CN111103731A - 基于介质超透镜阵列的2d/3d可切换显示装置 - Google Patents

基于介质超透镜阵列的2d/3d可切换显示装置 Download PDF

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Abstract

一种基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置,在背光源光出射方向设置有透射式液晶面板，透射式液晶面板光出射方向上设置有四分之一波片，四分之一波片光出射方向上设置有液晶可变波片，液晶可变波片的光出射方向上设置有介质超透镜阵列，该装置对右旋圆偏振入射光的相位无调制作用，焦距无穷大，透射式液晶面板调制光的强度，实现2D显示，对左旋圆偏振入射光的相位具有调制作用，透射式液晶面板显示单元图像阵列，实现集成成像3D显示；通过偏振态调控改变介质超透镜阵列的焦距，以实现2D/3D显示模式切换，可推广应用到图像显示技术领域。

Description

基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置
技术领域
本发明属于图像显示装置或设备技术领域，具体涉及到一种基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置。
背景技术
目前，2D显示器的分辨率很高，已突破人眼的极限角分辨率。但2D显示器只能再现平面图像，缺乏物理深度信息。3D显示能够直接再现空中飘浮的三维画面，是下一代显示技术的必然发展趋势。集成成像3D显示技术采用透镜阵列将单元图像阵列调制成四维光场信息，具有全彩色、连续视差、不存在调焦-辐辏冲突效应等优点，可供多人同时观看。受制于显示器件的发展，现阶段集成成像3D显示的分辨率较低。现阶段的集成成像3D显示技术尚不能完全替代2D显示。
2D/3D可切换集成成像显示能够根据用户观看需求，实现2D显示模式与集成成像3D显示模式之间的切换。为实现2D/3D显示模式切换功能，需要调节透镜阵列的焦距。透镜阵列是集成成像3D显示系统的核心器件。折射型透镜阵列均依靠光程积分调控光传输方向，体积较大，无法调节焦距。液晶透镜阵列能够通过电控方式改变焦距，实现2D/3D显示模式切换功能，但液晶透镜阵列制作工艺复杂，且需要外加电压控制信号。超透镜阵列依靠纳米结构单元的相位突变效应实现对光传输的控制，具有重量轻，结构紧凑等优点。介质超透镜阵列在可见光波段具有较高透射率。但超透镜阵列的焦距与纳米结构单元的结构参数、空间排布相关。当纳米结构单元结构参数和空间排布不变时，介质超透镜阵列的焦距难以改变。因此，传统介质超透镜阵列无法用于2D/3D可切换集成成像显示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种结构简单、体积小、重量轻的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置。
解决上述技术问题采用的技术方案是：在背光源光出射方向设置有透射式液晶面板，透射式液晶面板光出射方向上设置有四分之一波片，四分之一波片光出射方向上设置有液晶可变波片，液晶可变波片的光出射方向上设置有介质超透镜阵列。
本发明的透射式液晶面板为：光出射方向上依次设置起偏器、液晶层、检偏器，起偏器与检偏器的偏振方向互相垂直。
本发明的四分之一波片快轴与透射式液晶面板的检偏器振动方向之间的夹角为45°。
本发明的介质超透镜阵列与透射式液晶面板之间的距离为0.8～1.0mm。
本发明的介质超透镜阵列为：在基底上由x轴方向上1000～2000个介质、y轴方向上1000～2000个介质阵列构成单元透镜，单元透镜是长度p为0.8mm的正方形结构，单元透镜的焦距fLCP＝0.8mm；x轴方向上设置2M+1个单元透镜、y轴方向上设置2N+1个单元透镜构成介质超透镜阵列，其中，M、N为5～100的正整数。
本发明的基底材料为Al2O3；介质材料为GaN。
本发明的介质超透镜阵列对右旋圆偏振入射光的相位无调制作用，相位调制量为
Figure BDA0002352306850000021
Figure BDA0002352306850000022
透射式液晶面板调制光的强度，实现2D显示；其中，x是介质在x轴上的位置坐标，y是介质在y轴上的位置坐标；
介质超透镜阵列对左旋圆偏振入射光的相位具有调制作用，相位调制量为
Figure BDA0002352306850000023
Figure BDA0002352306850000024
透射式液晶面板显示单元图像阵列，实现集成成像3D显示；其中，λ是入射光波长，fLCP是单元透镜的焦距，p是单元透镜的长度，M是(单元透镜在x方向的个数-1)/2，N是(单元透镜在y方向的个数-1)/2，δ为冲击函数。
本发明的介质为长方体结构，设定长方体介质对应的基底的周期为T，且满足T＜λ，高度为H、长度为L、宽度为W，L的取值范围为T/2≤L≤(T-30nm)，宽度W的取值范围为50nm≤W≤T/2，同时改变长方体结构的长度L和宽度W，通过电磁计算软件可以得到不同长方体结构对x偏振态入射光和y偏振态入射光的相位响应，长方体介质的高度H应满足
Figure BDA0002352306850000031
其中，
Figure BDA0002352306850000032
为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质对于x偏振态入射光的相位响应；
Figure BDA0002352306850000033
为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质(5-1)对于y偏振态入射光的相位响应；
在坐标轴上(x,y)位置处长方体介质的长度L和宽度W由下式确定
Figure BDA0002352306850000034
其中，i为虚数单位，Txp(L,W)为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质对于x偏振态入射光的透过率响应；Typ(L,W)过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质对于y偏振态入射光的透过率响应；
Figure BDA0002352306850000035
为针对入射光波长λ确定的传输相位调制量；
本发明的介质(5-1)在(x，y)位置处绕自身中心逆时针旋转角度θ
Figure BDA0002352306850000036
其中，
Figure BDA0002352306850000037
为针对入射光波长λ确定的几何相位调制量。
本发明的传输相位调制量
Figure BDA0002352306850000038
几何相位调制量
Figure BDA0002352306850000039
本发明相比于现有技术具有以下优点：
1、通过偏振态调控改变介质超透镜阵列的焦距，以实现2D/3D显示模式切换，结构简单。
2、介质超透镜阵列采用相位突变控制光束传播，相比传统折射型透镜阵列，结构紧凑，重量较轻。
3、本发明采用透射式液晶显示显示图像，与现有显示制造工艺兼容，节省成本。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1中介质超透镜阵列5的结构示意图。
图3是图2中介质5-1在基底5-2上的位置结构示意图。
图中：1、背光源；2、透射式液晶面板；3、四分之一波片；4、液晶可变波片；5、介质超透镜阵列；5-1、介质；5-2、基底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本发明涉及的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置,在背光源1光出射方向粘贴有透射式液晶面板2，背光源1出射的光为本发明的入射光，透射式液晶面板2光出射方向上粘贴有四分之一波片3，四分之一波片3的将线偏振光转换为右旋圆偏振光，四分之一波片3光出射方向上粘贴有液晶可变波片4，改变液晶可变波片4的外加电压，改变其工作状态，当液晶可变波片4工作在全波片状态时，不改变入射光偏振态；当液晶可变波片4工作在二分之一波片状态时，将右旋圆偏振光转换为左旋圆偏振光。液晶可变波片4的光出射方向上设置有介质超透镜阵列5，本实施例的透射式液晶面板2由光出射方向上依次设置的起偏器、液晶层、检偏器构成，起偏器与检偏器的偏振方向互相垂直，调制透射光强度，四分之一波片3快轴与透射式液晶面板2的检偏器振动方向之间的夹角为45°，将透射式液晶面板2出射的线偏振光转换为右旋圆偏振光。
在图2中，介质超透镜阵列5由介质5-1和基底5-2构成，在基底5-2上由x轴方向上的若干介质5-1、y轴方向上若干介质5-1阵列构成单元透镜，单元透镜是长度p为0.8mm的正方形结构，单元透镜的焦距fLCP＝0.8mm；x轴方向上设置2M+1个单元透镜、y轴方向上设置2N+1个单元透镜构成介质超透镜阵列5，其中，M、N为5～100的正整数，基底5-2材料采用Al2O3，介质5-1材料采用GaN；设定每个介质5-1对应的基底5-2为一个正方形结构，该结构周期为T，且满足T＜λ。
本实施例中设定入射波长为λ＝633nm，背光源所发出光为633nm单色光，介质超透镜阵列5与透射式液晶面板2之间的距离为0.88mm，透射式液晶面板2用于调制光强，显示平面图像，尺寸为8.8mm×8.8mm，像元数为1100×1100，单个像元尺寸为8μm，单元透镜阵列数为11×11，单元透镜之间的间距为p＝0.8mm，焦距为fLCP＝0.8mm，每个单元透镜覆盖100×100个像元。单元透镜由x轴上2000个介质5-1、y轴上2000个介质5-1构成。
介质超透镜阵列5对右旋圆偏振入射光的相位无调制作用，相位调制量为
Figure BDA0002352306850000051
Figure BDA0002352306850000052
透射式液晶面板2调制光的强度，实现2D显示；其中，x是介质5-1在x轴上的位置坐标，y是介质5-1在y轴上的位置坐标；
介质超透镜阵列5对左旋圆偏振入射光的相位具有调制作用，相位调制量为
Figure BDA0002352306850000053
Figure BDA0002352306850000054
透射式液晶面板2显示单元图像阵列，实现集成成像3D显示；
其中，λ是入射光波长，fLCP是单元透镜的焦距，p是单元透镜的长度，M＝5，N＝5，δ为冲击函数。
在图3中，介质5-1为长方体结构，设定长方体介质5-1的高度为H、长度为L、宽度为W，长度L的取值范围为200nm≤L≤370nm，宽度W的取值范围为50nm≤W≤200nm，介质5-1的周期为T＝400nm，长方体介质5-1的高度为H、长度为L，宽度为W以及旋转量θ由以下方法确定：
首先，确定介质5-1在坐标轴上(x，y)位置处的传输相位调制量
Figure BDA0002352306850000055
几何相位调制量
Figure BDA0002352306850000056
其次，同时改变长方体结构的长度L和宽度W，通过电磁计算软件可以得到不同长方体结构对x偏振态入射光和y偏振态入射光的相位响应，长方体介质5-1的高度H应满足
Figure BDA0002352306850000057
其中，
Figure BDA0002352306850000058
为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质5-1对于x偏振态入射光的相位响应；
Figure BDA0002352306850000059
为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质5-1对于y偏振态入射光的相位响应；本实施例中高度H确定为600nm。
再次，在坐标轴上(x,y)位置处长方体介质5-1的长度L和宽度W由下式确定
Figure BDA0002352306850000061
其中，i为虚数单位，Txp(L,W)为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质5-1对于x偏振态入射光的透过率响应；Typ(L,W)为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质5-1对于y偏振态入射光的透过率响应；
Figure BDA0002352306850000062
为针对入射光波长λ确定的传输相位调制量；
最后，根据几何相位调制原理，介质5-1在(x，y)位置处绕自身中心点逆时针旋转角度θ
Figure BDA0002352306850000063
经过以上方法构造出的超透镜阵列5对左旋圆偏振入射光和右旋圆偏振入射光具有不同的响应特性：对于右旋圆偏振入射光，介质超透镜阵列5没有相位调制作用，焦距无穷大，相当于透明平板，透射式液晶面板2调制光的强度，用于显示平面图像，该装置实现2D显示；对左旋圆偏振入射光，介质超透镜阵列5对光相位具有调制作用，焦距为0.8mm，透射式液晶面板显示单元图像阵列，该装置实现集成成像3D显示。
实施例2
上述实施例1中，本实施例中设定入射波长为λ＝633nm，背光源所发出光为633nm单色光，介质超透镜阵列5与透射式液晶面板2之间的距离为1.0mm，透射式液晶面板2尺寸为10mm×10mm，像元数为1500×1500，单个像元尺寸为8μm，单元透镜阵列数为15×15，单元透镜之间的间距为p＝0.8mm，焦距为fLCP＝8mm，每个单元透镜覆盖100×100个像元。介质5-1的周期为T＝400nm，单元透镜由x轴上1500个介质5-1、y轴上1500个介质5-1构成，介质5-1在坐标轴上(x，y)位置处的高度H、长度L、宽度W、旋转量由实施例1的方法确定。
其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
上述实施例1中，本实施例中设定入射波长为λ＝633nm，背光源所发出光为633nm单色光，介质超透镜阵列5与透射式液晶面板2之间的距离为0.8mm，透射式液晶面板2尺寸为8mm×8mm，像元数为2100×2100，单个像元尺寸为8μm，单元透镜阵列数为21×21，单元透镜之间的间距为p＝0.8mm，焦距为fLCP＝8mm，每个单元透镜覆盖100×100个像元。介质5-1的周期为T＝400nm，单元透镜由x轴上1000个介质5-1、y轴上1000个介质5-1构成，介质5-1在坐标轴上(x，y)位置处的高度H、长度L、宽度W、旋转量由实施例1的方法确定。
其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置,其特征在于：在背光源(1)光出射方向设置有透射式液晶面板(2)，透射式液晶面板(2)光出射方向上设置有四分之一波片(3)，四分之一波片(3)光出射方向上设置有液晶可变波片(4)，液晶可变波片(4)的光出射方向上设置有介质超透镜阵列(5)。
2.根据权利要求1所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于所述的透射式液晶面板(2)为：光出射方向上依次设置起偏器、液晶层、检偏器，起偏器与检偏器的偏振方向互相垂直。
3.根据权利要求2所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：所述的四分之一波片(3)快轴与透射式液晶面板(2)的检偏器振动方向之间的夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：所述的介质超透镜阵列(5)与透射式液晶面板(2)之间的距离为0.8～1.0mm。
5.根据权利要求1所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于所述的介质超透镜阵列(5)为：在基底(5-2)上由x轴方向上1000～2000个介质(5-1)、y轴方向上1000～2000个介质(5-1)阵列构成单元透镜，单元透镜是长度p为0.8mm的正方形结构，单元透镜的焦距fLCP＝0.8mm；x轴方向上设置2M+1个单元透镜、y轴方向上设置2N+1个单元透镜构成介质超透镜阵列(5)，其中，M、N为5～100的正整数。
6.根据权利要求5所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：所述的基底(5-2)材料为Al2O3；介质(5-1)材料为GaN。
7.根据权利要求6所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：所述的介质超透镜阵列(5)对右旋圆偏振入射光的相位无调制作用，相位调制量为
Figure FDA0002352306840000011
Figure FDA0002352306840000012
透射式液晶面板(2)调制光的强度，实现2D显示；其中，x是介质(5-1)在x轴上的位置坐标，y是介质(5-1)在y轴上的位置坐标；
介质超透镜阵列(5)对左旋圆偏振入射光的相位具有调制作用，相位调制量为
Figure FDA0002352306840000021
Figure FDA0002352306840000022
透射式液晶面板(2)显示单元图像阵列，实现集成成像3D显示；其中，λ是入射光波长，fLCP是单元透镜的焦距，p是单元透镜的长度，M是(单元透镜在x方向的个数-1)/2，N是(单元透镜在y方向的个数-1)/2，δ为冲击函数。
8.根据权利要求7所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：所述的介质(5-1)为长方体结构，设定长方体介质(5-1)对应的基底(5-2)的周期为T，且满足T＜λ，高度为H、长度为L、宽度为W，L的取值范围为T/2≤L≤(T-30nm)，宽度W的取值范围为50nm≤W≤T/2，同时改变长方体结构的长度L和宽度W，通过电磁计算软件可以得到不同长方体结构对x偏振态入射光和y偏振态入射光的相位响应，长方体介质的高度H应满足
Figure FDA0002352306840000023
其中，
Figure FDA0002352306840000024
为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质(5-1)对于x偏振态入射光的相位响应；
Figure FDA0002352306840000025
为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质(5-1)对于y偏振态入射光的相位响应；
在坐标轴上(x,y)位置处长方体介质5-1的长度L和宽度W由下式确定
Figure FDA0002352306840000026
其中，i为虚数单位，Txp(L,W)为通过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质(5-1)对于x偏振态入射光的透过率响应；Typ(L,W)过电磁仿真计算软件计算得出的长方体介质(5-1)对于y偏振态入射光的透过率响应；
Figure FDA0002352306840000027
为针对入射光波长λ确定的传输相位调制量。
9.根据权利要求7所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：所述的介质(5-1)在(x，y)位置处绕自身中心逆时针旋转角度θ
Figure FDA0002352306840000031
其中，
Figure FDA0002352306840000032
为针对入射光波长λ确定的几何相位调制量。
10.根据权利要求8所述的基于介质超透镜阵列的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：所述的传输相位调制量
Figure FDA0002352306840000033
几何相位调制量
Figure FDA0002352306840000034
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