CN110531527A - 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显示的装置。按照本发明一个方面的三维显示装置包含：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正透镜组，其配置为将所述第二准直光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的观察位置。

Description

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显示的装置。

背景技术

人类的左眼与右眼在水平方向上有5-6cm的位移，因此左右眼所看见的画面中对应实际物体上同一点存在一定的距离，通过这种差别可判断物体的远近和深度。三维(3D)显示技术利用一系列的光学方法使人左右眼产生视差，从而在大脑中形成立体效果的技术。目前的3D显示技术包括眼镜式显示和裸眼式显示两大类型。由于无需佩戴专门的眼镜，裸眼3D显示受到市场更多的青睐。

但是现有的裸眼3D显示技术存在诸多缺点。例如实现的硬件设备体积大，难以集成到手机等小型装置内。此外，基于柱状透镜和屏障法的裸眼3D显示难以消除杂散光，容易带来严重的视觉疲劳。

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显示的装置，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三维显示装置包括：

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正透镜组，其配置为将所述第二准直光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的观察位置。

优选地，在上述装置中，所述正透镜组为菲涅尔透镜组。

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，所述空间光调制器包含多个体像素，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，所述菲涅尔透镜组包含多个菲涅尔透镜，每个菲涅尔透镜配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至同一个观察位置。

优选地，在上述装置中，每个菲涅尔透镜被划分为多个区域，每个区域配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至同一个观察位置。

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菲涅尔透镜组之间的遮光板。

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菲涅尔透镜组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菲涅尔透镜组之间。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的三维显示装置的示意框图。

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3为可应用于图1所示装置的菲涅尔透镜的示意图。

图4为菲涅尔透镜会聚作用的示意图。

图5为按照本发明一个实施例的利用背光板、空间光调制器和菲涅尔透镜的组合实现单视点结构的示意图。

图6a和6b为按照本发明一个实施例的对菲涅尔透镜进行像素化处理的示意图。

图7为按照本发明一个实施例的单个像素化菲涅尔透镜的体像素控制视角的示意图。

图8为按照本发明一个实施例的多个像素化菲涅尔透镜的体像素控制视角的示意图。

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用于实现裸眼三维显示的装置的示意框图。

图1所示的装置包括背光板110、空间光调制器120和正透镜组 130。背光板110例如可以是指向性背光板，正透镜组130例如可以是菲涅尔透镜组(示例性地，在下列的描述中以菲涅尔透镜组为例)。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)。菲涅尔透镜组130设置在第二准直光束B2的传播方向上，其通过像素化菲涅尔透镜的相位调制将第二准直光束B2所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的观察位置，使得能够在不同的位置观察到不同的图像，从而实现裸眼 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。在下面的描述中，示例性地将微纳光学膜作为光学膜112的具体实例。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加轻便和降低成本。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以利用灰度光刻工艺、激光刻蚀工艺等制作，并利用纳米压印工艺实现批量复制。

菲涅尔透镜可分为等高菲涅尔透镜和等间距菲涅尔透镜等。图3为可应用于图1所示装置的菲涅尔透镜的示意图。如图3所示，菲涅尔透镜可视作将传统透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上形成的光学元件。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光，如图4所示。

图5为按照本发明一个实施例的利用背光板、空间光调制器和菲涅尔透镜的组合实现单视点结构的示意图。

如图5所示，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之后，经空间光调制器120进行振幅调制，加载视角图像信息后形成准直光束B2。菲涅尔透镜组130(示例性地，图5中以一个菲涅尔透镜为例)将入射的准直光束B2会聚至某一视角。值得注意的是，平行光线经过菲涅尔透镜任意一部分都将会聚至同一视角，不失一般性的，通过改变菲涅耳透镜与背光板和空间光调制器的相对位置，可使图中光线均会聚至视点2处。更进一步地，通过设计菲涅耳透镜的焦距和光轴中心的位置，可将空间光调制器出射光线汇聚至屏幕后方任意一点或区域。

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。

在本实施例中，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，每个亚像素对应于不同的视角。相应地，菲涅尔透镜组130中的每个菲涅尔透镜被配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至同一个观察位置。为此，每个菲涅尔透镜被划分为多个区域，每个区域配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至同一个观察位置。以下将作进一步的描述。

图6a和6b为按照本发明一个实施例的对菲涅尔透镜进行像素化处理的示意图，其中，图6a示出了对菲涅尔透镜进行区域划分的示例性例子，图6b为像素化的菲涅尔透镜的例子。图中示例性地示出了四个菲涅尔透镜，对于每个菲涅尔透镜，其被划分为4个大小相同的像素单元或区域，如图6a所示。每个像素单元以两位字符表示，其中第1位为数字1-4中的一个，用于标识菲涅尔透镜或观察位置，第2位为字母a-d中的一个，用于标识空间光调制器的体像素。在本实施例中，按照图6b所示的方式来组合各个菲涅尔透镜上的像素单元以得到像素化的菲涅尔透镜，即，第一-第四菲涅尔透镜上的像素单元1a、2a、3a和4a被编入一个组合(以下将这种逻辑组合又称为像素化菲涅尔透镜的体像素)，像素单元1b、2b、3b和4b被编入另一个组合，对于其余的像素单元以此类推。像素化菲涅尔透镜的体像素与空间光调制器120的体像素或振幅调制像素具有一一对应的关系。在实际应用中，可根据应用领域、屏幕像素的大小和菲涅尔透镜的特点，应用多块菲涅尔透镜拆分组合或者也可将一块菲涅尔透镜拆分成多个像素单元。

图7为按照本发明一个实施例的单个像素化菲涅尔透镜的体像素控制视角的示意图。参见图7，空间光调制器的每个体像素由4个亚像素构成。相应地，每个像素化菲涅尔透镜的体像素也由4个像素单元构成(例如图6b所示的1a、1b、1c和1d)。像素化菲涅尔透镜的像素单元与空间光调制器的亚像素具有对应关系。当平行光束入射至空间光调制器的一个体像素时，空间光调制器的4个视角混合图像信息被加载进去。随后，像素化菲涅尔透镜的4个像素单元将各自对应的视角的图像成像在以数字1、2、3和4标识的4个不同的观察区域或位置，使得在不同的观察区域将观察到不同的图像，以此实现裸眼3D显示的效果。

图8为按照本发明一个实施例的多个像素化菲涅尔透镜的体像素控制视角的示意图。不失一般性的，图8所示实施例仍然以4个视角的显示装置为例进行说明。参见图8，对于每个像素化菲涅尔透镜的体像素，其由4个像素单元组成，每个像素单元将所对应视角的图像成像至相应的观察位置。例如，在图8中，最左边的像素化菲涅尔透镜的体像素包含像素单元1a、2a、3a和4a，其将所对应的空间光调制器的体像素的4个不同视角的图像分别成像至相应的观察位置 1-4，次左边的像素化菲涅尔透镜的体像素包含像素单元1b、2b、3b 和4b，其同样将所对应的空间光调制器的体像素的4个不同视角的图像分别成像至相应的观察位置1-4。另一方面，对于各个像素化菲涅尔透镜的体像素的相同位置上的像素单元，它们对应于相同的观察区域。由此，观察者可在不同观察区域观察到不同的图像，从而实现裸眼3D显示的效果。

在本实施例中，准直光束B2通过像素化菲涅尔透镜后将每一幅视角图像在视区空间上产生多个会聚光场，各会聚光场互相不重叠，即使传播一段距离后，各视角图像也互不串扰。

在上面描述的实施例中，优选地，可以在背光板110内或者在空间光调制器120与菲涅耳透镜组130之间设置遮光板以滤除不希望的杂散光。例如在图2所示的背光板中，可以考虑在导光板与光学膜之间或导光板内设置遮光板。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。

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，并且在用于实现裸眼三维显示的装置中设置彩色滤光片。彩色滤光片可与菲涅尔透镜组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，空间光调制器与菲涅尔透镜组之间，或者菲涅尔透镜组之后。优选地，彩色滤光片被设置在空间光调制器与菲涅尔透镜组之间。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，最后由菲涅耳透镜组实现位相调制，从而在菲涅尔透镜组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，本发明的用于实现裸眼三维显示的装置具有诸多优点。例如，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。又如，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，本发明的用于实现裸眼三维显示的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正透镜组，其配置为将所述第二准直光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的观察位置。

2.如权利要求1所述的装置，所述正透镜组为菲涅尔透镜组。

3.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。

4.如权利要求3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。

5.如权利要求3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。

6.如权利要求3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。

7.如权利要求6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。

8.如权利要求3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。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述光源为LED线阵列光源。

10.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。

11.如权利要求1所述的装置，其中，所述空间光调制器包含多个体像素，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，所述菲涅尔透镜组包含多个菲涅尔透镜，每个菲涅尔透镜配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至同一个观察位置。

12.如权利要求11所述的装置，其中，每个菲涅尔透镜被划分为多个区域，每个区域配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至同一个观察位置。

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菲涅尔透镜组之间的遮光板。

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菲涅尔透镜组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菲涅尔透镜组之间。