CN212808686U - 一种光栅阵列和3d显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光栅阵列和3D显示装置，光栅阵列，包括设于波导基体上的输入光栅阵列和输出光栅阵列；所述输入光栅阵列将入射光线耦合进波导基体中并保持入射光线的角度相位信息；所述输出光栅阵列将所述光线从波导基体中耦合输出，并保持入射光线的角度相位信息。通过设于波导基体上的输入光栅阵列和输出光栅阵列，还原入射光线的角度相位信息，整体装置轻薄，不需要多层波导相配合，降低加工难度。

Description

一种光栅阵列和3D显示装置

技术领域

本实用新型涉及光电器件领域，尤其涉及一种光栅阵列和3D显示装置。

背景技术

目前实现3D显示的主流方案为眼镜式和裸眼式。

眼镜式比较有代表性的是色差式、偏光式和主动快门式，原理相同，都是利用人眼的视差，分别将左眼、右眼对应的画面投送到左右眼中，大脑将这两幅画面整合成一幅具有空间深度的画面。由于这种原理实现的3D显示是通过大脑合成的空间立体效果，在观看过程中，时间过久就会有不适的感觉。

裸眼式的代表是全息显示，相较眼镜式，其优势是可以提供全部物理景深，真三维显示，缺点是全息材料的动态刷新频率不够，无法进行大规模的商业化应用。

由于传统的3D显示具有上述问题，一些机构如MagicLeap尝试使用再现光场的方式来实现具有真实深度信息的场景，虽然使得我们的大脑能够像处理真实世界对象一样自然的处理数字对象，同时另其适合长时间使用，但是设备整体比较复杂，而且需要多层波导相配合，多层波导加工难度较大，技术难度较高。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种光栅阵列和3D显示装置，显示效果良好的3D光场显示解决方案。

根据本实用新型的一个方面，提供一种光栅阵列，包括：设于波导基体上的输入光栅阵列和输出光栅阵列，

所述输入光栅阵列将入射光线耦合进波导基体中并保持入射光线的角度相位信息；

所述输出光栅阵列将所述光线从波导基体中耦合输出，并还原入射光线的角度相位信息。

与现有技术相比，本实用新型液晶盒具有以下有益效果：通过设于波导基体上的输入光栅阵列和输出光栅阵列，输出光栅阵列还原入射光线的角度相位信息，整体装置轻薄，不需要多层波导相配合，降低加工难度。

进一步的，所述输入光栅阵列包括若干输入光栅，入射光线中不同入射角的光线均有与其相对应的输入光栅、输出光栅；

所述输入光栅用于将具有与其相对应的入射角的光线耦合进入波导基体中，所述光线在波导基体中以大于全反射角的角度向输出光栅阵列传播，通过相对应的输出光栅耦合输出。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，入射光线中不同入射角的光线均有与其相对应的输入光栅、输出光栅，对光场的入射光线按照不同入射角度划分，通过输入光栅分别选择耦合不同角度的光线，耦合输入到波导基体，光线在波导基体中以大于全反射角的角度向输出光栅阵列传播，再由波导基体经输出光栅输出，能够有利于采集光场的光线，并将这个光场的信息都耦合进入波导中，再通过光栅整列耦合输出到人眼中。

进一步的，所述输入光栅、输出光栅，包括透明的上基板、下基板；

所述上基板和下基板之间封装有聚合物分散液晶材料，所述聚合物分散液晶材料包括聚合物、引发剂、液晶、表面活化剂；

所述上基板和下基板上靠近聚合物分散液晶材料的一侧设有透明的导电膜，所述输入光栅聚合物、液晶的分布与其相对应的入射角的光线相适应，将与其相对应的入射角的光线耦合进入波导基体。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，输入光栅聚合物、液晶的分布与其相对应的入射角的光线相适应，在上下基板之间形成富液晶区和富聚合物区，导电膜通电后富液晶区和富聚合物区折射率不同从而形成光栅结构，所述光栅结构的周期和光栅矢量随衍射角的不同而发生变化，将具有与其相对应的入射角的光线耦合进入波导基体中，输入光栅阵列中每个输入光栅需要耦合的光线的入射角不同，因此，每个所述输入光栅的聚合物、液晶的分布不同，同样的，每个所述输出光栅的聚合物、液晶的分布不同,将与其相对应的入射角的光线耦合输出时，还原入射光线的角度相位信息，优选的，每个输入光栅可以将一个圆锥角内的光线耦合进波导中，不需要多层波导相配合降低成本。

进一步的，所述液晶为混晶，所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4，所述聚合物的折射率与液晶的非寻常光折射率相同。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，液晶的双折率为 0.2～0.4，可以提高整个材料体系的折射率调制度从而提高光栅的衍射效率。

进一步的，所述上基板和下基板通过密封件封装，所述密封件为带有衬垫物的边框胶，所述衬垫物为直径为不大于6μm的聚苯乙烯球，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，能够控制上基板和下基板间的厚度不大于6μm，可以使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗，并且衬垫物能够方便控制液晶盒的厚度。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种3D显示装置，包括：

上述任意一项所述的光栅阵列；

光源，所述光源提供可形成三维光场的入射光线；

位于光源和光栅阵列之间的空间光调制器，

所述入射光线经由空间光调制器进入光栅阵列的输入光栅阵列，所述空间光调制器的作用在于通过时序方法，对入射光线中不同入射角的光线进行强度调制，保持入射光线的三维光场中各个方向光线的角度相位信息。

与现有技术相比，本实用新型3D显示装置具有以下有益效果：空间光调制器的作用在于通过时序方法，以像素为单位对入射光线各个方向上的光线进行强度调制，对入射光线中不同角度的光线进行时序排列，

借助空间光调制器(SLM)，光线经过SLM变成具有一定视场角的光场，光栅阵列能够采集光场的光线，并将这个光场的光线耦合进入波导基体中，再通过光栅阵列耦合输出到人眼中，实现光场显示，通过输入光栅阵列保持入射光线的角度相位信息，波导基体以大于全反射角的角度传播光线，光栅将光线耦合之波导基体后，光线发生全反射的角度范围接近，占用带宽较小，对波导基体的折射率要求较小，波导基体大于1.5即可输出具有大景深大视场角的立体图像，不需要具有大折射率的价格较为昂贵的波导基体，能够降低成本，优选的，空间光调制器为相位型，可以对光线进行相位调制，有利于实现立体景深效果，输出具有大景深大视场角的立体图像。

进一步的，所述输入光栅阵列包含的输入光栅以及输出光栅阵列包含的输出光栅均为m行，n列，

所述空间光调制器的每个像素发出的光线均有与其位置相对应的输入光栅；

所述空间光调制器每个像素发出的光线通过与其位置相对应的输入光栅耦合进入光波导基体中。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，输入光栅、输出光栅可以看作为由玻璃、镀在玻璃上的透明导电膜组成的液晶盒。液晶盒中填充聚合物分散液晶材料，形成全息光栅，每个像素发出光线入射角度特定，每个输入光栅阵列只需要耦合空间光调制器(SLM)上相对应像素发出光线即可，方便光栅阵列比较准确地还原光场中的每条光线的角度相位信息；使用光栅阵列将SLM像面每点发出的所有方向的光线耦合至波导基体，从而实现阵列光栅记录整个光场中所有光线的方向信息。

进一步的，还包括控制模块，所述控制模块控制空间光调制器以及输入光栅、输出光栅通电顺序，使得每行所述输入光栅阵列同一时间只有一个或者一列输入光栅处于通电状态。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，能够快速准确控制在一个时刻每行液晶盒只有一个被施加电压，同时控制相对应的输出光栅也被施加电压，有利于准确地还原光场中的每条光线的角度相位信息，每行液晶盒同时工作的液晶盒只有一个，从而不会发生角度之间有串扰的情况发生，能比较准确地还原光场中的每条光线的角度相位信息，控制模块的芯片型号可以选择stm8l。

进一步的，所述输入光栅和/或输出光栅施加的电流频率为60mnHZ 或者60nHZ，其中m为输入光栅的行数，n为输入光栅的列数。

采用上述进一步技术方案的有益效果在于，m、n越大，整个3D显示装置的分辨率越高，能够有利于增加3D显示装置的分辨率。

进一步的，所述光栅阵列的波导基体由重火石玻璃制备，所述波导基体厚度为0.8-1.5mmmm和/或所述的光源为窄带LED光源或者激光光源。

附图说明

图1为本实用新型光栅阵列的结构示意图；

图2为输入光栅的结构示意图；

图3为光栅阵列收集、输出一定角度内光线的示意图；

图4为3D显示装置的结构示意图；

图5为空间光调制器编码光源光线输出3D物体的示意图；

图6为空间光调制器像素点与输入光栅对应关系示意图；

图7为光栅阵列收集、输出光线示意图；

图8为3D显示装置收集、输出光线的示意图。

附图中所示标号：100-光源；200-空间光调制器；300-波导基体； 310-输入光栅阵列；311-输入光栅；320-输出光栅阵列；321-输出光栅；400-人眼；501-上基板；502-透明导电膜；503-边框胶；504-聚合物分散液晶材料；1210-光线a；1211-光线c；1220-光线b；1220-光线 d；1310-光线e；1320-光线f。

具体实施方式

为了更好的了解本实用新型的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种光栅阵列，包括：设于波导基体上的输入光栅阵列和输出光栅阵列；

所述输入光栅阵列将入射光线耦合进波导基体中并保持入射光线的角度相位信息；

所述输出光栅阵列将所述光线从波导基体中耦合输出，并保持入射光线的角度相位信息，光线在波导基体中以大于全反射角进行传播，输出光栅阵列将所述光线从波导基体中耦合输出，并还原入射光线的角度相位信息，有利于光线进入人眼时还原光场中的每条光线。

进一步的，所述输入光栅阵列包括若干输入光栅，入射光线中不同入射角的光线均有与其相对应的输入光栅、输出光栅；所述输入光栅用于将具有与其相对应的入射角的光线耦合进入波导基体中，所述光线在波导基体中以大于全反射角的角度向输出光栅阵列传播，通过相对应的输出光栅耦合输出，具体的，如图2所示，所述输入光栅、输出光栅，包括透明的上基板、下基板，所述上基板和下基板之间封装有聚合物分散液晶材料，所述聚合物分散液晶材料包括聚合物、引发剂、液晶、表面活化剂；所述上基板和下基板上靠近聚合物分散液晶材料的一侧设有透明的导电膜，所述输入光栅聚合物、液晶的分布经激光干涉场中进行曝光，与其相对应的入射角的光线相适应，本实施例输入光栅内聚合物、液晶的分布与其相对应的入射角的光线相适应，在上下基板之间形成富液晶区和富聚合物区，导电膜通电后富液晶区和富聚合物区折射率不同从而形成光栅结构，所述光栅结构的周期d和光栅矢量k随衍射角的不同而发生变化，将具有与其相对应的入射角的光线耦合进入波导基体中，输入光栅阵列中每个输入光栅需要耦合的光线的入射角不同，因此，每个所述输入光栅的聚合物、液晶的分布不同，同样的，每个所述输出光栅的聚合物、液晶的分布不同,将与其相对应的入射角的光线耦合输出时，还原入射光线的角度相位信息。所述液晶为混晶，所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为 0.2～0.4，所述聚合物的折射率与液晶的非寻常光折射率相同，所述上基板和下基板通过密封件封装，所述密封件为带有衬垫物的边框胶，所述衬垫物为直径为不大于6μm的聚苯乙烯球，本实施例选择5μm的聚苯乙烯球，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶，所述聚合物分散液晶材料包括液晶35～45份、聚合物35～45份、引发剂8～12 份以及表面活化剂8～12份，列举一个实施例，确定聚合物分散液晶材料的总重量5g，根据各材料的质量占比确定各组分的质量分别为：2g、 0.5g、2g、0.5g，依次添加到置于电子天平上的称量瓶中，并将混合材料在暗室中使用超声波乳化仪乳化48小时制得，表面活化剂是聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯，作用是降低材料体系的表面张力，降低材料体系的驱动电压；引发剂是一种对激光敏感的染料，能够吸收激光的能量，促进光聚合反应，其选择是根据激光器的波长来决定。当激发光为532nm 的绿色激光时，引发剂可以是玫瑰红；当激发光为632.8nm的红色激光时，引发剂可以是亚甲基蓝。导电膜通电后输入光栅耦合具有预设入射角的光线进入光波导基体，作为可选方案，将输入光栅、输出光栅组成行列组合的二维阵列，每个输入光栅可以将一个圆锥角内的光线耦合进波导中，如图3所示，选取光栅阵列301上的对应的一行输入光栅、输出光栅，选取相对应的输入光栅311和输出光栅321。输入光栅311 能耦合一个圆锥角内的光线(两个极限角度光线分别为光线a 1210和光线b 1220)，使得入射光线的方向不会改变，这两束光线经过输入光栅 311衍射成光线c 1211和光线d 1221在波导300中以大于全反射的角度进行传播。到达输出光栅321时输出光线e 1310和光线f1320，光线e 1310和光线f1320出射角度分别与光线a 1210和光线b 1220入射角度关于法线对称。此时工作的光栅只有311与321，因此在波导中传播的光线到达光栅312、322上时并不会发生衍射，仍然继续全反射传播，通过设于波导基体上的输入光栅阵列和输出光栅阵列，还原入射光线的角度相位信息，整体装置轻薄，不需要多层波导相配合，降低加工难度。

如图4所示，本实施例提供一种应用上述光栅阵列的3D显示装置，除光栅阵列外还包括：光源，所述光源提供可形成三维光场的入射光线；位于光源和光栅阵列之间的空间光调制器，所述入射光线经由空间光调制器进入光栅阵列的输入光栅阵列，所述空间光调制器的作用在于通过时序方法，对入射光线中不同入射角的光线进行强度调制，保持入射光线的三维光场中各个方向光线的角度相位信息，使得光源重现三维物体的光场，如图5、6所示，假设一个三维物体ABCD在SLM 后，任取SLM上三个点，三维物体上的三个顶点A/B/D发出的光线经过 SLM上的这三个点，SLM上的这三个点分时对A/B/D三个顶点的光线进行调制，人眼在SLM上即可观看到A/B/D三个顶点的立体信息，借助空间光调制器(SLM)，光线经过SLM变成具有一定视场角的光场，3D光场中的光线经过空间光调制器对光线进行相位调制后，照射于光波导基体的输入光栅阵列，根据SLM与输入光栅阵列液晶盒阵列之间的距离、液晶盒角带宽，可以计算出每个光栅可以耦合的像素点区域范围，光栅阵列能够采集光场的光线，并将这个光场的光线耦合进入波导基体中，再通过光栅阵列耦合输出到人眼中，实现光场显示，本实施例，借助空间光调制器(SLM)，优选的，空间光调制器为相位型，可以对光线进行相位调制，有利于实现立体景深效果，输出具有大景深大视场角的立体图像。光线经过SLM变成具有一定视场角的光场，光栅阵列能够采集光场的光线，并将这个光场的光线耦合进入波导基体中，再通过光栅阵列耦合输出到人眼中，实现光场显示，通过输入光栅阵列保持入射光线的角度相位信息，波导基体以大于全反射角的角度传播光线，光栅将光线耦合之波导基体后，光线发生全反射的角度范围接近，占用带宽较小，对波导基体的折射率要求较小，波导基体大于1.5即可输出具有大景深大视场角的立体图像，不需要具有大折射率的价格较为昂贵的波导基体，能够降低成本，优选的，空间光调制器为相位型，可以对光线进行相位调制，有利于实现立体景深效果，输出具有大景深大视场角的立体图像。

如图7所示，所述输入光栅阵列包含的输入光栅以及输出光栅阵列包含的输出光栅均为m行，n列，每行所述输入光栅同一时间只有一列输入光栅处于通电状态，SLM上每个像素均有与其对应的输入光栅 311(实际工作中，像素与输入光栅可以不是一一对应关系，每个输入光栅可以耦合来自一个像素群的光线，这些光线的入射角在b的取值范围内即可)，该输入光栅311的聚合物分散液晶材料可以允许SLM上相对应像素发出的具有特定角度信息光线直接穿过去，由光栅阵列上对应的输出光栅输出与该特定角度信息光线相同的光线，每个输入光栅 311的耦合的光线在波导中以不同全反射角传输至光波导基体，每行液晶盒中同一时间有且只有一个液晶盒处于工作状态，本实施例中，控制模块控制空间光调制器以及输入光栅、输出光栅通电顺序，3D光场中不同角度的光线，经SLM调制后通过输入光栅阵列不同的输入光栅 311耦合进光波导基体中，光线传导至输出光栅阵列的相对应的输入光栅时从光波导基体输出，输出光线的出射角度分别与入射光线的入射角度关于法线对称(在误差允许范围内)，还原3D光场中的光线，每个光栅可以收集一定圆锥角内的光线，光栅阵列有m行n列，m、n越大，系统分辨率越高，由于每个液晶盒收集的光线在波导中以不同全反射角传输，同时工作的液晶盒只有一个，从而不会发生角度之间有串扰的情况发生，能比较准确地还原光场中的每条光线的角度相位信息。

3D显示装置实现3D显示，包括以下步骤：

将入射光线通过时序方法，以像素为单位对入射光线各个方向上的光线进行强度调制；

入射光线中不同角度的光线按照调制后的时序耦合进光波导基体中；

输出光栅阵列将所述光线从波导基体中耦合输出，并保持入射光线中的每条光线的角度相位信息，并保持入射光线中的每条光线的角度相位信息，从而实现三维显示，具体的，所述输入光栅阵列和输出光栅阵列的液晶盒阵列排列，对输入光栅阵列内的一个或一列的输入光栅 311施加电压，使得每行所述输入光栅阵列同一时间只有一个或者一列输入光栅处于通电状态，将输入光栅311直接耦合进光波导基体中，同时对输出光栅阵列中相对的输出光栅施加电压，还原直接穿过输入光栅311的光线的角度相位信息，对应的对光栅阵列施加60mnHZ或者 60nHZ频率的电压，其中m为输入光栅的行数，n为输入光栅的列数，控制模块控制空间光调制器以及光栅阵列的液晶盒加电顺序，这样人眼就认为每个输入光栅311耦合的光线是同时到达，即可以采集到SLM 调制过后的3D光场信息；本实施中，所述的光源为窄带LED或者激光光源，所述的波导基体选用的材料为高折射率的重火石玻璃，厚度为 0.8-1.5mm。如图8所示，光栅阵列任意时刻只有一组对应的输入光栅、输出光栅在加电工作，以同一时间只有一个输入光栅处于通电状态为例，输入光栅加电工作顺序为x1y1→x1y2→……→x1yn→x2y1→x2y2 →……xmy1→xmy2→……xmyn。与其对应的，输出光栅的加电顺序为： x1y1→x1y2→……→x1yn→x2y1→x2y2→……xmy1→xmy2→……xmyn。某一个空间角度的光线照射在输入光栅阵列310上的某一个工作的光栅上，经其传导，由输出光栅阵列上对应的输出光栅输出与入射光线角度相同的光线，对光栅阵列施加60mnHZ以上频率的电压，这样人眼就认为每个光栅传导的光线是同时到达，即可以采集到SLM200调制过后的3D 光场信息，通过时序方法，以像素为单位对入射光线各个方向上的光线进行强度调制，使得不同角度的光线进入波导基体时产生一个时间差，同一时间只需要还原一个角度光线的角度相位信息，不需要配合多层波导，便可输出具有大景深大视场角的立体图像。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种光栅阵列，其特征在于，包括设于波导基体上的输入光栅阵列和输出光栅阵列；

所述输入光栅阵列将入射光线耦合进波导基体中并保持入射光线的角度相位信息；

所述输出光栅阵列将所述光线从波导基体中耦合输出，并还原入射光线的角度相位信息。

2.根据权利要求1所述的光栅阵列，其特征在于，

所述输入光栅阵列包括若干输入光栅，入射光线中不同入射角的光线均有与其相对应的输入光栅、输出光栅；

所述输入光栅用于将具有与其相对应的入射角的光线耦合进入波导基体中，所述光线在波导基体中以大于全反射角的角度向输出光栅阵列传播，通过相对应的输出光栅耦合输出。

3.根据权利要求2所述的光栅阵列，其特征在于，所述输入光栅、输出光栅，包括透明的上基板、下基板；

所述上基板和下基板之间封装有聚合物分散液晶材料，所述聚合物分散液晶材料包括聚合物、引发剂、液晶、表面活化剂；

所述上基板和下基板上靠近聚合物分散液晶材料的一侧设有透明的导电膜，所述输入光栅聚合物、液晶的分布与其相对应的入射角的光线相适应，将与其相对应的入射角的光线耦合进入波导基体。

4.根据权利要求3所述的光栅阵列，其特征在于，所述液晶为混晶，所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4，所述聚合物的折射率与液晶的非寻常光折射率相同。

5.根据权利要求3所述的光栅阵列，其特征在于，所述上基板和下基板通过密封件封装，所述密封件为带有衬垫物的边框胶，所述衬垫物为直径为不大于6μm的聚苯乙烯球，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶。

6.一种3D显示装置，其特征在于，包括：

权利要求1-5任意一项所述的光栅阵列；

光源，所述光源提供可形成三维光场的入射光线；

位于光源和光栅阵列之间的空间光调制器，

所述入射光线经由空间光调制器进入光栅阵列的输入光栅阵列，所述空间光调制器的作用在于通过时序方法，对入射光线中不同入射角的光线进行强度调制，保持入射光线的三维光场中各个方向光线的角度相位信息。

7.根据权利要求6所述的3D显示装置，其特征在于，所述输入光栅阵列包含的输入光栅以及输出光栅阵列包含的输出光栅均为m行，n列，

所述空间光调制器的每个像素发出的光线均有与其位置相对应的输入光栅；

所述空间光调制器每个像素发出的光线通过与其位置相对应的输入光栅耦合进入光波导基体中。

8.根据权利要求7所述的3D显示装置，其特征在于，还包括控制模块；

所述控制模块控制空间光调制器以及输入光栅、输出光栅通电顺序，使得每行所述输入光栅阵列同一时间只有一个或者一列输入光栅处于通电状态。

9.根据权利要求7所述的3D显示装置，其特征在于，所述输入光栅和/或输出光栅施加的电流频率为60mnHZ或者60nHZ，其中m为输入光栅的行数，n为输入光栅的列数。

10.根据权利要求6所述的3D显示装置，其特征在于，所述光栅阵列的波导基体由重火石玻璃制备，所述波导基体厚度为0.8-1.5mmmm和/或所述的光源为窄带LED光源或者激光光源。

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