一种抗环境光的对比度增强悬浮显示系统

技术领域

本发明属于光学显示技术领域，尤其涉及一种空中悬浮显示系统。

背景技术

无介质空中悬浮显示方式作为一种新型显示方式，为生活娱乐，工业 生产，科学研究等各个领域的创造性应用带来更多可能。在商业活动中， 悬浮显示可以代替传统的实体广告版，促进产品推广及商业宣传。在工业 生产的现场，悬浮显示可以使生产者更加方便的进行各种生产操作。尤其 是在目前5G商用的大环境下，悬浮显示更是能为云生态，物联网，车联 网等新兴领域带来更多有价值的应用。因此，能够实现一个大视角，高清 晰度，高对比度悬浮图像的悬浮装置具有重要意义。

从目前公开的专利文献来看，传统悬浮系统所采用最多的方案是利用 显示源，45°倾斜放置的分光器件，以及反射器件来形成悬浮图像。专利 文献1(中国发明专利公开号CN107622741A)公开了一种空中悬浮显示 系统，系统包括显示源，光学模组(包含透镜组和分光镜)，弧面反射镜； 所述显示源发射的光线经光学模组的光线入射端进入光学模组，经过透镜 组和分光镜后，再经光学模组的光线出射端进入弧面反射镜，光线经弧面 反射镜的反射经所述光学模组的光线出射端再次进入光学模组，并经过分 光镜后在空中汇聚形成悬浮像。然而，由于系统本身具有多个可以对光线 造成反射调制的器件(如专利文献1里提到的分光镜和弧面反射镜)，这些 可以对光线进行反射调制的器件不仅仅对参与形成悬浮像的光线进行反射 调制，也对环境光进行了反射调制，造成环境光被观察者接收的光线路径 主要由两个，如图1所示：

1.环境光线P1P2入射到分光器件上时，由于分光器件本身具有一定 的反射功能，光线P1P2可经过分光器件的反射直接被观察者接收；

2.环境光线P11P22入射到分光器件上，由于分光器件本身具有一定 的透射功能，光线P11P22可以穿过分光器件，入射到反射器件上，通过 反射器件的调制后出射被观察者接收。

以至于观察者可以同时看到悬浮像和环境光线，造成悬浮像图像质量 下降，对比度降低。因此，传统的悬浮系统只能在黑暗的环境下进行观看， 这大大限制了悬浮系统的应用范围。

专利文献2(中国发明专利公开号CN109752859A)提出了一种高精 度空气显示系统，包括用于发射线性偏振光的图像发生器，图像发生器的 上方倾斜设有具有线性偏振角度反射式偏光膜，反射式偏光膜的一侧设有 波片以及逆反射膜。所述反射式偏光膜可以对图像发生器发射过来的线性 偏振光进行反射，波片将反射式偏光膜反射过来的线性偏振光进行处理形 成圆偏振光，逆反射膜对经过波片的圆偏振光进行逆反射使得逆反射回的光线依次穿过波片和反射式偏光膜并在反射式偏光膜的另一侧汇聚形成悬 浮像。然而，专利文献2提出的方案中仍然存在两个问题：

1.专利文献2提出的结构采用逆反射膜对光线进行汇聚形成悬浮像， 逆反射膜是由逆反射器件组成的阵列结构，常用于道路交通的指示牌或是 警示标志。常见的逆反射膜有逆反射小球阵列结构，逆反射棱镜阵列结构 等。由于逆反射膜并不是专业的光学成像器件，导致由逆反射膜形成的悬 浮像存在严重的图像模糊的问题。这是因为构成逆反射膜的阵列结构(小 球结构或是棱镜结构或是其他结构)本身存在严重像差，导致由逆反射膜 形成的悬浮像存在严重的图像模糊。

2.在专利文献2中，反射式偏光膜和波片的作用是提升系统的光能利 用率，从而提高悬浮图像的亮度，并不能抑制外界环境光的影响，从而降 低了悬浮图像的对比度。即专利文献2没有考虑环境光对悬浮图像的影响， 环境光线仍然可以穿过反射式偏光膜后，通过逆反射膜反射进入人眼，从 而降低悬浮像质量与对比度。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种抗环境光的对比度增强 悬浮显示系统，通过如下技术方案实现：

一种抗环境光的对比度增强悬浮显示系统，所述系统包括：显示源A1、 光学相位调制器件B1、光学分光器件A2、光学相位调制器件B2、光学偏 光器件B3及光学凹面反射镜A3；其中，在垂直于显示源A1且向着光学 偏光器件B3的方向上依次设置显示源A1、光学相位调制器件B1、光学 分光器件A2、光学相位调制器件B2和光学偏光器件B3；所述凹面反射镜A3和悬浮图像A4分别位于光学分光器件A2的两侧；所述光学相位调 制器件B1对入射的线偏振光产生定量的相位延迟，将线偏振光转换为圆 偏振光，圆偏振光入射到光学分光器件A2和光学反射器件A3时，偏振态 均不改变；所述光学相位调制器件B2对入射的圆偏振光产生定量的相位 延迟，此时圆偏振光转换为线偏振光，并从光学偏光器件B3出射，形成 悬浮像。

作为本发明的进一步改进，显示源A1是线偏振光照射的实际物体， 或是本身发出线偏振光的显示设备，或是本身并不发出线偏振光但经过改 造后发出线偏振光的显示设备。

作为本发明的进一步改进，光学相位调制器件B1与光学相位调制器 件B2存在光轴，并能对偏振光产生一定量的相位延迟，所产生的相位延 迟量为λ/4；入射到光学相位调制器件B1的线偏振光振动方向与B1光轴 夹角θ＝±45°或±135°。

作为本发明的进一步改进，光学偏光器件B3存在透光轴与吸光轴， 能将透过该器件的光线转换为振动方向与透光轴方向平行的线偏振光；如 果入射光线是振动方向与吸光轴方向平行的线偏振光，则该光线无法从B3 出射。

作为本发明的进一步改进，光学偏光器件B3的透光轴方向与光学相 位调制器件B2光轴的夹角为

作为本发明的进一步改进，当入射到光学相位调制器件B1的线偏振 光振动方向与光学偏光器件B3的透光轴方向夹角为0°或者180°时，光学 相位调制器件B1的光轴与光学相位调制器件B2的光轴之间的夹角为90° 或者270°；当入射到光学相位调制器件B1的线偏振光振动方向与光学偏 光器件B3的透光轴方向夹角为90°或者270°时，光学相位调制器件B1的 光轴与光学相位调制器件B2的光轴之间的夹角为0°或者180°。

作为本发明的进一步改进，光学凹面反射镜A3是一种能对光线进行 反射汇聚调制的光学器件，A3具有焦距(F)且应满足：L1+L2+L3>F， 其面型是球面或者是非球面。

作为本发明的进一步改进，光学凹面反射镜A3替换为反射式菲涅尔 镜。

作为本发明的进一步改进，光学分光器件A2是一种能对光线进行部 分透射和部分反射的平面光学器件，其透射率范围是：1％-99％，其反射率 范围是：1％-99％，光学分光器件A2与显示源A1所形成的夹角为α，角α 的范围30°-60°。优选地，所述反射率范围是：30％～90％，所述透射率范 围是：10％～70％。

作为本发明的进一步改进，显示源A1与光学相位调制器件B1之间的 距离为L1，光学相位调制器件B1与光学分光器件A2之间的距离为L2， 光学分光器件A2与光学凹面反射镜A3之间的距离是L3，光学分光器件A2与光学相位调制器件B2之间的距离为L4，光学相位调制器件B2与光 学偏光器件B3之间的距离为L5。L1、L2、L3、L4、L5的取值均大于等 于0。

作为本发明的进一步改进，所述光学相位调制器件B1紧贴于所述显 示源A1表面；所述光学相位调制器件B2紧贴于光学分光器件A2表面， 所述光学偏光器件B3紧贴于光学相位调制器件B2表面。

本发明的有益效果是：由显示源A1发出的入射到光学相位调制器件 B1上的光为线偏振光，B1对入射的线偏振光产生定量的相位延迟，将线 偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光入射到光学分光器件A2和光学反射器 件A3时，偏振态均不改变。光线入射进光学相位调制器件B2，B2对圆 偏振光产生定量的相位延迟，此时圆偏振光转换为线偏振光，并从光学偏 光器件B3出射，形成悬浮像。相对应的，外界环境光D1发出的光线在光 学相位调制器件B2与光学偏光器件B3共同作用下无法被光学分光器件 A2和光学凹面反射镜A3反射进入人眼，从而无法被观察者观察到。通过 对参与悬浮成像光线的相位控制与对环境光线的相位控制，系统可以使观 察者看不到由环境光产生的干扰光，从而过滤掉环境光对悬浮图像造成的 影响，同时不会对参与悬浮成像的光线造成影响，提高了悬浮像的图像质 量及对比度，扩展了悬浮系统的应用场景。最终可以在明亮环境下实现空 中悬浮显示一个大视角，高清晰度，高对比度的悬浮图像。

附图说明

图1是现有技术中的悬浮显示系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例一的悬浮显示系统的结构示意图；

图3是本发明的实施例一的悬浮显示系统的光路图；

图4是本发明实施例二的悬浮显示系统的结构示意图；

图5是本发明的显示源的一种结构示意图；

图6是本发明的光学相位调制器件的工作原理示意图；

图7是本发明的光学偏光器件的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图2所示，本发明实施例一的抗环境光的对比度增强悬浮显示系统， 包括：显示源(A1)、光学相位调制器件(B1)、光学分光器件(A2)、光 学相位调制器件(B2)、光学偏光器件(B3)及光学凹面反射镜(A3)。 其中，在垂直于显示源(A1)且向着光学偏光器件(B3)的方向上依次设 置的是显示源(A1)、光学相位调制器件(B1)、光学分光器件(A2)、光 学相位调制器件(B2)和光学偏光器件(B3)。凹面反射镜(A3)和悬浮 图像(A4)分别位于光学分光器件(A2)的两侧。

光路如图3所示，入射到光学相位调制器件(B1)上的光为线偏振光 (光线O1O2)，光线穿过B1，B1对线偏振光产生定量的相位延迟，将线 偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光入射到光学分光器件(A2)和光学反射 器件(A3)时，偏振态均不改变(光线O2O3O4O5)。之后，光线入射进 光学相位调制器件(B2)，B2对圆偏振光产生定量的相位延迟，此时圆偏 振光转换为线偏振光(光线O5O6)，并从光学偏光器件(B3)出射，形成 悬浮像(A4)。

显示源(A1)与光学相位调制器件(B1)之间的距离为L1，B1与光 学分光器件(A2)之间的距离是L2，。优选的，B1紧贴于A1表面。光学 分光器件(A2)与光学凹面反射镜(A3)之间的距离是L3。光学分光器 件(A2)与光学相位调制器件(B2)之间的距离为L4，光学相位调制器 件(B2)与光学偏光器件(B3)之间的距离为L5。优选的，B2紧贴于 A2表面；B3紧贴于B2表面。表1展示了参与形成悬浮像的各光线的偏 振状态

表1

相对应的，由于外界环境光发出光线形成干扰光的光路径可以分成两 部分：

1.光线从光学分光器件(A2)表面直接反射形成的干扰光(如从P1 发出的光线)，这部分光线会先经过光学偏振器件(B3)，此时光线被转换 为线偏振光(光线P2P3)。之后会穿过光学相位调制器件(B2)，此时线 偏振光转换为圆偏振光(光线P3P4)，之后光线入射到A2，由A2表面反 射后再次进入B2，从B2出射后，圆偏振光被转换为线偏振光(光线P4P5)，由于是被同一相位调制器件转换了两次，此时光线P4P5的振动方向与 P2P3的振动方向垂直。故光线P4P5无法穿过偏振器件B3，从而无法被人 眼观察到。

2.光线穿过分光器件(A2)，入射到光学反射器件(A3)，经过A3 的反射后形成干扰光(如从P11发出的光线)，与光线从A2表面直接反射 形成的干扰光原理相似，通过光学偏振器件(B3)与光学相位调制器件(B2) 的配合，这部分光线同样无法出射进入人眼，从而避免了干扰光的形成， 提高了悬浮图像(A4)的图像对比度与图像观看质量。表2(以光线P1-P5 为例)展示了各光线的偏振状态。

表2

需要说明的是，实施例一描述的仅仅是基于本发明的方案所实现的其 中一种结构，并不是对专利范围的限定。事实上，基于本发明所提出的方 案可以有多种不同形式的结构，这些都应在本专利的保护范围之内，如图 4所示是本发明的实施例二所示的一种卧式结构的抗环境光的对比度增强 悬浮显示系统。

下面将详细描述本发明的抗环境光的对比度增强悬浮显示系统中各元 件作用。

显示源(A1)

显示源(A1)可以是线偏振光照射的实际物体或是本身发出线偏振光 的显示设备亦或是本身并不发出线偏振光但经过改造后发出线偏振光的显 示设备，它为观察者提供观看内容。可以是二维液晶显示器(LCD)，LED 显示器，Micro-LED显示器，OLED显示器，量子点显示器，激光类显示 器，投影仪等；亦或采用光学方案制作的三维显示器。需要说明的是，要 保证入射到光学相位调制器件(B1)上的光为线偏振光，则需要：

1.显示源A1发出的光线为线偏振光，如所选用的显示源(A1)本身 发出的光就是线偏振光(如LCD显示器或是基于LCD显示器的其他显示 方式)，则可直接作为显示源(A1)。

2.如所选用的显示源(A1)本身并不能直接发出线偏振光(如LED 显示器，OLED显示器或基于此类显示器的其他显示方式)，则需要人为将 这类显示源发出的光线转换为线偏振光，常用的方法是在显示源(A1)与 光学相位调制器件(B1)之间添加一光学偏光器件(B4)，例如偏光片， 如图5所示。

图5说明了显示源(A1)本身并不直接发出偏振光的情况，此时在相 位调制器件(B1)与A1之间添加一光学偏光器件(B4)，将A1发出的光 线转换为线偏振光(光线O2O3为线偏振光)，同样可以实现本发明所提出 的效果，其本质与本发明提出的方法相同，这种通过人为添加偏光器件使 显示源发出的非偏振光线转换为线偏振光的情况也在本专利保护范围之 内。

光学相位调制器件(B1)

光学相位调制器件(B1)是一种能对入射的偏振光产生定量相位延迟 的光学器件，在本发明提出的系统结构中的作用是将入射的线偏振光转换 为圆偏振光。光学相位调制器件的特点是存在一光轴，光轴与调制器件表 面平行。当线偏振光进入调制器件(B1)时，其振动方向与B1光轴夹角 为θ，入射的线偏振光可以分解成垂直于器件光轴的O光和平行于器件光 轴的E光。O光和E光虽然按照同一方向传播，但是传播的速度却不同(O 光与E光对应的折射率不同)。当从B1出射后，O光和E光之间就会产生 定量的相位延迟，入射进入B1的线偏振光就会被转换为圆偏振光。图6 举例展示了线偏振光通过B1后转换为圆偏振光的过程。

需要说明的是，图6只是一个原理展示过程，实际上，入射的线偏振 光振动方向可以是任意的，其振动方向与B1光轴夹角θ也可以是任意的， 优选的，入射线偏振光振动方向与B1光轴夹角θ＝±45°或±135°。

需要说明的是，光学相位调制器件(B1)的作用是把入射的线偏振光 产生定量的相位延迟，将线偏振光转换为圆偏振光，该器件可以是由石英， 方解石，云母等双折射晶体制作而成，也可以是由特殊微结构表面制作而 成，亦或是特殊工艺制作而成；只要能对入射偏振光产生定量的相位延迟 的器件均在本专利保护范围之内。

光学分光器件(A2)

光学分光器件(A2)是一种能对光线进行部分透射和部分反射的平面 光学器件，其透射率范围是：1％-99％，优选的透射率范围是：10％～70％， 其反射率范围是：1％-99％，优选的反射率范围是：30％～90％。光学分光 器件(A2)与显示源(A1)的夹角为α，角的范围30-60其基底材料应是 透明玻璃或者透明塑料或者其他种类透明材料，再在基底表面镀膜达到对 光线进行部分透射和部分反射的功能。器件尺寸和厚度可以根据实际需求来制定。

光学凹面反射镜(A3)

光学凹面反射镜(A3)是一种能对光线进行反射调制的光学器件，其 作用是将入射到工作面上的显示源发出的光线反射调制形成悬浮像(A4)。 A3重要的光学特性是焦距(F)和面型。A3的焦距F应满足：L1+L2+L3>F， 其面型可以是球面或者是非球面。凹面反射镜口径可以是圆形也可以是方 形或其他形状。其具体尺寸和厚度可根据实际结构决定。凹面反射镜(A3) 可以由传统的玻璃材料或是塑料材料加工制作，然后再在工作面镀反射膜 达到反射光线的效果；也可以采用金属材料加工制作，这样无需镀膜，直 接利用金属的反射特性达到反射效果。此外，该器件也可以替换为菲涅尔 反射镜。

光学偏光器件(B3)：

光学偏光器件(B3)是一种能将任意状态的光线转换为振动方向与透 光轴方向平行的线偏振光。光学偏光器件的特点是存在透光轴与吸光轴， 其作用是：

1.光线入射到偏光器件，出射后均被转换为振动方向与透光轴方向平 行的线偏振光，如图7左半部分所示。

2.当入射光是振动方向与透光轴方向平行的线偏振光时可以从偏光 元件中出射，当入射光是振动方向与透光轴方向垂直的线偏振光时无法从 偏光元件中出射如图7右半部分所示。

在本发明提出的系统结构中，其作用有两个：

1.与光学相位调制器件(B2)相互配合，使参与悬浮成像的光线出射 形成悬浮图像(A4)，优选的，B3的透光轴方向与光学相位调制器件(B2) 光轴的夹角为

2.与光学相位调制器件(B2)相互配合，使外界环境光无法通过光学 分光器件(A2)与光学反射器件(A3)的反射进入人眼，消除外界环境光 对悬浮像(A4)的影响，提高悬浮像图像对比度与图像质量。

该器件可以是碘系偏光片，也可以是染料系偏光片，也可以是由电气 石等晶体的二向色性制作而成，也可以是由特殊微结构表面制作而成，亦 或是特殊工艺制作而成；只要能实现本发明中提出的功能和满足本发明中 描述的作用的偏光器件均在本专利保护范围之内。

光学相位调制器件(B2)：

光学相位调制器件(B2)与B1的功能相同，同样是对入射偏振光产 定量相位延迟的光学器件。在本发明提出的系统结构中，其作用有两个：

1.将参与悬浮成像的圆偏振光线(已被光学相位调制器件(B1)调制 而成的圆偏振光)利用相同的原理将相位再次定量延迟，使参与悬浮成像 的光线从光学偏振器件(B3)出射形成悬浮像。

2.与光学偏振器件(B3)相互配合，使外界环境光无法通过光学分光 器件(A2)与光学反射器件(A3)的反射进入人眼，消除外界环境光对悬 浮像(A4)的影响，提高悬浮像图像对比度与图像质量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。