CN112285945B - 一种定向显示的三维显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的三维显示装置包括定向显示器、角度偏折元件，所述的定向显示器包括谐振腔和透明自发光显示器；所述的透明自发光显示器发出的光束在谐振腔中往返后出射到角度偏折元件；所述的谐振腔由位于透明自发光显示器两侧的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜组成；或所述的谐振腔由位于透明自发光显示器两侧上的波长级光学结构组成。本发明提供的定向显示器是一种轻薄、装置简单、可大面积光线定向的器件，其对应三维显示装置可实现大视场角，自由视点的三维显示装置。

Description

一种定向显示的三维显示装置

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，尤其涉及一种定向显示的实现方式及其三维显示装置。

背景技术

随着科技的不断进步，传统二维显示已经不能满足人们对于再现真实世界的需求，三维显示相较于二维显示可使观看者获得物体真实的深度信息和完整的表面特征。三维显示技术根据是否需要借助可穿戴的光学器件分为助视三维显示和自由立体三维显示，其中自由立体三维显示逐渐成为研究热门。自由立体三维显示主要采用视差屏障技术、柱透镜阵列技术、微透镜阵列技术等实现，其原理为几何光学，考虑光的直线传播、反射、折射等规律，对于波长的敏感度低，但其存在分辨率低、视场角小、视角不连续，串扰大等缺点。

新兴的基于衍射光学的像素型纳米光栅结构对出射光线的角度调制准确度高、且调制自由度大，可实现大视场角显示。但其对于入射光束的角度及频率具有较高的限制。基于液晶电光偏转实现的自由立体三维显示中，对于液晶器件的背光源的定向性也具有一定的要求，以减少不同视点间的串扰现象。基于全息体光栅的三维显示装置中，曝光光源多采用平行光，再现过程若入射光的发散角较大或方向存在偏差，其对应的衍射效率将迅速下降，图像的亮度及质量均下降。因此，越来越多的自由立体显示设计方案需要定向光源，引起研究者针对定向背光源不断进行研究，其主要通过微结构导光板和LED光源来实现定向光源的设计，但对微结构设计要求高，且涉及参数较多。

类比激光器可以产生单色性、相干性、方向性和高亮度的光束，本设计考虑采用谐振腔来实现出射光束的选择。谐振腔由两个反射镜组成，可提供轴向光波模的正反馈和保证输出光束的单模振荡，即出射光束具有方向性和单色性。设计中同时结合了透明自发光显示屏，实现了彩色域显示图像的定向传输，相比传统定向光源的方案，不再局限于使用LCD的背光显示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定向显示的三维显示装置，可以实现定向显示并且具有厚度小、装置简单、更轻便和大面积的优点。

本发明是通过以下技术方案解决的：

一种定向显示的三维显示装置，所述的三维显示装置包括定向显示器、角度偏折元件，所述的定向显示器包括谐振腔和透明自发光显示器；所述的透明自发光显示器发出的光束在谐振腔中往返后出射到角度偏折元件；所述的谐振腔由位于透明自发光显示器两侧的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜组成；或所述的谐振腔由位于透明自发光显示器两侧上的波长级光学结构组成。

透明自发光显示器的每个像素输出具有多个方向的光线，经谐振腔多次反射后，不沿谐振腔轴线方向的光子将会很快逸出腔外，沿轴线方向运动的光子将会在腔内继续前进，在输出侧(如部分反射镜或部分反射膜)出射传播方向一致、频率一致的光束，实现定向显示。

所述的角度偏折元件，可调整偏折出射光束角度，实现自由立体显示；多视点的二维图像经角度偏转元件实现不同视点图像的分离，或采用时分复用，不同时间对应不同的视区，图像经角度偏转元件在不同的时间向不同的视点投射图像，形成多视点的自由立体显示效果。可选的，三维显示装置的技术实现可采用空分复用或时分复用，使得现有角度偏折器件实现的三维显示更加轻薄，便携，利于集成到智能手机、平板等便携电子设备上；时分复用对显示器的刷新率要求高，而空分复用显示的分辨率随视点的增多而变低。

其中，所述的自发光透明显示器包括OLED、MicroLED等，但不限于此，不同于以单个LED作为激光器的增益介质，自发光透明显示器是阵列化的光源集合，且其可输出彩色图像，实现图像的定向显示。

其中，所述的完全反射镜和部分反射镜可采用镀反射膜的方式，或采用环形腔等复杂的谐振腔结构，但不局限于此。完全反射镜和部分反射镜为平面或凹球面反射镜，其中，完全反射镜的反射率接近100％，部分反射镜的反射率略低，且作为输出镜，光束出射。

所述的谐振腔中，可采用薄膜制作，构建一个平行平面腔，但不局限于此，在透明自发光显示器两端分别镀制可见光波段的全反射膜和部分反射膜，实现对透明自发光器光束的多次反射，选择谐振方向的光束出射。

所述的谐振腔中，可采用光学超表面结构，但不局限于此，在透明自发光显示器的两端分别刻蚀亚波长级光学结构，该光学结构已进行理论设计，可实现具有特定反射率的反射特性，透明自发光显示器光束出射后，经其前后的超表面结构实现光线的往复反射，最终使得满足谐振条件的光束出射，实现透明自发光显示器的定向显示。

所述的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜分别位于透明自发光显示器单个像素的两侧，构成谐振腔结构；其参数设计在透明自发光显示器的每个像素上均相同；所述参数包括完全反射镜/完全反射镜和部分反射镜/部分反射膜的曲率半径、谐振腔的腔长。

所述的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜分别位于透明自发光显示器单个像素的两侧，构成谐振腔结构；其参数设计在透明自发光显示器的每个相同颜色像素上均相同，透明自发光显示器的RGB三色像素阵列排布，参数设计也随之阵列排布；所述参数包括完全反射镜/完全反射镜和部分反射镜/部分反射膜的曲率半径、谐振腔的腔长。

所述的定向显示中，可实现单色和彩色的显示。单色显示中，全反射镜和部分反射镜的参数设置在透明自发光显示器各个位置均一致，可整体镀膜或刻蚀实现。谐振腔的参数影响其出射光束的输出功率、频率特性、光强分布(模式)、光束发散角，不同波长光线的谐振腔的参数不同，因此彩色显示中，红绿蓝三种颜色需对应不同的谐振腔，因此单个像素下，同时需要单个谐振腔像素。彩色定向显示器中R、G、B三色的对应谐振腔的参数，包括完全反射镜的曲率半径R1和部分反射镜的曲率半径R2以及谐振腔的腔长L，需根据各自波长重新设定，三色光对应的三种谐振腔组合为一个谐振腔像素，与透明自发光显示器三色光像素一一对应，即，单个谐振腔像素对应透明自发光显示器像素，阵列化排布谐振腔像素可实现彩色图像的定向显示。

所述的角度偏折元件选自电光调制元件或声光调制元件；电光调制元件选自像素型的纳米光栅、液晶电光角度调制元件、液晶聚合物光栅。

所述的像素型纳米光栅包括光栅周期在亚波长量级变化的单个像素大小的光栅组合。定向显示器出射垂直于显示器方向的光束，入射到有连续周期变化的多组纳米光栅上，传播方向发生偏转，利用空分复用技术，不同像素点对应不同方向，可将二维多视角图像调制到不同视区，实现多视场自由立体显示。

所述液晶电光角度调制元件包括电压作用下液晶分子发生偏折的液晶器件。定向显示器出射垂直于显示器方向的光束，入射到光学等效的液晶形貌可来回切换的动态液晶角度偏转器件上，在条状电极的驱动电压的渐变式作用下，液晶中呈现渐变的电场场强，液晶元件的折射率等效光程分布相当于固态透镜的光程分布，可调制光线的出射方向，在不同视区呈现不同的图像，利用时分复用技术或空分复用技术，实现多视点自由立体显示。

所述的液晶聚合物光栅包括全息曝光下得到的液晶层和聚合物层交替排列的光栅结构。定向显示器出射的光束垂直入射到像素大小且光栅周期逐渐变化的液晶聚合物光栅上，可实现光线角度的偏折；将此液晶聚合物光栅制作成像素级大小且光栅周期性逐渐变化的结构，利用空分复用技术，将多视点的二维综合图像信息传递到不同的视点上，实现多视点自由立体显示。

所述的声光调制元件包括声光介质、电-声换能器和吸声装置。电场控制产生超声波，超声波在介质中传播中，会引起介质的弹性应变在时间和空间上的周期性变化，导致介质中各个位置的折射率随该处的弹性应变发生相应的变化，可视为体光栅。光束经过其将发生布拉格衍射，出射光线的强度、频率、方向等发生变化。定向显示器出射光束垂直入射到声光调制器件上，利用时分复用技术，不同时间内声光调制器内产生不同的折射率变化，即不同时间内声光调制器内的光栅周期不同，声光调制器出射光线偏折方向不同，实现多视点自由立体显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.利用谐振腔实现光线方向的调制，与传统实现光线方向调制相比其厚度大大减小，且其具有相干性、方向性、单色性等一系列重要特征，极易将其应用到以衍射光学为基础实现的三维显示装置中。

2.OLED等自发光显示器件在三维显示上的应用，相比传统使用LCD实现的三维显示，其显示对比度、画质、功耗上均占据优势。

3.三维显示装置整体透明，可应用于AR显示中。

附图说明

图1为本发明实施例的基于定向显示的三维显示装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的单色定向显示器的单个像素的光线传播；

图3为本发明实施的OLED显示器的多线寻址电路；

图4为本发明实施例的彩色定向显示器部分像素的光线传播；

图5为本发明实施例的薄膜形式的定向显示器；

图6为本发明实施例的基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为像素型的纳米光栅；

图7为本发明实施例的基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为液晶电光角度偏转器件；

图8为本发明实施例的基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为液晶聚合物光栅；

图9为本发明实施例的基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为声光调制器件；

其中，1、完全反射镜；2、透明自发光显示器；3、部分反射镜；4、角度偏折器件；5、单色透明自发光显示器的单个像素；6、7、8分别为R、G、B的部分反射镜；9、10、11分别为R、G、B的完全反射镜；12、像素型的纳米光栅；13、液晶电光角度调制器件；14、液晶聚合物光栅；15、声光调制器件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

参见图1，基于定向显示的三维显示装置包括谐振腔、透明自发光显示器、角度偏折器件4。定向显示器包括谐振腔和透明自发光显示器2，其中谐振腔包括可见光范围内的完全反射镜1和部分反射镜3，实现对光束的频率和方向性的选择。透明自发光显示器2可选择但不限于OLED、MicroLED。角度偏折器件4可选择但不限于像素型的纳米光栅、液晶电光调制元件、液晶聚合物光栅、其他电光调制器件或声光调制器件。

透明自发光显示器的每个像素点发出光线，在完全反射镜1和部分反射镜3组成的谐振腔中往复反射，只有满足谐振条件光束将垂直于谐振腔表面出射，实现对出射光束方向和频率的选择。出射光束将垂直入射到角度偏折器件4上，角度偏折器件4做像素化处理，出射光线的方向由角度偏折器件4像素的参数决定，定向显示器的图像像素与角度偏折器件4的像素对应匹配，定向显示器显示的图像经角度偏折器件调制，不同视角图像在不同的视区显示，从而实现多视点自由立体显示。

参见图2，单色定向显示器的单个像素5的光线在谐振腔中的往返传播。设谐振腔的完全反射镜1的曲面半径为R1，部分反射镜3的曲面半径为R2，它们的距离相距为L。两镜面曲率中心的连线构成谐振腔的光轴，谐振腔的腔长即为L。由几何光学的光线矩阵分析方法知：

其中，r_n、θ_n分别为n次往返后光线离轴线的距离、该光线与轴线的夹角，r₁、θ₁分别为单色定向显示器的单个像素5的出射光线离轴线的距离、该光线与轴线的夹角，T为傍轴光线在腔内往返一次的总变换矩阵，表示为

Tⁿ为n个往返矩阵T的乘积。当满足如下条件下，傍轴光线能在腔内多次往返任意多次而不会横向逸出谐振腔外，其中A、D的值与谐振腔的两反射镜的曲率半径和腔长相关。

光线在腔镜上反射时，入射波和反射波会发生干涉，多次往复反射就会发生多光束干涉，

为了在腔内产生稳定振荡，要求发生相长干涉，即光波往返一周后与初始光波同相位。由此：

L一定的谐振腔只对频率满足如下条件的光波提供正反馈，使之谐振。其中L′为谐振腔的光学长度。

满足谐振条件的光波将会出射，参见图2所示，光束将沿垂直于谐振腔的方向上出射。

参见图3，OLED透明自发光显示器的有源矩阵驱动形式，屏外驱动电路可实现独立控制每个像素点的亮度，再结合单个谐振腔的参数设计可实现对每个像素出射光线的角度调制。有源矩阵驱动的控制可将需要显示的图像或文字分解为一个二维分布的点阵阵列，结合谐振腔使得出射光线方向确定后，可实现定向的图像显示。

参见图4，定向显示器的4个像素对应的光线传输。其中，R、G、B三种颜色的谐振腔(R的部分反射镜6、G的部分反射镜7、B的部分反射镜8、R的完全反射镜9、G的完全反射镜10和B的完全反射镜11)的参数需分别设计，组成一个谐振腔像素，阵列化排布后组成整体谐振腔，实现三种颜色光线的垂直出射，图像将呈现多色域的定向显示。

参见图5，薄膜形式的谐振腔构成的定向显示屏。薄膜形式的谐振腔为平行平面腔，根据谐振条件确定谐振腔腔长后，在设定位置放置玻璃基板并镀可见光波段完全反射膜和部分反射膜，实现光束的垂直输出。

参见图6，基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为像素型的纳米光栅12。透明自发光显示器2发出的光束经谐振腔后垂直于谐振腔出射，在像素型的纳米光栅12的角度调制下，实现多视点自由立体显示。像素型的纳米光栅12对定向显示器呈现的二维多视角图像进行出射角度调制，将视角图像分离到各个视点方向，利用空分复用技术，形成多视点自由立体显示。

参见图7，基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为动态液晶电光角度调制器件13。透明自发光显示器2发出的光束经谐振腔后垂直于谐振腔出射，在动态液晶器件的角度调制下，实现多视点自由立体显示。其中普通液晶材料无法实现快速切换，可使用蓝相材料进行动态液晶器件的设计。利用其动态可调的优点，设计动态液晶透镜阵列或动态液晶菲涅尔透镜，但不局限于此，图7所示为动态液晶透镜阵列。显示开始时，定向显示器出射垂直于其表面的光束，液晶透镜在驱动电压的调整下，进行光学等效液晶形貌的来回切换，更具体的，显示过程中前半帧的时间内，液晶透镜的形貌依图7实线所示，此形貌将定向显示屏上的图像投射到对应的视点区域；在后半帧时间内，液晶形貌发生变化，变化后的形貌将显示屏上图像投射到另一视点，在人眼的视觉暂留时间内，观看者将观察到立体显示图像。实现多视点的显示中，可考虑动态液晶透镜的空分复用或显示图像的时分复用，但不局限于此。

参见图8，基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为液晶聚合物光栅14。透明自发光显示器2发出的光束经谐振腔后垂直于谐振腔出射，在液晶聚合物光栅的调制下，实现三维显示。液晶聚合物光栅14是由全息干涉曝光预聚物混合溶液，得到的液晶层与聚合物层交替排列的光栅结构。使用像素型且光栅周期逐渐变化的液晶聚合物光栅14，当光束垂直入射到液晶聚合物光栅上时，不同像素点上的光向不同方向偏折，二维图像上不同视点的图像信息将传递到对应位置，即利用空分复用实现多视点自由立体显示。

参见图9，基于定向显示的三维显示装置，其角度偏折元件为声光调制器件15。透明自发光显示器2发出的光束经谐振腔后垂直于谐振腔出射，在声光调制器件15的作用下，实现立体显示。调制电源产生一定参数的超声波，超声波在声光介质的传播过程中，引起介质的弹性应变在时间和空间上的周期性变化，导致介质中各点的折射率随着该处的弹性应变发生相应的变化，此时声光介质可视为体光栅。定向显示器出射的光经过声光调制器件，将发生衍射现象，衍射光的方向、强度、频率等参数将发生变化。本装置中可采用时分复用或空分复用技术，时分复用技术利用人眼的视觉暂留效应，图像信息在不同的时间经声光调制器件传递至不同方向；空分复用技术中传递的图像信息为二维多视点图，其中不同像素点信息经声光调制器传递至不同的方向。观察者位于不同视点时可观察到不同角度的图像，由此获得三维感知。

Claims (8)

1.一种定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的三维显示装置包括定向显示器、角度偏折元件，所述的定向显示器包括谐振腔和透明自发光显示器；所述的透明自发光显示器发出的光束在谐振腔中往返后出射到角度偏折元件；所述的谐振腔由位于透明自发光显示器两侧的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜组成；或所述的谐振腔由位于透明自发光显示器两侧上的波长级光学结构组成；

所述的角度偏折元件，可调整偏折出射光束角度，实现自由立体显示；多视点的二维图像经角度偏转元件实现不同视点图像的分离，或采用时分复用，不同时间对应不同的视区，图像经角度偏转元件在不同的时间向不同的视点投射图像，形成多视点的自由立体显示效果；

所述波长级光学结构已进行理论设计，可实现具有特定反射率的反射特性，透明自发光显示器光束出射后，经其前后的超表面结构实现光线的往复反射，最终使得满足谐振条件的光束出射，实现透明自发光显示器的定向显示。

2.根据权利要求1所述的定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜分别位于透明自发光显示器单个像素的两侧，构成谐振腔结构；位于透明自发光显示器的每个像素两侧的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜的参数设计均相同；所述参数包括完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜的曲率半径、谐振腔的腔长。

3.根据权利要求1所述的定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜分别位于透明自发光显示器单个像素的两侧，构成谐振腔结构；位于透明自发光显示器的每个相同颜色像素两侧的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜的参数设计均相同，透明自发光显示器的RGB三色像素阵列排布，所述的完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜的参数设计也随RGB三色像素阵列排布；所述参数包括完全反射镜/完全反射膜和部分反射镜/部分反射膜的曲率半径、谐振腔的腔长。

4.根据权利要求1所述的定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的角度偏折元件选自像素型的纳米光栅、液晶聚合物光栅、电光调制元件或声光调制元件；电光调制元件选自液晶电光角度调制元件。

5.根据权利要求4所述的定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的像素型纳米光栅包括光栅周期在亚波长量级变化的单个像素大小的光栅组合。

6.根据权利要求4所述的定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述液晶电光角度调制元件包括电压作用下液晶分子发生偏折的液晶器件。

7.根据权利要求4所述的定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的液晶聚合物光栅包括全息曝光下得到的液晶层和聚合物层交替排列的光栅结构。

8.根据权利要求4所述的定向显示的三维显示装置，其特征在于，所述的声光调制元件包括声光介质、电-声换能器和吸声装置。

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