CN110531528A - 三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示技术，特别涉及用于实现裸眼三维图像的多视角显示的装置。按照本发明一个方面的三维显示装置，其特征在于，包含：光源模组，其配置为发出第一光束；位于所述第一光束传播方向上的空间光调制器，其配置为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到所述第一光束上以形成第二光束；以及位于所述第二光束传播方向上的位相板，其具有衍射结构，所述衍射结构配置为将所述第二光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的多个观察位置。

Description

三维显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术，特别涉及用于实现裸眼三维图像的多视角显示的装置。

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，多媒体领域和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。传统的3D显示技术需要借助额外的辅助设备(比如3D眼镜等)才能观察到立体图像，这极大限制了人们观看的自由度。因此发展裸眼3D显示技术是大势所趋。

全息图是一种携带振幅与位相信息以真实再现三维信息的图像。全息显示的特点是，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，在空间不同观察点可观看到不同视角的整幅图像而相互不干扰。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。

基于视差原理的裸眼3D显示技术包括视障法和微柱透镜法。在这些技术中，视障屏或者微柱透镜阵列被设置在液晶显示面板表面以实现不同视角的图像在空间角度上的分离。由于鬼影和杂散光难以消除，因此在观察这种3D图像时易引起视觉疲劳。与此同时，受杂散光的影响，通常将视角间隔设置得较大，从而导致视角不连贯，无法实现无跳跃的裸眼3D显示效果。此外，现有的裸眼3D显示设备体积较大，难以集成到手机等小型装置内。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种三维显示装置，其具有制造成本低、设计简便和结构紧凑等优点。

按照本发明一个方面的三维显示装置包含：

光源模组，其配置为发出第一光束；

位于所述第一光束传播方向上的空间光调制器，其配置为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到所述第一光束上以形成第二光束；以及

位于所述第二光束传播方向上的位相板，其具有衍射结构，所述衍射结构配置为将所述第二光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的多个观察位置。

优选地，在上述装置中，所述第一光束为平行光或点光源发散光。

优选地，在上述装置中，所述空间光调制器包含多个体像素，每个体像素包含多个亚像素，每个亚像素对应于不同的视角，所述衍射结构包含多个纳米结构单元，每个纳米结构单元配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的多个观察位置。

优选地，在上述装置中，所述衍射结构采用下列中的一种结构实现：一维纳米光栅、二维纳米光栅、空间复用的纳米光栅、纳米光栅阵列和衍射光学元件。

优选地，在上述装置中，所述衍射结构采用衍射光学元件实现，通过调整所述衍射光学元件的结构深度使衍射光在衍射级次为零级处的衍射效率最小。

优选地，在上述装置中，所述光源模组包括：

光源；

背光板，其包括：

导光板，所述光源位于所述导光板的侧部，所述导光板包含位于导光板上表面、下表面或内部的第一微结构，该第一微结构具有周期性分布的第一单元，使得所述光源发出的光束经所述第一微结构散射至导光板的外部；以及

与所述导光板堆叠在一起的光学膜，其包含位于光学膜表面的第二微结构，该第二微结构具有周期性分布的第二单元，经所述第一微结构散射至导光板的外部的光束经第二微结构变换为所述第一准直光束。

优选地，在上述装置中，所述第一单元为微棱镜、微透镜、自由曲面透镜或凹坑中的一种。

优选地，在上述装置中，所述第二单元为微透镜、菲涅耳透镜或薄膜透镜中的一种。

优选地，在上述装置中，所述背光板进一步包括遮光板，其包含与所述第一微结构和第二微结构匹配对应的遮光结构以滤除从所述第二微结构出射的杂散光。

优选地，在上述装置中，下列位置中的一个：导光板与光学膜之间、所述导光板内部和所述光学膜内部。

优选地，在上述装置中，所述光源为LED线阵列光源。

优选地，在上述装置中，所述空间光调制器为液晶显示单元。

优选地，在上述装置中，所述光源为白色光源或三原色光源，所述装置进一步包括与所述空间光调制器和位相板堆叠在一起的彩色滤光片。

优选地，在上述装置中，所述彩色滤光片设置于所述空间光调制器与位相板之间。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的三维显示装置的示意图。

图2为可应用于图1所示装置的背光板的示意图。

图3为另一种可应用于图1所示装置的背光板的示意图。

图4a-4d为可应用于图1所示实施例中的位相板的单个纳米结构单元的示意图。

图5a-5c为采用图4a-4d所示纳米结构单元构成的位相板亚像素视点(阵列)效果的示意图。

图6为示出了一种扩大纵向视场角的多视角图像显示结构的示意图。

图7为示出了一种扩大横向视场角的多视角图像显示结构的示意图。

图8为示出了另一种扩大横向视场角的多视角图像显示结构的示意图。

图9为示出了一种通过同时扩大纵向和横向视场角来实现周视显示结构的示意图。

图10为示出了另外一种通过同时扩大纵向和横向视场角来实现周视显示结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的目的进行详细说明。

图1为按照本发明一个实施例的三维显示装置的示意图。

图1所示的装置10包括光源模块110、空间光调制器120和位相板130。参见图1，空间光调制器120设置在光源模块110发出光束B1(以下又称为第一光束)的传播方向上，其通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到第一光束B1上以形成第二光束B2。位相板130设置在第二光束B2的传播方向上，其利用纳米结构单元将第二光束B2所承载图像中的每个视角的图像投射至各自对应的多个观察位置(例如环绕显示桌面曲线(或曲面)排布的不同观察区域)，从而获得裸眼3D的多视角显示的效果。

如下面将会看到的是，利用位相板的纳米结构单元可将同一视角的图像转换至多个视点或多个视点阵列组成的可视窗口，从而在不增加显示信息通量的前提下，扩展了视场角以达到周视显示的效果。

图2为按照本发明另一个实施例的可应用于图1所示装置的光源模块的示意图。

图2所示的光源模块110包括光源111和背光板112。背光板112例如可以是指向性背光板，其包括导光板1121和光学膜1122。示例性地，光学膜1122可以是微纳光学膜。如图2所示，在导光板1121的上表面形成具有周期性分布的第一单元(图中以凹坑示出)的第一微结构1121A。光源111位于导光板1121的侧部，其发出的光束进入导光板1121之后，经第一微结构1121A散射至导光板1121的外部。

虽然图2中所示的第一微结构1121A形成于导光板1121的上表面，但是其也形成于导光板1121的下表面或内部。优选地，第一微结构的尺寸在100nm-1mm之间。在图2所示的背光板112中，第一单元示例性地以凹坑的形式示出，但是其也可以是其它形式的光学元件，例如包括但不限于微棱镜、微透镜、自由曲面透镜等。

继续参见图2，光学膜1122位于导光板1121的下方。光学膜1122可与导光板1121堆叠在一起或与导光板1121保持一定的空气间隙(当光学膜的折射率接近或高于导光板的折射率时)。此外，还可以在导光板1121与光学膜1122之间***一层低折射率层以避免在导光板中形成全反射条件。如图2所示，在光学膜1122的表面形成具有周期性分布的第二单元的第二微结构1122A，该第二微结构1122A与第一微结构1121A在结构上匹配，作用是将来自导光板1121的发散光束变换为沿一个或多个方向出射的准直光束B1。优选地，第二微纳结构1122A采用微透镜阵列、菲涅耳透镜阵列、薄膜透镜阵列、二元结构光阵列等构型。微透镜阵列、菲涅耳透镜阵列或薄膜透镜阵列的透镜单元可根据与导光板中的微结构的相对位置作优化设计以获得较好的准直或汇聚效果。例如可以将光学膜112中的每个单元或微透镜的直径设计为比导光板1121的单元或凹坑结构的尺寸更大。

在本实施例中，可选取塑料或者玻璃作为导光板或微透镜的材料，其折射率在1-2.5之间。优选地可采用塑料以使产品更轻便并降低成本。此外，该导光板1121可由一种材料构成或由折射率不同的多种材料组成。导光板和光学膜例如可利用灰度光刻工艺、激光刻蚀工艺等制作，并利用纳米压印工艺实现批量复制。

优选地，可以在背光板112内设置遮光板以滤除不希望的杂散光。例如在图3所示的背光板中，可以考虑在导光板与光学膜之间设置遮光板1123。该遮光板包含与第一微结构1121A和第二微结构1122A匹配对应的遮光板，从而可滤除从第二微结构出射的杂散光。遮光板可以是单层或多层独立结构，并且可与导光板、光学膜、空间光调制器和菲涅耳透镜组的任意一个或者多个集成在一起以形成功能复合的光学器件。

需要指出的是，在本说明书中，沿一个方向传播的准直光束、平行光、指向性光束和汇聚光束指的是发散角半高宽在30°以内的出射光线。优选地，出射光线的发散角半高宽在10°范围内。

在图1所示的实施例中，空间光调制器120用于振幅调制，即加载多视角混合的图像信息。空间光调制器例如可包括显示面板、驱动电路、控制***和软件控制等。根据具体应用领域需要，空间光调制器可以实现单色或彩色显示。优选地，空间光调制器120可以是液晶显示单元。空间光调制器120可包含多个体像素或振幅调制像素，每个体像素包含多个亚像素，并且每个亚像素对应于不同的视角。

在现有技术中，来自空间光调制器的每个亚像素的图像被位相板投射到相应的单个视角或观察位置，但是从下面的描述将会看到，在本发明中，位相板将空间光调制器的每个亚像素的图像投射到相应的一个视角阵列或一组观察位置，从而拓宽了视场角。

为了获得一组观察位置，在本实施例中，位相板130具有衍射结构，该衍射结构包含多个体像素。进一步地，位相板130的每个体像素包含多个纳米结构单元，每个纳米结构单元与空间光调制器的视角图像像素匹配对准，也就是说，将来自于空间光调制器120的多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的一组观察位置。优选地，衍射结构可采用各种结构实现，例如包括但不限于一维纳米光栅、二维纳米光栅、空间复用的纳米光栅、纳米光栅阵列和衍射光学元件(或二次光学元件)等。

图4a-4d为可应用于图1所示实施例中的位相板的单个纳米结构单元的示意图。

以图4a为例，该纳米结构单元131采用像素单元形式，其被划分为9个具有不同周期和/或取向角的光栅区域1a-1i，当来自空间光调制器120的一个亚像素的光线到达时，不同的光栅区域将使光线偏转至不同的观察位置，由此实现了同一个视角的光束到多个观察位置的投射，从而扩大了视场范围。

光栅区域的周期和取向角可以根据下列光栅方程确定：

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分别表示光源的入射角(入射光线与z轴负方向的夹角)和波长，Λ和φ分别表示纳米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。

因此，当入射光线波长、入射角、衍射光线衍射角和衍射方位角确定之后，即可利用上式计算出所需的光栅周期和取向角。

又如，又如，图4b所示的纳米结构单元131采用光栅空间复用的形式，其由9个具有不同周期和/或取向角的光栅堆叠而成，当来自空间光调制器120的一个亚像素的光线到达时，不同的光栅同样使光线偏转至不同的观察位置，由此实现了同一个视角的光束到多个观察位置的投射，从而扩大了视场范围。

图4c和4d所示的纳米结构单元分别为二台阶衍射光学元件和多台阶衍射光学元件，其同样可使来自一个视角的光线偏转至不同的观察位置。

图5a-5c为采用图4a-4d所示纳米结构单元构成的位相板亚像素视点(阵列)效果的示意图。入射到单个纳米结构单元的光线经过波前变换形成多个可视区域，这些可视区域可以是如图5a所示的条状、如图5b所示的环状或如图5c所示的十字状。显然，这扩大了横向和/或纵向的可视范围，使观察者上下左右移动时均可观察到同一视角的信息图像。

在本发明中，术语“周视显示”可理解为通过同时沿横向和纵向扩展视场角而实施的显示。以下分别从扩展横向视场角和扩展纵向视场角两个方面来分别说明。

图6为示出了一种扩大纵向视场角的多视角图像显示结构的示意图。

不失一般性的，图6中以4个视角的显示装置为例进行进行说明。在图6中，位相板130上的每个体像素包含4个亚像素或纳米结构单元。示例性地，图6中的每个纳米结构单元包含3个纳米光栅，通过控制纳米光栅的取向角和/或周期，可以如图6所示在纵向上形成3个可视区域。位相板130上的每个体像素与空间光调制器120的体像素匹配对准，由此可在3个沿纵向排布的可视区域内呈现同一视角的3个信息图像，从而在不增加空间光调制器所需刷新显示信息的情况下，达到扩大纵向视场角的效果。

图7为示出了一种扩大横向视场角的多视角图像显示结构的示意图。

同样地，图7也以4个视角的显示装置为例进行说明。在图7中，位相板130上的每个体像素对应于空间光调制器120的一个体像素并且包含4个纳米结构单元。每个纳米结构单元由多个纳米光栅结构堆叠而成(例如如图4b所示的那样)。通过控制这些空间复用的纳米光栅结构的取向角和周期，可以沿横向形成多个按一定间隔分布的可视区域。位相板130上的每个体像素与空间光调制器120的体像素匹配对准，由此可在按一定间隔排布的可视区域内呈现同一视角的多个信息图像，从而在不增加空间光调制器所需刷新显示信息的情况下，达到扩大视场角的效果。

图8为示出了另一种扩大横向视场角的多视角图像显示结构的示意图。

同样地，图8也以4个视角的显示装置为例进行说明。在图8中，位相板130上的每个体像素对应于空间光调制器120的一个体像素并且包含4个纳米结构单元(例如具有图4c和4d所示形式的纳米结构单元)。通过按照光波衍射理论来设计衍射光学元件的结构，可沿横向形成多个按一定间隔分布的可视(条状)区域。位相板130上的每个体像素与空间光调制器120的体像素匹配对准，由此可在按一定间隔排布的可视(条状)区域内呈现同一视角的多个信息图像。同时，不同视角的信息图像所对应的不同亚像素的纳米结构单元在水平方向上依次分布，共同形成循环分布的可视点(线)阵区域1-4，从而在不增加空间光调制器所需刷新显示信息的情况下，达到扩大视场角的效果。

衍射光学元件或二元光学元件的衍射效率η可由下式确定：

其中，N为二元光学元件的台阶数量，m为衍射级次。

在普通的衍射光栅中，零级衍射光占据了绝大部分能量，而有用的+1或-1级衍射光所占能量比例有限，这极大影响了显示的质量和效果。在本实施例中，优选地，通过调整位相板上的衍射光学元件的结构深度，可使衍射光在m＝0的衍射级次处的衍射效率最小(例如等于0)，也就是说零级衍射光被完全消除，从而使能量主要集中在+1或-1级衍射光上，这极大提高光能利用率。

图9为示出了一种通过同时扩大纵向和横向视场角来实现周视显示结构的示意图。不失一般性的，图9以3个体像素的周视显示结构进行说明。在图9中，位相板130上的每个体像素包含4个亚像素或纳米结构单元。示例性地，图6中的每个纳米结构单元可以采用如图4a所示的像素单元的形式，或者采用如图4b所示的光栅空间复用的形式，还可以采用如图4c和4d所示的衍射光学元件的形式。通过控制纳米光栅的取向角和/或周期或者设计衍射光学元件的结构，可同时在沿纵向和横向排布的多个可视区域内呈现同一视角的信息图像，从而在不增加空间光调制器所需刷新显示信息的情况下，达到周视的显示效果。

图10为示出了另外一种通过同时扩大纵向和横向视场角来实现周视显示结构的示意图。与图9所示的显示结构相比，差异主要在于同一个视角的图像信息的多个可视区域在纵向和横向的的排列方式上。

需要指出的是，上面描述的实施例同样可应用于彩色显示应用。为此，可以采用三色(或白色)LED灯条作为光源，并且在用于实现裸眼三维图像显示的装置中设置彩色滤光片。彩色滤光片可与位相板和空间光调制器堆叠放置并且堆叠顺序可变。例如彩色滤光片可以设置在背光板与空间光调制器之间，空间光调制器与位相板之间，或者位相板之后。优选地，彩色滤光片被设置在空间光调制器与位相板之间。从背光板光线射出的光束由空间光调制器提供多视角裸眼3D显示的图像信息，随后由彩色滤光片加载波长信息，最后由位相板实现位相调制，从而在位相板的前方可视区域内形成多个汇聚光场以实现裸眼3D显示的效果。

与现有技术相比，本发明的用于实现裸眼三维图像显示的装置具有诸多优点。例如可提供较大的视场角从而在平面的任意方向上都能无视觉疲劳地观看到清晰的裸眼3D或2D图像。又如，由于衍射光学元件可以消除0级衍射，使能量集中在需要的衍射级次上，因此明显提高了衍射效率。再如，背光板(包含LED光源、导光板和光学膜)和菲涅尔透镜均可利用现有的纳米压印技术工业化生产，制作工艺成熟，产品一致性容易保证并且有利于降低成本。此外，背光板的各个单元均可模块化设计，每个模块实现相对独立的光学特性(例如照明均匀性、出射光发散角等)，这使得各参数解耦，简化了设计过程并且使光学参数的调整更为容易。再者，本发明的用于实现裸眼三维图像显示的装置由多个薄膜光器件堆叠组成，与现有的液晶屏幕构架兼容性好，应用领域广阔。

上文描述了本发明的原理和较佳实施例。然而，本发明不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。

Claims (14)

1.一种三维显示装置，其特征在于，包含：

光源模组，其配置为发出第一光束；

位于所述第一光束传播方向上的空间光调制器，其配置为通过振幅调制方式将多视角混合图像信息加载到所述第一光束上以形成第二光束；以及

位于所述第二光束传播方向上的位相板，其具有衍射结构，所述衍射结构配置为将所述第二光束所承载图像中的不同视角的图像投射至各自对应的多个观察位置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光束为平行光或点光源发散光。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述空间光调制器包含多个体像素，每个体像素包含多个亚像素，每个亚像素对应于不同的视角，所述衍射结构包含多个纳米结构单元，每个纳米结构单元配置为将来自于多个体像素中对应于同一个视角的亚像素的光束投射至与该亚像素相关联的多个观察位置。

4.如权利要求3所述的装置，所述衍射结构采用下列中的一种结构实现：一维纳米光栅、二维纳米光栅、空间复用的纳米光栅、纳米光栅阵列和衍射光学元件。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述衍射结构采用衍射光学元件实现，通过调整所述衍射光学元件的结构深度使衍射光在衍射级次为零级处的衍射效率最小。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述光源模组包括：

光源；

背光板，其包括：

导光板，所述光源位于所述导光板的侧部，所述导光板包含位于导光板上表面、下表面或内部的第一微结构，该第一微结构具有周期性分布的第一单元，使得所述光源发出的光束经所述第一微结构散射至导光板的外部；以及

与所述导光板堆叠在一起的光学膜，其包含位于光学膜表面的第二微结构，该第二微结构具有周期性分布的第二单元，经所述第一微结构散射至导光板的外部的光束经第二微结构变换为所述第一准直光束。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述第一单元为微棱镜、微透镜、自由曲面透镜或凹坑中的一种。

8.如权利要求6所述的装置，其中，所述第二单元为微透镜、菲涅耳透镜或薄膜透镜中的一种。

9.如权利要求6所述的装置，其中，所述背光板进一步包括遮光板，其包含与所述第一微结构和第二微结构匹配对应的遮光结构以滤除从所述第二微结构出射的杂散光。

10.如权利要求9所述的装置，下列位置中的一个：导光板与光学膜之间、所述导光板内部和所述光学膜内部。

11.如权利要求9所述的装置，其中，所述光源为LED线阵列光源。

12.如权利要求1所述的装置，其中，所述空间光调制器为液晶显示单元。

13.如权利要求1所述装置，其中，所述光源为白色光源或三原色光源，所述装置进一步包括与所述空间光调制器和位相板堆叠在一起的彩色滤光片。

14.如权利要求13所述装置，其中，所述彩色滤光片设置于所述空间光调制器与位相板之间。