CN115291412B - 基于ar几何光波导的三维显示装置和三维显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供基于AR几何光波导的三维显示装置和三维显示方法，涉及显示技术领域。该三维显示装置包括：光源组件、几何光波导和显示单元，几何光波导内形成波导腔和在波导腔内依次均匀平行排列的一个以上反射面单元。光源组件位于几何光波导的侧边，可切换光源发射的光信号透过透镜组沿光轴垂直入射波导腔的耦入面，经过反射面单元依次出射后至显示单元，以进行三维显示。利用位于侧边的可切换光源和几何光波导实现不同的指向性背光，通过将光源组件从三维显示装置的前后方向调整在侧边，使得三维显示装置的内部结构空间增大，能够将三维显示装置设计的更薄，结构更紧凑，可以根据显示需要在内部结构内增加更多的光学元件，以提升显示效果。

Description

基于AR几何光波导的三维显示装置和三维显示方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及基于AR几何光波导的三维显示装置和三维显示方法。

背景技术

三维显示技术是使人双眼看到不同的视差画面，从而在大脑中形成三维图像的显示技术。例如可以在观看3D电影时佩戴偏振镜片，使左右眼分别接收具有不同偏振角度的视差画面，从而获得三维显示效果。随着技术的发展，可以将光学元件和显示屏集成，不需要借助辅助眼镜即可将两眼视差图像对直接在空间分离，并向对应眼睛成像，在不使用额外的设备的同时让人直接看到三维画面，即裸眼三维显示。

相关技术中，裸眼三维显示技术利用背光模组控制左右眼的指向性背光，轮流切换光源，从而通过显示屏显示不同的视差图像，使得显示面板所显示具有视差的两幅图像在送入用户的左右眼后，在用户大脑中融合成三维立体图像。但是背光模组通常位于显示屏后方，背光模组包含指向性光源和其他光学结构，利用背光模组实现三维显示的结构空间局促，不能降低显示屏的厚度。此外，局促的结构空间，也不能根据需要增加光学元件以增强显示效果，用户体验较差。

发明内容

本申请实施例的主要目的在于提出基于AR几何光波导的三维显示装置和三维显示方法，能够扩展三维显示装置的结构空间，降低三维显示装置的屏幕厚度，提升用户体验。

为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提出了一种三维显示装置，包括：

光源组件；所述光源组件包括可切换光源和沿光轴设置的透镜组；所述可切换光源用于根据第一预设频率交替发射第一光信号和第二光信号；

几何光波导；所述几何光波导包括与光出射方向垂直设置的第一表面，以及位于所述几何光波导一侧的耦入面；所述几何光波导内形成波导腔，所述波导腔中设置有反射面阵列；所述反射面阵列包括在所述波导腔内依次均匀平行排列的一个以上反射面单元；

所述光源组件位于所述几何光波导的侧边，所述可切换光源发射的第一光信号或第二光信号透过所述透镜组沿光轴垂直入射所述波导腔的所述耦入面，经过一个以上所述反射面单元依次出射后，从所述几何光波导的第一表面垂直耦出形成耦出区域；

显示单元，所述显示单元用于根据第二预设频率切换第一显示状态或第二显示状态以进行三维显示，所述第一显示状态为接收经过所述耦出区域的所述第一光信号，以形成第一视差图像；所述第二显示状态为接收经过所述耦出区域的所述第二光信号，以形成第二视差图像。

在一些实施例，所述耦入面与所述第二表面形成耦入角，所述反射面阵列和所述第一表面形成反射面倾角，所述耦入角为所述反射面倾角的2倍。

在一些实施例，所述几何光波导包括与所述耦入面相对的端面和与所述第一表面相对的第二表面，所述反射面单元包括与所述第二表面连接的上沿端和与所述第一表面接触的下沿端；沿所述耦入面到所述端面的方向，所述反射面单元的上沿端在所述第一表面的投影点与前一位置所述反射面单元的所述下沿端重合。

在一些实施例，所述反射面单元与所述耦入面的距离与所述反射面单元反射率正相关。

在一些实施例，所述反射面阵列中包含N个所述反射面单元，第i个所述反射面单 元的反射率为：

。

在一些实施例，还包括：光学透镜，所述光学透镜用于将经过所述耦出区域的所述第一光信号或经过所述耦出区域的所述第二光信号传输至所述显示单元。

在一些实施例，所述第二预设频率根据所述第一预设频率设置。

在一些实施例，所述可切换光源包括：第一光源和第二光源，所述第一光源用于生成所述第一光信号，所述第二光源用于生成所述第二光信号。

在一些实施例，所述显示单元为液晶显示设备。

为实现上述目的，本申请实施例的第二方面提出了一种三维显示方法，应用于如第一方面任一项所述的三维显示装置，所述方法包括：

控制所述光源组件按照所述第一预设频率切换，以获得所述第一光信号或所述第二光信号；

控制所述显示单元按照所述第二预设频率在所述第一显示状态和所述第二显示状态之间切换，以生成所述第一视差图像或所述第二视差图像。

本申请实施例提出的基于AR几何光波导的三维显示装置和三维显示方法，其中，三维显示装置包括：光源组件、几何光波导和显示单元，其中光源组件包括可切换光源，可切换光源用于根据第一预设频率交替发射第一光信号和第二光信号，作为左眼和右眼的指向性背光信号。几何光波导内形成波导腔和在波导腔内依次均匀平行排列的一个以上反射面单元。其中，光源组件位于几何光波导的侧边，可切换光源发射的第一光信号或第二光信号透过透镜组沿光轴垂直入射波导腔的耦入面，经过一个以上反射面单元依次出射后，从光波导的第一表面垂直耦出形成耦出区域。显示单元用于根据第二预设频率切换第一显示状态或第二显示状态以进行三维显示，其中，第一显示状态为接收经过耦出区域的第一光信号，以形成第一视差图像；第二显示状态为接收经过耦出区域的第二光信号，以形成第二视差图像，人眼接收到第一视差图像和第二视差图像在大脑中融合成三维立体图像，使得用户在不佩戴额外的工具的情况下可以观看到3D显示效果。本实施例中利用位于侧边的可切换光源和几何光波导实现不同的指向性背光信号，利用几何光波导对光源组件射出的指向性背光信号耦出至显示单元，通过将光源组件从三维显示装置的前后方向调整在侧边，使得三维显示装置的内部结构空间增大，一方面能够将三维显示装置设计的更薄，另一方面可以根据显示需要在内部结构内增加更多的光学元件，以提高显示效果。

附图说明

图1是相关技术中三维显示装置结构示意图。

图2是相关技术中背光模组结构示意图。

图3是本发明一实施例提供的三维显示装置的结构示意图。

图4是本发明又一实施例提供的波导腔的结构示意图。

图5是本发明又一实施例提供的几何光波导的结构示意图。

图6是本发明又一实施例提供的几何光波导的结构示意图。

图7是本发明又一实施例提供的几何光波导的结构示意图。

图8是本发明又一实施例提供的反射面阵列的结构示意图。

图9是本发明又一实施例提供的显示单元成像示意图。

图10是本发明又一实施例提供的三维显示装置的结构示意图。

图11是本发明实施例提供的三维显示方法原理示意图。

附图标记：

相关技术中：背光模组100、菲涅尔透镜阵列110、液晶显示屏120、左眼路模组101、左眼光源102、左眼光学组件103、右眼路模组104、右眼光源105和右眼光学组件106；

本申请实施例中：

三维显示装置10包括：光源组件200，几何光波导300、显示单元400和光学透镜500；

光源组件200包括：第一光源211、第二光源212、透镜组220；

几何光波导300包括：波导腔310、第一表面311、第二表面312、耦入面313、端面314、第一侧面315、第二侧面316、反射面单元321、与第二表面312连接的上沿端3211、与第一表面311接触的下沿端3212。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了便于理解，下面首先对本发明中涉及的若干名词进行解析：

几何光波导：即AR几何阵列光波导，通过阵列反射镜堆叠来实现光线或图像的输出。通常将一束光耦合进几何光波导，通过反射面或棱镜的多轮全反射后会遇到一个“半透半反”镜面阵列，每一个镜面会将部分光线反射出光波导剩下的光线透射过去继续在几何光波导中前进，然后这部分前进的光又遇到另一个“半透半反”镜面，从而重复上面的“反射-透射”过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出几何光波导。

AR（Augmented Reality，AR）：又叫增强现实，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息，声音，味道，触觉等）,通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

三维显示技术是使人双眼看到不同的视差画面，从而在大脑中形成三维图像的显示技术。例如可以在观看3D电影时佩戴偏振镜片，使左右眼分别接收具有不同偏振角度的视差画面，从而获得三维显示效果。随着技术的发展，可以将光学元件和显示屏集成，不需要借助辅助眼镜即可将两眼视差图像对直接在空间分离，并向对应眼睛成像，在不使用额外的设备的同时让人直接看到三维画面，即裸眼三维显示。

申请人发现，相关技术的裸眼三维显示技术都是利用背光模组控制左右眼的指向性背光，轮流切换光源，从而通过显示屏显示不同的视差图像，使得显示面板所显示具有视差的两幅图像在送入用户的左右眼后，在用户大脑中融合成三维立体图像。但是背光模组通常位于显示屏后方，背光模组包含指向性光源和其他光学结构，利用背光模组实现三维显示的结构空间局促，不能降低显示屏的厚度。此外，局促的结构空间，也不能根据需要增加光学元件以增强显示效果，用户体验较差。

基于此，本发明实施例提供一种基于AR几何光波导的三维显示装置和三维显示方法，利用位于侧边的可切换光源和几何光波导实现不同的指向性背光信号，利用几何光波导对光源组件射出的指向性背光信号耦出至显示单元，通过将光源组件从三维显示装置的前后方向调整在侧边，使得三维显示装置的内部结构空间增大，一方面能够将三维显示装置设计的更薄，另一方面可以根据显示需要在内部结构内增加更多的光学元件，以提高显示效果。

本发明实施例提供基于AR几何光波导的三维显示装置和三维显示方法，具体通过如下实施例进行说明，下面首先描述本发明实施例中的三维显示装置。

图1是相关技术中三维显示装置结构示意图。

参照图1，从图中可见，相关技术中三维显示装置包括：背光模组100、菲涅尔透镜阵列110和液晶显示屏120。其中，背光模组100与液晶显示屏120之间设置菲涅尔透镜阵列110，液晶显示屏120的长边竖直放置，自左往右刷新，菲涅尔透镜阵列110将背光模组100的两组背光信号（图中用虚线和实现进行区分）分别成像液晶显示屏120上，显示视差图像至双眼所在区域，从而形成左右眼视区。

参照图2，为相关技术中背光模组结构示意图。

图中，背光模组100包含两路背光模块，为同一个液晶显示屏120的屏幕区域提供照明，两路背光模块分别是左眼路模组101和右眼路模组104，其中，左眼路模组101包含左眼光源102和左眼光学组件103，右眼路模组104包含右眼光源105和右眼光学组件106。当液晶显示屏120刷新右眼（或左眼）视差图像时，待液晶显示屏120中屏幕区域刷新完成，背光模组100的右眼路模组104（或左眼路模组101）由熄灭转为打开，对应的右眼光源105或左眼光源102发出的光线经菲涅尔透镜阵列110折射，透过屏幕区域后携带右眼（或左眼）视差图像信息，投射到右眼（或左眼）视区。在视觉暂留的作用下，用户看到完整的右眼（或左眼）视差图像。

由上述可知，相关技术中背光模组通常位于显示屏后方，背光模组包含指向性光源和其他光学结构，背光模组和显示屏之间的位置有限，导致结构空间局促。如果要形成不同指向性的背光信号，能用的光学器件较少，操作空间局促，不能降低显示屏的厚度。此外，如果发现背光模组的背光均匀性及背光指向性较差的时候，局促的结构空间也不能根据需要增加光学元件以增强显示效果，用户体验较差，降低用户对产品的满意度。

因此，本发明实施例提出一种新的基于AR几何光波导的三维显示装置结构，参照图3，为本实施例中三维显示装置的结构示意图。

本实施例中三维显示装置10包括：光源组件200，几何光波导300和显示单元400。

在一实施例中，光源组件200包括：可切换光源和沿光轴设置的透镜组220，可切换光源可以是两个独立的光源，能够根据第一预设频率交替发射第一光信号（图中实线所示）和第二光信号（图中虚线所示），光源的种类并不限定，例如可以是LED灯，激光器等。透镜组可以是针对两种光信号的独立的两套透镜组，也可以是一套透镜组，共同作用于两种光信号。

在一实施例中，可切换光源包括：第一光源211和第二光源212，其中，第一光源211用于生成第一光信号，第二光源212用于生成第二光信号。在一实施例中，透镜组220可以是单一透镜或者是一个包含多个透镜的变焦光学***，主要用于对应调整第一光源211和第二光源212射出的第一光信号或第二光信号的光路，使光路满足该三维显示装置10的光路要求，在此不限制透镜组的具体结构。

在一实施例中，第一光信号为三维显示时用于不同视差画面的左眼指向性光源，第二光信号为三维显示时用于不同视差画面的右眼指向性光源。可以理解的是，在一实施例中，光源组件200还包括光切换控制器件，用于根据第一预设频率切换可切换光源的状态，从而实现交替生成第一光信号和第二光信号。在一实施例中，第一预设频率根据人眼视觉暂留原理设置。

由上述可知，本申请实施例将光源组件从相关技术的三维显示装置的背光模组中移除，不占用三维显示装置沿显示方向的内部空间，从而可以缩减三维显示装置的厚度。

在一实施例中，参照图3，几何光波导300内形成波导腔310，波导腔310中设置有反射面阵列。几何光波导300用于通过反射面单元的堆叠来实现光线或图像的输出，具体是将来自光源组件200入射的第一光信号或第二光信号经过透镜组透射后，耦合进几何光波导300，在几何光波导300的波导腔310中进行全反射传输，由于波导腔310中包含反射面阵列，在波导腔310中传输的光信号遇到反射面阵列会改变传播方向，从预设的耦出区域耦出，这里的耦出区域即为显示单元400产生照明效果的照明光束范围。

在一实施例中，参照图4，为波导腔的结构示意图。波导腔310可以看作是光的通道，参考图3和图4中，波导腔310包括：与光出射方向垂直设置的第一表面311、与第一表面311相对的第二表面312、位于几何光波导一侧的耦入面313、与耦入面313相对的端面314、第一侧面315和第二侧面316。其中，参照图3，波导腔310的第一表面311和第二表面312平行，第一表面311对着显示单元400，耦入面313为一斜面，用于接收来自光源组件200入射的第一光信号或第二光信号。可以理解的是，本实施例对端面314、第一侧面315和第二侧面316是平面还是曲面并不限制，可以根据产品设计需求设计。例如第一侧面315为曲面，第二侧面316为平面等。

在一实施例中，参照图3，反射面阵列位于波导腔310中，反射面阵列包括多个反射面单元321，其中，多个反射面单元321依次均匀平行排列在波导腔310内。

在一实施例中，参照图5，光源组件200位于几何光波导300的侧边，可切换光源发射的第一光信号或第二光信号透过透镜组，图中以第一光信号（实线）为例进行说明。经过透镜组220之后的第一光信号沿光轴垂直入射波导腔310的耦入面313，从右至左经过多个反射面单元321依次出射后，从波导腔310的第一表面311垂直耦出形成耦出区域，图中用虚线框出区域即耦出区域。由此可知，几何光波导300使得第一光信号或第二光信号在波导腔310内全反射传输，通过反射面单元321将全反射传输的光线耦合出几何光波导300，形成显示单元400使用的照明背光。

在一实施例中，由于耦出区域的宽度范围与反射面单元的位置有关，因此为了使耦出区域能够覆盖显示单元400，参照图6，在波导腔310中可以铺满或者接近铺满反射面单元321。铺满的含义指满足反射面单元321的角度和结构要求之后，波导腔310中没有足够的空间再放入新的反射面单元321，即得到的耦出区域与显示单元400的显示宽度相匹配，图6中用显示单元400的黑色边框对显示宽度进行示意，显示单元400能够最大范围的显示三维图像。接近铺满的含义指耦出区域能够部分覆盖显示单元400的显示宽度，满足最低三维显示要求，可能显示单元400的会出现较宽的不能显示三维图像的显示边界。在此不做具体限定。

在一实施例中，参照图7，在波导腔310中可以铺满反射面单元321，其中反射面单元321包括：与第二表面312连接的上沿端3211和与第一表面311接触的下沿端3212，在波导腔310中，沿耦入面313到端面314的方向，即从右往左的方向，反射面单元321的上沿端3211在第一表面311的投影点与前一位置的反射面单元321的下沿端3212重合。另外，将反射面单元321投影到第一表面311上得到投影段，每个反射面单元321的投影段不重叠。本实施例中反射面单元的上沿端与下一位置的反射面单元的下沿端相衔接，能够保证耦出区域出光的连续性以及均匀性。

参照图7，由于第一表面311和第二表面312平行，因此几何光波导300的厚度d即波 导腔310中第一表面311和第二表面312之间的垂直距离，反射面单元321与第一表面311之 间的夹角为反射面倾角

，反射面单元321投影到第一表面311上得到投影段为

，三者之 间的关系描述为：

图7中反射面单元321在波导腔310中依次均匀排列、两两之间投影不重叠的结构就是本申请实施例中描述的铺满结构，得到的耦出区域范围最大，并且均匀排列反射面单元能够使得耦出区域的光均匀分布，能够提高三维显示的显示精度。

在一实施例中，参照图5，几何光波导300的作用是对垂直入射耦入面313的经过透射的第一光信号或第二光信号进行全反射传输，在全反射的过程中耦出部分光垂直耦出形成耦出区域。该实施例中，第一光信号或第二光信号在波导腔310的第一表面311和第二表面312之间全反射传输，因此波导腔310的第一表面311和第二表面312的设计需要满足全反射条件。另外，反射面单元321在光传输过程中对光一部分进行透射，使其继续沿着光路传输，一部分进行反射，使其沿着垂直于第一表面311的方向耦出形成耦出区域，将摄入的线光源变成面光源耦出，作为显示单元400的照明光源。

在一实施例中，为了保证经过透射的第一光信号或第二光信号能够垂直入射耦入 面313，并且经过反射面单元321透射-反射后能够垂直耦出形成耦出区域，需要对耦入面 313的角度进行限定。在一实施例中，耦入面313与第二表面312之间的夹角形成耦入角

，耦入角

为满足以下关系：

其中，

为反射面单元与第一表面之间的反射面倾角。

在一实施例中，为了使经过几何光波导300之后，耦出区域的光信号全部平铺并且均匀分布，需要对反射面单元321的反射率进行限定。该实施例中，反射面单元321与耦入面313的距离与反射面单元321的反射率正相关。正相关的意思是距离越大，反射率越大。

在一实施例中，参照图8，可以沿着耦入面313至端面314的方向，依次对反射面单元321排序，排序顺序表征其与耦入面313的距离。图8中示出了反射面阵列中包括N个反射面单元321，按照与耦入面313的距离排序得到：第1个反射面单元321，…，第i个反射面单元321，…，第N个反射面单元321，其中，第i个所述反射面单元的反射率R_i为：

可以理解的是：

第1个反射面单元321的反射率R₁为：

此时第1个反射面单元321能够透射传输给后面反射面单元321的光能量E₁表示为：

为了保证照明光束的均匀性，第2个反射面单元321的反射率R₂为：

同理可得，第i个所述反射面单元的反射率R_i为：

由上述可知，反射面阵列中第N个反射面单元321的反射率

为1，即最后一个反 射面单元321的反射率为100%，不发生透射，将所有的入射光反射耦出。

在一实施例中，反射面阵列中包含10个依次均匀排列的反射面单元321，则按照上述设定，每个反射面单元321的反射率依次是：10.00%、11.11%、12.50%、14.29%、16.67%、20.00%、25.00%、33.33%、50.00%、100.00%。

由上述可知，本申请实施例中，如果耦入角和反射面倾角满足预设关系、反射面单元的反射率满足预设关系，并且反射面单元依次均匀排列并铺满整个波导腔时，经过透射的第一光信号或第二光信号能够垂直入射几何光波导的耦入面，并且经过反射面单元透射-反射后能够垂直耦出，形成耦出区域，同时形成的耦出区域（照明光束区域）最大，能够满足三维显示的要求。

在一实施例中，显示单元400用于根据第二预设频率切换第一显示状态或第二显示状态以进行三维显示。其中，第一显示状态为接收经过耦出区域的第一光信号，以形成第一视差图像；第二显示状态为接收经过耦出区域的第二光信号，以形成第二视差图像。在一实施例中，第一视差图像能够投影到左眼的视区，第二视差图像能够投影到右眼的视区，在视觉暂留的作用下，用户看到完整的右眼（或左眼）视差图像。

在一实施例中，显示单元400为液晶显示设备，液晶显示设备对每一帧图像进行刷新后显示，当前帧未刷新的区域保留前一帧的视差图像，显示时间根据人眼视觉暂留来设定，每次刷新即切换第一显示状态或第二显示状态。显示单元以第二预设频率接收到切换信号时，将驱动像素点阵中的液晶分子进行翻转。由于电容效应，场效应管能够保持电位状态，故完成翻转的液晶分子会保持这种状态，直到再次接收到刷新信号。

在一实施例中，可切换光源根据第一预设频率交替发射第一光信号和第二光信号，显示单元400用于根据第二预设频率切换第一显示状态或第二显示状态，其中，第二预设频率根据第一预设频率设置。在一实施例中，第一预设频率和第二预设频率同频，以避免左右眼的第一视差图像或第二视差图像被错送到逆视区，造成三维显示模糊，显示效果较差的问题。

相关技术中，几何光波导在AR成像应用中，其成像面为虚像面，限免落在AR镜片前方三米至五米出，人眼可以观测到50英寸或者80英寸的大画幅虚拟画面。

在一实施例中，参照图9，为显示单元成像示意图。

本实施例中，本申请实施例中几何光波导的参数设计，使得其耦出区域能够产生均匀的背景光，为显示单元进行照明显示，形成的成像面不是虚像面，而是实像面，实像面的成像位置距离几何光波导300较近，位于在显示单元400，使得用户在不佩戴额外的工具的情况下，可以观看到三维显示画面。

在一实施例中，参照图10，三维显示装置10还包括：还包括：光学透镜500，其中，光学透镜500位于几何光波导300和显示单元400之间，光学透镜500用于将经过耦出区域的第一光信号或经过耦出区域的第二光信号传输至显示单元400。

在一实施例中，光学透镜500可以是菲尼尔透镜，其中，菲涅尔透镜包括：等高菲涅尔透镜和等间距菲涅尔透镜等。从剖面看，菲涅尔透镜表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线，每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点，每个凹槽都可以看作一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。该实施例中，菲涅尔透镜将耦出区域入射的准直光束会聚至显示单元400的某一视角。可以理解的是，平行光线经过菲涅尔透镜任意一部分都将会聚至同一视角，不失一般性的，通过改变菲涅耳透镜、几何光波导300和显示单元400之间的相对位置，可以调节光线汇聚视角的位置，本实施例中可根据实际产品需要进行调整。

本申请实施例提出的基于AR几何光波导的三维显示装置，包括：光源组件、几何光波导和显示单元，其中光源组件包括可切换光源，可切换光源用于根据第一预设频率交替发射第一光信号和第二光信号，作为左眼和右眼的指向性背光信号。几何光波导内形成波导腔和在波导腔内依次均匀平行排列的一个以上反射面单元。其中，光源组件位于几何光波导的侧边，可切换光源发射的第一光信号或第二光信号透过透镜组沿光轴垂直入射波导腔的耦入面，经过一个以上反射面单元依次出射后，从光波导的第一表面垂直耦出形成耦出区域。显示单元用于根据第二预设频率切换第一显示状态或第二显示状态以进行三维显示，其中，第一显示状态为接收经过耦出区域的第一光信号，以形成第一视差图像；第二显示状态为接收经过耦出区域的第二光信号，以形成第二视差图像，人眼接收到第一视差图像和第二视差图像在大脑中融合成三维立体图像，使得用户在不佩戴额外的工具的情况下可以观看到3D显示效果。

本申请实施例利用位于侧边的可切换光源和几何光波导实现不同的指向性背光信号，利用几何光波导对光源组件射出的指向性背光信号耦出至显示单元，通过将光源组件从三维显示装置的前后方向调整在侧边，使得三维显示装置的内部结构空间增大，一方面能够将三维显示装置设计的更薄，另一方面可以根据显示需要在内部结构内增加更多的光学元件，以提高显示效果。

该基于上述的基于AR几何光波导的三维成像装置，本发明实施例还提供一种基于AR几何光波导的三维显示方法，包括：但不限于包括步骤S110至步骤S120。

步骤S110，控制光源组件按照第一预设频率切换，以获得第一光信号或第二光信号。

步骤S120，控制显示单元按照第二预设频率在第一显示状态和第二显示状态之间切换，以生成第一视差图像或第二视差图像。

在一实施例中，参照图11，为三维显示方法的一种原理示意图，包括以下步骤：

步骤S111：第一光源生成用于左眼视差的第一光信号；

步骤S112：经过透镜组透射后的第一光信号作为照明光线从几何光波导的耦入面进入几何光波导；

步骤S113：照明光线在几何光波导内全反射传输；

步骤S114：全反射过程中，反射面单元将照明光线耦出得到照明背光，形成耦出区域；

步骤S115：通过菲涅尔透镜的聚焦作用，将耦出区域的均匀照明背光信号汇聚至显示单元（如液晶层）；

步骤S116：显示单元处于第一显示状态，在背光下显现出第一视差图像；

步骤S117：第一视差图像进入左眼的视区；

步骤S118：以第一预设频率切换光源组件，生成第二光信号，同时以第二预设频率切换显示单元为第二显示状态；

步骤S119：经过上述相似的步骤得到第二视差图像；

步骤S1110：人眼根据视觉暂留原理，看到三维显示画面。

由上述可知，本申请实施例利用位于侧边的可切换光源和几何光波导实现不同的指向性背光信号，利用几何光波导对光源组件射出的指向性背光信号耦出至显示单元，通过将光源组件从三维显示装置的前后方向调整在侧边，使得三维显示装置的内部结构空间增大，一方面能够将三维显示装置设计的更薄，另一方面可以根据显示需要在内部结构内增加更多的光学元件，以提高显示效果。

本实施例的三维显示方法的具体实施方式与上述三维显示装置的具体实施方式基本一致，在此不再赘述。

在一实施例中，三维显示方法可应用于三维显示终端中，或与三维显示终端远程连接的服务器中，利用运行于终端或服务器端中的计算机程序实现上述步骤。举例来说，计算机程序可以是三维显示终端的操作***中的原生程序或软件模块；可以是本地应用程序，即需要在操作***中安装才能运行的程序，如客户端，也可以是小程序，即只需要下载到浏览器环境中就可以运行的程序；还可以是能够嵌入至任意终端APP中的小程序。总而言之，上述计算机程序可以是任意形式的应用程序、模块或插件。其中，终端通过网络与服务器进行通信。该三维显示方法可以由终端或服务器执行，或由终端和服务器协同执行。

在一实施例中，三维显示终端可以是三维液晶显示器、显示平板、手持显示器等，在此不做具体限定。

本申请实施例描述的实施例是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

本领域技术人员可以理解的是，图中示出的技术方案并不构成对本申请实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的步骤，或者组合某些步骤，或者不同的步骤。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上参照附图说明了本申请实施例的优选实施例，并非因此局限本申请实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请实施例的权利范围之内。

Claims (5)

1.一种基于AR几何光波导的三维显示装置，其特征在于，包括：

光源组件，所述光源组件包括可切换光源和沿光轴设置的透镜组；所述可切换光源用于根据第一预设频率交替发射第一光信号和第二光信号；

几何光波导，所述几何光波导包括与光出射方向垂直设置的第一表面和耦入面，所述耦入面位于所述几何光波导一侧；所述几何光波导内形成波导腔，所述波导腔中设置有反射面阵列；所述反射面阵列包括在所述波导腔内依次均匀平行排列的一个以上反射面单元；

所述光源组件位于所述几何光波导的侧边，所述可切换光源发射的第一光信号或第二光信号透过所述透镜组沿光轴垂直入射所述耦入面，经过一个以上所述反射面单元依次出射后，从所述几何光波导的第一表面垂直耦出，形成耦出区域；

显示单元，所述显示单元用于根据第二预设频率切换第一显示状态或第二显示状态以进行三维显示，所述第一显示状态为接收经过所述耦出区域的所述第一光信号，以形成第一视差图像；所述第二显示状态为接收经过所述耦出区域的所述第二光信号，以形成第二视差图像；

所述几何光波导包括与所述耦入面相对的端面和与所述第一表面相对的第二表面，所述反射面单元包括与所述第二表面连接的上沿端和与所述第一表面接触的下沿端；沿所述耦入面到所述端面的方向，所述反射面单元的上沿端在所述第一表面的投影点与前一位置所述反射面单元的所述下沿端重合；

所述反射面阵列中包含N个所述反射面单元，第i个所述反射面单元的反射率为：

；

所述三维显示装置还包括：光学透镜，所述光学透镜用于将经过所述耦出区域的所述第一光信号或经过所述耦出区域的所述第二光信号传输至所述显示单元；

所述几何光波导包括第二表面，所述耦入面与所述第二表面形成耦入角，所述反射面阵列和所述第一表面形成反射面倾角，所述耦入角为所述反射面倾角的2倍。

2.根据权利要求1所述的基于AR几何光波导的三维显示装置，其特征在于，所述第二预设频率根据所述第一预设频率设置。

3.根据权利要求1所述的基于AR几何光波导的三维显示装置，其特征在于，所述可切换光源包括：第一光源和第二光源，所述第一光源用于生成所述第一光信号，所述第二光源用于生成所述第二光信号。

4.根据权利要求1所述的基于AR几何光波导的三维显示装置，其特征在于，所述显示单元为液晶显示设备。

5.一种基于AR几何光波导的三维显示方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4任一项所述的三维显示装置，所述方法包括：

控制所述光源组件按照所述第一预设频率切换，以获得所述第一光信号或所述第二光信号；

控制所述显示单元按照所述第二预设频率在所述第一显示状态和所述第二显示状态之间切换，以生成所述第一视差图像或所述第二视差图像。

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