CN110262051B - 一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置。该显示装置由方向性光源、垂直散射层、逆反射膜及液晶显示面板组成。方向性光源、垂直散射层及逆反射膜用于控制该装置中光线传播的方向，通过选择控制方向性光源中的部分光源点亮，其发射的光线经逆反射膜反射，可形成多个光投射区域，液晶显示面板提供与之对应的视差图像，从而可在空间中形成多个视区，当人眼分处于不同的视区时，可以看到与之对应的视差图像，从而产生立体视觉。

Description

一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术，更具体地说，本发明涉及立体投影显示技术。

背景技术

立体显示装置可用于立体图像的显示。常见的立体显示装置由柱透镜光栅、2D显示面板等元器件构成，其通过2D显示面板提供视差合成图像，并利用柱透镜分光作用实现立体图像显示。然而，传统立体显示装置难以实现全分辨率的图像显示，因此本发明提出了一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置，其通过利用液晶显示面板提供视差图像，并利用方向性光源控制视差图像的投射方向，从而实现立体图像显示。相对于传统立体显示装置，其同一时间片隙内，液晶显示面板仅提供一幅视差图像，并利用方向性光源将其投射到指定视区位置。时分复用地，其可在不同的视区位置投射不同的视差图像，从而实现高分辨率的立体显示。

发明内容

本发明提出了一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置。附图1为该基于方向性光源的逆反射立体显示装置的结构示意图。该基于方向性光源的逆反射立体显示装置由方向性光源、垂直散射层、逆反射膜及液晶显示面板组成。

其中，所述方向性光源由光源阵列及第一柱透镜光栅组成，第一柱透镜光栅由多个柱透镜在水平方向上排列而成，用于在水平方向上定向投射光线。所述垂直散射层置于逆反射膜之前，其由第二柱透镜光栅构成，第二柱透镜光栅由多个柱透镜在垂直方向上排列而成，用于垂直方向上散射光线。所述逆反射膜上具有光逆反射结构，可将入射到该逆反射膜上的光线按原入射方向进行反射。液晶显示面板用于提供视差图像，其采用低散射面板，其不改变光线的传播方向。

所述方向性光源、垂直散射层及逆反射膜用于控制该装置中光线传播的方向。所述方向性光源中，光源阵列发射的光线通过方向性光源中的第一柱透镜光栅进行投射，其光线可被投射至垂直散射层、逆反射膜及液晶显示面板位置处，并经逆反射膜反射。点亮光源阵列中不同位置的光源，其光线可以通过第一柱透镜光栅的水平分光作用进行定向投射，并经逆反射膜反射后，汇聚到不同的水平空间位置。在上述过程中，垂直散射层可将光线在垂直方向上进行散射，以使得投射光线可分布于各个水平空间位置的垂直投影区域内。

同一时刻，所述光源阵列中的部分光源点亮，使得该时刻内仅有唯一的水平空间位置具有光线投射，同时，液晶显示面板提供与之对应的视差图像，故可在该水平空间位置上形成视区。时分复用地，光源阵列中的光源依次打开，液晶显示面板提供与之对应的视差图像，从而可在空间中形成多个视区。当人眼分处于不同的视区时，可以看到与之对应的视差图像，从而产生立体视觉。

具体地，方向性光源的光源阵列中，部分光源点亮，所点亮的光源节距小于第一柱透镜光栅节距，则其可通过第一柱透镜光栅在水平方向上，以空间中一点为中心，向垂直散射层、逆反射膜及液晶显示面板投射发散光线。随后，光线入射至液晶显示面板，液晶显示面板不改变光线的转播方向，光线穿过液晶显示面板后，到达第二柱透镜光栅。此时，分垂直和水平方向对光线的传播进行说明。

水平方向上，因第二柱透镜光栅由多个柱透镜在垂直方向上排列而成，其在水平方向上不具有透镜聚光作用。故在水平方向上不会改变光线传播方向。随后，光线达到逆反射膜。按上述原理，逆反射膜将入射光线按原方向反射后，光线再次到达柱透镜光栅。同理，光线再次经过第二柱透镜光栅时，第二柱透镜光栅在水平方向上不会改变光线传播方向。故最终，光线在水平方向上将按原入射方向进行反射，从而在水平方向上，所述方向性光源发射的散射光线会重新汇聚到空间中一点，该点的位置为方向性光源投射发散光线的反向延长线汇聚点。

垂直传播方向上，因第二柱透镜光栅由多个柱透镜在垂直方向上排列而成，其在垂直方向上具有透镜聚光作用。故光线经过第二柱透镜光栅后，在垂直方向上发生传播方向的改变。随后，光线到达逆反射膜，逆反射膜常采用立方晶结构，具有光逆反射特性，光线可在其上形成三次反射，并最终按原入射方向进行出射。但立方晶结构中，反射光线和入射光线之间存在一定的位移。该位移会使得反射光线再次经过第二柱透镜光栅时，其入射点位置发生变化，从而被第二柱透镜光栅散射至不同于入射光线的其他垂直空间方向。因此，光线反射后，会在垂直传播方向上产生散射。

因此，光线可通过上述过程在水平方向上形成不同的视区，在视区内的垂直投影区域内均可以看到与之对应的视差图像。

优选地，所述逆反射膜采用立方晶结构，其周期结构由呈九十度正交放置的三个正方形反射平面构成。

优选地，液晶显示面板的像素节距应大于第二柱透镜光栅节距和逆反射膜周期性结构的节距。

优选地，逆反射膜周期性结构的节距大于或等于第二柱透镜光栅节距。

可选地，液晶显示面板和垂直散射层的前后位置可以互换。

可选地，方向性光源中的第一柱透镜光栅可替换为狭缝光栅。

可选地，第二柱透镜光栅可替换为如柱状凹透镜阵列、全息光学元件、非规则棱镜阵列等其他具有一维散射能力的光学结构。

本发明中，由于每一视区中的视差图像分辨率均和液晶显示面板的分辨率一致，故无传统结构中的分辨率损失，可实现高分辨率的立体图像显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中方向性光源的结构原理图。

图3为本发明中逆反射膜的结构原理图。

图4为本发明中的第二柱透镜光栅光路图。

图5为本发明中水平方向的光路图。

图标：010-基于方向性光源的逆反射立体显示装置；100-逆反射膜；200-第二柱透镜光栅；300-液晶显示面板；400-方向性光源；020-方向性光源结构；410-光源阵列；420-第一柱透镜光栅；030-逆反射立方晶微观结构；110-逆反射膜入射光线；120-逆反射膜反射光线；040-第二柱透镜光栅散射过程；050-水平方向分光原理。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例

图1为本实施例提供的基于方向性光源的逆反射立体显示装置010的结构示意图。图中x坐标表示空间中的水平方向，y坐标表示空间中的垂直方向，z表示与x-y平面垂直的方向。请参照图1，本实施例提供一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置010，其由方向性光源400、垂直散射层200、逆反射膜100及液晶显示面板300组成。

其中，所述方向性光源由光源阵列410及第一柱透镜光栅420组成，第一柱透镜光栅420由多个柱透镜在水平方向上排列而成，用于在水平方向上定向投射光线。所述垂直散射层200置于逆反射膜100之前，其由第二柱透镜光栅构成，第二柱透镜光栅由多个柱透镜在垂直方向上排列而成，用于垂直方向上散射光线。所述逆反射膜100采用立方晶结构，其周期结构由呈九十度正交放置的三个正方形反射平面构成，可将入射到该逆反射膜上的光线按原入射方向进行反射。液晶显示面板300用于提供视差图像，其采用透明液晶显示面板，光线经过面板时，光线几乎不会发生散射。

下面对本实施例提供的基于方向性光源的逆反射立体显示装置010进行进一步说明。

所述方向性光源400、垂直散射层200及逆反射膜100用于控制该装置中光线传播的方向。所述方向性光源400中，光源阵列410发射的光线通过方向性光源中的第一柱透镜光栅420进行投射，其光线可被投射至垂直散射层200、逆反射膜100及液晶显示面板300位置处，并经逆反射膜100反射。点亮光源阵列410中不同位置的光源，其光线可以通过第一柱透镜光栅410的水平分光作用进行定向投射，并经逆反射膜100反射后，汇聚到不同的水平空间位置。在上述过程中，垂直散射层200可将光线在垂直方向上进行散射，以使得投射光线可分布于各个水平空间位置的垂直投影区域内。

同一时刻，所述光源阵列410中的部分光源点亮，使得该时刻内仅有唯一的水平空间位置具有光线投射，同时，液晶显示面板300提供与之对应的视差图像，故可在该水平空间位置上形成视区。时分复用地，光源阵列410中的光源依次打开，液晶显示面板300提供与之对应的视差图像，从而可在空间中形成多个视区。当人眼分处于不同的视区时，可以看到与之对应的视差图像，从而产生立体视觉。

具体地，方向性光源400的光源阵列410中，部分光源点亮，所点亮的光源节距小于第一柱透镜光栅420节距，则其可通过第一柱透镜光栅420在水平方向上，以空间中一点为中心，向垂直散射层200、逆反射膜100及液晶显示面板300投射发散光线。随后，光线入射至液晶显示面板300，液晶显示面板300不改变光线的转播方向，光线穿过液晶显示面板300后，到达第二柱透镜光栅200。此时，分垂直和水平方向对光线的传播进行说明。

水平方向上，请参考图5，方向性光源400的光源阵列410中，三组光源间隔排列，分别对应视区1、视区2和视区3。现以视区2为例进行进一步说明，对应于视区2的光源点亮，其光源节距小于第一柱透镜光栅420节距，故其通过第一柱透镜光栅420在水平方向上，以视点2为中心，向垂直散射层200、逆反射膜100及液晶显示面板300投射发散光线。因第二柱透镜光栅由多个柱透镜在垂直方向上排列而成，其在水平方向上不具有透镜聚光作用。故在水平方向上不会改变光线传播方向。随后，光线达到逆反射膜。请参考图2，逆反射膜具有逆反射立方晶微观结构020，逆反射膜入射光线110到达逆反射膜100后，在呈九十度正交放置的三个正方形反射平面上进行三次反射，并最终形成逆反射膜反射光线120，其逆反射膜反射光线120方向与原逆反射膜入射光线110一致，但传播方向相反。故最终，光线在水平方向上将按原入射方向进行反射，从而在水平方向上，所述方向性光源400发射的散射光线会汇聚到视区2。

垂直传播方向上，请参考图4，因第二柱透镜光栅由多个柱透镜在垂直方向上排列而成，其在垂直方向上具有透镜聚光作用。故光线经过第二柱透镜光栅后，在垂直方向上发生传播方向的改变。随后，光线到达逆反射膜100。请参考图2，逆反射膜具有逆反射立方晶微观结构020，逆反射膜入射光线110到达逆反射膜100后，在呈九十度正交放置的三个正方形反射平面上进行三次反射，并最终形成逆反射膜反射光线120，其逆反射膜反射光线120方向与原逆反射膜入射光线110一致，传播方向相反。但立方晶结构中，反射光线和入射光线之间存在一定的位移。请参考图4，该位移会使得反射光线再次经过第二柱透镜光栅时，其入射点位置发生变化，从而被第二柱透镜光栅散射至不同于入射光线的其他垂直空间方向。因此，光线反射后，会在垂直传播方向上产生散射。

因此，光线可通过上述过程在水平方向上形成视区2，同时在对应于视区2的光源点亮时，液晶显示面板300提供与视区2对应的视差图像，从而在视区2内的垂直投影区域内均可以看到对应的视差图像。

综上所述，本实施例在各个水平方向上实现视差图像显示的原理请参考图5。第一时刻，光源阵列410中，与点划线对应的光源点亮，其光束可由第一柱透镜光栅420投射至视区1，同时，液晶显示面板300显示与视区1空间位置对应的视差图像，从而实现视区1的视差图像显示。同理，第二时刻，光源阵列410中，与实线对应的光源点亮，液晶显示面板300显示与视区2空间位置对应的视差图像，从而实现视区2的视差图像显示；第三时刻，光源阵列410中，与虚线对应的光源点亮，液晶显示面板300显示与视区3空间位置对应的视差图像，从而实现视区3的视差图像显示。当观看者左右眼分别处于不同视区时，可以分别看到与之对应的视差图像，从而产生立体视觉。

本实施例中，由于每一视区中的视差图像分辨率均和液晶显示面板300的分辨率一致，故无传统结构中的分辨率损失，可实现高分辨率的立体图像显示。

Claims (4)

1.一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置，其特征在于：该基于方向性光源的逆反射立体显示装置由方向性光源、垂直散射层、逆反射膜及液晶显示面板组成，其中，所述方向性光源由光源阵列及第一柱透镜光栅组成，第一柱透镜光栅由多个柱透镜在水平方向上排列而成，用于在水平方向上定向投射光线，所述垂直散射层置于逆反射膜之前，其由第二柱透镜光栅构成，第二柱透镜光栅由多个柱透镜在垂直方向上排列而成，用于垂直方向上散射光线，所述逆反射膜上具有光逆反射结构，可将入射到该逆反射膜上的光线按原入射方向进行反射，液晶显示面板用于提供视差图像，其采用低散射面板，其不改变光线的传播方向；所述方向性光源、垂直散射层及逆反射膜用于控制该装置中光线传播的方向，并形成视区；所述方向性光源中，光源阵列发射的光线通过方向性光源中的第一柱透镜光栅进行投射，其光线可被投射至垂直散射层、逆反射膜及液晶显示面板位置处，并经逆反射膜反射；方向性光源的光源阵列中，部分光源点亮，所点亮的光源节距小于第一柱透镜光栅节距，则其通过第一柱透镜光栅在水平方向上，以空间中一点为中心，向垂直散射层、逆反射膜及液晶显示面板投射发散光线，光线在水平方向上将按原入射方向进行反射，从而在水平方向上，所述方向性光源发射的散射光线会重新汇聚到空间中一点，该点的位置为方向性光源投射发散光线的反向延长线汇聚点，并形成一个视区；点亮光源阵列中不同位置的光源，其光线可以通过第一柱透镜光栅的水平分光作用进行定向投射，并经逆反射膜反射后，汇聚到不同的水平空间位置；在上述过程中，垂直散射层可将光线在垂直方向上进行散射，以使得投射光线可分布于各个水平空间位置的垂直投影区域内，同一时刻，所述光源阵列中的部分光源点亮，使得该时刻内仅有唯一的水平空间位置具有光线投射，同时，液晶显示面板提供与之对应的视差图像，故可在该水平空间位置上形成视区；时分复用地，光源阵列中的光源依次打开，液晶显示面板提供与之对应的视差图像，从而可在空间中形成多个视区，当人眼分处于不同的视区时，可以看到与之对应的视差图像，从而产生立体视觉。

2.如权利要求1所述的一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置，其特征在于：液晶显示面板和垂直散射层的前后位置可以互换。

3.如权利要求1所述的一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置，其特征在于：方向性光源中的第一柱透镜光栅可替换为狭缝光栅。

4.如权利要求1所述的一种基于方向性光源的逆反射立体显示装置，其特征在于：第二柱透镜光栅可替换为如柱状凹透镜阵列、全息光学元件、非规则棱镜阵列等其他具有一维散射能力的光学结构。