用于空中成像的二面角反射器阵列结构

文档序号:1845103 发布日期:2021-11-16 浏览:21次 >En<

阅读说明:本技术 用于空中成像的二面角反射器阵列结构 (Dihedral corner reflector array structure for aerial imaging ) 是由 张亮亮 李军昌 于 2021-08-19 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种用于空中成像的二面角反射器阵列结构,其设有由多个逆向曲面组成的逆向曲面阵列、由多个顺向曲面组成的顺向曲面阵列,逆向曲面、顺向曲面均为反射面。逆向曲面阵列的垂直投影为逆向曲线阵列,逆向曲线阵列的极坐标方程为r=A-(n)*exp(θ),A-(n)=A-(1)*q~(n-1),q大于1,0<θ<π。顺向曲面阵列在参考平面上的垂直投影为顺向曲线阵列,顺向曲线阵列、逆向曲线阵列相对Y轴对称,任意逆向曲线与顺向曲线在相交处为垂直相交。由此,可消除浮空实像两边的残像,提高不同视角处观影效果的一致性,提高成像质量。(The invention discloses a dihedral corner reflector array structure for aerial imaging, which is provided with a reverse curved surface array consisting of a plurality of reverse curved surfaces and a forward curved surface array consisting of a plurality of forward curved surfaces, wherein the reverse curved surfaces and the forward curved surfaces are reflecting surfaces. The vertical projection of the reverse curved surface array is a reverse curved surface array, and the polar coordinate equation of the reverse curved surface array is that r is A n *exp(θ),A n =A 1 *q n‑1 Q is greater than 1, and theta is greater than 0 and less than pi. The vertical projection of the forward curved array on the reference plane is a forward curve array, the forward curve array and the reverse curve array are symmetrical relative to the Y axis, and any reverse curve and the forward curve are vertically intersected at the intersection. Therefore, afterimages on two sides of the floating real image can be eliminated, the consistency of the film viewing effect at different visual angles is improved, and the imaging quality is improved.)

用于空中成像的二面角反射器阵列结构

技术领域

本发明涉及光学设备制造领域,具体涉及一用于空中成像的二面角反射器阵列结构。

背景技术

二面角反射器阵列可被简称为“DCRA”,常见的二面角反射器阵列是一种平板透镜,利用两层周期性分布的阵列光波导相互正交,使光线在两层阵列光波导中各发生一次全反射。由于是相互正交的矩形结构,所以会使第一次全反射时的入射角和第二次全反射时的出射角相同。在光源光线发散角内的所有光线在经过平板透镜后会相应的收敛到光源以平板切面为轴的面对称的空间位置,从而得到一个1:1的浮空实像。

目前市场上已有企业采用这种方法实现空中成像,但是现有的这种成像方法存在着一些不足,如实像的左右两侧各有一个倾斜的残像,浮空实像的水平可视角较小(约±30度)等。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种用于空中成像的二面角反射器阵列结构,可以在不产生残像的情况下,增大浮空实像的水平可视角度。

根据本发明实施例的用于空中成像的二面角反射器阵列结构,所述二面角反射器阵列结构具有参考系,其包括:参考平面、设在所述参考平面上的XOY直角坐标系、与所述参考平面相垂直的Z轴。

所述二面角反射器阵列结构设有由多个逆向曲面组成的逆向曲面阵列、由多个顺向曲面组成的顺向曲面阵列,所述逆向曲面、所述顺向曲面均为反射面;所述逆向曲面阵列在所述参考平面上的垂直投影为逆向曲线阵列,所述逆向曲线阵列包括与所述多个逆向曲面对应的多个逆向曲线,所述逆向曲线阵列的极坐标方程为r=An*exp(θ),极坐标方程以所述XOY直角坐标系的O点为极点、θ为与正方向上X轴之间的夹角,n为所述逆向曲线相对所述O点由近至远的序列数,An为对应所述逆向曲线的长度系数,An=A1*qn-1,q大于1,0<θ<π;所述顺向曲面阵列在所述参考平面上的垂直投影为顺向曲线阵列,所述顺向曲线阵列包括与所述多个顺向曲面对应的多个顺向曲线,所述顺向曲线阵列、所述逆向曲线阵列相对所述Y轴对称,任意所述逆向曲线与所述顺向曲线在相交处为垂直相交。

根据本发明实施例的用于空中成像的二面角反射器阵列结构,通过将反射面设置成顺向曲面阵列和逆向曲面阵列,二者的垂直投影能相对Y轴对称且相互正交,且逆向曲线阵列的极坐标方程为r=An*exp(θ),可以增加浮空实像的水平可视角度,甚至能增至近似等于180度。而且如此设置减少了光线在二面角反射器阵列结构中奇次反射产生的残像,提高了成像质量,有利于提高用户的观看体验。另外在不同的视角观察到的浮空实像,所观察到的光强无明显变化,有利于提高不同视角处观影效果的一致性。

具体地,所述逆向曲线阵列、所述顺向曲线阵列的极坐标方程中,θ的范围为0至180度。

在一些实施例中,所述二面角反射器阵列结构还设有加密逆向曲面且为反射面,所述加密逆向曲面在所述参考平面上的垂直投影为加密逆向曲线,其极坐标方程为r=Ax*exp(θ)。

其中,所述加密逆向曲线包括:一次加密逆向曲线,所述一次加密逆向曲线位于相邻两个所述逆向曲线之间,其长度系数Ax的大小在两侧所述逆向曲线的长度系数之间,起点位于或临近相邻两条所述逆变曲线的间距达第一设定值处;所述加密逆向曲线包括:二次加密逆向曲线,所述二次加密逆向曲线位于相邻的所述逆向曲线和所述一次加密逆向曲线之间,其长度系数Ax的大小在两侧所述逆向曲线和所述一次加密逆向曲线的长度系数之间,起点位于或临近两侧所述逆向曲线和所述一次加密逆向曲线间距达第二设定值处;以此类推,设置所述加密逆向曲线。

所述二面角反射器阵列结构还设有加密顺向曲面且为反射面,所述加密顺向曲面在所述参考平面上的垂直投影为加密顺向曲线,所述加密顺向曲线、所述加密逆向曲线相对所述Y轴对称,任意所述加密顺向曲线与所述加密逆向曲线、所述逆向曲线在相交处为垂直相交。

可选地,所述一次加密逆向曲线的长度系数Ax,等于两侧的所述逆向曲线的长度系数的平方根的算数平均数的二次方;所述二次加密逆向曲线的长度系数Ax,等于两侧的所述逆向曲线和所述一次加密逆向曲线的长度系数的平方根的算数平均数的二次方;以此类推。

具体地,各所述反射面的垂直投影相交形成的四边形为晶格,所述反射面在所述Z轴方向上的尺寸为其高度,所述反射面的高度为所述晶格的平均边长的2至3倍。

进一步地,各所述反射面的高度均相等,且各所述反射面在所述Z轴方向上的一侧平齐。

在一些实施例中,各所述反射面之间的填充物为空气或者高透光材料件。

在一些实施例中,所述二面角反射器阵列结构包括两组光波导阵列,每组所述光波导阵列均由多条子波导组成,所述两组光波导阵列包括:逆向光波导阵列和顺向光波导阵列,所述逆向光波导阵列的所述子波导绕所述O点螺旋延伸,且多个所述子波导按与所述O点距离由近及远的方向依次排布,相邻所述子波导之间设置有所述逆向曲面。

所述顺向光波导阵列的所述子波导绕所述O点螺旋延伸,且多个所述子波导按与所述O点距离由近及远的方向依次排布,相邻所述子波导之间设置有所述顺向曲面;所述逆向光波导阵列和所述顺向光波导阵列沿所述Z轴排布。

具体地,所述逆向光波导阵列和顺向光波导阵列均为厚度均匀的平直板件。

在一些实施例中,所述二面角反射器阵列结构包括单层的光波导块,所述光波导块的四面均设有所述反射面,且其中两个相对的所述反射面构成所述逆向曲面、另两个相对的所述反射面构成所述顺向曲面。

可选地,所述二面角反射器阵列结构包括多个镀金属膜层,以形成所述反射面。

在一些具体实施例中,所述二面角反射器阵列结构为矩形的平直板件,所述O点位于所述矩形的长边中点上。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:

图1是现有技术的平面透镜的结构总图。

图2是图1中K处在侧视方向的局部放大图。

图3是现有技术的平面透镜的分解图。

图4是现有技术的两层正交的光波导阵列沿Z方向的结构示意图。

图5是现有技术的两层正交的光波导阵列的成像示意图。

图6是现有技术的光源影像经单层光波导阵列时在X方向的成像示意图。

图7是图6所示的光源影像经单层光波导阵列时在立体方向的成像示意图。

图8是现有技术的光源影像经两层正交的光波导阵列时成像光路原理图。

图9a是光线正入射和斜入射到平面透镜的反射面上时的光线方向路线示意图。

图9b是光线正入射到平面透镜的反射面上时的光线方向路线示意图。

图9c是光线斜入射到平面透镜的反射面上时的光线方向路线示意图。

图10是本申请一实施例的二面角反射器阵列结构在参考系上的曲线分布示意图。

图11是本申请另一实施例的二面角反射器阵列结构在参考系上的曲线分布示意图。

图12a是图11所示结构中当光线从O点发散后光线的方向变化示意图。

图12b是图12所示的光线在局部的方向变化示意图。

附图标记:

1、平面透镜;

10、光波导阵列;11、第一光波导阵列;12、第二光波导阵列;

101、子波导;

30、保护盖板;31、第一盖板;32、第二盖板;

L1、中心法线;

P1、影像;P2、浮空实像;

100、二面角反射器阵列结构;

S、参考平面;

f1、逆向曲线;

f2、加密逆向曲线;

t1、顺向曲线;

t2、加密顺向曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。

如上文所说,现有的二面角反射器阵列成像具有水平可视角较小的特点,其可视角约为±30度。当人眼位置偏离可视角范围时,无法看到浮空实像。而且成像时人眼看到的实像需要依托对应区域的成像元件,且在浮空实像两侧会有较为明显的残像。这种特性的二面角反射器阵列适用范围有很大的局限性,不适用于展示用途的公共场合。

本申请提出的一种用于空中成像的二面角反射器阵列结构100,是基于现有的二面角反射器阵列成像问题而提出的改进型方案。在对本申请方案说明之前,下文先对现有方案简单介绍,以便更好理解本申请的核心要点。

图1-图10展示的是二面角反射器阵列为一种平面透镜1时的基本结构和成像原理。

平面透镜1的中心法线L1,平面透镜1的相对两侧分别为像源侧和观影侧,即影像P1的光源位于像源侧,影像P1通过该平面透镜1,可以在观影侧形成浮空实像P2,浮空实像P2为悬浮在空气中的实像。这里如图1-图3所示,平面透镜1是一种利用两层周期性分布的光波导阵列10相互正交,使光线在两层光波导阵列10中各发生一次全反射的光学结构。由于两层光波导阵列10是相互正交的矩形结构,所以会使第一次全反射时的入射角和第二次全反射时的出射角相同。光源光线发散角内的光线在经过平面透镜1后,会相应的收敛到观影侧,得到一个1:1的浮空实像P2。

参阅图1-图3,平面透镜1包括两组光波导阵列10。每组光波导阵列10均由单列多排的子波导101组成,每个子波导101的横截面为矩形。这里子波导101的横截面,指的是子波导101的与其长度方向相垂直方向上的截面。

参阅图2-图4,两组光波导阵列10包括:第一光波导阵列11和第二光波导阵列12,第一光波导阵列11的子波导101沿X方向延伸且沿Y方向形成多排,第二光波导阵列12的子波导101沿Y方向延伸且沿X方向形成多排,第一光波导阵列11和第二光波导阵列12沿Z方向排布,X方向、Y方向、Z方向两两垂直。这里,子波导101的延伸方向就是该子波导101的长度方向,第一光波导阵列11的单个子波导101的长度方向是X方向,第一光波导阵列11的多个子波导101沿Y方向紧密贴合叠加排布,单个子波导101的宽度方向是Y方向;第二光波导阵列12的单个子波导101的长度方向是Y方向,第二光波导阵列12的多个子波导101沿X方向紧密贴合叠加排布,单个子波导101的宽度方向是X方向。两组光波导阵列10分别呈平板状,第一光波导阵列11至第二光波导阵列12的排布方向为Z方向,Z方向也为平面透镜1的厚度方向。

每个子波导101在宽度方向上两个侧面分别设置有反射膜,用于对光线进行全反射。例如将第一光波导阵列11的子波导101,其Y方向上两个侧面分别设有反射膜,由于第一光波导阵列11包括多个子波导101,因此第一光波导阵列11会沿Y方向排布多个反射膜。将第二光波导阵列12的子波导101,其X方向上两个侧面分别设有反射膜,由于第二光波导阵列12包括多个子波导101,因此第二光波导阵列12会沿X方向排布多个反射膜。

有的方案如图1和图3所示,平面透镜1还可以包括保护盖板30,保护盖板30用于支撑和保护光波导阵列10。保护盖板30可以仅设置在平面透镜1的一侧,也可以在平面透镜1的两侧均设置保护盖板30。具体地,保护盖板30为透明盖板,可选地,保护盖板30为玻璃板。

图1-图3为一实施例中平面透镜1的结构示意图。该平面透镜1包括一对保护盖板30,且分别为第一盖板31和第二盖板32。平面透镜1还包括位于两个保护盖板30之间的两组光波导阵列10,且分别为第一光波导阵列11和第二光波导阵列12。X方向为第一光波导阵列11中的子波导101的延伸方向,Y方向为第二光波导阵列12中的子波导101延伸方向,Z方向为平面透镜1的厚度方向。当然有的方案里也可以取消保护盖板30,可采用其他方式保护光波导阵列10。

有的方案如图4所示,成型的光波导阵列10的外轮廓形状为矩形,每个子波导101的延伸方向与光波导阵列10的外轮廓的至少两条边之间的夹角为θ。进一步可选地,θ满足:30°≤θ≤60°,优选的θ=45°,在该角度下浮空实像P2较清晰,残像不明显。

这里,平面透镜1的核心成像元件为第一光波导阵列11和第二光波导阵列12,第一光波导阵列11和第二光波导阵列12包括相互正交的单列多排子波导101,平面透镜1整体呈平板,如图5所示,其可实现对影像P1点对点的无像差成像。

具体成像原理如下:这里将两个光波导阵列10进行拆分。如图6和图7所示,以第一光波导阵列11为例。单层光波导阵列10中,像源侧单点光线经单侧光波导阵列10后,被各排的子波导101分割进行镜像调制,然后重新汇聚在与X方向平行的一条直线P1’上,形成点对线一维成像效果。图6中示出了,像源侧单点光线经某个子波导101的入射角为δ,经子波导101反射后其出射角为δ’,入射角为δ与出射角δ’相等。

如图8所示,为了实现两个方向(X方向、Y方向)均交于一点,需要两组光波导阵列10联合使用,使两层的子波导101排布方向相互垂直,可对目标光源影像P1进行点对点调制。因此任意方向的光线经过此相互正交的双层光波导阵列10,均可实现在光波导阵列10对称位置重新汇聚成浮空实像P2。浮空实像P2的成像距离m2与到原像距离m1相同,为等距离成像,且浮空实像P2的位置在空中,不需要投屏等载体,可直接把实像呈现在空气中。

因此这种平面透镜1可以使二维或者三维光源直接在空气中成实像,且实现真正的全息影像。在实现大视场、大孔径、高解像、无畸变、无色散的同时,实现裸眼三维立体显示特性。

这种传统的二面角反射器阵列,视场角较小,水平方向约±30°,成像过程中浮空实像P2两侧会各伴随着一个残像。

图9a所示为光线正入射和斜入射到平面透镜1时的示意图,正入射时光线路径如图9b所示,斜入射时光线路径如图9c所示。如图9b所示,当视角为0°时,光线正入射。残像是因为光线在平面透镜1中进行了奇数次反射,如图9c所示。图9b中实线为进行两次反射而产生浮空实像P2的光线,图9c是虚线为进行一次反射而产生残像的光线。

下面参考图10至图12描述根据本发明实施例的二面角反射器阵列结构100。

根据本发明实施例的用于空中成像的二面角反射器阵列结构100,二面角反射器阵列结构100设有由多个逆向曲面组成的逆向曲面阵列,以及由多个顺向曲面组成的顺向曲面阵列。逆向曲面、顺向曲面均为反射面,反射面用于反射光线。

这里需要说明的是,本文中用“顺向”、“逆向”来描述曲面以及下文的曲线,仅为方便读者由名称快速对应到结构特点,两种曲面的名称也可以互换。图10中从一个方向观察二面角反射器阵列结构100时,逆向曲面相对O点沿逆时针方向螺旋延伸,顺向曲面相对O点沿顺时针方向螺旋延伸。但是当从相对方向观察时,上述逆向曲面又相对O点沿顺时针方向螺旋延伸,上述顺向曲面相对O点沿逆时针方向螺旋延伸,此时两曲面的名称可以互换。

为清楚描述反射面为曲面时的结构特征,本文为二面角反射器阵列结构100引入了参考系。参考系包括:参考平面S、设在参考平面S上的XOY直角坐标系、与参考平面S相垂直的Z轴。通过该参考系的建立,可以引用三个坐标系。

首先是在参考平面S上设置的XOY直角坐标系,XOY直角坐标系由X轴、Y轴组成,X轴、Y轴的交点为O点。其次,由于Z轴与参考平面S相垂直,当Z轴过O点时,X轴、Y轴、Z轴组成笛卡尔坐标系。再有,在参考平面S上还具有以O点为极点的极坐标系。

参阅图10,逆向曲面阵列在参考平面S上的垂直投影为逆向曲线阵列,逆向曲线阵列包括与多个逆向曲面对应的多个逆向曲线f1。本文中所有提及某特征的垂直投影,指的是当平行光沿垂直于参考平面S的方向投射至该特征时,该特征落到参考平面S上的影子。单个逆向曲面的垂直投影为单条逆向曲线f1,多个逆向曲面的垂直投影为多条逆向曲线f1,多个逆向曲面组成逆向曲线阵列,多个逆向曲线f1组成逆向曲线阵列。

逆向曲线阵列的极坐标方程为r=An*exp(θ),极坐标方程以XOY直角坐标系的O点为极点、θ为与正方向上X轴之间的夹角,n为逆向曲线f1相对O点由近至远的序列数,An为对应逆向曲线f1的长度系数,An=A1*qn-1,q大于1,0<θ<π。

也就是说,上述极坐标方程r=An*exp(θ)是对多个逆向曲线f1的形状表述。对于距O点最近的逆向曲线f1,n=1,长度系数为A1,第1条逆向曲线f1的极坐标方程为r=A1*exp(θ)。对于距O点第2近的逆向曲线f1,n=2,长度系数A2=A1*q,第2条逆向曲线f1的极坐标方程为r=A1*q*exp(θ)。对于距O点第3近的逆向曲线f1,n=3,长度系数A3=A1*q2,第3条逆向曲线f1的极坐标方程为r=A1*q2*exp(θ)。如此类推。

各逆向曲线f1的长度系数An=A1*qn-1,为一组等比数列,序列号越大的逆向曲线f1,其长度系数增加越高,距离O点越远。

同样的,顺向曲面阵列在参考平面S上的垂直投影为顺向曲线阵列,顺向曲线阵列包括与多个顺向曲面对应的多个顺向曲线t1。多个顺向曲面组成顺向曲线阵列,多个顺向曲线t1组成顺向曲线阵列。

在本申请中,顺向曲线阵列、逆向曲线阵列相对Y轴对称,任意逆向曲线f1与顺向曲线t1在相交处为垂直相交。即顺向曲线阵列的极坐标方程为r=-An*exp(-θ),(-π<θ<0)或者r=-An*exp(2π-θ),(π<θ<2π),顺向曲线阵列的极坐标方程也以XOY直角坐标系的O点为极点、θ为与正方向上X轴之间的夹角,n为顺向曲线f1相对O点由近至远的序列数,An为对应顺向曲线f1的长度系数,An=A1*qn-1,q大于1,0<θ<π。需要说明的是,顺向曲线阵列的极坐标方程中,在An之前的负号不是指极径为负值,而是指方向相反。

当然本申请的逆向曲线f1、顺向曲线t1的参数方程也可以采用其他方式表达:

逆向曲线f1的参数坐标方程:

x=An*exp(t)*cos(t),

y=An*exp(t)*sin(t),

(0<t<π)。

顺向曲线t1的参数坐标方程:

x=-An*exp(t)*cos(-t),

y=-An*exp(t)*sin(-t),

(0<t<π)。

总之,多个逆向曲线f1与多个顺向曲线t1两两正交,对应的多个逆向曲面与多个顺向曲面呈相互正交的关系。

在本申请中,各反射面的垂直投影相交形成网状,各网孔基本为四边形,这里称该四边形为晶格。这里四边形的每一边均为弧形,由于二面角反射器阵列结构100的实际产品中会将反射面设置得较密,晶格的各边可以看成直边。由于曲面是相对Y轴对称的,因此晶格各边长度接近。由于任意逆向曲线f1与顺向曲线t1在相交处为垂直相交,因此由逆向曲线f1与顺向曲线t1形成的晶格大体为正方形。

结合图10-图11可以看出,以O点为圆心的同一圆弧上,该圆弧上所有晶格尺寸相同。而且任一曲线与圆弧的交点处,曲线切线与圆弧切线之间的夹角均为45°。每个晶格的顶角均为90°,从中心向边缘的任何方位观察,在一条直线上看到的所有晶格的顶角均被该条直线分为左右各45°的夹角,即当O点位置的光线向边缘入射时,始终会以45°的入射角入射,如图12a和图12b所示。以此最大程度的实现光线在晶格中进行两次反射,阻止了残像的产生。

本申请的这种二面角反射器阵列结构100在成像时和传统二面角反射器阵列一样,人眼看到的浮空实像P2需要依托于对应区域的成像元件,即人眼和浮空实像P2的连线的延长线上要有二面角反射器。所以只有当图像足够小或者二面角反射器阵列结构100足够大时,水平视角能够近似等于180度。而传统的二面角反射器阵列由于在偏离中心30度的视角后,光线的入射角已经远远偏离所需要的45°入射角,光线已经无法在反射器中发生二次反射再汇聚成像,此时边缘视角只能看到在反射器中奇次反射产生的残像。

根据本发明实施例的二面角反射器阵列结构100,通过将反射面设置成顺向曲面阵列和逆向曲面阵列,二者的垂直投影能相对Y轴对称且相互正交,且逆向曲线阵列的极坐标方程为r=An*exp(θ),可以增加浮空实像P2的水平可视角度,甚至能增至近似等于180度。而且如此设置减少了光线在二面角反射器阵列结构100中奇次反射产生的残像,提高了成像质量,有利于提高用户的观看体验。另外在不同的视角观察到的浮空实像P2,所观察到的光强无明显变化。

在本申请的方案中,逆向曲线阵列、顺向曲线阵列的极坐标方程中,θ的范围为0至180度。即逆向曲线的起点位置为θ等于0度,逆向曲线的起点位于X轴的正轴上;逆向曲线的终点位置为θ等于π,逆向曲线的终点位于X轴的负轴上。顺向曲线与逆向曲线正相反。

这样在设计二面角反射器阵列结构100时,可以将二面角反射器阵列结构100的一边设计成与X轴平齐,不仅加工容易,而且可以满足晶格顶角位置从0到180度的角度变化。那么在从0-180度的角度变化的光线射向二面角反射器阵列结构100时,每个角度的光线都能有晶格产生偶数次反射,从而保障二面角反射器阵列结构100的水平视角能够接近180度。而当θ的范围超过180度时,不仅加工不便,而且从物源侧很难有水平角超过180度的光线射向二面角反射器阵列结构100,所以没有必要将θ设计成超过180度。

进一步地,反射面在Z轴方向上的尺寸为其高度,各反射面的高度均相等,且各反射面在Z轴方向上的一侧平齐,各反射面在Z轴方向上的另一侧也平齐。这样所有反射面的高度尺寸是一致的,这样规则的设计,方便加工。

具体地,反射面的高度为晶格的平均边长的2至3倍。由于晶格大体为正方形,晶格的边长大体为晶格的宽度,而平均边长为所有晶格的边长的平均值。

这样反射面不致过高导致光线反射次数过多,而且反射面不致过矮导致结构容易断开。另外,根据模型仿真可知,当反射面的高度为晶格的平均边长的2至3倍时,可以让相当一部分光线射入后,反射次数在两次,这样反射次数少,光耗少。

在本申请的方案中如果晶格仅由逆向曲线f1、顺向曲线t1交织形成,因两种曲线在参考平面S上呈螺旋延伸,且相对O点由近至远排布时逆向曲线f1的长度系数成q倍增加,这就使相邻两逆向曲线f1越是远离极点间距越大,导致临近O点的晶格小而远离O点的晶格大。因此在从O点向外辐射的方向上,晶格存在由密到疏的变化。

为了使浮空实像P2各个点的光强更加均匀,可将由各曲线交织构成的若干个晶格尺寸相关不大。在一些实施例中,当相邻两条曲线在某个位置间隔大于设定值时,在该位置距两曲线等间距的地方插入一条新的曲线,这样对逆向曲线f1、顺向曲线t1分别进行加密。这样从O点向外辐射的方向上,晶格存在由密到疏再到密的循环变化过程。

具体地,二面角反射器阵列结构100还设有加密逆向曲面且为反射面,加密逆向曲面在参考平面S上的垂直投影为加密逆向曲线f2,其极坐标方程为r=Ax*exp(θ)。

二面角反射器阵列结构100还设有加密顺向曲面且为反射面,加密顺向曲面在参考平面S上的垂直投影为加密顺向曲线t2,加密顺向曲线t2、加密逆向曲线f2相对Y轴对称,任意加密顺向曲线t2与加密逆向曲线f2、逆向曲线f1在相交处为垂直相交。

加密逆向曲线f2的形状与逆向曲线f1的形状是一致的,只是加密逆向曲线f2的起点不再是θ等于0度,而是在θ大于0度的某个位置。另外加密逆向曲线f2的长度系数Ax不再与逆向曲线f1成等比数列,Ax按其他规律设置。同样的,加密顺向曲线t2的形状与顺向曲线t1的形状是一致的,只是加密顺向曲线t2的起点不再是θ等于0度,而是在θ大于0度的某个位置。另外,加密顺向曲线t2的长度系数不再与顺向曲线t1成等比数列。需要说明的是,当逆向曲线f1被加密后、顺向曲线t1被加密后,交织形成的网状的每个网孔也称为晶格,上文在计算晶格平均边长时,包括这部分晶格的边长。

其中,逆向曲线f1可被加密至少一次。

当加密一次时,加密逆向曲线f2包括:一次加密逆向曲线f2,一次加密逆向曲线f2位于相邻两个逆向曲线f1之间,其长度系数Ax的大小在两侧逆向曲线f1的长度系数之间,起点位于或临近相邻两条逆变曲线的间距达第一设定值处。也就是说,一次加密逆向曲线f2的长度系数比前一个逆向曲线f1的长度系数大,比后一个逆向曲线f1的长度系数小。

当加密第二次时,加密逆向曲线f2包括:二次加密逆向曲线f2,二次加密逆向曲线f2位于相邻的逆向曲线f1和一次加密逆向曲线f2之间,其长度系数Ax的大小在两侧逆向曲线f1和一次加密逆向曲线f2的长度系数之间,起点位于或临近两侧逆向曲线f1和一次加密逆向曲线f2间距达第二设定值处。

当加密再次增加时,加密后曲线设置形式以此类推,具体加密次数不作限制。

加密顺向曲线t2的加密方式与加密逆向曲线f2的加密方式一致,这里不再赘述。

由此,可以控制各晶格尺寸相差不大,让浮空实像P2各个点的光强更加均匀。

上述方法中加密曲线方程的长度系数由相邻两条曲线的长度系数决定,而θ角的范围与设定的最大间隔和相邻两曲线的长度系数有关。

在一些可选实施例中,一次加密逆向曲线f2的长度系数Ax,等于两侧的逆向曲线f1的长度系数的平方根的算数平均数的二次方;二次加密逆向曲线f2的长度系数Ax,等于两侧的逆向曲线f1和一次加密逆向曲线f2的长度系数的平方根的算数平均数的二次方;以此类推。加密顺向曲线t2的设置方式与之类同,这里也不再赘述。

在具体方案中,曲线方程的长度系数A1和q共同决定了晶格的大小,q大于1。且A1和q值越小,曲线越密,晶格越小。例如在一些可选示例中,选用An=0.01*2n-1

在一些具体示例中,考虑到实际加工难度,晶格大小设置在0.1mm-0.2mm之间,当相邻两条曲线在某个位置间隔大于设定值0.2mm时,在该位置距两曲线等间距的地方插入一条加密曲线,该位置为θ角的起点,终点为π。该曲线方程的系数由相邻两条曲线的系数决定,θ角的范围与设定的最大间隔和相邻两曲线方程的长度系数有关。

例如,如果相邻两条逆向曲线f1的系数分别为A1和A2,那么二者之间的一次加密曲线f2的长度系数以此类推,所有的一次加密曲线f2的长度系数A12、A23、A34……亦能构成一组公比为q的等比数列。

其中长度系数为A1和A12对应的两条曲线(即逆向曲线f1与相邻的一次加密曲线f2)在θ从0到π增大的过程中,若在某个位置间距超过第二设定值0.2mm,也需要在该位置插入新的曲线(即二次加密逆向曲线f2),与上述情况相同。

这里还需要说明的是,上文提及的各曲线以及由各曲线所织的线网在建立后,线网在二面角反射器阵列结构100上的位置不作限定。由于二面角反射器阵列结构100的面积是有限的,而按照等比数列所设的长度系数形成的曲线可以是无限的,因此线网最终留在二面角反射器阵列结构100上的部分是有限的。而且在设计时曲线以0度为起点π为终点,但是受二面角反射器阵列结构100形状的影响,相当一部分曲线的终点达不到π,而且有的曲线被二面角反射器阵列结构100的边缘截成两段或者三段。

例如在图10所示的示例中,由于二面角反射器阵列结构100是长方形板,仅第4条逆向曲线f1的起点为0而终点到π,其余逆向曲线f1的起点为0而终点小于π。

又例如有的示例中,所有曲线的起点均大于0。

在一些具体实施例中,如图11所示,二面角反射器阵列结构100为矩形的平直板件,O点位于矩形的长边中点上。该平直板件的中间恰好是Y轴,这样二面角反射器阵列结构100在形状上是左右对称的,使左右两侧光线强度能保持对称。

在一些实施例中,各反射面之间的填充物为空气,以空气作为光导介质,使光导介质成本非常低,有利于减轻二面角反射器阵列结构100的整体重量。

在另一些实施例中,各反射面之间的填充物为高透光材料件。这样,高透光材料件不仅能保证光的高效传播,而且利用高透光材料件设置反射面较容易,还能用高透光材料件作为反射面的固定支撑结构,使反射面不易变形。

当然,本申请方案不限于此,有的方案也可以将各反射面之间设置成真空。虽然保持真空成本较高,但是真空对光线传播的影响非常小,可提高光传效率。

当各反射面之间的填充物为高透光材料件,该高透光材料件可采用光波导,此时二面角反射器阵列结构100也可以采用多种结构形式。

例如在一些实施例中,二面角反射器阵列结构100包括两组光波导阵列10,即为双层光波导结构。每组光波导阵列10均由多条子波导101组成,两组光波导阵列10包括:逆向光波导阵列和顺向光波导阵列,逆向光波导阵列的子波导101绕O点螺旋延伸,且多个子波导101按与O点距离由近及远的方向依次排布,相邻子波导101之间设置有逆向曲面。顺向光波导阵列的子波导101绕O点螺旋延伸,且多个子波导101按与O点距离由近及远的方向依次排布,相邻子波导101之间设置有顺向曲面。逆向光波导阵列和顺向光波导阵列沿Z轴排布。

两组光波导阵列10分别呈平板状,逆向光波导阵列至顺向光波导阵列的排布方向为Z方向,Z方向也为二面角反射器阵列结构100的厚度方向。需注意,逆向光波导阵列和顺向光波导阵列中,可以由逆向光波导阵列临近像源侧,也可以由顺向光波导阵列临近像源侧,这里不作限制。两层子波导101在相交处呈垂直关系,因此称两层光波导阵列10是相互正交的关系。

可选地,每个子波导101在宽度方向上两个侧面分别设置有反射膜,以构成反射面,用于对光线进行全反射。

在该实施例中,二面角反射器阵列结构100还可以包括保护盖板30,保护盖板30用于支撑和保护光波导阵列10。保护盖板30可以仅设置在二面角反射器阵列结构100的一侧,也可以在二面角反射器阵列结构100的两侧均设置保护盖板30。具体地,保护盖板30为透明盖板,可选地,保护盖板30为玻璃板。

具体地,逆向光波导阵列和顺向光波导阵列均为厚度均匀的平直板件。这样加工容易,而且容易定位,便于提高精度。

上述实施例是将逆向曲面和顺向曲面分设在光波导的不同层上,还有的实施例中将逆向曲面和顺向曲面设在光波导的同一层上。

例如二面角反射器阵列结构100包括单层的光波导块,光波导块的四面均设有反射面,且其中两个相对的反射面构成逆向曲面、另两个相对的反射面构成顺向曲面。也就是说,这一方案里每个光波导块在参考平面S上的投影就是一个晶格,这一方面可以降低二面角反射器阵列结构100的厚度。

在上述方案里,二面角反射器阵列结构100包括多个镀金属膜层,以形成反射面。这里镀金属膜层可以直接形成在高透光材料件的表面,这样反射面的成型成本非常低。

综上,采用本申请的方案投影,可以消除浮空实像P2两侧的残像,可在水平视角近似180°观察到浮空实像P2。

在本说明书的描述中,参考术语“实施例”、“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。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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。

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