CN218917813U - 显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种显示装置，所述显示装置包括一个容器；一种具有透光性的透明介质，填充于所述容器内；一个光学透镜和一个显示屏，分别设置于所述容器的两端，显示屏包括一发光面和一透明保护层，且透明保护层与透明介质接触；所述光学透镜的主平面与所述发光面平行，所述光学透镜的光轴穿过所述发光面的中心；从所述透明保护层到所述光学透镜，所述透明介质的折射率沿所述光学透镜的光轴呈单调增加。本实用新型的显示装置利用透明介质折射率的连续性梯度变化来对显示屏发出的不同角度的光线进行连续的偏折和汇聚，从而提高显示装置输出的光学图像的亮度。

Description

显示装置

技术领域

本实用新型涉及显示装置技术领域，具体地说，涉及一种显示装置。

背景技术

随着有机发光二极管显示(Organic Light Emitting Diode，OLED)技术的开发和大规模制造产业的扩张，OLED显示器已经成为移动显示器的主流，也占据了中尺寸显示器甚至大尺寸TV显示屏的相当大的市场份额。然而当OLED显示技术逐渐渗透进入一些特殊的应用领域，原有的器件结构对显示器性能的制约性，就逐渐显露出来了。比如用于增强现实(Augment Reality，AR)和虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的眼镜中的微显示器，就是这样的一个典型的例子。在这种应用中，为了更加便携，需要更加轻薄的体积和重量。而为了将微显示屏输出的二维光学图像以较高传递效率和最低像差和畸变的方式传递到人眼，就需要较大的透镜系统。这就导致光学系统的体积和重量的增加。更加具体地说有大致两个原因，其一，OLED发光面通常是一个亮度在各个空间角度都近似的所谓朗伯发光面，大角度出射光的成分很高。所以微显示屏的尺寸越大，为了收集所有显示像素在宽阔的空间角度内发出的光线，透镜的直径就会相应地增加；其二，为了获得较小的图像像差和畸变，镜头的成像距离也会因此而相应地加长，整个光学系统占据的体积就会相应地膨胀。光学系统的体积增大后，承载、支撑和包裹该光学系统的外壳也会增大和变得更重。因此，AR/VR用的微显示屏的进一步微型化将是可穿戴式AR/VR眼镜发展的一个必然趋势。为了保持图像有足够的解析度，每个像素的尺寸就会变得越来越小，换言之，以PPI(point per inch)为基准的像素密度会大大增加。伴随着像素尺寸的缩小，有效发光面积和光线的输出效率就会变差。因此对于会聚光线的光学透镜的性能的要求就会更高。然而现有的技术和器件结构存在诸多瓶颈难以克服。

图1的现有技术中，静止的图像或者视频图像由OLED微显示屏4’发出。这种OLED微显示屏4’可以是做在硅驱动芯片之上的硅基微显示屏(Si-based Micro-display)，其包括了制作在硅片上的像素阵列、行扫描线、数据线和外部供电线。然后在这些电路上制作OLED阵列和相关的彩色滤光片阵列。由于使用了彩色滤光片，就可以使用发白色光线的OLED薄膜，从而就可以一次性地并且无需使用在每个不同颜色的子像素处都开孔的复杂的FMM(Fine Metal Mech)蒸发出OLED薄膜。

图1的微显示屏4’的图像数据由相关的视频发生和控制器生成然后通过数据芯片平行地通过数据线馈入显示屏。行扫描或者移位寄存器则顺序选择打开显示器内的像素阵列的某一行的所有像素的开关，让图像信号通过并行的方式馈入该行的所有像素内的存储电容中，同时开始驱动该行的OLED发光单元，使其按照最新的图像数据发出光线。

输出的光学图像包括了R、G、B三种基本颜色的光线。它们通过聚焦物镜3’变成几乎平行的光线然后被反射镜11’全反射后成为横向传播的光束95’。光束95’在镜筒15’之内传播一定距离后到达第二面发射镜12’，然后被反射至人眼或者通过一个目镜13’后到达人眼14’。

OLED的发出的光线的空间角度分布近似遵从朗伯发光表面的规律，也就是说各个方向角的发光亮度基本相等。如图1所图解的那样，OLED微显示屏4’上每个像素发出的光束是具有较大的发散角度的圆锥体，有部分该圆锥体外围的光线，如图中的92’所示，会被光阑5’所遮挡。只有在一个锥体91’之内的光线才能够被透镜3’所采集。即使在透镜3’和微显示屏4’之间没有光阑5’，但是由于透镜的F数不可能小于1，也就是说透镜的直径通常都小于透镜到显示屏的距离，也就是近似于透镜的焦距，依然会有相当部分的OLED显示屏发出的光线无法被透镜所收集从而浪费掉了。

为了改善透镜采集从显示屏发出的光线的效率，比如专利申请CN113791498A公开了图2中的一种显示装置。和图1的在先技术相比，最为显著的改变是在透镜3’和微显示屏4’之间填充了液体2’。这种液体的折射率通常都显著大于空气的折射率(近似等于1)。假设原来从微显示屏4’的固体表面进入空气媒介的光线的角度是θ₂′，同样一条光线进入液体媒介的角度根据斯涅尔折射定律，缩小为θ₂，由图2可见θ₂＜θ₂′，换句话说原本被光阑5’遮挡的部分光线92’就得以进入被透镜3’采集的圆锥体91’之内。

然而，上述改进的在先技术依然存在的缺陷之一是，即使在透镜和显示屏之间填充了折射率大于空气的透明介质，比如透明的液体或者胶质，依然会有部分从显示屏出射的大角度光线被光阑所阻抗或吸收从而无法被透镜所收集。

其二，为了提高透镜的光线采集效率而提高透明介质的折射率，会导致在透明介质和显示屏的界面，或者在透明介质和透镜的界面上，发生更强的光线反射，导致光线的损失。根据垂直入射光线的反射率公式：

在上面这个反射率R的表达式中，n₁是反射界面一侧媒介的折射率，n₂是反射界面另一侧媒介的折射率。因此，只要透明介质的折射率和显示屏或者透镜的折射率不一样，就会发生发射光线的反射，以及产生由于反射带来的光量的损失。因此，开发一种光学结构能够完全消除或能在某种程度上弥补上述两个缺陷，则是本实用新型的主要目的。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域技术人员已知的现有技术的信息。

实用新型内容

针对现有技术中的问题，本实用新型的目的在于提供一种显示装置，利用沿着光学透镜的光轴的透明介质折射率的连续性梯度变化来对显示屏发出的不同角度的光线进行连续的偏折和汇聚，从而提高显示装置输出的光学图像的亮度。在一些实施例中，与透明保护层的接触的透明介质的折射率等于透明保护层的折射率n₀，与光学透镜的接触的透明介质的折射率等于光学透镜3的折射率n_L，可以使得光线从显示屏进入透明介质，以及光线从透明介质进入光学透镜时，完全不发生反射，从而最大限度地减少了表面反射引起的光量损失。同时，透明介质沿着光轴X连续递增的光学折射率使进入透明介质的光束的扩散角度逐渐缩小，从而使得原本会被光阑遮挡的部分光线能够进入光阑的通光孔并最终被光学透镜所收集。

本实用新型提供了一种显示装置，包括：

一个容器；

一种具有透光性的透明介质，填充于所述容器内；

一个光学透镜，设置于所述容器的一端，所述光学透镜的一面与所述透明介质接触；

一个显示屏，设置于所述容器的另一端，所述显示屏包括一发光面和一透明保护层，且所述透明保护层与所述透明介质接触；

所述光学透镜的主平面与所述发光面平行，所述光学透镜的光轴穿过所述发光面的中心；

所述透明保护层和所述透明介质的接触面与所述光学透镜的光轴的交点为原点，所述透明介质的折射率的空间分布为n(x,r)，n(x,r)满足：

其中，r为所述透明介质中的一点到所述光学透镜的光轴的垂直距离，x为从原点到所述光学透镜的光轴上一点的距离，L为从原点沿着所述光学透镜的光轴到所述光学透镜的距离。

根据本实用新型的一些示例，所述透明介质的折射率的空间分布n(x,r)满足：

根据本实用新型的一些示例，靠近所述透明保护层的所述透明介质的折射率大于或等于所述透明保护层的折射率。

根据本实用新型的一些示例，靠近所述光学透镜的所述透明介质的折射率小于或等于所述光学透镜的折射率。

根据本实用新型的一些示例，所述透明保护层的折射率为n₀；

所述光学透镜的折射率为n_L，所述透明介质的空间分布n(x,r)满足：0.8·f(x,r)≤n(x,r)≤1.2·f(x,r)；

其中

根据本实用新型的一些示例，1/5≤p≤3。

根据本实用新型的一些示例，所述透明介质包括第一介质，所述第一介质为液态物质、胶状物质、或为液态物质或胶状物质经由固化处理后得到的固态物质。

根据本实用新型的一些示例，所述第一介质为由液态物质或胶状物质经由固化处理后得到的固态物质，所述固化处理包括超声波加热固化、微波加热固化，远红外线热固化或者紫外线固化的处理。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

图1为一现有的显示装置的结构示意图；

图2为公开的一显示装置的结构示意图；

图3为本实用新型第一实施例的显示装置的结构示意图；

图4为本实用新型第一实施例的透明介质的折射率的分布图；

图5为一实施例中具有连续递增的折射率的透明介质对于出射光束的汇聚效应示意图；

图6为一实施例中具有连续递增的折射率的透明介质对于出射光束的汇聚效应示意图；

图7为不同实施例中的不同透明介质的折射率的分布图；

图8为显示屏发出的初始入射角度分别为50°、30°和10°的光线经过一透明介质的行进轨迹，其中，透明介质的折射率从原点的1.2线性增加至光学透镜处的2.5；

图9为显示屏发出的初始入射角度分别为50°、30°和10°的光线经过一透明介质的行进轨迹，其中，透明介质的折射率从原点的1.2以指数幂1/3增加至光学透镜处的2.5；

图10为显示屏发出的初始入射角度分别为70°、50°、30°和10°的光线入射至光学透镜平面上的高度与透明介质的折射率的指数幂的函数关系；

图11为第二实施例中的显示装置的结构示意图；

图12为第三实施例中的显示装置的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

在本说明书的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本说明书的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。表示“下”、“上”等相对空间的术语可以为了更容易地说明在附图中图示的一器件相对于另一器件的关系而使用。这种术语是指，不仅是在附图中所指的意义，还包括使用中的装置的其它意义或作业。例如，如果翻转附图中的装置，曾说明为在其它器件“下”的某器件则说明为在其它器件“上”。因此，所谓“下”的示例性术语，全部包括上与下方。装置可以旋转90°或其它角度，代表相对空间的术语也据此来解释。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本说明书所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。

图3是本实用新型第一实施例的显示装置的结构示意图，具体地，显示装置包括一个容器1、一个光学透镜3和一个显示屏4。图3中容器1为桶状，示例性地将桶状的容器1的侧壁简略为一条直线。通常，显示装置的光学透镜3和显示屏4之间设置有光阑5，参照图2。桶状的容器1中填充有一种具有透光性的透明介质2，确切地说，显示屏4、光学透镜3以及光阑5三者包围形成的密闭空间内填充有透明介质2。

光学透镜3可以为凸透镜，设置于所述容器1的一端，所述光学透镜3的一面与所述透明介质2接触；显示屏4设置于所述容器1的另一端，显示屏4实际包括一发光面和一透明保护层，且所述透明保护层与所述透明介质2接触。发光面可以为一个OLED显示屏的发光面，该OLED显示屏可以是用于可穿戴设备的微显示屏。透明保护层可以是一个覆盖在OLED显示屏上的透明玻璃盖板，玻璃盖板远离OLED显示屏的一侧表面即为与透明介质2的接触面，透明保护层也可以是直接形成于发光面上的透明保护膜层。此处的透明保护层可以理解为显示屏4与透明介质2接触的表面。

光学透镜3的主平面与所述发光面平行，所述光学透镜3的光轴X穿过所述发光面的中心；光学透镜3的主平面指的是：从显示屏4的发光面的中心，也就是光学透镜3的焦点处发出的光线经过光学透镜3折射后成为输出的平行光，延长显示屏4的发出光线与该平行光相交于一点，通过这个点做垂直于光轴的平面就是该光学透镜3的主平面，也可称为物方主平面。光阑5的通光孔的中心与光学透镜3的光轴X重合，光阑5限定从所述显示屏4发出并经由透明介质2到达光学透镜3的光线的最大发散角度。所述透明保护层和所述透明介质2的接触面与所述光学透镜3的光轴X的交点为原点O，所述透明介质2的折射率在一个旋转对称的柱坐标(x,r)的空间分布为n(x,r)，n(x,r)满足：

其中，0≤x≤L，r为所述透明介质2中任一点F到所述光学透镜3的光轴X的垂直距离或者说半径，x为从原点到所述光学透镜3的光轴X上一点的距离，x为从原点沿着所述光学透镜的光轴X到所述光学透镜3的距离。上述折射率的分布不依赖于柱坐标的旋转角度，也就是说透明介质的折射率的分布也是围绕着X轴，也就是光轴旋转对称的。

式(1)中，透明介质2的光学折射率n(x,r)从显示屏4的表面到光学透镜3的表面沿着光轴X呈现单调增加，如图4所示。透明介质2的折射率不仅是轴上距离x的函数，广义上还是半径r的函数。虽然在实际器件中，容器中的透明介质可能在某些位置其变化率接近或甚至等于零，但是基本上是保持着沿着光轴方向增加的规律。

显示屏4上每个像素发出的光束通常是具有较大的发散角度的圆锥体。发出的光线在显示屏4和透明介质2的接触面上会发生折射。折射规律遵从斯涅尔定律，也即折射角度的正弦和透明介质的折射率的乘积等于入射角的正弦和透明保护层的折射率的乘积。在没有增设透明介质之前，光学透镜、显示屏以及光阑三者包围形成的空间充满了气体，例如干燥空气或惰性气体。这些气体的光学折射率近似为1，为了提高光学透镜的光线采集效率，在光学透镜和显示屏之间填充了折射率大于空气的透明介质，比如透明的液体或者胶体，会导致在填充的透明介质和显示屏的界面，或者在透明介质和光学透镜的界面上发生更强的光线反射，导致光线的损失。本实用新型中，通过透明介质2的光学折射率沿着光轴X呈现单调增加的设置，减少透明介质和显示屏的界面、透明介质和光学透镜的界面上折射率的突变，从而减少由于界面折射率不同而发生光线的反射以及由于反射带来的光量损失。

如上所述，为了提高光学透镜的光线采集效率，在一些实施例中，靠近所述透明保护层的所述透明介质的折射率需大于或等于所述透明保护层的折射率，同时，靠近所光学透镜的所述透明介质的折射率小于或等于所述光学透镜的折射率。作为一个更加具体的应用，假设显示屏4的表面，即透明保护层的折射率为n₀；所述光学透镜3的折射率为n_L，可以让透明介质2的光学折射率n(x,r)满足：

0.8·f(x,r)≤n(x,r)≤1.2·f(x,r),(2)

其中

且0≤x≤L，p>0；公式(3)表明透明介质2的光学折射率沿着光轴X从n₀连续递增至n_L。f(x,r)是一个精确的幂函数关系式，但是考虑到透明介质的材料特性的偏差，制造过程的偏差以及驱动和使用过程中温度压力等环境因素带来的影响，透明介质的折射率在上述函数关系式f(x,r)的数值的上下浮动20％也可以认为是基本符合此规律。另外，从f(x,r)的表达式可以看出折射率不依赖于半径r,这只是本实施例的特例。

由于显示屏和光学透镜是根据器件的特性和工艺条件而单独制作的，所以其表面的光学折射率通常是不相等的。上述实施例中，与透明保护层的接触的透明介质2的折射率等于透明保护层的折射率n₀，与光学透镜3的接触的透明介质2的折射率等于光学透镜3的折射率n_L，可以使得光线从显示屏4进入透明介质2，以及光线从透明介质2进入光学透镜3时，完全不发生反射，从而最大限度地减少了表面反射引起的光量损失。同时，透明介质2沿着光轴X连续递增的光学折射率使进入透明介质2的扩散角度逐渐缩小，从而使得原本会被光阑5遮挡的部分光线能够进入光阑5的通光孔并最终被光学透镜3所收集。

通过对透明介质2的折射率的空间分布的详尽分析，当透明介质2的折射率沿着光轴X呈现单调增加的时候，从显示屏4出射的各种角度的光线的飞行轨迹都呈现出朝着光学透镜的通光孔弯曲，或者说被汇聚的倾向。图5为一实施例中具有连续递增的折射率的透明介质对于出射光束的汇聚效应示意图，其中，为了聚焦需要关注的问题，只绘出了图3中的显示装置的一半，即只示出了半个光学透镜3和半个显示屏4以及两者之间填充的透明介质2。可以看出，进入透明介质的光线的初始角度为θ₀，行进中的光线与光轴X的夹角不断被压缩，在远离显示屏4的任意一点，其与光轴X的夹角为θ_x，有θ_x＜θ₀。

另外，由于透明介质2的折射率是连续而且圆滑增加的，所以在任何一点，都不存在折射率突变的分界面，从而不存在折射率突变的分界面的光线反射。也就是说，当透明介质的折射率连续而且很圆滑地从显示屏到光学透镜逐渐增加的时候，整个透明介质的作用就相当于一个聚焦透镜。当透明介质是可以流动的液态物质或胶状物质，或者为液态物质或胶状物质经由固化处理后得到的固态物质的时候，类似于一个透镜，不同的是这里没有两种物质的交界面，当然也就不存在交界面的光线的反射问题。

当利用透明介质2的折射率的空间梯度分布来汇聚光线的时候，整个光线的行进路径上，也就是说从显示屏4到光学透镜3，透明介质2的折射率梯度迫使光线弯曲并汇聚到光学透镜3的通光孔，可以达到比较高的汇聚效果。

为了对透明介质的折射率分布做一个最佳的选择或调整，下面推导通过透明介质的光线轨迹的函数关系。假设透明介质的折射率沿着光轴X呈现一种距离x的p次方的幂指数分布，如式(2)。此时，n_o和n_L分别为x＝0和x＝L处的透明介质的折射率。图6与图5同，为具有连续递增的折射率的透明介质对于出射光束的汇聚效应示意图，其中，在x处取一个截面，如图中的虚线所示，光线在某一点穿过该截面。根据斯涅尔折射定律，该截面两侧的折射率和光线对于该截面的铅垂线的夹角的乘积相等，假设等于一个常数NS，数学公式表达为：

n(x·r)·sin(θ_x)＝NS＝常数(4)

假设从显示屏的中心出发的光线，最初角度是θ_o，有：

NS＝n_o·sin(θ_o)(5)

从图6中的微分三角形可以得出，

根据式(3)的折射率，替换式(6)中sin(θ_x)，有：

式(7)两侧对x进行积分，就获得光线的轨迹方程：

为了评估不同的折射率的空间分布对于上述推导出来的光线轨迹的影响，作为一个计算例，图7中选取了三种不同的分布曲线，其幂指数p分别为1/3、1/2和1.0。其中，横坐标为图5或图6的光轴X，假设显示屏4到光学透镜3的距离L为20mm，透明介质在显示屏4一侧的折射率初始值n_o为1.2，在光学透镜3表面测的折射率n_L为2.5。

根据幂函数曲线的名称惯例，将幂指数p等于1的曲线称为线性分布，其特征为一条直线；将幂指数p小于1的曲线统称为亚线性曲线，其二阶导数为负值，换句话说，亚线性的折射率沿着光轴X逐渐递增的速率初始时较大，然后越来越小。这样的分布或许能够让显示屏发出的光线尽早弯曲并指向透镜的通光孔。当然，从数学上来说，亚线性曲线的数学表达式不一定是一个变量的幂函数的形式，可以是指数函数或者更加复杂的函数，但是它们共同的特点就是其二阶导数为负值。在本实用新型中，体现为透明介质的折射率的空间分布n(x，r)对于变量x的二阶导数小于或等于零，也即：

实际制造出来的透明介质的折射率的实际分布也可能偏离甚至完全无法拟合任何一种通常使用的亚线性曲线的数学表达式，但是依然可以有其曲线的二阶导数小于零的规律。将幂指数p大于1的曲线称为超线性曲线。由于制作工艺的原因，或者由于材料特性等原因，透明介质的折射率沿着光轴X的变化规律也有可能接近于超线性的规律。

图8是根据式(7)的光线轨迹方程计算的三组光线的行进轨迹，其中，各曲线分别对应于显示屏射出初始角度为50°、30°和10°的光线经过一透明介质的行进轨迹，光学透镜的平面在横轴的20mm处，显示屏4在光学透镜3的焦平面上，也就是正好在横轴的零点的位置，透明介质的折射率从原点的1.2线性增加(p＝1)至透镜处的2.5。假设一个稍微特殊的情况，光学透镜3的F数＝1，也即光学透镜3的通光孔径等于20mm。此时，从显示屏中心发出的光线如射在20mm处平面的纵向高度在-10mm到+10mm的范围之内，则该些光线就能够被光学透镜3所收集，如图8中的初始角度为30°和10°的光线；从显示屏中心发出的光线如未射在该平面(纵向高度在-10mm到+10mm)内，如图8中的初始角度为50°的光线，则该些光线被光阑所遮挡或吸收了。

将透明介质2的折射率分布改为幂指数p为1/3的亚线性曲线，如图7中p＝1/3的分布曲线所示。根据式(7)的光线轨迹方程计算另外三组光线的行进轨迹，其中，各曲线分别对应于显示屏射出初始角度为50°、30°和10°的光线经过一透明介质的行进轨迹。与图8相对比可以注意到，不仅仅是初始角度为30°和10°的光线更加接近于光学透镜的光轴X，初始角度为50°的光线也被强有力地向着光轴X偏转并最终落到了光学透镜的通光孔之内。也就是说，即使透明介质2的折射率的分布有着同样的初始值和终点值，拥有亚线性曲线分布的折射率的透明介质更能提高光学透镜采集光线的效率。因此，一些实施例的显示装置中，透明介质的折射率沿着光轴X从显示屏一侧到光学透镜一侧单调增加，且该单调增加的速率从显示屏一侧到透镜光学一侧越来越小。

透明介质的折射率沿着光轴X增加的规律也可以是线性的(幂指数p等于0)，或者甚至是超线性的(幂指数p大于1)，也就是折射率单调增加的速率越来越大。虽然超线性的折射率分布也可以导致光线的汇聚，但是其效果差于线性分布。在某些特殊工艺条件的限制，由于实施的可行性和制造成本等原因，选择超线性的折射率分布也是有可能的。举例来说，在一实施例的显示装置中，透明介质的折射率沿着光轴X从显示屏一侧到光学透镜一侧单调增加，且该单调增加的速率从显示屏一侧到光学透镜一侧越来越大或保持常数。

将式(3)中幂指数p作为变量，显示屏出射的光线的初始角度为参数，图10绘出了从显示屏发出的不同初始角度的光线落在光学透镜平面上的高度和幂指数p的依赖关系。如图8和图9所示，如果光线落在光学透镜平面上的高度低于10mm，则该些光线能够被光学透镜所采集，否则光线则可能被光阑所遮挡或吸收。对于初始角度为70°的光线，几乎所有的幂指数分布都不能将其偏折到光学透镜的通光孔径之内。对于初始角度为50°或更小角度的光线，只要幂指数小于1/3，就可以将其完全偏折和汇聚到光学透镜的通光孔径之内。如果考虑到进一步采集初始角度60°左右的光线，则显示装置中透明介质的折射率沿着光轴X从显示屏一侧到光学透镜一侧，按照离开显示屏的垂直距离x的p次指数幂的规律单调增加，且有1/5≤p＜1。

对于超线性的折射率分布，考虑到光线的汇聚效果随着幂指数的增大而变弱，其幂指数不应过大，在一些实施例中，显示装置中透明介质的折射率沿着光轴从显示屏一侧到光学透镜一侧按照离开显示屏的垂直距离x的p次指数幂的规律单调增加，且有1＜p≤3。

当然，在其他一些实施例中，显示装置中透明介质的折射率沿着光轴从显示屏一侧到光学透镜一侧按照离开显示屏的垂直距离x的线性规律单调增加。由于制造工艺的复杂性和各种限制，本实用新型希望能缩小所述幂函数的幂指数的范围，从而使得制造出来的折射率分布更加接近于理想曲线，而且在可以制造的可行性范围之内。综上，根据式(7)的光线轨迹方程，优选地，显示装置中透明介质的折射率沿着光轴从显示屏一侧到光学透镜一侧按照离开显示屏的垂直距离x的p次指数幂的规律单调增加，幂指数p满足1/5≤p≤3。

下面结合附图以及具体的实施例进一步阐述如何实现本实用新型的显示装置中透明介质的折射率沿着光轴从显示屏一侧到光学透镜一侧按照离开显示屏的垂直距离x的p次指数幂的规律单调增加。可以理解的是，各个具体实施例不作为本实用新型的保护范围的限制。

图11为第二实施例中的显示装置的结构示意图，其中，透明介质2可以包括第一介质21，所述第一介质21可以为液态物质、胶状物质、或为液态物质或胶状物质经由固化处理后得到的固态物质。所述透明介质2还包括颗粒状的第二介质22，所述第二介质22分散于所述第一介质21中。所述第二介质22的颗粒尺寸在1nm至100nm之间。所述第二介质22的折射率与所述第一介质21的折射率不同。此时，第一介质可以看成是透明介质的基材，其可以为硅油等液态物质，树脂类或硅胶等胶状物质。

在一些实施例中，所述第二介质22的折射率可以大于所述第一介质21的折射率，所述第二介质22在所述第一介质21的空间分布密度为ρ(x,r)，ρ(x,r)满足：

其中，0≤x≤L，所述空间分布密度为单位体积的所述第一介质中所含所述第二介质的颗粒数量。式(9)的空间分布密度即所述第一介质中所含所述第二介质的颗粒数量沿着光轴从显示屏一侧到光学透镜一侧按照离开显示屏的垂直距离x单调增加。比如说，越是靠近光学透镜3一侧，单位体积的第一介质21中所含第二介质22的颗粒数量就越多，较高的折射率的第二介质22的颗粒在第一介质21中的密度越高，透明介质2的平均折射率就越高。

在另一些实施例中，所述第二介质的折射率小于所述第一介质的折射率，所述第二介质22在所述第一介质21的空间分布密度为ρ(x,r)，ρ(x,r)满足：

其中，0≤x≤L。式(10)的空间分布密度即所述第一介质中所含所述第二介质的颗粒数量沿着光轴从显示屏一侧到光学透镜一侧按照离开显示屏的垂直距离x单调减小。比如说，越是靠近光学透镜3一侧，单位体积的第一介质21中所含第二介质22的颗粒数量就越少，较低的折射率的第二介质22的颗粒在第一介质21中的密度越低，透明介质2的平均折射率就越高。

作为第二实施例的变体，所述第二介质22可以包括至少两种平均粒径的颗粒，且其中一种颗粒的平均粒径大于另一种颗粒的平均粒径至少10％。

图12为第三实施例中的显示装置的结构示意图，其中，透明介质2包括第一介质21和分散于所述第一介质21中的颗粒状的第二介质22外，还包括颗粒状的第三介质23，所述第三介质的颗粒同样分散于所述第一介质21中，第三介质的颗粒尺寸在1nm至100nm之间。第三介质23的材质与第二介质22的材质不同，第三介质23颗粒的折射率和质量密度也就与第二介质22的不同。第三介质23颗粒的平均粒径与第二介质22颗粒的平均粒径也不相同，优选地，所述第三介质23的折射率和第二介质22的折射率的差异(高于或低于)至少为第二介质折射率的10％，所述第三介质23的平均粒径和第二介质22的平均粒径的差异(大于或小于)至少为第二介质平均粒径的至少10％。进一步地，第三介质材料3在所述第一介质21的空间分布密度可以不同于第二介质材料2在所述第一介质21的空间分布密度，两者的空间分布密度的差异(大于或小于)也可大于10％。当然，如第二介质，第三介质23同样可以包括不同平均粒径的颗粒，在此不再赘述。

在制造过程中可以利用第一介质(液体物质、胶状物质或是固化处理后得到的固态物质)的质量密度和颗粒(第二介质颗粒和/或第三介质颗粒)的质量密度的差异产生沿着光轴方向上单调增加或单调减少的颗粒分布密度。在很多情况下，具有较高质量密度的材料的可见光折射率也相对较大。

需注意的是，第二介质的颗粒尺寸采用平均粒径的概念，平均粒径的物理含义是在第一介质中混合散布着尺寸不等的颗粒，它们的颗粒尺寸在1nm和100nm之间，但颗粒的折射率和质量密度基本相同，因为都是由同一种材料所制成。但是颗粒的尺寸一般来说都有一个统计分布，比如遵从高斯分布；或者考虑到质量管控对于粒径的筛选，也可能是两侧或者一侧被截断的高斯分布。在垂直于光轴的一个截面上可能有多个不同粒径的颗粒，经过统计和计算可以得出它们的平均粒径的数值。这个数值沿着光轴X从显示屏到光学透镜可以呈现单调增加或单调减少的趋势。而前文所述的空间分布密度，可以不考虑每种颗粒的具体粒径，只是统计在垂直于光轴X的截面上总颗粒数量，该总颗粒数量沿着光轴X方向可以单调增加，也可以单调减少。

另外需要说明的是，第一介质为由液态物质或胶状物质经由固化处理后得到的固态物质时，所述固化处理可以包括超声波加热固化、微波加热固化，远红外线热固化或者紫外线固化等处理方式。上述固化处理过程中的第一介质中可以分散有第二介质颗粒和/或第三介质颗粒，即可以看成是整个透明介质的固化过程。固化处理过程可以是将液体或胶体填充如至少一端被封装的容器1后进行固化；或者将液体或胶体填充进一个模具中进行预先固化，即透明介质做好成型后再与容器1、显示屏4以及光学透镜3组装而成。

本实用新型的显示装置利用沿着光学透镜的光轴的透明介质折射率的连续性梯度变化来对显示屏发出的不同角度的光线进行连续的偏折和汇聚。然而为了制造出这种折射率的缓慢的梯度变化，就要利用基材和掺入的颗粒的物理特性，包括但不限于颗粒的质量密度或者简单地说比重，颗粒的尺寸和形状，以至于基材和颗粒的表面吸附能力甚至于材料的表面亲合能的差异。这是本实用新型的实施例中运用不同的颗粒(不同尺寸的第二介质颗粒和/或第三介质颗粒)的物理特性和形状的原因。为了不让颗粒在基材中聚集产生团块(cluster)而影响光线的均匀传输，可以根据需要也可以在透明介质中掺入一定量的分散剂，或者说第一介质可以是混合物。这种分散剂可以让颗粒携带同样极性的电荷，使得它们相互排斥和保持一定的最小距离，不会产生较大的颗粒团块。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种显示装置，其特征在于，包括：

一个容器；

一种具有透光性的透明介质，填充于所述容器内；

一个光学透镜，设置于所述容器的一端，所述光学透镜的一面与所述透明介质接触；

一个显示屏，设置于所述容器的另一端，所述显示屏包括一发光面和一透明保护层，且所述透明保护层与所述透明介质接触；

所述光学透镜的主平面与所述发光面平行，所述光学透镜的光轴穿过所述发光面的中心；

所述透明保护层和所述透明介质的接触面与所述光学透镜的光轴的交点为原点，所述透明介质的折射率的空间分布为n(x,r)，n(x,r)满足：

其中，r为所述透明介质中的一点到所述光学透镜的光轴的垂直距离，x为从原点到所述光学透镜的光轴上一点的距离，L为从原点沿着所述光学透镜的光轴到所述光学透镜的距离。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述透明介质的折射率的空间分布n(x,r)满足：

3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，靠近所述透明保护层的所述透明介质的折射率大于或等于所述透明保护层的折射率。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的显示装置，其特征在于，靠近所述光学透镜的所述透明介质的折射率小于或等于所述光学透镜的折射率。

5.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述透明保护层的折射率为n₀；

所述光学透镜的折射率为n_L，所述透明介质的空间分布n(x,r)满足：0.8·f(x,r)≤n(x,r)≤1.2·f(x,r)；

其中

6.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于，1/5≤p≤3。

7.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述透明介质包括第一介质，所述第一介质为液态物质、胶状物质、或为液态物质或胶状物质经由固化处理后得到的固态物质。

8.根据权利要求7所述的显示装置，其特征在于，所述第一介质为由液态物质或胶状物质经由固化处理后得到的固态物质，所述固化处理包括超声波加热固化、微波加热固化，远红外线热固化或者紫外线固化的处理。

Images