CN210864221U - 三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三维显示装置，包括：指向性背光装置，用于将光源发出的光线偏转至特定方向；透明液晶显示面板，用于对接收到的光线进行振幅调制，并加载多视角视差图像；相位板，用于将接收到的不同视角的物体图像投射至不同的目标区域；其中，所述相位板为具有纳米结构的相位板或像素化的谐衍射透镜。通过将相位板设置成具有纳米结构的相位板或像素化的谐衍射透镜，使得其能将接收到的不同视角的物体图像投射至不同的目标区域；相位板与透明液晶显示面板的结合，实现在不同目标区域观察到不同视角的物体图像的同时，还能观察到液晶显示面板后方的物体，具有体积薄等优点，实现优良的虚实融合的三维显示技术。

Description

三维显示装置

技术领域

本实用新型涉及一种三维显示装置，属于显示技术领域。

背景技术

目前，3D显示技术处于蓬勃发展阶段，各种3D显示技术的光学方案层出不穷，为3D显示的普及奠定了基础。传统的3D显示技术需要借助辅助设备才能看到立体图像，限制自由性，裸眼3D技术则对此做出了改进。同时，透明显示技术因透明这一特点得到广泛的关注。

透明液晶显示是指观察者不仅能看到显示面板上的内容，同时还能看到显示面板背后的景象。目前，这种透明液晶显示面板得到广泛的应用，例如可以应用在商场的展示窗和汽车的窗户，也可以应用在小型设备上，如平板电脑等。

但是现有裸眼3D技术具有诸多缺点，如基于柱状透镜、屏障法、集成光学等方法实现的裸眼3D显示无法看见显示器遮挡的真实物体，实现虚实融合效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种在不增加显示信息量的情况下实现宽视角的多视角图像显示、且能够实现优良的虚实融合的三维显示装置。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种三维显示装置，包括：

指向性背光装置，至少部分所述指向性背光装置的材料为透明材质，用于将光源发出的光线偏转至特定方向；

透明液晶显示面板，用于对接收到的光线进行振幅调制，并加载多视角视差图像；

相位板，用于将接收到的不同视角的物体图像投射至不同的目标区域；

其中，所述相位板为具有纳米结构的相位板或像素化的谐衍射透镜。

进一步地，所述具有纳米结构的相位板为纳米光栅或二元光学元件。

进一步地，所述透明液晶显示面板包括自下往上依次设置的第一偏光片、TFT基板、液晶层、彩膜层及第二偏光片，所述彩膜层包括与液晶层连接的玻璃基板及设置在所述玻璃基板上的彩色滤光片。

进一步地，所述彩色滤光片包括用于透明显示的透明区域及用于成像的滤光区域。

进一步地，所述滤光区域包括红色像素单元、绿色像素单元及蓝色像素单元。

进一步地，所述相位板上设置有与所述滤光区域位置对应的滤光像素区域。

进一步地，所述相位板具有与所述透明区域位置对应的透明像素区域，所述透明像素区域用于供所述指向性背光装置的背部光线穿过，且穿过所述透明像素区域的背部光线的弯折角度小于预设角度阈值。

进一步地，所述指向性背光装置包括与所述透明区域位置对应的透明像素单元，所述透明像素单元用以将光源发出的光线以面平行光的方式出射并投射至所述透明液晶显示面板。

进一步地，所述彩膜层还包括设置在所述彩色滤光片上方的平坦化层，所述平坦化层用以保护所述彩膜层且使得所述彩膜层平坦。

进一步地，所述指向性背光装置、透明液晶显示面板及相位板自下而上堆叠设置。

本实用新型的有益效果在于：通过将相位板设置成具有纳米结构的相位板或像素化的谐衍射透镜，使得其能将接收到的不同视角的物体图像投射至不同的目标区域；相位板与透明液晶显示面板的结合，在实现在不同目标区域观察到不同视角的物体图像的同时，还能观察到液晶显示面板后方的物体，具有体积薄等优点，实现优良的虚实融合的三维显示技术。

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，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例提供的的谐衍射透镜的结构示意图。

图2为本实用新型一个实施例提供的三维显示装置的结构示意图。

图3至图5为本实用新型一个实施例提供的相位板的结构示意图。

图6为本实用新型一个实施例提供的透明液晶显示面板的结构示意图。

图7为本实用新型一个实施例提供的透明液晶显示面板和相位板对准的示意图。

图8为本实用新型一个实施例提供的实现虚实融合的3D显示的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

需要说明的是，结合附图所阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨在表示其中可以实践本文所描述的概念的唯一配置。本文中所记载的装置实施例和方法实施例将在下面的详细描述中进行描述，并在附图中通过各种框、模块、单元、组件、电路、步骤、过程、算法等等(统称为“要素”)来予以示出。这些要素可以使用电子硬件、计算机软件或者其任意组合来实现。至于这些要素是实现为硬件还是软件，取决于特定应用和施加在整体系统上的设计约束。本申请的说明书和权利要求书以及说明书附图中的术语如果使用“第一”、“第二”等描述，该种描述是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

需要说明的是，在没有明示的特别说明的情况下，本申请各实施例中的各项技术特征可视为能够进行相互组合或者结合，只要该种组合或者结合不是因为技术的原因而无法实施。为了较为充分的说明本申请，一些示例性的，可选地，或者优选的特征在本申请各实施例中与其他技术特征结合在一起进行描述，但这种结合不是必须的，而应该理解该示例性的，可选地，或者优选的特征与其他的技术特征都是彼此可分离的或者独立的，只要该种可分离或者独立不是因为技术的原因而无法实施。方法实施例中的技术特征的一些功能性描述可以理解为执行该功能、方法或者步骤，装置实施例中的技术特征的一些功能性描述可以理解为使用该种装置来执行该功能、方法或者步骤。

首先，对本申请涉及的若干名词进行解释。

相位板：一种具有相位调制功能的光学器件

指向性背光：将光线偏转至特定的方向，实现单个或数个特定角度的照明，亮度随角度明显变化。

透明液晶显示面板：与传统的液晶显示面板不一样，它的液晶显示面板包含的彩色滤光片不仅具有滤光区还有透明区，透明区主要负责透明，滤光区负责成像，从而实现透明显示。

二元光学元件：基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成电路制作工艺，在基片或者传统光学器件表面刻蚀产生两个或者多个台阶深度的浮雕结构形成纯相位、同轴再现、极高衍射效率的一类衍射光学元件。

裸眼3D：就是利用人两眼具有视差的特性，在不需要任何辅助设备(如3D眼镜等)的情况下，即可获得具有空间、深度的逼真立体影像。

谐衍射透镜(Harmonic Diffractive Element，HDE)：是指一个面为平面，另一面刻有同心圆倾斜螺纹的透镜。其中，螺纹的倾角和半径由螺纹对光汇聚至焦点的位置要求决定，谐衍射透镜能够通过结构设计克服色散影响，使多个波长的光汇聚至空间同一点。

由于普通衍射光学元件使用+1级次衍射光，会表现出很大的负色散。基于这个问题，利用谐衍射理论进行谐衍射透镜设计，相比于普通衍射使用+1级，谐衍射的设计方法是使用+m阶衍射光，其色散性能介于普通衍射与折射之间。

谐衍射透镜通过增加普通衍射元件表面微结构的刻蚀深度，改变其相位调制函数，使其在相邻环带的相位差等于2π的整数倍。利用谐衍射在多个分立谐波长能够实现100％的理论衍射效率，且不同谐波长在不同衍射级次实现相同光焦度的特点，提出了在可见光宽波段内实现谐衍射消色差以及在光学系统中应用谐衍射来实现多波段共路共焦的思想。谐衍射能克服普通衍射元件因色散而产生的离焦，并在一系列谐波长上具有相同的光焦度，而且理论上能够保持100％的衍射效率。红R、绿G和蓝B光具有相同的光焦度，即经过线性菲尼尔透镜后同一个像素的R、G和B光具有相同的焦点聚焦在同一处，实现彩色3D显示。

参考图1所示的谐衍射透镜的示意图，普通球面透镜(最右侧)的表面相位分布可以为多个2π的叠加，不同的相位可以使光线发生不同程度的弯曲。将透镜表面的相位以2π为单元进行分割，再进行塌陷，去除2π整数倍的相位留下余数，余数为0-2π分布，最后形成同心圆环。

根据谐衍射理论，谐波长满足如下公式：

其中，λ₀为设计波长，λ为实际入射光的中心波长，p为谐衍射的相位因子，m为衍射阶次。通过合理设计p和m，来保证三种不同波长的子像素(R、G和B)发出的入射光束经过谐衍射透镜，能获得较高的衍射效率。

台阶数与衍射效率有对应关系：

λ₀为设计波长，λ为实际入射光的中心波长，p为谐衍射的相位因子，m为衍射阶次。根据上述公式可知，台阶数越多，衍射效率越高，而连续界面的台阶数趋于无穷大，因此，衍射效率接近100％。

根据这种谐衍射的设计方法设计的谐衍射透镜的高度为：

其中，n为折射率。

从剖面看，谐衍射透镜的表面由一系列锯齿型棱镜(锯齿形光栅或称闪耀光栅或称闪耀环带)组成，中心部分是椭圆型弧线。每个棱镜都与相邻棱镜之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点，棱镜高度为与设计波长有关。若棱镜的塌陷单位为P*2π，则所有同心圆环的半径相应同时扩大，而棱镜高度也同时扩大P倍，但是焦距仍然不变。

衍射透镜焦平面上的能量分布可看作光线通过各锯齿形棱镜之后在焦平面干涉的结果。若光线的波长为λ，则其焦距为：

其中，λ₀为设计波长，f₀为设计波长的焦距。

与普通的衍射透镜相比较，HDE环带间光程差为pλ₀，不是λ₀。相当于设计波长为pλ₀，焦距为f₀的特殊透镜。若对波长为λ的光线的m级次成像，则其焦距为：

有效焦距与谐衍射的相位因子p、衍射级次m有关。如果f₀的的系数为1，则第m衍射级次的焦点与设计波长的焦点重合，达到消除色散的目的。谐衍射透镜可用于将相位调制将光源照射来的平行光进行光场变换，在空间中形成狭窄观察区域。谐衍射透镜的具体类型在此不做限制，例如菲涅尔透镜经过像素化设计，其每个像素单元与透明液晶显示面板图像的像素对应等，只需达到相应的效果即可，根据实际情况而定。

图2为本实用新型一个实施例提供的三维显示装置的结构示意图，如图2所示，该三维显示装置至少包括：指向性背光装置110、透明液晶显示面板120及相位板130，指向性背光装置110、透明液晶显示面板120及相位板130自下而上堆叠设置。

指向性背光装置110是用来照明被动发光显示装置，如液晶显示屏的光源140装置。指向性是指将光线偏转至特定方向。指向性背光装置110用于将光源140发出的光线进行偏转。在本实施例中，至少部分所述指向性背光装置110的材料为透明材质，自然光可透过该指向性背光装置110以射入人眼。该透明材质为常规结构，在此不做赘述。

可选地，光源140可以作为三维显示装置的组成单元(比如：作为指向性背光板110的一部分)；当然，光源140也可以作为独立的组件设置在三维显示装置之外。

可选地，光源140为面阵点光源140。面阵点光源140包括分布在指向性背光板110背部的多个点光源140。可选地，每个点光源140为单色发光二极管(Light EmittingDiode，LED)。面阵点光源140可以是白色LED灯珠阵列，本实施例不对面阵点光源140的实现方式作限定。

透明液晶显示面板120，用于对接收到的光线进行振幅调制，并加载多视角视差图像；

相位板130，用于将接收到的不同视角的物体图像投射至不同的目标区域。中，相位板130为具有纳米结构的相位板或像素化的谐衍射透镜，当相位板130为具有纳米结构的相位板130时，其为纳米光栅或二元光学元件。

本实用新型的三维显示装置结构紧凑，体积轻薄，具有纳米结构的相位板130或像素化的谐衍射透镜可与透明液晶显示面板集合，应用领域广阔

图3至图5为本实用新型一个实施例提供的相位板130的结构示意图。根据光栅方程，衍射光栅像素的周期、取向角满足以下关系：

tanφ₁＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ))

sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(nsinθ)²-2nsinθcosφ(λ/Λ)

其中，光线以一定的角度入射到XY平面，θ₁和φ₁依次表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴负方向夹角)和方位角(衍射光线与y轴正方向夹角)；θ和λ依次表示光源140的入射角(入射光线与z轴负方向的夹角)和波长，Λ和φ依次表示纳米衍射光栅的周期和取向角(槽型方向与x轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。换言之，在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光栅周期和取向角。

也就是说可以通过控制纳米光栅的周期和取向角就可以反过来影响入射角和衍射光线的衍射角，把出射光线出射至可见区域的不同位置。

按照上述光栅方程原理，相位板130为具有纳米结构的相位板或像素化的谐衍射透镜。当相位板130为具有纳米结构的相位板时，更为具体的，具有纳米结构的相位板可以是纳米光栅或二元光学元件等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。

当具有纳米结构的相位板为纳米光栅时，此时相位板130上的单个体像素由4个亚像素组成，每个亚像素上的复杂纳米结构由3个纳米光栅结构组成，如图3所示，通过控制纳米光栅结构的取向角和周期，可以形成纵向3个可视区域。上述的像素单元组成位相板上一个亚像素，与透明液晶显示面板120上单个振幅调制像素匹配。因此这3个纵向排布的可视区域呈现同一视角信息图像，达到了扩大纵向视场角的效果。

将上述的纳米光栅改成多个纳米光栅，如图4所示，通过控制这些空间复用的纳米光栅结构的取向角和周期，可以形成水平和纵向方向上多个可视区域，达到扩大视场角的目的。

当相位板130是二元光学元件时，如图5所示，相位板130上单个体像素由4个亚像素组成，每个亚像素由一个DOE组成，此相位板130是一个像素式DOE结构，与透明液晶显示面板120的像素相匹配，可以通过设计DOE结构来调整视角大小并控制每个视角中的光强分布。

不管是具有纳米结构的相位板130还是像素化的谐衍射透镜，其视场角大，达到宽视角效果，可以将可视区域的范围扩大。当相位板130为具有纳米结构的相位板130时，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，具有成本低的效果。

图6为本实用新型一个实施例提供的透明液晶显示面板120的结构示意图。光源140的光经过透明液晶显示面板120时，加载透明液晶显示面板120上的多视角混合图像信息。透明液晶显示面板120包括自下往上依次设置的第一偏光片1、TFT基板2、液晶层3、彩膜层4及第二偏光片5，彩膜层4包括与液晶层3连接的玻璃基板41及设置在玻璃基板41上的彩色滤光片42。其中，彩色滤光片42包括用于透明显示的透明区域423及用于成像的滤光区域，滤光区域包括红色像素单元421、绿色像素单元422及蓝色像素单元424。

可选择的，滤光区域还包括黑色矩阵，黑色矩阵包括若干个黑色像素单元425，若干个黑色像素单元425交叉设置在红色像素单元421、绿色像素单元422、蓝色像素单元424及透明区域423之间。

彩膜层4还包括设置在彩色滤光片42上方的平坦化层43，平坦化层43用以保护彩膜层4且使得彩膜层4平坦。

在本实用新型中，所述相位板130上设置有与所述滤光区域位置对应的滤光像素区域，其将不同视角的图像出射至不同观察区域，使不同观察区域观察到不同图像。相位板130具有与透明区域423位置对应的透明像素区域6，透明像素区域6用于供指向性背光装置110的背部光线穿过，且穿过透明像素区域6的背部光线的弯折角度小于预设角度阈值。相应的，指向性背光装置110包括与透明区域423位置对应的透明像素单元，透明像素单元用以将光源140发出的光线以面平行光的方式出射并投射至透明液晶显示面板120。由于指向性背光装置110、透明液晶显示面板120及背光板堆叠设置，光源140依次通过透明液晶显示面板120，相位板130，将图像投射至可视区域的不同位置处，结合透明液晶面板的特性，这样就可以实现虚实融合的裸眼3D显示。

图7为本实用新型一个实施例提供的透明液晶显示面板120和相位板130对准的示意图。相位板130是上述像素化的谐衍射透镜或具有纳米结构的光栅。此透明液晶显示面板120的像素不仅有红、绿、蓝三像素单元，还有透明区域。相位板130是谐衍射透镜时，它的优点是光利用率高。相位板130是纳米结构时，比如是纳米光栅，它的优点是制作简单，又比如是二元光学元件，它的优点是可实现视角大小和照射光强度分布的调制。透明液晶像素与谐衍射透镜像素阵列和纳米结构相位板130的像素进行对准。而上述相位板130除了有与透明液晶显示面板120上红、绿、蓝像素对应的纳米结构外，还有透明像素，当光线依次通过液晶面板和相位板130上的透明像素时，光线不发生偏折。

图8为本实用新型一个实施例提供的实现虚实融合的3D显示的示意图。图中的圆柱体是物理存在的物体，代表透明液晶显示面板120后的被遮挡的物体，它前面放置的是透明液晶显示面板120和相位板130，相位板130上的像素和透明液晶显示面板120上的像素对应。当指向性背光装置110发出指向性光线到透明液晶显示面板120，其振幅被调制，带有视差图像信息。不同视角的物体图像通过相位板130之后投射到观察视窗的不同地方，形成3D虚拟图像，同时人眼可以透过透明液晶显示面板120看到背后的物体，这样我们人眼既可看到透明液晶显示面板120后的实际物体，又有光线经过液晶显示面板后呈现3D虚拟图像，这样就初步实现了虚实融合的裸眼3D显示。

综上所述：通过将相位板130设置成具有纳米结构的相位板130或像素化的谐衍射透镜，使得其能将接收到的不同视角的物体图像投射至不同的目标区域；相位板130与透明液晶显示面板120的结合，在实现在不同目标区域观察到不同视角的物体图像的同时，还能观察到液晶显示面板后方的物体，具有体积薄等优点，实现优良的虚实融合的三维显示技术。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三维显示装置，其特征在于，包括：

指向性背光装置，至少部分所述指向性背光装置的材料为透明材质，用于将光源发出的光线偏转至特定方向；

透明液晶显示面板，用于对接收到的光线进行振幅调制，并加载多视角视差图像；

相位板，用于将接收到的不同视角的物体图像投射至不同的目标区域；

其中，所述相位板为具有纳米结构的相位板或像素化的谐衍射透镜。

2.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述具有纳米结构的相位板为纳米光栅或二元光学元件。

3.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述透明液晶显示面板包括自下往上依次设置的第一偏光片、TFT基板、液晶层、彩膜层及第二偏光片，所述彩膜层包括与液晶层连接的玻璃基板及设置在所述玻璃基板上的彩色滤光片。

4.如权利要求3所述的三维显示装置，其特征在于，所述彩色滤光片包括用于透明显示的透明区域及用于成像的滤光区域。

5.如权利要求4所述的三维显示装置，其特征在于，所述滤光区域包括红色像素单元、绿色像素单元及蓝色像素单元。

6.如权利要求4所述的三维显示装置，其特征在于，所述相位板上设置有与所述滤光区域位置对应的滤光像素区域。

7.如权利要求4所述的三维显示装置，其特征在于，所述相位板具有与所述透明区域位置对应的透明像素区域，所述透明像素区域用于供所述指向性背光装置的背部光线穿过，且穿过所述透明像素区域的背部光线的弯折角度小于预设角度阈值。

8.如权利要求4所述的三维显示装置，其特征在于，所述指向性背光装置包括与所述透明区域位置对应的透明像素单元，所述透明像素单元用以将光源发出的光线以面平行光的方式出射并投射至所述透明液晶显示面板。

9.如权利要求3所述的三维显示装置，其特征在于，所述彩膜层还包括设置在所述彩色滤光片上方的平坦化层，所述平坦化层用以保护所述彩膜层且使得所述彩膜层平坦。

10.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，所述指向性背光装置、透明液晶显示面板及相位板自下而上堆叠设置。

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