本发明专利技术涉及三维光场显示技术领域，为了解决现有空中成像显示系统中因杂散光的存在严重影响了空气成像的技术问题，本发明专利技术公开了一种空中成像显示系统，由两组对称设置的远心结构组成，每组远心结构均包括光阑层、厚度层和透镜阵列层，光阑层由透光阵列区域与遮光阵列区域组成；光阑层和透镜阵列层分别位于厚度层两侧，并与厚度层紧贴；光阑层位于透镜阵列层的焦面附近；厚度层位于光阑层与透镜阵列层之间，并与光阑层与透镜阵列层紧密贴合，其作用是保证光阑层与透镜阵列层之间有一定的距离，使光阑层位于透镜阵列层的焦平面附近。光阑层紧贴于厚度层，其作用是对经过透镜阵列层的部分光线进行遮挡，确保光线能够高效地通过并会聚。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及三维光场显示，尤其涉及一种空中成像显示系统。
技术介绍
1、三维显示技术能够展现真实的三维影像，从不同角度重建三维物体或三维场景的信息，并正确地展示空间遮挡关系，因此在各个领域都受到了广泛的关注。空中成像显示技术将3d光场图像转化为浮动在空中的图像，从而为观察者提供真正的三维体验。这种技术创造了沉浸式的、悬浮在空中的真三维显示效果，被视为最有潜力的三维显示技术。现有技术中，杂散光的存在严重影响了空气成像的质量。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种空中成像显示系统，以解决现有空中成像显示系统中因杂散光的存在严重影响了空气成像的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种空中成像显示系统，空中成像显示系统由对称式的双远心结构组成,每一组远心结构由光阑层、厚度层、透镜阵列层三部分组成，光阑层和透镜阵列层分别位于厚度层两侧，并与厚度层紧贴,光阑层位于透镜阵列层的焦平面附近，由透光阵列区域与遮光阵列区域组成。透镜阵列层由二维方透镜阵列组成。图像源上一点像素发出不同角度的光，经过第一组远心结构后，以主光轴平行于光轴的方式出射，再经过第二组远心结构，在成像面上重新会聚成像。
3、厚度层位于光阑层与透镜阵列层之间，并与光阑层与透镜阵列层紧密贴合，其作用是保证光阑层与透镜阵列层之间有一定的距离，使光阑层位于透镜阵列层的焦平面附近。
4、光阑层紧贴于厚度层，其作用是对经过透镜阵列层的部分光线进行遮挡，确保光线能够高效地通过并会聚。</p>5、在第一组远心结构中，包括第一光阑层、第一厚度层和第一透镜阵列层；在第二组远心结构中，包括第二光阑层、第二厚度层和第二透镜阵列层；
6、透镜阵列层由第一组远心结构的第一透镜阵列层和第二组远心结构的第二透镜阵列层组成，为二维方透镜阵列。
7、第一透镜阵列层与第一厚度层紧贴，作用是折射图像源发出的光线，使入射光线通过对应透镜单元后，以主光轴平行于光轴的方式出射，并在对应透镜单元的焦面上会聚。
8、第二透镜阵列层与第二厚度层紧贴，作用是再次折射光线，使最后的出射光线在成像面上重新会聚，生成悬浮在空中的图像。如图3所示是第一透镜阵列层与第二透镜阵列层的结构分离示意图。
9、对于第一组远心结构，第一厚度层的厚度l1、第一透镜阵列层中透镜单元的折射率n1、曲率半径r1、厚度l2满足关系式：
10、对于第二组远心结构，第二厚度层的厚度m1、第二透镜阵列层（b3）中透镜单元的折射率n2、曲率半径r2、厚度m2满足关系式：
11、远心光学系统能够在一定的距离范围内保持恒定的放大率，有助于保持图像大小的一致性和减少失真。
12、关系式可能确保了远心系统中入射光和出射光的光学路径长度匹配，这对于在整个视场中维持焦点和图像质量至关重要。确保了光学层以实现所需光学性能的方式协同工作，例如高精度地聚焦光线并将其引导到成像平面上的正确位置。通过设置层之间的正确厚度和距离，可以最小化杂散光或眩光，精确地控制光线，减少杂散光和提高整体图像质量。
13、进一步地，第一透镜阵列层中透镜单元的焦距为f1，第二透镜阵列层中透镜单元的焦距为f2。对称放置的两个透镜单元中心间距l3满足关系式：0<l3≤2(f1+f2)。
14、关系式保证了两个对称放置的透镜单元之间的中心间距 l3不会过小，从而避免了透镜单元之间的光学干扰或相互遮挡，同时也保证不会过大，以至于影响系统的紧凑性和整体效率。合理的间距可以最大化透镜的覆盖范围，优化光线的集成和聚焦效果。
15、通过控制透镜单元间的间隔与两透镜的焦距之和相匹配，可以优化成像平面上的光场分布。这有助于提高图像的分辨率和对比度，减少图像畸变，特别是在边缘区域。
16、通过适当的透镜间距设置，可以有效减少由于透镜制造误差或透镜间非理想对齐引起的光学像差，如球面像差和彗差，对于保持图像的清晰度和质量至关重要。
17、将透镜单元间的距离与它们的焦距相协调，有助于维持整个系统的光学稳定性，确保从不同透镜得到的图像部分能够正确对齐和重合，特别是在多视角或三维成像应用中。
18、总体来说，这个关系式为透镜设计提供了一种方法，通过精确控制透镜间的距离，以达到优化整体光学性能的目的，从而在空中成像系统中实现高质量的图像重建和显示。
19、进一步地，图像源距第一厚度层的距离为u，空中成像显示系统在距离第二厚度层v的位置上成像，形成成像面，满足关系式：
20、关系式描述了两个远心结构之间的成像距离v和图像源（物体）距离u与透镜焦距f1和f2之间的关系。
21、通过精确计算透镜的焦距与物体和成像距离的比例，可以最大化成像质量，有助于减少成像过程中的光学畸变，如焦外模糊和球面像差。
22、保持光学一致性，确保从第一个透镜到成像面的光路长度与从物体到第二个透镜的光路长度在焦点性能上保持一致，是实现高质量成像的关键。
23、进一步地，空中成像显示系统的横向尺寸为t，纵向宽度为h，水平视角与垂直视角分别满足：
24、通过调整t、h和v的值，可以设计出最佳的视角范围，以提供最佳的观看体验。
25、进一步地，厚度层可以由单一折射率材料填充而成，也可以由多种不同折射率材料复合而成，包括但不限于uv胶、pc、pet、pmma。第一厚度层与第二厚度层的结构分离如图2所示。
26、进一步地，光阑层由遮光阵列区域与透光阵列区域构成，如图5所示是第一光阑层与第二光阑层的结构分离示意图。遮光阵列区域是由纯黑不透光材料或相应的不透光涂料构成的阵列结构；透光阵列区域是周期性的透光区域组成的阵列结构。
27、优选地，透光阵列区域和透镜阵列层的透镜单元中心对齐。
28、本专利技术提供的一种空中成像显示系统具有以下优点：
29、系统由两组对称设置的远心结构组成，每组包括光阑层、厚度层和透镜阵列层。这种对称设计有助于平衡和稳定光线的传输，提高成像的对称性和准确性。
30、光阑层分为透光阵列区域与遮光阵列区域。透光阵列区域允许必要的光线通过，而遮光阵列区域阻挡不需要的光线（即杂散光）。这种结构有效减少非目标光线的干扰，优化了光线的利用效率。
31、透镜阵列层负责精确地聚焦和引导光线，通过透镜的精确排列和设计，可以进一步控制和优化光线路径，减少光线在透镜表面的反射和散射，从而提高图像的清晰度和质量。
32、厚度层位于光阑层和透镜阵列层之间，不仅提供物理支持，还作为光学调节层参与光线的初步处理。它确保了光阑层与透镜阵列层之间的适当距离，使得光阑层恰好位于透镜阵列层的焦面附近，这有助于精确控制进入透镜的光线。
33、通过上述结构设计，系统能够有效控制杂散光，确保只有正确的光线被用于成像，大大提升了成像质量。这种优化的光路设计不仅减少了图像的噪点和模糊，还增强了图像的整体清本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种空中成像显示系统，由两组对称设置的远心结构组成，其特征在于，每组远心结构均包括光阑层、厚度层和透镜阵列层，光阑层由透光阵列区域与遮光阵列区域组成；光阑层和透镜阵列层分别位于厚度层两侧，并与厚度层紧贴；光阑层位于透镜阵列层的焦面附近；
2.根据权利要求1所述的空中成像显示系统，其特征在于，定义两个透镜阵列单元中心间距为L3，定义f1和f2分别为第一组远心结构（1）和第二组远心结构（2）中透镜单元的焦距，则L3、f1和f2满足关系式：
3.根据权利要求1或2所述的空中成像显示系统，其特征在于，图像源（3）距第一组远心结构（1）中的厚度层的距离为U，所述空中成像显示系统在距离第二组远心结构（2）中的厚度层V的位置形成成像面（4），满足关系式：。
4.根据权利要求1所述的空中成像显示系统，其特征在于，所述空中成像显示系统的横向尺寸为T，纵向宽度为H；
5.根据权利要求1所述的空中成像显示系统，其特征在于，所述遮光阵列区域为不透光涂料构成的阵列结构，所述透光阵列区域为周期性的透光区域组成的阵列结构。
6.根据权利要求5所述的空中成像显示系统，其特征在于，所述透光阵列区域和透镜阵列层的透镜单元中心对齐。
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【技术特征摘要】
1.一种空中成像显示系统，由两组对称设置的远心结构组成，其特征在于，每组远心结构均包括光阑层、厚度层和透镜阵列层，光阑层由透光阵列区域与遮光阵列区域组成；光阑层和透镜阵列层分别位于厚度层两侧，并与厚度层紧贴；光阑层位于透镜阵列层的焦面附近；
2.根据权利要求1所述的空中成像显示系统，其特征在于，定义两个透镜阵列单元中心间距为l3，定义f1和f2分别为第一组远心结构（1）和第二组远心结构（2）中透镜单元的焦距，则l3、f1和f2满足关系式：
3.根据权利要求1或2所述的空中成像显示系统，其特征在于，图像源（3）...
【专利技术属性】
技术研发人员：高鑫，于迅博，刘柯新，郭俊岳，张钊赫，刘博阳，高超，黄辉，
申请(专利权)人：深圳臻像科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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