CN114815298A - 一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统 - Google Patents

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张子钧
李子寅
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沈凡琪
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Abstract

本发明公开了一种用于裸眼三维显示的波导型定向背光系统，属于自由立体显示领域。该系统包括光源阵列、耦合组件、光波导、反射型微结构阵列和透镜阵列。光源阵列的出射光经耦合组件初步整形后，以设定的入射角耦合到光波导中，并进行全内反射传输。光束传递至光波导下表面的反射型微结构后实现整形和匀化，反射光将不满足全内反射条件从而透射出光波导，再经透镜阵列进一步的准直和偏折实现定向背光。本发明提供的波导型定向背光源是一种轻薄，均匀度高，准直性好的大尺寸器件，可应用于裸眼三维显示装置。

Description

一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统
技术领域
本发明涉及自由立体显示领域，尤其涉及一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统。
背景技术
随着第二次工业革命以来社会、科技、文化、教育的发展，二维显示设备已逐渐发展成为电子信息技术不可或缺的重要一环，并在社会各个领域发挥着至关重要的作用。现如今，随着科技和消费需求的进一步发展，显示设备正经历二维到三维的转变，助视三维显示技术是目前最成熟的三维显示方式，但观看者需要佩戴眼镜和头盔，从而产生众多不便。裸眼三维显示技术使观看者无需佩戴助视设备即可获得三维感知，逐渐成为三维显示领域未来的重要一环。背光系统是裸眼三维显示的一个重要器件，但其普遍存在体积较大、指向性和均匀性不高等问题。背光系统的这些性能的不足将会使三维显示的图像质量不高和视点间串扰的较大，削弱了观看者的使用体验，同时，背光源的能量利用效率较低。现有的背光系统主要使用网点结构、微结构、衍射结构等设计，其中，衍射结构设计对光源的角度和波长具有很高的要求，实际应用限制性非常高；网点结构能够优化发光均匀度，但难以对出射光的角度特性进行调控。而微结构设计自由度较高，但设计和制造过程具有较大难度，现有微结构设计需要在背光性能和实际使用做出权衡，距离裸眼三维显示设备的使用要求尚具有一定距离。
鉴于上述的需求和制约，我们可以预见，高均匀度的定向背光系统的研制将促进裸眼三维显示技术的发展，进一步的助力光电显示、虚拟现实、计算机图形学及其交叉学科的科技发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其可以提供高均匀度，大面积的定向白光照明，并进一步的为裸眼三维显示系统提供准直背光源。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，所述系统包括光波导、反射型微结构阵列、透镜阵列、耦合组件和光源阵列，所述光源阵列由若干光源沿着一个方向排布而成；所述耦合组件位于光源阵列前面，并将光源阵列的出射光束耦合进光波导(100)；所述反射型微结构阵列由反射型微结构在光波导下表面上行列排布而成；所述透镜阵列由透镜元件行列排布而成，并位于光波导上方；所述透镜元件和反射型微结构之间存在一一对应关系。
进一步的，所述光源为激光二极管或发光二极管。
进一步的，所述耦合组件根据光源阵列出射光的空间特性设计，将出射光的发散角控制在较小范围内，并能够使出射光在光波导内全内反射传输；耦合组件为球面、柱面、非球面或自由曲面透镜；光源阵列和耦合组件设置在光波导侧边，或者被封装在耦合波导中；所述耦合波导位于光波导上表面的一端。
进一步的，所述反射型微结构的面型为球面、非球面或者自由曲面；反射型微结构的结构面型由其入射光和设定的出射光的空间特性设计；光束经反射型微结构后将被匀化和整形，同时反射光将不满足全内反射条件，并均匀的从光波导上表面的一定区域上出射。
进一步的，所述透镜阵列的透镜元件可选择为菲涅尔透镜，其面型可以是球面、非球面或自由曲面，透镜元件之间没有间隙，覆盖了光波导上表面的全部使用区域；透镜阵列与光波导上表面之间存在一间隙层。
进一步的，一组具有对应关系的透镜元件和反射型微结构，透镜元件位于光束经反射型微结构后在光波导上表面产生的均匀照射区域之中，反射型微结构位于透镜元件的焦平面，即光波导下表面，以对入射光进行准直，反射型微结构在焦平面上的具体位置将根据设定的出射倾斜角而定；光线经反射型微结构后反射到光波导上表面，由于光线光路发生了改变，这些光线不满足全反射条件，将从光波导上表面出射，穿过间隙层，入射到对应的透镜元件上，由于反射型微结构和透镜元件的位置关系，出射光以一定的倾斜角准直均匀出射。
进一步的，不同位置处的反射型微结构根据其上的入射光强度差异将设计有不同的密度、大小和面型结构，相应的，各反射型微结构所对应的透镜元件也设计有不同的密度和大小，以使出射光的具有均匀的强度分布。
进一步的，所述耦合波导是一个三棱柱的封装结构。
进一步的，所述间隙层为空气。
与现有背光系统相比，本发明提供的波导型定向背光系统，可通过波导扩展出射光束面积，并通过反射型微结构阵列和透镜阵列产生均匀的准直光束，光源的能量利用效率高。
附图说明
图1为本发明示例的一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统的结构示意图；
图2为本发明示例的另一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中背光系统部分光路结构示意图。
图中：100、光波导；101、空气间隙层；102、反射型微结构；103、透镜元件；104、耦合组件；105、光源阵列；106、光源；107、耦合波导；1021、反射微型结构A；1022、反射微型结构B；1023、反射微型结构C；1031、菲涅尔透镜A；1032、菲涅尔透镜B；1033、菲涅尔透镜C；201、光线A；202、光线B；301、光线C；302、反射光线A；303、出射光线A；311、反射光线B；312、出射光线B；320、光波导下表面。
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。
如图1所示，本实施例提供了一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其包括光波导100、反射型微结构阵列、透镜阵列、耦合组件104和光源阵列105。光源阵列105由若干光源106沿着光波导侧边排布而成；耦合组件104位于光源阵列105前面，可实现将光源阵列105的出射光束耦合进光波导100；反射型微结构阵列由反射型微结构102在光波导下表面320上行列排布而成；透镜阵列由菲涅尔透镜作为透镜元件103行列排布而成，并位于光波导100上方；透镜元件103和反射型微结构102之间存在一一对应关系。
耦合组件104可将光源阵列105的出射光的发散角控制在较小范围内，并使其能够在光波导100内全内反射传输。光束入射到光波导下表面反射型微结构阵列后，传输光路会发生改变，反射光将不满足光波导的全内反射条件，并均匀的照射到光波导上表面的一定区域上。透镜阵列由菲涅尔透镜在光波导上表面上行列排布而成，透镜元件之间没有间隙，紧密相连，覆盖了光波导上表面的全部使用区域；透镜阵列与光波导上表面之间存在一空气间隙层(101)。
菲涅尔透镜和反射型微结构102之间存在一一对应关系。对于一组具有对应关系的菲涅尔透镜和反射型微结构102，菲涅尔透镜位于反射型微结构102的均匀照射区域之中；反射型微结构位于菲涅尔透镜的焦平面，但不位于菲涅尔透镜的焦点上。光线经反射型微结构后反射到光波导上表面，由于光线光路发生了改变，这些光线不满足全反射条件，将从光波导上表面出射，穿过空气间隙层，入射到对应的菲涅尔透镜上，由于两者的位置关系，出射光以一定的倾斜角准直均匀出射。
不同位置处的反射型微结构根据其上的入射光强度差异将设计有不同的密度、大小和面型结构，相应的，不同位置处的透镜元件也设计有不同的密度和大小，以使出射光的具有均匀的强度分布。
如图2所示，为另一实施例示例的一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其中，光源阵列105和耦合组件104被封装在一个附加的耦合波导107中，耦合波导107放置在光波导100的上表面的一端上。在本发明实施例中，耦合波导107是一个三棱柱的封装结构，其与光波导100具有一样的折射率。同样的，耦合组件104根据光源阵列出射光的空间特性设计，将出射光的发散角控制在较小范围内，并使其能够在光波导100内全内反射传输。光源阵列105发出的光经过耦合组件的整形，倾斜入射进入光波导中。
如图2所示，光线A201和光线B202是光源阵列发出的光线，经过耦合组件104的初步整形，以较小的发散角倾斜入射到光波导100中，并能够在光波导100中进行全内反射传输。
在本发明实施例中，透镜阵列由菲涅尔透镜作为透镜元件103在光波导100上表面上行列排布而成，透镜元件103之间没有间隙，紧密相连，覆盖了光波导100上表面的全部使用区域；透镜阵列与光波导100上表面之间存在一空气间隙层(101)。同样的，反射型微结构阵列由反射型微结构102在光波导下表面320上行列排布而成，反射型微结构102的结构面型根据入射到其上的入射光和设定的出射光的空间特性设计，不同位置处的反射型微结构102根据其上的入射光强度差异将设计有不同的密度、大小和面型结构，因此，反射型微结构A1021、反射型微结构B1022、反射型微结构C1023都具有差异的参数设计；不同位置处的透镜元件103也设计有不同的密度和大小，因此，菲涅尔透镜A1031、菲涅尔透镜B1032、菲涅尔透镜C1033都具有差异的参数设计。入射到光波导下表面反射型微结构阵列上的传输光线光路会发生改变，这些反射光将会脱离光波导的全内反射，并均匀的照射到光波导上表面的一定区域上。
菲涅尔透镜和反射型微结构102之间存在一一对应关系。对于一组具有对应关系的透镜元件103和反射型微结构102，透镜元件103位于光束经反射型微结构102后在光波导100上表面产生的均匀照射区域之中，反射型微结构102位于透镜元件103的焦平面，以对入射光进行准直，其在焦平面上的具体位置将根据设定的出射倾斜角而定，并不位于透镜元件的焦点上。光线经反射型微结构102后反射到光波导100上表面上，由于光线光路发生了改变，这些光线不满足全反射条件，将从光波导100上表面出射，穿过间隙层101，入射到对应的菲涅尔透镜上，由于两者的位置关系，出射光以一定的倾斜角准直均匀出射。
如图3所示，本实施例中光波导(100)上一组具有对应关系的反射型微结构102和菲涅尔透镜作为的透镜元件103，反射型微结构(102)位于光波导下表面上，菲涅尔透镜位于光波导上表面上，菲涅尔透镜和光波导之间存在一空气间隙层101。光源阵列105发出的光束经过耦合组件104整形后进入光波导100，并在其中全内反射传输，光线C301是所述光束中的光线，光线C301在光波导100下表面的入射角α1满足：
Figure BDA0003621147550000041
式中，nair为空气折射率，nwaveguide为光波导折射率。
光线C301入射到反射型微结构102上，反射型微结构102面型根据入射到其上的入射光和设定的出射光的空间特性设计，可以为球面、非球面或者自由曲面，其反射光线A302经过反射型微结构102的调控，入射到光波导100上表面上，反射光线A302在光波导100上表面的入射角α2满足：
Figure BDA0003621147550000051
因此，反射光线A302可以脱离光波导100的全内反射，穿过空气间隙层101，入射到菲涅尔透镜上，菲涅尔透镜位于反射型微结构102的均匀照射区域之中；反射型微结构102位于菲涅尔透镜的焦平面，即光波导下表面(320)，但不位于透镜元件103的焦点上。因此出射光线A303并不会从菲涅尔透镜上垂直出射，而是与光波导100上表面的法线成一倾斜角α3。
同样，反射型微结构102上反射的反射光线B311，其反射光脱离全反射条件，穿过空气间隙层101，入射到菲涅尔透镜上，经过菲涅尔透镜出射光B312与出射光线A303具有相似的出射特性。由于反射型微结构102尺寸远小于菲涅尔透镜尺寸，因此从反射型微结构102上反射的光入射到菲涅尔透镜上，都具有相似的出射特性，其倾斜角亦为α3。
综上所述，本系统出射光可以以一定的倾斜角为α3准直均匀出射，提供高均匀度的定向白光照明。
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 (9)

1.一种用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，所述系统包括光波导(100)、反射型微结构阵列、透镜阵列、耦合组件(104)和光源阵列(105)，所述光源阵列(105)由若干光源(106)沿着一个方向排布而成；所述耦合组件(104)位于光源阵列(105)前面，并将光源阵列(105)的出射光束耦合进光波导(100)；所述反射型微结构阵列由反射型微结构(102)在光波导下表面(320)上行列排布而成；所述透镜阵列由透镜元件(103)行列排布而成，并位于光波导(100)上方；所述透镜元件(103)和反射型微结构(102)之间存在一一对应关系。
2.根据权利要求1所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，所述光源(106)为激光二极管或发光二极管。
3.根据权利要求1所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，所述耦合组件(104)根据光源阵列(105)出射光的空间特性设计，将出射光的发散角控制在较小范围内，并能够使出射光在光波导(100)内全内反射传输；耦合组件(104)为球面、柱面、非球面或自由曲面透镜；光源阵列(105)和耦合组件(104)设置在光波导侧边，或者被封装在耦合波导(107)中；所述耦合波导(107)位于光波导上表面的一端。
4.根据权利要求1所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，所述反射型微结构(102)的面型为球面、非球面或者自由曲面；反射型微结构(102)的结构面型由其入射光和设定的出射光的空间特性设计；光束经反射型微结构(102)后将被匀化和整形，同时反射光将不满足全内反射条件，并均匀的从光波导(100)上表面的一定区域上出射。
5.根据权利要求1所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，所述透镜阵列的透镜元件(103)可选择为菲涅尔透镜，其面型可以是球面、非球面或自由曲面，透镜元件(103)之间没有间隙，覆盖了光波导(100)上表面的全部使用区域；透镜阵列与光波导(100)上表面之间存在一间隙层(101)。
6.根据权利要求1所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，一组具有对应关系的透镜元件(103)和反射型微结构(102)，透镜元件(103)位于光束经反射型微结构(102)后在光波导(100)上表面产生的均匀照射区域之中，反射型微结构(102)位于透镜元件的焦平面，即光波导下表面(320)，以对入射光进行准直，反射型微结构(102)在焦平面上的具体位置将根据设定的出射倾斜角而定；光线经反射型微结构(102)后反射到光波导(100)上表面，由于光线光路发生了改变，这些光线不满足全反射条件，将从光波导(100)上表面出射，穿过间隙层，入射到对应的透镜元件(103)上，由于反射型微结构(102)和透镜元件(103)的位置关系，出射光以一定的倾斜角准直均匀出射。
7.根据权利要求1所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，不同位置处的反射型微结构(102)根据其上的入射光强度差异将设计有不同的密度、大小和面型结构，相应的，各反射型微结构(102)所对应的透镜元件(103)也设计有不同的密度和大小，以使出射光的具有均匀的强度分布。
8.根据权利要求3所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，所述耦合波导(107)是一个三棱柱的封装结构。
9.根据权利要求5所述的用于裸眼三维显示的波导型高均匀度定向背光系统，其特征在于，所述间隙层(101)为空气。
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