光学成像组件、光学成像模块和装置的制作方法

1.本文所述的实施例总体上涉及光场三维显示技术，更具体地涉及一种光学成像组件、光学成像模块、悬浮显示装置和多层显示设备。


背景技术：

2.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。
3.常规的悬浮显示技术包括使用回射屏、透镜组或集成成像的方式实现悬浮显示。然而，对于回射屏或透镜组的方式来说，显示系统体积大，并且随着悬浮图像的增大，显示系统的体积也需要增大；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。
4.另外，对于不同的场景需求，悬浮图像的所需尺寸有所不同。在现有技术中，虽然存在上述各种各样的悬浮显示技术，但是悬浮显示装置所显示的悬浮图像的尺寸一般在厂商设计阶段就会被限定，在使用时无法调整。如此，当用户根据不同的应用场景期望呈现不同尺寸的悬浮图像时，通常需要购买不同尺寸的悬浮显示装置。对于悬浮显示装置的厂商而言，需要针对不同用户需求设计出不同的悬浮显示装置(特别是设计出不同的光学系统来适配不同尺寸的图像显示单元)，逐一适配，从而消耗很大的人力和物力。
5.因此，本领域需要一种新的用于悬浮显示的技术方案。


技术实现要素：

6.本发明的示例性实施例的目的正是在于提供这样一种光学成像组件，其能够以简单的结构实现悬浮显示。
7.具体地，本发明的示例性实施例提供了一种光学成像组件，所述光学成像组件包括：透明的光调制部件，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；分光层，形成在所述光调制部件内，所述分光层具有微结构单元阵列，所述微结构单元阵列中的每一个微结构单元具有至少两个表面，所述至少两个表面相互垂直并且于其上形成有第一分光膜，所述微结构单元阵列用于在至少第一方向上对光线进行回射以使所述光线按入射方向返回；以及第二分光膜；其中入射到所述光调制部件的所述第一表面和所述第二表面中的一者的图像光经由所述分光层和所述第二分光膜进行光调制而从所述第一表面和所述第二表面中的另一者出射，所述光调制包括由所述微结构单元阵列进行回射、由所述第二分光膜进行反射以及由所述微结构单元阵列进行透射。
8.在上述光学成像系统中，具有较大发散角的图像光沿第一方向通过成像组件成像的像方孔径角相对较大并且不产生像差，满足双目视差条件，由此可以在空中形成悬浮图像，同时该系统的结构简单易于加工。
9.较佳地，每一个微结构单元为二面角元件，其具有形成直角的两个相邻表面；或者每一个微结构单元为角隅棱镜元件，其具有三个相互垂直的相邻表面。
10.较佳地，所述第一分光膜和所述第二分光膜中的一者为偏振分光膜，另一者为光强分光膜。
11.较佳地，所述偏振分光膜的偏振轴向与所述第一方向的夹角成45度或135度设置。
12.较佳地，所述光学成像组件还包括相位延迟片，布置在所述光调制部件与所述第二分光膜之间。可选地，所述相位延迟片为四分之一波片。
13.较佳地，所述第二分光膜为偏振分光膜，并且布置在所述光调制部件的所述第一表面的外侧或者布置在光调制部件的第一表面与分光层之间。
14.较佳地，所述第一分光膜为偏振分光膜，并且所述第二分光膜布置在所述光调制部件的所述第二表面的外侧或者布置在光调制部件的第二表面与分光层之间。
15.较佳地，所述光学成像组件还包括偏光片或偏光片与相位延迟片的组合，布置在所述光调制部件的所述第二表面的外侧。可选地，所述光学成像组件还包括：线偏光片或圆偏光片，用于减少所述偏振分光膜对环境光的反射。
16.较佳地，所述分光层将所述光调制部件划分为第一介质部分和第二介质部分，所述第一介质部分和所述第二介质部分具有相同的折射率。可选地，所述第一介质部分和所述第二介质部分的折射率介于1.3与1.8之间。可选地，所述光调制部件与所述第二分光膜之间存在多种介质，所述多种介质的折射率与所述第一介质部分和所述第二介质部分的折射率之差小于0.3。可选地，所述第一介质部分和所述第二介质部分由各向同性的材料形成。
17.较佳地，所述微结构单元阵列沿平面或曲面形成。
18.较佳地，所述光学成像组件的物面和像面相对于所述分光层为基本对称设置。
19.较佳地，所述光调制部件用于在所述第一方向上进行成像，所述光学成像组件还包括用于在第二方向上进行成像的成像光组，所述第一方向和所述第二方向分别与所述光学成像组件的光轴正交。可选地，其特征在于，所述微结构单元阵列为一维直角光栅阵列，并且所述光调制部件与透镜形成为一体，所述透镜用于在第二方向上对所述成像光进行调制。可选地，所述成像光组包括一个或多个透镜。可选地，所述一个或多个透镜中的一个透镜在所述第二方向为所述光学成像组件的第二方向孔径光阑。可选地，所述一个透镜为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的齿与齿之间为等间距设置。
20.较佳地，所述光学成像组件还可以包括一维格栅透射阵列，所述微结构单元阵列为一维直角光栅阵列，所述一维格栅透射阵列与所述一维直角光栅阵列基本上正交。较佳地，所述光强分光膜是消偏振光强分光膜，其中∣rs-rp∣≤10％。
21.较佳地，所述第二分光膜与所述分光层之间的间距介于0～100μm之间。
22.较佳地，所述光学成像系统还包括：滤光元件，位于所述第一分光膜与所述第二分光膜之间，用于通过预定角度范围的光线。
23.根据本发明的另一示例性实施例，还提供了一种用于悬浮显示的光学成像模块，其特征在于，所述光学成像模块包括：两个如上所述的光学成像组件，并且第一光学成像组件中的第一微结构单元阵列相对于第二光学成像组件中的第二微结构单元阵列基本上正交设置，并且所述第一微结构单元和所述第二微结构单元中的每一个微结构单元为二面角元件。
24.根据本发明的又一示例性实施例，还提供了一种悬浮显示装置，包括：一个或多个
如权上所述的光学成像组件和/或一个或多个如上所述的光学成像模块；以及图像显示模块，所述图像显示模块被配置为发出所述图像光。
25.较佳地，所述图像显示模块为三维显示器。
26.根据本发明的又另一示例性实施例，还提供了一种多层显示设备，包括：如上所述的悬浮显示装置；以及透明显示装置，被设置在所述悬浮显示装置的光学下游，其中所述透明显示装置的显示面与悬浮图像面位于不同的位置处。
27.较佳地，所述透明显示装置包括透明显示器或通过将图像投影到透明/半透明薄膜上来实现。
28.通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。
附图说明
29.通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
30.图1示出根据本发明的一些实施例的用于悬浮显示的光学成像系统100的示意图；
31.图2示出二面角元件阵列的示例结构；
32.图3示出根据本发明的另一些实施例的光学成像系统300的示意图；
33.图4示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件400的示意图；
34.图5示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件500的示意图；
35.图6a和图6b分别示出角隅棱镜元件阵列的示例结构；
36.图7示出偏振光照射到角隅棱镜上的偏振态变化的示意图；
37.图8示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件800的示意图；
38.图9示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件900的示意图；
39.图10示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件1000的示意图；
40.图11示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件1100的示意图；
41.图12示出偏振分光膜的示例结构；
42.图13示出胆甾相液晶圆偏振分光膜的示意图；
43.图14示出分光层两侧的介质折射率不同时光线传播的示意图；
44.图15示出鬼象的可能路径；
45.图16光调制部件110与第二分光膜120之间有空气层时的鬼象的可能路径；
46.图17示出超微细百叶窗结构的示例；
47.图18示出光学成像组件中可选的滤光元件的示例位置；
48.图19示出第二分光膜120与光调制部件110形成为一体的示例；
49.图20示出消除鬼象的示意图；
50.图21示出光调制部件中的微结构单元阵列沿曲面形成的示意图；
51.图22示出柱面直角光栅的示例结构；
52.图23示出光学成像组件中可选的偏光片的位置示意图；
53.图24示出根据本发明可选实施例的光学成像组件2400的示意图；
54.图25示出根据本发明可选实施例的光学成像组件2500的示意图；
55.图26示出光调制部件与透镜形成为一体时的光学成像系统的示意图；
56.图27示出根据本发明的可选实施例的光学成像组件2700的示意图；
57.图28示出根据本发明的可选实施例的光学成像组件2800的示意图；
58.图29示出一维格栅透射阵列传播光线的示意图；
59.图30示出根据本发明的示例性实施例的光学成像模块3000的示意图；
60.图31示出根据本发明实施例的可以实现悬浮图像拼接的悬浮显示装置3100的示意性框图；
61.图32示出根据本发明实施例的多层显示设备的示意图；
62.图33示出通过微投影来实现的透明显示装置的示意图；
63.图34示出多层显示设备实现裸眼3d显示的示意图；以及
64.图35a-35c示出显示模块采用三维显示器的说明性示意图。
具体实施方式
65.以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
66.除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。短语“a基本上等于b”意在考虑到工艺制造中的公差，即a与b的数值可以在彼此的
±
10％以内。短语“x与y基本上正交”意在考虑到工艺制造中的公差，即x与y的夹角可以在80
°
～100
°
之间。
67.在本技术中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。在本技术中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
68.在本技术实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
69.图1示出根据本发明的一些实施例的光学成像组件100的示意图。参见图1，根据本发明实施例的光学成像组件100可以包括透明的光调制部件110。光调制部件110具有第一
表面101和与第一表面101相对的第二表面102，并且可以包括形成于其内部的分光层111。分光层111具有微结构单元阵列。微结构单元阵列中的每一个微结构单元可以为二面角元件，其具有形成直角的两个相邻表面，任意照射在二面角元件表面的光线，一部分光线按照原角度反射，如图2所示。二面角元件于其表面上形成有第一分光膜。微结构单元阵列用于在第一方向(例如，x方向)上对光线进行回射以使该光线按入射方向返回。
70.光学成像组件100还包括第二分光膜120。第二分光膜120可以布置在光调制部件110的第一表面101的外侧(如图1所示)。在光学成像组件100中，入射到光调制部件110的第一表面101和第二表面102中的一者的图像光(例如，从物面10上出射的光)经由分光层111和第二分光膜120进行光调制而从第一表面101和第二表面102中的另一者出射。光调制可以包括由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)进行回射、由第二分光膜120进行反射以及由分光层111进行透射。如此，光学成像组件100可以用于在空中(例如，像面20上)形成图像的悬浮实像，或者也可以用在头戴式显示装置(hmd)中，例如替代传统透视式hmd中的凹面半反半透镜，由于该光学成像组件的特殊性质，使用该组件不会对系统引入额外的相差，同时可以透视观察外景，可以较现有透视式头戴式显示设备实现更大的视场角。
71.图3示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件300的示意图。在光学成像组件300中，微结构单元上的第一分光膜可以光强分光膜(例如70％反射30％透射分光膜)，而第二分光膜120可以是线偏振分光膜(例如透射p偏振光并反射s偏振光)，线偏振分光膜的偏振轴向与微结构单元阵列(x方向或y方向)的夹角成45度或135度。参见图3，从物面上的o点处发出的图像光(发散光)可以为线偏振光，线偏振光的偏振方向在xy平面，与x轴夹角为45度，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)回射而不参与最终成像(此部分回射光未示出)，透射过分光层111的成像光被第二分光膜120(用于透射p偏振光并反射s偏振光)反射，第二分光膜的偏振透过轴在xy平面，与x轴夹角为-45度，第二分光膜的偏振反射轴(吸收轴)与x轴夹角为45度。被第二分光膜反射的偏振光，偏振方向与x轴夹角变为-45
°
从第一表面101入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)透射而不参与最终成像(此部分透射光未示出)，另一部分光被分光层111反射二次，第一次反射光线的偏振方向与x轴的夹角变为45
°
，第二次反射光线的偏振方向与x轴夹角变为-45
°
。从分光层111回射的成像光的偏振方向与第二分光膜120的偏振透过轴的方向相同，因此被第二分光膜120透射，从而汇聚在像面20上的o’处。
72.图4示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件400的示意图。在光学成像组件400中，第二分光膜120也可以是圆偏振分光膜，圆偏振分光膜具有圆偏振二色性，材料选择性透过或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。例如，圆偏振分光膜可以为胆甾相液晶膜，与液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去。如图4所示，从物面上的o点处发出的图像光(发散光)为右旋偏振光，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)回射而不参与最终成像，透射过分光层111的成像光被第二分光膜120(用于透射左旋圆偏振光并反射右旋圆偏振光)反射。被第二分光膜反射的右旋圆偏振光，偏振方向变成左旋圆偏振光，从第一表面101入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)透射而不参与最终成像，另一部分光被分光层111反射二次，
第一次反射光线的偏振方向为右旋圆偏振光，第二次反射光线的偏振方向为左旋圆偏振光。从分光层111回射的成像光透过第二分光膜120出射，从而汇聚在像面20上的o’处。
73.图5示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件500的示意图。根据本发明实施例的光学成像组件500可以包括透明的光调制部件110。光调制部件110具有第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102，并且可以包括形成于其内部的分光层111。分光层111具有微结构单元阵列。微结构单元阵列中的每一个微结构单元可以为角隅棱镜元件，其具有三个相互垂直的相邻表面，如图6a或6b所示。分光层111于其上形成有第一分光膜。微结构单元阵列用于对光线进行回射以使该光线按入射方向返回。
74.在光学成像组件500中，微结构单元上的第一分光膜可以光强分光膜(例如50％反射50％透射分光膜)，而第二分光膜120可以是线偏振分光膜(例如透射p偏振光并反射s偏振光)。第二分光膜120可以布置在光调制部件110的第一表面101的外侧。光学成像组件500还包括四分之一波片130，四分之一波片130布置在光调制部件110与第二分光膜120之间，四分之一波片130与线偏振分光膜的轴向夹角为45度或135度。构想到，四分之一波片130也可以是1/4波片 1/2波片的组合。如图5所示，从物面10上的o点处发出的图像光(发散光)为左旋圆偏振光，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)回射而不参与最终成像，透射过分光层111的成像光经过1/4波片转换为s偏振光被第二分光膜120(用于透射p偏振光并反射s偏振光)反射，再次经过1/4波片，转换为左旋圆偏振光，照射到角隅棱镜上。如图7所示，每经过一次反射，圆偏振光的旋转方向变换一次，在角隅棱镜的3个表面各反射一次后变为右旋偏振光出射，右旋圆偏振光再次经过1/4波片转换为p偏振光，透过第二分光膜出射以在空中(例如，像面20上)形成图像的悬浮实像。
75.图8示出根据本发明的另一些实施例的光学成像组件800的示意图。在光学成像组件800中，第二分光膜120也可以是圆偏振分光膜。第二分光膜120可以布置在光调制部件110的第一表面101的外侧。四分之一波片130的轴向为0度，布置在光调制部件110与第二分光膜120之间。如图8所示，从物面10上的o点处发出的图像光(发散光)为45度线偏振光，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)回射而不参与最终成像，透射过分光层111的成像光经过1/4波片转换为右旋圆偏振光，被第二分光膜120(用于透射左旋圆偏振光并反射右旋圆偏振光)反射，反射后变为左旋圆偏振光，再次经过1/4波片，转换为45度偏振光，照射到角隅棱镜上，每经过一次反射，线偏振光的偏振方向变换一次，在角隅棱镜的3个表面各反射一次后变为-45度偏振光出射，再次经过1/4波片转换为左旋圆偏振光，透过第二分光膜120出射以在空中(例如，像面20上)形成图像的悬浮实像。
76.图9示出根据本发明的另一些实施例的用于悬浮显示的光学成像组件900的示意图。光学成像组件900可以包括透明的光调制部件110。光调制部件110具有第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102，并且可以包括形成于其内部的分光层111。分光层111具有微结构单元阵列。微结构单元阵列中的每一个微结构单元可以具有至少两个表面，这些表面相互垂直(微结构可以为二面角结构或角隅棱镜结构)，并且于其上形成有第一分光膜，第一分光膜可以为偏振分光膜(例如透射p偏振光并反射s偏振光)。微结构单元阵列用于在至少第一方向(例如，x方向)上对光线进行回射以使所述光线按入射方向返回。
77.光学成像组件900还包括第二分光膜120和四分之一波片130。第二分光膜120可以是光强分光膜(例如50％反射50％透射分光膜)，可以布置在光调制部件110的第二表面102的外侧。四分之一波片130布置在光调制部件110与第二分光膜120之间。构想到，四分之一波片130也可以是1/4波片 1/2波片的组合。从物面10上的o点处发出的图像光为圆偏振光，入射到第二分光膜120上，一部分光经由第二分光膜120反射而不参与最终成像，透射过第二分光膜120的成像光经由四分之一波片130调制成s偏振图像光，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，s偏振图像光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)回射，回射的s偏振图像光穿过四分之一波片130再次经由第二分光膜120分光，回射光中的一部分光经由第二分光膜120透射而不参与最终成像，另一部分从第二分光膜120反射的成像光再次经由四分之一波片130调制成p偏振光，被分光层111透射，从而汇聚在像面20上的o’处。
78.图10示出根据本发明的另一些实施例的用于悬浮显示的光学成像组件1000的示意图。光学成像组件1000可以包括透明的光调制部件110。光调制部件110具有第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102，并且可以包括形成于其内部的分光层111。分光层111具有微结构单元阵列。微结构单元阵列中的每一个微结构单元可以为二面角元件，其具有形成直角的两个相邻表面，任意照射在二面角元件表面的光线，一部分光线按照原角度反射，并且于其上形成有第一分光膜。光学成像组件1000还包括第二分光膜120和四分之一波片130。第一分光层111上可以镀有光强分光膜(例如50％反射50％透射分光膜)，而第二分光膜120可以为圆偏振分光膜并且布置在光调制部件110的第二表面102的外侧。四分之一波片130布置在光调制部件110与第二分光膜120之间，四分之一波片的轴向与水平方向夹角为45
°
。如图10所示，从物面10上的o点处发出的图像光(发散光)为偏振轴向水平的线偏振光，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)回射而不参与最终成像，透射过分光层111的成像光经过四分之一波片转换为左旋圆偏振光，被第二分光膜120(用于反射左旋圆偏振光并透射右旋圆偏振光)反射。被第二分光膜120反射的左旋圆偏振光，偏振方向变成右旋圆偏振光，经过四分之一波片130后，转换为偏振方向为水平的线偏振光，从第一表面101入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)透射而不参与最终成像，另一部分光被分光层111反射二次，每次反射的光线偏振方向都是水平的线偏振光。从分光层111回射的成像光再次经过四分之一波片130后转换为右旋圆偏振光，透过第二分光膜120出射，从而汇聚在像面20上的o’处。
79.图11示出根据本发明的另一些实施例的用于悬浮显示的光学成像组件1100的示意图。光学成像组件1100可以包括透明的光调制部件110。光调制部件110具有第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102，并且可以包括形成于其内部的分光层111。分光层111具有微结构单元阵列。微结构单元阵列中的每一个微结构单元可以为二面角元件，其具有形成直角的两个相邻表面，任意照射在二面角元件表面的光线，一部分光线按照原角度反射，并且于其上形成有第一分光膜。光学成像组件1100还包括第二分光膜120和二分之一波片130。第一分光层111上镀有光强分光膜(例如50％反射50％透射分光膜)，第二分光膜120为线偏振分光膜(透过p光，反射s光)，可以布置在光调制部件110的第二表面102的外侧。二分之一波片130布置在光调制部件110与第二分光膜120之间，二分之一波片的轴向与
水平方向夹角为22.5
°
或67.5
°
。如图11所示，从物面10上的o点处发出的图像光(发散光)为45
°
的线偏振光，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)回射而不参与最终成像，透射过分光层111的成像光经过二分之一波片转换为s偏振光，被第二分光膜120反射。被第二分光膜反射的光经过二分之一波片130后，转换为偏振方向为-45
°
的线偏振光，从第一表面101入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)透射而不参与最终成像，另一部分光被分光层111的直角光栅反射二次，第一次反射光为45
°
的线偏振光，第二次反射光转换为-45
°
的线偏振光。从分光层111回射的成像光再次经过二分之一波片130后转换为p偏振光，透过第二分光膜120出射，从而汇聚在像面20上的o’处。
80.可以理解，由于分光层111的微结构单元阵列为共轭成像单元，以上各种光学成像组件的物面10和像面20相对于分光层111可以为基本对称设置。采用共轭成像元件的益处在于，位置关系(物与像)共轭，图像不放大，无像差。此外，由于光路可逆，以上实施例中所示的物面10与像面20的位置也可以互换；也就是说，本技术的光学成像组件100、300、400、500、800、900、1000或1100正(第二表面102入光而第一表面101出光)反(第一表面101入光而第二表面102出光)使用时都可以用于悬浮成像。
81.在本发明的一些实施例中，偏振分光膜可以为dbef结构，如图12所示；或者，偏振分光膜可以为金属线栅；又或者，偏振分光膜还可以为多层介质镀膜形成。又或者偏振分光膜可以为胆甾相液晶圆偏振分光膜，如图13所示，这些膜层可以为平板结构，或者可以做在微结构上。
82.如图14所示，分光层111将光调制部件110划分为第一介质部分和第二介质部分。第一介质部分具有折射率n1，第二介质部分具有折射率n2。较佳地，第一介质部分的折射率n1等于第二介质部分的折射率n2，如此不同角度的光线通过微结构时不发生折射，可以形成质量较好的单个悬浮图像。如果折射率不相同(例如n1》n2，如图4所示)，成像光线通过直角微结构阵列后，会发散或汇聚，从而导致形成多个图像(至少2个)，影响成像质量。
83.在本发明的优选实施例中，第一介质部分和第二介质部分的折射率可以介于1.3与1.8之间，即1.3≤n1＝n2≤1.8。
84.在本发明的优选实施例中，光调制部件110的第一介质部分和第二介质部分可以由各向同性的材料形成，从而避免双折射。
85.在本发明的优选实施例中，光学成像组件100可以包括透明的光调制部件110。光调制部件110具有第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102，并且可以包括形成于其内部的分光层111。分光层111具有微结构单元阵列。微结构单元阵列中的每一个微结构单元可以为二面角元件，其具有形成直角的两个相邻表面，任意照射在二面角元件表面的光线，一部分光线按照原角度反射，并且于其上形成有第一分光膜。微结构单元阵列用于在第一方向(例如，x方向)上对光线进行回射以使该光线按入射方向返回。
86.优选的，第一分光膜可以为消偏振光强分光膜，p光和s光具有基本相同的反射率。优选的，∣rs-rp∣《10％。以此保证光线在光调制部件内部传输时偏振状态尽量不改变，例如左旋圆偏振光透过时还是左旋圆偏振光，而不是变成椭圆偏振光。在此种结构下，鬼象的路径主要有两种，如图15所示。一种是入射光线被偏振分光膜反射后照射到直角光栅微结构分光层上，被直角光栅一次镜面反射的光线会照射到偏振分光膜上被反射(正常成像光路
是被直角光栅二次反射，光线按照原路径回射)，被反射的光在直角微结构上再次经过一次或多次反射后射出形成鬼象/杂光。另外一种的鬼象路径是从物点发出的光入射到直角光栅微结构上，光线不是直接透过而是被直角光栅的一个面镜面反射(因为第一分光膜是部分透过光线部分反射光线)，被直角光栅反射的光照射到偏振分光膜上被反射，被反射的光在直角微结构上再次经过一次或多次反射后射出形成鬼象/杂光。
87.当光调制部件110与第二分光膜120之间有空气层时，入射光线被偏振分光膜反射后照射到直角光栅微结构分光层上，被直角光栅一次镜面反射的光线会照射到光调制部件110的第一表面101上被全反射(因为一次反射光线的角度》45
°
)，如图16所示。另一种鬼象路径，即从物点发出的光入射到直角光栅微结构上，光线不是直接透过而是被直角光栅的一个面镜面反射，被直角光栅反射的光照射到光调制部件上的第一表面也会全反射(因为被直角光栅反射的光线角度》45
°
)。以上两种路径中被光调制部件上的第一表面全反射的光线再次照射到直角微结构上，经过一次或多次反射后射出形成鬼象/杂光。因此，在本发明的优选实施例中，光调制部件110和第二分光膜120之间基本上没有间隙(空气层)，例如可以胶合为一体。
88.此外，光调制部件110与第二分光膜120之间允许存在多种介质(例如，透镜、粘合剂等等)，这些介质的折射率可以基本上相等并且与第一介质部分和第二介质部分的折射率之差小于0.3，这有助于减小杂光和鬼象。
89.可选地，根据本发明的实施例的光学成像组件还可以包括滤光元件，用于通过预定角度范围的光线。滤光元件可以是超微细百叶窗(microlourver)结构，也可以采用镀膜实现。超微细百叶窗结构的示例如图17所示，其可以用于通过一定角度光线，优选的为
±
45度范围内光线而吸收大角度光线，如此正常的显示光线可以通过，而对于之前所述的两种杂光/鬼象光路，因为角度大被吸收，从而达到消除鬼象的作用。另外将通光范围设置在
±
45
°
范围内，同时保证了具有》90度的可观察角度范围，以及光学系统具有更高的光学效率。
90.优选的，滤光元件(例如，光线控制膜)放置在第二分光膜(例如，偏振分光膜)和第一分光膜(例如，能量分光膜)之间，如图18所示。
91.在本发明的一些实施例中，第二分光膜120设置在光调制部件110的表面101上，第二分光膜120与第一表面101之间为紧密接触，没有空气间隔。或者，第二分光膜120也可以与光调制部件110形成为一体，作为单个部件。如图19所示，第二分光膜120可以布置在光调制部件110的第一表面101与分光层111之间。本领域技术人员可以理解，在一些实施例中，第二分光膜120也可以布置在光调制部件110的第二表面102与分光层111之间。
92.无论第二分光膜120是否与光调制部件110形成为一体，第二分光膜120与分光层111(例如，微结构单元的齿峰)之间的间距d优选为0～100μm之间。被直角光栅一次反射的鬼象光线在第一表面101反射后照射再次照射到直角结构上后又经过多次反射，通过缩小间距d可以将鬼像光线在水平方向控制在1～2个直角结构的pitch范围内。如此，即使鬼象光线出射，也与正常成像重合，如图20所示，从而达到消除鬼象的目的。
93.在本发明的一些实施例中，光调制部件110中的微结构单元阵列可以沿平面形成，也可以如图21所示那样沿曲面形成。例如，在微结构单元为二面角元件的情况下，微结构单元阵列可以形成为柱面直角光栅，其在y方向为曲面，x方向为一维直角光栅结构，如图22所示。
94.可选地，在一些实施例中，光学成像组件100、300、400、500、800、900、1000或1100还可以包括偏光片，或者可以包括偏光片和相位延迟片的组合，以用于消除从分光膜反射回的光线。如图23所示，在光学成像组件100中，偏光片可以布置在光调制部件的第二表面的外侧。
95.图24和图25示出根据本发明可选实施例的用于悬浮显示的光学成像组件2400和2500的示意图。光学成像组件2400和2500的若干细节分别与上文关于图1描述的光学成像组件100、300、400、500、800、900、1000或1100是相同的，在此不再赘述。光学成像组件2400可以包括偏光片140。偏光片140可以布置在光调制部件110的第二表面102的外侧，光学成像组件2400中的分光层111为二面角微棱镜阵列结构，第一分光膜110为光强分光膜。光学成像组件2500可以包括偏光片140和第二四分之一波片150。偏光片140可以布置在光调制部件110的第二表面102的外侧，而第二四分之一波片150可以布置在光调制部件110与偏光片140之间。光学成像组件2500中的分光层111为角隅微棱镜阵列结构，第一分光膜110为偏振分光膜。
96.在光学成像组件2400中，入射光线通过偏光片140后变成与x轴夹角为45度，从光调制部件110的第二表面102入射到分光层111上，透射过分光层111的成像光被第二分光膜120(用于透射p偏振光并反射s偏振光)反射，第二分光膜的偏振透过轴在xy平面，与x轴夹角为-45度，第二分光膜的偏振反射轴(吸收轴)与x轴夹角为45度。被第二分光膜反射的偏振光，偏振方向与x轴夹角变为-45
°
从第一表面101入射到分光层111上，一部分光经由分光层111(具体是其中的微结构单元阵列)透射然后被偏光片140吸收，不参与成像，从而达到消除杂散光的目的。另一部分光被分光层111反射二次，第一次反射光线的偏振方向与x轴的夹角变为45
°
，第二次反射光线的偏振方向与x轴夹角变为-45
°
。从分光层111回射的成像光的偏振方向与第二分光膜120的偏振透过轴的方向相同，因此被第二分光膜120透射，从而汇聚在像面20上的o’处。
97.在光学成像组件2500中，入射光线通过偏光片140后变成p偏振光，经过第二四分之一波片150变成圆偏振光，经由光强分光膜120分光，部分光线通过第一四分之一波片130变成s偏振光，被偏振分光层111反射，然后经由微结构阵列回射，光线按照原路返回，同时由于光线两次通过第一四分之一波片130，光线转换为p偏振光，透过偏振分光膜111射出，从而物点o发出的光线在系统的另外一侧汇聚，形成像点o’。特别地，被光强分光膜返回的光线再次经过第二四分之一波片150，光线转换为s偏振光，被偏光片140吸收，从而达到消除杂散光的目的。
98.可选地，在一些实施例中，光学成像组件2400或2500还可以包括附加的偏光片，用于吸收从偏振分光膜透过的非成像光并减少偏振分光膜对环境光(非成像光)的反射。例如，以光学成像组件2400为例，附加的偏光片160可以布置在第二分光膜120的外侧。
99.可选地，在一些实施例中，光调制部件110可以用于仅在第一方向上进行成像(例如，在x方向上将从物点o发出的光汇聚在o’处)，那么光学成像组件100、300、400、500、800、900、1000、1100、2400或2500还可以包括用于在第二方向上进行成像(例如，在y方向上将从物点o发出的光汇聚在o’处)的成像光组，其中第一方向和第二方向分别与光学成像组件的光轴正交。例如，成像光组可以包括一个或多个透镜和孔径光阑。特别地，成像光组在第一方向的像方孔径角优选大于光组在第二方向的像方孔径角。
100.可选地，在一些实施例中，光学成像组件100、300、400、500、800、900、1000、1100、2400或2500中的光调制部件110可以与附加的透镜210形成为单个部件即，“lens&grating”结构)，比如通过注塑的方式将微结构分光层和透镜一体成型，或者可以与附加的透镜210胶合以形成为一体的结构，如图26所示。透镜210可以用于在第二方向上对成像光进行调制，以辅助成像或者优化成像质量。第二方向可以与第一方向基本上正交。
101.图27示出根据本发明的可选实施例的光学成像组件2700的示意图。光学成像组件2700可以包括如上所述的任一光学成像组件(图27以图1的光学成像组件100为例)，示例光学成像组件2700还可以包括第一透镜2710、第二透镜2720、第三透镜2730、第四透镜2740。第一偏光片(未示出)可以布置在光调制部件110的第二表面102的外侧。在此示例中，光学成像组件100中的光调制部件110可以用于在x方向上对成像光进行调制以进行成像，而第一透镜、第二透镜和第三透镜第四透镜可以用于在y方向上对成像光进行调制以进行成像，其中第一透镜2710在y方向为光学系统的y方向的孔径光阑。可选地，第一透镜2710可以为菲涅尔透镜，并且菲涅尔透镜齿与齿之间为等间距，以促进无缝拼接(如下文中所述)。如上所述，仅采用光调制部件110就可以实现悬浮图像的成像了，不过在y方向随着观察位置的移动，悬浮图像会在y方向移动，所以第一透镜2710、第二透镜2720、第三透镜2730和第四透镜2740的组合可以用来调节y方向，解决悬浮图像在空间中y方向的定位问题，如此可以在水平方向实现较大的视场角。光学成像组件2700还可以包括设置在偏振分光膜(例如第二分光膜120，图27中未示出)与像面之间的第二偏光片，以用于减少偏振分光膜对外景光(非成像光)的反射。如此，物面10上的图像光可以经由示例光学成像组件2700在像面20上形成悬浮图像。
102.可选地，在一些实施例中，光学成像组件100、300、400、500、800、900、1000、1100、2400、2500、2600和2700还可以包括一维格栅阵列平板，以用于在第二方向成像。图28示出根据本发明的可选实施例的光学成像组件2800的示意图。光学成像组件2800可以包括如上所述的任一光学成像组件(例如可以包括偏光片140、光调制部件110、第二分光膜120和第二偏光片160))。光学成像组件2800中的光调制部件110中的微结构单元阵列为x方向上的二面角元件阵列，即x方向为一维直角光栅阵列的结构。光学成像组件2800还可以包括y方向为一维格栅透射阵列310的平板。一维格栅透射阵列结构可以由若干平行玻璃平板贴合构成，其中贴合面镀有金属反射膜。如图29所示，物点o与像点o’光学共轭，该结构的物面与像面等大，并且无像差。在现有技术中，提出过利用两个相互正交的一维格栅透射阵列来形成悬浮图像的方案。采用示例光学成像组件2800的结构较现有技术相比，具有成本低、鬼象少的优点。
103.根据本发明的示例性实施例，还提供了一种用于悬浮显示的光学成像模块。图30示出根据本发明的示例性实施例的光学成像模块3000的示意图。光学成像模块3000包括两个上文描述的光学成像组件以及附加的偏光片160，其中一个光学成像组件例如可以包括偏光片140、光调制部件110和第二分光膜120，而另一个光学成像组件例如可以包括偏光片140’、光调制部件110’和第二分光膜120’。第一光学成像组件的光调制部件110中的第一微结构单元阵列相对于第二光学成像组件的光调制部件110’中的第二微结构单元阵列为基本上正交设置，并且第一微结构单元和第二微结构单元中的每一个微结构单元为二面角元件，即一维直角光栅阵列。第一光学成像组件可以用于在第一方向(例如，x方向)上对物点o
处的成像光进行调制，而第二光学成像组件可以用于在第二方向(例如，y方向)上对物点o处的成像光进行调制，最终在空中汇聚，形成悬浮像点o’。根据本发明的又一些实施例，还提供了一种悬浮显示装置，其包括一个或多个如上文所述的光学成像组件和/或光学成像模块；以及图像显示单元，图像显示单元被配置为发出图像光。图像显示单元利用直接显示或间接投影的方式在光学成像组件和/或光学成像模块的物面上呈现原始图像，图像光随后通过光学系统在空中形成悬浮图像。如果要实现大尺寸的悬浮显示，则需要加工更大的光学元件，这样会导致加工成本的迅速上升和光学元件精度的下降。因此，本发明允许提供可变尺寸的悬浮显示装置，其包括一个或多个图像显示单元和一个或多个光学成像组件和/或光学成像模块，在空间中形成多个悬浮子图像，多个悬浮子图像拼接而成完整的悬浮图像。该技术方案在实现悬浮图像无缝拼接的同时能够具有较低的制造成本以及使得悬浮显示装置更加紧凑。
104.图31示出根据本发明实施例的可以实现悬浮图像拼接的悬浮显示装置3100的示意性框图。参见图31，根据本发明实施例的悬浮显示装置3100可以包括显示模块3110和多个光学成像模块3120
1～n
。光学成像模块3120i可以由上文所述的光学成像组件构成，或者可以是光学成像模块3000。显示模块3110可以配置成发出构成目标图像的显示光。多个光学成像模块3120
1～n
可以配置成接收从显示模块3110发出的显示光以在空中形成悬浮图像。每个光学成像模块3120i限定物面10和像面20。显示模块3110(特别是其显示面)布置于多个光学成像模块的物面10处。显示模块3110上的像素点发出的光线可以通过多个光学成像模块3120
1～n
中的一个或多个光学成像模块汇聚在像面20上。
105.在本发明的实施例中，显示模块3110可以由多个显示单元拼接构成或者为单一显示装置，单一显示装置可以为单一完整显示区或者具有多个独立的显示区，如此显示模块3110可以包括沿y方向排列的多个显示部。每个显示部可以配置成显示目标图像的相应部分。显示模块3110上显示的目标图像与多个光学成像模块3120
1～n
的悬浮图像面(即，像面20)处呈现的悬浮图像在y方向上可以为倒置成像关系。
106.根据本发明的另一示例性实施例，还提供了一种多层显示设备。
107.图32示出根据本发明实施例的多层显示设备3200的示意图。
108.多层显示设备3200可以包括前文所述的悬浮显示装置3100以及透明显示装置200。透明显示装置200可以被设置在悬浮显示装置3100的出光侧(光学下游)。透明显示装置200的显示面与悬浮显示装置3100的悬浮图像面20位于不同的位置处，具体在悬浮图像面20与悬浮显示装置3100之间。透明显示部件200可以具有高透过率，例如透明oled/led/lcd显示器或菲林片(幻灯片)。透明显示装置200也可以通过在悬浮显示装置3100前设置透明薄膜(薄膜雾度小于《5％)，由微投影投射图像获得，如图33所示。或者，该透明薄膜可以对光线有角度选择性，对于大角度光线进行散射(投影图像)，对于小角度光线直接透过(悬浮图像)。
109.以上描述了根据本发明示例性实施例的多层显示设备3200。该多层显示设备3200具有显示面1和显示面2，悬浮显示装置3100可以在显示面1(像面20)处形成悬浮图像，透明显示装置200可以在显示面2处显示不同信息。如此，可以将次要信息显示在显示面2上，而将重要信息呈现在显示面1处，由此提升人们获取信息的效率和体验度。或者，也可以在显示面1和显示面2上显示大小相同的影像，利用物体距离观赏者远近距离不同会有阴暗以及
颜色上的差别，进而将前后物体影像重叠在一起，让观赏者产生立体感，从而实现裸眼3d显示，如图34所示。
110.可选地，显示模块3110也可以为裸眼三维显示器，三维显示器可以是多视点自由立体显示器，也可以是光场显示器。如图35a所示，通常的裸眼三维显示器由平板显示器和微光学单元构成，微光学单元可以为微透镜或狭缝光栅。平板显示器产生有视差的图像，经过微光学单元后分别送入观察者的左右眼，利用人眼的双目视差效应，产生立体感。如图35b所示，显示模块3110上a1点进入右眼，a2点进入左眼，人眼因为双目视差原理看到的点为a点，在屏幕的前方。显示屏上b1点进入右眼，b2点进入左眼，人眼因为双目视差原理看到的点为b点，在屏幕的后方。左右眼共同看到屏幕上的c点，因此感受到c点的位置在屏幕上。由此，传统裸眼三维显示器呈现的3d图像是以屏幕为深度中心，前后一定深度范围内的3d图像。因为观看时人眼会聚焦在三维显示器的物理屏幕，因此无法感受到空间中浮空的三维图像，影响体验。
111.本发明中的显示模块3110可以采用多视点/光场显示器，可以很好的解决该问题，多视点/光场显示器的屏幕面经过本发明的光学成像模块3120投射到空间中，形成悬浮图像面，通过在多视点/光场显示器上显示视差图像，即可在空间中形成以悬浮图像面为深度中心，前后一定范围内的3d图像。如图35c所示，在悬浮图像面，a点在前景深面，b点在后景深面，c点在显示装置的悬浮图像面，由此形成的3d图像是完全浮空在空中的，具有更好的3d效果体验。
112.以上详细描述了根据本发明的示例性实施例的光学成像组件、光学成像模块、悬浮显示装置以及多层显示设备。本发明的优点在于：1)光学成像组件/模块结构简单，易于加工，可以有效降低成本；2)可以为无像差系统，无需校正光学像差，视场角大；3)可以根据需要采用各种尺寸的显示模块(或特定数量的显示单元)和特定数量的光学成像组件/模块来实现不同尺寸的悬浮显示，即拼即用，特别有利于实现大尺寸悬浮显示；4)光学成像组件/模块一次设计好，根据所需悬浮图像尺寸来使用对应数量的同一光学成像模块进行悬浮图像的无缝拼接即可，而无需针对不同悬浮图像尺寸设计不同的光学成像组件/模块；5)鬼象较少。采用该光学成像组件/模块，实现图像光在空中的光场重构，是一种光场三维显示技术。图像光沿x方向通过光学成像组件/模块成像的像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以实现图像的浮空显示。
113.应当理解，上述说明是示意性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各方面)可以彼此结合起来使用。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改，以使特定的状况或材料适应于本发明各个实施例的教导。虽然本文所述的材料的尺寸和类型用来限定本发明各个实施例的参数，但是各个实施例并不意味着是限制性的，而是示例性的实施例。在阅读上述说明的情况下，许多其它实施例对于本领域技术人员而言是明显的。因此，本发明的各个实施例的范围应当参考所附权利要求，以及这些权利要求所要求保护的等同形式的全部范围来确定。