CN107390380B - 一种显示装置、导光平板及多层悬浮显示设备 - Google Patents

Abstract

一种显示装置，包括：光引擎、平板光波导和光线偏折单元；光引擎放置于平板光波导的入光侧，光线偏折单元放置于平板光波导的出光侧；光引擎产生显示图像源,并将显示图像源中各像素点出射的光线入射到平板光波导内；平板光波导将光线经全反射传输形成扩束光线并输出至光线偏折单元；光线偏折单元将平板光波导输出的扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮图像。相对于现有的采用多个图像阵列搭配透镜在空间中形成悬浮图像显示的方法，不需要超高显示分辨率的显示模组，减小了显示装置的体积，结构更简单，方式更加灵活，可以实现全彩色，高分辨率的悬浮显示。

Description

一种显示装置、导光平板及多层悬浮显示设备

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，具体涉及一种显示装置、导光平板及多层悬浮显示设备。

背景技术

视觉是人类感知世界的主要途径，人类获取的信息约80％来自于视觉，长期以来，表达可视信息的主要方法仍然是二维显示。传统的二维显示技术遗失了真实物理世界的深度信息，无法准确表达三维空间关系，而且只能呈现单个角度上物体的表面特性。这一缺陷严重地阻碍了人类对客观世界的感知，如何在真实物理空间实现三维重现一直是人们孜孜以求的目标。为了真实地描述客观三维世界，人们努力用各种方法在空间里呈现出虚拟的三维场景。三维显示在传统二维显示的基础上通过提供各种生理和心理上的调节线索产生深度暗示，并通过大脑进行融合形成三维感知。

在现有的三维显示技术中，集成成像法(Integral Imaging)是一种重要的三维显示技术，该技术由法国科学家Lippmann于1908年提出的集成摄像术(Integralphotography)发展而来。集成成像通过二维透镜阵列来记录和再现真实三维场景，原理图如图1a、图1b所示。在记录过程中，透镜阵列中每个透镜对三维场景进行成像，得到一系列独立的二维图像，这些图像分别称作元素图像。元素图像各不相同，它们表示的是透镜从不同视角记录得到的三维物体的信息。所有元素图像在记录介质上的排列称为元素图像阵列，元素图像阵列包含了物体的三维信息。再现过程中，元素图像阵列由显示面板显示出来，显示面板前面放置透镜阵列，元素图像发出的光线经过透镜阵列后在像空间集成出一个个体像素点，所有的这些像素点构成了三维物体的像。因此集成成像是一种真三维显示技术，由于集成成像技术得到的三维图像包含连续的视差信息，观看者在不同位置看到的三维信息是不同的。与同样是真三维显示技术的全息术相比，集成成像在记录和再现时不需要相干光源，而且实时性较好，可实时再现动态三维场景。同体显示技术相比，集成成像技术具有结构简单、易实现、实时性好的优势。

悬浮显示是集成成像技术的一种，当微透镜阵列每个单元透镜下对应的单元图像为相同时，单元图像经过透镜阵列的光线在空中叠加，单元图像对应的相同点在空间中叠加形成悬浮图像的一个点，单元图像的所有点在空中叠加后，形成成像在同一高度的悬浮图像，悬浮图像为实像，如图2所示，微图像阵列10，通过微透镜阵列20，在空间中形成悬浮的实像“A”。Drinkwater等人在美国专利US5712731A中率先提出将半球形微透镜阵列与微图像阵列相结合的用于防伪的安全器件，在中国专利CN 103176276A中揭示了采用图像阵列显示器搭配透镜阵列用于实现动态悬浮显示的方法。采用显示器实现微图像阵列，对显示器的像素尺寸，分辨率具有很高的要求，如果需要显示一幅100*100分辨率的悬浮图像，则需要显示器具有约100*100个单元图像阵列，单元图像的分辨率为100*100，单元图像数量如果过少，则意味着悬浮显示图像每一点的光线数目过少，容易引起人眼的观看的疲劳，甚至没有悬浮效果，这样显示器的分辨率需要达到10000*10000。同时单元图像的间隔也需要比较小，间隔过大，每个视点间隔也大，同样会引起观看的不适，所以显示像素尺寸也需要做的很小，通常要小于10um才会有较好的效果，目前的显示器制造技术还难以加工如此规格的显示器，因此难以实现真正的商业应用。

发明内容

本申请提供一种显示装置及多层悬浮显示设备

根据第一方面，一种实施例中提供一种显示装置，包括光引擎、平板光波导和光线偏折单元；

光引擎放置于平板光波导的入光侧，光线偏折单元放置于平板光波导的出光侧；

光引擎产生显示图像源,并将显示图像源的出射光线入射到平板光波导内；

平板光波导将光线经全反射传输形成扩束光线并输出至光线偏折单元；

光线偏折单元将平板光波导输出的扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮图像。

根据第二方面，一种实施例中提供一种导光平板，包括若干个导光棒和若干个棒装包层；

导光棒为棱台结构，导光棒和棒状包层沿水平方向交替密接排列；

导光棒的折射率为为n1，棒状包层的折射率为n2，n1＞n2＞1，导光棒用于全反射传输光线，棒状包层用以形成导光棒的全反射条件；

导光平板具有相对平行设置的第一表面和第二表面，第一表面为入光面，第二表面为出光面，导光棒的轴向与水平方向构成一平面，第一表面和第二表面与平面平行，且，第一表面与第二表面的面积大小为不相同。

根据第三方面，一种实施例中提供一种多层悬浮显示设备，包括平板显示器和上述的显示装置，显示装置包括光引擎、平板光波导和光线偏折单元；

光引擎放置于平板光波导的入光侧，光线偏折单元放置于平板光波导的出光侧；

光引擎产生显示图像源,并将显示图像源的出射光线入射到平板光波导内；

平板光波导将光线经全反射传输形成扩束光线并输出至光线偏折单元；

光线偏折单元将平板光波导输出的扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮的第一显示图像；

平板显示器产生第二显示图像，第二显示图像与第一显示图像位于不同的平面。

根据第四方面，一种实施例中提供另外一种多层悬浮显示设备，包括多组上述的显示装置；

各个显示装置包括光引擎、平板光波导和光线偏折单元；

光引擎放置于平板光波导的入光侧，光线偏折单元放置于平板光波导的出光侧；

光引擎产生显示图像源,并将显示图像源的出射光线入射到平板光波导内；

平板光波导将光线经全反射传输形成扩束光线并输出至光线偏折单元；

光线偏折单元将平板光波导输出的扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮图像，多组悬浮图像位于不同的平面。

依据上述实施例的显示装置，由于采用光引擎输出图像源的光线在平板光波导内多次全反射传播，对光线进行了扩束，再结合光线偏折单元将扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮图像，实现了悬浮图像的显示，相对于现有的采用多个图像阵列搭配透镜在空间中形成悬浮图像显示的方法，不需要超高显示分辨率的显示模组，减小了显示装置的体积，结构更简单，方式更加灵活，可以实现全彩色，高分辨率的悬浮显示。

附图说明

图1为集成成像显示原理图；

图2为悬浮显示原理图；

图3为本发明悬浮显示装置示意图；

图4为光引擎结构示意图；

图5为实施例一的显示装置结构示意图；

图6为实施例一中另一光引擎结构示意图；

图7为实施例一的平板光波导结构示意图；

图8为实施例一的平板光波导俯视图；

图9为光线偏折方向示意图；

图10为实施例二的显示装置结构示意图；

图11为实施例二的平板光波导结构示意图；

图12为实施例三的平板光波导结构示意图；

图13为实施例四中显示装置平凸透镜成像高度计算示意图；

图14为悬浮显示模组的成像原理如图；

图15为实施例四中平凸透镜成像分析示意图；

图16为实施例四中平凸透镜成像关系式曲线图；

图17为实施例五中凹面镜成像示意图；

图18为实施例六中导光平板结构侧视图；

图19为实施例六中导光平板结构俯视图；

图20为实施例六中导光棒结构示意图；

图21为实施例六中导光平板成像高度计算示意图；

图22为实施例七为导光平板应用于显示装置的汇聚成像示意图；

图23为实施例八为导光平板应用于显示装置的发散成像示意图；

图24为实施例九的多层悬浮显示设备结构示意图；

图25为实施例九的多层悬浮显示设备多层图像显示示意图；

图26为实施例十的多层悬浮显示设备结构示意图；

图27为实施例十一的多层悬浮显示设备结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

现有采用微图像阵列实现悬浮显示的技术中，每个单元图像提供了一个视角方向的悬浮图像的灰度和颜色信息，实际上悬浮显示图像的灰度和颜色信息只需要一个微图像单元提供即可，不同视角方向的灰度和颜色信息因为是相同，所以本发明采用平板光波导和光线偏折单元组合的方式将微图像单元的灰度和颜色信息拓展提供给不同视角方向，实现悬浮显示。

本发明提供的显示装置的原理图如图3所示，包括光引擎1、平板光波导2和光线偏折单元3，光引擎1放置于平板光波导2的入光侧，光线偏折单元3放置于平板光波导2的出光侧，具体的，平板光波导2的入光侧设有第一光栅21，平板光波导2的出光侧设有第二光栅22；光引擎1产生显示图像源,并将显示图像源的出射光线准直成平行光线后入射到平板光波导2的第一光栅21上，光线经过平板光皮导2全反射传输，经过第二光栅22出射至光线偏折单元3，因为光波导的作用，平板光波导2的第二光栅22出射的光瞳较第一光栅21入射的光瞳得到了很大的扩展，光线偏折单元3将平板光波导2输出的扩束光线在空间中汇聚为悬浮的实像点，并且该实像点出射光线具有较大的张角，能够同时被左右人眼接收，根据双目视差立体成像原理，人眼可以观察到空间悬浮的点，即实现了悬浮显示。

实施例一：

本例的显示装置的具体结构图如图4和图5所示，其中，光引擎1包括显示芯片11和准直光学单元12，准直光学单元12位于平板光波导2的入光侧，显示芯片11可以为OLED微显示器，位于准直光学单元12的焦平面上，显示芯片11产生显示图像源，如，显示芯片11按照时间顺序分别显示红、绿、蓝分量颜色的图像，并将红、绿、蓝分量颜色的图像形成彩色的显示图像源，准直光学单元12将显示图像源中不同像素点发出的光线准直成不同角度的平行光线，准直光学单元12可以是凹面镜也可以是透镜，具体的，显示芯片11上的像素点出射的光线经过准直光学单元12准直为一定角度的平行光，入射至平板光波导2。

在其他实施例中，光引擎1如图6所示，具体包括显示芯片11，凹面镜12，LED光源13，偏振分束棱镜(PBS)14,1/4波片15，凹面镜12为准直光学单元。具体的，显示芯片11为LCD微显示器，用于产生图像，LED光源13发出的光照射到LCD上，经过LCD调制为p态偏振光，LCD放置于凹面镜12的焦平面处，通过LCD某一像素的光线照射通过偏振分束棱镜14，通过凹面镜12反射的光为平行光，被凹面镜12反射回的光线两次通过1/4波片15，偏振态由p态转变为s态偏振光，再次经过偏振分束棱镜14，偏振分束棱镜14将光线传输角度改变90度射出。凹面镜12为一维柱面结构，只将LCD显示器列方向不同位置的像素发出的光转换为不同角度的平行光。

平板光波导2为楔形体，平板光波导2包括相对设置的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面之间存在第一夹角；第二表面布设有多个线性棱镜，每个线性棱镜包括第一琢面和第二琢面；第一表面和第一琢面平行且均为全内反射表面，第二琢面与所述第一表面之间存在第二夹角；显示图像源出射的光线通过第一琢面在平板光波导内反射传播，经第二琢面反射后改变光线的传播方向，并通过第一表面出射。

本例以平板光波导2为两个进行说明平板光波导2对光束的传播方式，平板光波导2包括第一平板光波导21和第二平板光波导22，第一平板光波导21和第二平板光波导22均为相同倾斜角度的楔形体，在其他实施例中，第一平板光波导21和第二平板光波导22的倾斜角度也可以不同，它们置于同一平面内，第一平板光波导21和第二平板光波导22之间的距离为d，如图7和图8所示，第一平板光波导21和第二平板光波导22均包括第一表面(211、221)、第二表面(212、222)和入射表面(213、223)，本例的第一平板光波导21和第二平板光波导22的结构相同；具体的，第一表面(211、221)和第二表面(212、222)之间的夹角θ1为20度，第二表面(212、222)布设有多个线性棱镜，且第一平板波导21的第二表面212和第二平板波导21的第二表面222上的线性棱境结构和尺寸也相同，在其他实施例中，也可以不相同，线性棱镜的周期为p，为40um,每个线性棱镜包括第一琢面(214、224)和第二琢面(215、225)，其中，第一表面(211、221)和第一琢面(214、224)平行且均为全内反射表面，第一琢面(214、224)与第二表面(212、222)的夹角为也为θ1，即是20度，第二琢面(215、225)与第二表面(212、222)之间存在第二夹角θ2，为25度，第二琢面(215、225)与第一表面(211、221)之间存在第三夹角θ3，且θ3是θ1与θ2之和，即θ3为45度；本例的第二表面(212、222)上蒸镀有金属AI作为反射层。

显示图像源中的一个显示像素o通过准直透镜12准直为在x-y平面传播，与y轴夹角为φ的一束光线，如图9中的图9(a)所示。该光线通过第一平板光波导21的入射表面213射入平板光波导2中，在第一平板光波导21的第一表面211和第二表面212的第一琢面214之间传播满足全反射条件，不断的反射传播，当该光线照射到第二琢面215上时，光线的传播方向改变90度，转向为垂直于第一平板光波导21的第一表面211照射，因为经过第二琢面215偏折后的光线不满足全反射条件，所以偏折后的光线通过第一光波导的第一表面211出射，光线沿x-y平面传播，与x轴的夹角为φ，如图9中的图9(b)所示，此时，该光线变成了带状光束，沿x轴方向传播，之后该带状光束通过第二平板光波导22的入射表面223射入第二平板光波导22中，为了减少光损失，第二平板光波导22的设计为扇形结构，第二平板光波导22与第一平板光波导21之间的间距d设置为1um，当该光线照射到第二平板光波导22的第二表面222的第二琢面225上时，光束的传播方向改为90度，转向为垂直于第二平板光波导22的第一表面221照射，因为经过第二平板光波导22的第二琢面225偏折后的光线不满足全反射条件，所以该光速通过第二平板光波导22的第一表面221出射，光束沿y-z平面传播，角度为φ，如图9中的图9c)所示。此时，入射光束被转化成为面光束，面光束经过光线偏折单元3汇聚为空间中的一个点，开成悬浮图像。

同理显示芯片11上的其余像素点都可以经过第一平板光波导21和第二平板光波导22转化为不同角度出射的平面光波，经过光线偏折单元3汇聚成成像高度为h的实像点，从而形成人眼可直接观察的悬浮显示图像。通过采用场序显示的方式，显示刷新频率为180HZ，显示芯片11在很短的时间内分别显示R,B,G分量的图像，通过人眼混色即可形成彩色悬浮显示图像。

本例通过光引擎1、平板光波导2和光线偏折单元3组合的方式实现了动态悬浮显示，较现有采用微图像阵列的方式，不需要超高显示分辨率的模组，结构简单、容易实现、成本低。

实施例二：

基于实施例一，本例提供另外一种显示装置，显示装置包括光引擎1、平板光波导2和光线偏折单元3，本例的光引擎1和光线偏折单元3分别与实施实例一中的光引擎1和光线偏折单元3相同，请具体参考实施例一，本例不作赘述，与实施例一不同的是，本例的平板光波导2包括相对设置的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面平行设置，其中，第一表面和第二表面中至少有一个表面具有纳米衍射光栅结构或棱镜微结构，纳米衍射光栅结构或棱镜微结构改变平板光波导2内的平行光线传播方向。

以在第一表面上设置纳米光栅结构为例进行说明，如图10，图11所示，纳米衍射光栅结构包括第一光栅区域201、第二光栅区域202和第三光栅区域203，第一光栅区域201将显示图像源中一像素点出射的光线从光引擎1耦合输入至平板光波导2内，并使光线沿着第一方向传输至第二光栅区域202；第二光栅区域202将平行光线的传输方向由第一方向改变为第二方向，第一方向与第二方向垂直，并将光线传输至第三光栅区域203；第三光栅区域203将光线从平板光波导2耦合输出至光线偏折单元3,光线偏折单元3将光线在空间中汇聚或发散形成悬浮图像。

具体的，显示芯片11上的一个像素点出射的光线经过准直透镜12准直为与z轴夹角为10度的平行光，入射至平板光波导2。

本例的平板光波导中的第一光栅区域201、第二光栅区域202和第三光栅区域203的光栅结构和面积均不相同，且第三光栅区域203面积大于第一光栅区域面积201。

如图11所示，光引擎1将显示图像源中一像素点的出射光线准直后入射到平板光波导2的第一光栅区域201上，该光线的0级光透过第一光栅区域201沿z方向射出，1级光偏折一定角度导入平板光波导200，偏折后的光束沿x轴方向传播，与平板光波导2的表面夹角为30度，满足全反射条件。第一光栅区域201、第二光栅区域202和第三光栅区域203的光栅周期d和不同衍射级光线的出光角度，由光栅方程d(sinα±sinβ)＝mλ(m＝±1,±2…)求得，m为衍射级数。

光束在平板光波导2中全反射传播至第二光栅区域202，第二光栅区域202的光栅结构与第一光栅区域201的不同，入射到第二光栅区域202的光线的0级光经过纳米光栅不改变传播方向，继续沿着x轴传播，1级光的传播方向改变90度，沿y轴方向传播，如此点光束210被平板光波导2的第二光栅区域202扩展成为线光束220。之后光束220通过第三光栅区域203，光束220的0级光遇到纳米光栅不改变传播方向，沿y方向继续传播，1级衍射光的传播方向改变90度，沿z轴方向射向平板光波导2的第二表面，如此线光束220通过平板光波导200的第三光栅区域203扩展成为面光束230。面光束230的传播方向为沿z轴10度方向，此时不满足全反射条件，面光束230通过平板光波导200的第二表面出射至光线偏折单元3，面光束230经过光线偏折单元3汇聚为空间中的一个点，成像高度距离平面光波导为h，该实像点发出的光线具有40度的张角范围，人的双目可以直接观察该实像点，形成双目视差，从而感知图像深度。同理显示图像源上的其余像素点也可以通过该系统成像于空中相同高度的平面，通过改变光引擎1中显示芯片的内容，即可实现动态悬浮显示。

实施例三：

基于实施例一和实施例二，本例的显示装置包括光引擎1、平板光波导2和光线偏折单元3，本例的光引擎1和光线偏折单元3分别与实施实例一中的光引擎1和光线偏折单元3相同，请具体参考实施例一，本例不作赘述，与实施例一和实施例二不同的是，如图12所示，本例的平板光波导2包括相对设置的第一表面2001、第二表面2002和入射表面2003，第一表面2001和第二表面2002平行设置，第一表面2001和第二表面2002的相对面分别设有全反射表面，第一表面2001和第二表面2002之间设有多个改变部分光线传播方向的部分反射面2004，部分反射面2004的反射率沿着光线在平板光波导2内的传播方向依次递减，透射率沿着光线在平板光波导2内的传播方向依次递增，多个部分反射面2004具有相同的倾斜角度。

光引擎1射出的光线通过平板光波导2的入射表面2003射入平板光波导200内，通过平板光波导2的第一表面2001和第二表面2002的全反射表面进行全反射传输，当光线遇到部分反射面2004时，一部分光线被反射，不满足全反射条件，射出平板光波导2，另外一部分光线透过部分反射面2004在平板光波导2内继续传播。由于多个部分反射面2004具有相同的倾斜角度，因此光线入射到平板光波导2内，从平板光波导2射出的光线也是平行光线，从平板光波导2射出的光线经过光线偏折单元3在空间中汇聚成悬浮的像点，不同角度入射的平行光通过平板光波导2后出射角度也不相同，经过光线偏折单元3在空间中形成不同位置的悬浮像点。

实施例四：

基于实施例一、实施例二和实施例三，本例的显示装置中的光线偏折单元3优选为成像镜，成像镜具体为成像透镜，成像透镜的成像高度计算如图13所示，当平行光垂直射入成像透镜时，光线汇聚于焦点f,即为成像高度，根据透镜制造者公式，当透镜的折射率n为1.5时，f＝2*R,R为透镜的曲率半径，R≥D/2，D为透镜的有效孔径，所以透镜的成像高度最小值为h＝f＝D。

当成像高度距离平板光波导2为h，该实像点发出的光线具有50度的张角范围，人的双目可以直接观察该实像点，形成双目视差，从而感知图像深度。

现有的悬浮显示模组的成像原理如图14所示，悬浮显示模组的视场角FOV的角度为2θ，2θ≥20°，视场角过小，则人眼能观看悬浮显示的范围过小，难以产品化应用。

作为本发明的一种优选方案，成像透镜为平凸透镜，如，可以是菲涅尔透镜，本例的平凸透镜满足的参数是：相对孔径大于0.5；平凸透镜通光孔径最边缘处的光线分析具体的如图15所示，虚线入射光线与平凸透镜表面的法线夹角为α-β，通过平凸透镜折射后射出，射出光线与平凸透镜表面的法线夹角为α+θ，θ为FOV的半角，θ≥10°，平凸透镜的折射率为n，满足关系式sin(α|θ)＝n*sin(α β)，其中

β为平板光波导2出射光线的发散角，即光引擎1出射光的发散角，光源经过的准直后的发散角通常大于等于5度，图16为关系式曲线图，虚线为sin(α+θ)的函数关系图，实线为n*sin(α-β)的函数关系图，两组曲线的交点为角度α的值。

通过曲线图可知，当θ＝10°，β＝5°时α为最小值，此时α≈30°。

D为平凸透镜的有效孔径，R为平凸透镜的曲率半径，sinα在0-π/2区间单调递增，所以

f＝2*R,f为平凸透镜焦距，因此

故平凸透镜的相对孔径大于0.5。

通过本例设计的平凸透镜即可实现将光引擎1出射的光线经平板光波导2传输射出后在空间中汇聚成悬浮的像点。

在其他实施例中，成像透镜可以是全息透镜，优选的，平凸透镜或全息透镜可以是可变焦液晶透镜，通过改变透镜的焦距可以改变显示图像的成像高度。

实施例五：

基于实施例四，本例的成像镜选择凹面镜，如图17所示，光引擎1出射的光经过平板光波导2全反射并在纳米衍射光栅处光线改变传播方向射出平板光波导2，不同角度的平行光经过凹面镜汇聚，穿过平板光波导2在空间中形成悬浮的像，该实施方式中，平板光波导2为玻璃，PMMA等透明材质。

实施例六：

基于实施例四和实施例五，本例提供一种导光平板，该导光平板比成像镜具有更宽的成像高度范围和更大的可视角度FOV，如图18和图19所示，导光平板由若干个棒状的导光棒4和若干个棒状包层5沿水平方向交替密接排列形成，其中，导光棒4为棱台结构，导光棒4的折射率为n1，棒状包层5的折射率为n2，n1＞n2＞1，导光棒4用来全反射传输光线，棒状包层5用以形成导光棒4的全反射条件。

具体的，导光棒4为可见光波段透明材质，如玻璃，PMMA等，导光棒4的折射率n1的取值范围是1.4-2.0,棒状包层5的折射率n2的取值范围为1.2-1.5。

导光平板具有相对平行设置的第一表面6和第二表面7，第一表面6为入光面，第二表面7为出光面，导光棒4的轴向与水平方向构成一平面，第一表面6和第二表面7与平面平行，且，第一表面6与第二表面7的面积大小为不相同。

若干个导光棒4倾斜排列，且若干个导光棒4的倾斜角度按照与导光平板中心由近到远逐渐增大。导光平板的成像高度计算如图20所示，导光棒4侧壁与导光棒4两端表面的夹角和导光棒4的倾斜角度相同，均为α，入射光线以角度为γ从空气射入导光棒4后，光线与法线的夹角为β，

光线在导光棒4内全反射传播，导光棒4内出射端光线与法线的夹角为θ，满足：θ＝2*α-β，从导光棒4射出的光线与法线的夹角为θ1，θ1＝sin^-1(n*sinθ)。

如图21所示，当平行光垂直射入导光平板时，β＝0,θ≤90°，成像高度

所以h≥0，所以导光平板较成像镜具有更宽的成像高度范围和更大的可视角度FOV。

导光平板在一个方向改变光线的传播方向，形成一维方向的汇聚效果，可以将两组导光平板正交叠加使用，分别对正交的两个方向的光线单独调制，形成类似于透镜的汇聚效果。

实施例七：

基于实施例一、实施例二、实施例三和实施例六，本例提供另外一种显示装置，本例的显示装置中的光线偏折单元3为实施例六中的导光平板。

本例的导光平板的导光棒宽度小于20um，导光平板通过水胶紧密贴合在平板光波导2上，平板光波导2与导光棒的折射率都为1.5，平板光波导2出射的光线通过导光平板的第二表面7射入导光平板，导光平板中每个导光棒4中入射端的光束的角度范围是从-30度到30度，-30度和30度的光线记录了显示芯片11边缘像素的亮度信息，0度光线记录了显示芯片11中心像素的信息。

如图22所示，0度入射的光线通过最左侧的导光棒4，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ-2*15-0-30度，光线射入空气中，角度变为θ1，θ1＝sin^-1(1.5*sin30)＝48.6度。同样的，0度入射的光线通过最右侧的导光棒4，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ＝2*(-15)-0＝-30度，光线射入空气中，角度变为θ1，θ1＝sin^-1(1.5*sin(-30))＝-48.6度。0度入射的光线通过导光平板中心的导光棒4，角度不发生变化，出射光线角度仍然是0度。0度平行光通过导光平板后汇聚在一点，形成悬浮像点B。

悬浮像点的高度是h＝tanθ1*100/2＝56.7mm。30度入射的光线通过最左侧的光纤，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ＝2*15-30＝0度，射入空气中的角度也为0度。30度入射的光线通过导光平板中心的导光棒4，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ＝2*0-30＝-30度，入空气中的角度为θ1，θ1＝sin^-1(1.5*sin(30))＝48.6度，30度入射的光线通过最右侧的导光棒4，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ＝2*(-15)-30＝-60度，在导光棒4内全反射，光线不能射出，30度平行光通过导光平板后汇聚在一点，形成悬浮像点A。

-30度入射的光线通过最左侧的导光棒4，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ＝2*15|30＝60度，在导光棒4内全反射，光线不能射出。-30度入射的光线通过导光平板中心的导光棒4，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ＝2*0+30＝30度，入空气中的角度为θ1，θ1＝sin^-1(1.5*sin(30))＝48.6度，-30度入射的光线通过最右侧的导光棒4，在导光棒4内的出射端光线角度为θ，θ＝2*(-15)+30＝0度，射入空气中的角度也为0度，-30度平行光通过导光平板后汇聚在一点，形成悬浮像点C。且，悬浮像点A,B,C在同一平面。

同理，从平板光波导2射出的其他不同角度的平行光经过导光平板汇聚在空间中形成各自的悬浮像点，所有悬浮像点组成悬浮图像。悬浮像点为实像点，位于导光平板的正面上方，发出的光线具有-48.6度到48.6度的张角范围，人的双目可以直接观察该实像点，形成双目视差，从而感知图像深度。通过改变光引擎1的内容，即可实现动态悬浮显示。

实施例八：

基于实施例七，本例的显示装置与实施例七的显示装置不同之处在于，如图23所示，本例的导光平板倒置放置，从平板光波导2射出的光线通过导光平板的第一表面6射入导光平板。0度平行光通过导光平板后变成发散光线，其反向延长线相交于B点，形成悬浮的虚像点B，30度平行光通过导光平板后变成发散光线，其反向延长线相交于A点，形成悬浮的虚像点A，-30度平行光通过导光平板后变成发散光线，其反向延长线相交于C点，形成悬浮的虚像点C。悬浮像点A,B,C在同一平面。同理，从平板光波导2射出的其他不同角度的平行光经过导光平板发散在空间中形成各自的悬浮像点，所有悬浮像点组成悬浮图像。悬浮图像为虚像，位于导光平板的背面后部。

实施例九：

基于上述的实施例一至实施例八，本例提供一种多层悬浮显示设备，包括显示装置1和平板显示器2，显示装置1包括光引擎11、平板光波导12和光线偏折单元13，其中，光引擎11放置于平板光波导12的入光侧，光线偏折单元13放置于平板光波导12的出光侧；光引擎11产生显示图像源,并将显示图像源中各像素点的出射光线入射到平板光波导12内；平板光波导12将光线经全反射传输形成扩束光线并输出至光线偏折单元13；光线偏折单元13将平板光波导12输出的扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮的第一显示图像；平板显示器2产生第二显示图像，第二显示图像与第一显示图像位于不同的平面，以实现双层图像显示，本例的光引擎11、平板光波导12和光线偏折单元13的详细描述请参考实施例一至实施例八，本例不作赘述。

光线偏折单元13可以是成像镜，本例的多层悬浮显示设备的结构图如图24所示，平板显示器2放置于平板光波导12下方，平板显示器2、平板光波导12和光线偏折单元紧密贴合在一起。

光线偏折单元13也可以是导光平板。平板显示器2放置于光线仿折单元13之上，此时，平板显示器2为透明显示器。

本例通过平板显示器2和显示装置1的结合使用，光引擎11提供第一图像源1000，平板显示器2提供第二图像2000，人类的大脑能够即刻感受出距离信息，如果关键信息显示的位置离观看者的距离比那些无关紧要的信息距离短的话，那么人们对这些关键信息的理解会快的多。因此，如图25所示，可以将需要强调的图像信息通过悬浮的第一图像表现，使人们迅速抓住关键信息，可以提高人们的工作效率。

实施例十：

基于上述的实施例九，本例提供一种多层悬浮显示设备，本例提供一种多层悬浮显示设备，包括显示装置1和平板显示器2，显示装置1包括光引擎11、平板光波导12和光线偏折单元13，其中，光引擎11放置于平板光波导12的入光侧。

作为一种优选方案，所述平板显示器2为液晶显示器，液晶显示器包括起偏器21，检偏器22和液晶盒23，如图26所示。液晶盒23和平板光波导12放置于液晶显示器的起偏器21和检偏器22之间，平板光波导12放置于液晶盒23的下方。光线偏折单元13放置于液晶显示器的检偏器22的上部。光引擎11产生显示图像源,并将显示图像源中各像素点的出射光线入射到平板光波导12内；平板光波导12将光线经全反射传输形成扩束光线通过液晶盒23，因为在光波导内传输的光线不具有偏振性，所以不受液晶盒23内液晶分子转动的影响，光线穿过液晶盒23经检偏器22输出至光线偏折单元13；光线偏折单元13将平板光波导12输出的扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮的第一显示图像。

悬浮显示设备还包括背光源3，背光源3置于所述液晶显示器的起偏器21的下方。背光源3为液晶显示器提供光源，液晶显示器对背光源进行光调制，产生第二显示图像，第二显示图像与第一显示图像位于不同的平面，以实现双层图像显示。在本实施例中平板光波导12输出的光波不受液晶显示面板的调制，平板光波导12输出的光波具有较高的光学效率。

在其他实施例中，平板光波导12也可以放置于液晶显示器的上方，光线偏折单元13也可以放置于起偏器21和检偏器22之间，平板光波导12和光线偏折单元13的位置具体根据实际需求设置，不作特殊限定。

实施例十一：

基于上述的实施例一至实施例八，本例提供一种多层悬浮显示设备，包括多组显示装置，如图27所示，各个显示装置包括光引擎、平板光波导和光线偏折单元；光引擎、平板光波导和光线偏折单元的详细描述请参考实施例一至实施例八，本例不作赘述。

光引擎放置于平板光波导的入光侧，光线偏折单元放置于平板光波导的出光侧；光引擎产生显示图像源,并将显示图像源中各像素点的出射光线入射到平板光波导内；平板光波导将平行光线经全反射传输形成扩束光线并输出至光线偏折单元；光线偏折单元将平板光波导输出的扩束光线在空间中汇聚或发散形成悬浮图像，不同的光线偏折单元组成多组光线偏折单元组，使得多组显示装置形成的悬浮显示图像位于不同的平面，实现多层悬浮显示。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (15)

1.一种显示装置，其特征在于，包括：光引擎、平板光波导和光线偏折单元；

所述光引擎放置于所述平板光波导的入光侧，所述光线偏折单元放置于所述平板光波导的出光侧；

所述光引擎产生显示图像源,并将所述显示图像源出射的光线入射到所述平板光波导内；

所述平板光波导将所述光线经全反射传输形成扩束光线并输出至所述光线偏折单元；

所述光线偏折单元为成像镜，所述成像镜为相对孔径大于0.5的凹面镜；

所述平板光波导输出的具有不同角度的平行光的扩束光线经过所述凹面镜汇聚并且穿过所述平板光波导在空间中汇聚为悬浮的实像点，形成悬浮实像。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述光引擎包括显示芯片和准直光学单元；

所述显示芯片产生所述显示图像源；

所述准直光学单元为凹面镜或透镜；

所述显示芯片位于所述准直光学单元的焦平面上；

所述准直光学单元将所述显示芯片出射的光线准直成不同角度的平行光线。

3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述显示芯片显示单幅图像或者是多幅相同图像构成的一维图像阵列，所述准直透镜为单个透镜或者是一维透镜阵列。

4.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述显示芯片按照时间顺序分别显示红、绿、蓝分量颜色的图像，并将所述红、绿、蓝分量颜色的图像形成彩色图像。

5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述平板光波导为楔形体；

所述平板光波导包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面之间存在第一夹角；

所述第二表面布设有多个线性棱镜，每个所述线性棱镜包括第一琢面和第二琢面；

所述第一表面和第一琢面平行且均为全内反射表面，所述第二琢面与所述第一表面之间存在第二夹角；

所述显示图像源出射的光线通过第一琢面在平板光波导内反射传播，经第二琢面反射后改变光线的传播方向，并通过第一表面出射。

6.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述平板光波导包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面平行设置；

所述第一表面和第二表面中至少有一个表面具有纳米衍射光栅结构或棱镜微结构，所述纳米衍射光栅结构或棱镜微结构改变所述平板光波导内的光线传播方向，将光线从所述平板光波导耦合输出。

7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述纳米衍射光栅结构包括第一光栅区域、第二光栅区域和第三光栅区域；

所述显示图像源中一像素点出射的光线通过所述第一光栅区域输入至所述平板光波导内，并使所述光线沿着第一方向传输至所述第二光栅区域；

所述第二光栅区域将所述光线的传输方向由第一方向改变为第二方向，所述第一方向与所述第二方向垂直，并将所述光线形成线光束传输至所述第三光栅区域；

所述第三光栅区域将所述线光束扩展为面光束从所述平板光波导耦合输出至所述光线偏折单元。

8.如权利要求7所述的显示装置，其特征在于，所述第三光栅区域面积大于所述第一光栅区域面积。

9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述平板光波导包括相对设置的第一表面、第二表面和入射表面，所述第一表面和第二表面平行设置；

所述第一表面和第二表面为全反射表面，所述第一表面和第二表面之间设有多个改变部分光线传播方向的部分反射面。

10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述部分反射面的反射率沿着光线在所述平板光波导内的传播方向依次递减。

11.一种多层悬浮显示设备，其特征在于，包括平板显示器和权利要求1-10中任一项所述的显示装置,所述显示装置包括：光引擎、平板光波导和光线偏折单元；

所述光引擎放置于所述平板光波导的入光侧，所述光线偏折单元放置于所述平板光波导的出光侧；

所述光引擎产生显示图像源,并将所述显示图像源的出射光线入射到所述平板光波导内；

所述平板光波导将所述光线经全反射传输形成扩束光线并输出至所述光线偏折单元；

所述光线偏折单元将所述平板光波导输出的扩束光线在空间中汇聚为悬浮的实像点，形成悬浮的第一显示图像；

所述平板显示器产生第二显示图像，所述第二显示图像与第一显示图像位于不同的平面。

12.如权利要求11所述的多层悬浮显示设备，其特征在于，

所述平板显示器为液晶显示器，所述液晶显示器包括起偏器，检偏器和液晶盒；液晶盒和平板光波导放置于起偏器和检偏器之间。

13.如权利要求12所述的多层悬浮显示设备，其特征在于，还包括背光源，背光源置于所述检偏器的下方。

14.如权利要求11所述的多层悬浮显示设备，其特征在于，所述平板显示器为透明显示器。

15.一种多层悬浮显示设备，其特征在于，包括多组如权利要求1-10任一项所述的显示装置；

各个所述显示装置包括光引擎、平板光波导和光线偏折单元；

所述光引擎放置于所述平板光波导的入光侧，所述光线偏折单元放置于所述平板光波导的出光侧；

所述光引擎产生显示图像源,并将所述显示图像源的出射光线入射到所述平板光波导内；

所述平板光波导将所述光线经全反射传输形成扩束光线并输出至所述光线偏折单元；

所述光线偏折单元将所述平板光波导输出的扩束光线在空间中汇聚为悬浮的实像，形成悬浮图像，多组所述悬浮图像位于不同的平面。

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