CN106773089A - 基于偏振全息光栅的三维显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振全息光栅的三维显示装置，包括依次紧贴设置的二维平板显示屏、宽波带四分之一波片和偏振全息光栅，所述二维平板显示屏的显示面设置有一层偏振片，使二维平板显示屏输出线偏振光，所述宽波带四分之一波片用于将线偏振光输出为圆偏振光，所述偏振全息光栅用于将每个子像素对应的圆偏振光在几何结构的梯度方向偏转，实现三维显示。本发明的基于偏振全息光栅的三维显示装置，响应时间快、成像质量高，厚度薄，电极结构简单，易于加工，成本低，且容易实现，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，具体涉及一种基于偏振全息光栅的三维显示装置。
背景技术
可裸眼观看的三维显示技术主要采用视差光栅来实现不同视差信息图像在空间不同角度方向的传播。视差光栅通常有柱状棱镜和隔断条两种方式。然而，上述两种方式一般都具有固定不可变化的结构，因此，导致三维显示屏只能工作在三维显示状态，不能显示高清晰的二维图像，限制了其的应用。
为了解决上述的问题，能够实现二维和三维同屏兼容显示的技术是可变焦的液晶透镜技术。目前，液晶透镜主要利用了液晶材料光学各向异性的特征，即在外加电场的作用下，液晶分子发生偏转，从而导致在光传播方向的折射率发生变化，这种空间折射率的变化等效于对光的波前进行了相位调制，所以当相位调制量等同于透镜时，则形成了三维显示所需的透镜效果。
但是，上述的液晶透镜的成像质量较差，主要是由于其波前相位的调制受到电场分布和液晶分子排列的影响。首先，很难采用简单的电极结构来获得透镜形貌的电场分布；其次，为了控制液晶的厚度，液晶透镜会利用类似于菲涅耳镜的相位分布，由于液晶分子的连续性，因此，在2π周期的边缘处，相位分布达不到理想；另外，由于液晶透镜的厚度较大，存在响应时间慢的问题。
因此，如何实现三维显示，并达到液晶透镜厚度薄，响应时间快，同时相位分布与电场分布无关，成像质量高的效果，是当前需要解决的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题是现有技术中用于三维显示的液晶透镜，成像质量较差，厚度较大，响应时间慢的问题。本发明的基于偏振全息光栅的三维显示装置，响应时间快、成像质量高，厚度薄，电极结构简单，易于加工，成本低，且容易实现，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：包括依次紧贴设置的二维平板显示屏、宽波带四分之一波片和偏振全息光栅，所述二维平板显示屏的显示面设置有一层偏振片，使二维平板显示屏输出线偏振光，所述宽波带四分之一波片用于将线偏振光输出为圆偏振光，所述偏振全息光栅用于将每个子像素对应的圆偏振光在几何结构的梯度方向偏转，实现三维显示。
前述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述二维平板显示屏为液晶显示屏、OLED显示屏或者microLED显示屏。
前述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息光栅为偏振全息液晶光栅。
前述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息液晶光栅的两端设置有正、负电极，所述正、负电极不加载电压时进行三维显示；所述正、负电极加载电压时进行二维显示。
前述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述正、负电极均为透明导电层。
前述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息液晶光栅为离散化结构，每个光栅对应一个子像素。
前述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息液晶光栅为非周期性结构，所述偏振全息液晶光栅显示屏的像素分成若干块相邻的显示子区域，各显示子区域内的子像素传播方向指向观看子区域。
前述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：各显示子区域与观看子区域为正向匹配、逆向匹配或者网格状交叉匹配。
本发明的有益效果是：本发明的基于偏振全息光栅的三维显示装置，响应时间快、成像质量高，厚度薄，电极结构简单，易于加工，成本低，且容易实现，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于偏振全息光栅的三维显示装置的结构示意图。
图2是本发明的偏振全息液晶光栅的结构示意图。
图3是本发明的偏振全息液晶光栅的像素化示意图。
图4是传统的三维显示屏的视点分布图。
图5是本发明偏振全息液晶光栅的各显示子区域与观看子区域之间的视点分布图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：包括依次紧贴设置的二维平板显示屏1、宽波带四分之一波片2和偏振全息光栅3，所述二维平板显示屏1的显示面设置有一层偏振片，使二维平板显示屏1输出线偏振光，所述宽波带四分之一波片2用于将线偏振光输出为圆偏振光，所述偏振全息光栅3用于将每个子像素对应的圆偏振光在几何结构的梯度方向偏转，实现三维显示。
所述二维平板显示屏1为液晶显示屏、OLED显示屏或者microLED显示屏，通过在显示面增加一层偏振片，能给输出线偏振光。
所述偏振全息光栅3为偏振全息液晶光栅，具体结构，如图2所示，工作原理是对入射的圆偏振光可以实现100%的衍射，通过优化设计偏振光栅的条纹结构，可以实现将入射的圆偏振光衍射到任意角度方向的出射光，本发明的偏振全息液晶光栅的两端设置有正、负电极，所述正、负电极不加载电压时进行三维显示；所述正、负电极加载电压时进行二维显示，从而实现在二维显示和三维显示模式之间的转换，具体表现如下，正、负电极在没有加载电压的时候，偏振全息光栅3的液晶分子的排列方向在前后基板的表面呈周期性的几何形状变化，本发明的偏振全息液晶光栅的厚度满足二分之一波片的厚度要求，即液晶分子的折射率差Δn与液晶层厚度d的乘积等于二分之一波长λ/2，上述液晶分子不同的排列方向会对入射圆偏振光产生相应的相位延迟，从而通过液晶分子的几何排列可以调制出射圆偏振光的相位延迟量，当液晶分子的几何排列是一维周期光栅结构时，可以形成均匀的倾斜相位延迟量，从而使出射圆偏振光在几何结构的梯度方向出现偏转；但是，正、负电极之间加载电压后，液晶分子沿电场方向排列，因此，液晶分子由水平方向变成了垂直方向排列，正、负电极加电压的方式可以通过在正、负电极上增加透明导电层来实现，此时对于入射的圆偏振光而言，在光线的传播方向上液晶的各向异性特性消失，即偏振全息光栅变成了各向同性的透明介质层，透明介质层对入射光的传播方向不做调制，因此，在正、负电极加载电压后，变成了传统的二维图像显示屏。
如图3所示，本发明的偏振全息液晶光栅的像素化示意图，为了分别调制每个像素的光线在空间传播方向，本发明将偏振全息液晶光栅3进行离散化，每个红、绿、蓝子像素单元分别对应不同的全息光栅，每个全息光栅针对相应子像素单元的波长，以及出射光的偏转方向设计光栅的液晶分子取向空间变化周期参数。
如图4所示，传统的三维显示屏都采用柱状透镜、透镜阵列或是周期性的遮挡光栅，这些光学部件共同的特点是采用周期性的结构产生周期性的视点分布。这种周期性的视点存在两个问题，一是在空间存在左右眼图像正好看反的视差反转问题，二是存在视点间的串扰，如图5所示，本发明的偏振全息液晶光栅为离散化结构，每个光栅对应一个子像素，优选为非周期性的光栅结构，由于没有周期性的光学部件，例如柱状透镜，每个子像素所对应的偏振全息液晶光栅可以是指向任意方向的衍射光栅，为了提升三维显示的景深和图像分辨率，本课题优选将像素的光传播方向指向人眼最优的观看位置，所述偏振全息液晶光栅显示屏的像素分成若干块相邻的显示子区域4，各显示子区域4内的子像素传播方向指向观看子区域5，各显示子区域4与观看子区域5为正向匹配、逆向匹配或者网格状交叉匹配，图中虚线所画出的显示子区域4（图中所示是简化的一维示意图，实际中的显示子区域4可以是一维的区域，例如水平方向的分区，也可以是二维的区域，例如类似微透镜阵列的多边形区域），同时在最佳的人眼观看位置定义一个最佳的观看区域5，虚线所画为观看子区域5，本发明将各显示子区域4的全息光栅设计成将对应的子像素传播方向指向观看子区域5，从而使整屏的显示光场都指向了观看子区域5的范围内，各显示子区域4与观看子区域5的像素映射关系可以是多种方式，例如一种逆向匹配方式即显示子区域4的顶端像素映射到观看子区域5的低端区域。
综上所述，本发明的基于偏振全息光栅的三维显示装置，响应时间快、成像质量高，厚度薄，电极结构简单，易于加工，成本低，且容易实现，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：包括依次紧贴设置的二维平板显示屏（1）、宽波带四分之一波片（2）和偏振全息光栅（3），所述二维平板显示屏（1）的显示面设置有一层偏振片，使二维平板显示屏（1）输出线偏振光，所述宽波带四分之一波片（2）用于将线偏振光输出为圆偏振光，所述偏振全息光栅（3）用于将每个子像素对应的圆偏振光在几何结构的梯度方向偏转，实现三维显示。
2.根据权利要求1所述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述二维平板显示屏（1）为液晶显示屏、OLED显示屏或者microLED显示屏。
3.根据权利要求1所述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息光栅（3）为偏振全息液晶光栅。
4.根据权利要求3所述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息液晶光栅的两端设置有正、负电极，所述正、负电极不加载电压时进行三维显示；所述正、负电极加载电压时进行二维显示。
5.根据权利要求3所述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述正、负电极均为透明导电层。
6.根据权利要求3所述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息液晶光栅为离散化结构，每个光栅对应一个子像素。
7.根据权利要求3所述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：所述偏振全息液晶光栅为非周期性结构，所述偏振全息液晶光栅显示屏的像素分成若干块相邻的显示子区域（4），各显示子区域（4）内的子像素传播方向指向观看子区域（5）。
8.根据权利要求7所述的基于偏振全息光栅的三维显示装置，其特征在于：各显示子区域（4）与观看子区域（5）为正向匹配、逆向匹配或者网格状交叉匹配。
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