CN110133781A - 一种柱透镜光栅和显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱透镜光栅和显示装置。柱透镜光栅包括入光面和出光面，所述入光面包括依次排列的多个凹形曲面，所述出光面包括依次排列的多个凸形曲面，所述凹形曲面具有第一中心轴，所述凸形曲面具有第二中心轴，所述第二中心轴相对于所述第一中心轴倾斜设置。显示装置包括显示面板以及设置在所述显示面板出光侧的如上所述的柱透镜光栅，所述柱透镜光栅的入光面朝向所述显示面板的出光侧，所述显示面板射出的光线经所述柱透镜光栅的出光面射出。该显示装置降低了左眼和右眼的图像串扰，避免了不同视点之间的图像串扰，提升了裸眼3D显示装置的图像质量，避免了观看者眩晕。

Description

一种柱透镜光栅和显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体涉及一种柱透镜光栅和显示装置。

背景技术

随着数字图像处理技术和设备制造水平的进步，3D显示已经成为显示行业的一大流行趋势。现有的3D显示的基本原理是“视差产生立体”，通过一定的设施或技术使观看者两眼看到不同的图像，即左眼只看到左眼图，右眼只看到右眼图，人的大脑会把两眼看到的两幅图融合起来，从而产生3D效果。

由于通过3D眼镜获得3D显示效果的方式需要用户佩戴3D眼镜，这严重影响了用户体感，用户效果不佳，因而裸眼3D显示成为更受用户青睐的选择。裸眼3D显示技术主要有狭缝光栅(又称视差挡板)、柱透镜光栅和指向光源三种。狭缝光栅和柱透镜光栅是两种主流裸眼3D技术。

狭缝光栅3D显示中，挡板遮挡了一部分光线，对显示屏光线造成能量损耗，降低了显示屏的透光率。

柱透镜光栅3D显示器是在显示屏前方设置紧密排列的柱透镜(柱透镜可以为凸透镜也可以为凹透镜)，显示屏一部分子像素显示左眼图像，另一部分子像素显示右眼图像。利用柱透镜的折射作用，引导光线进入特定的观察区，即柱透镜光栅上透镜的折射作用下，左右眼子像素所发出的光经过柱透镜光栅后，光线传播方向发生偏折，左眼像素的光射入观看者的左眼，右眼像素的光射入观看者的右眼，产生对应左右眼的立体图像对，并在大脑的融合下产生立体视觉。柱透镜光栅是透射式的，因此，利用这种技术生产的3D显示设备最大优点是不遮挡显示画面，不影响显示亮度，立体显示效果较好。为了平衡视差图像分辨率在水平和垂直方向的损失以及减少彩色莫尔条纹的影响，目前的柱透镜光栅均采用按照一定角度倾斜放置的方式。柱透镜光栅倾斜放置会导致柱透镜光栅在对合成图像进行分光时，产生视点之间图像的串扰，影响了裸眼3D显示器的图像质量，使观看者产生眩晕等不适现象。

发明内容

本发明实施例的目的是，提供一种柱透镜光栅和显示装置，以解决不同视点之间图像串扰的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种柱透镜光栅，包括入光面和出光面，所述入光面包括依次排列的多个凹形曲面，所述出光面包括依次排列的多个凸形曲面，所述凹形曲面具有第一中心轴，所述凸形曲面具有第二中心轴，所述第二中心轴相对于所述第一中心轴倾斜设置。

可选地，所述第二中心轴相对于所述第一中心轴的倾斜角度β为5°～30°。

可选地，所述凹形曲面和所述凸形曲面均为圆柱形曲面。

了解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种显示装置，包括显示面板以及设置在所述显示面板出光侧的如上所述的柱透镜光栅，所述柱透镜光栅的入光面朝向所述显示面板的出光侧。

可选地，所述显示面板包括呈阵列排布的多个子像素，所述子像素包括第一子像素和第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素在每行和每列中交替设置，每个所述凹形曲面与一列或一行子像素相对应。

可选地，相邻两个所述凹形曲面的第一中心轴之间的距离与相邻两列或相邻两行子像素中心的距离相等。

可选地，每个子像素的中心均位于对应凹形曲面的光轴线上。

可选地，所述凹形曲面满足以下关系：2*R1＝D/cosβ，其中，R1为凹形曲面的半径，D为所述凹形曲面对应子像素在沿多个凹形曲面排列方向上的尺寸。

可选地，所述凸形曲面满足以下关系：R2＝N*R1，其中，R2为凸形曲面的半径，N为所述显示装置的视点数。

可选地，所述显示装置还包括设置在所述显示面板的背离所述柱透镜光栅一侧的背光模组，所述背光模组包括导光板以及设置在所述导光板与所述显示面板之间的导光栅膜，所述导光板的朝向所述导光栅膜的一侧表面呈第一三角形光栅微结构，所述导光栅膜的朝向所述导光板的一侧表面呈第二三角形光栅微结构。

可选地，所述第一三角形光栅微结构为多个依次连接的第一凹槽，所述第二三角形光栅微结构为多个依次连接的第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为等腰凹槽。

可选地，所述第一三角形光栅微结构的顶角为Φ，所述第二三角形光栅微结构的顶角为θ，Φ>θ，0°<θ<90°。

本发明实施例提出的显示装置，在显示面板的出光侧设置有如本发明实施例所述柱透镜光栅，柱透镜光栅的凹形曲面可以对对应的子像素进行压缩，使得子像素变为宽度更小的近似线性的子像素虚像，使得左眼从左视角区域只能观看到第一虚像的图像，右眼从右视角区域只能观看到第二虚像的图像，而不会受到不相关子像素的干扰，大大降低了左眼和右眼的图像串扰，避免了不同视点之间的图像串扰，提升了裸眼3D显示装置的图像质量，避免了观看者眩晕。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1a为一种柱透镜光栅3D显示装置的结构示意图；

图1b为图1a所示显示装置的截面结构示意图；

图1c为图1a中柱透镜光栅的平面结构示意图；

图2为本发明实施例柱透镜光栅的截面结构示意图；

图3为图2所示柱透镜光栅的A向示意图；

图4为本发明实施例显示装置的截面结构示意图；

图5为图4所示显示装置的平面显示结构示意图；

图6为图4所示显示装置子像素的光路示意图；

图7为图4中背光模组的结构示意图。

附图标记说明：

10—显示面板； 11—第一子像素； 12—第二子像素；

20—柱透镜光栅； 21—第一视点区域； 22—第二视点区域；

31—入光面； 311—凹形曲面； 312—第一中心轴；

313—光轴线； 32—出光面； 321—凸形曲面；

322—第二中心轴； 40—背光模组； 41—导光板；

411—第一凹槽； 42—光源； 43—导光栅膜；

431—第二凹槽； 44—反射板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1a为一种柱透镜光栅3D显示装置的结构示意图，图1b为图1a所示显示装置的截面结构示意图，图1c为图1a中柱透镜光栅的平面结构示意图。如图1a、图1b和图1c所示，显示面板10的前方设置有柱透镜光栅20。显示面板10的一部分子像素显示左眼图像，另一部分子像素显示右眼图像，在图1中标识“左”的子像素为显示左眼图像的第一子像素11，标识“右”的子像素为显示右眼图像的第二子像素12。

为了平衡视差图像分辨率在水平和垂直方向的损失以及减少彩色莫尔条纹的影响，图1a中柱透镜光栅20以一定角度倾斜设置在显示面板10的前方，导致柱透镜光栅20在对合成图像进行分光时，产生视点之间图像的串扰。例如，位于第一视点区域21内的像素的图像会进入人的左眼，位于第二视点区域22内的像素的图像会进入人的右眼。在图1a中，第一视点区域21不仅对应第一子像素，而且对应一部分第二子像素，同理，第二视点区域22不仅对应第二子像素，而且对应一部分第一子像素，这就导致一部分第二子像素图像会通过第一视点区域21进入左眼，一部分第一子像素图像会通过第二视点区域22进入右眼，导致左眼和右眼产生图像串扰，影响了裸眼3D显示装置的图像质量，容易使观看者产生眩晕等不适。

为了解决图像串扰的问题，本发明实施例提出了一种柱透镜光栅。该柱透镜光栅包括入光面和出光面，所述入光面包括依次排列的多个凹形曲面，所述出光面包括依次排列的多个凸形曲面，所述凹形曲面具有第一中心轴，所述凸形曲面具有第二中心轴，所述第二中心轴相对于所述第一中心轴倾斜设置。

为了解决图像串扰的问题，本发明实施例还提供了一种显示装置。该显示装置包括显示面板以及设置在所述显示面板出光侧的如本发明实施例提出的柱透镜光栅，所述柱透镜光栅的入光面朝向所述显示面板的出光侧。

下面将通过具体的实施例详细介绍本发明的技术内容。

图2为本发明实施例柱透镜光栅的截面结构示意图，图3为图2所示柱透镜光栅的A向示意图。如图2和图3所示，柱透镜光栅包括入光面31(在图2中为下表面)和出光面32(在图2中为上表面)，入光面31包括依次排列的多个凹形曲面311，出光面32包括依次排列的多个凸形曲面321。凹形曲面311具有第一中心轴312，凸形曲面321具有第二中心轴322，第二中心轴322相对于第一中心轴312倾斜设置，第二中心轴322相对于第一中心轴312的倾斜角度为β。

容易理解的是，为了获得更好的3D显示效果，凹形曲面311为相对于第一中心轴312对称的曲面，凸形曲面321为相对于第二中心轴322对称的曲面。在本实施例中，凹形曲面311和凸形曲面321均为圆柱形曲面。

在一个实施例中，第一角度β满足0<β<90°，在另一个实施例中，5°<β<30°。在一个实施例中，β约为18.4°。

图4为本发明实施例显示装置的截面结构示意图，图5为图4所示显示装置的平面显示结构示意图。如图4和图5所示，显示装置包括显示面板10和如图2所示本发明实施例提出的柱透镜光栅。柱透镜光栅设置在显示面板10的出光侧，柱透镜光栅20的入光面31朝向显示面板10，显示面板10射出的光线经柱透镜光栅20的出光面321射出。

该显示装置为双视点的裸眼3D显示装置，显示面板10包括呈阵列排布的多个子像素。子像素包括用于显示左眼图像的第一子像素11和用于显示右眼图像的第二子像素12。第一子像素11和第二子像素12在每行和每列中交替设置。每个凹形曲面311与一列或一行子像素相对应。凸形曲面321形成与第一子像素11对应的第一视点区域21和与第二子像素12对应第二视点区域22，从而，第一子像素11的图像通过第一视点区域21后进入左眼，第二子像素12的图像通过第二视点区域22后进入右眼。

图6为图4所示显示装置子像素的光路示意图。如图5和图6所示，凹形曲面311相当于凹透镜，因此，凹形曲面311可以对第一子像素11进行压缩，使得第一子像素11变成接近于线性子像素的第一虚像11’。在本实施例中，每个凹形曲面311与一列子像素相对应。因此，第一子像素被压缩后，第一子像素11对应的第一虚像11’的宽度相比于第一子像素11的宽度变小。同理，第二子像素12在凹形曲面311的作用下变成接近于线性子像素的第二虚像12’。为了更清楚的表达，在图5中，以“左”来标识第一虚像11’，以“右”来标识第二虚像12’。第二子像素12对应的第二虚像12’的宽度相比于第二子像素12的宽度变小。第一子像素11和第二子像素12通过柱透镜光栅就相当于第一虚像11’和第二虚像12’从凸形曲面321射出后的效果。

如图5所示，经过凹形曲面311的压缩后，第一子像素11变为宽度更小的第一虚像11’，第二子像素12变为宽度更小的第二虚像12’。由于第一虚像11’和第二虚像12’的宽度均较小，因此，相比于如图1a所示的显示装置，在第一视点区域21内只存在第一虚像11’，第一视点区域21内的第二虚像12’大大减少；在第二视点区域22内只存在第二虚像12’，第二视点区域22内的第一虚像11’大大减少，从而，第一虚像11’通过第一视点区域21进入左眼，第二虚像12’通过第二视点区域22进入右眼，而通过第一视点区域21进入左眼的第二虚像大大减少，通过第二视点区域22进入右眼的第一虚像也大大减少，也就是说，左眼从左视角区域只能观看到第一虚像的图像，右眼从右视角区域只能观看到第二虚像的图像，而不会受到不相关子像素的干扰，大大降低了左眼和右眼的图像串扰，避免了不同视点之间的图像串扰，提升了裸眼3D显示装置的图像质量，避免了观看者眩晕。

为了保证每个子像素都可以经过凹形曲面压缩，每个凹形曲面311与一列或一行子像素相对应，相邻两个凹形曲面311的第一中心轴之间的距离与相邻两列或两行子像素中心的距离相等，也就是说，当每个凹形曲面311与一列子像素相对应时，相邻两个凹形曲面311的第一中心轴之间的距离d1与相邻两列子像素中心的距离d2相等，如图4所示，d1＝d2；当每个凹形曲面311与一行子像素相对应时，相邻两个凹形曲面311的第一中心轴之间的距离与相邻两行子像素中心的距离相等。从而，子像素所生成的虚像也为阵列排布，并与凹形曲面相对应，保证了第一虚像与第一视点区域的对应，以及第二虚像与第二视点区域的对应。

在一个实施例中，如图6所示，子像素的中心位于凹形曲面311的光轴线313上，从而，子像素通过凹形曲面压缩后得到的虚像相对于光轴线313对称，如图5所示。容易理解的是，凹形曲面的光轴线为经过凹形曲面中心的法线。对于柱透镜光栅，凹形曲面为圆柱形曲面，因此，凹形曲面的光轴线可以组合成光轴面。这样的设置方式，子像素形成的虚像会位于对应视点区域的中心，保证了每个虚像图像显示的完整性。

如图4所示，为了获得合适的子像素虚像，凹形曲面311满足以下关系：

2*R1＝D/cosβ，其中，R1为凹形曲面311的半径，D为凹形曲面对应子像素的宽度，即子像素在沿多个凹形曲面排列方向上的尺寸。

在本实施例中，如图4所示，凸形曲面321满足如下关系：R2＝N*R1，其中，R2为凸形曲面的半径，N为显示装置的视点数。在本实施例中，图4所示显示装置的视点数为2，因此，R2＝2*R1。在本实施例中，一个凸形曲面对应2个凹形曲面，因此，凸形曲面的节距即凸形曲面的直径为4*R1。

本发明实施例的显示装置的视点数为2，容易理解的是，当需要增加显示装置的视点数时，可通过变更柱透镜光栅的结构来实现，例如，可以根据子像素的设计参数，调整凸形曲面的半径，调整凸形曲面对应的凹形曲面的数量或半径，或者通过选择不同折射率的柱透镜材料来实现等。

在一个实施例中，如图4所示，显示装置还可以包括背光模组40，背光模组40设置在显示面板10的背离柱透镜光栅20的一侧。图7为图4中背光模组的结构示意图。如图7所示，背光模组40包括导光板41、光源42、导光栅膜43和反射板44。光源42设置在导光板41的侧部，导光栅膜43设置在导光板41和显示面板之间，反射板44设置在导光板41的背离显示面板的一侧上。

在一个实施例中，如图7所示，导光板41的朝向导光栅膜43的一侧表面呈第一三角形光栅微结构，导光栅膜43的朝向导光板41的一侧表面呈第二三角形光栅微结构。在本实施例中，第一三角形光栅微结构为多个依次连接的第一凹槽411，第二三角形光栅微结构为多个依次连接的第二凹槽431，第一凹槽411的两个侧壁相等，第二凹槽431的两个侧壁相等，即第一凹槽411和第二凹槽431均为等腰凹槽。

容易理解的是，当显示面板为液晶面板时，柱透镜光栅的凸形曲面相对于凹形曲面倾斜设置，可以减少摩尔条纹对显示的影响，但这种结构的柱透镜光栅会降低背光模组的光线利用率，并且导致图像串扰。采用本发明实施例的背光模组，可以增大背光模组光线的利用率。

导光板41上的第一三角形光栅微结构的顶角(即第一凹槽411的两个侧壁的夹角)为Φ，导光栅膜43上的第二三角形光栅微结构的顶角(即第二凹槽431的两个侧壁的夹角)为θ，在一个实施例中，Φ>θ，0°<θ<90°。这样的结构，通过合理选择Φ和θ，可以使得由导光栅膜43出射到显示面板的光线接近于准直光线，从而使得子像素发出的光束也接近于准直光束，当子像素发出的准直光束照射到凹形曲面上后，凹形曲面便可以将子像素成像为宽度很窄的子像素虚像，再经凸形曲面折射变换为定向准直光束，提高了显示装置的裸眼3D显示效果。

本发明实施例提出的显示装置为裸眼3D显示装置，在显示面板的出光侧设置有如本发明实施例所述的柱透镜光栅，柱透镜光栅的凹形曲面可以对对应的子像素进行压缩，使得子像素变为宽度更小的近似线性的子像素虚像，使得左眼从左视角区域只能观看到第一虚像的图像，右眼从右视角区域只能观看到第二虚像的图像，而不会受到不相关子像素的干扰，大大降低了左眼和右眼的图像串扰，提升了裸眼3D显示装置的图像质量，避免了观看者眩晕。再者，凹形曲面和凸形曲面均为圆柱形曲面，因此，本发明实施例的柱透镜光栅为圆柱面结构的双层柱透镜光栅，提高了光能的利用率。

容易理解的是，本发明实施例的显示装置可以为：手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种柱透镜光栅，其特征在于，包括入光面和出光面，所述入光面包括依次排列的多个凹形曲面，所述出光面包括依次排列的多个凸形曲面，所述凹形曲面具有第一中心轴，所述凸形曲面具有第二中心轴，所述第二中心轴相对于所述第一中心轴倾斜设置。

2.根据权利要求1所述的柱透镜光栅，其特征在于，所述第二中心轴相对于所述第一中心轴的倾斜角度β为5°～30°。

3.根据权利要求1所述的柱透镜光栅，其特征在于，所述凹形曲面和所述凸形曲面均为圆柱形曲面。

4.一种显示装置，其特征在于，包括显示面板以及设置在所述显示面板出光侧的如权利要求1～3中任意一项所述的柱透镜光栅，所述柱透镜光栅的入光面朝向所述显示面板的出光侧。

5.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述显示面板包括呈阵列排布的多个子像素，所述子像素包括第一子像素和第二子像素，所述第一子像素和所述第二子像素在每行和每列中交替设置，每个所述凹形曲面与一列或一行子像素相对应。

6.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于，相邻两个所述凹形曲面的第一中心轴之间的距离与相邻两列或相邻两行子像素中心的距离相等。

7.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于，每个子像素的中心均位于对应凹形曲面的光轴线上。

8.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述凹形曲面满足以下关系：

2*R1＝D/cosβ，其中，R1为凹形曲面的半径，D为所述凹形曲面对应子像素在沿多个凹形曲面排列方向上的尺寸。

9.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述凸形曲面满足以下关系：

R2＝N*R1，其中，R2为凸形曲面的半径，N为所述显示装置的视点数。

10.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括设置在所述显示面板的背离所述柱透镜光栅一侧的背光模组，所述背光模组包括导光板以及设置在所述导光板与所述显示面板之间的导光栅膜，所述导光板的朝向所述导光栅膜的一侧表面呈第一三角形光栅微结构，所述导光栅膜的朝向所述导光板的一侧表面呈第二三角形光栅微结构。

11.根据权利要求10所述的显示装置，其特征在于，所述第一三角形光栅微结构为多个依次连接的第一凹槽，所述第二三角形光栅微结构为多个依次连接的第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为等腰凹槽。

12.根据权利要10所述的显示装置，其特征在于，所述第一三角形光栅微结构的顶角为Φ，所述第二三角形光栅微结构的顶角为θ，Φ>θ，0°<θ<90°。