CN103412359A - 光栅透镜、透镜式光栅及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示技术领域，公开了一种光栅透镜，所述光栅透镜为均匀柱状体，垂直于所述光栅透镜轴线的任一横截面的形状、大小均相同，且包括：由平面和弧面形成的侧面，所述光栅透镜的斜截面与所述弧面的相交线为圆弧，所述斜截面为与所述光栅透镜的轴线呈预定夹角A且垂直于所述平面的任一截面，其中，0°＜A＜90°。本发明还公开了一种包括上述光栅透镜的透镜式光栅及显示装置。本发明通过改变现有技术中光栅透镜的表面形貌，即使光栅透镜的斜截面与光栅透镜的弧面的相交线为圆弧，从而减轻了光线通过光栅透镜后产生的球差现象，进而减轻了3D串扰现象，增大了观看视角。

Description

光栅透镜、透镜式光栅及显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种光栅透镜、透镜式光栅及显示装置。

背景技术

3D光栅通常置于显示面板的出光侧（即观看侧）以形成3D显示装置。现有的透镜式光栅（3D光栅的一种）在使用时均为将柱透镜相对与显示面板中像素的行和列倾斜设置。具体如图1所示，透镜式光栅设计、制作时使光栅中的透镜为圆柱透镜的一部分（沿圆柱轴向方向切下的一部分），包括：由平面110和弧面120形成的侧面，及与平面110和弧面120垂直的两个底面130。其中，弧面120为圆柱体侧面的一部分。如图2所示（标有1、2和3的矩形表示不同亚像素显示的视点图像，相同标号的亚像素组成一幅完整的视点图像，不同的视点图像为对同一物体从不同角度拍摄的图像），在应用时，由于会将透镜式光栅的柱透镜倾斜使用，此时从屏幕（屏幕与水平面垂直）的观看侧来看，水平面与透镜相交形成的截面与所述弧面120的相交线为椭圆弧，即与透镜的轴向方向（两个底面130的中心连线的方向）呈预定夹角A且垂直于所述平面的截面与所述弧面120的相交线为椭圆弧。由于透镜倾斜设置，相当于在显示面板前面设置了一椭圆弧面的透镜，椭圆弧面透镜也会对平行光起到汇聚作用，但汇聚焦距不一致，焦点范围较大（不能汇聚到一点），使得显示面板出射的光线通过透镜后产生较大的球差。如图3中虚线椭圆框处所示，通过透镜的光线不能汇聚在一点上。该球差会引起3D串扰增加，进而影响3D视角，使观看视角变窄。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何减轻光线通过透镜式光栅中透镜后产生的球差现象。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光栅透镜，所述光栅透镜为均匀柱状体，垂直于所述光栅透镜轴线的任一横截面的形状、大小均相同，且包括：由平面和弧面形成的侧面，所述光栅透镜的斜截面与所述弧面的相交线为圆弧，所述斜截面为与所述光栅透镜的轴线呈预定夹角A且垂直于所述平面的任一截面，其中，0°＜A＜90°。

其中，垂直于所述光栅透镜轴线的任一横截面与弧面的交线为非圆弧，对于所述圆弧上的点(x，y)和所述非圆弧上的点(x＇，y＇)满足如下关系：

x′=xsinA    (1)

y′=y    (2)

其中，点(x，y)是以所述斜截面与所述平面交线的中点为原点，在斜截面平面内建立的第一坐标系中的点，点(x＇，y＇)是以所述横截面与所述平面交线的中点为原点，在横截面平面内建立的第二坐标系中的点，

以所述圆弧的圆心为原点，在所述斜截面平面内建立第三坐标系，在所述第三坐标系下，对于圆弧上任一点（X,Y）满足：

X²+Y²=r²    (3)

Y=(r²-X²)^0.5    (4)

L=(r²-P²/4)^0.5    (5)

x=X    (6)

从而得到：

x′=XsinA    (7)

由公式(2)、(3)、(4)和(5)，可推得：

y′=y=Y-L=Y-(r²-P²/4)^0.5=(r²-X²)^0.5-(r²-P²/4)^0.5    (8)

由上述公式(7)和(8)可得到在所述第二坐标系下所述非圆弧上的点的坐标，其中，P为栅距，r为所述圆弧的半径，L为所述圆弧的圆心到所述斜截面与平面的交线的距离。

本发明还提供了一种透镜式光栅，包括光栅基板，还包括位于所述光栅基板上的上述的光栅透镜形成的阵列。

其中，所述光栅透镜的平面为与所述光栅基板的表面的接触面。

本发明还提供了一种显示装置，包括显示面板，还包括位于所述显示面板出光侧的上述的透镜式光栅。

其中，所述光栅透镜位于光栅基板上背离所述显示面板的一侧。

其中，所述光栅透镜位于所述光栅基板和显示面板之间。

其中，所述光栅透镜的轴向方向与所述显示面板中像素阵列横向方向呈所述预定夹角A。

（三）有益效果

本发明通过改变现有技术中光栅透镜的表面形貌，即使光栅透镜的斜截面与光栅透镜的弧面的相交线为圆弧，从而减轻了光线通过光栅透镜后产生的球差现象，进而减轻了3D串扰现象，增大了观看视角。

附图说明

图1是现有技术的透镜式光栅中采用的透镜示意图；

图2是现有技术的透镜式光栅中使用透镜的示意图；

图3是现有技术的透镜式光栅中透镜产生球差的原理示意图；

图4是本发明实施例的一种光栅透镜示意图；

图5是本发明实施例的光栅透镜在透镜式光栅中使用的示意图；

图6是推导本发明实施例的光栅透镜斜截面与弧面相交的的圆弧的半径示意图；

图7是圆弧半径公式计算示意图；

图8是本发明实施例的光栅透镜减轻球差现象的原理示意图；

图9是包括本发明实施例的光栅透镜的一种显示装置在出光侧的光路图；

图10是3D光栅显示原理图；

图11是包括本发明实施例的光栅透镜的另一种显示装置在出光侧的光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种光栅透镜，即用作3D光栅的透镜，具体形状如图4所示。本实施例的光栅透镜为均匀柱状体，垂直于所述光栅透镜轴线的任一横截面的形状、大小均相同，即表面形貌均匀。该光栅透镜包括：由平面210和弧面220形成的侧面，当然光栅透镜两端还各有一底面230。如图5所示，由于在使用时光栅透镜会相对与显示装置中像素的行和列倾斜设置，为了避免通过光栅透镜的光产生球差，本实施例的光栅透镜的斜截面与弧面220的相交线为圆弧，即圆的一段弧，所述斜截面为与该光栅透镜的轴线呈预定夹角A且垂直于平面210的任一截面，其中，0°＜A＜90°，光栅透镜的轴线为光栅透镜（均匀柱状体）的两个底面中心的连线。此时，垂直于所述光栅透镜轴线的任一横截面与弧面220的相交线为非圆弧。

由于本实施例的光栅透镜的弧面220不再是圆柱的弧面，因此，本实施例通过预先确定上述斜截面与弧面220的相交圆弧的半径r、光栅透镜的栅距P及角度A来确定上述非圆弧的形状，从而确定整个弧面220的形状。如图6所示，对于圆弧上的点(x，y)和非圆弧上的点(x＇，y＇)满足如下关系：

x′=xsinA    (1)

y′=y    (2)

其中，点(x，y)是以所述斜截面与所述平面交线的中点为原点O₁，在斜截面平面内（图6中，XO₁Y所在的平面）建立的第一坐标系中的点，点(x＇，y＇)是以所述横截面与所述平面交线的中点为原点O₂，在横截面平面内（图6中，X’O₂Y’所在的平面）建立的第二坐标系中的点。

在制作该光栅透镜时，可以以所述圆弧的圆心为原点O₃，在所述斜截面平面内建立第三坐标系，如图7所示，在所述第三坐标系下，对于圆弧上任一点（X,Y）满足：

X²+Y²=r²    (3)

Y=(r²-X²)^0.5    (4)

L=(r²-P²/4)^0.5    (5)

其中，L为所述圆弧的圆心到所述斜截面与平面的交线的距离。

由图6和图7对比，可知：

x=X    (6)

从而得到：

x′=XsinA    (7)

由公式(2)、(3)、(4)和(5)，可推得：

y′=y=Y-L=Y-(r²-P²/4)^0.5=(r²-X²)^0.5-(r²-P²/4)^0.5    (8)

由上述公式(7)和(8)可得到在所述第二坐标系下非圆弧上的点的坐标。

本实施例中，通过预定角度A可确定光栅透镜的表面形貌，如图8所示，相对于现有的透镜，本实施例的透镜的表面形貌不是圆柱侧面（圆弧面）的一部分，而是非圆弧的弧面。由于在使用时光栅透镜倾斜设置，且斜截面与弧面220的相交线为圆弧，相当于在显示面板的出光侧设置了表面形貌为圆弧面的透镜。相对于椭圆弧面的透镜，本实施例的光栅透镜使得通过自身的光线能够基本汇集在一点，减轻了光线通过光栅透镜后产生的球差现象，从而减轻了3D串扰现象，增大了观看视角。

实施例2

本实施例提供了一种透镜式光栅，包括光栅基板及位于光栅基板上的光栅透镜形成的阵列，该光栅透镜为上述实施例1中的光栅透镜，即图2中的光栅透镜。光栅透镜在光栅基板上的阵列和相应的显示装置中的像素阵列对应。为了方便制作，光栅透镜的平面210为与光栅基板的表面的接触面。由于采用了实施例1中的光栅透镜，本实施例的透镜式光栅在使用时减轻了3D串扰现象。

实施例3

本实施例提供了一种显示装置，包括显示面板，还包括位于所述显示面板观看侧的透镜式光栅，透镜式光栅中的透镜为实施例1中的光栅透镜。其中，光栅透镜的轴向方向与显示面板中像素阵列横向方向呈预定夹角A，其中，预定夹角A通常为70°～85°。

本实施例中，光栅透镜位于光栅基板上背离显示面板的一侧。该显示装置在出光侧的光路图如图9所示，其中，e为彩膜基板及偏光片的厚度和，g为光栅基板和偏光片的间距，w为光栅基板厚度（g和w的大小根据实际情况而定，例如在没有光栅基板，即光栅透镜直接贴到偏光片上时，g和w均为0），r为光栅透镜斜截面与光栅透镜的弧面相交线形成的圆弧对应圆的半径，O为光栅透镜斜截面与光栅透镜的弧面相交线形成的圆弧对应圆的圆心。如图10所示，f为光栅透镜到显示面板的距离，s为透镜式光栅距人眼的距离，Subp为显示装置中亚像素的宽度，P为栅距（相邻两个光栅透镜轴线的水平间距），n为视点图像数，n可以为大于等于2的自然数。通过以下公式可得到f、P及r。

$\frac{f}{s}=\frac{\mathrm{Subp}}{l}---\left(9\right)$

$\frac{P}{n\·\mathrm{Subp}}=\frac{s}{s+f}---\left(10\right)$

$P=\frac{n\·\mathrm{Subp}}{1+\mathrm{Subp}/l}---\left(11\right)$

sinα=nsinθ    (12)

sinα=nsinβ    (13)

1+cot²α=csc²α    (14)

$\tan \mathrm{\α}=\frac{n\tan \mathrm{\θ}}{\sqrt{1+(1-n^2){\tan }^2\mathrm{\θ}}}---\left(15\right)$

X+Y+Z=P/2    (16)

X=etanθ    (17)

Y=gtanα    (18)

Z=wtanβ    (19)

etanθ+gtanα+wtanβ=P/2    (20)

$\frac{g\·n\tan \mathrm{\θ}}{\sqrt{1+(1-n^2){\tan }^2\mathrm{\θ}}}=P/2-(e+w)\tan \mathrm{\θ}---\left(21\right)$

sinδ=nsinγ    (22)

δ=β+γ    (23)

sinδ=P/(2r)    (24)

如图10所示，s、l、n、及Subp确定后，通过公式（9）可到f、通过公式（10）和（11）可得到P。根据附图9所示的光路及公式（12）～（24）可得到r。具体求解过程如下：

由于彩膜基板、偏光片及光栅基板的形状都是确定的，因此光线通过三者时发生折射的入射角和出射角都是已知的，即θ、α及β都是已知的。公式（12）～（15）说明了θ、α和β的关系，公式（16）～（21）说明了P、θ、α和β的关系。在确定栅距P及入射到彩膜基板的入射光角度θ度后，根据光线折射的角度关系及公式（22）和（23）可得到角度δ（δ为光栅透镜斜截面与光栅透镜的弧面相交线形成的圆弧对应圆的圆心O和光栅透镜边缘的连线与水平方向的夹角），从而根据公式（24）可计算出r。

本实施例中，通过栅距P可确定r，相当于确定了光栅透镜的大小。

实施例4

本实施例提供了另一种显示装置，包括显示面板，还包括位于所述显示面板观看侧的透镜式光栅，透镜式光栅中的透镜为实施例1中的光栅透镜。其中，光栅透镜的轴向方向与显示面板中像素阵列横向方向呈预定夹角A，预定夹角A通常为70°～85°。

本实施例的显示装置中，光栅透镜位于所述光栅基板和显示面板之间。由于实施例1得到的光栅透镜形貌近似理想透镜，因此将透镜附着在光栅基板上反向放置（即弧面朝向显示面板），也会起到同样的光栅汇聚作用。本实施例中的显示装置在出光侧的光路图如图11所示。

上述实施例4的光栅透镜位于光栅基板和显示面板之间，通过光栅透镜的光线受光栅基板的反射及折射影响，在一定程度上会影响3D视角和对比度，而实施例3中光栅透镜位于光栅基板上背离显示面板的一侧，透过光栅透镜的光线不再受光栅基板的反射及折射影响，相对与实施例4提高了3D视角和对比度。

在实际应用中，通过实施例3或实施例4中的光路图可以得到需要的r及P，再结合预定角度A由实施例1中的公式可得到非圆弧上的坐标(x＇，y＇)，从而制得光栅透镜。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种光栅透镜，所述光栅透镜为均匀柱状体，垂直于所述光栅透镜轴线的任一横截面的形状、大小均相同，且包括：由平面和弧面形成的侧面，其特征在于，所述光栅透镜的斜截面与所述弧面的相交线为圆弧，所述斜截面为与所述光栅透镜的轴线呈预定夹角A且垂直于所述平面的任一截面，其中，0°＜A＜90°。

2.如权利要求1所述的光栅透镜，其特征在于，垂直于所述光栅透镜轴线的任一横截面与弧面的交线为非圆弧，对于所述圆弧上的点(x，y)和所述非圆弧上的点(x＇，y＇)满足如下关系：

x′=xsinA    (1)

y′=y    (2)

其中，点(x，y)是以所述斜截面与所述平面交线的中点为原点，在斜截面平面内建立的第一坐标系中的点，点(x＇，y＇)是以所述横截面与所述平面交线的中点为原点，在横截面平面内建立的第二坐标系中的点，

以所述圆弧的圆心为原点，在所述斜截面平面内建立第三坐标系，在所述第三坐标系下，对于圆弧上任一点（X,Y）满足：

X²+Y²=r²    (3)

Y=(r²-X²)^0.5    (4)

L=(r²-P²/4)^0.5    (5)

x=X    (6)

从而得到：

x′=XsinA    (7)

由公式(2)、(3)、(4)和(5)，可推得：

y′=y=Y-L=Y-(r²-P²/4)^0.5=(r²-X²)^0.5-(r²-P²/4)^0.5    (8)

由上述公式(7)和(8)可得到在所述第二坐标系下所述非圆弧上的点的坐标，其中，P为栅距，r为所述圆弧的半径，L为所述圆弧的圆心到所述斜截面与平面的交线的距离。

3.一种透镜式光栅，包括光栅基板，其特征在于，还包括位于所述光栅基板上的如权利要求1或2所述的光栅透镜形成的阵列。

4.如权利要求3所述的透镜式光栅，其特征在于，所述光栅透镜的平面为与所述光栅基板的表面的接触面。

5.一种显示装置，包括显示面板，其特征在于，还包括位于所述显示面板出光侧的如权利要求3或4所述的透镜式光栅。

6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述光栅透镜位于光栅基板上背离所述显示面板的一侧。

7.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述光栅透镜位于所述光栅基板和显示面板之间。

8.如权利要求5～7中任一项所述的显示装置，其特征在于，所述光栅透镜的轴向方向与所述显示面板中像素阵列横向方向呈所述预定夹角A。

Images