CN207833126U

CN207833126U - 3d显示装置

Info

Publication number: CN207833126U
Application number: CN201721210196.2U
Authority: CN
Inventors: 万文强; 乔文; 陈林森; 朱鸣; 黄文彬; 朱鹏飞; 浦东林; 周小红
Original assignee: Suzhou University; SVG Optronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou University; SVG Tech Group Co Ltd
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2027-09-19

Abstract

一种3D显示装置，包括背光结构、二维图像显示器二维图像显示器和光场调制器，二维图像显示器设置于背光结构与光场调制器之间,光场调制器设置于二维图像显示器的显示面前方。本实用新型的3D显示装置能解决由于匹配间隙，导致光场调制器中的纳米像素与二维图像显示器上的像素对准误差问题。

Description

3D显示装置

技术领域

本实用新型涉及3D显示技术领域，特别涉及一种3D显示装置。

背景技术

全息图是一种携带振幅与位相信息的图像，能真实再现三维信息，不产生视觉疲劳，立体效果与观察者的距离无关。全息显示的原理可概括为:全息图可在空间再现三维虚像或者三维实像，全息图上的每一点均在向空间各个方向传输信息，空间中的每一观察点均可看到整幅的图像。或者说，图像信息通过光场传输会聚在观察点上。因此，在空间不同观察点，应看到不同视角的整幅图像，相互不干扰。但是，数十年来，受到全息记录材料、信息量和技术工艺的限制，全息显示未能成为裸眼3D显示的主流。

视差原理实用新型已100多年，虽然国内外企业不断有3D显示的样机展示，但由于图像分辨率和视觉疲劳等问题的限制，裸眼3D显示一直未能真正进入消费领域。

基于衍射光学的3D显示技术，其方式是采用纳米光栅结构来调控每个视角，光线调控精确度高，串扰小，更符合人眼观看。该种纳米光栅结构设置于显示器(LCD)的下面，即纳米光栅结构位于显示器的入光侧。该种架构虽然很好的利用了纳米光栅的光场调控能力，能够很好的与显示器(LCD)结合起来，然而由于在3D显示装置组装过程中，纳米光栅像素需要与LCD上的像素对准，考虑到他们之间的空气间隙，对纳米光栅像素的分布要求是不均匀性的，同时由于组装过程中的不确定性因素，容易由于对准匹配的不确定性造成对准误差，导致显示图像出现串扰，影响显示效果，因此为了得到满足人眼观看的3D显示效果，加大了对准要求，很大程度上制约着其产业化的推广。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供了一种3D显示装置，能解决由于匹配间隙，导致光场调制器中的纳米像素与二维图像显示器上的像素对准误差问题。

本实用新型解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

一种3D显示装置，包括背光结构、二维图像显示器和光场调制器，该二维图像显示器设置于该背光结构与该光场调制器之间,该光场调制器设置于该二维图像显示器的显示面前方。

在本实用新型的较佳实施例中，上述光场调制器上设有多个像素阵列,各该像素阵列包括多个纳米光栅像素,各该像素阵列的像素相互嵌合设置,该像素阵列的各像素发出的光指向同一视点,每个该像素阵列具有不同视点。

在本实用新型的较佳实施例中，上述光场调制器的像素与该二维图像显示器的像素匹配设置。

在本实用新型的较佳实施例中，上述光场调制器的像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，该二维图像显示器的像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，该第一子像素、第二子像素和第三子像素分别与该红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素匹配设置。

在本实用新型的较佳实施例中，上述背光结构与该二维图像显示器匹配。

在本实用新型的较佳实施例中，上述背光结构包括光源和导光板。

在本实用新型的较佳实施例中，上述导光板包括波导和调控层，该光源发出的光进入该波导后，经该调控层出射。

在本实用新型的较佳实施例中，上述调控层设有微结构，该微结构对光线出射方向进行定向调控。

在本实用新型的较佳实施例中，上述调控层直接设于该波导上。

在本实用新型的较佳实施例中，上述调控层设于薄膜上，该薄膜贴合在该波导上。

在本实用新型的较佳实施例中，上述导光板的像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，该二维图像显示器的像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，该第一子像素、第二子像素和第三子像素分别与该红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素匹配设置。

在本实用新型的较佳实施例中，上述导光板包括第一导光层、第二导光层和第三导光层，该第二导光层设置于该第一导光层与该第三导光层之间，该第一子像素设置在该第一导光层上，该第二子像素设置在该第二导光层上，该第三子像素设置在该第三导光层上。

在本实用新型的较佳实施例中，上述第一导光层的第一子像素在该第二导光层上的投影位置与该第二子像素相互错开，该第三导光层的第三子像素在该第二导光层上的投影位置与该第一子像素的投影位置和该第二子像素相互错开。

在本实用新型的较佳实施例中，上述背光结构包括三种颜色的光源，该三种颜色的光源分别设置于该第一导光层、第二导光层和第三导光层的一侧。

本实用新型的3D显示装置的二维图像显示器设置于背光结构与光场调制器之间,光场调制器设置于二维图像显示器的显示面前方。本实用新型的3D显示装置由于光线先经过二维图像显示器后，二维图像显示器对光线的方向没有调制作用，只对光线的振幅进行调制，因此与二维图像显示器匹配的光场调制器解决了由于匹配间隙，导致光场调制器中的纳米像素与二维图像显示器上的像素对准误差问题。而且，本实用新型的3D显示装置由于结合了目前的LCD技术，能够实现白光照明下的彩色3D显示，更易于产业化推广。此外，由于光场调制器采用的是连续变空频的纳米光栅调制3D光场，能够实现光场聚焦效果，使视角分离的更加彻底，解决了由于串扰引起的视觉疲劳问题。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的3D显示装置的结构示意图。

图2是本实用新型的二维图像显示器和光场调制器与入射光的关系示意图。

图3是本实用新型的光场调制器的局部平面示意图。

图4是本实用新型的光场调制器的局部剖视示意图。

图5是本实用新型第二实施例的3D显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的3D显示装置的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下:

有关本实用新型的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

图1是本实用新型第一实施例的3D显示装置的结构示意图。如图1所示，在本实施例中，3D显示装置10包括背光结构12、二维图像显示器14和光场调制器16，二维图像显示器14设置于背光结构12与光场调制器16之间,光场调制器16设置于二维图像显示器14的显示面前方。

背光结构12用于向二维图像显示器14提供照明的入射光。在本实施例中，背光结构12包括发出入射光的光源122，该光源122可以为平行式背投光源，也可为点式背投光源，如图1所示。

图2是本实用新型的二维图像显示器和光场调制器与入射光的关系示意图。如图1和图2所示，在本实施例中，光源122发出的入射光倾斜照在二维图像显示器14上，即入射光线与二维图像显示器14的表面之间具有一定的夹角，该夹角的大小根据实际需要可自由选择。

二维图像显示器14包括阵列基板、彩膜基板和液晶层。液晶层设置于阵列基板与彩膜基板之间，且阵列基板位于靠近背光结构12的一侧。二维图像显示器14包括多个像素142，每个像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。在本实施例中，二维图像显示器14可时序显示多福图像。

光场调制器16上设有多个像素阵列,各像素阵列包括多个纳米光栅像素162,各像素阵列的像素相互嵌合设置,像素阵列的各像素发出的光指向同一视点,每个像素阵列具有不同视点。

图3是本实用新型的光场调制器的局部平面示意图。图4是本实用新型的光场调制器的局部剖视示意图。如图3和图4所示，定义光场调制器16平面内相互垂直的两个方向为第一方向X和第二方向Y；定义光场调制器16厚度方向为第三方向Z；其中，第三方向Z垂直于第一方向X和第二方向Y。在本实施例中，纳米光栅像素162的周期和取向角满足光栅方程，具体满足方程式(1)和(2)：

tanψ＝sinφ/(cosφ-nsinθ₁(Λ/λ)) (1)

其中，ψ表示衍射光的方位角；φ表示纳米光栅像素162的取向角；θ₁表示入射光的入射角；Λ表示纳米光栅像素162的周期；λ表示入射光的波长；n表示纳米光栅像素162的折射率；

sin²(θ₂)＝(λ/Λ)²+(nsinθ₁)²+2nsinθ₁cosφ(λ/Λ) (2)

其中，θ₂表示衍射光的衍射角。

请参照图3和图4，方位角ψ表示衍射光与第一方向X(正方向)的夹角；

衍射角θ₂表示衍射光与第三方向Z(正反向)的夹角；

取向角φ表示纳米光栅像素162的槽型方向与第二方向Y(正方向)的夹角；

入射角θ₁表示入射光与第一方向X(正方向)的夹角；

周期Λ表示相邻两个纳米光栅像素162之间的间距。

因此，在规定好入射光的波长λ、入射角θ₁以及衍射光的衍射角θ₂和衍射光的方位角ψ之后，就可以根据上述两个公式(1)和(2)计算出所需的纳米光栅像素162的周期Λ和取向角φ。例如，650nm波长λ的红光以60°的入射角θ₁入射，衍射光的衍射角θ₂为10°、衍射光的方位角ψ为45°，通过计算得出对应的纳米光栅像素162的周期Λ为550nm，取向角φ为-5.96°。

按照上述原理，在光场调制器16的表面制作出多个按需设定的不同取向角和周期的纳米光栅像素162后，就可以获得足够多的具有不同视点指向的光线，配合二维图像显示器14的图像颜色和灰度的控制，就能实现多视点下的裸眼3D显示。

在本实施例中，光场调制器16上布满了纳米光栅像素162，这些纳米光栅像素162实际是尺寸在微纳米级别的小点。这些许许多多的像素点形成了一个个像素阵列，各个像素阵列之间以有序或无序的方式将各自的像素彼此互相嵌合，并且每个像素阵列中的像素都是均匀分布在光场调制器16的表面上。其中，同一个像素阵列中的像素发出的光指向同一视点，不同像素阵列则具有不同的视角。需要指出的是，每一个像素阵列中的像素发出的光指向同一个视点，并非指的是同一个像素阵列中的像素光栅具有相同的衍射角，而是指这些光栅衍射出来的光指向同一个位置，人眼在这个位置可以看到同一个像素阵列中所有像素发出的光线。在像素阵列足够多的情况下，可以让这些像素阵列的视点呈现连续分布的效果，从而达到比如在0～50度之间的任意位置处都可以观察到3D影像。

光场调制器16的像素与二维图像显示器14的像素匹配设置，光场调制器16的像素162包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，二维图像显示器14的像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，第一子像素、第二子像素和第三子像素分别与红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素匹配设置。在本实施例中，定向光线经过二维图像显示器14后，光线方向没有发生变化，同时携带多视点图像信息入射到光场调制器16上，经过光场调制器16上的纳米光栅像素162调控，将不同视角图像分离，进而形成多视角3D光场分布。

图5是本实用新型第二实施例的3D显示装置的结构示意图。如图5所示，本实施例的3D显示装置10’与第一实施例的3D显示装置10的结构大致相同，不同点在于背光结构12’。

具体地，如图5所示，背光结构12’包括光源122和导光板123。光源122设置于导光板123的一侧。在本实施例中，导光板123包括波导和调控层，光源122发出的光进入波导后经过调控层出射。调控层上设有微结构(例如纳米光栅结构)，微结构对光线出射方向进行定向调控。值得一提的是，调控层可直接设置在波导上；调控层可间接设置在调控层上，优选地，在波导与调控层之间设置一层薄膜，将调控层设置于薄膜上，并将薄膜贴合在波导上，但并不以此为限。

进一步地，导光板123上设有多个像素阵列,各像素阵列包括多个纳米光栅像素,各像素阵列的像素相互嵌合设置,像素阵列的各像素发出的光指向同一视点,每个像素阵列具有不同视点。在本实施例中，导光板123的像素与光场调制器16的像素结构大致相同，即导光板123的纳米光栅像素的周期和取向角满足光栅方程，具体满足方程式(1)和(2)。

导光板123的像素与二维图像显示器14的像素匹配设置，导光板123的像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，二维图像显示器14的像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，第一子像素、第二子像素和第三子像分别与红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素匹配设置。在本实施例中，导光板123包括第一导光层124、第二导光层125和第三导光层126，第二导光层125设置于第一导光层124与第三导光层126之间，即第一导光层124、第二导光层125和第三导光层126相互堆叠形成，且第一导光层124靠近二维图像显示器14。第一子像素设置在第一导光层124上，第二子像素设置在第二导光层125上，第三子像素设置在第三导光层126上；第一导光层124的第一子像素在第二导光层125上的投影位置与第二子像素相互错开，第三导光层126的第三子像素在第二导光层125上的投影位置与第一子像素的投影位置和第二子像素相互错开。因此，本实用新型的导光板123能有效解决在同一像素中出现混光的问题。

在本实施例中，背光结构12’包括三种颜色的光源122，即红光光源122a、绿光光源122b、蓝光光源122c，其中红光光源122a设置于第一导光层124的一侧，绿光光源122b设置于第二导光层125的一侧，蓝光光源122c设置于第三导光层126的一侧。光源122发出的入射光进入导光板123后，光线在导光板123内传播，经过导光板123上的纳米光栅像素的调控后，光线以定向角度入射至二维图像显示器14，形成倾斜的，且相互平行的光线。由于背光结构12’包括三种颜色的光源122，因此二维图像显示器14中可不设置彩膜基板，能降低二维图像显示器14的厚度。

本实用新型的3D显示装置10、10’的二维图像显示器14设置于背光结构12、12’与光场调制器16之间,光场调制器16设置于二维图像显示器14的显示面上方，光场调制器16上设有多个像素阵列,各像素阵列包括多个纳米光栅像素162,各像素阵列的像素相互嵌合设置,像素阵列的各像素发出的光指向同一视点,每个像素阵列具有不同视点。本实用新型的3D显示装置10、10’由于光线先经过二维图像显示器14后，二维图像显示器14对光线的方向没有调制作用，只对光线的振幅进行调制，因此与二维图像显示器14匹配的光场调制器16上的纳米光栅像素162排列呈均匀性分布，解决了由于匹配间隙，导致光场调制器16中的纳米像素与二维图像显示器14上的像素对准误差问题。而且，本实用新型的3D显示装置10、10’由于结合了目前的LCD技术，能够实现白光照明下的彩色3D显示，更易于产业化推广。此外，由于光场调制器16采用的是连续变空频的纳米光栅调制3D光场，能够实现光场聚焦效果，使视角分离的更加彻底，解决了由于串扰引起的视觉疲劳问题。

还有，本实用新型的3D显示装置10’由于采用了定向波导式的背光结构12’照明,易于集成，形成便捷式移动显示设备。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims

1.一种3D显示装置，其特征在于，包括背光结构、二维图像显示器和光场调制器，该二维图像显示器设置于该背光结构与该光场调制器之间,该光场调制器设置于该二维图像显示器的显示面前方。

2.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，该光场调制器上设有多个像素阵列,各该像素阵列包括多个纳米光栅像素,各该像素阵列的像素相互嵌合设置,该像素阵列的各像素发出的光指向同一视点,每个该像素阵列具有不同视点。

3.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，该光场调制器的像素与该二维图像显示器的像素匹配设置。

4.如权利要求3所述的3D显示装置，其特征在于，该光场调制器的像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，该二维图像显示器的像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，该第一子像素、第二子像素和第三子像素分别与该红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素匹配设置。

5.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，该背光结构与该二维图像显示器匹配。

6.如权利要求1所述的3D显示装置，其特征在于，该背光结构包括光源和导光板。

7.如权利要求6所述的3D显示装置，其特征在于，该导光板包括波导和调控层，该光源发出的光进入该波导后，经该调控层出射。

8.如权利要求7所述的3D显示装置，其特征在于，该调控层设有微结构，该微结构对光线出射方向进行定向调控。

9.如权利要求7-8任一所述的3D显示装置，其特征在于，该调控层直接设于该波导上。

10.如权利要求7-8任一所述的3D显示装置，其特征在于，该调控层设于薄膜上，该薄膜贴合在该波导上。

11.如权利要求6所述的3D显示装置，其特征在于，该导光板的像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，该二维图像显示器的像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，该第一子像素、第二子像素和第三子像素分别与该红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素匹配设置。

12.如权利要求11所述的3D显示装置，其特征在于，该导光板包括第一导光层、第二导光层和第三导光层，该第二导光层设置于该第一导光层与该第三导光层之间，该第一子像素设置在该第一导光层上，该第二子像素设置在该第二导光层上，该第三子像素设置在该第三导光层上。

13.如权利要求12所述的3D显示装置，其特征在于，该第一导光层的第一子像素在该第二导光层上的投影位置与该第二子像素相互错开，该第三导光层的第三子像素在该第二导光层上的投影位置与该第一子像素的投影位置和该第二子像素相互错开。

14.如权利要求12所述的3D显示装置，其特征在于，该背光结构包括三种颜色的光源，该三种颜色的光源分别设置于该第一导光层、第二导光层和第三导光层的一侧。