一种平板光波导和显示装置的制作方法

本发明涉及三维显示技术领域，特别涉及一种集成成像显示技术。

背景技术：

视觉是人类感知世界的主要途径，人类获取的信息约80％来自于视觉，长期以来，表达可视信息的主要方法仍然是二维显示。传统的二维显示技术遗失了真实物理世界的深度信息，无法准确表达三维空间关系，而且只能呈现单个角度上物体的表面特性。这一缺陷严重地阻碍了人类对客观世界的感知，如何在真实物理空间实现三维重现一直是人们孜孜以求的目标。为了真实地描述客观三维世界，人们努力用各种方法在空间里呈现出虚拟的三维场景。三维显示在传统二维显示的基础上通过提供各种生理和心理上的调节线索产生深度暗示，并通过大脑进行融合形成三维感知。

在现有的三维显示技术中，集成成像法(integralimaging)是一种重要的三维显示技术，该技术由法国科学家lippmann于1908年提出的集成摄像术(integralphotography)发展而来。集成成像通过二维透镜阵列来记录和再现真实三维场景，原理图如图1a、图1b所示。在记录过程中，透镜阵列中每个透镜对三维场景进行成像，得到一系列独立的二维图像，这些图像分别称作元素图像。元素图像各不相同，它们表示的是透镜从不同视角记录得到的三维物体的信息。所有元素图像在记录介质上的排列称为元素图像阵列，元素图像阵列包含了物体的三维信息。再现过程中，元素图像阵列由显示面板显示出来，显示面板前面放置透镜阵列，元素图像发出的光线经过透镜阵列后在像空间集成出一个个体像素点，所有的这些像素点构成了三维物体的像。因此集成成像是一种真三维显示技术，由于集成成像技术得到的三维图像包含连续的视差信息，观看者在不同位置看到的三维信息是不同的。与同样是真三维显示技术的全息术相比，集成成像在记录和再现时不需要相干光源，而且实时性较好，可实时再现动态三维场景。同体显示技术相比，集成成像技术具有结构简单、易实现、实时性好的优势。

悬浮显示是集成成像技术的一种，当微透镜阵列每个单元透镜下对应的单元图像为相同时，单元图像经过透镜阵列的光线在空中叠加，单元图像对应的相同点在空间中叠加形成悬浮图像的一个点，单元图像的所有点在空中叠加后，形成成像在同一高度的悬浮图像，悬浮图像为实像，如图2所示，微图像阵列10，通过微透镜阵列20，在空间中形成悬浮的实像“a”。drinkwater等人在美国专利us5712731a中率先提出将半球形微透镜阵列与微图像阵列相结合的用于防伪的安全器件，在中国专利cn103176276a中揭示了采用图像阵列显示器搭配透镜阵列用于实现动态悬浮显示的方法。采用显示器实现微图像阵列，对显示器的像素尺寸，分辨率具有很高的要求，如果需要显示一幅100*100分辨率的悬浮图像，则需要显示器具有约100*100个单元图像阵列，单元图像的分辨率为100*100，单元图像数量如果过少，则意味着悬浮显示图像每一点的光线数目过少，容易引起人眼的观看的疲劳，甚至没有悬浮效果，这样显示器的分辨率需要达到10000*10000。同时单元图像的间隔也需要比较小，间隔过大，每个视点间隔也大，同样会引起观看的不适，所以显示像素尺寸也需要做的很小，通常要小于10um才会有较好的效果，目前的显示器制造技术还难以加工如此规格的显示器，因此难以实现真正的商业应用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种平板光波导，包括若干个第一矩形棒和若干个第二矩形棒，第一矩形棒和第二矩形棒沿水平方向交替密接排列，形成平板结构。第一矩形棒的折射率为n1，第二矩形棒的折射率为n2，n1>n2>1，第一矩形棒用来全反射传输光线，第二矩形棒用以形成第一矩形棒在水平方向的全反射条件。作为本发明的一种优选方案，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的轴向长度，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的高度，其高度为平板光波导的厚度，为3mm以下，第一矩形棒的宽度大于第二矩形棒的宽度，第一矩形棒的宽度小于等于300um，第二矩形棒的宽度不大于20um。所述平板光波导中的第一矩形棒为可见光波段透明材质，如玻璃，pmma等，第一矩形棒的折射率n1的取值范围是1.4-2.0,第二矩形棒的折射率n2的取值范围为1.2-1.5。所述平板光波导中的矩形棒的端面可以垂直于矩形棒的轴向，也可以与矩形棒倾斜成一定夹角，所述矩形棒的端面构成平板光波导的光线入射面，光线从第一矩形棒的端面入射，沿第一矩形棒轴向传播。作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导包括相对平行设置的两个表面，平板光波导中的矩形棒的轴向与水平方向构成第一平面，所述相对平行设置的两个表面与第一平面平行，其中至少一个表面具有微结构，用于改变第一矩形棒内光线的传播方向，将光线从第一矩形棒耦合输出。作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导表面的微结构为纳米衍射光栅或微棱镜，其中纳米衍射光栅为具有相同光栅周期的一组纳米衍射光栅，纳米衍射光栅的光栅周期范围是250nm-900nm，或者不同微棱镜的结构为相同。平板光波导表面的微结构用于改变平板光波导内光线的传播方向，使光线耦合输出平板光波导，该微结构不改变光波导内光线的发散特性，平行光射入平板光波导，出射光仍然为平行光。作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导表面的纳米衍射光栅也可以为包括若干组不同光栅周期的纳米衍射光栅，沿第一矩形棒的轴向方向，不同纳米光栅组的纳米光栅的光栅周期大小为渐变，光栅周期逐渐增大或逐渐减小，或者平板光波导表面的不同微棱镜的结构为不相同，在这种微结构的设置下，会改变光波导内光线的发散特性，平行光射入平板光波导，出射光为汇聚或发散光。作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导的表面也可以不包括微结构，第一矩形棒内包含多个部分反射表面，用于改变第一矩形棒内光线传播方向，将光线从第一矩形棒耦合输出。所述平板光波导的第二矩形棒中掺杂有光吸收材料，用于吸收从第一矩形棒的侧面射出的光线。

一种悬浮显示装置，包括光引擎和上述的平板光波导，所述光引擎包括显示芯片和准直光学单元，显示芯片用于产生图像，准直光学单元用于将显示芯片不同像素点发出的光准直成不同角度的平行光。显示芯片放置于准直光学单元的焦平面处；所述准直光学单元为凸透镜或凹面镜。作为本发明的一种优选方案，所述光引擎中的准直光学单元为一维准直光学单元，用于将显示芯片一个方向上不同像素点发出的光准直成不同角度的平行光。所述显示芯片包含m行，n列的显示像素，m>2,n>2,不同列显示像素之间的间距等于所述平板光波导第一矩形棒之间的间距；每一列像素发出的光线通过准直光学单元后入射到对应的同一个第一矩形棒内，每个第一矩形棒传输一列显示像素信息光波。作为本发明的一种优选方案，所述显示芯片的像素分成r,g,b三个子像素，rgb子像素沿第一，第二矩形棒交替排列的方向交替排列，每一列子像素发出的光线通过准直光学单元后入射到对应的同一个第一矩形棒内，每个第一矩形棒传输具有某种颜色的一列子像素显示像素信息光波。所述光引擎的显示芯片为micro-led,oled，dmd,lcd,lcos,htps等各种平板显示器。作为本发明的一种优选方案，所述悬浮显示装置还包括一维成像单元，用于使平板光波导出射的光线在所述平板光波导矩形棒的轴向方向偏折，形成汇聚或发散效果而不改变另一方向的光线传播方向。作为本发明的一种优选方案，所述一维成像单元为柱面透镜或一维全息透镜。

本发明揭示的平板光波导，可以使显示芯片不同列像素光波在不同的通道传输，而不相互干扰。本发明揭示的悬浮显示装置采用本发明所述的平板光波导，光引擎输出的图像在光波导内多次反射，然后出射的方法，拓展了出光光瞳，采用微结构或者搭配透镜改变光波导内光线的发散特性，在空间中实现了单方向可观看的悬浮图像的显示。该技术方案相对于现有的采用多个图像阵列搭配透镜在空间中形成悬浮图像显示的方法，不需要超高显示分辨率的显示模组，减小了显示装置的面积，结构更简单，方式更加灵活，可以实现全彩色，高分辨率的悬浮显示。

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1a为集成成像显示原理图；

图1b为集成成像显示原理图；

图2为悬浮显示原理图；

图3为本发明实施例提供的一种平板光波导结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种平板光波导结构俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种平板光波导结构侧视图；

图6为本发明实施例提供的一种平板光波导结构侧视图；

图7为本发明实施例提供的一种平板光波导结构侧视图；

图8为本发明实施例提供的一种悬浮显示装置结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种显示芯片像素排列示意图；

图10为本发明实施例提供的一种光引擎光路示意图；

图11为本发明实施例提供的一种平板光波导光路示意图；

图12为本发明实施例提供的一种纳米衍射光栅汇聚效果仿真图；

图13为本发明实施例提供的一种平板光波导光路示意图；

图14为本发明实施例提供的一种平板光波导光路示意图；

图15为本发明实施例提供的一种悬浮显示装置结构示意图；

图16为本发明实施例提供的一种光引擎结构示意图；

具体实施方式

现有采用微图像阵列实现悬浮显示的技术中，每个单元图像提供了一个视角方向的悬浮图像的灰度和颜色信息，实际上悬浮显示图像的灰度和颜色信息只需要一个微图像单元提供即可，不同视角方向的灰度和颜色信息因为是相同，所以本发明采用特殊的平板光波导结构将微图像单元的灰度和颜色信息拓展提供给不同视角方向，实现悬浮显示。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明揭示的平板光波导结构如图3所示，平板光波导200包括若干个第一矩形棒201和若干个第二矩形棒202，第一矩形棒和第二矩形棒沿水平方向交替密接排列，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的轴向长度l，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的高度h,第一矩形棒的宽度为w1，第二矩形棒宽度为w2。矩形棒的端面构成平板光波导的光入射面210，矩形棒的侧壁构成平板光波导的第一表面220和第二表面230。平板光波导的俯视图如图4所示，第一矩形棒的折射率为n1，第二矩形棒的折射率为n2，n1>n2>1，第一矩形棒用来全反射传输光线，第二矩形棒用以形成第一矩形棒在水平方向的全反射条件。作为本发明的一种优选方案，第一矩形棒和第二矩形棒为透明材质，如玻璃，pmma等。第一矩形棒的折射率n1的取值范围为1.4-2.0,第二矩形棒的折射率n2的取值范围为1.2-1.5。因为平板光波导外部的空气折射率为1，所以第一矩形棒内的光线在上下左右方向都可以全反射传输，每个第一矩形棒形成一个光波传输通道。因为平板光波导用于平板悬浮显示装置，作为本发明的一种优选方案，矩形棒的高度即平板光波导的厚度小于3mm，第一矩形棒的宽度w1大于第二矩形棒的宽度w2，因为第一矩形棒用来传输像素光波，矩形棒宽度过宽会导致传输画面解析度低，所以优选的第一矩形棒的宽度小于等于300um,第二矩形棒本身不参与光线传输，因此其宽度越小，平板光波导的光传输效率越高，优选的第二矩形棒202的宽度小于等于20um。第二矩形棒202中掺杂有光吸收材料，用于吸收从第一矩形棒201侧面射出的光线。平板光波导200可以采用类似于光纤面板加工方法制作，将多个折射率为n1,n2的平板材料交替叠加，然后拉伸切割为板状即可。

所述平板光波导中的矩形棒的端面210可以垂直于矩形棒的轴向，也可以与矩形棒倾斜成一定夹角，所述矩形棒的端面构成平板光波导的光线入射面，光线从第一矩形棒的端面入射，沿第一矩形棒轴向传播。作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导的第一表面220和第二表面230为相对平行设置，平板光波导中的矩形棒的轴向与水平方向构成第一平面x-y平面，第一表面220与第二表面230与均第一平面平行，其中至少一个表面具有微结构203，用于改变第一矩形棒内光线的传播方向，将光线从第一矩形棒耦合输出。作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导表面的微结构为纳米衍射光栅，如图5所示，纳米衍射光栅具有相同的周期结构，衍射光栅的光栅周期范围是250nm-900nm，纳米光栅的占空比为50％。一定角度的平行光从平板光波导的入射面210入射，光线在平板光波导内全反射传播，经过纳米光栅发生衍射，0级光继续在光波导内全反射传输，1级或-1级光线改变传输方向射出平板光波导，出射光角度满足光栅方程d(sinα±sinβ)＝mλ(m＝±1,±2…)，m为衍射级数。纳米衍射光栅不改变光波导内光线的发散特性，平行光射入平板光波导，出射光仍然为平行光。作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导200的第一表面220的微结构为若干微棱镜203，若干微棱镜的结构为相同，为倒梯形结构，如图6所示。微棱镜的尺寸为上底宽50um，下底宽30um，高为20um。微棱镜的折射率为n1，与第一矩形棒的折射率相同。一定角度的平行光从平板光波导的入射面210入射，光线在平板光波导内全反射传播，经过微棱镜的光线通过微棱镜侧壁2032全反射射出平板光波导，出射光的角度，由入射光角度和微棱镜侧壁2032的倾斜角度决定。微棱镜不改变光波导内光线的发散特性，平行光射入平板光波导，出射光仍然为平行光。棱镜微结构不局限于本实施例所揭示的结构，也可以为三角形，直梯形等各种结构，微棱镜结构可以凸起于平板光波导，也可以为凹陷于平板光波导的内部。所述平板光波导的微结构可以采用纳米压印的方式加工制作。

作为本发明的一种优选方案，所述平板光波导的表面也可以不包括微结构，如图7所示，平板光波导200包括相对设置的第一表面220、第二表面230和入射表面210，第一表面220和第二表面230为全反射表面，第一表面220和第二表面230之间设有多个改变部分光线传播方向的部分反射面240，为了使平板光波导出射光的亮度分布均匀，不同部分反射面240的反射率沿着光线在光波导内的传播方向依次递减，透过率依次递增。多个部分反射面240具有相同的倾斜角度。一定角度的平行光从平板光波导的入射面210入射，光线在平板光波导内全反射传播，经过部分反射面240的部分光线通过部分反射面反射射出平板光波导，出射光的角度，由入射光角度和部分反射面240的倾斜角度决定。部分反射面不改变光波导内光线的发散特性，平行光射入平板光波导，出射光仍然为平行光。所述部分反射面的制作可以通过将平板光波导按照部分反射面需要的倾斜角度切割成多片，然后在每一片的切面蒸镀上部分反射层，然后将多片平板光波导粘合在一起的方法加工。

实施例二

基于实施例一，本发明揭示的悬浮显示装置如图8所示，悬浮显示装置包括光引擎100和平板光波导200。光引擎100包括显示芯片101和准直光学单元102，作为本发明的一种优选方案，显示芯片101为oled微显示器，用于产生图像，准直光学单元102为柱面透镜，用于将显示芯片101每一列不同像素点发出的光准直成沿列方向不同角度的平行光，显示芯片101放置于柱面透镜101的焦平面处。平板光波导200的结构与实施例一相同，包括n个折射率为n1第一矩形棒201和n+1个折射率为n2的第二矩形棒202，n1>n2>1，第一矩形棒和第二矩形棒沿水平方向交替密接排列，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的轴向长度l，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的高度h,第一矩形棒的宽度为w1，第二矩形棒宽度为w2。矩形棒的端面构成平板光波导的光入射面210，矩形棒的侧壁构成平板光波导的第一表面220和第二表面230。所述显示芯片101包含m行，n列的显示像素1011，m>2,n>2,如图9所示。显示像素列与列之间的间距等于所述平板光波导第一矩形棒201之间的间距，每一列中m个像素发出的光线通过柱面透镜102准直为沿z方向不同角度的平行光，如图10所示，柱面透镜不改变显示像素发出的光线沿x方向的传播，因此每一列像素发出的光线经过柱面透镜102后在x方向仍然为具有一定发散角的光线。每一列像素沿z方向不同角度的平行光通过第一矩形棒端面210入射到对应的同一个第一矩形棒内，每个第一矩形棒传输一列显示像素信息光波，如图11所示。作为本发明的一种优选方案，第一矩形棒的表面上具有纳米衍射光栅微结构203，与实施例一不同的是，纳米衍射光栅由若干组具有不同光栅周期的纳米衍射光栅组成，在本实施例中优选的为由100组具有不同光栅周期的光栅组成，纳米光栅的周期范围是300nm-700nm，按照光线在第一矩形棒中的传播方向，不同纳米光栅组的纳米光栅的光栅周期由小到大逐渐增加，纳米光栅的占空比为40％。一定角度的平行光从平板光波导的入射面210入射，光线在平板光波导内全反射传播，经过纳米光栅发生衍射，0级光继续在光波导内全反射传输，1级或-1级光线改变传输方向射出平板光波导，出射光角度满足光栅方程d(sinα±sinβ)＝mλ(m＝±1,±2…)，m为衍射级数，d为光栅周期。纳米光栅的光栅周期按照本实施例所述的进行渐变设置后，纳米衍射光栅会改变光波导内光线的发散特性，平行光o射入平板光波导，出射光在第一矩形棒轴向方向(y方向)为汇聚一点o’，第一矩形棒内不同角度的平行光o1,o2经过不同光栅周期的纳米光栅组调制后，在空间中不同的位置汇聚为o1’和o2’点，显示芯片上每一列的其他像素点也同样的成像在空中，所成像为实像。不同角度的平行光经过衍射纳米光栅的成像效果仿真结果如图12所示。按照光线在第一矩形棒中的传播方向，不同纳米光栅组的纳米光栅的光栅周期由大到小逐渐变化，则为发散效果。因为柱面透镜在x方向对光线没有调制作用，每一列像素发出的光在x方向仍然为发散，如果采用传统的平板导光板，如图13所示，与y方向平行的o光，经过纳米衍射光栅203在空间中能够汇聚在一点o’，而与y方向不平行的光线则无法汇聚，则显示的悬浮图像在x方向没有视角范围。采用本发明揭示的平板光波导结构，则可以有效解决该问题，如图14所示，光线在第一矩形棒内除了通过第一矩形棒的上下表面220,230全反射传输，也通过第一矩形棒的左右侧壁2001,2002进行全反射传输，最后在水平方向发散的光线也会经过纳米衍射光栅203在空间中水平方向的不同位置汇聚形成实像点，如o’,o”点，这样使悬浮图像在x方向具有一定的视角范围。如此每一列的图像像素通过对应的第一矩形棒在空中形成悬浮图像，同样的，显示芯片其他列的图像像素通过其对应的第一矩形棒在空中形成悬浮图像，光引擎100显示的图像通过平板光波导200在空间形成悬浮图像，该悬浮图像具有一维视差，即人眼双目沿矩形导光棒的轴向方向(y方向)具有视差信息，沿x方向观察不具有视差信息，无悬浮效果。所形成的悬浮图像宽度为(w1+w2)*n，悬浮图像长度小于平板光波导的轴向长度l。

实施例三

基于实施例一和实施例二，本实施例提出的悬浮显示装置如图15所示，悬浮显示装置包括光引擎100，平板光波导200，成像透镜300。光引擎100如图16所示，包括led光源1001，显示芯片1002，偏振分束棱镜(pbs)1003,1/4波片1004，凹面镜1005，凹面镜为准直光学单元。作为本发明的一种优选方案，显示芯片1001为lcd微显示器，用于产生图像，led发出的光照射到lcd上，经过lcd调制为p态偏振光，lcd放置于凹面镜的焦平面处，通过lcd某一像素的光线照射通过偏振分束棱镜，通过凹面镜反射的光为平行光，被凹面镜反射回的光线两次通过1/4波片，偏振态由p态转变为s态偏振光，再次经过偏振分束棱镜1003，偏振分束棱镜将光线传输角度改变90度射出。凹面镜1005为一维柱面结构，只将lcd显示器列方向不同位置的像素发出的光转换为不同角度的平行光。

平板光波导200的结构与实施例一相同，包括n个折射率为n1第一矩形棒201和n+1个折射率为n2的第二矩形棒202，n1>n2>1，第一矩形棒和第二矩形棒沿水平方向交替密接排列，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的轴向长度l，第一矩形棒与第二矩形棒具有相同的高度h,第一矩形棒的宽度为w1，第二矩形棒宽度为w2。矩形棒的端面构成平板光波导的光入射面210，入射面为斜面并镀有反射层。平板光波导200包括相对设置的全反射表面，第一表面220、第二表面230，第一表面220和第二表面230之间设有多个改变部分光线传播方向的部分反射面240，为了使平板光波导出射光的亮度分布均匀，不同部分反射面240的反射率沿着光线在光波导内的传播方向依次递减，透过率依次递增。多个部分反射面240具有相同的倾斜角度。从光引擎100出射的一定角度的平行光o经过平板光波导的入射面210反射后入射至平板光波导，光线在平板光波导内全反射传播，经过部分反射面240的部分光线通过部分反射面反射射出平板光波导，出射光的角度，由入射光角度和部分反射面240的倾斜角度决定。部分反射面不改变光波导内光线的发散特性，平行光射入平板光波导，出射光仍然为平行光。每一列矩形导光棒构成一路传输通道，传输显示芯片1002中一列像素的图像信息光波。

在平板光波导100的出光表面220的上部设置有一维柱面透镜300，从平板光波导出射的平行光o在空间中汇聚为悬浮的实像点o’。如此每一列的图像像素通过对应的第一矩形棒在空中形成悬浮图像，同样的，显示芯片其他列的图像像素通过其对应的第一矩形棒在空中形成悬浮图像。光引擎100显示的图像通过平板光波导200和成像透镜300在空间形成悬浮图像，该悬浮图像具有一维视差，即人眼双目沿矩形导光棒的轴向方向(y方向)具有视差信息，沿x方向观察不具有视差信息，无悬浮效果。所形成的悬浮图像宽度为(w1+w2)*n，悬浮图像长度小于平板光波导的轴向长度l。

作为本发明的一种优选方案，可以将像素分成r,g,b三个子像素，rgb子像素沿水平方向(x方向)交替排列，每一个第一矩形棒201用来传输一列像素的一个颜色子像素的信息光波，如此，光引擎100显示的图像通过平板光波导200和成像透镜300在空间形成彩色悬浮图像。

作为本发明的一种优选方案，实施例二中纳米衍射光栅可以和本实施例中的成像透镜结合使用，达到缩短焦距，降低悬浮图像高度的目的。

本实施例中的成像透镜也可以替换为全息透镜，可以实现相同的技术效果。

综上所述，本发明提出的平板光波导可以分为若干通道，分别传输不同列的像素图像光波。本发明提出的悬浮显示装置，采用光引擎，平板光波导组合的方式实现了彩色动态悬浮显示，较现有采用微图像阵列的方式，不需要超高显示分辨率的模组，所成悬浮图像具有较大尺寸，结构简单，容易实现，成本低。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。