裸眼三维显示装置

摘要

本发明提供一种裸眼三维显示装置，其包括：显示部件，其包括由多个显示单元阵列排布而成的显示单元阵列；和，视角调控器件，其包括由多个视角调控单元阵列排布而成的视角调控单元阵列，其中每个视角调控单元与多个显示单元相对应，所述显示单元被分为多组，每组显示单元发出的光线通过视角调控器件被汇聚为一个视角，不同组显示单元发出的光线通过视角调控器件被汇聚为不同视角，每组显示单元中的各个显示单元对应不同视角调控单元，每个视角调控单元对应的多个显示单元被分到不同组中。这样，可以实现在不同的视角下观看到的不同的三维显示效果，可再现全视差图像。

权利要求

1.一种裸眼三维显示装置，其特征在于，其包括：显示部件，其包括由多个显示单元排布而成的显示单元阵列；和视角调控器件，其包括由多个视角调控单元阵列排布而成的视角调控单元阵列，其中每个视角调控单元与多个显示单元相对应，所述显示单元被分为多组，每组显示单元发出的光线通过视角调控器件被汇聚为一个视角，不同组显示单元发出的光线通过视角调控器件被汇聚为不同视角，每组显示单元中的各个显示单元对应不同视角调控单元，每个视角调控单元对应的多个显示单元被分到不同组中，所述视角调控器件包括由微透镜单元阵列排布而成的微透镜阵列以及用于扩大视场角的屈光透镜，所述微透镜单元排成多行和多列，微透镜阵列与屈光透镜为一体式结构，或者，微透镜阵列组装于屈光透镜的一侧，所述显示单元阵列被配置的同时显示视角各不相同的多个图像。

2.如权利要求1所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，其还包括：位于所述显示部件和所述视角调控器件之间的光线准直部件，所述光线准直部件被配置的对所述显示单元发出的光线进行方向上的准直和集束。

3.如权利要求2所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，所述光线准直部件包括孔径阵列光阑，所述孔径阵列光阑包括排布成阵列的孔径，每个孔径与一个发光二极管相对应，一个发光二极管发出的光线经过对应的孔径被传播至对应的视角调控单元。

4.如权利要求3所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，所述孔径的面向所述发光二极管的一侧的直径小于所述孔径的面向所述视角调控单元的一侧的直径。

5.如权利要求1所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，所述屈光透镜为谐衍射透镜或菲涅耳透镜。

6.如权利要求5所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，每个微透镜单元采用谐衍射透镜结构或菲涅耳透镜结构。

7.如权利要求1所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，每个微透镜单元为圆形、矩形、八边形、六边形、棱形中的一种或多种；或者部分微透镜单元的尺寸大，部分微透镜单元的尺寸小，大尺寸微透镜单元排布成阵列并且相互之间有间隙，小尺寸微透镜单元设置于大尺寸微透镜单元阵列的间隙内，小尺寸微透镜单元的形状为圆形、矩形、八边形、六边形、棱形中的一种，大尺寸微透镜单元的形状为圆形、矩形、八边形、六边形、棱形中的一种。

8.如权利要求1所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，所述显示部件为OLED屏幕、miniLED屏幕或microLED屏幕，所述显示单元包括一个或多个发光二极管；或者

所述显示部件为微发光二极管显示屏幕，每个发光二极管的长度和宽度均为小于等于

100微米，每个发光二极管能够被单独驱动点亮。

9.如权利要求1所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，所述显示单元至少包括一个红色发光二极管、一个蓝色发光二极管和一个绿色发光二极管中的一个，红色发光二极管、蓝色发光二极管和绿色发光二极管发出的光线穿过同一个视角调控单元后成像。

10.如权利要求1所述的裸眼三维显示装置，其特征在于，用户在第一位置观看所述显示部件时，用户的一只眼睛位于第一个视角处且能够看到第一组显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，另一只眼睛位于第二视角处且能够看到第二组显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，这样用户在第一位置就能够看到具有视角差的两张不同视角的图像，以在用户脑中形成第一三维图像；

用户在第二位置观看所述显示部件时，用户的一只眼睛位于第三视角处且能够看到第三组显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，另一只眼睛位于第四视角处且能够看到第四组显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，这样用户在第二位置就能够看到具有的另外两张不同视角的图像，以形成第二三维图像，其中第一三维图像与第二三维图像的视角不同。

说明书

裸眼三维显示装置

技术领域

[0001] 本发明涉及三维显示技术领域，尤其涉及一种裸眼三维显示装置。

背景技术

[0002] 作为人类获取信息的主要来源之一，视觉在日常生活中显得尤为重要。与自然景物不同，目前传统显示器件只能呈现二维图像。这种缺乏深度的平面信息在一定程度上限
制了人类对广阔世界的探索与认知。研究显示，人类的大脑几乎50%的部分均用于参与视觉
信息的处理，二维图像的呈现方式导致大脑利用率降低。裸眼3D(three dimensional，3D)
显示在影视、游戏、教育、车载、航空、医疗、军事都有巨大的应用价值。以军事领域为例，从
机械制造、战场分析、军队指挥、远程操作等各个环节，都需要3D图像的可视化，对工作效率
提升将具有巨大影响。因此，3D显示被誉为“下一代显示技术”，成为重要研究领域和诸多显
示公司争相研究的技术之一。

[0003] 基于视差屏障、柱透镜阵列、时空复用、亦或是集成光场等实现裸眼3D显示的机理和方法，均是利用具有周期性微结构或纳结构的光学元件对显示光场进行相位调控，将不
同视角图像信息以近似平行光束的方式投射至不同视角。尽管自由立体显示技术已取得巨
大进展，裸眼3D显示技术尚未成功进入平板显示领域。眩晕感（辐辏调解矛盾）、图像串扰/
鬼影、分辨率下降等显示问题，以及超薄化、光利用率等器件结构问题亟待解决。

[0004] 因此，有必要提出一种改进的方案来克服上述问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种裸眼三维显示装置，其可以实现在不同的视角下观看到的不同的三维显示效果，可再现全视差图像。

[0006] 为实现发明目的，根据本发明的一个方面， 本发明提供一种裸眼三维显示装置，其包括：显示部件，其包括由多个显示单元阵列排布而成的显示单元阵列；和视角调控器
件，其包括由多个视角调控单元阵列排布而成的视角调控单元阵列，其中每个视角调控单
元与多个显示单元相对应，所述显示单元被分为多组，每组显示单元发出的光线通过视角
调控器件被汇聚为一个视角，不同组显示单元发出的光线通过视角调控器件被汇聚为不同
视角，每组显示单元中的各个显示单元对应不同视角调控单元，每个视角调控单元对应的
多个显示单元被分到不同组中。

[0007] 与现有技术相比，本发明提供采用微透镜阵列作为视角调控器件，可以实现在不同的视角下观看到的不同的三维显示效果，可再现全视差图像。

附图说明

[0008] 图1为利用二维微透镜阵列再现全视差图像的基本原理示意图；

[0009] 图2为利用二维微透镜阵列再现全视差图像的两种实现方案的示意图；

[0010] 图3为本发明中的裸眼三维显示装置在第一个实施例中的结构示意图；

[0011] 图4为本发明中的裸眼三维显示装置在第二个实施例中的结构示意图；

[0012] 图5为本发明中的视角调控器件在一个实施例中的形成原理图；

[0013] 图6为本发明中的透镜塌陷设计的原理图；

[0014] 图7为本发明中的视角调控器件在一个实施例中的制造示意图；

[0015] 图8为本发明中的裸眼三维显示装置的原理分析示意图；

[0016] 图9为本发明中的裸眼三维显示装置在第三个实施例中的结构示意图；

[0017] 图10为图9中的孔径阵列光阑在一个实施例中的俯视示意图以及剖视示意图；

[0018] 图11为图10中的孔径阵列光阑中的孔径的光线传播效果示意图；

[0019] 图12为本发明中的微透镜阵列的两种排布方式示意图，其中各个微透镜的口径一致；

[0020] 图13为本发明中的微透镜阵列的另外三种排布方式示意图，其中各个微透镜的口径不完全一致；和

[0021] 图14为单一口径微透镜的信息密度排布和多口径复合结构的信息密度排布的对比示意图。

具体实施方式

[0022] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

[0023] 二维微透镜阵列可再现全视差图像，其原理如图1所示，图像记录时，记录下每个微透镜单元对应生成的不同视角图像，图像再现时，多视角图像元的出射光线在微透镜阵
列前方再现出来，通过微透镜阵列的方法在二维空间上重构多达数千个视角，可以实现全
视差，即存在水平和垂直方向的视差，形成完整的 3D 图像，并可提供运动视差信息。

[0024] 在描述微透镜阵列形貌时，可以引入方程：

[0025]

[0026] 式中，C是透镜顶点处的曲率(curvature)，K是圆锥常数(conic constant)，R是透镜表面上的点到透镜中心的距离，ak是高阶非球面系数。当ak为零时，圆锥常数K决定了液体
透镜的表面。当K< ‑1时，是双曲线；当K= ‑1时，是抛物线；当‑1 是圆；当K> 0时，是椭圆。对于非球面而言，在透镜成像质量方面，圆锥常数起着非常重要的
作用，圆锥常数的大小会影响透镜的几何像差，因此，在设计非球面透镜时，要控制圆锥常
数。

[0027] 现有利用微透镜阵列实现裸眼3D显示的方法中，结构形貌参数（曲率、矢高）随位置参数（x y）周期变化，不是独立变量。因此不满足光场重建要求，不能重建3D光场。具体表
现为显示效果不佳、分辨率下降严重、视场角受限等问题没有得到很好的解决。

[0028] 如图2的左图，其还存在视场角受限问题，这主要是由于大视场角下，单个微透镜对应的图像超出本视角图像区域。一种解决的方法为使用弯曲的显示屏幕，如图2的右图所
示的，从而改变边缘微透镜和显示屏幕（其包括有多个显示单元）的光轴位置。使边缘微透
镜对应的视角图像始终位于视角对应的显示单元中心。然而该方法改变传统显示屏幕形
态，不符合平板显示观察习惯，携带不便。

[0029] 图3为本发明中的裸眼三维显示装置在第一个实施例300中的结构示意图。如图3所示的，所述裸眼三维显示装置包括显示部件310和视角调控器件320。

[0030] 所述显示部件310也可以被称为显示屏幕。所述显示部件可以为OLED屏幕、miniLED屏幕、OLED屏幕或microLED屏幕，还可以是LCD显示屏幕等。优选的，所述显示部件
310为微发光二极管(microLED)显示屏幕，每个发光二极管的长度和宽度均为小于等于100
微米，每个发光二极管能够被单独驱动点亮。由于采用microLED屏幕，所述显示部件310的
分辨率可以被极大的提高，从而提高最终的3D显示图像的分辨率。所述显示部件310包括由
多个显示单元阵列排布而成的显示单元阵列，多个显示单元组成一个显示组件311。图3中
仅显示了五个显示组件311，实际上，所述显示组件311的数目可以很多。每个显示组件311
包括阵列排布的多个显示像素或显示单元，比如每个显示单元可以是一个LED单元。所述显
示单元阵列被配置的同时显示视角各不相同的多个图像。

[0031] 所述视角调控器件320包括由多个视角调控单元321阵列排布而成的视角调控单元阵列，其中每个视角调控单元321与一个显示组件311相对应。所述显示单元被分为多组，
每组显示单元发出的光线通过视角调控器件320被汇聚为一个视角，不同组显示单元发出
的光线通过视角调控器件被汇聚为不同视角，每组显示单元中的各个显示单元对应不同视
角调控单元321，每个视角调控单元321对应的多个显示单元被分到不同组中。

[0032] 在一个实施例中，所述显示单元至少包括一个红色发光二极管、一个蓝色发光二极管和一个绿色发光二极管中的一个，红色发光二极管、蓝色发光二极管和绿色发光二极
管发出的光线穿过同一个视角调控单元321。

[0033] 如图3所示的，所述视角调控单元阵列的远离显示部件310一侧为微透镜单元331组成的微透镜阵列330，所述视角调控单元阵列的靠近显示部件310一侧为屈光透镜340。此
实施例中，所述屈光透镜340为凸透镜。所述微透镜单元331用于将所述显示单元311显示的
图像成像至相应的视角，所述屈光透镜340用于扩大视场角，这样所述显示部件310就不需
要如图2那样设置的为弯曲形状。如图3所示，所述凸透镜比较厚，不利于减小装置的厚度。
当然，在另一个实施例中，也可以将微透镜阵列330设置于靠近显示部件310的一侧，将屈光
透镜340设置于远离显示部件310的一侧。

[0034] 图6为本发明中的透镜塌陷设计原理图。如图6所示的，原来的大凸透镜塌陷得到的过程如下：塌陷的高度可以是2π或者2π的整数P倍，如图6所示，塌陷形成的单层结构有着
很薄的厚度，并且结构形貌能够用光刻设备加工。需要知道的是，塌陷形成的单层结构的光
学效果与塌陷前的大凸透镜的光学效果类似。根据图6所示的原理，也可以将图3中的屈光
透镜340进行塌陷设计，以降低屈光透镜340的厚度。

[0035] 图4为本发明中的裸眼三维显示装置在第二个实施例400中的结构示意图。图4中的裸眼三维显示装置400包括显示部件410和视角调控器件420，所述视角调控器件420包括
微透镜阵列430和屈光透镜440，其与图3中的裸眼三维显示装置300基本相同。两者的不同
之处在于：图4中的屈光透镜400为谐衍射透镜，而图3中的屈光透镜440为普通的凸透镜，此
外，图4中的谐衍射透镜与微透镜阵列430是一体的，形成复合视角调控器件，而图3中的屈
光透镜340是组装在微透镜阵列330的一侧。该复合视角调控器件420的一侧表面为微透镜
阵列430，另一侧为谐衍射透镜。此时，每个视角调控单元包括位于远离显示部件一侧的微
透镜单元431和位于靠近显示部件410一侧的谐衍射透镜单元，其中多个视角调控单元的谐
衍射透镜单元组成一个完整谐衍射透镜。在另一个实施例中，所述屈光透镜440也可以菲涅
耳透镜。图4中的谐衍射透镜可以是根据透镜塌陷设计原理将图3中的凸透镜340进行塌陷
设计而得到的。

[0036] 拱形微透镜阵列能够获得更大的视场角，然而拱形结构加工不便，凸起的微透镜阵列也难以与显示屏幕对准。同样的，也可以利用图6所示的透镜塌陷设计的方法，将拱形
微透镜阵列同样能够通过塌陷形成较薄的结构。图5为本发明中的视角调控器件在一个实
施例中的形成原理图。如图5所示的，微透镜阵列塌陷的后的形貌可以看作是多个菲涅尔透
镜阵列组成，即每个微透镜单元均采用菲涅耳透镜结构，微透镜阵列530与谐衍射透镜540
叠加形成复合光学透镜520，进而获得更大的视场角，并且把此时的视角调控器件会变得很
轻薄。需要知道的是，图5中的复合光学透镜不同于图4中的将微透镜阵列形成于透镜的一
侧，将谐衍射透镜形成于透镜的另一侧的形式，而是提前将谐衍射透镜和微透镜阵列的相
位叠加，直接制作出复合光学透镜。通过相位叠加可以实现具有“微透镜阵列+凸透镜”复合
光学特性的单层薄膜器件，如图5中，这样既简化了加工工艺步骤，又减薄了器件厚度，并提
高了3D显示的观察视场角。当然，图5中的谐衍射透镜540也可以采用菲涅尔透镜，即微透镜
阵列+菲涅尔透镜构成复合光学透镜。此外，每个微透镜单元也可以采用谐衍射透镜结构。

[0037] 图7为图4中的视角调控器件420在一个实施例中的制造原理图。如图7所示，视角调控器件420为双面结构，此时可以通过使用事先刻好的模具1、2在基板上两面分别压印，
使用模具1利用压印的方式在基板的一个表面上压印形成微透镜阵列结构，使用模具2利用
压印的方式在基板的另一个表面上延伸形成谐衍射透镜。当然，还可以采用其他方式来制
作视角调控器件。

[0038] 图8为本发明中的裸眼三维显示装置的原理分析示意图。如图8所示的，共显示出了五个视角调控单元321‑1至321‑5，以及五个显示组件311‑1至311‑5，数目仅仅是举例，很
显然还可以是其他数目。每个视角调控单元321包括微透镜单元331和所述屈光透镜340中
的一个屈光透镜单元341。所述显示单元被分为多组，每组显示单元发出的光线通过视角调
控器件321‑1至321‑5被汇聚为一个视角，不同组显示单元发出的光线通过视角调控器件被
汇聚为不同视角θ1至θ5。每组显示单元中的各个显示单元（对应某个视角）对应不同视角调
控单元，每个视角调控单元对应的多个显示单元被分到不同组中，每个视角调控单元所对
应的显示组件，其发出的光线因入射方向不同而被所述视角调控单元分散出射至不同视角
中。在视角θ1处，可以看到分布在不同的显示组件中的各个显示单元发出来的光线，从而看
到一个视角的图像。同样的，在其他视角下，也可以看到分布在不同的显示组件中的各个显
示单元发出来的光线，从而看到其他视角的图像。

[0039] 这样，用户在第一位置观看所述显示部件时，用户的一只眼睛位于第一个视角处且能够看到第一组显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，另一只眼睛位于
第二视角处且能够看到第二组显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，比
如，图8中用户在第一位置时，一只眼睛位于视角θ1，另一只眼睛位于视角θ2，这样用户在第
一位置就能够看到具有视角差的两张不同视角的图像，以在用户脑中形成第一三维图像。
用户在第二位置观看所述显示部件时，用户的一只眼睛位于第三视角处且能够看到第三组
显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，另一只眼睛位于第四视角处且能够
看到第四组显示单元通过对应的不同的视角调控单元发出的光线，比如，图8中用户在第二
位置时，一只眼睛位于视角θ3，另一只眼睛位于视角θ4，这样用户在第二位置就能够看到具
有的另外两张不同视角的图像，以形成第二三维图像，其中第一三维图像与第二三维图像
的视角不同。

[0040] 图9为本发明中的裸眼三维显示装置在第三个实施例900中的结构示意图。如图9所示的，所述裸眼三维显示装置900同样包括显示部件910和视角调控器件920。图9中的裸
眼三维显示装置与图4中的裸眼三维显示装置的不同之处在于：图9中的裸眼三维显示装置
900还包括有光线准直部件。在图9所示的示例中，所述光线准直部件为孔径阵列光阑950，
其对显示部件910的出射光线进行准直。结合图10和11所示的，所述孔径阵列光阑950包括
排布成阵列的孔径951，每个孔径可以与一个显示像素（比如一个发光二极管）相对应，一个
显示像素发出的光线经过对应的孔径951被传播至对应的视角调控单元。

[0041] 孔径951的形状可以是方形、圆形、多边形，但考虑光线的对称性，优选圆形。所述孔径951可以是圆形的柱体，如图11（a），也可以是梯形的柱体，如图11（b），此时所述孔径
951的面向所述显示部件的显示像素的一侧的直径小于所述孔径的面向所述视角调控单元
的一侧的直径。

[0042] 此外，所述裸眼三维显示装置还可以包括遮挡装置。所述遮挡装置可以是单独器件位于视角调控器件上方或下方，或集成（嵌入）在视角调控器件上。或者，也可以将遮挡装
置与孔径光阑集成，对应于集成遮挡装置的阵列孔径光阑。

[0043] 在一个实施例中，所述显示部件提供各个视角图像，每个视角图像由对应显示单元的多个显示像素组成，每个显示像素由R、G、B三色组成，所述显示部件发出的光首先通过
孔径阵列光阑进行准直，每个显示像素的R、G、B与孔径阵列光阑的孔径一一对应。经孔径阵
列光阑准直后的光线经过视角调控器件，将光线转折预设位置。

[0044] 图12为本发明中的微透镜阵列的两种排布方式示意图，其中图12的左图中每个微透镜单元为圆形，微透镜单元之间有间隙，图12的右图每个微透镜单元为六边形，微透镜单
元之间没有了间隙，所述微透镜单元排布成蜂窝状，这样可以实现分辨率的提升。图12中的
两种排布方式中微透镜单元的口径是统一的。此外，所述微透镜单元还可以为其他形状，比
如矩形、八边形、棱形等。

[0045] 图13为本发明中的微透镜阵列的另外三种排布方式示意图。如图13所示的，所述微透镜阵列包括阵列排布的尺寸大（或称口径大）的微透镜单元以及阵列排布的尺寸小（或
称口径小）的微透镜单元，大尺寸微透镜单元排布成阵列并且相互之间有间隙，小尺寸微透
镜单元设置于大尺寸微透镜单元阵列的间隙内。图13中，微透镜单元的口径不统一，有的
大，有的小，小口径微透镜单元的形状为圆形、矩形、八边形、六边形、棱形中的一种，大口径
微透镜单元的形状为圆形、矩形、八边形、六边形、棱形中的一种。这样可以一定程度上提高
分辨率。

[0046] 更重要的是，通过组合不同口径的微透镜阵列，将实现不同视角范围内3D景物信息的采集和呈现，因此可得到不同信息密度的三维显示效果，如图所示。这种中心信息密度
高，边缘信息密度低的显示方法，与人眼视网膜，中心凹区域感光细胞密度高，边缘区域感
光细胞密度低的排列类似。在信息量有限的情况下，将更多信息放在中心视角，符合人眼观
察习惯。图14为单一口径微透镜的信息密度排布和多口径复合结构的信息密度排布的对比
示意图，其中图13所示的三种排布方式为多口径复合结构，图12中的两种排布方式为单一
口径微透镜。

[0047] 在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

[0048] 在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词
的使用不应限制本申请请求保护的范围。

[0049] 在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。