具体实施方式

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，下面参考图1-图11描述根据本发明实施例的空中成像装置100。

如图1所示，根据本发明第一方面实施例的空中成像装置100包括：显示件101、第一微透镜阵列105、第二微透镜阵列106。

显示件101具有用于显示图像的多个像素点。显示件101可以是平面也可以是曲面，可以是一个也可以是多个平面显示件101的集合，每个平面显示件101可以在不同的空间位置。显示件101的视场角较小，垂直于显示平面偏离法线的可视角的取值范围可以在[-30°,30°]，优选取值范围为[-10°,10°]。

第一微透镜阵列105位于显示件101的一侧，且朝向于像素点设置，显示件101与第一微透镜阵列105的距离为L，第一微透镜阵列105的焦距为f1，且满足L≥2f1。第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106组成微透镜阵列装置104，显示件101可以与微透镜阵列装置104互相平行，也可以斜置，即显示件101与微透镜阵列装置104呈一定夹角。

第二微透镜阵列106位于第一微透镜阵列105的背离显示件101的一侧，第二微透镜阵列106的焦距为f2，第二微透镜阵列106、第一微透镜阵列105均具有多个子透镜b，且第一微透镜阵列105的多个子透镜b、第二微透镜阵列106的多个子透镜b在光轴方向上一一对应，每个像素点发出的光线入射于至少一个子透镜b，第一微透镜阵列105与第二微透镜阵列106之间的距离为d，且满足d＝f1+f2。

换言之，第一微透镜阵列105中子透镜b的焦距为f1，第二微透镜阵列106中子透镜b的焦距为f2，其中，f1与f2可以相等也可以不相等，在此不作具体限制。第一微透镜阵列105的子透镜b和第二微透镜阵列106的子透镜b的口径大小及排列方式可以相同，并且第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106每个相同位置的两个子透镜b光轴重合。第一微透镜阵列105的子透镜b和第二微透镜阵列106的子透镜b的中心间距为f1+f2，即第一微透镜阵列105的后焦面与第二微透镜阵列106的前焦面重合。

如图4所示，显示件101显示的图像经第一微透镜阵列105、第二微透镜阵列106后在第二微透镜阵列106的背离第一微透镜阵列105的一侧形成浮空实像108。

浮空实像108的位置只与显示件101距第一微透镜阵列105的距离L有关，显示件101距微透镜阵列装置104越近，浮空实像108距微透镜阵列装置104也越近。

参阅图1所示，空中成像装置100的成像原理为：第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106可以共同组成微透镜阵列装置104，第一微透镜阵列105的子透镜b的焦距为f1，第二微透镜阵列106的子透镜b的焦距为f2，第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106平行设置且微透镜中心间距为f1+f2，即第一微透镜阵列105的后焦面与第二微透镜阵列106的前焦面重合。第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106每个相同位置的两个子透镜b的光轴重合，可以使每束光线在经过第一微透镜阵列105的子透镜b后，再经过第二微透镜阵列106时通过对应位置的子透镜b，以此消除干扰光线1的影响并提高成像质量。显示件101优选的位置为放置于第一微透镜阵列105的2倍焦距外且距离较远处，显示件101的每个像素点发出的光源可以理解为带有一定发散角的点光源，该像素点发出的光线经过第一微透镜阵列105的若干个子透镜b后，本来发散的光线开始汇聚，在第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106之间汇聚为若干个点，再发散，再经过第二微透镜阵列106上对应的光轴重合的子透镜b后在焦平面上聚焦为一个浮空像素点，若干个这样的浮空像素点的集合便形成了一幅浮空实像108。

根据本发明实施例的空中成像装置100，利用集成成像方法中的光路可逆原理，其中第一微透镜阵列105起到记录光场的作用，第二微透镜阵列106起到再现三维场景的作用。即对第一微透镜阵列105的子透镜b来说，光源以近似平行光入射，会聚在每个子透镜b的后焦面上(也相当于第二微透镜阵列106的前焦面)，再通过第二微透镜阵列106，对第二微透镜阵列106的每个子透镜b来说出射光线也近似为平行光，所有出射的光线在光源关于微透镜阵列装置104对称的位置汇聚。由此，空中成像装置100体积小，且产生的实像无翻转和镜像等不利于成像的情况出现，只要在可视角范围内，可以在任何距离对成像效果进行观察。

请参阅图4，在一些实施例中，第一微透镜阵列105、第二微透镜阵列106均包括：基板a、多个子透镜b，基板a具有多个安装孔c，子透镜b安装在安装孔c内。由此，多个子透镜b通过采用嵌入或者粘接的方式设于基板a的安装孔c内，使第一微透镜阵列105及第二微透镜阵列106结构更紧凑。

此外，第一微透镜阵列105与第二微透镜阵列106的基板a可以集成在一起，比如以粘接方式，第一微透镜阵列105与第二微透镜阵列106共同形成为一个装置即微透镜阵列装置104。

进一步地，每个子透镜b可以为球面平凸透镜或者非球面平凸透镜或者球面双凸透镜或者非球面双凸透镜。也就是说，每层微透镜阵列的子透镜b可以为平凸透镜或者双凸透镜，透镜可以为球面也可以为非球面。当子透镜b采用非球面透镜时，其成像像差小，成像质量好。

如图2所示，第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106的子透镜b的形状和排布方式可以相同，在实施例中，子透镜b的排布方式包括但不限于六边形阵列、矩形阵列、圆形阵列。也就是说，第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106的子透镜b为球面结构，其周边可以是圆形、矩形、六边形等。例如，第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106的子透镜b以矩形或者六边形排列，第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106排列子透镜b的有效面积要大于显示件101的有效面积，显示件101的有效面积可以是显示件101能够显示图像的区域。

在实施例中，为了提高成像质量和达到防窥作用，该空中成像装置100要求显示件101的可视角要尽可能的小，因此优选可视角较小的显示件101。对于可视角较大的显示件101，如图3A、3B所示，本发明实施例的空中成像装置100还包括视场控制件102，视场控制件102设于显示件101与第一微透镜阵列105之间。视场控制件102可以是多个圆形孔径光阑109组成的阵列结构，视场控制件102可以调整显示件101发出光线的角度，从而可以减小显示件101的可视角，达到防窥的作用，以及视场控制件102采用圆形孔径光阑109，可以提高显示件101发出光线的质量和对称性，提高最终成像的质量。

可选地，视场控制件102贴靠于显示件101朝向于第一微透镜阵列105的一面。也就是说，可以在显示件101显示图像的一侧安装视场控制件102。由此，视场控制件102与显示件101紧密贴合，布置更紧凑，并且更便于对显示件101的像素点发出的光线进行光路控制。

具体而言，视场控制件102具有多个阵列分布的圆形孔径光阑109。由此，圆形孔径光阑109能够对各个像素点发出的光线的视场角进行合理控制，提高光束的质量和对称性。

进一步地，每个圆形孔径光阑109的视场角＜10°。由此，对显示件101的各个像素点的光线控制更好，减少了光线的发散。

为了减少圆形孔径光阑109对光线的影响，圆形孔径光阑109的表面可涂覆有黑色吸光材料。

在一些实施例中，L≥5f1。本发明实施例的空中成像装置100的第一微透镜阵列105的子透镜b和第二微透镜阵列106的子透镜b焦距分别为f1和f2，两块微透镜阵列相距f1+f2，且物平面图像103到微透镜阵列装置104的距离要尽可能的大，即视场控制件102与第一微透镜阵列105的距离需要尽量大，以大于5f1为佳，此时成像效果更好。

如图5所示，设置视场控制件102的空中成像装置100的成像原理为：显示件101的每个像素点可以看作带有一定发散角的点光源，每个像素点发出的光线首先经过视场控制件102，光线发散角减小，然后光线经过第一微透镜阵列105的若干个子透镜b后，光线在每个子透镜b的后焦面位置汇聚为一点，然后再发散，经过第二微透镜阵列106上对应的光轴重合的子透镜b，然后，在像素点关于微透镜阵列装置104对称的位置聚焦为浮空像素点，若干个浮空像素点在距微透镜阵列装置104中心L处的像平面107上集合并形成了一幅浮空实像。

在本发明的一些实施例中，显示件101与微透镜阵列装置104的具体布置可以采用以下三种方式：

方式一，显示件101为平板状结构，显示件101与第一微透镜阵列105的基板a彼此平行，第一微透镜阵列105的基板a与第二微透镜阵列106的基板a彼此平行。

具体地，如图5所示，显示件101为平面器且平行于第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106放置，显示件101垂直于显示平面偏离法线的可视角取值范围在[-10°,10°]区间，其放置于第一微透镜阵列105的两倍焦距外，且显示件101到微透镜阵列装置104中心的距离为L。此时第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106的子透镜b的焦距相等，即f1＝f2。

方式二，显示件101相对于第一微透镜阵列105的基板a倾斜设置且两者的相对夹角为锐角。

具体地，如图6所示，显示件101与第一微透镜阵列105、第二微透镜阵列106具有一定夹角放置，当显示件101的像素点距微透镜阵列装置104的中心为L1时，成像点距微透镜阵列装置104的中心也为L1；当显示件101的像素点距微透镜阵列装置104的中心为L2时，成像点距微透镜阵列装置104的中心也为L2，以此类推，即像素点和成像点到微透镜阵列装置104的中心等距。但是，如图7所示，当显示件101与第一微透镜阵列105、第二微透镜阵列106有一定夹角放置时，由于显示件101的光源斜入射至第一微透镜阵列105，边缘光线在第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106的分界处可能会入射到附近的子透镜b单元，从而出现干扰光线1，影响成像质量。

方式三，显示件101为弧面形，显示件101的凹面朝向第一微透镜阵列105。

具体地，显示件101可以为平面，也可以是曲面。图8为显示件101为曲面时的成像原理图，如图8所示，曲面的显示件101，其每个像素点的出光角度的中心轴垂直于第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106。当显示件101为曲面时，由于显示件101的边缘光线斜入射至第一微透镜阵列105，边缘光线在第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106的分界处可能会入射到附近的子透镜b，从而出现干扰光线1，影响成像质量，和显示件101斜置时产生干扰光线1原理相同。

进一步地，为了减少干扰光线1的出现，在一些实施例中，在第一微透镜阵列105的相邻子透镜b之间和/或第二微透镜阵列106的相邻子透镜b之间进行遮光处理，遮光处理所用的物质为不透明物质，优选黑色吸光材料。

如图9和图10所示，第一微透镜阵列105的相邻子透镜b之间和/或第二微透镜阵列106的相邻子透镜b之间设有遮光部110，遮光部110设于第一微透镜阵列105或第二微透镜阵列106的入光侧和出光侧的至少一侧。遮光部110可以是不透明物质或者其他能够起到使光线不透过的结构，以减小杂光对成像质量的影响。在实施例中，在制造遮光部110时，制造材料可以融入黑色吸光材料，也可以在多个子透镜b之间进行贴片处理，贴片为黑色，可以有效避免显示件101的边缘光线入射到子透镜b中，减少干扰光线1和反射光对成像质量的影响。

为了便于遮光部110的设置，如图10所示，遮光部110设置在微透镜阵列的基板a上，例如，遮光部110可以采用以下任一种方式设于基板a上：喷涂、镀设、粘贴。当遮光部110喷涂在第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106上时，遮光部110可以形成为遮光涂层；当遮光部110镀设于第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106上时，遮光部110可以形成为遮光镀层；当遮光部110粘贴于第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106上时，遮光部110可以形成为遮光层或者遮光板。

如图10所示，该空中成像装置100设置了视场控制件102并在第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106上进行了遮光处理。其中，显示件101为平面显示器且平行于第一微透镜阵列105和第二微透镜阵列106放置，显示件101垂直于显示平面偏离法线的可视角取值在[-10°,-10°]区间，其放置于第一微透镜阵列105的两倍焦距外。

具体地，显示件101的每个像素点可以看作带有一定发散角的点光源，像素点发出的光线首先经过视场控制件102，光线发散角减小，然后光线经过第一微透镜阵列105的若干个子透镜b，靠近每个子透镜b边缘的光线将被第一微透镜阵列105的遮光部110吸收，穿过第一微透镜阵列105的子透镜b的光线,绝大部分会在每个子透镜b的后焦面位置汇聚为一点，然后再发散，少数光线会被第二微透镜阵列106的遮光部110吸收，以防止入射到周围的子透镜b产生干扰光线。然后，穿过第二微透镜阵列106的光线会在关于微透镜阵列装置104的对称位置聚焦为浮空像素点，若干个浮空像素点集合，在距微透镜阵列装置104中心L处的像平面107上形成浮空实像。

在一些实施例中，本发明实施例的空中成像装置100还可以实现人机交互功能。如图11所示，空中成像装置100还包括：光学传感器111、控制件主机112，光学传感器111用于捕捉在浮空实像108形成区域人的手势动作或在浮空实像108上的触碰点；控制件主机112与显示件101通过有线或无线方式电连接，以控制显示件101的图像显示和切换。

换言之，如图11所示，本发明实施例的空中成像装置100可以加入人机交互，光学传感器111的捕捉的有效区域大于浮空实像108的有效区域，通过光学传感器111捕捉到人的手势动作或者触碰位置，然后再经过控制件主机112处理，并发出信号给显示件101，以此实现人机交互。光学传感器111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)等。光学传感器111的感应区域与浮空实像108位于同一平面且包含浮空实像所处的三维空间，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108进行操作，提高用户操作的灵敏度和便捷性。控制件主机112与光学传感器111采用有线或无线方式连接，传输数字信号或模拟信号，从而可以灵活控制微透镜阵列装置104的体积。

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。

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。

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。

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。