CN110908126A

CN110908126A - 一种显示装置

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Publication number: CN110908126A
Application number: CN201911349833.8A
Authority: CN
Inventors: 丁毅; 魏一振; 张卓鹏
Original assignee: Hangzhou Light Grain Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Light Grain Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: CN110908126B

Abstract

本发明公开了一种显示装置，包括投像装置和第1至第N波导层，第1至第N波导层按照距离投像装置由近到远依次排布，在每一波导层的第一预设区域设置有用于将图像光线耦合入波导层内的耦入部，在每一波导层的第二预设区域设置有用于将波导层内传播的图像光线耦合出波导层外的耦出部；第1波导层的耦入部用于将投像装置投射出的图像光线耦合入第1波导层内，第i波导层的耦入部用于将未耦合入前一波导层的且从前一波导层第一预设区域透射出的图像光线耦合入第i波导层内。本发明显示装置通过设置多个波导层，未被前一波导层耦合入波导层内的图像光线能够被后一波导层再次耦合，能够减少光线泄露，提高光能量利用率，提升显示装置的性能和用户体验。

Description

一种显示装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实显示技术领域，特别是涉及一种显示装置。

背景技术

增强现实(augment reality，AR)显示，是将仿真获得的虚拟图像和现实场景结合而向用户显示，使得用户能同时接收到虚拟图像信息和现实图像信息，从而达到超越现实的感官体验。增强现实显示已广泛应用在娱乐、教育、工业、交通、医疗、旅游等行业领域。

传统的增强现实显示系统采用透射式光学显示方式，为了实现光学透射式的增强现实显示方案，设计了基于鸟浴或者自由曲面元件的传统光学系统，利用折射和反射实现虚拟图像和真实场景的叠加，然而此类由传统光学元件组成的显示系统受制于光学总距离，无法做到足够轻薄，实现增强现实显示系统的眼镜化。另外，受拉格朗日不变量的牵制，传统光学显示系统的出瞳尺寸有限，通常无法适配瞳距处于两端的用户人群。与传统的增强现实显示系统相比，基于波导的增强现实显示方案有效地解决了以上两个问题。一幅单色或者彩色图像被注入波导后，利用光线在波导元件内的全反射传输，有效降低了光学元件的厚度，并且使用波导上一个或者多个光学元件控制图像分步输出，能实现出瞳扩展。

现有技术中，基于波导的增强现实显示方案采用衍射光学器件，比如面浮雕光波导、全息光波导等。主要利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，基于全反射原理实现光线传输，能够做到结构紧凑和器件轻便，是目前最具竞争力的AR显示设备核心光学器件。

然而此类增强现实显示系统，在波导耦入区域存在漏光现象，光能利用率低，主要由以下两个原因造成：一是入射光线在衍射光栅上的0级出射光；二是经衍射耦合入波导的光线，再次入射到耦入区域的光栅时，也会由于衍射而耦出波导。

发明内容

鉴于以上所述，本发明提供一种显示装置，能够减少光线泄露，提高光能量利用率，提升显示装置的性能和用户体验。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种显示装置，包括投像装置和第1至第N波导层，第1至第N波导层按照距离所述投像装置由近到远依次排布，N为大于等于2的正整数，所述投像装置用于投射出图像光线；

在每一所述波导层的第一预设区域设置有用于将图像光线耦合入所述波导层内的耦入部，在每一所述波导层的第二预设区域设置有用于将所述波导层内传播的图像光线耦合出所述波导层外的耦出部；

所述第1波导层的耦入部具体用于将所述投像装置投射出的图像光线耦合入所述第1波导层内，所述第i波导层的耦入部具体用于将未耦合入前一波导层的且从前一波导层第一预设区域透射出的图像光线耦合入所述第i波导层内，i∈[2，N]。

优选的，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域一侧的、将图像光线耦合入波导层内的光学元件。

优选的，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

从所述投像装置或者前一波导层传播来的图像光线在当前波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层内，进入光线依次经过第一光学元件反射、第二光学元件衍射、第一光学元件衍射而形成的衍射光在当前波导层内以全反射形式传播。

从所述投像装置或者前一波导层传播来的图像光线中经过第二光学元件时未进入当前波导层内的光线，在第一光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层内以全反射形式传播。

从所述投像装置或者前一波导层传播来的图像光线在当前波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层内，进入光线经过第一光学元件衍射而衍射光出射至后一波导层，出射光线在后一波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层的第二光学元件未进入后一波导层内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件衍射、第一光学元件衍射而形成的衍射光在后一波导层内以全反射形式传播。

优选的，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件，以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

从所述投像装置或者前一波导层传播来的图像光线在当前波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层内，进入光线依次经过第一光学元件反射、第二光学元件衍射而衍射光经过第一光学元件出射至后一波导层，出射光线在后一波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层的第二光学元件未进入后一波导层内的光线，经过第一光学元件衍射而衍射光进入后一波导层内以全反射形式传播。

从所述投像装置或者前一波导层传播来的图像光线中经过当前波导层的第二光学元件时未进入当前波导层内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件衍射而衍射光经过第一光学元件出射至后一波导层，出射光线在后一波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层的第二光学元件时未进入后一波导层内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件衍射、第一光学元件衍射而形成的衍射光在后一波导层内以全反射形式传播。

从所述投像装置或者前一波导层传播来的图像光线中经过当前波导层的第二光学元件时未进入当前波导层内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件反射、第一光学元件衍射而衍射光出射至后一波导层，出射光线在后一波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层的第二光学元件时未进入后一波导层内的光线，经过第一光学元件衍射而衍射光进入后一波导层内以全反射形式传播。

优选的，每一所述波导层的第一光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件，或者每一所述波导层的第一光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件；或者第1至第N波导层中若干波导层的第一光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件，其它波导层的第一光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件；

每一所述波导层的第二光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件，或者每一所述波导层的第二光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件；或者第1至第N波导层中若干波导层的第二光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件，其它波导层的第二光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件。

优选的，各个所述波导层的第二预设区域沿波导层排列方向的投影相互不重叠，或者各个所述波导层的第二预设区域沿波导层排列方向的投影部分重叠。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种显示装置包括投像装置和第1至第N波导层，投像装置用于投射出图像光线，第1至第N波导层按照距离投像装置由近到远依次排布，在每一波导层的第一预设区域设置有用于将图像光线耦合入波导层内的耦入部，其中，第1波导层的耦入部具体用于将投像装置投射出的图像光线耦合入第1波导层内，第i波导层的耦入部具体用于将未耦合入前一波导层的且从前一波导层第一预设区域透射出的图像光线耦合入第i波导层内。在每一波导层的第二预设区域设置有用于将波导层内传播的图像光线耦合出波导层外的耦出部，由各个波导层耦合出的图像光线进入用户眼睛，实现显示。

本发明显示装置通过设置多个波导层，未被前一波导层耦合入波导层内的图像光线能够被后一波导层再次耦合，与现有技术相比，能够减少光线泄露，提高光能量利用率，提升显示装置的性能和用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有基于波导的显示装置的光路示意图；

图2为本发明第1实施例提供的一种显示装置的示意图；

图3为本发明第1实施例的显示装置包括2个波导层的光路示意图；

图4为本发明第2实施例提供的一种显示装置的示意图；

图5-图14依次为本发明第2实施例的显示装置存在的十种光路示意图；

图15为本发明第2实施例的显示装置中波导层的第一光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件的光路示意图；

图16为本发明第2实施例的显示装置中波导层的第二光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件的光路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为现有基于波导的显示装置的光路示意图，设耦入元件11的衍射效率为30％，在不考虑吸收情况下，入射光线1的能量为100％，光线2为入射光线1的0级出射光，能量为70％，光线3为入射光线1的衍射光，能量为30％；光线4为光线3的衍射光，能量为9％；光线5为由耦入元件11耦合入波导层10内的光线，能量为21％，即有21％能量的光线进入波导层10进行传输，该基于波导的显示装置耦入效率为21％。

本发明实施例提供一种显示装置，包括投像装置和第1至第N波导层，第1至第N波导层按照距离所述投像装置由近到远依次排布，N为大于等于2的正整数，所述投像装置用于投射出图像光线。

所述的波导层是能够引导光线传播的波导结构。第1至第N波导层按照距离投像装置由近到远依次排布，各个波导层的第一预设区域位于各个波导层的相同一端，各个波导层的第二预设区域位于各个波导层的相应位置。

投像装置向波导层投射出图像光线，第1波导层的耦入部将投像装置投射出的图像光线耦合入第1波导层内，第i波导层的耦入部将未耦合入前一波导层的且从前一波导层第一预设区域透射出的图像光线耦合入第i波导层内。在波导层的第二预设区域设置的耦出部将波导层内传播的图像光线耦合出波导层外，由各个波导层耦合出的图像光线进入用户眼睛，实现显示。

本实施例显示装置通过设置多个波导层，未被前一波导层耦合入波导层内的图像光线能够被后一波导层再次耦合，比如图1所示显示装置，透射出波导层的0级出射光线2和耦合入波导层的光线再次经耦入元件衍射而耦出波导层外的光线4，本实施例显示装置能够通过后面波导层将这部分光线再进行耦合，因此可见，本显示装置与现有技术相比，能够减少光线泄露，提高光能量利用率，提升显示装置的性能和用户体验。

下面结合具体实施方式和附图对本显示装置进行详细说明。请参考图2，图2为第1实施例的显示装置的示意图，由图可知，所述显示装置包括投像装置20和第1至第N波导层21，N为大于等于2的正整数。

投像装置20用于投射出图像光线。投像装置可以是投影光机，可以是各种类型的投影光机，都在本发明保护范围内。

第1至第N波导层21按照距离投像装置20由近到远依次排布，在每一波导层21的第一预设区域设置有用于将图像光线耦合入波导层21内的耦入部，请参考图2，耦入部具体可包括设置在波导层21第一预设区域远离投像装置20一侧的光学元件210，光学元件210用于将图像光线耦合入波导层21内，从投像装置20或者前一波导层21传播来的图像光线在当前波导层的光学元件210发生衍射，产生的衍射光耦合入当前波导层21内以全反射形式传播。其中，第1波导层的耦入部用于将投像装置20投射出的图像光线耦合入第1波导层内，第i波导层的耦入部用于将未耦合入前一波导层的且从前一波导层第一预设区域透射出的图像光线耦合入第i波导层内，i∈[2，N]。

请参考图3，图3为本实施例显示装置包括2个波导层的光路示意图，其中以显示装置包括2个波导层即第1波导层31和第2波导层32为例说明。如图所示，在第1波导层31第一预设区域一侧设置有耦入部310，在第2波导层32第一预设区域一侧设置耦入部320，设每一耦入部光学元件的衍射效率为30％。光线1为入射的图像光线，能量为100％，光线2为光线1的0级出射光，能量70％；光线3为光线1的衍射光，能量30％；光线4为光线3的衍射光，能量为9％；光线5为光线3在耦入部310的0级光，能量为21％。光线6为光线2在第2波导层32的耦入部320的衍射光，能量为21％；光线7为光线2在耦入部320的0级光，能量为49％；光线8为光线6在耦入部320的衍射光，能量为6.3％；光线9为光线6在耦入部320的0级光，能量为14.7％；光线10为光线4在耦入部320的衍射光，能量为2.7％；光线11为光线4在耦入部320的0级光，能量为6.3％。由此可知，第1波导层31和第2波导层32综合的耦入效率为38.4％，即有38.4％能量的光线耦合入波导层内进行传输。可以看出与图1所示显示装置相比，本实施例显示装置波导效率提升了83％，大大提升了光能量利用率。

在图2和图3所示的显示装置中以耦入部包括的光学元件设置在波导层21第一预设区域远离投像装置20一侧为例说明，可选的，本显示装置中，还可以将耦入部包括的用于将图像光线耦合入波导层内的光学元件设置在波导层第一预设区域靠近投像装置一侧，也在本发明保护范围内。

本实施例中，每一波导层的耦入部可以采用基于衍射原理的反射式光学元件，或者每一波导层的耦入部可以采用基于衍射原理的透射式光学元件。或者，第1至第N波导层中若干波导层的耦入部为基于衍射原理的反射式光学元件，其它波导层的耦入部为基于衍射原理的透射式光学元件，都在本发明保护范围内。耦入部光学元件可以是光栅，各个波导层耦入部光栅的光栅结构可以相同或者也可以不相同。

请参考图2，在每一波导层的第二预设区域设置有用于将波导层21内传播的图像光线耦合出波导层外的耦出部211，耦合入波导层21内的图像光线在波导层内以全反射形式传播，图像光线在波导层的转折区域内以全反射形式传播，传播到第二预设区域时被耦出部211耦合出，由各个波导层21耦合出的图像光线进入用户眼睛而实现显示。其中耦出部211可以是基于衍射原理的光学元件。本实施例中，具体在每一波导层21第二预设区域远离用户观看一侧设置耦出部211。

优选的，各个波导层21的第二预设区域沿波导层21排列方向的投影相互不重叠，或者各个波导层21的第二预设区域沿波导层排列方向的投影部分重叠，这样设置的目的是避免各个波导层的第二预设区域完全重叠，如果两个波导层的第二预设区域完全重叠会导致后一波导层耦合出的光线，入射到前一波导层第二预设区域的耦出光学元件上而被重新耦合入波导层，从而通过上述设置使光线尽可能地耦合出来，使光线尽可能多地耦合出而进入用户眼睛，提高波导效率，提高光能量利用率。

请参考图4，图4为第2实施例的显示装置的示意图，由图可知，所述显示装置包括投像装置40和第1至第N波导层41，N为大于等于2的正整数。投像装置40用于投射出图像光线。投像装置可以是投影光机，可以是各种类型的投影光机，都在本发明保护范围内。

第1至第N波导层41按照距离投像装置40由近到远依次排布，在每一波导层41的第一预设区域设置有用于将图像光线耦合入波导层41内的耦入部，耦入部具体包括设置在波导层41第一预设区域远离投像装置40一侧的第一光学元件410以及设置在波导层41第一预设区域靠近投像装置40一侧的第二光学元件411。

优选的，所述波导层41的耦入部可以实现：从投像装置40或者前一波导层41传播来的图像光线中经过第二光学元件时未进入当前波导层41内的光线，在第一光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层41内以全反射形式传播。

进一步优选的，所述波导层41的耦入部可以实现：从所述投像装置40或者前一波导层41传播来的图像光线在当前波导层的第二光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层41内，进入光线依次经过第一光学元件反射、第二光学元件衍射、第一光学元件衍射而形成的衍射光在当前波导层41内以全反射形式传播。

进一步优选的，所述波导层41的耦入部可以实现：从所述投像装置40或者前一波导层41传播来的图像光线在当前波导层41的第二光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层41内，进入光线经过第一光学元件衍射而衍射光出射至后一波导层41，出射光线在后一波导层41的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层41内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层41的第二光学元件未进入后一波导层41内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件衍射、第一光学元件衍射而形成的衍射光在后一波导层内以全反射形式传播。

进一步优选的，所述波导层41的耦入部可以实现：从所述投像装置40或者前一波导层41传播来的图像光线在当前波导层41的第二光学元件发生衍射而衍射光进入当前波导层41内，进入光线依次经过第一光学元件反射、第二光学元件衍射而衍射光经过第一光学元件出射至后一波导层41，出射光线在后一波导层41的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层41内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层41的第二光学元件未进入后一波导层41内的光线，经过第一光学元件衍射而衍射光进入后一波导层41内以全反射形式传播。

进一步优选的，所述波导层41的耦入部可以实现：从所述投像装置40或者前一波导层41传播来的图像光线中经过当前波导层41的第二光学元件时未进入当前波导层41内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件衍射而衍射光经过第一光学元件出射至后一波导层41，出射光线在后一波导层41的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层41内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层41的第二光学元件时未进入后一波导层41内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件衍射、第一光学元件衍射而形成的衍射光在后一波导层41内以全反射形式传播。

进一步优选的，所述波导层41的耦入部可以实现：从所述投像装置40或者前一波导层41传播来的图像光线中经过当前波导层41的第二光学元件时未进入当前波导层41内的光线，依次经过第一光学元件衍射、第二光学元件反射、第一光学元件衍射而衍射光出射至后一波导层41，出射光线在后一波导层41的第二光学元件发生衍射而衍射光进入后一波导层41内以全反射形式传播；或/和，出射光线中经过后一波导层41的第二光学元件时未进入后一波导层41内的光线，经过第一光学元件衍射而衍射光进入后一波导层41内以全反射形式传播。

在本实施例显示装置的具体实现方式中，在显示装置的各个波导层中可以同时存在上述各种传播光路中任意一种或者任意几种光路，实现对图像光线的波导传输，从而与现有基于波导的显示装置相比，能够大大提高波导效率，

示例性的，本实施例的显示装置若每一波导层的第二光学元件采用基于衍射原理的透射式光学元件，每一波导层的第一光学元件采用基于衍射原理的反射式光学元件，此种实施方式下，在本显示装置的各个波导层中存在至少十种光路同时传播(不考虑光线传输能量低的情形)。以下结合光路示意图对本实施例显示装置同时存在的十种光路分别一一描述，其中，是以显示装置包括2个波导层即第1波导层51和第2波导层52为例说明的，在第1波导层51第一预设区域远离投像装置一侧设置第一光学元件510，在第2波导层52第一预设区域远离投像装置一侧设置第一光学元件520。

请参考图5，图5为本实施例显示装置的第一种光路示意图，第1波导层51内的光路为：从投像装置或者前一波导层传播来的图像光线在第1波导层51的第二光学元件511发生衍射而衍射光进入第1波导层51内，进入光线依次经过第一光学元件510反射、第二光学元件511衍射、第一光学元件510衍射而形成的衍射光在第1波导层51内以全反射形式传播。第2波导层52内的光路为：图像光线经过第1波导层51的第二光学元件511时未进入第1波导层51内的且从第一光学元件510透射出的光线，在第2波导层52的第二光学元件521发生衍射而衍射光进入第2波导层52内，进入光线依次经过第一光学元件520反射、第二光学元件521衍射、第一光学元件520衍射而形成的衍射光在第2波导层52内以全反射形式传播。

如图5所示，光线1为入射的图像光线，能量100％；光线2为光线1在第1波导层51第二光学元件511的0级光，能量70％；光线4为光线2在第1波导层51第一光学元件510的0级光，能量49％；光线2’为光线1在第1波导层51第二光学元件511的衍射光，能量30％；光线3’为光线2’在第1波导层51第一光学元件510的衍射光，能量9％；光线4’为光线2’在第1波导层51第一光学元件510的0级光，能量21％；光线5’为光线4’在第1波导层51第二光学元件511的衍射光，能量6.3％；光线6’为光线4’在第1波导层51第二光学元件511的0级光，能量14.7％；光线7’为光线5’在第1波导层51第一光学元件510的0级光，能量4.41％；光线8’为光线5’在第1波导层51第一光学元件510的衍射光，能量1.89％，光线6’、8’在第1波导层51内进行全反射传播。

在第2波导层52中，光线22为光线4在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量34.3％；光线24为光线22在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量24.01％；光线22’为光线4在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量14.7％；光线23’为光线22’在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量4.41％；光线24’为光线22’在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量10.29％；光线25’为光线24’在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量3.087％；光线26’为光线24’在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量7.203％；光线27’为光线25’在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量2.1609％；光线28’为光线25’在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.9261％，光线26’、28’在第2波导层52内进行全反射传播。

请参考图6，图6为本实施例显示装置的第二种光路示意图，第1波导层51内的光路与图5所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内的光路为：图像光线经过第1波导层51的第二光学元件511时未进入第1波导层51内的且从第一光学元件510透射出的光线，入射至第2波导层52，这部分光线中经过第二光学元件521时未进入第2波导层52内的光线，在第一光学元件520发生衍射而衍射光进入第2波导层52内以全反射形式传播。

如图6所示，在第2波导层52内，光线23为光线22在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量10.29％；光线25为光线23在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量3.087％；光线26为光线25在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.9261％；光线27为光线25在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量2.1609％；光线28为光线23在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量7.203％；光线29为光线26在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量0.27783％；光线210为光线28在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量2.1609％；光线211为光线26在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量0.64827％；光线212为光线28在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量5.0421％；光线213为光线29在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.083349％；光线214为光线29在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量0.194481％。光线211、212、213在第2波导层52内进行全反射传播。

请参考图7，图7为本实施例显示装置的第三种光路示意图，第1波导层51内的光路与图5所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内光路为：光线32’为光线3在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量2.7％；光线33’为光线32’在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.81％；光线34’为光线32’在第2波导层2第一光学元件520的0级光，能量1.89％。光线34’在第2波导层52内进行全反射传播。

请参考图8，图8为本实施例显示装置的第四种光路示意图，第1波导层51内的光路与图5所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内的光路为：光线32为光线3’在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量6.3％；光线33为光线32在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量1.89％；光线34为光线32在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量4.41％；光线35为光线33在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量0.567％；光线36为光线35在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.1701％；光线37为光线35在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量0.3969％；光线38为光线33在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量1.323％。光线36、38在第2波导层内进行全反射传播。

请参考图9，图9为本实施例显示装置的第五种光路示意图，第1波导层51内的光路与图5所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内的光路为：光线42’为光线7’在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量0.567％。光线42’在第2波导层内进行全反射传播。

请参考图10，图10为本实施例显示装置的第六种光路示意图，第1波导层51内的光路与图5所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内的光路为：光线42为光线7’在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量1.323％；光线43为光线42在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.3969％；光线44为光线32在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量0.9261％。光线43在第2波导层52内进行全反射传播。

请参考图11，图11为本实施例显示装置的第七种光路示意图，第1波导层51内的光路为：从投像装置或者前一波导层传播来的图像光线中经过第1波导层51的第二光学元件511时未进入第1波导层51内的光线，在第一光学元件510发生衍射而衍射光进入第1波导层51内以全反射形式传播。第2波导层52内的光路为：从投像装置或者前一波导层传播来的图像光线在第1波导层51的第二光学元件511发生衍射而衍射光进入第1波导层51内，进入光线经过第一光学元件510衍射而衍射光出射至第2波导层52，出射光线在第2波导层52的第二光学元件521发生衍射而衍射光进入第2波导层52内以全反射形式传播。

如图11所示，第1波导层51内的光路为：光线2为光线1在第1波导层51第二光学元件511的0级光，能量70％；光线3为入射光2在第1波导层51第一光学元件510的衍射光，能量21％；光线4为光线2在第1波导层51第一光学元件510的0级光，能量为49％；光线5为光线3在第1波导层51第二光学元件511的衍射光，能量为6.3％；光线6为光线5在第1波导层51第一光学元件510的衍射光，能量为1.89％；光线7为光线5在第1波导层51第一光学元件510的0级光，能量4.41％；光线8为光线3在第1波导层51第二光学元件511的0级光，能量14.7％；光线9为光线6在第1波导层51第二光学元件511的衍射光，能量为0.567％；光线10为光线8在第1波导层51第一光学元件510的衍射光，能量4.41％；光线11为光线6在第1波导层51第二光学元件511的0级光，能量1.323％；光线12为光线8在第1波导层51第一光学元件510的0级光，能量10.29％；光线13为光线9在第1波导层51第一光学元件510的衍射光，能量0.1701％；光线14为光线9在第1波导层51第一光学元件510的0级光，能量0.3969％。光线11、12、13在第1波导层51内进行全反射传播。

第2波导层52内的光路为：光线52’为光线7在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量1.323％；光线53’为光线52’在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.3969％；光线54’为光线52’在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量0.9261％。光线54’在第2波导层内进行全反射传播。

请参考图12，图12为本实施例显示装置的第八种光路示意图，第1波导层51内的光路与图11所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内的光路为：光线52为光线7在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量3.087％；光线53为光线52在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.9261％；光线54为光线52在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量2.1609％；光线55为光线53在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量0.27783％；光线56为光线55在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.083349％；光线57为光线55在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量0.194481％；光线58为光线53在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量0.64827％。光线56、58在第2波导层内进行全反射传播。

请参考图13，图13为本实施例显示装置的第九种光路示意图，第1波导层51内的光路与图11所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内的光路为：光线62’为光线10在第2波导层52第二光学元件521的衍射光，能量1.323％；光线63’为光线62’在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.3969％；光线64’为光线62’在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量0.9261％。光线64’在第2波导层52内进行全反射传播。

请参考图14，图14为本实施例显示装置的第十种光路示意图，第1波导层51内的光路与图11所示第1波导层51内的光路相同。第2波导层52内的光路为：光线62为光线10在第2波导层52第二光学元件521的0级光，能量3.087％；光线63为光线62在第2波导层52第一光学元件520的衍射光，能量0.9261％；光线64为光线62在第2波导层52第一光学元件520的0级光，能量2.1609％。光线63在第2波导层内进行全反射传播。

由图5～图14可知，本实施例显示装置最后输出光线为6’、8’、26’、28’、211、212、213、34’、36、38、42′、43、11、12、13、54’、56、58、64’和63，最后的输出光线能量总和大致为51％，波导的耦入效率为51％，即有51％能量的光线耦合入波导层内进行传输，与现有基于波导的显示装置相比，波导效率提升了143％，大大提升了光能量利用率。

在上述具体实现方式的显示装置中，每一波导层的第二光学元件采用基于衍射原理的透射式光学元件，每一波导层的第一光学元件采用基于衍射原理的反射式光学元件，可选的，还可以每一波导层的第二光学元件采用基于衍射原理的反射式光学元件，每一波导层的第一光学元件采用基于衍射原理的透射式光学元件，请参考图15和图16，图15为波导层的第一光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件的光路示意图，图16为波导层的第二光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件的光路示意图，在这种实现方式下图像光线通过第一光学元件和第二光学元件耦合入波导层的传播光路根据第一光学元件、第二光学元件的光路相应实现。

本实施例中，请参考图4所示，每一波导层41的第一光学元件410可以为基于衍射原理的反射式光学元件，或者每一波导层41的第一光学元件410为基于衍射原理的透射式光学元件。或者，第1至第N波导层41中若干波导层的第一光学元件410为基于衍射原理的反射式光学元件，其它波导层的第一光学元件410为基于衍射原理的透射式光学元件。

每一波导层41的第二光学元件411可以为基于衍射原理的反射式光学元件，或者每一波导层的第二光学元件411为基于衍射原理的透射式光学元件。或者，第1至第N波导层41中若干波导层的第二光学元件411为基于衍射原理的反射式光学元件，其它波导层的第二光学元件411为基于衍射原理的透射式光学元件。

请参考图4，在每一波导层41的第二预设区域设置有用于将波导层41内传播的图像光线耦合出波导层41外的耦出部412，耦合入波导层41内的图像光线在波导层内以全反射形式传播，图像光线在波导层的转折区域内以全反射形式传播，传播到第二预设区域时被耦出部412耦合出，由各个波导层41耦合出的图像光线进入用户眼睛而实现显示。其中耦出部412可以是基于衍射原理的光学元件。本实施例中，具体在每一波导层41第二预设区域远离用户观看一侧设置耦出部412。

优选的，各个波导层41的第二预设区域沿波导层41排列方向的投影相互不重叠，或者各个波导层41的第二预设区域沿波导层排列方向的投影部分重叠，这样设置的目的是避免各个波导层的第二预设区域完全重叠，如果两个波导层的第二预设区域完全重叠会导致后一波导层耦合出的光线，入射到前一波导层第二预设区域的耦出光学元件上而被重新耦合入波导层，从而通过上述设置使光线尽可能地耦合出来，使光线尽可能多地耦合出而进入用户眼睛，提高波导效率，提高光能量利用率。

以上对本发明所提供的一种显示装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种显示装置，其特征在于，包括投像装置和第1至第N波导层，第1至第N波导层按照距离所述投像装置由近到远依次排布，N为大于等于2的正整数，所述投像装置用于投射出图像光线；

2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域一侧的、将图像光线耦合入波导层内的光学元件。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

4.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

5.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

6.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件，以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

7.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

8.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述耦入部包括设置在波导层第一预设区域远离所述投像装置一侧的第一光学元件以及设置在波导层第一预设区域靠近所述投像装置一侧的第二光学元件；

9.根据权利要求3-8任一项所述的显示装置，其特征在于，每一所述波导层的第一光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件，或者每一所述波导层的第一光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件；或者第1至第N波导层中若干波导层的第一光学元件为基于衍射原理的反射式光学元件，其它波导层的第一光学元件为基于衍射原理的透射式光学元件；

10.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，各个所述波导层的第二预设区域沿波导层排列方向的投影相互不重叠，或者各个所述波导层的第二预设区域沿波导层排列方向的投影部分重叠。