空中成像装置以及空中成像系统的制作方法

1.本技术属于光学成像技术领域，更具体地说，是涉及一种空中成像装置以及空中成像系统。


背景技术：

2.现有的空中成像技术大体上有两种：第一、基于透镜组的空中成像技术，将影像的光在空中聚焦成像后，剩余的光发射到眼球，所以人眼能捕捉到这个空中的像；第二、基于逆反射膜的空中成像技术，将屏幕的多角度光源，在一片半透半反射镜片上反射至逆反射膜，逆反射膜再将光源几乎原路径返回，此时，返回光源的一半穿过半透半反射玻璃，得到一个全息的影像。上述两种方法均存在空中成像显示范围较小的问题，观察者通常只能从装置的正前方位置观察空中成像图像，而从其他位置观察往往看不到成像图像或者只能看到一部分图像，这无疑会影响观察者的使用体验。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种空中成像装置，以解决现有的空中成像系统可视化范围较小的技术问题。
4.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：第一方面，提供一种空中成像装置，包括：图像发生器，用于发射线性偏振光；反射式偏光片，倾斜设于所述图像发生器上方，所述反射式偏光片包括反射面，所述反射面的偏光轴方向与所述线性偏振光的偏振方向垂直；逆反射组件，设于所述图像发生器上方且位于所述反射式偏光片的光反射一侧；以及摆动组件，所述摆动组件用于带动所述逆反射组件以预设方向为轴并以固定频率来回摆动，所述预设方向垂直于所述图像发生器的表面，且平行于所述逆反射组件的中心轴线；其中，所述反射面用于接收所述图像发生器射出的所述线性偏振光并将所述线性偏振光反射至所述逆反射组件上；所述逆反射组件用于接收所述反射式偏光片发出的光线并改变所述线性偏振光的偏振方向；经所述逆反射组件改变偏振方向的所述线性偏振光由所述逆反射组件朝所述反射式偏光片逆反射射回，且逆反射射回的所述线性偏振光能透过所述反射面射出，并在所述反射式偏光片的远离所述逆反射组件的一侧的上方聚焦成像。
5.进一步地，所述摆动组件包括伸缩组件和固定组件，所述逆反射组件包括远离所述反射式偏光片的第一端面和靠近所述反射式偏光片的第二端面；所述伸缩组件设于所述第一端面且偏离所述逆反射组件的中心位置；所述固定组件设于所述逆反射组件的中心位置；其中，所述伸缩组件用于带动所述逆反射组件沿远离或靠近所述反射式偏光片的方向移动，所述固定组件用于将所述逆反射组件的移动转换为以所述预设方向为轴的摆动。
6.进一步地，所述固定组件包括转轴、第一固定座和第二固定座，所述转轴的轴线与所述预设方向重合，所述第二固定座远离所述逆反射组件的一端固定，所述第一固定座靠近所述逆反射组件的一端固定于所述逆反射组件的所述第一端面，所述转轴穿设于所述第一固定座和所述第二固定座。
7.进一步地，所述逆反射组件沿所述转轴的轴线摆动的角度小于等于45
°
。
8.进一步地，所述逆反射组件包括波片以及设于所述波片的远离所述反射式偏光片一侧的逆反射膜。
9.进一步地，所述波片为四分之一波片。
10.进一步地，所述逆反射膜为高回归线性逆反射膜，所述高回归逆反射膜上设有微三脚锥棱镜阵列层。
11.进一步地，所述伸缩组件包括驱动件、连接件和第三固定座，所述第三固定座固定于所述逆反射组件的所述第一端面，所述连接件分别连接于所述第三固定座和所述驱动件，所述驱动件带动所述连接件沿远离或靠近所述反射式偏光片的方向移动。
12.进一步地，所述驱动件包括电机和法兰盘，所述法兰盘的中心与所述电机的转轴连接，所述连接件的一端固定于所述第三固定座上，所述连接件相对的另一端设于所述法兰盘并偏离所述法兰盘的中心。
13.进一步地，所述反射式偏光片还包括设于所述反射面上远离所述逆反射组件的一侧的基材。
14.进一步地，所述基材为透光基材。
15.进一步地，所述基材上远离所述反射面的一侧设有偏光膜。
16.进一步地，所述偏光膜的偏光轴与所述反射面的偏光轴平行。
17.第二方面，本技术还提供了一种空中成像系统，包括箱体以及如前述的空中成像装置，所述空中成像装设于所述箱体内。
18.本技术提供的空中成像装置，与现有技术相比，通过摆动组件带动逆反射组件以预设方向为轴来回摆动，其中预设方向垂直于图像发生器的表面且平行于逆反射组件的中心轴线，可以提高可视化范围，使得观察者在大视角的情况下也能够清楚地观看到成像画面。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本技术实施例提供的空中成像系统的结构示意图；
21.图2为本技术实施例提供的逆反射组件来回摆动时线性偏振光的光路传输示意图；
22.图3为本技术实施例提供的摆动组件与逆反射组件的结构示意图；
23.图4是本技术实施例提供的反射式偏光片的结构示意图。
24.其中，图中各附图标记：
25.10-空中成像装置；1-图像发生器；2-反射式偏光片；21-反射面；22-第一基材；23-偏光膜；3-逆反射组件；31-第一端面；32-第二端面；4-摆动组件；41-伸缩组件；411-驱动件；4111-电机；4112-法兰盘；412-连接件；413-第三固定座；42-固定组件；421-转轴；422-第一固定座；423-第二固定座；5-虚拟屏幕；20-箱体。
具体实施方式
26.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
27.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
28.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.请参阅图1，现对本技术提供的空中成像装置10进行说明，该空中成像装置10包括：图像发生器1，用于发射线性偏振光；反射式偏光片2，倾斜设于图像发生器1上方，反射式偏光片2包括反射面21，反射面21的偏光轴方向与线性偏振光的偏振方向垂直；逆反射组件3，设于图像发生器1上方且位于反射式偏光片2的光反射一侧；以及摆动组件4，摆动组件4用于带动逆反射组件3以预设方向为轴并以固定频率来回摆动，预设方向垂直于图像发生器1的表面，且平行于逆反射组件3的中心轴线；其中，反射面21用于接收图像发生器1射出的线性偏振光并将线性偏振光反射至逆反射组件3上；逆反射组件3用于接收反射式偏光片2发出的光线并改变线性偏振光的偏振方向，经逆反射组件3改变偏振方向的线性偏振光由逆反射组件3朝反射式偏光片2逆反射射回，且逆反射射回的线性偏振光能透过反射面21射出，并在反射式偏光片2的远离逆反射组件3的一侧的上方聚焦成像。
31.具体实施时，图像发生器1可以采用现有的技术，只要是能够发射线性偏振光即可，反射式偏光片2与图像发生器1之间的夹角为45
°
，逆反射组件3摆动的速度可以控制在每秒二十五个来回。图像发生器1朝反射面21发射线性偏振光，由于线性偏振光的偏振方向与反射面21的偏光轴方向垂直，因此，线性偏振光无法透过反射面21，线性偏振光会被反射，反射面21将线性偏振光反射至逆反射组件3，逆反射组件3改变线性偏振光的偏振方向并将偏振方向改变的线性偏振光逆反射射回反射面21，逆反射射回的线性偏振光从反射面21射出。
32.由于摆动组件4带动逆反射组件3以预设方向为轴来回摆动，现结合参阅图2，对空中成像装置10的可视化范围进行说明，空中成像装置10的逆反射板的初始位置由线段ab来表示，空中成像聚焦生成的虚拟屏幕5由线段cd来表示。空中成像显示可视范围在虚拟屏幕5的远离逆反射板的一侧，并且其范围由逆反射板和虚拟屏幕5的位置大小来决定。沿a点向d点做射线，沿b点向c点做射线，在图中做一条直线ef，射线ad与直线ef相交于点f，射线bc与直线ef相交于点e，梯形cdfe为初始状态下的空中成像显示可视范围的其中一部分；现在控制逆反射板顺时针旋转，旋转后的逆反射板由线段a'b'来表示。沿a'点向d点做射线，沿
b'点向c点做射线，射线a'd与直线ef相交于点f'，射线b'c与直线ef相交于点e'，梯形cdf'e'为逆反射板顺时针旋转后的空中成像显示可视范围的一部分；同理,现在控制逆反射板逆时针旋转，旋转后的逆反射板由线段a”b”来表示。沿a”点向d点做射线，沿b”点向c点做射线，射线a”d与直线ef相交于点f”，射线b”c与直线ef相交于点e”，可得梯形cdf”e”为逆反射板逆时针旋转后的空中成像显示可视范围的一部分。梯形cdfe、梯形cdf'e'、梯形cdf”e”三个区域的并集梯形cdf'e”，即为最后生成的空中成像显示可视范围，相较于逆反射组件3固定的成像装置，逆反射组件3以预设方向为轴来回摆动的空中成像装置10能增加的可视化范围为三角形dff'和三角形cee”。
33.本技术提供的空中成像装置10，与现有技术相比，通过摆动组件4带动逆反射组件3以预设方向为轴来回摆动，其中预设方向垂直于图像发生器1的表面且平行于逆反射组件3的中心轴线，可以提高可视化范围，使得观察者在大视角的情况下也能够清楚地观看到成像画面。
34.在一实施例中，结合参阅图3，摆动组件4包括伸缩组件41和固定组件42，逆反射组件3包括远离反射式偏光片2的第一端面31和靠近反射式偏光片2的第二端面32；伸缩组件41设于第一端面31且偏离逆反射组件3的中心位置；固定组件42设于逆反射组件3的中心位置；其中，伸缩组件41用于带动逆反射组件3沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动，固定组件42用于将逆反射组件3的移动转换为以预设方向为轴的摆动。具体实施时，伸缩组件41带动反射式偏光片2的第二端面32沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动，由于伸缩组件41偏离逆反射组件3的中心位置，固定组件42将逆反射组件3的移动转换为以预设方向为轴的摆动，从而可以提高可视化范围。
35.在一实施例中，固定组件42包括转轴421、第一固定座422和第二固定座423，转轴421的轴线与预设方向重合，第二固定座423远离逆反射组件3的一端固定，第一固定座422靠近逆反射组件3的一端固定于逆反射组件3的第一端面31，转轴421穿设于第一固定座422和第二固定座423。具体应用中，第二固定座423远离逆反射组件3的一端可以固定在外界环境中，第二固定座423靠近逆反射组件3的一端属于自由状态，第一固定座422靠近逆反射组件3的一端固定于逆反射组件3的第一端面31，第一固定座422远离逆反射组件3的一端也属于自由状态；通过转轴421穿设于第一固定座422和第二固定座423，当伸缩组件41带动逆反射组件3沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动时，由于第二固定座423远离逆反射组件3的一端固定，会阻碍逆反射组件3沿远离或靠近反射式偏光片2的方向的移动，使得逆反射组件3的移动转换为沿转轴421的轴线的摆动，由于转轴421的轴线与预设方向重合，即可以实现逆反射组件3以预设方向为轴的摆动。优选地，逆反射组件3沿转轴421的轴线摆动的角度小于等于45
°
。
36.在一实施例中，逆反射组件3包括波片(图未示)以及设于波片的远离反射式偏光片2的一侧的逆反射膜(图未示)，其中波片为四分之一波片。反射至逆反射组件3的线性偏振光线经过四分之一波片到达逆反射膜，然后由逆反射膜逆反射再次经过四分之一波片后射出，即线性偏振光两次经过四分之一波片后沿原路径返回，从而改变了线性偏振光的偏振方向，使得偏振方向改变的线性偏振光的偏振属性与反射面21的偏振属性相等，从而偏振方向改变的线性偏振光能从反射面21射出。优选地，逆反射膜为高回归线性逆反射膜，高回归逆反射膜上设有微三脚锥棱镜阵列层，使得照射至逆反射膜的光线高回归性地沿原路
径返回，有效提高成像精度，使得成像画面更清晰。
37.在一实施例中，伸缩组件41包括驱动件411、连接件412和第三固定座413，第三固定座413固定于逆反射组件3的第一端面31，连接件412分别连接于第三固定座413和驱动件411，驱动件411带动连接件412沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动。具体实施时，驱动件411带动连接件412沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动，从而带动逆反射组件3沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动。驱动件411的结构可以有多种，只要是能够带动连接件412沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动即可，本领域技术人员可根据实际需要选择设置。
38.在一实施例中，驱动件411包括电机4111和法兰盘4112，法兰盘4112的中心与电机4111的转轴421连接，连接件412的一端固定于第三固定座413上，连接件412相对的另一端设于法兰盘4112并偏离法兰盘4112的中心。具体实施时，电机4111的转轴421转动，带动与转轴421连接的法兰盘4112转动，由于连接件412的一端固定于第三固定座413上，连接件412相对的另一端设于法兰盘4112并偏离法兰盘4112的中心，在法兰盘4112转动时，会带动连接件412、第三固定座413和逆反射组件3沿远离或靠近反射式偏光片2的方向移动。
39.本技术的一些实施例中，反射面21的厚度较薄，为了保证反射面21的平整度，如图4所示，可以在反射面21上远离逆反射组件3的一侧设置基材22，制作时，可以在基材22上形成反射面21，从而能够保证反射面21的平整度。
40.在申请的一些实施例中，基材22为透光材料制作，以便于透过反射面21的光线在基材22远离反射面21的一侧的上方聚焦成像。可选地，基材22可以选用聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，pmma)、聚苯乙烯(polystyrene，ps)、聚碳酸脂(polycarbonate，pc)等透明材料中的一种或多种制作。
41.在申请的一些实施例中，基材22上远离反射面21的一侧设有偏光膜23，偏光膜23的偏光轴与反射式偏光膜23的偏光轴平行，透过反射面21的光线可以通过偏光膜23射出，并在偏光膜23远离反射面21的一侧的上方聚集成像。
42.本技术还提供了一种空中成像系统，包括箱体20以及如前述的空中成像装置10，空中成像装设于箱体20内。具体实施时，图像发生器1扣压水平安装在箱体20的底部，反射式偏光片2倾斜安装于箱体20内部并以45
°
角假设在图像发生器1正上方，逆反射组件3垂直安装于箱体20内部并且与反射式偏光片2呈45
°
夹角；伸缩组件41的电机4111固定安装于箱体20内，第二固定座423远离逆反射组件3的一端固定于箱体20。本技术的实施例提供的空中成像系统具有上述任一实施例提供的空中成像装置10，因此，具有上述任一实施例提供的空中成像装置10的全部有益效果，在此就不一一赘述。
43.本技术还提供了一种空中成像方法，采用如前述的空中成像装置10，空中成像方法包括以下步骤：
44.步骤s1、图像发生器1朝反射面发射线性偏振光；
45.步骤s2、反射面接收线性偏振光并将线性偏振光反射至逆反射组件3上；其中，逆反射组件3在摆动组件4的作用下以预设方向为轴来回摆动，改变逆反射组件3的角度；
46.步骤s3、逆反射组件3接收反射式偏光片2发出的光线并改变线性偏振光的偏振方向，然后将偏振方向改变的线性偏振光由逆反射组件3朝反射式偏光片2逆反射射回；
47.步骤s4、逆反射射回的线性偏振光透过反射面射出，并在反射式偏光片2的远离逆
反射组件3的一侧的上方聚焦成像。
48.本技术提供的空中成像方法，其采用如前述的空中成像装置10，通过摆动组件4带动逆反射组件3以预设方向为轴来回摆动，其中预设方向垂直于图像发生器1的表面且平行于逆反射组件3的中心轴线，可以提高可视化范围，使得观察者在大视角的情况下也能够清楚地观看到成像画面。
49.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。