CN114265238B - 一种基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统，属于自由立体显示领域。该三维显示系统包括准直背光源、液晶显示屏、光场指向屏。准直背光源由光源阵列、整形透镜阵列、平面导光板以及分别位于平面导光板上表面和下表面的衍射元件阵列构成；其中衍射元件阵列由多个衍射元件单元阵列而成，上下两组衍射元件阵列实现光束的准直与匀化。由该准直背光源产生的准直光束先经液晶显示屏调制后，再经光场指向屏偏折后汇聚到空间各预定位置处，实现裸眼三维显示视点重构。通过调控每个视点处的显示图像，实现裸眼三维显示。

Description

一种基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统

技术领域

本发明涉及自由立体显示领域，尤其涉及一种基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统。

背景技术

显示装置是将其他形式的信息转化为图像，进而让生物产生视觉感知的重要媒介。由于三维显示能够为使用者带来更加真实的感知体验，近年来受到了愈发广泛的关注和研究，发展迅速。

目前人们所使用的显示设备很大一部分是以液晶显示屏为代表的被动显示装置，这种显示装置对光线具有调控作用，但本身并不具备发光特性，因此需要与平面光源协同使用。这种在被动显示装置背后提供照明的光源称为背光源。高准直的光源能够提供更高的轴上亮度，提升观看体验，而且还可以防止光线逸散到非观察区域，提升能量利用效率。而三维显示设备对背光源的准直性提出了非常高的要求，大部分三维显示设备都是基于准直平面光源的照明以将特定的图像准确传输到不同的视点，高准直度的背光源有助于精准成像，减少串扰，提升观看质量。

目前的背光源主要采用网点结构，微棱镜结构，沟槽微结构，衍射结构等设计，采用网点结构的背光源可以通过网点的排布设计增加发光均匀度，优化视觉感受，但是很难调控出射光的准直度；采用微棱镜结构的背光源和采用沟槽微结构类似，都是通过折反射打破导光板中的全反射，引导光束出射，这种结构能在某个方向上对一定角度的全反射光进行调控，但对入射光有较高的角度选择性，准直效果也受到了限制，出射光束发散角基本在±15°以上；而采用衍射结构的背光源则需要同时针对角度选择性和波长选择性做出较好设计，以至于很多设计需要使用单色激光源，实际使用受到了很大制约。鉴于这些因素的制约与显示设备节能和定向的设计需求，设计一种高准直度，高均匀度的平面白光背光源，并与液晶显示屏和光场指向屏结合使用，实现高水平的三维显示十分有意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统，其可以提供均匀的高准直度白光照明，并实现定向三维显示。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明首先提供了一种基于衍射元件的准直背光源，其包括光源阵列、整形透镜阵列、平面导光板、若干下表面衍射元件阵列和若干上表面衍射元件阵列，所述下表面衍射元件阵列和上表面衍射元件阵列均由多个衍射元件单元阵列排布而成；下表面衍射元件阵列紧贴导光板，两者之间通过折射率匹配胶连接；上表面衍射元件阵列与导光板上表面平行，两者之间设有间隙层。

作为本发明的优选方案，所述光源阵列由若干光源沿着一个方向排布而成；整形透镜阵由整形透镜沿着一个方向排布而成，整形透镜与光源一一对应，光源发出的光经整形透镜进行整形，使得光束绝大部分的能量均匀地分布在较小的发散角内，并能够在平面导光板内进行全反射，其光束发散角α₁满足如下条件：

式中，n₁,n₂,n₃分别是系统所在空间、导光板、间隙层的折射率。

作为本发明的优选方案，每个衍射元件单元具有不同的结构参数，其结构参数由入射光线特性决定；下表面衍射元件阵列按一定的间距排列，上表面衍射元件阵列紧密相连排列；由光学扩展量守恒确定，下表面衍射元件阵列的出射光为锥状，均匀的照射在整个上表面衍射元件阵列上，上表面衍射元件单元的尺寸大于下表面衍射元件单元的尺寸。

作为本发明的优选方案，下表面衍射元件阵列和上表面衍射元件阵列具有一一对应关系，构成两者的衍射元件单元也具有一一对应关系.即每个下表面衍射元件阵列都有一个对应的上表面衍射元件阵列，下表面衍射元件阵列的衍射光会照射到对应的上表面衍射元件阵列上，对应衍射元件单元的位置和结构参数都是匹配设计的，以使衍射光束能以设计的角度照射到指定区域后，从导光板上表面准直出射。

作为本发明的优选方案，所述间隙层可以为空气间隙，所述的光源可以为激光二极管或发光二极管；所述整形透镜面型可以为自由曲面或非球面。

作为本发明的优选方案，以衍射元件单元所在平面为xoy平面建立笛卡尔坐标系，入射光线矢量与z轴负方向的夹角为θ₁，衍射光线光矢量与z轴正方向的夹角为θ₂，衍射光线在xoy平面上的投影矢量与x轴正方向的夹角为φ₁，光栅矢量与x轴正方向的夹角为φ₂，对于光栅的k级衍射，根据矢量和几何关系，可得：

式中，λ为光线波长，d为光栅周期。

由上述方程可知，对于特定波长，入射角和方位角的的入射光，当确定了所需衍射光的衍射级次、衍射角和方位角之后，就可以设计出相应的光栅，实现入射光的定向传输。

本发明还进一步公开了一种基于衍射元件的裸眼三维显示系统，所述的系统包括液晶显示屏、光场指向屏、以及上述的准直背光源；

所述准直背光源用于产生大面积的准直均匀白光照明，液晶显示屏位于上表面衍射元件阵列之上，液晶显示屏用于调制准直背光源产生的照明准直光束，形成彩色图像；光场指向屏位于液晶显示屏之上，光场指向屏用于偏折液晶显示屏调制后的光束，汇聚到空间各预定位置处，实现裸眼三维显示视点重构。

所述光场指向屏由微纳结构阵列而成，微纳结构包括但不限于表面浮雕光栅或体全息光栅。所述的衍射元件单元包括但不限于表面浮雕光栅或体全息光栅。

本发明还进一步公开了上述系统的裸眼三维显示方法，光源阵列产生的光经过整形透镜阵列后，入射到平面导光板内，在平面导光板内进行全发射，直到入射到下表面衍射元件阵列上发生衍射打破全反射条件，从平面导光板出射后依次经过间隙层、上表面衍射元件阵列，产生大面积均匀准直出射的背光源，再经液晶显示屏和光场指向屏对强度和角度调制后实现裸眼三维显示。

与现有技术相比，本发明可以提供一种基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统，基于自由曲面的整形和光学扩展量原理，可以有效减少光束发散角，增加出射光准直性；通过在导光板中全反射条件的控制，可以实现大面积的照明；通过上下两组衍射元件阵列的对应设计，可以对较大波长带宽的照明光进行调控，实现白光照明；通过对衍射元件的结构参数设计，可以有效提升照明的均匀度，实现高质量的平面照明。综上所述，本发明基于所设计的高准直度的均匀白光背光源，与液晶显示屏和光场指向屏结合使用，可以实现具有高水平用户体验和实用价值的三维显示。

附图说明

图1为基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统设计原理图；

图2为本发明实施例中的部分下表面衍射元件阵列结构图；

图3为本发明实施例中的部分上表面衍射元件阵列结构图；

图4为本发明实施例中的单个光源部分光路结构示意图；

图5为本发明实施例中的多个光源部分光路结构示意图；

图6为本发明实施例中的多波长光源部分光路结构示意图；

图7为本发明实施例中衍射光栅的光线调控示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图进一步说明本发明。

图1为基于衍射元件的准直背光源及裸眼三维显示系统设计原理图。如图1所示，所述准直背光源107包括光源阵列101、整形透镜阵列102、导光板103、若干下表面衍射元件阵列104、间隙层105、若干上表面衍射元件阵列106；每个下表面衍射元件阵列104和上表面衍射元件阵列106均由衍射元件单元107阵列排布而成。下表面衍射元件阵列紧贴导光板，两者之间通过折射率匹配胶连接；上表面衍射元件阵列与导光板上表面平行。如图1所示，所述裸眼三维显示系统包括准直背光源107、液晶显示屏108和光场指向屏109。

整形透镜阵列与光源阵列对应，光源发出的光线入射到对应的整形透镜上，出射光束发散角被压缩，进一步的被耦合进导光板，光线在导光板中发生全反射，在导光板内部传输。

进一步的，传输光线会入射到导光板内，直到入射到某个下表面衍射元件阵列中的某个衍射元件单元上发生衍射，传输光线的角度经过调控，打破了在导光板中的全反射条件，穿过间隙层，在上表面衍射元件阵列中对应的衍射元件单元上发生衍射，传输光线的角度再次经过调控，从导光板上表面准直出射，形成均匀的矩形照明区域。

本发明中，下表面衍射元件阵列的尺寸小于上表面衍射元件阵列的尺寸，根据光学扩展量定律：

Etendue＝n²∫∫cos(θ)dAdΩ

式中，Etendue为光学扩展量，n为所在空间的折射率，dA为光学面上的面元，dΩ为光束的立体角，θ为面元的法线和光束的中心轴之间的夹角。

对于不考虑散射、吸收造成的能量损失的理想的光学系统中，光束经光学系统后光学扩展量守恒。因此，上表面衍射元件阵列上的光束发散角应当小于下表面衍射元件阵列上的光束发散角。

进一步的，按照本发明的设计，下表面衍射元件阵列上的光束被调控以传输到上表面衍射元件阵列的对应位置，下表面衍射元件阵列的出射光应为锥状，均匀的照射在整个上表面衍射元件阵列上。

进一步的，液晶显示屏位于上表面衍射元件阵列之上，将背光源提供的照明调制为彩色图像；光场指向屏位于液晶显示屏之上，将液晶显示屏中各个像素的出射光定向偏转，将图像汇聚到空间各预定位置处，实现裸眼三维显示视点重构。

图2为本发明实施例中的部分下表面衍射元件阵列结构图。如图2所示，下表面衍射元件阵列104之间以一定间距排布。图3为本发明实施例中的部分上表面衍射元件阵列结构图。如3所示，上表面衍射元件阵列106紧密相连排布。下表面衍射元件阵列和上表面衍射元件阵列内的衍射元件单元均紧密相连排布。

上表面衍射元件阵列和下表面衍射元件阵列分别由多个衍射元件单元107阵列构成，同一衍射元件阵列中的不同衍射元件单元具有不同的结构参数，以使不同的衍射元件单元具有不同的调控特性，而且不同位置处的衍射元件阵列根据入射光线特性的不同，具有不同的结构参数。因此，下表面衍射元件阵列的出射光可以完整照射上表面衍射元件阵列，然后从导光板上表面准直出射。

进一步的，下表面衍射元件阵列和上表面衍射元件阵列具有一一对应关系，构成两者的衍射元件单元也具有一一对应关系.即每个下表面衍射元件阵列都有一个对应的上表面衍射元件阵列，下表面衍射元件阵列的衍射光会照射到对应的上表面衍射元件阵列上。对应衍射元件单元的位置和结构参数都是匹配设计的，以使衍射光束能以设计的角度照射到指定区域后，从导光板上表面准直出射。

图4为本发明实施例中的单个光源部分光路结构示意图。如图4所示，光源101出射光经过整形透镜102后光束发散角减少，被耦合进入导光板103，其出射光束被耦合进入导光板，能够在导光板内进行全内反射传输。

因此光线与导光板上表面法线的夹角α₃应当满足：

式中，n₂为导光板的折射率,n₃为间隙层的折射率。

进一步的，由斯涅尔定律和几何关系可知：

n₁·sin(α₁)＝n₂·sin(α₂)

α₂+α₃＝90°

式中，n₁为系统所在空间的折射率。

因此，经整形透镜作用后的光束发散角α₁应满足：

进一步的，光线在导光板中向前传输，直到入射到某个下表面衍射元件阵列上发生衍射打破全反射条件。如前文所述，下表面衍射元件阵列104与上表面衍射元件阵列106具有对应关系，构成两者的衍射元件单元401与411、402与412、403与413，也具有对应关系，在整形透镜出射的光束中，部分光线入射到下表面衍射元件阵列106上，如图4中光线421和422所示，光线421和422分别入射到衍射元件单元401和403上，衍射元件单元401和403具有不同的结构参数，因此光线421和422发生不同特性的偏折，其衍射光线4211和4221打破了全反射条件，穿过间隙层105，分别入射到上表面衍射元件阵列106中的衍射元件单元411和413上，由于两组衍射元件单元401和411、403和433的对应设计，光线4211和4221均可以从导光板上表面准直出射。而未发生衍射或0级衍射光线4210和4220则会继续向前传输。

大部分光线不会入射到下表面衍射元件阵列104上，而是会在导光板的表面上发生全发射向前传输。如图4中光线423所示，与光线4210和4220一样，这些光线会继续发生全发射直到入射到某个下表面衍射元件阵列上。通过对不同衍射元件阵列的设计优化，整个导光板上表面都会具有相似的出射光特性。

图5为本发明实施例中的多个光源部分光路结构示意图。如前文所述，下表面衍射元件阵列104与上表面衍射元件阵列106具有对应关系，构成两者的衍射元件单元501与511、502与512、503与513，也具有对应关系。1021和1022分别为不同的两个光源后的整形透镜，如前文所述，整形透镜1021发出的光束中部分光线会入射到下表面衍射元件阵列104上，如图5中光线521和522所示，光线521和522分别入射到衍射元件单元501和503上，衍射元件单元501和503具有不同的结构参数，因此光线521和522发生不同特性的偏折，其衍射光线打破了全反射条件，穿过间隙层105，分别入射到上表面衍射元件阵列106中的衍射元件单元511和513上，由于两组衍射元件单元的对应设计，光线521和522将会从导光板上表面准直出射。

进一步的，并非只有整形透镜1021出射的光线会入射到下表面衍射元件阵列104上，如图5所示，整形透镜1022出射的光线也会入射到下表面衍射元件阵列104上，光线523和524会以不同的角度分别入射到衍射元件单元501和503上，因此会以不同于光线521和522的角度发生衍射，进而传输到上表面衍射元件阵列106的不同位置处，由于104和106具有对应的设计和匹配的角度带宽，光线521和522均会从导光板103上表面准直出射。因此，本发明可以在照射区域430上产生均匀的矩形照明光斑。

图6为本发明实施例中的多波长光源部分光路结构示意图。如前文所述，下表面衍射元件阵列104与上表面衍射元件阵列106具有对应关系，构成两者的衍射元件单元601与611、602与612、603与613，也具有对应关系。如图6所示，光线621是整形透镜102耦合进入导光板的光束中的光线，其入射到下表面衍射元件阵列104中的衍射元件单元601上，由于衍射作用，光线621中不同波长的成分6211和6212产生了不同角度的偏转，由于衍射元件单元611和601具有对应的结构参数，衍射元件单元611对光线6211和6212的偏转特性也对应的不同，因此6211和6212经611衍射后将会从导光板上表面准直出射。因为不同波长的光均能在导光板上表面的各个区域准直出射，本发明设计的背光源可以实现高质量的白光照明。

图7为本发明实施例中衍射光栅的光线调控示意图。如图7所示，以衍射元件单元所在平面为xoy平面建立笛卡尔坐标系，矢量701为入射光线矢量，其与z轴负方向的夹角为θ₁，其在xoy平面上的投影矢量702沿着x轴正方向，矢量703为折射光线在x轴上的投影矢量，在本发明实施例中，矢量702和703具有相同的大小和方向，光栅两侧都处于同一介质中，入射光线、折射光线、衍射光线具有相同的波长。矢量704为衍射光线光矢量，其与z轴正方向的夹角为θ₂，矢量705为衍射光线在xoy平面上的投影矢量，其与x轴正方向的夹角为φ₁，对于光栅的k级衍射，矢量706为光栅矢量的k倍，其与x轴正方向的夹角为φ₂，根据矢量和几何关系，我们可知：

式中，λ为光线波长，d为光栅周期。

同样的，反射式衍射光栅也具有相似的设计方法，如图7所示，矢量707为入射光光矢量，入射光和衍射光位于光栅的同一侧，其衍射特性同理可得。

由上述方程可知，对于特定波长，入射角和方位角的的入射光，当确定了所需衍射光的衍射级次、衍射角和方位角之后，就可以设计出相应的光栅，实现入射光的定向传输。

综上所述，光场指向屏可以将各个像素的出射光导向指定的视点，配合本发明所包括的准直背光源和液晶显示屏，可以实现高质量，高实用性的三维显示系统。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于衍射元件的准直背光源，其特征在于，包括光源阵列（101）、整形透镜阵列（102）、平面导光板（103）、若干下表面衍射元件阵列（104）和若干上表面衍射元件阵列（106），所述下表面衍射元件阵列（104）和上表面衍射元件阵列（106）均由多个衍射元件单元（107）阵列排布而成；下表面衍射元件阵列紧贴导光板，两者之间通过折射率匹配胶连接；上表面衍射元件阵列与导光板上表面平行，两者之间设有间隙层（105）；

所述光源阵列（101）由若干光源沿着一个方向排布而成；整形透镜阵由整形透镜沿着一个方向排布而成，整形透镜与光源一一对应，光源发出的光经整形透镜进行整形，使得光束绝大部分的能量均匀地分布在较小的发散角内，并能够在平面导光板内进行全反射，其光束发散角α ₁满足如下条件：

其中，n₁,n₂,n₃分别是系统所在空间、导光板、间隙层的折射率；

以衍射元件单元所在平面为xoy平面建立笛卡尔坐标系，入射光线矢量与z轴负方向的夹角为

，衍射光线光矢量与z轴正方向的夹角为

，衍射光线在xoy平面上的投影矢量与x轴正方向的夹角为

，光栅矢量与x轴正方向的夹角为

，对于光栅的k级衍射，根据矢量和几何关系，可得：

式中，

为光线波长，d为光栅周期，

由上述方程可知，对于特定波长，入射角和方位角的的入射光，当确定了所需衍射光的衍射级次、衍射角和方位角之后，就可以设计出相应的光栅，实现入射光的定向传输。

2.根据权利要求1所述的基于衍射元件的准直背光源，其特征在于，每个衍射元件单元具有不同的结构参数，其结构参数由入射光线特性决定；下表面衍射元件阵列按一定的间距排列，上表面衍射元件阵列紧密相连排列；由光学扩展量守恒确定，下表面衍射元件阵列的出射光为锥状，均匀的照射在整个上表面衍射元件阵列上，上表面衍射元件单元的尺寸大于下表面衍射元件单元的尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于衍射元件的准直背光源，其特征在于，其特征在于，下表面衍射元件阵列和上表面衍射元件阵列具有一一对应关系，构成两者的衍射元件单元也具有一一对应关系.即每个下表面衍射元件阵列都有一个对应的上表面衍射元件阵列，下表面衍射元件阵列的衍射光会照射到对应的上表面衍射元件阵列上，对应衍射元件单元的位置和结构参数都是匹配设计的，以使衍射光束能以设计的角度照射到指定区域后，从导光板上表面准直出射。

4.如权利要求1所述的基于衍射元件的准直背光源，其特征在于，所述间隙层可以为空气间隙，所述的光源可以为激光二极管或发光二极管；所述整形透镜面型可以为自由曲面或非球面。

5.一种基于衍射元件的裸眼三维显示系统，其特征在于所述的系统包括液晶显示屏（109）、光场指向屏（110）、以及权利要求1-4任一项所述的准直背光源（108）；

所述准直背光源用于产生大面积的准直均匀白光照明，液晶显示屏位于上表面衍射元件阵列之上，液晶显示屏用于调制准直背光源产生的照明准直光束，形成彩色图像；光场指向屏位于液晶显示屏之上，光场指向屏用于偏折液晶显示屏调制后的光束，汇聚到空间各预定位置处，实现裸眼三维显示视点重构。

6.如权利要求5所述的基于衍射元件的裸眼三维显示系统，其特征在于，所述光场指向屏由微纳结构阵列而成，微纳结构为表面浮雕光栅或体全息光栅。

7.如权利要求5所述的基于衍射元件的裸眼三维显示系统，其特征在于，所述的衍射元件单元为表面浮雕光栅或体全息光栅。

8.一种权利要求5所述系统的裸眼三维显示方法，其特征在于，光源阵列产生的光经过整形透镜阵列后，入射到平面导光板内，在平面导光板内进行全发射，直到入射到下表面衍射元件阵列上发生衍射打破全反射条件，从平面导光板出射后依次经过间隙层、上表面衍射元件阵列，产生大面积均匀准直出射的背光源，再经液晶显示屏和光场指向屏对强度和角度调制后实现裸眼三维显示。

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