一種亮度增強的裸眼3d?led顯示裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種亮度增強的裸眼3D?LED顯示裝置。本實用新型采用在LED顯示屏前緊貼一層菲尼爾透，經(jīng)過透鏡后衍射光的豎直方向的發(fā)散角被壓縮從而提高單位立體角的光通量；R、G和B三色光的中心波長均為諧波長，且保證各色光的波譜范圍均能實現(xiàn)一個較高的衍射效率，從而增強立體顯示亮度；根據(jù)物像光的發(fā)散角壓縮要求，對偶數(shù)次相位系數(shù)進行迭代計算得到相位調制函數(shù)，再按照相位差進行分層壓縮，得到線性菲涅爾透鏡的輪廓分布函數(shù)；本實用新型不必提高LED顯示屏的功耗，甚至可以適當降低原本的LED顯示屏功耗，起到節(jié)能減排的作用；并且，這種方法可以控制LED顯示屏的光線傳播方向，實現(xiàn)定向定區(qū)域顯示，降低光污染。
【專利說明】
一種亮度増強的裸眼3D-LED顯示裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及裸眼3D顯示技術，具體涉及一種亮度增強的裸眼3D-LED顯示裝 置。
【背景技術】
[0002] 對于狹縫光柵式裸眼3D-LED顯示屏，其最大的缺點是立體亮度損失嚴重，對于K視 點的狹縫光柵裸眼3D-LED顯示屏，其立體亮度僅為LED顯示屏亮度的1/K倍，比如對于常見 的8視點裸眼3D顯示屏的亮度僅為LED顯示屏亮度的1/8倍。也就是說，若將目前亮度滿足戶 內外展示要求的LED顯示屏，改裝為狹縫光柵式裸眼3D屏，其亮度將會大大降低，無法滿足 實際的工程需要。因此，目前為了讓裸眼屏的立體亮度滿足公共場合下正常觀看時的亮度 要求，需極大地提高LED顯示屏本身的亮度，但是LED顯示屏體亮度提高后，不僅會直接導致 LED顯示屏體的功耗增加，還會導致LED顯示屏體的顏色失真、灰度等級降低，降低圖像質 量，同時還會導致LED顯示屏體的溫度升高、降低屏體的使用壽命。 【實用新型內容】
[0003] 針對以上現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型提出了一種亮度增強的裸眼3D-LED 顯示裝置，通過在LED顯示屏表面增加一層線性菲涅耳透鏡，來壓縮豎直方向的發(fā)散角，從 而提高立體顯示亮度；這種方法可不必提高LED顯示屏的功耗，甚至可以適當降低原本的 LED顯示屏功耗，起到節(jié)能減排的作用；并且，這種方法可以控制LED顯示屏的光線傳播方 向，實現(xiàn)定向定區(qū)域顯示，降低光污染。
[0004] LED顯示屏由排列成二維陣列的像素構成，每個像素包括紅R、綠G和藍B三個子像 素;紅R、綠G和藍B三個子像素沿水平方向間隔地周期性排布，沿豎直方向為同一顏色的子 像素。
[0005] 線性菲涅耳透鏡是菲涅耳透鏡的一種，菲涅耳透鏡是由同心圓環(huán)組成，而線性菲 涅耳透鏡是指透鏡結構僅沿一個方向變化，在本實用新型中只沿豎直方向即y方向變化，而 沿水平方向即X方向，則不發(fā)生變化，即線性菲涅耳透鏡的結構為沿水平方向的條帶。
[0006] 通常，對于裸眼3D-LED顯示屏來說，人們較為關心在水平方向的發(fā)散角，也就是說 希望在水平方向上能有更大自由度的觀看范圍，而對于豎直方向上的發(fā)散角不大關心，或 者說在豎直方向上的觀看范圍要求遠小于LED顯示屏本身的豎直發(fā)散角。這是因為觀看者 通常在同一個水平高度范圍內觀看LED顯示屏，而很少會在豎直方向上有較大變化。而LED 顯示屏的豎直方向的發(fā)散角通常高達160°，因此會有很大部分的光線照射到豎直觀看區(qū)域 以外，這部分光線不但對觀看效果沒有任何作用，還會浪費功耗、增加光污染。
[0007] 本專利提出一種壓縮豎直方向發(fā)散角的方法，通過在LED顯示屏表面緊貼一層線 性菲涅耳透鏡，通過合理設計線性菲涅耳透鏡的參數(shù)，可增強立體顯示亮度。
[0008] 本實用新型的亮度增強的裸眼3D-LED顯示裝置包括:LED顯示屏和線性菲涅耳透 鏡;在LED顯示屏的表面設置線性菲涅耳透鏡;LED顯示屏的每一個像素對應一個線性菲尼 爾透鏡的單元，一行線性菲尼爾透鏡的單元構成一條線性菲尼爾透鏡的單元條，LED顯示屏 的每一行像素對應一條線性菲尼爾透鏡的單元條，從而構成一張線性菲涅耳透鏡;子像素 的光經(jīng)過線性菲涅爾透鏡后發(fā)生衍射，衍射光的豎直方向的發(fā)散角被壓縮從而提高單位立 體角的光通量;通過增加線性菲涅耳透鏡的刻蝕深度以調節(jié)線性菲尼爾透鏡的厚度，使得 紅R、綠G和藍B子像素發(fā)出的光經(jīng)過線性菲尼爾透鏡均發(fā)生諧衍射，即紅R、綠G和藍B光的中 心波長均為諧波長，具有相同的光焦度，并且紅R、綠G和藍B光的衍射效率均超過閾值，從而 提尚立體顯不殼度。
[0009] LED顯示屏的每一行（沿水平方向排列）像素對應一條線性菲尼爾透鏡的單元條， 從而構成一張線性菲涅耳透鏡，一條線性菲尼爾透鏡的單元條的高度與像素的高度相同， 一張線性菲涅耳透鏡的尺寸與LED顯示屏相同。
[0010] 通過合理地設計諧衍射的相位因子P，使得紅R、綠G和藍B子像素發(fā)出的光經(jīng)過線 性菲尼爾透鏡均發(fā)生諧衍射，即紅R、綠G和藍B的中心波長均為諧波長：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 其中，Ar、Ag和λβ分別為紅、綠和藍光的中心波長，IiiR、mR和mR分別為紅、綠和藍光的 諧衍射級次，P為諧衍射的相仿閔子日η為整數(shù)"
[0015] 諧衍射效率公式為：^為諧波長，則紅、綠和藍光的諧衍射效率 %、％和ΠΒ分別為：

[0016]
[0017]
[0018]
[001 9 ] 紅、綠和藍光的諧衍射效率％和TlB均大于閾值Tlo。
[0020] 本實用新型通過增加線性菲尼爾透鏡的表面微結構的刻蝕深度，從而增加線性菲 尼爾透鏡的厚度h滿足，改變線性菲涅爾透鏡的相位調制函數(shù)，使得相鄰條帶的相位差為2π 的整數(shù)倍。線性菲尼爾透鏡的厚度h滿足：
[0021]
[0022]其中，p為諧衍射的相位因子，λ〇為設計波長，n為線性菲涅爾透鏡的折射率。
[0023]經(jīng)線性菲涅爾透鏡LED顯示屏的像的半發(fā)散角〇2滿足：
[0024]
[0025] 其中，L為LED顯示屏的像平面的高度，H為觀看平面距離LED顯示屏的像平面的距 離。
[0026] 線性菲涅爾透鏡的相位調制函數(shù)可以看成是一系列偶數(shù)次球面波的組合，線性菲 涅爾透鏡的相位調制函數(shù)表達形式如下：
[0027]
[0028] 其中，rmax = D/2為最大半徑，D為光瞳直徑，即一條線性菲涅耳透鏡單元條的高度， k為偶數(shù)次相位項的個數(shù)，k越高，即偶數(shù)次相位項的級次越高，計算出來的相位調制函數(shù)會 越準確;Ai為偶數(shù)次球面波的系數(shù)，i = 1，......k，根據(jù)= 乂) X貧⑷確定偶數(shù)次球面 波的系數(shù)Ai,其中，0(x，y)為物光，I(x，y)為像光，物光0(x，y)表示為：
[0029]
[0030] 其中，A0為物光的常量振幅，波矢1
[0031] 像光Kx)表示為：
[0032]
[0033] 其中，A1為像光的常量振幅，且有
[0034]根據(jù)諧衍射理論，計算諧衍射的相位因子p和衍射階次m，使R、G和B三色光的中心 波長均為諧波長，且保證各色光的波譜范圍均能實現(xiàn)一個較高的衍射效率。然后，根據(jù)物像 光的發(fā)散角壓縮要求，對線性菲涅爾透鏡中偶數(shù)次相位系數(shù)進行迭代計算，便可得到滿足 發(fā)散角壓縮要求，即滿足亮度增強要求的線性菲涅爾透鏡。得到了線性菲涅爾透鏡的相位 調制函數(shù)之后，再對其按照相位差2PJI進行分層壓縮，便可最終得到線性菲涅爾透鏡的輪廓 分布函數(shù)，如下式所示：
[0035]
[0036] 其中，f IoorO為下取整函數(shù)。
[0037]本實用新型的優(yōu)點：
[0038]本實用新型采用在LED顯示屏前緊貼一層菲尼爾透，經(jīng)過透鏡后衍射光的豎直方 向的發(fā)散角被壓縮從而提高單位立體角的光通量;并且通過設定菲涅爾透鏡的參數(shù)，使得 紅R、綠G和藍B光經(jīng)過線性菲尼爾透鏡均發(fā)生諧衍射，具有相同的光焦度，并且紅R、綠G和藍 B光的衍射效率均超過閾值，從而增強立體顯示亮度;本實用新型不必提高LED顯示屏的功 耗，甚至可以適當降低原本的LED顯示屏功耗，起到節(jié)能減排的作用；并且，這種方法可以控 制LED顯示屏的光線傳播方向，實現(xiàn)定向定區(qū)域顯示，降低光污染。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本實用新型的通過線性菲涅耳透鏡壓縮豎直方向的發(fā)散角的等效光路的側 視圖；
[0040] 圖2為本實用新型的通過線性菲涅耳透鏡的發(fā)散角的計算原理圖：
[0041] 圖3為線性菲涅爾透鏡的對比圖，其中，（a)為發(fā)生普通衍射的線性菲尼爾透鏡， (b)為本實用新型的發(fā)生諧衍射的線性菲涅爾透鏡；
[0042] 圖4為本實用新型的LED顯不屏的個實施例的不意圖；
[0043] 圖5為本實用新型的一個實施例中的一張線性菲涅爾透鏡的示意圖，其中，（a)為 正視圖，（b)為側視圖；
[0044] 圖6為本實用新型的一個實施例中的一條線性菲涅爾透鏡的單元條的剖面圖；
[0045] 圖7為根據(jù)本實用新型的一個實施例得到的各諧衍射階次的衍射曲線及R、綠G和 藍B三波長標注圖；
[0046] 圖8為本實用新型的一個實施例中得到的線性菲尼爾透鏡的橫截面輪廓分布曲線 圖。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本實用新型。
[0048]圖1為在LED顯示屏前緊貼一張線性菲涅爾透鏡壓縮數(shù)值方向發(fā)散角的等效光路 圖，通過將LED顯示屏的發(fā)散角壓縮來提高單位立體角的光通量。其中，〇1和〇2分別為LED顯 示屏的物和像的半發(fā)散角，SjPS 2分別為LED顯示屏的物和像的位置，那么，亮度增強倍率為 M=CX1Z^0
[0049] 物光和像光在線性菲涅耳透鏡平面上的光場分布可以近似為球面光，在圖1中建 立以線性菲涅耳透鏡的中心點為原點的坐標系(X，y，Z )，z為光的傳播方向，X為水平方向，y 為豎直方向，則物光0(x，y)可表示成：
[0050]
⑴
[0051] 其中，Ao為物光的常量振幅，波矢量? = #,表示單位長度上產(chǎn)生的位相變化，λ為 Λ 波長，則有：
(〇)
[0052]
[0053]其中，D為光瞳直徑，即一條線性菲涅耳透鏡單元條的高度。
[0054]同理，像光I(x，y)可表示為：
[0055]
(:3)
[0056] 其中，A1為像光的常量振幅，且有：
[0057]
(4)
[0058] 圖2是觀看立體空間的側視圖，左側斜線區(qū)域為LED顯示屏經(jīng)過線性菲涅爾透鏡作 用后等效的LED顯示屏的像平面，高度設為L。右側為觀看平面，距離LED顯示屏的像平面的 距離為H，為了簡化討論，這里設計觀看區(qū)域為:跟LED顯示屏處于同一高度，豎直方向高度 為L的區(qū)域，如圖2右側的網(wǎng)格區(qū)域。那么，根據(jù)幾何關系可得：
[0059]
(5)
[0060] 接下來，我們來說明線性菲涅耳透鏡的設計，常規(guī)的線性菲涅耳透鏡的設計都是 基于普通衍射理論進行的。但是，普通衍射光學元件使用+1級次衍射光，會表現(xiàn)出很大的負 色散。因此，針對這個問題，本實用新型利用諧衍射理論進行線性菲涅耳透鏡設計。相比于 普通衍射使用+1級，諧衍射的設計方法是使用+m階衍射光，其色散性能介于普通衍射與折 射之間。諧衍射能克服普通衍射元件因色散而產(chǎn)生的離焦，并在一系列諧波長上具有相同 的光焦度，而且理論上能夠保持100%的衍射效率。R、G和B光具有相同的光焦度即經(jīng)過線性 菲尼爾透鏡后同一個像素的紅R、綠G和藍B光具有相同的焦點聚焦在同一處。諧衍射通過增 加線性菲涅爾透鏡表面微結構的刻蝕深度，改變其相位調制函數(shù)，使其在相鄰環(huán)帶的相位 差等于2π的整數(shù)倍，圖3中（a)和(b)分別給出了普通衍射和諧衍射設計的線性菲涅爾透鏡 的厚度。
[0061] 根據(jù)諧衍射理論，有如下公式成立：
[0062I諧波長滿足：
[0063]
(6)
[0064] 其中，λ〇為設計波長，λ為實際入射波長，p為諧衍射的相位因子，m為衍射階次。通 過合理設計P和m，來保證三種不同波長的子像素(R、G和B)發(fā)出的入射光束經(jīng)過線性菲涅耳 透鏡，都能獲得較高的衍射效率。其中，衍射效率可以用如下公式表示：
[0065]
(7)
[0066] 那么，根據(jù)這種諧衍射的設計方法設計的線性菲涅耳透鏡的高度為：
[0067]
(g)
[0068]根據(jù)線性菲涅爾透鏡理論可知，線性菲涅爾透鏡的相位調制函數(shù)可以看成是一系 列偶數(shù)次球面波的組合，表達形式如下：
[0069]
(9.〉
[0070] 其中，rmax = D/2為最大半徑，k為偶數(shù)次相位項的個數(shù)，A1為偶數(shù)次球面波的系數(shù)。
[0071] 公式（1)、（3)和(9)滿足如下關系： _2]
(1〇)
[0073] 根據(jù)諧衍射理論，計算相位因子p和衍射階次m，使R、G和B三色光的中心波長均為 諧波長，且保證各色燈的波譜范圍均能實現(xiàn)一個較高的衍射效率。然后，根據(jù)物像光的發(fā)散 角壓縮要求，對線性菲涅爾透鏡中偶數(shù)次相位系數(shù)進行迭代計算，便可得到滿足發(fā)散角壓 縮要求，即滿足亮度增強要求的線性菲涅爾透鏡設計。得到了線性菲涅爾透鏡的相位調制 函數(shù)之后，再對其按照相位差2PJI進行分層壓縮，便可最終得到所線性菲涅爾透鏡的輪廓分 布函數(shù)，如下式所示：
[0074]
ClO [0075] 其中，f IoorO為下取整函數(shù)。
[0076] 本實施例中，采用Pl. 667全彩三合一LED顯示屏，其外觀結構為:LED顯示屏中每個 像素由R、G和B三個子像素組成，像素尺寸為1.667mmX 1.667mm，且R、G和B子像素沿水平方 向上為間隔地周期排布，沿豎直方向上，為同一顏色，如圖4所示。圖4中展示了四個像素。 [0077]首先，介紹線性菲涅爾透鏡與LED顯示屏的裝配關系如下:每張線性菲涅爾透鏡的 設計尺寸為200mm(寬）X 150mm(高），正好為一塊LED顯示頻的尺寸，每張線性菲涅爾透鏡可 正好緊貼于LED顯示屏的表面，線性菲涅爾透鏡如圖5所示。
[0078]每張線性菲涅爾透鏡由90條沿水平方向排列的線性菲涅爾透鏡單元條組成，每個 單元條為一個獨立的線性菲涅爾透鏡，即每一條線性菲涅爾透鏡單元條的尺寸為200mm (寬）X 1.667mm(高），一個單元條對應LED顯示屏中的一行。其中，一條線性菲涅爾透鏡單元 的側視圖如圖6所示，其中X1表示各條帶的高度，d Xl為相鄰條帶的高度差。線性菲涅爾透鏡 的單元是由線性菲涅爾透鏡結構和基材兩部分組成，如圖6所示，UV膠組成的線性菲涅爾透 鏡結構，厚度為h，設置在厚度為d的PET基材上。
[0079]表1給出了與裸眼3D-LED顯示裝置相關的線性菲涅爾透鏡設計參數(shù)，如下所示： [0080]表1線性菲涅爾透鏡設計參數(shù)表
[0082]則根據(jù)公式(5)，可計算出像方的半發(fā)散角為α2 = 7.59°，則亮度可提高的倍率為M =7.6〇
[0083]下面對線性菲涅爾透鏡進行設計，已知LED顯示屏中三色燈的中心波長分別為:R =0.6215以111、6 = 0.5275以111、8 = 0.468以111。這里，將綠色的中心波長6 = 0.5275以111作為設計波 長入〇。通過枚舉法，計算當p和m滿足三種波長的衍射效率均超95%的情況，得到p = 7、39、 40、47。綜合考慮衍射效率曲線及線性菲涅爾透鏡加工難度，選擇諧衍射相位因子p = 39,此 時R、G和B三色光的波長對應的衍射階次m分別為:mR = 33，mG = 39和mB = 44。三種色光的波長 對應的理論衍射效率nR、riG和Hb分別為98.17 %、100%、99.43 %。衍射曲線如圖7所示。圖7 中，虛線為B光，實線為G光，點實線為R光。
[0084] 線性菲涅爾透鏡的相位調制函數(shù)的偶數(shù)次相位項的個數(shù)為k = 5,根據(jù)公式（10)確 定偶數(shù)次球面波的系數(shù)仏，如下：
[0085] Ai = -289.994489，A2= 175 · 621548，A3 = -145.554677，A4 = 85.559952，A5 = -22.908058〇
[0086] 將各項系數(shù)結果代入到公式(8)中，并進行分層壓縮，可得設計的線性菲涅爾透鏡 的輪廓分布曲線，如圖8所示。有了線性菲涅爾透鏡的輪廓分布曲線，便可以送加工廠加工 生產(chǎn)。
[0087] 表2給出了所設計的各環(huán)帶的半徑及相鄰環(huán)帶的間距，共有31個環(huán)，最外側環(huán)即最 細環(huán)的寬度dx3i = 17.843μηι。
[0088] 表2各條帶高度及相鄰條帶間距
[0091] 最后，將設計加工的線性菲涅爾透鏡裝配到LED顯示屏表面，可將立體亮度提高約 7.6倍。最后，值得說明是，通常為了兼顧加工精度和裝配誤差，有必要將立體亮度增強倍率 M在上面的基礎上適當?shù)亟档?，來增加加工和裝配公差允許范圍。
[0092] 最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本實用新型，但是本 領域的技術人員可以理解:在不脫離本實用新型及所附的權利要求的精神和范圍內，各種 替換和修改都是可能的。因此，本實用新型不應局限于實施例所公開的內容，本實用新型要 求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種亮度增強的裸眼3D-LED顯示裝置，LED顯示屏由排列成二維陣列的像素構成，每 個像素包括紅R、綠G和藍B三個子像素，紅R、綠G和藍B三個子像素沿水平方向間隔地周期性 排布，沿豎直方向為同一顏色的子像素;線性菲涅耳透鏡只沿豎直方向變化，而沿水平方向 則不發(fā)生變化，即線性菲涅耳透鏡的結構為沿水平方向的條帶；其特征在于，所述裸眼3D-LED顯示裝置包括:LED顯示屏和線性菲涅耳透鏡；在LED顯示屏的表面設置線性菲涅耳透 鏡;LED顯示屏的每一個像素對應一個線性菲尼爾透鏡的單元，一行線性菲尼爾透鏡的單元 構成一條線性菲尼爾透鏡的單元條，LED顯示屏的每一行像素對應一條線性菲尼爾透鏡的 單元條，從而構成一張線性菲涅耳透鏡;子像素的光經(jīng)過線性菲涅爾透鏡后發(fā)生衍射，衍射 光的豎直方向的發(fā)散角被壓縮;通過增加線性菲涅耳透鏡的刻蝕深度以調節(jié)線性菲尼爾透 鏡的厚度，使得紅R、綠G和藍B子像素發(fā)出的光經(jīng)過線性菲尼爾透鏡均發(fā)生諧衍射，即紅R、 綠G和藍B光的中心波長均為諧波長，具有相同的光焦度，并且紅R、綠G和藍B光的衍射效率 均超過閾值。2. 如權利要求1所述的裸眼3D-LED顯示裝置，其特征在于，一條線性菲尼爾透鏡的單元 條的高度與像素的高度相同，一張線性菲涅耳透鏡的尺寸與LED顯示屏相同。3. 如權利要求1所述的裸眼3D-LED顯示裝置，其特征在于，所述紅R、綠G和藍B的中心波 長均為諧波長，滿足：其中，AR、AG和λΒ分別為紅、綠和藍光的中心波長，mR、mR和mR分別為紅、綠和藍光的諧衍 射級次，P為諧衍射的相位因子且P為整數(shù)。4. 如權利要求3所述的裸眼3D-LED顯示裝置，其特征在于，所述紅、綠和藍光的諧衍射 效率％、％和ηΒ分別為：其中，紅、綠和藍光的諧衍射效率％、％和％均大于閾值no。5. 如權利要求4所述的裸眼3D-LED顯示裝置，其特征在于，所述線性菲尼爾透鏡的厚度 h滿足：其中，P為諧衍射的相位因子，λο為設計波長，η為線性菲涅爾透鏡的折射率。6. 如權利要求5所述的裸眼3D-LED顯示裝置，其特征在于，確定線性菲涅爾透鏡中偶數(shù) 次相位項的個數(shù)k，線性菲涅爾透鏡的相位調制函數(shù)表達形式如下：其中，rmax = D/2為最大半徑，D為光瞳直徑，即一條線性菲涅耳透鏡單元條的高度，k為 偶數(shù)次相位項的個數(shù)，仏偶數(shù)次球面波的系數(shù)，i = 1，……，k。7. 如權利要求6所述的裸眼3D-LED顯示裝置，其特征在于，偶數(shù)次球面波的系數(shù)仏滿足 /(X，>') = .V) X Ρ(Λ-)，艿中，〇( X，y )為物光，I ( X，y )為像光，物光〇( X，y )表示為：其中，Αι為像光的常量振幅，且有：，adPa2分別為LED顯示屏 的物和像的半發(fā)散角，，L為LED顯示屏的像平面的高度，Η為觀看平面距離 LED顯示屏的像平面的距離。8. 如權利要求7所述的裸眼3D-LED顯示裝置，其特征在于，根據(jù)線性菲涅爾透鏡的相位 調制函數(shù)，按照相位差2PJI進行分層壓縮，得到線性菲涅爾透鏡的輪廓分布函數(shù)，如下式所 示：其中，floorO為下取整函數(shù)。
【文檔編號】G02B27/22GK205665470SQ201620485264
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】何林, 崔華坤, 周揚斌, 丁凌, 張穎
【申請人】萬象三維視覺科技（北京）有限公司