CN113281940B - 一种基于超表面的高分辨率显示装置 - Google Patents

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Abstract

为解决传统显示器分辨率不高的问题，本发明提出了一种基于超表面的高分辨率显示装置。装置由相干光源及从后至前依次放置的超表面导光板、透明液晶显示面板及散射层组成。透明液晶显示面板不改变光线传播方向。相干光源的颜色、数目与透明液晶显示面板上子像素的颜色、数目一致。超表面导光板表面制备有与透明液晶显示面板上的子像素一一对应的周期性衍射结构。该结构具有多个不同衍射角的衍射区域。这些衍射区域可以将子像素投射至散射上某一位置。部分投射位置只包含一个子像素信息，部分包含多个子像素信息。包含多个子像素信息的投射位置可以实现原图像的插值。散射层可向前散射光线，使得观看者看到该经过插值的高分辨率图像。

Description

一种基于超表面的高分辨率显示装置
技术领域
本发明属于液晶显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于超表面的高分辨率显示装置。
背景技术
传统液晶显示装置由萤光灯管或发光二极管背光源及液晶显示面板组合而成，其能够显示的图像分辨率等于显示面板的像素数目。本发明提出了一种基于超表面的高分辨率显示装置，该显示装置由超表面构成的背光源、透明液晶显示面板及散射层构成，由超表面构成的背光源能够将透明液晶显示面板上的任一子像素的不同区域按不同空间方向投射至散射层，相邻的具有相同颜色的子像素的部分区域可投射至散射层上同一位置，从而实现图像的插值。通过上述插值过程，本发明最终显示的像素数目将高于透明液晶显示面板的像素数目，从而提高图像显示的分辨率。
发明内容
为解决传统显示器分辨率不高的问题，本发明提出了一种基于超表面的高分辨率显示装置。该基于超表面的高分辨率显示装置由相干光源、超表面导光板、透明液晶显示面板及散射层组成。超表面导光板、透明液晶显示面板及散射层从后至前依次放置，相干光源放置于超表面导光板一侧，其提供显示用的光能。
透明液晶显示面板不改变光线传播方向，其上的像素至少包含红、绿、蓝三种颜色的子像素。
相干光源的颜色种类数目与透明液晶显示面板上子像素颜色的种类数目一致，且相干光源的颜色与透明液晶显示面板上子像素的颜色一致。进一步的，透明液晶显示面板上子像素的滤光片不允许其他颜色相干光源的光线通过。
超表面导光板表面制备有周期性衍射结构，该周期性衍射结构以二维阵列进行排列。一个周期性衍射结构与透明液晶显示面板上的一个子像素对应。一个周期性衍射结构具有多个衍射区域。每一衍射区域具有不同的衍射光栅结构，其对相干光源发射的光线具有不同的衍射角，衍射光栅结构与衍射角的关系遵从光栅方程。任意一个周期性衍射结构中，至少存在一个衍射区域可以将与之对应的子像素投射到散射层上不与其他子像素重叠的位置。子像素阵列的行和列方向上，相邻的同颜色子像素对应的两个周期性衍射结构中，至少分别存在一个衍射区域可将与之对应的子像素投射到散射层上同一位置。
散射层可向前散射光线，将光线散射到空间中各个方向。
本发明实现高分辨率显示的原理如下：因任意一个周期性衍射结构中，至少存在一个衍射区域可以将与之对应的子像素投射到散射层上不与其他子像素重叠的位置，形成第一类新建子像素，散射层向前散射光线，使第一类新建子像素显示透明液晶显示面板上原有子像素的原始像素值。又因子像素阵列的行和列方向上，相邻的同颜色子像素对应的两个周期性衍射结构中，至少分别存在一个衍射区域可将与之对应的子像素投射到散射层上同一位置，形成第二类新建子像素，散射层向前散射光线，使该第二类新建子像素显示透明液晶显示面板上两个或多个同颜色相邻子像素的平均值，即实现图像插值和子像素数目的提高。
综上所述，散射层上的第一类子像素可显示透明液晶显示面板上原有子像素的原始像素值，同时第二类子像素可显示透明液晶显示面板上同颜色相邻子像素的平均值并实现子像素数目的提高，从而使得本发明能显示的子像素数目超过透明液晶显示面板上的子像素数目，并最终提高分辨率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中一个周期性衍射结构的示意图。
图3为本发明中周期性衍射结构水平方向的光线投射示意图。
图4为本发明中周期性衍射结构垂直方向的光线投射示意图。
图5为本发明中同颜色子像素对应的周期性衍射结构示意图。
图标：100-超表面导光板； 201-红色相干光源； 202-绿色相干光源； 203-蓝色相干光源； 300-透明液晶显示面板； 400-散射层； 110-周期性衍射结构； 111-第一衍射区域； 112-第二衍射区域； 113-第三衍射区域； 114-第四衍射区域； 115-第五衍射区域；116-第六衍射区域； 117-第七衍射区域； 118-第八衍射区域； 119-第九衍射区域； 301-第一红色子像素； 302-第二红色子像素； 303-第三红色子像素； 411-第一红色子像素的第一类新建像素； 412-第二红色子像素的第一类新建像素； 413-第三红色子像素的第一类新建像素；421-第一及第二红色子像素的第二类新建像素； 422-第一及第三红色子像素的第二类新建像素。
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
图1为本实施例提供的基于超表面的高分辨率显示装置的结构原理示意图。图中，x表示空间中的水平方向，y表示空间中的垂直方向，z表示与x-y平面垂直的方向。
该基于超表面的高分辨率显示装置由相干光源、超表面导光板100、透明液晶显示面板300及散射层400组成。超表面导光板100、透明液晶显示面板300及散射层400从后至前依次放置，相干光源放置于超表面导光板100一侧，其提供显示用的光能。
透明液晶显示面板300不改变光线传播方向，其上的像素由红、绿、蓝三种颜色的子像素构成。红、绿、蓝三种颜色的子像素在x方向上排列。
相干光源的颜色种类数目与透明液晶显示面板300上子像素颜色的种类数目一致，且相干光源的颜色与透明液晶显示面板300上子像素的颜色一致。具体的，与子像素颜色对应，相干光源包含红色相干光源201、绿色相干光源202及蓝色相干光源203。红色相干光源201、绿色相干光源202及蓝色相干光源203的光波前为一平面，红色相干光源201的光线沿x正方向进入超表面导光板100，绿色相干光源202的光线沿x负方向进入超表面导光板100，蓝色相干光源203的光线沿y负方向进入超表面导光板100。进一步的，透明液晶显示面板300上子像素的滤光片不允许其他颜色相干光源的光线通过。具体的，红色相干光源201发射光线波长625 nm，绿色相干光源202发射光线波长525 nm，蓝色相干光源203发射光线波长470 nm。透明液晶显示面板300上，红色子像素的滤光片不允许绿色相干光源202及蓝色相干光源203发射的光线通过；绿色子像素的滤光片不允许红色相干光源201及蓝色相干光源203发射的光线通过；蓝色子像素的滤光片不允许红色相干光源201及绿色相干光源202发射的光线通过。
请参考图2，超表面导光板100表面制备有周期性衍射结构110，该周期性衍射结构110以二维阵列进行排列。一个周期性衍射结构110与透明液晶显示面板300上的一个子像素对应。一个周期性衍射结构110具有9个衍射区域，分别为第一衍射区域111、第二衍射区域112、第三衍射区域113、第四衍射区域114、第五衍射区域115、第六衍射区域116、第七衍射区域117、第八衍射区域118及第九衍射区域119。每一衍射区域上通过光刻方式，制备有不同的衍射光栅结构，其对相干光源发射的光线具有不同的衍射角，衍射光栅结构与衍射角的关系遵从光栅方程。进一步的，衍射角取决于衍射光栅排列方向及超表面导光板100对三种颜色在x-y平面内对应传播方向上的折射率。具体的，因红色相干光源201、绿色相干光源202及蓝色相干光源203具有不同的波长且其光线进入超表面导光板100的方向不同，与不同颜色子像素对应的周期性衍射结构110中的衍射光栅具有不同的结构参数。
任意一个周期性衍射结构110中，至少存在一个衍射区域可以将与之对应的子像素投射到散射层400上不与其他子像素重叠的位置。以红色子像素为例，请参考图3及图4，具体的，每一周期性衍射结构110中，第五衍射区域115可沿z方向投射光线，从而使得其可以将与之对应的红色子像素投射到散射层400上不与其他子像素重叠的位置。
子像素阵列的行和列方向上，相邻的同颜色子像素对应的两个周期性衍射结构110中，至少分别存在一个衍射区域可将与之对应的子像素投射到散射层400上同一位置。同样以红色子像素为例，请参考图3，具体的，因红、绿、蓝三种颜色的子像素在x方向上排列，红色子像素在x方向上存在间隔，与左右相邻的与红色子像素对应的两个周期性衍射结构110中，位于x负方向位置的周期性衍射结构110中的第六衍射区域116及x正方向位置的周期性衍射结构110中的第四衍射区域114可分别将与之对应的第一红色子像素301及第二红色子像素302投射至散射层400上同一位置；请参考图4，与上下相邻的红色子像素对应的两个周期性衍射结构110中，y负方向的周期性衍射结构110中的第二衍射区域112与y正方向的周期性衍射结构110中的第八衍射区域118可分别将第一红色子像素301及第三红色子像素303投射至散射层400上同一位置；同理，请参考图5，与四个相邻的红色子像素对应的四个周期性衍射结构110中，左上角周期性衍射结构110的第九衍射区域119、右上角周期性衍射结构110的第七衍射区域117、左下角周期性衍射结构110的第三衍射区域113及右下角周期性衍射结构110的第一衍射区域111可将与之对应的红色子像素投射至散射层400同一位置。同理，绿色子像素、蓝色子像素的投射具有相同性质。
散射层400可向前散射光线，将光线散射到空间中各个方向，观看者在任意位置都能看到散射层400散射的光线。
本实施例实现高分辨率显示的原理如下：
第一，任意一个周期性衍射结构110中，存在衍射区域115可以将与之对应的子像素投射到散射层400上不与其他子像素重叠的位置，其形成第一类新建子像素。请参考图3和图4，第一红色子像素的第一类新建像素411、第二红色子像素的第一类新建像素412、第三红色子像素的第一类新建像素413均为由衍射区域115沿z方向投射形成的第一类新建像素。这些第一类新建子像素不与其他像素进行重叠，故可显示透明液晶显示面板300上子像素的原始像素值，散射层400向前散射光线，使观看者看到这些像素。
第二，在子像素阵列的行和列方向上，相邻的同颜色子像素对应的两个周期性衍射结构110中，至少分别存在一个衍射区域可将与之对应的子像素投射到散射层400上同一位置，形成第二类新建子像素。请参考图3和图4，第一及第二红色子像素的第二类新建像素421、第一及第三红色子像素的第二类新建像素422即是分别由左右相邻周期性衍射结构110中的第六衍射区域116及第四衍射区域114及上下相邻的周期衍射结构110中的第二衍射区域112及第八衍射区域118投射到同一位置实现。同时，请参考图5，与四个相邻的红色子像素对应的四个周期性衍射结构110中，左上角周期性衍射结构110的第九衍射区域119、右上角周期性衍射结构110的第七衍射区域117、左下角周期性衍射结构110的第三衍射区域113及右下角周期性衍射结构110的第一衍射区域111可将与之对应的红色子像素投射至散射层400同一位置，该位置形成的像素也为第二类新建像素。散射层400向前散射光线，使这些第二类新建子像素显示透明液晶显示面板300上两个或多个红色相邻子像素的平均值，即实现图像插值和子像素数目的提高。以本实施例为例，最终第二类新建像素的数目为第一类新建像素的3倍，即可以实现原透明液晶显示面板300上4倍的像素数目。
综上所述，散射层400上的第一类子像素可显示透明液晶显示面板300上原有子像素的原始像素值，同时第二类子像素可显示透明液晶显示面板300上同颜色相邻子像素的平均值并实现子像素数目的提高，从而使得本发明能显示的子像素数目超过透明液晶显示面板300上的原有子像素数目，并最终提高分辨率。

Claims (1)

1.一种基于超表面的高分辨率显示装置，其特征在于：该基于超表面的高分辨率显示装置由相干光源、超表面导光板、透明液晶显示面板及散射层组成；超表面导光板、透明液晶显示面板及散射层从后至前依次放置，相干光源放置于超表面导光板一侧，其提供显示用的光能；透明液晶显示面板不改变光线传播方向，其上的像素至少包含红、绿、蓝三种颜色的子像素；相干光源的颜色种类数目与透明液晶显示面板上子像素颜色的种类数目一致，且相干光源的颜色与透明液晶显示面板上子像素的颜色一致；透明液晶显示面板上子像素的滤光片不允许其他颜色相干光源的光线通过；超表面导光板表面制备有周期性衍射结构，该周期性衍射结构以二维阵列进行排列；一个周期性衍射结构与透明液晶显示面板上的一个子像素对应；一个周期性衍射结构具有多个衍射区域；每一衍射区域具有不同的衍射光栅结构，其对相干光源发射的光线具有不同的衍射角，衍射光栅结构与衍射角的关系遵从光栅方程；任意一个周期性衍射结构中，至少存在一个衍射区域将与之对应的子像素投射到散射层上不与其他子像素重叠的位置；子像素阵列的行和列方向上，相邻的同颜色子像素对应的两个周期性衍射结构中，至少分别存在一个衍射区域将与之对应的子像素投射到散射层上同一位置；散射层向前散射光线，将光线散射到空间中各个方向。
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