УЛЬТРАТОНКИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ 2D/3D ИЗОБРАЖЕНИЯ С СИСТЕМОЙ КОЛЛИМАЦИИ ДЛЯ ДИСПЛЕЯ Российский патент 2024 года по МПК G09G5/00 G02B30/25 G02B30/27 G02F1/1335 

Область техники

Настоящее изобретение относится к дисплеям следующего поколения, так называемым иммерсивным дисплеям, т.е. дисплеям с большой степенью погружения пользователя в происходящее на экране. В частности, устройство принадлежит к классу дисплеев светового поля (Light Field Display).

Настоящее изобретение может быть использовано в устройствах отображения изображений, способных переключаться между режимом отображения 2D (двумерным режимом отображения) и многоракурсным автостереоскопическим (3D) режимом отображения с широким полем обзора (FoV). Примером такого устройства может являться ультратонкий дисплей для переключения между режимом отображения 2D и режимом отображения 3D с широким полем обзора для множества зрителей без системы слежения за головами зрителей (head-tracking). Другим примером такого устройства может являться оптический модуль для переключения отображения изображения 2D/3D на основе лентикулярных поляризационно-зависимых (PD) оптических элементов (зеркал) и самосветящейся панели дисплея либо на органических светодиодах (англ. organic light-emitting diode, сокр. OLED) OLED, либо на технологии микроскопических неорганических самосветящихся светодиодов MicroLED (она же micro-LED, μLED) в качестве источника изображения.

Описание предшествующего уровня техники

Технология светового поля обеспечивает описание распространяющегося света с помощью 4D пленоптической функции, т.е. светящаяся точка, составляющая изображение, рассматривается через все направления и через все точки пространства. Предлагается оптический модуль для переключения 2D/3D изображения для дисплея светового поля, который обеспечивает быстрое переключение между режимом отображения 3D и обычным режимом отображения 2D благодаря поляризационно-зависимым оптическим элементам. При этом в режиме 3D дисплей генерирует многоракурсное автостереоскопическое отображение предмета или сцены с широким полем обзора, где все признаки глубины отображаются правильно, обеспечивая полное погружение зрителей. Благодаря широкому полю обзора в режиме 3D дисплей светового поля позволяет осуществлять просмотр несколькими пользователями без дополнительных устройств. Предлагаемый дисплей сочетает в себе самосветящийся источник OLED/μLED, активный ретардер, помещенный между двумя поляризационно-зависимыми (PD) оптическими элементами, например, зеркалами.

Чтобы удовлетворить потребности потребительского рынка 3D-дисплеев/телевизоров, дисплей светового поля должен иметь следующие параметры:

Широкий угол обзора 3D-сцены для нескольких зрителей (без отслеживания головы);

Возможность переключения режимов отображения 2D/3D;

Большая апертура дисплея;

Высокое качество изображения, т.е. высокая яркость изображения с равномерным распределением по апертуре дисплея;

Отсутствие перекрестных помех и паразитных изображений между видами 3D-сцены;

Высокое разрешение изображения в режиме 3D.

При этом в настоящее время у подобных устройств, известных из уровня техники, существуют следующие основные проблемы, состоящие в отсутствии масштабируемого решения дисплеев светового поля для многопользовательского сценария использования без системы отслеживания положений голов пользователей, при этом обеспечивая увеличенное поле обзора и с возможностью переключения между режимами 2D/3D отображения.

Для решения описанной выше проблемы авторы настоящего изобретения предлагают технологию переключаемого 2D/3D многопользовательского/многовидового дисплея с широким полем обзора на основе масштабируемых сверхтонких лентикулярных поляризационно-зависимых оптических элементов (PD), применяемых совместно с панелями OLED/μLED большой площади.

Доступные продукты с использованием технологии светового поля можно разделить по нескольким параметрам, среди которых: размер экрана (диагональ меньше 50 дюймов или диагональ больше 50 дюймов), а также схема компоновки дисплея, который может состоять из одинарной панели, стека многоуровневых прозрачных экранов, расположенных по толщине дисплея, а также из множества мозаично расположенных панелей меньшего размера. Доступные продукты предназначены для одного пользователя и используют решения для отслеживания положения головы и/или глаз пользователя, ограниченный размер экрана до 32 дюймов и основываются на известных решениях с массивами лентикулярных линз, либо с массивами жидкокристаллических линз.

Текущие продукты с большим экраном (>50 дюймов), предназначены для одного пользователя, имеют низкое качество изображения, используют решения для отслеживания глаз или головы пользователя и известные решения из области лентикулярных/ жидкокристаллических линз.

Решения, состоящие из множества мозаично расположенных панелей, обеспечивают только многоракурсный автостереоскопический режим без переключения в 2D-режим и имеют небольшую апертуру дисплея.

В частности, у традиционных алгоритмов, известных из уровня техники, существуют следующие известные проблемы:

1. Отсутствие возможности переключения между режимами 2D/3D отображения.

Чтобы сохранить возможность работы дисплея в обычном режиме (2D) для некоторых сценариев использования (например, просмотр части изображения, содержащего множество мелких деталей или текст, особенно с большого расстояния), было предложено предоставить устройство отображения, которое в случае необходимости переключается между режимами 2D и 3D.

2. Небольшое поле обзора в 3D-режиме.

Текущие решения для переключения между режимами 2D/3D не обеспечивают широкое поле обзора (FoV) 3D сцены или изображения, поэтому количество выводимых видов 3D-сцены ограничено. Техника отслеживания головы пользователя используется для увеличения количества видов и расширения поля обзора, во время движения головы пользователя вдоль апертуры дисплея, что ограничивает количество пользователей до одного.

3. Эффективность источника, разрешение, качество изображения.

Чтобы удовлетворить необходимое разрешение 30-сцены, необходимо использовать источники с высокой плотностью пикселей, которые обычно имеют большой угол расходимости (μLED, OLED). Эффективно использовать весь свет от источника невозможно. Неиспользованный в данной ячейке свет попадает на соседние ячейки, формирующие дисплей, и тем самым создает призрачные изображения и перекрестные помехи, которые снижают качество изображения и обычно вызывают необходимость блокировать неиспользованный в данной ячейке свет, что снижает энергетическую эффективность как отдельной ячейки, так и всего дисплея.

Уровень техники

Из уровня техники известны решения, основанные на использовании массива лентикулярных жидкокристаллических линз. Принцип их функционирования основан на следующем: формируется плоский либо выпуклый объем, заполняемый жидкими кристаллами, и при приложении напряжения к токопроводящим слоям, ограничивающим этот объем, жидкие кристаллы поворачиваются, при этом они работают либо как линзы, за счет чего создается 3D изображение, либо как пропускающие пластинки, через которые проходит свет от пикселя, аналогично тому, как это делается в обычных 2D дисплеях, за счет чего создается 2D изображение. Примеры таких решений описаны в патентных документах KR 10-1753570 В1, опубл. 04.07.2017, CN 1916692 А, опубл. 21.02.2007, US 2013/0107174 А1, опубл. 05.01.2016.

Основная проблема данных решений состоит в том, что оптическая сила подобных жидкокристаллических ячеек невелика, что в свою очередь уменьшает поле обзора ячейки, а значит и всего дисплея в 3D режиме. Это влечет за собой необходимость использования отслеживания глаз пользователя. Попытки увеличить поле обзора ячейки приводят к созданию призрачных изображений и перекрестных помех, что снижает качество 3D изображения. К тому же жидкокристаллические линзы имеют сравнительно большую, а главное, переменную толщину, что накладывает ограничения по скорости работы такой жидкокристаллической ячейки, поскольку жидкие кристаллы в толстом слое/объеме поворачиваются медленнее чем в тонком.

Также из уровня техники известны решения, основанные на использовании множества мозаично расположенных панелей, которые позволяют создавать качественные автостереоскопические 3D изображения, но у которых при этом отсутствует возможность переключения из режима 2D в режим 3D и обратно.

Например, из уровня техники известен документ US 2020/0314415 А1, дата публикации 01.10.2020, раскрывающий «Систему светового поля для кинотеатров». Система дисплея светового поля согласно данному документу предназначена для отображения голографического контента (например, голографического фильма или голографического контента для дополнения фильма) зрителям в кинотеатре. Система дисплея светового поля в кинотеатре включает в себя модули дисплея светового поля, соединенные вместе и образующие массив модулей светового поля. Массив модулей светового поля создает объем голографического объекта для отображения голографического контента в кинотеатре. Массив модулей светового поля отображает голографический контент зрителям в объемах просмотра. Система дисплея светового поля может быть включена в кинематографическую сеть светового поля. Кинематографическая сеть светового поля позволяет создавать голографический контент в одном месте и представлять его в другом. Кинематографическая сеть светового поля включает в себя сетевую систему для управления цифровыми правами на контент голографического исполнения. С точки зрения компоновки можно отметить, что данная система основана на пропускании световой энергии через конденсирующий оптический элемент - линзу. Недостатком данного известного решения является отсутствие возможности переключения из режима 2D в режим 3D и обратно.

Кроме того, из уровня техники известен документ US 2018/0372926 А1, дата публикации 27.12.2018, раскрывающий «Селективное распространение энергии в световом поле и в голографических волноводных решетках». Раскрытые в данном документе варианты осуществления включают в себя систему энергетических волноводов, имеющую массив волноводов и элемент подавления световой энергии, выполненный с возможностью по существу заполнять апертуру волноводного элемента и выборочно распространять энергию вдоль некоторых направлений распространения световой энергии через массив волноводов, подавляя распространение световой энергии вдоль других направлений. В варианте осуществления такая система энергетических волноводов может определять направление распространения световой энергии через массив волноводов в соответствии с четырехмерной (4D) пленоптической системой. В одном из вариантов осуществления световая энергия, распространяющаяся через систему энергетических волноводов, может включать распространение световой энергии для стимуляции реакции любого сенсорного рецептора, включая зрительную, слуховую, соматосенсорную системы, а волноводы могут быть встроены в голографический дисплей или комплексную двунаправленную бесшовную энергетическую поверхность, способную и к получению, и к излучению двумерной энергии светового поля или голографической энергии посредством волновода или других 4D-пленоптических функций, предписывающих конвергенцию световой энергии в объеме просмотра. С точки зрения компоновки можно отметить, что данная система также основана на пропускании световой энергии через конденсирующий оптический элемент линзу. Недостатком данного известного решения также является отсутствие возможности переключения из режима 2D в режим 3D и обратно.

Также из уровня техники известны отдельные элементы, формирующие отдельные воксели 3D изображения. С точки зрения принципа работы они могут работать как на пропускание, так и на отражении световой энергии. Примеры таких решений раскрыты в документе US 11199721 В1, дата публикации 14.12.2021, раскрывающем «Поляризационную объемную голографическую линзу», а также в документе US 2021/0026049 А1, дата публикации 28.01.2022, раскрывающем «Оптический элемент». Однако данные документы описывают лишь отдельные составные части, из которых могут собираться 3D дисплеи, но не полностью пригодные к эксплуатации системы формирования 3D изображений.

Положительные результаты изобретения

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается система формирования многоракурсного автостереоскопического 3D изображения с широким полем обзора для множества зрителей без использования системы слежения за головами зрителей, способная быстро переключаться между 2D и 3D режимами.

В соответствии с настоящим изобретением также обеспечивается система формирования 3D изображения с высоким разрешением и большой апертурой дисплея, при этом являющаяся сверхтонкой.

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается система формирования 3D изображения с высоким качеством изображения по яркости и равномерности распределения яркости по апертуре дисплея в режиме 3D, и обеспечивающая практическое отсутствие перекрестных помех и паразитных изображений между видами 3D-сцены.

Сущность изобретения

В качестве основного варианта осуществления настоящего изобретения предложен модуль для переключения режимов отображения 2D/3D для элемента светодиодной панели, содержащий:

элемент светодиодной панели, излучающий неполяризованный свет,

подколлимирующий оптический элемент перенаправления света, представляющий собой плоские поверхности ввода света и вывода света, причем площадь поверхности вывода света превышает площадь поверхности ввода света, выполненные из прозрачного материала, оптически соединенные друг с другом частью или поверхностью своего материала криволинейной произвольной формы, причем подколлимирующий оптический элемент перенаправления света оптически связан с элементом светодиодной панели с возможностью проводить свет от поверхности ввода света к поверхности вывода света,

систему изменения поляризации света, оптически сопряженную с элементом светодиодной панели, и состоящую из двух призм, причем первая призма оптически соединена одной из своих поверхностей с поверхностью вывода подколлимирующего оптического элемента, а одна из поверхностей первой призмы покрыта диэлектрическим светоделительным покрытием, вторая призма приклеена к покрытой светоделительным покрытием поверхности первой призмы, а выходная поверхность второй призмы покрыта полуволновым покрытием,

переключатель режимов отображения 2D/3D, на который поступает свет с выхода системы изменения поляризации света, содержащий первое поляризационно-зависимое зеркало, второе поляризационно-зависимое зеркало, состоящее из последовательно расположенных полупрозрачного зеркала, четвертьволновой пластинки и линейного поляризатора, и активный ретардер, расположенный между первым поляризационно-зависимым зеркалом и вторым поляризационно-зависимым зеркалом,

причем для отображения 2D изображения переключатель режимов отображения выполнен с возможностью:

поддержания активного ретардера во включенном состоянии, в котором он работает как прозрачная пластинка,

выбора угла поворота линейного поляризатора таким образом, чтобы передавать свет с исходным состоянием поляризации на выход модуля для переключения режимов отображения 2D/3D, формируя в пространстве за вторым поляризационно-зависимым зеркалом 2D изображение;

причем для отображения 3D изображения переключатель режимов отображения выполнен с возможностью:

поддержания состояния активного ретардера в выключенном состоянии, в котором он работает в качестве полуволновой пластинки, в результате чего свет от первого поляризационно-зависимого зеркала проходит через него со сменой состояния поляризации света на противоположное и распространяется дальше на второе поляризационно-зависимое зеркало, в котором свет с поляризацией, противоположной попавшей на активный ретардер, отражается от второго поляризационно-зависимого зеркала, возвращаясь к активному ретардеру, проходя через него, снова изменяет состояние поляризации света на противоположное, продолжает распространяться к первому поляризационно-зависимому зеркалу, которое для света с этим состоянием поляризации работает как собирающая линза, затем этот свет отражается от первого поляризационно-зависимого зеркала, снова возвращаясь к активному ретардеру, который опять меняет состояние поляризации света, и, благодаря тому, что для этого света первое поляризационно-зависимое зеркало работает как собирающая линза, в пространстве за вторым поляризационно-зависимым зеркалом формируется объемный элемент 3D изображения.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения оптическая сила первого поляризационно-зависимого зеркала не равна нулю, тогда как оптическая сила второго поляризационно-зависимого зеркала равна нулю.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения как оптическая сила первого поляризационно-зависимого зеркала не равна нулю, так и оптическая сила второго поляризационно-зависимого зеркала не равна нулю.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения одно из первого или второго поляризационно-зависимых зеркал может представлять собой активный поляризационно-зависимый элемент.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения все или некоторые оптические элементы могут иметь дополнительные оптические покрытия.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения в качестве одного из первого или второго поляризационно-зависимых зеркал используются пропускающие поляризационно-зависимые оптические элементы.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения пропускающие оптические линзы используются в качестве элемента, выполняющего функции второго поляризационно-зависимого зеркала.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения набор пропускающих оптических линз используется в качестве элемента, выполняющего функции первого поляризационно-зависимого зеркала, а в качестве второго поляризационно-зависимого зеркала используются поляризационно-зависимые оптические элементы.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения в качестве активного ретардера могут использоваться активная четвертьволновая или полуволновая пластинка.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения дополнительные отклоняющие призмы используются в качестве линзы-конденсора для излучения, подаваемого на переключатель режимов отображения 2D/3D.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения используется дополнительная линза-конденсор для излучения, подаваемого на переключатель режимов отображения 2D/3D.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения используется дополнительный массив линз или массив поляризационно-зависимых оптических элементов, чтобы преобразовать неполяризованный свет от подколлимирующего оптического элемента в линейно поляризованный свет.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения используется полый подколлимирующий оптический элемент с эффектом полного внутреннего отражения или с зеркальным покрытием, нанесенным на поверхность криволинейной произвольной формы подколлимирующего оптического элемента.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения для улучшения угла обзора дисплея по высоте в режиме отображения 2D используют активный вертикальный рассеиватель, работающий только в вертикальном направлении, который включается в режиме отображения 2D и выключается в режиме отображения 3D.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1 иллюстрирует принцип работы переключателя режимов отображения 2D/3D на основе набора поляризационно-зависимых зеркал и активного жидкокристаллического ретардера, работающего в режиме отображения 2D изображения.

Фиг. 2 иллюстрирует принцип работы переключателя режимов отображения 2D/3D на основе набора поляризационно-зависимых зеркал и активного жидкокристаллического ретардера на основе ячейки с нематическими жидкими кристаллами, способными поворачиваться при приложении внешнего электромагнитного поля, работающего в режиме отображения 3D изображения.

Фиг. 3 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором используются различные типы поляризационных зеркал в схеме переключателя режимов отображения 2D/3D.

Фиг. 4 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором используются пропускающие поляризационно-зависимые оптические элементы.

Фиг. 5 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором используются альтернативные пропускающие оптические элементы, а именно линзы.

Фиг. 6 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором использован набор пропускающих оптических линз.

Фиг. 7 иллюстрирует вариант осуществления настоящего изобретения включающий в себя систему коллимации/перенаправления излучения от элементов светодиодной панели μLED/OLED.

Фиг. 8 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором используются дополнительные отклоняющие призмы.

Фиг. 9 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором используется дополнительная линза-конденсор.

Фиг. 10 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором использован дополнительный массив линз или массив поляризационно-зависимых оптических элементов.

Фиг. 11 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором используется произвольное изменение поверхности/формы подколлимирующего оптического элемента.

Фиг. 12 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором используются метаатомы разной направленности на поверхности вывода подколлимирующего оптического элемента.

Фиг. 13 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором использован полый подколлимирующий оптический элемент.

Подробное описание изобретения

На Фиг. 1 проиллюстрирован принцип работы переключателя режимов отображения 2D/3D на основе набора поляризационно-зависимых зеркал и активного жидкокристаллического ретардера, работающего в режиме отображения 2D изображения, причем при объяснении в круглых скобках приведены ссылки на элементы, показанные на Фиг. 1 в кружках.

На этапе 1 каждый пиксель μLED/OLED (1) мозаичного элемента светодиодной панели, генерирующего один элемент изображения, представляет вид, т.е. под разными углами в режиме отображения 3D изображения будут видны различные пиксели светодиодной панели, и он испускает широкий конус неполяризованных лучей в направлении элемента (2) перенаправления света.

На этапе 2 элемент коллимирования/перенаправления света (2) перенаправляет неполяризованный свет (НПС, NPL) каждого пикселя (1) мозаичного элемента светодиодной панели μLED/OLED на элемент (3) изменения поляризации света без изменения состояния поляризации исходного света.

На этапе 3, при прохождении элемента (3) изменения поляризации света, неполяризованный свет (NPL) преобразуется в свет с круговой поляризацией определенной направленности вращения, т.е. либо с круговой поляризацией правой направленности (КППН, RHCP), либо с круговой поляризацией левой направленности (КПЛН, LHCP), которая не взаимодействует с поляризационно-зависимым зеркалом (4), являющимся первым компонентом системы переключения 2D/3D изображения. Это состояние принимается за начальное состояние поляризации света. Состояние поляризации прошедшего (начального) света определяется углом поворота элемента (3) изменения поляризации света.

На этапе 4 первое поляризационно-зависимое зеркало (4) может работать по-разному в зависимости от состояния поляризации падающего света, имеющего круговую поляризацию. Например, оно может пропускать свет с круговой поляризацией правой направленности, не меняя его, или фокусировать/рассеивать отраженный свет с круговой поляризацией левой направленности, наподобие вогнутого/выпуклого зеркала, и наоборот.

Свет с исходным состоянием круговой поляризации проходит через первое поляризационно-зависимое зеркало (4) без изменения состояния его поляризации, к активному ретардеру (5).

На этапе 5, активный ретардер (5), являющийся вторым компонентом системы переключения, в выключенном состоянии работает как полуволновая пластинка, т.е меняет состояние поляризации проходящего света на противоположное (RHCP на LHCP, ТЕ поляризацию левой направленности (LPTE) на ТМ поляризацию левой направленности (LPTM) и наоборот), а во включенном состоянии работает как прозрачная пластинка, не взаимодействуя с проходящим через него светом.

На этапе 6 в режиме отображения 2D, активный ретардер (5) находится во включенном состоянии, и исходный свет проходит через активный ретардер без изменения состояния поляризации света и распространяется дальше ко второму поляризационно-зависимому зеркалу (6), являющемуся третьим компонентом системы переключения.

Второе поляризационно-зависимое зеркало (6) состоит из последовательно расположенных полупрозрачного зеркала, четвертьволновой пластинки и линейного поляризатора, которые могут быть выполнены в форме пленок, нанесенных на прозрачную подложку. Поведение второго поляризационно-зависимого зеркала (6), а именно то, какое состояние поляризации света отражается или пропускается, определяется углом поворота линейного поляризатора. Угол поворота линейного поляризатора выбирается таким образом, чтобы пропускать свет с исходным состоянием поляризации, принятым за начальное состояние поляризации света на этапе 3. Следует отметить, что RHCP и LPTE - это с точки зрения функционирования изобретения аналогичные друг другу состояния, как и состояния LHCP и LPTM соответственно.

Поскольку состояние поляризации исходного света не изменилось, он проходит через второе поляризационно-зависимое зеркало (6). Таким образом, свет, формируемый панелью μLED/OLED (или элементом (3) для изменения поляризации света), распространяется через переключатель обычным способом, характерным для известных 2D-дисплеев.

Таким образом когда активный ретардер (5) находится во включенном состоянии, мозаичный элемент светодиодной панели выводит обычное 2D изображение.

На Фиг. 2 проиллюстрирован принцип работы переключателя режимов отображения 2D/3D на основе набора из первого и второго поляризационно-зависимых зеркал и активной жидкокристаллической ячейки, работающего в режиме отображения 3D изображения, причем при объяснении в круглых скобках приведены ссылки на элементы, показанные на Фиг. 2 в кружках. Все этапы функционирования переключателя режимов отображения 2D/3D до пятого включительно в режиме отображения 3D изображения аналогичны приведенным выше этапам функционирования в режиме отображения 2D изображения, но этап 6 в режиме отображения 3D изображения, отличается от вышеописанного принципа работы для отображения 2D изображения.

Для реализации отображения в режиме 3D, активный ретардер (5) находится в выключенном состоянии, работая в качестве полуволновой пластинки, и исходный свет проходит через него со сменой состояния поляризации света на противоположное, как было указано выше (как показано на Фиг. 2 свет с правой круговой поляризацией RHCP превратился в свет с левой круговой поляризацией LHCP), и распространяется дальше на второе поляризационно-зависимое зеркало (6) (являющееся третьим компонентом системы переключения), которое настроено для света с другим типом поляризации, и отражает свет с левой круговой поляризацией LHCP, как указывалось ранее. Второе поляризационно-зависимое зеркало (6), как и представленное на Фиг. 2 состоит из последовательно расположенных полупрозрачного зеркала (6а), четвертьволновой пластинки (6b) и линейного поляризатора (6с). Как видно на Фиг. 2, свет после четвертьволновой пластинки (6b) из света с круговой поляризацией превращается в свет с соответствующей ему линейной поляризацией (например, из RHCP в LPTE и из LHCP в LPTM соответственно, как указано выше применительно к Фиг. 1). Таким образом линейный поляризатор (6 с) одну поляризацию (LPTE на Фиг. 2) пропускает, а другую (LPTM на Фиг. 2) не пропускает и отфильтровывает.

Таким образом, свет с поляризацией, противоположной исходной (т.е. свет с левой круговой поляризацией LHCP), отражается от второго поляризационно-зависимого зеркала (6) и меняет свое направление в пространстве, возвращаясь к активному ретардеру (5). После того, как он вернется к активному ретардеру (5), он пройдет через него и снова изменит состояние поляризации света на противоположное. Затем продолжит распространяться к первому поляризационно-зависимому зеркалу (4), которое для света с этим состоянием поляризации работает как собирающая линза.

Свет с поляризацией, противоположной исходной, отражается от первого поляризационно-зависимого зеркала (4), снова возвращаясь к активному ретардеру (5), который, находясь в выключенном состоянии, опять меняет состояние поляризации света, и, благодаря тому, что для этого света с еще раз измененным состоянием поляризации, первое поляризационно-зависимое зеркало (4) работает как собирающая линза, этот свет фокусируется под широким углом, формируя в пространстве за вторым поляризационно-зависимым зеркалом воксель, т.е. формируя объемный элемент 3D изображения. Количество видов для каждого вокселя 3D изображения, которое может наблюдать зритель, определяется количеством пикселей светодиодной панели μLED/OLED (1).

Следует отметить, что возможны дополнительные варианты осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в которых используются различные типы поляризационных зеркал прямой и обратной схемы переключателя режимов отображения 2D/3D.

Согласно прямой схеме переключателя режимов отображения 2D/3D оптическая сила первого поляризационно-зависимого зеркала (4) не равна нулю, тогда как оптическая сила второго поляризационно-зависимого зеркала (6) равна нулю. В случае прямой схемы второе поляризационно-зависимое зеркало (6) может быть выполнено, например, как полупрозрачное зеркало, поверхность с геометрической фазой, которая как правило изготавливается из слоев жидких кристаллов, метаповерхность, тогда как первое поляризационно-зависимое зеркало (4) может быть выполнено, например, как поверхность с геометрической фазой, метаповерхность, полупрозрачное зеркало Френеля, полупрозрачное цилиндрическое зеркало. Следует отметить, что согласно современной терминологии, принятой в данной области техники, метаповерхностью или поверхностью с геометрической фазой считается элемент, не обязательно имеющий оптическую силу, а меняющий другие свойства проходящего через него излучения, например его поляризацию. Следует отметить, что под метаповерхностью понимается плоская «линза» способная фокусировать или преломлять свет с помощью массива вертикальных столбиков (т.н. пилларов), расположенного на их поверхности.

Согласно обратной схеме оптическая сила первого поляризационно-зависимого зеркала (4) равна нулю, тогда как оптическая сила второго поляризационно-зависимого зеркала (6) не равна нулю. В случае обратной схемы первое поляризационно-зависимое зеркало (4) может быть выполнено, например, как полупрозрачное зеркало, поверхность с геометрической фазой, метаповерхность, тогда как второе поляризационно-зависимое зеркало (6) может быть выполнено, например, как геометрическая фазовая линза, металинза, полупрозрачное зеркало Френеля, полупрозрачное цилиндрическое зеркало.

При использовании прямой и обратной схем переключателя режимов отображения 2D/3D первое поляризационно-зависимое зеркало (4) и второе поляризационно-зависимое зеркало (6) могут быть переставлены на место друг друга, т.е. могут быть поменяны местами, но не произвольно, а в случае, если им заданы требуемые параметры, то есть иметь разные оптические параметры изменения оптической силы и/или поляризации света.

Таким образом, при использовании прямой и обратной схем переключателя режимов отображения 2D/3D возможно выделить четыре дополнительных варианта осуществления:

1) первое поляризационно-зависимое зеркало (4) не имеет оптической силы и меняет поляризацию отраженного от него света, тогда как второе поляризационно-зависимое зеркало (6) имеет оптическую силу и не меняет поляризацию отраженного от него света;

2) первое поляризационно-зависимое зеркало (4) не имеет оптической силы и не меняет поляризацию отраженного от него света, тогда как второе поляризационно-зависимое зеркало (6) имеет оптическую силу и меняет поляризацию отраженного от него света;

3) первое поляризационно-зависимое зеркало (4) имеет оптическую силу и не меняет поляризацию отраженного от него света, тогда как второе поляризационно-зависимое зеркало (6) не имеет оптическую силу и меняет поляризацию отраженного от него света;

4) первое поляризационно-зависимое зеркало (4) имеет оптическую силу и меняет поляризацию отраженного от него света, тогда как второе поляризационно-зависимое зеркало (6) не имеет оптической силы и не меняет поляризацию отраженного от него света.

Во всех вышеперечисленных вариантах поляризация прошедшего через элемент света меняется только при прохождении активного жидкокристаллического ретардера в выключенном состоянии.

Благодаря использованию прямой и обратной схем переключателя режимов отображения 2D/3D достигается повышенная гибкость при проектировании подобных систем, при этом возрастает сложность проектирования системы за счет дополнительных оптических эффектов, возникающих на границах различных оптических сред.

На Фиг. 3 представлен дополнительный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором также используются различные типы поляризационных зеркал схемы переключателя режимов отображения 2D/3D, а именно - как оптическая сила первого поляризационно-зависимого зеркала (4) не равна нулю, так и оптическая сила второго поляризационно-зависимого зеркала (6) не равна нулю.

В данном дополнительном варианте осуществления в качестве второго поляризационно-зависимого зеркала (6) используется линза Френеля или цилиндрическая линза, на которые нанесены полупрозрачные и поляризационные покрытия известные из уровня техники, в результате чего достигается эффект переключения режимов отображения 2D/3D изображения.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет еще более расширить поле обзора дисплея в 3D режиме отображения.

Следует отметить, что возможен дополнительный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D: одно из первого или второго поляризационно-зависимых зеркал, например второе поляризационно-зависимое зеркало (6), может представлять собой активный поляризационно-зависимый элемент, являясь например активной жидкокристаллической линзой или дефлектором.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет еще более расширить поле обзора дисплея в 3D режиме отображения.

Также возможен дополнительный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором используются покрытия для оптических элементов. Согласно данному варианту осуществления все или некоторые оптические элементы могут иметь дополнительные оптические покрытия для различных целей, например: просветляющие покрытия, высокоотражающие покрытия, фильтрующие покрытия, светоделительные покрытия.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет еще более повысить гибкость при проектировании системы, но влечет за собой более сложные оптические элементы и сопутствующие этому трудности изготовления.

На Фиг. 4 представлен альтернативный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором в качестве одного из первого или второго поляризационно-зависимых зеркал используются пропускающие поляризационно-зависимые оптические элементы, причем активный ретардер (5) располагается между пропускающими поляризационно-зависимыми оптическими элементами. При этом в качестве первого пропускающего поляризационно-зависимого элемента (4) могут быть использованы, например, геометрическая фазовая линза, металинза, цилиндрическая линза, линза Френеля, дифракционная линза, голографическая линза, дифракционная решетка, жидкокристаллическая линза. В качестве второго пропускающего поляризационно-зависимого элемента (6) могут быть использованы, например, поляризационно-зависимые оптические элементы, например, такие как геометрическая фазовая линза, металинза.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет еще более расширить поле обзора дисплея в 3D режиме отображения, еще более повысить гибкость при проектировании системы, и дополнительно увеличить эффективность системы.

На Фиг. 5 представлен альтернативный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором пропускающие поляризационно-независимые линзы (7) используются в качестве элемента, выполняющего функции второго поляризационно-зависимого зеркала. При этом в качестве пропускающих оптических поляризационно-независимых линз (7) могут быть использованы, например, одна или более цилиндрическая линза, линза Френеля, дифракционная линза, голографическая линза, дифракционная решетка. В качестве первого поляризационно-зависимого зеркала могут быть использованы, например, пропускающие поляризационно-зависимые оптические элементы (6), например, такие как геометрическая фазовая линза, металинза. В данном варианте осуществления активный ретардер располагается перед первым поляризационно-зависимым зеркалом (4), по сравнению с тем, как показано на схеме предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет еще более расширить поле обзора дисплея в 3D режиме отображения, еще более повысить гибкость при проектировании системы, и дополнительно увеличить эффективность системы.

На Фиг. 6 представлен альтернативный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором набор пропускающих поляризационно-независимых оптических линз используется в качестве элемента, выполняющего функции первого поляризационно-зависимого зеркала (4) предпочтительного варианта осуществления изобретения. При этом в качестве пропускающих оптических линз (7), составляющих упомянутый набор линз, могут быть использованы, например, цилиндрические линзы, линзы Френеля, дифракционные линзы, голографические линзы, дифракционные решетки. В качестве второго поляризационно-зависимого зеркала (6) могут быть использованы, например, поляризационно-зависимые оптические элементы, например, такие как геометрические фазовые линзы, металинзы. В данном варианте осуществления активный ретардер располагается перед первой линзой из набора пропускающих поляризационно-независимых оптических линз.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет еще более расширить поле обзора дисплея в 3D режиме отображения, еще более повысить гибкость при проектировании системы, и дополнительно увеличить эффективность системы, увеличить единообразие применяемых элементов.

Также возможен дополнительный вариант осуществления переключателя режимов отображения 2D/3D, в котором при создании активного ретардера (5) могут использоваться различные типы жидкокристаллических материалов/сред, а сам активный ретардер может иметь различную степень ретардации (0-λ/4-λ/2), например активный ретардер может выполнять функцию четвертьволновой или полуволновой пластинки. Согласно данному варианту осуществления все или некоторые оптические элементы могут иметь дополнительные оптические покрытия для различных целей, например: просветляющие покрытия, высокоотражающие покрытия, фильтрующие покрытия, светоделительные покрытия.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет еще более повысить гибкость при проектировании системы, и влечет за собой разнообразие во времени работы системы.

Также разработан вариант осуществления настоящего изобретения, состоящий в предоставлении системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, обладающей большой плотностью пикселей и большим углом расходимости излучения каждого источника изображения, составляющего светодиодную панель μLED/OLED, что приводит к тому, что значительная часть излучаемой световой энергии не попадает в апертуру оптических элементов и не участвует в формировании изображения. Напротив, излученные под большими углами лучи, не попавшие в апертуру своих оптических элементов, попадают в апертуру соседних оптических элементов, вызывая на них появление паразитных изображений (так называемых «призраков» или «гостов»), перекрестные помехи и ореолы. Для борьбы с этим явлением между ячейками можно установить непрозрачные светопоглотители, поглощающие лучи от соседних ячеек, излученные под большими углами, что, однако увеличивает габариты ячейки, снижает плотность пикселей (элементов) светодиодной панели μLED/OLED, снижает ее яркость ввиду экранирования значительной части излучения, излучаемого светодиодной панелью μLED/OLED, что в совокупности является нежелательным.

Для борьбы с этими нежелательными явлениями предлагается следующий аспект настоящего изобретения, согласно которому вышеозначенные проблемы решаются при помощи подколлимирующего оптического элемента, производящего полную либо частичную коллимацию, т.е. перенаправление излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED из большого углового диапазона, в узкий угловой диапазон, уменьшая таким образом интенсивность излучения, которое может приводить к появлению паразитных изображений, каждого источника изображения, составляющего светодиодную панель μLED/OLED, и увеличивая интенсивность полезного излучения. При этом увеличивается площадь, с которой испускается излучение.

Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления, состоящего в предоставлении системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, достигаются следующие эффекты:

Значительное повышение эффективности источника μLED/OLED и, как следствие, яркости изображения (до 50%);

Устранение призрачных изображений, перекрестных помех и ореолов;

Оптимизация поля обзора для последующей оптики, предотвращение аберраций;

И, как следствие, высокое разрешение 3D автостереоскопического изображения;

Увеличение плотности пикселей светодиодной панели μLED/OLED за счет устранения зазоров между ячейками панели дисплея светового поля.

На Фиг. 7 представлен вариант осуществления настоящего изобретения, состоящий в предоставлении системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, причем при объяснении в круглых скобках приведены ссылки на элементы, показанные на Фиг. 7 в кружках.

На этапе 1 неполяризованный свет излучается каждым пикселем светодиодной панели μLED/OLED (1) под широким углом в направлении массива подколлимирующих оптических элементов (2) перенаправления света;

На этапе 2 одиночный подколлимирующий оптический элемент из массива подколлимирующих оптических элементов (2) перенаправления света представляет собой две разные плоские области или плоские поверхности прозрачного материала, оптически соединенные криволинейной поверхностью произвольной формы (также называемой адиабатической кривой/кривой 2-го порядка/произвольной кривой). Каждый подколлимирующий оптический элемент (2) массива представляет собой экструдированную поверхность либо тело вращения, ограниченные плоскими поверхностями ввода и вывода произвольной апертуры, например, круг, квадрат, прямоугольник, ромб. В простейшем случае он представляет собой усеченный конус или усеченную пирамиду. Каждый подколлимирующий оптический элемент (2) массива оптически связан с источником света/пикселем светодиодной панели μLED/OLED и, за счет отражения света пикселя от поверхности произвольной формы подколлимирующего оптического элемента (2) перенаправления света либо за счет эффекта полного внутреннего отражения, либо за счет нанесения отражающего покрытия на поверхность произвольной формы, подколлимирующий оптический элемент преобразует свет с большой расходимостью в свет с малой расходимостью, но излучаемый с большей площади в соответствии с законом сохранения Этендю.

Величина расходимости света в подколлимирующем оптическом элементе (2) коррелирует с соотношением площадей плоских поверхностей (~А_мал/А_больш) или показателем преломления среды между этими поверхностями и с углами до (β) сужения и после (θ) сужения (~n2sin2 (β)/sin2 (θ). Зная необходимый угол расходимости света от большой поверхности вывода подколлимирующего оптического элемента, легко получить требуемую площадь поверхности вывода и наоборот, его длину и показатель преломления. Следует отметить, что более узкий угол расходимости света может быть получен с помощью полого подколлимирующего оптического элемента (n=1). В этом случае подколлимирующий оптический элемент работает без использования эффекта полного внутреннего отражения.

При этом длину подколлимирующего оптического элемента (расстояние между плоскими поверхностями) можно получить из уравнения (d1+d2)/(2tan (θ)), где d1 и d2 представляют собой диаметры плоских участков подколлимирующего оптического элемента. Обычно, когда малая плоская область подколлимирующего оптического элемента (т.е. поверхность входа) близка к размеру пикселя μLED (5 мкм), расходимость излучения на выходе подколлимирующего оптического элемента не менее 24 градусов, а его длина не превышает 20 мкм.

Эффективность преобразования углов расходимости излучения зависит от формы поверхности подколлимирующего оптического элемента, которая соединяет поверхности ввода и вывода.

На этапе 3 после массива подколлимирующих оптических элементов свет проходит через систему (3) изменения поляризации света для приобретения необходимой поляризации света.

Система (3) изменения поляризации света для каждого подколлимирующего оптического элемента состоит из двух скошенных призм. Первая призма оптически соединена одной из своих поверхностей с поверхностью вывода подколлимирующего оптического элемента, а одна из скошенных поверхностей (3а) первой призмы покрыта диэлектрическим светоделительным покрытием. Вторая призма приклеена к покрытой светоделительным покрытием поверхности первой призмы, а выходная поверхность второй призмы покрыта полуволновым покрытием или, иначе говоря, полуволновым ретардером (3b). Таким образом, неполяризованный свет (NPL), вышедший из подколлимирующего оптического элемента, разделяется на светоделительном покрытии (3а) на линейно поляризованные LPTE- и LPTM-компоненты поляризации света, направления поляризации которых взаимно ортогональны. При этом LPTE-компонента проходит сперва через светоделительное покрытие (3а), а затем через полуволновое покрытие, т.е. через полуволновый ретардер (3b), а LPTM-компонента отражается от светоделительного покрытия (3а). Затем LPTM-компонента отражается от непокрытых поверхностей призмы и выводится из системы (3) изменения поляризации света с непокрытой выходной поверхности. Перед выходом из системы (3) изменения поляризации света, LPTE-компонента проходит через полуволновое покрытие, т.е. через полуволновый ретардер (3b), и меняет поляризацию на LPTM. Таким образом, неполяризованный свет от подколлимирующего оптического элемента полностью трансформируется в линейно поляризованный свет с поляризацией LPTM, как показано на Фиг. 7. Аналогичным образом, в зависимости от конструктивных потребностей, можно сконфигурировать систему (3) изменения поляризации света таким образом, чтобы неполяризованный свет от подколлимирующего оптического элемента полностью трансформировался в линейно поляризованный свет с поляризацией LPTM, как показано выше, а в линейно поляризованный свет с поляризацией LPTE.

Следовательно, возможно объединить все основные параметры системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED следующим уравнением:

где р - шаг пикселя, т.е. расстояние между центрами ближайших к друг другу источников излучения светодиодной панели μLED/OLED (1),

d_in - диаметр входа,

β - полуугол входа,

θ - угол выхода,

n_рм - показатель преломления материала призмы,

n_in - входной показатель преломления.

Уравнение 1 показывает ограничения по шагу пикселей светодиодной панели μLED/OLED (1), а значит и по ее максимальному разрешению.

Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления достигается максимальная эффективность использования широкоугольных источников света, предоставляется возможность поляризационно-зависимому модулю переключения работать с высокой эффективностью, обеспечивается устранение паразитных изображений (так называемых «призраков» или «гостов»), перекрестных помех и ореолов, обеспечивается возможность дополнительного управления сужением света и изменения его свойств, общая апертура отдельного элемента становится связана с шагом пикселя.

На Фиг. 8 представлен дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором дополнительные отклоняющие призмы используются в качестве линзы-конденсора для излучения, подаваемого на переключатель режимов отображения 2D/3D, чтобы еще в большей степени направить и сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D. Указанные дополнительные отклоняющие призмы по сути выполняют функцию собирающей линзы для излучения, подаваемого на переключатель режимов отображения 2D/3D.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет в еще большей степени сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D. Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления достигается уменьшение аподизации света пикселей на краю светодиодной панели μLED/OLED, повышается эффективность всей системы, улучшается технологичность.

На Фиг. 9 представлен дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором используется дополнительная линза-конденсор для излучения, подаваемого на переключатель режимов отображения 2D/3D, чтобы еще в большей степени направить и сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет в еще большей степени сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D. Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления достигается уменьшение аподизации света пикселей на краю светодиодной панели ULED/OLED, повышается эффективность всей системы, улучшается технологичность, появляется возможность использовать линзу любого типа и технологии производства, например, в качестве которой может быть использована, например, геометрическая фазовая линза, металинза.

На Фиг. 10 представлен дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором используется дополнительный массив линз или массив поляризационно-зависимых оптических элементов, чтобы преобразовать неполяризованный свет от подколлимирующего оптического элемента в линейно поляризованный свет с поляризацией LPTM, чтобы еще в большей степени направить и сколлимировать излучение от подколлимирующего оптического элемента на переключатель режимов отображения 2D/3D.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет в еще большей степени сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D. Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления достигается уменьшение аподизации света пикселей на краю светодиодной панели μLED/OLED, повышается эффективность всей системы, особенно по разрешению, улучшается технологичность, конструкция становится более компактной, появляется возможность использовать линзу любого типа и технологии производства.

На Фиг. 11 представлен дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором используется изменение поверхности произвольной формы подколлимирующего оптического элемента, за счет чего можно реализовать функцию преобразования поляризации света в подколлимирующем оптическом элементе. Так в частности, поперечное сечение подколлимирующего оптического элемента может быть не круглым, как в простейшем случае, указанном выше, а, например, четырехугольным. В таком случае форма подколлимирующего оптического элемента из формы усеченного конуса превращается в форму усеченной пирамиды. Тогда, в зависимости от соотношения граней этой пирамиды, поперечное сечение подколлимирующего оптического элемента может быть квадратным или прямоугольным. В этом случае возможно конвертировать поляризацию света непосредственно в подколлимирующем оптическом элементе, а значит можно совместить функции коллимации/перенаправления излучения и системы изменения поляризации света в самом подколлимирующем оптическом элементе. Пример подколлимирующего оптического элемента для изменения поляризации излучения доступен по адресу https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042304554-Polarization-converter-using-a-tapered-wavequide. Тем не менее, создание массива таких элементов в настоящее время технологически затруднено, поэтому для предпочтительного варианта изобретения была выбрана более простая в изготовлении конструкция система изменения поляризации.

Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления достигается уменьшение количества оптических элементов, повышается эффективность системы по разрешению, конструкция становится более компактной, однако это ведет к сложностям в оценке и моделировании формы поверхности произвольной формы и плоских вводной и выводной поверхностей, а также ведет к увеличению технологических сложностей.

На Фиг. 12 представлен дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором на выходной поверхности подколлимирующих оптических элементов используются метаатомы разной направленности, превращая поверхность вывода подколлимирующего оптического элемента в метаповерхность с функцией преобразования поляризации. Благодаря этому можно преобразовать неполяризованный свет на выходе массива подколлимирующих оптических элементов в свет с, например, круговой поляризацией - LHCP, необходимый для последующей (по ходу лучей) системы переключения 2D/3D. Пример метаповерхности для преобразования поляризации доступен по адресу https://www.nature.com/articles/s41377-021-00468-y.

Использование метаповерхности со свойством преобразования поляризации вместо описанной выше системы преобразования поляризации, состоящей из двух призм, значительно сокращает габариты, а также повышает разрешение системы коллимации/перенаправления излучения, тем на менее, недостаточный технологический уровень производства ограничивает их применение.

Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления достигается уменьшение количества оптических элементов, повышается эффективность системы по разрешению, конструкция становится более компактной, однако это ведет к сложностям в оценке и моделировании формы метаатомов, а также ведет к увеличению технологических сложностей.

На Фиг. 13 представлен дополнительный вариант осуществления системы коллимации/перенаправления излучения элементов светодиодной панели μLED/OLED, в котором использован либо полый подколлимирующий оптический элемент (с коэффициентом преломления n=1) с нанесенным на поверхность произвольной формы подколлимирующего оптического элемента отражающим покрытием, либо неполый подколлимирующий оптический элемент (с коэффициентом преломления n>1) с эффектом полного внутреннего отражения (ПВО), чтобы и в том, и в другом случае еще в большей степени направить и сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D. Как показано на Фиг. 13, полый подколлимирующий оптический элемент с нанесенным на его поверхность произвольной формы отражающим покрытием позволяет более эффективно сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D, по сравнению с неполым подколлимирующий оптическим элементом, но такой вариант осуществления технологически более сложен.

Данный дополнительный вариант осуществления позволяет в еще большей степени сколлимировать излучение на переключатель режимов отображения 2D/3D. Таким образом, за счет введения в изобретение данного варианта осуществления достигается уменьшение расходимости света от пикселей, повышается эффективность всей системы, но зато ухудшается технологичность.

Также разработан вариант осуществления настоящего изобретения, в котором для улучшения угла обзора дисплея по высоте в режиме отображения 2D можно использовать активный вертикальный рассеиватель (2D диффузер), работающий только в вертикальном направлении, который включается в режиме отображения 2D и выключается в режиме отображения 3D.

Благодаря настоящему изобретению обеспечивается система формирования многоракурсного автостереоскопического 3D изображения на основе поляризационно-зависимых зеркал с широким полем обзора для множества зрителей без использования системы слежения за головами зрителей, способная быстро переключаться между 2D и 3D режимами.

Благодаря настоящему изобретению обеспечивается система формирования 3D изображения с высоким качеством изображения по яркости и равномерности в режиме отображения 3D, и обеспечивающая практическое отсутствие перекрестных помех и ореолов между видами 3D-сцены.

Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.

Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменятся в процессе рассмотрения заявки.

Изобретение относится к дисплеям, а именно к иммерсивным дисплеям. Технический результат заключается в уменьшении аподизации света пикселей на краю светодиодной панели и повышении разрешающей способности. Модуль для переключения режимов отображения 2D/3D для элемента светодиодной панели, содержащий: элемент светодиодной панели, излучающий неполяризованный свет, подколлимирующий оптический элемент перенаправления света, систему изменения поляризации света, переключатель режимов отображения 2D/3D, на который поступает свет с выхода системы изменения поляризации света, содержащий первое поляризационно-зависимое зеркало, второе поляризационно-зависимое зеркало, состоящее из последовательно расположенных полупрозрачного зеркала, четвертьволновой пластинки и линейного поляризатора, и активный ретардер, расположенный между первым поляризационно-зависимым зеркалом и вторым поляризационно-зависимым зеркалом. 13 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Модуль для переключения режимов отображения 2D/3D для элемента светодиодной панели, содержащий:

элемент светодиодной панели, излучающий неполяризованный свет,

подколлимирующий оптический элемент перенаправления света, представляющий собой плоские поверхности ввода света и вывода света, причем площадь поверхности вывода света превышает площадь поверхности ввода света, выполненные из прозрачного материала, оптически соединенные друг с другом частью или поверхностью своего материала криволинейной произвольной формы, причем подколлимирующий оптический элемент перенаправления света оптически связан с элементом светодиодной панели с возможностью проводить свет от поверхности ввода света к поверхности вывода света,

систему изменения поляризации света, оптически сопряженную с элементом светодиодной панели и состоящую из двух призм, причем первая призма оптически соединена одной из своих поверхностей с поверхностью вывода подколлимирующего оптического элемента, а одна из поверхностей первой призмы покрыта диэлектрическим светоделительным покрытием, вторая призма приклеена к покрытой светоделительным покрытием поверхности первой призмы, а выходная поверхность второй призмы покрыта полуволновым покрытием,

переключатель режимов отображения 2D/3D, на который поступает свет с выхода системы изменения поляризации света, содержащий первое поляризационно-зависимое зеркало, второе поляризационно-зависимое зеркало, состоящее из последовательно расположенных полупрозрачного зеркала, четвертьволновой пластинки и линейного поляризатора, и активный ретардер, расположенный между первым поляризационно-зависимым зеркалом и вторым поляризационно-зависимым зеркалом,

причем для отображения 2D изображения переключатель режимов отображения выполнен с возможностью:

поддержания активного ретардера во включенном состоянии, в котором он работает как прозрачная пластинка,

выбора угла поворота линейного поляризатора таким образом, чтобы передавать свет с исходным состоянием поляризации на выход модуля для переключения режимов отображения 2D/3D, формируя в пространстве за вторым поляризационно-зависимым зеркалом 2D изображение;

причем для отображения 3D изображения переключатель режимов отображения выполнен с возможностью:

поддержания состояния активного ретардера в выключенном состоянии, в котором он работает в качестве полуволновой пластинки, в результате чего свет от первого поляризационно-зависимого зеркала проходит через него со сменой состояния поляризации света на противоположное и распространяется дальше на второе поляризационно-зависимое зеркало, в котором свет с поляризацией, противоположной попавшей на активный ретардер, отражается от второго поляризационно-зависимого зеркала, возвращаясь к активному ретардеру, проходя через него, снова изменяет состояние поляризации света на противоположное, продолжает распространяться к первому поляризационно-зависимому зеркалу, которое для света с этим состоянием поляризации работает как собирающая линза, затем этот свет отражается от первого поляризационно-зависимого зеркала, снова возвращаясь к активному ретардеру, который опять меняет состояние поляризации света, и, благодаря тому, что для этого света первое поляризационно-зависимое зеркало работает как собирающая линза, в пространстве за вторым поляризационно-зависимым зеркалом формируется объемный элемент 3D изображения.

2. Модуль по п. 1, в котором оптическая сила первого поляризационно-зависимого зеркала не равна нулю, тогда как оптическая сила второго поляризационно-зависимого зеркала равна нулю.

3. Модуль по п. 1, в котором как оптическая сила первого поляризационно-зависимого зеркала не равна нулю, так и оптическая сила второго поляризационно-зависимого зеркала не равна нулю.

4. Модуль по п. 1, в котором одно из первого или второго поляризационно-зависимых зеркал может представлять собой активный поляризационно-зависимый элемент.

5. Модуль по п. 1, в котором все или некоторые оптические элементы могут иметь дополнительные оптические покрытия.

6. Модуль по п. 1, в котором в качестве одного из первого или второго поляризационно-зависимых зеркал используются пропускающие поляризационно-зависимые оптические элементы.

7. Модуль по п. 1, в котором пропускающие оптические линзы используются в качестве элемента, выполняющего функции второго поляризационно-зависимого зеркала.

8. Модуль по п. 1, в котором набор пропускающих оптических линз используется в качестве элемента, выполняющего функции первого поляризационно-зависимого зеркала, а в качестве второго поляризационно-зависимого зеркала используются поляризационно-зависимые оптические элементы.

9. Модуль по п. 1, в котором в качестве активного ретардера могут использоваться активная четвертьволновая или полуволновая пластинка.

10. Модуль по п. 1, в котором дополнительные отклоняющие призмы используются в качестве линзы-конденсора для излучения, подаваемого на переключатель режимов отображения 2D/3D.

11. Модуль по п. 1, в котором используется дополнительная линза-конденсор для излучения, подаваемого на переключатель режимов отображения 2D/3D.

12. Модуль по п. 1, в котором используется дополнительный массив линз или массив поляризационно-зависимых оптических элементов, чтобы преобразовать неполяризованный свет от подколлимирующего оптического элемента в линейно поляризованный свет.

13. Модуль по п. 1, в котором используется полый подколлимирующий оптический элемент с эффектом полного внутреннего отражения или с зеркальным покрытием, нанесенным на поверхность криволинейной произвольной формы подколлимирующего оптического элемента.

14. Модуль по п. 1, в котором для улучшения угла обзора дисплея по высоте в режиме отображения 2D используют активный вертикальный рассеиватель, работающий только в вертикальном направлении, который включается в режиме отображения 2D и выключается в режиме отображения 3D.