CN113436560B - 成像光学系统及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可增大视场角的成像光学系统及显示装置。成像光学系统包括平板透镜和反射组件。平板透镜包括两组光波导阵列，第一光波导阵列的子波导沿X方向延伸且沿Y方向形成多排，第二光波导阵列的子波导沿Y方向延伸且沿X方向形成多排。反射组件具有至少一对反射面，同对两个反射面分别位于平板透镜的像源侧和观影侧，反射面与平板透镜的夹角小于等于90度，同对两反射面与平板透镜的夹角相等，同对两反射面与平板透镜的交线相平互行。这种成像光学系统可增加视场角，视场角的增大可以容纳更多观众观看，可提高成像品质。

Description

成像光学系统及显示装置

技术领域

本发明涉及光学设备制造领域，具体涉及一种可增大视场角的成像光学系统及显示装置。

背景技术

平板透镜是一种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的与平板切面相对称的空间位置，从而得到一个1：1的浮空实像。但是现有的这种成像结构存在一些弊端，如观影侧可视角较小，观众偏离平板透镜的中心轴一定角度，就无法看到所成实像。这种特性的平板透镜无法适用于展示用途的公共区域，所以开发一种增大平板透镜可视角的方法显得尤为重要。

现有技术中常规的一些增大可视角的方法，有的可能会导致实像变形，有的因结构复杂、成本过高导致难以在公共区域推广，还有的结构让可视角增大幅度有限形同鸡肋。如何利用简单的结构，使平板透镜实现较大幅度的视角增加，是本领域研究的方向之一。

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，本发明提出一种成像光学系统，以简单结构增大平板透镜的可视角。

本发明另一目的在于提出一种具有上述成像光学系统的显示装置。

根据本发明实施例的成像光学系统，包括：平板透镜，所述平板透镜包括两组光波导阵列，每组所述光波导阵列均由单列多排且横截面为矩形的子波导组成，所述两组光波导阵列包括：第一光波导阵列和第二光波导阵列，所述第一光波导阵列的所述子波导沿X方向延伸且沿Y方向形成多排，所述第二光波导阵列的所述子波导沿Y方向延伸且沿X方向形成多排，所述第一光波导阵列和所述第二光波导阵列沿Z方向排布，所述X方向、所述Y方向、所述Z方向两两垂直，所述平板透镜具有中心法线，所述中心法线过所述平板透镜的中心且与所述Z方向平行，所述平板透镜的相对两侧分别为像源侧和观影侧；反射组件，所述反射组件具有至少一对反射面，同对的两个所述反射面分别位于所述像源侧和所述观影侧，所述反射面均为平面且朝向所述中心法线设置，所述反射面与所述平板透镜的夹角小于等于90度，其中，同对的两个所述反射面与所述平板透镜的夹角相等，同对的两个所述反射面与所述平板透镜的交线相互平行。

根据本发明实施例的成像光学系统，通过在平板透镜的像源侧和观影侧分别设置反射面，且反射面成对设置，从而可利用反射面增加视场角，有的方案里反射面甚至能将视场角扩大至180度。这样观众在观影侧观看浮空实像时，由于视场角的增大可以容纳更多观众观看，这使成像光学系统可以应用在展示用途的公共区域，突破了单一平板透镜的使用局限。另外，利用反射面反射光线，可以提高光源边缘光线的利用率，借助反射面使更多光线射向浮空实像，这样有利于增强浮空实像的亮度和清晰度，提高成像品质。

在一些实施例中，所述反射面的一边贴合在所述平板透镜上。

在一些实施例中，所述反射组件具有多对所述反射面，多对所述反射面沿环绕所述中心法线的方向排布。

具体地，多对所述反射面中包括两对位于所述中心法线的相对两侧；位于所述中心法线相对两侧的两对所述反射面中，每个所述反射面与所述平板透镜的夹角相等，每个所述反射面与所述平板透镜的交线相互平行。

在一些实施例中，同对的两个所述反射面相对所述平板透镜对称设置。

在一些实施例中，所述反射组件包括至少两个反射镜，所述反射镜为平面镜，每个所述反射镜的朝向所述中心法线的表面构成所述反射面。

根据本发明实施例的显示装置，包括：根据本发明上述实施例所述的成像光学系统；显示器，所述显示器位于所述像源侧，所述显示器的显示屏朝向所述平板透镜设置。

根据本发明实施例的显示装置，通过在平板透镜的两侧成对设置反射面，从而可利用反射面增加视场角，有的方案里反射面甚至能将视场角扩大至180度。这样观众在观影侧观看浮空实像时，由于视场角的增大可以容纳更多观众观看，这使显示装置可以应用在展示用途的公共区域，突破了显示装置的使用局限。另外，利用反射面反射光线，可以提高光源边缘光线的利用率，借助反射面使更多光线射向浮空实像，这样有利于提高成像品质。

在一些具体实施例中，所述显示屏为直板屏，所述显示屏与所述平板透镜之间的夹角为锐角，所述显示屏的四边分别为近边、远边和两个倾斜边，所述近边和所述远边为所述显示屏的相对两边，所述近边位于所述显示屏临近所述平板透镜的侧边；于所述像源侧，在所述显示屏的对应所述两个倾斜边的两侧分别设有所述反射面，和/或在所述显示屏的对应所述远边的一侧设有所述反射面。

在一些可选实施例中，对应所述倾斜边的所述反射面为第一增视反射面，所述显示屏沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影完全位于所述第一增视反射面内。

具体地，所述第一增视反射面为三角形或者梯形，所述显示屏沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影，与所述第一增视反射面的一边平齐。

进一步地，对应所述远边的所述反射面为第二增视反射面，所述第二增视反射面为矩形。

可选地，所述第一增视反射面为三角形；所述显示屏沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影，与所述第一增视反射面的一边平齐；所述第二增视反射面沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影，与所述第一增视反射面的另一边平齐。

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是本申请一实施例的成像光学系统的结构示意图。

图2是本申请一实施例的平板透镜的结构总图。

图3是图2中K处在侧视方向的局部放大图。

图4是本申请一实施例的平板透镜的分解图。

图5是本申请一实施例的两层正交的光波导阵列沿Z方向的结构示意图。

图6是本申请一实施例的两层正交的光波导阵列的成像示意图。

图7是本申请一实施例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8是图7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9是本申请一实施例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10是本申请实施例1中第一显示装置的结构示意图；

图11是本申请实施例1中第一显示装置的扩大水平视场原理示意图；

图12是本申请实施例2中第二显示装置的结构示意图；

图13是本申请实施例2中第二显示装置的扩大水平视场原理示意图；

图14是本申请实施例3中第三显示装置的结构示意图；

图15是本申请实施例3中第三显示装置的扩大竖直视场原理示意图；

图16是本申请实施例4中第四显示装置的结构示意图；

图17是本申请实施例4中第四显示装置的扩大竖直视场原理示意图；

图18是本申请实施例4中第四显示装置在γ＝90°时的扩大竖直视场原理示意图；

图19是本申请实施例4中第四显示装置在γ＞90°时的扩大竖直视场原理示意图；

图20是本申请实施例5中第五显示装置的结构示意图；

图21是本申请实施例5中第五显示装置的侧视图；

图22是本申请另一实施例显示装置的结构示意图。

附图标记：

1000、显示装置；

1000A、第一显示装置；1000B、第二显示装置；1000C、第三显示装置；1000D、第四显示装置；1000E、第五显示装置；

100、成像光学系统；

1、平板透镜；

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；

5、反射组件；

50、反射镜；51、平面镜；52、棱镜；

5s、反射面；5s-1、第一增视反射面；5s-2、第二增视反射面；5P、；

200、显示器；

210、显示屏；211、近边；212、远边；213、倾斜边；

P1、影像；P2、浮空实像。

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。

下面参考附图描述根据本发明实施例的成像光学系统100。

根据本发明实施例的成像光学系统100，如图1所示，包括：平板透镜1和反射组件5。

平板透镜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通过该平板透镜1，可以在观影侧形成浮空实像P2，浮空实像P2为悬浮在空中的实像。这里如图2-图4所示，平板透镜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板透镜1后，会相应的收敛到观影侧，得到一个与影像P1大小呈1：1的浮空实像P2。

可以理解的是，浮空实像P2的光线发散角可以看成是在观影侧对浮空实像P2的视场角。结合影像P1与浮空实像P2相对平板透镜1对称的特点，影像P1光源射向平板透镜1的光线角度，大体等于浮空实像P2的光线发散角。因此，平板透镜1的面积越大，对浮空实像P2的视场角就越大。

在实际应用中平板透镜1的面积不可能过大，因此常规的平板透镜1的成像就会呈现视场角较小的特点。例如有的平板透镜1的水平视场角约为±30度，当人眼位置偏离视场角范围时，无法看到所成的实像。尤其在公共区域，仅正对平板透镜1的小范围观众能看到清晰的实像，位置略偏观众就很难看到清晰实像。

为解决这一问题，本申请中成像光学系统100设置了反射组件5，利用反射组件5的反射面5s配合平板透镜1成像。

参照图1，反射组件5具有至少一对反射面5s，同对的两个反射面5s分别位于像源侧和观影侧。本申请的附图中将位于像源侧和观影侧且同对的两个反射面5s，标注为5P。

其中，反射面5s为平面，且反射面5s朝向平板透镜1的中心法线L1设置，反射面5s与平板透镜1的夹角α小于等于90度。需要说明的是，平板透镜1具有中心法线L1，中心法线L1是本申请中为描述成像光学系统100的结构而引入的参考线，中心法线L1过平板透镜1的中心，且中心法线L1与平板透镜1的厚度方向相互平行。其中，平板透镜1的中心指的是平板透镜1的形心。

在像源侧设置反射面5s，影像P1光源射向该反射面5s的光线可以反射至平板透镜1。而对应的观影侧设置反射面5s，使从平板透镜1射出的光线可以通过该反射面5s反射至浮空实像P2。这样同对反射面5s的设置，使影像P1光源原来不能射向平板透镜1的光线，可以借助反射面5s射向平板透镜1，影像P1光源射向平板透镜1的光线角度得到增加，从而浮空实像P2的光线发散角也增加。因此设置了反射组件5相比于未设置反射组件5的方案而言，成像光学系统100的视场角可以增加。

这里，反射面5s为平面，可避免浮空实像P2变形。同对的两个反射面5s与平板透镜1的夹角α相等，同对的两个反射面5s与平板透镜1的交线相互平行，这样可使同对的两个反射面5s对光线反射路径相对平板透镜1是对称的，从而进一步避免浮空实像P2变形。需要说明的是，当反射面5s与平板透镜1接触时，反射面5s与平板透镜1的交线即为反射面5s与平板透镜1的接触线。当反射面5s与平板透镜1不接触时，反射面5s与平板透镜1的交线指的是，反射面5s在延伸方向上与平板透镜1的相交线。

反射面5s与平板透镜1的夹角α小于等于90度，有利于将成像光学系统100的尺寸控制在合理范围内。而且可以理解的是，如果反射面5s与平板透镜1的夹角α大于90度，相对于反射面5s与平板透镜1相垂直的方案而言，反射面5s呈张开的状态。张开的反射面5s，会将部分光线朝向远离平板透镜1的方向反射，这部分光线就会成为无效光线。因此为提高光线有效利用率，本申请的方案将反射面5s与平板透镜1的夹角α设置成小于等于90度。

由这里也可以看出，通过控制反射面5s与平板透镜1的夹角α的大小，可以达到调整成像视场角的目的。

根据本发明实施例的成像光学系统100，通过在平板透镜1的像源侧和观影侧分别设置反射面5s，且反射面5s成对设置，从而可利用反射面5s增加视场角，有的方案里反射面5s甚至能将视场角扩大至180度。这样观众在观影侧观看浮空实像P2时，由于视场角的增大可以容纳更多观众观看，这使成像光学系统100可以应用在展示用途的公共区域，突破了单一平板透镜1的使用局限。另外，利用反射面5s反射光线，可以提高光源边缘光线的利用率，借助反射面5s使更多光线射向浮空实像P2，这样有利于增强浮空实像P2的亮度和清晰度，提高成像品质。

为加深对本申请技术方案的理解，下面结合图2-图9描述平板透镜1的基本结构和成像原理。

参阅图2-图4，平板透镜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3-图5，两组光波导阵列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方向也为平板透镜1的厚度方向。需注意，第一光波导阵列11和第二光波导阵列12中，可以由第一光波导阵列11临近像源侧，也可以由第二光波导阵列12临近像源侧，这里不作限制。两层子波导101的长度方向是相垂直的，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，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。

有的实施例中，如图2和图4所示，平板透镜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可以仅设置在平板透镜1的一侧，也可以在平板透镜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2-图4为一实施例中平板透镜1的结构示意图。该平板透镜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。平板透镜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方向为平板透镜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。

可选地，如图5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，平板透镜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，平板透镜1整体呈平板，如图6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7和图8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7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9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中。

因此这种平板透镜1可以使二维或者三维光源直接在空中成实像，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。

在本申请的附图中平板透镜1均为矩形，但是本申请的其他方案中，平板透镜1也可以根据需要调整形状，例如可以为圆形、梯形等，这里不作限制。

在一些实施例中，如图1所示，同对的两个反射面5s相对平板透镜1呈对称关系，因此同对的两个反射面5s形状相同、面积相同，这样可充分利用反射面5s的面积，减少光线的损失。

具体地，同对的两个反射面5s，分别与平板透镜1形成交线，两个交线不仅平行，而且两个交线所形成的平面与平板透镜1相垂直。由此，可避免引起图像的拼接错位。

在一些实施例中，反射面5s的一边贴合在平板透镜1上。可以理解的是，当反射面5s与平板透镜1之间存在空隙时，从某个扩大的视角范围内观察时，人眼和空隙的连线上对应的那部分浮空实像P2会缺失，即该视角范围并不能看到浮空实像P2。而当反射面5s的一边贴合在平板透镜1上，填补了上述空隙，这样可以有效扩大视角范围。

具体地，所有反射面5s中，每个反射面5s的一边贴合在平板透镜1上。这样使所有反射面5s处的空隙都得到填补，这样可以进一步有效扩大视角范围。

在本申请的方案中，反射组件5的反射面5s可以为一对，也可以为两对或者三对，甚至根据平板透镜1和显示器200的需要，设置更多对，这里不作限制。

当反射组件5具有多对反射面5s时，多对反射面5s沿环绕中心法线L1的方向排布，也就是说，在像源侧多个反射面5s围着中心法线L1，在观影侧多个反射面5s也围着中心法线L1。这样排布，平板透镜1的中心正对的区域，可以空出以放置光源影像P1，例如将显示器200的显示屏210正对平板透镜1的中心。

有的实施例中，如图10-图13所示，有两对反射面5s位于中心法线L1的相对两侧。位于中心法线L1相对两侧的两对反射面5s中，每个反射面5s与平板透镜1的夹角α相等，每个反射面5s与平板透镜1的交线相互平行。这样有助于拓宽成像光学系统100在该两对反射面5s所在方向的视场角，而且两对反射面5s可以互补，光线在两对反射面5s之间连续反射，使成像光学系统100在这个方向上的视场角几乎能扩大至180度。

这样的成像光学系统100，当将两对反射面5s置于平板透镜1的水平两侧，可以扩大成像光学系统100的水平视场角，在公共区域使用时可以容纳更多观众同时观看。

有的实施例中，如图14-图19所示，成像光学系统100包括一对反射面5s，该反射面5s位于平板透镜1的一侧。这样利用反射面5s的反射，可以扩大观众在平板透镜1的另一侧的视场角。

还有的实施例中，如图20所示，成像光学系统100包括三对反射面5s，三对反射面5s位于平板透镜1的三侧。

甚至成像光学系统100包括四对反射面5s，四对反射面5s位于平板透镜1的四侧。甚至当平板透镜1为多边形(边数至少五个)，成像光学系统100可以包括更多对反射面5s。

在本申请的方案中，如图10-图11所示，反射组件5包括反射镜50，反射镜50表面设有反射面5s。反射镜50的形状可根据需要设置，有的方案里反射镜50为平面镜51，如图11所示，有的方案里反射镜50为其他形状，例如在图22中反射镜50为棱镜52，反射镜50的其中两个棱面构成反射面5s。

在图10-图21所示的实施例中，反射组件5包括至少两个反射镜50，每个反射镜50均为平面镜51，每个反射镜50的朝向中心法线L1的表面构成反射面5s。以平面镜51构建反射面5s，不仅结构简单，而且平面镜51的形状基本与反射面5s的形状一致，而平面镜51的厚度可以较薄，有利于减轻重量。

综上，根据本发明实施例的成像光学系统100，通过设置成对的反射面5s，最直接的效果就是使浮空实像P2在至少一个方向上的视场角扩大，有的方案里甚至能扩大至180°。

反射面5s的设置，能够充分利用光线，将原本照不到平板透镜1的光线，经反射后照射至平板透镜1上，使其能够经过平板透镜1汇聚成像，提高光线的利用率，增大浮空实像P2的亮度。

本申请这种利用反射面5s的方案，要设置反射面5s非常简单。而且通过优化反射面5s的尺寸、形状以及与平板透镜1的夹角α，可以充分缩小成像光学系统100的体积。反射面5s的设置成本较低，可以规模化生产。

下面参考附图描述根据本发明实施例的显示装置1000的结构。

根据本发明实施例的显示装置1000，如图22所示，包括：根据本发明上述实施例的成像光学系统100和显示器200(如图22中所示)，成像光学系统100可采用上述实施例所述的成像光学系统100的结构，这里部分重复内容不再赘述。显示器200位于像源侧，显示器200的显示屏210朝向平板透镜1设置。这样当显示屏210上成像后，显示屏210发出的光线通过平板透镜1，可以在观影侧呈现与影像P1大小呈1：1的浮空实像P2。

需要说明的是，本申请从图10-图21展示了多个实施例中显示装置1000的结构示意图、原理示意图。在部分实施例的原理示意图中，由于光线与显示屏210的影像P1、浮空实像P2有重叠，因此该示意图中仅截取了部分影像P1及对应的部分浮空实像P2，如图11和图13所示。

通过在平板透镜1的两侧成对设置反射面5s，从而可利用反射面5s增加视场角，有的方案里反射面5s甚至能将视场角扩大至180度。这样观众在观影侧观看浮空实像P2时，由于视场角的增大可以容纳更多观众观看，这使显示装置1000可以应用在展示用途的公共区域，突破了显示装置1000的使用局限。另外，利用反射面5s反射光线，可以提高光源边缘光线的利用率，借助反射面5s使更多光线射向浮空实像P2，这样有利于提高成像品质。

在一些具体实施例中，显示屏210为直板屏，显示屏210与平板透镜1之间的夹角λ为锐角。可以理解的是，当光线沿平板透镜1的厚度方向射入时，光线容易直穿平板透镜1，发生全反射的光线数量大幅度减少。而将显示屏210与平板透镜1之间形成夹角λ，有利于显示屏210发出的大部分光线射向平板透镜1时，光线与子波导101宽度方向两侧的反射部(如利用反射膜形成的反射部)呈一定夹角，这样大部分光线可以通过全反射射向观影侧，提高光线利用率。

具体地，显示屏210的四边分别为近边211、远边212和两个倾斜边213，近边211和远边212为显示屏210的相对两边，近边211位于显示屏210临近平板透镜1的侧边。

此时，显示屏210的一侧或者两侧或者三侧，可以设置反射面5s。具体于像源侧，对应显示屏210的两个倾斜边213可以分别设置反射面5s，或在显示屏210的对应远边212的一侧设有反射面5s，或者在显示屏210的对应两个倾斜边213的两侧、对应远边212的一侧均设有反射面5s。这样利用反射面5s，可以增加显示屏210在一个方向或者两个方向上的视场角。

正如上文中成像光学系统100的实施例里，反射面5s可以有多种设置形式，同样在显示装置1000中反射面5s也可以有多种设置形式。

例如在一些可选实施例中，如图10-图13所示，对应倾斜边213的反射面5s为第一增视反射面5s-1，当显示装置1000具有第一增视反射面5s-1时，第一增视反射面5s-1通常设置有两个，两个第一增视反射面5s-1分别对应平板透镜1的倾斜边213设置。这样，两个第一增视反射面5s-1与平板透镜1可以互不干涉，而且相互配合，增加在两个第一增视反射面5s-1所在方向的视场角。

具体地，显示屏210沿平行于平板透镜1的方向形成的投影，完全位于第一增视反射面5s-1内。需要说明的是，本文中引入数学术语“投影”，目的在于更清楚地描述反射面5s的形状。这里，“显示屏210沿平行于平板透镜1的方向形成的投影”指的是，令平行于平板透镜1的投射线，在通过显示屏210向第一增视反射面5s-1投射时，在第一增视反射面5s-1上得到的图形。下文提及的投影也均以此定义获得相应的图形。

通过将显示屏210沿平行于平板透镜1的方向形成的投影完全位于第一增视反射面5s-1内，当显示屏210的光源发散角接近180度时，在两个第一增视反射面5s-1所在方向的180度范围内的光线大部分都能射向平板透镜1和两个第一增视反射面5s-1，这样使观影侧浮空实像P2的光线可以以180度角的范围发散，使在两个第一增视反射面5s-1所在方向的视场角大体为180度。由此，可以减少光线的浪费，提高浮空实像P2的亮度。

具体地，第一增视反射面5s-1为三角形或者梯形，显示屏210沿平行于平板透镜1的方向形成的投影，与第一增视反射面5s-1的一边平齐。可选地，当第一增视反射面5s-1为梯形时，可选用直角梯形。

可以理解的是，显示屏210的光源发散角很难超过180度，因此第一增视反射面5s-1在超出显示屏210的部分，基本上没有光线射在上面。

而且即使显示屏210发散角超过了180度，超180度的光线由反射面5s反射时，部分朝向远离平板透镜1的方向反射，部分会被显示屏210的背面挡住，这部分光线实际上也是无效的，第一增视反射面5s-1超出显示屏210的部分仍是浪费的。

因此将显示屏210沿平行于平板透镜1的方向形成的投影，与第一增视反射面5s-1的一边平齐，可减少第一增视反射面5s-1的无用面积。

在一些可选实施例中，如图14-图19所示，对应远边212的反射面5s为第二增视反射面5s-2。当显示装置1000具有第二增视反射面5s-2时，第二增视反射面5s-2通常设置有一个，且对应平板透镜1的远边212设置。由于显示屏210的近边211与平板透镜1的距离较近，能设反射面5s的空间有限，因此第二增视反射面5s-2只适合对应显示屏210的远边212设置。

当设有第二增视反射面5s-2时，第二增视反射面5s-2为矩形。由于第二增视反射面5s-2基本上与显示屏210是相对的，在没有其他物体遮挡，且显示屏210的光源发散角接近180度时，第二增视反射面5s-2整个面积都能有效反射光线。此时将第二增视反射面5s-2设置成矩形，可减少光线遗漏，而且矩形的第二增视反射面5s-2，不仅加工容易，而且安装固定也非常方便。

在一些可选实施例中，如图20-图21所示，显示屏210的两个倾斜边213分别对应设有第一增视反射面5s-1，显示屏210的远边212对应设有第二增视反射面5s-2。第一增视反射面5s-1为三角形，显示屏210沿平行于平板透镜1的方向形成的投影，与第一增视反射面5s-1的一边平齐。第二增视反射面5s-2沿平行于平板透镜1的方向形成的投影，与第一增视反射面5s-1的另一边平齐。这样两个第一增视反射面5s-1和一个第二增视反射面5s-2可以围在倾斜的显示屏210的三侧，从而尽可能地将光线反射至平板透镜1，不仅增加两个方向上的视场角，可以最大限度地提高光线的利用率，提高浮空实像P2的亮度。

下面结合具体实施例所示附图，描述当显示屏210为直板屏时，反射面5s可能的设置形式。

实施例1：

图10-图11显示的是实施例1中的显示装置1000的结构简图和扩大水平视场角的原理示意图，该显示装置1000为第一显示装置1000A。

第一显示装置1000A包括：显示器200、四块反射镜50和平板透镜1。

显示器200为光源发散角接近180度的平板显示器，为了提高浮空实像P2的成像质量，显示器200的显示屏210与平板透镜1的夹角λ选用45°。四块反射镜50分成两对，同对的两个反射镜50分别位于像源侧和观影侧。每个反射镜50的朝向平板透镜1的中心法线L1的表面形成它的反射面5s。实施例1中，四个反射面5s均为第一增视反射面5s-1，在像源侧两个第一增视反射面5s-1位于平板透镜1的左右两侧，在观影侧两个第一增视反射面5s-1位于平板透镜1的左右两侧。

同对的两个反射镜50大小相等，且关于平板透镜1相互对称。像源侧两个反射镜50关于中心法线L1对称，观影侧两个反射镜50关于中心法线L1对称，以避免引起图像的拼接错位。假设平板透镜1是水平放置的，那两组反射镜50均为竖直放置。

上文提及第一增视反射面5s-1形状可为直角梯形或三角形，第一显示装置1000A中第一增视反射面5s-1选用三角形形状，可最大程度减小耗材和整个装置的体积。

每对两个三角形的反射镜50，其第一边与平板透镜1紧密贴合。在像源侧的反射镜50的第二边与物平面(即影像P1或者显示屏210所在平面)重合，在观影侧的反射镜50的第二边与像平面(即浮空实像P2所在平面)重合。在像源侧的反射镜50的高度和显示屏210高度相等，在观影侧的反射镜50的高度和浮空实像P2的高度相等。在像源侧的反射镜50的第三边由平板透镜1边缘到与显示屏210等高位置的连线组成，在观影侧的反射镜50的第三边由平板透镜1边缘到与浮空实像P2等高位置的连线组成。

实施例1中，扩大视场原理如图11所示。在像源侧，位于平板透镜1左右两侧的第一增视反射面5s-1，将原先无法入射到平板透镜1的边缘视角光线反射后重新利用，使其入射到平板透镜1中。出射后再经过观影侧位于平板透镜1左右两侧的第一增视反射面5s-1的反射，最后呈现在像平面上。两组反射镜50竖直放置，使第一增视反射面5s-1与平板透镜1的夹角α＝90度，η为不加反射镜50的视角大小，β为左侧增加的视场角范围，右侧增加的视场角范围同理，实际增加的视场角近似等于180°-η。水平视场角的增加幅度，受显示器200光源的发散角大小的影响，但是不受平板透镜1、显示器200的尺寸和显示器200距平板透镜1的距离等参数影响。

实施例1的方案，通过上述设置，浮空实像P2的水平视场角度等于显示器200的水平视场角度。当显示屏210的光源发散角为180度时，浮空实像P2的水平视场角也约为180度。

实施例2：

图12-图13显示的是实施例2中的显示装置1000的结构简图和扩大水平视场角的原理示意图，该显示装置1000为第二显示装置1000B。

第二显示装置1000B包括：显示器200、四块反射镜50和平板透镜1。如图12所示，实施例2中第二显示装置1000B的结构布局与实施例1中第一显示装置1000A的结构布局基本相等，相同部分这里不再赘述。

α为第一增视反射面5s-1与平板透镜1的夹角。与实施例1所不同的是，在实施例2中第一增视反射面5s-1与平板透镜1之间的夹角α为锐角，即大于0度小于90度。η为不加反射镜50的视角大小，β为左侧增加的视场角范围，右侧增加的视场角范围同理，实际增加的视场角近似等于180°-η。水平视场角的增加幅度，受显示器200光源的发散角大小的影响。实施例2的方案，通过上述设置，浮空实像P2的水平视场角度等于显示器200的水平视场角度。当显示屏210的光源发散角为180度时，浮空实像P2的水平视场角也约为180度。

对实施例1和实施例2进行总结，第一显示装置1000A和第二显示装置1000B均可以增加水平视角至180度，对视场的增大效果基本相同，且均不会使浮空实像P2产生畸变。两种显示装置1000均会限制显示器200的尺寸，其中第二显示装置1000B中反射镜50向内侧斜置，对显示器200的尺寸限制会更大，显示器200的尺寸不宜超于左右两反射镜50的顶角距离。

另外在实施例2中所有反射镜50都要斜置，反射镜50斜置时的倾斜角度容易出现误差，而同对两个反射镜50的倾斜角不等时容易成像错位。相对来讲，将反射镜50竖直放置时，α角易控制，因此相较而言，实施例1方案更易实现，且易保证成像质量。

实施例3：

图14-图15显示的是实施例3中的显示装置1000的结构简图和扩大竖直视场角的原理示意图，该显示装置1000为第三显示装置1000C。

第三显示装置1000C包括：显示器200、两块反射镜50和平板透镜1。

显示器200为光源发散角接近180度的平板显示器，为了提高浮空实像P2的成像质量，显示器200的显示屏210与平板透镜1的夹角λ选用45°。

设显示屏210的近边211临近平板透镜1的前侧，则两块反射镜50设置在平板透镜1的后侧，且分别位于像源侧和观影侧。

反射镜50形状为矩形，其一边紧贴平板透镜1，两反射镜50竖直放置，且关于平板透镜1对称，两反射镜50的前表面构成第二增视反射面5s-2，两反射镜50的高度与显示器200和浮空实像P2的高度相同。

其扩大竖直方向上的视场角的原理如图15所示。α为反射镜50与平板透镜1的夹角，为90度，η为不加反射镜50时的视角大小，β为第三显示装置1000C实际增加的视场角范围，浮空实像P2的竖直视场角由反射镜50的高度和平板透镜1的尺寸共同决定。由于显示器200与平板透镜1夹角λ优选45°放置，所以η和β的和始终小于135°，仅有当平板透镜1尺寸无限大时，η和β的和无限接近135度。

实施例4：

图16-图19显示的是实施例4中的显示装置1000的结构简图和扩大竖直视场角的原理示意图，该显示装置1000为第四显示装置1000D。

第四显示装置1000D包括：显示器200、两块反射镜50和平板透镜1。

反射镜50与平板透镜1的夹角为α，其一边紧贴平板透镜1，反射镜50的高度要略高于显示器200和浮空实像P2的高度，其扩大竖直方向上的视场角的原理如图17所示。实施例4中第四显示装置1000D与实施例3中第三显示装置1000C的结构布局基本相同，所不同的是在实施例4中反射镜50与平板透镜1的夹角为α小于90度，为锐角。

如图17所示，显示器200的边缘视角的光线经过像源侧的第二增视反射面5s-2反射后，重新入射到平板透镜1，然后出射的光线经过观影侧的第二增视反射面5s-2反射，从而起到增大视场的作用。其中η为不加反射镜50的视角大小，β为第四显示装置1000D实际增加的视场角范围，γ为反射镜50与显示器200或浮空实像P2的夹角。

图17-图19显示了当其他参数不变，反射镜50与平板透镜1的夹角为α逐渐减小时，使反射镜50与浮空实像P2的夹角逐渐增大，此时视场角增加范围β会产生一定变化。

从中可以看出，仅有当γ≥90°时，边缘视角的光线经过像源侧的第二增视反射面5s-2反射后，光线紧贴显示屏210入射到平板透镜1，出射的光线再经过观影侧的第二增视反射面5s-2反射，从而起到扩大视场角范围的作用。γ＝90°时原理如图18所示，γ＞90°时原理如图19所示。其中γ＝90°时，η和β的和已经无限接近于180度，而当γ＞90°时，整个装置对平板透镜1的尺寸要求更大，但是竖直方向上的视场角已无法再增大。

综上，γ＝90°，且反射镜50与平板透镜1夹角α为45°时，成像装置的体积最小，且竖直视场角接近180°。

实施例5：

图20-图21显示的是实施例5中的显示装置1000的结构简图和扩大竖直视场角的原理示意图，该显示装置1000为第五显示装置1000E。

第五显示装置1000E包括：显示器200、四块用于增大水平视角的反射镜50、两块用于增大竖直视角的反射镜50和一块平板透镜1。

实施例5的方案相当于是将实施例1的方案与实施例4的方案进行了结合。

显示器200为光源发散角接近180度的平板显示器，为了提高浮空实像P2的成像质量，显示器200与平板透镜1夹角λ选用45°放置。

设显示屏210的近边211临近平板透镜1的前侧，有三个反射镜20位于像源侧，且分别位于平板透镜1的左侧、右侧和后侧，有三个反射镜20位于观影侧，且分别位于平板透镜1的左侧、右侧和后侧。

左右两侧的反射镜50大小相等且关于平板透镜1相互对称，同一侧的两反射镜50关于平板透镜1中心法线L1方向对称。左右两侧的反射镜50均为竖直放置，且镜面形状为三角形，可最大程度减小耗材和整个装置的体积。

左右两侧的反射镜50，其第一边与平板透镜1紧密贴合，第二边与物平面或像平面重合，该反射镜50的高度和显示屏210和浮空实像P2的高度相等，第三边由平板透镜1边缘到与显示屏210和浮空实像P2等高位置的连线组成。

在平板透镜1后侧的上下两面各添加的反射镜50，形状为矩形，反射镜50与平板透镜1的夹角α＝45度，其一边紧贴平板透镜1，该反射镜50的高度和显示屏210和浮空实像P2的高度基本相同，该结构的侧视图如图21所示。

该第五显示装置1000E通过优化反射镜50的尺寸和与平板透镜1的夹角α，能充分缩小装置的体积，而且可以在水平和竖直方向上180度的视场角范围内观察到浮空实像P2。

综上当显示装置1000用于公共场合，显示装置1000水平方向增大视场角方式为：在显示器200和浮空实像P2的左右两侧各添一反射镜50，同对反射镜50关于平板透镜1相互对称，同侧反射镜50关于平板透镜1的中心法线L1对称。反射镜50可以向内侧斜置，也可以竖直放置，优选竖直放置，可最大程度利用平板透镜1和使用更大尺寸的显示器200。反射镜50镜面形状可以为直角梯形或三角形，优选三角形，可最大程度减小耗材和整个装置的体积。每对的两个三角形反射镜50，第一边与平板透镜1紧密贴合，第二边与物平面或像平面重合(取决于反射镜50在像源侧还是观影侧)，该反射镜50的高度和显示器200、浮空实像P2的高度相等，第三边由平板透镜1边缘到与显示器200、浮空实像P2等高位置的连线组成。

显示装置1000竖直方向增大视场角方式为：在平板透镜1远离观察者的一侧的上下两面各添加反射镜50，反射镜50形状为矩形，其一边紧贴平板透镜1，可以竖直放置，也可以向内侧斜置，优选向内侧斜置，视场角更大且装置体积更小。

增大水平视场角的显示装置1000中，浮空实像P2的水平视场角只与显示器200水平视场角度有关，与平板透镜1、显示器200的尺寸和显示器200距平板透镜1的距离无关。

增大竖直视场角的显示装置1000中，浮空实像P2的竖直视场角与反射镜50和平板透镜1的夹角、反射镜50的高度和平板透镜1的尺寸有关。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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。

Claims (12)

1.一种成像光学系统，其特征在于，包括：

平板透镜，所述平板透镜包括两组光波导阵列，每组所述光波导阵列均由单列多排且横截面为矩形的子波导组成，所述两组光波导阵列包括：第一光波导阵列和第二光波导阵列，所述第一光波导阵列的所述子波导沿X方向延伸且沿Y方向形成多排，所述第二光波导阵列的所述子波导沿Y方向延伸且沿X方向形成多排，所述第一光波导阵列和所述第二光波导阵列沿Z方向排布，所述X方向、所述Y方向、所述Z方向两两垂直，所述平板透镜具有中心法线，所述中心法线过所述平板透镜的中心且与所述Z方向平行，所述平板透镜的相对两侧分别为像源侧和观影侧；

反射组件，所述反射组件具有至少一对反射面，同对的两个所述反射面分别位于所述像源侧和所述观影侧，所述反射面均为平面且朝向所述中心法线设置，所述反射面与所述平板透镜的夹角小于等于90度，其中，

同对的两个所述反射面与所述平板透镜的夹角相等，同对的两个所述反射面与所述平板透镜的交线相互平行。

2.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述反射面的一边贴合在所述平板透镜上。

3.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述反射组件具有多对所述反射面，多对所述反射面沿环绕所述中心法线的方向排布。

4.根据权利要求3所述的成像光学系统，其特征在于，多对所述反射面中包括两对位于所述中心法线的相对两侧；

位于所述中心法线相对两侧的两对所述反射面中，每个所述反射面与所述平板透镜的夹角相等，每个所述反射面与所述平板透镜的交线相互平行。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，同对的两个所述反射面相对所述平板透镜对称设置。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述反射组件包括至少两个反射镜，所述反射镜为平面镜，每个所述反射镜的朝向所述中心法线的表面构成所述反射面。

7.一种显示装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1-6中任一项所述的成像光学系统；

显示器，所述显示器位于所述像源侧，所述显示器的显示屏朝向所述平板透镜设置。

8.根据权利要求7所述的显示装置，其特征在于，所述显示屏为直板屏，所述显示屏与所述平板透镜之间的夹角为锐角，所述显示屏的四边分别为近边、远边和两个倾斜边，所述近边和所述远边为所述显示屏的相对两边，所述近边位于所述显示屏临近所述平板透镜的侧边；

于所述像源侧，在所述显示屏的对应所述两个倾斜边的两侧分别设有所述反射面，和/或在所述显示屏的对应所述远边的一侧设有所述反射面。

9.根据权利要求8所述的显示装置，其特征在于，对应所述倾斜边的所述反射面为第一增视反射面，所述显示屏沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影完全位于所述第一增视反射面内。

10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述第一增视反射面为三角形或者梯形，所述显示屏沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影，与所述第一增视反射面的一边平齐。

11.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，对应所述远边的所述反射面为第二增视反射面，所述第二增视反射面为矩形。

12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述第一增视反射面为三角形；

所述显示屏沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影，与所述第一增视反射面的一边平齐；

所述第二增视反射面沿平行于所述平板透镜的方向形成的投影，与所述第一增视反射面的另一边平齐。

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