CN207676027U - 空气中成像全息显示装置 - Google Patents

Abstract

一种空气中成像全息显示装置，其特征在于，其包括箱体、图像源装置、凸透镜装置及反射装置，图像源装置设于箱体内，其用于提供成像用的图像光；凸透镜装置设于箱体内，其用于对图像光进行折射成像；反射装置设于箱体内，其用于将图像源装置发出的图像光反射至凸透镜装置，其设于图像源装置的图像光的出射光路上；凸透镜装置设于图像源装置的图像光经反射装置反射后的反射光路上，且图像源装置发出的图像光抵达凸透镜装置时所经历的光路距离大于凸透镜装置的焦距。本实用新型的空中成像装置，其能将图像源装置的图像成像在空中进行显示，其无须光屏便可直接呈现在空中，人们在特定的范围内便能观察到具有真实感以及融入环境感的逼真、清晰的影像。

Description

空气中成像全息显示装置

【技术领域】

本实用新型涉及光学领域，特别涉及一种空气中成像全息显示装置。

【背景技术】

传统投影是将影像直接成像在一个不透明或者透明的屏幕平面上，这种投影的结果是2D平面影像，其没有立体或全息观赏效果。为提高观赏效果，现已有部分用于大型舞台的全息投影成像系统，其投影效果逼真，但是，这种系统结构相当复杂，而且价格十分昂贵，其应用场景十分有限。而现有的针对一般商用和家用的空中成像装置，其虽然结构简单，但是其无法获得高对比度、高亮度的的影像，其难以让观看者看到清晰的、高对比度的、具有真实感以及融入环境感的逼真影像。因此，现有的空中成像装置，缺少一种结构简单且成像清晰逼真的产品。

【实用新型内容】

本实用新型旨在解决上述问题，而提供一种结构简单、易于制造、且成像清晰、成像画面对比度高的空中成像装置。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种空气中成像全息显示装置，其特征在于，其包括箱体、图像源装置、凸透镜装置及反射装置，所述图像源装置设于所述箱体内，其用于提供成像用的图像光；所述凸透镜装置设于所述箱体内，其用于对图像光进行折射成像；所述反射装置设于所述箱体内，其用于将所述图像源装置发出的图像光反射至所述凸透镜装置，其设于所述图像源装置的图像光的出射光路上；所述凸透镜装置设于所述图像源装置的图像光经反射装置反射后的反射光路上，且所述图像源装置发出的图像光抵达所述凸透镜装置时所经历的光路距离大于所述凸透镜装置的焦距。

所述图像源装置的图像光的出射光路与其经反射装置反射后的反射光路垂直。

所述反射装置设有反射面，所述反射面与所述图像源装置及凸透镜装置分别呈度角倾斜设置。

所述图像源装置水平设于所述箱体内，所述凸透镜装置竖直设于所述箱体内，所述反射装置倾斜设于所述箱体内，其反射面与水平方向倾斜度角，且该反射面分别朝向所述图像源装置及凸透镜装置。

所述凸透镜装置为菲涅尔透镜。

所述图像源装置发出的图像光抵达所述凸透镜装置时所经历的光路距离大于或等于所述凸透镜装置的2倍焦距。

在所述凸透镜装置的成像侧设有深色透明区域。

在所述箱体的一侧侧壁上设有深色透明区域，所述凸透镜装置设于所述箱体的内壁上，且该凸透镜装置正对所述深色透明区域。

所述箱体为密封式箱体。

本实用新型的有益贡献在于，其有效解决了上述问题。本实用新型的空气中成像全息显示装置通过利用反射装置将图像源装置发出的图像光反射至凸透镜装置上，再利用凸透镜装置进行折射成像，从而可在空中形成倒立的实像。此外，本实用新型通过在凸透镜装置的成像侧设置深色透明区域，利用该深色透明区域来提升空中所成图像的对比度，从而使得观看者可在空中观看到具有真实感以及融入环境感的逼真、清晰的影像。本实用新型的空中成像装置具有结构简单、易于制作、成像清晰、成像画面对比度高的特点，其具有很强的实用性，宜大力推广。

【附图说明】

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的平面结构示意图。

图3是本实用新型的光学原理图，其示出了光点A的成像原理。

图4是本实用新型的光学原理图，其示出了光点B的成像原理。

图5是本实用新型的光学原理图，其示出了图像光AB的成像原理。

箱体10、深色透明区域11、图像源装置20、凸透镜装置30、反射装置40。

【具体实施方式】

下列实施例是对本实用新型的进一步解释和补充，对本实用新型不构成任何限制。

如图1～图5所示，本实用新型的空中成像装置包括箱体10、图像源装置20、凸透镜装置30及反射装置40。

所述箱体10用于集成设置所述图像源装置20、凸透镜装置30及反射装置40。所述箱体10的形状可根据需要而设置。本实施例中，所述箱体10呈长方体形状，其内部用于设置所述凸透镜装置30、图像源装置20及反射装置40。为保证成像效果，所述箱体10为密封式箱体，其可避免外界环境光进入箱体10内而影响成像效果。所述密封应理解成在技术手段尽可能实现的情况下尽量保证密封，其可能是完全密封，也可能是接近完全密封而并不真正的完全密封。

所述图像源装置20用于提供成像用的图像光。凡是能够用于提供成像用的图像光的装置，均可以作为本实用新型的图像源装置20。所述图像源装置20可选用各种公知的图像源装置20，例如，LED显示屏、显示器、投影仪、平板电脑、手机等。所述图像源装置20设于所述箱体10内，其具体位置可根据需要而设置。本实施例中，所述图像源装置20水平设置于所述箱体10的底部内。其他实施例中，所述图像源装置20也可设于所述箱体10的顶部或其他位置处。

所述反射装置40用于将图像源装置20发出的图像光反射至所述凸透镜装置30。所述反射装置40设有反射面，其能对光线进行反射。所述反射装置40设于所述箱体10内，其位于所述图像源装置20的图像光的出射光路上。为减小系统体积，所述反射装置40的反射面优选设置成与所述图像源装置20倾斜45度角。本实施例中，所述反射装置40设于所述箱体10的中部或中上部，其反射面与水平方向倾斜45度角，且该反射面面向所述图像源装置20，从而使得其可将射向该反射面的图像光沿水平方向反射出去。所述反射面的大小根据所述图像源装置20的尺寸及图像源装置20与反射面之间的距离而设定。所述反射面应能将全部的或绝大部分的图像光反射至所述凸透镜装置30。

所述凸透镜装置30用于对图像光进行折射成像，其设于所述图像源装置20的图像光经反射装置40反射后的反射光路上。所述凸透镜装置30的位置，与所述图像源装置20及反射装置40的位置相关，本实施例中，所述凸透镜装置30竖直设置于所述箱体10内，经反射装置40反射后的反射光线水平的射入该凸透镜装置30。所述凸透镜装置30可选用公知的凸透镜装置30，本实施例中，其选用菲涅尔透镜。所述凸透镜装置30的尺寸，可根据情况而设定，其大小应能够使得经反射面反射后的反射光线全部射入至该凸透镜装置30进行折射。本实施例中，所述凸透镜装置30的尺寸与所述图像源装置20的尺寸相匹配。

为保证空中成像，所述图像源装置20、反射装置40及凸透镜装置30之间的距离应满足以下条件：

所述图像源装置20发出的图像光经反射装置40反射后抵达所述凸透镜装置30时，所述图像光所经历的光路距离应大于所述凸透镜装置30的焦距。

对于凸透镜而言，当光源位于凸透镜的2倍焦距以外范围时，所述凸透镜成倒立、缩小的实像；当光源位于凸透镜的2倍焦距位置时，所述凸透镜成倒立、等大的实像；当光源位于凸透镜的1倍焦距和2倍焦距范围内时，所述凸透镜成倒立、放大的实像。

因此，当本实用新型的图像源装置20、反射装置40及凸透镜装置30之间的距离满足上述条件时，所述凸透镜装置30便能成倒立的实像。

为使成像更清晰，本实施例优选所述图像源装置20发出的图像光经反射装置40反射后抵达所述凸透镜装置30时，所述图像光所经历的光路距离大于所述凸透镜装置30的2倍焦距，这样，所述凸透镜装置30便能成倒立、缩小的实像。

为提高空中成像的质量，提高空间图像的对比度，本实施例在所述凸透镜装置30的成像侧设有深色透明区域11。所述深色透明区域11应理解成其可以使光线透过，但是其颜色较深。所述深色透明区域11的面积优选为不小于所述凸透镜装置30的镜面区域的大小。所述深色透明区域11可通过多种方式形成，例如，其可以是固定安装在箱体10上的深色透明板，也可以是箱体10一体形成的。本实施例中，所述箱体10的一侧侧壁由深色透明材料制成，其余各侧壁由不透光材料制成，所述凸透镜装置30设于所述箱体10的由深色透明材料制成的一侧侧壁内。由深色透明材料制成的该侧侧壁，便为本实用新型所述的深色透明区域11。所述深色透明材料包括但不局限于以下的一种或多种：透明黑玻璃、透明黑有机玻璃、透明深黑色亚克力等。

所述深色透明区域11设于所述凸透镜装置30的成像侧，其位于凸透镜装置30与该凸透镜装置30所成的实像之间。用户观看空中图像时，所述深色透明区域11位于所述空中图像的后方，其可充当深色背景，从而有助于提高空中图像的对比度。

藉此，便形成了本实用新型的空中成像装置。为方便说明本实用新型的空中成像装置的工作原理，本实施例以附图所示的方向进行说明。应理解的是，凡涉及到“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“竖直”、“垂直”等方位时，其均属于相对位置关系，其均是相对于附图所示的方向而言的，当用作参考的基准方向发生变化时，本领域技术人员应根据本实施例的方案对其进行相应的替换修改：

如图3～图5所示，图中AB表示图像源装置20发出的图像光，S1S2表示反射装置40的反射面，X1X2表示凸透镜装置30，O表示凸透镜装置30的光心，F表示凸透镜装置30的焦点，2F表示凸透镜装置30的2倍焦点。

如图3～图5所示，工作时，所述图像源装置发出图像光AB，该图像光AB沿垂直方向向上射至所述反射装置的反射面S1S2上，经过反射面S1S2的反射而沿水平方向射入至所述凸透镜装置X1X2进行成像。为方便分析图像光AB的成像原理，现将图像光AB进行等效分析，图3～图5中，光源ab可以认为是图像光AB的等效虚像，其是图像光AB经反射面S1S2反射后的反射光线的反向延长线上的等距离虚像，因此，图像光AB的光学传递效果，与光源ab的光学传递效果相同。

如图3所示，光点a位于凸透镜装置X1X2的两倍焦距外，其发出的光线经过凸透镜装置X1X2的折射后成像于A'处，光点A'便为光点A所成的实像。若在A'处设置光屏，便可以清晰的观看到该实像A'。而本实用新型为空中成像，A'处不设置光屏，此时，经凸透镜装置X1X2折射后的光线经A'点位置后继续沿直线传递，其传递方向如图3中的E、F、G所示。很显然，在锥角EA'G的范围内，人眼可观看到透明的实像A'。

同理，如图4所示，光点b位于凸透镜装置X1X2的两倍焦距外，其发出的光线经凸透镜装置X1X2的折射后成像于B'处，光点B'便为点光B所成的实像，光线经B'点位置后继续沿直线传递，其传递方向如图4所示的G、M、N。在锥角GB'N的范围内，人眼可观看到透明的实像B'。

因此，对于图像光AB，其经凸透镜装置X1X2折射后便会在空中形成倒立、缩小的实像A'B'，由图5可知，在锥角EA'G的范围内人眼可观看到透明的实像A'，在锥角GB'N的范围内人眼可观看到透明的实像B'，其交叠区域为EDN,这说明，在锥角EDN的范围内人眼可观看到透明的实像A'B'。

综上所述，图像光AB经反射面S1S2的反射后射至凸透镜装置X1X2,该光线再经凸透镜装置X1X2的折射后在空中形成倒立缩小的实像A'B',该实像A'B'缺少光屏的依托而继续传递，使得人眼在锥角EDN的范围内可观看到透明的实像，从而使得人眼可在空中观看到由图像光AB所形成的实像。

而由于本实用新型在凸透镜装置的成像侧设有深色透明区域11，当图像光AB在空中形成透明的空中实像A'B'时，人们在观看范围内观看该空中实像A'B'时，透过实像A'B'便会看到所述深色透明区域11，在该深色透明区域11的映衬下，透明的空中实像A'B'的对比度提高，该透明的空中实像A'B'便会显得更加明显而使观看者觉得画面更加清晰，从而实现高质量的空中成像效果。

本实用新型的空中成像装置，其能将图像源装置的图像成像在空中进行显示，其无须光屏便可直接呈现在空中，人们在特定的范围内便能观察到具有真实感以及融入环境感的逼真、清晰的影像。

尽管通过以上实施例对本实用新型进行了揭示，但是本实用新型的范围并不局限于此，在不偏离本实用新型构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。

Claims (9)

1.一种空气中成像全息显示装置，其特征在于，其包括：

箱体(10)；

图像源装置(20)，其设于所述箱体(10)内，其用于提供成像用的图像光；

凸透镜装置(30)，其设于所述箱体(10)内，其用于对图像光进行折射成像；

反射装置(40)，其设于所述箱体(10)内，其用于将所述图像源装置(20)发出的图像光反射至所述凸透镜装置(30)，其设于所述图像源装置(20)的图像光的出射光路上；

所述凸透镜装置(30)设于所述图像源装置(20)的图像光经反射装置(40)反射后的反射光路上，且所述图像源装置(20)发出的图像光抵达所述凸透镜装置(30)时所经历的光路距离大于所述凸透镜装置(30)的焦距。

2.如权利要求1所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，所述图像源装置(20)的图像光的出射光路与其经反射装置(40)反射后的反射光路垂直。

3.如权利要求1所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，所述反射装置(40)设有反射面，所述反射面与所述图像源装置(20)及凸透镜装置(30)分别呈45度角倾斜设置。

4.如权利要求3所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，所述图像源装置(20)水平设于所述箱体(10)内，所述凸透镜装置(30)竖直设于所述箱体(10)内，所述反射装置(40)倾斜设于所述箱体(10)内，其反射面与水平方向倾斜45度角，且该反射面分别朝向所述图像源装置(20)及凸透镜装置(30)。

5.如权利要求1所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，所述凸透镜装置(30)为菲涅尔透镜。

6.如权利要求1所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，所述图像源装置(20)发出的图像光抵达所述凸透镜装置(30)时所经历的光路距离大于或等于所述凸透镜装置(30)的2倍焦距。

7.如权利要求1所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，在所述凸透镜装置(30)的成像侧设有深色透明区域。

8.如权利要求1所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，在所述箱体(10)的一侧侧壁上设有深色透明区域(11)，所述凸透镜装置(30)设于所述箱体(10)的内壁上，且该凸透镜装置(30)正对所述深色透明区域(11)。

9.如权利要求1所述的空气中成像全息显示装置，其特征在于，所述箱体(10)为密封式箱体。