光学成像组件、光学成像模块和装置的制作方法

本文所述的实施例总体上涉及光场三维显示技术，更具体地涉及一种光学成像组件、光学成像模块、悬浮显示装置和多层显示设备。

背景技术：

1、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。

2、常规的悬浮显示技术包括使用回射屏、透镜组或集成成像的方式实现悬浮显示。然而，对于回射屏或透镜组的方式来说，显示系统体积大，并且随着悬浮图像的增大，显示系统的体积也需要增大；对于集成成像的方式来说，需要有很多微显示单元在空间中投射形成悬浮图像，很难实现较高的分辨率，同时屏幕成本太高。

3、另外，对于不同的场景需求，悬浮图像的所需尺寸有所不同。在现有技术中，虽然存在上述各种各样的悬浮显示技术，但是悬浮显示装置所显示的悬浮图像的尺寸一般在厂商设计阶段就会被限定，在使用时无法调整。如此，当用户根据不同的应用场景期望呈现不同尺寸的悬浮图像时，通常需要购买不同尺寸的悬浮显示装置。对于悬浮显示装置的厂商而言，需要针对不同用户需求设计出不同的悬浮显示装置(特别是设计出不同的光学系统来适配不同尺寸的图像显示单元)，逐一适配，从而消耗很大的人力和物力。

4、因此，本领域需要一种新的用于悬浮显示的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的示例性实施例的目的正是在于提供这样一种光学成像组件，其能够以简单的结构实现悬浮显示。

2、具体地，本发明的示例性实施例提供了一种光学成像组件，所述光学成像组件包括：透明的光调制部件，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；分光层，形成在所述光调制部件内，所述分光层具有微结构单元阵列，所述微结构单元阵列中的每一个微结构单元具有至少两个表面，所述至少两个表面相互垂直并且于其上形成有第一分光膜，所述微结构单元阵列用于在至少第一方向上对光线进行回射以使所述光线按入射方向返回；以及第二分光膜；其中入射到所述光调制部件的所述第一表面和所述第二表面中的一者的图像光经由所述分光层和所述第二分光膜进行光调制而从所述第一表面和所述第二表面中的另一者出射，所述光调制包括由所述微结构单元阵列进行回射、由所述第二分光膜进行反射以及由所述微结构单元阵列进行透射。

3、在上述光学成像系统中，具有较大发散角的图像光沿第一方向通过成像组件成像的像方孔径角相对较大并且不产生像差，满足双目视差条件，由此可以在空中形成悬浮图像，同时该系统的结构简单易于加工。

4、较佳地，每一个微结构单元为二面角元件，其具有形成直角的两个相邻表面；或者每一个微结构单元为角隅棱镜元件，其具有三个相互垂直的相邻表面。

5、较佳地，所述第一分光膜和所述第二分光膜中的一者为偏振分光膜，另一者为光强分光膜。

6、较佳地，所述偏振分光膜的偏振轴向与所述第一方向的夹角成45度或135度设置。

7、较佳地，所述光学成像组件还包括相位延迟片，布置在所述光调制部件与所述第二分光膜之间。可选地，所述相位延迟片为四分之一波片。

8、较佳地，所述第二分光膜为偏振分光膜，并且布置在所述光调制部件的所述第一表面的外侧或者布置在光调制部件的第一表面与分光层之间。

9、较佳地，所述第一分光膜为偏振分光膜，并且所述第二分光膜布置在所述光调制部件的所述第二表面的外侧或者布置在光调制部件的第二表面与分光层之间。

10、较佳地，所述光学成像组件还包括偏光片或偏光片与相位延迟片的组合，布置在所述光调制部件的所述第二表面的外侧。可选地，所述光学成像组件还包括：线偏光片或圆偏光片，用于减少所述偏振分光膜对环境光的反射。

11、较佳地，所述分光层将所述光调制部件划分为第一介质部分和第二介质部分，所述第一介质部分和所述第二介质部分具有相同的折射率。可选地，所述第一介质部分和所述第二介质部分的折射率介于1.3与1.8之间。可选地，所述光调制部件与所述第二分光膜之间存在多种介质，所述多种介质的折射率与所述第一介质部分和所述第二介质部分的折射率之差小于0.3。可选地，所述第一介质部分和所述第二介质部分由各向同性的材料形成。

12、较佳地，所述微结构单元阵列沿平面或曲面形成。

13、较佳地，所述光学成像组件的物面和像面相对于所述分光层为基本对称设置。

14、较佳地，所述光调制部件用于在所述第一方向上进行成像，所述光学成像组件还包括用于在第二方向上进行成像的成像光组，所述第一方向和所述第二方向分别与所述光学成像组件的光轴正交。可选地，其特征在于，所述微结构单元阵列为一维直角光栅阵列，并且所述光调制部件与透镜形成为一体，所述透镜用于在第二方向上对所述成像光进行调制。可选地，所述成像光组包括一个或多个透镜。可选地，所述一个或多个透镜中的一个透镜在所述第二方向为所述光学成像组件的第二方向孔径光阑。可选地，所述一个透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的齿与齿之间为等间距设置。

15、较佳地，所述光学成像组件还可以包括一维格栅透射阵列，所述微结构单元阵列为一维直角光栅阵列，所述一维格栅透射阵列与所述一维直角光栅阵列基本上正交。较佳地，所述光强分光膜是消偏振光强分光膜，其中∣rs-rp∣≤10％。

16、较佳地，所述第二分光膜与所述分光层之间的间距介于0～100μm之间。

17、较佳地，所述光学成像系统还包括：滤光元件，位于所述第一分光膜与所述第二分光膜之间，用于通过预定角度范围的光线。

18、根据本发明的另一示例性实施例，还提供了一种用于悬浮显示的光学成像模块，其特征在于，所述光学成像模块包括：两个如上所述的光学成像组件，并且第一光学成像组件中的第一微结构单元阵列相对于第二光学成像组件中的第二微结构单元阵列基本上正交设置，并且所述第一微结构单元和所述第二微结构单元中的每一个微结构单元为二面角元件。

19、根据本发明的又一示例性实施例，还提供了一种悬浮显示装置，包括：一个或多个如权上所述的光学成像组件和/或一个或多个如上所述的光学成像模块；以及图像显示模块，所述图像显示模块被配置为发出所述图像光。

20、较佳地，所述图像显示模块为三维显示器。

21、根据本发明的又另一示例性实施例，还提供了一种多层显示设备，包括：如上所述的悬浮显示装置；以及透明显示装置，被设置在所述悬浮显示装置的光学下游，其中所述透明显示装置的显示面与悬浮图像面位于不同的位置处。

22、较佳地，所述透明显示装置包括透明显示器或通过将图像投影到透明/半透明薄膜上来实现。

23、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。

技术特征：

1.一种光学成像组件，其特征在于，所述光学成像组件包括：

2.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于：

3.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于，所述第一分光膜和所述第二分光膜中的一者为偏振分光膜，另一者为光强分光膜。

4.如权利要求3所述的光学成像组件，其特征在于，所述偏振分光膜的偏振轴向与所述第一方向的夹角成45度或135度设置。

5.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于，所述光学成像组件还包括相位延迟片，布置在所述光调制部件与所述第二分光膜之间。

6.如权利要求5所述的光学成像组件，所述相位延迟片为四分之一波片。

7.如权利要求3所述的光学成像组件，其特征在于，所述第二分光膜为偏振分光膜，并且布置在所述光调制部件的所述第一表面的外侧或者布置在光调制部件的第一表面与分光层之间。

8.如权利要求3所述的光学成像组件，其特征在于，所述第一分光膜为偏振分光膜，并且所述第二分光膜布置在所述光调制部件的所述第二表面的外侧或者布置在光调制部件的第二表面与分光层之间。

9.如权利要求3所述的光学成像组件，其特征在于，所述光学成像组件还包括偏光片或偏光片与相位延迟片的组合，布置在所述光调制部件的所述第二表面的外侧。

10.如权利要求3所述的光学成像组件，其特征在于，所述光学成像组件还包括：线偏光片或圆偏光片，用于减少所述偏振分光膜对环境光的反射。

11.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于，所述分光层将所述光调制部件划分为第一介质部分和第二介质部分，所述第一介质部分和所述第二介质部分具有相同的折射率。

12.如权利要求11所述的光学成像组件，其特征在于，所述第一介质部分和所述第二介质部分的折射率介于1.3与1.8之间。

13.如权利要求11所述的光学成像组件，其特征在于，所述光调制部件与所述第二分光膜之间存在多种介质，所述多种介质的折射率与所述第一介质部分和所述第二介质部分的折射率之差小于0.3。

14.如权利要求11所述的光学成像组件，其特征在于，所述第一介质部分和所述第二介质部分由各向同性的材料形成。

15.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于，所述微结构单元阵列沿平面或曲面形成。

16.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于，所述光学成像组件的物面和像面相对于所述分光层为基本对称设置。

17.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于，所述光调制部件用于在所述第一方向上进行成像，所述光学成像组件还包括用于在第二方向上进行成像的成像光组，所述第一方向和所述第二方向分别与所述光学成像组件的光轴正交。

18.如权利要求17所述的光学成像组件，其特征在于，所述微结构单元阵列为一维直角光栅阵列，并且所述光调制部件与透镜形成为一体，所述透镜用于在第二方向上对所述成像光进行调制。

19.如权利要求17所述的光学成像组件，其特征在于，所述成像光组包括一个或多个透镜。

20.如权利要求19所述的光学成像组件，其特征在于，所述一个或多个透镜中的一个透镜在所述第二方向为所述光学成像组件的第二方向孔径光阑。

21.如权利要求20所述的光学成像组件，其特征在于，所述一个透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的齿与齿之间为等间距设置。

22.如权利要求1所述的光学成像组件，其特征在于，所述光学成像组件还可以包括一维格栅透射阵列，所述微结构单元阵列为一维直角光栅阵列，所述一维格栅透射阵列与所述一维直角光栅阵列基本上正交。

23.如权利要求3所述的光学成像组件，其特征在于，所述光强分光膜是消偏振光强分光膜，其中∣rs-rp∣≤10％。

24.如权利要求1-23中任一项所述的光学成像组件，其特征在于，所述第二分光膜与所述分光层之间的间距介于0～100μm之间。

25.如权利要求1-23中任一项所述的光学成像组件，其特征在于，所述光学成像系统还包括：滤光元件，位于所述第一分光膜与所述第二分光膜之间，用于通过预定角度范围的光线。

26.一种用于悬浮显示的光学成像模块，其特征在于，所述光学成像模块包括：两个如权利要求1-16和23-25中任一项所述的光学成像组件，并且第一光学成像组件中的第一微结构单元阵列相对于第二光学成像组件中的第二微结构单元阵列基本上正交设置，并且所述第一微结构单元和所述第二微结构单元中的每一个微结构单元为二面角元件。

27.一种悬浮显示装置，包括：

28.如权利要求27所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述图像显示模块为三维显示器。

29.一种多层显示设备，包括：

30.如权利要求29所述的多层显示设备，其特征在于，所述透明显示装置包括透明显示器或通过将图像投影到透明/半透明薄膜上来实现。

技术总结
本发明涉及一种用于悬浮显示的光学成像组件、光学成像模块、悬浮显示装置和多层显示设备。该光学成像组件包括：透明的光调制部件，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；分光层，形成在光调制部件内，分光层具有微结构单元阵列，微结构单元阵列中的每一个微结构单元具有至少两个表面，至少两个表面相互垂直并且于其上形成有第一分光膜，微结构单元阵列用于在至少第一方向上对光线进行回射以使该光线按入射方向返回；以及第二分光膜。

技术研发人员：牛磊
受保护的技术使用者：上海誉沛光电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14