CN105425409B - 一种投影式裸眼3d显示装置及其彩色化显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影式裸眼3D显示装置及其彩色化显示装置，该3D显示装置包括指向性光源，包括矩形导光板和光源组，光源组设置于所述矩形导光板的至少一个侧面上；投影装置，包括显示芯片和投影镜头，显示芯片将获取的光源与多视角图像信号调制后由投影镜头放大；指向性投影屏幕，其设置于投影镜头的出光端，将入射的视角图像信号进行位相调制后在指向性投影屏幕的正前方形成会聚视点，获得裸眼3D显示。本发明相较于现有技术，指向性投影屏幕提供空间位相调制，液晶芯片提供视角图像振幅调制，二者结合，具备了全息显示的全部信息，不易产生视觉疲劳，也没有距离限制，而且通过投影镜头放大成型，实现大幅面的裸眼3D显示。

Description

一种投影式裸眼3D显示装置及其彩色化显示装置

技术领域

本发明属于裸眼3D显示技术领域，具体涉及一种投影式裸眼3D显示装置及其彩色化显示装置。

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，空间中的每个观察点均可看到整幅图像。或者说，图像信息通过光场传播并会聚到观察点上。因此，在空间不同观察点，可看到不同视角下的整幅图像，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，全息显示未能实现工业化应用。

视差原理发明已100多年，虽然国内外企业不断有裸眼3D显示的样机展示，但由于受图像分辨率较低和易产生视觉疲劳等问题的制约，基于视差原理的裸眼3D显示一直未能真正进入消费电子领域。

视差原理包括视障法、微柱透镜法和指向性背光源。视障屏或微柱透镜板覆盖在液晶显示LCD表面，将不同视角图像在空间实现角度分离。光学原理上，由于光源扩散作用，在空间不同角度上的图像并不唯一，因此，在人眼观察3D图像时，易引起视觉疲劳。

柱状透镜技术也被称为微柱透镜3D技术，其优势是显示亮度不会受到影响。微柱透镜3D技术的原理是在液晶显示屏的前面或者后面覆盖一层微柱透镜薄膜。受到液晶显示屏幕大小的限制，该技术无法满足大幅面裸眼3D显示需求。此外，由于其空间分离的图像并不单纯，视角之间容易产生串扰，导致其存在长时间观看易产生视觉疲劳的缺点。

指向性背光显示技术结合方向照明实现3D显示，是近期出现的新技术。同样地，该技术依赖液晶显示屏和指向性背光源，两者难以实现大幅面的图形照明和显示。而且其指向性背光源设计与加工存在巨大困难，制造成本高。

中国专利CN201010586594.0提供了一种可切换显示模式的LED裸眼显示装置，其提出利用柔性狭缝光栅实现2D/3D切换，但是其显示效果受观看位置影响较大。

中国专利CN201320143064.8提供了一种指向光源3D成像屏幕及裸眼3D投影***，其采用两个投影镜头结合指向性3D光学结构，实现裸眼3D显示；专利US20050264717A1提出了一种带有液晶显示和指向型背光模组的3D显示装置，该技术迅速切换开、闭左右背光源，并将通过导光板的光线聚焦在特定角度的范围内，通过交替投影形成3D图像。上述指向性背光技术虽然得到的图像分辨率高，但却只限于单人观看。

中国专利CN201410187534.X提出一种裸眼3D背光模，其采用一组或多组LED时序光源结合凸透镜、多边棱镜、视差屏障，可实现多视角3D显示，然而背光源结构的设计和精密加工精度在技术上难以实现，且很容易产生光线的串扰，因此，基于所提出的指向性背光源方案，一直未见实际裸眼3D显示器件的样品或者产品。

点阵全息技术能够提供大视角，减小信息量，但点阵光栅像素的制作一直受到技术门槛的限制，中国专利申请CN201310166341.1公开了一种三维图像的打印方法与***，可以利用连续变空频的机构直接打印出基于纳米光栅像素的静态彩色立体图像。指向性背光显示技术结合方向照明实现3D显示，是近期出现的新技术，该技术的指向性背光源的设计与加工存在巨大困难，同时制造成本高。

全息波导背光结构能够实现动态彩色3D显示，大视角，适合应用于移动显示中，中国专利申请CN201410852242.3公开了一种利用由纳米像素光栅构成的多层指向导光结构实现动态三维立体显示的方案。

专利US20140300960A1提出了一种指向性背光源结构，采用像素化光栅调制出射光场分布，同时提出采用六边形或者三角形波导结构耦合R、G、B三色光，实现彩色光的定向调制。专利US20140293759A1提出了一种多视角3D手腕手表结构，采用像素化光栅结构调制光场，配合LCD图像的刷新，实现3D效果显示，然而同样，结构采用的是六边形或者三角形波导结构耦合R、G、B三色光，实现彩色显示。上述专利采用的波导结构都为六边形或者三角形，很难与现今的主流显示方式相结合，特别是很难应用于像智能手机这种长方形规格的显示方式中，这将不利于工业大规模生产。

惠普公司在国际专利WO2014/051624 A1上公开了利用集成混合激光波导阵列指向性背光来实现多视角显示，采用波导阵列来耦合红、绿、蓝三色光，通过像素型光栅实现光线的定向导出，这种方法虽然可以实现彩色3D显示，但是由于采用的是多波导阵列来实现，得到的图像分辨率大大降低，同时对指向性背光结构制作工艺精度要求很高。

激光显示具有色域宽、亮度高、幅面大的特点，有可能成为未来实现大尺寸显示的重要途径。国际上发展了扫描成像、激光投影以及激光荧光体这三种激光显示技术。其中激光投影显示技术由日本三菱公司提出，该技术以红绿蓝为光源，利用液晶显示器、硅基液晶、数字微反射镜等投影引擎进行信息图像显示，由于实现方式简单、安全性高，在目前市场应用最为成功。但是，目前还没有基于激光类的裸眼3D显示的解决方案。

因此，还未见国内外有一款能满足无视觉疲劳、宽色域、高亮度和大幅面的裸眼3D显示的技术方案。本发明旨在基于全息原理，提供一种纳米结构的指向性投影屏幕，通过特定光源的照明，并与投影显示技术结合，实现无视觉疲劳、高亮度和宽色域、大幅面的裸眼3D显示。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种投影式裸眼3D显示装置及其彩色化显示装置。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种投影式裸眼3D显示装置，包括：

指向性光源，包括矩形导光板和光源组，矩形导光板的出光面上设置有多个像素阵列，同一像素阵列中的像素发出的光指向同一视角，不同的像素阵列具有不同的视角，单个像素为纳米衍射光栅，光源组设置于所述矩形导光板的至少一个侧面上；

投影装置，包括依次设置于指向性光源的出光端的显示芯片和投影镜头，显示芯片将获取的指向性光源照射的光源与多视角图像信号调制后由投影镜头放大；

指向性投影屏幕，其设置于投影镜头的出光端，指向性投影屏幕上设置有多个像素阵列，单个像素为纳米衍射光栅，指向性投影屏幕的像素与各视角图像的亚像素相对应，用于将入射的视角图像信号进行位相调制后在指向性投影屏幕的正前方空间上形成会聚视点，获得裸眼3D显示。

本发明具有以下优点：

(1)利用投影镜头放大成像的方式获得大尺寸显示，突破了大尺寸显示屏幕造价高，实现困难的限制，可实现相对成本较低的大幅面裸眼3D显示；

(2)工作形式简单、便利，相较于基于点扫描或线扫描的投影裸眼3D显示装置，省略了其中的转动部件，从而提高了显示装置的稳定性和屏幕刷新速度；

(3)利用纳米光栅阵列波前转换与成像原理，将含有纳米光栅像素指向性投影屏幕与投影装置结合，实现裸眼3D显示。第一，由于图像的聚焦效应，不同视角图像件不存在串扰，同时携带振幅与位相信息，因此观察时不产生视觉疲劳，也没有对观察位置的限制；第二，将指向性投影屏幕上的纳米光栅像素阵列相互关系满足全息远离，对通过其上的光线以衍射方式实现光的波前转换与成像，而不是传统激光显示的扩散性屏幕，降低了激光显示的散斑效应，保持了激光显示的高亮度、大幅面和宽色域的优点。

其中，上述的光源组包括第一光源组、第二光源组和第三光源组，所述第一光源组、第二光源组和第三光源组分别对应R、G、B三种光。

其中，上述的显示芯片为多晶硅液晶面板、硅基液晶面板或数字为反射镜。具体的可以根据实际情况选择，不作限定。

其中，上述的指向性光源的纳米衍射光栅的周期、取向角满足以下关系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))；

(2)

其中，θ₁表示衍射光的衍射角，φ₁表示衍射光的方位角，θ表示光源的入射角，λ表示光源的波长，Λ表示纳米衍射光栅的周期，φ表示纳米衍射光栅的取向角，n表示光波在介质中的折射率。

其中，上述的指向性投影屏幕的多个像素阵列的视点成连续任意曲面分布，指向性投影屏幕的多个像素阵列的视角范围在正负90度之间。

作为优选的技术方案，本发明还提供一种彩色化显示装置，包括：

上述的投影式裸眼3D显示装置；

分色合色光路，其设置于显示芯片和投影镜头之间，用于合成彩色的多视角图像；

彩色滤光片，其设置于投影式裸眼3D显示装置的指向性投影屏幕的背面，彩色滤光片对彩色的多视角图像进行分色过滤后照明至指向性投影屏幕的背面。

采用上述优选的方案，将红、绿、蓝三色光利用不同图像芯片调制，再通过彩色滤光片分色，在不同纳米光栅的作用下将三色图像合成在出射面，从而保持了3D显示分辨率。

作为优选的技术方案，上述的彩色滤光片与指向性投影屏幕为一体设置。

采用上述优选的方案，可直接在彩色滤光片上制作纳米衍射光栅，从而简化了工艺和流程，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的投影式裸眼3D显示装置的整体结构框图。

图2为本发明的指向性光源在XZ屏幕的结构示意图。

图3为本发明的指向性光源在XY平面的结构示意图。

图4为本发明的指向性光源在XZ屏幕的结构示意图。

图5为本发明的纳米衍射光栅的结构分布图。

图6为本发明的彩色化显示装置的整体结构示意图。

图7为本发明的彩色滤光片的结构示意图。

图8为本发明的指向性投影屏幕的结构示意图。

图9为本发明的透射型指向性投影屏幕组成3D显示装置的结构示意图。

图10为本发明的反射型指向性投影屏幕组成3D显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，如图1至图5至图所示，在本发明的其中一种实施方式中提供一种投影式裸眼3D显示装置，包括：

指向性光源1，包括矩形导光板和光源组，矩形导光板的出光面上设置有多个像素阵列，同一像素阵列中的像素发出的光指向同一视角，不同的像素阵列具有不同的视角，单个像素为纳米衍射光栅，光源组设置于所述矩形导光板的一个侧面上；

投影装置，包括依次设置于指向性光源1的出光端的显示芯片2和投影镜头3，显示芯片2将获取的指向性光源1照射的光源与多视角图像信号调制后由投影镜头3放大；

指向性投影屏幕4，其设置于投影镜头3的出光端，指向性投影屏幕4上设置有多个像素阵列，单个像素为纳米衍射光栅，指向性投影屏幕4的像素与各视角图像的亚像素相对应，用于将入射的视角图像信号进行位相调制后在指向性投影屏幕4的正前方空间上形成会聚视点，获得裸眼3D显示。

本实施方式具有以下优点：

(1)利用投影镜头3放大成像的方式获得大尺寸显示，突破了大尺寸显示屏幕造价高，实现困难的限制，可实现相对成本较低的大幅面裸眼3D显示；

(2)工作形式简单、便利，相较于基于点扫描或线扫描的投影裸眼3D显示装置，省略了其中的转动部件，从而提高了显示装置的稳定性和屏幕刷新速度；

(3)利用纳米光栅阵列波前转换与成像原理，将含有纳米光栅像素的指向性投影屏幕4与投影装置结合，实现裸眼3D显示。第一，由于图像的聚焦效应，不同视角图像件不存在串扰，同时携带振幅与位相信息，因此观察时不产生视觉疲劳，也没有对观察位置的限制；第二，将指向性投影屏幕4上的纳米光栅像素阵列相互关系满足全息远离，对通过其上的光线以衍射方式实现光的波前转换与成像，而不是传统激光显示的扩散性屏幕，降低了激光显示的散斑效应，保持了激光显示的高亮度、大幅面和宽色域的优点。

其中，上述的光源组包括第一光源组、第二光源组和第三光源组，所述第一光源组、第二光源组和第三光源组分别对应R、G、B三种光。

其中，上述的显示芯片为多晶硅液晶面板、硅基液晶面板或数字为反射镜。具体的可以根据实际情况选择，不作限定。

如图3至图4所示，上述的指向性光源1的纳米衍射光栅的周期、取向角满足以下关系：

(1)tanφ₁＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))；

(2)

其中，光线沿x轴正方向传输，θ₁表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴正方向夹角)，φ1表示衍射光的方位角(衍射光线与x轴正方向夹角)，θ表示光源的入射角(入射光线与z轴正方向夹角)，λ表示光源的波长，Λ表示纳米衍射光栅的周期，φ表示纳米衍射光栅的取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。例如，650nm波长红光以60°角入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，通过计算，对应的纳米衍射光栅周期为550nm，取向角为-5.96°。

按照上述原理，在一块导光板表面制作出多个按需设定的不同取向角和周期的纳米衍射光栅之后，理论上就可以获得足够多的具有不同视角指向的光线，将每一个纳米衍射光栅视为一个像素的话，配合颜色和灰度的控制，就能实现多视角下的裸眼3D显示。

不同取向角和周期的纳米光栅像素，理论上就可提供多个视点，实现多视角裸眼3D显示，子像素越多，视点越多，3D显示效果越平滑。以实际情况举例，设指向性投影屏幕尺寸为100英寸，观察距离为30m，满足人眼分辨率，单幅图像像素尺寸为8.68毫米。如投影镜头的放大倍率为100倍，4K分辨率的液晶芯片单个像素尺寸为6.2微米，则放大投影在彩色滤光片和指向性投影屏幕上的尺寸为620微米。因此，理论上可实现196(14×14)个视点，从而可形成逼真的立体影像。同时，纳米光栅周期可做到430nm，视角图像的扩散范围可以达到150°甚至更高，按照光栅方程计算，纳米光栅的周期范围为430nm到650nm。

其中，上述的指向性投影屏幕4的多个像素阵列的视点成连续任意曲面分布，指向性投影屏幕4的多个像素阵列的视角范围在正负90度之间。

如图6至图8所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，本实施方式还提供一种彩色化显示装置，包括：

上述的投影式裸眼3D显示装置；

分色合色光路，其设置于显示芯片和投影镜头之间，用于合成彩色的多视角图像；

彩色滤光片5，其设置于投影式裸眼3D显示装置的指向性投影屏幕4的背面，彩色滤光片5对彩色的多视角图像进行分色过滤后照明至指向性投影屏幕4的背面。

采用上述优选的方案，将红、绿、蓝三色光利用不同图像芯片调制，再通过彩色滤光片分色，在不同纳米光栅的作用下将三色图像合成在出射面，从而保持了3D显示分辨率。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的彩色滤光片5与指向性投影屏幕4为一体设置。

采用上述优选的方案，可直接在彩色滤光片5上制作纳米衍射光栅，从而简化了工艺和流程，降低了成本。

为了进一步地优化本发明的实施效果，图9提供一种透射型指向性投影屏幕组成3D显示装置，图10提供一种反射型指向性投影屏幕组成3D显示装置。指向性投影屏幕4上的像素501a-501c(601a-601c)、502a-502c(602a-602c)、503a-503c(603a-603c)、504a-504c(604a-604c)以及505a-505c(605a-605c)，分别对应着视角1、视角2、视角3、视角4和视角5，这样可以实现5个视角图像的视点分离，每个视点对应一幅图像。根据应用，可选择透射式和反射式的投影屏幕。

本实施方式中上述的指向性投影屏幕4，其中纳米光栅像素可以采用紫外连续变空频光刻技术以及纳米压印进行制作，该紫外连续变空频光刻技术参照申请号为CN201310166341.1的中国专利申请记载的光刻设备和光刻方法。需要指出的是，在本实施方式中，可以采用光刻方法在指向性投影屏幕4表面刻蚀制作出各个不同指向的纳米光栅，再做出能够用于压印的模板，然后通过纳米压印批量压印出纳米光栅的构成的像素阵列，其中反射型指向性投影屏幕4可以在透射型指向性投影屏幕4表面镀上金属来实现。

另外，本实施方式利用RBG(或者其他三色)三色光源以特定角度和位置入射在具有纳米光栅像素的指向性投影屏幕4上形成相同出射光场，通过直接对激光投射光的空间调制，实现了彩色3D显示，这种多视点指向功能的屏幕具有无视觉疲劳的裸眼3D显示的特点。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种投影式裸眼3D显示装置，其特征在于，包括：

指向性光源，包括矩形导光板和光源组，所述矩形导光板的出光面上设置有多个像素阵列，同一像素阵列中的像素发出的光指向同一视角，不同的像素阵列具有不同的视角，单个像素为纳米衍射光栅，所述光源组设置于所述矩形导光板的至少一个侧面上；

投影装置，包括依次设置于所述指向性光源的出光端的显示芯片和投影镜头，所述显示芯片将获取的指向性光源照射的光源与多视角图像信号调制后由投影镜头放大；

指向性投影屏幕，其设置于所述投影镜头的出光端，所述指向性投影屏幕上设置有多个像素阵列，单个像素为纳米衍射光栅，所述指向性投影屏幕的像素与各视角图像的亚像素相对应，用于将入射的视角图像信号进行位相调制后在所述指向性投影屏幕的正前方空间上形成会聚视点，获得裸眼3D显示。

2.根据权利要求1所述的投影式裸眼3D显示装置，其特征在于，所述光源组包括第一光源组、第二光源组和第三光源组，所述第一光源组、第二光源组和第三光源组分别对应R、G、B三种光。

3.根据权利要求1所述的投影式裸眼3D显示装置，其特征在于，所述显示芯片为多晶硅液晶面板、硅基液晶面板或数字微反射镜。

4.根据权利要求1所述的投影式裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向性光源的纳米衍射光栅的周期、取向角满足以下关系：

(1) tanφ₁＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ))；

(2)

其中，θ₁表示衍射光的衍射角，φ₁表示衍射光的方位角，θ表示光源的入射角，λ表示光源的波长，Λ表示纳米衍射光栅的周期，φ表示纳米衍射光栅的取向角，n表示光波在介质中的折射率。

5.根据权利要求1所述的投影式裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向性投影 屏幕的多个像素阵列的视点成连续任意曲面分布。

6.根据权利要求1所述的投影式裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向性投影屏幕的多个像素阵列的视角范围在正负90度之间。

7.一种彩色化显示装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-6任一项所述的投影式裸眼3D显示装置；

分色合色光路，其设置于所述显示芯片和所述投影镜头之间，用于合成彩色的多视角图像；

彩色滤光片，其设置于所述投影式裸眼3D显示装置的指向性投影屏幕的背面，所述彩色滤光片对彩色的多视角图像进行分色过滤后照明至所述指向性投影屏幕的背面。

8.根据权利要求7所述的彩色化显示装置，其特征在于，所述彩色滤光片与所述指向性投影屏幕为一体设置。