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CN104460115A - 一种多视角像素指向型背光模组及裸眼3d显示装置 - Google Patents

一种多视角像素指向型背光模组及裸眼3d显示装置 Download PDF

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CN104460115A
CN104460115A CN201410852242.3A CN201410852242A CN104460115A CN 104460115 A CN104460115 A CN 104460115A CN 201410852242 A CN201410852242 A CN 201410852242A CN 104460115 A CN104460115 A CN 104460115A
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Abstract

一种多视角像素指向型背光模组以及裸眼3D显示装置。该多视角像素指向型背光模组包括至少两个矩形导光板，各个矩形导光板互相紧密叠合，每块矩形导光板的出光面上设有用纳米衍射光栅形成的多个不同指向的像素，每个矩形导光板的至少一条侧边上设有一光源组，该光源组发出的光进入对应的导光板内部后，在所述导光板出光面的多个像素阵列的各个像素上形成出射光。利用多层导光板的叠合，解决了在一块导光板中无法避免三光源互相干扰的问题，从而实现了像素指向型的矩形导光板，为这种具有多视角指向功能的导光板在裸眼3D显示技术中进行工业应用提供了切实可行的方案，解决了现有技术无法解决的问题。

Description

一种多视角像素指向型背光模组及裸眼3D显示装置
技术领域
本发明属于平板裸眼3D显示领域，特别涉及一种多视角像素指向型背光模组和基于该背光模组制作而成的裸眼3D显示装置。
背景技术
随着人们生活水平的提高，平面2D显示已经越来越难以满足人们的需求，人们开始追求具有深度感的3D显示，可以更加清楚的感受物体存在的真实性。从1838年Wheatstone首先提出利用立体镜实现3D显示以来,经过一个多世纪的发展，3D显示方面的研究进行的如火如荼，各种实现3D显示的方式依次被提出。
人的双眼相距一段距离，对于同一对象，双眼会分别看到两幅略有差异的图像，两幅图像在大脑中融合就产生了深度知觉。3D显示的原理就是利用人的左右眼视差，将视差图像分别投射到左右眼中，保证左视差图像只能被左眼看见，右视差图像只能被右眼看见，这样人就会感觉到具有立体效果的图像。
裸眼3D显示技术由于观看时不需要佩戴任何的助视工具(像眼睛、头盔等)，越来越受到研究者们的热爱，目前较为成熟的裸眼3D显示技术有视差屏障和柱透镜阵列等，而这些技术有一些不能克服的缺陷，像图像分辨率低，观看久了容易产生视差疲劳等。左右交替的指向性背光技术可实现高分辨率的图像3D显示，如2005年台湾Yu-Mioun Chu提出利用两个契形结构导光板、两组光源和一个吸收层来制作指向性背光，并结合快速变换LCD平板实现3D显示；09年日本John c.Schultz等利用一个导光板、两个LED光源、3D薄膜配合120Hz LCD平板来实现全分辨率3D显示；同时中国专利CN201320143064.8提出指向性背光3D成像系统，采用两个投影镜头结合指向性3D光学结构，实现裸眼3D显示；上述指向性背光技术虽然得到的图像分辨率高，但却只限于单个视角观看，为此2011年台湾Chih-Hung Ting等提出一种多用户3D薄膜结构应用在单对视角指向性背光系统中，可实现多视角3D显示，这种3D薄膜是一个倒梯形结构，可以将出射光分3个方向(或更多方向)投射，可供3个(或多个)用户同时观看；同时中国专利CN201410187534.X提出一种裸眼3D背光模，采用一组或多组LED时序光源结合凸透镜、多边棱镜、视差屏障，可实现多视角3D显示；然而背光源结构的设计和精密加工精度在技术上难以实现，且很容易产生光线的串扰。
惠普在国际专利WO2014051624A1中提出利用集成混合激光波导阵列指向性背光来实现多视角显示，采用波导阵列来实现红、绿、蓝三色导光，通过像素型光栅实现光线的定向导出，这种方法虽然可以实现彩色多视角3D显示，但是由于采用的是混合激光集成到波导阵列基地中来实现，对制作工艺要求很高，成本大，不利于工业大规模生产。，。
2013年，惠普在“自然”杂志中提出一种多视角像素型光栅指向性背光源，结合LCD技术可实现多视角裸眼3D显示。指向性背光源结构主要包括：导光板、准直光源、纳米衍射光栅像素等，准直偏正光在导光板内以全反射方式传输，入射到像素型纳米衍射光栅表面，通过设计不同周期、不同取向角的纳米衍射光栅像素，可以使光沿不同视角衍射。为实现真彩色显示，文章中采用六边形结构导光板实现红、绿、蓝三色光的定向导出，然而这种六边形导光板与现有平板显示方式不匹配，尤其很难用于像智能手机这种长方形规格的显示中。同时，采用电子束曝光制备纳米衍射光栅，效率低、成本高、很难制备大尺寸。
因此，如果能将上述六边形导光板调整为矩形导光板，将对裸眼3D技术的进步带来革命性进步。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种使用矩形导光板的像素指向型背光模组，使得这种类型的背光模组更具适用性和工业应用的价值。
根据本发明的目的提出的一种多视角像素指向型背光模组，包括至少两个矩形导光板，各个矩形导光板互相紧密叠合，所述矩形导光板的出光面上设有多个像素阵列，各个像素阵列之间以有序或无序的方式将各自的像素彼此互相嵌合，并均匀分布在所述导光板的出光面上，同一个像素阵列中的像素发出的光指向同一视角，不同的像素阵列具有不同的视角，所述每个矩形导光板的至少一条侧边上设有一光源组，该光源组发出的光进入对应的导光板内部后，在所述导光板出光面的多个像素阵列的各个像素上形成出射光，在所述导光板内部的其余地方进行全反射，其中，单个所述像素为纳米衍射光栅。
优选的，所述矩形导光板的数量为两个，其中第一矩形导光板在其两对平行对边的一侧或者双侧上分别设有第一光源组和第二光源组，第二矩形导光板仅在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第三光源组，该第一光源组、第二光源组、第三光源组分别发出一种颜色不同的单色光。
优选的，所述第二矩形导光板的出光面面向所述第一矩形导光板的非出光面进行叠合，或者所述第一矩形导光板的出光面面向所述第二矩形导光板的非出光面进行叠合。
优选的，所述第二矩形导光板中的每一个像素在所述第一矩形导光板上的投影位置，恰好与所述第一矩形导光板的每一个像素形成错位。
优选的，所述第一矩形导光板中，每一个像素包括两种不同颜色的子像素，其中来自第一光源组的光在第一子像素上出射，来自第二光源组的光在第二子像素上出射，并且同一个像素的两个子像素出射的光的方向相同。
优选的，所述第二矩形导光板中的每一个像素发出的光经过所述第一矩形导光板后射出，并且射出方向与该像素在第一矩形导光板上投影位置相邻的一个像素射出的光具有相同的方向，或者所述第一矩形导光板中的每一个像素发出的光经过所述第二矩形导光板后射出，并且射出方向与该像素在第二矩形导光板上投影位置相邻的其中一个像素射出的光相同。
优选的，所述矩形导光板的数量为三个，其中第一矩形导光板仅在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第一光源组，第二矩形导光板仅在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第二光源组，第三矩形导光板仅在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第三光源组，该第一光源组、第二光源组、第三光源组分别发出一种颜色不同的单色光。
优选的，所述三矩形导光板的出光面面向所述第二矩形导光板的非出光面、所述第二矩形导光板的出光面面向所述第一矩形导光板的非出光面，三者进行叠合。
优选的，所述第三矩形导光板中单个像素在所述第一矩形导光板的投影位置、所述第二矩形导光板中单个像素在所述第一矩形导光板的投影位置，以及所述第一矩形导光板中的每个像素，三者形成错位。
优选的，所述第三矩形导光板中每一个像素发出的光进过第二矩形导光板、第一矩形导光板后射出，所述第二矩形导光板中的每一个像素发出的光经过第一矩形导光板后射出，并且所述第一矩形导光板中每一个像素，和所述投影位置与其相邻的一个对应第三矩形导光板，以及一个对应第二矩形导光板上的像素发出的光，三者的出射方向相同。
优选的，所述光源组包括一个单色光源、一个光源准直系统和一个棱镜，所述单色光源发出的光被所述光源准直系统准直，然后通过棱镜进入所述导光板内部，并形成全反射光。
优选的，所述光源准直系统采用平面菲涅尔透镜阵列。
优选的，所述光源组包括第一光源组、第二光源组和第三光源组，该第一光源组、第二光源组和第三光源组分别对应R、G、B三种光。
优选的，所述多个像素阵列的视角成连续分布。
优选的，所述多个像素阵列的视角范围在0-50度之间。
同时本发明也提出了一种裸眼3D显示装置，包括如上所述的多视角像素指向型背光模组、位于该多视角像素指向型背光模组前面的液晶面板，以及驱动该液晶面板的驱动装置。
优选的，所述矩形导光板采用平行对边单侧导光，所述液晶面板像素与矩形导光板像素对准，矩形导光板在不同视角下的导光与液晶面板在该视角下的图像匹配，同时该多层矩形导光板不同颜色切换与液晶面板形成图像的所需颜色匹配，获得裸眼3D显示。
优选的，所述导光板采用平行对边双侧导光，液晶面板像素与导光板像素不需对准，通过所述液晶面板实现图像控制，通过在所述导光板对同一种颜色光源在两个相对方向上的主动切换，实现不同视角的图像切换，其中在不同指向性光线与液晶面板视角图像匹配，液晶面板图像刷新与两侧光源切换匹配下获得裸眼3D显示。与现有技术相比，本发明的进步之处在于，利用多层导光板的手段，克服了多种光源无法在一块矩形导光板上进行集成的问题，从而使得矩形导光板在指向型背光模组中的应用得以实现，同时采用菲涅尔透镜阵列对光源进行准直，易于集成，为裸眼3D的大规模应用开创了可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是纳米衍射光栅在XY平面下的结构图。
图2是图1中的纳米衍射光栅在XZ平面下的结构图。
图3是本发明第一实施方式下多视角像素指向型背光模组的结构示意图。
图4是单个光源组的结构示意图。
图5是本发明在第一实施方式下的导光板上的像素错位排布示意图。
图6是本发明第二实施方式下的多视角像素指向型背光模组的结构示意图。
图7是本发明在第二实施方式下的导光板上的像素错位排布示意图。
图8是使用本发明的多视角像素指向型背光模组组成3D显示器件之后的结构示意图。
图9是使用本发明的多视角像素指向型背光模组组成的另一种3D显示器件示意图。
具体实施方式
正如背景技术中所述，在实现裸眼3D的多种手段中，像素指向型背光模组因为能够实现较宽的视角，得到了本领域技术人员的青睐，成为未来最有可能大规模应用在裸眼3D中的技术之一。
请先参见图1和图2，图1和图2是一个尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅方程，纳米衍射光栅像素101的周期、取向角满足以下关系：
其中，光线沿x轴正方向传输，θ1和依次表示衍射光201的衍射角(衍射光线与z轴正方向夹角)和衍射光201的方位角(衍射光线与x轴正方向夹角)，θ和λ依次表示光源202的入射角(入射光线与z轴正方向夹角)和波长，和依次表示纳米衍射光栅101的周期和取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)，n表示光波在导光板中的折射率。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米衍射光栅的周期和取向角了。例如，650nm波长红光以60°角入射(折射率为1.5)，衍射光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，通过计算，对应的纳米衍射光栅周期为550nm，取向角为-5.96°。
按照上述原理，在一块导光板表面制作出多个按需设定的不同取向角和周期的纳米衍射光栅之后，理论上就可以获得足够多的具有不同视角指向的光线，将每一个纳米衍射光栅视为一个像素的话，配合颜色和灰度的控制，就能实现多视角下的裸眼3D显示。
然而，具有上述纳米衍射光栅的导光板在应用到背光模组之后，却存在如下的问题：对于一个纳米衍射光栅来说，无论从X正方向还是X负方向，入射的光都会形成衍射出射，当这样的纳米衍射光栅作为像素点应用在矩形导光板上时，由于矩形导光板只有2对非平行的对边，而实现色彩的表达必须依赖RGB三种颜色(或者其他三色)的搭配，这就意味着在一块矩形导光板中使用3颜色光源的话，必定有一对平行对边上出现两种不同颜色的光源，这种情况下，这两种光源的光会以正反两个方向入射到同一个纳米衍射光栅上，导致一个像素点上同时出射两种颜色的光，因而形成“混光”，而非单色光，因此为了获得每个像素点上的单色光，现有技术中设计了一个6边形的导光板，让光源从三个不同方向入射到导光板中，从而避免了“混光”的出现。但是这种6边形的导光板，与现有的任何一种显示器，都无法很好的匹配，因而无法在实用性上，将多视角指向型背光模组很好的进行推广。
解决上述技术问题的关键在于，如何在矩形导光板中避免出现两束方向相同或相反的“异色光”。
为了解决上述问题，申请人开创性的设计了一种多层导光板的概念，在一块矩形导光板最多搭配两种颜色的光源，保证一块导光板内的两种颜色的光源都能以不同的角度入射，解决了在矩形导光板中同一个像素出现“混光”的问题，然后利用不同的导光板，实现RGB三种颜色的搭配。
下面，将对本发明的具体技术方案做详细介绍。
请参见图3，图3是本发明第一实施方式下多视角像素指向型背光模组的结构示意图。包括第一矩形导光板301、第二矩形导光板311，这两块矩形导光板在实际使用时，紧密叠合在一起。定义发光的一面为该矩形导光板的出光面，每块矩形导光板的出光面上布满了像素点，每一个像素点代表一个纳米衍射光栅。以第一矩形导光板301为例，在图3中简易示出了衍射方向为302a-302i的多个纳米衍射光栅303a-303i，这些纳米衍射光栅实际是尺寸在微纳米级别的小点。这些许许多多的像素点形成了一个个像素阵列，各个像素阵列之间以有序或无序的方式将各自的像素彼此互相嵌合，并且每个像素阵列中的像素都是均匀分布在矩形导光板的出光面上。其中，同一个像素阵列中的像素发出的光指向同一视角，不同像素阵列则具有不同的视角。举例来说，假设该矩形导光板中总共存在10个像素阵列，则在10个视角中分别可以看到每一个像素阵列单独形成的图像，任何连续的两个视角对应到人的双眼中，都可以观看到3D影像。这10个像素阵列中的像素都是均匀分布在出光面上的，如果以1-10给这10个像素阵列编号的话，每一个像素阵列中的像素可以按照1-10的顺序间隔排列，也可以按照无序的方式任意排列，只要保证同一个像素阵列中的每两个相邻像素之间，嵌套有其余9个像素阵列中的各自对应的一个像素即可。需要指出的是，每一个像素阵列中的像素发出的光指向同一个视角，并非指的是同一个像素阵列中的像素光栅具有相同的衍射角，而是指这些光栅衍射出来的光指向同一个位置，人眼在这个位置可以看到同一个像素阵列中所有像素发出的光线。像素阵列的数量受限于当前工艺下矩形导光板的尺寸和单个像素的大小，在牺牲一定分辨率的情况下，可以在一块矩形导光板上制作出多个像素阵列，而像素阵列数量的增加，决定了可以观看视角数目的增加，在理想状态下，即在像素阵列足够多的情况下，可以让这些像素阵列的视角呈现连续分布的效果，从而达到比如在0-50度之间的任意位置处都可以观察到3D影像。
进一步地，第一矩形导光板301配有2个光源组，分别设置在该第一矩形导光板301的两对平行对边304a-304b和305a-305b，第二矩形导光板311配有1个光源组。其中位于对边304a-304b上的光源组为第一光源组，位于对边305a-305b上的光源组为第二光源组，位于第二矩形导光板311的对边314a-314b上的为第三光源组。这三个光源组分别发出红、绿、蓝三种颜色的光，每组光源包括一或者两个光源(图示出两个光源)，下面将以第一光源组为红光、第二光源组为绿光、第三光源组为蓝光为例进行说明，当然这些光源的颜色可以互换，并不以此为限，甚至在一些特殊场合下，可以将上述三种颜色的光替换成其它任意单色光，比如黄色、青色、品红色等等，保证每个光源组发出的光颜色不同即可。第一光源组包括红光光源、第一光源准直系统和第一棱镜(图中未示出)，第二光源组包括绿光光源、第二光源准直系统和第二棱镜(图中未示出)，第三光源组包括蓝光光源、第二光源准直系统和第三棱镜(图中未示出)。下面以第一光源组为例，请参照图4，第一光源组包括红光光源401、平面菲涅尔透镜阵列402、棱镜403，其中红光光源401发出的光线404经过第一光源准直系统402后，被准直成平面波405，通过棱镜403导入第一矩形导光板301中，并且在第一矩形导光板301中形成全反射光406，当第一矩形导光板301内部的全反射光遭遇到像素所在的纳米衍射光栅时，则被该纳米衍射光栅衍射出去，形成一个个不同方向的出射光407。在这些被设计好的纳米衍射光栅的调控下，这些出射光407被定向导光，从而为形成多个具有指向型画面提供光源。
在图示的方式中，第二矩形导光板311的出光面面向第一矩形导光板301的非出光面进行叠合，在其它方式中，也可以是第一矩形导光板301的出光面面向第二矩形导光板311的非出光面进行叠合，这两种方式可以互换。以图示的方式为例，由于每块矩形导光板实际是一张比较薄的具有一定透明度的材料，因此叠合之后的两块矩形导光板，相对在下的第二矩形导光板311发出的光能够透过第一矩形导光板301进行发射，这里需要注意的是，在导光板内部的光线，总体来说是进行全反射传播的，但是一旦经过纳米衍射光栅透射出去之后，其发光角度通常集中在法线两侧0-30度之间，因此从第二矩形导光板103b发出的光线在经过覆盖在上方的第一矩形导光板103a时，不会形成全反射，绝大多数光会直接穿透过去，只有少部分光被反射和吸收。其总的透射率取决于导光板的材质，在选取一些高透射率的材料作为导光板的前提下，第二矩形导光板311发出的光线经过第一矩形导光板301之后，透射率可以达到85％以上。尽管如此，考虑到被吸收和反射的那部分光线，前后两块导光板的光源强度在设计的时候，可以设计成位于第二矩形导光板311的光源强度大于位于上面的第一矩形导光板301的光源强度，其总的效果，应该是第二导光板311发出的光线经过上方的第一矩形导光板301射出后，能够与本身就位于第一矩形导光板301的光源从该第一矩形导光板301射出后的光强几乎相同。这样一来，在制作成显示器件之后，不至于有些像素发出的光线特别亮，而有些像素发出的光又相对较暗。
进一步地，当两块矩形导光板重叠后之后，位于第二矩形导光板311中的每一个像素在第一矩形导光板301上的投影位置，恰好与第一矩形导光板的每一个像素形成错位，例如，如图5，第二矩形导光板311上的像素501c、502c、503c与第一矩形导光板301上的像素501a-501b、502a-502b、503a-503b形成错位。即第二矩形导光板311上的每一个像素发出的光线，不会进入第一矩形导光板103a中的任何一个像素内，以免相互之间影响。
进一步地，与现有的显示器件上差不多的概念，对于人眼来说，看到的一个像素实际是由RGB三个子像素构成，而在本实施方式中，RGB三个子像素，实际是由位于第一矩形导光板301上的两个子像素加上位于第二矩形导光板311上的一个子像素构成的，也就是说，在第一矩形导光板301中，每一个像素包括两种不同颜色的子像素，其中来自第一光源组的光在第一子像素上出射，而来自第二光源组的光在第二子像素上出射，并且同一个像素的两个子像素出射的光的方向相同。当然结合第二矩形导光板之后，应当将一个像素理解为包含3个子像素，且同一个像素中的3个子像素具有相同的出射方向。也就是说，第二矩形导光板311中的每一个像素发出的光经过第一矩形导光板301后射出，并且射出方向与该像素在第一矩形导光板301上投影位置相邻的一个像素射出的光具有相同的方向，例如，如图5，第一矩形导光板301中的像素501a、501b分别对应着第一光源、第二光源发出的光，第二矩形导光板311中的像素501c对应着第三光源发出的光，并且三个像素的出射光方向相同，同理502a-502c和503a-503c也是一样。
请参见图6，图6是本发明第二实施方式下的多视角像素指向型背光模组的结构示意图。在该实施方式中，总共包括三块矩形导光板，每块矩形导光板的出光面上都设有多个不同指向的像素，以图示中的第一矩形导光板601为例，其出光面上设计了多个纳米光栅像素602a-602i，实现方向603a-603i的视角导光。各个像素的排布规则与第一实施方式中的相同，在此不再赘述。每个矩形导光板都只配备了一个光源组。其中第一矩形导光板601仅在其一对平行对边604a-604b上设有第一光源组，第二矩形导光板611仅在其一对平行对边614a-614b上设有第二光源组，第三矩形导光板621仅在其一对平行对边624a-624b上设有第三光源组，该第一光源组、第二光源组、第三光源组分别发出一种颜色不同的单色光。与第一实施方式相同，将这三块矩形导光板彼此叠合在一起形成整的背光模组。如图中示意的，第三矩形导光板621的出光面面向第二矩形导光板611的非出光面、第二矩形导光板611的出光面面向第一矩形导光板601的非出光面，三者进行叠合。当然叠合的顺序也可以是其它形式，在此不再一一赘述。叠合之后，其总的效果是第三矩形导光板621中单个像素在第一矩形导光板601的投影位置、第二矩形导光板611中单个像素在第一矩形导光板601的投影位置，以及第一矩形导光板601中的对应单个像素，三者形成错位，例如，如图7，第一矩形导光板601上的像素701a、702a、703a与第二矩形导光板611上的像素701b、702b、703b，第三矩形导光板621上的像素701c、702c、703c，形成错位。
三个光源组各自包括光源、光源准直系统和棱镜，作用与第一实施方式中的相同。以第一光源组配备的光源为红色、第二光源组配备的光源为绿色、第三光源组配备的光源为蓝色为例，三块矩形导光板的出光面各自发出对应颜色的光。
按照三块矩形导光板的位置关系，第三矩形导光板621中每一个像素发出的光进过第二矩形导光板611、第一矩形导光板601后射出，而第二矩形导光板611中的每一个像素发出的光经过第一矩形导光板601后射出，并且第一矩形导光板601中每一个像素，和投影位置与其相邻的一个对应第三矩形导光板621，以及一个对应第二矩形导光板611上的像素发出的光，三者的出射方向相同，例如，如图7，第一矩形导光板601中的像素701a与第二矩形导光板611中的像素701b，第三矩形导光板621中的像素701c光出射的方向相同，同理702a-702c和703a-703c也是一样。以人眼所能看到的效果来说明，即上述三块导光板中发出的光最后统一在第一矩形导光板601上形成出射，且出射时，同一个方向上的三种颜色的光所在的位置不形成重叠，与普通显示器一个像素具有三个子像素的效果一致。
在上述两个实施方式中，光源采用单色光，比如条状LED光源。光源准直系统采用菲涅尔透镜阵列，菲涅尔透镜阵列可以让发散光源变为平行光，从而减少指向性光源不同角度入射的串扰。
进一步地，作为上述两个实施方式的扩展形式，可以在一块矩形导光板的两条相对的侧边上设置同一种颜色的光源，这样可以提高导光板的发光强度，增强显示效果。
上述多视角指向型背光模组结合液晶面板图像的刷新，可实现裸眼3D显示。多视角指向性背光模组与液晶面板有两种组合方式：第一种，矩形导光板采用平行对边单侧导光的方式，液晶面板上的子像素与矩形导光板子像素对准，矩形导光板在以不同视角下的导光与液晶面板在该视角下的图形匹配，多层矩形导光板不同颜色切换与液晶面板形成图像的所需颜色匹配，通过液晶面板图像时序刷新，获得裸眼3D显示；第二种，矩形导光板采用平行对边双侧导光的方式，液晶面板上的子像素与矩形导光板子像素不需对准，通过液晶面板实现图像控制，通过在导光板对同一种颜色光源在两个相对方向上的主动切换，实现不同视角的图像切换，以红色光源为例，先使其一侧点亮，则红色像素在液晶面板的控制下向一个视角(或多个视角)发出第一图形，当切换成相对的另一侧点亮时，则所有红色像素在液晶面板的控制下形成与第一图形所在视角成法线对称的第二图形，令第一图形被左眼所接收，第二图形被右眼所接受，在不同指向性光线与液晶面板图像匹配，液晶面板图像刷新与两侧光源切换匹配下，即可获得裸眼3D显示。
请参见图8，图8是使用本发明的多视角像素指向型背光模组组成3D显示器件之后的结构示意图。该3D显示器件包括如上所述的多视角像素指向型背光模组和位于该多视角像素指向型背光模组前面的液晶面板811，以及驱动该液晶面板811的驱动装置(图中未示出)。图中，多视角像素指向型背光模组以801代表所有的光源组，802代表多层矩形导光板叠合之后的结构。考虑到视角分离和聚焦效果，多视角像素指向型背光模组与液晶面板811采用第一种组合方式，矩形导光板802采用平行对边单侧导光的方式，液晶面板811显示的视角图像像素与矩形导光板802上对应的视角纳米衍射光栅像素对准，可实现多视角图像的分离，，多层的矩形导光板802上不同颜色的像素与液晶面板上颜色图形对准，并且在对应液晶面板上像素内的液晶分子的调节下形成色阶组合,同时液晶面板上的图像不断时序刷新，便可以实现多视角的裸眼3D显示。以图示为例，矩形导光板802上刻有纳米衍射光栅像素803a-803c、804a-804c、805a-805c以及806a-806c，分别对应着视角1、视角2、视角3、视角4，假设人眼瞳距为60mm，视角间距等于瞳距，最适观察距离为300mm，液晶面板尺寸为250mm宽度，纳米衍射光栅像素均匀分布于矩形导光板表面，视角均匀分布观察平面中间，经过计算，纳米衍射光栅像素803a-803c的视角(衍射光线与z轴正方向的夹角，取偏向x轴正方向为正)分别为°6.7°、-10.6°、-26.1°，纳米衍射光栅804a-804c的视角分别为13.5°、-3.6°、-20.1°，纳米衍射光栅805a-805c的视角分别为20.1°、3.6°、-13.5°，纳米衍射光栅806a-806c的视角分别为26.1°、10.6°、-6.7°，同时液晶面板811上的视角像素813a-813c、814a-814c、815a-815c、816a-816c分别与矩形导光板802上的像素803a-803c、804a-804c、805a-805c、806a-806c对准，这样可以实现四个视角图像的分离，同时液晶面板上的图像不断刷新，同时如实施例2、3中，多层矩形导光板不同颜色的像素在液晶分子的调控下与最终生成的图像颜色匹配，则任意两个连续视角都可以观看到3D图像，例如，观看到图像820的立体效果。如果液晶面板811上显示的是无视差的平面图像，则可以实现2维的平面显示，因此这样的组合方式同时支持立体图像与平面图像之间的转换。
请参见图9，图9是使用本发明的多视角像素指向型背光模组组成的另一种3D显示器件示意图。与上一实施方式相比，本实施例主要考虑得到高分辨率的图像，多视角像素指向型背光模组与液晶面板911采用第二种组合方式，矩形导光板902采用平行对边双侧导光的方式。本实施例主要在多个视角下形成3D图像。如图所示，901a-901b代表叠加后的3个光源组，902则代表叠合后的多层矩形导光板。该多层矩形导光板902上的纳米衍射光栅像素与液晶面板911上的像素不需对准，两组光源轮流切换，由于纳米衍射光栅的衍射角的对称性，这样就可以轮流实现两个视角的切换，同时结合液晶面板上的图像切换匹配，就可以实现视角图像的分离，例如，光源901a打开，901b关闭，矩形导光板902上纳米衍射光栅903对应的视角1为+5°(衍射光线与z轴正方向的夹角，取偏向x轴正方向为正)，同时液晶面板911上显示+5°视角图像；当光源901b打开，901a关闭，则矩形导光板902上的纳米衍射光栅903就对应着-5°的视角2，同时液晶面板911上显示-5°的视角图像，这样就实现了±5°视角图像的分离分离的图像分别对应人的左右眼，同时液晶面板911上的图像时序刷新与光源901a-901b切换匹配，多层导光板颜色切换与图像颜色匹配，这样就可以观察到高分辨率的3D图像，实现裸眼3D显示。如果液晶面板911上显示的是无视差的平面图像，则可以实现2维的平面显示，因此这样的组合方式也同时支持立体图像与平面图像之间的转换。
本发明上述的矩形导光板，可以采用紫外连续变空频光刻技术以及纳米压印进行制作，该紫外连续变空频光刻技术参照申请号为CN201310166341.1的中国专利申请记载的光刻设备和光刻方法。需要指出的是，在本发明中，既可以采用光刻方法在矩形导光板表面刻蚀制作出各个不同指向的纳米光栅，也可以通过该光刻方法先制作出能够用于压印的掩模，然后通过纳米技术大批量的在矩形导光板上压印出上上述纳米光栅的图案。
综上所述，本发明公开了一种多视角像素指向型背光模组以及采用该多视角像素指向型背光模组制作的裸眼3D显示装置。在本发明中，利用多层导光板的叠合，解决了在一块导光板中无法避免三光源互相干扰的问题，从而实现了像素指向型的矩形导光板，为这种具有多视角指向功能的导光板在裸眼3D显示技术中进行工业应用提供了切实可行的方案，解决了现有技术无法解决的问题。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (18)

1.一种多视角像素指向型背光模组，其特征在于：包括至少两个矩形导光板，各个矩形导光板互相紧密叠合，所述矩形导光板的出光面上设有多个像素阵列，各个像素阵列之间以有序或无序的方式将各自的像素彼此互相嵌合，并均匀分布在所述导光板的出光面上，同一个像素阵列中的像素发出的光指向同一视角，不同的像素阵列具有不同的视角，所述每个矩形导光板的至少一条侧边上设有一光源组，该光源组发出的光进入对应的导光板内部后，在所述导光板出光面的多个像素阵列的各个像素上形成出射光，在所述导光板内部的其余地方进行全反射，其中，单个所述像素为纳米衍射光栅。
2.如权利要求1所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述矩形导光板的数量为两个，其中第一矩形导光板在两对平行对边的一侧或者双侧上分别设有第一光源组和第二光源组，第二矩形导光板在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第三光源组，该第一光源组、第二光源组、第三光源组分别发出一种颜色不同的单色光。
3.如权利要求2所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述第二矩形导光板的出光面面向所述第一矩形导光板的非出光面进行叠合，或者所述第一矩形导光板的出光面面向所述第二矩形导光板的非出光面进行叠合。
4.如权利要求3所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述第二矩形导光板中的每一个像素在所述第一矩形导光板上的投影位置，恰好与所述第一矩形导光板的每一个像素形成错位。
5.如权利要求4所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述第一矩形导光板中，每一个像素包括两种不同颜色的子像素，其中来自第一光源组的光在第一子像素上出射，来自第二光源组的光在第二子像素上出射，并且同一个像素的两个子像素出射的光的方向相同。
6.如权利要求4所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述第二矩形导光板中的每一个像素发出的光经过所述第一矩形导光板后射出，并且射出方向与该像素在第一矩形导光板上投影位置相邻的一个像素射出的光具有相同的方向，或者所述第一矩形导光板中的每一个像素发出的光经过所述第二矩形导光板后射出，并且射出方向与该像素在第二矩形导光板上投影位置相邻的其中一个像素射出的光相同。
7.如权利要求1所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述矩形导光板的数量为三个，其中第一矩形导光板仅在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第一光源组，第二矩形导光板仅在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第二光源组，第三矩形导光板仅在其一对平行对边的一侧或者双侧上设有第三光源组，该第一光源组、第二光源组、第三光源组分别发出一种颜色不同的单色光。
8.如权利要求7所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述三矩形导光板的出光面面向所述第二矩形导光板的非出光面、所述第二矩形导光板的出光面面向所述第一矩形导光板的非出光面，三者进行叠合。
9.如权利要求8所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述第三矩形导光板中单个像素在所述第一矩形导光板的投影位置、所述第二矩形导光板中单个像素在所述第一矩形导光板的投影位置，以及所述第一矩形导光板中的每个像素，三者形成错位。
10.如权利要求9所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述第三矩形导光板中每一个像素发出的光进过第二矩形导光板、第一矩形导光板后射出，所述第二矩形导光板中的每一个像素发出的光经过第一矩形导光板后射出，并且所述第一矩形导光板中每一个像素，和所述投影位置与其相邻的一个对应第三矩形导光板，以及一个对应第二矩形导光板上的像素发出的光，三者的出射方向相同。
11.如权利要求1-10任一所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述光源组包括一个单色光源、一个光源准直系统和一个棱镜，所述单色光源发出的光被所述光源准直系统准直，然后通过棱镜进入所述导光板内部，并形成全反射光。
12.如权利要求11所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述光源准直系统采用平面菲涅尔透镜阵列。
13.如权利要求1-10任一所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述光源组包括第一光源组、第二光源组和第三光源组，该第一光源组、第二光源组和第三光源组分别对应R、G、B三种光。
14.如权利要求1-10任一所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述多个像素阵列的视角成连续分布。
15.如权利要求14所述的多视角像素指向型背光模组，其特征在于：所述多个像素阵列的视角范围在0-50度之间。
16.一种裸眼3D显示装置，其特征在于：包括如权利要求1-15任一所述的多视角像素指向型背光模组、位于该多视角像素指向型背光模组前面的液晶面板，以及驱动该液晶面板的驱动装置。
17.如权利要求16所述的裸眼3D显示装置，其特征在于：所述矩形导光板采用平行对边单侧导光，所述液晶面板像素与矩形导光板像素对准，矩形导光板在不同视角下的导光与液晶面板在该视角下的图像匹配，同时该多层矩形导光板不同颜色切换与液晶面板形成图像的所需颜色匹配，获得裸眼3D显示。
18.如权利要求16所述的裸眼3D显示装置，其特征在于：所述导光板采用平行对边双侧导光，液晶面板像素与导光板像素不需对准，通过所述液晶面板实现图像控制，通过在所述导光板对同一种颜色光源在两个相对方向上的主动切换，实现不同视角的图像切换，其中在不同指向性光线与液晶面板视角图像匹配，液晶面板图像刷新与两侧光源切换匹配下获得裸眼3D显示。
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