CN107167925A - 一种全息光栅背光结构的场序三维显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全息光栅背光结构的场序三维显示器，该显示器包括光源(1)、入耦合光栅(2)、波导层(3)、出耦合全息光栅层(4)、液晶层(5)、偏振层(6)；所述光源(1)位于波导层(3)的上端，所述入耦合光栅(2)位于波导层(3)的对应光源输入区域，所述出耦合全息光栅层(4)位于波导层(3)的上表面，对应于液晶的像素点分布；所述液晶层(5)位于耦合全息光栅层(4)的上表面；偏振层(6)位于液晶层(5)的上表面。该结构可以省去液晶显示中的滤色片结构，提高光效。

Description

一种全息光栅背光结构的场序三维显示器
技术领域
本发明涉及裸眼三维显示技术领域，具体涉及一种基于全息光栅背光结构的场序三维液晶显示器。
背景技术
目前裸眼三维液晶显示器，多利用集成透镜阵列，柱面镜光栅阵列等光学透镜来实现多视场显示以及双眼视差，但基本原理都是利用光学透镜的折射对液晶显示像素发出光线的方向控制与调整，受限于光学透镜的加工精度与光学衍射极限限制，不容易做到更多的视场和高的显示分辨率。
液晶显示的原理是背光源发出白光，进入液晶层，再通过红绿蓝三色滤光片，转换成红绿蓝三基色，最终通过混色原理按照一定比例混合成各种各样的颜色。这一过程红绿蓝三色滤光片通过滤除另外两基色生成各个子像素点的颜色，会造成背光能量的大量损失，增大显示器功耗。
因此，如何提高裸眼三维显示器件的显示分辨率，以及可视视场同时改善传统背光源滤色片造成的功耗损失成为要解决的技术问题。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，本发明提出一种新型的体全息光栅背光结构，该结构能够控制背光光源的光线传播方向，并将光线分时序分视场导出，能够很好地实现多视场三维显示；因其全息光栅的波长选择性，可以通过合理的光路传播路径设计，实现无滤光片显示，提高系统整体光效。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种全息光栅背光结构的场序三维显示器，该显示器包括光源、入耦合光栅、波导层、出耦合全息光栅层、液晶层、偏振层；
所述光源位于波导层的上端，所述入耦合光栅位于波导层的对应光源输入区域，所述出耦合全息光栅层位于波导层的上表面，对应于液晶的像素点分布；所述液晶层位于耦合全息光栅层的上表面；偏振层位于液晶层的上表面。
优选的，所述波导层的材质为石英玻璃，其折射率为1.5～1.7。
优选的，所述光源为微型半导体激光器或LED发光器及其场序驱动及准直光学系统。
优选的，所述波导层从上到下依次包括增亮膜、导光板和反射膜。
有益效果：本发明方案的全息光栅背光结构，本发明提出一种新型的体全息光栅背光结构，该结构能够改变点光源的光线传播方向，并将光线分视场角度均匀导出，能够很好地实现三维显示的多视场；因其全息光栅的波长选择性，可以通过合理的光路传播路径设计，实现无滤光片显示，提高系统整体光效。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1为本发明的全息光栅背光结构的场序三维显示器组成结构示意图；
图2为本发明的出耦合全息光栅在液晶像素对应位置的局部放大图；
图3为本发明的显示像素单元下的光路分析示意图；
图4为本发明的全息光栅背光结构的传播光路显示示意图；
图5为本发明的全息光栅背光结构场序三维显示的传播光路示意图；
图6为本发明的全息光栅背光结构场序三维显示的传播光路示意图；
图7为本发明的场序三维视场示意图；
图8为本发明的核心部件全息光栅效率、角度带宽性能示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，如“向前”、“向后”、“前”、“后”、“侧面”等指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明或简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明涉及一种全息光栅背光结构，分场序产生多方向背光以实现多视场三维显示器。包括场序多角度准直光源、入耦合光栅、平板波导层、出耦合全息光栅、液晶层；所述光源位于平板波导层的一侧，所述入耦合光栅位于平板波导层的对应光源输入区域，所述出耦合全息光栅位于平板波导层的下端，对应于液晶的像素点分布；所述液晶层位于平板波导层的上端平面。该结构能够改变点光源的光线传播方向，形成均匀的液晶显示背光，通过光栅衍射的方向性，形成分场序的多方向的背光出射，经过液晶层后，形成多视场角下的裸眼三维显示；因全息光栅的波长选择性，可以在对应的像素点上选择性的对红绿蓝耦合出射，省去液晶显示中的滤色片结构，提高光效。
实施例1，如图1所示，全息光栅场序多方向背光结多视场三维显示器，包括一种全息光栅背光结构的场序三维显示器，该显示器包括光源1、入耦合光栅2、波导层3、出耦合全息光栅层4、液晶层5、偏振层6；
所述光源1位于波导层3的上端，所述入耦合光栅2位于波导层3的对应光源输入区域，所述出耦合全息光栅层4位于波导层3的上表面，对应于液晶的像素点分布；所述液晶层5位于耦合全息光栅层4的上表面；偏振层6位于液晶层5的上表面。
所述波导层3的材质为石英玻璃，其折射率为1.5。
所述光源为微型半导体激光器或LED发光器及其场序驱动及准直光学系统。
所述波导层3从上到下依次包括增亮膜、导光板和反射膜。
实施例2，所述波导层3的材质为石英玻璃，其折射率为1.6，其余方法同实施例1。
实施例3，所述波导层3的材质为石英玻璃，其折射率为1.7，其余方法同实施例1。
光源1用于提供红绿蓝三种颜色的准直光束，该光束偏振在TE模态上。通过时序循环控制准直光束的入射角，以配合同步控制的液晶形成场序的多视角三维图像；入耦合光栅2用于偏转光源出射的准直光，并将其导入平板波导层3，使光线入射到平板波导中能发生全反射；所述平板波导层3作用是改变点光源的传输方向，通过波导中的内全反射使光线沿整个平板波导层向前分布；出耦合全息光栅层4用于在与液晶像素点相对应的位置以准直光束的方式耦合出射光线，形成液晶背光，其光束准直出射角度与入射角度相对应；液晶层5用于控制各个像素点的偏振状态；偏振层6用于还原各个像素点的亮度值，形成显示图像。
上述光源1不限于采用LED加偏振片或者微型半导体激光器，输出TE偏振态的光，经过光学准直透镜组后形成准直光束。该准直光束可以通过机械或光学的方式如振镜等得到不同的偏转角，通过时序控制，得到与液晶场序相对应的准直角度。
上述入耦合光栅2不限于体全息光栅或表面浮雕衍射光栅，也可以是棱镜，自由曲面等光学透镜方式，将1输出的准直光束耦合如平板波导2。
上述平板波导层3材质为石英玻璃，折射率为1.52，根据布儒斯特定律，使光线在所述平板波导层3中满足全反射条件，向前传播。所示波导层材质不限于玻璃、PMP、树脂等，理论上折射率越大，越容易满足全反射条件，系统能够得到的三维视场就更多。
如图2所示，为出耦合全息光栅层4在液晶像素对应位置的局部放大图。光栅方向和光栅周期决定了全息光栅的几何性状。由全息光栅的布拉格衍射条件可以得到，当光栅方向和周期一定时，光栅的峰值效率对应着一定的光波波长和入射角，这里的入射角是指光栅矢量和入射光之间的夹角。反过来，对应于一定的入射角范围下，红、绿、蓝三种入射光波长通过设计不同的光栅周期来实现将红、绿、蓝光的耦合出射。
如图3所示，为光源所发出的准直光被耦合进波导3后，以一定角度θP在波导3内发生内全反射并向前传播至某一显示像素单元17前。然后被出耦合全息光栅层4上的像素单元17子光栅耦合出射至液晶层5相对应的像素单元方向。红光光栅8位置上方对应着液晶像素单元中的红色子像素11，绿光光栅9位置上对应着液晶像素单元中的绿色子像素12，蓝光光栅10位置上对应着液晶像素单元中的蓝色子像素13。由于全息光栅的波长选择性，红光光栅8只将波导层3中的红光耦合出射至液晶像素单元中的红色子像素11；绿光光栅9只将波导层3中的绿光耦合出射至液晶像素单元中的绿色子像素12；蓝光光栅10只将波导层3中的蓝光耦合出射至液晶像素单元中的蓝色子像素13。就这样不需要滤色片实现液晶显示器的彩色像素显示。控制耦合输出光栅的衍射效率，未被耦合输出的光仍然在波导层3中以内全反射的方式向前传播至下一个像素单元。同时，其出射光仍保持准直，如14,15,16，其出射角度与入射准直角度相对应，通过时序上的控制，可以分场序实现多视场的三维显示功能。
如图4所示，为全息光栅背光结构的传播光路。光束18从准直光源1以角度θin出射，经过入耦合光栅2的调整后，以一定角度θP在平板波导层3内发生全反射，并向前传播，θP需大于波导介质的全反射临界角。当入射光束19在平板波导层3中传播，并射向折射率为n的出耦合全息光栅4时，光线会在出耦合全息光栅4和液晶层间的两种介质的分界面上产生分裂，一部分光21会改变传播方向回到平板波导层，即发生反射现象，而另一部分光20则被出耦合全息光栅4以θout角衍射输出至液晶层。发生反射的部分光21在继续向前传播的过程中，再次遇到出耦合全息光栅层4时将发生同样的分裂，产生下一处的输出部分光22和反射光部分。
如图5所示，准直光源1以角度θin’出射，经过入耦合光栅2的调整后，以一定角度θP’在平板波导层3内发生全反射，并向前传播。当入射光束19在平板波导层3中传播，并射向折射率为n的出耦合全息光栅4时，光线会在出耦合全息光栅4和液晶层间的两种介质的分界面上产生分裂，一部分光21会改变传播方向回到平板波导层，即发生反射现象，而另一部分光20则被出耦合全息光栅4以θout’角衍射输出至液晶层。
如图6所示，准直光源1以角度θin”出射，经过入耦合光栅2的调整后，以一定角度θP”在平板波导层3内发生全反射，并向前传播。当入射光束19在平板波导层3中传播，并射向折射率为n的出耦合全息光栅4时，光线会在出耦合全息光栅4和液晶层间的两种介质的分界面上产生分裂，一部分光21会改变传播方向回到平板波导层，即发生反射现象，而另一部分光20则被出耦合全息光栅4以θout”角衍射输出至液晶层。
如图7所示，当以时序的方式控制输入光束18的准直偏转角度时，我们可以在液晶显示平面得到相应的视场角方向。这样以同步的场序来控制液晶在不同视场角度时隙中的显示内容，我们可以得到不同视场下的独立显示，从而实现场序的三维显示。
如图8所示，全息光栅在衍射效率相对较高时，其角带宽相对很小，在本系统中就会限制三维显示的视场角范围。所幸在本应用中将全息光栅用在局部像素单元内做耦合输出时，所需的效率相对较低，使大部分背光继续向前传播在其他像素出部分输出，得到较大的显示均匀性。应用中耦合输出单元全息光栅效率一般会在5％以下，这样，其角度带宽相对较宽，足以满足一般三维显示应用。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全息光栅背光结构的场序三维显示器，其特征在于，该显示器包括光源(1)、入耦合光栅(2)、波导层(3)、出耦合全息光栅层(4)、液晶层(5)、偏振层(6)；
所述光源(1)位于波导层(3)的上端，所述入耦合光栅(2)位于波导层(3)的对应光源输入区域，所述出耦合全息光栅层(4)位于波导层(3)的上表面，对应于液晶的像素点分布；所述液晶层(5)位于耦合全息光栅层(4)的上表面；偏振层(6)位于液晶层(5)的上表面。
2.根据权利要求1所述的全息光栅背光结构的场序三维显示器，其特征在于，所述波导层(3)的材质为石英玻璃。
3.根据权利要求2所述的全息光栅背光结构的场序三维显示器，其特征在于，所述石英玻璃折射率为1.5～1.7。
4.根据权利要求1所述的全息光栅背光结构的场序三维显示器，其特征在于，所述光源为微型半导体激光器或LED发光器及其场序驱动及准直光学系统。
5.根据权利要求1所述的全息光栅背光结构的场序三维显示器，其特征在于，所述波导层(3)从上到下依次包括增亮膜、导光板和反射膜。
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