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