CN120704002A - 基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，包括：像源组件；偏振分光模块、偏振态转换模块、反射模块；像源组件发出的线偏振光依次经偏振分光模块反射或透射、进入偏振态转换模块改变偏振状态、经过反射模块聚焦后返回，再次经偏振态转换模块转换为与像源偏振方向相互垂直的线偏振光，并通过偏振分光组件透射或反射，在成像区域形成无需物理介质的裸眼可见悬浮实像；通过上述结构，图像光线经由偏振控制路径实现高效地光路折返与方向选择，实现高光效、高质量的空中成像，最终在空中特定空间位置上形成肉眼可视、无介质的空中真实实像；无需依赖传统成像介质，具有结构紧凑、光效利用率高、成像亮度和清晰度好的优点。

Description

基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，适用于广告展示、展览展示、人机交互等场景。

背景技术

空中成像技术是近年来备受关注的新兴显示技术之一，其可实现图像在空气中悬浮显示，为沉浸式交互提供可能。空中成像技术（也称“悬浮成像”或“空中显示”）的核心挑战之一，就是需要解决“光在空气中没有载体如何成像”的问题。绝大多数目前实际应用的空中成像技术，都依赖于某种形式的中间介质，来改变光路、汇聚光线或作为成像载体，如玻璃膜、雾幕、反射屏等进行光线控制和成像显示：“玻璃膜”类介质，其具体的应用是通过基于光学微结构的薄膜/平板，利用精密设计和制造的微纳结构，如微棱镜阵列、透镜阵列、金属网格等，对入射光进行精确的偏折和聚焦；当光线穿过这种特殊薄膜时，被薄膜上的微结构重新定向并汇聚在薄膜前方的特定位置，形成实像；观察者无需佩戴任何设备，直接在空气中看到一个悬浮的、可触摸交互的影像；“玻璃膜”类介质的优点是成像清晰、稳定、可实现裸眼3D效果、支持触控交互、视角相对较大、环境适应性好；但是，其缺点也很明显，即需要一块物理存在的平板，成像位置通常紧靠平板前方，尺寸和形状受平板限制，制造成本较高。

“雾幕”类介质 ，其为基于粒子散射的介质，利用高压喷嘴产生极其细密、均匀且流动平缓的水雾墙或“干雾”，水雾墙或“干雾”作为投影屏幕，来自后方的投影机将图像投射到水雾上，水雾粒子对光线进行散射，从而在空气中形成可见的图像；其优点是成像区域可以做得比较大，能实现人穿行其中，营造强烈的沉浸感和神秘感，成本相对较低；其缺点也很明显，即，成像清晰度和亮度受环境影响大，稳定性差，易受气流扰动影响，导致图像扭曲或抖动，无法实现真正的触控交互，需要持续供应水源/雾气，环境湿度会升高。

“反射屏”类介质，其是一种基于光学镜面反射，通常指佩珀尔幻象的变种或利用凹面镜/半透半反镜的装置，其主要是利用镜面反射改变光路，制造影像悬浮的视觉效果 ；其优点是技术相对成熟简单，成本可控（尤其是佩珀尔幻象），可以实现较大的悬浮虚像；缺点是 需要隐藏投影源/实物，观察角度受限（通常只有一个最佳视角），成像位置是虚像（无法触摸交互），需要较大的空间布置光学装置。

可见，上述采用玻璃膜、雾幕、反射屏等进行光线控制和成像显示的方案在实现过程中存在如下缺陷：（1）光效利用率低（＜30%），能量损耗大；（2）成像质量有限，分辨率和亮度不足；（3）强依赖成像介质（如薄膜、空气雾化层等），系统复杂，稳定性差。

基于此，本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，能够在无需依赖传统成像介质的前提下，实现高亮度、高清晰度空中成像的新型光学系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，能够在无需依赖传统成像介质的前提下，实现高亮度、高清晰度空中成像的新型光学系统，以解决现有技术中的空中成像技术，都依赖于某种形式的中间介质，来改变光路、汇聚光线或作为成像载体，如玻璃膜、雾幕、反射屏等进行光线控制和成像显示所导致的问题。

具体地，本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，包括：像源组件，用于发出S偏振光，或者P偏振光。

偏振分光模块，用于反射所述S偏振光并透射P偏振光；或者用于透射所述P偏振光并反射P偏振光。

偏振态转换模块，设置于偏振分光模块与反射模块之间，用于将线偏振光（S偏振光或P偏振光）转换为圆偏振光，并在反射后将圆偏振光转换为与原始偏振方向正交的线偏振光（P偏振光或S偏振光），实现光线方向控制。

反射模块，用于将光线反射并聚焦至空中预定成像区域。

所述空中悬浮成像光学系统在使用时，所述像源组件发出的S偏振光或P偏振光依次经所述偏振分光模块反射或透射、进入所述偏振态转换模块改变偏振状态、经过反射模块聚焦后返回，再次经所述偏振态转换模块转换为与像源偏振方向相互垂直的线偏振光，并通过所述偏振分光组件透射，在所述成像区域形成无需物理介质的裸眼可见悬浮实像，即，最终在空中“像面”位置形成可被裸眼观察的真实空中实像。

该空中悬浮成像光学系统中，偏振分光模块与偏振态转换模块联合使用，实现偏振态控制与光路可逆，使光学系统结构更紧凑，光效利用率更高。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述像源组件包括以下任一配置：直接发出线偏振光的显示屏。

发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片以生成线偏振光。

发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片及1/2波片以生成线偏振光。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述偏振分光模块为偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜为单一玻璃胶合偏振分光膜；玻璃-膜层-玻璃结构，中间为镀膜型偏振分光膜等任何能实现使S偏振光反射，P偏振光透射；偏振分光棱镜（PBS）可配置不同偏振选择性反射与透射率：S偏振反射率1%~99%，P偏振透射率1%~99%；进一步，所述S偏振反射率+ P偏振透射率=100%。

偏振分光棱镜（PBS）远离1/4波片的一侧，可选择性的贴附偏振片，用于限制或筛选特定偏振方向的光。

进一步，偏振片远离偏振分光棱镜（PBS）的一侧，可选择性的贴附1/4波片膜，用于将透射的P偏振光或者反射的S偏振光转换为圆偏振光。

另外，可将偏振片替换为1/4波片，用于将透射的P偏振光或者反射的S偏振光转换为圆偏振光；所述偏振分光棱镜的表面镀有增透膜，增透膜优选AR膜，反射率≤1%，以降低杂散光；偏振片光轴方向可设置为与像源组件光轴成±90°或±270°角度，以实现最佳偏振匹配效果。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述1/4波片能实现线偏振光与圆偏振光间偏振态的相互转换，包括且不限于以下方式：具备一定厚度的双折射晶体波片，厚度满足，其中为工作波长，为晶体折射率；液晶相位延迟器，通过电场调节相位延迟量；复合波片（多级波片），由多层双折射材料叠加构成以扩展工作带宽；玻璃或光学塑料为基底的胶合波片结构；玻璃-1/4波片-玻璃的夹层结构；等任何可实现线偏振光与圆偏振光间偏振态转换的器件；两侧可镀AR减反射膜以增强透光率。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述反射模块包括：基片，其表面为球面、非球面、自由曲面、菲涅尔面，其材质为玻璃、塑料或金属；反射膜，选自铝膜、银膜、金膜或介质高反射膜，反射率为1%-99%；所述反射模块的曲率参数根据所述成像区域的位置和尺寸优化设计，以实现光线精确聚焦，从而确保成像清晰。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述空中悬浮成像光学系统还包括环境光抑制模块：在所述偏振分光棱镜远离1/4波片的一侧贴附偏振片，偏振方向与所述像源偏振方向正交。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述空中悬浮成像光学系统还包括偏振态转换模块：在所述偏振分光棱镜远离偏振态转换模块的一侧贴附1/4波片膜，该1/4波片的光轴与所述线偏振光的偏振方向的夹角为±45°或±135°。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述空中悬浮成像光学系统还包括防蓝光模块，防蓝光模块的实现方式包括且不限于以下任一方式：在所述像源组件表面镀防蓝光膜。

在所述偏振分光棱镜远离1/4波片的一侧镀防蓝光膜。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述空中悬浮成像光学系统还包括防指纹模块：在所述偏振分光棱镜远离1/4波片的一侧涂覆AF抗指纹膜，用于减少灰尘、油脂的附着，降低对屏幕的清洁次数。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述成像区域的悬浮实像深度可调，调节方式包括以下任一方式：改变所述反射模块与所述偏振分光棱镜的间距。

调节所述像源组件与所述偏振分光棱镜的间距。

通过所述反射模块的曲率变化调整聚焦位置。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述系统光效利用率≥60%，悬浮实像的分辨率≥2K。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明提出的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，包括：像源组件；偏振分光模块、偏振态转换模块、反射模块；所述像源组件发出的线偏振光依次经所述偏振分光模块反射或透射、进入所述偏振态转换模块改变偏振状态、经过反射模块聚焦后返回，再次经所述偏振态转换模块转换为与像源偏振方向相互垂直的线偏振光，并通过所述偏振分光组件透射，在所述成像区域形成无需物理介质的裸眼可见悬浮实像，通过上述结构，图像光线经由偏振控制路径实现高效地光路折返与方向选择，实现高光效、高质量的空中成像。最终可在空中特定空间位置上形成肉眼可视、无介质的空中真实实像；即，本发明中的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的优点在于无需依赖传统成像介质，具有结构紧凑、光效利用率高、成像亮度和清晰度好的优点，广泛适用于广告展示、人机交互等领域。

附图说明

图1为本发明中的空中悬浮成像光学系统的结构示意图一。

图2为本发明中的偏振光路径变化示意图。

图3为本发明中的偏振分光棱镜功能示意图。

图4为本发明中的空中悬浮成像光学系统的结构示意图二。

附图中的标记为：1-像源组件、2-偏振分光模块、3-偏振态转换模块、4-反射模块、5-成像区域。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。“多个”指大于等于两个。

虽然例如，“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离本申请构思的教导。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其他特征、数目、操作、组件、元件或其组合的存在或者附加。

下面结合图1-4与具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明的目的是提供一种基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，能够在无需依赖传统成像介质的前提下，实现高亮度、高清晰度空中成像的新型光学系统，以解决现有技术中的空中成像技术，都依赖于某种形式的中间介质，来改变光路、汇聚光线或作为成像载体，如玻璃膜、雾幕、反射屏等进行光线控制和成像显示所导致的问题。

具体地，本发明提供了一种基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，如图1所示：包括：像源组件1，用于发出S偏振光。

偏振分光模块2，用于反射所述S偏振光并透射P偏振光。

偏振态转换模块3，设置于所述偏振分光模块2与反射模块4之间，用于将线偏振光转换为圆偏振光，并在反射后将圆偏振光转换为与原始偏振方向正交的线偏振光，实现光线方向控制。

反射模块4，用于将光线反射并聚焦至空中预定成像区域5。

如图2所示：所述空中悬浮成像光学系统在使用时，所述像源组件1发出的S偏振光依次经所述偏振分光模块2的反射、偏振态转换模块3的转换、反射模块4聚焦后返回，再次经所述偏振态转换模块3转换为P偏振光，并通过所述偏振分光模块2的透射，在所述成像区域5形成无需物理介质的裸眼可见悬浮实像，即，最终在空中“像面”位置形成可被裸眼观察的真实空中实像。

该空中悬浮成像光学系统中，偏振分光模块2与偏振态转换模块3的联合使用，实现偏振态控制与光路可逆，使光学系统结构更紧凑，光效利用率更高。

其中，所述像源组件1包括以下任一配置：直接发出S偏振光的显示屏。

发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片以生成S偏振光。

发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片及1/2波片以生成S偏振光。

发出P偏振光的显示屏，其前端设有1/2波片以将P偏振光转换为S偏振光。

如图3所示，所述偏振分光模块2具体为偏振分光棱镜（PBS，Polarizing BeamSplitter），所述偏振分光棱镜为单一玻璃胶合偏振分光膜；玻璃-膜层-玻璃结构，中间为镀膜型偏振分光膜等任何能实现使S偏振光反射，P偏振光透射。

偏振分光棱镜可配置不同偏振选择性反射与透射率：S偏振反射率1%~99%，P偏振透射率1%~99%。

偏振分光棱镜远离偏振态转换模块3的一侧，可选择性的贴附偏振片，用于限制或筛选特定偏振方向的光。

进一步，偏振片远离偏振分光棱镜的一侧，可选择性的贴附1/4波片膜，用于将透射的P偏振光转换为圆偏振光。

另外，可将偏振片替换为1/4波片，用于将透射的P偏振光转换为圆偏振光。

所述偏振分光棱镜的表面镀有增透膜，增透膜优选AR膜，反射率≤1%，以降低杂散光。

偏振片光轴方向可设置为与像源组件1光轴成±90°或±270°角度，以实现最佳偏振匹配效果。

所述偏振态转换模块3具体为1/4波片（四分之一波片）：其中，所述1/4波片能实现线偏振光与圆偏振光间偏振态的相互转换，包括且不限于以下方式：具备一定厚度的双折射晶体波片，厚度满足，其中为工作波长，为晶体折射率；液晶相位延迟器，通过电场调节相位延迟量；复合波片（多级波片），由多层双折射材料叠加构成以扩展工作带宽；玻璃或光学塑料为基底的胶合波片结构；玻璃-1/4波片-玻璃的夹层结构；等任何可实现线偏振光与圆偏振光间偏振态转换的器件；两侧可镀AR减反射膜以增强透光率。

其中，所述反射模块4包括：基片，其表面为球面、非球面、自由曲面、菲涅尔面，其材质为玻璃、塑料或金属。

反射膜，选自铝膜、银膜、金膜或介质高反射膜，反射率为1%-99%。

所述反射模块4的曲率参数根据所述成像区域5的位置和尺寸优化设计，以实现光线精确聚焦，从而确保成像清晰。

其中，所述空中悬浮成像光学系统还包括环境光抑制模块：在所述偏振分光模块2远离偏振态转换模块3的一侧贴附偏振片，偏振方向与所述S偏振光正交。

其中，所述空中悬浮成像光学系统还包括偏振分光组件：在所述偏振分光模块2远离偏振态转换模块3的一侧贴附1/4波片，该1/4波片的光轴与所述S偏振光的偏振方向的夹角为±45°或±135°。

其中，所述空中悬浮成像光学系统还包括防蓝光模块，蓝光模块的实现方式包括且不限于以下任一方式：在所述像源组件1表面镀防蓝光膜；在所述偏振分光模块2远离偏振态转换模块3的一侧镀防蓝光膜。

其中，所述空中悬浮成像光学系统还包括防指纹模块：在所述偏振分光模块2远离偏振态转换模块3的一侧涂覆AF抗指纹膜，用于减少灰尘、油脂的附着，降低对屏幕的清洁次数。

其中，所述成像区域5的悬浮实像深度可调，调节方式包括以下任一方式：改变所述反射模块4与所述偏振分光模块2的间距；调节所述像源组件1与所述偏振分光模块2的间距；通过所述反射模块4的曲率变化调整聚焦位置。

在根据本发明所述的基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统的一实施方式中，所述系统光效利用率≥60%，悬浮实像的分辨率≥2K。

在上述技术内容公开的基础上，为了进一步理解本发明的内容，如下公开了四种具体的实施例：实施例一：在一个典型实施例中，如图1-3所示，本发明所述空中悬浮成像光学系统包括：像源组件1、偏振分光棱镜2、1/4波片3、反射镜4，以及形成空中实像的成像区域5。

1.像源组件：图像源为OLED屏幕，输出为非偏振光。在图像源出光口前方设置一块偏振片，将非偏振光转化为S偏振光。偏振片的光轴方向与PBS的分光轴线垂直，以确保S偏振光能够被PBS有效反射。

2. 偏振分光模块：偏振分光模块具体为偏振分光棱镜2（PBS），PBS采用玻璃-偏振分光膜-玻璃胶合结构，实现S偏振光高反射（>99%），P偏振光高透射（>90%）。其两侧表面镀有增透膜（AR膜），反射率小于1%。

3偏振态转换模块：偏振态转换模块具体为1/4波片3，偏振分光模块与反射镜之间设偏振态转换模块，波片为玻璃基底胶合结构。来自S偏振光经过偏振态转换模块后转变为圆偏振光，经反射后变为正交的P偏振光，经偏振分光模块透射。

4.反射成像组件：反射镜采用球面玻璃基底，镀银反射膜，反射率大于93%。其形状经精密光学设计优化，可实现指定成像区域的光线汇聚，使图像在空气中清晰悬浮。

光线路径如下：图像源→偏振片（生成S偏振光）→偏振分光棱镜（反射）→1/4波片（转换为圆偏振光）→反射镜（聚焦）→回程→1/4波片（转换为P偏振光）→偏振分光棱镜（透射）→空中像。

实施例二：在一个典型实施例中，如图1-3所示，本发明所述空中悬浮成像光学系统包括：像源组件1、偏振分光棱镜2、1/4波片3、反射镜4，以及形成空中实像的成像区域5。

1.像源组件：图像源为LCD屏幕，输出为S偏振光。

2.偏振分光模块：偏振分光模块具体为偏振分光棱镜（PBS），PBS采用玻璃-偏振分光膜-玻璃胶合结构，实现S偏振光高反射（>99%），P偏振光高透射（>90%）。其两侧表面镀有增透膜（AR膜），反射率小于1%。

3.偏振态转换模块：偏振态转换模块具体为1/4波片3，PBS与反射镜之间设有1/4波片3，波片为玻璃基底胶合结构。S偏振光经过1/4波片3后转变为圆偏振光，经反射后变为正交的P偏振光，经PBS透射。

4.反射成像组件：反射镜采用球面玻璃基底，镀银反射膜，反射率大于93%。其形状经精密光学设计优化，可实现指定成像区域的光线汇聚，使图像在空气中清晰悬浮。

光线路径如下：图像源（S偏振光）→偏振分光棱镜（反射）→1/4波片（转换为圆偏振光）→反射镜（聚焦）→回程→1/4波片（转换为P偏振光）→偏振分光棱镜（透射）→空中像。

实施例三：在一个典型实施例中，如图1-3所示，本发明所述空中悬浮成像光学系统包括：像源组件1、偏振分光棱镜2、1/4波片3、反射镜4，以及形成空中实像的成像区域5。

1.像源组件：图像源为LCD屏幕，输出为S偏振光。

2.偏振分光模块：偏振分光模块具体为偏振分光棱镜（PBS），PBS采用玻璃-偏振分光膜-玻璃胶合结构，实现S偏振光高反射（>99%），P偏振光高透射（>90%）。其两侧表面镀有增透膜（AR膜），反射率小于1%。

进一步，在PBS远离像源的一侧表面贴附1/4波片膜，将来自系统内部的线偏振光转换为圆偏振光，1/4波片膜光轴与偏振光偏振轴夹角为±45°。

3.偏振态转换模块：偏振态转换模块具体为1/4波片3，PBS与反射镜之间设有1/4波片3，波片为玻璃基底胶合结构。S偏振光经过1/4波片3后转变为圆偏振光，经反射后变为正交的P偏振光，经PBS透射。

4.反射成像组件：反射镜采用球面玻璃基底，镀银反射膜，反射率大于93%。其形状经精密光学设计优化，可实现指定成像区域的光线汇聚，使图像在空气中清晰悬浮。

光线路径如下：图像源（S偏振光）→偏振分光棱镜（反射）→1/4波片（转换为圆偏振光）→反射镜（聚焦）→回程→1/4波片（转换为P偏振光）→偏振分光棱镜（透射）→1/4波片膜(转换为圆偏振光）→空中像。

实施例四：在一个典型实施例中，如图4所示，本发明所述空中悬浮成像光学系统包括：像源组件1、偏振分光棱镜2、1/4波片3、反射镜4，以及形成空中实像的成像区域5。

1.像源组件：图像源为LCD屏幕，输出为P偏振光。

2.偏振分光模块：偏振分光模块具体为偏振分光棱镜（PBS），PBS采用玻璃-偏振分光膜-玻璃胶合结构，实现S偏振光高反射（>99%），P偏振光高透射（>90%）。其两侧表面镀有增透膜（AR膜），反射率小于1%。

3.偏振态转换模块：偏振态转换模块具体为1/4波片3，偏振分光模块与反射模块之间设有1/4波片3，波片为玻璃基底胶合结构。P偏振光经过1/4波片3后转变为圆偏振光，经反射后变为正交的S偏振光，经偏振分光模块反射。

4.反射成像组件：反射镜采用球面玻璃基底，镀银反射膜，反射率大于93%。其形状经精密光学设计优化，可实现指定成像区域的光线汇聚，使图像在空气中清晰悬浮。

光线路径如下：图像源（P偏振光）→偏振分光棱镜（透射）→1/4波片（转换为圆偏振光）→反射镜（聚焦）→回程→1/4波片（转换为S偏振光）→偏振分光棱镜（反射）→空中像。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明型的保护范围之内。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

应当理解，在本发明中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于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：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

还需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.基于偏振光控制和反射光学结构的空中悬浮成像光学系统，其特征在于，包括：像源组件（1），用于发出第一偏振光；偏振分光模块（2），用于第一传导所述第一偏振光并第二传导第二偏振光；偏振态转换模块（3），设置于所述偏振分光模块（2）与反射模块（4）之间，用于将第一偏振光转换为圆偏振光，并在反射后将圆偏振光转换为与原始偏振方向正交的第二偏振光；反射模块（4），用于将光线反射并聚焦至空中预定成像区域（5）。

2.根据权利要求1所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述第一偏振光为S偏振光，第二偏振光为P偏振光；第一传导为反射，第二传导为透射；所述像源组件（1）包括以下任一配置：直接发出S偏振光的显示屏；发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片以生成S偏振光；发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片及1/2波片以生成S偏振光；发出P偏振光的显示屏，其前端设有1/2波片以将P偏振光转换为S偏振光。

3.根据权利要求1所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述第一偏振光为P偏振光，第二偏振光为S偏振光；第一传导为透射，第二传导为反射；所述像源组件（1）包括以下任一配置：直接发出P偏振光的显示屏；发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片以生成P偏振光；发出非偏振光的显示屏，其前端设有偏振片及1/2波片以生成P偏振光；发出S偏振光的显示屏，其前端设有1/2波片以将P偏振光转换为P偏振光。

4.根据权利要求2或3所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述偏振分光模块（2），能使S偏振光反射，P偏振光透射，S偏振光反射率范围1%-99%，P偏振光透射率范围1%-99%；所述偏振分光模块（2）的表面镀有增透膜，反射率≤1%，增透膜优选AR膜。

5.根据权利要求2或者3所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述偏振态转换模块（3）能实现线偏振光与圆偏振光间偏振态的相互转换，包括且不限于以下方式：双折射晶体波片，厚度满足，其中为工作波长，为晶体折射率；液晶相位延迟器，通过电场调节相位延迟量；复合波片，由多层双折射材料叠加构成以扩展工作带宽。

6.根据权利要求2或者3所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述反射模块（4）包括：基片，其表面为球面、非球面或自由曲面，其材质为玻璃、塑料或金属；反射膜，选自铝膜、银膜、金膜或介质高反射膜，反射率为1%-99%；所述反射模块（4）的曲率参数根据所述成像区域（5）的位置和尺寸优化设计，以实现光线精确聚焦。

7.根据权利要求2或者3所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述空中悬浮成像光学系统还包括环境光抑制模块：在所述偏振分光模块（2）远离所述偏振态转换模块（3）的一侧贴附偏振片，偏振方向与所述第一偏振光正交。

8.根据权利要求2或者3所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述空中悬浮成像光学系统还包括偏振分光组件：在所述偏振分光模块（2）远离偏振态转换模块（3）的一侧贴附1/4波片，该1/4波片的光轴与所述第一偏振光的偏振方向的夹角为±45°或±135°。

9.根据权利要求1所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述空中悬浮成像光学系统还包括防蓝光模块，蓝光模块的实现方式包括且不限于以下任一方式：在所述像源组件（1）表面镀防蓝光膜；在所述偏振分光模块（2）远离偏振态转换模块（3）的一侧镀防蓝光膜；所述空中悬浮成像光学系统还包括防指纹模块：在所述偏振分光模块（2）远离偏振态转换模块（3）的一侧涂覆AF抗指纹膜。

10.根据权利要求1所述的空中悬浮成像光学系统，其特征在于：所述成像区域（5）的悬浮实像深度可调，调节方式包括以下任一方式：改变所述反射模块（4）与所述偏振分光模块（2）的间距；调节所述像源组件（1）与所述偏振分光模块（2）的间距；通过所述反射模块（4）的曲率变化调整聚焦位置。