指向性彩色滤光片和裸眼3d显示装置的制造方法
指向性彩色滤光片和裸眼3d显示装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及立体显示技术领域，更具体地说，涉及一种指向性彩色滤光片和裸眼 3D显示装置。
【背景技术】
[0002] 由于3D显示技术可以使画面变得更加立体逼真，让观众有一种身临其境的感觉， 因此，3D显示技术越来越受到人们的欢迎。
[0003] 3D显示技术的原理是利用人的左右眼分别接收具有视差的不同画面，然后通过大 脑对视差图像叠加构成一个具有前后、左右、上下、远近等立体方向效果的影像。虽然现有 技术中不断有基于视差原理的裸眼3D显示器件产生，但是，由于现有的裸眼3D显示器件具 有图像串扰易引起视觉疲劳以及视角小等问题，因此，现有的裸眼3D显示器件并未真正进 入消费电子产品领域。
[0004] 现有技术提出了一种新的3D显示技术即指向性背光技术，该技术是在导光板上加 工特殊设计的结构来使光线传播指向不同的方向，以形成视角较大的视差照明。如中国专 利CN201410187534.X提出一种裸眼3D背光模组，其采用一组或多组LED时序光源结合凸透 镜、多边棱镜以及视差屏障来实现多视角3D显示。但是，由于这种背光模组的透镜、棱镜等 结构的设计和精密加工精度在技术上很难实现，并且，当两个光源的光入射到视差屏障的 同一个区域时，会导致该区域同时出射两种颜色的光，即导致该区域出射的光线出现串扰， 因此，基于指向性背光技术的裸眼3D显示器件一直未能得到实际应用。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种指向性彩色滤光片和裸眼3D显示装置，以解决现有 技术中由于背光模组的透镜、棱镜等结构的设计和精密加工精度在技术上很难实现且很容 易出现光线串扰的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种指向性彩色滤光片，包括彩色滤光片和位于所述彩色滤光片出光面的指向性 功能结构层；
[0008] 所述彩色滤光片包括多个滤光单元，每一所述滤光单元包括至少三个不同颜色的 滤光子单元，其中透过同一颜色的滤光子单元的光的颜色相同；
[0009] 所述指向性功能结构层包括多个结构单元，每一所述结构单元与一所述滤光单元 对应设置;每一所述结构单元包括至少三个结构子单元;每一所述结构子单元与一所述滤 光子单元对应设置，以使透过每一所述滤光子单元的光入射到对应的一所述结构子单元 中；
[0010] 每一所述结构子单元包括多个纳米衍射光栅;同一结构子单元内的纳米衍射光栅 的周期和取向角不同，以使透过同一结构子单元的相同颜色的光具有不同的视角；同一滤 光单元不同颜色的滤光子单元对应的结构子单元内相同位置的纳米衍射光栅的周期和取 向角也不同，以使合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。
[0011] 优选的，所述滤光单元包括红色滤光子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元， 且所述红色滤光子单元仅透射红光，所述绿色滤光子单元仅透射绿光，所述蓝色滤光子单 元仅透射蓝光；
[0012] 所述结构单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元，所述第 一结构子单元与所述红色滤光子单元对应设置，所述第二结构子单元与所述绿色滤光子单 元对应设置，所述第三结构子单元与所述蓝色滤光子单元对应设置。
[0013] 优选的，所述纳米衍射光栅的周期和取向角由入射光线的波长、入射角、衍射光线 的衍射角和衍射方位角决定。
[0014] 优选的，所述指向性彩色滤光片采用光刻技术、紫外连续变空频光刻技术或纳米 压印技术制作而成。
[0015]优选的，所述指向性彩色滤光片对应视点的张角达到150度及以上。
[0016] 优选的，所述指向性彩色滤光片中的纳米衍射光栅的周期范围为300纳米~3微 米。
[0017] 一种裸眼3D显示装置，包括指向性彩色滤光片、设置在所述指向性彩色滤光片入 光侧的光源阵列和设置在所述指向性彩色滤光片出光侧的液晶显示面板；
[0018] 所述光源阵列包括至少三种激光点光源，不同种类的激光点光源发射的激光颜色 不同，所述激光点光源用于在预设位置发射以预设角度入射到所述指向性彩色滤光片的激 光；
[0019] 所述指向性彩色滤光片为如上任一项所述的指向性彩色滤光片，所述指向性彩色 滤光片通过调整透过所述滤光子单元和对应的结构子单元的激光的相位，来使透过同一滤 光子单元的相同颜色的光具有不同的视角，合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的 视角；
[0020] 所述液晶显示面板包括多个像素单元，每一所述像素单元包括至少三个子像素， 每一所述像素单元与一所述滤光单元对应设置，同一所述像素单元内的子像素与对应的所 述滤光单元内的滤光子单元一一对应设置，所述液晶显示面板通过调整透过所述子像素的 激光的振幅，来使相同视角的不同颜色光合成同一视角图像，不同视角的图像合成3D显示 图像。
[0021] 优选的，所述激光点光源包括发射激光的激光器以及设置在所述激光器出光路径 上的激光扩束器，所述激光扩束器用于扩展所述激光的直径，以使所述激光照射到所述指 向性彩色滤光片的整个面板上。
[0022] 优选的，所述光源阵列包括发射红光的红激光点光源、发射绿光的绿激光点光源 和发射蓝光的蓝激光点光源。
[0023] 优选的，所述至少三个不同颜色的滤光子单元包括红色滤光子单元、绿色滤光子 单元和蓝色滤光子单元，所述红色滤光子单元仅透射红激光，所述绿色滤光子单元仅透射 绿激光，所述蓝色滤光子单元仅透射蓝激光；
[0024]所述至少三个结构子单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单 元;所述至少三个子像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素；
[0025]所述红色子像素与所述第一结构子单元和所述红色滤光子单元对应设置，所述绿 色子像素与所述第二结构子单元和所述绿色滤光子单元对应设置，所述蓝色子像素与所述 第三结构子单元和所述蓝色滤光子单元对应设置。
[0026]与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
[0027]本发明所提供的指向性彩色滤光片和裸眼3D显示装置，光线在入射到指向性功能 结构层中的纳米衍射光栅之前，通过对应的滤光子单元进行了分色滤光，因此，不会出现同 一纳米衍射光栅出射两种颜色的光，导致出射的光线出现串扰的问题；
[0028] 并且，本发明中不需要采用高精度的透镜、棱镜等结构，且指向性彩色滤光片在技 术上较容易实现，因此，本发明提供的基于指向性背光技术的无疲劳的多视角裸眼3D显示 器件能够得到实际应用。
【附图说明】
[0029] 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 提供的附图获得其他的附图。
[0030] 图1为本发明一个实施例提供的指向性彩色滤光片的剖面结构示意图；
[0031] 图2为本发明一个实施例提供的指向性彩色滤光片的平面结构示意图；
[0032] 图3为图1所示的指向性彩色滤光片中彩色滤光片的平面结构示意图；
[0033] 图4为图1所示的指向性彩色滤光片中指向性功能结构层的平面结构示意图；
[0034]图5为图4所示的指向性功能结构层的局部放大图；
[0035] 图6为图4所示的纳米衍射光栅在XY平面下的结构图；
[0036] 图7为图4所示的纳米衍射光栅在XZ平面下的结构图；
[0037]图8为本发明一个实施例提供的裸眼3D显示装置的剖面结构示意图；
[0038]图9为图8所示的裸眼3D显示装置中液晶显示面板的平面结构示意图；
[0039]图10为图8所示的裸眼3D显示装置的光路图。
【具体实施方式】
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041] 本发明的一个实施例提供了一种指向性彩色滤光片，参考图1和图2,图1为该指向 性彩色滤光片的剖面结构示意图，图2为 该指向性彩色滤光片的平面结构示意图，该指向性 彩色滤光片包括彩色滤光片1和位于彩色滤光片1出光面的指向性功能结构层2。
[0042] 参考图3,彩色滤光片1包括多个阵列排布的滤光单元10,每一滤光单元10包括至 少三个不同颜色的滤光子单元100,其中透过同一颜色的滤光子单元100的光的颜色相同。 [0043] 具体地，滤光单元10可以包括三个不同颜色的滤光子单元100,这三个滤光子单元 可以包括红色滤光子单元R1、绿色滤光子单元G1和蓝色滤光子单元B1，且红色滤光子单元 R1仅透射红光，绿色滤光子单元G1仅透射绿光，蓝色滤光子单元B1仅透射蓝光。也就是说， 红色滤光子单元R1区域对应的膜片只透射红光、其他颜色的光不能透过，绿色滤光子单元 G1区域对应的膜片只透射绿光、其他颜色的光不能透过，蓝色滤光子单元B1区域对应的膜 片只透射蓝光、其他颜色的光不能透过。当然，本发明并不仅限于此，例如，在其他实施例中 滤光单元可以包括红色滤光子单元、绿色滤光子单元、蓝色滤光子单元和白色滤光子单元 这四个滤光子单元。
[0044]参考图4,指向性功能结构层2包括多个阵列排布的结构单元20,每一结构单元20 与一滤光单元10对应设置，每一结构单元20又包括至少三个结构子单元200,每一结构子单 元200与一滤光子单元100对应设置，以使透过每一滤光子单元100的相同颜色的光入射到 对应的一结构子单元200中。本实施例中，对应设置是指在垂直于指向性彩色滤光片面板的 方向上，滤光子单元100的投影完全覆盖结构子单元200的投影，或滤光单元10的投影完全 覆盖结构单元20的投影。
[0045]本实施例中，每一结构子单元200还包括多个阵列排布的纳米级别的衍射光栅即 纳米衍射光栅2000。其中，同一结构子单元200内的纳米衍射光栅2000的周期和取向角不 同，以使透过同一结构子单元200的相同颜色的光具有不同的视角即使得透过的光线传播 指向不同的方向。其中，同一结构单元20内对应不同颜色的滤光子单元100的结构子单元 200中相同位置的纳米衍射光栅2000的周期和取向角也不同，以使合成同一视角图像的不 同颜色的光具有相同的视角。
[0046] 参考图5,假设每一结构单元20包括三个结构子单元200,这三个结构子单元包括 第一结构子单元200a、第二结构子单元200b和第三结构子单元200c，且第一结构子单元 200a与红色滤光子单元R1对应设置、第二结构子单元200b与绿色滤光子单元G1对应设置、 第三结构子单元200c与蓝色滤光子单元B1对应设置。
[0047] 进一步地，这三个结构子单元中每一结构子单元又包括2X2个纳米衍射光栅，即 第一结构子单元200a包括2001a、2001b、2001c和2001d四个纳米衍射光栅，第二结构子单元 200b包括2002a、2002b、2002c和2002d四个纳米衍射光栅，第三结构子单元200c包括2003a、 2003b、2003c和2003d四个纳米衍射光栅。
[0048] 其中，2001a、2001b、2001c和2001d这四个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同， 以使透过这四个纳米衍射光栅的红光具有四个不同的视角，2002a、2002b、2002c和2002d这 四个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，以使透过这四个纳米衍射光栅的绿光具有四个 不同的视角，2003a、2003b、2003c和2003d这四个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，以 使透过这四个纳米衍射光栅的蓝光具有四个不同的视角。
[0049] 并且，2001a、2002a和2003a这三个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，2001b、 2002b和2003b这三个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，2001c、2002c和2003c这三个纳 米衍射光栅的周期和取向角均不同，2001d、2002d和2003d这三个纳米衍射光栅的周期和取 向角均不同，以使合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。
[0050]其中，每一结构子单元200内相同位置的纳米衍射光栅出射的光线会聚于一个视 点，为同一视角图像提供光源。参考图5,2001a、2002a和2003a这三个纳米衍射光栅出射的 光线具有相同的视角，能够会聚于一个视点l;2001b、2002b和2003b这三个纳米衍射光栅出 射的光线会聚于一个视点2;2001c、2002c和2003c这三个纳米衍射光栅出射的光线会聚于 一个视点3; 2001d、2002d和2003d这三个纳米衍射光栅出射的光线会聚于一个视点4。也就 是说，图5所示的指向性彩色滤光片能够为4个不同视角的图像提供光源。
[0051]本实施例中，指向性彩色滤光片的视点个数与每个结构子单元内的纳米衍射光栅 的个数对应。若有两个视点，则每个结构子单元内有两个纳米衍射光栅;若有四个视点，则 每个结构子单元有2 X 2即4个纳米衍射光栅;若有九个视点，则每个结构子单元有3 X 3BP9 个纳米衍射光栅。由此可知，本实施例中的指向性彩色滤光片形成的3D图像的显示分辨率 比通常的2D图像的显示分辨率至少提高2倍以上。
[0052]由于透过第一结构子单元200a的红光与透过第二结构子单元200b的绿光以及透 过第三结构子单元200c的蓝光的波长不同，因此，若这三个结构子单元中的相同位置的纳 米衍射光栅结构的周期和取向角都相同，如纳米衍射光栅2001a、2002a和2003a的周期和取 向角相同，那么，透过纳米衍射光栅2001a的红光、透过纳米衍射光栅2002a的绿光与透过纳 米衍射光栅2003a的蓝光的衍射角必定不同，这就会导致纳米衍射光栅2001a出射的红光、 纳米衍射光栅2002a出射的绿光和纳米衍射光栅2003a出射的蓝光不在同一个焦点上即这 三种颜色的光的视角不同，从而不能根据三基色原理将这三种颜色的光合成同一视角的彩 色图像。
[0053]也就是说，本实施例中第一结构子单元200a中的纳米衍射光栅的周期和取向角是 根据透过红色滤光子单元R1的红光的波长和入射角对应设定的，第二结构子单元200b中的 纳米衍射光栅的周期和取向角是根据透过绿色滤光子单元G1的绿光的波长和入射角对应 设定的，第三结构子单元200c中的纳米衍射光栅的周期和取向角是根据透过蓝色滤光子单 元B1的蓝光的波长和入射角对应设定的。
[0054] 具体地，纳米衍射光栅的周期和取向角是由入射光线的波长、入射角、衍射光线的 衍射角和衍射方位角决定的。以纳米衍射光栅2001a为例，参考图6和图7，图6是纳米衍射光 栅2001a在XY平面下的结构图，图7是纳米衍射光栅2001a在XZ平面下的结构图。根据光栅方 程，纳米衍射光栅的周期、取向角满足以下关系：
[0055]
[0056]
[0057]其中，入射光线A以一定的入射角入射到纳米衍射光栅，Θ1表示纳米衍射光栅出射 的衍射光B的衍射角即衍射光线与z轴正方向的夹角，Φ1表示衍射光B的方位角即衍射光线 与X轴正方向的夹角，Θ表示入射光线A的入射角即入射光线与z轴正方向的夹角，λ表示入射 光线Α的波长，Λ表示纳米衍射光栅的周期，φ表示纳米衍射光栅的取向角即纳米衍射光栅 槽型方向与y轴正方向的夹角，η表示入射光线Α在介质中的折射率。
[0058] 也就是说，在规定好入射光线的波长、入射角以及衍射光线的衍射角和衍射方位 角之后，就可以根据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波长的红光以60°角入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，通过计算得出对应的 纳米衍射光栅的周期为550nm，取向角为-5.96°。
[0059] 按照上述原理设定每个结构单元内各个纳米衍射光栅的周期和取向角后，由于一 个纳米衍射光栅相当于单个离轴菲涅尔结构，因此，各个结构子单元中相同位置的纳米衍 射光栅出射的光线就可以会聚于一个视点，构成一视角图像。当每个结构子单元内包括nX m个纳米衍射光栅时，η X m个纳米衍射光栅就可以构成η X m个不同焦点的离轴菲涅尔结构， 进而可以获得nXm个不同的视点，然后再配合液晶显示面板对颜色和灰度的控制，就能实 现多视角的裸眼3D全息图像显示。其中，η为大于或等于1的自然数，m为大于或等于2的自然 数。
[0060] 由于全息图像是一种携带振幅与位相信息的图像，在空间不同观察点均可看到不 同视角下的整幅图像，各个图像之间互不干扰，能真实再现三维信息，且不产生视觉疲劳， 立体显示效果与观察者的距离无关，因此，将本实施例提供的指向性彩色滤 光片和激光光 源以及液晶显示面板配合使用，可实现无视觉疲劳的多视角裸眼3D显示效果。
[0061] 本实施例中，指向性功能结构层2可以直接制作在彩色滤光片1上，也可通过贴合 的方式将指向性功能结构层2贴在彩色滤光片1上。在观看采用彩色滤光片1的指向性彩色 滤光片形成的3D图像时，即使观看位置上下变化，看到的3D图像也不会有颜色跳变。如果不 采用彩色滤光片1进行分色滤光，而是直接做成指向性功能结构层2的镶嵌结构，虽然也可 将红光、绿光和蓝光成像在相同的空间位置，但是，在纳米衍射光栅色散效应的影响下，观 看位置上下变化时，容易出现光线的串扰，导致3D图像的颜色发生跳变。
[0062] 本实施例中，指向性彩色滤光片采用光刻技术、紫外连续变空频光刻技术或纳米 压印技术制作而成，所述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，在本实施例中可以采用光刻技术制 作出不同指向的纳米衍射光栅，再做出能够用于压印的模板，然后通过纳米压印技术批量 压印出纳米衍射光栅构成的结构单元阵列。
[0063] 本实施例中，指向性彩色滤光片的作用是将构成各视角图像的光会聚到观察位置 附近，并在空间产生分离的视点，形成水平分布的观察光场(视窗）。由于指向性彩色滤光片 的结构单元包含对应于视角图像子像素的结构子单元，该结构子单元又包括按照全息原理 设计的纳米衍射光栅的阵列组合，该阵列组合可以是一组纳米衍射光栅或者多组纳米衍射 光栅构成的衍射阵列，通过该衍射阵列对入射光进行波前转换，将衍射光投影在显示屏幕 前方的空间上形成会聚视点，即可确保各视角图像在空间上互不串扰。
[0064] 本实施例提供的指向性彩色滤光片，光线在入射到指向性功能结构层中的纳米衍 射光栅之前，通过对应的滤光子单元进行了分色滤光，因此，不会出现同一纳米衍射光栅出 射两种颜色的光，导致出射的光线出现串扰的问题，并且，本实施例中的指向性彩色滤光片 不需要采用高精度的透镜、棱镜等结构，且指向性彩色滤光片在技术上较容易实现，因此， 本发明中基于指向性背光技术的无疲劳的多视角裸眼3D显示器件能够得到实际应用。 [0065] 本发明的另一个实施例提供了一种裸眼3D显示装置，如图8所示，该裸眼3D显示装 置包括指向性彩色滤光片3、设置在指向性彩色滤光片3入光侧的光源阵列4和设置在指向 性彩色滤光片3出光侧的液晶显示面板5。
[0066] 其中，光源阵列4包括至少三种激光点光源，不同种类的激光点光源发射的激光颜 色不同，该激光点光源用于在预设位置发射以预设角度入射到指向性彩色滤光片3的激光。 本实施例中的激光点光源包括发射激光的激光器以及设置在该激光器出光路径上的激光 扩束器，该激光扩束器用于扩展激光的直径，以使激光照射到指向性彩色滤光片3的整个面 板上。
[0067] 可选的，本实施例中的光源阵列4包括发射红光的红激光点光源40、发射绿光的绿 激光点光源41和发射蓝光的蓝激光点光源42。可选的，以指向性彩色滤光片3的平面中心为 原点，以垂直于指向性彩色滤光片3的出射面且指向观察方向为Z轴正方向，则这三个激光 点光源在X轴方向的原点位置，在YZ平面下，这三种激光点光源在Y轴方向的同一个位置上， 在Z轴负方向不同位置上。由于激光点光源的位置、出射光线的波长和出射光线的角度即光 线入射到指向性彩色滤光片的角度会影响指向性彩色滤光片3中纳米衍射光栅的周期和取 向角，因此，当激光点光源在预设位置发射以预设角度入射到指向性彩色滤光片3的激光 时，指向性彩色滤光片3中纳米衍射光栅的周期和取向角就可以确定了。
[0068]本实施例中的指向性彩色滤光片3的结构和作用与上述实施例提供的指向性彩色 滤光片相同，可参考图1~图4以及相关描述，在此不再赘述。该指向性彩色滤光片3通过调 整透过滤光子单元和对应的结构子单元的光的相位，来使透过同一滤光子单元的相同颜色 的光具有不同的视角，合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。
[0069]参考图9和图3，本实施例中的液晶显示面板5包括多个像素单元50，每一像素单元 50又包括至少三个子像素500,每一像素单元50与一滤光单元10对应设置，同一像素单元50 内的子像素500与对应的滤光单元10内的滤光子单元100-一对应设置，该液晶显示面板通 过调整透过子像素500的光的振幅，来使相同视角的不同颜色光合成同一视角图像，不同视 角的图像合成3D显示图像。
[0070]可选的，参考图3、图5和图9,本实施例中指向性彩色滤光片3中的滤光单元10包括 三个滤光子单元100,这三个滤光子单元包括红色滤光子单元R1、绿色滤光子单元G1和蓝色 滤光子单元B1，且红色滤光子单元R1仅透射红光，绿色滤光子单元G1仅透射绿光，蓝色滤光 子单元B1仅透射蓝光。指向性彩色滤光片3中的结构单元20包括三个结构子单元200,这三 个结构子单元包括第一结构子单元200a、第二结构子单元200b和第三结构子单元200c。液 晶显示面板5中的像素单元50包括三个子像素500，这三个子像素包括红色子像素 R2、绿色 子像素 G2和蓝色子像素 B2,且红色子像素 R2与第一结构子单元200a和红色滤光子单元R1对 应设置，绿色子像素 G2与第二结构子单元200b和绿色滤光子单元G1对应设置，蓝色子像素 B2与第三结构子单元200c和蓝色滤光子单元B1对应设置。
[0071] 以图5和10为例，第一结构子单元200a包括纳米衍射光栅2001a~2001d、第二结构 子单元200b包括纳米衍射光栅2002a~2002d、第三结构子单元200c包括纳米衍射光栅 2003a ~2003d，且 2001a、2002a 和 2003a 对应视点 l、2001b、2002b 和 2003b 对应视点 2、2001c、 2002c和2003c对应视点3、2001d、2002d和2003d对应视点4,这样可以实现4个视角图像的视 点分离，每个视点对应一幅图像。
[0072]将每个视角图像按红绿蓝三色分离成三幅单色图像，如图10所示，发射红光的红 激光点光源40经过扩散后，投影到指向性彩色滤光片3上，指向性彩色滤光片3上只有红色 滤光子单元R1能透过红光，并将红光透射到指向性功能结构层对应的结构子单元上，该结 构子单元包括2001a~2001d四个纳米衍射光栅结构，使透过该结构子单元的红光在液晶显 示面板5前方一定距离上形成4个在一条水平线上的焦点，之后通过液晶显示面板上的红色 子像素多角度分离图像，形成基于红激光点光源40的单色裸眼3D。
[0073]当红激光点光源40、绿激光点光源41和蓝激光点光源42同时投影到指向性彩色滤 光片3上时，经过指向性彩色滤光片3的分色滤光后，投影到指向性功能结构层上各自对应 结构子单元，通过指向性功能结构层中纳米衍射光栅的衍射后在空间产生彩色立体图像显 不。
[0074]本实施例中的液晶显示面板5包括阵列基板、对向基板以及设置在阵列基板和对 向基板之间的液晶层，该阵列基板朝向液晶层的一侧具有多个像素电极，对向基板朝向液 晶层的一侧具有公共电极，所述多个像素电极、公共电极以及二者之间的液晶层构成所述 多个子像素。此外，阵列基板还包括驱动电路，该驱动电路通过调整像素电极与公共电极之 间的电压差来调整透过该子像素的光的光通量。
[0075]并且，该驱动电路可以在第一时序控制对应左眼图像的子像素透光来显示左眼图 像，在第二时序控制对应右眼图像的子像素透光来显示右眼图像，经过人脑对左右眼图像 的叠加后就能形成高分辨率的3D图像，进一步地，本实施例中的左眼图像和右眼图像均为 多视角图像，任意两个连续的视角图像都可以实现3D显示效果，因而，本实施例中的裸眼3D 显示装置在不同观察距离下都能保证3D效果。
[0076] 进一步地，如果液晶显示面板5显示的是无视差的平面图像，则本实施例中的裸眼 3D显示装置也可以实现二维的平面显示，也就是说，本实施例中的裸眼3D显示装置可以实 现立体图像显示与平面图像显示之间的切换。其中，驱动电路同时控制对应左眼图像的子 像素和对应右眼图像的子像素进行显示，来显示平面图像。当然，本发明中液晶显示面板5 的结构、驱动方式和显示方式并不仅限于此，只要其能够与激光点光源和指向性彩色滤光 片结合形成无视觉疲劳且多视角的裸眼3D显示装置即可。
[0077]对于实际情况来说，假设液晶显示面板5的尺寸为55英寸，观察距离为3m，则满足 人眼分辨率的单幅图像的像素单元的尺寸为800um，由于现有的技 术可以实现20um尺寸像 素单元的制作，因此，理论上可以实现1600个视点的投射，从而可以形成一个逼真的立体影 像。同时，纳米衍射光栅的周期可做到430nm甚至更高，视角图像的扩散范围可以达到150° 甚至更高。可选的，按照光栅方程计算，纳米衍射光栅的周期范围为430nm到650nm〇
[0078] 在一个具体地实施例方式中，假设指向性彩色滤光片3的滤光单元包括红色滤光 子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元，则红色滤光子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤 光子单元的尺寸可为80微米X 240微米，构成240微米X 240微米的滤光单元。如该指向性彩 色滤光片3有两个视点，则滤光子单元的尺寸为80微米X 120微米。如有四个视点，则滤光子 单元的尺寸为40微米X 120微米，如有六个视点，则滤光子单元的尺寸为40微米X 60微米。
[0079] 由于结构子单元内部的纳米衍射光栅的分布范围决定了观察视点的视场范围，因 此，按照光栅方程计算，纳米衍射光栅的周期范围可为300纳米~3微米。本发明中结构子单 元内部的纳米衍射光栅的周期可做到300纳米，对可见光波长在不同入射角度下的衍射角 度可达90度，因此，理论上本发明中指向性彩色滤光片3对光场成像会聚的数值孔径可大于 1，对应视点的张角可接近180度，实际可到达150度。
[0080] 本发明提供的由指向性彩色滤光片、激光点光源和液晶显示面板构成的裸眼3D显 示装置中，指向性彩色滤光片包含连续变空频纳米衍射光栅阵列，激光点光源包含红绿蓝 三色激光器与扩束器，因而可以利用指向性彩色滤光片上的纳米衍射光栅对激光点光源出 射的光进行光场波前转换，在空间形成会聚视点，为形成多个视角图像提供光源，进而通过 液晶显示面板上的多视角图像在空间分离，形成与多视角图像对应的多视点，且图像间互 不串扰，因此，在视窗范围内观察的3D不产生视觉疲劳，没有距离限制。同时，采用红绿蓝三 个单色波长的激光点光源照明，形成的3D图像不受色模糊影响，3D图像的景深大、色域宽。
[0081] 本实施例提供的裸眼3D显示装置，光线在入射到指向性功能结构层中的纳米衍射 光栅之前，通过对应的滤光子单元进行了分色滤光，因此，不会出现同一纳米衍射光栅出射 两种颜色的光，导致出射的光线出现串扰的问题；
[0082] 并且，本实施例中的裸眼3D显示装置不需要采用高精度的透镜、棱镜等结构，且指 向性彩色滤光片在技术上较容易实现，因此，本发明提供的基于指向性背光技术的无疲劳 的多视角裸眼3D显示器件能够得到实际应用。
[0083] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。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这些 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。
【主权项】
1. 一种指向性彩色滤光片，其特征在于，包括彩色滤光片和位于所述彩色滤光片出光 面的指向性功能结构层； 所述彩色滤光片包括多个滤光单元，每一所述滤光单元包括至少三个不同颜色的滤光 子单元，其中透过同一颜色的滤光子单元的光的颜色相同； 所述指向性功能结构层包括多个结构单元，每一所述结构单元与一所述滤光单元对应 设置;每一所述结构单元包括至少三个结构子单元;每一所述结构子单元与一所述滤光子 单元对应设置，以使透过每一所述滤光子单元的光入射到对应的一所述结构子单元中； 每一所述结构子单元包括多个纳米衍射光栅；同一结构子单元内的纳米衍射光栅的周 期和取向角不同，以使透过同一结构子单元的相同颜色的光具有不同的视角；同一滤光单 元不同颜色的滤光子单元对应的结构子单元内相同位置的纳米衍射光栅的周期和取向角 也不同，以使合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。2. 根据权利要求1所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述滤光单元包括红色滤光 子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元，且所述红色滤光子单元仅透射红光，所述绿色 滤光子单元仅透射绿光，所述蓝色滤光子单元仅透射蓝光； 所述结构单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元，所述第一结 构子单元与所述红色滤光子单元对应设置，所述第二结构子单元与所述绿色滤光子单元对 应设置，所述第三结构子单元与所述蓝色滤光子单元对应设置。3.根据权利要求2所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述纳米衍射光栅的周期和 取向角由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。4.根据权利要求1所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述指向性彩色滤光片采用 光刻技术、紫外连续变空频光刻技术或纳米压印技术制作而成。5.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向性彩色滤光片对应视 点的张角达到150度及以上。6. 根据权利要求1所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述指向性彩色滤光片中的 纳米衍射光栅的周期范围为300纳米~3微米。7. -种裸眼3D显示装置，其特征在于，包括指向性彩色滤光片、设置在所述指向性彩色 滤光片入光侧的光源阵列和设置在所述指向性彩色滤光片出光侧的液晶显示面板； 所述光源阵列包括至少三种激光点光源，不同种类的激光点光源发射的激光颜色不 同，所述激光点光源用于在预设位置发射以预设角度入射到所述指向性彩色滤光片的激 光； 所述指向性彩色滤光片为权利要求1~6任一项所述的指向性彩色滤光片，所述指向性 彩色滤光片通过调整透过所述滤光子单元和对应的结构子单元的激光的相位，来使透过同 一滤光子单元的相同颜色的光具有不同的视角，合成同一视角图像的不同颜色的光具有相 同的视角； 所述液晶显示面板包括多个像素单元，每一所述像素单元包括至少三个子像素，每一 所述像素单元与一所述滤光单元对应设置，同一所述像素单元内的子像素与对应的所述滤 光单元内的滤光子单元一一对应设置，所述液晶显示面板通过调整透过所述子像素的激光 的振幅，来使相同视角的不同颜色光合成同一视角图像，不同视角的图像合成3D显示图像。8. 根据权利要求7所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述激光点光源包括发射激光 的激光器以及设置在所述激光器出光路径上的激光扩束器，所述激光扩束器用于扩展所述 激光的直径，以使所述激光照射到所述指向性彩色滤光片的整个面板上。9. 根据权利要求8所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述光源阵列包括发射红光的 红激光点光源、发射绿光的绿激光点光源和发射蓝光的蓝激光点光源。10. 根据权利要求9所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述至少三个不同颜色的滤 光子单元包括红色滤光子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元，所述红色滤光子单元 仅透射红激光，所述绿色滤光子单元仅透射绿激光，所述蓝色滤光子单元仅透射蓝激光； 所述至少三个结构子单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元； 所述至少三个子像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素； 所述红色子像素与所述第一结构子单元和所述红色滤光子单元对应设置，所述绿色子 像素与所述第二结构子单元和所述绿色滤光子单元对应设置，所述蓝色子像素与所述第三 结构子单元和所述蓝色滤光子单元对应设置。
【专利摘要】本发明提供了一种指向性彩色滤光片和裸眼3D显示装置，包括彩色滤光片和指向性功能结构层；彩色滤光片包括多个滤光单元，每一滤光单元包括至少三个不同颜色的滤光子单元；指向性功能结构层包括多个结构单元，每一结构单元与一滤光单元对应设置；每一结构单元包括至少三个结构子单元；每一结构子单元与一滤光子单元对应设置；每一结构子单元包括多个纳米衍射光栅；同一结构子单元内的纳米衍射光栅的周期和取向角不同，从而不会出现同一纳米衍射光栅出射两种颜色的光，导致光线串扰的问题，且该指向性彩色滤光片在技术上较容易实现，使得本发明提供的基于指向性背光技术的无视觉疲劳的多视角的裸眼3D显示装置较易得到实际应用。
【IPC分类】G02F1/1335, G02B27/22
【公开号】CN105487239
【申请号】CN201510778086
【发明人】陈林森, 乔文, 朱鸣, 万文强, 黄文彬, 浦东林, 朱鹏飞
【申请人】苏州苏大维格光电科技股份有限公司, 苏州大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月13日
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及立体显示技术领域，更具体地说，涉及一种指向性彩色滤光片和裸眼 3D显示装置。
【背景技术】
[0002] 由于3D显示技术可以使画面变得更加立体逼真，让观众有一种身临其境的感觉， 因此，3D显示技术越来越受到人们的欢迎。
[0003] 3D显示技术的原理是利用人的左右眼分别接收具有视差的不同画面，然后通过大 脑对视差图像叠加构成一个具有前后、左右、上下、远近等立体方向效果的影像。虽然现有 技术中不断有基于视差原理的裸眼3D显示器件产生，但是，由于现有的裸眼3D显示器件具 有图像串扰易引起视觉疲劳以及视角小等问题，因此，现有的裸眼3D显示器件并未真正进 入消费电子产品领域。
[0004] 现有技术提出了一种新的3D显示技术即指向性背光技术，该技术是在导光板上加 工特殊设计的结构来使光线传播指向不同的方向，以形成视角较大的视差照明。如中国专 利CN201410187534.X提出一种裸眼3D背光模组，其采用一组或多组LED时序光源结合凸透 镜、多边棱镜以及视差屏障来实现多视角3D显示。但是，由于这种背光模组的透镜、棱镜等 结构的设计和精密加工精度在技术上很难实现，并且，当两个光源的光入射到视差屏障的 同一个区域时，会导致该区域同时出射两种颜色的光，即导致该区域出射的光线出现串扰， 因此，基于指向性背光技术的裸眼3D显示器件一直未能得到实际应用。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种指向性彩色滤光片和裸眼3D显示装置，以解决现有 技术中由于背光模组的透镜、棱镜等结构的设计和精密加工精度在技术上很难实现且很容 易出现光线串扰的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种指向性彩色滤光片，包括彩色滤光片和位于所述彩色滤光片出光面的指向性 功能结构层；
[0008] 所述彩色滤光片包括多个滤光单元，每一所述滤光单元包括至少三个不同颜色的 滤光子单元，其中透过同一颜色的滤光子单元的光的颜色相同；
[0009] 所述指向性功能结构层包括多个结构单元，每一所述结构单元与一所述滤光单元 对应设置;每一所述结构单元包括至少三个结构子单元;每一所述结构子单元与一所述滤 光子单元对应设置，以使透过每一所述滤光子单元的光入射到对应的一所述结构子单元 中；
[0010] 每一所述结构子单元包括多个纳米衍射光栅;同一结构子单元内的纳米衍射光栅 的周期和取向角不同，以使透过同一结构子单元的相同颜色的光具有不同的视角；同一滤 光单元不同颜色的滤光子单元对应的结构子单元内相同位置的纳米衍射光栅的周期和取 向角也不同，以使合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。
[0011] 优选的，所述滤光单元包括红色滤光子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元， 且所述红色滤光子单元仅透射红光，所述绿色滤光子单元仅透射绿光，所述蓝色滤光子单 元仅透射蓝光；
[0012] 所述结构单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元，所述第 一结构子单元与所述红色滤光子单元对应设置，所述第二结构子单元与所述绿色滤光子单 元对应设置，所述第三结构子单元与所述蓝色滤光子单元对应设置。
[0013] 优选的，所述纳米衍射光栅的周期和取向角由入射光线的波长、入射角、衍射光线 的衍射角和衍射方位角决定。
[0014] 优选的，所述指向性彩色滤光片采用光刻技术、紫外连续变空频光刻技术或纳米 压印技术制作而成。
[0015]优选的，所述指向性彩色滤光片对应视点的张角达到150度及以上。
[0016] 优选的，所述指向性彩色滤光片中的纳米衍射光栅的周期范围为300纳米~3微 米。
[0017] 一种裸眼3D显示装置，包括指向性彩色滤光片、设置在所述指向性彩色滤光片入 光侧的光源阵列和设置在所述指向性彩色滤光片出光侧的液晶显示面板；
[0018] 所述光源阵列包括至少三种激光点光源，不同种类的激光点光源发射的激光颜色 不同，所述激光点光源用于在预设位置发射以预设角度入射到所述指向性彩色滤光片的激 光；
[0019] 所述指向性彩色滤光片为如上任一项所述的指向性彩色滤光片，所述指向性彩色 滤光片通过调整透过所述滤光子单元和对应的结构子单元的激光的相位，来使透过同一滤 光子单元的相同颜色的光具有不同的视角，合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的 视角；
[0020] 所述液晶显示面板包括多个像素单元，每一所述像素单元包括至少三个子像素， 每一所述像素单元与一所述滤光单元对应设置，同一所述像素单元内的子像素与对应的所 述滤光单元内的滤光子单元一一对应设置，所述液晶显示面板通过调整透过所述子像素的 激光的振幅，来使相同视角的不同颜色光合成同一视角图像，不同视角的图像合成3D显示 图像。
[0021] 优选的，所述激光点光源包括发射激光的激光器以及设置在所述激光器出光路径 上的激光扩束器，所述激光扩束器用于扩展所述激光的直径，以使所述激光照射到所述指 向性彩色滤光片的整个面板上。
[0022] 优选的，所述光源阵列包括发射红光的红激光点光源、发射绿光的绿激光点光源 和发射蓝光的蓝激光点光源。
[0023] 优选的，所述至少三个不同颜色的滤光子单元包括红色滤光子单元、绿色滤光子 单元和蓝色滤光子单元，所述红色滤光子单元仅透射红激光，所述绿色滤光子单元仅透射 绿激光，所述蓝色滤光子单元仅透射蓝激光；
[0024]所述至少三个结构子单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单 元;所述至少三个子像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素；
[0025]所述红色子像素与所述第一结构子单元和所述红色滤光子单元对应设置，所述绿 色子像素与所述第二结构子单元和所述绿色滤光子单元对应设置，所述蓝色子像素与所述 第三结构子单元和所述蓝色滤光子单元对应设置。
[0026]与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
[0027]本发明所提供的指向性彩色滤光片和裸眼3D显示装置，光线在入射到指向性功能 结构层中的纳米衍射光栅之前，通过对应的滤光子单元进行了分色滤光，因此，不会出现同 一纳米衍射光栅出射两种颜色的光，导致出射的光线出现串扰的问题；
[0028] 并且，本发明中不需要采用高精度的透镜、棱镜等结构，且指向性彩色滤光片在技 术上较容易实现，因此，本发明提供的基于指向性背光技术的无疲劳的多视角裸眼3D显示 器件能够得到实际应用。
【附图说明】
[0029] 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 提供的附图获得其他的附图。
[0030] 图1为本发明一个实施例提供的指向性彩色滤光片的剖面结构示意图；
[0031] 图2为本发明一个实施例提供的指向性彩色滤光片的平面结构示意图；
[0032] 图3为图1所示的指向性彩色滤光片中彩色滤光片的平面结构示意图；
[0033] 图4为图1所示的指向性彩色滤光片中指向性功能结构层的平面结构示意图；
[0034]图5为图4所示的指向性功能结构层的局部放大图；
[0035] 图6为图4所示的纳米衍射光栅在XY平面下的结构图；
[0036] 图7为图4所示的纳米衍射光栅在XZ平面下的结构图；
[0037]图8为本发明一个实施例提供的裸眼3D显示装置的剖面结构示意图；
[0038]图9为图8所示的裸眼3D显示装置中液晶显示面板的平面结构示意图；
[0039]图10为图8所示的裸眼3D显示装置的光路图。
【具体实施方式】
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041] 本发明的一个实施例提供了一种指向性彩色滤光片，参考图1和图2,图1为该指向 性彩色滤光片的剖面结构示意图，图2为 该指向性彩色滤光片的平面结构示意图，该指向性 彩色滤光片包括彩色滤光片1和位于彩色滤光片1出光面的指向性功能结构层2。
[0042] 参考图3,彩色滤光片1包括多个阵列排布的滤光单元10,每一滤光单元10包括至 少三个不同颜色的滤光子单元100,其中透过同一颜色的滤光子单元100的光的颜色相同。 [0043] 具体地，滤光单元10可以包括三个不同颜色的滤光子单元100,这三个滤光子单元 可以包括红色滤光子单元R1、绿色滤光子单元G1和蓝色滤光子单元B1，且红色滤光子单元 R1仅透射红光，绿色滤光子单元G1仅透射绿光，蓝色滤光子单元B1仅透射蓝光。也就是说， 红色滤光子单元R1区域对应的膜片只透射红光、其他颜色的光不能透过，绿色滤光子单元 G1区域对应的膜片只透射绿光、其他颜色的光不能透过，蓝色滤光子单元B1区域对应的膜 片只透射蓝光、其他颜色的光不能透过。当然，本发明并不仅限于此，例如，在其他实施例中 滤光单元可以包括红色滤光子单元、绿色滤光子单元、蓝色滤光子单元和白色滤光子单元 这四个滤光子单元。
[0044]参考图4,指向性功能结构层2包括多个阵列排布的结构单元20,每一结构单元20 与一滤光单元10对应设置，每一结构单元20又包括至少三个结构子单元200,每一结构子单 元200与一滤光子单元100对应设置，以使透过每一滤光子单元100的相同颜色的光入射到 对应的一结构子单元200中。本实施例中，对应设置是指在垂直于指向性彩色滤光片面板的 方向上，滤光子单元100的投影完全覆盖结构子单元200的投影，或滤光单元10的投影完全 覆盖结构单元20的投影。
[0045]本实施例中，每一结构子单元200还包括多个阵列排布的纳米级别的衍射光栅即 纳米衍射光栅2000。其中，同一结构子单元200内的纳米衍射光栅2000的周期和取向角不 同，以使透过同一结构子单元200的相同颜色的光具有不同的视角即使得透过的光线传播 指向不同的方向。其中，同一结构单元20内对应不同颜色的滤光子单元100的结构子单元 200中相同位置的纳米衍射光栅2000的周期和取向角也不同，以使合成同一视角图像的不 同颜色的光具有相同的视角。
[0046] 参考图5,假设每一结构单元20包括三个结构子单元200,这三个结构子单元包括 第一结构子单元200a、第二结构子单元200b和第三结构子单元200c，且第一结构子单元 200a与红色滤光子单元R1对应设置、第二结构子单元200b与绿色滤光子单元G1对应设置、 第三结构子单元200c与蓝色滤光子单元B1对应设置。
[0047] 进一步地，这三个结构子单元中每一结构子单元又包括2X2个纳米衍射光栅，即 第一结构子单元200a包括2001a、2001b、2001c和2001d四个纳米衍射光栅，第二结构子单元 200b包括2002a、2002b、2002c和2002d四个纳米衍射光栅，第三结构子单元200c包括2003a、 2003b、2003c和2003d四个纳米衍射光栅。
[0048] 其中，2001a、2001b、2001c和2001d这四个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同， 以使透过这四个纳米衍射光栅的红光具有四个不同的视角，2002a、2002b、2002c和2002d这 四个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，以使透过这四个纳米衍射光栅的绿光具有四个 不同的视角，2003a、2003b、2003c和2003d这四个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，以 使透过这四个纳米衍射光栅的蓝光具有四个不同的视角。
[0049] 并且，2001a、2002a和2003a这三个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，2001b、 2002b和2003b这三个纳米衍射光栅的周期和取向角均不同，2001c、2002c和2003c这三个纳 米衍射光栅的周期和取向角均不同，2001d、2002d和2003d这三个纳米衍射光栅的周期和取 向角均不同，以使合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。
[0050]其中，每一结构子单元200内相同位置的纳米衍射光栅出射的光线会聚于一个视 点，为同一视角图像提供光源。参考图5,2001a、2002a和2003a这三个纳米衍射光栅出射的 光线具有相同的视角，能够会聚于一个视点l;2001b、2002b和2003b这三个纳米衍射光栅出 射的光线会聚于一个视点2;2001c、2002c和2003c这三个纳米衍射光栅出射的光线会聚于 一个视点3; 2001d、2002d和2003d这三个纳米衍射光栅出射的光线会聚于一个视点4。也就 是说，图5所示的指向性彩色滤光片能够为4个不同视角的图像提供光源。
[0051]本实施例中，指向性彩色滤光片的视点个数与每个结构子单元内的纳米衍射光栅 的个数对应。若有两个视点，则每个结构子单元内有两个纳米衍射光栅;若有四个视点，则 每个结构子单元有2 X 2即4个纳米衍射光栅;若有九个视点，则每个结构子单元有3 X 3BP9 个纳米衍射光栅。由此可知，本实施例中的指向性彩色滤光片形成的3D图像的显示分辨率 比通常的2D图像的显示分辨率至少提高2倍以上。
[0052]由于透过第一结构子单元200a的红光与透过第二结构子单元200b的绿光以及透 过第三结构子单元200c的蓝光的波长不同，因此，若这三个结构子单元中的相同位置的纳 米衍射光栅结构的周期和取向角都相同，如纳米衍射光栅2001a、2002a和2003a的周期和取 向角相同，那么，透过纳米衍射光栅2001a的红光、透过纳米衍射光栅2002a的绿光与透过纳 米衍射光栅2003a的蓝光的衍射角必定不同，这就会导致纳米衍射光栅2001a出射的红光、 纳米衍射光栅2002a出射的绿光和纳米衍射光栅2003a出射的蓝光不在同一个焦点上即这 三种颜色的光的视角不同，从而不能根据三基色原理将这三种颜色的光合成同一视角的彩 色图像。
[0053]也就是说，本实施例中第一结构子单元200a中的纳米衍射光栅的周期和取向角是 根据透过红色滤光子单元R1的红光的波长和入射角对应设定的，第二结构子单元200b中的 纳米衍射光栅的周期和取向角是根据透过绿色滤光子单元G1的绿光的波长和入射角对应 设定的，第三结构子单元200c中的纳米衍射光栅的周期和取向角是根据透过蓝色滤光子单 元B1的蓝光的波长和入射角对应设定的。
[0054] 具体地，纳米衍射光栅的周期和取向角是由入射光线的波长、入射角、衍射光线的 衍射角和衍射方位角决定的。以纳米衍射光栅2001a为例，参考图6和图7，图6是纳米衍射光 栅2001a在XY平面下的结构图，图7是纳米衍射光栅2001a在XZ平面下的结构图。根据光栅方 程，纳米衍射光栅的周期、取向角满足以下关系：
[0055]
[0056]
[0057]其中，入射光线A以一定的入射角入射到纳米衍射光栅，Θ1表示纳米衍射光栅出射 的衍射光B的衍射角即衍射光线与z轴正方向的夹角，Φ1表示衍射光B的方位角即衍射光线 与X轴正方向的夹角，Θ表示入射光线A的入射角即入射光线与z轴正方向的夹角，λ表示入射 光线Α的波长，Λ表示纳米衍射光栅的周期，φ表示纳米衍射光栅的取向角即纳米衍射光栅 槽型方向与y轴正方向的夹角，η表示入射光线Α在介质中的折射率。
[0058] 也就是说，在规定好入射光线的波长、入射角以及衍射光线的衍射角和衍射方位 角之后，就可以根据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波长的红光以60°角入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，通过计算得出对应的 纳米衍射光栅的周期为550nm，取向角为-5.96°。
[0059] 按照上述原理设定每个结构单元内各个纳米衍射光栅的周期和取向角后，由于一 个纳米衍射光栅相当于单个离轴菲涅尔结构，因此，各个结构子单元中相同位置的纳米衍 射光栅出射的光线就可以会聚于一个视点，构成一视角图像。当每个结构子单元内包括nX m个纳米衍射光栅时，η X m个纳米衍射光栅就可以构成η X m个不同焦点的离轴菲涅尔结构， 进而可以获得nXm个不同的视点，然后再配合液晶显示面板对颜色和灰度的控制，就能实 现多视角的裸眼3D全息图像显示。其中，η为大于或等于1的自然数，m为大于或等于2的自然 数。
[0060] 由于全息图像是一种携带振幅与位相信息的图像，在空间不同观察点均可看到不 同视角下的整幅图像，各个图像之间互不干扰，能真实再现三维信息，且不产生视觉疲劳， 立体显示效果与观察者的距离无关，因此，将本实施例提供的指向性彩色滤 光片和激光光 源以及液晶显示面板配合使用，可实现无视觉疲劳的多视角裸眼3D显示效果。
[0061] 本实施例中，指向性功能结构层2可以直接制作在彩色滤光片1上，也可通过贴合 的方式将指向性功能结构层2贴在彩色滤光片1上。在观看采用彩色滤光片1的指向性彩色 滤光片形成的3D图像时，即使观看位置上下变化，看到的3D图像也不会有颜色跳变。如果不 采用彩色滤光片1进行分色滤光，而是直接做成指向性功能结构层2的镶嵌结构，虽然也可 将红光、绿光和蓝光成像在相同的空间位置，但是，在纳米衍射光栅色散效应的影响下，观 看位置上下变化时，容易出现光线的串扰，导致3D图像的颜色发生跳变。
[0062] 本实施例中，指向性彩色滤光片采用光刻技术、紫外连续变空频光刻技术或纳米 压印技术制作而成，所述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，在本实施例中可以采用光刻技术制 作出不同指向的纳米衍射光栅，再做出能够用于压印的模板，然后通过纳米压印技术批量 压印出纳米衍射光栅构成的结构单元阵列。
[0063] 本实施例中，指向性彩色滤光片的作用是将构成各视角图像的光会聚到观察位置 附近，并在空间产生分离的视点，形成水平分布的观察光场(视窗）。由于指向性彩色滤光片 的结构单元包含对应于视角图像子像素的结构子单元，该结构子单元又包括按照全息原理 设计的纳米衍射光栅的阵列组合，该阵列组合可以是一组纳米衍射光栅或者多组纳米衍射 光栅构成的衍射阵列，通过该衍射阵列对入射光进行波前转换，将衍射光投影在显示屏幕 前方的空间上形成会聚视点，即可确保各视角图像在空间上互不串扰。
[0064] 本实施例提供的指向性彩色滤光片，光线在入射到指向性功能结构层中的纳米衍 射光栅之前，通过对应的滤光子单元进行了分色滤光，因此，不会出现同一纳米衍射光栅出 射两种颜色的光，导致出射的光线出现串扰的问题，并且，本实施例中的指向性彩色滤光片 不需要采用高精度的透镜、棱镜等结构，且指向性彩色滤光片在技术上较容易实现，因此， 本发明中基于指向性背光技术的无疲劳的多视角裸眼3D显示器件能够得到实际应用。 [0065] 本发明的另一个实施例提供了一种裸眼3D显示装置，如图8所示，该裸眼3D显示装 置包括指向性彩色滤光片3、设置在指向性彩色滤光片3入光侧的光源阵列4和设置在指向 性彩色滤光片3出光侧的液晶显示面板5。
[0066] 其中，光源阵列4包括至少三种激光点光源，不同种类的激光点光源发射的激光颜 色不同，该激光点光源用于在预设位置发射以预设角度入射到指向性彩色滤光片3的激光。 本实施例中的激光点光源包括发射激光的激光器以及设置在该激光器出光路径上的激光 扩束器，该激光扩束器用于扩展激光的直径，以使激光照射到指向性彩色滤光片3的整个面 板上。
[0067] 可选的，本实施例中的光源阵列4包括发射红光的红激光点光源40、发射绿光的绿 激光点光源41和发射蓝光的蓝激光点光源42。可选的，以指向性彩色滤光片3的平面中心为 原点，以垂直于指向性彩色滤光片3的出射面且指向观察方向为Z轴正方向，则这三个激光 点光源在X轴方向的原点位置，在YZ平面下，这三种激光点光源在Y轴方向的同一个位置上， 在Z轴负方向不同位置上。由于激光点光源的位置、出射光线的波长和出射光线的角度即光 线入射到指向性彩色滤光片的角度会影响指向性彩色滤光片3中纳米衍射光栅的周期和取 向角，因此，当激光点光源在预设位置发射以预设角度入射到指向性彩色滤光片3的激光 时，指向性彩色滤光片3中纳米衍射光栅的周期和取向角就可以确定了。
[0068]本实施例中的指向性彩色滤光片3的结构和作用与上述实施例提供的指向性彩色 滤光片相同，可参考图1~图4以及相关描述，在此不再赘述。该指向性彩色滤光片3通过调 整透过滤光子单元和对应的结构子单元的光的相位，来使透过同一滤光子单元的相同颜色 的光具有不同的视角，合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。
[0069]参考图9和图3，本实施例中的液晶显示面板5包括多个像素单元50，每一像素单元 50又包括至少三个子像素500,每一像素单元50与一滤光单元10对应设置，同一像素单元50 内的子像素500与对应的滤光单元10内的滤光子单元100-一对应设置，该液晶显示面板通 过调整透过子像素500的光的振幅，来使相同视角的不同颜色光合成同一视角图像，不同视 角的图像合成3D显示图像。
[0070]可选的，参考图3、图5和图9,本实施例中指向性彩色滤光片3中的滤光单元10包括 三个滤光子单元100,这三个滤光子单元包括红色滤光子单元R1、绿色滤光子单元G1和蓝色 滤光子单元B1，且红色滤光子单元R1仅透射红光，绿色滤光子单元G1仅透射绿光，蓝色滤光 子单元B1仅透射蓝光。指向性彩色滤光片3中的结构单元20包括三个结构子单元200,这三 个结构子单元包括第一结构子单元200a、第二结构子单元200b和第三结构子单元200c。液 晶显示面板5中的像素单元50包括三个子像素500，这三个子像素包括红色子像素 R2、绿色 子像素 G2和蓝色子像素 B2,且红色子像素 R2与第一结构子单元200a和红色滤光子单元R1对 应设置，绿色子像素 G2与第二结构子单元200b和绿色滤光子单元G1对应设置，蓝色子像素 B2与第三结构子单元200c和蓝色滤光子单元B1对应设置。
[0071] 以图5和10为例，第一结构子单元200a包括纳米衍射光栅2001a~2001d、第二结构 子单元200b包括纳米衍射光栅2002a~2002d、第三结构子单元200c包括纳米衍射光栅 2003a ~2003d，且 2001a、2002a 和 2003a 对应视点 l、2001b、2002b 和 2003b 对应视点 2、2001c、 2002c和2003c对应视点3、2001d、2002d和2003d对应视点4,这样可以实现4个视角图像的视 点分离，每个视点对应一幅图像。
[0072]将每个视角图像按红绿蓝三色分离成三幅单色图像，如图10所示，发射红光的红 激光点光源40经过扩散后，投影到指向性彩色滤光片3上，指向性彩色滤光片3上只有红色 滤光子单元R1能透过红光，并将红光透射到指向性功能结构层对应的结构子单元上，该结 构子单元包括2001a~2001d四个纳米衍射光栅结构，使透过该结构子单元的红光在液晶显 示面板5前方一定距离上形成4个在一条水平线上的焦点，之后通过液晶显示面板上的红色 子像素多角度分离图像，形成基于红激光点光源40的单色裸眼3D。
[0073]当红激光点光源40、绿激光点光源41和蓝激光点光源42同时投影到指向性彩色滤 光片3上时，经过指向性彩色滤光片3的分色滤光后，投影到指向性功能结构层上各自对应 结构子单元，通过指向性功能结构层中纳米衍射光栅的衍射后在空间产生彩色立体图像显 不。
[0074]本实施例中的液晶显示面板5包括阵列基板、对向基板以及设置在阵列基板和对 向基板之间的液晶层，该阵列基板朝向液晶层的一侧具有多个像素电极，对向基板朝向液 晶层的一侧具有公共电极，所述多个像素电极、公共电极以及二者之间的液晶层构成所述 多个子像素。此外，阵列基板还包括驱动电路，该驱动电路通过调整像素电极与公共电极之 间的电压差来调整透过该子像素的光的光通量。
[0075]并且，该驱动电路可以在第一时序控制对应左眼图像的子像素透光来显示左眼图 像，在第二时序控制对应右眼图像的子像素透光来显示右眼图像，经过人脑对左右眼图像 的叠加后就能形成高分辨率的3D图像，进一步地，本实施例中的左眼图像和右眼图像均为 多视角图像，任意两个连续的视角图像都可以实现3D显示效果，因而，本实施例中的裸眼3D 显示装置在不同观察距离下都能保证3D效果。
[0076] 进一步地，如果液晶显示面板5显示的是无视差的平面图像，则本实施例中的裸眼 3D显示装置也可以实现二维的平面显示，也就是说，本实施例中的裸眼3D显示装置可以实 现立体图像显示与平面图像显示之间的切换。其中，驱动电路同时控制对应左眼图像的子 像素和对应右眼图像的子像素进行显示，来显示平面图像。当然，本发明中液晶显示面板5 的结构、驱动方式和显示方式并不仅限于此，只要其能够与激光点光源和指向性彩色滤光 片结合形成无视觉疲劳且多视角的裸眼3D显示装置即可。
[0077]对于实际情况来说，假设液晶显示面板5的尺寸为55英寸，观察距离为3m，则满足 人眼分辨率的单幅图像的像素单元的尺寸为800um，由于现有的技 术可以实现20um尺寸像 素单元的制作，因此，理论上可以实现1600个视点的投射，从而可以形成一个逼真的立体影 像。同时，纳米衍射光栅的周期可做到430nm甚至更高，视角图像的扩散范围可以达到150° 甚至更高。可选的，按照光栅方程计算，纳米衍射光栅的周期范围为430nm到650nm〇
[0078] 在一个具体地实施例方式中，假设指向性彩色滤光片3的滤光单元包括红色滤光 子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元，则红色滤光子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤 光子单元的尺寸可为80微米X 240微米，构成240微米X 240微米的滤光单元。如该指向性彩 色滤光片3有两个视点，则滤光子单元的尺寸为80微米X 120微米。如有四个视点，则滤光子 单元的尺寸为40微米X 120微米，如有六个视点，则滤光子单元的尺寸为40微米X 60微米。
[0079] 由于结构子单元内部的纳米衍射光栅的分布范围决定了观察视点的视场范围，因 此，按照光栅方程计算，纳米衍射光栅的周期范围可为300纳米~3微米。本发明中结构子单 元内部的纳米衍射光栅的周期可做到300纳米，对可见光波长在不同入射角度下的衍射角 度可达90度，因此，理论上本发明中指向性彩色滤光片3对光场成像会聚的数值孔径可大于 1，对应视点的张角可接近180度，实际可到达150度。
[0080] 本发明提供的由指向性彩色滤光片、激光点光源和液晶显示面板构成的裸眼3D显 示装置中，指向性彩色滤光片包含连续变空频纳米衍射光栅阵列，激光点光源包含红绿蓝 三色激光器与扩束器，因而可以利用指向性彩色滤光片上的纳米衍射光栅对激光点光源出 射的光进行光场波前转换，在空间形成会聚视点，为形成多个视角图像提供光源，进而通过 液晶显示面板上的多视角图像在空间分离，形成与多视角图像对应的多视点，且图像间互 不串扰，因此，在视窗范围内观察的3D不产生视觉疲劳，没有距离限制。同时，采用红绿蓝三 个单色波长的激光点光源照明，形成的3D图像不受色模糊影响，3D图像的景深大、色域宽。
[0081] 本实施例提供的裸眼3D显示装置，光线在入射到指向性功能结构层中的纳米衍射 光栅之前，通过对应的滤光子单元进行了分色滤光，因此，不会出现同一纳米衍射光栅出射 两种颜色的光，导致出射的光线出现串扰的问题；
[0082] 并且，本实施例中的裸眼3D显示装置不需要采用高精度的透镜、棱镜等结构，且指 向性彩色滤光片在技术上较容易实现，因此，本发明提供的基于指向性背光技术的无疲劳 的多视角裸眼3D显示器件能够得到实际应用。
[0083] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。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这些 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。
【主权项】
1. 一种指向性彩色滤光片，其特征在于，包括彩色滤光片和位于所述彩色滤光片出光 面的指向性功能结构层； 所述彩色滤光片包括多个滤光单元，每一所述滤光单元包括至少三个不同颜色的滤光 子单元，其中透过同一颜色的滤光子单元的光的颜色相同； 所述指向性功能结构层包括多个结构单元，每一所述结构单元与一所述滤光单元对应 设置;每一所述结构单元包括至少三个结构子单元;每一所述结构子单元与一所述滤光子 单元对应设置，以使透过每一所述滤光子单元的光入射到对应的一所述结构子单元中； 每一所述结构子单元包括多个纳米衍射光栅；同一结构子单元内的纳米衍射光栅的周 期和取向角不同，以使透过同一结构子单元的相同颜色的光具有不同的视角；同一滤光单 元不同颜色的滤光子单元对应的结构子单元内相同位置的纳米衍射光栅的周期和取向角 也不同，以使合成同一视角图像的不同颜色的光具有相同的视角。2. 根据权利要求1所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述滤光单元包括红色滤光 子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元，且所述红色滤光子单元仅透射红光，所述绿色 滤光子单元仅透射绿光，所述蓝色滤光子单元仅透射蓝光； 所述结构单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元，所述第一结 构子单元与所述红色滤光子单元对应设置，所述第二结构子单元与所述绿色滤光子单元对 应设置，所述第三结构子单元与所述蓝色滤光子单元对应设置。3.根据权利要求2所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述纳米衍射光栅的周期和 取向角由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。4.根据权利要求1所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述指向性彩色滤光片采用 光刻技术、紫外连续变空频光刻技术或纳米压印技术制作而成。5.根据权利要求1所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述指向性彩色滤光片对应视 点的张角达到150度及以上。6. 根据权利要求1所述的指向性彩色滤光片，其特征在于，所述指向性彩色滤光片中的 纳米衍射光栅的周期范围为300纳米~3微米。7. -种裸眼3D显示装置，其特征在于，包括指向性彩色滤光片、设置在所述指向性彩色 滤光片入光侧的光源阵列和设置在所述指向性彩色滤光片出光侧的液晶显示面板； 所述光源阵列包括至少三种激光点光源，不同种类的激光点光源发射的激光颜色不 同，所述激光点光源用于在预设位置发射以预设角度入射到所述指向性彩色滤光片的激 光； 所述指向性彩色滤光片为权利要求1~6任一项所述的指向性彩色滤光片，所述指向性 彩色滤光片通过调整透过所述滤光子单元和对应的结构子单元的激光的相位，来使透过同 一滤光子单元的相同颜色的光具有不同的视角，合成同一视角图像的不同颜色的光具有相 同的视角； 所述液晶显示面板包括多个像素单元，每一所述像素单元包括至少三个子像素，每一 所述像素单元与一所述滤光单元对应设置，同一所述像素单元内的子像素与对应的所述滤 光单元内的滤光子单元一一对应设置，所述液晶显示面板通过调整透过所述子像素的激光 的振幅，来使相同视角的不同颜色光合成同一视角图像，不同视角的图像合成3D显示图像。8. 根据权利要求7所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述激光点光源包括发射激光 的激光器以及设置在所述激光器出光路径上的激光扩束器，所述激光扩束器用于扩展所述 激光的直径，以使所述激光照射到所述指向性彩色滤光片的整个面板上。9. 根据权利要求8所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述光源阵列包括发射红光的 红激光点光源、发射绿光的绿激光点光源和发射蓝光的蓝激光点光源。10. 根据权利要求9所述的裸眼3D显示装置，其特征在于，所述至少三个不同颜色的滤 光子单元包括红色滤光子单元、绿色滤光子单元和蓝色滤光子单元，所述红色滤光子单元 仅透射红激光，所述绿色滤光子单元仅透射绿激光，所述蓝色滤光子单元仅透射蓝激光； 所述至少三个结构子单元包括第一结构子单元、第二结构子单元和第三结构子单元； 所述至少三个子像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素； 所述红色子像素与所述第一结构子单元和所述红色滤光子单元对应设置，所述绿色子 像素与所述第二结构子单元和所述绿色滤光子单元对应设置，所述蓝色子像素与所述第三 结构子单元和所述蓝色滤光子单元对应设置。
【专利摘要】本发明提供了一种指向性彩色滤光片和裸眼3D显示装置，包括彩色滤光片和指向性功能结构层；彩色滤光片包括多个滤光单元，每一滤光单元包括至少三个不同颜色的滤光子单元；指向性功能结构层包括多个结构单元，每一结构单元与一滤光单元对应设置；每一结构单元包括至少三个结构子单元；每一结构子单元与一滤光子单元对应设置；每一结构子单元包括多个纳米衍射光栅；同一结构子单元内的纳米衍射光栅的周期和取向角不同，从而不会出现同一纳米衍射光栅出射两种颜色的光，导致光线串扰的问题，且该指向性彩色滤光片在技术上较容易实现，使得本发明提供的基于指向性背光技术的无视觉疲劳的多视角的裸眼3D显示装置较易得到实际应用。
【IPC分类】G02F1/1335, G02B27/22
【公开号】CN105487239
【申请号】CN201510778086
【发明人】陈林森, 乔文, 朱鸣, 万文强, 黄文彬, 浦东林, 朱鹏飞
【申请人】苏州苏大维格光电科技股份有限公司, 苏州大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月13日
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