[发明专利]一种空中悬浮显示系统

说明书

本发明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；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斜边所在面共面设置，各直角三角形棱镜端面直角边所在面上镀有反射膜。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。

技术领域

本发明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。