CN106324847B - 一种三维显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维显示装置，包括多个子像素和与各子像素一一对应的多个光栅结构；每个光栅结构用于将光按照指定方向出射，使三维显示装置的出射光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，这样，可以使三维显示装置实现单眼聚焦三维显示，从而可以在将该三维显示装置的视距设计为与视差三维显示的视距相等时，保证单眼的聚焦位置和双眼视线的汇聚位置一致，进而可以避免观看者在观看三维显示装置时产生眩晕的感觉。

Description

一种三维显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种三维显示装置。
背景技术
目前，三维(Three-Dimensional，3D)显示技术已经备受关注，它可以使画面变得立体逼真，其最基本的原理是利用左右人眼分别接收不同的画面，经过大脑对接收的图像信息进行叠加重生，构成立体方向效果的影像。
在人眼观察真实环境中的物体时，如图1a所示，单眼的聚焦位置和双眼视线的汇聚位置是一致的。在人眼观察3D显示装置显示的画面时，如图1b所示，单眼的聚焦位置位于3D显示装置的屏幕M上，而双眼视线由于视差会汇聚到距离3D显示装置的屏幕一定距离处的虚拟画面处，由于单眼的聚焦位置和双眼视线的汇聚位置不一致，会使观看者产生眩晕的感觉。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种三维显示装置，用以解决观看三维显示装置时单眼聚焦位置和双眼汇聚位置不一致的问题。
因此，本发明实施例提供了一种三维显示装置，包括：多个子像素和与各所述子像素一一对应的多个光栅结构；
每个所述光栅结构用于将光按照指定方向出射，使所述三维显示装置的出射光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，包括：液晶显示面板和背离所述液晶显示面板出光侧的一侧的背光模组；其中，所述背光模组，包括：层叠设置的至少一个波导部和位于各所述波导部的入光面处的准直光源；
各所述光栅结构位于各所述波导部面向所述液晶显示面板的一侧。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，各所述光栅结构满足：其中，
k0为波矢，λ为出射光的波长，n1为所述波导部的折射率，n2为空气的折射率，θ1为光在所述波导部中发生全反射的反射角，θ2为出射光的出射角，Λ为所述光栅结构的光栅周期，q＝0,±1,±2,...。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，每个所述波导部为具有波导作用的第一基板。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述第一基板的数量为一个；所述准直光源发白光；
各所述光栅结构位于所述第一基板面向所述液晶显示面板的一侧。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述第一基板的数量为三个；位于不同第一基板的入光面处的准直光源分别发出不同颜色的光；
各所述光栅结构位于与对应的子像素相同颜色的准直光源所照射的第一基板面向所述液晶显示面板的一侧。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，各所述光栅结构的厚度的范围为100nm至700nm。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，每个所述波导部为波导层；
所述背光模组还包括：位于距离所述液晶显示面板最远的波导层背离所述液晶显示面板一侧的第二基板。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述波导层的数量为一层；所述准直光源发白光；
各所述光栅结构位于所述波导层面向所述液晶显示面板的一侧。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述波导层的数量为三层；位于不同波导层的入光面处的准直光源分别发出不同颜色的光；
各所述光栅结构位于与对应的子像素相同颜色的准直光源所照射的波导层面向所述液晶显示面板的一侧。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述背光模组还包括：位于各所述波导层面向所述第二基板一侧的缓冲层。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述波导层的折射率的范围为1.7至2。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述波导层的厚度的范围为100nm至100μm。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，各所述光栅结构的厚度的范围为100nm至500nm。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，包括：液晶显示面板和背离所述液晶显示面板出光侧的的一侧的背光模组；其中，所述背光模组为直下式准直背光；
各所述光栅结构位于所述背光模组与所述液晶显示面板之间；或者，各所述光栅结构位于所述液晶显示面板的内部；或者，各所述光栅结构位于所述液晶显示面板的出光侧。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，各所述光栅结构满足：sinθ-sinθ0＝λ/P；其中，
θ为出射光的出射角，θ0为入射光的入射角，λ为入射光的波长，P为所述光栅结构的光栅周期。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，所述背光模组发出的光与所述液晶显示面板所在平面之间的夹角的范围为40°至80°。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，各所述光栅结构的厚度的范围为100nm至700nm。
本发明实施例提供的上述三维显示装置，包括多个子像素和与各子像素一一对应的多个光栅结构；每个光栅结构用于将光按照指定方向出射，使三维显示装置的出射光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，这样，可以使三维显示装置实现单眼聚焦三维显示，从而可以在将该三维显示装置的视距设计为与视差三维显示的视距相等时，保证单眼的聚焦位置和双眼视线的汇聚位置一致，进而可以避免观看者在观看三维显示装置时使人产生眩晕的感觉。
附图说明
图1a为人眼观看真实环境中的三维画面的示意图；
图1b为人眼观看现有的三维显示装置的显示画面的示意图；
图2a为本发明实施例提供的三维显示装置应用于近眼三维显示时各光栅结构与各视点的对应关系的示意图之一；
图2b为本发明实施例提供的三维显示装置应用于近眼三维显示时各光栅结构与各视点的对应关系的示意图之二；
图2c为本发明实施例提供的三维显示装置应用于远场三维显示时各光栅结构与各视点的对应关系的示意图之一；
图2d为本发明实施例提供的三维显示装置应用于远场三维显示时各光栅结构与各视点的对应关系的示意图之二；
图3a为本发明实施例提供的三维显示装置出射的光在人眼汇聚成的各视点的分布示意图之一；
图3b为本发明实施例提供的三维显示装置出射的光在人眼汇聚成的各视点的分布示意图之二；
图3c为本发明实施例提供的三维显示装置出射的光在人眼汇聚成的各视点的分布示意图之三；
图4为本发明实施例提供的三维显示装置的结构示意图之一；
图5为本发明实施例提供的三维显示装置的结构示意图之二；
图6为本发明实施例提供的三维显示装置的结构示意图之三；
图7为本发明实施例提供的三维显示装置的结构示意图之四；
图8为本发明实施例提供的三维显示装置中波导光栅的光路示意图；
图9为本发明实施例提供的三维显示装置中不同位置的光栅结构在人眼汇聚成两个视点的示意图；
图10为本发明实施例提供的三维显示装置的出射光的出射角随光栅结构的位置变化的曲线图；
图11为本发明实施例提供的三维显示装置的结构示意图之五；
图12为本发明实施例提供的三维显示装置的结构示意图之六；
图13为本发明实施例提供的三维显示装置中光栅结构的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的三维显示装置的具体实施方式进行详细地说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图中各膜层的形状和厚度不反映其真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
本发明实施例提供的一种三维显示装置，如图2a-图2d所示，包括：多个子像素1和与各子像素1一一对应的多个光栅结构2；图2a-图2d中的R、G、B分别表示一个子像素1；图2a-图2d以包含分别显示红色、绿色和蓝色的子像素R、G、B为例，当然，本发明实施例提供的上述三维显示装置也可以适用于单色显示，或者，还可以包含显示其他颜色的子像素，例如黄色(Y)等，在此不做限定；
每个光栅结构2用于将光按照指定方向出射，使三维显示装置的出射光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点；图2a-图2d以三维显示装置的出射光分别在左眼和右眼汇聚成两个视点为例。
本发明实施例提供的上述三维显示装置，设置与各子像素一一对应的光栅结构，每个光栅结构可以将光按照指定方向出射，使三维显示装置的出射光能够在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，因此，可以实现单眼聚焦三维显示，这样，在将该三维显示装置的视距设计为与视差三维显示的视距相等时，可以保证单眼的聚焦位置和双眼视线的汇聚位置一致，进而可以避免观看者在观看三维显示装置时产生眩晕的感觉；并且，本发明实施例提供的上述三维显示装置在虚拟现实/增强现实(VR/AR)显示应用中，对于提升显示画面的质量、显示装置的轻薄化、降低成本等方面，都具有明显的优势。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述三维显示装置可以应用于近眼三维显示装置，即头戴式三维显示装置；或者，本发明实施例提供的上述三维显示装置也可以应用于远场三维显示装置，即观看者位于三维显示装置一定距离处观看；在此不做限定。下面对本发明实施例提供的上述三维显示装置分别应用于上述两种应用形式时，三维显示装置的出射光分别在左眼和右眼汇聚成至少两个视点的具体实现方式进行详细说明。
在本发明实施例提供的上述三维显示装置应用于近眼三维显示装置时，如图2a和图2b所示，从三维显示装置的左半侧出射的光在左眼汇聚成两个视点，从三维显示装置的左半侧出射的光在右眼汇聚成两个视点。较佳地，为了便于各子像素和对应的光栅结构的设计以及方案的简单化，如图2a所示，对于左半侧的每行子像素1而言，以第一行子像素1为例，按照从左到右的顺序，第一组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点a，第二组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点b，第三组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点a，第四组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点b，以此类推；对于右半侧的每行子像素1而言与之类似。进一步地，为了减少不同颜色的光之间的串扰，便于彩膜层的设计与制备，如图2b所示，对于左半侧的每行子像素1而言，以第一行子像素1为例，按照从左到右的顺序，相邻的两个子像素RR对应的两个光栅结构2出射的光分别汇聚到视点a和b，相邻的两个子像素GG对应的两个光栅结构2出射的光分别汇聚到视点a和b，相邻的两个子像素BB对应的两个光栅结构2出射的光分别汇聚到视点a和b，以此类推；对于右半侧的每行子像素1而言与之类似。
当然，本发明实施例提供的上述三维显示装置应用于近眼三维显示装置时，各光栅结构出射的光汇聚成多个视点并非局限于如图2a和图2b所示的形式，还可以应用于其他汇聚形式以及其他任何一种子像素的排列方式，但需保证汇聚于每个视点的光能够包含RGB三种颜色的光，在此不做限定。
在本发明实施例提供的上述三维显示装置应用于远场三维显示装置时，如图2c和图2d所示，三维显示装置的出射光在左眼汇聚成两个视点，在右眼汇聚成两个视点。较佳地，为了便于各子像素和对应的光栅结构的设计以及方案的简单化，如图2c所示，对于每行子像素1而言，按照从左到右的顺序，第一组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点a，第二组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点b，第三组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点c，第四组相邻的三个子像素RGB对应的三个光栅结构2出射的光分别汇聚于视点d，以此类推。进一步地，为了减少不同颜色的光之间的串扰，便于彩膜层的设计与制备，如图2d所示，对于每行子像素1而言，按照从左到右的顺序，相邻的四个子像素RRRR对应的四个光栅结构2出射的光分别汇聚到视点a、b、c和d，相邻的四个子像素GGGG对应的四个光栅结构2出射的光分别汇聚到视点a、b、c和d，相邻的四个子像素BBBB对应的四个光栅结构2出射的光分别汇聚到视点a、b、c和d，以此类推。
当然，本发明实施例提供的上述三维显示装置应用于远场三维显示装置时，各光栅结构出射的光汇聚成多个视点并非局限于如图2c和图2d所示的形式，还可以应用于其他汇聚形式以及其他任何一种子像素的排列方式，但需保证汇聚于每个视点的光能够包含RGB三种颜色的光，在此不做限定。
较佳地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，三维显示装置的出射光分别在左眼和右眼汇聚成至少两个视点，在左眼(或右眼)汇聚成的各视点可以如图3a所示的呈横纵交叉状分布，或者，也可以如图3b所示的呈由中心向周围辐射状状分布，或者，还可以如图3c所示的呈螺旋摆线状分布，这样，可以改善单眼光场显示的画面质量和景深层次程度。当然，各视点的排布并非局限于如图3a-图3c所示的形状，还可以为至少在一个方向上为多视点的其他排布方式。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述三维显示装置主要应用于液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)。当然，本发明实施例提供的上述三维显示装置也可以应用于有机电致发光显示器(Organic Electroluminescent Display OLED)，在此不做限定。具体地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置应用于液晶显示器时，液晶显示器中的背光模组可以为侧入式背光模组，或者，液晶显示器中的背光模组也可以为直下式背光模组，在此不做限定。
下面通过两个具体的实例对本发明实施例提供的上述三维显示装置分别应用于具有侧入式背光模组的液晶显示器和具有直下式背光模组的液晶显示器这两种结构时的具体实现方式进行详细说明。
实例一：本发明实施例提供的上述三维显示装置应用于具有侧入式背光模组的液晶显示器。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图4-图7所示，可以包括：液晶显示面板3和背离液晶显示面板3出光侧的一侧的背光模组4；其中，背光模组4，可以包括：层叠设置的至少一个波导部41和位于各波导部41的入光面处的准直光源42；各光栅结构2位于各波导部41面向液晶显示面板3的一侧；这样，准直光源42发出的光可以在各波导部41内发生全反射，从各光栅结构2散射出去，在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，从而实现单眼聚焦三维显示。图4和图6以背光模组4包括一个波导部41为例，图5和图7以背光模组4包括三个波导部41为例。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图4和图5所示，每个波导部41可以为具有波导作用的第一基板。具体地，具有波导作用的第一基板可以选择折射率较高的材料，例如，折射率在1.6至2范围的玻璃或树脂材料，以保证准直光源发出的光能够在第一基板内发生全反射。较佳地，第一基板的厚度可以控制在0.1mm至2mm范围内为佳。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图4所示，第一基板的数量可以为一个，此时，位于第一基板的入光面处的准直光源42可以发白光，各光栅结构2位于第一基板面向液晶显示面板3的一侧，这样，准直光源42发出的光可以在第一基板内发生全反射，从各光栅结构2散射出去，在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，从而实现单眼聚焦三维显示。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，为了减少不同颜色的光之间的串扰，如图5所示，第一基板的数量可以为三个，此时，位于不同第一基板的入光面处的准直光源42可以分别发出不同颜色的光，例如，如图5所示，按照背离液晶显示面板3的出光侧的方向，位于第一个第一基板的入光面处的准直光源42可以发红色(R)的光，位于第二个第一基板的入光面处的准直光源42可以发绿色(G)的光，位于第三个第一基板的入光面处的准直光源42可以发蓝色(B)的光；各光栅结构2位于与对应的子像素1相同颜色的准直光源42所照射的第一基板面向液晶显示面板3的一侧，例如，如图5所示，与各子像素R对应的各光栅结构2位于发红色(R)的光的准直光源42所照射的第一基板(即第一个第一基板)面向液晶显示面板3的一侧，准直光源42发出的红色(R)的光在第一个第一基板内发生全反射，从第一个第一基板上的各光栅结构2散射出去，同样，与各子像素G对应的各光栅结构2位于发绿色(G)的光的准直光源42所照射的第一基板(即第二个第一基板)面向液晶显示面板3的一侧，准直光源42发出的绿色(G)的光在第二个第一基板内发生全反射，从第二个第一基板上的各光栅结构2散射出去，同样，与各子像素B对应的各光栅结构2位于发蓝色(B)的光的准直光源42所照射的第一基板(即第三个第一基板)面向液晶显示面板3的一侧，准直光源42发出的蓝色(B)的光在第三个第一基板内发生全反射，从第三个第一基板上的各光栅结构2散射出去，从而在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，实现单眼聚焦三维显示。
需要说明的是，在本发明实施例提供的如图5所示的三维显示装置中，由于准直光源都是单色光源，因此，液晶显示面板中可以省去彩膜层的设置，这样，不仅可以简化制作工艺，还可以提高液晶显示面板的出光效率。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，可以直接在第一基板面向液晶显示面板的一面制作光栅结构，或者，也可以在其他基材上制作光栅结构，再贴合在第一基板面向液晶显示面板的一面，在此不做限定。各光栅结构中的空隙可以为空气，或者，也可以填充折射率明显区别于第一基板的材料，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，光栅结构的材料需要为透明材料，例如，二氧化硅(SiO2)、树脂材料等；光栅结构的折射率要明显区别于周围的介质；光栅结构的占空比可以控制在0.1至0.9范围内，较佳地，光栅结构的占空比可以为0.5，具体可以综合考虑出射光的强度、三维显示装置不同位置的显示亮度的差异以及工艺条件等因素设计占空比，在此不做限定。
较佳地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，为了提高出光效率，可以将各光栅结构的厚度控制在100nm至700nm范围内为佳。最佳地，可以将各光栅结构的厚度设置为200nm。具体地，可以将子像素R对应的光栅结构的厚度、子像素G对应的光栅结构的厚度、子像素B对应的光栅结构的厚度设置为相同；或者，也可以分别对子像素R对应的光栅结构的厚度、子像素G对应的光栅结构的厚度、子像素B对应的光栅结构的厚度进行设计，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图6和图7所示，每个波导部41可以为波导层；背光模组4还可以包括：位于距离液晶显示面板3最远的波导层背离液晶显示面板3一侧的第二基板43；第二基板43可以选择折射率小于波导层的折射率的材料，以保证准直光源42发出的光能够在波导层内发生全反射。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图6所示，波导层的数量可以为一层，此时，位于波导层的入光面处的准直光源42可以发白光，各光栅结构2位于波导层面向液晶显示面板3的一侧，这样，准直光源42发出的光可以在波导层内发生全反射，从各光栅结构2散射出去，在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，从而实现单眼聚焦三维显示。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，为了减少不同颜色的光之间的串扰，如图7所示，波导层的数量可以为三层，此时，位于不同波导层的入光面处的准直光源42分别发出不同颜色的光，例如，如图7所示，按照背离液晶显示面板3的出光侧的方向，位于第一层波导层的入光面处的准直光源42可以发红色(R)的光，位于第二层波导层的入光面处的准直光源42可以发绿色(G)的光，位于第三层波导层的入光面处的准直光源42可以发蓝色(B)的光；各光栅结构2位于与对应的子像素1相同颜色的准直光源42所照射的波导层面向液晶显示面板3的一侧，例如，如图7所示，与各子像素R对应的各光栅结构2位于发红色(R)的光的准直光源42所照射的波导层(即第一层波导层)面向液晶显示面板3的一侧，准直光源42发出的红色(R)的光在第一层波导层内发生全反射，从第一层波导层上的各光栅结构2散射出去，同样，与各子像素G对应的各光栅结构2位于发绿色(G)的光的准直光源42所照射的波导层(即第二层波导层)面向液晶显示面板3的一侧，准直光源42发出的绿色(G)的光在第二层波导层内发生全反射，从第二层波导层上的各光栅结构2散射出去，同样，与各子像素B对应的各光栅结构2位于发蓝色(B)的光的准直光源42所照射的波导层(即第三层波导层)面向液晶显示面板3的一侧，准直光源42发出的蓝色(B)的光在第三层波导层内发生全反射，从第三层波导层上的各光栅结构2散射出去，从而在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，实现单眼聚焦三维显示。
需要说明的是，在本发明实施例提供的如图7所示的三维显示装置中，由于准直光源都是单色光源，因此，液晶显示面板中可以省去彩膜层的设置，这样，不仅可以简化制作工艺，还可以提高液晶显示面板的出光效率。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，为了提高波导层的均匀性，如图6和图7所示，背光模组4还可以包括：位于各波导层面向第二基板43一侧的缓冲层44。具体地，缓冲层的材料需要为透明材料，例如，二氧化硅(SiO2)、树脂材料等，缓冲层的折射率需要小于波导层的折射率。如图6所示的三维显示装置中，缓冲层的厚度可以控制在几百纳米至几微米范围为佳，如图7所示的三维显示装置中，缓冲层的等效光学厚度(即折射率与实际厚度的乘积)至少要大于1μm。
较佳地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，波导层的折射率需要大于与波导层相邻的各层(例如缓冲层或第二基板，光栅结构除外)的折射率，波导层的材料可以选择折射率在1.7至2范围的透明材料为佳，例如，氮化硅(Si3N4)，以保证准直光源发出的光能够在波导层内发生全反射。
较佳地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，为了便于各光栅结构对出射光的方向和颜色的控制，可以将波导层的厚度控制在100nm至100μm范围为佳。当然，在准直光源的准直性较好时，可以适当放宽对波导层的厚度的要求，可以将波导层的厚度控制在几百纳米至几毫米的范围。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，可以直接在波导层面向液晶显示面板的一面制作光栅结构，各光栅结构中的空隙可以为空气，或者，也可以填充折射率明显区别于波导层的材料，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，光栅结构的材料需要为透明材料，例如，二氧化硅(SiO2)、树脂材料等；光栅结构的折射率要明显区别于周围的介质；光栅结构的占空比可以控制在0.1至0.9范围内，较佳地，光栅结构的占空比可以为0.5，具体可以综合考虑出射光的强度、三维显示装置不同位置的显示亮度的差异以及工艺条件等因素设计占空比，在此不做限定。
较佳地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，为了提高出光效率，可以将各光栅结构的厚度控制在100nm至500nm范围内为佳。最佳地，可以将各光栅结构的厚度设置为200nm。具体地，可以将子像素R对应的光栅结构的厚度、子像素G对应的光栅结构的厚度、子像素B对应的光栅结构的厚度设置为相同；或者，也可以分别对子像素R对应的光栅结构的厚度、子像素G对应的光栅结构的厚度、子像素B对应的光栅结构的厚度进行设计，在此不做限定。
需要说明的是，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图4和图5所示的结构与如图6和图7所示的结构相比，由于波导层的厚度小于具有波导作用的第一基板的厚度，准直光源发出的光耦合进波导层的光少于耦合进第一基板的光，因此，图4和图5所示的三维显示装置的出光效率较高。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，准直光源可以由RGB三色的半导体激光器芯片经过混光后制成，或者，也可以由准直性较好的RGB三色的发光二极管(Light Emitting Diode,LED)芯片经过混光后制成，或者，也可以由准直性较好的白光LED芯片制成，或者，还可以由条状的冷阴极荧光灯(Cold Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)加准直结构制成，在此不做限定。为了保证准直光源发出的光能够在具有波导作用的第一基板或波导层中发生全反射，且使得波导光栅具有合适的出光效率，需要准直光源以一定的入射角向第一基板或波导层中注入光线。并且，为了使准直光源与液晶显示面板的宽度相匹配，可以使用与液晶显示面板的宽度一致的半导体激光器芯片或LED芯片，或者，也可以在密度较小的半导体激光器芯片或LED芯片前设置扩束、准直等光学结构，在此不做限定。此外，准直光源发出的光应该与具有波导作用的第一基板或者波导层对准，以尽量覆盖第一基板或者波导层且不向液晶显示面板射入光线为宜。
需要注意的是，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，各光栅结构需要与对应的子像素精准对位，由于从各光栅结构出射的光的方向大多与液晶显示面板不垂直，并且，各光栅结构所在膜层与液晶显示面板中的彩膜层之间存在一定的距离，因此，在设计各光栅结构的位置时，需要考虑各光栅结构与对应的子像素所对应的彩膜层之间的错位。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图4-图7所示，液晶显示面板3与背光模组4之间、各波导部41之间可以利用光学胶5(Optically ClearAdhesive,OCA)进行贴合。具体地，液晶显示面板的出光侧可以为彩膜基板一侧，此时，可以将形成有子像素的阵列基板与背光模组贴合；或者，液晶显示面板的出光侧也可以为阵列基板一侧，此时，可以将形成有彩膜层的彩膜基板与背光模组贴合，在此不做限定。
下面对本发明实施例提供的上述三维显示装置利用波导光栅实现在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点的具体原理进行详细说明。在三维显示装中的波导光栅满足公式βq＝βm-qK；其中，q＝0,±1,±2,...时，m阶导模可以按照指定方向耦合出去，从而可以在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，实现单眼聚焦三维显示。上述公式中，βm为m阶导模的传播常数，βm＝k0Nm，其中，k0为波矢，λ为出射光的波长，Nm为m阶导模的有效折射率，Nm≈n1sinθ1，如图8所示，n1为波导部41的折射率，θ1为光在波导部中发生全反射的反射角；βq为q阶衍射波的传播常数，βq＝k0n2sinθ2，如图8所示，n2为空气的折射率，θ2为出射到空气中的光的出射角；K为光栅矢量，Λ为光栅周期；由此，上述公式可以表示为其中，由该公式可知，出射光的波长λ、出射光的出射角θ2以及光栅结构的光栅周期Λ相关，因此，可以根据从各光栅结构出射的光的波长λ(与子像素所显示的颜色对应，例如，子像素R对应的光栅结构出射的光的波长范围为622nm至770nm，子像素G对应的光栅结构出射的光的波长范围为492nm至577nm，子像素B对应的光栅结构出射的光的波长范围为455nm至492nm)和出射角θ2，设计各光栅结构的光栅周期Λ，从而可以使出射光按照指定方向出射，在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点。
下面对本发明实施例提供的上述三维显示装置从各光栅结构出射的光的出射角θ2的确定进行详细说明。如图9所示，三维显示装置100的出射光在人眼的瞳孔汇聚成两个视点a和b(图9以a和b分别位于瞳孔中心e到三维显示装置的垂线l的上方和下方为例)，瞳孔中心e距离三维显示装置100的距离为d(d的范围可以为10mm至100mm)，两个视点a和b距离瞳孔中心e的距离分别为Sa和Sb(Sa的范围可以为0.5mm至1.25mm，Sb的范围可以为0.5mm至1.25mm)。下面分别以f处的光栅结构和g处的光栅结构为例，从f处的光栅结构出射的光汇聚到视点a，f处的光栅结构的中心到垂线l的距离为ha，从f处的光栅结构出射的光与垂线l之间的夹角即为从f处的光栅结构出射的光的出射角θ2，根据正切函数，从f处的光栅结构出射的光满足则从f处的光栅结构出射的光的出射角从g处的光栅结构出射的光汇聚到视点b，g处的光栅结构的中心到垂线l的距离为hb，从g处的光栅结构出射的光与垂线l之间的夹角即为从g处的光栅结构出射的光的出射角θ2，根据正切函数，从g处的光栅结构出射的光满足则从g处的光栅结构出射的光的出射角在确定从各光栅结构出射的光的出射角θ2之后，可以根据从各光栅结构出射的光的出射角θ2和波长λ，设计各光栅结构的光栅周期Λ，从而使三维显示装置出射的光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点。
例如，图10为出射光的出射角θ2随光栅结构的位置变化的曲线图，横坐标为各光栅结构在三维显示装置中的位置，左侧纵坐标为出射光的出射角θ2，右侧纵坐标为视点a和b对应的出射光的出射角之差θ3，图10中的实线代表视点a对应的出射光的出射角θ2随光栅结构的位置变化的曲线，长虚线代表视点b对应的出射光的出射角θ2随光栅结构的位置变化的曲线，短虚线代表实线与长虚线之间的差异。
实例二：本发明实施例提供的上述三维显示装置应用于具有直下式背光模组的液晶显示器。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图11和图12所示，可以包括：液晶显示面板3和背离液晶显示面板3出光侧的一侧的背光模组4；其中，背光模组4为直下式准直背光；如图11所示，各光栅结构2可以位于背光模组4与液晶显示面板3之间；或者，如图12所示，各光栅结构2也可以位于液晶显示面板3的出光侧；或者，各光栅结构还可以位于液晶显示面板的内部，例如彩膜层的上面或下面；在此不做限定。
具体地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，在各光栅结构位于背光模组与液晶显示面板之间时，各光栅结构可以直接制作在液晶显示面板中面向背光模组一侧的基板上；或者，各光栅结构也可以制作在其他基材上，再贴合于液晶显示面板中面向背光模组一侧的基板上；或者，各光栅结构还可以制作或贴合在直下式背光模组面向液晶显示面板一侧的基板上；在此不做限定。
具体地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，在各光栅结构位于液晶显示面板的出光侧时，各光栅结构可以直接制作在液晶显示面板的出光侧的基板上；或者，各光栅结构也可以制作在其他基材上，再贴合于液晶显示面板的出光侧的基板上，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如图11和图12所示，液晶显示面板3与背光模组4之间可以利用光学胶5进行贴合。具体地，液晶显示面板的出光侧可以为彩膜基板一侧，此时，可以将形成有子像素的阵列基板与背光模组贴合；或者，液晶显示面板的出光侧也可以为阵列基板一侧，此时，可以将形成有彩膜层的彩膜基板与背光模组贴合，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，如果背光模组发出的光垂直射入液晶显示面板，会导致各光栅结构的光栅周期较大，从而会导致出射光的出光方向的调节精度较小。较佳地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，可以将背光模组发出的光与液晶显示面板所在平面之间的夹角控制在40°至80°范围为佳。最佳地，可以将背光模组发出的光与液晶显示面板所在平面之间的夹角设置为60°。具体地，可以综合考虑视角范围、三维显示装置距离人眼的距离以及出射光的出光方向的调节精度等因素，对背光模组发出的光与液晶显示面板所在平面之间的夹角进行设计。
需要注意的是，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，各光栅结构需要与对应的子像素精准对位，由于直下式背光出射的光是以一定的倾斜角射入液晶显示面板的，并且，各光栅结构所在膜层与液晶显示面板中的彩膜层之间存在一定的距离，因此，在设计各光栅结构的位置时，需要考虑各光栅结构与对应的子像素所对应的彩膜层之间的错位。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，直下式准直背光可以由RGB三色的半导体激光器芯片经过扩束、混光、准直后制成，或者，也可以由准直性较好的RGB三色的发光二极管(Light Emitting Diode,LED)芯片经过扩束、混光、准直后制成，或者，也可以由准直性较好的白光LED芯片经过扩束、准直后制成，或者，还可以由条状的冷阴极荧光灯(Cold Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)加准直、扩束等光学结构制成，在此不做限定。并且，直下式准直背光可以与液晶显示面板贴合，或者，二者也可以分置，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，光栅结构的材料需要为透明材料，例如，二氧化硅(SiO2)、树脂材料等；光栅结构的折射率要明显区别于周围的介质；光栅结构的占空比可以控制在0.1至0.9范围内，较佳地，光栅结构的占空比可以为0.5，具体可以综合考虑出射光的强度、三维显示装置不同位置的显示亮度的差异以及工艺条件等因素设计占空比，在此不做限定。
较佳地，在本发明实施例提供的上述三维显示装置中，为了提高出光效率，可以将各光栅结构的厚度控制在100nm至700nm范围为佳。最佳地，可以将各光栅结构的厚度设置为200nm。具体地，可以将子像素R对应的光栅结构的厚度、子像素G对应的光栅结构的厚度、子像素B对应的光栅结构的厚度设置为相同；或者，也可以分别对子像素R对应的光栅结构的厚度、子像素G对应的光栅结构的厚度、子像素B对应的光栅结构的厚度进行设计，在此不做限定。
下面对本发明实施例提供的上述三维显示装置实现在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点的具体原理进行详细说明。光栅结构的m级衍射波的衍射角θ由光栅周期P、入射光的波长λ以及入射角θ0决定，满足公式sinθ-sinθ0＝mλ/P；其中，m＝0,±1,±2,...(如图13所示)。由于光栅结构的0级衍射和1级衍射的衍射强度较大，而高阶的衍射级次的衍射强度小很多，并且，0级衍射波的传播方向是固定的，沿入射光方向，而1级衍射波的衍射方向可以通过光栅周期进行调控，因此，本发明实施例提供的上述三维显示装置选择1级衍射波实现对出射光的出射角度的调节，即满足sinθ-sinθ0＝λ/P；其中，θ为出射光的出射角，θ0为入射光的入射角，λ为入射光的波长，P为光栅周期；入射光的入射角θ0(即直下式背光模组的出射光的出射角)固定，入射光的波长λ、出射光的出射角θ与光栅结构的光栅周期P相关，因此，可以根据从各光栅结构出射的光的波长(等于入射光的波长λ，与子像素所显示的颜色对应，例如，子像素R对应的光栅结构出射的光的波长范围为622nm至770nm，子像素G对应的光栅结构出射的光的波长范围为492nm至577nm，子像素B对应的光栅结构出射的光的波长范围为455nm至492nm)和出射角θ，设计各光栅结构的光栅周期P，从而可以使出射光按照指定方向出射，在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点。
并且，由于入射光在光栅结构的栅条和空隙等效光程差为半波长的奇数倍时，0级衍射波相干相消，0级衍射波的衍射强度减弱，1级衍射波的衍射强度增强，入射光在光栅结构的栅条和空隙等效光程差为半波长的偶数倍时，1级衍射波相干相消，1级衍射波的衍射强度减弱，0级衍射波的衍射强度增强，因此，可以分别对子像素R对应的光栅结构的厚度、子像素G对应的光栅结构的厚度、子像素B对应的光栅结构的厚度进行设计，达到0级衍射波的衍射强度减弱，1级衍射波的衍射强度增强的效果，以提高三维显示装置的出光效率。
需要说明的是，本发明实例二中的出射光的出射角的确定与本发明实例一中的出射光的出射角的确定类似，在此不做赘述。在确定从各光栅结构出射的光的出射角θ之后，可以根据从各光栅结构出射的光的出射角θ和波长λ，设计各光栅结构的光栅周期P，从而使三维显示装置出射的光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点。
在具体实施时，本发明实例提供的上述三维显示装置还可以应用于OLED。在本发明实例提供的上述三维显示装置应用于底发射型OLED时，即具有有机电致发光结构的衬底基板一侧为出光侧，此时，各光栅结构可以位于有机电致发光结构与衬底基板之间，或者，各光栅结构也可以位于衬底基板背离有机电致发光结构的一侧，在此不做限定。在本发明实例提供的上述三维显示装置应用于顶发射型OLED时，即封装盖板一侧为出光侧，此时，各光栅结构可以位于有机电致发光结构与封装盖板之间，或者，各光栅结构也可以位于封装盖板背离有机电致发光结构的一侧，在此不做限定。
本发明实施例提供的上述三维显示装置，主要应用于头戴式虚拟现实或增强现实装置中，也可以应用到：手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件，相应的设计应依据具体的人眼-屏幕距离等因素做出相应的调节。
本发明实施例提供的一种三维显示装置，包括多个子像素和与各子像素一一对应的多个光栅结构；每个光栅结构用于将光按照指定方向出射，使三维显示装置的出射光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点，这样，可以使三维显示装置实现单眼聚焦三维显示，从而可以在将该三维显示装置的视距设计为与视差三维显示的视距相等时，保证单眼的聚焦位置和双眼视线的汇聚位置一致，进而可以避免观看者在观看三维显示装置时产生眩晕的感觉。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种三维显示装置，其特征在于，包括：多个子像素和与各所述子像素一一对应的多个光栅结构；
每个所述光栅结构用于将光按照指定方向出射，使所述三维显示装置的出射光在左眼汇聚成至少两个视点，在右眼汇聚成至少两个视点；
所述光栅结构由透明材料构成。
2.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，包括：液晶显示面板和背离所述液晶显示面板出光侧的一侧的背光模组；其中，所述背光模组，包括：层叠设置的至少一个波导部和位于各所述波导部的入光面处的准直光源；
各所述光栅结构位于各所述波导部面向所述液晶显示面板的一侧。
3.如权利要求2所述的三维显示装置，其特征在于，各所述光栅结构满足：其中，
k0为波矢，λ为出射光的波长，n1为所述波导部的折射率，n2为空气的折射率，θ1为光在所述波导部中发生全反射的反射角，θ2为出射光的出射角，Λ为所述光栅结构的光栅周期，q＝0,±1,±2,...。
4.如权利要求2所述的三维显示装置，其特征在于，每个所述波导部为具有波导作用的第一基板。
5.如权利要求4所述的三维显示装置，其特征在于，所述第一基板的数量为一个；所述准直光源发白光；
各所述光栅结构位于所述第一基板面向所述液晶显示面板的一侧。
6.如权利要求4所述的三维显示装置，其特征在于，所述第一基板的数量为三个；位于不同第一基板的入光面处的准直光源分别发出不同颜色的光；
各所述光栅结构位于与对应的子像素相同颜色的准直光源所照射的第一基板面向所述液晶显示面板的一侧。
7.如权利要求4-6任一项所述的三维显示装置，其特征在于，各所述光栅结构的厚度的范围为100nm至700nm。
8.如权利要求2所述的三维显示装置，其特征在于，每个所述波导部为波导层；
所述背光模组还包括：位于距离所述液晶显示面板最远的波导层背离所述液晶显示面板一侧的第二基板。
9.如权利要求8所述的三维显示装置，其特征在于，所述波导层的数量为一层；所述准直光源发白光；
各所述光栅结构位于所述波导层面向所述液晶显示面板的一侧。
10.如权利要求8所述的三维显示装置，其特征在于，所述波导层的数量为三层；位于不同波导层的入光面处的准直光源分别发出不同颜色的光；
各所述光栅结构位于与对应的子像素相同颜色的准直光源所照射的波导层面向所述液晶显示面板的一侧。
11.如权利要求8-10任一项所述的三维显示装置，其特征在于，所述背光模组还包括：位于各所述波导层面向所述第二基板一侧的缓冲层。
12.如权利要求8-10任一项所述的三维显示装置，其特征在于，所述波导层的折射率的范围为1.7至2。
13.如权利要求8-10任一项所述的三维显示装置，其特征在于，所述波导层的厚度的范围为100nm至100μm。
14.如权利要求8-10任一项所述的三维显示装置，其特征在于，各所述光栅结构的厚度的范围为100nm至500nm。
15.如权利要求1所述的三维显示装置，其特征在于，包括：液晶显示面板和背离所述液晶显示面板出光侧的一侧的背光模组；其中，所述背光模组为直下式准直背光；
各所述光栅结构位于所述背光模组与所述液晶显示面板之间；或者，各所述光栅结构位于所述液晶显示面板的内部；或者，各所述光栅结构位于所述液晶显示面板的出光侧。
16.如权利要求15所述的三维显示装置，其特征在于，各所述光栅结构满足：sinθ-sinθ0＝λ/P；其中，
θ为出射光的出射角，θ0为入射光的入射角，λ为入射光的波长，P为所述光栅结构的光栅周期。
17.如权利要求15所述的三维显示装置，其特征在于，所述背光模组发出的光与所述液晶显示面板所在平面之间的夹角的范围为40°至80°。
18.如权利要求15所述的三维显示装置，其特征在于，各所述光栅结构的厚度的范围为100nm至700nm。
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