悬浮显示装置以及包括其的多层显示设备制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种悬浮显示装置和包括其的多层显示设备。该悬浮显示装置包括：图像显示单元，图像显示单元具有图像的显示面且从显示面发出构成初始图像的显示光；以及光学系统，光学系统限定物面和像平面，光学系统被布置成在物面处接收从显示面发出的显示光，其中光学系统包括多个光组，多个光组被配置成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悬浮显示装置的光轴正交，其中光学系统具有孔径光阑以用于在第二方向上约束来自物面的光线，其中显示光在经由光学系统传播后在空中的像平面处形成悬浮图像，其中第一方向的像方孔径角大于第二方向的像方孔径角。像方孔径角。像方孔径角。

【技术实现步骤摘要】
悬浮显示装置以及包括其的多层显示设备


[0001]本文所述的实施例总体上涉及光场三维显示技术，更具体地涉及一种悬浮显示装置以及包括该悬浮显示装置的多层显示设备。

技术介绍

[0002]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。
[0003]常规的悬浮显示技术包括使用回射屏、双层平面镜阵列，凹面镜或集成成像的方式实现悬浮显示。然而，对于回射屏或双层平面镜阵列的方式来说，优点是可以实现大视场，无像差的悬浮显示图像，缺点是回射屏或双层平面镜阵列的加工工艺复杂，成本很高，另外由于需要多次反射，在某些观察角度存在鬼象问题。凹面镜实现悬浮图像的主要问题是在满足大视场的条件下，难以消除场曲、畸变等像差，成像质量差。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。
[0004]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

[0005]本专利技术的示例性实施例的目的正是在于提供这样一种用于悬浮显示装置，其能够在空中形成悬浮图像，同时能够具有较低的制造成本以及更加灵活的光学布局。
[0006]具体地，本专利技术的示例性实施例提供了一种悬浮显示装置，其包括：图像显示单元，所述图像显示单元具有图像的显示面且从所述显示面发出构成初始图像的显示光；以及光学系统，所述光学系统限定物面和像平面，所述光学系统被布置成在所述物面处接收从所述显示面发出的所述显示光，其中所述光学系统包括多个光组，所述多个光组被配置成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悬浮显示装置的光轴正交，其中所述光学系统具有孔径光阑以用于在所述第二方向上约束来自所述物面的光线，其中所述显示光在经由所述光学系统传播后在空中的所述像平面处形成悬浮图像，其中所述第一方向的像方孔径角大于所述第二方向的像方孔径角。
[0007]在上述的示例性实施例的悬浮显示装置中，物面上的点沿第一方向通过多个光组成像的像方孔径角相对较大，以满足双目视差条件，由此可以在像平面处形成悬浮图像。物面上的点沿第二方向通过多个光组成像的像方孔径角相对较小。
[0008]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述多个光组包括：第一光组，所述第一光组设置在所述孔径光阑的光学下游并且包含具有正光焦度的一维光学元件以用于在所述第二方向上会聚光线；和第二光组，所述第二光组包含具有一维光栅结构的共轭成像元件，以用于在所述第一方向上会聚光线。
[0009]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述孔径光阑与所述第一光组
的焦平面之间的距离为d，并且在所述第二方向上的通光尺寸为Dy，该通光尺寸Dy满足以下条件：
[0010][0011]其中，h为所述悬浮图像在所述第二方向上的长度，f为所述第一光组的焦距。
[0012]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述孔径光阑设置在以所述第一光组的焦平面为中心的
±
f范围内。
[0013]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述一维光学元件和共轭成像元件被一体成形为柱面锯齿光栅；并且所述光学系统还包括分光镜，所述分光镜被布置成将来自所述物面的、穿过所述孔径光阑的光反射到所述柱面锯齿光栅的所述一维锯齿结构上，并且将从所述一维锯齿结构反射回的光透射到所述像平面。
[0014]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述一维光学元件为柱面透镜，所述共轭成像元件为一维格栅透射阵列结构，其中所述柱面透镜与所述物面之间的距离被设置在所述柱面透镜的f到2f的范围内。
[0015]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述光学系统还包括第三光组，所述第三光组设置在所述第二光组的光学上游并且包含具有正光焦度的一维光学元件以用于在所述第二方向上调制来自所述物面的光线。
[0016]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，在所述第二方向上，所述第一光组的通光尺寸D1大于等于所述第三光组的通光尺寸D3，所述第一光组的焦距f1大于或等于所述第三光组的焦距f3。
[0017]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述像平面与所述第一光组之间的距离在所述第一光组的一倍焦距之内，即d1≤f1，d1为所述像平面与所述第一光组之间的距离。
[0018]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述具有一维光栅结构的共轭成像元件与所述孔径光阑被整合为单个部件。
[0019]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述第一光组中的一维光学元件为自由曲面镜，所述自由曲面镜布置在所述共轭成像元件的光学下游并且布置成将从所述共轭成像元件出射的光反射到所述像平面处。
[0020]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述第一光组和所述第三光组相对于所述共轭成像元件沿光轴为基本对称设置，并且所述第一光组的焦距基本上等于所述第三光组的焦距。
[0021]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述孔径光阑位于所述第三光组的像方焦平面处，同时位于所述第一光组的物方焦平面处。
[0022]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述共轭成像元件为一维回射屏，所述第一光组中的一维光学元件为布置在所述物面与所述像平面之间的第一凹面镜，所述第一凹透镜的凹面面向所述像平面，所述第三光组中的一维光学元件为凹面面向所述一维回射屏的第二凹面镜，其中所述光学成像系统还包括：第一分光平板，倾斜地设置在所述物面与所述第一凹面镜之间以及所述一维回射屏与所述第二凹面镜之间；第二分光平板，设置在所述第一凹面镜与所述像平面之间。优选地，所述第一分光平板为用于反射s偏
振光而透射p偏振光的偏振分光膜，所述第二分光平板为用于反射s偏振光而透射p偏振光的偏振分光平板，并且所述光学成像系统还包括：第一1/4波片，设置在所述第二凹面镜与所述偏振分光膜之间；第二1/4波片，设置在所述一维回射屏与所述偏振分光膜之间；以及第三1/4波片，设置在所述第一凹面镜与所述偏振分光平板之间。
[0023]较佳地，在上述示例性实施例的悬浮显示装置中，所述共轭成像元件为一维回射屏，所述第一光组中的一维光学元件为布置在所述物面与所述像平面之间的凸透镜，所述凸透镜的凸面面向所述物面，所述第三光组中的一维光学元件为凹面面向所述一维回射屏的凹面镜，其中所述光学成像系统还包括：分光镜，倾斜地设置在所述物面与所述凸透镜之间以及所述一维回射屏与所述凹面镜之间；校正透镜，设置在所述分光镜与所述一维回射屏之间，用于校正所述光学系统的像差。优选地，所述分光镜为用于反射s偏振光而透射p偏振光的偏振分光膜，并且所述光学成像系统还包括：第一1/4波片，设置在所述凹面镜与所述偏振分光膜之间；以及第二1/4波片，设置在所述偏振分光膜与所述校正透镜之间。
[0024]较佳地，在上述示例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种悬浮显示装置，所述悬浮显示装置包括：图像显示单元，所述图像显示单元具有图像的显示面且从所述显示面发出构成初始图像的显示光；以及光学系统，所述光学系统限定物面和像平面，所述光学系统被布置成在所述物面处接收从所述显示面发出的所述显示光，其中所述光学系统包括多个光组，所述多个光组被配置成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悬浮显示装置的光轴正交，其中所述光学系统具有孔径光阑以用于在所述第二方向上约束来自所述物面的光线，其中所述显示光在经由所述光学系统传播后在空中的所述像平面处形成悬浮图像，其中所述第一方向的像方孔径角大于所述第二方向的像方孔径角。2.如权利要求1所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述多个光组包括：第一光组，所述第一光组设置在所述孔径光阑的光学下游并且包含具有正光焦度的一维光学元件以用于在所述第二方向上会聚光线；和第二光组，所述第二光组包含具有一维光栅结构的共轭成像元件，以用于在所述第一方向上会聚光线。3.如权利要求2所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述孔径光阑与所述第一光组的焦平面之间的距离为d，并且在所述第二方向上的通光尺寸为Dy，该通光尺寸Dy满足以下条件：其中，h为所述悬浮图像在所述第二方向上的长度，f为所述第一光组的焦距。4.如权利要求3所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述孔径光阑设置在以所述第一光组的焦平面为中心的
±
f范围内。5.如权利要求3所述的悬浮显示装置，其特征在于：所述一维光学元件和共轭成像元件被一体成形为柱面锯齿光栅；并且所述光学系统还包括分光镜，所述分光镜被布置成将来自所述物面的、穿过所述孔径光阑的光反射到所述柱面锯齿光栅的所述一维锯齿结构上，并且将从所述一维锯齿结构反射回的光透射到所述像平面。6.如权利要求3所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述一维光学元件为柱面透镜，所述共轭成像元件为一维格栅透射阵列结构，其中所述柱面透镜与所述物面之间的距离被设置在所述柱面透镜的f到2f的范围内。7.如权利要求3所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述光学系统还包括第三光组，所述第三光组设置在所述第二光组的光学上游并且包含具有正光焦度的一维光学元件以用于在所述第二方向上调制来自所述物面的光线。8.如权利要求7所述的悬浮显示装置，其特征在于，在所述第二方向上，所述第一光组的通光尺寸D1大于等于所述第三光组的通光尺寸D3，所述第一光组的焦距f1大于或等于所述第三光组的焦距f3。9.如权利要求7所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述像平面与所述第一光组之间的
距离在所述第一光组的一倍焦距之内，即d1≤f1，d1为所述像平面与所述第一光组之间的距离。10.如权利要求7所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述具有一维光栅结构的共轭成像元件与所述孔径光阑被整合为单个部件。11.如权利要求7所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述第一光组中的一维光学元件为自由曲面镜，所述自由曲面镜布置在所述共轭成像元件的光学下游并且布置成将从所述共轭成像元件出射的光反射到所述像平面处。12.如权利要求7所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述孔径光阑位于所述第三光组的像方焦平面处，同时位于所述第一光组的物方焦平面处。13.如权利要求10所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述第一光组和所述第三光组相对于所述共轭成像元件沿光轴为基本对称设置，并且所述第一光组的焦距基本上等于所述第三光组的焦距。14.如权利要求13所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述共轭成像元件为一维回射屏，所述第一光组中的一维光学元件为布置在所述物面与所述像平面之间的第一凹面镜，所述第一凹透镜的凹面面向所述像平面，所述第三光组中的一维光学元件为凹面面向所述一维回射屏的第二凹面镜，其中所述光学成像系统还包括：第一分光平板，倾斜地设置在所述物面与所述第一凹面镜之间以及所述一维回射屏与所述第二凹面镜之间；第二分光平板，设置在所述第一凹面镜与所述像平面之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛磊，
申请(专利权)人：上海誉沛光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：