CN210720893U

CN210720893U - 裸眼3d显示装置

Info

Publication number: CN210720893U
Application number: CN201921806076.8U
Authority: CN
Inventors: 张晨; 乔文; 钱小行; 范宸逸; 陈林森
Original assignee: Suzhou University; SVG Tech Group Co Ltd
Current assignee: Suzhou University; SVG Optronics Co Ltd; SVG Tech Group Co Ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2029-10-25

Abstract

一种裸眼3D显示装置，包括指向性背光模组、空间光调制器和位相板，空间光调制器设置在指向性背光模组上，位相板设置在空间光调制器上，指向性背光模组包括导光结构和光源，导光结构上设有耦入区域和耦出区域，耦入区域和耦出区域内均设有衍射光线的纳米结构，光源与该耦入区域对应设置，光源发出的光线从耦入区域进入导光结构，并从耦出区域出射至空间光调制器。本实用新型的裸眼3D显示装置的视角连续，无图像串扰，无视觉疲劳，可消除零级光，光利用效率高。

Description

裸眼3D显示装置

技术领域

本实用新型涉及3D显示技术领域，特别涉及一种裸眼3D显示装置。

背景技术

为了解决裸眼3D和(或)2D多视角显示中视角小、不连续，衍射效率低，视觉疲劳等问题——比如，基于视差原理的视障法与微柱透镜法的3D显示装置，将视障屏或者微柱透镜板覆盖在液晶显示LCD表面，视障屏或者柱透镜阵列将不同视角图像实现空间角度分离。

理论上，由于鬼影和杂散光难以消除，在人眼观察3D图像时，易引起视觉疲劳。同时由于上述方法对光线不能实现任意的调控，受杂散光的影响，通常视角间隔设置较大，视角不连贯，无法实现无跳跃的裸眼3D显示效果。同时现有裸眼3D显示装置的背光系统较大，不适合轻便化的需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种裸眼3D显示装置，视角连续，无图像串扰，无视觉疲劳，可消除零级光，光利用效率高。

一种裸眼3D显示装置，包括指向性背光模组、空间光调制器和位相板，空间光调制器设置在指向性背光模组上，位相板设置在空间光调制器上，指向性背光模组包括导光结构和光源，导光结构上设有耦入区域和耦出区域，耦入区域和耦出区域内均设有衍射光线的纳米结构，光源与该耦入区域对应设置，光源发出的光线从耦入区域进入导光结构，并从耦出区域出射至空间光调制器。

在本实用新型的实施例中，上述纳米结构为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。

在本实用新型的实施例中，上述光源为线光源，该导光结构为导光板，该耦入区域和该耦出区域位于该导光板的表面。

在本实用新型的实施例中，上述指向性背光模组还包括准直透镜，该准直透镜设置于该光源与该导光板之间，该光源发出的光线经过该准直透镜后入射至该耦入区域。

在本实用新型的实施例中，上述耦入区域的光栅取向与该耦出区域的光栅取向成45°夹角。

在本实用新型的实施例中，上述光源为点光源，该导光结构上还设有转折区域，该转折区域内设有衍射光线的纳米结构，该导光结构为导光板，该耦入区域、该耦出区域和该转折区域位于该导光板的表面，光线从该耦入区域全反射至该转折区域，该转折区域内的纳米结构改变光线的传播方向，使光线全反射至该耦出区域。

在本实用新型的实施例中，上述光源包括发射红光的第一点光源、发射绿光的第二点光源和发射蓝光的第三点光源，该导光结构包括三块该导光板，定义三块该导光板分别为第一导光板、第二导光板和第三导光板，该第一导光板、该第二导光板和该第三导光板依次堆叠设置，定义该第一导光板上的该耦入区域为第一耦入区域；定义该第二导光板上的该耦入区域为第二耦入区域；定义该第三导光板上的该耦入区域为第三耦入区域，该第一点光源与该第一导光板的该第一耦入区域对应设置，该第二点光源与该第二导光板的该第二耦入区域对应设置，该第三点光源与该第三导光板的该第三耦入区域对应设置。

在本实用新型的实施例中，上述光源包括第一点光源和第二点光源，该导光结构包括两块该导光板，定义两块该导光板分别为第一导光板和第二导光板，该第一导光板和该第二导光板堆叠设置，定义该第一导光板上的该耦入区域为第一耦入区域；定义该第二导光板上的该耦入区域为第二耦入区域；该第一点光源与该第一导光板的该第一耦入区域对应设置，该第二点光源与该第二导光板的该第二耦入区域对应设置。

在本实用新型的实施例中，上述光源用于发射白光，该导光结构包括三块该导光板，定义三块该导光板分别为第一导光板、第二导光板和第三导光板，该第一导光板、该第二导光板和该第三导光板依次堆叠设置，定义该第一导光板上的该耦入区域为第一耦入区域；定义该第二导光板上的该耦入区域为第二耦入区域；定义该第三导光板上的该耦入区域为第三耦入区域；该第二导光板位于该第一导光板的下方，该第三导光板位于该第二导光板的下方，且该第一导光板的该第一耦入区域与该第二导光板的该第二耦入区域对应设置，该第二导光板的该第二耦入区域与该第三导光板的该第三耦入区域对应设置，该指向性背光模组还包括第一滤光片和第二滤光片，该光源与该第一导光板的该第一耦入区域对应设置，该第一滤光片设置于该光源与该第一导光板的该第一耦入区域之间，该第二滤光片设置于该第二导光板的该第二耦入区域上方。

在本实用新型的实施例中，上述耦入区域的光栅取向与该转折区域的光栅取向成45°夹角；该转折区域的光栅取向与该耦出区域的光栅取向成45°夹角。

本实用新型的裸眼3D显示装置的视角连续，无图像串扰，无视觉疲劳。此外，本实用新型的裸眼3D显示装置可消除零级光，提高光利用效率。

附图说明

图1是本实用新型的裸眼3D显示装置的结构示意图。

图2是本实用新型的裸眼3D显示装置进行3D显示时的示意图。

图3是本实用新型第一实施例的指向性背光模组的结构示意图。

图4是本实用新型第二实施例的指向性背光模组的结构示意图。

图5是本实用新型第三实施例的指向性背光模组的结构示意图。

图6是本实用新型第四实施例的指向性背光模组的结构示意图。

图7是本实用新型第四实施例的指向性背光模组的结构示意图。

具体实施方式

第一实施例

图1是本实用新型的裸眼3D显示装置的结构示意图，图2是本实用新型的裸眼3D显示装置进行3D显示时的示意图，如图1和图2所示，裸眼3D显示装置包括指向性背光模组10、空间光调制器20和位相板30，空间光调制器20设置在指向性背光模组10上，位相板30设置在空间光调制器20上，其中指向性背光模组10用于为空间光调制器20提供指向性背光。值得一提的是，图2中仅示意出了四个视角，分别为视角A1、分别为视角A2、分别为视角A3、分别为视角A4，能在平面任意方向看到无视觉疲劳的清晰的裸眼3D和2D图像。

进一步地，空间光调制器20用于振幅调制，即加载多视角混合的图像信息；空间光调制器20包括显示面板、驱动电路、控制系统和软件控制等。根据具体应用领域需要，空间光调制器20可以实现单色或彩色显示。

进一步地，位相板30用于位相调制，即将指向性背光模组10照射来的平行光或点光源发散光进行光场变换，在空间中形成点阵、线阵或面阵的观察区域。位相板30含有像素式纳米结构，与空间光调制器20上视角图像的亚像素对应。位相板30上的像素所含纳米结构114可以是一维纳米光栅结构、二维纳米光栅结构，空间复用的纳米光栅结构，纳米光栅阵列结构或二元光学元件。在本实施例中，位相板30可通过现有的纳米压印技术工业化生产，制作工艺成熟，产品一致性容易保证，价格可控。

进一步地，图3是本实用新型第一实施例的指向性背光模组的结构示意图，如图3所示，指向性背光模组10包括导光结构11和光源12，导光结构11上设有耦入区域111和耦出区域112，耦入区域111与耦出区域112间隔设置，耦入区域111和耦出区域112内均设有衍射光线的纳米结构114，光源12与耦入区域111对应设置，光源12发出的光线从耦入区域111进入导光结构11，并从耦出区域112出射至空间光调制器20。在本实施例中，光线从耦入区域111进入导光结构11，并从耦出区域112出射，能够实现纵向或横向视场扩展，也就是说，本实用新型的裸眼3D显示装置在不增加显示信息量的情况下能够实现宽视角的多视角图像显示。

进一步地，纳米结构114为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。纳米结构114可采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成，根据实际需要可自由选择。在本实施例中，纳米结构114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-n sinθ₁(Λ/λ) (1)

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

sin²(θ₂)＝(λ/Λ)²+(n sinθ₁)²+2n sinθ₁cosφ(λ/Λ) (2)

其中，θ₂表示衍射光的衍射角。

当规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米结构114的周期和取向角，具体计算过程请参照现有技术，此处不再赘述。

进一步地，光源12为线光源，导光结构11为导光板115，耦入区域111和耦出区域112位于导光板115的表面。

进一步地，指向性背光模组10还包括准直透镜13，准直透镜13设置于光源12与导光板115之间，光源12发出的光线经过准直透镜13后入射至耦入区域111。在本实施例中，准直透镜13用以使入射至耦入区域111的光线入射角满足全反射的条件，提高了光利用率。

进一步地，耦入区域111的光栅取向与耦出区域112的光栅取向成45°夹角。

进一步地，耦入区域111和耦出区域112呈矩形，但并不以此为限。

本实用新型的指向性背光模组10的导光结构11由单块导光板115组成，指向性背光模组10轻薄，指向性背光模组10可集成在现有的平板、手机等屏幕上。而且，本实用新型的裸眼3D显示装置的视角连续，无图像串扰，无视觉疲劳。此外，本实用新型的裸眼3D显示装置可消除零级光，提高光利用效率。

第二实施例

图4是本实用新型第二实施例的指向性背光模组的结构示意图，如图4所示，本实施例的裸眼3D显示装置与第一实施例的裸眼3D显示装置结构大致相同，不同点在于指向性背光模组10不同。

具体地，光源12为点光源，导光结构11上还设有转折区域113，转折区域113内设有衍射光线的纳米结构114，导光结构11为导光板115，耦入区域111、耦出区域112和转折区域113位于导光板115的表面，光线从耦入区域111全反射至转折区域113，转折区域113内的纳米结构114改变光线的传播方向，使光线全反射至耦出区域112。在本实施例中，光线从耦入区域111进入导光结构11，在导光结构11内发生全反射至转折区域113，能够实现横向视场扩展，转折区域113内的纳米结构114改变光线的传播方向，使光线全反射至耦出区域112，能够实现纵向视场扩展，也就是说，光线在导光结构11内实现了两次视场扩展，使得本实用新型的裸眼3D显示装置在不增加显示信息量的情况下能够实现宽视角的多视角图像显示。

进一步地，纳米结构114为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。纳米结构114的周期和取向角满足光栅方程，具体参照第一实施例，此处不再赘述。

进一步地，耦入区域111的光栅取向与转折区域113的光栅取向成45°夹角；转折区域113的光栅取向与耦出区域112的光栅取向成45°夹角。

进一步地，耦入区域111呈圆形，转折区域113和耦出区域112呈矩形，但并不以此为限。

第三实施例

图5是本实用新型第三实施例的指向性背光模组的结构示意图，如图5所示，本实施例的裸眼3D显示装置与第二实施例的裸眼3D显示装置结构大致相同，不同点在于导光结构11不同。

具体地，光源12包括发射红光的第一点光源12a、发射绿光的第二点光源12b和发射蓝光的第三点光源12c，导光结构11包括三块导光板115，定义三块导光板115分别为第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c，第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c依次堆叠设置，第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c的表面均设有耦入区域111、耦出区域112和转折区域113，具体请参照第二实施例。定义第一导光板115a上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第一耦入区域111a、第一耦出区域112a和第一转折区域113a；定义第二导光板115b上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第二耦入区域111b、第二耦出区域112b和第二转折区域113b；定义第三导光板115c上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第三耦入区域111c、第三耦出区域112c和第三转折区域113c。第一点光源12a与第一导光板115a的第一耦入区域111a对应设置，第二点光源12b与第二导光板115b的第二耦入区域111b对应设置，第三点光源12c与第三导光板115c的第三耦入区域111c对应设置。在本实施例中，第一导光板115a靠近空间光调制器20设置，第二导光板115b设置于第一导光板115a的下方，第三导光板115c设置于第二导光板115b的下方。

进一步地，红、绿、蓝(RGB)三色图像光线分别进入第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c的第一耦入区域111a、第二耦出区域112b和第三耦出区域112c，发生衍射，衍射光在第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c内发生全反射,经第一转折区域113a、第二耦入区域111b和第三耦入区域111c衍射，弯折后传入第一耦出区域112a、第二耦出区域112b和第三转折区域113c，再经第一耦出区域112a、第二耦出区域112b和第三转折区域113c的纳米结构114后射出指向性光线，之后红、绿、蓝光线再叠合，可提高光线的白平衡和照明均匀度。

第四实施例

图6是本实用新型第四实施例的指向性背光模组的结构示意图，如图6所示，本实施例的裸眼3D显示装置与第二实施例的裸眼3D显示装置结构大致相同，不同点在于导光结构11不同。

具体地，光源12包括第一点光源12a和第二点光源12b，导光结构11包括两块导光板115，定义两块导光板115分别为第一导光板115a和第二导光板115b，第一导光板115a和第二导光板115b堆叠设置，第一导光板115a和第二导光板115b的表面均设有耦入区域111、耦出区域112和转折区域113，具体请参照第二实施例。定义第一导光板115a上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第一耦入区域111a、第一耦出区域112a和第一转折区域113a；定义第二导光板115b上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第二耦入区域111b、第二耦出区域112b和第二转折区域113b。第一点光源12a与第一导光板115a的第一耦入区域111a对应设置，第二点光源12b与第二导光板115b的第二耦入区域111b对应设置。在本实施例中，第一导光板115a靠近空间光调制器20设置，第二导光板115b设置于第一导光板115a的下方。

优选一，第一点光源12a发出红光，第二点光源12b发绿光和/或蓝光。

进一步地，红、绿、蓝(RGB)三色图像光线分别进入第一导光板115a和第二导光板115b的第一耦入区域111a和第二耦入区域111b，发生衍射，衍射光在第一导光板115a和第二导光板115b内发生全反射,经第一转折区域113a和第二转折区域113b衍射，弯折后传入第一耦出区域112a和第二耦出区域112b，再经第一耦出区域112a和第二耦出区域112b的纳米结构114后射出指向性光线，之后红、绿、蓝光线再叠合，可提高光线的白平衡和照明均匀度,同时相较于第三实施例的指向性背光模组10更轻薄化。

第五实施例

图7是本实用新型第四实施例的指向性背光模组的结构示意图，如图7所示，本实施例的裸眼3D显示装置与第二实施例的裸眼3D显示装置结构大致相同，不同点在于指向性背光模组10不同。

具体地，光源12用于发射白光，导光结构11包括三块导光板115，定义三块导光板115分别为第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c，第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c依次堆叠设置，第一导光板115a、第二导光板115b和第三导光板115c的表面均设有耦入区域111、耦出区域112和转折区域113，具体请参照第二实施例。定义第一导光板115a上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第一耦入区域111a、第一耦出区域112a和第一转折区域113a；定义第二导光板115b上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第二耦入区域111b、第二耦出区域112b和第二转折区域113b；定义第三导光板115c上的耦入区域111、耦出区域112和转折区域113分别为第三耦入区域111c、第三耦出区域112c和第三转折区域113c。第二导光板115b位于第一导光板115a的下方，第三导光板115c位于第二导光板115b的下方，且第一导光板115a的第一耦入区域111a与第二导光板115b的第二耦入区域111b对应设置，第二导光板115b的第二耦入区域111b与第三导光板115c的第三耦入区域111c对应设置，优选地，第一导光板115a的第一耦入区域111a位于第二导光板115b上的正投影覆盖第二导光板115b的第二耦入区域111b,第二导光板115b的第二耦入区域111b位于第三导光板115c上的正投影覆盖第三导光板115c的第三耦入区域111c。指向性背光模组10还包括第一滤光片14和第二滤光片15，光源12与第一导光板115a的第一耦入区域111a对应设置，第一滤光片14设置于光源12与第一导光板115a的第一耦入区域111a之间，第二滤光片15设置于第二导光板115b的第二耦入区域111b上方。

进一步地，第一导光板115a的第一耦入区域111a内的纳米结构114周期与红光的波长匹配，即纳米结构114仅针对红光衍射后满足全反射条件，绿光和蓝光可透过第一导光板115a；第二导光板115b的第二耦入区域111b内的纳米结构114周期与绿光的波长匹配，即纳米结构114仅针对绿光衍射后满足全反射条件，蓝光可透过第二导光板115b；第三导光板115c的第三耦入区域111c内的纳米结构114周期与蓝光的波长匹配，即纳米结构114仅针对蓝光实现衍射后满足全反射条件。在本实施例中，光源12发出的白光经过第一滤光片14后入射至第一导光板115a的第一耦入区域111a，红光在第一导光板115a内发生全反射，绿光和蓝光透过第一导光板115a；绿光和蓝光经过第二滤光片15后入射至第二导光板115b的第二耦入区域111b，绿光在第二导光板115b内发生全反射，蓝光透过第二导光板115b；蓝光入射至第三导光板115c的第三耦入区域111c，蓝光在第三导光板115c内发生全反射。

本实用新型的裸眼3D显示装置视场角大，能在平面任意方向看到无视觉疲劳的清晰的裸眼3D和2D图像，达到宽视角效果。

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

1.一种裸眼3D显示装置，其特征在于，包括指向性背光模组、空间光调制器和位相板，该空间光调制器设置在该指向性背光模组上，该位相板设置在该空间光调制器上，该指向性背光模组包括导光结构和光源，该导光结构上设有耦入区域和耦出区域，该耦入区域和该耦出区域内均设有衍射光线的纳米结构，该光源与该耦入区域对应设置，该光源发出的光线从该耦入区域进入该导光结构，并从该耦出区域出射至该空间光调制器。

2.如权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该纳米结构为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。

3.如权利要求2所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该光源为线光源，该导光结构为导光板，该耦入区域和该耦出区域位于该导光板的表面。

4.如权利要求3所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该指向性背光模组还包括准直透镜，该准直透镜设置于该光源与该导光板之间，该光源发出的光线经过该准直透镜后入射至该耦入区域。

5.如权利要求3所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该耦入区域的光栅取向与该耦出区域的光栅取向成45°夹角。

6.如权利要求2所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该光源为点光源，该导光结构上还设有转折区域，该转折区域内设有衍射光线的纳米结构，该导光结构为导光板，该耦入区域、该耦出区域和该转折区域位于该导光板的表面，光线从该耦入区域全反射至该转折区域，该转折区域内的纳米结构改变光线的传播方向，使光线全反射至该耦出区域。

7.如权利要求6所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该光源包括发射红光的第一点光源、发射绿光的第二点光源和发射蓝光的第三点光源，该导光结构包括三块该导光板，定义三块该导光板分别为第一导光板、第二导光板和第三导光板，该第一导光板、该第二导光板和该第三导光板依次堆叠设置，定义该第一导光板上的该耦入区域为第一耦入区域；定义该第二导光板上的该耦入区域为第二耦入区域；定义该第三导光板上的该耦入区域为第三耦入区域，该第一点光源与该第一导光板的该第一耦入区域对应设置，该第二点光源与该第二导光板的该第二耦入区域对应设置，该第三点光源与该第三导光板的该第三耦入区域对应设置。

8.如权利要求6所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该光源包括第一点光源和第二点光源，该导光结构包括两块该导光板，定义两块该导光板分别为第一导光板和第二导光板，该第一导光板和该第二导光板堆叠设置，定义该第一导光板上的该耦入区域为第一耦入区域；定义该第二导光板上的该耦入区域为第二耦入区域；该第一点光源与该第一导光板的该第一耦入区域对应设置，该第二点光源与该第二导光板的该第二耦入区域对应设置。

9.如权利要求6所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该光源用于发射白光，该导光结构包括三块该导光板，定义三块该导光板分别为第一导光板、第二导光板和第三导光板，该第一导光板、该第二导光板和该第三导光板依次堆叠设置，定义该第一导光板上的该耦入区域为第一耦入区域；定义该第二导光板上的该耦入区域为第二耦入区域；定义该第三导光板上的该耦入区域为第三耦入区域；该第二导光板位于该第一导光板的下方，该第三导光板位于该第二导光板的下方，且该第一导光板的该第一耦入区域与该第二导光板的该第二耦入区域对应设置，该第二导光板的该第二耦入区域与该第三导光板的该第三耦入区域对应设置，该指向性背光模组还包括第一滤光片和第二滤光片，该光源与该第一导光板的该第一耦入区域对应设置，该第一滤光片设置于该光源与该第一导光板的该第一耦入区域之间，该第二滤光片设置于该第二导光板的该第二耦入区域上方。

10.如权利要求6所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，该耦入区域的光栅取向与该转折区域的光栅取向成45°夹角；该转折区域的光栅取向与该耦出区域的光栅取向成45°夹角。