CN116300132A - 光场显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光场显示装置，包括显示面板，具有阵列排布的多个子像素，用于发出具有不同图像信息的多种光线；第一光学元件，位于所述显示面板的出光侧，用于使得所述显示面板发出的多种光线形成可以单眼聚焦的多个虚拟视点；第二光学元件，设置于所述第一光学元件远离所述显示面板的一侧，用于对从所述第一光学元件出射的光线进行调制，形成进入人眼的多个视点，以提高所述视点的分辨率。

Description

光场显示装置

技术领域

本发明涉及显示产品制作技术领域，尤其涉及一种光场显示装置。

背景技术

当前近眼显示中，3D物体是通过向用户的左右眼分别显示不同的图像而形成立体视觉，而基于人眼立体视觉形成的3D显示会导致辐辏冲突问题，辐辏冲突会导致视觉疲劳和眩晕问题，如何解决辐辏冲突问题成为亟待解决的问题。通过单眼光场显示可以解决这一问题，但是分辨率较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光场显示装置，解决如何在解决辐辏冲突问题的同时提高分辨率的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：一种光场显示装置，其特征在于，包括

显示面板，具有阵列排布的多个子像素，用于发出具有不同图像信息的多种光线；

第一光学元件，位于所述显示面板的出光侧，用于使得所述显示面板发出的多种光线形成可以单眼聚焦的多个虚拟视点；

第二光学元件，设置于所述第一光学元件远离所述显示面板的一侧，用于对从所述第一光学元件出射的光线进行调制，形成进入人眼的多个视点，以提高所述视点的分辨率。

可选的，所述第二光学元件为透镜，所述透镜的焦距F由以下公式获得：

其中，FOV为视场角，PanelSize为与视场角的方向相平行的方向上的所述显示面板的长度。

可选的，所述透镜可以为球面透镜、非球面透镜、折叠光路透镜或菲涅尔透镜。

可选的，所述第一光学元件包括微透镜阵列。

可选的，所述第一光学元件包括在所述显示面板的出光方向上相叠置的第一柱透镜单元和第二柱透镜单元，所述第一柱透镜单元包括沿第一方向排布的多个柱透镜，所述第二柱透镜单元包括沿第二方向排布的多个柱透镜，所述第一方向和所述第二方向之间具有夹角。

可选的，所述第一光学元件包括微透镜阵列时，所述微透镜阵列中的微透镜的视场角θ满足如下公式：

所述第一光学元件包括在所述显示面板的出光方向上相叠置的第一柱透镜单元和第二柱透镜单元，所述第一柱透镜单元包括沿第一方向排布的多个柱透镜，所述第二柱透镜单元包括沿第二方向排布的多个柱透镜时，所述柱透镜的视场角θ满足如下公式：

可选的，所述微透镜的口径D＝n*p，其中n为视点数量，p为子像素的间距。

可选的，所述微透镜的焦距f依据以下公式确定：

其中，θ为所述微透镜或所述柱透镜的视场角，D为所述微透镜的口径；

所述显示面板与所述微透镜或柱透镜之间的间距为所述微透镜或所述柱透镜的焦距。

可选的，所述第一柱透镜单元或所述第二柱透镜单元和所述透镜之间的距离a，满足以下公式：

其中，F为所述透镜的焦距，b为所述第一柱透镜单元或所述第二柱透镜单元对应的景深，b值位于500-1500mm之间。

可选的，单个所述视点的直径小于相邻两个所述视点之间的间距。

本发明的有益效果是：通过所述第一光学元件的设置可以时间单眼聚焦一解决辐辏冲突问题，所述第一光学元件和所述第二光学元件可以提高进入人员的视点的分辨率。

附图说明

图1表示发生辐辏冲突的示意图；

图2表示像点和焦点在同一位置而不产生辐辏冲突的示意图；

图3表示本发明实施例中的光场显示装置的结构示意图一；

图4表示本发明实施例中的光场显示装置的结构示意图二；

图5表示本发明实施例中的光路示意图；

图6表示视点数量、视点在人眼中的光斑的尺寸、相邻光斑之间的间距之间的关系示意图；

图7表示第一柱透镜单元的景深和第一柱透镜单元与透镜之间的距离的关系，以及第二柱透镜单元的景深和第二柱透镜单元与透镜之间的距离的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

辐辏功能会将双眼的视线会聚到同一物体上，同时调焦功能也会在相同距离上对这一物体进行对焦。久而久之，大脑已经习惯了视线和焦点总是会处于同一位置的这种规律。然而在看3D电影的时候，观众与屏幕之间的距离是不变的，所以焦距也就无法改变。这就导致调焦功能无法像日常那样，跟随辐辏功能在相同距离上进行对焦。进而打破了存在已久的规律，使辐辏和调焦的位置发生了分离，这就是辐辏调节冲突。由于辐辏调节冲突，大脑必须去被迫合成视线和焦点不在同一位置的信息，因此会使大脑发生混乱，长时间还会出现视疲劳、眩晕、头痛等不良反应。参考图1，左眼观看屏幕实际发光点A，右眼观看屏幕实际发光点B，左右眼融合的像点是M，左右眼本身的聚焦位置与融合位置不同，产生聚焦辐辏冲突。

解决辐辏冲突可以通过单眼光场实现，使得像点和焦点重合，参考图2，左眼观看像点M，通过显示面板上的两个像素实现融合(两个视点)，右眼观看像点N，通过显示面板上的两个像素实现融合(两个视点)，左右眼分别聚焦像点M和N，因此不产生辐辏冲突。但是，一种是指基于微透镜阵列实现的光场显示方案，主要是利用微透镜阵列把显示面板上的每个像素发出的光线准直成一根光线，产生一个光线场，用这个光线场来模拟还原真实世界中的无数条光线，来实现光场显示。由于还原的光线数量越多，显示效果才会越好，但是显示面板的分辨率越高，才能够实现还原的光线数量越多，因此，这种光场显示方案要求显示面板具有很高的分辨率。再者，由于每根光线都是经过微透镜准直得到的，也就是说，光线的直径即为微透镜的口径，则显示面板所显示的二维图像的分辨率也为微透镜的口径，使得这种技术的显示分辨率不高，立体显示效果较差。

针对上述问题，本实施例提供一种光场显示装置，其特征在于，包括

显示面板，具有阵列排布的多个子像素，用于发出具有不同图像信息的多种光线；

第一光学元件，位于所述显示面板的出光侧，用于使得所述显示面板发出的多种光线形成可以单眼聚焦的多个虚拟视点；

第二光学元件，设置于所述第一光学元件远离所述显示面板的一侧，用于对从所述第一光学元件出射的光线进行调制，形成进入人眼的多个视点，以提高所述视点的分辨率。

通过所述第一光学元件形成可以单眼聚焦的多个虚拟视点，即，一个瞳孔即可获得具有三维显示效果的至少两个图像，能够使得一个瞳孔对通过该瞳孔可视范围内的至少两个视点所获取的至少两个图像的聚焦距离，与两个瞳孔分别通过对应瞳孔可视范围内的至少两个视点获取具有三维效果的图像时的视线汇聚距离一致，从而解决视差3D技术中，观察者眩晕和不适的问题。并通过所述第一光学元件和所述第二光学元件相配合，提高进入人眼的视点的分辨率。

在一种示例性实施方式中，显示面板可以包括但不限于为：液晶显示(L i q uidCrystal Display，LCD)面板、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示面板、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)显示面板、量子点发光二极管(QuantumDot Light Emitting Diodes，QLED)显示面板和数字光处理(Digital LightProcessing，DLP)显示面板中的任意一种。当然，显示面板还可以为其它显示面板，例如，微型发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，Micro LED)显示面板、次毫米发光发光二极管(MiniLight-Emitting Diode，Mini LED)显示面板、微型有机发光二极管(Micro OLED)显示面板或者硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)显示面板等。这里，本公开实施例对显示面板的类型不做限定，可任意设置。

在一种示例性实施方式中，所述第一光学元件为微透镜阵列，微透镜可以为球面透镜、非球面透镜、Pancake折叠光路透镜或菲涅尔透镜。微透镜采用的片数与面型依据软件优化设定。

参考图3和图4，在一种示例性的实施方式中，所述第一光学元件为在所述显示面板的出光方向上相叠置的第一柱透镜单元4和第二柱透镜单元6，所述第一柱透镜单元4包括沿第一方向排布的多个柱透镜，所述第二柱透镜单元6包括沿第二方向排布的多个柱透镜，所述第一方向和所述第二方向之间具有夹角。

示例性的，所述第一方向和所述第二方向相垂直，所述第一柱透镜单元4中的柱透镜沿着与所述第一方向相垂直的方向延伸设置，所述第二柱透镜单元6中的柱透镜沿着与所述第二方向相垂直的方向延伸设置。示例性的，所述第一柱透镜单元4用于对沿着第一方向排布的子像素进行准直，并形成可单眼聚焦的虚拟视点。所述第二柱透镜单元6用于对沿着第二方向排布的子像素进行准直，并形成可单眼聚焦的虚拟视点。

在一示例性的实施方式中，所述第二光学元件9为透镜，所述透镜可以为球面透镜、非球面透镜、Pancake折叠光路透镜或菲涅尔透镜。

在一示例性的实施方式中，所述显示面板为OLED柔性显示面板，包括采用硅材料制成的基底1，基底1上设置有TFT阵列基板2，TFT阵列基板2上形成有RGB彩色发光层3，发光层3远离所述基底1的一侧设置有封装层7，所述封装层7远离所述基底1的一侧叠置有所述第一柱透镜单元4、所述第二柱透镜单元6和所述透镜(即所述第二光学元件9)，所述第一柱透镜单元4和所述第二柱透镜单元6之间填充有OC平坦层5，所述透镜和所述第二柱透镜单元6之间设置有透明隔垫层8，所述透明隔垫层8可以采用透明玻璃制成，但并不以此为限。所述透镜可以覆盖所述第一柱透镜单元4中的至少一个柱透镜，以及所述第二柱透镜单元6中的至少一个柱透镜，示例性的，所述光场显示装置中设置了一个所述透镜，即所述透镜全面覆盖所述第一柱透镜单元4以及所述第二柱透镜单元6，但并不以此为限。

示例性的，所述第二光学元件9为透镜，所述透镜的焦距F由以下公式获得：

其中，FOV为视场角，PanelSize为与视场角的方向相平行的方向上的所述显示面板的长度。

一示例性的实施方式中，视场角为60度，显示面板的尺寸为0.9inch(即显示面板的对角线长度＝22.86mm)，显示面板在所述第一方向上的宽度为16.1mm(即PanelSize为16.1mm)，则对应的所述透镜的焦距为14mm。

从图5中可知，所述第二光学元件9对从所述第一光学元件出射的光线进行了收敛，所述第一光学元件形成的虚拟视点与所述第二光学元件9之间的距离为L′，所述的第二光学元件形成的进入人眼30的视点与所述第二光学元件之间的距离为Ie，明显的，L′大于Ie，且从图5中可获得，所述第一光学元件形成的3个虚拟视点的所占的区域的宽度为E，所述第二光学元件形成的3个进入人眼30的视点的所占的区域的宽度为e，明显的E大于e，即缩小了相邻视点之间的距离，增加了进入人眼的视点的数量，从而提高了分辨率，提供了更多的景深。

示例性的，所述微透镜或所述柱透镜的视场角θ满足如下公式：

示例性的，所述微透镜的口径D＝n*p，其中n为视点数量，p为子像素的间距。

需要说明的是，所述第一光学元件为叠置的第一柱透镜单元4和第二柱透镜单元6时，D为所述第一柱透镜单元4中的柱透镜或者所述第二柱透镜单元6中的柱透镜的宽度。

所述显示面板的尺寸为0.9inch，分辨率为3840*3840。所述显示面板上的子像素尺寸为2.8*2.1um，像素开口率30％；为使得单个eye box(即眼盒，是指光学显示装置与眼球之间的一块锥形区域，也是显示内容最清晰的区域)内有尽可能多的视点数，以提供更多的景深面，需保证单个视点的入眼光斑小于相邻两个光斑之间的间距，一些实施方式中优选视点数为2～20个视点数，参考图6，图6中横坐标为视点数量，纵坐标为数值大小，曲线100为相邻视点在人眼形成的光斑的间距的大小，曲线200是视点在人眼形成的光斑的大小。

示例性的，单眼形成的视点的数量为5，所述透镜的焦距为10mm，eye box为4mm，则所述微透镜或所述柱透镜的口径D＝5*2.8＝14um。

示例性的，所述微透镜的焦距f依据以下公式确定：

其中，θ为所述微透镜或所述柱透镜的视场角，D为所述微透镜的口径；

所述显示面板与所述微透镜或柱透镜之间的间距为所述微透镜或所述柱透镜的焦距。

需要说明的是，所述第一光学元件为叠置的第一柱透镜单元4和第二柱透镜单元6时，所述第一柱透镜单元4或所述的第二柱透镜单元6中的柱透镜的焦距f依据以下公式确定：

其中，θ为所述微透镜或所述柱透镜的视场角，D为所述柱透镜的宽度。

示例性的，当所述第一光学元件为微透镜阵列时，所述显示面板的出光面与所述第一光学元件之间的距离为微透镜的焦距，当所述第一光学元件为叠置的第一柱透镜单元4和第二柱透镜单元6时，所述显示面板的出光面与靠近所述显示面板设置的第一柱透镜单元4之间的距离为所述第一柱透镜单元4的焦距。

需要说明的是，所述显示面板与所述第一光学元件之间的介质为空气时，所述显示面板与所述第一光学元件之间的距离则为f，若所述介质不是空气，则所述显示面板与所述第一光学元件之间的距离为2f/n，n为介质的折射率。

在一示例性的实施方式中，第一柱透镜单元4中的柱透镜的焦距f为35um，所述显示面板与所述第一光学元件之间的介质为OC(光学胶)，光学胶的折射率为1.6。

示例性的，通过所述第一柱透镜单元4或所述第二柱透镜单元6的柱透镜的焦距，可以确定所述柱透镜的曲率半径，结合所述柱透镜的口径，可以确定所述柱透镜的拱高。具体如下：

目前常用柱透镜的材料的折射率约为1.62，单个透镜的焦距公式

由于柱透镜只有一面有曲率，另外一个面为平面，即曲率半径R2无穷大，单个柱透镜的焦距公式可以简化为：r＝f*Δn＝35*0.62＝21.7um，则柱透镜的曲率半径r(即R1)为21.7um。

若所述柱透镜口径D为14um，拱高H＝r-(r^2-(D/2)^2)^0.5，则所述柱透镜的拱高为1.2um。设定所述第一柱透镜单元4和所述第二柱透镜单元6之间的平坦层5的厚度为2um，远离所述显示面板的第二柱透镜单元6的等效放置高度为第二柱透镜单元6的高度+平坦层5的厚度+第一柱透镜单元4的等效放置高度＝1.62*1.2+1.6*2+35＝40.144um(第一柱透镜单元4的等效放置高度为35um，平坦层的折射率为1.6，所述第二柱透镜单元6中的柱透镜的折射率为1.62)，则第二柱透镜单元6的等效放置高度为40.144um。

示例性的，第二柱透镜单元6优选折射率低的材料，如1.5的折射率，第二柱透镜单元6中的柱透镜的口径与第一柱透镜单元4的柱透镜口径一致为14um，则对应的曲率半径为20.072um，拱高为1.26um，计算过程同上。

示例性的，所述第一柱透镜单元4或所述第二柱透镜单元6和所述透镜之间的距离a(即图5中的I_d，图5中的I_p表示所述透镜与显示面板之间的距离)，满足以下公式：

其中，F为所述透镜的焦距，b为所述第一柱透镜单元4或所述第二柱透镜单元6对应的景深，b值位于500-1500mm之间。

需要说明的是，由于所述第一柱透镜单元4和所述第二柱透镜单元6是叠置设置，因此，所述第一柱透镜单元4与所述透镜之间的距离，和所述第二柱透镜单元6与所述透镜之间的距离是不一样的，此时需考虑所述第一柱透镜单元4调制光线获得的景深面和所述第二柱透镜单元6调制光线获得的景深面，为使得所述第一柱透镜单元4调制光线获得的景深面和所述第二柱透镜单元6调制光线获得的景深面的差值尽可能小，优选的景深范围为500mm～1500mm。

假设所述透镜与所述第二柱透镜单元6之间的距离a，所述透镜与所述第一柱透镜单元4之间的距离a′，a和a′之间的差值与a的差值较大时，所述第一柱透镜单元4和所述第二柱透镜单元6之间的距离可忽略不计。示例性的，a值位于13.63mm～13.87mm之间，a和a′之间的差值为5um，但并不以此为限。图7表示出了所述第一柱透镜单元4的景深和所述第一柱透镜单元4与所述透镜之间的距离的关系，以及所述第二柱透镜的景深和所述第二柱透镜单元6与所述透镜之间的距离的关系，图7中横坐标为所述第一柱透镜单元4或所述第二柱透镜单元6与所述透镜之间的距离，纵坐标表示所述第一柱透镜单元4或所述第二柱透镜单元6对应的景深，曲线300为第二柱透镜单元6的景深和第二柱透镜单元6与所述透镜之间的距离的关系，曲线400为第一柱透镜单元4的景深和第一柱透镜单元4与所述透镜之间的距离的关系。

示例性的，所述第二光学元件9采用透镜时，所述透镜的口径

其中，Eye relief指眼睛到光场显示装置之间的距离，FOV为所述透镜的视场角。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光场显示装置，其特征在于，包括

显示面板，具有阵列排布的多个子像素，用于发出具有不同图像信息的多种光线；

第一光学元件，位于所述显示面板的出光侧，用于使得所述显示面板发出的多种光线形成可以单眼聚焦的多个虚拟视点；

第二光学元件，设置于所述第一光学元件远离所述显示面板的一侧，用于对从所述第一光学元件出射的光线进行调制，形成进入人眼的多个视点，以提高所述视点的分辨率。

2.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，所述第二光学元件为透镜，所述透镜的焦距F由以下公式获得：

其中，FOV为视场角，PanelSize为与视场角的方向相平行的方向上的所述显示面板的长度。

3.根据权利要求2所述的光场显示装置，其特征在于，所述透镜可以为球面透镜、非球面透镜、折叠光路透镜或菲涅尔透镜。

4.根据权利要求2所述的光场显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括微透镜阵列。

5.根据权利要求2所述的光场显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括在所述显示面板的出光方向上相叠置的第一柱透镜单元和第二柱透镜单元，所述第一柱透镜单元包括沿第一方向排布的多个柱透镜，所述第二柱透镜单元包括沿第二方向排布的多个柱透镜，所述第一方向和所述第二方向之间具有夹角。

6.根据权利要求4或5所述的光场显示装置，其特征在于，所述第一光学元件包括微透镜阵列时，所述微透镜阵列中的微透镜的视场角θ满足如下公式：

所述第一光学元件包括在所述显示面板的出光方向上相叠置的第一柱透镜单元和第二柱透镜单元，所述第一柱透镜单元包括沿第一方向排布的多个柱透镜，所述第二柱透镜单元包括沿第二方向排布的多个柱透镜时，所述柱透镜的视场角θ满足如下公式：

7.根据权利要求6所述的光场显示装置，其特征在于，所述微透镜的口径D＝n*p，其中n为视点数量，p为子像素的间距。

8.根据权利要求7所述的光场显示装置，其特征在于，所述微透镜的焦距f依据以下公式确定：

其中，θ为所述微透镜的视场角，D为所述微透镜的口径；

所述显示面板与所述微透镜或柱透镜之间的间距为所述微透镜或所述柱透镜的焦距。

9.根据权利要求5所述的光场显示装置，其特征在于，所述第一柱透镜单元或所述第二柱透镜单元和所述透镜之间的距离a，满足以下公式：

其中，F为所述透镜的焦距，b为所述第一柱透镜单元或所述第二柱透镜单元对应的景深，b值位于500-1500mm之间。

10.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，单个所述视点的直径小于相邻两个所述视点之间的间距。

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