CN206096710U - 一种显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种显示装置，通过电极结构控制液晶层偏转，使之形成光栅状分布，可以实现对波导层中特定模式的耦合以实现对出光方向和颜色的选择，并通过对液晶层折射率的调节以实现显示灰阶的控制。由于电极结构复用的光线耦合出射器件对出光方向的选择作用，可以有利于实现可单眼聚焦的近眼显示。由于电极结构复用的光线耦合出射器件仅需几个光栅周期即可将光线从波导层中有效耦合出来，且光栅周期一般都比较小，因此像素尺寸可以很小，有利于实现高分辨率显示。由于电极结构复用的光线耦合出射器件对于出光颜色的选择作用，因此，可以省去彩膜的设置且全部部件均可采用透明材料构成，以实现高透明度的透明显示和虚拟/增强现实显示。

Description

一种显示装置

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，尤其涉及一种显示装置。

背景技术

目前，现有的虚拟/增强现实显示和透明显示，均是使用传统结构的液晶显示面板(LCD)和有机电致发光显示面板(OLED)实现，均无法做到显示面板的高度透明，从而影响面板后方光线的透过率以及透射的光谱。

并且，随着对于显示清晰度的要求越来越高，对于高分辨率(PPI)的显示器件的需求也越来越大。而高PPI的显示器件受限于制作工艺，难于发展。

并且，传统结构的液晶显示面板(LCD)和有机电致发光显示面板(OLED)的出射光线一般为发散光线，难于实现可实现单眼聚焦的近眼显示。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种显示装置，用以采用光波导实现显示。

因此，本实用新型实施例提供了一种显示装置，包括：

相对而置的上基板和下基板；

设置于所述上基板与所述下基板之间的液晶层；

设置于所述下基板面向所述上基板一侧表面的波导层，所述波导层的折射率至少大于与所述波导层相接触膜层的折射率；

设置于所述上基板面向所述下基板一侧表面且呈阵列排布的多个与亚像素一一对应的电极结构；各所述电极结构具有等间距排列的多个电极条；以及，

至少设置于所述波导层的一个侧边的准直光源。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，还包括：设置于所述波导层面向所述上基板一侧表面且与所述电极结构一一对应的多个光栅耦合结构，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o，n_e或者n_o和n_e之间的任一值；其中，n_o为所述液晶层中液晶分子对于寻常光的折射率，n_e为所述液晶层中液晶分子对于非常光的折射率。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述光栅耦合结构从所述波导层耦合的出光方向可控的光波长λ与所述光栅耦合结构的光栅周期Λ满足如下公式：

2π/λ·N_m＝2π/λ·n_csinθ+q2π/Λ(q＝0,±1,±2,…)

其中，θ为耦合出光方向与所述波导层表面法线的夹角，N_m为所述波导层传播导模的有效折射率，n_c为空气折射率。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述光栅耦合结构的厚度不大于所述光栅耦合结构中一个光栅条的宽度。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述光栅耦合结构的厚度为100nm-1.5μm。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述电极结构中的各所述电极条与所述光栅耦合结构中各光栅条一一对应；且所述电极条的宽度不大于所述光栅条的宽度。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，各所述电极结构包含的电极条分为：间隔设置的用于加载正性电信号的相互连接的第一电极条和用于加载负性电信号的相互连接的第二电极条。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述电极结构的厚度不大于一个所述电极条的宽度。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述电极结构为透明导电材料，所述电极结构的厚度为50nm-1000nm；或，所述电极结构为金属材料，所述电极结构的厚度为30nm-200nm。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，还包括：设置于所述波导层与所述下基板之间的缓冲层。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述缓冲层的厚度为50nm-10μm。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述波导层的厚度为100nm-100μm。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述准直光源为至少三种单色激光器芯片发出的单色光的混光；或，所述准直光源为至少三种单色LED芯片发出的单色光经过准直结构后的混光；所述准直光源为白色LED芯片发出的经过准直结构后的白光；或，所述准直光源为由条状的冷阴极荧光灯管发出的光经过准直结构后的准直光。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，所述准直光源的发光垂直于所述波导层的侧边入射至所述波导层，或，以满足在所述波导层中全反射条件的倾斜角度入射至所述波导层。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o；

所述显示装置，还包括：设置于所述上基板面向所述液晶层一侧表面和/或设置于所述下基板面向所述液晶层一侧表面的配向层；

所述液晶层中液晶分子初始方向垂直于所述上基板所在平面。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，各所述光栅耦合结构的折射率为n_e或者n_o和n_e之间的任一值；

所述显示装置，还包括：设置于所述上基板面向所述液晶层一侧表面和/或设置于所述电极结构面向所述液晶层一侧表面的配向层；

设置于所述上基板背离所述液晶层一侧表面的偏光片，或，所述准直光源为准直偏振光源；

所述液晶层中液晶分子初始方向垂直于所述上基板所在平面。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，还包括：设置于所述上基板面向所述液晶层一侧表面和/或设置于所述下基板面向所述液晶层一侧表面的配向层；以及，

设置于所述上基板背离所述液晶层一侧表面的偏光片，或，所述准直光源为准直偏振光源；

所述液晶层中液晶分子初始方向平行于所述上基板所在平面。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o和n_e之间的任一值；

所述液晶层中的液晶分子为蓝相液晶材料。

在一种可能的实现方式中，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o或n_e；

所述液晶层中的液晶分子为蓝相液晶材料；

所述显示装置，还包括：设置于所述上基板背离所述液晶层一侧表面的偏光片，或，所述准直光源为准直偏振光源。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型实施例提供的一种显示装置，通过电极结构控制对应的液晶层中液晶分子偏转，使之形成光栅状分布，可以实现对波导层中特定模式的耦合，可以实现对出光方向和颜色的选择，并通过对液晶层折射率的调节从而实现显示灰阶的控制。由于电极结构与波导层隔开了一定的距离，可以有效地减小电极结构对波导层波导模式的干扰，减少暗态出光，提高器件的对比度。由于电极结构复用的光线耦合出射器件对出光方向的选择作用，因此本实用新型实施例提供的上述显示装置可以选择性地将用于显示的光线汇聚到瞳孔附近，有利于实现可单眼聚焦的近眼显示。并且，由于电极结构复用的光线耦合出射器件仅需几个光栅周期即可将光线从波导层中有效耦合出来，且光栅周期一般都比较小，在几个微米或几百纳米，因此像素尺寸可以很小，有利于实现高分辨率(PPI)显示。此外，由于电极结构复用的光线耦合出射器件对于出光颜色的选择作用，因此，可以省去彩膜的设置，且显示装置内的全部部件均可采用透明材料构成，以实现高透明度的透明显示和虚拟/增强现实显示。

附图说明

图1a为本实用新型实施例提供的显示装置的结构示意图之一；

图1b为本实用新型实施例提供的显示装置的结构示意图之二；

图1c为本实用新型实施例提供的显示装置的结构示意图之三；

图2为现有技术中光波导耦合的原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的显示装置的出光方向控制的示意图；

图4a和图4b分别为实例一的结构示意图；

图5a和图5b分别为实例二的结构示意图；

图6a和图6b分别为实例三的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型实施例提供的显示装置的具体实施方式进行详细地说明。

附图中各部件的形状和大小不反映显示装置的真实比例，目的只是示意说明本实用新型内容。

具体地，本实用新型实施例提供的一种显示装置，如图1a所示，包括：

相对而置的上基板001和下基板002；

设置于上基板001与下基板002之间的液晶层003；

设置于下基板002面向上基板001一侧表面的波导层004，该波导层004的折射率至少大于与波导层004相接触膜层的折射率；

设置于上基板001面向下基板002一侧表面且呈阵列排布的多个与亚像素一一对应的电极结构005；各电极结构005具有等间距排列的多个电极条(图中未示出)；以及，

至少设置于波导层004的一个侧边的准直光源006。

可以理解的是，准直光源006设置在波导层004在厚度方向上的侧边。

光射入单轴晶体(液晶)时，会发生双折射而产生两种互相垂直振动的偏振光，其一为寻常光，另一为非常光。非常光的振动方向垂直于寻常光振动方向，且与单轴晶体的光轴的夹角不等于90°。液晶对寻常光的折射率固定，而非常光的折射率值随着其振动方向与光轴(即液晶分子长轴的方向)的夹角而变化。当夹角为0°时，折射率为特定值，用n_e表示；当夹角介于0°到90°之间时，为变化值，用n_e'表示；夹角为90°时，n_e＝n_o。夹角越小，n_e'值越接近n_e；夹角越大，n_o'值越接近n_o值。即可以通过电极结构005控制对应的液晶层003中液晶分子的偏转，使得液晶分子的长轴方向相对于非常光的振动方向的夹角发生变化，从而改变液晶对非常光的折射率。

基于此，本实用新型实施例提供的上述显示装置，通过电极结构005控制对应的液晶层003中液晶分子偏转，使之形成光栅状分布，可以实现对波导层004中特定模式的耦合，实现对出光方向和颜色的选择，并通过对液晶层003折射率的调节从而实现显示灰阶的控制。并且由于电极结构005与波导层004隔开了一定的距离，可以有效地减小电极结构005对波导层004波导模式的干扰，减少暗态出光，提高器件的对比度。

或者，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，也可以单独设置用于将波导层004中的光线耦合出射器件，如图1c所示，具体地，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，还可以包括：设置于波导层004面向上基板001一侧表面且与所述电极结构005一一对应的光栅耦合结构007，各光栅耦合结构007的折射率为n_o，n_e或者n_o和n_e之间的任一值；其中，n_o为液晶层003中液晶分子对于寻常光的折射率，n_e为液晶层003中液晶分子对于非常光的折射率。

具体地，当液晶层003的折射率和光栅耦合结构007的折射率相等时，光栅耦合结构007的作用被掩盖，没有光从波导层005耦合出来，此时为L0状态，即灰阶最低的状态，黑态；当液晶层003的折射率和光栅耦合结构007的折射率相差最大时，光栅耦合结构007的作用最明显，光线从波导层004耦合出来的耦合效率最高，此时为L255状态，即灰阶最高的状态，亮态；当液晶层003的折射率处在以上两种情况之间时，为显示中间灰阶状态。

具体地，由于光栅耦合结构007或电极结构005复用的光线耦合出射器件对出光方向的选择作用，因此本实用新型实施例提供的上述显示装置可以选择性地将用于显示的光线汇聚到瞳孔附近，有利于实现可单眼聚焦的近眼显示。并且，由于光栅耦合结构007或电极结构005复用的光线耦合出射器件仅需几个光栅周期即可将光线从波导层004中有效耦合出来，且光栅周期一般都比较小，在几个微米或几百纳米，因此像素尺寸可以很小，有利于实现高分辨率(PPI)显示。此外，由于光栅耦合结构007或电极结构005复用的光线耦合出射器件对于出光颜色的选择作用，因此，可以省去彩膜的设置，且显示装置内的全部部件均可采用透明材料构成，以实现高透明度的透明显示和虚拟/增强现实显示。

在光通信以及集成光学中，光波导是一种比较常用的基本元器件。为了将光束有效地耦合进光波导或将光从光波导中耦合出来，一种比较常用的方法就是使用光栅耦合器。如图2所示，当入射光束或出射光束满足公式：β_q＝β_m–qK(q＝0,±1,±2,…)的位相匹配关系时，入射光即可在波导中激发m阶导模，或者m阶导模即可在给定方向上耦合出去。上式中，β_m为m阶导模的传播常数β_m＝k₀N_m，N_m为m阶导模的有效折射率，K为光栅矢量，K＝2π/Λ，Λ为光栅周期。

设入射光(或出射光)波矢方向与竖直方向夹角为θ_i，则以上位相匹配关系可进一步表示为：k₀n_csinθ_i＝k₀N_m–q2π/Λ(q＝0,±1,±2,…)。

基于此，在具体实施时，本实用新型实施例提供的上述显示装置中，设置于波导层004面向上基板001一侧表面且呈阵列排布的多个光栅耦合结构007或电极结构005复用光线耦合出射器件的作用为：从波导层004中传播的光线中，选择给定颜色光线(光波长λ)在给定方向(与波导层004表面法线的夹角θ)上的出射。因此，一个光栅耦合结构007和一个电极结构005对应于显示装置中的一个亚像素结构。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的光栅耦合结构007从波导层004耦合出的光方向可控的光波长λ与光栅耦合结构007的光栅周期Λ满足如下公式：

2π/λ·N_m＝2π/λ·n_csinθ+q2π/Λ(q＝0,±1,±2,…)

其中，θ为耦合出光方向与波导层004表面法线的夹角；N_m为波导层004传播导模的有效折射率；n_c为空气折射率。

在具体实施时，本实用新型实施例提供的上述显示装置中的某一位置的像素出光方向往往是固定的，如图3所示，由该像素相对于人眼的位置决定，即θ角是固定的。因此，可以通过调节各光栅耦合结构007的光栅周期Λ，实现选择给定颜色光线(光波长λ)在给定方向(与波导层004表面法线的夹角θ)上的出射。

具体地，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的光栅耦合结构007包括：多个间隔设置的光栅条，以及存在于相邻两个光栅条之间的光栅间隙。并且，各光栅条的材料为透明介质材料，如SiO₂，树脂材料等。并且为了确保设定波长的光线可以从波导层004出射，光栅耦合结构007中各光栅条的折射率为n_o，n_e或者n_o和n_e之间的任一值，进一步地，优选为n_o。在一个光栅耦合结构007中一光栅条和相邻的一光栅间隙组成该光栅耦合结构007的光栅周期Λ，如前所述，该光栅周期Λ由所需的出光方向以及出光颜色决定。并且，在光栅耦合结构007中的占空比一般为0.5(光栅条和光栅间隙的比例)，但在实际产品设计中根据所需出光强度，平衡显示面板不同位置亮度的差异、工艺条件等因素的考虑，占空比可以偏离该数值。

具体地，为了便于采用刻蚀的方式制作出光栅耦合结构007，在具体实施时，一般要求光栅耦合结构007的厚度不大于一个光栅条的宽度，但也不限于此。可以理解的是，具体地，光栅耦合结构007中的所有光栅条的厚度相同，即为光栅耦合结构007的厚度，光栅耦合结构007中的所有光栅条的宽度都相同。

进一步地，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的各光栅耦合结构007的厚度一般控制在100nm-1.5μm之间。并且，对应于不同颜色(RGB)子像素的光栅耦合结构007的厚度可以相同也可以不同。例如，可以选择各光栅耦合结构007的厚度统一为300nm左右。

具体地，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的电极结构005中各电极条与光栅耦合结构007中各光栅条一一对应；且电极条的宽度不大于光栅条的宽度，具体可以等于光栅条的宽度。

具体地，为了便于电极结构005中的电极条产生电场控制液晶旋转，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，各电极结构包含的电极条可以分为：交替设置的用于加载正性电信号的相互连接的第一电极条和用于加载负性电信号的相互连接的第二电极条。即将第一电极条和第二电极条相间设置，相比上下面电极设置的电极结构，本实用新型实施例提供的在同一平面内正负电极相间设置的电极间距更小，电极间电场更强，对液晶分子的控制能力更强，可以获得更快的响应速度以及更小的驱动电压。并且，还可以有效的减小电极材料与液晶材料折射率不匹配所引起的黑态漏光问题。

具体地，为了便于采用刻蚀的方式制作出电极结构005，在具体实施时，一般要求电极结构005的厚度不大于一个电极条的宽度。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，电极结构005可以选择透明导电材料，例如ITO等，此时，电极结构005的厚度可以控制在50nm-1000nm之间，一般为100nm左右。或者，电极结构005也可以选择较薄的金属材料，如Au或Ag-Mg合金等，此时，电极结构005的厚度可以控制在30nm-200nm之间。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的上基板001和下基板002一般由常用的液晶显示面板(LCD)或有机电致发光显示面板(OLED)的衬底基板构成，或者也可以使用一些特殊的光学玻璃或树脂材料等。并且，上基板001和下基板002的厚度一般控制在0.1mm-2mm左右，其参数由具体的产品设计或工艺条件决定，并且要求其上下表面具有较好的平整度及平行度。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，为了使波导层004可以进行尽可能有效地光波导，较佳地，需要波导层004的折射率除了大于与波导层004相接触膜层的折射率之外，最好可以大于其他各层结构的折射率，即在显示装置中波导层004的折射率最大。并且，在某些结构设计中需要波导层004的折射率越高越好，且一般要求波导层004透明，但不限于此。在具体实施时，可以选择Si₃N₄等材料制作波导层004，也不限于此。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，波导层004的厚度一般控制在100nm-100μm，当准直光源006的准直性比较好或可以对耦合入波导层004中模式进行有效控制时，波导层004的厚度可以适当增厚，以增加入光效率，比如500nm-100μm之间即可；当准直光源006的准直性比较差时，为了便于光栅耦合结构007对出光方向和颜色的控制，波导层004的厚度需要足够薄，最好为单模波导，例如波导层004的厚度为100nm，但不限于此。

在具体实施时，为了提高波导层004薄膜生长的均匀性，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，如图1b和图1c所示，还可以包括：设置于波导层004与下基板002之间的缓冲层008。在下基板002上先制作缓冲层008之后，在缓冲层008上生长波导层004有助于获得较好的波导层004的薄膜质量。在具体实施时，

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，缓冲层008的厚度一般控制在50nm-10μm之间。且缓冲层008一般为折射率小于波导层004折射率的透明介质材料，如SiO₂、树脂材料等。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的准直光源006可以为至少三种单色激光器芯片发出的单色光的混光，例如：红(R)、绿(G)、蓝(B)三色的半导体激光器芯片经过混光后制成该准直光源006。或者，准直光源006也可以为至少三种单色LED芯片发出的单色光经过准直结构后的混光，例如：R、G、B三色的LED芯片经过准直、混光后制成该准直光源006。或者，准直光源006还可以为白色LED芯片发出的经过准直结构后的白光，例如：白光LED芯片经过准直后制成该准直光源006。或者，该准直光源006也可以为由条状的冷阴极荧光管(CCFL灯管)发出的光线经过准直结构后制成的准直光，准直光源006不限于上述类型。

并且，在具体实施时，为了使准直光源006可以有效从波导层004的侧边入射至波导层004中传播，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的准直光源006一般与波导层004的侧边宽度匹配，具体地，可以使用和波导层004宽度一致的激光器芯片或LED芯片条，或者在较稀的激光器芯片或LED芯片条前加一些扩束结构。

进一步地，在具体实施时，为了使准直光源006可以有效的在波导层004中传播，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中的准直光源006的发光一般设置于垂直于波导层004的侧边入射至波导层004。并且，应该尽量对准波导层004入射该准直光源006，当波导层004的厚度较厚时，准直光源006也可以采用以满足在波导层004中全反射条件的倾斜角度入射至波导层004，即准直光源006以设定倾角入射至波导层004，以增加波导光栅的出光效率。

在实际操作时，准直背光006所发射的光线不可能绝对准直，总会有较小的发散角。其中，准直背光006射向波导层004之上膜层例如液晶层003的分量会被如图1所示的液晶层003最外面的封框胶009吸收，因此，实际不会出现准直背光006射入液晶层003的情况。此外，由于缓冲层008和下基板002的厚度大于波导层004的厚度，若准直背光006的所发射光线被耦合进缓冲层008和下基板002时，缓冲层008和下基板002也会充当辅助波导的作用。具体地，由于波导层的折射率大于与其相邻膜层的折射率，因此，准直背光006射向下基板002的分量，不会被下基板002很好的束缚，而是被源源不断地注入到波导层004中，补充波导层004中的波导模式因传播或光栅耦合所引起的衰减。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，液晶层003会填充在电极结构005和光栅耦合结构007的光栅间隙处，液晶层003的厚度一般在几百纳米至几微米，一般控制在1μm左右。

在具体实施时，在本实用新型实施例提供的上述显示装置中，可以根据所需的显示模式以及灰阶的实现方式，来选择液晶层003的液晶材料。

下面通过几个实例来具体说明本实用新型实施例提供的上述显示装置可实现的显示模式。

实例一：液晶分子的光轴在垂直于显示面板的平面内旋转的显示模式。

在此种显示模式下，本实用新型实施例提供的上述显示装置，如图4a所示，还包括：设置于上基板001面向液晶层003一侧表面和/或设置于下基板002面向液晶层003一侧表面的配向层010(一般为PI，厚度在30nm-80nm)，也可以不包含配向层，图4a中示出了配向层010仅设置在上基板001面向液晶层003一侧表面的情况。通过设置的配向层010可以控制液晶层003中液晶分子的初始取向，使液晶层003中液晶分子初始方向垂直于上基板001所在平面，此时为L255灰阶，该显示模式为常白显示模式。

在具体实施时，通过调节各电极结构005施加的电压作用于液晶层003的电场，即可实现液晶分子在垂直于显示面的平面内旋转，以实现液晶层003的折射率在n_o和n_e之间的调节，从而实现不同的灰阶。如图4b所示，当液晶分子的取向平行于上基板001时，为L0灰阶。由于仅有偏振方向平行于下基板002且垂直于光栅耦合结构007的长度方向的偏振光(非常光即e光)才能感受到液晶层003的折射率变化，而偏振方向平行于下基板002且平行于光栅耦合结构007的长度方向的偏振光(寻常光即o光)感受不到液晶层003的折射率变化，因此该显示模式的显示光e偏振光。

以光栅耦合结构007的折射率等于n_o为例，当液晶层003的折射率和光栅耦合结构007的折射率相等，即均为n_o时，光栅耦合结构007的作用被掩盖，没有光从波导层004耦合出来，此时灰阶最小，为L0状态；当液晶层003的折射率(n_e)和光栅耦合结构007的折射率(n_o)相差最大时，光栅耦合结构007的作用最明显，光线从波导层004耦合出来的耦合效率最高，此时灰阶最大，为L255状态；当液晶层003的折射率处在以上两种情况之间时，为其他灰阶状态。

在该实现方式中，光栅耦合结构007耦合出来的光的偏振方向为平行于下基板且垂直于光栅耦合结构007的长度方向时，才能感受到上述折射率的变化，其他偏振方向的光不会感受到上述折射率的变化，因而无需设置偏光片。

另外，对于向列相液晶而言，一般需要在液晶层003的上表面增加一层配向层或上下两面均增加配向层，以控制液晶层003的初始方向，确保液晶分子可以在施加电压的控制下按照上述方式进行旋转，因此，VA型显示面板为常白模式。而某些液晶材料不需要设置配向层。

以上所描述均为光栅耦合结构007的折射率等于或接近于n_o的情况，此时显示器件不需要在出光侧添加偏光片或要求侧入式准直光源为偏振光，即可实现正常显示。

当光栅耦合结构007的折射率等于n_e或介于n_o和n_e之间时，此时显示器件需要在出光侧添加偏光片，即在上基板001背离液晶层003一侧表面设置偏光片；或者要求准直光源为准直偏振光源，以消除出光情况不受液晶取向偏转所控制的偏振光的干扰，且该显示模式一般要求液晶为正性液晶。

实例二：液晶分子的光轴平行于显示面的平面内旋转的显示模式。

在此种显示模式下，本实用新型实施例提供的上述显示装置，如图5a所示，还包括：设置于上基板001面向液晶层003一侧表面和/或设置于下基板002面向液晶层003一侧表面的配向层010(一般为PI，厚度在30nm-80nm)，图5a中示出了配向层010仅设置在上基板001面向液晶层003一侧表面的情况；以及，设置于上基板001背离液晶层003一侧表面的偏光片011，或，准直光源为准直偏振光源。通过设置的配向层010可以控制液晶层003中液晶分子的初始取向，使液晶层003中液晶分子初始方向平行于上基板001所在平面，例如使液晶分子初始方向处于平行于上基板001且垂直于纸面的状态，且偏振片选择偏振方向垂直于纸面的偏振光透过或入射光即为偏振方向垂直于纸面的偏振光，此时为L255灰阶，该显示模式为常白显示模式。

以光栅耦合结构007的折射率等于n_o为例，如图5b所示，当液晶层003的折射率和光栅耦合结构007的折射率相等，即均为n_o时，光栅耦合结构007的作用被掩盖，没有光从波导层004耦合出来，此时灰阶最小，为L0状态；如图5a所示，当液晶层003的折射率(n_e)和光栅耦合结构007的折射率(n_o)相差最大时，光栅耦合结构007的作用最明显，光线从波导层004耦合出来的耦合效率最高，此时灰阶最大，为L255状态；当液晶层003的折射率处在以上两种情况之间时，为其他灰阶状态。

由于光的偏振方向在第一方向和第二方向内均能感受到上述折射率的变化，第一方向为偏振方向在平行于下基板002且垂直于光栅条的长度方向，第二方向为偏振方向在平行于下基板002且平行于光栅条的长度方向，所以需要在上基板001上或者在侧入式光源上添加一层偏光片来选择一种偏振光(第一方向或第二方向)。

另外，对于向列相液晶而言，一般需要在液晶层003的上表面增加一层配向层或上下两均增加配向层，以控制液晶层003的初始方向，确保液晶分子可以在施加电压的控制下按照上述方式进行旋转，另外通过控制液晶分子的初始方向和偏光片的检偏方向的相对关系确定显示面板为常白模式(液晶分子的初始方向和偏光片的检偏方向一致)或常黑模式(液晶分子的初始方向和偏光片的检偏方向垂直)。而某些液晶材料不需要设置配向层。该显示模式下液晶分子为正性液晶和负性液晶均可。

实例三：使用蓝相液晶的显示模式。

在此种显示模式下，本实用新型实施例提供的上述显示装置，如图6a所示，液晶层003中的液晶分子选择为蓝相液晶材料，且不用设置配向膜。在各电极结构005未施加电压时，如图6a所示，液晶分子为各向同性状态，如图6b所示，在施加电压时为各向异性状态，这种各向异性状态两种偏振光都可以感受到，因此相比前几种实施例，具有更高的出光效率。

具体地，由于在非加电状态下，蓝相液晶为各向同性的，在各个方向上折射率相同，两种偏振光通过液晶的折射率均为n；在加电状态下，蓝相液晶为各向异性的，寻常光(o光)的折射率为n_o，非常光(e光)的折射率为n_e，n_o<n<n_e。

因此，可以选择各向同性状态为L0状态(光栅耦合结构007的折射率为n)，没有光耦合出射；各向异性状态为L255状态，此时两种偏振光均可以耦合出来，具有较高的出光效率。也可以选择各向异性状态为L0状态(光栅耦合结构007的折射率为n_o或n_e)，各向同性状态为L255状态，此时需要入射光为偏振光即准直背光源为准直偏振光源，或在出光侧添加偏光片，即在上基板001背离液晶层003一侧表面设置偏光片。

具体地，本实用新型实施例提供的上述显示装置可以为：虚拟现实/增强显示设备、近眼显示设备、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。

本实用新型实施例提供的上述显示装置，通过电极结构控制对应的液晶层中液晶分子偏转，使之形成光栅状分布，可以实现对波导层中特定模式的耦合，可以实现对出光方向和颜色的选择，并通过对液晶层折射率的调节从而实现显示灰阶的控制。由于电极结构与波导层隔开了一定的距离，可以有效地减小电极结构对波导层波导模式的干扰，减少暗态出光，提高器件的对比度。由于电极结构复用的光线耦合出射器件对出光方向的选择作用，因此本实用新型实施例提供的上述显示装置可以选择性地将用于显示的光线汇聚到瞳孔附近，有利于实现可单眼聚焦的近眼显示。并且，由于电极结构复用的光线耦合出射器件仅需几个光栅周期即可将光线从波导层中有效耦合出来，且光栅周期一般都比较小，在几个微米或几百纳米，因此像素尺寸可以很小，有利于实现高分辨率(PPI)显示。此外，由于电极结构复用的光线耦合出射器件对于出光颜色的选择作用，因此，可以省去彩膜的设置，且显示装置内的全部部件均可采用透明材料构成，以实现高透明度的透明显示和虚拟/增强现实显示。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种显示装置，其特征在于，包括：

相对而置的上基板和下基板；

设置于所述上基板与所述下基板之间的液晶层；

设置于所述下基板面向所述上基板一侧表面的波导层，所述波导层的折射率至少大于与所述波导层相接触膜层的折射率；

设置于所述上基板面向所述下基板一侧表面且呈阵列排布的多个与亚像素一一对应的电极结构；各所述电极结构具有等间距排列的多个电极条；以及，

至少设置于所述波导层的一个侧边的准直光源。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括：设置于所述波导层面向所述上基板一侧表面且与所述电极结构一一对应的多个光栅耦合结构，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o，n_e或者n_o和n_e之间的任一值；其中，n_o为所述液晶层中液晶分子对于寻常光的折射率，n_e为所述液晶层中液晶分子对于非常光的折射率。

3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述光栅耦合结构从所述波导层耦合出的光方向可控的光波长λ与所述光栅耦合结构的光栅周期Λ满足如下公式：

2π/λ·N_m＝2π/λ·n_csinθ+q2π/Λ(q＝0,±1,±2,…)

其中，θ为耦合出光方向与所述波导层表面法线的夹角，N_m为所述波导层传播导模的有效折射率，n_c为空气折射率。

4.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述光栅耦合结构的厚度不大于所述光栅耦合结构中一个光栅条的宽度。

5.如权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述光栅耦合结构的厚度为100nm-1.5μm。

6.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述电极结构中的各所述电极条与所述光栅耦合结构中各光栅条一一对应；且所述电极条的宽度不大于所述光栅条的宽度。

7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，各所述电极结构包含的电极条分为：间隔设置的用于加载正性电信号的相互连接的第一电极条和用于加载负性电信号的相互连接的第二电极条。

8.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括：设置于所述波导层与所述下基板之间的缓冲层。

9.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述准直光源为至少三种单色激光器芯片发出的单色光的混光；或，所述准直光源为至少三种单色LED芯片发出的单色光经过准直结构后的混光；或，所述准直光源为白光LED芯片经过准直结构后的白光；或，条状的冷阴极荧光灯管发出的光经过准直结构后的准直光。

10.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述准直光源的发光垂直于所述波导层的侧边入射至所述波导层，或，以满足在所述波导层中全反射条件的倾斜角度入射至所述波导层。

11.如权利要求2-10任一项所述的显示装置，其特征在于，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o；

所述显示装置，还包括：设置于所述上基板面向所述液晶层一侧表面和/或设置于所述下基板面向所述液晶层一侧表面的配向层；

所述液晶层中液晶分子初始方向垂直于所述上基板所在平面。

12.如权利要求2-10任一项所述的显示装置，其特征在于，各所述光栅耦合结构的折射率为n_e或者n_o和n_e之间的任一值；

所述显示装置，还包括：设置于所述上基板面向所述液晶层一侧表面和/或设置于所述电极结构面向所述液晶层一侧表面的配向层；

设置于所述上基板背离所述液晶层一侧表面的偏光片，或，所述准直光源为准直偏振光源；

所述液晶层中液晶分子初始方向垂直于所述上基板所在平面。

13.如权利要求1-10任一项所述的显示装置，其特征在于，还包括：设置于所述上基板面向所述液晶层一侧表面和/或设置于所述下基板面向所述液晶层一侧表面的配向层；以及，

设置于所述上基板背离所述液晶层一侧表面的偏光片，或，所述准直光源为准直偏振光源；

所述液晶层中液晶分子初始方向平行于所述上基板所在平面。

14.如权利要求2-10任一项所述的显示装置，其特征在于，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o和n_e之间的任一值；

所述液晶层中的液晶分子为蓝相液晶材料。

15.如权利要求2-10任一项所述的显示装置，其特征在于，各所述光栅耦合结构的折射率为n_o或n_e；

所述液晶层中的液晶分子为蓝相液晶材料；

所述显示装置，还包括：设置于所述上基板背离所述液晶层一侧表面的偏光片，或，所述准直光源为准直偏振光源。