WO2024119456A1 - 三维显示设备以及相关的光束整形结构 - Google Patents
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Definitions
- the material having light absorbing properties is photoresist.
- a method for preparing a three-dimensional display device comprises: providing a light source having a pixel unit array, the pixel unit array comprising a plurality of pixel units, each pixel unit comprising a plurality of sub-pixels; arranging an aperture unit array above the pixel unit array, the aperture unit array comprising a plurality of aperture units, the plurality of aperture units corresponding one-to-one to a plurality of sub-pixels in the plurality of pixel units, for limiting the divergence angle of a light beam emitted from each sub-pixel; and arranging a collimating and deflecting array above the aperture unit array, the collimating and deflecting array comprising a plurality of collimating and deflecting units, the plurality of collimating and deflecting units corresponding one-to-one to the plurality of aperture units, for respectively collimating and deflecting the light beams limited by the aperture unit array.
- a method for preparing a beam shaping structure comprises: providing a pixel-level light source; arranging an aperture unit above the pixel-level light source to limit the divergence angle of a light beam emitted from the pixel-level light source; and arranging a deflection unit above the aperture unit to deflect the direction of the light beam with the divergence angle limited.
- FIG3 shows a partial structural schematic diagram of a three-dimensional display device according to an exemplary embodiment of the present disclosure
- each pixel unit can be defined as a combination of multiple sub-pixels, which can be composed of one pixel or multiple pixels.
- each pixel is usually composed of three sub-pixels of red, green and blue (RGB) arranged alternately, each pixel unit may include one or more such pixels.
- RGB red, green and blue
- each pixel unit may include one or more such pixels.
- composition of each pixel is described here by taking RGB 3 sub-pixels as an example, this is not a limitation. It is also possible for each pixel to include more or less sub-pixels, or even only one sub-pixel (Note: In this case, the pixel can be understood as a special sub-pixel).
- phase distribution of each metasurface corresponding to each sub-pixel is also a specific distribution.
- the phase distribution of each metasurface can be expressed by the following formula.
- the plurality of sub-pixels in each pixel unit may include a blue sub-pixel, a red sub-pixel and a green sub-pixel. In some further embodiments, the plurality of sub-pixels in each pixel unit may include a monochrome pixel, thereby providing a monochrome three-dimensional display effect.
- the height of each aperture unit can be designed so that the angle at which the light emitted from the center point of each sub-pixel is emitted along the highest point of the corresponding aperture unit is no greater than a predetermined value, such as no greater than 20°, 15°, or 10°. In this way, a strict constraint can be imposed on the divergence angle of the light beam emitted from each aperture unit.
- a collimating and deflecting array is arranged above the aperture unit array, the collimating and deflecting array comprising a plurality of collimating and deflecting units, the plurality of collimating and deflecting units corresponding to the plurality of aperture units one by one, and used to collimate and deflect corresponding light beams limited by divergence angles, respectively.
- each collimating and deflecting unit may be a metasurface comprising a plurality of micro-nano structure units formed on a substrate.
- the spacing between the above-mentioned multiple micro-nano structure units is constant and can be selected to be less than 400nm, for example, less than the wavelength of the targeted visible light (for example, red light, green light or blue light), for example, 350nm, 300nm, 250nm, 200nm, etc.
- the targeted visible light for example, red light, green light or blue light
- the diameter of the nanocylindrical structure can be selected from the range of 50 nm to 400 nm.
Abstract
一种三维显示设备（1），包括: 光源（2），具有像素单元阵列，像素单元阵列中的每个像素单元包括多个子像素；光阑单元阵列（3），包括多个光阑单元，多个光阑单元与多个像素单元中的多个子像素一一对应，用以对从每个子像素发出的光束的发散角（γ）进行限制；以及准直偏折阵列（4），包括多个准直偏折单元，多个准直偏折单元与多个光阑单元一一对应，用以分别对经发散角（γ）限制的对应光束进行准直并偏折。
Description
本公开涉及三维显示领域，并且更具体地涉及一种三维显示设备以及相关的光束整形结构。
与二维显示技术相比，三维显示技术能够一定程度上真实地再现客观世界的景象，让人们有身临其境的感觉，因此，其都受到越来越多的关注。
根据成像原理的不同，三维显示技术分为两大类:第一类是基于双目视差的非裸眼三维显示技术，但其需要佩戴特殊设备(比如偏光眼镜或头盔)才能看到三维立体成像，这减少了观看时的娱乐性和自然性，且长时间观看还伴随视觉疲劳、舒适度下降等问题。第二类即是裸眼三维显示技术，其需要光场调控以将对应视点的光投向对应的视区，由于不同视点的图像具有视差，就可以形成视觉上的三维(3D)效果。
发明内容
本公开的目的在于提供一种改进的三维显示设备以及相关的光束整形结构。
根据本公开的第一方面，提供了一种三维显示设备。该三维显示设备包括：光源，具有多个像素单元的像素单元阵列，所述多个像素单元中的每个像素单元包括多个子像素；光阑单元阵列，包括多个光阑单元，所述多个光阑单元与所述多个像素单元中的多个子像素一一对应，用以对从每个子像素发出的光束的发散角进行限制；以及准直偏折阵列，包括多个准直偏折单元，所述多个准直偏折单元与所述多个光阑单元一一对应，用以对经所述光阑单元阵列限制的光束进行准直和偏折。
将会理解，利用本公开的三维显示设备，与使用准直背光结构的传统方案相比，本公开的光阑单元和准直偏折单元的组合将会相对轻薄。
在一些实施例中，每个准直偏折单元为超表面，所述超表面包括形成在基底上的多个微纳结构单元。在该些实施例中，本公开的光阑单元和准直偏折单元的组合将会更进一步的轻薄。此外，通过使用超表面，可以对视点的偏折方向进行更为自由的调控，视点的设计自由度会更大，且光束的发散角小，准直性能好，视点间的串扰小，可以有效地提升3D显示的效果。
在一些实施例中，每个微纳结构单元包括纳米柱结构。
在一些实施例中，所述纳米柱结构在所述基底的正投影为C4旋转对称图形。以这种纳米柱结构，可以更为容易地实现对超表面的相位分布的计算。
在一些实施例中，所述多个微纳结构单元彼此之间的间距是恒定的，并且小于400nm。以这种间距要求，可以有助于针对可见光波长的超表面的设计。
在一些实施例中，在所述纳米柱结构为纳米圆柱结构的情况下，所述纳米圆柱结构的直径尺寸从50nm至400nm的范围中选择。以这种尺寸要求，一方面兼顾了针对可见光波长的超表面设计要求，另一方面也使得纳米加工更为容易实现。
在一些实施例中，所述多个子像素包括蓝色子像素、红色子像素和绿色子像素。在该些实施例中，本公开的三维显示设备可以实现彩色的三维显示。
在一些实施例中，所述准直偏折阵列被设计成将每个像素单元中的所述多个子像素所发出的光线分别准直并偏折至不同的方向，其中所述不同的方向对应于所述三维显示设备的不同视点。
在一些实施例中，用于制备所述微纳结构单元的材料包括氧化钛和氮化硅。
在一些实施例中，每个光阑单元的高度被设计为使得：从每个子像素的中心点发出的光线沿对应光阑单元的最高点出射的角度不大于20°。以该角度限制，可以减轻诸如超表面的准直偏折单元对于准直方面的设计要求。
在一些实施例中，所述光阑单元阵列由具有吸光特性的材料制成。
在一些实施例中，具有吸光特性的所述材料为光刻胶。
在一些实施例中，所述光源从微型发光二极管、液晶显示器或有机发光二极管中选择。
根据本公开的第二方面，提供了一种光束整形结构。该光束整形结构包括：像素级光源；光阑单元，其设置在所述像素级光源的上方，用于对从所述像素级光源发出的光束的发散角进行限制；以及偏折单元，其设置在所述光阑单元的上方，用于将经光阑单元限制的光束进行偏折。
将会理解，本公开的光束整形结构提供了一种备选的光束整形方案。该光束整形结构也具有轻薄的优点。特别地，在偏折单元是超表面的情况下，该光束整形结构也可以对该偏折方向进行更为自由的调控。
根据本公开的第三方面，提供了一种光学装置。该光学装置包括上述第二方面所述的光束整形结构。在一些实施例中，所述光学装置为三维显示设备。
根据本公开的第四方面，提供了一种制备三维显示设备的方法。该方法包括：提供具有像素单元阵列的光源，所述像素单元阵列包括多个像素单元，每个像素单元包括多个子像素；将光阑单元阵列布置在所述像素单元阵列的上方，所述光阑单元阵列包括多个光阑单元，所述多个光阑单元与所述多个像素单元中的多个子像素一一对应，用以对从每个子像素发出的光束的发散角进行限制；以及将准直偏折阵列布置在所述光阑单元阵列的上方，所述准直偏折阵列包括多个准直偏折单元，所述多个准直偏折单元与所述多个光阑单元一一对应，用以分别对经所述光阑单元阵列限制的光束进行准直并偏折。
根据本公开的第五方面，提供了一种制备光束整形结构的方法。该方法包括：提供像素级光源；将光阑单元布置在所述像素级光源的上方，用以对从所述像素级光源发出的光束的发散角进行限制；以及将偏折单元布置在所述光阑单元的上方，用以对经发散角限制的所述光束的方向进行偏折。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1示出了一种常规的裸眼3D显示方案的原理示意图；
图2示出了另一种常规的裸眼3D显示方案的原理示意图；
图3示出了根据本公开的示例实施例的三维显示设备的局部结构示意图；
图4示出了根据本公开的示例实施例的具有像素单元阵列的光源的示例性布置；
图5示出了根据本公开的示例实施例的与超表面的相位分布相关的参数的几何示意图；
图6示出了根据本公开的示例实施例的具有基底的纳米圆柱结构作为微纳结构单元的结构参数的示意图；
图7示出了根据本公开的示例实施例的针对蓝色子像素在超表面的中心点附近10×10个微纳结构单元内的纳米圆柱结构的直径分布示意图；
图8示出了根据本公开的示例实施例的针对绿色子像素在超表面的中心点附近10×10个微纳结构单元内的纳米圆柱结构的直径分布示意图；
图9示出了根据本公开的示例实施例的针对红色子像素在超表面的中心点附近10×10个微纳结构单元内的纳米圆柱结构的直径分布示意图；
图10示出了根据本公开的示例实施例的用于制备三维显示设备的方法的流程图；以及
图11示出了根据本公开的示例实施例的用于制备光束整形结构的方法的流程图。
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
如前所述的，三维显示领域越来越受到关注。特别地，对于裸眼三维显示而言，存在各种的裸眼三维显示方案。
在一种示例中，图1示出了一种裸眼3D显示方案的原理示意图。如图1所示，源自于LCD的不同子像素的光可以经由作为偏折元件的超构光栅而被汇聚至空间中的一点，由此可以形成诸如视点1到视点N的多个视点。这些不同视点的图像进而可以形成视差，从而产生视觉上的3D效果。
在一种示例中，图2示出了该另一种常规的裸眼3D显示方案的原理示意图。如图2所示，其利用诸如透镜的偏折元件将不同位置的子像素发出的光折向不同的角度。通过设计该偏折元件的分光规律，可以将具有同一视点信息的子像素的光会汇聚在空间中的一点，从而类似地形成多个视点。此外，还存在通过视差屏障的方式达到与透镜相同的分光原理的3D显示方案。
基于三维显示的基本原理，可以理解，具有定向偏折的准直光束可以形成低串扰、大景深的3D显示效果，因此三维显示设计最重要的部分就是需要对光进行准直和偏折。
然而，发明人注意到：基于像素化调控的裸眼三维显示设备大多采用准直背光和偏折元件组合的方式，其准直背光***通常比较厚重，这会增大手机、电脑等平面显示设备作为三维显示设备的厚度，因而不够便携和集成。
本公开的目的在于提供一种轻薄的设计实现光束的准直偏折，并且进而实现高质量的裸眼三维显示效果，其可以避免使用传统的背光结构。为了实现该目的，本公开的构思在于通过光阑单元和准直偏折单元的组合来实现上述光束的准直偏折，其中光阑单元用于对来自光源的子像素的光束的发散角进行限制，以及准直偏折单元用于将经光阑单元限制的光束进行偏折，从而实现三维显示的效果。特别地，本公开的准直偏折单元可以是超表面。
如本领域所知的，超表面(metasurface)是一种尺寸小于工作波长的人工材料，其可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活、有效的调控。一般地， 可以通过超表面的相位分布的调控来实现对光束的整形。
将会理解，与使用准直背光结构的传统方案相比，本公开的光阑单元和准直偏折单元的组合将会相对轻薄。特别地，在使用超表面作为准直偏折单元的情况下，本公开的光阑单元和准直偏折单元的组合将会更加轻薄。此外，与使用传统的透镜作为准直偏折单元的传统方案相比，使用超表面，可以对视点的偏折方向进行更为自由的调控，视点的设计自由度会更大，且光束的发散角小，准直性能好，视点间的串扰小，可以有效地提升3D显示的效果。此外，超表面和光阑单元的组合也可以使得相同子像素宽度的发出的光在观看距离下形成视点的展宽比较小，也即串扰比较小，景深相对较大。又此外，与使用传统透镜会在空间中形成重复的观看视区、视区切换部分会存在跳变区、以及所谓的逆视的现象的情况相比，超表面和光阑单元的组合也可以避免上述缺陷。
下面参照图3来描述根据本公开的示例实施例的三维显示设备的局部结构示意图。
应当理解，本公开的三维显示设备是裸眼的三维显示设备，其可以为任何合适类型的显示器，其包括但不限于手机、平板电脑、台式机和个人数字助理(PDA)。
如图3所示，本公开的三维显示装置1可以包括光源2、光阑单元阵列3和准直偏折阵列4。
光源2的作用在于提供图像信息，其例如可以微型发光二极管(micro-LED)、液晶显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED)。
应当理解，为了实现三维显示的像素化调控，光源2可以被设计成具有像素单元阵列，其中像素单元阵列包括多个像素单元，每个像素单元可以包括多个子像素，诸如多组的红绿蓝(RGB)交替排列的3个子像素。进一步地，该光源2可以通过具有上述像素单元阵列来提供用于三维显示的图像信息。
图4示出了根据本公开的示例实施例的具有像素单元阵列的光源的示例性布置。仅作为示例，如图4所示，每个像素单元可以包括例如45个子像素，其例如可以由15个像素构成，其中每个像素包括红绿蓝(RGB)交替排列的3个子像素。
这里需要说明的：本公开的术语“像素单元”可以被定义为多个子像素的组合，其可以由一个像素或多个像素构成。譬如，在每个像素通常由红绿蓝(RGB)交替排列的3个子像素构成的情况下，每个像素单元可以包括一个或多个这样的像素。此外，尽管这里以RGB 3个子像素为例来描述每个像素的构成，但这并非限制，每个像素包括更多或更少的子像素也是可能的，甚至仅包括1个子像素也是可能的(注：在这种情况下，像素可以理解为特殊的子像素)。又此外，上述像素单元或像素不一定由彩色子像素构成，其由多个相同颜色的子像素构成也是可能的。又此外，上述图4中的红绿蓝(RGB)交替排列的子像素的布置仅仅是示例，在其他实施例中，可以有完全不同于图4所示的红绿蓝(RGB)交替排列的子像素的其他布置形式。应当理解，在上述像素单元包括不同颜色的子像素的情况下，三维显示设备可以形成彩色的三维显示，而当上述像素单元包括相同颜色的子像素的情况下，三维显示设备将呈现单色的三维显示。
还应当理解，每个像素单元中所包括的子像素的数目是根据三维显示设备所旨在产生的视点的数目而设计的。因此，三维显示设备所设计的视点数目越多，则每个像素单元的子像素的数目也越多。进一步地，基于三维显示的视点的产生原理，不同像素单元中的子像素的数目和位置应当是对应一致的，并且不同像素单元中的对应子像素所发射的光应当汇聚至空间中的预定距离处的同一点，从而可以在空间中产生对应于子像素的数目的多个视点。
举例来说，可以将图4中的每个像素单元中的子像素均按1-45进行编号，其中第1、4、7、10……对应于红色子像素，第2、5、8、11……对应于绿色子像素，第3、6、9、12……对应于蓝色子像素，其中第1、2、3个子像素可以是第1个像素中的子像素，第4、5、6个像素可以是第2个像素中的子像素，等等。在这种情况下，不同像素单元中的对应编号的子像素(例如，第1像素单元中的第1编号的子像素和第M个像素单元中的第1编号的子像素)所发射的光将会被汇聚至空间中的同一点，由此可以产生对应于每个像素单元中的子像素数目的视点数目，例如45个视点。
当用户的裸眼接收到上述多个视点中至少一些数目的视点，由于不同视点处所接收的图像将存在视差，则用户可以裸眼看到三维显示效果。还可以理解，在实际三维设备的设计中，可以根据所需要设计的视点的空间位置来设计上述每个像素单元中所包含的子像素所发射的光偏折方向。
光阑单元阵列3的作用在于对从每个子像素发射的光束的发散角进行限制。为此，根据本公开的设计，光阑单元阵列3被布置在上述像素单元阵列的上方，并且可以包括多个光阑单元。进一步地，该多个光阑单元被布置成和上述多个子像素一一对应，用以实现对从每个子像素发射的光束的发散角的限制。这里需要说明的，如本领域所熟知的，光阑是指在光学***中对光是起着限制作用的实体，本申请的“光阑单元”可以被定义为对光源(包括诸如像素或子像素等的像素级光源)所发生的光进行限制的孔径结构。例如，图3中，对于3个子像素，其对应地具有3个光阑单元，相邻的光阑单元(或孔径结构)可以共享边界。容易理解，不共享边界的光阑单元也是可能的。
为了避免来自不同子像素(特别是相邻子像素)所发射的光束的串扰，在一些实施例中，光阑单元阵列3被布置成由吸光特性的材料制成。仅作为示例，该吸光特性的材料可以包括具有吸光性能的光刻胶。在又一些实施例中，光阑单元阵列3由反射性材料制成也是有可能的。
在一些实施例中，每个光阑单元的高度可以被设计为使得从每个子像素的中心点发出的光线沿对应光阑单元的最高点出射的角度γ不大于预定值，例如不大于20°、15°、10度。术语“最高点”应被定义为从对应子像素的中心点的视角所能看到的光阑单元的最高点。图3示出了角度γ的示例。以这种方式，可以对从每个光阑单元发出的光束的发散角施加严格约束。这里，应当理解，诸如LED的点光源通常为朗伯型光源，其发射具有朗伯分布的光。以上述光阑单元对发散角的预定约束方式，可以减轻对光源所发射的光束的要求，并且随后与准直偏折单元组合，可以使得省去传统的准直背光***成为可能。
准直偏折阵列4的作用在于：对从光阑单元阵列3中的每个光阑单元中所发出的具有预定发散角(例如，发射角不大于20°、15°或10°)的光束进行准直并且偏折至空间中的预定方向。具体地，根据本公开的设计，准直偏折阵列4可以被布置在光阑单元阵列3的上方，并且包括多个准直偏折单元，其中多个准直偏折单元可以与多个光阑单元一一对应，从而实现分别对经发散角限制的对应光束进行准直并偏折到预定方向。例如，如图3所示的，每个像素中的不同子像素所发射的经发散角限制的光束可以被准直和偏折至空间中的不同预定方向。
在一些实施例中，准直偏折阵列4可以例如是微透镜或光栅结构。然而，特别地，本公开的准直偏折阵列4中的每个准直偏折单元可以是超表面，其包括形成在基底上的多个微纳结构单元。作为示例，基底可以例如由诸如玻璃等的透明材料形成；而超表面可以由诸如氧 化钛和氮化硅等适合制备超表面的材料制成。
在一些实施例中，所述多个微纳结构单元中的每个微纳结构单元可以包括纳米柱结构，而该纳米柱结构可以包括但不限于诸如纳米圆柱结构或纳米方柱结构等的规则柱结构。在一些实施例中，上述纳米柱结构在所述基底的正投影可以为C4旋转对称图形。这里，所谓的术语“C4旋转对称图形”是指其正投影绕中心点旋转90度可以与原图形重合。显然，纳米圆柱结构或纳米方柱结构在基底的正投影是C4旋转对称图形的典型示例。
为了更加清楚地理解作为准直偏折单元的超表面是如何设计的，下面将以纳米圆柱结构为例来描述如何设计纳米圆柱结构以制备超表面。
首先，应当理解，超表面对于光束的准直和偏折取决于其本身的相位分布。如上所述的，超表面可以由多个微纳结构单元形成，因此超表面的相位分布将随着不同位置的微纳结构单元本身的结构参数的变化而变化。
可以理解，由于每个子像素所在的位置都是特定的位置，因此，每个子像素所对应的每个超表面的相位分布也都是特定的分布。在一些实施例中，每个超表面的相位分布其可以用如下的式子来表达。
其中
为每个子像素所对应的超表面上任意一点所提供的相位变化量；x,y为以每个超表面的中心点为原点，处于不同位置的微纳结构单元的中心的坐标值；其中x轴和y轴被定义为分别与三维显示设备的屏幕的水平和竖直方向平行，而z轴被定义为垂直于屏幕；λ为子像素所发射的光束的中心波长，f为光阑单元的高度，θ为从超表面出射的光线的偏折角度，α为过原点的偏折光线在超表面平面的投影顺时针旋转到与x轴重合需要的角度。为了更加清楚，图5示出了根据本公开的示例实施例的与上述超表面的相位分布相关的参数的几何示意图。
仅作为示例，在微纳结构单元为纳米圆柱结构的示例中，纳米圆柱结构的结构参数可以例如由间距(或周期)P、高度H以及直径D来描绘，其中间距P可以被定义为相邻两个纳米圆柱结构的圆柱中心线之间的距离。在一些实施例中，在微纳结构单元彼此之间的间距P可以是恒定的，即微纳结构单元可以呈周期性排列。图6示出了根据本公开的示例实施例的具有基底的纳米圆柱结构作为微纳结构单元的结构参数的示意图。注：为了方便描述，这里以微纳结构单元呈周期性排列为例，此时可以将超表面的基底划分为多个正方形，而每个纳米圆柱结构可以对应地具有一个正方形基底；在这种情况下，上述纳米圆柱结构的间距P可以代替地通过上述正方形基底的边长来描绘。
在一些实施例中，上述微纳结构单元的间距可以被选择不大于400nm，譬如于小于所针对的可见光(例如，红色光、绿色光或蓝色光)的波长，例如为350nm、300nm、250nm、200nm等。
作为纳米圆柱结构的尺寸设计的非限制示例，可以譬如选择其中的直径D作为变量，而其他参数(譬如，间距P和高度H)作为固定量，来仿真获得纳米圆柱结构的相位与直径的结构库。然后，可以基于上述式子(1)所表示的每个超表面的特定位置(可以由xy的坐标表征)所对应的相位，在该结构库选择对应的纳米圆柱的直径。一般而言，为了方便在结构库中挑选出合适的纳米圆柱直径，通常需要仿真以使得纳米圆柱直径所对应的相位变化范围能够覆盖0～2π。作为示例，对于可见光波长而言，纳米圆柱结构的直径尺寸可以例如从50nm 至400nm的范围中选择。
譬如，对于单个子像素大小6.4×6.4μm，波长为451nm的蓝色子像素，可以假设对应的超表面大小为6×6μm，偏折角度θ为10°，α为0°，光阑单元高度f＝17.17μm，以及纳米圆柱结构的参数为H＝600nm，间距P＝250nm，那么可以通过仿真而获得相应的相位与直径的结构库。而后，可以基于上述式(1)计算的相位分布，从结构库中获得相应的纳米圆柱直径范围，其例如可以在100-164nm。也就是说，对于该间距P＝250nm，在6×6μm的超表面范围内，每个250×250nm范围内的纳米圆柱直径会在100-164nm之间变化。仅作为示例，图7示出了根据本公开的示例实施例的针对蓝色子像素在超表面的中心点附近10×10个微纳结构单元内的纳米圆柱结构的直径分布示意图。
又譬如，对于单个子像素大小6.4×6.4μm，波长为526nm的绿色子像素，可以假设对应的超表面大小为6×6μm，偏折角度θ为10°，α为0°，光阑单元高度f＝17.17μm，以及纳米圆柱结构的参数为H＝600nm，P＝300nm，那么可以通过仿真而获得相应的相位与直径的结构库。而后，基于上述式(1)计算的相位分布，从结构库中获得相应的纳米圆柱直径范围，其例如可以在100-246nm。也就是说，对于该间距P＝300nm，在6×6μm的超表面范围内，每个300×300nm范围内的纳米圆柱直径会在100-246nm之间变化。仅作为示例，图8示出了根据本公开的示例实施例的针对绿色子像素在超表面的中心点附近10×10个微纳结构单元内的纳米圆柱结构的直径分布示意图。
又譬如，对于单个子像素大小6.4×6.4μm，波长为633nm的红色子像素，可以假设对应的超表面大小为6×6μm，偏折角度θ为10°，α为0°，光阑单元高度f＝17.17μm，以及纳米圆柱结构的参数为H＝600nm，P＝350nm，那么可以通过仿真而获得相应的结构库。而后，可以基于上述式(1)计算的相位分布，从结构库中获得相应的纳米圆柱直径范围，其例如可以在100-320nm。也就是说，对于该间距P＝350nm，在6×6μm的超表面范围内，每个350×350nm范围内的纳米圆柱直径会在100-320nm之间变化。仅作为示例，图9示出了根据本公开的示例实施例的针对红色子像素在超表面的中心点附近10×10个微纳结构单元内的纳米圆柱结构的直径分布示意图。
尽管上面以纳米圆柱结构为例来描述超表面的设计思路。应当理解，具有其他类型的纳米柱结构的超表面可以以类似的方式来设计。然而，与其他类型的纳米柱结构相比，具有纳米圆柱结构的超表面可能是更为有利地，因为纳米圆柱结构是无偏振响应的，其尺寸的设计会更为简单。
以上已经详细描述了上述准直偏折单元和光阑单元的组合在三维显示设备中的应用。可以理解，该组合可以使得三维显示设备无需使用传统的准直背光结构，从而更加轻薄。特别地，在准直偏折单元由超表面构成的实施例中，上述组合还可以使得对三维显示设备的厚度更进一步地轻薄，并且视点设计自由度更大(这有助于更为灵活地控制视点密度和视点范围)、串扰更小，景深更大，从而提升3D的显示效果。此外，超表面和光阑单元的组合还可以消除传统使用透镜作为偏折元件所带来的视区的跳变，从而具有防窥效果并且避免所谓的逆视现象。
还可以理解，本公开并不限于上述准直偏折单元和光阑单元的组合在三维显示设备中的应用，在其他实施方式中，可以提供偏折单元(其可以包含准直偏折单元)和光阑单元的组合作为光束整形结构的一部分。在这种情况下，该光束整形结构可以是光学装置的一部分，而该光学装置可以包括但不限于三维显示设备。
譬如，在该实施方式下，光束整形结构可以包括：像素级光源；光阑单元，其设置在所述像素级光源的上方，用于对从所述像素级光源发出的光束的发散角进行限制；以及准直偏折单元，其设置在所述光阑单元的上方，用于对经光阑单元限制的所述光束进行准直并偏折。特别地，在一些不需要对光束准直的实施例中，光束整形结构还可以包括：像素级光源；光阑单元，其设置在所述像素级光源的上方，用于对从所述像素级光源发出的光束的发散角进行限制；以及偏折单元，其设置在所述光阑单元的上方，用于将经发散角限制的所述光束进行偏折。
可以理解，不管是上述准直偏折单元还是偏折单元，两者都可以进一步是超表面，因为超表面可以起到准直和偏折中的至少一者的功能。注意，上面的术语“像素级光源”应当理解为像素尺寸或量级的光源，其包括但不限于源自于图像源的像素或子像素。
还应当理解，上述光束整形结构的光阑单元和准直偏折单元分别与上述关于三维显示设备描述的光阑单元阵列中的光阑单元以及准直偏折阵列中的准直偏折单元是相同的。因此，上述光束整形结构中的上述光阑单元和准直偏折单元两者的具体实现方式以及两者组合的优势或技术效果可以参照上述三维显示设备的相关描述；而偏折单元可以以参照上述准直偏折单元进行适应性地调整而设计，故在此不再赘述。
下面将参照图10简单地来描述制备根据本公开的上述三维显示设备的方法的流程图。
如图10所示，该方法可以包括：在框1010，提供具有像素单元阵列的光源，所述像素单元阵列包括多个像素单元，每个像素单元包括多个子像素。
作为示例，该光源可以包括但不限于微型发光二极管(micro-LED)、液晶显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED)。
在一些实施例中，每个像素单元中的所述多个子像素可以包括蓝色子像素、红色子像素和绿色子像素。在又一些实施例中，每个像素单元中的所述多个子像素可以包括单色像素，从而提供单色的三维显示效果。
在框1020，将光阑单元阵列布置在所述像素单元阵列的上方，所述光阑单元阵列包括多个光阑单元，所述多个光阑单元与所述多个像素单元中的多个子像素一一对应，用以对从每个子像素发出的光束的发散角进行限制。
在一些实施例中，光阑单元阵列可以由具有吸光特性的材料制成。然而，这并非限制，在其他实施例中，光阑单元阵列由反射性材料制成也是有可能的。作为示例，光阑单元阵列可以由吸光的光刻胶制成。譬如，可以通过蚀刻的方式在像素单元阵列的上方形成上述光阑单元阵列。
为了便于下游的准直偏折单元的准直和偏折，在一些实施例中，每个光阑单元的高度可以被设计为使得从每个子像素的中心点发出的光线沿对应光阑单元的最高点出射的角度不大于预定值，例如不大于20°、15°、10°。以这种方式，可以对从每个光阑单元发出的光束的发散角施加严格约束。
在框1030，将准直偏折阵列布置在所述光阑单元阵列的上方，所述准直偏折阵列包括多个准直偏折单元，所述多个准直偏折单元与所述多个光阑单元一一对应，用以分别对经发散角限制的对应光束进行准直并偏折。特别地，每个准直偏折单元可以是超表面，其包括形成在基底上的多个微纳结构单元。
在每个准直偏折单元为超表面的实施例中，上述多个微纳结构单元中的每个微纳结构单元包括纳米柱结构。特别地，纳米柱结构在基底的正投影可以为C4旋转对称图形。更为特 别地，纳米柱结构可以包括纳米圆柱结构和纳米方柱结构。
在一些实施例中，上述多个微纳结构单元之间的间距是恒定的，并且可以被选择为小于400nm，譬如小于所针对的可见光(例如，红色光、绿色光或蓝色光)的波长，例如为350nm、300nm、250nm、200nm等。
在述纳米柱结构单元为纳米圆柱结构的实施例中，上述纳米圆柱结构的直径尺寸可以从50nm至400nm的范围中选择。
下面将参照图11简单地来描述用于制备根据本公开的上述光束整形结构的方法的流程图。
如图11所示，在框1110，提供像素级光源。这里，应当理解，术语“像素级光源”是指像素尺寸或量级的光源，其包括但不限于源自于图像源的像素或子像素。还应当理解，在光束整形结构的实施例中，这里的像素级光源并不必须提供有关图像的信息。
在框1120，将光阑单元布置在所述像素级光源的上方，用以对从所述像素级光源发出的光束的发散角进行限制。
同样地，光阑单元可以由吸光材料制成。然而，这并非限制，在其他实施例中，光阑单元由反射性的材料制成也是有可能的。作为示例，光阑单元可以由吸光的光刻胶制成。在制备时，譬如可以通过蚀刻的方式在像素级光源的上方形成上述光阑单元。
在框1130，将偏折单元布置在所述光阑单元的上方，用以将经光阑单元限制的所述光束进行偏折到预定方向。
在一些实施例中，上述偏折单元是准直偏折单元。在又一些实施例中，该偏折单元还可以是超表面，该超表面可以包括形成在基底上的微纳结构单元阵列。在一些实施例中，上述微纳结构单元阵列中的微纳结构单元可以包括纳米柱结构。特别地，纳米柱结构在基底的正投影可以为C4旋转对称图形。作为示例，纳米柱结构可以包括纳米圆柱结构和纳米方柱结构。
在一些实施例中，取决于应用所使用的光的波长(其可以包括但不限于可见光)，上述多个微纳结构单元彼此之间的间距是恒定的，并且可以被选择为小于所使用的光的波长，譬如为700nm、600nm、500nm、350nm、300nm、250nm、200nm等。
特别地，在应用所使用的光可见光的情况下，当纳米柱结构单元为纳米圆柱结构时，上述纳米圆柱结构的直径尺寸可以例如在从50nm至400nm的范围中选择。
虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但这些说明和描述应被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所请求保护的发明中，通过研究附图、公开和所附权利要求可以理解并且实践所公开的实施例的其它变型。
另外，应当理解，上面描述的方法、步骤或流程仅仅是示例。尽管说明书中以特定的顺序描述了方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以满足在权利要求中阐述的多个项目的功能。仅在互不相同的实施例或从属权利要求中记载某些特征的仅有事实，并不意味着不能有利地使用这些特征 的组合。在不脱离本申请的精神和范围的情况下，本申请的保护范围涵盖在各个实施例或从属权利要求中记载的各个特征任何可能组合。
在权利要求中的任何参考标记不应被理解为限制本公开的范围。
Claims (20)
- 一种三维显示设备，其特征在于，包括：光源，具有多个像素单元的像素单元阵列，所述多个像素单元中的每个像素单元包括多个子像素；光阑单元阵列，包括多个光阑单元，所述多个光阑单元与所述多个像素单元中的多个子像素一一对应，用以对从每个子像素发出的光束的发散角进行限制；以及准直偏折阵列，包括多个准直偏折单元，所述多个准直偏折单元与所述多个光阑单元一一对应，用以对经所述光阑单元阵列限制的光束进行准直和偏折。
- 根据权利要求1所述的三维显示设备，其中每个准直偏折单元为超表面，所述超表面包括形成在基底上的多个微纳结构单元。
- 根据权利要求2所述的三维显示设备，其中每个微纳结构单元包括纳米柱结构。
- 根据权利要求2所述的三维显示设备，其中所述多个微纳结构单元彼此之间的间距小于400nm。
- 根据权利要求3所述的三维显示设备，其中在所述纳米柱结构为纳米圆柱结构的情况下，所述纳米圆柱结构的直径尺寸介于50nm至400nm的范围中。
- 根据权利要求1所述的三维显示设备，其中所述多个子像素包括蓝色子像素、红色子像素和绿色子像素。
- 根据权利要求1-6中任一项所述的三维显示设备，其中所述准直偏折阵列被设计成将每个像素单元中的所述多个子像素所发出的光线分别准直并偏折至不同的方向，其中所述不同的方向对应于所述三维显示设备的不同视点。
- 根据权利要求2-5中任一项所述的三维显示设备，其中用于制备所述微纳结构单元的材料包括氧化钛和氮化硅。
- 根据权利要求1-6中任一项所述的三维显示设备，其中每个光阑单元的高度被设计为使得：从每个子像素的中心点发出的光线沿对应光阑单元的最高点出射的角度不大于20°。
- 根据权利要求1-6中任一项所述的三维显示设备，其中所述光阑单元阵列由具有吸光特性的材料制成。
- 根据权利要求1-6中任一项所述的三维显示设备，其中所述光源包括微型发光二极管、液晶显示器或有机发光二极管。
- 一种光束整形结构，其特征在于，包括：像素级光源；光阑单元，其设置在所述像素级光源的上方，用于对从所述像素级光源发出的光束的发散角进行限制；以及偏折单元，其设置在所述光阑单元的上方，用于将经光阑单元限制的光束进行偏折。
- 根据权利要求12所述的光束整形结构，其中所述光阑单元的高度被设计为使得：从所述像素级光源发出的光线沿所述光阑单元的最高点出射的角度不大于20°。
- 根据权利要求12所述的光束整形结构，其中所述偏折单元是超表面，所述超表面包括形成在基底上的多个微纳结构单元。
- 根据权利要求14所述的光束整形结构，其中每个微纳结构单元包括纳米圆柱结构。
- 根据权利要求14所述的光束整形结构，其中所述多个微纳结构单元彼此之间的间距 小于400nm。
- 根据权利要求14所述的光束整形结构，其中所述像素级光源为源自于图像源中的像素或子像素。
- 根据权利要求12至17中任一项所述的光束整形结构，其中所述光阑单元阵列由具有吸光特性的材料制成。
- 一种光学装置，其包括根据权利要求12-18中任一项所述的光束整形结构。
- 根据权利要求19所述的光学装置，所述光学装置为三维显示设备。
Priority Applications (1)
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