《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》是蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司和蘇州大學於2015年11月13日申請的發明專利，該專利的申請號為2015107780865，公布號為CN105487239A，授權公布日為2016年4月13日，發明人是陳林森、喬文、朱鳴、萬文強、黃文彬、浦東林、朱鵬飛，該發明涉及立體顯示技術領域。
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》包括彩色濾光片和指向性功能結構層；彩色濾光片包括多個濾光單元，每一濾光單元包括至少三個不同顏色的濾光子單元；指向性功能結構層包括多個結構單元，每一結構單元與一濾光單元對應設定；每一結構單元包括至少三個結構子單元；每一結構子單元與一濾光子單元對應設定；每一結構子單元包括多個納米衍射光柵；同一結構子單元內的納米衍射光柵的周期和取向角不同，從而不會出現同一納米衍射光柵出射兩種顏色的光，導致光線串擾的問題，且該指向性彩色濾光片在技術上較容易實現，使得該發明提供的基於指向性背光技術的無視覺疲勞的多視角的裸眼3D顯示裝置較易得到實際套用。
2019年7月15日，《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》獲第十一屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名： 指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置
- 申請人：蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司、蘇州大學
- 申請號：2015107780865
- 公布號：CN105487239A
- 發明人：陳林森、喬文、朱鳴、萬文強、黃文彬、浦東林、朱鵬飛
- 授權日：2016年4月13日
- 申請日：2015年11月13日
- 地址：江蘇省蘇州市蘇州工業園區新昌路68號
- Int.Cl.：G02B27/22（2006.01）、G02F1/1335（2006.01）
- 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
- 代理人：常亮
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
由於3D顯示技術可以使畫面變得更加立體逼真，讓觀眾有一種身臨其境的感覺，因此，3D顯示技術越來越受到人們的歡迎。
3D顯示技術的原理是利用人的左右眼分別接收具有視差的不同畫面，然後通過大腦對視差圖像疊加構成一個具有前後、左右、上下、遠近等立體方向效果的影像。雖然2015年11月前已有技術中不斷有基於視差原理的裸眼3D顯示器件產生，但是，由於2015年11月前已有的裸眼3D顯示器件具有圖像串擾易引起視覺疲勞以及視角小等問題，因此，裸眼3D顯示器件並未真正進入消費電子產品領域。
2015年11月前已有技術提出了一種新的3D顯示技術即指向性背光技術，該技術是在導光板上加工特殊設計的結構來使光線傳播指向不同的方向，以形成視角較大的視差照明。如中國專利CN201410187534.X提出一種裸眼3D背光模組，其採用一組或多組LED時序光源結合凸透鏡、多邊稜鏡以及視差屏障來實現多視角3D顯示。但是，由於這種背光模組的透鏡、稜鏡等結構的設計和精密加工精度在技術上很難實現，並且，當兩個光源的光入射到視差屏障的同一個區域時，會導致該區域同時出射兩種顏色的光，即導致該區域出射的光線出現串擾，因此，基於指向性背光技術的裸眼3D顯示器件一直未能得到實際套用。
發明內容
專利目的
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》提供了一種指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置，以解決2015年11月前已有技術中由於背光模組的透鏡、稜鏡等結構的設計和精密加工精度在技術上很難實現且很容易出現光線串擾的問題。
技術方案
一種指向性彩色濾光片，包括彩色濾光片和連訂位於所述彩色濾光片出光面的指向性功能結構層；所述彩色濾光片包括多個濾光單元，每一所述濾光單元包括至少三個不同顏色燥連妹的濾光子單元，其中透過同一顏色的濾光子單元的光的顏色相同；所述指向性功能結構層包括多個結構單元，每一所述結構單元與一所述濾光單元對應設定；每一所述結構單元包括至少三個結構子單元；每一所述結構子單元與一所述濾光子單元對應設定，以使透過每一所述濾光子單元的光入射到對應的一所述結構子單元中；每一所述結構子單元包括多個納米衍射光柵；同一結構子單元內的納米衍射光柵的周期和取向角不同，以使透過同一結構子單元的相同顏色的光具有不同的視角；同一濾光單元不同顏色的濾光子單元對應的結構子單元內相同位置的納米衍射光柵的周期和取向角也不同，以使合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
優選的，所述濾光單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，且所述紅色濾光子單元僅透您剃騙射紅光，所述綠色濾光子單元僅透射綠光，所述藍色濾光子單元僅透重糊勸射藍光；所述結構單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元，所述第一結構子單元與所述紅色濾光子單元對應設定，所述第二結構子單元與所述綠色濾光子單元對應設定，所述第三結構子單元與所述藍色濾光子單元對應設定。
優選的，所述納米衍射光柵的周期和取向角由入射光線的波旋虹估企長、入射角、衍射光線的衍射角和衍射方位角決定。
優選的，所述指向性彩色濾光片採用光刻技術、紫外連續變空頻光刻技術或納米壓印技術製作而成。
優選的，所述指向性彩色濾光片對應視點的張角達到150度及以上。
優選的，所述指向性彩色濾光片中的納米衍射光柵的周期範圍為300納米～3微米。
一種裸眼3D顯示裝置，包括指向性彩色濾光片、設定在所述指向性彩色濾光片入光側的光源陣列和設定在所述指向性彩色濾光片出光側的液晶顯示面板；所述光源陣列包括至少三種雷射點光源，不同種類的雷射點光源發射的雷射顏色不同，所述雷射點光源用於在預設位置發射以預設角度入射到所述指向性彩色濾光片的雷射；所述指向性彩色濾光片為如上任一項所述的指向性彩色濾光片，所習拜頁述辨遙墊汽指向性彩色濾光片通過調整透過所述濾光子單元和對應的結構子單元的雷射的相位，來使透過同一濾光子單元的相同顏色的光具有不同的視角，合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角；所述液晶顯示面板包括多個像素單元，每一所述像素單元包括至少三個子像素，每一所述像素單元與一所述濾光單元對應設定，同一所述像素單元內的子像素與對應的所述濾光單元內的濾光子單元一一對應設定，所述液晶顯示面板通過調整透過所述子像素的雷射的振幅，來使相同視角的不同顏色光合成同一視角圖像，不同視角的圖像合成3D顯示圖像。
優選的，所述雷射點光源包括發射雷射的雷射器以及設定在所述雷射器出光路徑上的雷射擴束器，所述雷射擴束器用於擴展所述雷射的直徑，以使所述雷射照射到所述指向性彩色濾光片的整個面板上。
優選的，所述光源陣列包括發射紅光的紅雷射點光源、發射綠光的綠雷射點光源和發射藍光的藍雷射點光源。
優選的，所述至少三個不同顏色的濾光子單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，所述紅色濾光子單元僅透射紅雷射，所述綠色濾光子單元僅透射綠雷射，所述藍色濾光子單元僅透射藍雷射；所述至少三個結構子單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元；所述至少三個子像素包括紅色子像素、綠色子像素和藍色子像素；所述紅色子像素與所述第一結構子單元和所述紅色濾光子單元對應設定，所述綠色子像素與所述第二結構子單元和所述綠色濾光子單元對應設定，所述藍色子像素與所述第三結構子單元和所述藍色濾光子單元對應設定。
改善效果
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》所提供的指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置，光線在入射到指向性功能結構層中的納米衍射光柵之前，通過對應的濾光子單元進行了分色濾光，因此，不會出現同一納米衍射光柵出射兩種顏色的光，導致出射的光線出現串擾的問題；並且，該發明中不需要採用高精度的透鏡、稜鏡等結構，且指向性彩色濾光片在技術上較容易實現，因此，該發明提供的基於指向性背光技術的無疲勞的多視角裸眼3D顯示器件能夠得到實際套用。
附圖說明
圖1為《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》一個實施例提供的指向性彩色濾光片的剖面結構示意圖；
圖2為該發明一個實施例提供的指向性彩色濾光片的平面結構示意圖；
圖3為圖1所示的指向性彩色濾光片中彩色濾光片的平面結構示意圖；
圖4為圖1所示的指向性彩色濾光片中指向性功能結構層的平面結構示意圖；
圖5為圖4所示的指向性功能結構層的局部放大圖；
圖6為圖4所示的納米衍射光柵在XY平面下的結構圖；
圖7為圖4所示的納米衍射光柵在XZ平面下的結構圖；
圖8為該發明一個實施例提供的裸眼3D顯示裝置的剖面結構示意圖；
圖9為圖8所示的裸眼3D顯示裝置中液晶顯示面板的平面結構示意圖；
圖10為圖8所示的裸眼3D顯示裝置的光路圖。
權利要求
1.一種指向性彩色濾光片，其特徵在於，包括彩色濾光片和位於所述彩色濾光片出光面的指向性功能結構層；所述彩色濾光片包括多個濾光單元，每一所述濾光單元包括至少三個不同顏色的濾光子單元，其中透過同一顏色的濾光子單元的光的顏色相同；所述指向性功能結構層包括多個結構單元，每一所述結構單元與一所述濾光單元對應設定；每一所述結構單元包括至少三個結構子單元；每一所述結構子單元與一所述濾光子單元對應設定，以使透過每一所述濾光子單元的光入射到對應的一所述結構子單元中；每一所述結構子單元包括多個納米衍射光柵；同一結構子單元內的納米衍射光柵的周期和取向角不同，以使透過同一結構子單元的相同顏色的光具有不同的視角；同一濾光單元不同顏色的濾光子單元對應的結構子單元內相同位置的納米衍射光柵的周期和取向角也不同，以使合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
2.根據權利要求1所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述濾光單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，且所述紅色濾光子單元僅透射紅光，所述綠色濾光子單元僅透射綠光，所述藍色濾光子單元僅透射藍光；所述結構單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元，所述第一結構子單元與所述紅色濾光子單元對應設定，所述第二結構子單元與所述綠色濾光子單元對應設定，所述第三結構子單元與所述藍色濾光子單元對應設定。
3.根據權利要求2所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述納米衍射光柵的周期和取向角由入射光線的波長、入射角、衍射光線的衍射角和衍射方位角決定。
4.根據權利要求1所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述指向性彩色濾光片採用光刻技術、紫外連續變空頻光刻技術或納米壓印技術製作而成。
5.根據權利要求1所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述指向性彩色濾光片對應視點的張角達到150度及以上。
6.根據權利要求1所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述指向性彩色濾光片中的納米衍射光柵的周期範圍為300納米～3微米。
7.一種裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，包括指向性彩色濾光片、設定在所述指向性彩色濾光片入光側的光源陣列和設定在所述指向性彩色濾光片出光側的液晶顯示面板；所述光源陣列包括至少三種雷射點光源，不同種類的雷射點光源發射的雷射顏色不同，所述雷射點光源用於在預設位置發射以預設角度入射到所述指向性彩色濾光片的雷射；所述指向性彩色濾光片為權利要求1～6任一項所述的指向性彩色濾光片，所述指向性彩色濾光片通過調整透過所述濾光子單元和對應的結構子單元的雷射的相位，來使透過同一濾光子單元的相同顏色的光具有不同的視角，合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角；所述液晶顯示面板包括多個像素單元，每一所述像素單元包括至少三個子像素，每一所述像素單元與一所述濾光單元對應設定，同一所述像素單元內的子像素與對應的所述濾光單元內的濾光子單元一一對應設定，所述液晶顯示面板通過調整透過所述子像素的雷射的振幅，來使相同視角的不同顏色光合成同一視角圖像，不同視角的圖像合成3D顯示圖像。
8.根據權利要求7所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述雷射點光源包括發射雷射的雷射器以及設定在所述雷射器出光路徑上的雷射擴束器，所述雷射擴束器用於擴展所述雷射的直徑，以使所述雷射照射到所述指向性彩色濾光片的整個面板上。
9.根據權利要求8所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述光源陣列包括發射紅光的紅雷射點光源、發射綠光的綠雷射點光源和發射藍光的藍雷射點光源。
10.根據權利要求9所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述至少三個不同顏色的濾光子單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，所述紅色濾光子單元僅透射紅雷射，所述綠色濾光子單元僅透射綠雷射，所述藍色濾光子單元僅透射藍雷射；所述至少三個結構子單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元；所述至少三個子像素包括紅色子像素、綠色子像素和藍色子像素；所述紅色子像素與所述第一結構子單元和所述紅色濾光子單元對應設定，所述綠色子像素與所述第二結構子單元和所述綠色濾光子單元對應設定，所述藍色子像素與所述第三結構子單元和所述藍色濾光子單元對應設定。
實施方式
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》的一個實施例提供了一種指向性彩色濾光片，參考圖1和圖2，圖1為該指向性彩色濾光片的剖面結構示意圖，圖2為該指向性彩色濾光片的平面結構示意圖，該指向性彩色濾光片包括彩色濾光片1和位於彩色濾光片1出光面的指向性功能結構層2。
參考圖3，彩色濾光片1包括多個陣列排布的濾光單元10，每一濾光單元10包括至少三個不同顏色的濾光子單元100，其中透過同一顏色的濾光子單元100的光的顏色相同。
具體地，濾光單元10可以包括三個不同顏色的濾光子單元100，這三個濾光子單元可以包括紅色濾光子單元R1、綠色濾光子單元G1和藍色濾光子單元B1，且紅色濾光子單元R1僅透射紅光，綠色濾光子單元G1僅透射綠光，藍色濾光子單元B1僅透射藍光。也就是說，紅色濾光子單元R1區域對應的膜片只透射紅光、其他顏色的光不能透過，綠色濾光子單元G1區域對應的膜片只透射綠光、其他顏色的光不能透過，藍色濾光子單元B1區域對應的膜片只透射藍光、其他顏色的光不能透過。當然，該發明並不僅限於此，例如，在其他實施例中濾光單元可以包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元、藍色濾光子單元和白色濾光子單元這四個濾光子單元。
參考圖4，指向性功能結構層2包括多個陣列排布的結構單元20，每一結構單元20與一濾光單元10對應設定，每一結構單元20又包括至少三個結構子單元200，每一結構子單元200與一濾光子單元100對應設定，以使透過每一濾光子單元100的相同顏色的光入射到對應的一結構子單元200中。該實施例中，對應設定是指在垂直於指向性彩色濾光片面板的方向上，濾光子單元100的投影完全覆蓋結構子單元200的投影，或濾光單元10的投影完全覆蓋結構單元20的投影。
該實施例中，每一結構子單元200還包括多個陣列排布的納米級別的衍射光柵即納米衍射光柵2000。其中，同一結構子單元200內的納米衍射光柵2000的周期和取向角不同，以使透過同一結構子單元200的相同顏色的光具有不同的視角即使得透過的光線傳播指向不同的方向。其中，同一結構單元20內對應不同顏色的濾光子單元100的結構子單元200中相同位置的納米衍射光柵2000的周期和取向角也不同，以使合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
參考圖5，假設每一結構單元20包括三個結構子單元200，這三個結構子單元包括第一結構子單元200a、第二結構子單元200b和第三結構子單元200c，且第一結構子單元200a與紅色濾光子單元R1對應設定、第二結構子單元200b與綠色濾光子單元G1對應設定、第三結構子單元200c與藍色濾光子單元B1對應設定。
進一步地，這三個結構子單元中每一結構子單元又包括2×2個納米衍射光柵，即第一結構子單元200a包括2001a、2001b、2001c和2001d四個納米衍射光柵，第二結構子單元200b包括2002a、2002b、2002c和2002d四個納米衍射光柵，第三結構子單元200c包括2003a、2003b、2003c和2003d四個納米衍射光柵。
其中，2001a、2001b、2001c和2001d這四個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使透過這四個納米衍射光柵的紅光具有四個不同的視角，2002a、2002b、2002c和2002d這四個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使透過這四個納米衍射光柵的綠光具有四個不同的視角，2003a、2003b、2003c和2003d這四個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使透過這四個納米衍射光柵的藍光具有四個不同的視角。
並且，2001a、2002a和2003a這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，2001b、2002b和2003b這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，2001c、2002c和2003c這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，2001d、2002d和2003d這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
其中，每一結構子單元200內相同位置的納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點，為同一視角圖像提供光源。參考圖5，2001a、2002a和2003a這三個納米衍射光柵出射的光線具有相同的視角，能夠會聚於一個視點1；2001b、2002b和2003b這三個納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點2；2001c、2002c和2003c這三個納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點3；2001d、2002d和2003d這三個納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點4。也就是說，圖5所示的指向性彩色濾光片能夠為4個不同視角的圖像提供光源。
該實施例中，指向性彩色濾光片的視點個數與每個結構子單元內的納米衍射光柵的個數對應。若有兩個視點，則每個結構子單元內有兩個納米衍射光柵；若有四個視點，則每個結構子單元有2×2即4個納米衍射光柵；若有九個視點，則每個結構子單元有3×3即9個納米衍射光柵。由此可知，該實施例中的指向性彩色濾光片形成的3D圖像的顯示解析度比通常的2D圖像的顯示解析度至少提高2倍以上。
由於透過第一結構子單元200a的紅光與透過第二結構子單元200b的綠光以及透過第三結構子單元200c的藍光的波長不同，因此，若這三個結構子單元中的相同位置的納米衍射光柵結構的周期和取向角都相同，如納米衍射光柵2001a、2002a和2003a的周期和取向角相同，那么，透過納米衍射光柵2001a的紅光、透過納米衍射光柵2002a的綠光與透過納米衍射光柵2003a的藍光的衍射角必定不同，這就會導致納米衍射光柵2001a出射的紅光、納米衍射光柵2002a出射的綠光和納米衍射光柵2003a出射的藍光不在同一個焦點上即這三種顏色的光的視角不同，從而不能根據三基色原理將這三種顏色的光合成同一視角的彩色圖像。
也就是說，該實施例中第一結構子單元200a中的納米衍射光柵的周期和取向角是根據透過紅色濾光子單元R1的紅光的波長和入射角對應設定的，第二結構子單元200b中的納米衍射光柵的周期和取向角是根據透過綠色濾光子單元G1的綠光的波長和入射角對應設定的，第三結構子單元200c中的納米衍射光柵的周期和取向角是根據透過藍色濾光子單元B1的藍光的波長和入射角對應設定的。
具體地，納米衍射光柵的周期和取向角是由入射光線的波長、入射角、衍射光線的衍射角和衍射方位角決定的。以納米衍射光柵2001a為例，參考圖6和圖7，圖6是納米衍射光柵2001a在XY平面下的結構圖，圖7是納米衍射光柵2001a在XZ平面下的結構圖。根據光柵方程，納米衍射光柵的周期、取向角滿足以下關係：
其中，入射光線A以一定的入射角入射到納米衍射光柵，θ1表示納米衍射光柵出射的衍射光B的衍射角即衍射光線與z軸正方向的夾角，φ1表示衍射光B的方位角即衍射光線與x軸正方向的夾角，θ表示入射光線A的入射角即入射光線與z軸正方向的夾角，λ表示入射光線A的波長，Λ表示納米衍射光柵的周期，φ表示納米衍射光柵的取向角即納米衍射光柵槽型方向與y軸正方向的夾角，n表示入射光線A在介質中的折射率。
也就是說，在規定好入射光線的波長、入射角以及衍射光線的衍射角和衍射方位角之後，就可以根據上述兩個公式計算出所需的納米衍射光柵的周期和取向角了。例如，650納米波長的紅光以60°角入射，光的衍射角為10°、衍射方位角為45°，通過計算得出對應的納米衍射光柵的周期為550納米，取向角為-5.96°。
按照上述原理設定每個結構單元內各個納米衍射光柵的周期和取向角後，由於一個納米衍射光柵相當於單個離軸菲涅爾結構，因此，各個結構子單元中相同位置的納米衍射光柵出射的光線就可以會聚於一個視點，構成一視角圖像。當每個結構子單元內包括n×m個納米衍射光柵時，n×m個納米衍射光柵就可以構成n×m個不同焦點的離軸菲涅爾結構，進而可以獲得n×m個不同的視點，然後再配合液晶顯示面板對顏色和灰度的控制，就能實現多視角的裸眼3D全息圖像顯示。其中，n為大於或等於1的自然數，m為大於或等於2的自然數。
由於全息圖像是一種攜帶振幅與位相信息的圖像，在空間不同觀察點均可看到不同視角下的整幅圖像，各個圖像之間互不干擾，能真實再現三維信息，且不產生視覺疲勞，立體顯示效果與觀察者的距離無關，因此，將該實施例提供的指向性彩色濾光片和雷射光源以及液晶顯示面板配合使用，可實現無視覺疲勞的多視角裸眼3D顯示效果。
該實施例中，指向性功能結構層2可以直接製作在彩色濾光片1上，也可通過貼合的方式將指向性功能結構層2貼在彩色濾光片1上。在觀看採用彩色濾光片1的指向性彩色濾光片形成的3D圖像時，即使觀看位置上下變化，看到的3D圖像也不會有顏色跳變。如果不採用彩色濾光片1進行分色濾光，而是直接做成指向性功能結構層2的鑲嵌結構，雖然也可將紅光、綠光和藍光成像在相同的空間位置，但是，在納米衍射光柵色散效應的影響下，觀看位置上下變化時，容易出現光線的串擾，導致3D圖像的顏色發生跳變。
該實施例中，指向性彩色濾光片採用光刻技術、紫外連續變空頻光刻技術或納米壓印技術製作而成，所述紫外連續變空頻光刻技術參照申請號為CN201310166341.1的中國專利申請記載的光刻設備和光刻方法。需要指出的是，在該實施例中可以採用光刻技術製作出不同指向的納米衍射光柵，再做出能夠用於壓印的模板，然後通過納米壓印技術批量壓印出納米衍射光柵構成的結構單元陣列。
該實施例中，指向性彩色濾光片的作用是將構成各視角圖像的光會聚到觀察位置附近，並在空間產生分離的視點，形成水平分布的觀察光場(視窗)。由於指向性彩色濾光片的結構單元包含對應於視角圖像子像素的結構子單元，該結構子單元又包括按照全息原理設計的納米衍射光柵的陣列組合，該陣列組合可以是一組納米衍射光柵或者多組納米衍射光柵構成的衍射陣列，通過該衍射陣列對入射光進行波前轉換，將衍射光投影在顯示螢幕前方的空間上形成會聚視點，即可確保各視角圖像在空間上互不串擾。
該實施例提供的指向性彩色濾光片，光線在入射到指向性功能結構層中的納米衍射光柵之前，通過對應的濾光子單元進行了分色濾光，因此，不會出現同一納米衍射光柵出射兩種顏色的光，導致出射的光線出現串擾的問題，並且，該實施例中的指向性彩色濾光片不需要採用高精度的透鏡、稜鏡等結構，且指向性彩色濾光片在技術上較容易實現，因此，該發明中基於指向性背光技術的無疲勞的多視角裸眼3D顯示器件能夠得到實際套用。
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》的另一個實施例提供了一種裸眼3D顯示裝置，如圖8所示，該裸眼3D顯示裝置包括指向性彩色濾光片3、設定在指向性彩色濾光片3入光側的光源陣列4和設定在指向性彩色濾光片3出光側的液晶顯示面板5。
其中，光源陣列4包括至少三種雷射點光源，不同種類的雷射點光源發射的雷射顏色不同，該雷射點光源用於在預設位置發射以預設角度入射到指向性彩色濾光片3的雷射。該實施例中的雷射點光源包括發射雷射的雷射器以及設定在該雷射器出光路徑上的雷射擴束器，該雷射擴束器用於擴展雷射的直徑，以使雷射照射到指向性彩色濾光片3的整個面板上。
可選的，該實施例中的光源陣列4包括發射紅光的紅雷射點光源40、發射綠光的綠雷射點光源41和發射藍光的藍雷射點光源42。可選的，以指向性彩色濾光片3的平面中心為原點，以垂直於指向性彩色濾光片3的出射面且指向觀察方向為Z軸正方向，則這三個雷射點光源在X軸方向的原點位置，在YZ平面下，這三種雷射點光源在Y軸方向的同一個位置上，在Z軸負方向不同位置上。由於雷射點光源的位置、出射光線的波長和出射光線的角度即光線入射到指向性彩色濾光片的角度會影響指向性彩色濾光片3中納米衍射光柵的周期和取向角，因此，當雷射點光源在預設位置發射以預設角度入射到指向性彩色濾光片3的雷射時，指向性彩色濾光片3中納米衍射光柵的周期和取向角就可以確定了。
該實施例中的指向性彩色濾光片3的結構和作用與上述實施例提供的指向性彩色濾光片相同，可參考圖1～圖4以及相關描述，在此不再贅述。該指向性彩色濾光片3通過調整透過濾光子單元和對應的結構子單元的光的相位，來使透過同一濾光子單元的相同顏色的光具有不同的視角，合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
參考圖9和圖3，該實施例中的液晶顯示面板5包括多個像素單元50，每一像素單元50又包括至少三個子像素500，每一像素單元50與一濾光單元10對應設定，同一像素單元50內的子像素500與對應的濾光單元10內的濾光子單元100一一對應設定，該液晶顯示面板通過調整透過子像素500的光的振幅，來使相同視角的不同顏色光合成同一視角圖像，不同視角的圖像合成3D顯示圖像。
可選的，參考圖3、圖5和圖9，該實施例中指向性彩色濾光片3中的濾光單元10包括三個濾光子單元100，這三個濾光子單元包括紅色濾光子單元R1、綠色濾光子單元G1和藍色濾光子單元B1，且紅色濾光子單元R1僅透射紅光，綠色濾光子單元G1僅透射綠光，藍色濾光子單元B1僅透射藍光。指向性彩色濾光片3中的結構單元20包括三個結構子單元200，這三個結構子單元包括第一結構子單元200a、第二結構子單元200b和第三結構子單元200c。液晶顯示面板5中的像素單元50包括三個子像素500，這三個子像素包括紅色子像素R2、綠色子像素G2和藍色子像素B2，且紅色子像素R2與第一結構子單元200a和紅色濾光子單元R1對應設定，綠色子像素G2與第二結構子單元200b和綠色濾光子單元G1對應設定，藍色子像素B2與第三結構子單元200c和藍色濾光子單元B1對應設定。
以圖5和10為例，第一結構子單元200a包括納米衍射光柵2001a～2001d、第二結構子單元200b包括納米衍射光柵2002a～2002d、第三結構子單元200c包括納米衍射光柵2003a～2003d，且2001a、2002a和2003a對應視點1、2001b、2002b和2003b對應視點2、2001c、2002c和2003c對應視點3、2001d、2002d和2003d對應視點4，這樣可以實現4個視角圖像的視點分離，每個視點對應一幅圖像。
將每個視角圖像按紅綠藍三色分離成三幅單色圖像，如圖10所示，發射紅光的紅雷射點光源40經過擴散後，投影到指向性彩色濾光片3上，指向性彩色濾光片3上只有紅色濾光子單元R1能透過紅光，並將紅光透射到指向性功能結構層對應的結構子單元上，該結構子單元包括2001a～2001d四個納米衍射光柵結構，使透過該結構子單元的紅光在液晶顯示面板5前方一定距離上形成4個在一條水平線上的焦點，之後通過液晶顯示面板上的紅色子像素多角度分離圖像，形成基於紅雷射點光源40的單色裸眼3D。
當紅雷射點光源40、綠雷射點光源41和藍雷射點光源42同時投影到指向性彩色濾光片3上時，經過指向性彩色濾光片3的分色濾光後，投影到指向性功能結構層上各自對應結構子單元，通過指向性功能結構層中納米衍射光柵的衍射後在空間產生彩色立體圖像顯示。
該實施例中的液晶顯示面板5包括陣列基板、對向基板以及設定在陣列基板和對向基板之間的液晶層，該陣列基板朝向液晶層的一側具有多個像素電極，對向基板朝向液晶層的一側具有公共電極，所述多個像素電極、公共電極以及二者之間的液晶層構成所述多個子像素。此外，陣列基板還包括驅動電路，該驅動電路通過調整像素電極與公共電極之間的電壓差來調整透過該子像素的光的光通量。
並且，該驅動電路可以在第一時序控制對應左眼圖像的子像素透光來顯示左眼圖像，在第二時序控制對應右眼圖像的子像素透光來顯示右眼圖像，經過人腦對左右眼圖像的疊加後就能形成高解析度的3D圖像，進一步地，該實施例中的左眼圖像和右眼圖像均為多視角圖像，任意兩個連續的視角圖像都可以實現3D顯示效果，因而，該實施例中的裸眼3D顯示裝置在不同觀察距離下都能保證3D效果。
進一步地，如果液晶顯示面板5顯示的是無視差的平面圖像，則該實施例中的裸眼3D顯示裝置也可以實現二維的平面顯示，也就是說，該實施例中的裸眼3D顯示裝置可以實現立體圖像顯示與平面圖像顯示之間的切換。其中，驅動電路同時控制對應左眼圖像的子像素和對應右眼圖像的子像素進行顯示，來顯示平面圖像。當然，《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》中液晶顯示面板5的結構、驅動方式和顯示方式並不僅限於此，只要其能夠與雷射點光源和指向性彩色濾光片結合形成無視覺疲勞且多視角的裸眼3D顯示裝置即可。
對於實際情況來說，假設液晶顯示面板5的尺寸為55英寸，觀察距離為3米，則滿足人眼解析度的單幅圖像的像素單元的尺寸為800微米，由於2015年11月前已有的技術可以實現20微米尺寸像素單元的製作，因此，理論上可以實現1600個視點的投射，從而可以形成一個逼真的立體影像。同時，納米衍射光柵的周期可做到430納米甚至更高，視角圖像的擴散範圍可以達到150°甚至更高。可選的，按照光柵方程計算，納米衍射光柵的周期範圍為430納米到650納米。
在一個具體地實施例方式中，假設指向性彩色濾光片3的濾光單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，則紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元的尺寸可為80微米×240微米，構成240微米×240微米的濾光單元。如該指向性彩色濾光片3有兩個視點，則濾光子單元的尺寸為80微米×120微米。如有四個視點，則濾光子單元的尺寸為40微米×120微米，如有六個視點，則濾光子單元的尺寸為40微米×60微米。
由於結構子單元內部的納米衍射光柵的分布範圍決定了觀察視點的視場範圍，因此，按照光柵方程計算，納米衍射光柵的周期範圍可為300納米～3微米。《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》中結構子單元內部的納米衍射光柵的周期可做到300納米，對可見光波長在不同入射角度下的衍射角度可達90度，因此，理論上該發明中指向性彩色濾光片3對光場成像會聚的數值孔徑可大於1，對應視點的張角可接近180度，實際可到達150度。
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》提供的由指向性彩色濾光片、雷射點光源和液晶顯示面板構成的裸眼3D顯示裝置中，指向性彩色濾光片包含連續變空頻納米衍射光柵陣列，雷射點光源包含紅綠藍三色雷射器與擴束器，因而可以利用指向性彩色濾光片上的納米衍射光柵對雷射點光源出射的光進行光場波前轉換，在空間形成會聚視點，為形成多個視角圖像提供光源，進而通過液晶顯示面板上的多視角圖像在空間分離，形成與多視角圖像對應的多視點，且圖像間互不串擾，因此，在視窗範圍內觀察的3D不產生視覺疲勞，沒有距離限制。同時，採用紅綠藍三個單色波長的雷射點光源照明，形成的3D圖像不受色模糊影響，3D圖像的景深大、色域寬。
該實施例提供的裸眼3D顯示裝置，光線在入射到指向性功能結構層中的納米衍射光柵之前，通過對應的濾光子單元進行了分色濾光，因此，不會出現同一納米衍射光柵出射兩種顏色的光，導致出射的光線出現串擾的問題；
並且，該實施例中的裸眼3D顯示裝置不需要採用高精度的透鏡、稜鏡等結構，且指向性彩色濾光片在技術上較容易實現，因此，該發明提供的基於指向性背光技術的無疲勞的多視角裸眼3D顯示器件能夠得到實際套用。
榮譽表彰
2019年7月15日，《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》獲第十一屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
優選的，所述濾光單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，且所述紅色濾光子單元僅透射紅光，所述綠色濾光子單元僅透射綠光，所述藍色濾光子單元僅透射藍光；所述結構單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元，所述第一結構子單元與所述紅色濾光子單元對應設定，所述第二結構子單元與所述綠色濾光子單元對應設定，所述第三結構子單元與所述藍色濾光子單元對應設定。
優選的，所述納米衍射光柵的周期和取向角由入射光線的波長、入射角、衍射光線的衍射角和衍射方位角決定。
優選的，所述指向性彩色濾光片採用光刻技術、紫外連續變空頻光刻技術或納米壓印技術製作而成。
優選的，所述指向性彩色濾光片對應視點的張角達到150度及以上。
優選的，所述指向性彩色濾光片中的納米衍射光柵的周期範圍為300納米～3微米。
一種裸眼3D顯示裝置，包括指向性彩色濾光片、設定在所述指向性彩色濾光片入光側的光源陣列和設定在所述指向性彩色濾光片出光側的液晶顯示面板；所述光源陣列包括至少三種雷射點光源，不同種類的雷射點光源發射的雷射顏色不同，所述雷射點光源用於在預設位置發射以預設角度入射到所述指向性彩色濾光片的雷射；所述指向性彩色濾光片為如上任一項所述的指向性彩色濾光片，所述指向性彩色濾光片通過調整透過所述濾光子單元和對應的結構子單元的雷射的相位，來使透過同一濾光子單元的相同顏色的光具有不同的視角，合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角；所述液晶顯示面板包括多個像素單元，每一所述像素單元包括至少三個子像素，每一所述像素單元與一所述濾光單元對應設定，同一所述像素單元內的子像素與對應的所述濾光單元內的濾光子單元一一對應設定，所述液晶顯示面板通過調整透過所述子像素的雷射的振幅，來使相同視角的不同顏色光合成同一視角圖像，不同視角的圖像合成3D顯示圖像。
優選的，所述雷射點光源包括發射雷射的雷射器以及設定在所述雷射器出光路徑上的雷射擴束器，所述雷射擴束器用於擴展所述雷射的直徑，以使所述雷射照射到所述指向性彩色濾光片的整個面板上。
優選的，所述光源陣列包括發射紅光的紅雷射點光源、發射綠光的綠雷射點光源和發射藍光的藍雷射點光源。
優選的，所述至少三個不同顏色的濾光子單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，所述紅色濾光子單元僅透射紅雷射，所述綠色濾光子單元僅透射綠雷射，所述藍色濾光子單元僅透射藍雷射；所述至少三個結構子單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元；所述至少三個子像素包括紅色子像素、綠色子像素和藍色子像素；所述紅色子像素與所述第一結構子單元和所述紅色濾光子單元對應設定，所述綠色子像素與所述第二結構子單元和所述綠色濾光子單元對應設定，所述藍色子像素與所述第三結構子單元和所述藍色濾光子單元對應設定。
改善效果
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》所提供的指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置，光線在入射到指向性功能結構層中的納米衍射光柵之前，通過對應的濾光子單元進行了分色濾光，因此，不會出現同一納米衍射光柵出射兩種顏色的光，導致出射的光線出現串擾的問題；並且，該發明中不需要採用高精度的透鏡、稜鏡等結構，且指向性彩色濾光片在技術上較容易實現，因此，該發明提供的基於指向性背光技術的無疲勞的多視角裸眼3D顯示器件能夠得到實際套用。
附圖說明
圖1為《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》一個實施例提供的指向性彩色濾光片的剖面結構示意圖；
圖2為該發明一個實施例提供的指向性彩色濾光片的平面結構示意圖；
圖3為圖1所示的指向性彩色濾光片中彩色濾光片的平面結構示意圖；
圖4為圖1所示的指向性彩色濾光片中指向性功能結構層的平面結構示意圖；
圖5為圖4所示的指向性功能結構層的局部放大圖；
圖6為圖4所示的納米衍射光柵在XY平面下的結構圖；
圖7為圖4所示的納米衍射光柵在XZ平面下的結構圖；
圖8為該發明一個實施例提供的裸眼3D顯示裝置的剖面結構示意圖；
圖9為圖8所示的裸眼3D顯示裝置中液晶顯示面板的平面結構示意圖；
圖10為圖8所示的裸眼3D顯示裝置的光路圖。
權利要求
1.一種指向性彩色濾光片，其特徵在於，包括彩色濾光片和位於所述彩色濾光片出光面的指向性功能結構層；所述彩色濾光片包括多個濾光單元，每一所述濾光單元包括至少三個不同顏色的濾光子單元，其中透過同一顏色的濾光子單元的光的顏色相同；所述指向性功能結構層包括多個結構單元，每一所述結構單元與一所述濾光單元對應設定；每一所述結構單元包括至少三個結構子單元；每一所述結構子單元與一所述濾光子單元對應設定，以使透過每一所述濾光子單元的光入射到對應的一所述結構子單元中；每一所述結構子單元包括多個納米衍射光柵；同一結構子單元內的納米衍射光柵的周期和取向角不同，以使透過同一結構子單元的相同顏色的光具有不同的視角；同一濾光單元不同顏色的濾光子單元對應的結構子單元內相同位置的納米衍射光柵的周期和取向角也不同，以使合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
2.根據權利要求1所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述濾光單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，且所述紅色濾光子單元僅透射紅光，所述綠色濾光子單元僅透射綠光，所述藍色濾光子單元僅透射藍光；所述結構單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元，所述第一結構子單元與所述紅色濾光子單元對應設定，所述第二結構子單元與所述綠色濾光子單元對應設定，所述第三結構子單元與所述藍色濾光子單元對應設定。
3.根據權利要求2所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述納米衍射光柵的周期和取向角由入射光線的波長、入射角、衍射光線的衍射角和衍射方位角決定。
4.根據權利要求1所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述指向性彩色濾光片採用光刻技術、紫外連續變空頻光刻技術或納米壓印技術製作而成。
5.根據權利要求1所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述指向性彩色濾光片對應視點的張角達到150度及以上。
6.根據權利要求1所述的指向性彩色濾光片，其特徵在於，所述指向性彩色濾光片中的納米衍射光柵的周期範圍為300納米～3微米。
7.一種裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，包括指向性彩色濾光片、設定在所述指向性彩色濾光片入光側的光源陣列和設定在所述指向性彩色濾光片出光側的液晶顯示面板；所述光源陣列包括至少三種雷射點光源，不同種類的雷射點光源發射的雷射顏色不同，所述雷射點光源用於在預設位置發射以預設角度入射到所述指向性彩色濾光片的雷射；所述指向性彩色濾光片為權利要求1～6任一項所述的指向性彩色濾光片，所述指向性彩色濾光片通過調整透過所述濾光子單元和對應的結構子單元的雷射的相位，來使透過同一濾光子單元的相同顏色的光具有不同的視角，合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角；所述液晶顯示面板包括多個像素單元，每一所述像素單元包括至少三個子像素，每一所述像素單元與一所述濾光單元對應設定，同一所述像素單元內的子像素與對應的所述濾光單元內的濾光子單元一一對應設定，所述液晶顯示面板通過調整透過所述子像素的雷射的振幅，來使相同視角的不同顏色光合成同一視角圖像，不同視角的圖像合成3D顯示圖像。
8.根據權利要求7所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述雷射點光源包括發射雷射的雷射器以及設定在所述雷射器出光路徑上的雷射擴束器，所述雷射擴束器用於擴展所述雷射的直徑，以使所述雷射照射到所述指向性彩色濾光片的整個面板上。
9.根據權利要求8所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述光源陣列包括發射紅光的紅雷射點光源、發射綠光的綠雷射點光源和發射藍光的藍雷射點光源。
10.根據權利要求9所述的裸眼3D顯示裝置，其特徵在於，所述至少三個不同顏色的濾光子單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，所述紅色濾光子單元僅透射紅雷射，所述綠色濾光子單元僅透射綠雷射，所述藍色濾光子單元僅透射藍雷射；所述至少三個結構子單元包括第一結構子單元、第二結構子單元和第三結構子單元；所述至少三個子像素包括紅色子像素、綠色子像素和藍色子像素；所述紅色子像素與所述第一結構子單元和所述紅色濾光子單元對應設定，所述綠色子像素與所述第二結構子單元和所述綠色濾光子單元對應設定，所述藍色子像素與所述第三結構子單元和所述藍色濾光子單元對應設定。
實施方式
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》的一個實施例提供了一種指向性彩色濾光片，參考圖1和圖2，圖1為該指向性彩色濾光片的剖面結構示意圖，圖2為該指向性彩色濾光片的平面結構示意圖，該指向性彩色濾光片包括彩色濾光片1和位於彩色濾光片1出光面的指向性功能結構層2。
參考圖3，彩色濾光片1包括多個陣列排布的濾光單元10，每一濾光單元10包括至少三個不同顏色的濾光子單元100，其中透過同一顏色的濾光子單元100的光的顏色相同。
具體地，濾光單元10可以包括三個不同顏色的濾光子單元100，這三個濾光子單元可以包括紅色濾光子單元R1、綠色濾光子單元G1和藍色濾光子單元B1，且紅色濾光子單元R1僅透射紅光，綠色濾光子單元G1僅透射綠光，藍色濾光子單元B1僅透射藍光。也就是說，紅色濾光子單元R1區域對應的膜片只透射紅光、其他顏色的光不能透過，綠色濾光子單元G1區域對應的膜片只透射綠光、其他顏色的光不能透過，藍色濾光子單元B1區域對應的膜片只透射藍光、其他顏色的光不能透過。當然，該發明並不僅限於此，例如，在其他實施例中濾光單元可以包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元、藍色濾光子單元和白色濾光子單元這四個濾光子單元。
參考圖4，指向性功能結構層2包括多個陣列排布的結構單元20，每一結構單元20與一濾光單元10對應設定，每一結構單元20又包括至少三個結構子單元200，每一結構子單元200與一濾光子單元100對應設定，以使透過每一濾光子單元100的相同顏色的光入射到對應的一結構子單元200中。該實施例中，對應設定是指在垂直於指向性彩色濾光片面板的方向上，濾光子單元100的投影完全覆蓋結構子單元200的投影，或濾光單元10的投影完全覆蓋結構單元20的投影。
該實施例中，每一結構子單元200還包括多個陣列排布的納米級別的衍射光柵即納米衍射光柵2000。其中，同一結構子單元200內的納米衍射光柵2000的周期和取向角不同，以使透過同一結構子單元200的相同顏色的光具有不同的視角即使得透過的光線傳播指向不同的方向。其中，同一結構單元20內對應不同顏色的濾光子單元100的結構子單元200中相同位置的納米衍射光柵2000的周期和取向角也不同，以使合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
參考圖5，假設每一結構單元20包括三個結構子單元200，這三個結構子單元包括第一結構子單元200a、第二結構子單元200b和第三結構子單元200c，且第一結構子單元200a與紅色濾光子單元R1對應設定、第二結構子單元200b與綠色濾光子單元G1對應設定、第三結構子單元200c與藍色濾光子單元B1對應設定。
進一步地，這三個結構子單元中每一結構子單元又包括2×2個納米衍射光柵，即第一結構子單元200a包括2001a、2001b、2001c和2001d四個納米衍射光柵，第二結構子單元200b包括2002a、2002b、2002c和2002d四個納米衍射光柵，第三結構子單元200c包括2003a、2003b、2003c和2003d四個納米衍射光柵。
其中，2001a、2001b、2001c和2001d這四個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使透過這四個納米衍射光柵的紅光具有四個不同的視角，2002a、2002b、2002c和2002d這四個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使透過這四個納米衍射光柵的綠光具有四個不同的視角，2003a、2003b、2003c和2003d這四個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使透過這四個納米衍射光柵的藍光具有四個不同的視角。
並且，2001a、2002a和2003a這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，2001b、2002b和2003b這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，2001c、2002c和2003c這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，2001d、2002d和2003d這三個納米衍射光柵的周期和取向角均不同，以使合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
其中，每一結構子單元200內相同位置的納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點，為同一視角圖像提供光源。參考圖5，2001a、2002a和2003a這三個納米衍射光柵出射的光線具有相同的視角，能夠會聚於一個視點1；2001b、2002b和2003b這三個納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點2；2001c、2002c和2003c這三個納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點3；2001d、2002d和2003d這三個納米衍射光柵出射的光線會聚於一個視點4。也就是說，圖5所示的指向性彩色濾光片能夠為4個不同視角的圖像提供光源。
該實施例中，指向性彩色濾光片的視點個數與每個結構子單元內的納米衍射光柵的個數對應。若有兩個視點，則每個結構子單元內有兩個納米衍射光柵；若有四個視點，則每個結構子單元有2×2即4個納米衍射光柵；若有九個視點，則每個結構子單元有3×3即9個納米衍射光柵。由此可知，該實施例中的指向性彩色濾光片形成的3D圖像的顯示解析度比通常的2D圖像的顯示解析度至少提高2倍以上。
由於透過第一結構子單元200a的紅光與透過第二結構子單元200b的綠光以及透過第三結構子單元200c的藍光的波長不同，因此，若這三個結構子單元中的相同位置的納米衍射光柵結構的周期和取向角都相同，如納米衍射光柵2001a、2002a和2003a的周期和取向角相同，那么，透過納米衍射光柵2001a的紅光、透過納米衍射光柵2002a的綠光與透過納米衍射光柵2003a的藍光的衍射角必定不同，這就會導致納米衍射光柵2001a出射的紅光、納米衍射光柵2002a出射的綠光和納米衍射光柵2003a出射的藍光不在同一個焦點上即這三種顏色的光的視角不同，從而不能根據三基色原理將這三種顏色的光合成同一視角的彩色圖像。
也就是說，該實施例中第一結構子單元200a中的納米衍射光柵的周期和取向角是根據透過紅色濾光子單元R1的紅光的波長和入射角對應設定的，第二結構子單元200b中的納米衍射光柵的周期和取向角是根據透過綠色濾光子單元G1的綠光的波長和入射角對應設定的，第三結構子單元200c中的納米衍射光柵的周期和取向角是根據透過藍色濾光子單元B1的藍光的波長和入射角對應設定的。
具體地，納米衍射光柵的周期和取向角是由入射光線的波長、入射角、衍射光線的衍射角和衍射方位角決定的。以納米衍射光柵2001a為例，參考圖6和圖7，圖6是納米衍射光柵2001a在XY平面下的結構圖，圖7是納米衍射光柵2001a在XZ平面下的結構圖。根據光柵方程，納米衍射光柵的周期、取向角滿足以下關係：
其中，入射光線A以一定的入射角入射到納米衍射光柵，θ1表示納米衍射光柵出射的衍射光B的衍射角即衍射光線與z軸正方向的夾角，φ1表示衍射光B的方位角即衍射光線與x軸正方向的夾角，θ表示入射光線A的入射角即入射光線與z軸正方向的夾角，λ表示入射光線A的波長，Λ表示納米衍射光柵的周期，φ表示納米衍射光柵的取向角即納米衍射光柵槽型方向與y軸正方向的夾角，n表示入射光線A在介質中的折射率。
也就是說，在規定好入射光線的波長、入射角以及衍射光線的衍射角和衍射方位角之後，就可以根據上述兩個公式計算出所需的納米衍射光柵的周期和取向角了。例如，650納米波長的紅光以60°角入射，光的衍射角為10°、衍射方位角為45°，通過計算得出對應的納米衍射光柵的周期為550納米，取向角為-5.96°。
按照上述原理設定每個結構單元內各個納米衍射光柵的周期和取向角後，由於一個納米衍射光柵相當於單個離軸菲涅爾結構，因此，各個結構子單元中相同位置的納米衍射光柵出射的光線就可以會聚於一個視點，構成一視角圖像。當每個結構子單元內包括n×m個納米衍射光柵時，n×m個納米衍射光柵就可以構成n×m個不同焦點的離軸菲涅爾結構，進而可以獲得n×m個不同的視點，然後再配合液晶顯示面板對顏色和灰度的控制，就能實現多視角的裸眼3D全息圖像顯示。其中，n為大於或等於1的自然數，m為大於或等於2的自然數。
由於全息圖像是一種攜帶振幅與位相信息的圖像，在空間不同觀察點均可看到不同視角下的整幅圖像，各個圖像之間互不干擾，能真實再現三維信息，且不產生視覺疲勞，立體顯示效果與觀察者的距離無關，因此，將該實施例提供的指向性彩色濾光片和雷射光源以及液晶顯示面板配合使用，可實現無視覺疲勞的多視角裸眼3D顯示效果。
該實施例中，指向性功能結構層2可以直接製作在彩色濾光片1上，也可通過貼合的方式將指向性功能結構層2貼在彩色濾光片1上。在觀看採用彩色濾光片1的指向性彩色濾光片形成的3D圖像時，即使觀看位置上下變化，看到的3D圖像也不會有顏色跳變。如果不採用彩色濾光片1進行分色濾光，而是直接做成指向性功能結構層2的鑲嵌結構，雖然也可將紅光、綠光和藍光成像在相同的空間位置，但是，在納米衍射光柵色散效應的影響下，觀看位置上下變化時，容易出現光線的串擾，導致3D圖像的顏色發生跳變。
該實施例中，指向性彩色濾光片採用光刻技術、紫外連續變空頻光刻技術或納米壓印技術製作而成，所述紫外連續變空頻光刻技術參照申請號為CN201310166341.1的中國專利申請記載的光刻設備和光刻方法。需要指出的是，在該實施例中可以採用光刻技術製作出不同指向的納米衍射光柵，再做出能夠用於壓印的模板，然後通過納米壓印技術批量壓印出納米衍射光柵構成的結構單元陣列。
該實施例中，指向性彩色濾光片的作用是將構成各視角圖像的光會聚到觀察位置附近，並在空間產生分離的視點，形成水平分布的觀察光場(視窗)。由於指向性彩色濾光片的結構單元包含對應於視角圖像子像素的結構子單元，該結構子單元又包括按照全息原理設計的納米衍射光柵的陣列組合，該陣列組合可以是一組納米衍射光柵或者多組納米衍射光柵構成的衍射陣列，通過該衍射陣列對入射光進行波前轉換，將衍射光投影在顯示螢幕前方的空間上形成會聚視點，即可確保各視角圖像在空間上互不串擾。
該實施例提供的指向性彩色濾光片，光線在入射到指向性功能結構層中的納米衍射光柵之前，通過對應的濾光子單元進行了分色濾光，因此，不會出現同一納米衍射光柵出射兩種顏色的光，導致出射的光線出現串擾的問題，並且，該實施例中的指向性彩色濾光片不需要採用高精度的透鏡、稜鏡等結構，且指向性彩色濾光片在技術上較容易實現，因此，該發明中基於指向性背光技術的無疲勞的多視角裸眼3D顯示器件能夠得到實際套用。
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》的另一個實施例提供了一種裸眼3D顯示裝置，如圖8所示，該裸眼3D顯示裝置包括指向性彩色濾光片3、設定在指向性彩色濾光片3入光側的光源陣列4和設定在指向性彩色濾光片3出光側的液晶顯示面板5。
其中，光源陣列4包括至少三種雷射點光源，不同種類的雷射點光源發射的雷射顏色不同，該雷射點光源用於在預設位置發射以預設角度入射到指向性彩色濾光片3的雷射。該實施例中的雷射點光源包括發射雷射的雷射器以及設定在該雷射器出光路徑上的雷射擴束器，該雷射擴束器用於擴展雷射的直徑，以使雷射照射到指向性彩色濾光片3的整個面板上。
可選的，該實施例中的光源陣列4包括發射紅光的紅雷射點光源40、發射綠光的綠雷射點光源41和發射藍光的藍雷射點光源42。可選的，以指向性彩色濾光片3的平面中心為原點，以垂直於指向性彩色濾光片3的出射面且指向觀察方向為Z軸正方向，則這三個雷射點光源在X軸方向的原點位置，在YZ平面下，這三種雷射點光源在Y軸方向的同一個位置上，在Z軸負方向不同位置上。由於雷射點光源的位置、出射光線的波長和出射光線的角度即光線入射到指向性彩色濾光片的角度會影響指向性彩色濾光片3中納米衍射光柵的周期和取向角，因此，當雷射點光源在預設位置發射以預設角度入射到指向性彩色濾光片3的雷射時，指向性彩色濾光片3中納米衍射光柵的周期和取向角就可以確定了。
該實施例中的指向性彩色濾光片3的結構和作用與上述實施例提供的指向性彩色濾光片相同，可參考圖1～圖4以及相關描述，在此不再贅述。該指向性彩色濾光片3通過調整透過濾光子單元和對應的結構子單元的光的相位，來使透過同一濾光子單元的相同顏色的光具有不同的視角，合成同一視角圖像的不同顏色的光具有相同的視角。
參考圖9和圖3，該實施例中的液晶顯示面板5包括多個像素單元50，每一像素單元50又包括至少三個子像素500，每一像素單元50與一濾光單元10對應設定，同一像素單元50內的子像素500與對應的濾光單元10內的濾光子單元100一一對應設定，該液晶顯示面板通過調整透過子像素500的光的振幅，來使相同視角的不同顏色光合成同一視角圖像，不同視角的圖像合成3D顯示圖像。
可選的，參考圖3、圖5和圖9，該實施例中指向性彩色濾光片3中的濾光單元10包括三個濾光子單元100，這三個濾光子單元包括紅色濾光子單元R1、綠色濾光子單元G1和藍色濾光子單元B1，且紅色濾光子單元R1僅透射紅光，綠色濾光子單元G1僅透射綠光，藍色濾光子單元B1僅透射藍光。指向性彩色濾光片3中的結構單元20包括三個結構子單元200，這三個結構子單元包括第一結構子單元200a、第二結構子單元200b和第三結構子單元200c。液晶顯示面板5中的像素單元50包括三個子像素500，這三個子像素包括紅色子像素R2、綠色子像素G2和藍色子像素B2，且紅色子像素R2與第一結構子單元200a和紅色濾光子單元R1對應設定，綠色子像素G2與第二結構子單元200b和綠色濾光子單元G1對應設定，藍色子像素B2與第三結構子單元200c和藍色濾光子單元B1對應設定。
以圖5和10為例，第一結構子單元200a包括納米衍射光柵2001a～2001d、第二結構子單元200b包括納米衍射光柵2002a～2002d、第三結構子單元200c包括納米衍射光柵2003a～2003d，且2001a、2002a和2003a對應視點1、2001b、2002b和2003b對應視點2、2001c、2002c和2003c對應視點3、2001d、2002d和2003d對應視點4，這樣可以實現4個視角圖像的視點分離，每個視點對應一幅圖像。
將每個視角圖像按紅綠藍三色分離成三幅單色圖像，如圖10所示，發射紅光的紅雷射點光源40經過擴散後，投影到指向性彩色濾光片3上，指向性彩色濾光片3上只有紅色濾光子單元R1能透過紅光，並將紅光透射到指向性功能結構層對應的結構子單元上，該結構子單元包括2001a～2001d四個納米衍射光柵結構，使透過該結構子單元的紅光在液晶顯示面板5前方一定距離上形成4個在一條水平線上的焦點，之後通過液晶顯示面板上的紅色子像素多角度分離圖像，形成基於紅雷射點光源40的單色裸眼3D。
當紅雷射點光源40、綠雷射點光源41和藍雷射點光源42同時投影到指向性彩色濾光片3上時，經過指向性彩色濾光片3的分色濾光後，投影到指向性功能結構層上各自對應結構子單元，通過指向性功能結構層中納米衍射光柵的衍射後在空間產生彩色立體圖像顯示。
該實施例中的液晶顯示面板5包括陣列基板、對向基板以及設定在陣列基板和對向基板之間的液晶層，該陣列基板朝向液晶層的一側具有多個像素電極，對向基板朝向液晶層的一側具有公共電極，所述多個像素電極、公共電極以及二者之間的液晶層構成所述多個子像素。此外，陣列基板還包括驅動電路，該驅動電路通過調整像素電極與公共電極之間的電壓差來調整透過該子像素的光的光通量。
並且，該驅動電路可以在第一時序控制對應左眼圖像的子像素透光來顯示左眼圖像，在第二時序控制對應右眼圖像的子像素透光來顯示右眼圖像，經過人腦對左右眼圖像的疊加後就能形成高解析度的3D圖像，進一步地，該實施例中的左眼圖像和右眼圖像均為多視角圖像，任意兩個連續的視角圖像都可以實現3D顯示效果，因而，該實施例中的裸眼3D顯示裝置在不同觀察距離下都能保證3D效果。
進一步地，如果液晶顯示面板5顯示的是無視差的平面圖像，則該實施例中的裸眼3D顯示裝置也可以實現二維的平面顯示，也就是說，該實施例中的裸眼3D顯示裝置可以實現立體圖像顯示與平面圖像顯示之間的切換。其中，驅動電路同時控制對應左眼圖像的子像素和對應右眼圖像的子像素進行顯示，來顯示平面圖像。當然，《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》中液晶顯示面板5的結構、驅動方式和顯示方式並不僅限於此，只要其能夠與雷射點光源和指向性彩色濾光片結合形成無視覺疲勞且多視角的裸眼3D顯示裝置即可。
對於實際情況來說，假設液晶顯示面板5的尺寸為55英寸，觀察距離為3米，則滿足人眼解析度的單幅圖像的像素單元的尺寸為800微米，由於2015年11月前已有的技術可以實現20微米尺寸像素單元的製作，因此，理論上可以實現1600個視點的投射，從而可以形成一個逼真的立體影像。同時，納米衍射光柵的周期可做到430納米甚至更高，視角圖像的擴散範圍可以達到150°甚至更高。可選的，按照光柵方程計算，納米衍射光柵的周期範圍為430納米到650納米。
在一個具體地實施例方式中，假設指向性彩色濾光片3的濾光單元包括紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元，則紅色濾光子單元、綠色濾光子單元和藍色濾光子單元的尺寸可為80微米×240微米，構成240微米×240微米的濾光單元。如該指向性彩色濾光片3有兩個視點，則濾光子單元的尺寸為80微米×120微米。如有四個視點，則濾光子單元的尺寸為40微米×120微米，如有六個視點，則濾光子單元的尺寸為40微米×60微米。
由於結構子單元內部的納米衍射光柵的分布範圍決定了觀察視點的視場範圍，因此，按照光柵方程計算，納米衍射光柵的周期範圍可為300納米～3微米。《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》中結構子單元內部的納米衍射光柵的周期可做到300納米，對可見光波長在不同入射角度下的衍射角度可達90度，因此，理論上該發明中指向性彩色濾光片3對光場成像會聚的數值孔徑可大於1，對應視點的張角可接近180度，實際可到達150度。
《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》提供的由指向性彩色濾光片、雷射點光源和液晶顯示面板構成的裸眼3D顯示裝置中，指向性彩色濾光片包含連續變空頻納米衍射光柵陣列，雷射點光源包含紅綠藍三色雷射器與擴束器，因而可以利用指向性彩色濾光片上的納米衍射光柵對雷射點光源出射的光進行光場波前轉換，在空間形成會聚視點，為形成多個視角圖像提供光源，進而通過液晶顯示面板上的多視角圖像在空間分離，形成與多視角圖像對應的多視點，且圖像間互不串擾，因此，在視窗範圍內觀察的3D不產生視覺疲勞，沒有距離限制。同時，採用紅綠藍三個單色波長的雷射點光源照明，形成的3D圖像不受色模糊影響，3D圖像的景深大、色域寬。
該實施例提供的裸眼3D顯示裝置，光線在入射到指向性功能結構層中的納米衍射光柵之前，通過對應的濾光子單元進行了分色濾光，因此，不會出現同一納米衍射光柵出射兩種顏色的光，導致出射的光線出現串擾的問題；
並且，該實施例中的裸眼3D顯示裝置不需要採用高精度的透鏡、稜鏡等結構，且指向性彩色濾光片在技術上較容易實現，因此，該發明提供的基於指向性背光技術的無疲勞的多視角裸眼3D顯示器件能夠得到實際套用。
榮譽表彰
2019年7月15日，《指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置》獲第十一屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
