本發(fā)明涉及裸眼三維顯示技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于全息光柵背光結(jié)構(gòu)的場(chǎng)序三維液晶顯示器。

背景技術(shù)：

目前裸眼三維液晶顯示器，多利用集成透鏡陣列，柱面鏡光柵陣列等光學(xué)透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)多視場(chǎng)顯示以及雙眼視差，但基本原理都是利用光學(xué)透鏡的折射對(duì)液晶顯示像素發(fā)出光線的方向控制與調(diào)整，受限于光學(xué)透鏡的加工精度與光學(xué)衍射極限限制，不容易做到更多的視場(chǎng)和高的顯示分辨率。

液晶顯示的原理是背光源發(fā)出白光，進(jìn)入液晶層，再通過(guò)紅綠藍(lán)三色濾光片，轉(zhuǎn)換成紅綠藍(lán)三基色，最終通過(guò)混色原理按照一定比例混合成各種各樣的顏色。這一過(guò)程紅綠藍(lán)三色濾光片通過(guò)濾除另外兩基色生成各個(gè)子像素點(diǎn)的顏色，會(huì)造成背光能量的大量損失，增大顯示器功耗。

因此，如何提高裸眼三維顯示器件的顯示分辨率，以及可視視場(chǎng)同時(shí)改善傳統(tǒng)背光源濾色片造成的功耗損失成為要解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種新型的體全息光柵背光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠控制背光光源的光線傳播方向，并將光線分時(shí)序分視場(chǎng)導(dǎo)出，能夠很好地實(shí)現(xiàn)多視場(chǎng)三維顯示；因其全息光柵的波長(zhǎng)選擇性，可以通過(guò)合理的光路傳播路徑設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)濾光片顯示，提高系統(tǒng)整體光效。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種全息光柵背光結(jié)構(gòu)的場(chǎng)序三維顯示器，該顯示器包括光源、入耦合光柵、波導(dǎo)層、出耦合全息光柵層、液晶層、偏振層；

所述光源位于波導(dǎo)層的上端，所述入耦合光柵位于波導(dǎo)層的對(duì)應(yīng)光源輸入?yún)^(qū)域，所述出耦合全息光柵層位于波導(dǎo)層的上表面，對(duì)應(yīng)于液晶的像素點(diǎn)分布；所述液晶層位于耦合全息光柵層的上表面；偏振層位于液晶層的上表面。

優(yōu)選的，所述波導(dǎo)層的材質(zhì)為石英玻璃，其折射率為1.5～1.7。

優(yōu)選的，所述光源為微型半導(dǎo)體激光器或led發(fā)光器及其場(chǎng)序驅(qū)動(dòng)及準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述波導(dǎo)層從上到下依次包括增亮膜、導(dǎo)光板和反射膜。

有益效果：本發(fā)明方案的全息光柵背光結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出一種新型的體全息光柵背光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠改變點(diǎn)光源的光線傳播方向，并將光線分視場(chǎng)角度均勻?qū)С觯軌蚝芎玫貙?shí)現(xiàn)三維顯示的多視場(chǎng)；因其全息光柵的波長(zhǎng)選擇性，可以通過(guò)合理的光路傳播路徑設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)濾光片顯示，提高系統(tǒng)整體光效。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的全息光柵背光結(jié)構(gòu)的場(chǎng)序三維顯示器組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的出耦合全息光柵在液晶像素對(duì)應(yīng)位置的局部放大圖；

圖3為本發(fā)明的顯示像素單元下的光路分析示意圖；

圖4為本發(fā)明的全息光柵背光結(jié)構(gòu)的傳播光路顯示示意圖；

圖5為本發(fā)明的全息光柵背光結(jié)構(gòu)場(chǎng)序三維顯示的傳播光路示意圖；

圖6為本發(fā)明的全息光柵背光結(jié)構(gòu)場(chǎng)序三維顯示的傳播光路示意圖；

圖7為本發(fā)明的場(chǎng)序三維視場(chǎng)示意圖；

圖8為本發(fā)明的核心部件全息光柵效率、角度帶寬性能示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，如“向前”、“向后”、“前”、“后”、“側(cè)面”等指示方位或位置關(guān)系的術(shù)語(yǔ)為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了描述本發(fā)明或簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或部件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

本發(fā)明涉及一種全息光柵背光結(jié)構(gòu)，分場(chǎng)序產(chǎn)生多方向背光以實(shí)現(xiàn)多視場(chǎng)三維顯示器。包括場(chǎng)序多角度準(zhǔn)直光源、入耦合光柵、平板波導(dǎo)層、出耦合全息光柵、液晶層；所述光源位于平板波導(dǎo)層的一側(cè)，所述入耦合光柵位于平板波導(dǎo)層的對(duì)應(yīng)光源輸入?yún)^(qū)域，所述出耦合全息光柵位于平板波導(dǎo)層的下端，對(duì)應(yīng)于液晶的像素點(diǎn)分布；所述液晶層位于平板波導(dǎo)層的上端平面。該結(jié)構(gòu)能夠改變點(diǎn)光源的光線傳播方向，形成均勻的液晶顯示背光，通過(guò)光柵衍射的方向性，形成分場(chǎng)序的多方向的背光出射，經(jīng)過(guò)液晶層后，形成多視場(chǎng)角下的裸眼三維顯示；因全息光柵的波長(zhǎng)選擇性，可以在對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)上選擇性的對(duì)紅綠藍(lán)耦合出射，省去液晶顯示中的濾色片結(jié)構(gòu)，提高光效。

實(shí)施例1，如圖1所示，全息光柵場(chǎng)序多方向背光結(jié)多視場(chǎng)三維顯示器，包括一種全息光柵背光結(jié)構(gòu)的場(chǎng)序三維顯示器，該顯示器包括光源1、入耦合光柵2、波導(dǎo)層3、出耦合全息光柵層4、液晶層5、偏振層6；

所述光源1位于波導(dǎo)層3的上端，所述入耦合光柵2位于波導(dǎo)層3的對(duì)應(yīng)光源輸入?yún)^(qū)域，所述出耦合全息光柵層4位于波導(dǎo)層3的上表面，對(duì)應(yīng)于液晶的像素點(diǎn)分布；所述液晶層5位于耦合全息光柵層4的上表面；偏振層6位于液晶層5的上表面。

所述波導(dǎo)層3的材質(zhì)為石英玻璃，其折射率為1.5。

所述光源為微型半導(dǎo)體激光器或led發(fā)光器及其場(chǎng)序驅(qū)動(dòng)及準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。

所述波導(dǎo)層3從上到下依次包括增亮膜、導(dǎo)光板和反射膜。

實(shí)施例2，所述波導(dǎo)層3的材質(zhì)為石英玻璃，其折射率為1.6，其余方法同實(shí)施例1。

實(shí)施例3，所述波導(dǎo)層3的材質(zhì)為石英玻璃，其折射率為1.7，其余方法同實(shí)施例1。

光源1用于提供紅綠藍(lán)三種顏色的準(zhǔn)直光束，該光束偏振在te模態(tài)上。通過(guò)時(shí)序循環(huán)控制準(zhǔn)直光束的入射角，以配合同步控制的液晶形成場(chǎng)序的多視角三維圖像；入耦合光柵2用于偏轉(zhuǎn)光源出射的準(zhǔn)直光，并將其導(dǎo)入平板波導(dǎo)層3，使光線入射到平板波導(dǎo)中能發(fā)生全反射；所述平板波導(dǎo)層3作用是改變點(diǎn)光源的傳輸方向，通過(guò)波導(dǎo)中的內(nèi)全反射使光線沿整個(gè)平板波導(dǎo)層向前分布；出耦合全息光柵層4用于在與液晶像素點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置以準(zhǔn)直光束的方式耦合出射光線，形成液晶背光，其光束準(zhǔn)直出射角度與入射角度相對(duì)應(yīng)；液晶層5用于控制各個(gè)像素點(diǎn)的偏振狀態(tài)；偏振層6用于還原各個(gè)像素點(diǎn)的亮度值，形成顯示圖像。

上述光源1不限于采用led加偏振片或者微型半導(dǎo)體激光器，輸出te偏振態(tài)的光，經(jīng)過(guò)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡組后形成準(zhǔn)直光束。該準(zhǔn)直光束可以通過(guò)機(jī)械或光學(xué)的方式如振鏡等得到不同的偏轉(zhuǎn)角，通過(guò)時(shí)序控制，得到與液晶場(chǎng)序相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)直角度。

上述入耦合光柵2不限于體全息光柵或表面浮雕衍射光柵，也可以是棱鏡，自由曲面等光學(xué)透鏡方式，將1輸出的準(zhǔn)直光束耦合如平板波導(dǎo)2。

上述平板波導(dǎo)層3材質(zhì)為石英玻璃，折射率為1.52，根據(jù)布儒斯特定律，使光線在所述平板波導(dǎo)層3中滿足全反射條件，向前傳播。所示波導(dǎo)層材質(zhì)不限于玻璃、pmp、樹(shù)脂等，理論上折射率越大，越容易滿足全反射條件，系統(tǒng)能夠得到的三維視場(chǎng)就更多。

如圖2所示，為出耦合全息光柵層4在液晶像素對(duì)應(yīng)位置的局部放大圖。光柵方向和光柵周期決定了全息光柵的幾何性狀。由全息光柵的布拉格衍射條件可以得到，當(dāng)光柵方向和周期一定時(shí)，光柵的峰值效率對(duì)應(yīng)著一定的光波波長(zhǎng)和入射角，這里的入射角是指光柵矢量和入射光之間的夾角。反過(guò)來(lái)，對(duì)應(yīng)于一定的入射角范圍下，紅、綠、藍(lán)三種入射光波長(zhǎng)通過(guò)設(shè)計(jì)不同的光柵周期來(lái)實(shí)現(xiàn)將紅、綠、藍(lán)光的耦合出射。

如圖3所示，為光源所發(fā)出的準(zhǔn)直光被耦合進(jìn)波導(dǎo)3后，以一定角度θp在波導(dǎo)3內(nèi)發(fā)生內(nèi)全反射并向前傳播至某一顯示像素單元17前。然后被出耦合全息光柵層4上的像素單元17子光柵耦合出射至液晶層5相對(duì)應(yīng)的像素單元方向。紅光光柵8位置上方對(duì)應(yīng)著液晶像素單元中的紅色子像素11，綠光光柵9位置上對(duì)應(yīng)著液晶像素單元中的綠色子像素12，藍(lán)光光柵10位置上對(duì)應(yīng)著液晶像素單元中的藍(lán)色子像素13。由于全息光柵的波長(zhǎng)選擇性，紅光光柵8只將波導(dǎo)層3中的紅光耦合出射至液晶像素單元中的紅色子像素11；綠光光柵9只將波導(dǎo)層3中的綠光耦合出射至液晶像素單元中的綠色子像素12；藍(lán)光光柵10只將波導(dǎo)層3中的藍(lán)光耦合出射至液晶像素單元中的藍(lán)色子像素13。就這樣不需要濾色片實(shí)現(xiàn)液晶顯示器的彩色像素顯示。控制耦合輸出光柵的衍射效率，未被耦合輸出的光仍然在波導(dǎo)層3中以內(nèi)全反射的方式向前傳播至下一個(gè)像素單元。同時(shí)，其出射光仍保持準(zhǔn)直，如14,15,16，其出射角度與入射準(zhǔn)直角度相對(duì)應(yīng)，通過(guò)時(shí)序上的控制，可以分場(chǎng)序?qū)崿F(xiàn)多視場(chǎng)的三維顯示功能。

如圖4所示，為全息光柵背光結(jié)構(gòu)的傳播光路。光束18從準(zhǔn)直光源1以角度θin出射，經(jīng)過(guò)入耦合光柵2的調(diào)整后，以一定角度θp在平板波導(dǎo)層3內(nèi)發(fā)生全反射，并向前傳播，θp需大于波導(dǎo)介質(zhì)的全反射臨界角。當(dāng)入射光束19在平板波導(dǎo)層3中傳播，并射向折射率為n的出耦合全息光柵4時(shí)，光線會(huì)在出耦合全息光柵4和液晶層間的兩種介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生分裂，一部分光21會(huì)改變傳播方向回到平板波導(dǎo)層，即發(fā)生反射現(xiàn)象，而另一部分光20則被出耦合全息光柵4以θout角衍射輸出至液晶層。發(fā)生反射的部分光21在繼續(xù)向前傳播的過(guò)程中，再次遇到出耦合全息光柵層4時(shí)將發(fā)生同樣的分裂，產(chǎn)生下一處的輸出部分光22和反射光部分。

如圖5所示，準(zhǔn)直光源1以角度θin’出射，經(jīng)過(guò)入耦合光柵2的調(diào)整后，以一定角度θp’在平板波導(dǎo)層3內(nèi)發(fā)生全反射，并向前傳播。當(dāng)入射光束19在平板波導(dǎo)層3中傳播，并射向折射率為n的出耦合全息光柵4時(shí)，光線會(huì)在出耦合全息光柵4和液晶層間的兩種介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生分裂，一部分光21會(huì)改變傳播方向回到平板波導(dǎo)層，即發(fā)生反射現(xiàn)象，而另一部分光20則被出耦合全息光柵4以θout’角衍射輸出至液晶層。

如圖6所示，準(zhǔn)直光源1以角度θin”出射，經(jīng)過(guò)入耦合光柵2的調(diào)整后，以一定角度θp”在平板波導(dǎo)層3內(nèi)發(fā)生全反射，并向前傳播。當(dāng)入射光束19在平板波導(dǎo)層3中傳播，并射向折射率為n的出耦合全息光柵4時(shí)，光線會(huì)在出耦合全息光柵4和液晶層間的兩種介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生分裂，一部分光21會(huì)改變傳播方向回到平板波導(dǎo)層，即發(fā)生反射現(xiàn)象，而另一部分光20則被出耦合全息光柵4以θout”角衍射輸出至液晶層。

如圖7所示，當(dāng)以時(shí)序的方式控制輸入光束18的準(zhǔn)直偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，我們可以在液晶顯示平面得到相應(yīng)的視場(chǎng)角方向。這樣以同步的場(chǎng)序來(lái)控制液晶在不同視場(chǎng)角度時(shí)隙中的顯示內(nèi)容，我們可以得到不同視場(chǎng)下的獨(dú)立顯示，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)序的三維顯示。

如圖8所示，全息光柵在衍射效率相對(duì)較高時(shí)，其角帶寬相對(duì)很小，在本系統(tǒng)中就會(huì)限制三維顯示的視場(chǎng)角范圍。所幸在本應(yīng)用中將全息光柵用在局部像素單元內(nèi)做耦合輸出時(shí)，所需的效率相對(duì)較低，使大部分背光繼續(xù)向前傳播在其他像素出部分輸出，得到較大的顯示均勻性。應(yīng)用中耦合輸出單元全息光柵效率一般會(huì)在5％以下，這樣，其角度帶寬相對(duì)較寬，足以滿足一般三維顯示應(yīng)用。

以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。