CN114488561A - 一种携带振幅波矢光学复合膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种携带振幅波矢光学复合膜，涉及裸眼3D显示膜设计的技术领域，所述携带振幅波矢光学复合膜包括波矢调制膜层和振幅调制膜层，其中，波矢调制膜层用于调制入射光线的光波矢，实现光指向性，振幅调制膜层用于调制入射光线的光亮分布，实现光均匀性，且在波矢调制膜层中引入了齿形状的光学边界缓和层，提高了聚焦能力，实现任意光源辐射分布均能均匀定向背光的效果，提升了用户的观感体验。
Description
技术领域
本发明涉及裸眼3D显示膜设计的技术领域，更具体地，涉及一种携带振幅波矢光学复合膜。
背景技术
目前，越来越多可以为人们带来3D体验的设备出现在市面上，但均需要额外佩戴设备。裸眼3D显示技术是影像行业最新、前沿的高新技术，它的出现既改变了传统平面图像给人们带来的视觉疲惫，又能在不借助额外设备的情况下，给用户带来3D体验，广泛应用于教育、商业、医疗等领域，是一次质的变化。
裸眼3D显示技术主要以光栅、柱透镜技术为主，在提供给人们较好的3D视觉体验的同时，仍存在部分缺陷，诸如分辨率损失、串扰较高以及出屏较小等等问题，主要原因在于其技术光源亦是像源；随着4K、8K液晶面板的普及，裸眼3D显示技术的分辨率损失问题得以解决，但光栅或柱镜与LCD液晶显示面板像素级别的校准仍难以大批量生产与普及，串扰仍较高，此时，指向性背光裸眼3D显示技术应用而生，其以像源与光源独立的技术，以不损失分辨率的形式，实现3D图像的显示，不仅兼容市面多种3D电影、3D游戏，也避免了传统3D技术逆视现象的呈现。
指向背光裸眼3D显示技术的关键器件是透镜阵列膜，包括柱透镜阵列和菲涅尔透镜阵列，如现有技术中也公开了一种裸眼3D光学膜，这种光学膜即是基于透明平板光学元件、负光焦度透镜阵列及正光焦度透镜阵列实现裸眼3D功能，但通常透镜阵列膜仅是对光纤的偏折，无法调整光线在透镜阵列表面的亮度分布，而由于不同光源的光源辐射分布特性曲线不同，光线在经过透镜阵列偏折后其表面会出现亮度不均匀的现象，此外，透镜单元间的不连续过渡也会导致透镜阵列表面亮度欠缺，影响了用户使用裸眼3D显示器的观感体验。
发明内容
为解决当前用于指向性背光裸眼3D显示技术的透镜阵列膜无法调控其表面光线的亮度分布及光指向性的问题，本发明提出一种携带振幅波矢光学复合膜，实现光指向性和光亮度均匀性的调控，提升用户的观感体验。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种携带振幅波矢光学复合膜，包括：
波矢调制膜层，用于调制入射光线的光波矢，实现光指向性；
振幅调制膜层，用于调制入射光线的光亮分布，实现光均匀性；
波矢调制膜层位于上层，振幅调制膜层位于下层，波矢调制膜层与振幅调制膜层通过透明粘合剂胶合；其中，波矢调制膜层由透镜阵列及呈齿形状的光学边界缓和层组成，所述透镜阵列包括N个透镜阵列单元，所述光学边界缓和层包括N-1个光学边界缓和层单元，第i个透镜阵列单元、第i个光学边界缓和层单元、第i+1个透镜阵列单元依次相连，i＝1，2，…,N-1，N为大于1的自然数，振幅调制膜层的不同位置的光线透过率不同。
在本技术方案中，针对指向性背光裸眼3D显示中的光指向性和光均匀性的问题，提出同时携带振幅及波矢调控功能的光学复合膜，以用于指向性背光裸眼3D显示，其中，波矢调制膜层用于调制入射光线的光波矢，实现光指向性，振幅调制膜层用于调制入射光线的光亮分布，实现光均匀性，且在波矢调制膜层中引入齿形状的光学边界缓和层，提高聚焦能力，实现任意光源辐射分布均能均匀定向背光的效果，提升用户的观感体验。
优选地，所述的波矢调制膜层的透镜阵列为菲涅尔透镜阵列或柱透镜阵列。
优选地，第i个光学边界缓和层单元由依次交替且首尾相连的j个第一光折射面及j个第二光折射面组成，其中，第i个透镜阵列单元的边界端a与第i个光学边界缓和层单元中的首个第一光折射面的首端相连，第i个透镜阵列单元的边界端a相对的第i+1个透镜阵列单元的边界端a＇与第i个光学边界缓和层单元中的第j个第二光折射面的尾端相连。
在此，第一光折面与第二光折面是组成光学边界缓和层的基础，对应光学边界缓和层的齿形状结构，第一光折面、第二光折面与两个透镜阵列单元的边界端的连接关系表明了它们分别为各自相邻的透镜阵列单元的光学边界的延伸。
优选地，设第i个光学边界缓和层单元中的第j个第一光折射面的斜率为u，第i+1个透镜阵列单元的边界端a＇对应的边界斜率为v，u与v的数值关系满足：
lim|u-v|＜ε
其中，ε表示无穷小的正数；除第j个第一光折面之外，按连接的逆序次序，第i个光学边界缓和层单元中其余第一光折面的斜率逐渐增大，以确保入射光线折射到焦点处。
在此，第i个光学边界缓和层单元中的第j个第一光折射面的斜率u与第i+1个透镜阵列单元的边界端a＇对应的边界斜率v，实际上是不同的，但改变很小，大约增加或减小了小数点后两位数。
优选地，设第i个光学边界缓和层单元中的首个第二光折射面的斜率为p，第i个透镜阵列单元的边界端a对应的边界斜率为q，p与q的数值关系满足：
lim|p-q|＜ε
其中，ε表示无穷小的正数；除首个第二光折射面之外，按连接的顺序次序，第i个光学边界缓和层单元中其余第二光折面的斜率逐渐增大，以确保入射光线折射到焦点处。
优选地，第i个光学边界缓和层单元中第一光折射面及第二光折射面的数量由入射光线的光源辐射角度决定，光源辐射角度越小，第一光折射面及第二光折射面的数量越少，光源辐射角度越大，第一光折射面及第二光折射面的数量越多。
优选地，所述振幅调制膜层包括PET基底层和光吸收颗粒层，振幅调制膜层的厚度为0.2～0.3mm。
优选地，所述的光吸收颗粒层填充有颗粒卤化银晶体，光吸收颗粒层在外部光源照射下吸收光线，外部光源照射的位置处透过率小，吸收率大。
在此，可根据不同照射位置的透过率的不同，将入射光线调制成所需要的光强分布，具备该光强分布的光线再经过波矢调制膜层调整光线的传输方向，使所有光线汇聚同一位置，形成指向性背光裸眼3D显示所需的定向背光源。
本发明还提出一种携带振幅波矢光学复合膜的制备方法，包括：
S1.确定入射光线的光源，并得到该光源的辐射分布特性曲线；
S2.由辐射分布特性曲线确定光源的辐射角度，根据光源的辐射角度确定第i个光学边界缓和层单元中第一光折射面及第二光折射面的数量，并进一步设计出光学边界缓和层，然后引入透镜阵列单元，设计出波矢调制膜层；
S3.利用光源入射波矢调制层，将相机置于波矢调制膜层后的光线汇集处，利用相机捕获波矢调制膜层表面的归一化亮度曲线；
S4.对归一化亮度曲线进行取反计算，得到透过率分布曲线；
S5.加工涂有卤化银药膜的菲林片,根据透过率分布曲线调节光源入射菲林片的强度和位置，得到振幅调制膜层；
S6.将波矢调制膜层与振幅调制膜层通过透明粘合剂胶合，得到携带振幅波矢光学复合膜。
优选地，在步骤S1中，光源的辐射分布特性曲线使用仪器测量或查询数据表得出。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种携带振幅波矢光学复合膜，以用于指向性背光裸眼3D显示，其中，波矢调制膜层用于调制入射光线的光波矢，实现光指向性，振幅调制膜层用于调制入射光线的光亮分布，实现光均匀性，且在波矢调制膜层中引入了齿形状的光学边界缓和层，提高了聚焦能力，实现任意光源辐射分布均能均匀定向背光的效果，提升用户的观感体验。
附图说明
图1表示本发明实施例1中提出的携带振幅波矢光学复合膜的整体结构示意图；
图2表示本发明实施例2中提出的携带振幅波矢光学复合膜的工作原理图；
图3表示本发明实施例3中提出的携带振幅波矢光学复合膜的制备方法的流程示意图；
图4表示本发明实施例3中提出的在光源为朗博体光源辐射分布时的辐射分布特性曲线示意图；
图5表示本发明实施例3中提出的在光源为朗博体光源辐射分布时，光源发出的光通过波矢调制膜层得到的归一化亮度分布图；
图6表示本发明实施例3中基于图5所示的归一化亮度分布图取反计算后得到的振幅调制膜层的透过率分布曲线图；
图7表示本发明实施例3中提出的在光源为特定光源辐射分布时的辐射分布特性曲线示意图；
图8表示本发明实施例3中提出的在光源为特定光源辐射分布时，光源发出的光通过波矢调制膜层得到的归一化亮度分布图；
图9表示本发明实施例3中基于图8所示的归一化亮度分布图取反计算后得到的振幅调制膜层的透过率分布曲线图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
实施例1
针对指向性背光裸眼3D显示中的光指向性和光均匀性的问题，本实施例提出一种携带振幅波矢光学复合膜，即携带调控振幅及波矢能力的光学复合膜，以用于指向性背光裸眼3D显示，如图1所示，所述携带振幅波矢光学符合膜包括：
波矢调制膜层1，用于调制入射光线的光波矢，实现光指向性；
振幅调制膜层2，用于调制入射光线的光亮分布，实现光均匀性；
参见图1，波矢调制膜层1位于上层，振幅调制膜层2位于下层，波矢调制膜层1与振幅调制膜层2通过透明粘合剂胶合，其中，波矢调制膜层1由透镜阵列及呈齿形状的光学边界缓和层组成，透镜阵列包括N个透镜阵列单元11，光学边界缓和层包括N-1个光学边界缓和层单元12，第i个透镜阵列单元11、第i个光学边界缓和层单元12、第i+1个透镜阵列单元11依次相连，i＝1，2，…,N-1，N为大于1的自然数，以本实施例所示的图1为例，在图1中，共3个透镜阵列单元11，可以看出齿形状结构的光学边界缓和层，光学边界缓和层共设有2个光学边界缓和层单元12，自左向右，第一个透镜阵列单元11、第一个光学边界缓和层单元12、第二个透镜阵列单元11依次相连。另外，振幅调制膜层2的不同位置的光线透过率不同，图1中以不同位置的不同亮度代表不同的光线透过率。
在本实施例中，波矢调制膜层1的透镜阵列可选菲涅尔透镜阵列，也可以为柱透镜阵列。
在本实施例中，第i个光学边界缓和层单元12由依次交替且首尾相连的j个第一光折射面121及j个第二光折射面122组成，其中，第i个透镜阵列单元11的边界端a与第i个光学边界缓和层单元12中的首个第一光折射面121的首端相连，第i个透镜阵列单元11的边界端a相对的第i+1个透镜阵列单元11的边界端a＇与第i个光学边界缓和层单元12中的第j个第二光折射面122的尾端相连。
以图1为例，第一个光学边界缓和层单元12由依次交替且首尾相连的3个第一光折射面121及3个第二光折射面122组成，在图1中，自左向右，第一个透镜阵列单元11的边界端a与第一个光学边界缓和层单元12中的首个第一光折面的首端相连，第一个透镜阵列单元11的边界端a相对的第二个透镜阵列单元11的边界端a＇与第一个光学边界缓和层单元12中的第3个第二光折射面122的尾端相连。
从图1所示的结构图中也可以看出，第一光折面121与第二光折面122是组成光学边界缓和层的基础，对应光学边界缓和层的齿形状结构，第一光折面121、第二光折面122与两个透镜阵列单元的边界端的连接关系表明了它们分别为各自相邻的透镜阵列单元的光学边界的延伸。
其中，设第i个光学边界缓和层单元12中的第j个第一光折射面121的斜率为u，第i+1个透镜阵列单元11的边界端a＇对应的边界斜率为v，u与v的数值关系满足：
lim|u-v|＜ε
其中，ε表示无穷小的正数；除第j个第一光折面121之外，按连接的逆序次序，第i个光学边界缓和层单元12中其余第一光折面121的斜率逐渐增大。设第i个光学边界缓和层单元12中的首个第二光折射面122的斜率为p，第i个透镜阵列单元11的边界端a对应的边界斜率为q，p与q的数值关系满足：
lim|p-q|＜ε
其中，ε表示无穷小的正数；除首个第二光折射面122之外，按连接的顺序次序，第i个光学边界缓和层单元12中其余第二光折面122的斜率逐渐增大。对应图1，与第一个透镜阵列单元相邻的齿形光学折射面的斜率接近第一个透镜阵列单元的边界斜率，齿形远离第一个透镜阵列单元时，光学折射面的斜率逐步增大，以确保光线折射到焦点处。同理，与第二个透镜阵列单元相邻的齿形光学折射面的斜率接近第二个透镜阵列单元的边界斜率，齿形远离透第二个透镜阵列单元时光学折射面的斜率逐步增大，到接近第一个透镜阵列单元时光学折射面的斜率增加到最大，此处，光学折射面为第二个透镜阵列单元的真实边界。
在本实施例中，第i个光学边界缓和层单元12中第一光折射面121及第二光折射面122的数量(即对应光学边界缓和层的宽度)由入射光线的光源辐射角度决定，光源辐射角度越小，第一光折射面121及第二光折射面122的数量越少，即光学边界缓和层的宽度越小，光源辐射角度越大，第一光折射面121及第二光折射面122的数量越多，光学边界缓和层的宽度越大。
实施例2
本实施例针对实施例1提出的携带振幅波矢光学复合膜中的振幅调制膜层2作出说明，振幅调制膜层2包括PET基底层和光吸收颗粒层，振幅调制膜层2的厚度为0.2～0.3mm，其中，光吸收颗粒层填充有颗粒卤化银晶体，光吸收颗粒层在外部光源照射下吸收光线，外部光源照射的位置处透过率小，吸收率大，可根据不同照射位置的透过率的不同，正如图1中以不同位置的不同亮度代表不同的光线透过率，将入射光线调制成所需要的光强分布，目的是为了最后能够得到均匀的亮度分布，具备该光强分布的光线再经过波矢调制膜层调整光线的传输方向，使所有光线汇聚同一位置，形成指向性背光裸眼3D显示所需的定向背光源。
图2表示携带振幅波矢光学复合膜的工作原理图，其中，204代表光源，光源204发出白光，入射振幅调制膜层2，根据透过率的不同，将白光调制成波矢调制膜层1所需要的光强分布，具备该光强分布的光线再经过波矢调制膜层调整光线的传输方向，使所有光线汇聚同一位置201，形成指向性背光裸眼3D显示所需的定向背光源。
实施例3
本实施例提出一种携带振幅波矢光学复合膜的制备方法，步骤流程图参见图3，该方法用于制备携带振幅波矢光学复合膜，包括以下步骤：
S1.确定入射光线的光源，并得到该光源的辐射分布特性曲线；光源的辐射分布特性曲线使用仪器测量或查询数据表得出。
S2.由辐射分布特性曲线确定光源的辐射角度，根据光源的辐射角度确定第i个光学边界缓和层单元12中第一光折射面121及第二光折射面122的数量，并进一步设计出光学边界缓和层，然后引入透镜阵列单元11，设计出波矢调制膜层1；
S3.利用光源入射波矢调制层1，将相机置于波矢调制膜层1后的光线汇集处，利用相机捕获波矢调制膜层1表面的归一化亮度曲线；
S4.对归一化亮度曲线进行取反计算，得到透过率分布曲线；
S5.加工涂有卤化银药膜的菲林片，根据透过率分布曲线调节光源入射菲林片的强度和位置，得到振幅调制膜层2；
S6.将波矢调制膜层1与振幅调制膜层2通过透明粘合剂胶合，得到携带振幅波矢光学复合膜。
在以上整体的步骤中，为制备出携带振幅及波矢调控能力的光学复合膜，从基础的入射光线的光源辐射分布特性曲线出发，由辐射分布特性曲线确定光源的辐射角度，从而设计出光学边界缓和层的宽度，也即是对应第一光折面及第二光折面的数量，再透镜阵列单元，最终设计出波矢调制膜层，以波矢调制膜层对光线传输方向的调整能力，可使所有光线汇聚同一位置，将相机置于该位置，相机捕获波矢调制膜层表面的归一化亮度曲线，对归一化亮度曲线进行取反计算，得到透过率分布曲线，卤化银加工菲林片的技术为业内通用技术，通常通过光源照射卤化物使其变性从而吸收光线，这就导致照射的位置处透过率变小，吸收变大。因此，通过调节光源照射卤化物的强度调节膜层不同位置处的透过率，得到振幅调制膜层，然后再与波矢调制膜层通过透明粘合剂胶合，得到携带振幅波矢光学复合膜。
下面结合不同的光源进一步说明。图4表示在光源为朗博体光源辐射分布时的辐射分布特性曲线示意图，波矢调制膜层1的光学边界缓和层的宽度由辐射分布特性曲线决定，参见图4，光源发光角度为120°，此时光学边界缓和层的宽度设为透镜阵列单元宽度的75％，光源发出的光在仅通过波矢调制膜层1得到的归一化亮度分布图如图5所示，基于图5所示的归一化亮度分布图取反计算后得到的振幅调制膜层2的透过率分布曲线如图6所示，基于此曲线可以进一步按前述步骤制备振幅调制膜层2。
图7表示在光源为特定光源辐射分布时的辐射分布特性曲线示意图，特定光源辐射分布是指光源的发出的光经过振幅调制膜层调制后的光强分布，波矢调制膜层1的光学边界缓和层的宽度由辐射分布特性曲线决定，光源发光角度为90°，此时光学边界缓和层的宽度应为透镜阵列单元宽度的50％，光源发出的光在仅通过波矢调制膜层1得到的归一化亮度分布图如图8所示，基于图8所示的归一化亮度分布图取反计算后得到的振幅调制膜层的透过率分布曲线如图9所示，基于此曲线可以进一步按前述步骤制备振幅调制膜层2。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，包括：
波矢调制膜层(1)，用于调制入射光线的光波矢，实现光指向性；
振幅调制膜层(2)，用于调制入射光线的光亮分布，实现光均匀性；
波矢调制膜层(1)位于上层，振幅调制膜层(2)位于下层，波矢调制膜层(1)与振幅调制膜层(2)通过透明粘合剂胶合；其中，波矢调制膜层(1)由透镜阵列及呈齿形状的光学边界缓和层组成，所述透镜阵列包括N个透镜阵列单元(11)，所述光学边界缓和层包括N-1个光学边界缓和层单元(12)，第i个透镜阵列单元(11)、第i个光学边界缓和层单元(12)、第i+1个透镜阵列单元(11)依次相连，i＝1，2，…,N-1，N为大于1的自然数，振幅调制膜层(2)的不同位置的光线透过率不同。
2.根据权利要求1所述的携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，所述的波矢调制膜层(1)的透镜阵列为菲涅尔透镜阵列或柱透镜阵列。
3.根据权利要求2所述的携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，第i个光学边界缓和层单元(12)由依次交替且首尾相连的j个第一光折射面(121)及j个第二光折射面(122)组成，其中，第i个透镜阵列单元(11)的边界端a与第i个光学边界缓和层单元(12)中的首个第一光折射面(121)的首端相连，第i个透镜阵列单元(11)的边界端a相对的第i+1个透镜阵列单元(11)的边界端a＇与第i个光学边界缓和层单元(12)中的第j个第二光折射面(122)的尾端相连。
4.根据权利要求3所述的携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，设第i个光学边界缓和层单元(12)中的第j个第一光折射面(121)的斜率为u，第i+1个透镜阵列单元(11)的边界端a＇对应的边界斜率为v，u与v的数值关系满足：
lim|u-v|＜ε
其中，ε表示无穷小的正数；除第j个第一光折面(121)之外，按连接的逆序次序，第i个光学边界缓和层单元(12)中其余第一光折面(121)的斜率逐渐增大。
5.根据权利要求4所述的携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，设第i个光学边界缓和层单元(12)中的首个第二光折射面(122)的斜率为p，第i个透镜阵列单元(11)的边界端a对应的边界斜率为q，p与q的数值关系满足：
lim|p-q|＜ε
其中，ε表示无穷小的正数；除首个第二光折射面(122)之外，按连接的顺序次序，第i个光学边界缓和层单元(12)中其余第二光折面(122)的斜率逐渐增大。
6.根据权利要求5所述的携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，第i个光学边界缓和层单元(12)中第一光折射面(121)及第二光折射面(122)的数量由入射光线的光源辐射角度决定，光源辐射角度越小，第一光折射面(121)及第二光折射面(122)的数量越少，光源辐射角度越大，第一光折射面(121)及第二光折射面(122)的数量越多。
7.根据权利要求1所述的携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，所述振幅调制膜层(2)包括PET基底层和光吸收颗粒层，振幅调制膜层(2)的厚度为0.2～0.3mm。
8.根据权利要求7所述的携带振幅波矢光学复合膜，其特征在于，所述的光吸收颗粒层填充有颗粒卤化银晶体，光吸收颗粒层在外部光源照射下吸收光线，外部光源照射的位置处透过率小，吸收率大。
9.一种携带振幅波矢光学复合膜的制备方法，其特征在于，包括：
S1.确定入射光线的光源，并得到该光源的辐射分布特性曲线；
S2.由辐射分布特性曲线确定光源的辐射角度，根据光源的辐射角度确定第i个光学边界缓和层单元中第一光折射面及第二光折射面的数量，并进一步设计出光学边界缓和层，然后引入透镜阵列单元，设计出波矢调制膜层；
S3.利用光源入射波矢调制层，将相机置于波矢调制膜层后的光线汇集处，利用相机捕获波矢调制膜层表面的归一化亮度曲线；
S4.对归一化亮度曲线进行取反计算，得到透过率分布曲线；
S5.加工涂有卤化银药膜的菲林片,根据透过率分布曲线调节光源入射菲林片的强度和位置，得到振幅调制膜层；
S6.将波矢调制膜层与振幅调制膜层通过透明粘合剂胶合，得到携带振幅波矢光学复合膜。
10.根据权利要求9所述的携带振幅波矢光学复合膜的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，光源的辐射分布特性曲线使用仪器测量或查询数据表得出。
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