CN111679444A - 可增大分光角度的裸眼3d光栅 - Google Patents

可增大分光角度的裸眼3d光栅 Download PDF

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Abstract

本发明公开的3D光栅，由一层凸柱镜光栅和一层凹柱镜光栅复合而成，中间保持合适的距离，简称为凸凹柱镜光栅。通过扩大分光角度，缩短观看距离，使手机、PAD等手持设备通过外贴膜技术就可以实现裸眼3D显示，同时具有屏幕保护效果。智能手机贴上3D光栅膜，配合专用APP可以实现3D拍摄、显示，同时保持2D显示和触摸功能不受影响。

Description

可增大分光角度的裸眼3D光栅
技术领域：
本发明涉及一种可增大分光角度的裸眼3D光栅，所述裸眼3D光栅可用于智能手机、PAD等个人手持设备的外贴膜。
背景技术：
3D光栅是实现裸眼3D显示的重要器件，3D光栅主要包括柱镜光栅和狭缝光栅，两者分别依据凸透镜成像和小孔成像原理并一维简化而来。3D光栅一个重要的特性是：显示平面上相邻的两个像素点发出的光线，经过一个柱面镜单元的光心，或一条狭缝后直线出射，如图1所示。对于手持设备上的显示屏来说，观看距离H≈350mm，人眼瞳距L≈65mm，5.5英寸1080P显示屏的点距p≈0.063mm，这样可以估算出3D光栅的焦距D≈0.34mm。考虑到像素平面到显示屏外侧的距离，以及3D光栅膜的厚度，在如此短的焦距下，3D光栅只能置放于触摸屏和显示屏之间，即内贴膜方式。
采用内贴膜的裸眼3D手机和PAD，目前市场上出现了近10种品牌，3D显示效果均满足使用要求。然而，更大的市场需求是发展外贴膜技术实现裸眼3D显示，即任意一部智能手机贴上3D光栅膜，可以达到保护屏幕的目的，配合APP还可以实现裸眼3D显示，同时保持2D显示和触摸功能不受影响。目前市场上出现了采用外贴膜显示的3D手机壳，受限于3D光栅的技术特点，其最近可观看距离＞800mm，远大于正常手持距离。
发明内容：
本发明公开了一种可增大分光角度的裸眼3D光栅，目的在于通过扩大分光角度，将屏幕外贴光栅膜的观看距离缩短到正常手持范围，使手机、PAD等手持设备通过外贴光栅保护膜就可以实现裸眼3D显示。
如图3所示，可增大分光角度的裸眼3D光栅由一层凸柱镜光栅和一层凹柱镜光栅复合而成，中间保持合适的距离d，下面我们把这种结构的3D光栅简称为凸凹柱镜光栅。如图2所示的凹透镜虚物成像光路图，解释了凸凹柱镜光栅能够显示裸眼3D的原理。显示屏图像平面与凸柱镜光栅的距离为物距u0，凸柱面镜的焦距为f0，u0＞f0，图像上的像素点通过对应的柱面镜成倒立的实像，像距为v0。作凹透镜成像光路图时有虚物和实物之分，所谓虚物体，是指上一个光学器件所成的像，在尚未到达成像点之前，就遇到下一个光学器件，在这里，上一个光学器件指凸柱面镜，下一个光学器件指凹柱面镜。因为从凸柱面镜出射的光线到达成像点之前就进入凹柱面镜，即v0＞d，所以对于凹柱面镜来说就是虚物成像。当u1＝f1，虚物处于凹柱面镜的焦平面时，成像位置在无穷远，即从凹柱面镜出射的光为平行光，并且方向向外侧发生了偏转，增大了分光角度。
作为对比，常规柱镜光栅的图像面处于焦平面上，像素点发出的光线经过柱面镜成像后变成平行光出射，u0＝f0。
显然，凸凹柱镜光栅立体成像满足下列条件：
u0＞f0
v0＝d+f1
作为手机外贴膜使用时，物距u0就是从显示屏图像平面到触摸屏外表面层的总厚度，d≤0.6mm，否则影响到触屏功能。
根据透镜成像公式可推导分光角度的增大幅度：
Figure BSA0000179899300000021
凸凹柱镜之间的间距d越大，凹柱面镜的焦距f1越小，分光角度的增幅就越大，但要受到凸凹柱镜光栅总厚度，以及小焦距加工工艺的制约。
凸凹柱镜光栅参数的设计方法：
a)根据显示屏的像素密度确定光栅的栅距p，p为2～3倍像素大小；
b)根据显示屏像素平面到触摸屏外表面的总厚度确定物距u0；
c)根据分光角度增幅要求及光栅膜的总厚度确定d和f1，计算出v0；
d)根据透镜成像公式，由u0、v0计算出f0。
附图说明：
图1是柱镜光栅分光示意图。
图2是凹透镜虚物成像光路图。
图3是凹凸柱镜光栅分光示意图。
图4是凹凸柱镜光栅剖面结构图。
图5是无棱凹凸柱镜光栅剖面结构图。
上述各附图中的图示标号为：
1柱镜光栅，2像素平面，3像素点，4出射光线，5右眼，6左眼，7凸透镜，8凸透镜焦点，9凹透镜，10凹透镜焦点，11透镜光轴，12左眼像素，13右眼像素，14透镜的光心，15凸柱镜光栅，16凹柱镜光栅，17透明片基，18凸凹柱镜光栅，19凸柱镜光栅膜，20凹柱镜光栅膜，21透明胶层，22低折射率胶填充层。
本发明公开的3D光栅，通过扩大分光角度，缩短观看距离，使手机、PAD等手持设备通过外贴膜技术就可以实现裸眼3D显示，同时具有屏幕保护效果。与采用内贴光栅膜的专用裸眼3D手机相比，降低了生产成本以及市场推广难度。
具体实施方式：
实施例一：凸凹柱镜光栅的结构。
根据手机屏幕的分辨率确定凸凹柱镜光栅的栅距，像素的密度范围一般为400～600dpi，光栅栅距可设计成0.1～0.18mm。凸凹柱镜光栅属于复合光栅，两层光栅光心之间的距离d约0.5mm，光栅栅距略有差异，p0/p1≈1.0015。作为手机外贴膜使用时，光栅可以斜向配置，通过手机APP的参数设置，同一种光栅可以适应不同的手机屏幕，并且与手机屏贴合时不需要严格对准。
要求的光栅出射分光角度β＝11°，手机触控屏的厚度约1mm，可以测试出手机的具体数值u0，3D图像像素采样宽度范围在2～3个像素，可以为小数值，设置合适的采样宽度和光栅倾斜角度，让α的范围在4～5°，则d/f1的范围为1～2，凹柱面镜的焦距f1的取值范围为0.25～0.5mm。以f1＝0.3mm，d＝0.5mm，u0＝1.2mm为例，可计算出凸柱面镜的焦距f0＝0.48mm。
按照设计的光栅参数分别制作出凸、凹柱镜光栅模具，选定所需折射率的UV胶或透明片基材料后，凸凹柱镜光栅可以采用不同的加工工艺生产出来。如图4A所示，是在一定厚度的透明片基(17)的上下表面，采用UV固化成型工艺复合上凸柱镜光栅(15)和凹柱镜光栅(16)；如图4B所示，是采用热塑工艺，直接在透明片基的上下表面挤压成型凸柱镜光栅和凹柱镜光栅，形成一体化的凸凹柱镜光栅(18)；如图4C所示，是将预先分别成型的凸柱镜光栅膜(19)和凹柱镜光栅膜(20)，由透明胶层(21)粘合在一起。
本例中，凹柱面镜截面的圆弧由多边形替代也可以取得近视的成像效果。
实施例二：无棱凹凸柱镜光栅的结构。
凸凹柱镜光栅作为手机贴膜使用时，凸面结构会影响贴合和触控质量，如图5A所示，用低折射率胶填充层(22)将凸凹柱镜光栅(18)的凸面流平，或者如图5B所示，用低折射率胶填充层(22)将凸凹柱镜光栅(18)的上下表面均流平，形成无棱凹凸柱镜光栅。低折射率胶的折射率一般在1.3～1.4，柱镜光栅层的折射率一般在1.50～1.7，两者的相对折射率变小，因此凸、凹柱镜的曲率半径需要重新计算，才能保持焦距符合设计要求。
如果采用折射率可随着驱动电压改变的液晶替代低折射率胶层，还可以达到2D/3D光栅切换目的。

Claims (10)

1.一种可增大分光角度的裸眼3D光栅，其特征在于，通过两层光栅复合，来扩大出射光的分光角度，将裸眼3D图像的最佳观看距离缩短。
2.如权利要求1所述的3D光栅，其特征还在于，3D光栅由一层凸柱镜光栅和一层凹柱镜光栅复合而成，中间保持合适的距离d，图像平面与凸柱镜光栅的距离为物距u0，凸柱面镜的焦距为f0，u0＞f0，图像上的像素通过对应的柱面镜成倒立的实像，像距为v0，从凸柱面镜出射的光线到达成像点之前进入凹柱面镜，即v0＞d，对于凹柱面镜来说是虚物成像，当u1＝f1，虚物处于凹柱面镜的焦平面时，成像位置在无穷远，即从凹柱面镜出射的光为平行光，并且方向向外侧发生了偏转，增大了分光角度。。
3.如权利要求2所述的3D光栅，其特征还在于，作为手机外贴膜使用，d≤0.6mm，凸凹柱镜光栅参数的设计顺序为：
a)根据显示屏的像素密度确定光栅的栅距p，p为2～3倍像素大小；
b)根据显示屏像素平面到触摸屏外表面的总厚度确定物距u0；
c)根据分光角度增幅要求及光栅膜的总厚度确定d和f1，计算出v0；
d)根据透镜成像公式，由u0、v0计算出f0。
4.如权利要求3所述的3D光栅，其特征还在于，手机屏幕的像素的密度范围为400～600dpi，光栅栅距范围为0.1～0.18mm，两层光栅光心之间的距离d约0.5mm，光栅栅距比例p0/p1≈1.0015，光栅斜向配置，通过手机APP的参数设置，同一种光栅可以适应不同的手机屏幕，并且与手机屏贴合时不需要严格对准。
5.如权利要求4所述的3D光栅，其特征还在于，光栅出射的分光角度β≈11°，3D图像像素采样宽度范围在2～3个像素，可以为小数值，设置合适的采样宽度和光栅倾斜角度，让α的范围在4～5°，d/f1的范围为1～2，凹柱面镜的焦距f1的取值范围为0.25～0.5mm。
6.如权利要求2或5所述的3D光栅，其特征还在于，一定厚度的透明片基(17)的上下表面，采用UV固化成型工艺复合上凸柱镜光栅(15)和凹柱镜光栅(16)。
7.如权利要求2或5所述的3D光栅，其特征还在于，采用热塑工艺，直接在透明片基的上下表面挤压成型凸柱镜光栅和凹柱镜光栅，形成一体化的凸凹柱镜光栅(18)。
8.如权利要求2或5所述的3D光栅，其特征还在于，将预先分别成型的凸柱镜光栅膜(19)和凹柱镜光栅膜(20)，由透明胶层(21)粘合在一起。
9.如权利要求6或7所述的3D光栅，其特征还在于，用低折射率胶填充层(22)将凸凹柱镜光栅(18)的凸面流平，或者用低折射率胶填充层(22)将凸凹柱镜光栅(18)的上下表面均流平，形成无棱凹凸柱镜光栅。
10.如权利要求2所述的3D光栅，其特征还在于，凹柱面镜截面的圆弧可以由多边形折线来替代。
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