CN106125316A - 基于光栅波导的节能无跳转图像集成成像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光栅波导的节能无跳转图像集成成像显示装置，用于解决现有集成成像显示装置存在的光能利用率低和无法兼顾成像质量与加工工艺的技术问题，包括LED光源、波导介质、显示面板和微透镜阵列；LED光源采用红绿蓝三原色LED灯组成的阵列光源，显示面板采用无彩色滤光片的液晶面板，波导介质靠近显示面板的表面上设置有由多个周期性排列的光栅单元组成的光栅，每个光栅单元包括分别对应红绿蓝三原色光的周期由大到小的三个光栅区域；微透镜阵列、显示面板和波导介质依次平行排列，LED光源位于波导介质的侧面；LED光源发出的光照射到对应光栅区域上，由该区域出射的光只能垂直照射显示面板上与该区域对应的光通道上。

Description

基于光栅波导的节能无跳转图像集成成像显示装置

技术领域

本发明属于集成成像三维显示技术领域，特别涉及集成成像三维显示，具体是一种基于光栅波导的节能无跳转图像集成成像显示装置，用于再现物空间的三维信息。

背景技术

集成成像三维显示技术包括记录和显示两个阶段，记录阶段是利用微透镜阵列记录三维物空间信息，获取微图像阵列；显示阶段是利用与记录阶段所用微透镜阵列具有相同参数的微透镜阵列将微图像阵列发出的光汇聚还原，重构物空间三维光场信息。集成成像三维显示技术的概念最初是由法国物理学家Gabriel Lippmann教授在1908年3月提出的，当时称为集成摄影术，由于当时还没有适合加工微透镜阵列的塑料，玻璃微透镜阵列又不易加工，直到1911年，莫斯科国立大学的P.P.Sokolov教授利用针孔阵列首次用实验证实了Gabriel Lippmann教授的构想。近些年由于微透镜阵列加工工艺、数字信息处理技术、记录仪器以及显示器件的不断进步，集成摄影系统得到了充分地优化，为了反映集成摄影术的巨大变化及实时成像及图像处理的本质，集成摄影术被更名为集成成像三维显示技术。由于集成成像三维显示技术具有能显示全真色、连续视点、无需相干光源以及不用佩戴任何特质眼睛等诸多特点，有望成为未来显示领域的目标，使得日本、美国、韩国、西班牙和中国都不断致力于该技术的探索。但是由于透镜光学成像原理的限制，微透镜阵列重建的三维图像有跳转图像，严重影响成像质量，限制集成成像三维显示技术的发展，所以消除跳转图像对集成成像三维显示技术的发展具有重要意义。消除跳转图像需要光线经微图像阵列中图像单元照射相应的子透镜，目前很多解决跳转图像问题的方案都是从波导介质的结构入手，实现定向背光，使光线只能照射微图像阵列中与子透镜对应的图像单元上，达到消除跳转图像的目的，但是依然存在光能利用率低和无法兼顾成像质量与加工工艺的技术问题。例如Choi H和Min S W,Jung S等人在论文“Multiple-viewing-zone integralimaging using a dynamic barrier array for three-dimensional displays.”(《Optics express》2003.11(8):927-932)中提出一种利用光栅阵列消除跳转现象的装置。该装置利用透明高折射率填料介质层填充到波导介质内调控观看角度，并将周期性黑色掩模涂覆在波导介质上表面，从而避免了图像翻转的产生。该装置存在的不足是，文中所述光栅采用周期性黑色掩模涂覆在波导介质的上表面上，显示器的大部分出射光被黑色掩模遮挡，导致光能利用率低，同时为了获得较好的成像质量，利用透明高折射率填料介质层精确地填充到波导介质内，致使波导介质加工工艺复杂。

Deng H和Wang Q H,Wu F等人在论文“Cross-talk-free integral imagingthree-dimensional display based on a pyramid pinhole array.”(《PhotonicsResearch》2015.3(4):173-176)中提出一种利用金字塔小孔阵列实现无跳转集成成像三维显示装置。该装置中在透射型显示面板上显示微图像阵列，背光源发出的光线进入金字塔小孔阵后，通过各棱镜针孔的顶部小孔透射出来，并且有固定的发散角，各小孔透射的光线只能照射微图像阵列中与该小孔对应的图像单元上，实现了无跳转集成成像三维显示。该装置采用金字塔小孔阵列对背光源发出的光线进行发散角度的调制，简化了波导介质的加工工艺，但是金字塔小孔阵列仅允许少量光从各棱镜针孔的顶部小孔透射出来，不能照亮整个显示面板，致使成像质量差，并且光能利用率依旧很低。

目前，液晶显示面板广泛地应用在集成成像三维显示系统中，背光源发射光波经过反射板、导光板、扩散膜等辅助器件入射到液晶面板上完成光强调制。液晶面板中的彩色滤光片是一种表现颜色的光学滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段的光波，而消耗掉其他不希望通过的波段的光波，起码要损耗掉66.7％的光能，又由于光线从背光到屏幕的传输过程中，还有很多其他方面的损耗，最终很少的光能被真正利用，造成了液晶面板能量利用率颇为低下的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于光栅波导的节能无跳转图像集成成像显示装置，用于解决现有集成成像显示装置存在的光能利用率低和无法兼顾成像质量与加工工艺的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于光栅波导的节能无跳转图像集成成像显示装置，包括LED光源、波导介质、显示面板和微透镜阵列，波导介质，采用均匀透明介质板材；微透镜阵列，由A×B个子透镜组成，每个子透镜与微图像阵列中的一个图像单元对应，其中A≥2，B≥2；显示面板，包括由X×Y个像素点组成的二维像素点阵列，用于显示微图像阵列，每个像素点包括红绿蓝三种光通道，其中X≥2，Y≥2；微透镜阵列、显示面板和波导介质依次平行排列，且三者中心对齐，显示面板的；LED光源位于波导介质的侧面；波导介质靠近显示面板的表面上设置有光栅，该光栅由X个周期性排列的光栅单元组成，用于实现其出射的光线垂直照射对应像素点和子透镜。

上述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，LED光源，采用红绿蓝三原色LED灯组成的阵列光源，其入射到光栅的三原色光的入射角相等，且大于波导介质的临界角。

上述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，显示面板，采用无彩色滤光片的液晶面板。

上述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，光栅，其光栅槽的方向与波导介质内光的传播平面垂直，光栅周期的计算公式为Λ＝λ/(ncosθ_in)，其中λ是光的波长，n是波导介质的折射率，θ_in是光在波导介质内照射到光栅上的入射角。

上述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，光栅单元，其划分为光栅周期由大到小排列的三个区域，该三个区域与显示面板每列像素点的三列光通道对应，且每个区域的宽度与显示面板上每列光通道的宽度相等。

上述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，三个区域，其每个区域的宽度与红绿蓝三原色LED灯发出的分别通过光栅周期由大到小排列的三个区域照亮显示面板上光通道的光束宽度相等。

上述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，波导介质，采用底面光滑且上下表面平行的介质板。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于波导介质采用了在靠近显示面板的表面上设置有光栅，该光栅由多个周期性排列的光栅单元组成，每个光栅单元划分为光栅周期由大到小排列的三个区域，每个区域的宽度与显示面板上每列光通道的宽度相等，同时每个区域的宽度与红绿蓝三原色LED灯发出的分别通过光栅周期由大到小排列的三个区域照亮显示面板上光通道的光束宽度相等，能够照亮整个显示面板，与现有技术相比，有效地提高了成像的质量，且简化了加工工艺。

2.本发明由于在显示微图像阵列时，采用了无彩色滤光片的液晶面板，同时采用了底面光滑且上下表面平行的透明均匀介质板作为波导介质，且入射到光栅的三原色光的入射角大于波导介质的临界角，使得光在波导介质内发生全反射，降低了液晶面板和波导介质对光能的消耗，与现有技术相比，显著提升了光的利用率。

附图说明

附图1为本发明的整体结构示意图；

附图2为本发明光栅单元与像素点的对应关系示意图；

附图3为本发明中红色LED灯的光束传播光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

参照图1，一种基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，包括LED光源、波导介质、显示面板和微透镜阵列，微透镜阵列、显示面板和波导介质依次平行排列，且三者的竖直中心轴线重合，水平中心轴线平行，本实施例所用的波导介质、显示面板和微透镜阵列的水平横截面是长宽相等的矩形，LED光源位于波导介质的左侧面。

微透镜阵列的参数与集成成像系统用于记录物空间三维光场信息的微透镜阵列的参数相等，本实施例中微透镜阵列由64×64个子透镜组成，每个子透镜与微图像阵列中的一个图像单元对应。

显示面板采用无彩色滤光片的液晶面板，包括由1024×1024个像素点组成的二维像素点阵列，用于显示微图像阵列，液晶像素宽为0.30mm，每个像素点包括红绿蓝三种光通道，每种光通道宽度均为d＝0.10mm。液晶面板中的彩色滤光片是一种表现颜色的光学滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段的光波，而消耗掉其他不希望通过的波段的光波，起码要是损耗掉66.7％的光能，本发明显示面板采用无彩色滤光片的液晶面板，降低了液晶面板的光能消耗，能够显著提升用于显示的光的利用率。

波导介质，采用底面光滑且上下表面平行的均匀透明介质板，例如玻璃、PMMA、PC等材料，本实施例采用折射率为n＝1.515的玻璃平板，厚度为0.26mm，波导介质靠近显示面板的表面上设置有光栅，波导介质上的光栅结构可以通过电子光波印刷或者化学蒸汽沉淀法制作，本实施例采用了电子光波印刷制作波导介质。该光栅由1024个周期性排列的光栅单元组成，每个光栅单元划分为光栅周期由大到小排列的三个区域，该三个区域与显示面板上每列像素点的三列光通道对应，其对应关系如图2所示。光栅占空比为40％～60％时效果较佳，本实施例所有光栅采用50％的占空比，此时照射到光栅上的光的衍射效率较大，同时占空比为50％的光栅便于加工。

LED光源，采用红绿蓝三原色LED灯组成的阵列光源，位于波导介质的侧面，其发出的光线平行斜入射进波导介质入射角为40.7°，其入射到光栅的三原色光的入射角均为θ_in＝60°，LED光源中红绿蓝三原色LED灯发出的光束分别通过光栅周期由大到小排列的三个区域垂直出射，照亮液晶面板上每列像素点的三列光通道完成液晶调制。LED光源采用红绿蓝三原色LED灯组成的阵列光源，能够使液晶面板在去除彩色滤光片的情况下实现液晶调制，完成彩色显示。LED光源中红绿蓝三原色LED灯发出的光的波长分别为λ_R＝600nm、λ_G＝550nm、λ_B＝450nm。

LED光源和波导介质为整个装置提供指向背光，由LED阵列发出的红绿蓝三原色光平行斜射到波导介质侧表面，发生折射后进入波导介质，在波导介质中平行传播，传播到波导介质没有设置光栅的表面时发生全反射，减少了波导介质对光能的消耗，传播到波导介质设置有光栅的表面时红绿蓝三原色光分别照射到光栅周期由大到小的光栅三个区域上，每种颜色的光照到对应光栅后一部分光发生全反射在波导介质中继续传播，一部分光经过光栅区域发生衍射垂直射出，其中红色LED灯的光束传播光路如图3所示，由该光栅区域出射的光只能垂直照射显示面板上与该光栅区域对应的光通道上实现液晶调制，且只能照射到微透镜阵列上的与该光通道所在单元图像对应的子透镜，不能照到临近子透镜，消除了跳转图像。

参照图2，每个光栅单元对应一列像素点，每个光栅单元划分为光栅周期由大到小排列的三个区域，每个像素点上分为红绿蓝三原色光通道，该三个区域与显示面板上每列像素点的三列光通道对应，且每个区域的宽度与显示面板上每列光通道的宽度相等为d＝0.10mm。

参照图3，以红色LED灯为例，红色LED灯发出的光经过折射进入波导介质，经光栅周期最大的光栅区域一部分衍射后垂直射出，一部分发生全反射继续在波导介质中传播，且每个区域的宽度与红色LED灯发出的通过光栅周期最大的区域照亮显示面板上光通道的光束宽度相等为d＝0.10mm。绿蓝两色LED灯发出的光束与红色LED灯的光束传播光路相似，分别通过对应的光栅区域，并其中一部分光线垂直出射，一部分发生全反射继续在波导介质中传播，且每个区域的宽度与蓝绿两色LED灯发出的通过对应光栅区域照亮显示面板上光通道的光束宽度相等均为d＝0.10mm。每个区域的光栅周期根据光栅周期的计算公式Λ＝λ/(ncosθ_in)计算得出，其中λ是光的波长，n是波导介质的折射率，θ_in是光在波导介质内照射到光栅上的入射角，将LED光源中红绿蓝三原色LED灯发出的光的波长λ_R＝600nm、λ_G＝550nm、λ_B＝450nm分别带入光栅周期的计算公式，可以计算出对应红绿蓝三原色光束的三个光栅区域的光栅周期分别为Λ_R＝792nm、Λ_G＝726nm、Λ_B＝594nm。

Claims (7)

1.一种基于光栅波导的节能无跳转图像集成成像显示装置，包括LED光源(1)、波导介质(2)、显示面板(3)和微透镜阵列(4)，所述波导介质(2)，采用均匀透明介质板材；所述微透镜阵列(4)，由A×B个子透镜组成，每个子透镜与微图像阵列中的一个图像单元对应，其中A≥2，B≥2；所述显示面板(3)，包括由X×Y个像素点组成的二维像素点阵列，用于显示微图像阵列，每个像素点包括红绿蓝三种光通道，其中X≥2，Y≥2；所述微透镜阵列(4)、显示面板(3)和波导介质(2)依次平行排列，且三者中心对齐，所述显示面板(3)的；所述LED光源(1)位于波导介质(2)的侧面；其特征在于，所述波导介质(2)靠近显示面板(3)的表面上设置有光栅(21)，该光栅(21)由X个周期性排列的光栅单元组成，用于实现其出射的光线垂直照射对应像素点和子透镜。

2.根据权利要求1所述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，其特征在于，所述LED光源(1)，采用红绿蓝三原色LED灯(11)组成的阵列光源，其入射到光栅(21)的三原色光的入射角相等，且大于波导介质(2)的临界角。

3.根据权利要求1所述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，其特征在于，所述显示面板(2)，采用无彩色滤光片的液晶面板。

4.根据权利要求1所述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，其特征在于，所述光栅(21)，其光栅槽的方向与波导介质(2)内光的传播平面垂直，光栅(21)周期的计算公式为Λ＝λ/(ncosθ_in)，其中λ是光的波长，n是波导介质的折射率，θ_in是光在波导介质内照射到光栅(21)上的入射角。

5.根据权利要求1所述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，其特征在于，所述光栅单元，其划分为光栅周期由大到小排列的三个区域，该三个区域与显示面板(2)每列像素点的三列光通道(41)对应，且每个区域的宽度与显示面板(2)上每列光通道(41)的宽度相等。

6.根据权利要求5所述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，其特征在于，所述三个区域，其每个区域的宽度与红绿蓝三原色LED灯(11)发出的分别通过光栅周期由大到小排列的三个区域照亮显示面板(2)上光通道(41)的光束宽度相等。

7.根据权利要求1所述的基于光栅波导的无跳转图像集成成像显示装置，其特征在于，所述波导介质(2)，采用底面光滑且上下表面平行的介质板。