CN107144973A - 紧凑型柱镜光栅式裸眼3d显示面板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，包括依次从里到外紧密叠合连接在一起的液晶阵列、玻璃基板、偏光板、定向导光膜、双面柱镜光栅板和玻璃面板，双面柱镜光栅板的内表面为非球面柱状透镜光栅结构，外表面为多棱柱光栅结构。液晶阵列中每两个相邻的子像素对应非球面柱状透镜光栅中的一个光栅单元。本发明采用非球面柱状透镜光栅的结构，以及相应各光栅单元内两个子像素成像方案，满足了旁轴成像的条件，成像像差很小，使液晶子像素在视区的成像清晰，显示颜色偏移小、图像串扰小。观看3D影像时，两个子像素发出的光束通过非球面柱状透镜折射成像，由多棱柱光栅结构二次折射后将成像光线改变为多个方向，从而实现多视角3D显示。

Description

紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板

技术领域

本发明属于裸眼3D显示领域，具体涉及一种裸眼3D柱镜面板结构的设计。

背景技术

目前常见的裸眼3D平板显示技术主要分为三类，分别是狭缝光栅技术(光屏障式)、指向性背光技术(指向光源)和柱状透镜技术。

狭缝光栅技术使用狭缝光学膜，使左眼和右眼的图像分开，使观看者的左眼和右眼同时接受到不同的图像内容，以实现3D显示。狭缝光栅技术使用的光栅制作容易、可2D/3D切换、成本较低、串扰相对较低、可容忍的立体度相对较高，但亮度损失严重，分辨率随视角数增加而降低。

指向性背光技术通过设计定向投射的背光源，让左眼和右眼图像以排序方式进入观看者的左眼和右眼，从而使观看者的左眼和右眼接受到不同的图像内容，以实现3D显示。指向性背光技术亮度损失较低且无分辨率损失，但指向性背光技术的背光源所需分光器件精度高、制作难、成本较高且仅有两个视角。

柱状透镜技术是在现有二维显示器件前面加一层柱状透镜，通过透镜对光线的折射作用，使观看者的左眼和右眼同时接受到不同的图像内容，以实现3D显示。柱状透镜技术亮度损失非常低、可2D/3D切换、可以在原有二维显示器件上实现。但目前柱状透镜技术串扰相对较高，可容忍立体度相对较低，视角数越多，分辨率越低。

柱状透镜技术的传统3D显示的原理是在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，柱状透镜的物方焦平面刚好位于二维显示器件的发光面上，每个柱状透镜下对应若干个子像素，这些子像素发出的光线在通过透镜发生折射后，会投射到空间中预先设定好的区域。当观看者位于最佳观看位置，左眼和右眼可以同时接受到不同的图像信息，从而产生立体效果。如图4所示，现有技术柱镜光栅式裸眼3D显示面板结构(以5视点为例)为：5个子像素106对应一个柱镜光栅107，子像素106发出的光束经过柱镜光栅107折射后形成光束分别成像于五个视区，最佳观看位置分别在视点101、视点102、视点103、视点104、视点105。这种方案的缺点是图像分辨率会大大降低；单个柱状透镜的像差会导致裸眼3D显示器的显示颜色发生偏移，左右图像发生串扰；为减小像差，柱透镜曲率半径都较大，导致柱镜光栅面板厚度大、重量大；当观看者偏离最佳观看位置，有的位置会产生左右图像反相，使观看者引起头晕、眼花、恶心等诸多不良反应，从而导致事宜观看显示屏的角度和距离均受到严格限制。

鉴于此，本案发明人针对上述问题进行深入研究，遂有本案的产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像分辨率降低小，显示颜色偏移小，左右图像串扰小，柱镜光栅面板厚度小，以及无左右图像反相的防眩晕的紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板。

为了达成上述目的，本发明的技术方案是：

一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，包括依次从里到外紧密叠合连接在一起的液晶阵列、玻璃基板、偏光板、定向导光膜、双面柱镜光栅板和玻璃面板，所述双面柱镜光栅板的内表面为非球面柱状透镜光栅结构，外表面为多棱柱光栅结构，所述双面柱镜光栅板通过所述非球面柱状透镜光栅结构与所述定向导光膜紧密接触连接在一起，所述双面柱镜光栅板通过所述多棱柱光栅结构与所述玻璃面板紧密接触连接在一起，所述液晶阵列中每两个相邻的子像素对应所述非球面柱状透镜光栅结构中的一个光栅单元。

所述非球面柱状透镜光栅结构与所述多棱柱光栅结构具有相同光栅栅距。

所述定向导光膜采用厚度为0.1～0.2mm的有机光学薄膜材料制成的定向导光膜，且所述定向导光膜的折射率分别高于所述玻璃基板、所述偏光板、所述双面柱镜光栅板和所述玻璃面板的折射率。

所述双面柱镜光栅板采用由厚度为0.5mm的有机光学材料制成的双面柱镜光栅板。

所述多棱柱光栅结构为等腰梯形光栅结构，其等腰梯形上底与腰的夹角为100°～150°。

所述非球面柱状透镜光栅结构的光栅单元的横截面为抛物线，此抛物线的曲率半径大于或等于所述非球面柱状透镜光栅结构栅距的1/2。

所述玻璃基板和所述玻璃面板的厚度均为0.5～0.7mm。

采用上述技术方案后，本发明一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，采用非球面柱状透镜光栅结构，以及相应各光栅单元内两个子像素成像方案，满足了旁轴成像的条件，成像像差很小，使液晶子像素在视区的成像清晰，显示颜色偏移小、第一图像和第二图像即左图像和右图像串扰小。

附图说明

图1为本发明紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板的结构示意图；

图2为本发明中双面柱镜光栅板的光栅单元的结构示意图；

图3为本发明中光路原理图；

图4为背景技术中柱镜光栅式裸眼3D显示面板结构的原理示意图。

图中：

液晶阵列-1； 玻璃基板-2；

偏光板-3； 定向导光膜-4；

双面柱镜光栅板-5； 非球面柱状透镜光栅结构-51；

多棱柱光栅结构-52； 玻璃面板-6；

光束-71； 光束-82；

光束-83； 光束-84；

光束-85； 光束-86；

光束-87； 导出光束-91。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

如图1和图2所示，本发明一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，包括液晶阵列1、玻璃基板2、偏光板3、定向导光膜4、双面柱镜光栅板5和玻璃面板6。以实际观看3D影像的状态为参考方位，以靠近观看者的一侧为外侧，以远离观看者的一侧为内侧即里侧，液晶阵列1、玻璃基板2、偏光板3、定向导光膜4、双面柱镜光栅板5和玻璃面板6依次从里到外紧密叠合形成紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板。该显示面板贴合固定于普通液晶显示屏的外侧面。

双面柱镜光栅板5的内表面为非球面柱状透镜光栅结构51。双面柱镜光栅板5的外表面为多棱柱光栅结构52。非球面柱状透镜光栅结构51具有复数个光栅单元，多棱柱光栅结构52具有复数个与非球面柱状透镜光栅结构51的光栅单元一一对应的光栅单元。非球面柱状透镜光栅结构51的光栅单元的横截面为抛物线，此抛物线最小曲率半径为非球面柱状透镜光栅结构51栅距的1/2。即此抛物线的曲率半径大于或等于非球面柱状透镜光栅结构51栅距的1/2。多棱柱光栅结构52为等腰梯形柱镜光栅结构，即多棱柱光栅结构52的光栅单元的横截面为等腰梯形，该等腰梯形的上底边长(即靠近玻璃面板6的那一边的边长)是下底边长(即靠近定向导光膜4的那一边的边长)的1/4，该等腰梯形上底与腰的夹角为100°～150°，优选为120°。非球面柱状透镜光栅结构51与多棱柱光栅结构52具有相同光栅栅距。液晶阵列1具有复数个子像素，每两个相邻子像素对应上述非球面柱状透镜光栅结构51的一个光栅单元，每相应的非球面柱状透镜光栅结构51的光栅单元与两子像素之间形成成像单元。进而，液晶阵列1与双面柱镜光栅板5之间相应地形成复数组的成像单元。液晶阵列1按奇偶序列整齐排列，具体地，位于奇数序号位置的子像素用于显示第一图像或第二图像，位于偶数序列位置的子像素用于显示与位于奇数序号位置的子像素显示图像不同的第二图像或第一图像，即液晶阵列1按奇偶序列排列分成两组分别显示第一图像和第二图像。液晶阵列1的各子像素发出的各光束经各相应成像单元之间的折射或者全反射等处理后除去干扰光束或者无用光束，形成成像光束，该成像光束对应分成两组，分别显示为第一图像和第二图像。其中，第一图像对应于人体视区的左眼位置，第二图像对应于人体视区的右眼位置，即第一图像相当于左图像，第二图像相当于右图像。

双面柱镜光栅板5的内表面，即非球面柱状透镜光栅结构51与定向导光膜4紧密接触连接在一起。双面柱镜光栅板5的外表面，即多棱柱光栅结构52与玻璃面板6紧密接触连接在一起。定向导光膜4的折射率分别高于玻璃基板2、偏光板3、双面柱镜光栅板5和玻璃面板6的折射率。本实施例中，定向导光膜4由PET(聚对苯二甲酸乙二酯)有机光学薄膜材料制成，且该PET有机光学薄膜材料的折射率为1.65，厚度为0.1mm～0.2mm。双面柱镜光栅板5由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,为有机玻璃，俗称亚克力)有机光学材料制成，且该PMMA有机光学材料的折射率为1.5，厚度为0.5mm。

如图3所示，本发明一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板的工作原理如下：令子像素11和子像素12所在的成像单元为第一成像单元，子像素13所在的成像单元为第二成像单元。对应于右图像即第二图像的第一成像单元的子像素11发出的光束71经过非球面柱状透镜光栅结构51折射后形成成像光束，到达多棱柱光栅结构52后分解成三个光束，分别为光束82、光束84和光束86，这三个光束分别成像于三个视区的右眼位置；同样，对应于左图像即第一图像的第一成像单元的另一子像素12发出的光束72经过非球面柱状透镜光栅结构51折射后形成成像光束，到达多棱柱光栅结构52后分解成三个光束，分别为光束81、光束83和光束85，三个光束分别成像于三个视区的左眼位置。视区中光束81和光束82之间、光束83和光束84之间、光束85和光束86之间的中心距离，即相应两光束间最中心最亮光束之间的距离均为65mm，该距离与人眼瞳距相匹配。使人体左、右眼能分别同时对应观看到屏幕的第一图像和第二图像，即左图像和右图像。视区中光束82和光束83之间、光束84和光束85之间的中心距离均大于130mm，即人眼两倍瞳距以上，使人体左、右眼无法同时看到反相的第一图像和第二图像，即左图像和右图像，避免人体观看引起头晕、眼花、恶心等不良反应。

本发明一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板采用的定向导光膜4的折射率分别高于显示面板中包括玻璃基板2、偏光板3、双面柱镜光栅板5和玻璃面板6等其他光学元件的折射率，因此定向导光膜4具有光波导板的功能，可以将除第一成像单元的子像素11和子像素12外的其它液晶子像素如第二成像单元中的一个子像素13发出的光束在进入对应于第一成像单元的定向导光膜4后产生全反射，不再进入对应于第一成像单元的双面柱镜光栅板5，不会形成第一成像单元视区中的干扰光束，子像素13发出的光束在进入对应于第一成像单元的定向导光膜4后，经多次全反射后部分能量从定向导光膜4的侧面导出光束91，光束91属于无用光束。所以，对于第一成像单元来说，子像素11和子像素12为成像子像素，液晶阵列1的其他的子像素如子像素13均为非成像子像素。此外，第二成像单元的子像素13发出的光束在依次进入对应于第二成像单元的定向导光膜4和双面柱镜光栅板5折射后形成成像光束，原理同上述第一成像单元的子像素11和子像素12，在此不予累述。所以，对于第二成像单元来说，子像素13为成像子像素，液晶阵列1其他的子像素如子像素11和子像素12均为非成像子像素。

本发明采用非球面柱状透镜光栅结构51的结构，以及各成像单元内两个子像素成像方案，满足了旁轴成像的条件，成像像差很小，使液晶子像素在视区的成像清晰，显示颜色偏移小、第一图像和第二图像即左图像和右图像串扰小。

本发明中的玻璃面板6用于固定双面柱镜光栅板5，使得双面柱镜光栅板5不会发生移动，不会发生形变，避免双面柱镜光栅板5因变形引起图像质量变差。采用多棱柱光栅结构52为非曲面状，可增加双面柱镜光栅板5与玻璃面板6接触的贴合度，保证双面柱镜光栅板5固定的稳定性，保证图像的稳定性。

本发明中的玻璃基板2和偏光板3均为行业内常规的玻璃基板和偏光板。需要说明的是，本发明中的玻璃基板和玻璃面板厚度均为0.5mm～0.7mm，便于固定保护。本发明的显示面板固定于普通液晶显示屏的外侧面，二者的装配连接采用行业内的常规贴合技术，在此不予详述。使用时即观看3D影像时，普通液晶显示屏上的每一个柱透镜下的两个子像素即每个成像单元的两个子像素通过非球面柱状透镜结构51折射成像，由多棱柱光栅结构52二次折射后将成像光线改变为多个方向，使双眼从几个特定的角度观看显示屏，两只眼睛都能够分别看到左图像和右图像，从而实现多视角3D显示。

本发明一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，通过很小的非球面柱状透镜结构51的曲率半径来明显缩小柱镜式裸眼3D显示屏的厚度，减轻面板重量；非球面柱状透镜结构51设计成选择性地减小子像素成像像差，使显示颜色偏移小、左、右图像串扰小；多棱柱光栅结构52将本来只有两个视点的图像光线分解成多个视点的图像，得到多个视点的观看效果，图像分辨率降低小，3D显示分辨率是2D显示的分辨率1/2，而现有柱镜式N视点显示屏的3D显示分辨率是2D显示的分辨率1/N，并且形成左、右图像不会反相的视点分布；定向导光膜4将各成像单元内的两个成像子像素以外的其它各子像素的光线反射到显示屏两侧，减小了各子像素间的光线干扰和图像串扰。克服了现有技术中如柱镜光栅式裸眼3D显示厚度大、左右串扰大、图像分辨率减低大、眩晕和易视觉疲劳等缺点。

上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (7)

1.一种紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，包括依次从里到外紧密叠合连接在一起的液晶阵列、玻璃基板、偏光板、定向导光膜、双面柱镜光栅板和玻璃面板，其特征在于：所述双面柱镜光栅板的内表面为非球面柱状透镜光栅结构，外表面为多棱柱光栅结构，所述双面柱镜光栅板通过所述非球面柱状透镜光栅结构与所述定向导光膜紧密接触连接在一起，所述双面柱镜光栅板通过所述多棱柱光栅结构与所述玻璃面板紧密接触连接在一起，所述液晶阵列中每两个相邻的子像素对应所述非球面柱状透镜光栅结构中的一个光栅单元。

2.根据权利要求1所述的紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，其特征在于：所述非球面柱状透镜光栅结构与所述多棱柱光栅结构具有相同光栅栅距。

3.根据权利要求2所述的紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，其特征在于：所述定向导光膜采用厚度为0.1～0.2mm的有机光学薄膜材料制成的定向导光膜，且所述定向导光膜的折射率分别高于所述玻璃基板、所述偏光板、所述双面柱镜光栅板和所述玻璃面板的折射率。

4.根据权利要求2所述的紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，其特征在于：所述双面柱镜光栅板采用由厚度为0.5mm的有机光学材料制成的双面柱镜光栅板。

5.根据权利要求1-4任一项所述的紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，其特征在于：所述多棱柱光栅结构为等腰梯形光栅结构，其等腰梯形上底与腰的夹角为100°～150°。

6.根据权利要求1所述的紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，其特征在于：所述非球面柱状透镜光栅结构的光栅单元的横截面为抛物线，此抛物线的曲率半径大于或等于所述非球面柱状透镜光栅结构栅距的1/2。

7.根据权利要求1所述的紧凑型柱镜光栅式裸眼3D显示面板，其特征在于：所述玻璃基板和所述玻璃面板的厚度均为0.5～0.7mm。