一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备
技术领域
1.本发明属于光学技术领域，具体涉及一种裸眼3d微型空中成像设备。
背景技术：2.3d显示技术主要分为眼镜式和裸眼式两大类。其中的裸眼式，亦即裸眼3d技术主要有两种实现思路，一种是进行光场重构的真3d，另一种是形成视差的伪3d。主流的技术实现手段是光屏障式、柱状透镜式以及方向性背光3d技术。
3.目前对于真3d显示设备而言，主要存在三大问题：其一是主流真3d显示设备所显示的3d场景只能出现在装置内部，无法呈现在空中，使人能够与之交互；其二是设备显示的视场角过小，只能在特定角度观看；其三是设备所呈现像的大小受平面显示器的尺寸限制。如果需要呈现更大的三维场景，则需要更大的设备尺寸。
技术实现要素：4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，该设备由压电片、micro-led 2d显示屏、圆点光栅、凹面镜、凹透镜和其他电子设备组成，其中所有光学设备的主光轴均处于同一直线上，压电片用于实现变焦功能，micro-led 2d显示器用于显示微图像阵列，圆点光栅用于调制micro-led2d显示屏上像素发出的光线，重建出3d图像，凹面镜分别置于micro-led2d显示屏的上方与下方，上方凹面镜直径远小于下方，并且其曲率远大于下方；上方凹面镜用于将3d图像调制成放大的虚像，下方凹面镜将各方向的虚像在空中汇聚成可直接用裸眼观测的3d图像，凹透镜用于发散还未汇聚成实像的光线以达到放大3d图像的目的。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
6.一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，包括磁悬浮凹透镜、上盖板、上凹面镜、圆点光栅、2d显示屏、压电片、电子器件支撑板、下凹面镜、下盖板、控制单元、支撑架、磁悬浮装置和支撑柱；
7.所述上盖板为弧形壳体，顶部中间开孔；所述磁悬浮凹透镜悬浮在孔正上方；
8.所述下盖板为弧形壳体，上盖板和下盖板拼接为中空类球体；
9.所述电子器件支撑板设置在中空类球体内部；所述控制单元、磁悬浮装置安装在电子器件支撑板上；
10.所述上凹面镜、圆点光栅、2d显示屏、压电片、支撑柱和下凹面镜从上至下依次设置在中空类球体内部；
11.所述下凹面镜开口向上固定在下盖板上；所述支撑柱下端固定在下盖板上，上端与压电片固定连接；所述压电片与2d显示屏胶接；所述2d显示屏显示面向上放置；所述圆点光栅放置在2d显示屏上方并与2d显示屏镶嵌在支撑架内；所述上凹面镜通过支撑架固定在2d显示屏上方，所述支撑架下端固定在支撑柱上；上凹面镜开口向下；
12.所述圆点光栅与2d显示屏平行；
13.所述2d显示屏与上凹面镜的距离小于上凹面镜的焦距；
14.所述控制单元外接视频信号，将视频信号显示在2d显示屏上；控制单元控制压电片通电，改变压电片的厚度，从而改变2d显示屏和上凹面镜的距离；控制单元控制磁悬浮装置的启停，从而通过磁悬浮装置使磁悬浮凹透镜悬浮在上盖板上方；
15.所述磁悬浮凹透镜、上凹面镜、下凹面镜的主光轴以及圆点光栅、2d显示屏的中心点均处于同一条直线上；
16.所述上凹面镜直径小于下凹面镜，曲率大于下凹面镜；
17.由2d显示屏显示出平面图像，圆点光栅将平面图像调制成三维图像，然后经过上凹面镜的反射生成各个方向的虚像，最后由下凹面镜进行二次反射到磁悬浮凹透镜，通过磁悬浮凹透镜的发散以在空中形成放大、倒立的3d实像。
18.优选地，所述2d显示屏为micro-led 2d显示屏。
19.优选地，所述micro-led 2d显示屏有两片并列使用，分辨率为2*1920*1080，尺寸为0.4英寸。
20.优选地，所述圆点光栅线数为82。
21.优选地，所述磁悬浮凹透镜为液晶变焦透镜。
22.本发明的有益效果如下：
23.1.与以往裸眼3d显示设备相比，本发明设备能够实现微型化，具有便携、低能耗等优点。
24.2.与以往裸眼3d显示设备相比，本发明设备具有更大的视场角，并能够实现3d场景的尺寸调节。
25.3.与以往裸眼3d显示设备相比，本发明设备能够将3d场景投射至空中，便于人与3d场景之间的交互。
附图说明
26.图1为本发明成像设备结构图。
27.图2为本发明成像设备原理图。
28.图3为本发明成像设备光路图。
29.图4为本发明成像设备俯视渲染图。
30.图5为本发明成像设备侧视渲染图。
31.图中：1-磁悬浮凹透镜；2-上盖板；3-电子器件支撑板及控制单元；4-下凹面镜；5-下盖板；6-支撑柱；7-压电片；8-2d显示屏。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
33.本发明为解决现有裸眼3d成像系统无法实现空中成像、视场角过小和难以微型化的问题，提出一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备。
34.如图1、图3和图4所示一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，包括磁悬浮凹透镜1、上盖板2、上凹面镜、圆点光栅、2d显示屏8、压电片7、电子器件支撑板3、下凹面镜4、下盖板5、控制单元、支撑架、磁悬浮装置和支撑柱6；
35.所述上盖板2为弧形壳体，顶部中间开孔；所述磁悬浮凹透镜1悬浮在孔正上方；
36.所述下盖板5为弧形壳体，上盖板2和下盖板5拼接为中空类球体；
37.所述电子器件支撑板3设置在中空类球体内部；所述控制单元、磁悬浮装置安装在电子器件支撑板3上；
38.所述上凹面镜、圆点光栅、2d显示屏8、压电片7、支撑柱6和下凹面镜4从上至下依次设置在中空类球体内部；
39.所述下凹面镜4开口向上固定在下盖板5上；所述支撑柱6下端固定在下盖板5上，上端与压电片7固定连接；所述压电片7与2d显示屏8胶接；所述2d显示屏8显示面向上放置；所述圆点光栅放置在2d显示屏8上方并与2d显示屏8镶嵌在支撑架内；所述上凹面镜通过支撑架固定在2d显示屏8上方，所述支撑架下端固定在支撑柱6上，上凹面镜开口向下；
40.所述圆点光栅与2d显示屏8平行；
41.所述2d显示屏8与上凹面镜的距离小于上凹面镜的焦距；
42.所述控制单元外接视频信号，将视频信号显示在2d显示屏8上；控制单元控制压电片7通电，改变压电片7的厚度，从而改变2d显示屏8和上凹面镜的距离；控制单元控制磁悬浮装置的启停，从而通过磁悬浮装置使磁悬浮凹透镜1悬浮在上盖板2上方；
43.所述磁悬浮凹透镜1、上凹面镜、下凹面镜4的主光轴以及圆点光栅、2d显示屏8的中心点均处于同一条直线上；
44.所述上凹面镜直径远小于下凹面镜4，并且其曲率远大于下凹面镜4；
45.由2d显示屏8显示出平面图像，圆点光栅将平面图像调制成三维图像，然后经过上凹面镜的反射生成各个方向的虚像，最后由下凹面镜4进行二次反射到磁悬浮凹透镜1，通过磁悬浮凹透镜1的发散以在空中形成放大、倒立的3d实像。
46.优选地，所述2d显示屏8为micro-led 2d显示屏。
47.优选地，所述micro-led 2d显示屏有两片并列使用，分辨率为2*1920*1080，尺寸为0.4英寸。
48.优选地，所述圆点光栅线数为82。
49.优选地，所述磁悬浮凹透镜1为液晶变焦透镜。
50.具体实施例：
51.本发明主要利用了凹面镜成像原理，上方凹面镜将全息光反射，得到各个方向上的虚像，这些不同方向上的虚像再经下方凹面镜反射，得到一束能够在空中成像的全息光，再经凹透镜的发散，最终得到于空中成像的可用裸眼直接观测的实像。所有的光学设备的主光轴均处于同一直线上。
52.压电片用于实现变焦功能。
53.micro-led 2d显示屏用于显示微图像阵列，2d显示屏是micro-led显示屏，以满足微型化条件。在其中一个实施例中，选用两片micro-led显示屏并列使用，分辨率为2*1920*1080，尺寸为0.4英寸。
54.圆点光栅置于所述显示屏正上方，并与显示屏平行，用于调制显示屏像素发出的光线，在上方一定距离处重建出3d图像。在一个实施例中，圆点光栅线数为82。
55.圆点光栅的调制光路为集成摄影术的逆光路，所以重建的3d图像为深度反转的图像。其深度反转的问题可采用uv贴图解决。在一个实施例中，unity中在相机贴图中建立一
个着色器，并将着色器uv贴图的水平方向翻转，再将深度方向翻转，即可实现解决深度方向的翻转问题。
56.凹面镜用于将经过光栅后所呈现的3d图像在空中汇聚成可直接用裸眼观测的3d图像。如图3所示，经过光栅后所呈现的3d图像的部分入射光线经凹面镜镜组的反射以及凹透镜的发散，最终在空中呈现放大倒立的实像，观看者可直接用裸眼进行观看。上凹面镜直径远小于下凹面镜，并且其曲率远大于下凹面镜；
57.凹透镜用于发散还未汇聚成实像的光线以达到放大3d图像的目的。
58.本发明共提出三种变焦方式以调节调节空中实像尺寸，其一是采用压电片调节原像；其二是采用液晶变焦透镜；其三是采用磁悬浮凹透镜。
技术特征：1.一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，其特征在于，包括磁悬浮凹透镜、上盖板、上凹面镜、圆点光栅、2d显示屏、压电片、电子器件支撑板、下凹面镜、下盖板、控制单元、支撑架、磁悬浮装置和支撑柱；所述上盖板为弧形壳体，顶部中间开孔；所述磁悬浮凹透镜悬浮在孔正上方；所述下盖板为弧形壳体，上盖板和下盖板拼接为中空类球体；所述电子器件支撑板设置在中空类球体内部；所述控制单元、磁悬浮装置安装在电子器件支撑板上；所述上凹面镜、圆点光栅、2d显示屏、压电片、支撑柱和下凹面镜从上至下依次设置在中空类球体内部；所述下凹面镜开口向上固定在下盖板上；所述支撑柱下端固定在下盖板上，上端与压电片固定连接；所述压电片与2d显示屏胶接；所述2d显示屏显示面向上放置；所述圆点光栅放置在2d显示屏上方并与2d显示屏镶嵌在支撑架内；所述上凹面镜通过支撑架固定在2d显示屏上方，所述支撑架下端固定在支撑柱上；上凹面镜开口向下；所述圆点光栅与2d显示屏平行；所述2d显示屏与上凹面镜的距离小于上凹面镜的焦距；所述控制单元外接视频信号，将视频信号显示在2d显示屏上；控制单元控制压电片通电，改变压电片的厚度，从而改变2d显示屏和上凹面镜的距离；控制单元控制磁悬浮装置的启停，从而通过磁悬浮装置使磁悬浮凹透镜悬浮在上盖板上方；所述磁悬浮凹透镜、上凹面镜、下凹面镜的主光轴以及圆点光栅、2d显示屏的中心点均处于同一条直线上；所述上凹面镜直径小于下凹面镜，曲率大于下凹面镜；由2d显示屏显示出平面图像，圆点光栅将平面图像调制成三维图像，然后经过上凹面镜的反射生成各个方向的虚像，最后由下凹面镜进行二次反射到磁悬浮凹透镜，通过磁悬浮凹透镜的发散以在空中形成放大、倒立的3d实像。2.根据权利要求1所述的一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，其特征在于，所述2d显示屏为micro-led 2d显示屏。3.根据权利要求2所述的一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，其特征在于，所述micro-led 2d显示屏有两片并列使用，分辨率为2*1920*1080，尺寸为0.4英寸。4.根据权利要求1所述的一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，其特征在于，所述圆点光栅线数为82。5.根据权利要求1所述的一种基于凹面镜成像原理的裸眼3d微型空中成像设备，其特征在于，所述磁悬浮凹透镜为液晶变焦透镜。
技术总结本发明公开了一种基于凹面镜成像原理的裸眼3D微型空中成像设备，该设备由压电片、micro-led 2D显示屏、圆点光栅、凹面镜、凹透镜和其他电子设备组成，其中所有光学设备的主光轴均处于同一直线上，压电片用于实现变焦功能，micro-led 2D显示器用于显示微图像阵列，圆点光栅用于调制micro-led 2D显示屏上像素发出的光线，重建出3D图像，凹面镜分别置于micro-led2D显示屏的上方与下方，上方凹面镜直径远小于下方，并且其曲率远大于下方；上方凹面镜用于将3D图像调制成放大的虚像，下方凹面镜将各方向的虚像在空中汇聚成可直接用裸眼观测的3D图像，凹透镜用于发散还未汇聚成实像的光线以达到放大3D图像的目的。像的光线以达到放大3D图像的目的。像的光线以达到放大3D图像的目的。
技术研发人员：冀若楠 范锦康
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.06.06
技术公布日：2022/11/1
