CN114047632B - 一种多视角的显示装置、抬头显示器和交通工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多视角的显示装置、抬头显示器和交通工具，其中，该显示装置包括：图像源和图像放大器；所述图像放大器包括能够转动的反射元件；所述图像源用于周期性地发出成像光线，且所述成像光线能够射向所述图像放大器；所述反射元件用于反射入射至所述反射元件的成像光线，所述反射元件能够周期性地转动至多个不同的角度，所述图像源发出成像光线与所述反射元件转动是同步的。通过本发明实施例提供的多视角的显示装置、抬头显示器和交通工具，反射元件转动至不同角度时能够将成像光线反射至不同的视角，使得位于不同视角的观察者可以分别观看显示装置所成的像，实现多视角的效果。

Description

一种多视角的显示装置、抬头显示器和交通工具

技术领域

本发明涉及图像显示技术领域，具体而言，涉及一种多视角的显示装置、抬头显示器和交通工具。

背景技术

抬头显示***简称HUD(Head Up Display)***，又被叫做平视显示***，是指以驾驶员为中心、盲操作、多功能仪表盘。它的作用，就是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的风挡玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息。现有的抬头显示***主要由图像产生器(Picture Generating Unit)、放大器(Magnifier)、挡风玻璃(Windshield)构成。图像产生器所成的像被放大器放大，又被挡风玻璃反射到观察者眼睛，使得观察者能够看到挡风玻璃所成的虚像。

在汽车等交通设备中可能存在多个观察者，例如驾驶员、副驾驶乘客等，为了使得多个观察者均可以看到HUD所成的像，目前一般需要为每个观察者各自配置一个HUD，***结构复杂。部分方案引入衍射光栅，不同观察者使用不同衍射级次，以实现将图像衍射给不同观察者。但该方案的衍射光栅固定，导致不同观察者的位置也必须是固定的；且不同衍射级次的光强不同，导致不同位置的观察者所看到的图像亮度不同，成像效果较差。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种多视角的显示装置、抬头显示器和交通工具。

第一方面，本发明实施例提供了一种多视角的显示装置，包括：图像源和图像放大器；所述图像放大器包括能够转动的反射元件；

所述图像源用于周期性地发出成像光线，且所述成像光线能够射向所述图像放大器；

所述反射元件用于反射入射至所述反射元件的成像光线，所述反射元件能够周期性地转动至多个不同的角度，所述图像源发出成像光线与所述反射元件转动是同步的；

所述图像放大器用于调整入射至所述图像放大器的成像光线的发散角，并在所述反射元件转动至不同的角度的情况下分别形成所述图像源的位于不同位置的放大虚像。

在一种可能的实现方式中，所述图像源发出成像光线的成像频率f_PGU是所述反射元件的转动频率f_R的整数倍；所述反射元件的转动频率f_R为1/Δt，其中，Δt表示所述反射元件从第一角度转动至下一个第二角度的时间差，所述第一角度、所述第二角度均为所述反射元件能够转动至的多个角度中的一个角度。

在一种可能的实现方式中，所述反射元件的转动频率f_R大于或等于M×f_min；其中，M表示所述反射元件在一个周期内能够转动至所有角度的角度数量，f_min表示能够成像的最低帧频。

在一种可能的实现方式中，显示装置还包括：能够控制所述反射元件转动的控制器；

所述控制器用于：

确定所述图像源发出的成像光线所对应的入射向量k_in，并根据不同视角位置确定射向所述视角位置的成像光线所对应的出射向量k_out，所述视角位置为能够看到所述放大虚像的位置；

根据所述入射向量k_in和每个所述出射向量k_out分别确定所述反射元件转动不同角度时的法向量，不同的所述视角位置对应所述反射元件不同的法向量；

确定所述反射元件从第一角度对应的第一法向量转动至第二角度对应的第二法向量的转动角，并控制所述反射元件基于所述转动角转动；所述第一角度为所述反射元件能够转动至的多个角度中的一个角度，所述第二角度为所述反射元件能够转动至的多个角度中所述第一角度的下一个角度。

在一种可能的实现方式中，所述控制器根据所述入射向量k_in和每个所述出射向量k_out分别确定所述反射元件转动不同角度时的法向量，包括：

根据所述入射向量k_in和每个所述出射向量k_out分别确定所述反射元件转动不同角度时的反射矩阵，且所述反射元件能够转动至的不同角度中的第i个角度对应的反射矩阵M_i为：

M_i＝M_oth ^-1×k_out×k_in ^-1；其中，M_oth表示所述图像源发出的成像光线到达所述视角位置的过程中，除所述反射元件之外、其他能够反射所述成像光线的元件的反射矩阵集合；

根据所述第i个角度对应的反射矩阵M_i确定所述第i个角度对应的单位法向量(nx_i,ny_i,nz_i)，且所述反射矩阵M_i与所述单位法向量(nx_i,ny_i,nz_i)满足以下关系：

I表示单位矩阵。

在一种可能的实现方式中，显示装置还包括定位元件；

所述定位元件用于确定所述视角位置。

在一种可能的实现方式中，所述反射元件包括扫描反射镜，所述图像放大器还包括透射式超表面元件；所述图像源和所述透射式超表面元件位于所述反射元件的同一侧；

所述透射式超表面元件包括多个透射式超表面结构单元，所述透射式超表面结构单元用于将入射至所述透射式超表面结构单元的光线进行透射，并调整透射方向，所述透射式超表面元件所透射的光线能够形成所述放大虚像。

在一种可能的实现方式中，入射至所述透射式超表面结构单元的光线的入射方向与透射参考位置之间的第一偏转角度，大于或等于所述透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与所述透射参考位置之间的第二偏转角度，所述透射参考位置与所述透射式超表面元件共面。

在一种可能的实现方式中，对于入射至该透射式超表面结构单元的至少部分光线，所述第二偏转角度的余切值与所述第一偏转角度的余切值之间的差值为定值，所述定值与所述透射式超表面结构单元到所述透射参考位置的距离之间为正相关关系。

在一种可能的实现方式中，所述图像源出射的成像光线的光轴与所述透射式超表面元件的主光轴平行。

在一种可能的实现方式中，所述图像源、所述透射式超表面元件、所述反射元件共线，且所述透射式超表面元件位于所述图像源与所述反射元件之间；所述反射元件用于反射所述透射式超表面元件所透射的所述成像光线；

或者，所述图像源、所述透射式超表面元件、所述反射元件不共线，所述反射元件用于将所述图像源发出的所述成像光线反射至所述透射式超表面元件。

在一种可能的实现方式中，所述透射式超表面元件包括透明基底层和设置在所述透明基底层上的多个纳米结构。

在一种可能的实现方式中，所述反射元件包括反射式超表面元件；

所述反射式超表面元件包括多个反射式超表面结构单元，所述反射式超表面结构单元用于调整入射至所述反射式超表面结构单元的至少部分光线的出射方向，且所述反射式超表面结构单元所出射的光线的反向延长线经过所述放大虚像。

在一种可能的实现方式中，入射至所述反射式超表面结构单元的至少部分光线与所述反射式超表面结构单元出射的光线之间形成的开口朝向预设的第一反射参考位置，且所述反射式超表面结构单元能够将垂直入射至所述反射式超表面结构单元的光线出射至预设的第二反射参考位置；

所述第一反射参考位置与所述第二反射参考位置均位于所述反射式超表面元件靠近所述图像源的一侧，且所述第一反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离大于所述第二反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离。

在一种可能的实现方式中，第一距离与第二距离之间的差值小于预设差值；所述第一距离为在垂直于所述反射式超表面元件的主光轴的方向上，入射至所述反射式超表面结构单元的光线与所述第一反射参考位置之间的距离，所述第二距离为在垂直于所述反射式超表面元件的主光轴的方向上，所述反射式超表面结构单元出射的光线与所述第一反射参考位置之间的距离。

在一种可能的实现方式中，所述第一反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离是所述第二反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离的二倍，且所述第一距离等于所述第二距离。

在一种可能的实现方式中，所述反射式超表面元件包括反射层、基底层和多个纳米结构；

所述反射层与所述基底层贴合设置；

多个所述纳米结构位于所述反射层靠近所述图像源的一侧。

在一种可能的实现方式中，所述基底层设置在所述反射层远离所述图像源的一侧，多个所述纳米结构设置在所述反射层上，并位于所述反射层靠近所述图像源的一侧；或者，

所述基底层透明，所述基底层设置在所述反射层靠近所述图像源的一侧，多个所述纳米结构设置在所述基底层上，并位于所述基底层靠近所述图像源的一侧。

第二方面，本发明实施例还提供了一种多视角的抬头显示器，包括：如上任意一项实施例所述的显示装置和反射成像装置；

所述反射成像装置用于将所述显示装置出射的成像光线反射至能够看到所述显示装置所成放大虚像的视角位置。

在一种可能的实现方式中，抬头显示器还包括：增透膜；

所述增透膜设置在所述反射成像装置远离所述显示装置的一侧。

第三方面，本发明实施例还提供了一种交通工具，包括：如上所述的抬头显示器。

本发明实施例上述第一方面提供的方案中，利用图像放大器能够对图像源的像进行放大，使得观察者可以看到放大的像。图像放大器中设有能够周期性转动的反射元件，反射元件的能够转动至不同的角度，且图像源发出成像光线与反射元件转动是同步的，使得反射元件转动至不同角度时能够将成像光线反射至不同的视角，使得位于不同视角的观察者可以分别观看显示装置所成的像，实现多视角的效果。该显示装置也能够实现在不同视角成具有相同或相似亮度的像，成像效果较好，且不同视角能够看到相同的像，也能够看到不同的像，应用场景广泛。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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1示出了本发明实施例所提供的一种多视角的显示装置的一种结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种多视角的显示装置的另一种结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种多视角的显示装置应用于抬头显示器时，该抬头显示器的一种结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的以坐标系表示的透视式超表面元件的成像原理示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的透射式超表面元件的一种结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的反射式超表面元件的成像示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的以坐标系表示的反射式超表面元件的成像原理示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的反射式超表面元件的一种结构示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的反射式超表面元件的另一种结构示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的一种多视角的显示装置的再一种结构示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的抬头显示器的另一种结构示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的抬头显示器的再一种结构示意图；

图13示出了本发明实施例所提供的抬头显示器不存在增透膜时的成像示意图；

图14示出了本发明实施例所提供的抬头显示器存在增透膜时的成像示意图。

图标：

10-图像源、11-放大虚像、20-图像放大器、21-反射元件、210-反射式超表面元件、211-反射层、212-基底层、200-纳米结构、22-透射式超表面元件、221-透明基底层、1-显示装置、2-反射成像装置、3-增透膜。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种多视角的显示装置，使得不同位置的观察者均可以观看到该显示装置所成的像，使得该显示装置支持多视角观看。参见图1所示，该显示装置包括：图像源10和图像放大器20；该图像放大器20包括能够转动的反射元件21。

其中，图像源10用于周期性地发出成像光线，且成像光线能够射向图像放大器20。反射元件21用于反射入射至反射元件21的成像光线，反射元件21能够周期性地转动至多个不同的角度，图像源10发出成像光线与反射元件21转动是同步的。图像放大器20用于调整入射至图像放大器20的成像光线的发散角，并在反射元件21转动至不同的角度的情况下分别形成图像源10的位于不同位置的放大虚像11。

本发明实施例中，图像源10为能够发出成像光线的设备，该成像光线来自该图像源10的出光侧。该图像源10可以为主动成像的像源，也可以是被动成像的像源，例如液晶屏幕等，也可以为投影像源，例如图像产生器(PGU)将待显示的图像投影到散射屏(Diffuser)，利用该散射屏作为中间像面，并出射成像光线。该成像光线可以射向位于图像源10出光侧的图像放大器20，使得图像放大器20可以调整该成像光线的发散角。如图1所示，图像源10的右侧为出光侧，成像光线射向图像放大器20后，图像放大器20能够调整该成像光线的发散角，并使得该成像光线能够从显示装置的出光区域出射；如图1所示，图像放大器20上方为该显示装置的出光区域，被图像放大器20处理后的成像光线从该超表面元件20的上方出射。

图像放大器20用于对图像源10的像进行放大，以能够形成放大的像，该放大的像为虚像，即放大虚像11。该图像放大器20可以包括透镜、透镜组合等，以能够形成放大虚像11；或者，该图像放大器20中也可以包括基于超表面技术所制成的元件，通过调整光线的相位来调整光线的发散角，从而可以形成放大虚像11。如图1所示，以图像源10上的两个像素点A1、A2为例，其发出的成像光线被图像放大器20处理后，从图像放大器20的上方出射，该出射的成像光线能够形成放大的虚像11，即出射的成像光线的反向延长线能够相交于放大虚像11处；两个像素点A1、A2对应的虚像分别为A1'、A2'。

并且，图像放大器20包括反射元件21且该反射元件21能够转动。如图1所示，该反射元件21可以是能够转动的反射镜，由图像放大器20中的其他元件调整成像光线的发散角，以能够形成放大虚像11，图2中以透射式超表面元件22调整发散角为例示出。或者，如图2所示，该反射元件21可以是能够转动、且能够调整光线发散角的元件，图2中的反射元件21包括反射式超表面元件211，在反射式超表面元件211本身的作用下可以形成放大虚像11。需要说明的是，例如图2所示的情况，反射元件21能够调整发散角，其所“反射”的光线并不符合传统的反射规律，即反射元件21此时是以与镜面反射相似但又不完全相同的反射方式反射成像光线，本实施例将此时反射元件21“反射”成像光线的反射方式称为“准反射”。因此，本实施例中反射元件21反射光线指的是：反射元件21以符合反射定律的方式反射光线(如图1所示)，或者以准反射的方式反射光线(如图2所示)。

本发明实施例中，反射元件21通过转动可以调整其朝向，从而能够调整图像放大器20或该显示装置所出射的成像光线的出射方向，即可以调整所成放大虚像11的位置，使得位于不同位置的观察者可以看到不同位置的放大虚像11，从而实现多视角。

具体地，反射元件21能够周期性地转动至多个不同的角度，反射元件21转动至不同的角度时，反射元件21的朝向不同，使得显示装置能够射出不同出射方向的成像光线，形成不同的放大虚像11。一般情况下，反射元件21所能转动至的角度对应一个放大虚像11，且对应一个可以观看成像的视角。并且，为了保证能够在不同视角成像，该图像源10周期性地发出成像光线，且图像源10发出成像光线与反射元件21转动是同步的，即图像源10发出成像光源与反射元件21转动是同步进行的，二者的频率具有一致性，使得图像源10发出的成像光线能够被反射元件21反射至不同位置。例如，在反射元件21转动过程中，图像源10可以不发出成像光线；而在反射元件21转动至某个角度后，在反射元件21静止时，图像源10再发出成像光线。

本发明实施例中，图像源10发出成像光线的成像频率f_PGU与反射元件21的转动频率f_R具有一致性，前者是后者的整数倍，即f_PGU＝n×f_R，n＝1,2,3…；一般情况下，n取1，即二者相同。其中，图像源10发出成像光线的成像频率f_PGU可以是图像源10的刷新频率。反射元件21的转动频率f_R指的是反射元件21从一个角度转动至下一个角度所对应的频率；具体地，设第一角度、第二角度均为反射元件21能够转动至的多个角度中的一个角度，且第二角度为第一角度的下一个角度，若反射元件21从第一角度转动至下一个第二角度的时间差为Δt，则该转动频率f_R为1/Δt。

并且，为了能够让不同位置(视角)的观察者可以观看到稳定不闪烁的像，还需要保证显示装置在每个视角上所成的像的成像频率不能过小。若能够成像的最低帧频为f_min，即观察者观看成像频率小于f_min的图像时会产生闪烁的视觉问题；一般情况下，为了让观察者能够正常观看图像，成像频率需大于或等于24Hz，此时可以将f_min设为24Hz。反射元件21能够转动至多个不同的角度，且周期性转动的反射元件21在一个转动周期内可以转动至M个角度，此时需要保证转动频率f_R大于或等于M×f_min，以使得反射元件21所转动至的每个角度均能够以不小于f_min的频率成像。

例如，当前需要在两个位置或视角的观察者能够观看到显示装置所成的像，则需要反射元件21至少能够转动至两个不同的角度，每个角度对应一个视角。例如，反射元件21能够转动至角度A、角度B，且能够周期性地转动，即反射元件21能够依次转动至角度A、角度B、角度A、角度B、……反射元件21在一个周期内能够转动至两个角度(角度A和角度B)，即M＝2，若f_min设为24Hz，则转动频率f_R不小于48Hz。例如，转动频率f_R为60Hz，相应地，成像频率f_PGU可以为60Hz、120Hz等，例如f_PGU＝60Hz。在1秒内，图像源10能够发出60次的成像光线，反射元件21能够转动到60个角度(30个角度A和30个角度B)，从而反射元件21能够将60次成像光线中的30次反射至一个视角，将另外30次的成像光线反射至另一个视角，使得每个视角成像的频率均为30Hz，其大于f_min，从而不同视角的观察者均可以正常地观看成像。

其中，反射元件21在一个周期内能够转动至的角度数量，即M，与该反射元件能够转动的不同角度的数量(设为N)不一定是相同的，前者大于等于后者，即M≥N。例如，反射元件21能够转动至3个不同的角度：角度A、角度B、角度C，反射元件21可以按照ABCABCABC的顺序转动，此时M＝3；或者，也可以按照ABCBABCBA，此时一个周期内需要转动至四个角度A、B、C、B，故M＝4。为了在不同视角所成的像的亮度基本相同，反射元件21在一个周期内转动至不同角度的次数是相同的。例如，反射元件21在一个周期内转动至三个不同角度，则转动至三个不同角度的次数是相同的，例如均为1次、2次等。此外，由于提高成像频率f_PGU或转动频率f_R一般均会增加成本，故本实施例中，反射元件21在一个周期内所转动至角度的数量M与该反射元件21能够转动至的不同角度的数量N相同，且成像频率f_PGU与转动频率f_R相同。例如，M与视角的数量相同。

并且，图像源10可以用于成一种像，此时不同视角所看到的像基本是相同的；或者，在反射元件21转动至不同角度时，图像源10也可以分别成不同的像，即发出不同的成像光线，使得不同视角的观察者能够分别看到各自所需的像。

本发明实施例提供的一种多视角的显示装置，利用图像放大器20能够对图像源10的像进行放大，使得观察者可以看到放大的像。图像放大器20中设有能够周期性转动的反射元件21，反射元件的21能够转动至不同的角度，且图像源10发出成像光线与反射元件21转动是同步的，使得反射元件21转动至不同角度时能够将成像光线反射至不同的视角，使得位于不同视角的观察者可以分别观看显示装置所成的像，实现多视角的效果。该显示装置也能够实现在不同视角成具有相同或相似亮度的像，成像效果较好，且不同视角能够看到相同的像，也能够看到不同的像，应用场景广泛。

在上述任一实施例的基础上，能够基于观察者所在位置确定反射元件21所转动的角度。具体地，该显示装置还包括：能够控制反射元件21转动的控制器，该控制器用于执行以下步骤：

步骤A1：确定图像源10发出的成像光线所对应的入射向量k_in，并根据不同视角位置确定射向视角位置的成像光线所对应的出射向量k_out，视角位置为能够看到放大虚像11的位置。

本发明实施例中，观察者观看显示装置时，二者之间的位置一般是固定的，且图像源10的位置也是固定的。故可以设置三维坐标系，在该三维坐标系中，图像源10的位置以及观看成像的视角位置(例如观察者所在位置)均是固定的；此时，可以确定图像源10发出的成像光线所对应的入射向量k_in，本实施例以图像源10发出的成像光线的主光轴作为入射向量k_in。在确定视角位置的情况下，也可以确定显示装置到该视角位置的向量，该向量即为射向视角位置的成像光线所对应的出射向量k_out。

可选地，该显示装置还包括定位元件；该定位元件用于确定视角位置。例如，该定位元件可以为红外相机等，其可以采集到观察者的位置，进而确定能够看到放大虚像11的视角位置。

步骤A2：根据入射向量k_in和每个出射向量k_out分别确定反射元件21转动至不同角度时的法向量，不同的视角位置对应反射元件21不同的法向量。

本发明实施例中，在已知入射向量k_in和每个出射向量k_out的情况下，基于二者的关系可以确定反射元件21的姿态，本实施例以反射元件21的法向量表示反射元件21的姿态。反射元件21转动至不同角度时，反射元件21具有不同的法向量；由于不同的角度对应不同的视角位置，故不同的视角位置对应反射元件21不同的法向量。

可选地，本实施例以反射元件21的单位法向量表示反射元件21的反射矩阵，进而基于该反射矩阵能够表示入射向量k_in与出射向量k_out之间的关系，在已知入射向量k_in与出射向量k_out的情况，从而可以确定反射元件21的单位法向量。具体地，上述步骤A2“根据入射向量k_in和每个出射向量k_out分别确定反射元件21转动不同角度时的法向量”包括：

步骤A21：根据入射向量k_in和每个出射向量k_out分别确定反射元件21转动不同角度时的反射矩阵，且反射元件21能够转动至的不同角度中的第i个角度对应的反射矩阵M_i为：

M_i＝M_oth ^-1×k_out×k_in ^-1；

其中，M_oth表示图像源10发出的成像光线到达视角位置的过程中，除反射元件21之外、其他能够反射成像光线的元件的反射矩阵集合。

步骤A22：根据第i个角度对应的反射矩阵M_i确定第i个角度对应的单位法向量(nx_i,ny_i,nz_i)，且反射矩阵M_i与单位法向量(nx_i,ny_i,nz_i)满足以下关系：

I表示单位矩阵。

对于任意反射面，设其单位法向量n＝(nx,ny,nz)；任意入射至该反射面的光线k₁，其被该反射面反射的光线为k₂，则通过推导可得，k₂＝(I-2×n^T×n)×k₁，即k₂＝M×k₁，M称为该反射面的反射矩阵，且M＝I-2×n^T×n。I表示单位矩阵，其可以为3×3的单位矩阵。

本发明实施例中，反射元件21能够转动至的不同角度中的第i个角度对应的反射矩阵表示为M_i，i＝1,2,…,N，N为不同角度的角度数量或者视角位置的数量。若反射元件21转动至第i个角度的情况下，若入射光线为k_in，反射元件21反射的出射光线为k_out，则k_out＝M_i×k_in。在实际应用过程中，图像源10发出的成像光线除了被反射元件21反射，其还可能被其他元件反射，若图像源10发出的成像光线到达视角位置的过程中，除反射元件21之外、其他能够反射成像光线的元件的反射矩阵集合为M_oth，则k_out＝M_oth×M_i×k_in。在k_in、k_out均以对角矩阵表示的情况下，可得M_i＝M_oth ^-1×k_out×k_in ^-1；其中的“-1”表示逆矩阵。由于其他元件的位置一般也是固定的，即可以预先确定M_oth，进而基于上式能够确定每个角度对应的反射矩阵M_i。

例如，参见图3所示，若本发明实施例提供的显示装置1应用于抬头显示器中，该显示装置1出射的成像光线会射向反射成像装置2，该反射成像装置2可以为挡风玻璃，之后由反射成像装置2将成像光线反射至视角位置处的观察者；若反射成像装置2的反射矩阵为M_win，则k_out＝M_win×M_i×k_in。相应地，M_i＝M_win ^-1×k_out×k_in ^-1。

设反射元件21位于第i个角度时的单位法向量n_i＝(nx_i,ny_i,nz_i)，则M_i＝I-2×n_i ^T×n_i，即在确定反射矩阵M_i之后，即可确定单位法向量的每个分量nx_i,ny_i,nz_i，即可以确定单位法向量n_i。

步骤A3：确定反射元件21从第一角度对应的第一法向量转动至第二角度对应的第二法向量的转动角，并控制反射元件21基于转动角转动；第一角度为反射元件21能够转动至的多个角度中的一个角度，第二角度为反射元件21能够转动至的多个角度中第一角度的下一个角度。

本发明实施例中，将反射元件21能够转动至的一个角度称为第一角度，将从第一角度转动至的下一角度称为第二角度，则反射元件21从第一角度转动至第二角度，可以用反射元件21的法向量的转动表示；即，从第一角度对应的第一法向量转动至第二角度对应的第二法向量，则反射元件21即可从第一角度转动至第二角度。因此，在确定第一法向量转动至第二法向量的转动角之后，即可基于该转动角转动反射元件21。

设第一法向量为n₁＝(nx₁,ny₁,nz₁)，第二法向量为n₂＝(nx₂,ny₂,nz₂)，两个法向量之间的关系可以用旋转矩阵M_ro表示，n₂ ^T＝M_ro×n₁ ^T。即：

其中，旋转矩阵为使用三个方向的欧拉角θx,θy,θz所表示的矩阵，其可以表示为多种形式，本实施例对此不做限定。三个欧拉角可以作为本实施例中的转动角。

在上述任一实施例的基础上，该图像放大器20基于超表面技术对成像光线的发散角进行调整。如图1所示，该图像放大器20可以包括透射式超表面元件22，或者如图2所示，该图像放大器20可以包括反射式超表面元件210。透射式超表面元件22、反射式超表面元件210均为利用超表面技术所制造的超表面元件，该超表面元件可以减小成像光线的发散角，从而能够形成该图像源10的放大虚像11。

参见图1所示，反射元件21包括扫描反射镜，图像放大器20还包括透射式超表面元件22；图像源10和透射式超表面元件22位于反射元件21的同一侧。其中，透射式超表面元件22包括多个透射式超表面结构单元，透射式超表面结构单元用于将入射至透射式超表面结构单元的光线进行透射，并调整透射方向，透射式超表面元件22所透射的光线能够形成放大虚像11。如图1所示，图像源10上的像素点A1、A2发出的成像光线被反射元件21反射后，可以透过该透射式超表面元件22，并在远处形成相应的虚像A1'、A2'。

本发明实施例中，反射元件21可以包括能够高频转动并定位的扫描反射镜，其频率不小于f_min。可以采用现有的扫描反射镜，只需要按照本实施例提供的控制方式控制该扫描反射镜动作即可。

透射式超表面元件22包括多个透射式超表面结构单元，指的是该从透射式超表面元件22中可以划分出多个透射式超表面结构单元，并不意味着多个透射式超表面结构单元之间必须是完全结构独立的个体；多个透射式超表面结构单元可以是一个整体，或者其中至少部分透射式超表面结构单元可以是结构独立的。一般情况下，不同的透射式超表面结构单元共用同一个基底，只是不同的透射式超表面结构单元位于该基底的不同位置，透射式超表面结构单元是从透射式超表面元件22中人为划分出来的一部分结构。

可选地，该透射式超表面元件22设有透射参考位置，该透射参考位置与透射式超表面元件22共面。该透射参考位置可以是透射式超表面元件22上的某个位置，例如超表面元件22的中心等；或者，该透射参考位置也可以是透射式超表面元件22之外但与其共面的某个位置。一般情况下，该透射参考位置选用透射式超表面元件22上的某个位置。透射式超表面元件22中的透射式超表面结构单元以该透射参考位置为基准调整光线的透射方向，使得入射至透射式超表面结构单元的光线的入射方向与透射参考位置之间的第一偏转角度，大于透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与透射参考位置之间的第二偏转角度。

本发明实施例中，透射式超表面结构单元在透射入射的成像光线时，还调整该成像光线的出射方向，使得相较于入射至透射式超表面结构单元的光线，该透射式超表面结构单元所透射的光线具有偏向于透射参考位置的趋势，即透射的光线比入射的光线更偏向于该透射参考位置。例如，透射参考位置位于透射式超表面元件22的中间，经透射式超表面元件22调整后，透射光线更偏向于透射参考位置；并且，为了能够形成放大虚像11，对于以相同的入射方向入射至不同位置的透射式超表面结构单元的入射光线，该入射光线与透射光线之间的夹角与该入射光线所射向的透射式超表面结构单元与该透射参考位置之间的距离为正相关关系，即透射式超表面结构单元距离该透射参考位置越远，则该透射式超表面结构单元对入射光线的调整程度越大，即入射光线与透射光线之间的夹角越大。

图1示出了像素点A2发出的三束成像光线，图1中，若透射参考位置位于透射式超表面元件22的中心，则从左到右三束成像光线所射向的透射式超表面结构单元距离该透射参考位置越来越近，三个透射式超表面结构单元对入射的成像光线的调整程度越来越小；而位于该透射参考位置处的透射式超表面结构单元，其可以不调整入射至该透射式超表面结构单元的光线的透射方向，使得光线的入射方向与透射方向相同。

本发明实施例以光线的方向(入射方向或透射方向)与该透射参考位置之间的偏转角度进行描述。具体地，将入射至透射式超表面结构单元的光线的入射方向与该透射参考位置之间的偏转角度称为第一偏转角度，将该透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与该透射参考位置之间的偏转角度称为第二偏转角度。其中，本实施例中光线的方向与透射参考位置之间的偏转角度指的是：该光线的方向与该光线所入射的透射式超表面结构单元到该透射参考位置的方向之间的夹角。例如，对于入射至某透射式超表面结构单元M的光线，该光线的第一偏转角度指的是该光线的入射方向与该透射式超表面结构单元M到透射参考位置的方向之间的夹角。

由于透射光线更偏向于该透射参考位置，故第二偏转角度小于或等于第一偏转角度。并且，对于不同位置的透射式超表面结构单元，在第一偏转角度相同的情况下，透射式超表面结构单元距离该透射参考位置越近，该透射式超表面结构单元对光线的偏转程度越小，即入射光线的入射方向与透射光线的透射方向之间的夹角(第一偏转角度与第二偏转角度之间的差值)也越小。

本发明实施例中，透射参考位置为该透射式超表面元件22的主光轴所对应的位置，该主光轴一般垂直于透射式超表面元件22所在平面，故以透射式超表面元件22和其主光轴可以建立坐标系。参见图4所示，将透射式超表面元件22的透射参考位置设为坐标系的原点O，该透射式超表面元件22所在位置表示为y轴，透过该透射参考位置O的主光轴为x轴；其中，透过该透射参考位置O的光线的方向不发生变化，即入射方向与透射方向相同。设图像源10中某个像素点的位置为A，其坐标为(a,b)。由于透过该透射参考位置O的光线的方向不发生变化，为了能够形成放大虚像，则需要保证像A所成的虚像A'位于入射光线AO的反向延长线上，若放大虚像的放大倍数为m，则虚像A'的坐标为(ma,mb)。其中，由于存在反射元件21，像素点A的真实坐标并不为(a,b)，但其可等效为位于(a,b)处。

对于透射式超表面元件22上的任一透射式超表面结构单元，设其坐标为(0,y)，图4中以点B表示；则从A点入射至该透射式超表面结构单元B的光线为AB，其入射方向为为了能够形成放大虚像，该光线AB透过透射式超表面结构单元B后，透射后的光线的反向延长线需要经过虚像A'，故透射光线的透射方向可以表示为/>

由A、B、A'三点的坐标可知，透射式超表面结构单元B到透射参考位置O的方向为/>如图4所示，α是/>与/>之间的夹角，即第一偏转角度，β是/>与/>之间的夹角，即第二偏转角度，α-β是/>与之间的夹角，且α≥β。

在y大于0的情况下，y表示透射式超表面结构单元B到透射参考位置O的距离。若y<mb，则mb-y>0，可得该式对于任意点A(a,b)向y值符合相应条件(即0<y<mb)的透射式超表面结构单元B(0,y)发射光线时均适用。对于不同位置的透射式超表面结构单元，y取值可能不同；对于来自同一像素点的入射光线，不同位置处的透射式超表面结构单元对该入射光线的第二偏转角度也不同；例如在点A确定的情况下，即a和b是固定的，由上式可知，透射式超表面结构单元B到透射参考位置O的距离y越大，cosβ越小，而由于余弦函数在[0,π]为单调递减的，故第二偏转角度β越大。

此外，对于不同位置的透射式超表面结构单元，若为了保证入射光线的第一偏转角度相同，则在图4所示的坐标系中，入射光线的入射方向平行于故像素点(a,b+Δd)所发出的光线射向(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元时，该光线与图4中的光线AB平行，二者具有相同的第一偏转角度，其中，Δd表示距离的偏移量。故(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元透射具有第一偏转角度为α的入射光线时，其透射光线的第二偏转角度的余弦值为：/>即：/>由于虚像为放大的，故m＞1；若Δd为正，则可以得到(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元比(0,y)处的透射式超表面结构单元距离该透射参考位置更远，而前者的第二偏转角度的余弦值大于后者的第二偏转角度的余弦值；又由于余弦函数在[0,π]为单调递减的，故前者的第二偏转角度小于后者的第二偏转角度，即在第一偏转角度相同的情况下，(0,y+Δd)处的透射式超表面结构单元的第二偏转角度小于(0,y)处的透射式超表面结构单元的第二偏转角度，即透射式超表面结构单元距离该透射参考位置越远，该透射式超表面结构单元对光线的偏转程度(第一偏转角度与第二偏转角度之间的差值α-β)越大。

综上，距离该透射参考位置越远的透射式超表面结构单元，对来自同一像素点的入射光线进行透射时的第二偏转角度越大，对具有同一第一偏转角度的入射光线进行透射时的第二偏转角度越小。同理，在y＞mb或者y＜0的情况下，也可得出上述结论，此处不做赘述。由此使得该透射式超表面元件22能够形成放大虚像。

本领域技术人员可以理解，图4仅示出了主光轴所在截面的情况，而透射式超表面元件是立体结构，在入射光线不与主光轴共面的情况下，即使入射方向与图4中的不平行，该入射光线的第一偏转角度也可能等于图4中入射光线的第一偏转角度。

此外可选地，对于某个透射式超表面结构单元，其与透射参考位置之间的距离是固定的，对于入射至该透射式超表面结构单元的至少部分光线，其第二偏转角度的余切值与第一偏转角度的余切值之间的差值为定值，且该定值与所述透射式超表面结构单元到所述透射参考位置的距离之间为正相关关系。

参见图4所示， 所表示的方向(即透射式超表面结构单元B所透射的光线的透射方向)也可以表示为/>设c＝y-b，/>则 所表示的方向为(-a,c+d)，在表示角度时，(-a,c+d)可以代替表示

基于三角函数的和差化积公式可得：/>

以(-a,c+d)代替表示且/> 则：

由于180°>α≥β>0，在该区间内余切函数单调递减，故第二偏转角度的余切值cotβ与第一偏转角度的余切值cotα之间的差值为不小于0的值，即其中的|y|表示透射式超表面结构单元到透射参考位置的距离，即图4中B点到原点O之间的距离。由于在实际的工作情况下，图像源10与透射式超表面元件22的位置均固定，二者之间的距离|a|是固定的，且放大倍数m也是预先设置的，故cotβ-cotα为定值，且透射式超表面结构单元到透射参考位置O的距离越大，cotβ-cotα也越大。反过来讲，不同位置处的透射式超表面结构单元能够满足上述条件，可以使得透射光线的反向延长线尽可能的经过相应的虚像，从而能够提高透射式超表面元件22的成像效果。

可选地，图像源10出射的成像光线的光轴与透射式超表面元件22的主光轴平行。例如，在透射式超表面元件22为平面结构的情况下，图像源10可以与该透射式超表面元件22平行设置。通过将成像光线的光轴与透射式超表面元件22的主光轴设置为平行，可以使得透射式超表面元件22具有对称性，方便设计生产该透射式超表面元件22。

此外可选地，参见图1所示，图像源10、透射式超表面元件22、反射元件21不共线，反射元件21用于将图像源10发出的成像光线反射至透射式超表面元件22。即图像源10发出的成像光线先被反射元件21反射，之后再被透射式超表面元件22透射。

或者，图像源10、透射式超表面元件22、反射元件21共线，且透射式超表面元件22位于图像源10与反射元件21之间；反射元件21用于反射透射式超表面元件22所透射的成像光线。即图像源10发出的成像光线先被透射式超表面元件22透射，之后再被反射元件21反射。

可选地，为了能够透射成像光线，该透射式超表面元件22主要选用能透过可见光的材料。参见图5所示，透射式超表面元件22包括透明基底层221和设置在透明基底层221上的多个纳米结构200。

该透明基底层221是可见光波段透明的材料，例如可以是石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等。该纳米结构200也采用可见光波段透明的材料，如氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等。可选地，纳米结构200之间可是空气填充或者其他可见光波段透明的材料填充，并且，填充材料的折射率与纳米结构200的折射率之间的差值需大于或等于0.5。其中，透明基底层221、纳米结构200、纳米结构200之间的填充物均采用不同的材料。

在上述任一实施例的基础上，参见图2所示，该反射元件21包括反射式超表面元件210，该反射式超表面元件210可以通过准反射的方式对成像光线的出射方向进行调整。该反射式超表面元件210包括多个反射式超表面结构单元，反射式超表面结构单元用于调整入射至反射式超表面结构单元的至少部分光线的出射方向，且反射式超表面结构单元所出射的光线的反向延长线经过放大虚像11。其中，该反射式超表面元件210是能够转动的，例如，将基于超表面技术所制作的反射式超表面元件210放置到三轴旋转台上，通过转动该三轴旋转台以实现转动反射式超表面元件210；图2中未示出三轴旋转台。

本发明实施例中，反射式超表面元件210包括多个反射式超表面结构单元，至少部分反射式超表面结构单元能够调整入射至该反射式超表面结构单元的光线进行相位补偿，以能够调整成像光线的出射方向，实现准反射。其中，反射式超表面元件210包括多个反射式超表面结构单元，指的是该从反射式超表面元件210中可以划分出多个反射式超表面结构单元，并不意味着多个反射式超表面结构单元之间必须是完全结构独立的个体；多个反射式超表面结构单元可以是一个整体，或者其中至少部分反射式超表面结构单元可以是结构独立的。一般情况下，不同的反射式超表面结构单元共用同一个基底，只是不同的反射式超表面结构单元位于该基底的不同位置，反射式超表面结构单元是从反射式超表面元件210中人为划分出来的一部分结构。

如图2所示，图像源10发出的成像光线能够入射至反射式超表面元件210的相应反射式超表面结构单元，该反射式超表面结构单元能够对入射至反射式超表面结构单元的至少部分光线进行调整，从而能够调整入射的至少部分光线的出射方向，以减小成像光线的发散角，使得反射式超表面结构单元所出射的来自于图像源10某一像素点的成像光线的反向延长线能够相交于某个位置或区域，由于反射式超表面结构单元出射的成像光线具有更小的发散角，从而能够形成放大虚像11。

可选地，为了使得反射式超表面元件210能够形成放大虚像11，本实施例为反射式超表面元件210设置两个虚拟的参考位置，即第一反射参考位置和第二反射参考位置；两个参考位置均位于该反射式超表面元件210的同一侧，且是该反射式超表面元件210靠近图像源10的一侧；并且，第一反射参考位置与反射式超表面元件210之间的距离大于第二反射参考位置与反射式超表面元件210之间的距离，即第一反射参考位置离反射式超表面元件210较远，第二反射参考位置离反射式超表面元件210较近。

参见图6所示，第一反射参考位置F1和第二反射参考位置F2均位于反射式超表面元件210的同一侧(图6中的左上侧)，且第一反射参考位置F1距离反射式超表面元件210更远；图6中以点A表示图像源10中的像素点，点A与第一反射参考位置F1、第二反射参考位置F2均位于反射式超表面元件210的同一侧。反射式超表面元件210能够对A点发出的成像光线进行准反射，从而形成A点的虚像A'。另，虚像A'为放大的虚像，故与点A相比，点A'距离反射式超表面元件210更远。

本发明实施例中，反射式超表面结构单元能够将垂直入射至反射式超表面结构单元的光线出射至预设的第二反射参考位置。如图6所示，像素点A发出的成像光线垂直入射至B点对应的反射式超表面结构单元，该B点对应的反射式超表面结构单元能够将该成像光线准反射至第二反射参考位置F2。并且，入射至反射式超表面结构单元的至少部分光线与反射式超表面结构单元出射的光线之间形成的开口朝向第一反射参考位置。如图6所示，入射至B点对应的反射式超表面结构单元的光线AB，与B点对应的反射式超表面结构单元对该光线AB准反射后所出射的光线BF2之间的开口(即ABF2对应的开口)朝向第一反射参考位置F1，且光线BF2的反向延长线经过虚像A'。此外，A点发出的光线沿F1A方向入射至反射式超表面元件210的C点，由于入射光线与准反射光线之间的开口朝向第一反射参考位置F1，故该C点对应的反射式超表面结构单元对向反射该光线AC，即将光线AC沿相反的方向CA进行准反射，入射光线AC与准反射光线CA重叠，但方向相反，并且，准反射光线CA的反向延长线经过虚像A'。图像源10中的像素点A发出的射向反射式超表面元件210中其他反射式超表面结构单元的光线也可以被反射式超表面结构单元准反射，且准反射的光线的反向延长线也可以经过虚像A'；图像源10中的其他像素点发出的光线也可以被相应的反射式超表面结构单元准反射，且准反射的光线的反向延长线可以经过放大虚像的相应位置，从而形成图像源10的放大虚像11。

需要说明的是，图6示出的是一种理性情况下的光路图，而由于制造工艺的精度不高或需要对图像源10的畸变进行补偿等，准反射光线的反射延长线可能并不会完全精准地相交，例如A点发出的光线被反射式超表面结构单元准反射后，准反射的所有光线的反向延长线可能并不全部相交于点A'，故，本实施例中所述的光线的反向延长线经过放大虚像或经过虚像A'，指的是光线的反向延长线能够当做是经过放大虚像或经过虚像A'，或者说，光线的反向延长线与放大虚像或虚像A'之间的距离小于预设距离值。

此外可选地，与传统的反射相比，本实施例中的反射式超表面结构单元对入射的光线进行“准反射”，主要指的是将入射光线与准反射光线分布于第一反射参考位置F1的两侧，并且，使得该第一反射参考位置F1尽量位于入射光线与准反射光线之间的中间位置。本发明实施例中，在垂直于反射式超表面元件210的主光轴的方向上，该第一反射参考位置F1基本位于入射光线与准反射光线之间的中间位置。

本发明实施例中，在垂直于反射式超表面元件210的主光轴的方向上，将入射至反射式超表面结构单元的光线与第一反射参考位置F1之间的距离称为第一距离，将反射式超表面结构单元出射的光线与第一反射参考位置F1之间的距离称为第二距离，且该第一距离与第二距离接近，即第一距离与第二距离之间的差值小于预设差值。本发明实施例通过约束第一距离与第二距离之间的差值，以能够减小入射至反射式超表面元件210的成像光线的发散角。

具体地，第一反射参考位置F1和第二反射参考位置F2为该反射式超表面元件主光轴上的两个位置，一般情况下，反射式超表面元件主光轴垂直于该反射式超表面元件，故第一反射参考位置F1和第二反射参考位置F2之间的连线垂直于该反射式超表面元件。参见图7所示，将第一反射参考位置F1和第二反射参考位置F2所在的连线作为x轴，将反射式超表面元件210作为y轴建立坐标系，即反射式超表面元件210的主光轴为x轴。

如图7所示，设图像源10中某个像素点在A点，且其坐标为(-a,b)，a>0；第一反射参考位置、第二反射参考位置分别为F1、F2，则点F1、F2均位于y轴的左侧，本实施例设两点F1、F2的坐标分别为(-e,0)、(-f,0)，e>f>0；其中，e表示第一反射参考位置F1与反射式超表面元件210之间的距离，f表示第二反射参考位置F2与反射式超表面元件210之间的距离，a可以近似表示图像源10与反射式超表面元件210之间的距离。

如上所述，像素点A发出的一束光线可以垂直入射到反射式超表面元件210的B点(0,b)，B点的反射式超表面结构单元能够将该光线AB出射(准反射)至第二反射参考位置F2，即出射光线(也可称为准反射光线)为BF2。并且，若像素点A发出的光线沿F1A的方向，该光线入射至反射式超表面元件210的C点，由于入射光线AC与C点的准反射光线之间的开口朝向该第一反射参考位置F1，故C点的准反射光线沿CF1的方向，即准反射光线为CF1。准反射光线BF2、CF1的反向延长线相交于点A'，该点A'即为像素点A的虚像。

由于A点坐标为(-a,b)，F1坐标为(-e,0)，故AF1的直线方程为：

由于B点坐标为(0,b)，F2坐标为(-f,0)，故BF2的直线方程为：

可得，上述两个直线方程的交点A'的坐标为

为保证形成虚像A'，点A'与像素点A位于反射式超表面元件的两侧，故即e-f＞a。

而为保证形成放大的虚像，则像素点A比虚像点A'更靠近于反射式超表面元件，即更靠近于y轴，故可得e-2f＜a。因此，通过设置不同的第一反射参考位置(-e,0)，可以使得横坐标-a满足e-2f＜a＜e-f的像素点能够生成放大虚像。例如，若e＝2f，可以使得与反射式超表面元件210之间的距离a小于f的图像源10可以形成放大的虚像。一般情况下，e不小于2f。

此外可选地，反射式超表面元件210的主光轴所经过的反射式超表面结构单元主要起到反射光线的作用，即图7中原点O处的反射式超表面结构单元用于反射光线，即A'O经过点(a,b)；为了能在点A'处形成虚像，若反射式超表面元件210用于对图像源10的像放大m倍，则虚像A'的坐标可以形如m(a,b)或者(ma,mb)，故f＝e-f，即e＝2f，第一反射参考位置F1与反射式超表面元件210之间的距离e是第二反射参考位置F2与反射式超表面元件210之间的距离f的2倍；虚像A'的坐标为即/>

对于反射式超表面元件210中的任一反射式超表面结构单元P，若其坐标为(0,p)，任一像素点A(-a,b)入射至P点的光线为AP，其直线方程为：

在垂直于反射式超表面元件210的主光轴的方向上，即在垂直于x轴的方向(或者平行于y轴的方向)上，经过第一反射参考位置F1的线与入射光线AP相交于点K1(-e,k1)，则第一反射参考位置F1与入射光线AP之间的第一距离为点F1与点K1之间的距离，且第一距离为|k1|。由AP的直线方程可知，

虚像A'的坐标为(ma,mb)，反射式超表面结构单元P所准反射的光线为A'P，其直线方程为：

同理，在垂直于反射式超表面元件210的主光轴的方向上，即在垂直于x轴的方向(或者平行于y轴的方向)上，经过第一反射参考位置F1的线与准反射光线A'P相交于点K2(-e,k2)，则第一反射参考位置F1与准反射光线A'P之间的第二距离为点F1与点K2之间的距离，且第二距离为|k2|。由A'P的直线方程可知，

由于K1与K2位于第一反射参考位置F1(-e,0)的两侧，故k1与k2中的一个为正数、另一个为负数，故第一距离与第二距离之间的差值为|k1+k2|，且e＝2f，由此可得：

即第一距离与第二距离之间的差值|k1+k2|＝0，第一距离与第二距离相等。

本发明实施例中，反射式超表面结构单元准反射所入射的光线时，以第一反射参考位置F1作为参考点，以约束在垂直于反射式超表面元件210的主光轴的方向上入射光线与准反射光线与该第一反射参考位置F1之间的距离差，使得第一反射参考位置F1尽量位于入射光线与准反射光线之间的中间位置，从而能够减小入射光线的发散角，能够形成放大的虚像，例如放大m倍的虚像，成像效果较好。

本领域技术人员可以理解，上述的第一反射参考位置F1和第二反射参考位置F2是为了方便描述而引入的两个位置，以方便解释说明反射式超表面元件210的功能，而不用于限定在第一反射参考位置F1和第二反射参考位置F2处具有结构特征。

在上述实施例的基础上，参见图8和图9所示，反射式超表面元件210包括反射层211、基底层212和多个纳米结构200；反射层211与基底层212贴合设置；多个纳米结构200位于反射层211靠近图像源10的一侧。

其中，参见图8所示，基底层212透明，基底层212设置在反射层211靠近图像源10的一侧，多个纳米结构200设置在基底层212上，并位于基底层212靠近图像源10的一侧。或者，参见图9所示，基底层212设置在反射层211远离图像源10的一侧，多个纳米结构200设置在反射层211上，并位于反射层211靠近图像源10的一侧。

本发明实施例中，反射式超表面元件210包括对可见光具有高反射率的反射层211，例如，该反射层211可以为铝、银、金、铬等金属材料层，厚度可以为300-2000nm。纳米结构200位于该反射层211与图像源10之间，该纳米结构200采用可见光波段透明的材料，如氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等。可选地，纳米结构200之间可是空气填充或者其他可见光波段透明的材料填充，并且，填充材料的折射率与纳米结构200的折射率之间的差值需大于或等于0.5。

反射式超表面元件210还包括能够起到支撑作用的基底层212。如图8所示，当基底层212位于反射层211与纳米结构200之间时，该基底层212需要是可见光波段透明的材料，该材料与纳米结构200或纳米结构200之间的填充物的材料均不相同，例如可以是石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃等。或者，如图9所示，若基底层212位于反射层211的背面，则该基底层212可以不透光，也可以为可见光波段透明的材料，本实施例对此不做限定。其中，反射层211可以是以镀膜的形式设置在基底层212的一侧。

此外，如图8和图9所示，该反射式超表面元件210对平行入射的光线具有会聚作用；如上所述，若该光线垂直入射至该反射式超表面元件210，则准反射的光线会聚于第二反射参考位置F2；并且，基于上述图7中的入射光线AP与准反射光线A'P的方程可以证明，沿其他方向平行入射的光线，其准反射光线能够会聚在其他位置。

可选地，如图2所示，反射式超表面元件210整体为平面结构，其中的反射层211、基底层212为平面结构，多个纳米结构200沿平面分布。或者，参见图10所示，该反射式超表面元件210整体也可以为内凹结构，例如反射层211的反射面为内凹曲面、或者基底层212为内凹曲面等，此时多个纳米结构200设置在相应的内凹曲面上，多个纳米结构200沿内凹曲面分布，该内凹曲面可以为内凹的自由曲面。

相比于平面的反射式超表面元件210，内凹曲面的反射式超表面元件210能够将部分自有曲面特征融合到基底层212中，从而降低了超表面的设计(尤其是宽光谱像差校正)难度；且内凹曲面的反射式超表面元件210可进一步缩减放大器的体积，从而更有利于小型化设计。

本发明实施例提供的显示装置，利用超表面元件(透射式超表面元件22或反射式超表面元件210)对图像源10发出的成像光线进行处理，使得显示装置的出光区域所射出的成像光线能够形成该图像源10的放大虚像，方便后续利用该放大虚像实现成像并显示。与传统的自由曲面反射式的光学组件相比，该超表面元件通过调整反射或透射相位，通过方便地集成各种高次曲面、自由曲面的功能，从而能够形成放大虚像，极大地减少了传统显示装置所需的光学组件以及调装难度，能够减小体积；并且，采用半导体工艺加工方便量产超表面元件20，产能高、加工简单、成本低、良率高。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种抬头显示器，参见图3所示，该抬头显示器包括：如上任一实施例提供的显示装置1和反射成像装置2；该反射成像装置2用于将显示装置1出射的成像光线反射至观察区域，使得位于该观察区域的人眼可以观看到反射成像装置2所成的像。该观察区域可以为眼动范围(eyebox)。

图3中，显示装置1的图像源10包括图像产生器(PGU)和散射屏(Diffuser)，PGU将待显示的图像投影到散射屏，利用该散射屏作为中间像面，并出射成像光线；该显示装置1的图像放大器20可以包括反射元件21和透射式超表面元件22，利用反射元件21调整角度实现多视角，利用透射式超表面元件22调整成像光线的发散角。若显示装置1具有外壳，则该显示装置1的出光区域处的外壳设有开口，或者外壳是透可见光的。如图3所示，反射成像装置2能够反射显示装置1出射的成像光线，从而可以在反射成像装置2的一侧形成相应的虚像；对于图像源10中的两个像素点A1和A2，反射成像装置2所形成的虚像分别为A1”、A2”，且该虚像A1”、A2”也分别对应超表面元件20所形成的虚像A1'、A2'。

或者，参见图11所示，显示装置1的图像放大器20包括反射式超表面元件210，以准反射的方式将成像光线射向显示装置1的出光区域。

此外，如图12所示，该抬头显示器还可以包括：增透膜3；增透膜3设置在反射成像装置2远离显示装置1的一侧。

在不设置增透膜3的情况下，参见图13所示，由于反射成像装置2具有一定的厚度，例如反射成像装置2可以是挡风玻璃等，显示装置1出射的成像光线到达反射成像装置2后，反射成像装置2靠近该显示装置1的一侧(如图13中的左下侧)可以反射部分成像光线，反射的成像光线可以形成虚像A1”，人眼可以观看到该虚像A1”。并且，另一部分成像光线还可以透过反射成像装置2靠近该显示装置1的一侧，并进入反射成像装置2，之后到达反射成像装置2远离该显示装置1的一侧(如图13中的右上侧)，该侧也可以透射一部分光线，也可以反射另一部光线，从而导致被反射的光线再次射向反射成像装置2靠近该显示装置1的一侧，并透过该侧到达人眼，形成另外一个虚像A1”'，该虚像A1”'与上述虚像A1”相同，从而导致重影的问题。

参见图14所示，在反射成像装置2远离显示装置1的一侧设置增透膜3，且该增透膜3与反射成像装置2贴合，增透膜3能够提高光线的透过率，从而能够透过到达该增透膜3的大部分甚至全部光线，从而可以避免形成重影的虚像A1”'。

本发明实施例还提供一种交通工具，例如汽车等，该交通工具包括：如上任一实施例提供的抬头显示器。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种多视角的显示装置，其特征在于，包括：图像源和图像放大器；所述图像放大器包括能够转动的反射元件；

所述图像源用于周期性地发出成像光线，且所述成像光线能够射向所述图像放大器；

所述反射元件用于反射入射至所述反射元件的成像光线，所述反射元件能够周期性地转动至多个不同的角度，所述图像源发出成像光线与所述反射元件转动是同步的；

所述图像放大器用于调整入射至所述图像放大器的成像光线的发散角，并在所述反射元件转动至不同的角度的情况下分别形成所述图像源的位于不同位置的放大虚像，以使得位于不同位置的观察者能够看到位于不同位置的放大虚像；

其中，所述反射元件包括扫描反射镜，所述图像放大器还包括透射式超表面元件；所述图像源和所述透射式超表面元件位于所述反射元件的同一侧；所述透射式超表面元件包括多个透射式超表面结构单元，所述透射式超表面结构单元用于将入射至所述透射式超表面结构单元的光线进行透射，并调整透射方向，所述透射式超表面元件所透射的光线能够形成所述放大虚像；入射至所述透射式超表面结构单元的光线的入射方向与透射参考位置之间的第一偏转角度，大于或等于所述透射式超表面结构单元所透射的光线的透射方向与所述透射参考位置之间的第二偏转角度；所述透射参考位置为所述透射式超表面元件的中心；

或者，

所述反射元件包括反射式超表面元件；所述反射式超表面元件对所述图像源的像素点进行准反射，形成所述像素点的虚像；所述像素点与所述反射式超表面元件之间的距离，小于所述像素点的虚像与所述反射式超表面元件之间的距离，以形成所述放大虚像。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，

所述图像源发出成像光线的成像频率f_PGU是所述反射元件的转动频率f_R的整数倍；所述反射元件的转动频率f_R为1/Δt，其中，Δt表示所述反射元件从第一角度转动至下一个第二角度的时间差，所述第一角度、所述第二角度均为所述反射元件能够转动至的多个角度中的一个角度。

3.根据权利要求2所述的显示装置，其特征在于，所述反射元件的转动频率f_R大于或等于M×f_min；其中，M表示所述反射元件在一个周期内能够转动至所有角度的角度数量，f_min表示能够成像的最低帧频。

4.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括：能够控制所述反射元件转动的控制器；

所述控制器用于：

确定所述图像源发出的成像光线所对应的入射向量k_in，并根据不同视角位置确定射向所述视角位置的成像光线所对应的出射向量k_out，所述视角位置为能够看到所述放大虚像的位置；

根据所述入射向量k_in和每个所述出射向量k_out分别确定所述反射元件转动不同角度时的法向量，不同的所述视角位置对应所述反射元件不同的法向量；

确定所述反射元件从第一角度对应的第一法向量转动至第二角度对应的第二法向量的转动角，并控制所述反射元件基于所述转动角转动；所述第一角度为所述反射元件能够转动至的多个角度中的一个角度，所述第二角度为所述反射元件能够转动至的多个角度中所述第一角度的下一个角度。

5.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述控制器根据所述入射向量k_in和每个所述出射向量k_out分别确定所述反射元件转动不同角度时的法向量，包括：

根据所述入射向量k_in和每个所述出射向量k_out分别确定所述反射元件转动不同角度时的反射矩阵，且所述反射元件能够转动至的不同角度中的第i个角度对应的反射矩阵M_i为：

M_i＝M_oth ^-1×k_out×k_in ^-1；其中，M_oth表示所述图像源发出的成像光线到达所述视角位置的过程中，除所述反射元件之外、其他能够反射所述成像光线的元件的反射矩阵集合；

根据所述第i个角度对应的反射矩阵M_i确定所述第i个角度对应的单位法向量(nx_i,ny_i,nz_i)，且所述反射矩阵M_i与所述单位法向量(nx_i,ny_i,nz_i)满足以下关系：

I表示单位矩阵。

6.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，还包括定位元件；

所述定位元件用于确定所述视角位置。

7.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，对于入射至该透射式超表面结构单元的至少部分光线，所述第二偏转角度的余切值与所述第一偏转角度的余切值之间的差值为定值，所述定值与所述透射式超表面结构单元到所述透射参考位置的距离之间为正相关关系。

8.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述图像源出射的成像光线的光轴与所述透射式超表面元件的主光轴平行。

9.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述图像源、所述透射式超表面元件、所述反射元件共线，且所述透射式超表面元件位于所述图像源与所述反射元件之间；所述反射元件用于反射所述透射式超表面元件所透射的所述成像光线；

或者，所述图像源、所述透射式超表面元件、所述反射元件不共线，所述反射元件用于将所述图像源发出的所述成像光线反射至所述透射式超表面元件。

10.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述透射式超表面元件包括透明基底层和设置在所述透明基底层上的多个纳米结构。

11.根据权利要求1-6任意一项所述的显示装置，其特征在于，所述反射式超表面元件包括多个反射式超表面结构单元，所述反射式超表面结构单元用于调整入射至所述反射式超表面结构单元的至少部分光线的出射方向，且所述反射式超表面结构单元所出射的光线的反向延长线经过所述放大虚像。

12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，入射至所述反射式超表面结构单元的至少部分光线与所述反射式超表面结构单元出射的光线之间形成的开口朝向预设的第一反射参考位置，且所述反射式超表面结构单元能够将垂直入射至所述反射式超表面结构单元的光线出射至预设的第二反射参考位置；其中，所述第一反射参考位置和所述第二反射参考位置为所述反射式超表面元件主光轴上的两个位置，所述第一反射参考位置和所述第二反射参考位置之间的连线垂直于所述反射式超表面元件；

所述第一反射参考位置与所述第二反射参考位置均位于所述反射式超表面元件靠近所述图像源的一侧，且所述第一反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离大于所述第二反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离。

13.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，第一距离与第二距离之间的差值小于预设差值；所述第一距离为在垂直于所述反射式超表面元件的主光轴的方向上，入射至所述反射式超表面结构单元的光线与所述第一反射参考位置之间的距离，所述第二距离为在垂直于所述反射式超表面元件的主光轴的方向上，所述反射式超表面结构单元出射的光线与所述第一反射参考位置之间的距离。

14.根据权利要求13所述的显示装置，其特征在于，所述第一反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离是所述第二反射参考位置与所述反射式超表面元件之间的距离的二倍，且所述第一距离等于所述第二距离。

15.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述反射式超表面元件包括反射层、基底层和多个纳米结构；

所述反射层与所述基底层贴合设置；

多个所述纳米结构位于所述反射层靠近所述图像源的一侧。

16.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，

所述基底层设置在所述反射层远离所述图像源的一侧，多个所述纳米结构设置在所述反射层上，并位于所述反射层靠近所述图像源的一侧；或者，

所述基底层透明，所述基底层设置在所述反射层靠近所述图像源的一侧，多个所述纳米结构设置在所述基底层上，并位于所述基底层靠近所述图像源的一侧。

17.一种多视角的抬头显示器，其特征在于，包括：如权利要求1-16任意一项所述的显示装置和反射成像装置；

所述反射成像装置用于将所述显示装置出射的成像光线反射至能够看到所述显示装置所成放大虚像的视角位置。

18.根据权利要求17所述的抬头显示器，其特征在于，还包括：增透膜；

所述增透膜设置在所述反射成像装置远离所述显示装置的一侧。

19.一种交通工具，其特征在于，包括：如权利要求17或18所述的抬头显示器。