CN114167621A - 一种裸眼3d显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种裸眼3D显示装置，包括至少一块指向型投影屏幕，一组激光照明光源和多视角图像显示装置；指向型投影屏幕的出光面上设有指向型液晶纳米光栅板；激光照明光源为一组统一旋向的三色圆偏振态激光；激光扫描提供多视角图像，且对投射的三色圆偏振态激光进行调制，将多视角图像的像素与所述指向型投影屏幕上的相位光栅的像素对应，调制后的三色圆偏振态激光经指向型投影屏幕并经过空间传播后，形成不同视点的出射光场，多视点的光场形成水平观察视窗，即实现裸眼3D显示。本发明具有观察时不产生视觉疲劳、对观察位置没有限制、保持了3D显示分辨率和相对于浮雕光栅更易于贴合的优点。
Description
技术领域
本发明涉及3D显示技术领域，具体涉及一种裸眼3D显示装置。
背景技术
全息图是一种携带振幅与位相信息的图像，能真实再现三维信息，不产生视觉疲劳，立体效果与观察者的距离无关。全息显示的原理可概括为：全息图可在空间再现三维虚像或者三维实像，全息图上的每一点均在向空间各个方向传输信息，空间中的每一观察点均可看到整幅的图像。或者说，图像信息通过光场传输会聚在观察点上。因此，在空间不同观察点，应看到不同视角的整幅图像，相互不干扰。但是，数十年来，受到全息记录材料、信息量和技术工艺的限制，全息显示未能成为裸眼3D显示的主流。
超视角裸眼3D显示是基于多视角裸眼3D基础上的改进。其最主要区别在于，超视角三维显示缩短了相邻两个视角间的距离，使人的一只眼睛可以同时看到两个以上的视角。因此，人眼可以观察到连续的视差，保证了图像的三维显示效果。在普通的裸眼3D显示技术中，单眼调焦距离与双眼聚合距离不匹配，容易使眼睛疲劳，采用超视角的方法之后，即可成果解决辐辏调节矛盾，更适合人眼观赏。
基于衍射光学的超视角3D显示技术是一种很好的超视角三维显示方法，其采用纳米光栅结构来控制每一个视角，光线调控精度高，且不易产生串扰，结构简单，体积较小，适宜作为便携式的显示终端。是保证3D显示效果的有效方法。
已有裸眼3D显示方案最大缺点是视差不连续，影响3D显示效果。同时，目前多视角裸眼3D显示中，单眼调焦距离与双眼聚合距离不匹配，产生辐辏调节矛盾，容易使眼部疲劳。
CN106556966B虽然公开了一种可以减小串扰、保证视差的连续性，减少辐辏调节矛盾的投影屏幕，但是亟待一种更易于贴合、具有更高圆偏振效率高、宽波段衍射效率高、宽视角衍射效率高能性能改良的裸眼3D显示装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种裸眼3D显示装置。
本发明公开了一种裸眼3D显示装置，包括至少一块指向型投影屏幕，一组激光照明光源和多视角图像显示装置；所述指向型投影屏幕的出光面上设有相位光栅且构造为指向型液晶纳米光栅板，所述激光照明光源为一组红绿蓝激光波长的三色圆偏振态激光，统一旋向为左旋或者右旋；所述激光照明光源设置在距离所述指向型投影屏幕的背面一定预设距离的位置；激光扫描提供多视角图像，且对投射的三色圆偏振态激光进行调制，将多视角图像的像素与所述指向型投影屏幕上的相位光栅的像素对应，调制后的三色圆偏振态激光经指向型投影屏幕并经过空间传播后，形成不同视点的出射光场，多视点的光场形成观察视窗，即实现裸眼3D显示。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述相位光栅包括多组像素阵列，各组像素阵列之间根据全息成像原理将单一组的像素阵列互相嵌合，分布在所述指向型投影屏幕的出光面上；所述激光照明光源发出的光从所述指向型投影屏幕背后以预设的特定角度和位置入射到所述指向型投影屏幕上，所述指向型投影屏幕上的同组像素阵列中的像素发出的光指向同一视点，将整体视角图像成像在距离屏幕的正前方空间处形成会聚视点；不同组的像素阵列具有不同的会聚视点位置。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述指向型液晶纳米光栅板的像素包括对应于激光扫描中的多视角图像的像素，所述像素具有按照全息原理设计的液晶纳米光栅组合，所述液晶纳米光栅组合为一组液晶纳米光栅或者多组液晶纳米光栅构成的像素阵列，用于对入射光场进行波前转换和在屏幕前方空间上形成会聚视点，以确保各视角图像间在空间内互不串扰。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述纳米光栅的像素的内部含有纳米光栅结构，纳米光栅像素内部纳米光栅的周期、取向角的相互间关系满足全息原理。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述指向型液晶纳米光栅板由以下步骤制备而成，包括：
S1、在透明基片上涂布一层液晶光配向材料；
S2、通过点阵偏振干涉曝光方式对材料经行曝光取向；
S3、根据二分之一波长厚度在材料表面再涂布一层液晶聚合物；
S4、经行紫外固化，形成指向型液晶纳米光栅板。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述指向型液晶纳米光栅板，用于将照明在各视角图像的光会聚到观察位置附近，并在空间产生分离的视点，形成观察光场。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述多视角的会聚视点为在屏幕正前方预设距离的、与屏幕平行的平面上形成的不同位置的光线会聚点；所述会聚视点的位置在平面上呈水平排布，垂直排布或二维阵列排布方式。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述激光照明光源发出的光线的入射角定义为光线中心光束与指向型投影屏幕平面法线的夹角，所述红、绿、蓝三个单色激光按不同的入射角排布，红色激光的入射角大于绿色激光入射角，绿色激光的入射角大于蓝色激光的入射角，入射角度与波长的关系满足光栅衍射方程。在本发明中，三组单色光源以不同的入射角发出后，通过指向型投影屏幕上同一组像素阵列，经过液晶纳米光栅的合束作用，从屏幕出射后，红、绿、蓝波长的光合成在同一方向，形成彩色立体图像。同样，红、绿、蓝三色波长激光光源的放置位置必须使得最终通过指向型投影屏幕后，其三色图像的成像的位置或者视点必须在空间重合。从而，保证彩色图像的彩色的真实度。
本发明公开了一种含有液晶纳米光栅像素结构的指向型投影屏幕，屏幕上的多视角图像由激光扫描(投影)提供，指向型投影屏幕将各视角图像分别会聚到观察位置附近，并在空间实现分离视点，形成水平分布的观察光场(视窗)。指向型投影屏幕的像素包含对应于各视角图像的亚像素，其亚像素含有按照全息原理设计的相位光栅组合，其相位光栅像素阵列的功能是对入射的视角图像进行波前转换，将平行或发散光照明光，在距离屏幕的正前方空间上形成会聚视点。本质上，这是进行全息波前转换成像，将视角信息转变成位相视点，各不同视角图像形成一组会聚光场(多视点)，共同组合成水平方向的视窗，确保各视角图像间在空间互不串扰。因此，在视窗附近或前后位置进行观察，不会产生视觉疲劳，影像的立体感真实。
本发明还具有以下有益效果：
1、观察的图像在空间视点具有聚焦效应，同时携带振幅与位相信息，不同视角图像间不存在串扰，因此，观察时不产生视觉疲劳，也没有对观察位置的限制；
2、将红、绿、蓝激光光点从空间以不同角度投射到同一组像素阵列上，利用液晶纳米光栅像素阵列的空间复用功能，将红、绿、蓝的视角图像在出射面合成在一起，这样，只需对视角图像进行亚像素阵列分解，而不需再对颜色做像素分解，保持了3D显示分辨率；
3、指向型投影屏幕上的液晶纳米光栅像素阵列相互关系满足全息原理，对通过其上的光线以衍射方式实现光的波前转换与成像，而不是传统激光显示的扩散型屏幕，因此，本发明的纳米光栅屏幕降低了激光显示的散斑效应，同时，保持了激光显示的高亮度、大幅面和宽色域的优点；
4、本发明相比于浮雕光栅的优点，易于贴合，圆偏振效率90％以上，宽波段衍射效率高(440-660nm)，宽视角衍射效率高(正负30度)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍；
图1是本发明实施例涉及的一种裸眼3D显示装置工作示意图；
图中示例表示为：
1-指向型投影屏幕；2-激光照明光源；3-多视角图像显示装置；4-指向型液晶纳米光栅板；5-红色激光；6-绿色激光；7-蓝色激光。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例公开了一种裸眼3D显示装置，如图1所示，包括至少一块指向型投影屏幕1，一组激光照明光源2和多视角图像显示装置3；指向型投影屏幕1的出光面上设有相位光栅且构造为指向型液晶纳米光栅板4，激光照明光源2为一组红绿蓝激光波长的三色圆偏振态激光，统一旋向为左旋或者右旋；激光照明光源2设置在距离指向型投影屏幕1的背面一定预设距离的位置；激光扫描提供多视角图像，且对投射的三色圆偏振态激光进行调制，将多视角图像的像素与指向型投影屏幕1上的相位光栅的像素对应，调制后的三色圆偏振态激光经指向型投影屏幕1并经过空间传播后，形成不同视点的出射光场，多视点的光场形成水平观察视窗，即实现裸眼3D显示。在其他可选的实施方式中，也可以形成其他方向的观察视窗。
在本发明实施例中，相位光栅包括多组像素阵列，各组像素阵列之间根据全息成像原理将单一组的像素阵列互相嵌合，分布在指向型投影屏幕的出光面上；激光照明光源2发出的光从指向型投影屏幕3背后以预设的特定角度和位置入射到指向型投影屏幕3上，指向型投影屏幕3上的同组像素阵列中的像素发出的光指向同一视点，将整体视角图像成像在距离屏幕的正前方空间处形成会聚视点；不同组的像素阵列具有不同的水平会聚视点位置。
具体地，指向型液晶纳米光栅板4的像素包括对应于激光扫描中的多视角图像的像素，像素具有按照全息原理设计的液晶纳米光栅组合，液晶纳米光栅组合为一组液晶纳米光栅或者多组液晶纳米光栅构成的像素阵列，用于对入射光场进行波前转换和在屏幕前方空间上形成会聚视点，以确保各视角图像间在空间内互不串扰。
优选地，纳米光栅的像素的内部含有纳米光栅结构，纳米光栅像素内部纳米光栅的周期、取向角的相互间关系满足全息原理。
在本发明实施例中，指向型液晶纳米光栅板4由以下步骤制备而成，包括：
S1、在透明基片上涂布一层液晶光配向材料；
S2、通过点阵偏振干涉曝光方式对材料经行曝光取向；
S3、根据二分之一波长厚度在材料表面再涂布一层液晶聚合物；
S4、经行紫外固化，形成指向型液晶纳米光栅板。
指向型液晶纳米光栅板4，用于将照明在各视角图像的光会聚到观察位置附近，并在空间产生分离的视点，形成水平分布的观察光场；而多视角的会聚视点为在屏幕正前方预设距离的、与屏幕平行的平面上形成的不同位置的光线会聚点；会聚视点的位置在平面上呈水平排布，垂直排布或二维阵列排布方式。
在本发明实施例中，激光照明光源发出的光线的入射角定义为光线中心光束与指向型投影屏幕平面法线的夹角，红、绿、蓝三个单色激光按不同的入射角排布，红色激光5的入射角大于绿色激光6入射角，绿色激光6的入射角大于蓝色激光7的入射角，入射角度与波长的关系满足光栅衍射方程。在本发明中，三组单色光源以不同的入射角发出后，通过指向型投影屏幕上同一组像素阵列，经过液晶纳米光栅的合束作用，从屏幕出射后，红、绿、蓝波长的光合成在同一方向，形成彩色立体图像。同样，红、绿、蓝三色波长激光光源的放置位置必须使得最终通过指向型投影屏幕后，其三色图像的成像的位置或者视点必须在空间重合。从而，保证彩色图像的彩色的真实度。
本发明实施例具有以下有益效果：
1、观察的图像在空间视点具有聚焦效应，同时携带振幅与位相信息，不同视角图像间不存在串扰，因此，观察时不产生视觉疲劳，也没有对观察位置的限制；
2、将红、绿、蓝激光光点从空间以不同角度投射到同一组像素阵列上，利用液晶纳米光栅像素阵列的空间复用功能，将红、绿、蓝的视角图像在出射面合成在一起，这样，只需对视角图像进行亚像素阵列分解，而不需再对颜色做像素分解，保持了3D显示分辨率；
3、指向型投影屏幕上的液晶纳米光栅像素阵列相互关系满足全息原理，对通过其上的光线以衍射方式实现光的波前转换与成像，而不是传统激光显示的扩散型屏幕，因此，本发明的纳米光栅屏幕降低了激光显示的散斑效应，同时，保持了激光显示的高亮度、大幅面和宽色域的优点；
4、本发明相比于浮雕光栅的优点，易于贴合，圆偏振效率90％以上，宽波段衍射效率高(440-660nm)，宽视角衍射效率高(正负30度)。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种裸眼3D显示装置，其特征在于，包括至少一块指向型投影屏幕，一组激光照明光源和多视角图像显示装置；所述指向型投影屏幕的出光面上设有相位光栅且构造为指向型液晶纳米光栅板，所述激光照明光源为一组红绿蓝激光波长的三色圆偏振态激光，统一旋向为左旋或者右旋；所述激光照明光源设置在距离所述指向型投影屏幕的背面一定预设距离的位置；激光扫描提供多视角图像，且对投射的三色圆偏振态激光进行调制，将多视角图像的像素与所述指向型投影屏幕上的相位光栅的像素对应，调制后的三色圆偏振态激光经指向型投影屏幕并经过空间传播后，形成不同视点的出射光场，多视点的光场形成观察视窗，即实现裸眼3D显示。
2.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述相位光栅包括多组像素阵列，各组像素阵列之间根据全息成像原理将单一组的像素阵列互相嵌合，分布在所述指向型投影屏幕的出光面上；所述激光照明光源发出的光从所述指向型投影屏幕背后以预设的特定角度和位置入射到所述指向型投影屏幕上，所述指向型投影屏幕上的同组像素阵列中的像素发出的光指向同一视点，将整体视角图像成像在距离屏幕的正前方空间处形成会聚视点；不同组的像素阵列具有不同的会聚视点位置。
3.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向型液晶纳米光栅板的像素包括对应于激光扫描中的多视角图像的像素，所述像素具有按照全息原理设计的液晶纳米光栅组合，所述液晶纳米光栅组合为一组液晶纳米光栅或者多组液晶纳米光栅构成的像素阵列，用于对入射光场进行波前转换和在屏幕前方空间上形成会聚视点，以确保各视角图像间在空间内互不串扰。
4.根据权利要求3所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述纳米光栅的像素的内部含有纳米光栅结构，纳米光栅像素内部纳米光栅的周期、取向角的相互间关系满足全息原理。
5.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向型液晶纳米光栅板由以下步骤制备而成，包括：
S1、在透明基片上涂布一层液晶光配向材料；
S2、通过点阵偏振干涉曝光方式对材料经行曝光取向；
S3、根据二分之一波长厚度在材料表面再涂布一层液晶聚合物；
S4、经行紫外固化，形成指向型液晶纳米光栅板。
6.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向型液晶纳米光栅板，用于将照明在各视角图像的光会聚到观察位置附近，并在空间产生分离的视点，形成观察光场。
7.根据权利要求2所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述多视角的会聚视点为在屏幕正前方预设距离的、与屏幕平行的平面上形成的不同位置的光线会聚点；所述会聚视点的位置在平面上呈水平排布，垂直排布或二维阵列排布方式。
8.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述激光照明光源发出的光线的入射角定义为光线中心光束与指向型投影屏幕平面法线的夹角，所述红、绿、蓝三个单色激光按不同的入射角排布，红色激光的入射角大于绿色激光入射角，绿色激光的入射角大于蓝色激光的入射角，入射角度与波长的关系满足光栅衍射方程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220311 |