CN212569192U - 位相板及裸眼3d显示装置 - Google Patents

Abstract

一种位相板，至少包括两个体像素，每个体像素内至少包括两个亚像素，每个亚像素内至少包括两个子像素，同一个亚像素中的子像素对应同一个视点区域，不同的亚像素对应不同的视点区域，每个子像素内包括用于改变光线位相信息的衍射光栅，每个亚像素的各个子像素的衍射光栅的周期和取向角均不相同。本实用新型的位相板可实现在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示，并且分辨率高，连续视差无闪烁现象。本实用新型还提供一种裸眼3D显示装置。

Description

位相板及裸眼3D显示装置

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，特别是涉及一种位相板及裸眼3D显示装置。

背景技术

随着生活水平的提高，科学技术的迅猛发展，逼真的视觉体验成为了人们对显示画面的追求，3D显示技术应运而生。不仅仅是在传统的显示行业，多媒体领域，软件开发等诸多领域也迫切需要3D显示技术的发展与应用。由于传统的3D显示技术看到立体图像，需要额外的辅助设备，比如3D眼镜等，这极大限制了人们观看的自由性。因此，发展裸眼3D技术更是大势所趋。

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。全息显示的特点可概括为：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，全息显示未能实现宽视角的动态彩色裸眼3D显示。

基于视差原理有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。

现有通过像素式光栅结构实现光场相位调制来实现裸眼3D显示的技术，其体像素包含多个亚像素，再由多个体像素组成位相板，每个体像素中的各个亚像素对应单个视点，单个亚像素尺寸较大，可观察的视场角较小，当视点较多时，显示的图像分辨率会降低，当视点较少时会产生观察图像不连续、产生闪烁或跳跃感。

前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种位相板及裸眼3D显示装置，可实现在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示，并且分辨率高，连续视差无闪烁现象。

一种位相板，至少包括两个体像素，每个体像素内至少包括两个亚像素，每个亚像素内至少包括两个子像素，同一个亚像素中的子像素对应同一个视点区域内的不同视点，不同的亚像素对应不同的视点区域，每个子像素内包括用于改变光线位相信息的衍射光栅，每个亚像素的各个子像素的衍射光栅的周期和取向角均不相同。

进一步地，单个所述体像素中的所述亚像素的数量与所述位相板具有的视点区域数量一致。

进一步地，单个所述亚像素中的所述子像素的数量与对应的所述视点区域内视点数量一致。

进一步地，所述子像素的尺寸越小，对应所形成的视点光斑越大。进一步地，所述衍射光栅包括倾斜光栅和矩形光栅。

进一步地，所述体像素、所述亚像素和所述子像素均阵列排布。

进一步地，所述位相板还包括透明基底，透明基底包括第一表面和第二表面，第一表面与第二表面相对，衍射光栅设于第一表面上。

进一步地，所述透明基底的材料包括透明塑料。

本实用新型还提供一种裸眼3D显示装置，包括可改变光线振幅信息的显示元件，裸眼3D显示装置还包括上述的位相板，位相板设于液显示元件的出光侧，显示元件包括多个像素单元，每个像素单元与一亚像素对应设置，所述显示元件发出的光线经过所述位相板形成至少两个视点区域，同一个所述视点区域中的图像相同，不同的所述视点区域中的图像不同。

进一步地，所述显示元件为空间光调制器，位相板设于液空间光调制器的出光侧，空间光调制器包括多个像素单元，每个像素单元与一所述亚像素对应设置。

进一步地，所述显示元件为液晶显示面板，位相板设于液晶显示面板的出光侧，液晶显示面板包括多个像素单元，每个像素单元与一亚像素对应设置。

本实用新型的位相板10和裸眼3D显示装置，亚像素131内设有多个子像素1311，当像素单元与亚像素131对应时，光线经过亚像素131后产生了多个位置不同的视点区域，因此可实现在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示，并且分辨率高，连续视差无闪烁现象。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的位相板的结构示意图。

图2为图1中的体像素放大后的结构示意图。

图3为本实用新型实施例一的位相板的视角分布示意图。

图4为本实用新型实施例一的子像素与视点的对应关系示意图。

图5为现有技术的位相板的视角分布示意图。

图6为图5中的体像素放大后的结构示意图。

图7为本实用新型实施例二的位相板的视角分布示意图。

图8为图7中的体像素放大后的结构示意图。

图9为本实用新型实施例二的子像素与视点的对应关系示意图。

图10为本实用新型实施例二的子像素与视点的另一种对应关系示意图。

图11为本实用新型实施例三的位相板的视角分布示意图。

图12为图10中的体像素放大后的结构示意图。

图13为本实用新型实施例四的位相板的视角分布示意图。

图14为图13中的体像素放大后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1为本实用新型实施例一的位相板的结构示意图。图2为图1中的体像素放大后的结构示意图。如图1和图2所示，位相板10包括透明基底12 和至少两个体像素13。体像素13周期性矩阵排列，即体像素13成行、成列排布，每个体像素13内包括至少两个亚像素131，每个亚像素131内包括至少两个子像素1311，同一个亚像素131中的子像素1311对应同一个视点区域内的不同视点，不同的亚像素131对应不同的视点区域，每个子像素1311内包括用于改变光线位相信息的衍射光栅13111。透明基底12包括第一表面121 和第二表面122，第一表面121与第二表面122相对，透明基底12的材料可具体为透明塑料，但并不以此为限。衍射光栅13111设于第一表面121上，具体地，衍射光栅13111可具体为倾斜光栅和矩形光栅，但并不以此为限，例如，衍射光栅13111还可以为正弦光栅。在本实施例中，每个体像素13内包括四个亚像素131，每个亚像素131内包括六个子像素1311，但并不以此为限，亚像素131和子像素1311的数量可根据实际情况自由选择。

如图2所示，亚像素131和子像素1311均阵列排布，即亚像素131和子像素1311成行、成列排布，每个亚像素131内的各个子像素1311的衍射光栅13111的周期(图未示)和取向角均不相同，以使经过每个亚像素131的光对应不同的视点区域，同一个亚像素131内的各个子像素1311的光对应同一视点区域的不同视点，即体像素13中的亚像素131的数量与位相板10具有的视点区域数量一致，亚像素131中的子像素的数量与其对应的视点区域内视点数量一致。进一步地，根据光栅方程调整衍射光栅13111的周期和取向角的具体数值，将从各子像素1311出射的光线调节至预设视点位置，具体光栅方程如下：

tanφ₁＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ)) (1)

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

其中，θ₁和φ₁分别表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴负方向的夹角)和方位角(衍射光线与y轴正方向的夹角)，θ和λ分别表示光的入射角(入射光线与z轴负方向的夹角)和波长，Λ和φ分别表示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。

基于上述光栅方程可知，当已知光栅位置、预设视点位置，即入射光线波长、入射角、衍射光线衍射角和衍射方位角确定之后，即可算出所需的光栅周期和取向角。

图3为本实用新型实施例一的位相板的视角分布示意图。图4为本实用新型实施例一的子像素与视点的对应关系示意图。如图3和图4所示，一个子像素1311对应一个视点，本实施例的体像素13内设有四个亚像素131，每个亚像素131内设有六个子像素1311，即每个亚像素131对应六个视点，同一个亚像素131中的多个子像素对应同一个视点区域的不同视点，不同的亚像素对应不同的视点区域。将体像素13内的四个亚像素131分别定义为第一亚像素131a、第二亚像素131b、第三亚像素131c和第四亚像素131d，再将第一亚像素131a内的六个子像素分别定义为像素1-1、像素1-2、像素 1-3……像素1-6，而与各子像素相对应的视点分别定义为视点1-1、视点1-2、视点1-3……视点1-6，其各视点共同形成视点区域101；同理，第二亚像素 131b内的子像素定义为像素2-1、像素2-2、像素2-3……像素2-6，而与各子像素相对应的视点分别定义为视点2-1、视点2-2、视点2-3……视点2-6，其各视点共同形成视点区域102；第三亚像素131c内的子像素定义为像素3-1、像素3-2、像素3-3……像素3-6，而与各子像素相对应的视点分别定义为视点3-1、视点3-2、视点3-3……视点3-6，其各视点共同形成视点区域103；第四亚像素131d内的子像素定义为像素4-1、像素4-2、像素4-3……像素4-6，而与各子像素相对应的视点分别定义为视点4-1、视点4-2、视点4-3……视点4-6，其各视点共同形成视点区域104。位相板10包括水平视场角(A)和垂直视场角(B)，水平视场角沿着位相板10的长度方向变化，垂直视场角沿着位相板10的宽度方向变化。当视点区域图像与亚像素131匹配后，经过调制光线强度(振幅信息)的图像光线经子像素1311的衍射光栅13111进行角度(位相信息)调制后射出，出射光线分别指向视点1-1、视点1-2、视点 1-3……视点1-6，实现多个视点图像信息分离。当观察者同时接收到同一亚像素131的视点区域时，看到的视点图像是相同的，当观察者同时接收到不同亚像素131的视点区域时，看到不同的视点图像，即视差图像，经过大脑处理产生3D效果。由于单个亚像素131的视点较多，使单个亚像素131具有较大的水平视场角和垂直视场角。同一个亚像素131的多个子像素1311的视点的视点光斑有重叠的部分，优化亮暗对比度，当人眼从一个视点移动到另一个视点时，一直有光线入射到视网膜，这样可以消除移动观察时的图像闪烁现象。

当图像光线经过体像素13时，体像素13内各亚像素分别对应的视点区域101、视点区域102、视点区域103和视点区域104呈直线排布，以形成位相板10的水平视场角，而单个视点区域的宽度或长度形成位相板10的垂直视场角，当单个亚像素131的水平视场角和垂直视场角增大时，位相板10水平视场角和垂直视场角也随着增大。而增大亚像素131的水平视场角和垂直视场角，可通过增加内子像素1311的个数来实现。

本实用新型的位相板10依据的原理为：指向性光束照射到单个微纳米光栅结构像素(光栅)时，可以看作小孔衍射，视点光斑可以看作是众多微纳米结构像素的衍射光斑的叠加。根据小孔衍射公式(1)可知，微纳米结构像素的尺寸(D)越小视点光斑(d₀)越大，即裸眼3D显示装置的可视窗(可视角度)越大。由于指向性光源的RGB光谱宽度，所以视点光斑尺寸略大于理论计算值。

如图5为现有技术的位相板的视角分布示意图，经过位相板10后形成4 个视点，分别为视点1、视点2、视点3、视点4，在水平方向依次排开，4 个视点组成的水平视场角为A₁、垂直视场角为B₁。图6为图5中的体像素放大后的结构示意图，每个体像素13中含有4个亚像素131，每个亚像素131 中只有1个子像素1311。假设子像素为正方形，边长为D，则现有单个视点光斑水平方向尺寸的理论值为：

垂直方向尺寸的理论值为：

因此4个视点组成的观察区域幅面为4d₀×d₀。

如图7为本实用新型实施例二的位相板的视角分布示意图，经过位相板 10后形成4个视点区域，分别为视点区域101、视点区域102、视点区域103 和视点区域104，在水平方向依次排开，4个视点区域组成的水平视场角为 A₂、垂直视场角为B₂。图8为图7中的体像素放大后的结构示意图，每个体像素13中含有4个亚像素131，每个亚像素131中含有4个子像素1311。假设子像素为正方形，边长尺寸为

则视点光斑水平方向尺寸的理论值为2d₀，垂直方向尺寸的理论值为2d₀。单个视点区域的水平方向尺寸的理论值为4d₀，垂直方向尺寸的理论值为4d₀，实际上单个视点区域内的各视点有微小重叠，避免了视觉跳跃感及闪烁现象。因此4个视点区域组成的观察区域理论上的最大幅面为16d₀×4d₀，此时观察幅面相对于图5所示的现有技术实现了增大，当观察位置距离位相板10面的垂直距离一定时，观察区的视角得到了增大。同时，此时的分辨率并未降低，实现了在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示，连续视差无闪烁现象。

需要说明的是，如图9为本实用新型实施例二的子像素与视点的对应关系示意图，图10为本实用新型实施例二的子像素与视点的另一种对应关系示意图。亚像素131内的四个子像素，像素1-1、像素1-2、像素1-3、像素1-4 与各视点1-1、视点1-2、视点1-3、视点1-4的对应并不固定，可以根据光栅方程，通过调节子像素中的光栅结构周期及取向，将从各子像素出射的光线调节至预设视点位置。如图9中，像素1-1对应视点1-1位置、像素1-2对应视点1-2位置、像素1-3对应视点1-3位置、像素1-4对应视点1-4位置。图 10中，像素1-1对应视点1-3位置、像素1-2对应视点1-4位置、像素1-3对应视点1-1位置、像素1-4对应视点1-2位置。可根据子像素位置、预设视点位置，设计各子像素中光栅结构。

如图11为本实用新型实施例三的位相板的视角分布示意图，经过位相板 10后形成4个视点区域，分别为视点区域101、视点区域102、视点区域103 和视点区域104，在水平方向依次排开，4个视点区域组成的水平视场角为 A₃、垂直视场角为B₃。图12为图11中的体像素放大后的结构示意图，每个体像素13中含有4个亚像素131，每个亚像素131中含有4个子像素1311。图10中，假设子像素为长方形，横向边长为D，纵向边长为

则视点光斑水平方向尺寸的理论值为d₀，垂直方向尺寸的理论值为4d₀。单个视点区域的水平方向尺寸的理论值为4d₀，垂直方向尺寸的理论值为4d₀，实际上单个视点区域内的各视点有微小重叠，避免视觉跳跃感及闪烁现象。因此4个视点区域组成的观察区域理论上的最大幅面为16d₀×4d₀，此时观察幅面相对于图5所示的现有技术实现了增大，当观察位置距离位相板10面的垂直距离一定时，观察区的视角得到了增大。同时，此时的分辨率并未降低，实现了在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示，连续视差无闪烁现象。

图13为本实用新型实施例四的位相板的视角分布示意图。经过位相板 10后形成4个视点区域，分别为视点区域101、视点区域102、视点区域103 和视点区域104，在水平方向依次排开，4个视点区域组成的水平视场角为 A₄、垂直视场角为B₄。图14为图13中的体像素放大后的结构示意图，每个体像素13中含有4个亚像素131，每个亚像素131中含有2个子像素1311。图10中，假设子像素为长方形，横向边长为D，纵向边长为

则视点光斑水平方向尺寸的理论值为d₀，垂直方向尺寸的理论值为2d₀。单个视点区域的水平方向尺寸的理论值为2d₀，垂直方向尺寸的理论值为2d₀，实际上单个视点区域内的各视点有微小重叠，避免视觉跳跃感及闪烁现象。因此4个视点区域组成的观察区域理论上的最大幅面为8d₀×2d₀，此时观察幅面相对于图5所示的现有技术实现了增大，当观察位置距离位相板10面的垂直距离一定时，观察区的视角得到了增大。同时，此时的分辨率并未降低，实现了在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示，连续视差无闪烁现象。

现有技术中的亚像素只有一个子像素，此时观察区域幅面的理论最大值为4d₀×d₀；实施例四中的亚像素有两个子像素，此时观察区域幅面的理论最大值为8d₀×2d₀；实施例三中亚像素有四个子像素，此时观察区域幅面的理论最大值为16d₀×4d₀。因此，在亚像素所对应的图像像素大小不变时，亚像素包含的子像素由1个增加至N个，此时子像素的尺寸变小，既而它们对应的视点光斑增大。同时设计它们的视点位置分布，从而实现在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示。

本实用新型还提供一种裸眼3D显示装置，包括可改变光线振幅信息的显示元件，裸眼3D显示装置还包括上述的位相板10，位相板10设于显示元件出光侧，显示元件包括多个像素单元，每个像素单元与一亚像素131对应设置。当裸眼3D显示装置显示时，同一个视点区域里的图像相同，不同的视点区域里的图像不同，观察者需同时接到至少两个视点区域的图像，从而在脑中形成3D图像。利用上述位相板10的裸眼3D显示装置，可扩大裸眼 3D显示装置的视场角，并且分辨率高，连续视差无闪烁现象。在本实施例中，显示元件可具体为空间光调制器或液晶显示面板，位相板10设于液空间光调制器的出光侧或液晶显示面板的出光侧，空间光调制器或液晶显示面板均包括多个像素单元，每个像素单元与一亚像素131对应设置。

在其他实施例中，显示元件还可以为掩膜板，掩膜板上包括多个像素单元，每个像素单元与一亚像素131对应设置。

本实用新型的位相板10和裸眼3D显示装置，亚像素131内设有多个子像素1311，当像素单元与亚像素131对应时，光线经过亚像素131后产生了多个位置不同的视点区域，因此可实现在不降低分辨率的情况下扩大视场角的裸眼3D显示，并且分辨率高，连续视差无闪烁现象。

在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”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，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本实用新型的限制。

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。

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。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种位相板，其特征在于，至少包括两个体像素，每个所述体像素内至少包括两个亚像素，每个所述亚像素内至少包括两个子像素，同一个所述亚像素中的所述子像素对应同一个视点区域内的不同视点，不同的所述亚像素对应不同的所述视点区域，每个所述子像素内包括用于改变光线位相信息的衍射光栅，每个所述亚像素内的各个所述子像素的所述衍射光栅的周期和取向角均不相同。

2.如权利要求1所述的位相板，其特征在于，单个所述体像素中的所述亚像素的数量与所述位相板具有的视点区域数量一致。

3.如权利要求1所述的位相板，其特征在于，单个所述亚像素中的所述子像素的数量与对应的所述视点区域内视点数量一致。

4.如权利要求1所述的位相板，其特征在于，所述子像素的尺寸越小，对应所形成的视点光斑越大。

5.如权利要求1所述的位相板，其特征在于，所述衍射光栅包括倾斜光栅和矩形光栅。

6.如权利要求1所述的位相板，其特征在于，所述体像素、所述亚像素和所述子像素均阵列排布。

7.如权利要求1所述的位相板，其特征在于，所述位相板还包括透明基底，所述透明基底包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对，所述衍射光栅设于所述第一表面上。

8.如权利要求7所述的位相板，其特征在于，所述透明基底的材料包括透明塑料。

9.一种裸眼3D显示装置，包括可改变光线振幅信息的显示元件，其特征在于，所述裸眼3D显示装置还包括如权利要求1-8任一项所述的位相板，所述位相板设于所述液显示元件的出光侧，所述显示元件包括多个像素单元，每个所述像素单元与一所述亚像素对应设置，所述显示元件发出的光线经过所述位相板形成至少两个视点区域，同一个所述视点区域中的图像相同，不同的所述视点区域中的图像不同。

10.如权利要求9所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述显示元件为空间光调制器，所述位相板设于所述空间光调制器的出光侧，所述空间光调制器包括多个所述像素单元，每个所述像素单元与一所述亚像素对应设置。

11.如权利要求10所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述显示元件为液晶显示面板，所述位相板设于所述液晶显示面板的出光侧，所述液晶显示面板包括多个所述像素单元，每个所述像素单元与一所述亚像素对应设置。

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