CN110531526A - 大视场角三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示技术，特别涉及用于实现裸眼三维图像的大视场角三维显示的装置。按照本发明一个方面的大视场角三维显示装置包含：背光板，其配置为将光源发出的光束转换为第一准直光束；位于所述第一准直光束传播方向上的空间光调制器，其配置为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到所述第一准直光束上以形成第二准直光束；以及位于所述第二准直光束传播方向上的位相板，其具有衍射结构，所述衍射结构配置为将所述第二准直光束所承载图像中的每个视角的图像投射至各自对应的一组观察位置。

Description

大视场角三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术，特别涉及用于实现裸眼三维(3D)图 像的大视场角三维显示装置。

背景技术

随着生活水平的提高，科学技术的迅猛发展，逼真的视觉体 验成为了人们对显示画面的追求，3D显示技术应运而生。不仅仅 是在传统的显示行业，多媒体领域和软件开发等诸多领域也迫切 需要3D显示技术的发展与应用。传统的3D显示技术需要借助额 外的辅助设备(比如3D眼镜等)才能观察到立体图像，这极大限 制了人们观看的自由度。因此发展裸眼3D显示技术是大势所趋。

全息图是一种携带振幅与位相信息以真实再现三维信息的图 像。全息显示的特点是，全息图可在空间再现三维虚像或者三维 实像，全息图上的每一点均向空间各个方向传输信息，空间中的 每一观察点均可看到整幅的图像。或者说，图像信息通过光场传 输会聚在观察点上。因此，在空间不同观察点可观看到不同视角 的整幅图像而相互不干扰。但是数十年来，受到全息记录材料、 信息量和技术工艺的限制，全息显示未能实现宽视角的动态彩色 裸眼3D显示。

基于视差原理的裸眼3D显示技术包括视障法和微柱透镜法。 在这些技术中，视障屏或者微柱透镜阵列被设置在液晶显示面板 表面以实现不同视角的图像在空间角度上的分离。由于鬼影和杂 散光难以消除，因此在观察这种3D图像时易引起视觉疲劳。与此 同时，受杂散光的影响，通常将视角间隔设置得较大，从而导致 视角不连贯，无法实现无跳跃的裸眼3D显示效果。此外，现有的 裸眼3D显示设备体积较大，难以集成到手机等小型装置内。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于实现裸眼三维图像的大视 场三维显示装置，其具有制造成本低、设计简便和结构紧凑等优 点。

按照本发明一个方面的大视场角三维显示装置包含：

背光板，其配置为将光源发出的光束转换为第一准直光束；

位于所述第一准直光束传播方向上的空间光调制器，其配置 为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到所述第一准直 光束上以形成第二准直光束；以及

位于所述第二准直光束传播方向上的位相板，其具有衍射结 构，所述衍射结构配置为将所述第二准直光束所承载图像中的每 个视角的图像投射至各自对应的一组观察位置。

优选地，在上述装置中，所述空间光调制器包含第一体像素， 每个体像素包含多个亚像素，每个亚像素对应于不同的视角，所 述衍射结构包含多个微结构单元，每个微结构单元配置为将来自 于所述空间光调制器的多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的一组观察位置。

优选地，在上述装置中，所述衍射结构采用下列中的一种结 构实现：一维纳米光栅、二维纳米光栅、空间复用的纳米光栅、 纳米光栅阵列和衍射光学元件。

优选地，在上述装置中，所述衍射结构采用衍射光学元件实 现，通过调整所述衍射光学元件的结构深度使衍射光在衍射级次 为零级处的衍射效率最小。

优选地，在上述装置中，所述背光板包括：

导光板，其包含位于导光板上表面、下表面或内部的第一微 结构，该第一微结构具有周期性分布的第一单元，所述光源发出 的光束经所述第一微结构散射至导光板的外部；以及

与所述导光板堆叠在一起的光学膜，其包含位于光学膜表面 的第二微结构，该第二微结构具有周期性分布的第二单元，经所 述第一微结构散射至导光板的外部的光束经第二微结构变换为所 述第一准直光束。

优选地，在上述装置中，所述第一单元为微棱镜、微透镜、 自由曲面透镜或凹坑中的一种。

优选地，在上述装置中，所述第二单元为微透镜、菲涅耳透 镜或薄膜透镜中的一种。

优选地，在上述装置中，所述背光板进一步包括遮光板，其 包含与所述第一微结构和第二微结构匹配对应的遮光结构以滤除 从所述第二微结构出射的杂散光。

优选地，在上述装置中，所述遮光板设置于下列位置中的一 个：导光板与光学膜之间、所述导光板内部和所述光学膜内部。

优选地，在上述装置中，所述光源被集成在所述装置中并且 位于所述背光板的侧部。

优选地，在上述装置中，所述光源为LED线阵列光源。

优选地，在上述装置中，所述空间光调制器为液晶显示单元。

优选地，在上述装置中，进一步包括位于所述空间光调制器 与位相板之间的遮光板。

优选地，在上述装置中，所述光源为白色光源或三原色光源， 所述装置进一步包括与所述空间光调制器和位相板堆叠在一起的 彩色滤光片。

优选地，在上述装置中，所述彩色滤光片设置于所述空间光 调制器与位相板之间。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的大视场三维显示装置的示意 图。

图2为可应用于图1所示装置的背光板的示意图。

图3为另一种可应用于图1所示装置的背光板的示意图。

图4a-4d为可应用于图1所示实施例中的位相板的单个微结 构单元的示意图。

图5a-5c为采用图4a-4d所示微结构单元构成的位相板亚像素 视点(阵列)效果的示意图。

图6为示出了一种扩大视场角的多视角图像显示结构的示意 图。

图7为示出了另一种扩大视场角的多视角图像显示结构的示 意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的目的进行详细说明。

图1为按照本发明一个实施例的大视场三维显示装置的示意 图。

图1所示的装置10包括背光板110、空间光调制器120和位 相板130。背光板110例如可以采用指向性背光板。可选地但是并 非必需地，光源140可以作为图1所示装置的组成单元。优选地， 光源140可以为LED线阵列光源。

参见图1，光源140发出的光束经背光板110转换为沿一个或 多个方向的准直光束B1(以下又称为第一准直光束B1)。空间光 调制器120设置在第一准直光束B1的传播方向上，其通过振幅调 制方式将多视角混合图像信息加载到第一准直光束B1上以形成 准直光束B2(以下又称为第二准直光束B2)。位相板130设置在 第二准直光束B2的传播方向上，其利用微结构单元(例如纳米结 构单元)将第二准直光束B2所承载图像中的每个视角的图像投射 至各自对应的多个观察位置，使得能够在大视场下实现裸眼3D 显示的效果。

需要指出的是，在本说明书中，沿一个方向传播的准直光束、 平行光、指向性光束和汇聚光束指的是发散角半高宽在30°以内的 出射光线。优选地，出射光线的发散角半高宽在10°范围内。

图2为按照本发明另一个实施例的可应用于图1所示装置的 背光板的示意图。

图2所示的指向性背光板110包括导光板111和光学膜112。 光学膜112例如可以是微纳光学膜。如图2所示，在导光板111 的上表面形成具有周期性分布的第一单元(图中以凹坑示出)的 第一微结构111A。光源140位于导光板111的侧部，其发出的光 束进入导光板111之后，经第一微结构111A散射至导光板111的 外部。

虽然图2中所示的第一微结构111A形成于导光板111的上表 面，但是其也形成于导光板111的下表面或内部。优选地，第一 微结构的尺寸在100nm-1mm之间。在图2所示的指向性背光板 110中，第一单元示例性地以凹坑的形式示出，但是其也可以是其 它形式的光学元件，例如包括但不限于微棱镜、微透镜、自由曲 面透镜等。

继续参见图2，光学膜112位于导光板111的下方。光学膜112 可与导光板111堆叠在一起或与导光板111保持一定的空气间隙 (当光学膜的折射率接近或高于导光板的折射率时)。此外，还可 以在导光板111与光学膜112之间插入一层低折射率层以避免在 导光板中形成全反射条件。如图2所示，在光学膜112的表面形 成具有周期性分布的第二单元的第二微结构112A，该第二微结构 112A与第一微结构111A在结构上匹配，作用是将来自导光板111 的发散光束变换为沿一个或多个方向出射的第一准直光束B1。优 选地，第二微纳结构112A采用微透镜阵列、菲涅耳透镜阵列、薄 膜透镜阵列、二元结构光阵列等构型。微透镜阵列、菲涅耳透镜 阵列或薄膜透镜阵列的透镜单元可根据与导光板中的微结构的相 对位置作优化设计以获得较好的准直或汇聚效果。例如可以将光 学膜112中的每个单元或微透镜的直径设计为比导光板111的单 元或凹坑结构的尺寸更大。

在本实施例中，可选取塑料或者玻璃作为导光板或微透镜的 材料，其折射率在1-2.5之间。优选地可采用塑料以使产品更轻便 并降低成本。此外，该导光板111可由一种材料构成或由折射率 不同的多种材料组成。导光板和光学膜例如可利用灰度光刻工艺、 激光刻蚀工艺等制作，并利用纳米压印工艺实现批量复制。

优选地，可以在背光板110内设置遮光板以滤除不希望的杂 散光。例如在图3所示的背光板中，可以考虑在导光板与光学膜 之间设置遮光板113。该遮光板包含与第一微结构111A和第二微 结构112A匹配对应的遮光板，从而可滤除从第二微结构出射的杂 散光。遮光板可以是单层或多层独立结构，并且可与导光板、光 学膜、空间光调制器和菲涅耳透镜组的任意一个或者多个集成在 一起以形成功能复合的光学器件。

在图1所示的实施例中，空间光调制器120用于振幅调制， 即加载多视角混合的图像信息。空间光调制器例如可包括显示面 板、驱动电路、控制系统和软件控制等。根据具体应用领域需要， 空间光调制器可以实现单色或彩色显示。优选地，空间光调制器 120可以是液晶显示单元。空间光调制器120可包含多个体像素 或振幅调制像素，每个体像素包含多个亚像素，并且每个亚像素 对应于不同的视角。

在现有技术中，来自空间光调制器的每个亚像素的图像被位 相板投射到相应的单个视角或观察位置，但是从下面的描述将会 看到，在本发明中，位相板将空间光调制器的每个亚像素的图像 投射到相应的一组视角或一组观察位置，从而拓宽了视场角。

为了获得一组观察位置，在本实施例中，位相板130具有衍 射结构，该衍射结构包含多个体像素。进一步地，位相板130的 每个体像素包含多个微结构单元，每个微结构单元与空间光调制 器的视角图像像素匹配对准，也就是说，将来自于空间光调制器 120的多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与 该亚像素相关联的一组观察位置。优选地，衍射结构可采用各种 结构实现，例如包括但不限于一维纳米光栅、二维纳米光栅、空 间复用的纳米光栅、纳米光栅阵列和衍射光学元件(或二次光学 元件)等。

图4a-4d为可应用于图1所示实施例中的位相板的单个微结 构单元的示意图。

以图4a为例，该微结构单元131采用像素单元形式，其被划 分为9个具有不同周期和/或取向角的光栅区域1a-1i，当来自空间 光调制器120的一个亚像素的光线到达时，不同的光栅区域将使 光线偏转至不同的观察位置，由此实现了同一个视角的光束到多 个观察位置的投射，从而扩大了视场范围。

光栅区域的周期和取向角可以根据下列光栅方程确定：

tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ)) (1)

sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(nsinθ)²-2n sinθcosφ(λ/Λ) (2)

其中，θ₁和φ₁分别表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴负方向 的夹角)和方位角(衍射光线与y轴正方向的夹角)，θ和λ分别表 示光源的入射角(入射光线与z轴负方向的夹角)和波长，Λ和φ 分别表示纳米衍射光栅的周期和取向角(槽型方向与x轴正方向 夹角)，n表示光波在介质中的折射率。

因此，当入射光线波长、入射角、衍射光线衍射角和衍射方 位角确定之后，即可利用上式计算出所需的光栅周期和取向角。

又如，图4b所示的微结构单元131采用光栅空间复用的形式， 其由9个具有不同周期和/或取向角的光栅堆叠而成，当来自空间 光调制器120的一个亚像素的光线到达时，不同的光栅同样使光 线偏转至不同的观察位置，由此实现了同一个视角的光束到多个 观察位置的投射，从而扩大了视场范围。

图4c和4d所示的微结构单元分别为二台阶衍射光学元件和 多台阶衍射光学元件，其同样可使来自一个视角的光线偏转至不 同的观察位置。

图5a-5c为采用图4a-4d所示微结构单元构成的位相板亚像素 视点(阵列)效果的示意图。入射到单个微结构单元的光线经过 波前变换形成多个可视区域，这些可视区域可以是如图5a所示的 条状、如图5b所示的环状或如图5c所示的十字状。显然，这扩 大了横向和/或纵向的可视范围，使观察者上下左右移动时均可观 察到同一视角的信息图像。

图6为示出了一种扩大视场角的多视角图像显示结构的示意 图。

不失一般性的，图6中以4个视角的显示装置为例进行进行 说明。在图6中，位相板130上的每个阴影部分表示一个体像素 并且包含4个微结构单元(例如具有图4a-4d所示形式的微结构 单元)。通过控制微结构单元中的光栅的取向角和/或周期或者按 照光波衍射理论来设计衍射光学元件的结构，可以如图6所示在 横向和纵向上形成多个可视区域。位相板130上的每个阴影部分 与空间光调制器120的体像素匹配对准，由此可在多个水平和纵 向排布的可视区域内呈现同一视角的多个信息图像，从而在不增 加空间光调制器所需刷新显示信息的情况下，达到扩大视场角的 效果。

图7为示出了另一种扩大视场角的多视角图像显示结构的示 意图。

同样地，图7也以4个视角的显示装置为例进行说明。在图 7中，位相板130上的每个阴影部分对应于空间光调制器120的一 个体像素并且包含4个微结构单元(例如具有图4a-4d所示形式 的微结构单元)。通过控制微结构单元中的光栅的取向角和/或周 期，或者按照光波衍射理论来设计衍射光学元件的结构，可沿横 向形成多个按一定间隔分布的可视(条状)区域。位相板130上 的每个阴影部分表示一个体像素并且与空间光调制器120的体像 素匹配对准，由此可在按一定间隔排布的可视(条状)区域内呈 现同一视角的多个信息图像。同时，不同视角的信息图像所对应 的不同亚像素的微结构单元在水平方向上依次分布，共同形成循 环分布的可视点(线)阵区域1-4，从而在不增加空间光调制器所 需刷新显示信息的情况下，达到扩大视场角的效果。

衍射光学元件或二元光学元件的衍射效率η可由下式确定：

其中，N为二元光学元件的台阶数量，m为衍射级次。

在普通的衍射光栅中，零级衍射光占据了绝大部分能量，而 有用的+1或-1级衍射光所占能量比例有限，这极大影响了显示的 质量和效果。在本实施例中，优选地，通过调整位相板上的衍射 光学元件的结构深度，可使衍射光在m＝0的衍射级次处的衍射效 率最小(例如等于0)，也就是说零级衍射光被完全消除，从而使 能量主要集中在+1或-1级衍射光上，这极大提高光能利用率。

在实际应用中，位相板位于空间光调制器的前方或者后方， 或者在空间光调制器的其中一面上直接制备位相板结构，从而得 到一体化的显示装置。

需要指出的是，上面描述的实施例同样可应用于彩色显示应 用。为此，可以采用三色(或白色)LED灯条作为光源，并且在 大视角三维显示装置中设置彩色滤光片。彩色滤光片可与位相板 和空间光调制器堆叠放置并且堆叠顺序可变。例如彩色滤光片可 以设置在背光板与空间光调制器之间，空间光调制器与位相板之 间，或者位相板之后。优选地，彩色滤光片被设置在空间光调制 器与位相板之间。从背光板光线射出的光束由空间光调制器提供 多视角裸眼3D显示的图像信息，随后由彩色滤光片加载波长信 息，最后由位相板实现位相调制，从而在位相板的前方可视区域 内形成多个汇聚光场以实现裸眼3D显示的效果。

与现有技术相比，本发明的大视角三维显示装置具有诸多优 点。例如可提供较大的视场角从而在平面的任意方向上都能无视 觉疲劳地观看到清晰的裸眼3D或2D图像。又如，由于衍射光学 元件可以消除0级衍射，使能量集中在需要的衍射级次上，因此 明显提高了衍射效率。再如，背光板(包含LED光源、导光板和 光学膜)和菲涅尔透镜均可利用现有的纳米压印技术工业化生产， 制作工艺成熟，产品一致性容易保证并且有利于降低成本。此外， 背光板的各个单元均可模块化设计，每个模块实现相对独立的光 学特性(例如照明均匀性、出射光发散角等)，这使得各参数解耦， 简化了设计过程并且使光学参数的调整更为容易。再者，本发明 的大视角三维显示装置由多个薄膜光器件堆叠组成，与现有的液 晶屏幕构架兼容性好，应用领域广阔。

上文描述了本发明的原理和较佳实施例。然而，本发明不应 被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为 是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技 术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本发明的范围的前提 下，可以在这些实施例中作出变化。

Claims (15)

1.一种大视场角三维显示装置，其特征在于，包含：

背光板，其配置为将光源发出的光束转换为第一准直光束；

位于所述第一准直光束传播方向上的空间光调制器，其配置为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到所述第一准直光束上以形成第二准直光束；以及

位于所述第二准直光束传播方向上的位相板，其具有衍射结构，所述衍射结构配置为将所述第二准直光束所承载图像中的每个视角的图像投射至各自对应的一组观察位置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述空间光调制器包含第一体像素，每个体像素包含多个亚像素，每个亚像素对应于不同的视角，所述衍射结构包含多个微结构单元，每个微结构单元配置为将来自于所述空间光调制器的多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的一组观察位置。

3.如权利要求2所述的装置，所述衍射结构采用下列中的一种结构实现：一维纳米光栅、二维纳米光栅、空间复用的纳米光栅、纳米光栅阵列和衍射光学元件。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述衍射结构采用衍射光学元件实现，通过调整所述衍射光学元件的结构深度使衍射光在衍射级次为零级处的衍射效率最小。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述背光板包括：

导光板，其包含位于导光板上表面、下表面或内部的第一微结构，该第一微结构具有周期性分布的第一单元，所述光源发出的光束经所述第一微结构散射至导光板的外部；以及

与所述导光板堆叠在一起的光学膜，其包含位于光学膜表面的第二微结构，该第二微结构具有周期性分布的第二单元，经所述第一微结构散射至导光板的外部的光束经第二微结构变换为所述第一准直光束。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述第一单元为微棱镜、微透镜、自由曲面透镜或凹坑中的一种。

7.如权利要求5所述的装置，其中，所述第二单元为微透镜、菲涅耳透镜或薄膜透镜中的一种。

8.如权利要求5所述的装置，其中，所述背光板进一步包括遮光板，其包含与所述第一微结构和第二微结构匹配对应的遮光结构以滤除从所述第二微结构出射的杂散光。

9.如权利要求8所述的装置，所述遮光板设置于下列位置中的一个：导光板与光学膜之间、所述导光板内部和所述光学膜内部。

10.如权利要求5所述的装置，其中，所述光源被集成在所述装置中并且位于所述背光板的侧部。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述光源为LED线阵列光源。

12.如权利要求1所述的装置，其中，所述空间光调制器为液晶显示单元。

13.如权利要求1所述的装置，其中，进一步包括位于所述空间光调制器与位相板之间的遮光板。

14.如权利要求1所述装置，其中，所述光源为白色光源或三原色光源，所述装置进一步包括与所述空间光调制器和位相板堆叠在一起的彩色滤光片。

15.如权利要求14所述装置，其中，所述彩色滤光片设置于所述空间光调制器与位相板之间。