CN106556966B - 一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其包括至少一个指向屏幕，指向屏幕的出光面上设有多组像素阵列，同组像素阵列中的像素发出的光指向同一视角。本发明将含有纳米光栅的指向投影屏幕与显示技术结合，实现超视角裸眼3D显示。

Description

一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕

技术领域

本发明涉及裸眼3D显示领域，具体涉及一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕。

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，全息显示未能成为裸眼3D显示的主流。

视差原理发明已100多年，虽然国内外企业不断有3D显示的样机展示，但由于图像分辨率和视觉疲劳等问题的限制，裸眼3D显示一直未能真正进入消费领域。

传统的多视角三维显示基于几何光学原理，有柱透镜阵列和投影阵列法，然而容易产生辐辏调节矛盾，使人眼观看不自然，例如专利CN20101058659.4(可切换显示模式的LED裸眼显示装置)提出利用柔性狭缝光栅实现2D/3D切换，但其显示效果受观看位置影响较大。超视角裸眼3D显示技术能够减弱辐辏调节矛盾，实现更加自然的视角变换过程。基于柱透镜阵列的超视角三维显示方法光线调控精度差，易产生干扰，投影阵列方法结构很复杂，体积较大，不适合便捷式的显示终端。因此需要一个更为合理的三维显示的方法来解决以上这些问题。

超视角裸眼3D显示是基于多视角裸眼3D基础上的改进。其最主要区别在于，超视角三维显示缩短了相邻两个视角间的距离，使人的一只眼睛可以同时看到两个以上的视角。因此，人眼可以观察到连续的视差，保证了图像的三维显示效果。在普通的裸眼3D显示技术中，单眼调焦距离与双眼聚合距离不匹配，容易使眼睛疲劳，采用超视角的方法之后，即可成果解决辐辏调节矛盾，更适合人眼观赏。

基于衍射光学的超视角3D显示技术是一种很好的超视角三维显示方法，其采用纳米光栅结构来控制每一个视角，光线调控精度高，且不易产生串扰，结构简单，体积较小，适宜作为便携式的显示终端。是保证3D显示效果的有效方法。

已有裸眼3D显示方案最大缺点是视差不连续，影响3D显示效果。同时，目前多视角裸眼3D显示中，单眼调焦距离与双眼聚合距离不匹配，产生辐辏调节矛盾，容易使眼部疲劳。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，将含有纳米光栅的指向投影屏幕与显示技术结合，实现超视角裸眼3D显示。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其包括至少一个指向屏幕，指向屏幕的出光面上设有多组像素阵列，同组像素阵列中的像素发出的光指向同一视角。通过减小同组像素阵列中纳米光栅周期差，从而减小相邻视角间的距离。

进一步地，上述相邻视角间距离小于瞳孔大小，当相邻视角间距离小于瞳孔大小时再根据光栅方程求出周期差。

进一步地，上述各组像素阵列之间根据全息成像原理将各自像素阵列互相嵌合，分布在指向屏幕的出光面上。不同组的像素阵列具有不同的位置的会聚视点，共同组成超视角视点分布。

进一步地，上述像素内部纳米光栅的周期、取向的相互间关系满足全息原理。

进一步地，上述指向屏幕的背后或正前方设有三个单色点光源，点光源发出的光从上而下或从下而上入射到指向屏幕的背后。

进一步地，上述点光源扩散照明指向屏幕后，将多视角合成图像的像素与指向屏幕上的纳米光栅像素对应，经过空间距离的传播后，形成不同视点的出射光场，多视点光场形成超视。

进一步地，上述三个单色为红、绿和蓝。

进一步地，上述三个单色点光源的入射角度与波长的关系满足光栅衍射方程。本发明提出的一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，将含有纳米光栅的指向投影屏幕与显示技术结合，实现超视角裸眼3D显示。该发明的优点在于，第一，观察的图像在空间视点上具有会聚效应，同时携带振幅与位相信息，不同视角图像间不存在串扰。第二，利用纳米光栅调控每个视角，使一个眼睛能够看到两个以上的视角，实现连续的视差，保证自然的三维显示效果。第三，使单眼调焦距离与双眼聚合距离匹配，减少眼部疲劳。第四，用LCD配合图像的刷新，实现超视角裸眼3D视频显示。因此，本发明用纳米光栅投影屏幕对出射光方向进行调控，配合LCD显示技术，可实现超视角裸眼3D显示，得到的图像分辨率高，减小串扰，保证视差的连续性，减少辐辏调节矛盾，使观看效果更加自然，保证3D显示效果。

附图说明

图1为本发明实施例中所涉及的人眼结构图。

图2为本发明实施例中所涉及的视锥细胞分布图。

图3和图4为本发明实施例中结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。

图5为本发明实施例中多种纳米光栅像素结构示意图。

图6为本发明实施例中现单个视点汇聚的指向性功能薄膜的纳米结构分布图。

图7为本发明实施例中一种超视角显示方案图。

图8为本发明实施例中显示屏结构示意图。

图9为本发明实施例中彩色超视角裸眼3D显示中显示屏结构示意图。

图10a-b为本发明实施例中光源照明示意图。

图11a-c为本发明实施例中多视角裸眼3D显示的两个视角像素密度分布图。

图12为本发明实施例中平行光再现空频计算所涉及的坐标系示意图。

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。

本实施例主要描述了一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，用液晶显示器贴合方式提供多视角图像，与屏幕上纳米结构像素阵列对应，每一幅视角图像均由一组纳米结构像素阵列在屏幕周围空间上产生会聚光场(视点)，使人的一个眼睛可以看到两个以上的视点，相邻两个视点间的视差分布尽可能连续，使影像的立体感更贴近真实情况。

本发明的技术方案是：由含有纳米光栅像素的指向屏幕，将从投影的各视角图像会聚到投影装置位置附近，在空间产生距离较近的视点，实现单眼视差效果。超视角屏幕的像素包含对应于各视角图像的亚像素，其亚像素含有按照全息原理设计的纳米光栅组合，其纳米光栅像素阵列的功能是对入射的视角图像进行波前转换，将平行或点状照明光场，形成相邻瞳孔(2mm)大小以内的会聚视点。本质上，这是全息波前转换成像，将LCD提供的视角信息转变成位相视点，由于视角间隔小于瞳孔直径大小，因此实现单眼视差效果，从而减小了辐辏调节矛盾，保证了相邻视角中间间隔区域视差分布连续，增强3D显示效果。

根据本发明的目的，提出的一种超视角3D显示装置，包括至少一个指向屏幕。所述指向屏幕的出光面上设有多组像素阵列，各组像素阵列之间根据全息成像原理将各自像素阵列互相嵌合，分布在所述指向屏幕的出光面上。同组像素阵列中的像素发出的光指向同一视角，减小相邻视角间的距离，使单个眼睛能够同时看到多个视角；不同组的像素阵列具有不同的位置的会聚视点，共同组成超视角视点分布。其中，所述像素内部含有纳米光栅结构，像素内部纳米光栅的周期、取向的相互间关系满足全息原理。

所述指向屏幕的背后(或者正前方)设有三个单色(红、绿、蓝)点光源，光源发出的光从上而下(或者从下而上)入射到指向屏幕的背后。采用将液晶显示器(LCD)贴合在指向屏幕上面，由LCD提供多视角平面合成图像，点光源扩散照明指向屏幕后，将多视角合成图像的像素与指向屏幕上的纳米光栅像素对应，经过空间距离的传播后，形成不同视点的出射光场，多视点光场形成超视角，且图像无串扰，当人眼横向移动观察时，光强分布均匀，无暗影，看到逼真的3D立体效果。

这里，指向屏幕提供了空间信息(位相)调制，液晶显示器提供视角图像信息(振幅)调制，两者结合，具备了全息显示的全部信息。由纳米光栅构成的像素阵列，本质上起到波前变换成像的作用。将在屏幕多视角图像，转换成具有会聚功能的波前，对应不同视角图像，在空间形成分离视点(指向性光场)，由于空间波前携带的位相(视角)与振幅(图像)信息的独立传播，各波前(视点)间互不串扰。人眼观察时，不会产生视觉疲劳，观察的立体效果与观察者的位置无关。

液晶显示器的视角图像的像素必须与指向投影屏幕的纳米光栅像素匹配对准。

参见附图1和附图2，附图1是人眼结构图。人的眼睛近似球体，具有光学成像功能的组织是角膜和晶状体。视网膜位于眼睛后端，是视觉形成的神经信息传递的第一站。视网膜上的视锥细胞是的主要感光神经元，在视轴正对终点。附图2是视锥细胞分布图，由图可知，视锥细胞分布极不均匀，在黄斑中心凹处最密集，在视网膜其他位置少量分布。因此，中心凹是视觉最敏锐的区域，其直径约为1～3mm。人眼的视场可达150°，但能同时清晰地观察物体的范围只在视轴周围6°～8°。本发明将充分考虑视锥细胞分布特点，设计各视角像素分布，达到视觉体验最优化。

本发明采用基于衍射效应的纳米结构构筑新光场。单个纳米结构与光相互作用，改变其相位。参见附图3和附图4，附图3和附图4是结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅方程，衍射光栅像素101的周期、取向角满足以下关系：

(1)

(2)

其中，光线以一定的角度入射到XY平面，θ1和依次表示衍射光202的衍射角(衍射光线与z轴正方向夹角)和衍射光202的方位角(衍射光线与x轴正方向夹角)，θ和λ依次表示光源201的入射角(入射光线与z轴正方向夹角)和波长，和依次表示纳米衍射光栅101的周期和取向角(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。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的周期和取向角了。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，将每一个纳米光栅视为一个像素。该光栅的取向决定了光场角度调制特性，其周期决定了光谱滤波特性。该方法中纳米结构的周期(空频)和取向在各亚像素之间的变化连续，即可实现光场的调控和变换。因此，在纳米结构指向性相位板上制作出多个按需设定的不同取向角和周期的纳米光栅之后，理论上就可以获得足够多的具有不同视点，配合颜色、灰度和各视点间距离的控制，就能实超视角裸眼3D显示。

参见附图5，附图5是多种纳米光栅像素结构示意图。光栅结构可由单种材料组成，亦可由多种材料组成。可在指向性功能镜片表面，亦可嵌入指向性功能镜片内部。其本质是光学折射率在微纳米尺度空间内周期性变化并可与光作用发生衍射效应，本发明提出的上述指向性功能镜片，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，在本发明中，可以采用光刻方法在光滑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构成的像素阵列。

参见附图6，附图6是实现单个视点汇聚的指向性功能薄膜的纳米结构分布图。优选地，其纳米结构相当于单个离轴菲涅尔透镜结构，可以使图像汇聚于视点1。n×m个子像素构成了n×m个不同焦点的离轴菲涅尔透镜结构。此外，通过设计单个像素复杂纳米结构，可使出射光线对入射光波长不敏感，即通过渐变纳米结构，可使多波长入射光获得相同会聚效果。图上像素不限于矩形像素，也可以是圆形，菱形，六边形等像素结构组成。图上像素亦可互相分立，适当设计像素间距，可使之满足照明空隙要求。此外，通过调节图上各像素的像素大小、结构或槽深等结构参数依空间分布变化，可使各像素点获得理想的衍射效率，达到均匀照明的目的。

参见附图7，图7是本发明实施方式下的一种超视角显示方案图。该显示方案通过显示屏将各视角图像分离会聚于屏幕附近，视角间距小于人眼瞳孔大小，使人单眼就能够看见两幅以上视角图像(视角1和视角2)，通过人眼晶状体聚焦于视网膜上成像，单眼调焦的位置位于显示的三维物体上(位置1)，这样可以实现单眼调焦功能。图7上的显示屏结构如图8所示，至少包括一层指向性投影屏幕，液晶面板以及一个光源。投影到指向性投影屏幕上的光线经过指向性投影屏幕上的纳米光栅调制出射，将液晶面上显示的多幅视角图像分离，形成空间不同视角分布，单个视角可形成会聚功能，其对应的单个视角纳米光栅结构如图6所示，不同视角纳米光栅像素互相嵌合，分布在所述指向屏幕的出光面上，如图8所示出了三个视角对应的纳米光栅像素，同时每个视角的纳米光栅像素与液晶屏幕上的各视角图像像素相对准，避免发生视角串扰。

如图9所示为彩色超视角裸眼3D显示中显示屏结构示意图，至少包括一层指向性投影屏幕，液晶面板，彩色滤光片以及光源。入射光源经过指向性投影屏幕后被纳米光栅像素调制出射方向，经过彩色滤光片调制出射颜色，将液晶面板上提供的彩色视角图像分离会聚于不同视点，视点间距满足上述的超视角裸眼3D显示条件。rgb三色光对应不同的纳米光栅像素，使rgb三色光出射方向相同，形成白色或者彩色显示。同样液晶面板的亚像素也要与指向性投影屏幕纳米光栅像素相对应。光源可以是白光也可以是rgb三色光。

光源照明需要具有一定的倾角从上而下(如图10(a))或者从下而上照明(如图10(b))。

参见附图11(a)，为多视角裸眼3D显示的两个视角像素密度分布图，由于两个视角分布相对较远，大于人眼瞳孔的宽度(5mm)，所以一只眼睛无法同时观察到两个视角，因此无法实现单眼视察显示。在这种情况下，单眼调焦距离与双眼聚合距离不匹配，导致辐辏调节矛盾，极易使眼部疲劳。视差的不连续影响三维显示的效果。参见附图11(b)，为超视角裸眼3D显示的视角像素密度分布图，三个视角间的距离足够小，以致于人的一只眼睛能够同时观察到两个以上的视角，实现超视角裸眼3D显示。参见附图11(c),为附图11(b)像素密度叠加后的近似像素密度分布图，由于三个视角分布足够近，可近似看成图11(c)的分布图样。该方式下，时差分布连续，保证了图像的真实性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本发明提出，利用全息成像与波前转换原理，将含有纳米光栅的指向投影屏幕与显示技术结合，实现超视角裸眼3D显示。该发明的优点是，第一，观察的图像在空间视点上具有会聚效应，同时携带振幅与位相信息，不同视角图像间不存在串扰。第二，点光源投射到指向性屏幕上，指向性屏幕上的纳米光栅像素满足全息原理，对通过其的光线以衍射的方式实现光的波前转换成像，相邻两个视角间的间隔小于瞳孔大小，使人的一只眼睛能够看到两个以上的视角，形成单眼视差的效果。第三，单眼聚焦的位置位于显示物体上，与双眼聚合的位置相同，减小了辐辏调节矛盾，使观看效果更加自然。第四，采用红、绿、蓝三色点光源投射到三组像素阵列上，利用纳米光栅对光线的任意调控作用，将红、绿、蓝的视角图像在出射面合成在一起，实现彩色超视角裸眼3D显示。第五，采用LCD配合图像的刷新，可实现超视角裸眼3D视频显示。

因此，本发明采用纳米光栅投影屏幕对出射光方向进行调控，配合LCD显示技术，可实现低成本的超视角裸眼3D显示，得到的图像分辨率高，观看无视觉疲劳，观看图像更佳。

本发明中所述的像素化指向屏幕，单个像素尺寸可根据屏幕的分辨率做调整，可实现2D/3D切换。多幅(n)视角图形分别对应与指向性像素(n)，形成3D图像显示。如果不是多视角图像，而是单视角图形，那么即形成2D显示，这里2D图像的像素尺寸等于(n*指向性像素尺寸)。由于像素尺寸可做到很小，比如20微米，如果是9个视点，这样，2D像素尺寸就为60微米，不影响到显示屏幕2D图像分辨率。

本发明中所述的多视角像素指向屏幕、扩束型三色激光源(或者白光)与提供多视角图像的液晶显示结合，可实现立体图像显示。由液晶显示调制提供图像的振幅信息，由指向屏幕提供位相(视角)信息，由的三色激光扩束光场提供背光照明，构成本发明所述的超视角3D激光显示模组。显示立体图像有着与全息图相同的特性，换句话说，从本发明所述的超视角裸眼3D显示装置中，观看到的三维图像与实际的三维图像一样，不存在长时间观看后产生的眼睛视觉疲劳，有利于视力保护。

图12所示，假设A(x,y,0)点为位相板上的任一点坐标,B(h,0,z)点为视点位置坐标,c(x,y-tanθ*z,z)点为入射光线空间坐标向量CA(0,ztanθ,-z)与向量BA(x-h,y,z)干涉形成条纹，波导折射率为n根据光栅方程：

在x方向形成的光栅空频

在y方向形成的光栅空频

在xoy面上的空频

在xoy面上的取向角(沟槽垂直方向与x轴的夹角)φ

则

其中cosα1、cosβ1为向量CA在x和y方向的余弦，cosα2、cosβ2为向量BA在x和y方向的余弦

cosα₁＝0，

上式代入方程(1)和(2)中得

假设视点1坐标B1(h1，0，z)，视点2坐标B2(h2，0，z)根据上述公式得到的光栅空频分别为：

为满足超视角要求：d＝|h1-h2|<瞳孔大小，可根据上述公式求出周期差。

在本发明中，既可以采用纳米光刻方法在薄膜表面刻蚀制作出指向性纳米光栅，也可通过该纳米光刻方法先制作出能用于压印模板，再通过纳米压印批量复制，以降低屏幕成本。并且红、绿、蓝激光器(LD或者DPSSL)的价格和成本已达到应用要求。

总结来说，本发明具有以下特点：

1)将指向屏幕与液晶显示屏幕结合的超视角激光显示方案；

2)指向屏幕含有纳米光栅像素阵列，与超视角图像匹配对应。根据图像提供方式，指向屏幕可以是透射型，也可以是反射型；

3)在屏幕的后方或者前方，通过红、绿、蓝三个单色光源，以一定入射角度和位置投射到屏幕上，使红、绿、蓝光线通过指向屏幕合束并在同一出射方向和相同空间视点上，形成彩色图像的精确成像；

4)指向屏幕对各视角图像具有会聚成像功能，形成的会聚视点之间间隔为瞳孔大小以内，使人的一只眼睛能同时看到两个以上的视角，形成连续的视差，解决人眼的辐辏矛盾；

5)指向屏幕含有纳米光栅，其光栅周期、取向和方位角可根据全息原理与光栅方程计算获得。红、绿、蓝波长投影在屏幕的不同位置上，通过纳米光栅的空间复用，形成3D图像的彩色合成。入射角度可根据光栅方程计算，位置可以根据全息成像公式计算；

6)指向投影屏幕的纳米光栅是浮雕结构，通过纳米压印方式，用于屏幕的批量制造，降低屏幕制造成本。

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 (7)

1.一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其特征在于，包括至少一个指向屏幕，所述指向屏幕的出光面上设有多组像素阵列，同组像素阵列中的像素发出的光指向同一视角；

相邻所述视角间距离小于瞳孔大小，当相邻视角间距离小于瞳孔大小时再根据光栅方程求出周期差。

2.根据权利要求1所述的一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其特征在于，各组所述像素阵列之间根据全息成像原理将各自像素阵列互相嵌合，分布在所述指向屏幕的出光面上，不同组的像素阵列具有不同的位置的会聚视点，共同组成超视角视点分布。

3.根据权利要求1所述的一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其特征在于，所述像素内部纳米光栅的周期、取向的相互间关系满足全息原理。

4.根据权利要求1所述的一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其特征在于，所述指向屏幕的背后或正前方设有三个单色点光源，所述点光源发出的光从上而下或从下而上入射到所述指向屏幕的背后。

5.根据权利要求4所述的一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其特征在于，所述点光源扩散照明所述指向屏幕后，将多视角合成图像的像素与指向屏幕上的纳米光栅像素对应，经过空间距离的传播后，形成不同视点的出射光场，多视点光场形成超视角。

6.根据权利要求4所述的一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其特征在于，所述三个单色为红、绿和蓝。

7.根据权利要求4或5所述的一种含纳米光栅像素结构的超视角指向投影屏幕，其特征在于，所述三个单色点光源的入射角度与波长的关系满足光栅衍射方程。