CN114578580B - 一种准直背光源、多向背光源及三维显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准直背光源，所述准直背光源包括光源、自由曲面透镜、两个斜面贴合在一起的直角棱镜、位于两个直角棱镜之间的第一微纳器件、镀有透射率随位置变化的分光膜的导光板和贴合在导光板上的第二微纳器件；其中，直角棱镜的高沿光源方向布置。本发明还公开了一种包括上述准直光源、依次布置在导光板上方的角度偏折器件和LCD的三维显示装置。本发明还公开了一种多向背光源及包括多向背光源的三维显示装置。本发明提供的准直背光源和多向背光源，以及分别基于准直背光源和多向背光源的三维显示装置，为现有自由立体显示装置，从而提供厚度小、更轻便、大面积的定向显示的实现方式。

Description

一种准直背光源、多向背光源及三维显示装置
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，尤其涉及一种准直背光源、多向背光源及三维显示装置。
背景技术
随着技术的发展，人们越来越希望可以通过三维显示装置来还原真实世界的场景，其中无需穿戴设备的自由立体三维显示逐渐成为研究热门。自由立体三维显示装置可由视差屏障技术、透镜阵列技术、多投影技术等实现，但以上技术多采用几何光学原理实现，将使三维显示装置存在串扰大、视场角较小等缺点。
基于衍射光学原理对出射光束的角度调控准确率高，且调控角度的自由度较大，可实现大视场、低串扰的显示效果。但其对入射光源的准直性要求也较高，目前大多数人仍采用几何光学的方式来实复合微透镜和微棱镜的投影系统，包括光源、复合准直镜模块、投影源、复合投影镜模块和接收面，复合准直镜模块包括准直聚光面和第一微透镜阵列面，第一微透镜阵列面包括阵列排布的第一微透镜单元复合微透镜和微棱镜的投影系统，包括光源、复合准直镜模块、投影源、复合投影镜模块和接收面，复合准直镜模块包括准直聚光面和第一微透镜阵列面，第一微透镜阵列面包括阵列排布的第一微透镜单元现光束的准直性，大面积的准直光源较多采用微棱镜阵列或微棱镜/透镜组合来实现，如公开号为CN207486719U的中国专利公开了一种LED准直透镜及其准直系统，包括LED芯片和2片以上依次设在LED出光通道上的准直透镜，所述准直透镜按与LED芯片的距离从近到远依次分为第一准直透镜、第二准直透镜，依次类推；所述第一准直透镜靠近LED芯片的一面为入光面，与LED芯片相离的一面为出光面，所述第一准直透镜的入光面为凹面结构且凹面结构的凹槽槽口面向LED芯片。如公开号为CN111856851A的中国专利公开了一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，包括光源、复合准直镜模块、投影源、复合投影镜模块和接收面，复合准直镜模块包括准直聚光面和第一微透镜阵列面，第一微透镜阵列面包括阵列排布的第一微透镜单元。此方式不仅对设计参数要求高，且出射光束的准直效果并不理想，而大口径透镜可实现较好的准直效果，但装置的尺寸将较为笨重。
发明内容
本发明的目的是提供一种准直背光源和多向背光源，以及分别基于准直背光源和多向背光源的三维显示装置，为现有自由立体显示装置，从而提供厚度小、更轻便、大面积的定向显示的实现方式。
本发明是通过以下技术方案解决的：
一种准直背光源，所述准直背光源包括光源、自由曲面透镜、两个斜面贴合在一起的直角棱镜、位于两个直角棱镜之间的第一微纳器件、镀有透射率随位置变化的分光膜的导光板和贴合在导光板上的第二微纳器件；其中，直角棱镜的高沿光源方向布置，光源通过自由曲面透镜实现光束的均匀和准直，照射到第一微纳器件后，产生的衍射光入射到导光板中，部分光束透射到第二微纳器件中产生垂直背光源的光束，部分光束在导光板中继续全反射，依次类推产生垂直背光源的衍射光束，拼接为大面积准直背光源。
其中，所述分光膜的透射率与位置有关。
所述第一微纳器件和第二微纳器件选自体全息光栅、偏振体全息光栅或表面微结构膜；所述光源为激光二极管或发光二极管；当光源为激光二极管时，所述光源与自由曲面透镜之间添加光纤散斑清除器。
即所述的激光二极管的出射光束耦合到光纤散斑清除器中，消除激光散斑后入射到自由曲面透镜中，光强分布被调制为均匀分布状态。
光源的方向x轴方向，与x轴方向垂直且朝向导光板的方向为y轴方向，直角棱镜的折射率为n；
当所述第一微纳器件包括第一微结构膜和第二微结构膜：沿x轴方向平行光入射到第一微结构膜发生衍射，衍射光为与xy平面有夹角α的平行光；沿x轴方向平行光经第一微结构膜后的透射光入射到第二微结构膜上发生衍射，该衍射光为与xy平面有夹角-α的平行光；其中，α>asin(1/n)，asin为反三角函数；
当所述第一微纳器件包括第一体全息光栅和第二体全息光栅：所述的第一体全息光栅由x轴方向平行光和与xy平面有α夹角的平行光曝光而得；曝光第一体全息光栅后，将感光材料贴合在第一体全息光栅上，并置于x轴方向平行光和与xy平面有-α夹角的平行光的干涉场中进行曝光，获得第二体全息光栅。
所述导光板的厚度为d、折射率为n；设与xy平面α夹角的平行光在导光板上的光束宽度为t，则其满足如下关系，t＝d/tanα；所述的透射率随位置变化的分光膜需满足每个光束宽度下透过的光强值均相等的，即第2n个及第2n-1个光束宽度下对应的光束透过率应为Tn+1＝Tn/(1-Tn)，其中n＝1,2,3…与xy平面±α夹角的平行光入射到导光板上，经分光膜后将有部分光束全反射，部分光束透射到第二微纳器件上发生衍射，产生垂直于导光板平面的光束，依次类推在不同的光束宽度下均产生垂直于导光板的光束，拼接后可得大面积背光源；
当所述第二微纳器件为体全息光栅，其曝光方式如下：由与xy平面±α夹角的平行光和沿z轴方向的平行光曝光而得。
具体为以±α夹角入射的平行光入射到分光膜上将有部分光束全反射，部分光束透射到感光材料中与z轴方向的平行光曝光，依次类推。
本发明还提供了一种三维显示装置，所述三维显示装置包括上述的准直背光源、依次布置在导光板上方的角度偏折器件和LCD，准直背光源产生的准直光束入射到角度偏折器件上可生成多个方向的视点，再经过LCD显示器件后实现对视点图像信息的调控，最终实现多视点三维显示效果。
本发明还提供了一种多向背光源，所述多向背光源包括光源、置于位移器件的自由曲面透镜、两个斜面贴合在一起的直角棱镜、位于两个直角棱镜之间的第一微纳器件、镀有透射率随位置变化的分光膜的导光板和贴合在导光板上的第二微纳器件；其中，直角棱镜的高沿光源方向布置，光源出射光束入射到置于位移器件的自由曲面透镜上，形成与直角棱镜入射面尺寸一致的均匀光斑，当置于位移器件的自由曲面透镜的位置沿y轴移动时，对应入射光斑的角度将发生变化，再经第一微纳器件和第二微纳器件的衍射后形成多方向的背光源。
其中，所述分光膜的透射率与位置有关。当自由曲面透镜位于不同位置时，经第一微纳器件和第二微纳器件的衍射后，出射光的方向不同，即可实现多方向背光源。
所述第一微纳器件和第二微纳器件选自体全息光栅、偏振体全息光栅或表面微结构膜；所述光源为激光二极管或发光二极管；当光源为激光二极管时，所述光源与自由曲面透镜之间添加光纤散斑清除器。
即所述的激光二极管的出射光束耦合到光纤散斑清除器中，消除激光散斑后入射到自由曲面透镜中，光强分布被调制为均匀分布状态。
光源的方向x轴方向，与x轴方向垂直且朝向导光板的方向为y轴方向，直角棱镜的折射率为n；
当所述第一微纳器件包括第一微结构膜和第二微结构膜：沿x轴方向平行光入射到第一微结构膜发生衍射，衍射光为与xy平面有夹角α的平行光；沿x轴方向平行光经第一微结构膜后的透射光入射到第二微结构膜上发生衍射，该衍射光为与xy平面有夹角-α的平行光；其中，α>asin(1/n)，asin为反三角函数；
当所述第一微纳器件包括第一体全息光栅和第二体全息光栅：所述的第一体全息光栅由x轴方向平行光和与xy平面有α夹角的平行光曝光而得；曝光第一体全息光栅后，将感光材料贴合在第一体全息光栅上，并置于x轴方向平行光和与xy平面有-α夹角的平行光的干涉场中进行曝光，获得第二体全息光栅。
所述导光板的厚度为d、折射率为n；设与xy平面α夹角的平行光在导光板上的光束宽度为t，则其满足如下关系，t＝d/tanα；所述的透射率随位置变化的分光膜需满足每个光束宽度下透过的光强值均相等的，即第2n个及第2n-1个光束宽度下对应的光束透过率应为Tn+1＝Tn/(1-Tn)，其中n＝1,2,3…与xy平面±α夹角的平行光入射到导光板上，经分光膜后将有部分光束全反射，部分光束透射到第二微纳器件上发生衍射，产生垂直于导光板平面的光束，依次类推在不同的光束宽度下均产生垂直于导光板的光束，拼接后可得大面积背光源；
当所述第二微纳器件为体全息光栅，其曝光方式如下：由与xy平面±α夹角的平行光和沿z轴方向的平行光曝光而得。
具体为以±α夹角入射的平行光入射到分光膜上将有部分光束全反射，部分光束透射到感光材料中与z轴方向的平行光曝光，依次类推。
本发明还提供了一种三维显示装置，所述三维显示装置包括上述的多向背光源、布置在导光板上方的LCD和人眼追踪器件，人眼追踪器件获取左右眼位置后，反馈到多方向背光源，多方向背光源通过调整自由曲面透镜的位置交替产生双目方向的光束，LCD同步交替提供左右视差图像，最终实现高分辨率的裸眼三维显示装置。
其中，人眼追踪器件为相机。
在本发明中，包含准直背光源或多向背光源的三维显示装置中，所述的角度偏折元件，可调整出射光束的方向，实现多视图三维显示效果，包括但不限于像素型纳米光栅器件，液晶聚合物光栅等；所述的LCD显示器件，用于提供视差图像。
具体的，所述的角度偏折元件，可调整偏折出射光束角度，实现自由立体显示；多视点的二维图像经角度偏转元件实现不同视点图像的分离，或采用时分复用，不同时间对应不同的视区，图像经角度偏转元件在不同的时间向不同的视点投射图像，形成多视点的自由立体显示效果。
所述的角度偏折元件选自像素型的纳米光栅、液晶聚合物光栅、电光调制元件或声光调制元件；电光调制元件选自液晶电光角度调制元件。
优选的，所述的像素型纳米光栅包括光栅周期在亚波长量级变化的单个像素大小的光栅组合。所述液晶电光角度调制元件包括电压作用下液晶分子发生偏折的液晶器件。所述的液晶聚合物光栅包括全息曝光下得到的液晶层和聚合物层交替排列的光栅结构。所述的声光调制元件包括声光介质、电-声换能器和吸声装置。
本发明采用小口径的自由曲面透镜实现光束的准直，并经过两个微纳器件实现大面积光束的准直。此准直背光源可应用于基于像素型纳米光栅的三维显示、基于液晶电光偏转实现的三维显示等装置中。同时，本发明可通过位移自由曲面透镜，实现多方向背光源，并结合人眼追踪器件，即可实现裸眼三维显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.采用微纳器件实现的准直背光源，可实现轻薄、准直度高，大面积的背光源。
2.若微纳器件采用全息体光栅实现，两束平行光干涉曝光而得到全息体光栅，其制备更为简单。
3.若微纳器件采用全息体光栅实现，全息体光栅在偏移布拉格角度较多时，不发生衍射现象，因此环境光可直接透过，可应用于AR显示中。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于准直背光源的三维显示装置的示意图；
图2为本发明实施例的全息体光栅1的曝光制备示意图，(a)为全息体光栅11的曝光制备示意图，(b)为全息体光栅12的曝光制备示意图；
图3为本发明实施例的全息体光栅2的曝光制备示意图；
图4为本发明实施例的一种基于多方向背光源的三维显示装置示意图；
其中，1、激光二极管，2、光纤散斑清除器，3、自由曲面透镜，4、第一微纳器件，5、第二微纳器件，6、角度偏折器件，7、LCD，8、第一全息体光栅，9、直角棱镜，10、第二全息体光栅，11、镀有透射率随位置变化的分光膜的导光板，12、全息体光栅，13、位移器件，14、相机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
参见图1和图2，一种基于准直背光源的三维显示装置示意图，其中准直背光源由激光二极管1、光纤散斑清除器2、自由曲面透镜3、2个直角棱镜9、第一微纳器件4、镀有分光膜的导光板11、第二微纳器件5构成，角度偏折器件6实现方向信息的调控，LCD 7则实现强度信息的调控。
激光二极管1出射光束经光纤散斑清除器2后，出射光束经自由曲面透镜3准直后，产生与直角棱镜9入射面尺寸相同的均匀光斑，经贴合在直角棱镜9侧面的第一微纳器件4衍射后，产生与xy平面分别成±α的衍射光束，这两束光在导光板11中发生全反射，经分光膜后部分光束继续全反射，部分光束照射到第二微纳器件5上发生衍射，出射垂直于导光板的准直光束，依次类推产生多组垂直于导光板12的衍射光束，拼接为大面积准直背光源。准直光束入射到角度偏折器件6上可生成多个方向的视点，再经过LCD 7(LCD显示器件)后实现对视点图像信息的调控，最终实现多视点三维显示效果。
参见图2，当第一微纳器件4为体全息光栅，包括第一体全息光栅8和第二体全息光栅10，其曝光示意图为：体全息光栅由第一体全息光栅8和第二体全息光栅10贴合而成，并贴合在直角棱镜9的侧面，曝光中采用两个直角棱镜9用折射率匹配液粘合，可减少噪声全息图的记录。参见图2中(a)，第一体全息光栅8由沿x轴方向的平行光和与xy平面夹角为α的平行光曝光而得。参见图2中(b)，第二体全息光栅10由沿x轴方向的平行光与xy平面夹角为-α的平行光曝光而得。
参见图3，第二微纳器件5为全息体光栅12，其曝光示意图为：导光板11表面镀了一层分光膜，分光膜的透过率随位置变化，设一个光学传播宽度为平行光(与xy平面夹角为α)在导光板上的传播距离，第2n个及第2n-1个光束宽度下对应的光束透过率应为Tn+1＝Tn/(1-Tn)，其中n＝1,2,3…，由此设计得到的每段光学传播宽度中，光束透过到感光材料中的强度均相等。全息体光栅12的参考光是透射到感光材料中与xy平面夹角分别为±α的平行光，物光是z轴方向的平行光，参考光和物光干涉曝光得到全息体光栅12。
参见图4，一种基于多方向背光源的三维显示装置示意图，其由多方向背光源、LCD显示器件，人眼追踪器件(本实施例为相机14)组成。其中多方向背光源包括激光二极管1、光纤散斑清除器2、位移器件13、自由曲面透镜3，两块直角棱镜，第一微纳器件4，镀有分光膜的导光板，第二微纳器件5。激光二极管1出射光束经光纤散斑清除器2后，入射到置于位移器件13的自由曲面透镜3上，形成与直角棱镜入射面尺寸一致的均匀光斑。当自由曲面透镜3的位置沿y轴移动时，对应入射光斑的角度将发生变化。再经第一微纳器件4和第二微纳器件5的衍射后形成多方向的背光源。相机14获取左右眼位置后，反馈到多方向背光源器件，多方向背光源通过调整自由曲面透镜的位置交替产生双目方向的光束，LCD 7同步交替提供左右视差图像，最终实现高分辨率的裸眼三维显示装置。

Claims (8)

1.一种准直背光源，其特征在于，所述准直背光源包括光源、自由曲面透镜、两个斜面贴合在一起的直角棱镜、位于两个直角棱镜之间的第一微纳器件、镀有透射率随位置变化的分光膜的导光板和贴合在导光板上的第二微纳器件；其中，直角棱镜的高沿光源方向布置，光源通过自由曲面透镜实现光束的均匀和准直，照射到第一微纳器件后，产生的衍射光入射到导光板中，部分光束透射到第二微纳器件中产生垂直背光源的光束，部分光束在导光板中继续全反射，依次类推产生垂直背光源的衍射光束，拼接为大面积准直背光源；
光源的方向x轴方向，与x轴方向垂直且朝向导光板的方向为y轴方向，直角棱镜的折射率为n；
当所述第一微纳器件包括第一微结构膜和第二微结构膜：沿x轴方向平行光入射到第一微结构膜发生衍射，衍射光为与xy平面有夹角α的平行光；沿x轴方向平行光经第一微结构膜后的透射光入射到第二微结构膜上发生衍射，该衍射光为与xy平面有夹角-α的平行光；其中，α > asin(1/n)，asin为反三角函数；
当所述第一微纳器件包括第一体全息光栅和第二体全息光栅：所述的第一体全息光栅由x轴方向平行光和与xy平面有α夹角的平行光曝光而得；曝光第一体全息光栅后，将感光材料贴合在第一体全息光栅上，并置于x轴方向平行光和与xy平面有-α夹角的平行光的干涉场中进行曝光，获得第二体全息光栅；
第二微纳器件选自体全息光栅、偏振体全息光栅或表面微结构膜。
2.根据权利要求1所述的准直背光源，其特征在于，所述光源为激光二极管或发光二极管；当光源为激光二极管时，所述光源与自由曲面透镜之间添加光纤散斑清除器。
3.根据权利要求1所述的准直背光源，其特征在于，所述导光板的厚度为d、折射率为n；设与xy平面α夹角的平行光在导光板上的光束宽度为t，则其满足如下关系，t= d / tanα；所述的透射率随位置变化的分光膜需满足每个光束宽度下透过的光强值均相等的，即第2n个及第2n-1个光束宽度下对应的光束透过率应为Tn+1 = Tn/(1- Tn)，其中n = 1,2,3…，与xy平面±α夹角的平行光入射到导光板上，经分光膜后有部分光束全反射，部分光束透射到第二微纳器件上发生衍射，产生垂直于导光板平面的光束，依次类推在不同的光束宽度下均产生垂直于导光板的光束，拼接后可得大面积背光源；
当所述第二微纳器件为体全息光栅，其曝光方式如下：由与xy平面±α夹角的平行光和沿z轴方向的平行光曝光而得。
4.一种三维显示装置，其特征在于，所述三维显示装置包括权利要求1-3任一所述的准直背光源、依次布置在导光板上方的角度偏折器件和LCD，准直背光源产生的准直光束入射到角度偏折器件上可生成多个方向的视点，再经过LCD显示器件后实现对视点图像信息的调控，最终实现多视点三维显示效果。
5.一种多向背光源，其特征在于，所述多向背光源包括光源、置于位移器件的自由曲面透镜、两个斜面贴合在一起的直角棱镜、位于两个直角棱镜之间的第一微纳器件、镀有透射率随位置变化的分光膜的导光板和贴合在导光板上的第二微纳器件；其中，直角棱镜的高沿光源方向布置，光源出射光束入射到置于位移器件的自由曲面透镜上，形成与直角棱镜入射面尺寸一致的均匀光斑，当置于位移器件的自由曲面透镜的位置沿y轴移动时，对应入射光斑的角度将发生变化，再经第一微纳器件和第二微纳器件的衍射后形成多方向的背光源；
光源的方向x轴方向，与x轴方向垂直且朝向导光板的方向为y轴方向，直角棱镜的折射率为n；
当所述第一微纳器件包括第一微结构膜和第二微结构膜：沿x轴方向平行光入射到第一微结构膜发生衍射，衍射光为与xy平面有夹角α的平行光；沿x轴方向平行光经第一微结构膜后的透射光入射到第二微结构膜上发生衍射，该衍射光为与xy平面有夹角-α的平行光；其中，α > asin(1/n)，asin为反三角函数；
当所述第一微纳器件包括第一体全息光栅和第二体全息光栅：所述的第一体全息光栅由x轴方向平行光和与xy平面有α夹角的平行光曝光而得；曝光第一体全息光栅后，将感光材料贴合在第一体全息光栅上，并置于x轴方向平行光和与xy平面有-α夹角的平行光的干涉场中进行曝光，获得第二体全息光栅；
第二微纳器件选自体全息光栅、偏振体全息光栅或表面微结构膜。
6.根据权利要求5所述的多向背光源，其特征在于，所述光源为激光二极管或发光二极管；当光源为激光二极管时，所述光源与自由曲面透镜之间添加光纤散斑清除器。
7.根据权利要求5所述的多向背光源，其特征在于，所述导光板的厚度为d、折射率为n；设与xy平面α夹角的平行光在导光板上的光束宽度为t，则其满足如下关系，t= d / tanα；所述的透射率随位置变化的分光膜需满足每个光束宽度下透过的光强值均相等的，即第2n个及第2n-1个光束宽度下对应的光束透过率应为Tn+1 = Tn/(1- Tn)，其中n = 1,2,3…，与xy平面±α夹角的平行光入射到导光板上，经分光膜后将有部分光束全反射，部分光束透射到第二微纳器件上发生衍射，产生垂直于导光板平面的光束，依次类推在不同的光束宽度下均产生垂直于导光板的光束，拼接后可得大面积背光源；
当所述第二微纳器件为体全息光栅，其曝光方式如下：由与xy平面±α夹角的平行光和沿z轴方向的平行光曝光而得。
8.一种三维显示装置，其特征在于，所述三维显示装置包括权利要求5-7任一所述的多向背光源、布置在导光板上方的LCD和人眼追踪器件，人眼追踪器件获取左右眼位置后，反馈到多方向背光源，多方向背光源通过调整自由曲面透镜的位置交替产生双目方向的光束，LCD同步交替提供左右视差图像，最终实现高分辨率的裸眼三维显示装置。
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