CN116149079A - 悬浮显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬浮显示装置。该悬浮显示装置包括：图像显示单元，图像显示单元具有显示面且从显示面发出构成图像的显示光；具有一维光栅结构的共轭成像元件，用于在第一方向上会聚显示光；中继光组，设置在图像显示单元的光学下游；扩束光组，设置在中继光组的光学下游并且用于仅在第二方向上对显示光进行扩束；以及成像光组，设置在扩束光组的光学下游并且用于在第二方向上会聚显示光，其中从显示面上的一点发出的光束在第一方向上经由共轭成像元件会聚在像面上的对应范围内，同时在第二方向上经由一维光学元件会聚在像面上的对应范围内，从而使得显示光在像面上形成悬浮图像。

Description

悬浮显示装置

技术领域

本文所述的实施例总体上涉及光学显示技术领域，更具体地涉及一种悬浮显示装置。

背景技术

在众多的显示技术中，空中悬浮显示技术由于能够将图像呈现在空气之中，为观看者带来强烈的视觉冲击和亦真亦假的感官体验从而受到了许多研究者的关注。

现有的悬浮显示技术主要有以下三类：第一类是传统光学透镜成像，例如凹面反射镜加分光镜的结构：该光学结构是此类显示系统最早提出的方案。被照明的真实物体或者LCD显示的内容由分光镜反射进入凹面反射镜，光线经过凹面反射镜的汇聚作用再次通过分光镜之后在其另一侧成像。此时，观察者可以看到空中悬浮的影像。该种技术方案悬浮图像成像尺寸小，畸变等像差严重。第二类是利用集成成像原理。此类方案是由微透镜阵列和若干图像单元阵列构成，图像单元中显示相同图像信息的点发出的光线通过对应的微透镜在空间中汇聚形成悬浮像点。此类方案的优点是显示装置的厚度超薄，厚度基本是显示器的厚度。缺点是分辨率很低，成本高。

第三类是利用特殊微结构构成的“负折射率屏幕”进行悬浮成像，主要有以下几种：a.逆反射结构加分束镜：该结构主要由玻璃微珠或微棱镜阵列构成。该结构能够实现反射光线与入射光线相互平行且方向相反的效果。显示源发出的光线经分束镜入射到逆反射结构，通过逆反射结构的反射光线将沿着入射光线的相反方向再次通过分束镜从而在其另一侧汇聚成像。b.双层平面镜阵列：该方案是由上下两层平面镜阵列组成且两层之间的平面镜单元相互垂直。显示源发出的光线经过该平面镜阵列的反射后在另一侧汇聚成像。c.微凸台结构阵列：该方案由微凸台结构阵列构成，显示源发出的光线经过微凸台结构的两次反射，在另一侧汇聚成像。此类技术方案的优点，没有像差。缺点是存在鬼象，“负折射率屏幕”加工成本高，系统体积大。

因此，本领域需要一种新的用于悬浮显示的技术方案。

发明内容

本发明的示例性实施例的目的正是在于提供这样一种悬浮显示装置，其能够在空中形成悬浮图像，同时能够具有较轻薄的设计以及更加灵活的光学布局。

具体地，本发明的示例性实施例提供了一种悬浮显示装置，包括：图像显示单元，所述图像显示单元具有显示面且从所述显示面发出构成图像的显示光；具有一维光栅结构的共轭成像元件，用于在第一方向上会聚所述显示光；中继光组，设置在所述图像显示单元的光学下游，其中由所述中继光组的入瞳进入所述中继光组的第二方向的平行光束在经过所述中继光组后在其出瞳处的出射光束依然是第二方向的平行光束，所述第一方向和所述第二方向分别与所述悬浮显示装置的光轴正交；扩束光组，设置在所述中继光组的光学下游并且用于仅在所述第二方向上对所述显示光进行扩束；以及成像光组，设置在所述扩束光组的光学下游并且用于在所述第二方向上会聚所述显示光，其中从所述显示面上的一点发出的光束在所述第一方向上经由所述共轭成像元件会聚在像面上的对应范围内，同时在所述第二方向上经由所述一维光学元件会聚在所述像面上的所述对应范围内，从而使得所述显示光在所述像面上形成悬浮图像。

在上述悬浮显示装置中，显示面上的点光束沿第一方向成像的像差较小(或无像差)、像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以实现图像的浮空显示。这些悬浮显示装置中的光学系统易于加工，可以有效降低成本，同时通过将显示光分别在第一方向和第二方向上分开调制而能够消除现有技术中存在的像差问题；此外，通过第二方向扩束实现了光学系统的薄型化。

较佳地，所述图像显示单元为：直视式显示源，其在所述显示面处直接显示所述图像；或投影式显示源，其将构成所述图像的光投影在所述显示面上，其中所述投影式显示源被配置成使得所述显示光在所述第二方向上是平行光。

较佳地，在所述图像显示单元为直视式显示源的情况下，所述悬浮显示装置还包括准直光组，用于在所述第二方向上将所述显示面上的不同发光点发出的光转变为不同角度的平行光。

较佳地，在所述图像显示单元为投影式显示源的情况下，所述悬浮显示装置还包括散射屏，用于沿所述第一方向发散光。更佳地，所述散射屏与所述共轭成像元件之间的光程被设置成等于所述共轭成像元件与所述像面之间的光程。

较佳地，所述扩束光组包括具有多个光线偏折部的平板光波导，所述平板光波导利用全反射对入射的光线进行扩束，所述多个光线偏折部用于将所述平板光波导内的光线在不同的位置处出射。优选地，所述平板光波导相对于所述成像光组成角度地设置。，所述成像光组包括一维成像镜，所述平板光波导设置在所述一维成像镜的焦平面处。优选地，所述成像光组包括一维透镜阵列，所述一维透镜阵列设置在所述平板光波导的出光部的表面上，其中所述一维透镜阵列中的每一个一维透镜对应于所述多个光线偏折部中的一个光线偏折部并且用于改变来自对应的光线偏折部的光线夹角。

较佳地，所述共轭成像元件设置在所述中继光组的光学下游。优选地，所述共轭成像元件设置在所述扩束光组的光学下游。

较佳地，所述悬浮显示装置具有设置在所述成像光组与所述扩束光组之间的孔径光阑，用于在所述第二方向上约束来自所述扩束光组的光线。

附图说明

通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1示出根据本发明实施例的悬浮显示装置100的示意性框图；

图2示出根据本发明实施例的悬浮显示装置100分别在水平方向和竖直方向上的光线传播的原理示意图；

图3示出根据本发明实施例的中继光组的示意图；

图4示出用于扩束的平板光波导的若干典型结构；

图5示出平板光波导相对于成像光组成角度地设置的示意图；

图6示出根据本发明的第一示例的悬浮显示装置600的示意图；

图7示出根据本发明的第二示例的悬浮显示装置700的示意图；

图8A-图8B示出根据本发明的第三示例的悬浮显示装置800和800’的示意图；

图9示出根据本发明的第四示例的悬浮显示装置900的示意图；

图10示出根据本发明的第五示例的悬浮显示装置1000的示意图；

图11示出一维回射屏的示例结构；

图12一维格栅透射阵列结构的示例；

图13A示出具有具有2种微结构的平板光波导的示例和光调制示意图；

图13B示出由若干更小的微结构组成的微结构的示例；

图14示出根据本发明的第六示例的悬浮显示装置1400的示意图；

图15A示出根据本发明的第七示例的悬浮显示装置1500的示意图；以及

图15B示出采用双柱面微透镜阵列的散射屏的示例。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

图1示出根据本发明实施例的悬浮显示装置100的示意性框图。图2示出根据本发明实施例的悬浮显示装置100分别在水平方向和竖直方向上的光线传播的原理示意图。

参见图1，根据本发明实施例的悬浮显示装置100可以包括图像显示单元110和光学系统。图像显示单元110具有图像的显示面且从显示面发出构成初始图像的显示光。图像显示单元110可以采用直接发光显示方式，或者也可以采用间接投影方式，以在显示面上直接显示或间接投影图像。间接投影方式可以包括传统投影方法、平行光投影、激光mems扫描投影等。光学系统布置在图像显示单元110的光学下游以接收显示光。光学系统接收构成初始图像的原始光，然后原始光经由光学系统调制以在空中的像面处形成悬浮图像(也可以称之为空中像)。或者，构想到，图像显示单元110与光学系统之间还可以存在一个或多个附加光学系统，该附加光学系统可以将图像显示单元110的显示面成像在光学系统的物面处；在此情况下，光学系统110的物面可以位于图像显示单元110的显示面由一个或多个附加光学系统所成像的像面处。

为了便于描述，可以认为光沿着光路在光束中从光学“上游”位置向光学“下游”位置传播。因此，光学元件在光路中的相对位置也可以用这两个术语来描述。例如，参见图2，中继光组130位于图像显示单元110的光学下游，并且位于扩束光组140的光学上游。

悬浮显示装置100的光学系统可以包括共轭成像元件120、中继光组130、扩束光组140以及成像光组150。来自图像显示单元110的显示光在经由光学系统传播后在空中的像面20处形成悬浮图像，其中x方向的像方孔径角α可以大于y方向的像方孔径角β。

共轭成像元件120可以具有一维光栅结构以用于在第一方向上会聚来自图像显示单元110的显示光。作为示例，具有一维光栅结构的共轭成像元件可以是一维回射屏、一维格栅透射阵列、一维全息光栅等。采用这样的共轭成像元件的益处在于，位置关系(物与像)共轭，图像不放大，无像差。一维回射屏的示例如图11所示，任意照射在一维回射屏表面的光线，一部分光线按照原角度反射。一维格栅透射阵列结构的示例如图12所示，一维格栅透射阵列结构可以由若干平行玻璃平板贴合构成，其中贴合面镀有金属反射膜，其中物点o与像点o’光学共轭，该结构的物面与像面等大，并且无像差。

中继光组130设置在图像显示单元110的光学下游。在本发明的一些实施例中，由中继光组130的入瞳进入中继光组130的不同入射角度的(即，来自不同像素点的)第二方向的平行光束在经过中继光组130后在其出瞳处的出射光束依然是不同角度的第二方向的平行光束，如图3所示。中继光组130可以用来在第二方向上限制传播光线的高度(范围)，从而有助于悬浮显示装置100在第二方向上的轻薄化。第一方向可以是x方向，而第二方向可以是y方向，分别与悬浮显示装置100的光轴正交。

扩束光组140设置在中继光组130的光学下游并且用于仅在第二方向上对显示光进行扩束。如图2所示，在第二方向(y方向)上，进入扩束光组140的较窄平行光束可以被扩束为较宽平行光束。

成像光组150设置在扩束光组140的光学下游并且用于在第二方向上会聚来自扩束光组140的扩束光。作为示例，成像光组150可以包括在第二方向上具有正光焦度而在第一方向上不具有光焦度的柱面透镜、凹面镜等。注意，成像光组150可以是一个光学元件，也可以是多个光学元件的组合。

在本发明的悬浮显示装置100中，从显示面10上的一点发出的光束在第一方向(x方向)上经由共轭成像元件120会聚在像面20上的对应范围内，同时在第二方向(y方向)上经由一维光学元件会聚在像面20上的对应范围内，从而使得显示光在像面20上形成悬浮图像。注意，此处描述的对应范围可以是像面20上的一点，或者也可以是以像面20上的一点为中心的小范围而非局限于该点，对应范围只要能满足以下条件即可：从显示面10上的一点发出的光束在第一方向和第二方向会聚在对应范围内，就可以使得人眼在第二方向上的移动时，所观察到的悬浮图像的在第二方向上的尺寸和位置不会随人眼观察位置变化有明显的变化。可以理解到，优选地，从显示面10上的一点发出的光束在第一方向(x方向)上经由共轭成像元件120会聚在像面20上的对应点处，同时在第二方向(y方向)上经由一维光学元件也会聚在像面20上的该对应点处。

分别在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上对悬浮显示装置100的光束传播做剖面分析。参见图2，如果图像显示单元110为直视式显示源，那么在x方向上，显示面10上的物点a,b发出的光线具有较大的发散角，通过共轭成像元件120在像面20上成像为a1,b1。如果图像显示单元110为投影式显示源，则可以通过在其后放置散射屏来在x方向上发散光线以具有较大的发散角。在y方向上，如果图像显示单元110为直视式显示源，那么可以通过准直光组将物点a,b发出的光线在y方向上转变为不同角度的平行光。如果图像显示单元110为投影式显示源，则可以直接从物点a,b发出平行光。不同角度的平行光通过中继光组130后依然是不同角度的平行光，但角度可以发生变化以便偶入扩束光组140，细平行光束经扩束光组140在y方向上扩宽为粗平行光束，然后通过成像光组150在像面20上成像为a1,b1。

以上描述了根据本发明示例性实施例的悬浮显示装置100。在悬浮显示装置100中，显示面10上的点沿x方向通过共轭成像元件成像的像方孔径角相对较大(优选30度以上)，以满足双目视差条件，由此可以在像面20处形成悬浮图像。显示面10上的点沿y方向通过多个光组成像的像方孔径角相对较小，优选30度以内。

如上所述，显示面10可以是自发光显示器的显示屏，或投影式显示器产生的投影面，而显示器(即，图像源)发出的光线可以按照光线发散角度要求进行设置。特别地，显示面10上的物点发出的光线需要在第一方向上具有一定的物方孔径角(例如，30度至180度，具体根据需要由像方孔径角结合拉氏不变量公式来确定)，这可以通过光源(即，图像源)的固有特性来实现，或者可以通过对来自光源(即，图像源)的光线进行调制来实现。例如，诸如OLED等自发光显示器可以发出具有较大的发散角光线，所以可以将其显示屏设置在上述光学系统的物面(即，显示面10)处时，就能够实现悬浮显示的效果。可选地，在显示面10上的物点发出的光线在第一方向上不具有较大的发散角的情况下，可以通过设置散射屏以用于在第一方向上发散光，从而使得由该散射屏出射的光在第一方向上具有较大的发散角。

可选地，在一些实施例中，悬浮显示装置100还可以包括准直光组。准直光子可以包括一维孔径光阑，用于在第二方向上约束来自物面10的光线。例如，一维孔径光阑可以是狭缝光栅。一维孔径光阑可以被配置为足够小以使得在第二方向上获得相对较大的焦深。准直光组还可以包括设置在显示面10与一维孔径光阑之间的光学元件，以用于在第二方向上会聚光线，从而使得来自显示面10的更多的光线能够穿过该一维孔径光阑以提高成像光强。光学元件可以在第二方向上将来自显示面10上的点的光束转变为近似平行光，以使得光束经过孔径光阑后的光束发散角接近于0。例如，光学元件可以是透镜或透镜组。

可选的，在一些实施例中，如果图像显示单元110为投影式显示源，则悬浮显示装置还可以具有中继像面，中继像面是投影式显示器在第一方向的像面，散射屏置于该中继像面处，用于在第一方向上发散光。在第二方向上，投影式显示器在该中继像面可以汇聚为像点或不汇聚成像点(具体呈现为第二方向的线像)，从而有利于光学布局，提升光学系统的设计自由度，同时易于实现光学系统的轻薄设计。特别地，因为采用了共轭成像元件120，所以散射屏与共轭成像元件120之间在第一方向的光程与共轭成像元件120与像面之间在第一方向的光程为等光程设置，因为需要具有一定的悬浮图像高度，同时希望在第一方向具有较大的像方孔径角以满足双目视差条件，所以成像单元在第一方向上具有较大的通光孔径，采用共轭成像元件120可以有效的消除传统光学元件产生的像差，实现高质量的悬浮显示。

注意，虽然在图2中示出共轭成像元件120介于中继光组130与扩束光组140之间，但是本领域技术人员能够理解到，共轭成像元件120可以设置在显示面10与像面20之间的任意位置处，例如可以在显示面10与中继光组130之间，或者也可以在扩束光组140与成像光组150之间。因此，来自显示面10的显示光在扩束光组140中传播时在第一方向上可以是发散或会聚的(这取决于共轭成像元件120的位置)。在一些实施例中，来自显示面10的显示光在中继光组130中传播时在第一方向上可以是发散的。

可以理解到，在本发明的替代实施例中，辅助成像单元、散射屏、一维孔径光阑或光学元件可以集成在显示源中，而不被包含在光学系统中。

在本发明的一些实施例中，扩束光组140可以是透镜与散射屏的组合。或者，扩束光组140也可以是具有多个光线偏折部的平板光波导，其利用全反射对入射的光线进行扩束。参见图4，示出了用于扩束的平板光波导的若干典型结构。平板光波导可以是全息光波导、阵列光波导或带微结构的光波导。具体地，入射细光束L在平板光波导内经由全反射传播，多个光线偏折部中的每一个在不同的位置处以相同的角度将部分细光束L偏折出光波导，从而产生多个出射光束L₁、L₂、L₃……L_n，多个出射光束L₁、L₂、L₃……L_n构成了出射粗光束L’，即经扩束的细光束L。

可选地，在一些实施例中，平板光波导可以相对于成像光组150成角度地设置。参见图5，从平板光波导的偶入部射入的细光束(由实线L或虚线M表示)，在波导中多次反射后依次从波导射出(例如，L的射出光束表示为L₁、L₂、L₃；M的射出光束表示为M₁、M₂、M₃)，距离偶入部近的射出光线(例如，L₁和M₁)，在波导内传输的距离短，距离偶入部远的射出光线(例如，L₃和M₃)，在波导内传输的距离长，因此他们的等光程波阵面是AB，与平板波导形成一定的夹角。因此，成像光组150可以平行于等光程波阵面设置，这样能保证x、y方向的光束最终在空间中汇聚成一点。

可选地，在一些实施例中，成像光组可以包括一维成像镜，并且当扩束光组为平板光波导时，平板光波导可以设置在一维成像镜的焦平面处，由平板光波导出射的不同角度的平行光经过一维成像镜在空间中形成悬浮像。

可选地，在本发明的替代实施例中，当扩束光组为平板光波导的情况下，成像光组150可以形成在平板光波导的出光部上以与平板光波导集成为一体。参见图13A，平板光波导上可以至少包括2种微结构：1)微结构1(光线偏折部)可以至少有一个斜面，不同位置的微结构的斜面角度不同，用于控制从特定位置的微结构耦出光束整体的出光方向，但是不改变耦出光束的发散角θ2(不同出射角度细光束的夹角)；2)微结构2(即，成像光组150)用于控制每个微结构1出射的不同角度细光束的夹角，例如微结构2可以为柱面微透镜(只改变y方向光束传输)，对应不同的微结构1，具有不同的焦距f，从而使不同位置的微结构1耦出的光具有不同的光束夹角，如图13A所示的θ1、θ2、θ3。微结构1和微结构2具有一一对应关系。作为示例，成像光组150可以是形成在平板光波导的出光部的表面上的一维透镜阵列，其中一维透镜阵列中的每一个一维透镜(微结构2)对应于多个光线偏折部中的一个光线偏折部(微结构1)并且用于改变来自对应的光线偏折部(微结构1)的光线夹角。通过这样设置，也可以使不同角度的y方向的光束在空间中汇聚在不同的范围内，形成悬浮图像。

可选地，微结构2单元可以由若干更小的微结构组成(如图13B所示)，类似于透镜变换成菲涅尔透镜，每个微小的斜面单独控制一束细光线的偏折，从而控制由微结构1耦合出的不同方向细光束之间的夹角。如此，能够使从波导出射的不同方向的光束在空间中汇聚为不同的悬浮图像点。

可选地，考虑出射光亮度均匀性问题，微结构1和微结构2可以从波导的偶入端起由疏到密设置。

可选地，悬浮显示装置100可以在y方向上对显示面上的图像有放大作用，所以显示面可以设置得比较小，从而实现光学系统薄型化。

可选地，悬浮显示装置100具有设置在成像光组150与扩束光组140之间的孔径光阑，用于在第二方向上约束来自扩束光组140的光线。采用此种设置可以在满足第二方向观察视角的同时，减小第二方向成像的像差，提升悬浮图像的成像质量。

在下文中，将描述根据本发明实施例的悬浮显示装置的若干示例。

第一示例

图6示出根据本发明的第一示例的悬浮显示装置600的示意图。根据第一示例的悬浮显示装置600的若干细节与上文描述的悬浮显示装置100是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第一示例的悬浮显示装置600的特别之处。

在第一示例中，图像显示单元610为投影式显示源，配置成使得从图像显示单元610不同位置发出的光在x方向和y方向上为不同角度的平行光。中继光组包括第一柱面镜631和透镜632，以使得来自图像显示单元610的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过第一柱面镜631和透镜632后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的第二方向的平行光束。共轭成像元件为一维回射屏620，将来自第一柱面镜631的光朝向到透镜632反射。透镜632可以将来自一维回射屏的光耦合进入扩束光组640。扩束光组为阵列式平板光波导640，仅在y方向上对光进行扩束。成像光组为一维自由曲面镜650，仅在y方向上会聚扩束光，并且使得悬浮图像a1,b1与显示装置形成一定夹角。悬浮显示装置600还包括第二柱面镜661和一维散射屏662。第二柱面镜661用于改变x方向的平行光的角度，以使得x方向的平行光朝向一维回射屏620垂直入射，从而提高悬浮图像在x方向上的成像质量。一维散射屏662设置在第二柱面镜661的光学下游以用于仅在x方向上发散光线。

如图6所示，悬浮显示装置600的成像过程如下：从图像显示单元610发出x方向和y方向都为不同角度的平行光。在x方向上，不同角度的平行光被第二柱面镜661改变了传播方向，并且在一维散射屏662(x方向中继像面)成x方向上放大的像，然后经由一维散射屏662在x方向发散并且入射一维回射屏620，并且由一维回射屏620会聚在像面20上。在y方向上，不同角度的平行光经过中继光组(第一柱面镜631和透镜632)传播并且射入平板光波导640，经由平板光波导640扩束并且朝向一维自由曲面镜650出射，并且由一维自由曲面镜650会聚在像面20上。

以此方式，图像显示单元610发出的光束在x方向上像差较小、成像的像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以在像面20处形成悬浮图像。图像显示单元610发出的光束在y方向上由于被平板光波导640扩束而具有较大的视角范围。

第二示例

图7示出根据本发明的第二示例的悬浮显示装置700的示意图。根据第二示例的悬浮显示装置700的若干细节与上文描述的悬浮显示装置100是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第二示例的特别之处。

在第二示例中，图像显示单元710为直视式显示源，在显示面10处直接显示图像。例如，直视式显示源可以是平板显示器(诸如，OLED、LCD)，其发出的光具有较大的发散角。特别地，图像显示单元710的像素在x、y方向比例并不是常规的1:1；而是n:1。悬浮显示装置700还包括第一柱面镜701和孔径光阑702。第一柱面镜701和孔径光阑702可以将来自平板显示器上的不同像素点的光变成不同角度的平行细光束。中继光组包括第二柱面镜731和透镜732，以使得来自图像显示单元710的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过第二柱面镜731和透镜732后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的第二方向的平行光束。共轭成像元件为一维回射屏720，将来自第二柱面镜731的光朝向到透镜732反射。透镜732可以将来自一维回射屏的光耦合进入扩束光组740。扩束光组为阵列式平板光波导740，仅在y方向上对光进行扩束。成像光组为一维自由曲面镜750，仅在y方向上会聚扩束光，并且使得悬浮图像a1,b1与显示装置形成一定夹角。

如图7所示，悬浮显示装置700的成像过程如下：从图像显示单元710发出具有较大发散角的显示光。在x方向上，由于第一柱面镜701和第二柱面镜731基本上不起作用，因此x方向上具有较大发散角的光不改变光线传输路径照射到一维回射屏720上，并且由一维回射屏720会聚在像面20上。在y方向上，图像显示单元710发出的光经过第一柱面镜701会聚、通过孔径光阑，以使得来自不同像素点的光变成不同角度的平行细光束，然后经过中继光组(第二柱面镜731和透镜732)传播并且射入平板光波导740，经由平板光波导740扩束并且朝向一维自由曲面镜750出射，并且由一维自由曲面镜750会聚在像面20上。

以此方式，图像显示单元710发出的光束在x方向上基本上无像差、成像的像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以在像面20处形成悬浮图像。图像显示单元710发出的光束在y方向上由于被平板光波导740扩束而具有较大的视角范围。

第三示例

图8A示出根据本发明的第三示例的悬浮显示装置800的示意图。根据第三示例的悬浮显示装置800的若干细节与上文关于图1或6描述的悬浮显示装置100或600是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第三示例的不同之处。

图像显示单元810为投影式显示源，配置成使得从图像显示单元810发出的光在x方向和y方向上为不同角度的平行光。中继光组包括第一柱面镜831和反射镜832，以使得来自图像显示单元810的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过第一柱面镜831和反射镜832后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的第二方向的平行光束。共轭成像元件为一维格栅透射阵列结构820，将来自第一柱面镜831的光朝向到反射镜832透射。反射镜832可以将来自一维格栅透射阵列结构820的光耦合进入扩束光组。扩束光组为阵列式平板光波导840，仅在y方向上对光进行扩束。成像光组为一维自由曲面镜850，仅在y方向上会聚扩束光，并且使得悬浮图像a1,b1与显示装置形成一定夹角。悬浮显示装置800还包括一维散射屏801。一维散射屏801设置在图像显示单元810的光学下游以用于仅在x方向上发散光线。

特别地，在此示例中，如图8A所示，平板光波导840射出的光线不会再次穿过平板光波导840。像面20上的悬浮图像与平板玻璃设置为一定的夹角，形成悬浮图像倾斜的视觉效果。

图8B示出了悬浮显示装置800的变型例800’，其中扩束光组840’为散射屏与透镜的组合，替代平板光波导840。扩束光组包括y方向散射屏841、曲面镜和半反半透镜843，以在y方向上对光束进行扩束，并且出射到反射镜802，反射镜802将来自扩束光组840’的扩束光朝向成像光组850反射。成像光组850将反射的扩束光会聚在像面20上的对应点处。注意，此处描述的扩束光组840’不限于替代悬浮显示装置800中的平板光波导840，同样可以应用于关于图6-7、9-10中描述的示例悬浮显示装置600-700和900-1000。

以此方式，图像显示单元810发出的光束在x方向上像差较小、成像的像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以在像面20处形成悬浮图像。图像显示单元810发出的光束在y方向上由于被扩束光组840’扩束而具有较大的视角范围。

第四示例

图9示出根据本发明的第四示例的悬浮显示装置900的示意图。根据第四示例的悬浮显示装置900的若干细节与上文关于图1或8描述的悬浮显示装置100或800是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第四示例的不同之处。

图像显示单元910为投影式显示源，配置成使得从图像显示单元910发出的光在x方向和y方向上为不同角度的平行光。中继光组包括第一柱面镜931和透镜932，以使得来自图像显示单元910的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过第一柱面镜931和透镜932后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的第二方向的平行光束。共轭成像元件为一维回射屏920，将来自透镜932的光朝向平板光波导940反射。悬浮显示装置900还包括一维散射屏901和孔径光阑。孔径光阑设置在成像光组950与扩束光组940之间，用于在y方向上约束来自扩束光组940的光线。

特别地，在此示例中，如图9所示，成像光组是柱面反射镜950，更容易加工；平板光波导940出射的光线是s偏振光，被反射式偏振片902反射，经过1/4波片，照射到柱面反射镜950上，被柱面反射镜950反射的光，再次照射到反射式偏振片902上而射出，形成悬浮图像。像面20上的悬浮图像与反射式偏振片902设置为一定的夹角，形成悬浮图像倾斜的视觉效果。

以此方式，图像显示单元910发出的光束在x方向上像差较小、成像的像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以在像面20处形成悬浮图像。图像显示单元910发出的光束在y方向上由于被平板光波导940扩束而具有较大的视角范围。

第五示例

图10示出根据本发明的第五示例的悬浮显示装置1000的示意图。根据第五示例的悬浮显示装置1000的若干细节与上文关于图1-10描述的悬浮显示装置100或600-900是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第五示例的不同之处。

图像显示单元1010为投影式显示源，配置成使得从图像显示单元1010发出的光在x方向和y方向上为不同角度的平行光。中继光组包括第一柱面镜1031和透镜1032，以使得来自图像显示单元1010的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过第一柱面镜1031和透镜1032后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的第二方向的平行光束。图像显示单元1010还包括一维散射屏1001和反射镜1002。反射镜1002将来自透镜1032的光朝向一维回射屏1020反射，一维回射屏1020将来自反射镜1002的光反射进入平板光波导1040。

在此示例中，如10所示，为了减小显示装置的厚度，在成像光组部分，增加了pancake(折返光路)结构的光学布置。特别地，平板光波导1040出射的光线为圆偏振光。成像光组包括柱面半反半透镜1051、1/4波片1052、APF 1053和偏振片1054。圆偏振光穿过柱面半反半透镜1051、通过1/4波片1052转换为s偏振光，被APF 1053反射，后又被柱面半反半透镜1051反射，再次通过1/4波片1052转换为p偏振光，通过APF 1053和偏振片1054，在空间中形成悬浮图像。平板光波导1040和成像光组为成一定夹角设置，目的是确保y方向的各点的光程相同，经过成像光组后在汇聚在同一水平面上。

以此方式，图像显示单元1010发出的光束在x方向上像差较小、成像的像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以在像面20处形成悬浮图像。图像显示单元1010发出的光束在y方向上由于被平板光波导1040扩束而具有较大的视角范围。

第六示例

图14示出根据本发明的第六示例的悬浮显示装置1400的示意图。根据第六示例的悬浮显示装置1400的若干细节与上文描述的悬浮显示装置100、600-1000是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第六示例的不同之处。

参见图14，悬浮显示装置1400包括图像显示单元1410、一维回射屏1420、中继光组(出于简洁的目的，仅示出透镜1432)以及将扩束光组和成像光组集成为一体的平板光波导1460。平板光波导1460具有多个光线偏折部1461和对应的多个柱面微透镜1462。多个柱面微透镜1462形成在平板光波导1460的出光部的表面上。每一个柱面微透镜(微结构2)对应于多个光线偏折部中的相应一个光线偏折部(微结构1)并且用于改变来自对应的光线偏折部(微结构1)的光线夹角。通过以下方式可以将不同角度的第二方向的细平行光束(来自图像显示单元1410的不同像素点)扩束并会聚在像面20上的对应范围内以形成悬浮图像：1、通过设置每一个光线偏折部1461和对应的柱面微透镜1462的相对位置关系；2、设置不同位置的光线偏折部1461的倾斜角度，例如从波导的耦入端起，光线偏折部1461的倾斜角度逐渐增加；和/或3、设置不同位置的柱面微透镜1462的焦距f，例如从波导的耦入端起，柱面微透镜1462的焦距f逐渐减小。如此，像面20上的悬浮图像可以和波导出光面设置为倾斜。

第七示例

图15示出根据本发明的第七示例的悬浮显示装置1500的示意图。根据第七示例的悬浮显示装置1500的若干细节与上文描述的悬浮显示装置100、600-1000或1400是相同的，在此不再赘述。以下主要描述第七示例的不同之处。

在第七示例中，图像显示单元1510为投影式显示源，配置成使得从图像显示单元1510发出的光在x方向和y方向上为不同角度的平行光。中继光组包括第一柱面镜1531和透镜1532，以使得来自图像显示单元1510的不同入射角度的在第二方向的平行光束经过第一柱面镜1531和透镜1532后在出瞳位置的出射光线依然是不同角度的第二方向的平行光束。共轭成像元件为一维格栅透射阵列结构1520，将来自第一柱面镜1531的光朝向到透镜1532透射。透镜1532可以将来自维一维格栅透射阵列结构1520的光耦合进入平板光波导1560。平板光波导1560具有多个光线偏折部(未示出)和对应的多个柱面微透镜(未示出)以用于在像面20处形成相对于波导出光面倾斜的悬浮图像。

与第一示例不同的是，悬浮显示装置1500包括采用双柱面微透镜阵列的散射屏1501，如图15B所示。采用双柱面微透镜阵列的散射屏1501作用类似于采用准直透镜(例如，柱面镜661)和单柱面微透镜阵列(例如，散射屏662)组合的效果。采用此方案，可以省去准直透镜，在实现大尺寸显示时降低了加工难度和元件成本。

以上详细描述了根据本发明的示例性实施例悬浮显示装置。采用这些悬浮显示装置，显示面上的点光束沿第一方向成像的像差较小(或无像差)、像方孔径角相对较大，满足双目视差条件，由此可以实现图像的浮空显示。这些悬浮显示装置中的光学系统易于加工，可以有效降低成本，同时通过将显示光分别在x方向和y方向上分开调制而能够消除现有技术中存在的像差问题；通过使用扩束平板而不使用y方向散射屏而能够解决悬浮图像在y方向上的定位问题；或者通过在y方向上对图像进行放大实现了光学系统的薄型化，并且具有更加灵活的光学布局。

应当理解，上述说明是示意性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各方面)可以彼此结合起来使用。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改，以使特定的状况或材料适应于本发明各个实施例的教导。虽然本文所述的材料的尺寸和类型用来限定本发明各个实施例的参数，但是各个实施例并不意味着是限制性的，而是示例性的实施例。在阅读上述说明的情况下，许多其它实施例对于本领域技术人员而言是明显的。因此，本发明的各个实施例的范围应当参考所附权利要求，以及这些权利要求所要求保护的等同形式的全部范围来确定。

Claims (10)

1.一种悬浮显示装置，包括：

图像显示单元，所述图像显示单元具有显示面且从所述显示面发出构成图像的显示光；

具有一维光栅结构的共轭成像元件，用于在第一方向上会聚所述显示光；

中继光组，设置在所述图像显示单元的光学下游，其中由所述中继光组的入瞳进入所述中继光组的第二方向的平行光束在经过所述中继光组后在其出瞳处的出射光束依然是第二方向的平行光束，所述第一方向和所述第二方向分别与所述悬浮显示装置的光轴正交；

扩束光组，设置在所述中继光组的光学下游并且用于仅在所述第二方向上对所述显示光进行扩束；以及

成像光组，设置在所述扩束光组的光学下游并且用于在所述第二方向上会聚所述显示光，

其中从所述显示面上的一点发出的光束在所述第一方向上经由所述共轭成像元件会聚在像面上的对应范围内，同时在所述第二方向上经由所述一维光学元件会聚在所述像面上的所述对应范围内，从而使得所述显示光在所述像面上形成悬浮图像。

2.如权利要求1所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述图像显示单元为：

直视式显示源，其在所述显示面处直接显示所述图像；或

投影式显示源，其将构成所述图像的光投影在所述显示面上，其中所述投影式显示源被配置成使得所述显示光在所述第二方向上是平行光。

3.如权利要求2所述的悬浮显示装置，其特征在于，在所述图像显示单元为直视式显示源的情况下，所述悬浮显示装置还包括准直光组，用于在所述第二方向上将所述显示面上的不同发光点发出的光转变为不同角度的平行光。

4.如权利要求2所述的悬浮显示装置，其特征在于，在所述图像显示单元为投影式显示源的情况下，所述悬浮显示装置还包括散射屏，用于沿所述第一方向发散光。

5.如权利要求4所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述散射屏与所述共轭成像元件之间的光程被设置成等于所述共轭成像元件与所述像面之间的光程。

6.如权利要求1所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述扩束光组包括具有多个光线偏折部的平板光波导，所述平板光波导利用全反射对入射的光线进行扩束，所述多个光线偏折部用于将所述平板光波导内的光线在不同的位置处出射。

7.如权利要求6所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述平板光波导相对于所述成像光组成角度地设置。

8.如权利要求6所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述成像光组包括一维成像镜，所述平板光波导设置在所述一维成像镜的焦平面处。

9.如权利要求6所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述成像光组包括一维透镜阵列，所述一维透镜阵列设置在所述平板光波导的出光部的表面上，其中所述一维透镜阵列中的每一个一维透镜对应于所述多个光线偏折部中的一个光线偏折部并且用于改变来自对应的光线偏折部的光线夹角。

10.如权利要求1所述的悬浮显示装置，其特征在于，所述悬浮显示装置具有设置在所述成像光组与所述扩束光组之间的孔径光阑，用于在所述第二方向上约束来自所述扩束光组的光线。

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