孔径光阑3121)在中继像平面303上成像为a1’,o’,a2’；附加散射屏330放置在中继像平面303的焦深内(作为示例，图中示出为放置在中继像平面303处)，像点a1’,o’,a2’的光线由附加散射屏330在第一方向上散射，通过主成像单元311成像在第二像平面102处，以形成像点a1”,o
”’
,a2”。在第二方向上，物点b1,o,b2发出的光线通过辅助成像单元312成像在第一像平面101上，形成像点b1’,o”,b2’；主散射屏320放置在第一像平面101的焦深内(作为示例，图中示出为放置在第一像平面101处)，像点b1’,o”,b2’的光线由主散射屏320在第二方向上散射，从而在第二方向形成较大的视角范围。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元311成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，以满足双目视差条件，，由此可以在第二像平面102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有第一方向视差而没有第二方向视差。
70.物面10上的物点分别对应于中继像平面303、第一像平面101和第二像平面102上的一个线段，因为光路可逆，在中继像平面303、第一像平面101和第二像平面102上的一个线段也成像于物面上的一个点，构成一定规律的映射关系，这样的映射关系在本说明书中被称为“光学共轭”。
71.注意，虽然在图4中示出辅助成像单元312介于物面10与主成像单元311之间，但是本领域技术人员能够理解到，辅助成像单元312也可以设置在主成像单元311与第一像平面101之间；或者，辅助成像单元312中的一些光学元件可以设置在物面10与主成像单元311之间，而其他光学元件可以被设置在主成像单元311与第一像平面101之间。
72.在本发明的一些实施例中，辅助成像单元312并不是必须的，而是取决于与光学成像系统300配合的显示源(即，光源)的性质而定。例如，在显示源为激光扫描或平行光源的情况下，可以省略辅助成像单元312。或者，在本发明的其他实施例中，辅助成像单元312可以集成在显示源中，因此不被包含在光学成像系统300中。
73.图5示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统400分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图。光学成像系统400的若干细节与上文关于图4a-4b描述的光学成像系统300是相同的，在此不再赘述。以下主要描述光学成像系统400的不同之处。
74.光学成像系统400可以通过投影方式来使用。例如，可以将投影显示源的投影面设置为该光学成像系统400的物面。
75.光学成像系统400可以包括辅助成像单元412、附加散射屏430、主成像单元411和主散射屏420。辅助成像单元412可以包括孔径光阑4121和光学元件4122(例如，透镜或透镜组)，并且物面10上的物点发出的光经过光学元件4122准直为近似平行光，通过孔径光阑4121，孔径光阑设置的足够小(例如，小于200um)。在第一方向上，物面上的物点a1,o,a2发出的光线通过光学元件4122和孔径光阑4121在中继像平面403上成像为a1’,o’,a2’；附加散射屏430放置在中继像平面403处，像点a1’,o’,a2’的光线由附加散射屏430在第一方向上散射，散射光具有一定的发散角(例如，30度至180度)，通过主成像单元411成像在第二像平面102处，以形成像点a1”,o
”’
,a2”。在第二方向上，物点b1,o,b2发出的光线通过光学元件4122和孔径光阑4121成像在第一像平面101上，形成像点b1’,o”,b2’；因为在此种情况下，辅助成像单元412使物点发出的光束在第二方向为平行光，发散角接近为0，在光线传输过程中，主成像单元不改变光线在第二方向的发散角，因此物点发出的光束照射在主散射屏上时，在第二方向近似为平行光。光学成像系统在第二方向具有无限焦深，第一像平面101可以为主成像单元411和第二像平面102之间的任意位置。主散射屏420放置在第一像平面101处，像点b1’,o”,b2’的光线由主散射屏420在第二方向上散射，从而在第二方向形成较大的视角范围。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元411成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，满足双目视差条件，由此可以在第二像平面102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有第一方向视差而没有第二方向视差。
76.可选地，在光学成像系统400中，物面10设置在光学元件4122的焦平面处，物面10不同位置的物点发出的光经过光学元件4122准直为不同角度的平行光，孔径光阑4121设置在光学元件4122另一侧的焦点位置，不同角度的平行光在会聚在焦点位置，穿过孔径光阑4121，投射到散射屏上。如此，可以将孔径光阑4121的尺寸缩得非常小，以使得物点光束投射到散射屏上形成像素点。在此情况下，中继像平面和第一像平面具有无限的焦深，所以主散射屏和附加散射屏可以放置在相应像平面的焦深内的任意位置。另外，主散射屏和附加散射屏可以与光轴成一定角度(例如，非90度角)放置，从而形成悬浮图像相对于主散射屏成像为具有一定角度的技术效果。
77.注意，辅助成像单元412可以只包括孔径光阑4121以进行小孔成像，就可以实现光学成像系统400的悬浮显示效果，而不必包括如图5中所示的光学元件4122。不过，考虑到光学效率和成像清晰度，光学成像系统优选地包括透镜以进一步提高成像效果。
78.图6示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统500分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图。光学成像系统500的若干细节与上文关于图4a-4b描述的光学成像系统300是相同的，在此不再赘述。以下主要描述光学成像系统400的不同之处。
79.光学成像系统500可以通过激光扫描方式来使用。光学成像系统500可以进一步限定中继像平面503，并且包括附加散射屏530、主成像单元511和主散射屏520。附加散射屏530可以设置在中继像平面503处。来自激光光源的光束可以经由二维扫描振镜扫描在光学成像系统500的中继像平面503上。
80.参见图6，rgb激光光源发出的平行激光束通过二维扫描振镜在附加散射屏530上形成像点a1’,o’,a2’，像点a1’,o’,a2’由附加散射屏530在第一方向上发散光束，然后由主
成像单元511在第二像平面102上会聚成像a1”,o
”’
,a2”。在第二方向上，激光束通过二维扫描振镜，在主散射屏520上形成像点b1’,o”,b2’，然后被主散射屏520散射，使得在第二方向具有较大视角。在光线传输过程中，主成像单元不改变光线在第二方向的发散角，因此物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。特别地，扫描激光束的反向延长线可以认为形成虚拟物面10，在第一方向为a1,o,a2，在第二方向为b1,o,b2。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元511成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，满足双目视差条件，由此可以在第二像平面102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有第一方向视差而没有第二方向视差。
81.图7示出用于悬浮显示的示例性光学成像系统600分别在第一方向和第二方向上的光线传播的原理示意图。光学成像系统600的若干细节与上文关于图4a-4b描述的光学成像系统300是相同的，在此不再赘述。以下主要描述光学成像系统600的不同之处。
82.光学成像系统600可以与平行光源配合使用。参见图7，平行光源照射在空间光调制器(可以被视为物面10处)上，形成像元a1,o,a2(可以将其视为物面10上的物点a1,o,a2)。类似于参照图4a-6所述的成像原理，像元a1,o,a2在中继像平面603上平行投影的像点为像点a1’,o’,a2’，该像点a1’,o’,a2’由附加散射屏630在第一方向上散射，经过主成像单元611成像在第二像平面102上，形成对应的像点a1”,o
”’
,a2”；空间光调制器上的像元b1,o,b2在第一像平面101上的像点为b1’,o”,b2’，后被主散射屏620在第二方向上散射，使得在第二方向上具有较大的视角。在光线传输过程中，主成像单元不改变光线在第二方向的发散角，因此物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元611成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，满足双目视差条件，由此同样可以在第二像平面102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有第一方向视差而没有第二方向视差。
83.空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件。一般地说，空间光调制器由许多独立单元组成，它们在空间上排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。
84.参见图8，在上述光学成像系统中，介于主散射屏和附加散射屏之间的至少一个成像单元(特别是主成像单元)可以包括透镜、面镜和/或一维回射屏(其v型槽角度为90度)，以对第一方向光线进行调整。在使用透镜/面镜的情况下，光学成像系统可以具有图像放大作用，而在仅使用一维回射屏的情况下，光学成像系统不会具有图像放大作用。
85.参见图9，在本发明的一些实施例中，一维回射屏可以为微棱镜阵列结构，微棱镜表面涂布有反射层，微棱镜之间的v形槽的夹角为90度，一维回射屏的原理是，任意照射在一维回射屏表面的光线，在一个方向光线按照原角度反射，在另一个方向为镜面反射。或者，在本发明的另一些实施例中，一维回射屏可以具有其他结构，例如全息结构。
86.可选地，如图10a所示，散射屏可以是棱镜阵列和柱面镜阵列组合而成的定向散射屏，用以更好的控制散射屏出射光线的角度，提高显示质量。。
87.可选地，百叶窗遮光结构可以被布置在散射屏的出光侧，以用于对从散射屏出射的光线进行角度控制。例如，参见图10b，散射屏上方可以叠加百叶窗结构的视角控制膜，对散射屏出射的光线进行角度控制，提升显示质量。
88.可选地，为了进一步提高系统的轻薄设计，可以在第二方向上压缩光学成像系统300或400的尺寸。例如，可以在第二方向上增加中继成像单元。参见图11a，比如对于上述光学成像系统300，通过在物面10和第一像平面101之间增加光学元件3123和3124(诸如，柱面透镜对)，孔径光阑3121，光学元件3123和3124在第二方向构成无焦系统(望远系统)，孔径光阑3121为该无焦系统的入瞳位置，位置3125为该系统的出瞳位置，无焦系统的作用是通过孔径光阑的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过无焦系统后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的在第二方向的平行光束，如图11b所示。因此物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。通过此设计，可以实现第二方向的光线在很窄的空间内传输。如此，除了上述为了在其焦深内设置附加散射屏的特定中继像平面以外，光学成像系统300或400可以进一步限定更多的中继像平面。
89.与上述光学成像系统类似，本发明还提供了相应的悬浮显示装置。该悬浮显示装置包括如上文中所描述的光学成像系统以及图像显示单元，所述图像显示单元被配置为朝向所述光学成像系统的物面发出构成一图像的光。
90.可选地，悬浮显示装置还包括设置在所述物面处的空间光调制器，以用于对来自所述图像显示单元的平行光进行调制。
91.图像显示单元可以为直视式显示源，那么所述图像显示单元的显示面可以被设置在所述物面处。或者，图像显示单元可以为投影式显示源，那么所述图像显示单元的投影面可以被设置在所述物面处。
92.在下文中，将描述悬浮显示装置的若干示例。
93.第一示例
94.图12a-12c示出第一示例的悬浮显示装置的示意图，其中用于悬浮显示的光学成像系统1200与激光mems扫描投影配合使用。根据第一示例的悬浮显示装置中的光学成像系统的若干细节与上文关于图5或6描述的光学成像系统400或500是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第一示例的光学成像系统1200的不同之处。
95.在此示例中，光学成像系统1200可以包括辅助成像单元、附加散射屏1230、主成像单元1211以及主散射屏1220。辅助成像单元1212可以包括第一透镜12121、第二透镜12122和平面反射镜12123。
96.如图12a和12b所示，从虚拟物面10上的物点发出的光束经过光学成像系统1200的成像过程如下：激光束通过透镜12121之后在水平方向x和竖直方向y的传播是平行的；平行的激光束由附加散射屏1230(即，在中继像平面1203处)在水平方向x上发散；光学元件12121和12122在第二方向构成无焦系统(望远系统)，位置12124为该无焦系统的入瞳位置(mems扫描投影的振镜位置)，位置12125为该系统的出瞳位置，无焦系统的作用是通过孔径光阑的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过无焦系统后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的在第二方向的平行光束，因此物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光；主散射屏1220(即，在第一像平面101处)只在方向z(相对于光学系统1200的光轴而言，对应于竖直方向)散射光线，而不改变x方向(相对于光学系统1200的光轴而言，对应于水平方向)光线的传输；水平发散的光线经过一维回射屏1211反射后通过主散射屏1220，会聚在悬浮图像面(即，第二像平面102)上；竖直传输的光线经过第二透镜(即，柱面透镜)在竖直方向y会聚之后，经由平面反射镜12123、一维回射屏1211反射以朝向主散
射屏1220传播，进而由主散射屏1220散射，在竖直方向y上形成较大的视场角。如图12c所示，虚拟物点发出的光，经过附加散射屏1230在水平方向x散射，经过平面反射镜12123和一维回射屏1211反射，在第一像平面101上成像为沿水平方向的直线ab；在主散射屏1220上沿竖直方向散射，从而在第二像平面102上成像为沿竖直方向的直线cd。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元1211成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，满足双目视差条件，由此可以在悬浮图像面(即，第二像平面102)处形成悬浮图像，该悬浮图像具有水平视差而没有竖直视差。在该示例中，中继像平面1203可以作为本发明的物面。
97.第二示例
98.图13示出第二示例的悬浮显示装置的示意性侧视图和俯视图，其中用于悬浮显示的光学成像系统1300与平行光投影配合使用。根据第二示例的悬浮显示装置中的光学成像系统1300的若干细节与上文关于图7描述的光学成像系统600是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第二示例的不同之处。
99.如图13所示，悬浮显示装置包括平行光源、空间光调制器以及光学成像系统1300。在此示例中，空间光调制器可以是透射式显示屏，例如lcd。可以将空间光调制器所在的面视为物面10。光学成像系统1300可以沿其光轴包括附加散射屏1330、成像单元110以及主散射屏1320。成像单元110可以包括在光轴上设置在附加散射屏1330与主散射屏1320之间的一维回射屏。
100.平行光源照射在空间光调制器上，形成像元a,o,b(可以将其视为物面上的物点a,o,b)。平行光在中继像平面1303上由附加散射屏1330在与光轴正交的水平方向上散射，由一维回射屏转向以照射在第一像平面101上，主散射屏1320在与光轴正交的竖直方向上散射光，使得在竖直方向上具有较大的视角。以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元110成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，满足双目视差条件，由此可以在第二像平面102处形成悬浮图像(a’,o’,b’)，该悬浮图像具有水平视差而没有竖直视差。
101.第三示例
102.图14示出第三示例的悬浮显示装置的示意图，其中在附加散射屏与主散射屏之间采用波导传输光线。根据第三示例的悬浮显示装置的光学成像系统1400的成像过程的若干细节与上文关于图4a-5描述的成像过程是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第三示例的不同之处。
103.在此示例中，悬浮显示装置包括用于悬浮显示的光学成像系统1400、rgb激光光源以及扫描振镜，所述扫描振镜被配置为将来自rgb激光光源的构成一图像的光引导到光学成像系统1400。。
104.光学成像系统1400沿其光轴可以限定物面10、中继像平面1403、第一像平面101和第二像平面102。光学成像系统1400包括：辅助成像单元，在光路上设置在物面10与第一像平面101之间；附加散射屏1430，设置在中继像平面1403处；主成像单元，在光路上设置在物面10与第一像平面101之间；以及主散射屏2，设置在第一像平面101处。
105.辅助成像单元可以包括透镜1(lens1)、透镜2(lens2)、反射镜mr和光波导wg，其中光波导wg为玻璃或pmma材质的平板结构，光线在波导内进行不断的全反射传输；透镜lens2
为复曲面镜，在x、y两个方向具有不同的焦距，光波导的s1、s2面为自由曲面。主成像单元1411可以包括透镜3(lens3)，透镜(lens3)为柱面菲涅尔透镜。附加散射屏1430只在与光轴正交的水平方向发散光线，而不改变与光轴正交的竖直方向光线的传播方向。主散射屏1420为反射式散射屏，其在竖直方向上发散光线。
106.具体地，光学系统1400中光束传输方向为光轴方向，第一方向、第二方向是和光轴正交的两个方向，第一方向和第二方向相互为正交。
107.rgb激光光源通过扫描振镜sg在第一方向、第二方向振动，将激光光束按照不同角度投射，首先通过透镜1(lens1)，将第二方向不同角度的光束调制为沿光轴传输的平行光束，然后通过透镜2(lens2)，透镜2(lens2)为复曲面透镜，在第一方向的焦距为f1,在第二方向的焦距为f2，透镜2(lens2)将第一方向不同角度的光束调制为沿光轴传输的平行光束，将第二方向的光束重新会聚，通过反射镜mr转折光线的传输角度射入光波导wg中。透镜2(lens2)为平凸透镜，可选的，附加散射屏1430为柱面透镜阵列，贴附在透镜2(lens2)的平面，扫描光束照射在散射屏1430上，在第一方向发散光线，不改变光线在第二方向的传输，散射屏1430所在面为中继像面1403。射入光波导的光线，经过波导wg内的自由曲面s1面调制，将第二方向的光束准直为平行，在波导内进行全反射传输，不改变第一方向发散光束的传输。后又经过自由曲面s2的调制，将第二方向的光束转变为会聚光束，但不改变第一方向发散光束的传输。主成像单元1411(lens3)为反射式柱面菲涅尔透镜，将从波导射出的第一方向的发散光重新汇聚。主散射屏1420为反射式柱面凹面镜阵列，反射式柱面菲涅尔镜反射的会聚光照射到主散射屏1420上，被主散射屏1420散射，光线在第一方向在空间中会聚成像，从而在第二像面102处形成悬浮图像。特别地，光线在第二方向发散，由此扩大第二方向的视场角。
108.光学元件lens1、lens2、s1、s2在第二方向构成无焦系统(望远系统)，位置k1为该无焦系统的入瞳位置(mems扫描投影的振镜位置)，位置k2为该系统的出瞳位置，无焦系统的作用是通过孔径光阑的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过无焦系统后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的在第二方向的平行光束。因此物点发出的光束通过lens1,lens2,s1,s2照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。
109.以此方式，物面10上的点在第一方向通过主成像单元1411成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，满足双目视差条件，由此可以在第二像平面(即，悬浮图像面)102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有水平视差而没有竖直视差。另外，由于采用光波导传输光线，可以实现更加轻薄的离轴系统设计，具有更高的光学效率，更有利于模组化生产。
110.第四示例
111.图15a-15c分别示出第四示例的悬浮显示装置的示意性立体图、侧视图和俯视图，其中采用凹面镜成像。根据第四示例的悬浮显示装置的光学成像系统1500的成像过程的若干细节与根据第二示例的悬浮显示装置的光学成像系统1300是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第四示例的不同之处。
112.如图所示，悬浮显示装置包括平行光源、空间光调制器(即，显示屏)以及光学成像系统1500。在此示例中，光学成像系统可以包括第一散射屏1530、至少一个成像单元1510以及第二散射屏1520。至少一个成像单元1510可以包括在光路上设置在第二散射屏1520与第
一散射屏1530之间的半反半透镜(即，辅助成像单元)1512以及柱面反射镜(即，主成像单元)1511。
113.光学系统1500中光束传输方向为光轴方向，第一方向、第二方向是和光轴正交的两个方向，第一方向和第二方向相互为正交。
114.平行光源发出的光线照射到显示屏上形成显示图像，此时可以将显示图像所在的面视为物面10。显示图像所在的面发出的光为平行光，此时为一种平行投影成像，显示屏后的任何位置都可以作为像面。显示图像平行照射在第一散射屏1530上，第一散射屏1530在第一方向发散光线，不改变第二方向光线的传输，此时可以认为第一散射屏1530的位置为中继像面。经过第一散射屏1530的光线部分透过半反半透镜1512照射到柱面反射镜1511上，柱面反射镜1511在第一方向会聚光线，不改变第二方向的光线传输，柱面反射镜1511反射的光线被半反半透镜1512部分反射，反射的光线照射到第二散射屏1520上。第二散射屏1520可以是柱面微透镜阵列，也可以是一维全息散射屏。第二散射屏1520在第二方向散射光线，扩大第二方向的视场角，第一方向的光线在空间中会聚形成悬浮图像102(即，第二像平面102处)。在光线传输过程中，主成像单元不改变光线在第二方向的发散角，因此物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。
115.以此方式，物面10上的点沿第一方向通过主成像单元1511成像的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，满足双目视差条件，，由此可以在悬浮图像面(第二像平面102)处形成悬浮图像，该悬浮图像具有水平视差而没有竖直视差。另外，由于采用柱面反射镜，可以在水平方向上对图像进行放大，而在竖直方向上不对图像进行放大。
116.第五示例
117.图16示出第五示例的悬浮显示装置的示意图，其中用于悬浮显示的光学成像系统1600与激光mems扫描投影配合使用。根据第五示例的悬浮显示装置中的光学成像系统1600的若干细节与根据上文关于12a-12c描述的光学成像系统1200是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第五示例的不同之处。
118.在此示例中，x、y方向的扫描振镜可以分开设置；x-振镜可以控制激光束扫描出x方向的图像，y-振镜可以控制激光束扫描出y方向的图像；v型槽微结构可以集成在y-振镜上。在本示例中是平行光扫描成像，主成像单元不改变光线在第二方向的发散角，因此物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。此结构的优点是光学系统的厚度可以做的很薄。
119.第六示例
120.图17示出第六示例的悬浮显示装置的示意图，其中用于悬浮显示的光学成像系统1700与激光mems扫描投影配合使用。根据第三示例的悬浮显示装置的成像过程的若干细节与上文关于12a-12c描述的的光学成像系统1200是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第六示例的不同之处。
121.在此示例中，光学成像系统1700包括：辅助成像单元，在光路上设置在物面10与第一像平面101之间；附加散射屏1730，设置在中继像平面1703处；主成像单元，在光路上设置在物面10与第一像平面101之间；以及主散射屏1720，设置在第一像平面101处。参见图17，示出了根据第六示例的光学成像系统1700中的辅助成像单元和主成像单元的布置方式。具体地，辅助成像单元可以包括第一偏振分光棱镜pbs1、第一透镜lens1、多个反射镜mr1和
mr2、第一偏振分光棱镜pbs2、第二透镜lens2、第三偏振分光棱镜pbs3、第三透镜lens3等光学元件。透镜lens2为复曲面镜，其在x,y方向上具有不同的曲率半径，可以同时调制x,y两个方向光线。主成像单元可以包括回射屏1711。在此示例中，第一透镜lens1、第二透镜lens2和第三透镜lens3全部为平凸透镜，在平凸面镀有金属反射层。
122.光学系统1700中光束传输方向为光轴方向，第一方向、第二方向是和光轴正交的两个方向，第一方向和第二方向相互为正交。
123.rgb激光光源通过扫描振镜在第一方向、第二方向振动，将激光光束按照不同角度投射。在第一偏振分光棱镜pbs1前表面设置有线偏光片，用以获得高偏振度的p态激光光束(简称为p光)。在第一偏振分光棱镜pbs1和第一透镜lens1之间设置有1/4波片。p光通过第一偏振分光棱镜pbs1，1/4波片后转换为圆偏振光，被第一透镜lens1反射，再次通过1/4波片，此时激光光束为s态偏振光(简称为s光)。第一透镜lens1为柱面反射镜，用以会聚第二方向的激光光束，限制光学系统在第二方向的高度。s光被第一偏振分光棱镜pbs1分光界面反射，后又被第一反射镜mr1反射，改变传输路径，照射到第二偏振分光棱镜pbs2上。第二偏振分光棱镜pbs2和第二透镜lens2之间设置有1/4波片，s光被第二偏振分光棱镜pbs2的分光界面反射后被第二透镜lens2反射，两次通过1/4波片后转变成p光，通过第二偏振分光棱镜pbs2的分光界面后照射到反射镜mr2上。第二透镜lens2为复曲面透镜，在第一和第二方向具有不同的焦距，第二透镜lens2的作用是将第一、第二方向不同角度的激光光束准直为第一、第二方向沿光轴平行传输的光束。反射镜mr2和第二偏振分光棱镜pbs2之间设置有1/4波片，经过反射镜mr2反射的光线通过1/4波片后转变成s光，被第二偏振分光棱镜pbs2的分光界面反射，射出第二偏振分光棱镜pbs2。第二偏振分光棱镜pbs2的出光面设置有附加散射屏1730，该面即中继像平面1703，虚拟物面上的点发出的光在中继像平面1703上形成第二方向的线段像。附加散射屏将照射到散射屏上的光束在第一方向发散，不改变第二方向光线的传输。偏振分光棱镜pbs3和附加散射屏之间设置有1/2波片，从附加散射屏射出的s光，经过1/2波片转变为p光后射入第三偏振分光棱镜pbs3，通过第三偏振分光棱镜pbs3的分光平面照射到柱面反射镜lens3上，偏振分光棱镜pbs3和柱面反射镜lens3之间设置有1/4波片，从柱面反射镜lens3反射的p光，二次经过1/4波片，转变为s光，被分光界面反射，光轴转90度，照射在一维回射屏上，本示例中一维回射屏是主成像单元1711，为v形槽阵列结构，v形槽角度为90度，表面镀有金属反射层。一维回射屏与x-z平面成30度角设置，附加散射屏出射的第一方向发散光束被一维回射屏反射，第一方向上在空间中会聚，在第二像平面(即，悬浮图像面)102处形成悬浮图像，悬浮图像与x-z平面的夹角为60度。在悬浮图像面102和一维回射屏之间沿x-z方向设置有主散射屏1720，可以将该位置视为第一像平面101的位置，因为光束在第二方向为平行光，具有无限景深，第一像平面101和主散射屏1720可以根据设计需要设置在主成像单元1711和悬浮图像面102之间的任意位置。主散射屏在第二方向发散光线，扩大第二方向的视场角。在本示例中，扫描振镜和主成像单元1711之间的光学元件构成无焦成像系统，以此实现物点发出的光束照射在主散射屏上，在第二方向近似为平行光。
124.以此方式，可以在第二像平面(即，悬浮图像面)102处形成悬浮图像，该悬浮图像具有水平视差而没有竖直视差。另外，由于整个系统为反射式光学系统，所以系统无色差，在空间上可折叠，以便于实现大尺寸且轻量化的悬浮显示装置。
125.可选地，本示例中的偏振分光棱镜pbs可以用偏振反射平板代替。
126.第七示例
127.图18示出第七示例的悬浮显示装置的示意图，其中用于悬浮显示的光学成像系统1800与平行光投影配合使用并且采用透镜组对第一方向图像成像。根据第七示例的悬浮显示装置中的光学成像系统1800的若干细节与上文关于图7描述的光学成像系统600是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第七示例的不同之处。
128.如图所示，悬浮显示装置包括平行光图像源以及光学成像系统1800。在此示例中，光学成像系统可以包括附加散射屏1830、成像单元1811以及主散射屏1820。成像单元可以包括在光路上设置在附加散射屏1830与主散射屏1820之间的第一透镜lens1、第二透镜lens2、第三透镜lens3、第一反射镜和第二反射镜，如图18所示那样布置，其中lens1、lens2、lens3是主成像单元。第一透镜lens1、第二透镜lens2和第三透镜lens3可以是柱面透镜。透镜组的作用是放大第一方向图像并且校正图像的像差。第二散射屏2被设置为倾斜一定角度。
129.本示例中平行图像源由平行背光源和lcd显示器组成，lcd显示面为物面10，lcd发出的平行光平行投射到附加散射屏1830上，附加散射屏1830在水平方向发散光线，不改变竖直方向的光线传输。附加散射屏所在面为中继像面1803。附加散射屏发出的光，经过第一透镜lens1、第二透镜lens2、第三透镜lens3在空间中成实像，形成悬浮图像面102。第一反射镜和第二反射镜用以改变光线的传输路径。经过反射镜2反射的光线照射到倾斜设置的主散射屏1820上，在第二方向上发散光线，扩大竖直方向的视场角。
130.以此方式，物面10上图像沿第一方向的成像面在第二像平面102处的像方孔径角相对较大(即，20度或更大，优选30度以上)，由此可以在悬浮图像面处形成第二方向放大的悬浮图像，该悬浮图像具有水平视差而没有竖直视差。
131.本示例中，通过透镜组在放大第一方向的图像，通过平行光照射在倾斜放置的主散射屏上放大第二方向的图像，这两个方向可以具有不同的放大倍率，为了得到第一、第二方向正常比例的悬浮图像，优选的将空间光调制器(lcd显示器)的像素尺寸，在两个方向设置为不同，即显示像素不是正方形而是长方形。
132.第八示例
133.图19示出第八示例的悬浮显示装置的示意图，其中用于悬浮显示的光学成像系统1900与激光mems扫描投影配合使用。根据第八示例的悬浮显示装置的光学成像系统1900的成像过程的若干细节与根据第六示例的光学成像系统1700是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第八示例的不同之处。
134.在此示例中，利用第四透镜lens4和反射镜替代回射屏，如图19所示那样布置。第四透镜lens4可以沿着y方向快速机械移动。根据物象公式可知像距v满足u为物距。在此示例中，f不变，那么u增加则v减小。可以实现悬浮图像面沿光轴方向前后移动。第四透镜lens4沿y方向移动得足够快，使得一个运动周期的时间小于0.1s时，并在每一个移动位置显示当前所需图像，可以实现悬浮图像的动态效果，当在每一个移动位置显示3d图像的一个切面图像时，可以利用多层3d显示原理看到3d图像效果。可选地，如果成像透镜采用液体/液晶等快速变焦透镜，也可以通过改变成像透镜的焦距f改变悬浮图像的位置，从
而实现动态或3d效果。
135.与上述悬浮显示装置类似，本发明还提供了相应的环视显示装置。
136.图20a示出环视显示装置2000的示意图，其中采用拼接方案来实现360度可观看环视显示装置。
137.在此示例中，环视显示装置2000由8个前文所述的任一悬浮显示装置(作为示例，图20b示出悬浮显示装置的一种可能配置)构成。在图20a中用标号2001-2008分别表示8个悬浮显示装置。图20c示出图20b的示例悬浮显示装置的俯视图，如图所示，悬浮显示装置为梯形结构，按照如图20a的方式拼接设置。优选的，悬浮图像102与水平成45度-90度夹角。可以进一步进行精确的设置，以使得8个悬浮显示装置单元形成的悬浮图像102的中心点o点相互重合。例如，每组悬浮图像的水平视场角为45度，那么8组悬浮显示装置可以拼接成360度全视场角。当8组悬浮显示装置分别用来显示三维物体的对应8个位置的图像时，则该环视显示装置具有3d显示效果。注意，采用拼接方案来应用8个悬浮显示装置仅仅作为示例而非限制性的，本领域技术人员能够理解到，所拼接的悬浮显示装置的数量可以是大于2的任意整数，其都能实现环视/3d显示效果。
138.以上详细描述了用于悬浮显示的光学成像系统、包含该光学成像系统的悬浮显示装置和环视显示装置。采用该光学成像系统，物面上的点光束沿第一方向通过成像单元成像的像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以实现图像的浮空显示，并且悬浮图像仅具有单方向视差，从而进一步能用于裸眼3d显示。
139.以上实施方案可根据以下条款进行描述：
140.1.一种用于悬浮显示的光学成像系统，所述光学成像系统沿其光轴依次限定物面、第一像平面和第二像平面，所述光学成像系统包括：
141.至少一个成像单元，在光轴上介于所述物面与所述第一像平面之间，其中所述至少一个成像单元在第一方向和第二方向上具有不同的会聚光线的能力，所述第一方向和所述第二方向分别与所述光轴正交；以及
142.主散射屏，所述主散射屏沿所述第二方向发散光，
143.其中所述光学成像系统被配置为使得来自所述物面上的点的光束在所述第一像平面上形成所述第一方向的线像，并且使得来自所述物面上的点的光束在所述第二像平面上形成所述第二方向的线像，其中所述第二像平面为悬浮图像面。
144.2.根据条款1所述的光学成像系统，还包括附加散射屏，设置在所述物面处，用于沿所述第一方向发散光。
145.3.根据条款1所述的光学成像系统，其中所述至少一个成像单元包括：
146.主成像单元，所述主成像单元被配置为在所述第一方向上会聚光线。
147.4.根据条款3所述的光学成像系统，其中所述主成像单元是一维回射屏。
148.5.根据条款3所述的光学成像系统，其中所述至少一个成像单元还包括设置在所述物面与所述主散射屏之间的辅助成像单元，并且所述辅助成像单元包括一维孔径光阑，用于在所述第二方向上约束来自所述物面的光线。
149.6.根据条款5所述的光学成像系统，其中所述辅助成像单元还包括设置在所述物面与所述一维孔径光阑之间的光学元件，以用于在所述第二方向上将来自所述物面上的点的光束转变为近似平行光。
150.7.根据条款3所述的光学成像系统，其中：
151.所述至少一个成像单元还包括辅助成像单元以使得所述光学成像系统进一步限定一个或多个中继像平面，所述一个或多个中继像平面在光轴上介于所述物面与所述主散射屏之间，并且所述光学成像系统还包括设置在所述一个或多个中继像平面中的特定中继像平面的焦深内的附加散射屏以用于沿所述第一方向发散光。
152.8.根据条款7所述的光学成像系统，其中所述辅助成像单元被配置为将来自所述物面上的点的光束在所述特定中继像平面处形成为所述第二方向的线像。
153.9.根据条款7所述的光学成像系统，其中所述辅助成像单元包括孔径光阑和设置在所述物面与所述孔径光阑之间的光学元件，所述光学元件使得来自所述物面上的点的光束被准直为近似平行光。
154.10.根据条款9所述的光学成像系统，其中所述孔径光阑被缩小为使得来自所述物面上的点的光束被投射到所述附加散射屏上以形成像素点。
155.11.根据条款7所述的光学成像系统，其中所述附加散射屏被放置为与光轴成一定角度。
156.12.根据条款1所述的光学成像系统，其中所述主散射屏被放置为与光轴成一定角度。
157.13.根据条款1所述的光学成像系统，其中百叶窗遮光结构被布置在所述主散射屏的出光侧，以用于对从所述主散射屏出射的光线进行角度控制。
158.14.根据条款1所述的光学成像系统，其中所述至少一个成像单元包括以下中的一者或多者：
159.一维回射屏，用于在所述第一方向上会聚光线；
160.复曲面镜，用于同时在所述第一方向和所述第二方向上调制光线；
161.光波导，用于在其中传播光线；
162.柱面透镜，用于在一个方向上会聚光线，而不改变与该方向正交的另一个方向上的光线的传播；以及
163.透镜组，在光轴上介于所述物面与所述第一像平面之间，用于在其间传播光线。
164.15.根据条款1所述的光学成像系统，其中所述至少一个成像单元包括在所述第二方向构成无焦系统的多个光学元件，以使得由所述无焦系统的入瞳进入所述无焦系统的不同入射角度的第二方向的平行光束在经过所述无焦系统后在其出瞳处的出射光束依然是不同角度的第二方向的平行光束。
165.16.根据条款1所述的光学成像系统，其中对于所述第一像平面，所述光学成像系统在所述第二方向具有无限焦深，所述第一像平面位于所述至少一个成像单元和所述第二像平面之间的任意位置。
166.17.根据条款3所述的光学成像系统，其中所述主成像单元能够沿光轴往复移动或具有快速变焦功能。
167.18.一种悬浮显示装置，包括：
168.根据条款1-17所述的光学成像系统；以及
169.图像显示单元，所述图像显示单元被配置为朝向所述光学成像系统的物面发出构成一图像的光。
170.19.根据条款18所述的悬浮显示装置，还包括设置在所述物面处的空间光调制器，以用于对来自所述图像显示单元的平行光进行调制。
171.20.根据条款18所述的悬浮显示装置，其中所述图像显示单元为激光光源，并且所述悬浮显示装置还包括一个或多个扫描振镜以用于对来自所述图像显示单元的激光光束进行调制以扫描出所述图像。
172.21.根据条款20所述的悬浮显示装置，其中所述一个或多个扫描振镜包括第一扫描振镜和第二扫描振镜，所述第一扫描振镜用于在第一方向上扫描出所述图像，所述第二扫描振镜用于在第二方向上扫描出所述图像，并且所述第一扫描振镜与所述第二扫描振镜分开设置。
173.22.根据条款18所述的悬浮显示装置，其中：
174.所述图像显示单元为直视式显示源，并且将所述图像显示单元的显示面设置在所述物面处；或
175.所述图像显示单元为投影式显示源，并且将所述图像显示单元的投影面设置在所述物面处。
176.23.一种环视显示装置，包括：
177.多个根据条款18-22所述的悬浮显示装置，以拼接的方式布置。
178.悬浮图像的自适应调整
179.在包含沿特定方向(例如，y方向)发散光的散射屏的光学成像系统中，悬浮图像的位置和/或尺寸会随着人眼在特定方向的移动而发生变化，而另一方向(例如，x方向)的图像位置和/或尺寸不会随人眼位置变化而变化，从而导致图像的显示比例变化，造成观看的不适。
180.参见图21a，在主散射屏和主光轴倾斜一定角度设置的情况下，主散射屏上的光照区域的尺寸是ab；当人眼在o1位置时，悬浮图像尺寸是a1b1，而当人眼在o2位置时，悬浮图像尺寸是a2b2。
181.参见图21b，在主散射屏和主光轴垂直设置的情况下，主散射面上的光照区域的尺寸是ab；当人眼在o1位置时，悬浮图像位置是a1b1，当人眼在o2位置时，悬浮图像位置是a2b2。
182.为了克服上述技术问题，本发明提供了一种用于悬浮显示的装置，包括：光学成像系统，被配置成在其物面上接收构成物面图像的光以在其输出像平面处呈现悬浮图像，其中所述光学成像系统包括用于沿特定方向发散光的主散射屏，所述特定方向与所述光学成像系统的光轴正交；图像显示单元，配置成在所述光学成像系统的所述物面上形成所述物面图像，其中构成所述物面图像的光在所述光学成像系统中传播并且到达所述主散射屏以在所述主散射屏上形成光照区域；检测单元，被配置成检测所述用户的特征信息；控制单元，被配置成从所述检测单元获取所述特征信息并且基于所述特征信息的变化来根据所述光学成像系统的信息改变所述主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而使得所述悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变。在该装置中，通过基于用户的脸部特征位置来调整主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而在用户眼睛的位置发生变化的情况下保证观察到的悬浮图像具有基本上相同的尺寸和/或位置，提高用户观看悬浮图像时的舒适性，同时保证交互的准确性。
183.下面结合附图详细描述根据本发明实施例提供的用于悬浮显示的装置的示意性框图。
184.图22示出根据本发明实施例的用于悬浮显示的装置2200的示意性框图。用于悬浮显示的装置2200包括：光学成像系统2201、图像显示单元2202、检测单元2203和控制单元2204。
185.光学成像系统2201可以被配置成在其物面上接收构成物面图像的光以在其输出像平面处呈现悬浮图像。光学成像系统2201可以包括用于沿特定方向发散光的主散射屏，该特定方向与光学成像系统2201的光轴正交。光学成像系统2201可以是如上文中所述的那些光学成像系统，或者可以具有其他的结构和配置并且具有已知或可检测的光学信息(例如，物面上的源图像与主散射屏上的光照区域之间的相对关系)。
186.图像显示单元2202可以被配置成在光学成像系统2201的物面上形成物面图像。构成物面图像的光在光学成像系统2201中传播并且到达主散射屏以在主散射屏上形成光照区域。图像显示单元2202可以为直视式显示源，那么图像显示单元2202的显示面可以被设置在所述物面处。或者，图像显示单元2202可以为投影式显示源，那么所述图像显示单元2202的投影面可以被设置在所述物面处。
187.检测单元2203可以被配置成实时或以预定的时间间隔获取用户的特征信息。控制单元2204可以被配置成实时或以预定的时间间隔从检测单元2203获取特征信息，并且基于特征信息的变化来根据光学成像系统2201的信息改变主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而使得(由用户的眼睛观察到的)悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变。特征信息可以是脸部特征的位置，诸如眼睛、鼻子、耳朵等部位的位置(即，坐标)。光学成像系统2201的信息可以包括光学成像系统的物面图像与主散射屏上的光照区域之间的映射关系，和/或光学成像系统内的可调光学元件的可变参数范围(例如，变焦透镜的可变焦距范围或反射镜的可变角度范围)。映射关系可以表示物面图像的位置和尺寸与主散射屏上的光照区域的位置和尺寸之间的关系。例如，控制单元2204可以基于特征信息(例如，眼睛的位置坐标)的变化来确定使得所述悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变所需的主散射屏上的光照区域的期望位置和尺寸。悬浮图像的至少一个属性可以包括悬浮图像的位置和大小。
188.图23和图24分别示出根据本发明的示例性实施例的控制单元2204基于眼睛的位置来使得悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变的示意图。
189.在主散射屏相对于光轴倾斜一定角度设置的情况下，控制单元2204可以根据侦测的人眼位置变化来调整主散射屏上的像尺寸，从而使人眼不同位置看到的悬浮图像位置接近。如图23所示，当人眼在o1位置时，主散射屏上的光照区域的尺寸是ab，悬浮图像位置为a1b1，当人眼在o2位置时，主散射屏上的光照区域的尺寸调整为a’b’，悬浮图像位置仍然为a1b1。
190.在主散射屏和光轴垂直设置的情况下，控制单元2203可以根据侦测的人眼位置变化来调整主散射屏上的像位置，从而使人眼不同位置看到的悬浮图像位置接近。如图24所示，当人眼在o1位置时，主散射屏上的光照区域的尺寸是ab，悬浮图像位置是a1b1，当人眼在o2位置时，主散射屏上的光照区域的位置调整为a’b’，悬浮图像的位置仍然为a1b1。
191.在本发明的一些实施例中，控制单元2204可以通过以下方式来改变主散射屏上的
光照区域的尺寸和/或位置：使图像显示单元2202调整形成在物面上的物面图像的尺寸和/或位置。物面和像面(例如，主散射屏上的光照区域)是映射关系，通过改变物面实际显示区域的大小和位置来改变主散射屏上的光照区域的大小和位置。
192.图25示出了改变主散射屏上的光照区域的尺寸和位置的示例性图示，其中改变了物面上实际显示区域的尺寸和位置。
193.在本发明的一些实施例中，光学成像系统2201可以包括至少一个成像单元，所述至少一个成像单元在光轴上介于物面与主散射屏之间。至少一个成像单元在特定方向上具有焦距。如此，控制单元2204可以通过以下方式来改变主散射屏上的光照区域的大小和/或位置：调整至少一个成像单元的焦距从而改变光照区域相对于物面图像的放大率。例如，至少一个成像单元可以包括变焦透镜，并且能够通过加电的方式改变该变焦透镜的焦距。
194.图26示出了改变主散射屏上的光照区域的尺寸的示例性图示，其中改变光学成像系统的成像透镜/透镜组的焦距来改变物面在特定方向上的放大率。
195.如图所示，物面光束a0b0通过成像透镜组lens1、lens2、lens3在主散射屏上形成光照区域，其中lens3为液体/液晶透镜，可以通过加电的方式改变其焦距。当人眼位置为o1时，上图中lens3的焦距为f1,在主散屏上的像为ab，人眼观察到的悬浮图像为a1b1；当人眼位置为o2时，下图中lens3的焦距为f2，f1《f2，此时在主散屏上的像为a’b’，人眼观察到的悬浮图像为a2b2。a1b1和a2b2基本为等大。
196.在本发明的一些实施例中，光学成像系统2201可以包括光学反射元件，光学反射元件在光轴上介于物面与主散射屏之间，光学反射元件相对于特定方向以一角度对来自物面的光进行反射。如此，控制单元可以通过以下方式来改变主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置：调整该角度从而在特定方向上改变光照区域的位置。
197.图27示出了改变主散射屏上的光照区域的位置的示例性图示，其中调节了光学成像系统中的反射镜的角度。
198.如图所示，当人眼在位置o1时，反射镜(mirror)转动到p1位置，物面光束a0b0在主散射屏上所成的像为a’b’，人眼观察到的悬浮图像为a1b1；当人眼在位置o2时，此时mirror转动到p2位置，物面在主散射屏上所成的像为ab，人眼观察到的悬浮图像仍然为a1b1。
199.上述的调节主散射屏上所成的像(即，光照区域)的三种方式既可以单独使用，也可以相互结合来使用。此外，本领域技术人员还能够认识到，还可以通过其他的方式(诸如，调整所包含的能够对光束进行调节的其他类型的光学元件)来调节主散射屏上所成的像的尺寸和/或位置，这些其他的方式可以取决于用于悬浮显示的光学成像系统的具体配置和结构。替代地，在图27所示的示例中，也可以通过转动一维回射屏来改变光照区域的位置。
200.以上详细描述了根据本发明的示例性实施例的用于悬浮显示的改进装置。采用该装置，能够实现基于用户的脸部特征位置变化来改变主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而保证用户观察到的悬浮图像的位置和/或尺寸基本上不变化，提高用户观看悬浮图像时的舒适性。
201.根据本发明的实施例，还提供了一种用于悬浮显示的方法。参考图28，图28是根据本发明实施例的用于悬浮显示的方法2800的流程图。该实施例以该方法2800应用于图22所示的装置2200来举例说明。如图28所示，根据本发明实施例的用于悬浮显示的方法2800可以包括以下步骤s2810至s2850。
202.在步骤s2810中，在光学成像系统的物面上形成物面图像。
203.光学成像系统可以被配置成在其物面上接收构成物面图像的光以在其输出像平面处呈现悬浮图像。光学成像系统可以包括用于沿特定方向发散光的主散射屏，所述特定方向与光学成像系统的光轴正交。构成物面图像的光在光学成像系统中传播并且到达主散射屏以在主散射屏上形成光照区域。步骤s2810可以例如通过上文中描述的图像显示单元来实现。
204.在步骤s2830中，检测用户的特征信息。步骤s2830可以例如通过上文中描述的检测单元来实现。
205.在步骤s2850中，基于所述特征信息的变化来根据所述光学成像系统的信息改变所述主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而使得所述悬浮图像的至少一个属性基本上保持不变。步骤s2850可以例如通过上文中描述的控制单元来实现。
206.采用该方法，通过基于用户的脸部特征位置来调整主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置，从而在用户眼睛的位置发生变化的情况下保证观察到的悬浮图像具有基本上相同的尺寸和/或位置，提高用户观看悬浮图像时的舒适性。
207.在本发明的一些实施例中，悬浮图像的至少一个属性可以包括悬浮图像的位置和尺寸。
208.在本发明的一些实施例中，可以通过以下方式来改变主散射屏上的光照区域的尺寸和/或位置：调整形成在物面上的物面图像的尺寸和/或位置。
209.在本发明的一些实施例中，光学成像系统还可以包括至少一个成像单元，至少一个成像单元在光轴上介于物面与主散射屏之间，其中至少一个成像单元在特定方向上具有焦距；并且可以通过以下方式来改变主散射屏上的光照区域的大小和/或位置：调整至少一个成像单元的焦距从而改变光照区域相对于物面图像的放大率。例如，至少一个成像单元可以包括变焦透镜，并且能够通过加电的方式改变变焦透镜的焦距。
210.在本发明的一些实施例中，光学成像系统还可以包括光学反射元件，光学反射元件在光轴上介于物面与主散射屏之间，光学反射元件相对于特定方向以一角度对来自物面的光进行反射；并且可以通过以下方式来改变主散射屏上的光照区域的大小和/或位置：调整角度从而在特定方向上改变光照区域的位置。
211.在本发明的一些实施例中，可以根据所获取的脸部图像来计算人眼坐标，并且特征信息包括人眼坐标。
212.在本发明的一些实施例中，光学成像系统的信息可以包括：光学成像系统的物面图像与主散射屏上的光照区域之间的映射关系，和/或光学成像系统内的可调光学元件的可变参数范围。
213.可选地，方法2800还可以包括以下步骤：在光学成像系统的物面上形成物面图像之前，检测用户的特征信息并且基于特征信息来设定物面图像的位置与尺寸和/或至少一个成像单元的焦距。
214.至此，描述了根据本发明的用于悬浮显示的装置和方法。
215.通过本发明，能够实现基于用户的脸部特征位置变化来改变悬浮图像的显示位置和大小，从而保证用户观察到的悬浮图像基本上不变化，提高用户观看悬浮图像时的舒适性。
216.应当理解，上述说明是示意性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各方面)可以彼此结合起来使用。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改，以使特定的状况或材料适应于本发明各个实施例的教导。虽然本文所述的材料的尺寸和类型用来限定本发明各个实施例的参数，但是各个实施例并不意味着是限制性的，而是示例性的实施例。在阅读上述说明的情况下，许多其它实施例对于本领域技术人员而言是明显的。因此，本发明的各个实施例的范围应当参考所附权利要求，以及这些权利要求所要求保护的等同形式的全部范围来确定。