CN104423050A - 裸眼立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种裸眼立体显示装置，其包括显示面板以及光学控制单元。该显示面板用以显示二维平面画面信息；该光学控制单元覆盖该显示面板，该光学控制单元包括第一平凹透镜阵列、第一平凸透镜阵列、第二平凹透镜阵列及第二平凸透镜阵列，该第一平凹透镜阵列的第一凹面结构与该第一平凸透镜阵列的第一凸面结构嵌套，该第二平凹透镜阵列的第二凹面结构与该第二平凸透镜阵列的第二凸面结构嵌套，该第一凸面结构与该第二凸面结构相对齐，该第一凹面结构朝向该显示面板，该第二凸面结构朝向远离该显示面板的方向，该光学控制单元将该二维平面画面信息以光场重建的方式形成裸眼立体画面信息。本发明的裸眼立体显示装置利于薄化并减少角重叠。

Description

裸眼立体显示装置

技术领域

本发明关于一种立体显示装置，特别是关于具有双凸面结构的光学控制单元的裸眼立体显示装置。

背景技术

近几年，裸眼立体显示技术是显示技术发展较为迅速的一个领域，其中经由柱状透镜(Lenticular lens)分光的裸眼立体显示装置，因为光利用效率较佳，已成为未来发展的主要方向之一。柱状透镜技术是由在裸眼立体显示装置的显示面板前增加一层具有柱状透镜阵列的光学膜，把显示面板上不同的像素或次像素(Pixel or sub-pixel)成像或投影到空间不同方向，让观众在不同观赏位置时可以不佩戴3D眼镜也能看到不同的立体影像，以此增加显示装置显示图景的真实度。

然而，柱状透镜阵列加在显示面板上时，增加的柱状透镜等额外光学膜的厚度越薄，柱状透镜的光学指向性越差，在运用单层柱状透镜阵列的技术下，光学膜变薄时，一个像素发出的光束发散角变大，同时与相邻像素所发的光束的角度重叠也变多，薄化会造成影像成像点会变大且与相邻成像点重叠加剧，导致立体影像模糊。因此，形成了裸眼立体显示装置薄化与薄化后导致立体图像显示品质下降的矛盾，不利于裸眼立体显示装置往轻薄化发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种柱状透镜阵列更薄且立体显示效果更好的裸眼立体显示装置。

根据一具体实施方式，本发明提供一种裸眼立体显示装置，其包括：显示面板以及光学控制单元。该显示面板用以显示二维平面画面信息；该光学控制单元覆盖该显示面板的显示面，该光学控制单元包括第一平凹透镜阵列、第一平凸透镜阵列、第二平凹透镜阵列及第二平凸透镜阵列，该第一平凹透镜阵列、该第一平凸透镜阵列、该第二平凹透镜阵列及该第二平凸透镜阵列依次排列设置且该第二平凸透镜阵列邻近该显示面板，该第一平凹透镜阵列的每一个第一凹面结构与该第一平凸透镜阵列的一个第一凸面结构相匹配嵌套，该第二平凹透镜阵列的每一个第二凹面结构与该第二平凸透镜阵列的一个第二凸面结构相匹配嵌套，每一个该第一凸面结构与一个该第二凸面结构相对齐，该第一凹面结构和该第二凹面结构朝向该显示面板，该第一凸面结构和该第二凸面结构朝向远离该显示面板的方向，该光学控制单元将该二维平面画面信息以光场重建的方式形成裸眼立体画面信息。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该第一平凹透镜阵列具有第一折射率n₁，该第一平凸透镜阵列具有第二折射率n′₁和第一曲率半径R₁，该第二平凹透镜阵列具有第三折射率n₂，该第二平凸透镜阵列具有第四折射率n′₂和第二曲率半径R₂，该第一曲率半径R₁与该第二曲率半径R₂满足以下关系：

其中， $f_{11}={(n_1{R}_1/(n_1^{\′}-n_1))}^{-1},f_{31}={(n_1{R}_1/(n_1^{\′}-n_1))}^{-3},$ $f_{12}={(n_2{R}_2/(n_2^{\′}-n_2))}^{-1},f_{32}={(n_2{R}_2/(n_2^{\′}-n_2))}^{-3},$ α为漏光率。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，第一折射率n₁小于第二折射率n′₁，第三折射率n2小于第四折射率n′₂。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该第二曲率半径R2与该第一曲率半径R₁的比值的范围为[0.4，1.2]，且该第二折射率n′₁与该第四折射率n′₂的差值范围为[0.1，1.75]。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该第二折射率n′₁的值为1.56，该第四折射率n′₂的值为1.6；或者，该第二折射率n′₁的值为1.57，该第四折射率n′₂的值为1.75。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该第一曲率半径的值为[1000，1760]微米，该第二曲率半径的值为[600，1460]微米。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该第一凸面结构的孔径宽度等于该第二凸面结构的孔径宽度。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该第一凸面结构的孔径宽度为420微米。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该光学控制单元还包括光学基底，该光学基底设置于该第一平凸透镜阵列和该第二平凹透镜阵列之间。

作为可选的技术方案，根据所述的裸眼立体显示装置，该裸眼立体显示装置还包括2D/3D切换单元，该2D/3D切换单元位于显示面板和光学控制单元之间。

本发明的裸眼立体显示装置相较于现有的裸眼立体显示装置，使用双凸面结构的光学控制单元，可以有效减小柱状透镜阵列的厚度，有利于裸眼立体显示装置的薄化，同时还可以减少角重叠，改善立体显示的光学品质。

关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。

附图说明

图1是本发明裸眼立体显示装置的示意图。

图2是现有裸眼立体显示装置200的示意图。

图3是图1中裸眼立体显示装置部分结构的示意图。

图4是两种裸眼立体显示装置的像素角重叠率随光学层厚度变化的分布图。

图5是一实施例角重叠率、双凸曲率半径比例及折射率的关系模拟图。

图6是另一实施例角重叠率、双凸曲率半径比例及折射率的关系模拟图。

具体实施方式

请参照图1，图1是本发明裸眼立体显示装置的示意图。如图所示，裸眼立体显示装置100包括：显示面板10以及光学控制单元。该显示面板10具有阵列式排布的多个像素11，用以显示二维平面画面信息。该光学控制单元覆盖该显示面板10的显示面，该光学控制单元至少包括第一平凹透镜阵20、第一平凸透镜阵列30、第二平凹透镜阵列40及第二平凸透镜阵列50，该第一平凹透镜阵列20、该第一平凸透镜阵列30、该第二平凹透镜阵列40及该第二平凸透镜阵列50依次排列设置且该第二平凸透镜阵列50邻近该显示面板10，该第一平凹透镜阵列20的每一个第一凹面结构21与该第一平凸透镜阵列30的一个第一凸面结构31相匹配嵌套，该第二平凹透镜阵列40的每一个第二凹面结构41与该第二平凸透镜阵列50的一个第二凸面结构51相匹配嵌套，每一个该第一凸面结构31与一个该第二凸面结构51相对齐，该第一凹面结构21和该第二凹面结构41朝向该显示面板10，该第一凸面结构31和该第二凸面结构51朝向远离该显示面板10的方向，即该第一凸面结构31和该第二凸面结构51朝向观众，该光学控制单元将该二维平面画面信息以光场重建的方式形成裸眼立体画面信息，供观众观看立体图景。作为可选的技术方案，该光学控制单元还包括光学基底60，该光学基底60设置于该第一平凸透镜阵列30和该第二平凹透镜阵列50之间，光学基底60可以是第一凸面结构的承载基板，或者光学基底60是光学胶层以粘合各个透镜阵列层。光学层70介于显示面板10和光学控制单元之间，光学层70可为空气或透明玻璃。作为可选的技术方案，若裸眼立体显示装置100需要2D/3D影像切换模式，该裸眼立体显示装置100还可以包括2D/3D切换单元，该2D/3D切换单元位于光学层70处。该2D/3D切换单元可以为半波片或其他具有改变光线偏振态的光学器件，只要能够实现显示模式2D/3D切换即可，2D/3D切换方式很多，处理方式也为习知技术，在此不再赘述。

请参照图2、图3和图4，图2是现有裸眼立体显示装置200的示意图，图3是图1中裸眼立体显示装置部分结构的示意图。图4是两种裸眼立体显示装置的像素角重叠率随光学层厚度变化的分布图。本实施例的裸眼立体显示装置100的第一平凹透镜阵列20具有第一折射率n1，第一平凸透镜阵列30具有第二折射率n1′和第一曲率半径R1，第二平凹透镜阵列40具有第三折射率n2，第二平凸透镜阵列50具有第四折射率n′₂和第二曲率半径R₂，该第一曲率半径R₁与该第二曲率半径R₂满足以下关系：

其中， $f_{11}={(n_1{R}_1/(n_1^{\′}-n_1))}^{-1},f_{31}={(n_1{R}_1/(n_1^{\′}-n_1))}^{-3},$ $f_{12}={(n_2{R}_2/(n_2^{\′}-n_2))}^{-1},f_{32}={(n_2{R}_2/(n_2^{\′}-n_2))}^{-3},$ α为漏光率。

上述的第一折射率n₁小于第二折射率n₁，第三折射率n₂小于第四折射率n₂。先不预设角解析与角重叠预期值，在使用现有的显示面板10和透镜阵列材料的情况下，每薄化10%光学层70模拟一观察点，观察现有裸眼立体显示装置200和本发明裸眼立体显示装置100在薄化后的像素角重叠率的表现差异性。本实施例中像素11前方有385um的玻璃(panel cover)。如图2所示，现有裸眼立体显示装置200的柱状透镜阵列的孔径p为420um、曲面曲率半径为937.5um，平凹透镜阵列的折射率为1(空气)，平凸透镜阵列1的折射率1.56，在倾角为零的状况下需要厚度为1902um的玻璃(折射率1.5)作为光学作用层70放于显示面板10的前方。如图3所示，本发明裸眼立体显示装置100预期使用的光学控制单元包含两个凹面结构21、41和两个凸面结构31、51，第一折射率和第三折射率n1=n2=1(空气)，第二折射率和第四折射率n1’=n2’=1.56，且在两平凸透镜阵列的下表面各有一层折射率n’’=1.56、厚度为188um的薄膜基底，即光学基底60的厚度d1为188um，折射率为n’’=1.56。光学作用层70的厚度为d2。根据上述参数，可经由简单光追迹得知单层透镜曲率约为276um时可让光学作用层70为零，双层时设计的厚度可以更薄。接下来估算各观察点的最佳双凸面结构31、51的曲率半径的比例，在此以薄化后剩下70%(～1332um)的素玻璃厚度为例，先估计第二曲率半径R2的透镜曲率R0初始值，估算方法为以原始单曲面的透镜设计时的曲率值R00为估计根据，配合材料函数算出R0，公式如下：

其中

$f_3=\frac{n(n^{\′}-n)}{n^{\′}}$ ---(2)

f₁=n′(n′/n-1)

$f_{31}=f_{32}=0.359,f_{11}=f_{12}=0.874,\frac{f_{32}{f}_{11}}{f_{12}{f}_{31}}=1,$ R00为729.2um，带入孔径及折射率数值得R0=729.2um。再根据光学基底60及简单光追迹估算两平凸结构的孔径比例，在此例中α为18.74%，带入下方公式算出第一曲率半径和第二曲率半径的比例：

得R2/R1为0.871。得到曲率比例R2/R1之后，由观赏者方向往显示面板10的方向进行光追迹，寻找让入射平行光在像素平面上有最小聚焦点、且两曲率比例符合上述所求的曲面曲率组合。从图4可以发现本发明双凸面结构的光学控制单元对于角重叠的改善十分显着，同样的角重叠率，本发明裸眼立体显示装置的光学层厚度更小，同样厚度的光学作用层，本发明的裸眼立体显示装置的角重叠率比现有裸眼立体显示装置的角重叠率小。本发明的裸眼立体显示装置相较于现有的裸眼立体显示装置，使用双凸面结构的光学控制单元，可以有效减小裸眼立体显示装置的厚度，有利于裸眼立体显示装置的薄化，同时还可以减少角重叠，改善立体显示的光学品质。

请参照图3和图5，图5是一实施例角重叠率、双凸曲率半径比例及折射率的关系模拟图。实施例中使用次像素宽度约为37.64um的显示面板，次像素前方有385um的玻璃(panel cover)。透镜阵列的孔径值为420um，倾角为零，目标的中心角度差是3°±0.5°，预期光学作用层小于600um，角重叠小于35%。如图3所示，光学作用层70使用素玻璃。在此各层的折射率满足以下条件，各组的n1=1(空气)，其他则分别是：第一组，n2=1.48，n1’=n2’=1.6，光学基底60的厚度为188um，n’’=1.6，代表相邻透镜折射率差异大的组别；第二组，n2=1.48，n1’=1.56，n2’=1.6，光学基底60的厚度为188um，n’’=1.56，代表减少显示面板表面全反射的设计；第三组与第四组，n2=1.515，n1’=n2’=1.56，n’’=1.56，但光学基底60的厚度分别为188um和396um，代表光学基底60的厚度相异的比较组。已知目标中心角度差，则光学作用层70的厚度d2可经由简单的三角函数配合折射率估算出厚度约为573um，符合目标厚度，以下计算以570um为厚度来设计双凸透镜阵列的曲率半径。根据公式(1)～(3)，模拟出四组不同结构的中心角度差分别为：2.94°、2.94°、2.89°与2.46°。估计的最佳曲面曲率比例分别为：0.737、0.730、0.727和0.667，模拟结果如图5所示，最小值分别为0.75、0.8、0.7和0.65，虽然估计与模拟有些许误差，但对于角重叠比例差异甚小，以第二组差异最大的为例差了0.18，不到角重叠37.28的1%。各组的角重叠分别为：34.6%、37.2%、41.9%和33.9%，根据目标第一组材料符合设计。从图5可以看出，透镜阵列的折射率和光学基底的厚度都会影响最佳双凸曲率半径比例R2/R1，构成各个凸面结构的曲率介面的折射系数差异越大，一般会有越小的角重叠。而与上一实施例相比较，当第二凸面结构的曲面界面折射系数比第一凸面结构的曲面界面折射系数小时，最佳双凸曲率半径比例R2/R1会往0.5靠近。

请参照图3和图6，图6是另一实施例角重叠率、双凸曲率半径比例及折射率的关系模拟图。本实施例中使用次像素宽度约为37.64um的显示面板，次像素前方有385um的玻璃。预计透镜的孔径值为420um，倾角为零。如图3所示，各层的折射率满足以下条件：第一组：n1=1.47，n2=1.525，n1’=1.57，n2’=1.75，光学基底60的厚度为188um，n’’=1.57；第二组：n1=n2=1.515，n1’=n2’=1.65，光学基底60的厚度为188um，n’’=1.65。假设光学作用层70的玻璃厚度为1330um，配合公式(1)～(3)，算得最佳双凸曲率半径比例R2/R1分别为0.9995和0.9445，模拟值为1和0.95，而角重叠分别为58.30%和67.03%，结果如6所示。根据上述两组模拟结果可以看出，当第二折射率比第四折射率小时，最佳曲面曲率比例R2/R1会往1靠近。

结合上述实施例，本发明裸眼立体显示装置其该第二曲率半径R2与该第一曲率半径R₁的比值的范围为[0.4，1.2]，且该第二折射率n′₁与该第四折射率n′₂的差值范围为[0.1，1.75]。较佳的，该第二折射率n′₁的值为1.56，该第四折射率n′₂的值为1.6；或者，该第二折射率n′₁的值为1.57，该第四折射率n′₂的值为1.75。该第一曲率半径的值为[1000，1760]微米，该第二曲率半径的值为[600，1460]微米。该第一凸面结构的孔径宽度等于该第二凸面结构的孔径宽度，第一凸面结构的孔径宽度为420um。

本发明的裸眼立体显示装置相较于现有的裸眼立体显示装置，使用双凸面结构的光学控制单元，可以有效减小裸眼立体显示装置的厚度，有利于裸眼立体显示装置的薄化，同时还可以减少角重叠，改善立体显示的光学品质。

任何熟悉本技术领域的人员，可在运用与本发明相同目的的前提下，使用本发明所揭示的概念和实施例变化来作为设计和改进其他一些方法的基础。这些变化、替代和改进不能背离申请专利范围所界定的本发明的保护范围。是故，本发明得由熟习此技艺的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱本发明权利要求所欲保护者。

Claims (10)

1.一种裸眼立体显示装置，其特征在于包括：

显示面板，用以显示二维平面画面信息；以及

光学控制单元，该光学控制单元覆盖该显示面板的显示面，该光学控制单元包括第一平凹透镜阵列、第一平凸透镜阵列、第二平凹透镜阵列及第二平凸透镜阵列，该第一平凹透镜阵列、该第一平凸透镜阵列、该第二平凹透镜阵列及该第二平凸透镜阵列依次排列设置且该第二平凸透镜阵列邻近该显示面板，该第一平凹透镜阵列的每一个第一凹面结构与该第一平凸透镜阵列的一个第一凸面结构相匹配嵌套，该第二平凹透镜阵列的每一个第二凹面结构与该第二平凸透镜阵列的一个第二凸面结构相匹配嵌套，每一个该第一凸面结构与一个该第二凸面结构相对齐，该第一凹面结构和该第二凹面结构朝向该显示面板，该第一凸面结构和该第二凸面结构朝向远离该显示面板的方向，该光学控制单元将该二维平面画面信息以光场重建的方式形成裸眼立体画面信息。

2.根据权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该第一平凹透镜阵列具有第一折射率n₁，该第一平凸透镜阵列具有第二折射率n′₁和第一曲率半径R₁，该第二平凹透镜阵列具有第三折射率n₂，该第二平凸透镜阵列具有第四折射率n′₂和第二曲率半径R₂，该第一曲率半径R₁与该第二曲率半径R₂满足以下关系：

其中， $f_{11}={(n_1{R}_1/(n_1^{\′}-n_1))}^{-1},f_{31}={(n_1{R}_1/(n_1^{\′}-n_1))}^{-3},$ $f_{12}={(n_2{R}_2/(n_2^{\′}-n_2))}^{-1},f_{32}={(n_2{R}_2/(n_2^{\′}-n_2))}^{-3},$ α为漏光率。

3.根据权利要求2所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：第一折射率n₁小于第二折射率n′₁，第三折射率n₂小于第四折射率n′₂。

4.根据权利要求2所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该第二曲率半径R₂与该第一曲率半径R₁的比值的范围为[0.4，1.2]，且该第二折射率n′₁与该第四折射率n′₂的差值范围为[0.1，1.75]。

5.根据权利要求4所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该第二折射率n′₁的值为1.56，该第四折射率n′₂的值为1.6；或者，该第二折射率n′₁的值为1.57，该第四折射率n′₂的值为1.75。

6.根据权利要求4所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该第一曲率半径的值为[1000，1760]微米，该第二曲率半径的值为[600，1460]微米。

7.根据权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该第一凸面结构的孔径宽度等于该第二凸面结构的孔径宽度。

8.根据权利要求7所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该第一凸面结构的孔径宽度为420微米。

9.根据权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该光学控制单元还包括光学基底，该光学基底设置于该第一平凸透镜阵列和该第二平凹透镜阵列之间。

10.根据权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：该裸眼立体显示装置还包括2D/3D切换单元，该2D/3D切换单元位于显示面板和光学控制单元之间。