显示装置和交通工具的制作方法

1.本发明属于显示领域，具体涉及一种显示装置和交通工具。


背景技术：

2.抬头显示系统(hud)，通过光学镜片的反射或折射，将提供行驶信息的像源放大为虚像，并投影到载具驾驶员的视线正前方一定距离处，使外界的景物与行驶信息可同时出现在驾驶员的视野之内。
3.车载hud作为一种驾驶辅助系统，避免了驾驶员被混杂的信息吸引注意力，以致对突发的行驶状况不能及时做出回应，有效地提升了车辆驾驶的安全性。同时，与传统的仪表盘相比，hud系统在信息的呈现上会更为直观，降低了新手司机面对复杂路况时手足无措的风险，对驾驶员来说也更为便利。


技术实现要素：

4.本发明针对传统车载抬头显示装置采用光学镜片投影显示所存在的结构复杂、体积尺寸大、显示效果差的问题，提供一种显示装置和交通工具。该显示装置，超表面结构更加简单，体积和尺寸更小，提高超表面的结构紧凑性，降低超表面的量产成本，同时超表面具有强大的光场调控能力，简化超表面的复杂程度，减小该显示装置的尺寸和体积，改善或避免显示色差，扩大显示视角，提高图像源的成像质量，提升该显示装置的显示效果。
5.本发明提供一种显示装置，包括像源部和超表面，
6.所述像源部用于提供图像源，并将所述图像源投影到所述超表面；
7.所述超表面对所述图像源的投影光线进行衍射、折射和汇聚处理，以为人眼呈现放大的所述图像源的虚像，
8.所述超表面包括基底和设置在所述基底一侧面上的多个纳米结构，
9.所述多个纳米结构排布呈阵列，
10.所述纳米结构包括第一子部和第二子部，
11.所述第一子部在所述基底上的正投影形状包括环形，所述第二子部在所述基底上的正投影形状包括条形，
12.所述第二子部位于所述第一子部围设形成的区域内，且所述第二子部的两端分别与所述第一子部连接。
13.可选地，所述超表面包括基底和设置在所述基底一侧面上的多个纳米结构，
14.所述多个纳米结构排布呈阵列，
15.所述纳米结构包括第一子部和第二子部，
16.所述第一子部在所述基底上的正投影形状包括椭圆环形，所述第二子部在所述基底上的正投影形状包括条形，
17.所述第二子部位于所述第一子部围设形成的区域内，且所述第二子部的两端分别与所述第一子部的与同一直线相交的两点连接；
18.所述直线经过所述椭圆环的中心。
19.可选地，所述纳米结构包括第一纳米结构，
20.所述第一纳米结构的所述第二子部的两端分别与所述椭圆环上与同一直线相交的距离最近的两点连接。
21.可选地，所述纳米结构还包括第二纳米结构，
22.所述第二纳米结构的所述第二子部的两端分别与所述椭圆环上与同一直线相交的距离最远的两点连接。
23.可选地，所述纳米结构还包括第三纳米结构，
24.所述第三纳米结构的所述第二子部的两端分别与所述椭圆环上与同一直线相交的且距离介于最远和最近之间的两点连接。
25.可选地，所述椭圆环上与同一直线相交的距离最远的两点之间的距离范围为300～700nm，
26.所述椭圆环上与同一直线相交的距离最近的两点之间的距离范围为100～500nm，
27.所述纳米结构的厚度范围为200～600nm。
28.可选地，所述椭圆环的长轴与所述阵列的行方向或者列方向的夹角范围为0～180
°
。
29.可选地，所述超表面的相位分布满足：
[0030][0031]
其中，(x0，y0)是所述超表面中任意一个所述纳米结构所在位置到所述基底中心的距离，f0是所述超表面形成的聚焦透镜的焦距，λ0是入射至所述超表面的入射光的波长，α是所述超表面对入射光线的衍射角。
[0032]
可选地，所述基底的材料包括熔融石英；
[0033]
所述纳米结构的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、氮化硅晶体、二氧化钛和氮化镓中的任意一种。
[0034]
本发明还提供一种交通工具，包括顶盖和前挡风玻璃，所述顶盖与前挡风玻璃连接，还包括上述显示装置，
[0035]
所述显示装置的像源部设置在所述顶盖的内侧，且所述像源部位于所述顶盖的靠近所述前挡风玻璃的一端，
[0036]
所述显示装置的超表面设置在所述前挡风玻璃的内侧，且所述超表面位于所述前挡风玻璃的与驾驶员头部相对应的位置。
[0037]
本发明的有益效果：本发明所提供的显示装置，通过采用超表面，相比于传统光学镜片，一方面，超表面不需要构造多层波导，结构更加简单，体积和尺寸更小，从而能够减小显示装置的体积和尺寸，提高显示装置的结构紧凑性，降低显示装置的量产成本，同时超表面具有强大的光场调控能力，从而可以大大简化显示装置的复杂程度，另一方面，超表面能够改善或避免显示装置的显示色差，扩大显示视角，提高图像源的成像质量，从而提升该显示装置的显示效果。
[0038]
本发明所提供的交通工具，通过采用上述实施例中的显示装置，能够将提供交通
工具行驶信息的像源投影到超表面，超表面能够将像源光波处理后汇聚到驾驶员的眼中，驾驶员眼睛逆着汇聚光线能够看到一个远处放大的虚像，该虚像与前挡风玻璃透射的外界环境光形成增强现实的显示效果，从而使外界的景物与行驶信息可同时出现在驾驶员的视野之内，以便驾驶员对行驶状况及时做出回应，有效提升了交通工具驾驶的安全性。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施例中显示装置安装在交通工具中的结构示意图；
[0040]
图2为本发明实施例中像源部的结构原理示意图；
[0041]
图3a为本发明实施例中超表面的结构俯视示意图；
[0042]
图3b为从图3a中a侧观看的超表面的结构侧视示意图；
[0043]
图3c为从图3a中b侧观看的超表面的结构侧视示意图；
[0044]
图4为本发明实施例中第一纳米结构阵列的俯视示意图；
[0045]
图5为本发明实施例中第二纳米结构阵列的俯视示意图；
[0046]
图6为本发明实施例中第三纳米结构阵列的俯视示意图；
[0047]
图7为本发明实施例中由第一纳米结构、第二纳米结构和第三纳米结构组成的纳米结构阵列的俯视示意图；
[0048]
图8为本发明实施例中超表面的工作原理光路示意图。
[0049]
其中的附图标记为：
[0050]
1、像源部；11、微型显示器；12、光线偏折元件；2、超表面；21、基底；22、纳米结构；221、第一子部；222、第二子部；2201、第一纳米结构；2202、第二纳米结构；2203、第三纳米结构；3、顶盖；4、前挡风玻璃。
具体实施方式
[0051]
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明一种显示装置和交通工具作进一步详细描述。
[0052]
传统车载抬头显示装置(hud)包括像源系统和光学镜片，像源系统用于提供行驶信息的像源，光学镜片将像源放大为虚像，并投影到载具驾驶员的视线正前方一定距离处，使外界的景物与行驶信息可同时出现在驾驶员的视野之内。
[0053]
光学镜片包括多种光学透镜元件，需要多种光学透镜元件构造多层波导，量产成本高，结构复杂，体积和尺寸较大，且采用光学镜片容易导致显示色差，显示视角较小，成像质量也有待进一步提高。
[0054]
另外，目前常规抬头显示装置所涉及的像源系统均安装在汽车方向盘前端区域，该区域容易受积灰、太阳直射，以及发动机振动和高温影响，长期使用导致成像效果不佳。
[0055]
为了解决传统车载抬头显示装置采用光学镜片投影显示所存在的结构复杂、体积尺寸大、显示效果差的问题，本发明实施例提供一种显示装置，如图1所示，包括像源部1和超表面2，像源部1用于提供图像源，并将图像源投影到超表面2；超表面2对图像源的投影光线进行衍射、折射和汇聚处理，以为人眼呈现放大的图像源的虚像，超表面2包括基底21和设置在基底21一侧面上的多个纳米结构22，多个纳米结构22排布呈阵列，纳米结构22包括第一子部221和第二子部222，第一子部221在基底21上的正投影形状包括环形，第二子部
222在基底21上的正投影形状包括条形，第二子部222位于第一子部221围设形成的区域内，且第二子部222的两端分别与第一子部221连接。
[0056]
其中，超表面2是一种亚波长天线构成的周期性或随机性排列的二维阵列。通过设计天线的材料、几何形状、特征尺寸、周期大小等，超表面可以在亚波长尺度内完成对光场的振幅、相位和偏振等不同物理量的自由调控。与传统光学镜片依赖传播过程中的光程积累来实现光场调制不同，超表面利用亚波长天线对入射光场的响应来提供相位、振幅等参量的突变，因此可以在微米级甚至纳米级的厚度上对光场进行调制。
[0057]
本实施例中，通过采用超表面，相比于传统光学镜片，一方面，超表面不需要构造多层波导，结构更加简单，体积和尺寸更小，从而能够减小显示装置的体积和尺寸，提高显示装置的结构紧凑性，降低显示装置的量产成本，同时超表面具有强大的光场调控能力，从而可以大大简化显示装置的复杂程度，另一方面，采用超表面2，能够改善或避免显示装置的显示色差，扩大显示视角，提高图像源的成像质量，从而提升该显示装置的显示效果。
[0058]
可选地，如图2所示，像源部1包括微型显示器11和光线偏折元件12，微型显示器11用于提供图像源。光线偏折元件12用于将微型显示器11生成的虚拟图像光按设计方向偏折。
[0059]
其中，微型显示器11可以是数字光处理器(digital light processer，dlp)、液晶显示器(liquid crystal display，lcd)、硅基液晶显示器(lcos)、有机电致发光显示器(organic light-emitting diode，oled)、微型化的无机发光二极管显示器(micro-led)中一种。光线偏折元件12可以采用平面镜。
[0060]
可选地，如图3a、图3b和图3c所示，第一子部221在基底21上的正投影形状包括椭圆环形，第二子部222的两端分别与第一子部221的与同一直线相交的两点连接；直线经过椭圆环的中心。
[0061]
可选地，如图4所示，纳米结构22包括第一纳米结构2201，第一纳米结构2201的第二子部222的两端分别与椭圆环上与同一直线相交的距离最近的两点连接。
[0062]
可选地，如图5所示，纳米结构22还包括第二纳米结构2202，第二纳米结构2202的第二子部222的两端分别与椭圆环上与同一直线相交的距离最远的两点连接。
[0063]
可选地，如图6所示，纳米结构22还包括第三纳米结构2203，第三纳米结构2203的第二子部222的两端分别与椭圆环上与同一直线相交的且距离介于最远和最近之间的两点连接。
[0064]
可选地，如图7所示，纳米结构22包括多个第一纳米结构2201、多个第二纳米结构2202和多个第三纳米结构2203，多个第一纳米结构2201、多个第二纳米结构2202和多个第三纳米结构2203排布呈阵列。
[0065]
可选地，如图3a所示，椭圆环上与同一直线相交的距离最远的两点之间的距离l1范围为300～700nm，椭圆环上与同一直线相交的距离最近的两点之间的距离l2范围为100～500nm，纳米结构22的厚度范围为200～600nm。
[0066]
可选地，椭圆环的长轴与阵列的行方向或者列方向的夹角范围为0～180
°
。即纳米结构22可以在0～180
°
范围内旋转变化。
[0067]
可选地，如图4-图7所示，超表面的相位分布满足：
[0068][0069]
其中，(x0，y0)是超表面中任意一个纳米结构22所在位置到基底21中心的距离，f0是超表面形成的聚焦透镜的焦距，λ0是入射至超表面的入射光的波长，α是超表面对入射光线的衍射角。
[0070]
如图8所示，超表面对光束同时具有衍射、偏折和聚焦的作用，超表面的基本原理是像源部1发出的图像源光波入射到薄片状超表面波导的超表面区域，超表面区域的纳米结构22通过谐振效应，将垂直入射的球面波进行衍射、偏折并汇聚，转化为斜出射的近似平面波。纳米结构的横向尺寸(即距离l2)、纵向尺寸(即距离l1)、厚度和旋转角度均根据上述超表面的相位分布需要满足的公式(1)进行调节，即多个自由度同时调节超表面的传输相位和几何相位，匹配超表面的聚焦相位面。
[0071]
可选地，基底21的材料包括熔融石英；纳米结构22的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、氮化硅晶体、二氧化钛和氮化镓中的任意一种。
[0072]
本实施例中，纳米结构22阵列可以是图4-图6中的任意一种纳米结构形成的纳米结构阵列，也可以是图7中的多种纳米结构的组合形成的纳米结构阵列。在实际应用中纳米结构阵列中纳米结构的数量以及不同纳米结构的具体结构均可根据实际超表面相位分布的需要进行设置，在此不做限定。
[0073]
本实施例还提供一种上述超表面的制备方法，首先在基底上利用电子束旋涂形成抗蚀剂层；然后利用电子束光刻工艺在抗蚀剂层上制作纳米结构阵列图案；其中，将抗蚀剂层中对应纳米结构阵列图案的部分去除；然后沉积纳米结构材料在抗蚀剂层的背离基底的一侧，此时纳米结构材料不只沉积在抗蚀剂上，还沉积在抗蚀剂层表面以外的基底表面上；接着采用离子蚀刻处理后再采用剥离工艺将抗蚀剂层以及形成在抗蚀剂层表面的纳米结构材料去除，从而在基底上获得纳米结构阵列。
[0074]
本发明实施例所提供的显示装置，通过采用超表面，相比于传统光学镜片，一方面，超表面不需要构造多层波导，结构更加简单，体积和尺寸更小，从而能够减小显示装置的体积和尺寸，提高显示装置的结构紧凑性，降低显示装置的量产成本，同时超表面具有强大的光场调控能力，从而可以大大简化显示装置的复杂程度，另一方面，采用超表面，能够改善或避免显示装置的显示色差，扩大显示视角，提高图像源的成像质量，从而提升该显示装置的显示效果。
[0075]
本发明实施例还提供一种交通工具，如图1所示，包括顶盖3和前挡风玻璃4，顶盖3与前挡风玻璃4连接，还包括上述实施例中的显示装置，显示装置的像源部1设置在顶盖3的内侧，且像源部1位于顶盖3的靠近前挡风玻璃4的一端，显示装置的超表面2设置在前挡风玻璃4的内侧，且超表面2位于前挡风玻璃4的与驾驶员头部相对应的位置。
[0076]
其中，像源部1用于提供交通工具行驶信息的像源。
[0077]
通过将像源部1安装在交通工具的顶盖3内侧，能避免像源部1遭受积灰、太阳直晒以及发动机振动、高温影响，提高像源部1的寿命和成像质量。
[0078]
本实施例中，通过采用上述实施例中的显示装置，能够将提供交通工具行驶信息的像源投影到超表面，超表面能够将像源光波处理后汇聚到驾驶员的眼中，驾驶员眼睛逆
着汇聚光线能够看到一个远处放大的虚像，该虚像与前挡风玻璃透射的外界环境光形成增强现实的显示效果，从而使外界的景物与行驶信息可同时出现在驾驶员的视野之内，以便驾驶员对行驶状况及时做出回应，有效提升了交通工具驾驶的安全性。
[0079]
该交通工具可以为：汽车、火车、高铁、飞机等任何交通工具。
[0080]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种显示装置，包括像源部和超表面，所述像源部用于提供图像源，并将所述图像源投影到所述超表面；所述超表面对所述图像源的投影光线进行衍射、折射和汇聚处理，以为人眼呈现放大的所述图像源的虚像，其特征在于，所述超表面包括基底和设置在所述基底一侧面上的多个纳米结构，所述多个纳米结构排布呈阵列，所述纳米结构包括第一子部和第二子部，所述第一子部在所述基底上的正投影形状包括环形，所述第二子部在所述基底上的正投影形状包括条形，所述第二子部位于所述第一子部围设形成的区域内，且所述第二子部的两端分别与所述第一子部连接。2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述第一子部在所述基底上的正投影形状包括椭圆环形，所述第二子部的两端分别与所述第一子部的与同一直线相交的两点连接；所述直线经过所述椭圆环的中心。3.根据权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述纳米结构包括第一纳米结构，所述第一纳米结构的所述第二子部的两端分别与所述椭圆环上与同一直线相交的距离最近的两点连接。4.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述纳米结构还包括第二纳米结构，所述第二纳米结构的所述第二子部的两端分别与所述椭圆环上与同一直线相交的距离最远的两点连接。5.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述纳米结构还包括第三纳米结构，所述第三纳米结构的所述第二子部的两端分别与所述椭圆环上与同一直线相交的且距离介于最远和最近之间的两点连接。6.根据权利要求2-5任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述椭圆环上与同一直线相交的距离最远的两点之间的距离范围为300～700nm，所述椭圆环上与同一直线相交的距离最近的两点之间的距离范围为100～500nm，所述纳米结构的厚度范围为200～600nm。7.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述椭圆环的长轴与所述阵列的行方向或者列方向的夹角范围为0～180
°
。8.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述超表面的相位分布满足：其中，(x0，y0)是所述超表面中任意一个所述纳米结构所在位置到所述基底中心的距离，f0是所述超表面形成的聚焦透镜的焦距，λ0是入射至所述超表面的入射光的波长，α是所述超表面对入射光线的衍射角。9.根据权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述基底的材料包括熔融石英；所述纳米结构的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、氮化硅晶体、二氧化钛和氮化镓中的
任意一种。10.一种交通工具，包括顶盖和前挡风玻璃，所述顶盖与前挡风玻璃连接，其特征在于，还包括权利要求1-9任意一项所述的显示装置，所述显示装置的像源部设置在所述顶盖的内侧，且所述像源部位于所述顶盖的靠近所述前挡风玻璃的一端，所述显示装置的超表面设置在所述前挡风玻璃的内侧，且所述超表面位于所述前挡风玻璃的与驾驶员头部相对应的位置。

技术总结
本发明提供一种显示装置，包括像源部和超表面，像源部用于提供图像源，并将图像源投影到超表面；超表面对所述图像源的投影光线进行衍射、折射和汇聚处理，以为人眼呈现放大的图像源的虚像，超表面包括基底和设置在基底一侧面上的多个纳米结构，多个纳米结构排布呈阵列，纳米结构包括第一子部和第二子部，第一子部在基底上的正投影形状包括环形，第二子部在基底上的正投影形状包括条形，第二子部位于第一子部围设形成的区域内，且第二子部的两端分别与第一子部连接。该显示装置，超表面结构简单，体积和尺寸更小，减小显示装置的体积和尺寸，超表面改善或避免显示色差，扩大显示视角，提高图像源的成像质量，提升显示装置的显示效果。果。果。


技术研发人员：林剑涛 刘耀
受保护的技术使用者：京东方科技集团股份有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15