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CN111303478B - 裸眼3d显示屏材料及其制备方法 - Google Patents

裸眼3d显示屏材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种裸眼3D显示屏材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：提供一基体材料溶于挥发性溶剂的聚合物溶液，其中该基体材料为光学透明材料，该挥发性溶剂不与水互溶；在一恒温恒湿密闭容器中，将聚合物溶液在一光学透明基板上浇铸成型，通过挥发性溶剂挥发促进聚合物溶液表面水滴的形核与生长；将浇铸有聚合物溶液的光学透明基板在恒温恒湿密闭容器中静置，待挥发性溶剂和水滴完全挥发后，在基体材料表面形成水滴留下的球形凹坑的显微结构，即得裸眼3D显示屏材料。本发明可以在较大范围内对显示屏材料的光散射角进行调控，且具有较高的透光率、较好的光强分布均匀性，制备工艺简单，可应用于全息3D显示系统中。

Description

裸眼3D显示屏材料及其制备方法
技术领域
本发明属于裸眼3D显示技术领域，尤其涉及一种裸眼3D显示屏材料及其制备方法。
背景技术
大自然以真三维的形式将事物展示给人类，而视觉信息则能够将事物的特性生动形象地反映出来。但目前的主流显示方式为平面二维显示，此种显示方式丢失了真实三维物体的深度信息，限制了人们对客观物体的正确认知，因此各种类型的三维(3D)显示技术应运而生并得到了充分发展。
3D显示主要基于人们左右眼观看到的图像差异，经大脑融合处理产生立体深度感。现阶段的3D显示技术普遍为穿戴式显示，人们需要佩戴相应的辅助设备，如3D眼镜、3D头盔等来观看到三维图像。但显示设备的长时间穿戴会产生严重的视觉疲劳，还可能会导致头疼、恶心呕吐等，因而对用户带来极大的不便，限制了其应用范围。而裸眼3D显示无需佩戴任何辅助设备，因此逐渐受到了商家和研究者们的关注和热爱。
专利文献“一种全息功能屏及其制作方法”(申请号为200980100483.X)公开了一种全息功能屏及其制作方法，通过调控激光照射漫散射体后所产生的散斑颗粒尺寸及分布的参数来获得相应参数的散射空间角，当将全息功能屏放置在规定的参照面上时，可实现空间单方向输入光线的展宽角正好是所述的空间抽样角，从而获得以恢复复杂波前为目的的裸眼3D显示。
在裸眼3D显示屏的成像过程中，投影仪阵列发出的入射光线在通过屏幕后能在空间中形成连续的立体视点区域，以满足三维影像成像需求。其中最为关键的是屏幕应当具有与投影仪阵列相匹配的光散射角和均匀分布的光强，因为过大和过小的光散射角均会导致所成图像的模糊，而不均匀的光强分布则会引起“热点”、“眩光”等问题。
但市场上诸如前述专利等的裸眼3D显示屏在加工过程中除了需要搭建相应的精密光路以便大功率激光进行曝光处理外，还需进行模板的制备和复刻。制作过程中除了存在因设备昂贵、工艺复杂、模板破损等引起的加工成本高问题外，更为关键的是其加工精度取决于散斑尺寸，光散射角大小的可控性和光强分布的均匀性差。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种裸眼3D显示屏材料及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一个方面，提供了一种裸眼3D显示屏材料的制备方法，包括以下步骤：提供一基体材料溶于挥发性溶剂的聚合物溶液，其中该基体材料为光学透明材料，该挥发性溶剂不与水互溶；在一恒温恒湿密闭容器中，将所述聚合物溶液在一光学透明基板上浇铸成型，通过挥发性溶剂挥发促进所述聚合物溶液表面水滴的形核与生长；将浇铸有所述聚合物溶液的光学透明基板在所述恒温恒湿密闭容器中静置，待所述挥发性溶剂和水滴完全挥发后，在基体材料表面形成水滴留下的球形凹坑的显微结构，即得所述裸眼3D显示屏材料。
作为本发明的另一个方面，提供了一种裸眼3D显示屏材料，包括：光学透明基板；以及形成于所述光学透明基板上的基体材料，其中，所述基体材料为光学透明材料，所述基体材料的表面形成球形凹坑的显微结构。
基于上述技术方案，本发明的裸眼3D显示屏材料及其制备方法具有如下优点：
(1)无需定制模板，利用水滴的凝结和蒸发过程，在显示屏材料表面获得凹坑，实现对显示屏材料表面形貌的调控。
(2)通过调控制备过程的温度、湿度等环境因素，对显示屏材料表面凹坑尺度进行调控，实现对入射光线的定向调制。
(3)该制备方法工艺简单，便于操作，成本较低。
(4)该显示屏材料可在较大范围内对光散射角进行调控，且具有较高的透光率以保证光信息的传输，光强分布均匀性好，可应用于全息3D显示系统中。
附图说明
图1是本发明裸眼3D显示屏材料的截面示意图；
图2是本发明实施例1裸眼3D显示屏材料的测试光路图；
图3是本发明实施例1裸眼3D显示屏材料的光学形貌图；
图4是本发明对比例1显示屏材料的光学形貌图。
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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的裸眼3D显示屏材料及其制备方法，可通过调节屏幕表面显微结构的形状实现入射光线通过屏幕后的3D影像成像问题，而亚微米至微米级的显微结构尺寸以及高的占空比可有效解决光强分布的均匀性问题，同时整个加工工艺还具备工艺简单、成本低廉的优势，因而尤其适用于制备全息功能屏的应用场合。
具体而言，根据本发明的一些实施例，提供了一种裸眼3D显示屏材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一基体材料溶于挥发性溶剂的聚合物溶液，其中该基体材料为光学透明材料，该挥发性溶剂不与水互溶。
作为优选，裸眼3D显示屏材料采用光学透明的均聚物或共聚物为基体材料，例如聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。更优选为SBS，具有成膜性能好、制得的显示屏材料的显微结构尺寸均匀，可调节范围广等优点。作为进一步优选，挥发性溶剂为二硫化碳、二氯甲烷、三氯甲烷和甲苯中的一种或多种。
该聚合物溶液的浓度优选为0.04g/mL～0.4g/mL，更优选为0.06g/mL～0.2g/mL，过高和过低的浓度均会导致后续形成的显微结构的占空比降低，光强分布不均匀。
(2)在高湿度的恒温恒湿密闭容器中，将上述聚合物溶液在一光学透明基板上浇铸成型；
高湿度环境下溶剂的挥发将促进聚合物溶液表面水滴的形核与生长，通过调控制备工艺中参数可实现对水滴尺寸的调控。
可以理解，应当选择合适洁净的光学透明基板，基板表面应为平面，若为曲面，则光线在入射时会带来附加的散射角；作为优选，光学透明基板应为光学透明的板材或片材，且不溶于溶剂或与溶液发生反应，常见基板材料可为二氧化硅玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
作为进一步优选，恒温恒湿密闭容器的相对湿度优选为60％～95％，密闭容器的温度优选为15℃～35℃；浇注的聚合物溶液的体积-面积比优选为0.02mL/cm2～0.5mL/cm2。
过高和过低的相对湿度、温度、体积-面积比均会导致显微结构的占空比降低，光强分布不均匀；密闭容器中温度和湿度的大幅度波动会导致显微结构尺寸的不可控性和不均匀。
(3)将浇铸有聚合物溶液的光学透明基板静置于恒温恒湿密闭容器中，待溶剂和水滴完全挥发后，在基体材料表面形成水滴留下的球形凹坑的显微结构，即得所述裸眼3D显示屏材料。
根据本发明的一些实施例，还提供了一种裸眼3D显示屏材料，其中，包括光学透明基板以及形成于光学透明基板上的基体材料，基体材料的表面形成球形凹坑的显微结构(见图1)，定义球形凹坑的顶面圆形的半径为d，凹坑深度为h，则d优选为0.1μm～100μm，h优选为0.01μm～100μm。
本发明的裸眼3D显示屏可在1°～45°的范围内对光散射角进行调控，可应用于全息3D显示系统中。
本发明将制备参数控制在特定范围内而获得高占空比的亚微米乃至微米级的显微结构，能够显著提高光强分布的均匀性，进而改善“热点”、“眩光”等问题。通过调控制备参数可调节显微结构的d和h，可实现对光散射角的精确调控。
本发明的裸眼3D显示屏材料采用光学透明基板以及光学透明基体材料，使得屏幕的透光率在70％以上，较高的透光率能保证光信息的充分传输。
以下通过对比例、实施例和相关测试实验来进一步说明本发明。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。而且，在不冲突的情况下，以下各实施例中的细节可以任意组合为其它可行实施例。
性能测试：
透光率：
采用雾度仪测试裸眼3D显示屏材料的透光率。
光散射角和光强分布：
采用如图2所示的测试光路，激光器发出的光束入射至裸眼3D显示屏材料，通过滑轨而移动光功率计来对裸眼3D显示屏材料的出射光斑进行测量，得到光散射角和光强分布。
实施例1：
首先选定二氧化硅玻璃为基板，接着称取一定量的聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)溶于二硫化碳，配置成0.1g/mL的SBS二硫化碳溶液，然后在25℃、80％相对湿度的密闭容器中以0.2mL/cm2的体积-面积比将前述溶液浇铸在基板表面，溶剂挥发促进溶液表面水滴的形核与生长，待溶剂和水滴完全挥发后即得所述裸眼3D显示屏材料。屏幕表面的球形凹坑的半径d的大小范围为25μm±2μm，深度h的大小范围为25μm±2μm，经测试，屏幕的光散射角约为40°，透光率约为75％，光强分布均匀。如图3所示为该裸眼3D显示屏的光学形貌图，可看出其具有较高的占空比。
实施例2：
首先选定二氧化硅玻璃为基板，接着称取一定量的聚碳酸酯(PC)溶于二氯甲烷，配置成0.14g/mL的PC二氯甲烷溶液，然后在20℃、90％相对湿度的密闭容器中以0.3mL/cm2的体积-面积比将前述溶液浇铸在基板表面，溶剂挥发促进溶液表面水滴的形核与生长，待溶剂和水滴完全挥发后即得所述裸眼3D显示屏材料。屏幕表面的球形凹坑的半径d的大小范围为50μm±5μm，深度h的大小范围为1μm±0.1μm，屏幕的光散射角约为1°，透光率约为99％，光强分布较均匀。
实施例3：
首先选定聚对苯二甲酸乙二醇酯为基板，接着称取一定量的聚乙烯亚胺(PEI)溶于二氯甲烷配，置成0.06g/mL的PEI二氯甲烷溶液，然后在30℃、70％相对湿度的密闭容器中以0.1mL/cm2的体积-面积比将前述溶液浇铸在基板表面，溶剂挥发促进溶液表面水滴的形核与生长，待溶剂和水滴完全挥发后即得所述裸眼3D显示屏材料。屏幕表面的球形凹坑的半径d的大小范围为5μm±0.5μm，深度h的大小范围为1μm±0.1μm，屏幕的光散射角约为15°，透光率约为95％，光强分布较均匀。
实施例4：
首先选定聚对苯二甲酸乙二醇酯为基板，接着称取一定量的SBS溶于二氯甲烷，配置成0.06g/mL的SBS二氯甲烷溶液，然后在30℃、70％相对湿度的密闭容器中以0.1mL/cm2的体积-面积比将前述溶液浇铸在基板表面，溶剂挥发促进溶液表面水滴的形核与生长，待溶剂和水滴完全挥发后即得所述裸眼3D显示屏材料。屏幕表面的球形凹坑的半径d的大小范围为1μm±0.1μm，深度h的大小范围为0.1μm±0.01μm，经测试，屏幕的光散射角约为7°，透光率约为91％，光强分布较均匀。
对比例1：
首先选定二氧化硅玻璃为基板，接着称取一定量的SBS溶于二硫化碳配置成0.1g/mL的SBS二硫化碳溶液，然后在40℃、80％相对湿度的密闭容器中以0.2mL/cm2的体积-面积比将前述溶液浇铸在基板表面，待溶剂和水滴完全挥发。图4为该显示屏的光学形貌图。
由于温度过高，屏幕表面显微结构占空比极低，光线入射时将直接穿过屏幕而不发生散射，光强集中在中心区将产生“热点”问题。
对比例2：
首先选定二氧化硅玻璃为基板，接着称取一定量的SBS溶于二硫化碳配置成0.14g/mL的SBS二硫化碳溶液，然后在25℃、40％相对湿度的密闭容器中以0.1mL/cm2的体积-面积比将前述溶液浇铸在基板表面，待溶剂和水滴完全挥发。
由于相对湿度过低，故此时的透明的SBS屏幕，屏幕表面无球形凹坑，光线通过屏幕后并未出现散射现象。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种裸眼3D显示屏材料的制备方法，包括以下步骤：
提供一基体材料溶于挥发性溶剂的聚合物溶液，其中该基体材料为光学透明材料，该挥发性溶剂不与水互溶，所述聚合物溶液的浓度为0.04g/mL～0.4g/mL；
在一恒温恒湿密闭容器中，将所述聚合物溶液在一光学透明基板上浇铸成型，浇铸的聚合物溶液的体积-面积比为0.02mL/cm2～0.5mL/cm2，通过挥发性溶剂挥发促进所述聚合物溶液表面水滴的形核与生长；
将浇铸有所述聚合物溶液的光学透明基板在所述恒温恒湿密闭容器中静置，待所述挥发性溶剂和水滴完全挥发后，在基体材料表面形成水滴留下的球形凹坑的显微结构，即得所述裸眼3D显示屏材料；
其中，所述恒温恒湿密闭容器内的温度为15℃～35℃，所述恒温恒湿密闭容器内的相对湿度为60％～95％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述挥发性溶剂选自二硫化碳、二氯甲烷、三氯甲烷和甲苯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料采用均聚物或共聚物。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料选自聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚碳酸酯、聚乙烯亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光学透明基板为二氧化硅玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的制备方法制得的裸眼3D显示屏材料，包括：
光学透明基板；以及
形成于所述光学透明基板上的基体材料，
其中，所述基体材料为光学透明材料，所述基体材料的表面形成球形凹坑的显微结构。
7.根据权利要求6所述的裸眼3D显示屏材料，其特征在于，所述球形凹坑的顶面圆形半径为1μm～100μm，凹坑深度为0.01μm～100μm。
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