空中成像装置的制作方法

1.本发明涉及空中成像领域，尤其是涉及一种空中成像装置。


背景技术：

2.目前市场上常见的触觉反馈机制以接触式触觉反馈为主，接触式触觉反馈技术借助相关设备(如屏幕、手套等)辅助，利用振动、静电力等原理和技术实现触觉感知。尽管目前相关设备已小型化且大量商用，但由于用户须与辅助设备进行接触，存在以下问题：一方面，设备的交叉使用会引起公共卫生安全问题，用户也无法摆脱笨重设备的束缚；另一方面，用户使用后在设备上遗留的指纹、掌纹等个人信息，会对个人信息安全面临泄露风险。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种空中成像装置。
4.根据本发明实施例的空中成像装置包括成像子系统和触觉反馈子系统，所述成像子系统用于将人机交互信息在空中目标区域成像显示以形成空中交互界面，并在检测到用户与所述空中交互界面的交互信号时发送触控反馈控制指令和触控点坐标信息；触觉反馈子系统与所述成像子系统连接，用于根据所述触控反馈控制指令和所述触控点坐标信息向触控点喷射气体。
5.可交互成像子系统将在空中的确定位置形成浮空实像，使空气喷射触觉反馈子系统中喷气单元的喷射区域调整为覆盖浮空实像所处的位置，该区域构成用户触控区，当用户将手指或手掌触摸触控区浮空实像时，空气喷射触觉反馈子系统精确控制气流喷射，使手指或手掌感受到气流冲击，实现对该浮空触控对象的触控。
6.根据本发明实施例的空中成像装置，通过成像子系统将人机交互信息在空中目标区域成像显示以形成空中交互界面，将空中交互界面作为用户触觉感知的基准面，以用于引导用户触控，并在成像子系统检测到用户与空中交互界面的交互信号时，发送触控反馈控制指令和触控点坐标信息至触觉反馈子系统。触觉反馈子系统根据接收的触控反馈控制指令和触控点坐标信息，向触控点喷射气体，在人体与触控点之间产生触觉反馈效果，使得人体可以真实感受到触控点的存在，实现用户非接触式触觉反馈的目的。本发明实施例中基于在空中目标区域呈现空中交互界面，通过用户触摸空中交互界面即可触发触控反馈的操作，在视觉和触觉上同时满足用户的交互体验，且操作方式也更加自然舒适，无需设置额外的限制用户操作装置，避免用户操作时接触设备的风险。同时避免出现因用户指纹信息残留，使得个人信息泄露而造成的信息安全问题。
7.在一些实施例中，所述成像子系统包括：机壳、成像组件、检测模块、主控模块，所述机壳形成有显示窗口且在内部形成有容纳腔；成像组件设置于所述容纳腔中，用于将人机交互信息在空中目标区域成像显示以形成空中交互界面；检测模块用于检测用户与所述空中交互界面的交互信号；主控模块与所述成像组件和所述检测模块连接，用于响应于所
述交互信号发送触控反馈控制指令和触控点坐标信息。
8.在一些实施例中，所述成像组件包括：显示器、光学组件，所述显示器设置于所述容纳腔中，与所述主控模块连接，用于显示所述人机交互信息；所述光学组件设置于所述容纳腔中，用于将携带所述人机交互信息的光线汇聚成像在所述空中目标区域，以形成空中交互界面；其中，所述显示器设置于所述光学组件的光源侧，所述显示窗口在所述光学组件的成像侧。
9.在一些实施例中，所述光学组件包括两个透明基板，以及置于两个透明基板之间的第一光波导阵列和第二光波导阵列，第一光波导阵列和第二光波导阵列由多个横截面为矩形的反射条，沿反射条的排布方向的一侧或两侧面设置有反射膜，所述第一光波导阵列的各个反射条与所述第二光波导阵列的各个反射条彼此正交。
10.在一些实施例中，所述触觉反馈子系统包括：喷气单元、数据处理模块、驱动模块，所述喷气单元用于喷射气体；所述数据处理模块与所述主控模块电连接，且将所述操作界面的触控点坐标发送给数据处理模块，所述数据处理模块根据所述触控点坐标以及所述喷气单元的位置，计算所述触控点对应的喷射角；所述驱动模块与所述数据处理模块电连接，以接收所述数据处理模块的控制信号，并得到驱动信号，所述驱动模块与所述喷气单元电连接，以朝触控区或当前触控点喷射气体。
11.在一些实施例中，所述喷气单元喷射气体形成的气流呈气束或气幕，所述喷气单元的喷射方式为常开型或实时开启型，所述实时开启型的喷气单元用于在用户进入触控区或者用户点击触控点时喷气，所述常开型的喷气单元处于常开状态。
12.在一些实施例中，所述喷气单元包括空压机、云台，所述空压机用于喷射气体，所述空压机设置在所述云台上，所述云台被构造成在接收到所述触控点被触控的信号后发生实时偏转，以喷射气体至当前触控点。
13.在一些实施例中，所述喷气单元包括多个喷气件，所述喷气件为空压机或者风刀，多个所述喷气件安装在预设位置，每个所述喷气件的喷射方向固定且每个所述喷气件的喷射范围覆盖对应的触控点。
14.在一些实施例中，还包括气源，所述气源与所述喷气单元连接以为所述喷气单元提供气体。
15.在一些实施例中，还包括温度调节模块，所述温度调节模块用于根据室外环境温度调节所述气源内储存的或所述喷气单元喷射的气体的温度。
16.在一些实施例中，还包括消音单元，所述消音单元设于所述气源外、所述喷气单元的进风口、所述喷气单元的出风口中的至少一个位置。
17.在一些实施例中，在用户点击每个触控点时，所述喷气单元喷气发出的风噪用于充当触控提示音。
18.在一些实施例中，所述喷气单元还具有用于容纳消毒液的承载件以及对所述消毒液进行雾化的雾化件，以使所述喷气单元可喷射气体与消毒液的混合物。
19.在一些实施例中，还包括约束机构，所述约束机构用于约束所述喷气单元所喷射的气幕或气束的发散角。
20.在一些实施例中，所述数据处理模块包括：数据处理模块、数据存储模块、接口模块、电源模块；所述数据处理模块用于对触控点的坐标数据进行接收、对各通道相位计算；
所述数据存储模块包括存储单元和程序存储单元，所述数据存储单元用于数据处理过程中的数据存储，所述程序存储单元用于系统引导程度和加载程序的存储；所述接口模块用于与外部设备之间的数据通信；所述电源模块用于将输入电源转换为所需的电源。
21.在一些实施例中，所述数据处理模块被构造成可根据各个触控点的空间坐标以及喷气单元的喷射头的位置，计算出与各触控点对应的俯仰角和偏转角，根据触控点与喷射头的距离计算喷气强度，根据环境温度计算要喷射的气流的温度。
22.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
23.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1为根据本发明一个实施例的空气成像装置的示意图。
25.图2为根据本发明另一个实施例的空气成像装置的示意图。
26.图3为根据本发明另一个实施例的空气成像装置的人机交互示意图。
27.图4为根据本发明实施例的空中成像装置的工作原理示意图。
28.图5为根据本发明实施例的空中成像装置的光学组件的结构示意图。
29.图6为根据本发明实施例的空中成像装置的第一光波导阵列和第二光波导阵列的示意图。
30.图7为根据本发明实施例的空中成像装置的光学组件的俯视示意图。
31.图8为根据本发明实施例的空中成像装置的第一光波导阵列和第二光波导阵列的局部示意图。
32.图9为根据本发明实施例的空中成像装置的光学组件的光路示意图。
33.图10为根据本发明的一个实施例的数据处理模块的框图；
34.图11为根据本发明的一个实施例的驱动模块的框图；
35.图12为根据本发明一个实施例的对喷气单元喷射气流进行约束的示意图。
36.图13为根据本发明另一个实施例的对喷气单元喷射气流进行约束的示意图。
37.图14为根据本发明的再一个实施例的对喷气单元喷射气流进行约束的示意图。
38.图15为根据本发明的一个实施例的气束或气幕控制方式的示意图。
39.图16为根据本发明另一个实施例的气束或气幕控制方式的示意图。
40.图17为根据本发明的又一个实施例的气束或气幕控制方式的示意图。
41.附图标记：
42.空中成像装置100，成像子系统200，触觉反馈子系统300，
43.机壳1，光学组件2，显示器3，检测模块4，主控模块5，第一光波导阵列6，第二光波导阵列7，透明基板8，反射条9，反射膜10，光敏胶11，外壳12，喷气单元13，数据处理模块14，驱动模块15，触控区16，风刀17，约束机构18，云台19，触控区所处的三维触控空间d。
具体实施方式
44.下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面参照图1
至图15详细描述本发明的实施例。
45.根据本发明实施例的具有触觉反馈功能的空中成像装置100包括：成像子系统200、触觉反馈子系统300。
46.如图1所示，成像子系统200用于将人机交互信息在空中目标区域成像显示以形成空中交互界面，并在检测到用户与空中交互界面的交互信号时发送触控反馈控制指令和触控点坐标信息。触觉反馈子系统300与成像子系统200连接，触觉反馈子系统300用于根据触控反馈控制指令和触控点坐标信息向触控点喷射气体。
47.在本发明实施例中，成像子系统200采用可交互空中成像技术，在空中的确定位置处形成浮空实像即空中交互界面，以作为用户触觉感知的基准面，而覆盖浮空实像所在的三维空间即为空中目标区域。通过成像子系统200将人机交互信息汇聚成像在空中目标区域，以形成空中交互界面，并在检测到用户与空中交互界面的交互信号时，成像子系统200发送触控反馈控制指令和触控点坐标信息至触觉反馈子系统300。
48.触觉反馈子系统300的触控区域覆盖空中交互界面所在三维空间，即空中目标区域。具体地，基于空中交互界面的大小和显示位置是相对固定的，触觉反馈子系统300根据已知的空中交互界面，产生一个与之等大等位置的触控反馈平面。即由成像子系统200提供空中交互界面，以引导用户触摸，以及由触觉反馈子系统300提供触控反馈平面，以反馈用户对触摸对象的感知。
49.根据本发明实施例的空中成像装置100，通过成像子系统200将人机交互信息在空中目标区域成像显示以形成空中交互界面，将空中交互界面作为用户触觉感知的基准面，以用于引导用户触控，并在成像子系统200检测到用户与空中交互界面的交互信号时，发送触控反馈控制指令和触控点坐标信息至触觉反馈子系统300。触觉反馈子系统300根据接收的触控反馈控制指令和触控点坐标信息，向触控点喷射气体，使得人体可以真实感受到触控点的存在，实现用户非接触式触觉反馈的目的。本发明实施例中基于在空中目标区域呈现空中交互界面，通过用户触摸空中交互界面即可触发触控反馈的操作，在视觉和触觉上同时满足用户的交互体验，且操作方式也更加自然舒适，无需设置额外的限制用户操作装置，避免用户操作时接触设备的风险。同时避免出现因用户指纹信息残留，使得个人信息泄露而造成的信息安全问题。这样，将非接触式触觉反馈技术与可交互空中成像技术相结合，将空气喷射触觉反馈技术与可交互空中成像技术深度融合，通过系统集成与开发，实现一种新型可交互触摸反馈装置，在视觉和触觉上给用户营造全新的显示与交互体验。
50.在一些实施例中，如图2所示，成像子系统200包括：机壳1、成像组件、检测模块4、主控模块5，其中，成像组件包括光学组件2和显示器3。机壳1形成有显示窗口且在内部形成有容纳腔；成像组件设置于容纳腔中，用于将人机交互信息在空中目标区域成像显示以形成空中交互界面。具体地，显示器3和光学元件2均设置在容纳腔中，显示器3与主控模块5连接，显示器3设置在光学组件1的光源侧，显示窗口位于光学组件2的成像侧。显示器3用于显示人机交互信息，显示器3发出的携带人机交互信息的光线投射至光学组件2，光学组件2将携带人机交互信息的光线汇聚成像在空中目标区域，以形成空中交互界面。例如，显示器3可以显示引导画面，则空中交互界面将呈现引导画面的实像，用户触摸该实像中的图标，以发出交互信号，主控模块5接收到该交互信号，控制显示器3显示相应的交互信息以提供给用户，从而实现无接触人机交互。
51.检测模块4用于检测用户与空中交互界面的交互信号。在实施例中，检测模块4的感应形式包括但不限于远近红外、超声波、激光干涉、光栅、编码器、光纤式或ccd(charge
‑
coupled device，电荷耦合器件)等。检测模块4的感应区域与浮空实像位于同一平面且覆盖浮空实像所处三维空间，可以根据安装空间、观看角度和使用环境选择最佳的感应形式，方便用户以最佳的姿态对浮空实像进行操作，提高用户操作的灵敏度和便捷性。
52.主控模块5与检测模块4连接，结合图3所示，主控模块5与检测模块4可以采用有线或无线方式连接，传输数字或模拟信号，从而可以灵活控制空中成像装置100的体积，而且可以增强空中成像装置100的电气稳定性。主控模块5用于响应于交互信号发送触控反馈控制指令和触控点坐标信息。触觉反馈子系统300接收到触控反馈控制指令，将喷射气体至触控点坐标位置，从而使得用户能够感觉到触控反馈，提高交互体验。
53.成像组件生成的浮空实像位置在空中是相对固定的，是一个优良的交互引导物，将触觉反馈子系统300的喷射区域设置为覆盖浮空实像所在三维空间，如可以将触觉反馈子系统300喷射气流的路径覆盖待触控的浮空实像所在区域。当用户触摸浮空实像时，由触觉反馈子系统300在合适的时刻喷射气幕或气束，在此气流喷射路径上，人体会感觉到气流的冲击作用，进而能使人体实际感受到触控点的存在，实现对触摸对象的感知，让用户进行非接触交互操作时更加轻松、自然、高效、灵活，且无接触到设备本体的风险，真正做到非接触式触觉反馈。
54.在一些实施例中，如图4所示，光学组件2安装在机壳1上，显示器3位于光学组件2的一侧且位于机壳1内，以在光学组件2的另一侧生成呈浮空实像的操作界面。
55.优选地，光学组件2与显示器3的夹角设置为45
°±5°
的范围，可以更充分的利用光学组件2的尺寸，同时获得比较好的成像质量和较小的残像影响。但如果对成像位置有其他需求，则也可以在牺牲部分成像质量的情况下选择其他角度。同样优选地，光学组件2的大小设置为用户能够一眼看清整个显示器3所呈现的浮空实像的画面，但如果实际使用时仅需要看到显示器3的部分内容，则光学组件2的尺寸也可以根据实际显示画面自由调整大小和位置。
56.显示器3的成像模式可以包括rgb(红色、绿色、蓝色)发光二极管(led，light
‑
emitting diode)、lcos(liquid crystal on silicon，液晶附硅)器件、oled(organic light
‑
emitting diode，有机发光二极管)阵列、投影、激光、激光二极管或任何其他合适的显示器或立体显示器。显示器3可以提供清晰、明亮且高对比度的动态图像光源，在一些实施例中，显示器3的亮度不低于500cd/m2，可以降低光路传播中由亮度损失造成的影响。
57.此外，根据本发明的一些实施例，对显示器3的显示图像表面进行可视角控制处理，可以减轻浮空实像的残影，提高画面质量，也可以防止他人窥视，从而广泛应用到需要隐私信息保护的输入装置。
58.在本发明的实施例中，光学组件2采用等效负折射率光学元件，如图5
‑
图8所示，光学组件2包括两个透明基板8，以及置于两个透明基板8之间的第一光波导阵列6和第二光波导阵列7，第一光波导阵列6和第二光波导阵列7由多个横截面为矩形的反射条9组成，沿反射条9的排布方向的一侧或两侧面设置有反射膜10，第一光波导阵列6的各个反射条9与第二光波导阵列7的各个反射条9彼此正交。
59.在一些实施例中，如图6和图7所示，第一光波导阵列6和第二光波导阵列7的厚度
相同。设置第一光波导阵列6与第二光波导阵列7的厚度相同，可以简化第一光波导阵列6与第二光波导阵列7结构的复杂度，降低第一光波导阵列6与第二光波导阵列7的制造难度，提升第一光波导阵列6与第二光波导阵列7的生产效率，减少第一光波导阵列6与第二光波导阵列7的生产成本。注意，此处的厚度相同包括一个相对的范围，并非是绝对相同，即以提高生产效率为目的，如果不影响空中成像质量，光波导阵列之间的厚度差是可以接受的。
60.具体地，如图5所示，光学组件2从显示器3一侧到浮空实像一侧依次包括一个透明基板8、第一光波导阵列6、第二光波导阵列7和另一个透明基板8。两个透明基板8均具有两个光学面，透明基板8对波长在约390nm至约760nm之间的光具有约90％
‑
100％的透射率，透明基板8采用的材料可以包括玻璃、塑料、聚合物和丙烯酸树脂中的至少一种，用于保护光波导阵列，以及滤去多余光线。需要说明的是，如果第一光波导阵列6和第二光波导阵列7紧密正交贴合后的强度足够，或安装的环境有厚度限制，则也可以只配置一个透明基板8或完全不配置透明基板8。
61.在实施例中，反射条9的长度由光波导阵列外围尺寸限制，因此，第一光波导阵列6和第二光波导阵列7中各个反射条9的长短不一。如图7所示，设定第一光波导阵列6中反射条9的延伸方向为x方向、第二光波导阵列7的反射条9的延伸方向为y方向、光波导阵列的厚度方向为z方向。第一光波导阵列6和第二光波导阵列7中反射条9的延伸方向(波导方向)相互垂直，即从z方向(厚度方向)看，第一光波导阵列6和第二光波导阵列7之间正交布置，从而使正交两个方向光束会聚于一点，且保证物像面相对于等效负折射率光学组件对称，产生等效负折射率现象，实现空中成像。
62.如图7所示，第一光波导阵列6或第二光波导阵列7由以用户视角偏转45
°
斜向布置的多个平行排布的反射条9组成。例如，第一光波导阵列6可由呈左下方向45
°
并排且横截面为矩形的反射条9组成,第二光波导阵列7可由呈右下方向45
°
并排且横截面为矩形的反射条9组成，两组光波导阵列中反射条9的排列方向可以互换，即第一光波导阵列6由呈右下方向45
°
并排且横截面为矩形的反射条9组成，第二光波导阵列7由呈左下方向45
°
并排且横截面为矩形的反射条9组成。在本发明的实施例中，光波导材料具有光学折射率n1，n1>1.4，例如，n1＝1.5或者n1＝1.55或者n1＝1.8或者n1＝2。
63.各反射条9与其相邻的反射条9之间存在两个交接面，如图8所示，各交接面之间由光敏胶11或热固胶接合，胶厚度为t1，在实施例中，胶厚度t1的取值范围可以为t1>0.001mm，例如t1＝0.002或者t1＝0.004或者t1＝0.005。光学组件2中相邻的光波导之间以及光波导阵列与透明基板8之间均设置有光敏胶11。
64.反射条9的横截面为矩形，且沿反射条9的排布方向的一侧或两侧面设置有反射膜10。具体地，在光波导排布方向上，各反射条9两侧均镀有反射膜10，该反射膜10采用的材料可以为实现全反射的铝、银等金属材料或其他非金属化合物材料。反射膜10的作用是，防止光线因没有全反射而进入相邻光波导中形成杂光影响成像。进一步地，也可以在反射膜10上添加介质膜，介质膜的作用是提高光反射率。
65.单个反射条9的横截面宽a和横截面长b满足：0.1mm<a<5mm，0.1mm<b<5mm。在大屏幕显示时可以通过拼接多块光波导阵列来实现大尺寸需求。光波导阵列的整体形状可以根据应用场景需要设置，在一些实施例中，两组光波导阵列整体呈矩形结构，两对角的反射条9为三角形，中间的反射条9为梯形结构，单个反射条9的长度不等，位于矩形对角线的反射
条9的长度最长，两端反射条9的长度最短。
66.此外，光学组件2还包括增透部件和视角控制部件(未图示)，增透部件可以提高光学组件2的整体透过率，提高浮空实像的清晰度和明亮度，视角控制部件可以用于消除浮空实像的残像，降低图案的眩晕感，同时防止观察者从其他角度窥视到非接触指纹采集和空中成像装置100内部，提升装置整体的美观度。增透部件和视角控制部件可以组合设置，也可以分别独立设置在透明基板8与波导阵列之间或者两层波导阵列之间或透明基板8的外层。
67.下面参照图9对本发明实施例的光学组件的成像原理进行说明。
68.以光学组件2采用两个相互正交的光波导阵列为例。具体地，在微米尺度上，使用相互正交的双层波导阵列结构，对任意光信号进行正交分解，原始信号被分解为信号x和信号y两路相互正交的信号，信号x在第一光波导阵列6，按照与入射角相同的反射角在反射膜10表面进行全反射，此时，信号y保持与第一光波导阵列6平行，穿过第一光波导阵列6后，在第二光波导阵列7表面按照与入射角相同的反射角在反射膜10表面进行全反射。反射后的信号y与信号x组成的反射后的光信号便与原始光信号成镜面对称。因此，任意方向的光线经过此光学组件2均可实现镜面对称，任意光源的发散光经过此光学组件2将会在对称位置重新汇聚成浮空实像，浮空实像的成像距离与光学组件2到像源(显示器3)距离相同，即光学组件2为等距离成像，且浮空实像的位置在空中，不需要具体载体，可以直接将实像成现在空气中。因此，使用者所看到的空中的影像是实际存在的物体所散发出的光汇聚而成，即浮空实像。
69.光源例如显示器3发出携带交互信息的光线，光线经过光学组件2，在光学组件2上发生上述过程。具体地，如图9所示，设定光源与光学组件2的距离为l，光源发出的光线在第一光波导阵列6上的入射角为α1、α2和α3，光线在第一光波导阵列6上的反射角为β1、β2和β3，其中α1＝β1，α2＝β2，α3＝β3，光线经过第一光波导阵列6反射后投射至第二光波导阵列7，在第二光波导阵列7上的入射角为γ1、γ2和γ3，光线在第二光波导阵列7进行反射，反射角为δ1、δ2和δ3，其中，γ1＝δ1，γ2＝δ2，γ3＝δ3。经过第二光波导阵列7反射后的光线射出，射出的光线汇聚成像在像点，其中，从第二光波导阵列7出射的光线其出射角分别为α1，α2，α3
…
αn，像与光学组件2的距离为l，即成像在光学组件2与光源(显示器3)的等间距处，可视角ε为2倍max(α)。所以，如果光波导阵列的尺寸较小，仅在距离正面的一定距离才可看到影像；如果光波导阵列的尺寸变大，即可实现更大的成像距离，从而增大视野率。
70.需要说明的是，以上主要表述了使用第一光波导阵列6和第一光波导阵列7的双层结构的光学组件2的成像原理，如果将四周面均设有反射膜的多个立方柱状的反射条9在一层光波导阵列结构中沿x和y方向均阵列排布，即将两层光波导阵列合并成一层，其成像原理也是一样的，同样也可以作为本发明实施例的光学组件2的结构，因此，对于光学组件2的结构在此不作具体限制。
71.下面对本发明实施例的触觉反馈子系统300进行说明。
72.在一些实施例中，如图1和图2所示，触觉反馈子系统300包括喷气单元13、数据处理模块14和驱动模块15。其中，喷气单元13用于喷射气体。数据处理模块14与主控模块5电连接，主控模块5接收检测模块4检测的交互信号发出触控反馈控制指令和触控点坐标信息，即在交互界面发生交互操作时，主控模块5将交互界面的触控点坐标信息发送给数据处
理模块14。数据处理模块14尺寸较小，可以通过高速连接器固定在驱动板上并与驱动板上的驱动模块15连接，数据处理模块14还可以通过线缆与喷气单元13连接。数据处理模块14根据触控点坐标以及喷气单元13的位置，计算喷气单元对应触控点的喷射角和喷气强度。驱动模块15与数据处理模块14电连接，以接收数据处理模块14的控制信号，并输出驱动信号，驱动模块15与喷气单元13电连接，以控制喷气单元13朝触控区16或当前触控点喷射气体。
73.喷气单元13为触觉反馈子系统300的核心单元，用于产生交互所需的气束或气幕。人体在接触到气束或气幕时，会感应到气流对皮肤的冲击，进而实现触觉反馈。在本系统中，数据处理模块14完成聚焦点坐标数据处理与计算，并将形成的控制信号发送给驱动模块15，驱动模块15将控制信号进行放大，并生成驱动信号，以对喷气单元13进行控制，使喷气单元13在适宜时刻喷出气流，并作用于交互界面用户操作的坐标位置，从而用户可以感觉到气流即实现触觉反馈。
74.在实施例中，数据处理模块14用以坐标数据接收、相位数据计算以及数据并行传输，其功能框图如图10所示。如图10所示，数据处理模块14主要包括数据处理单元、第一数据存储单元、第一接口单元和第一电源单元。数据处理单元主要完成触摸坐标数据接收与各通道相位计算，在一些实施例中，可以采用浮点数dsp(digital signal process，数字信号处理)芯片作为数据处理单元，优选地，dsp芯片的主频在200mhz以上，例如250mhz或300mhz或400mhz，以保证系统实时性要求。第一数据存储单元分为数据存储子单元和程序存储子单元，其中，数据存储子单元可以为ddr2(double data rate 2，双倍速率存储器)或者sdram(synchronous dynamic random
‑
access memory，同步动态随机存取内存)，用于数据处理过程中数据存储；程序存储子单元采用nand flash(nand闪存)存储器，用于系统引导程序以及加载程序的存储。第一接口单元用于完成数据处理单元与外部设备之间的数据通信，通过串口/usb口与控制模块5相连，实现触控坐标数据及系统控制指令的传输；通过dsp集成的upp并口，完成相位数据及反馈数据的传送。第一电源单元主要完成电源转换，将输入电源转换为各单元所需的各种稳定、可靠的电源。
75.如图11所示，驱动模块15包括控制单元、第二数据存储单元、第二接口单元、驱动单元和第二电源单元组成。其中，控制单元完成控制参数接收、处理以及控制信号输出，可选用管脚资源丰富的arm(advanced risc machines)作为主控芯片，接口资源丰富，满足系统设计需求。第二数据存储单元外扩一片spi flash作为数据存储，也可用于初始化参数的掉电存储。第二接口单元通过upp并口与数据处理单元进行数据通信。驱动单元用于对arm输出的控制信号进行放大处理，输出符合要求的驱动信号。第二电源单元用于为整个系统提供稳定可靠的电源，外部电源输入驱动板，通过dc
‑
dc转换以及线性转换，为各个用电单元提供所需的电源。由于系统设计需求，驱动单元与喷气单元13的距离可能较远，可采用差分信号或者485总线或者工业现场总线的形式进行驱动信号的传输，并且信号传输线缆采用多股单芯双绞线，尽可能消除信号干扰。
76.在实施例中，喷气单元13可以采用但不限于风机、中/高压离心风机、气泵或空气压缩机来驱动气体喷射，按照喷射气流的形式喷气单元13可以分为气束型和气幕型，气束型喷气单元13用于精准控制场景，气幕型喷气单元13适用于简易交互场景，两种方案的喷气单元13的布局方式不同。如图1所示，气束型喷气单元13的布局较为灵活，喷气单元13可
以采用圆孔型喷射头，圆孔型喷射头具备两个自由度角度控制功能，喷射气体形成的气流呈气束，数据处理模块14根据触控坐标信息得到喷射角度以对喷射头二维角度调整和修正，实现三维空间中任意点的精确喷射。如图2所示，气幕型喷气单元13喷射气体形成的气流呈气幕，气幕需要与空中交互界面即触控区16处于同一平面并重合，可通过持续喷射与适时间歇喷射实现触摸反馈。下面举例说明。
77.在一些实施例中，喷气单元13可采用空压机例如微型的无油静音型空压机，无油静音型空压机可以通过电机驱动两个螺杆来完成空气压缩并能通过专用圆孔状柔性喷嘴喷出定量、定向束状气流。具体地，空压机设置在云台上例如设置在一个二自由度的云台上，云台被构造成在接收到触控点被触控的信后后发生实时偏转以使得空压机喷射气体至当前触控点。例如，在用户在空中的交互界面操纵时，主控模块5发出触控坐标信息给数据处理模块14，数据处理模块14根据触控坐标和喷气单元13的位置确定喷射角度，发出控制信号给驱动模块15，以驱动云台的偏转电机转动，使空压机喷嘴快速修正至正确的喷气角度，保证空压机喷气路径覆盖待触控点，进而用户感觉到气流，实现触控反馈。
78.在另一些实施例中，如图2所示，喷气单元13可采用风刀17，风刀17利用柯恩达效应将风源吹风或者压缩空气以具有一定初始厚度例如0.05mm的气幕吹出，其中，风源吹风可以通过风机或中/高离心压风机产生，压缩气体则可以由气泵/空气压缩机提供。由风刀17形成的气幕，其宽度可自由定制，便于在无接触交互设备上集成安装。
79.进一步地，风刀17形成的气幕，具备一定的发散角，例如发散角在5
°‑6°
之间，气幕离风刀17的距离越远，气幕的厚度越大。为了保证用户有良好的体验效果，可以从三个方面进行优化。第一个方面是，可以在布局风刀17时，将风刀17按照发散角α的一半进行偏置安装，如图12所示，在气幕正朝向触控区16时，由于发散角的存在，气幕在触控区16同一平面的两侧会分散有一部分，降低了用户体验，在本发明实施例中，可以如图12中所示使气幕的边界面与触控区16所在平面重合，即风刀17的喷射角度偏离1/2α，使得气幕与触控区16所在平面重合。第二方面是，如图13所示，设置约束机构18，约束机构18用于约束喷气单元13所喷射的气幕或气束的发散角，约束机构18布置在风刀17与触控区16之间，具有发散角的气幕通过时，约束结构18可以将约束前的气幕的发散角消除或减小，从而降低发散角对触控反馈的影响，提高用户体验；第三方面是，如图14所示，近距离布置风刀17，即减小风刀17与触控区16之间的距离h，则触控区16处的气幕与风刀17的距离较近时，触控区16处气幕的发散角影响较小，气幕厚度对触控区16触控反馈的影响可以忽略，该方法适用于小型设备。
80.当然，触觉反馈子系统300还可以包括外壳12，外壳12用于承载固定喷气单元13、数据处理模块14、驱动模块15等元器件。外壳12为触觉反馈子系统300提供保护和支撑作用，防止外力冲击、振动对系统造成损坏。外壳12结构包含但不限于机柜、机箱等形式，具体视应用场景和实际需求而定。
81.结合上文描述的喷气单元13的实现形式，气束或气幕的控制方式也多种多样，可以适用于更多的应用场景。其中，在实施例中，喷气单元13的喷射方式可以为常开型或实时开启型，实时开启型的喷气单元13用于在用户进入触控区16或者用户点击触控点时喷气，常开型的喷气单元13处于常开状态即处于实时喷气状态。
82.下面对气束或气幕的控制方式进行举例说明。
83.第一实施例，喷气单元13喷射气束以进行精准控制。如图15所示，喷气单元13包括
空压机和云台19，空压机用于喷射气体，空压机设置在云台19上，云台19用于在接收到触控点被触控的信号后发生实时偏转，以使得空压机喷射气体至当前触控点，实现触控反馈。
84.具体而言，喷气单元13采用空压机即空气压缩机，空气压缩机的喷嘴朝向相对于空气压缩机自身固定，空气压缩机安装于二自由度的云台19上，云台19的驱动电机在控制信号控制下，可驱动云台19在水平方向和铅直方向偏转任意角度或者在一定角度范围内自由偏转，因此，空气压缩机的喷嘴的俯仰角和水平偏转角在一定范围内可调，从而喷射气束可实现在一定空间内对任意触控点的覆盖。在本实施例中，气束的喷射可以实时控制，并且只在有物体接触触控区16时才会触发空气压缩机快速动作并喷射定量气束。该方式主要应用于高精度触控要求的场景或控制单元多且小的场合，可适用于立体触控对象例如图15中触控区16所在三维触控空间d，实时性高，响应速度快，适时定量喷射可节省大量压缩气体，提高了能源利用效率。
85.第二实施例，控制喷气单元13喷射多气束或气幕以实现定向控制。如图16所示，喷气单元13包括多个喷气件，喷气件为空压机或者风刀17，多个喷气件安装在预设位置，每个喷气件的喷射方向固定且每个喷气件的喷射范围覆盖对应的触控点。
86.具体地，如图16所示，将多台空气压缩机(13)或小尺寸风刀17(13)按照固定位置进行安装，确保气体喷射路径覆盖触控区16所在三维触控空间d对应的待触控点。在本实施例中，气束或气幕的喷射可以实时控制，只在有物体接触待触控区16时才会触发对应的喷气单元13喷射定量气束或气幕。该方式适用于简单触控对象例如触控点数量少，同样适用于立体触控对象例如触控区16所在三维触控空间d，三维触控空间d中的某个触控点有操作，控制对应坐标位置的空气压缩机或风刀17工作，即可喷射对应的气束或气幕至触控坐标处，无需调整喷气单元13的方向，控制过程简单。
87.第三实施例，控制喷气单元13喷射多气束或气幕以实现定向常开型喷气。如图16所示，本实施例与上述第二实施例的控制方式基本相同，不同的是，本实施例中，气束或气幕的喷射方式为常开型，即在启动触觉反馈功能后，控制喷气单元13一直处于喷射气体的状态，无需识别是否有物体接触触控区16或触控区16所在三维触控空间d，本实施例的控制方法进一步简化控制过程以及设备复杂度。
88.第四实施例，控制喷气单元13喷射气体以形成单气幕，以实现定向控制。具体地，如图17所示，可以采用一个大尺寸的风刀17，例如风刀17的尺寸与触控区相符，使风刀17喷出的气幕与触控区16重合，当识别到有物体接触触控区16时，迅速控制风刀17喷射气幕。针对某个固定的触控区16，可以在该触控区16的任意一侧布置风刀17，例如图17所示，以触控区16为原点位置，可以在 x方向上设置风刀17或者在
‑
x方向上设置风刀17或者在 y方向上设置风刀17或者在
‑
y方向上设置风刀17，不管在那个方向设置风刀17，风刀17喷射的气幕与触控区16可以重合。该方法只适用于平面型触控对象，但简易或复杂的触控单元都适用，是较为通用的方案，设备集成简易，对压缩气体需求较低，控制过程简单，设备体积也能很好地控制。
89.第五实施例，控制喷气单元13喷射气体以形成单气幕，以实现定向常开控制，本实施例基本与上文的第四实施例的控制同理，不同的是，在本实施例中，将气幕的喷射方式改为常开型，即控制喷气单元13处于一直喷射气体的状态，无需识别是否有物体接触触控区16。相较于上文的第四实施例，该方法可以进一步简化控制过程以及设备复杂度。
90.以上仅是对喷气单元13布置和喷气控制方式的举例说明，在此不能穷尽，其它基于本发明实施例的控制方式和布置方式的变形方案也属于本技术保护范围。
91.在一些实施例中，触觉反馈子系统300还包括气源，气源与喷气单元13连接以为喷气单元13提供气体。例如，气源可以是用于储存喷气单元13要喷射的气体的装置，便于对将要喷射的气体进行处理例如温度调节或消毒等，提高用户使用体验。
92.例如，在一些实施例中，触觉反馈子系统300还包括温度调节模块，温度调节模块用于根据室外环境温度调节气源内储存的或喷气单元13喷射的气体的温度。具体地，通过设置温度调节模块以调节形成气束或气幕的气体的温度，例如，在低温环境时提供暖气流，在高温环境时提供冷气流，冷、暖气流温度均在人体感应舒适区，从而可以保证用户感觉到气流时的舒适性。气源的形式包含但不限于风机、中/高压离心风机、气泵或空气压缩机。喷气单元13正常工作时，需要由气源提供进气输入，再经喷气单元13喷射气束或气幕以在触控区16或触控点处形成气流冲击，以实现触觉反馈，通过温度调节模块调节气束或气幕的温度，用户接触到气束或气幕时，不会感觉到温度不适，提高了用户体验效果。
93.在一些实施例中，触觉反馈子系统300还包括消音单元，消音单元设于气源外、喷气单元13的进风口、喷气单元13的出风口中的至少一个位置。由此，在气源、喷气单元13工作时，由消音单元消除或降低噪声影响。例如，在气源外部设置密封隔离罩，可以有效抑制气源工作时产生的噪声。再例如，在喷气单元13进风口和/或出风口处设置消音器，可以有效抑制喷气单元13工作时产生的噪声，进风口处的消音器同时可以起到滤尘作用。
94.在一些实施例中，在用户接触每个触控点时，喷气单元13喷气发出的风噪可以充当触控提示音。这样，用户在触控区16操作时，喷气单元13喷射气流，其短时的风噪可以被设置为触控提示音，从而，空中成像装置100可以在视觉、触觉和听觉上给用户提供更全面的交互体验。
95.在一些实施例中，喷气单元13还具有用于容纳消毒液的承载件以及对消毒液进行雾化的雾化件，以使喷气单元13可喷射气体与消毒液的混合物。这样，喷气单元13可配置某种液体或微小颗粒物混合喷射，例如消毒液，此时，喷气单元13喷射的气束或气幕，是空气和消毒液混合物，用户在体验触觉反馈的同时，可以对人体触控操作部位例如手部进行消毒处理。其中，液体包含但不限于水、消毒液、微小颗粒物等，具体视应用场景和实际需求而定。
96.基于上面实施例对本发明的空中成像装置100的描述，本发明实施例的空中成像装置100结合成像子系统200和触觉反馈子系统300，其中，成像子系统200采用浮空成像技术，在空中呈现实像，实现无接触触控，可以避免病毒或细菌传播，提高使用安全性。触觉反馈子系统300采用气体喷射，利用气流的冲击作用来实现触觉反馈，从而在用户进行非接触交互操作时更加轻松和自然，不借助实体设备实现人体触觉感知。
97.具体地，本发明实施例的空中成像装置100工作时，在初始状态下，主控模块5控制显示器显3显示引导画面，光学组件2将显示器3发出的携带引导画面的光线进行汇聚并成像到光学组件2的另一侧的空气中，以指导用户在正确区域进行触控。同时，主控模块5将交互界面中触控点坐标信息传送给数据处理模块14，数据处理模块14根据各个触控点坐标以及喷气单元13的喷射头的位置，计算出与各触控点对应的二维角度(例如喷射头的俯仰角和偏转角)、喷气强度和气流温度等参数，其中，喷气强度与触控点与喷气单元13之间的距
离有关，气流温度与环境温度有关。数据处理模块14根据主控模块5的控制指令，将计算得到的参数发送给驱动模块15。驱动模块15根据控制指令、相关参数产生控制信号，并将控制信号进行驱动放大，得到最终所需的驱动信号。驱动模块15将驱动信号传送给喷气单元13，喷气单元13在驱动信号控制下偏转至合适的角度，并喷射一定量的恒温气束。在一些实施例中，若存在多个触控点，可通过系统高速刷新来实现触控反馈，与光学组件2呈现的实像图案结合，引导用户进行触控操作；另外，也可以可采用多个喷气单元13同步工作，通过组合和拼接，实现复杂操作界面的人机交互，甚至是三维显示对象的轮廓感知。
98.其中，在实施例中，喷气单元13可以采用小功率、小型化喷气装置，根据触控对象到喷气单元13之间的距离，数据处理模块14和驱动模块15控制喷气单元13的气流喷射的强度和持续时间，并可以通过温度调节模块根据环境温度调节喷射气流的温度，从而，本发明实施例的触觉反馈子系统300不会对人体产生任何伤害。
99.此外，触觉反馈子系统300采用小型化和模块化设计，设置简单、成本低，便于商用和集成，对于触控区域较大或三维触控对象的应用场景，触控反馈的聚焦点数据显著增多，可采用多个触觉反馈子系统300进行组合和拼接，以适用于更多的应用场景，应用范围更加广泛。
100.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
101.在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
102.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
103.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。