基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备

1.本发明涉及图像显示技术领域，尤其涉及一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备。


背景技术：

2.无介质空中悬浮显示方式作为一种新型显示方式，为生活娱乐，工业生产，科学研究等各个领域的创造性应用带来更多可能。而无介质空中三维悬浮显示可以将三维图像悬浮到空中，为观察者提供一种观察真实物体的观看体验。在展览展示中，三维悬浮显示可以代替传统的实体广告板，促进产品推广及商业宣传。在工业生产的现场，三维悬浮显示可以使生产者更加方便的进行各种生产操作。尤其是在目前5g商用的大环境下，三维悬浮显示更是能为云生态、物联网、车联网和远程医疗等新兴领域带来更多有价值的应用。因此，能够实现一个可提供大视角、高清晰度和高对比度的悬浮三维图像的悬浮装置具有重要意义。
3.目前，传统能够实现大视角的悬浮系统采用最多的方案是利用显示源、45
°
倾斜放置的分光器件，以及对向反射元件来形成悬浮图像。然而，由于逆反射膜并不是专业的光学成像器件，容易导致由逆反射膜形成的悬浮像存在图像严重模糊的问题，因此，现有的悬浮显示系统仍然存在清晰度差的问题。图1为现有技术提供的光线反射的效果示意图，如图1所示，光线入射到构成逆反射膜的阵列结构(小球结构、棱镜结构或其他结构)中时，存在严重像差，其汇聚点并不是一个理想光点而是一个光斑，光斑尺寸越大，图像就会越模糊，从而导致由逆反射膜形成的悬浮像存在严重的图像模糊问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，用以解决现有技术中悬浮图像存在图像模糊的问题。
5.本发明提供一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，包括：三维显示源、分光镜和同心球悬浮器件阵列；
6.其中，所述同心球悬浮器件阵列与所述三维显示源垂直；所述分光镜与所述三维显示源的夹角为30
°‑
60
°
；所述同心球悬浮器件阵列和形成的悬浮三维图像分别位于所述分光镜的两侧；
7.同心球悬浮器件阵列为同心球悬浮器件组成的阵列结构，同心球悬浮器件包括第一表面、第二表面、第三表面、第四表面和第五表面；靠近所述分光镜一侧是所述第一表面，所述第一表面是折射表面；背离所述分光镜且靠近所述第一表面的是所述第二表面，所述第二表面是折射表面；所述第三表面位于所述第二表面与所述第四表面之间，所述第三表面是吸收表面；背离所述分光镜且靠近所述第三表面的是所述第四表面，所述第四表面是折射表面；背离所述分光镜且靠近所述第四表面是所述第五表面，所述第五表面是反射表面。
8.根据本发明提供的一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，所述同心球悬浮器件由两个半径不等的同心球组成；所述同心球悬浮器件的占空比在(0.1，0.8)区间范围内；所述占空比为所述同心球悬浮器件内较小同心球的半径与较大同心球的半径间的比值。
9.根据本发明提供的一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，所述同心球的半径在(0mm，10mm)区间范围内；所述同心球悬浮器件由不同折射率的材料填充而成。
10.根据本发明提供的一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，所述分光镜为光学分光镜；
11.所述分光镜中心点到所述三维显示源的距离与所述分光镜中心点到所述同心球悬浮器件阵列的距离之和大于50mm。
12.根据本发明提供的一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，所述光学分光镜的透射率范围是：10％～70％，所述光学分光镜的反射率范围是：30％～90％。
13.根据本发明提供的一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，所述分光镜为偏振分光镜；
14.所述悬浮三维显示设备还包括四分之一波长相位调制器件，或，还包括四分之一波长相位调制器件和线偏光片；
15.其中，所述线偏光片位于所述偏振分光镜与所述三维显示源之间，且与所述三维显示源平行；所述四分之一波长相位调制器件位于所述偏振分光镜和所述同心球悬浮器件阵列之间，且与所述同心球悬浮器件阵列平行。
16.根据本发明提供的一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，所述偏振分光镜中心点到所述线偏光片的距离、所述偏振分光镜中心点到所述四分之一波长相位调制器件的距离、所述线偏光片到所述三维显示源的距离，以及所述四分之一波长相位调制器件到所述同心球悬浮器件阵列的距离之和大于50mm。
17.根据本发明提供的一种基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，入射到所述四分之一波长相位调制器件的线偏振光振动方向与所述四分之一波长相位调制器件的光轴方向之间的夹角为
±
45
°
或
±
135
°
。
18.本发明提供的基于同心球悬浮器件阵列的悬浮三维显示设备，通过设置同心球悬浮器件阵列，对入射光线进行反射，其中同心球悬浮器件可以将入射到第一表面中间部分的小角度入射光线通过第二表面、第四表面和第五表面，再次从第一表面出射，参与形成大视角的悬浮三维图像；而将入射到第一表面边缘部分的大角度入射光线吸收，使其无法出射，从而提高了最终形成的悬浮三维图像的清晰度。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明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。
20.图1为现有技术提供的光线反射的效果示意图；
21.图2为本发明提供的悬浮三维显示设备的结构示意图之一；
22.图3为本发明提供的同心球悬浮器件反射光线的示意图；
23.图4为本发明提供的同心球悬浮器件的结构示意图；
24.图5为本发明提供的偏振分光镜分光的示意图；
25.图6为本发明提供的悬浮三维显示设备的结构示意图之二；
26.图7为本发明提供的悬浮三维显示设备的结构示意图之三；
27.附图标记：
28.a1：三维显示源；a2：分光镜；a3：同心球悬浮器件阵列；
29.a4：悬浮三维图a5：观察者眼睛；面1：第一表面；像；
30.面2：第二表面；面3：第三表面；面4：第四表面；面5：第五表面；r1：较小同心球半径r2：较大同心球半径；
32.n1：较小同心球左n2：较大同心球左半n3：较小同心球右半球半球折射率；球折射率；折射率；
33.n4：较大同心球右b3：线偏光片；b4：四分之一波长相位半球折射率；调制器件。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
35.图2为本发明实施例提供的悬浮三维显示设备的结构示意图之一，如图2所示，该设备包括：三维显示源a1、分光镜a2和同心球悬浮器件阵列a3；
36.其中，同心球悬浮器件阵列a3与三维显示源a1垂直；分光镜与三维显示源的夹角为30
°‑
60
°
；同心球悬浮器件阵列和形成的悬浮三维图像分别位于分光镜的两侧；
37.同心球悬浮器件阵列a3为同心球悬浮器件组成的阵列结构，同心球悬浮器件包括第一表面、第二表面、第三表面、第四表面和第五表面；靠近分光镜a2一侧是第一表面，第一表面是折射表面；背离分光镜a2且靠近第一表面的是第二表面，第二表面是折射表面；第三表面位于第二表面与第四表面之间，第三表面是吸收表面；背离分光镜a2且靠近第三表面的是第四表面，第四表面是折射表面；背离分光镜a2且靠近第四表面是第五表面，第五表面是反射表面。
38.具体地，三维显示源a1为系统提供三维图像源，三维显示源a1发出的光线首先入射到分光镜a2上，被分光镜a2部分反射后入射到同心球悬浮器件阵列a3。其中，同心球悬浮器件阵列a3与三维显示源a1垂直；如图2所示，分光镜a2与三维显示源a1的夹角α1为30
°
～60
°
。三维显示源a1为系统提供三维内容源，为观察者提供观看内容。三维显示源a1可以是基于狭缝光栅制作的3d显示器，可以是基于柱透镜光栅制作的3d显示器，可以是基于透镜阵列制作的3d显示器，可以是基于光学全息方式制作的3d显示器，可以是基于偏振光立体眼镜制作的3d显示器，也可以是由棱镜组成的金字塔形状的3d显示器。
39.同心球悬浮器件阵列a3是由同心球悬浮器件组成的阵列结构。如图2所示，同心球悬浮器件是一种同心球结构，由两个同心球构成，其同心球是由固定折射率材料制作而成，具有五个表面，即第一表面(即图2中的面1)、第二表面(即图2中的面2)、第三表面(即图2中
的面3)、第四表面(即图2中的面4)和第五表面(即图2中的面5)。其中，靠近分光镜a2一侧是第一表面，即第一表面为较大同心球中靠近分光镜的表面，第一表面是折射表面；背离分光镜a2且靠近第一表面的是第二表面，即第二表面为较小同心球中靠近第一表面的表面，第二表面是折射表面；第三表面位于第二表面与第四表面之间，是两个同心球之间的表面，第三表面是吸收表面；背离分光镜a2且靠近第三表面的是第四表面，即第四表面为较小同心球中背离分光镜且靠近第三表面的表面，第四表面是折射表面；背离分光镜a2且靠近第四表面是第五表面，即第五表面为较大同心球中背离分光镜且靠近第四表面的表面，第五表面是反射表面。
40.面1首先对入射光线进行折射调制，被面1折射调制后的光线分为两部分，其中入射到面1中间部分的小角度入射光线会被折射到面2上，面2对这部分光线同样进行折射调制，被面2折射调制后的光线入射到面4，面4再次对光线进行折射调制，被面4折射调制后的光线入射到面5，入射到面5上的光线被反射，再依次穿过面4，面2和面1，最终从面1出射，在分光镜的另一侧形成大视角的悬浮三维图像a4，被观察者眼睛a5接收；而入射到面1边缘部分的大角度入射光线，被面1调制后会入射到面3并被面3吸收，无法出射。通过同心球悬浮器件对入射到面1上不同角度光线的选择性反射和吸收，将大角度入射的光线吸收，消除了由于大角度入射光线引起的严重像差，提高了悬浮三维图像的清晰度；同时保证小角度入射的光线参与形成悬浮三维图像，保证了悬浮三维图像的可视范围与显示亮度。
41.图3为本发明实施例提供的同心球悬浮器件反射光线的示意图，如图3所示，在悬浮三维显示设备中，面1的作用有两个：
42.对三维显示源a1发出的并经过分光镜a2反射的光线折射调制，其中将小角度光线o4o5折射并入射到面2上，大角度光线o1o2折射并入射到面3上；
43.将被面2反射调制后的光线o10o11再次折射并从面1出射形成o11o12，参与悬浮三维图像的形成。
44.面2是折射表面，能对入射到面2上的光线进行折射调制，其作用是：
45.将被面1折射并入射到面2上的光线o5o6再次折射形成光线o6o7，并入射到面4上；
46.将被面5反射调制后的光线o9o10折射形成o10o11，并从面2出射。
47.面3是吸收表面，能够对入射到面3的光线进行吸收，其作用是：将被面1折射后并入射到面3上的光线o2o3吸收，不再出射。
48.面4是折射表面，能对入射到面2上的光线进行折射调制，其作用是：
49.将被面2折射并入射到面4上的光线o6o7再次折射形成光线o7o8，并入射到面5上；
50.将被面5反射调制后的光线o8o9折射形成o9o10，并从面4出射。
51.面5是反射表面，能对入射到面5上的光线进行反射调制，其作用是：将被面4折射并入射到面5上的光线o7o8反射形成光线o8o9，并入射到面4上。
52.同心球悬浮器件可以通过uv固化成型工艺制作，所用材料为uv胶。此外，还可以用热压成型的工艺制作，其材料可以是塑料树脂材料(如pmma，pc，coc，polycarb等)；也可以是传统磨削等冷加工工艺制作，材料可以是各种玻璃材料(如冕牌玻璃，火石玻璃，重冕玻璃，重火石玻璃或是la系玻璃等)；透射表面可以镀光学膜(例如增透减反膜)来改善结构的光学性能，反射表面需要镀反射膜来达到反射光线的效果。吸收表面需要做吸收处理来达到吸收光线的效果。
53.本发明实施例提供的设备，通过设置同心球悬浮器件阵列，对入射光线进行反射，其中同心球悬浮器件可以将入射到第一表面中间部分的小角度入射光线通过第二表面、第四表面和第五表面，再次从第一表面出射，参与形成大视角的悬浮三维图像；而将入射到第一表面边缘部分的大角度入射光线吸收，使其无法出射，从而提高了最终形成的悬浮三维图像的清晰度。
54.基于上述任一实施例，同心球悬浮器件由两个半径不等的同心球组成；同心球悬浮器件的占空比在(0.1，0.8)区间范围内；占空比为同心球悬浮器件内较小同心球的半径与较大同心球的半径间的比值。
55.具体地，图4为本发明实施例提供的同心球悬浮器件的结构示意图，如图4所示，同心球悬浮器件是由两个半径不等(r1≠r2)的同心球组成，面3的宽度为d1。为了提升悬浮3d图像质量同时使悬浮3d图像亮度下降不严重，这里提出占空比概念。此处，设定同心球悬浮器件的占空比为r1/r2，且限定0.1<r1/r2<0.8，以在提升悬浮三维图像清晰度的同时尽量降低悬浮三维图像亮度的下降程度。
56.基于上述任一实施例，同心球的半径在(0mm，10mm)区间范围内；同心球悬浮器件由不同折射率的材料填充而成。
57.具体地，如图4所示，半径r1的范围可以是0mm<r1<10mm，半径r2的范围也可以是0mm<r2<10mm，且r1<r2。此外，同心球悬浮器件可以由不同折射率材料填充而成，如图4所示，较小同心球中面向面4的左半球和面向面2的右半球的填充材料折射率为n1和n3，较大同心球中面向面5的左半球和面向面1的右半球的填充材料折射率为n2和n4，且n1、n2、n3和n4可以相同也可以不同。其中，各填充材料的折射率范围是：2≥n1＞1、2≥n2＞1、2≥n3＞1和2≥n4＞1。
58.基于上述任一实施例，分光镜为光学分光镜；分光镜中心点到三维显示源的距离与分光镜中心点到同心球悬浮器件阵列的距离之和大于50mm。
59.具体地，光学分光镜是一种能对光线进行部分透射和部分反射且偏振无关的光学器件，其基底材料应是透明玻璃、透明塑料或者其他种类透明材料，再在基底表面镀膜达到对光线进行部分透射和部分反射的功能。器件尺寸和厚度可以根据实际需求来制定。
60.如图2所示，分光镜中心点到三维显示源的距离为l1，分光镜中心点到同心球悬浮器件阵列的距离为l2。为了优化悬浮显示效果，可以在放置分光镜、三维显示源和同心球悬浮器件阵列时，将l1和l2的和设置为大于50mm。
61.基于上述任一实施例，光学分光镜的透射率范围是：10％～70％，光学分光镜的反射率范围是：30％～90％。
62.具体地，光学分光镜的透射率范围是：1％
‑
99％，优选的透射率范围是：10％～70％，其反射率范围是：1％
‑
99％，优选的反射率范围是：30％～90％。
63.基于上述任一实施例，分光镜为偏振分光镜；
64.悬浮三维显示设备还包括四分之一波长相位调制器件，或，还包括四分之一波长相位调制器件和线偏光片；
65.其中，线偏光片位于偏振分光镜与三维显示源之间，且与三维显示源平行；四分之一波长相位调制器件位于偏振分光镜和同心球悬浮器件阵列之间，且与同心球悬浮器件阵列平行。
66.具体地，分光镜为偏振分光镜。偏振分光镜是一种偏振相关的能对特定振动方向的线偏振光高效率反射，而对另一特定振动方向的线偏振光高效率透射的光学器件。图5为本发明实施例提供的偏振分光镜分光的示意图，如图5所示，偏振分光镜可以针对特定振动方向的线偏振光反射，此时，对于被反射的线偏振光来说，偏振分光镜的作用类似于反射镜(如图5左侧所示)；还可以针对特定振动方向的线偏振光透射，此时，对于被透射的线偏振光来说，偏振分光镜的作用类似于透明板(如图5右侧所示)。
67.当三维显示源a1本身发出的光即是线偏振光时，图6为本发明实施例提供的悬浮三维显示设备的结构示意图之二，如图6所示，该设备可以包括三维显示源、偏振分光镜、同心球悬浮器件阵列、四分之一波长相位调制器件。其中，四分之一波长相位调制器件位于偏振分光镜和同心球悬浮器件阵列之间，且与同心球悬浮器件阵列平行。
68.此外，图7为本发明实施例提供的悬浮三维显示设备的结构示意图之三，如图7所示，该设备包括三维显示源、偏振分光镜、同心球悬浮器件阵列、四分之一波长相位调制器件和线偏光片。其中，线偏光片位于偏振分光镜与三维显示源之间，且与三维显示源平行；四分之一波长相位调制器件位于偏振分光镜和同心球悬浮器件阵列之间，且与同心球悬浮器件阵列平行。若三维显示源a1发出的光是线偏振光，则可以将线偏光片b3的透光轴方向设置为与三维显示源a1发出的线偏振光振动方向相同。此处，线偏光片b3是一种能将任意状态的光线转换为振动方向与线偏光片透光轴方向平行的线偏振光的器件，其作用是将三维显示源a1发出的光转换为线偏振光。偏振分光镜可以针对振动方向与线偏光片b3透光轴方向平行的线偏振光反射，针对振动方向与线偏光片b3透光轴方向垂直的线偏振光透射。四分之一波长相位调制器件b4是一种能对入射的偏振光产生四分之一波长相位延迟的光学器件，该器件的特点是存在光轴。如果入射的是线偏振光，则可以将线偏振光转换为圆偏振光，如果入射的是圆偏振光，则可以将圆偏振光转换为线偏振光。
69.通过设置偏振分光镜，并添加四分之一波长相位调制器件和线偏光片，或者在三维显示源a1本身发出的光即是线偏振光时，去除线偏光片或将线偏光片b3的透光轴方向设置为与三维显示源a1发出的线偏振光振动方向相同，可以提高悬浮三维图像的亮度。
70.本发明实施例提供的设备，通过设置偏振分光镜，并添加四分之一波长相位调制器件和线偏光片，或者在三维显示源a1本身发出的光即是线偏振光时，去除线偏光片或将线偏光片b3的透光轴方向设置为与三维显示源a1发出的线偏振光振动方向相同，提高了悬浮三维图像的亮度。
71.基于上述任一实施例，偏振分光镜中心点到线偏光片的距离、偏振分光镜中心点到四分之一波长相位调制器件的距离、线偏光片到三维显示源的距离，以及四分之一波长相位调制器件到同心球悬浮器件阵列的距离之和大于50mm。
72.具体地，如图7所示，偏振分光镜中心点到线偏光片的距离为l1，偏振分光镜中心点到四分之一波长相位调制器件的距离为l2，线偏光片到三维显示源的距离为l3，以及四分之一波长相位调制器件到同心球悬浮器件阵列的距离为l4。在放置各部件时，可以设置l1、l2、l3和l4之和大于50mm。
73.基于上述任一实施例，入射到四分之一波长相位调制器件的线偏振光振动方向与四分之一波长相位调制器件的光轴方向之间的夹角为
±
45
°
或
±
135
°
。
74.具体地，为了优化悬浮显示效果，可以设置入射到四分之一波长相位调制器件的
线偏振光振动方向与四分之一波长相位调制器件的光轴方向之间的夹角为
±
45
°
或
±
135
°
。
75.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
76.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
77.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。