3D显示装置的制作方法

本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种可显示三维影像的3D显示装置。

背景技术：
随着科学技术的发展，现己开发了与阴极射线管(CRT)相比轻得多且体积更小的各种类型的平板显示装置。这种平板显示装置包括液晶显示器(LCD)、场致发光显示器(FED)、等离子显示板(PDP)、电致发光(EL)显示器等。在平板显示器的领域中，大量研究致力于提高显示质量和实现大屏幕。为了达到身临其境的感觉，可实现3D立体影像的显示装置已面世。现有可观看3D立体影像的显示装置有多种形式，其中，较为广泛采用的是采用偏光眼镜法实现显示影像的显示装置。偏光眼镜法是以人眼观察景物的方法，制作影像时，首先利用两台并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水准视差的电影画面。放映时，将两条电影影片分别装入左、右电影放映机，并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜。两台放映机同步运转后，同时将画面投放在金属银幕上，形成左像右像双影。当观众戴上特制的偏光眼镜时，由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直，并与放映镜头前的偏振轴相一致，致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼汇聚功能将左、右像迭和在视网膜上，由大脑神经产生3D立体的视觉效果，展现出一幅幅连贯的立体画面，使观众感到景物扑面而来，从而能产生强烈的身临其境感。然而，上述现有的显示装置仍然是打在2D的屏幕上，然后通过视觉误差，使观众感觉影像是立体的，因而视角效果差。此外，长时间戴偏光眼镜不利于人体健康。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种3D显示装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种3D显示装置，其包括光源模块及光线汇聚模块，所述光源模块用于提供射向所述光线汇聚模块的光线；所述光线汇聚模块用于将所述光源模块发射的光线汇聚成若干光点，所有的所述光点位于一个显示空间内，所述若干光点形成三维立体的影像。进一步地，所述光线汇聚模块包括至少一超材料面板，每一超材料面板均设置有基板及阵列排布在所述基板上的人造金属微结构。进一步地，所述光线汇聚模块包括滤光单元及第二超材料面板，所述滤光单元只能通过部分光线，所述第二超材料面板用于将从所述滤光单元射出的光线汇聚成若干所述光点。进一步地，所述滤光单元是第一超材料面板，该第一超材料面板划分为多个阵列排布的超材料单元，每一超材料单元只能通过红光、绿光或蓝光中的一种。进一步地，所述第一超材料面板的基板划分成若干基板单元，每个基板单元表面虚拟地建立平面直角坐标系，位于所述坐标系的每一象限内均设置有附着在介质基板上的一个第一人造金属微结构，位于所述坐标系的坐标轴上设置有一个附着在所述介质基板上的第二人造金属微结构，所述基板单元与所述第一人造金属微结构及第二人造金属微结构组成一个所述超材料单元。进一步地，所述第一人造金属微结构呈王字形或倒王字形结构，所述第二人造金属微结构呈十字形结构。进一步地，所述第二超材料面板包括多个核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造金属微结构。进一步地，每一核心层的折射率分布均相同，每一核心层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大逐渐减小，且相同半径处的折射率相同。进一步地，所述3D显示装置还包括反光模块，所述反光模块用于对显示空间内的所述光点进行散射，使肉眼能够看到所述光点。进一步地，所述基板由透明材料制成，所述透明材料是由聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、环氧树脂、聚四氟乙烯的一种或多种。综上所述，本发明3D显示装置通过所述光线汇聚模块将所述光源模块发射的光线汇聚成若干光点，所有的所述光点位于一个三维立体空间内，并形成三维立体的影像，通过水雾、烟雾或尘埃等散射，肉眼便可观看所述三维立体的影像，因此视角效果好，解决了长时间戴偏光眼镜不利于人体健康的问题。附图说明图1是本发明3D显示装置去掉驱动电路单元及控制电路单元后的一种实施例的结构示意图。图2是本发明第一超材料面板的结构示意图。图3是本发明第二超材料面板汇聚光线时的示意图。图4是图3所示的第二超材料面板的结构示意图。图5是核心层的折射率随半径变化的示意图。图6是渐变层的折射率随半径变化的示意图。图7是超材料面板的核心层在yz平面上的折射率分布图。图8是超材料面板的第i层渐变层在yz平面上的折射率分布图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：请参阅图1，本发明3D显示装置包括光源模块10、光线汇聚模块20及反光模块30，所述光源模块10用于提供射向所述光线汇聚模块20的光线。在本实施例中，所述光源模块10的结构与液晶显示器的结构相似，其包括背光单元11、第一偏光片12、薄膜晶体管单元13、液晶单元14、第二偏光片15、驱动电路单元(图中未示)及控制电路单元(图中未示)，所述背光单元11、第一偏光片12、薄膜晶体管单元13、液晶单元14及第二偏光片15依秩设置，所述光线汇聚模块20位于所述液晶单元14及第二偏光片15之间，所述驱动电路单元与所述薄膜晶体管单元13电连接，所述控制电路单元与所述驱动电路单元电连接。除所述光线汇聚模块20及所述反光模块30外，其余部分是常见的液晶显示器的现有技术，在此不再赘述。所述光线汇聚模块20用于将所述光源模块10发射的光线汇聚成若干光点，所有的所述光点位于一个显示空间内40，所述若干光点形成三维立体的影像。在本实施例中，所述光线汇聚模块20包括滤光单元及第二超材料面板22，具体地，所述滤光单元是第一超材料面板21，所述第一超材料面板21只能通过部分光线，其功能与现有液晶显示器的滤光片的功能相同。所述第一超材料面板21包括基板211及设置在所述基板211上的人造金属微结构，所述基板211划分成若干基板单元，每个基板单元表面虚拟地建立平面直角坐标系，位于所述坐标系的每一象限内均设置有附着在介质基板211上的一个第一人造金属微结构212，位于所述坐标系的坐标轴上设置有一个附着在所述介质基板211上的第二人造金属微结构213，所述基板单元与所述第一人造金属微结构212及第二人造金属微结构213组成一个可对光的频率进行选择的超材料单元214，每一超材料单元214只能通过红光、绿光或蓝光中的一种，即将红光、绿光或蓝光以外的光线滤除。其中，位于所述第一象限及第三象限内的所述第一人造金属微结构212呈王字形结构，位于所述第二象限及第四象限内的所述第一人造金属微结构212呈倒王字形结构；所述第二人造金属微结构213呈十字形结构。由于红光、绿光及蓝光的频率不同，因此，红光、绿光、蓝光之间对应的可穿过的超材料单元214的人造金属微结构的大小不同，即通过调整人造金属微结构的尺寸来实现滤除不同的电磁波，电磁波的频率越高，则对应的人造金属微结构的尺寸越小。请参阅图3至图8，所述第二超材料面板22用于将从所述第一超材料面板21射出的光线汇聚成若干位于所述显示空间内40的光点，其包括人造金属微结构222和供人造金属微结构222附着的基板221。人造金属微结构222为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造金属微结构222在基板221上阵列排布，每个人造金属微结构222以及其所附着的基板221所占部分即为一个超材料单元。基板221可为任何与人造金属微结构222不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造金属微结构222的特征所决定，而人造金属微结构222的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造金属微结构222的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。图3示出了第二超材料面板22汇聚光线时的示意图，由于光信号为电磁波信号，所述超材料面板可用于将辐射源发射发散的电磁波转换为平面波，即实现将发散的光信号进行收敛。作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计超材料面板的折射率分布使从辐射源发出的球面波形式发散的电磁波转变成适于远距离传输的平面波形式的电磁波。图4是图3所示的超材料面板的结构示意图，超材料面板包括多个核心层以及对称分布在核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状的基板221和设置在基板221上的多个人造金属微结构222。每个人造金属微结构222以及其所附着的基板221所占部分即为一个超材料单元。超材料面板由多个超材料面板堆叠形成，这各个超材料面板之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。具体实施时，超材料面板的数目可依据需求来进行设计。每个超材料面板由多个超材料单元阵列形成，整个超材料面板可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。通过对人造金属微结构222的拓扑图案、几何尺寸以及其在基板221上分布的设计，使中间的核心层的折射率分布满足如下规律：每一层的折射率分布均相同，每一核心层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从np连续减小到n0且相同半径处的折射率相同。如图4所示，仅示出了7层，其中中间三层为核心层3，核心层两侧的两层均为渐变层1、2，且两侧的渐变层对称分布，即距离核心层相同距离处的渐变层特性相同。图4中的超材料面板的核心层和渐变层的数量仅为示例，可依据需要进行设置。假设最终制成的超材料面板的厚度为D，每一层的厚度为t，核心层一侧的渐变层的层数为c，超材料面板工作的波长为λ1，核心层的折射率变化区间为nmax～nmin，Δn＝nmax-nmin，核心层的层数为b，则核心层b与渐变层的层数c具有如下关系：(b+c)t＝λ1/Δn；D＝b+2c。其中，渐变层主要是为了实现折射率的缓冲作用，避免电磁波入射时折射率较大的变化，减少电磁波的反射，并起到阻抗匹配和相位补偿的作用。以三层核心层，核心层两侧各两层渐变层为例，对于中间的三层核心层来说，每一层的折射率分布均相同，每一核心层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从np连续减小到n0且相同半径处的折射率相同。核心层的折射率随半径变化的示意图如图5所示。作为示例，每一核心层包括三个区域，第一区域为圆形区域，其半径长度为L1；第二区域为环形区域，环形宽度从L1变化为L2；第三区域为环形区域，环形宽度从L2变化为L3，三个区域沿半径增大方向折射率依次从np(即nmax)减小为n0(即nmin)，np>n0。核心层的每一层的折射率分布均相同。渐变层的折射率随半径变化的示意图如图6所示。与核心层的分布类似，区别仅在于每一区域的最大折射率不同，核心层的最大折射率为np，渐变层的最大折射率为ni，且不同的渐变层ni不同。分布在核心层同一侧的每一渐变层均包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，两个相邻的渐变层对应的圆形区域和环形区域内的最大折射率表示为ni和ni+1，其中n0<ni<ni+1<np，i为正整数，ni对应于距离所述核心层较远的渐变层；每一渐变层对应的所述圆形区域和所述环形区域内的折射率随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n0且相同半径处的折射率相同。也就是说，对于图4来说，核心层左侧的两层渐变层，其中最左边的渐变层最大折射率为n1，另一渐变层最大折射率为n2，而n0<n1<n2<np。同理，由于核心层两侧的渐变层是对称分布的，因此，最右边的渐变层与最左边的渐变层折射率排布相同，次右边的渐变层与次左边的渐变层折射率排布相同。对于超材料面板的具体每一层的折射率分布随着半径r的变化可用下式进行表示：其中i表示第几层，且i≥1，自远至近(距离核心层的距离)i＝1、2···；N＝c+1，c表示一侧渐变层的层数；nmax表示核心层的最大折射率，nmin表示核心层的最小折射率；r为半径；s表示辐射源与超材料面板的距离；d＝(b+c)t，b表示核心层的层数，t表示每一层的厚度，c表示一侧渐变层的层数；L(j)表示每一区域的起始半径，j表示第几区域，j≥1，其中L(1)表示第一区域(即圆形区域)的起始半径，因此L(1)＝0，L(2)表示第二区域(环形区域)的起始半径，L(3)表示第三区域(环形区域)的起始半径，依次类推，对于图5或图6所示，L(2)＝L1，L(3)＝L1+L2、L(4)＝L1+L2+L3。其中，不管是渐变层还是核心层，每一层的每一区域的L(j)的取值都相同，若要计算第一区域的n(r)，则上述公式L(j)取值为L(1)＝0，若要计算第二区域的n(r)，则上述公式L(j)取值为L(2)，以此类推。对于如图4所示的超材料面板，标号为1的渐变层，在上式中i取值为1，标号为2的渐变层下式中i取值为2，对于标号为3的核心层，i取值为3，一侧渐变层的层数c＝2，核心层的层数b＝3，N＝c+1＝3。下面以一组电磁波入射所述超材料面板的实验数据为例，详细解释上述公式的含义：入射电磁波的频率f＝15GHz，波长λ1＝2cm，超材料面板能够同时工作的波长为λ2＝0.67cm，λ3＝1cm，nmax＝6，nmin＝1，Δn＝5，s＝20cm，L(1)＝0cm，L(2)＝9.17cm，L(3)＝13.27cm，L(4)＝16.61cm，c＝2，N＝c+1＝3；每一层的厚度t＝0.818mm；根据核心层的层数b与渐变层的层数c的关系(b+c)t＝λ1/Δn，可得b＝3；d＝(b+c)t＝5×0.818。超材料面板每一层的折射率分布如下：对于渐变层来说，自远至近(距离核心层的距离)i＝1、2。第一层渐变层：第一渐变层中的每一区域L(j)的值不同，其中，第一区域j＝1，L(j)＝L(1)＝0；第二区域j＝2，L(j)＝L(2)＝9.17cm；第三区域j＝3，L(j)＝L(3)＝13.27cm。第二层渐变层：第二渐变层中的每一区域L(j)的值不同，其中，第一区域j＝1，L(j)＝L(1)＝0；第二区域j＝2，L(j)＝L(2)＝9.17cm；第三区域j＝3，L(j)＝L(3)＝13.27cm。对于核心层，每一层的折射率分布均相同，也即均为n3(r)：通过上述公式，可以得到如下规律，超材料面板自左向右每一层的最大折射率依次降低，例如，第一层渐变层最大折射率n＝2，第二层渐变层最大折射率n＝4，第三、四、五层核心层最大折射率n＝6；由于渐变层是对称分布的，因此右侧渐变层自右向左第一层渐变层最大折射率n＝2，第二层渐变层最大折射率n＝4。也就是说，图6所示的渐变层的最大折射率ni(随着距离核心层越近i越大)满足如下规律：ni+1>ni，对于核心层，最大折射率为np。上文关于公式中的具体取值仅为示例，并不作为对本发明的限制。在实际应用中，可依据需要进行调整。比如最大折射率、最小折射率、渐变层的层数等等都可以根据需要更改。满足上述折射率变化关系的超材料面板，对于从辐射源发出的球面波形式发散的电磁波，以折射率为ni或np的超材料单元为圆心，随着半径的增大超材料面板在yz平面上的折射率变化量逐渐增大，随着半径的增大入射的电磁波出射时偏折角度大，越靠近圆心所在的超材料单元入射的电磁波其出射偏折角越小。通过一定的设计和计算，使得这些偏折角依次满足一定的规律，即可实现球面电磁波平行出射。类似于凸透镜，只要知道各个表面点对光的偏折角度和材料的折射率，即可设计出相应的表面曲率特征使从透镜焦点入射发散光线平行出射。同理本发明通过设计各个超材料单元的人造微结构，得到该单元的介电常数ε和磁导率μ，进而对超材料面板的折射率分布进行设计使得各个相邻超材料单元的折射率的变化能实现电磁波特定的偏折角度，即可实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。为了更直观的表示超材料面板在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的超材料面板的每一核心层折射率分布如图7所示，最大折射率为np，最小折射率为n0。渐变层的折射率分布与核心层折射率分布类似，不过渐变层的每一层的最大折射率不同，如图8所示，第i层渐变层的最大折射率为ni，最小折射率为n0，渐变层的最大折射率ni(随着距离核心层越近i越大)满足如下规律：ni+1>ni。实验证明，相同图案的人造金属微结构222，其几何尺寸与介电常数ε成正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造金属微结构222的拓扑图案和不同尺寸的人造金属微结构222在超材料面板上的排布，就可以调整超材料面板的折射率分布，进而实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人造金属微结构222有很多种可实现方式，对于平面结构的人造金属微结构222，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。金属丝为铜丝或银丝，可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上，所述基板可由聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、环氧树脂或聚四氟乙烯等透明材料制得。所述反光模块30设置在所述光线汇聚模块20的一侧，其用于对显示空间40内的所述光点进行散射，使肉眼能够看到所述光点。所述反光模块30可向所述光点所在的显示空间喷水雾、烟雾或尘埃等反光物质，从而使观看者看到三维的立体影像。所述水雾或烟雾可增强观看的视角效果。综上所述，本发明3D显示装置通过所述光线汇聚模块20将所述光源模块10发射的光线汇聚成若干光点，所有的所述光点位于一个三维立体显示空间40内，并形成三维立体的影像，因此视角效果好，解决了长时间戴偏光眼镜不利于人体健康的问题。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，例如，利用具有烟雾的自然环境而去掉所述反光模块30，或光线汇聚模块20由非超材料制成等，这些均属于本发明的保护之内。