一种显示装置和虚拟现实眼镜的制作方法

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种显示装置和虚拟现实眼镜。

背景技术：

虚拟现实眼镜是一种虚拟现实显示装置，佩戴虚拟现实眼镜可以将用户对外界的视觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉，因此，虚拟现实眼镜能给用户带来全新的体验，其越来越受到重视。

现有技术中，虚拟现实眼镜包括分别对应左眼和右眼设置的两个显示装置，每个显示装置均包括阵列排布的多个子像素。本申请的发明人发现，如图1所示，从各个子像素射出的光线具有不同的传播方向，进而使得从各个子像素射出的光线中只有一小部分光线能够到达用户的眼睛，导致光线的利用率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种显示装置和虚拟现实眼镜，用于提高从显示装置中的子像素射入人眼中的光线的量，提高显示装置的光线利用率。

为达到上述目的，本发明提供一种显示装置，采用如下技术方案：

该显示装置包括阵列基板，阵列基板包括衬底基板和设置于衬底基板上的多个子像素，阵列基板还包括设置于衬底基板上的光栅，光栅包括具有不同结构的多个子光栅，所有子光栅均包括用以调节光线的传播方向的调节部分，阵列基板分为多个预设区域，具有不同结构的子光栅对应于位于不同的预设区域内的子像素；显示装置还包括设置于衬底基板旁侧的光源，光源射出的光线为平行光，且除各子光栅中的调节部分所在区域外，光线在阵列基板内全反射；在各子光栅中的调节部分所在区域内，从具有不同结构的子光栅的调节部分射 出的光线均向位于显示装置前的人眼汇聚。

本发明提供的显示装置具有如上所述的结构，由于具有不同结构的子光栅与位于不同预设区域内的子像素对应，且从具有不同结构的子光栅的调节部分射出的光线均向位于显示装置前的人眼汇聚，因此，从各个子像素射出的光线经过各子光栅后均向位于显示装置前的人眼汇聚，有效提高了从子像素射入人眼中的光线的量，进而能够有效提高显示装置的光线利用率。

此外，本发明还提供一种虚拟现实眼镜，采用如下技术方案：

该虚拟现实眼镜包括外壳和位于外壳中的两个如上所述的显示装置，其中一个显示装置对应于用户的左眼，另一个显示装置对应于用户的右眼。

由于本发明提供的虚拟现实眼镜包括如上所述的显示装置，因此，该虚拟现实眼镜具有和上述显示装置相同的有益效果，此处不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的从显示装置中的子像素射出的光线的传播路径图；

图2为本发明实施例中的显示装置的截面图；

图3为本发明实施例中的阵列基板的俯视图一；

图4为本发明实施例中的阵列基板的截面图一；

图5为本发明实施例中的阵列基板的俯视图二；

图6为本发明实施例中从图5中的阵列基板的子像素射出的光线的传播路径图；

图7为本发明实施例中的阵列基板的俯视图三；

图8为本发明实施例中的阵列基板的俯视图四；

图9为本发明实施例中的阵列基板的截面图二；

图10为本发明实施例中的阵列基板的截面图三；

图11为本发明实施例中的表面具有条形凸起和条形凹槽的衍射光栅的截面图。

附图标记说明：

1—阵列基板；10—衬底基板；11—子像素；

12—光栅；121—子光栅；121’—第一子光栅；

121”—第二子光栅；13—下偏振片；2—光源；

3—彩膜基板；31—上偏振片；4—液晶分子层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种显示装置，如图2、图3和图4所示，该显示装置包括阵列基板1，阵列基板1包括衬底基板10和设置于衬底基板10上的多个子像素11，阵列基板1还包括设置于衬底基板10上的光栅12，光栅12包括具有不同结构的多个子光栅121，所有子光栅121均包括用以调节光线的传播方向的调节部分，阵列基板1分为多个预设区域a，具有不同结构的子光栅121对应于位于不同的预设区域a内的子像素11；显示装置还包括设置于衬底基板10旁侧的光源2，光源2射出的光线为平行光，且除各子光栅121中的调节部分所 在区域外，光线在阵列基板1内全反射；在各子光栅121中的调节部分所在区域内，从具有不同结构的子光栅121的调节部分射出的光线均向位于显示装置前的人眼汇聚。上述“具有不同结构的子光栅121”指的是能够使射入其的光线的出射角不同的子光栅121。

其中，使除各子光栅121中的调节部分所在区域外，光线在阵列基板1内全反射的实现方式可以有多种，且该实现方式可以随着光栅12包括的子光栅121的结构的不同有所区别。示例性地，当本发明实施例中的光栅12包括的子光栅121均为表面具有条形凸起和条形凹槽的衍射光栅时，可以通过使光栅12的折射率n1小于衬底基板10的折射率n，且光源2射出的光线的入射角α满足sinα＜1/n的方式，使除各子光栅121中的调节部分所在区域外，光线在阵列基板1内全反射，其中，上述入射角α为光源2射出的光线与衬底基板10所在平面之间的夹角。

另外，将阵列基板1分为多个预设区域a的方式可以有多种，相应地，具有不同结构的子光栅121与子像素11的对应方式也可以有多种。示例性地，如图3所示，一个子像素11所在区域为一个预设区域a，一个子像素11对应具有一种结构的子光栅121，进而使得从每个子像素11射出的光线经过与其对应的子光栅121后，均沿指向人眼的瞳孔的方向传播，显示装置的光线的利用率最高；或者，如图5所示，一个子像素11所在区域分为多个预设区域a，每个子像素11对应具有不同结构的多个子光栅121，从而使得从每个子像素11射出的光线的传播方向有轻微的差异，进而使得如图6所示，从每个子像素11射出的光线能够覆盖一定范围，优选覆盖整个人眼，以适应人眼的瞳孔的移动以及不同用户的瞳距的差异，使该显示装置应用更灵活；或者，如图7所示，相邻的多个子像素11所在区域为一个预设区域a，此时位于同一预设区域a内的相邻 的多个子像素11对应具有一种结构的子光栅121，以使得在提高显示装置的光线利用率的同时，使显示装置的制作方法较为简单。

本发明实施例提供的显示装置具有如上所述的结构，由于具有不同结构的子光栅121与位于不同预设区域a内的子像素11对应，且从具有不同结构的子光栅121的调节部分射出的光线均向位于显示装置前的人眼汇聚，因此，从各个子像素11射出的光线经过各子光栅121后均向位于显示装置前的人眼汇聚，有效提高了从子像素11射入人眼中的光线的量，进而能够有效提高显示装置的光线利用率。另外，由于现有技术中，显示装置包括的背光模组位于阵列基板背向彩膜基板的一面，而在本发明实施例中的显示装置中，如图2所示，光源2位于阵列基板1包括的衬底基板10的一个侧面附近，因此，与现有技术中的显示装置相比，本发明实施例中的显示装置更轻薄。

下面本发明提供两个实施例，以对所有子光栅121的具体结构的设计方式进行描述。

实施例一

本发明实施例以如图3所示，一个子像素11所在区域为一个预设区域a，一个子像素11对应具有一种结构的子光栅121为例，对所有子光栅121的具体结构的三种设计方式进行说明。

第一种设计方式，如图3所示，所有子光栅121均为狭缝光栅，子光栅121的调节部分为子光栅121包括的狭缝。由于该显示装置在使用过程中，例如应用于虚拟现实眼镜中时，如图4所示(图中仅以一个狭缝为例)，位于阵列基板1的中心的子像素11与人眼正对，从该子像素11对应的子光栅121射出的光线沿垂直于阵列基板1的方向射出，而从其他子像素11对应的子光栅121射出的光线均与垂直于阵列基板1的方向有一定夹角，因此，该子像素11对应的子光 栅121的具体结构与其他子光栅121的具体结构具有一定的差别。为了便于描述，本发明实施例中将位于阵列基板1的中心的子像素11对应的子光栅121定义为第一子光栅121’，将除第一子光栅121’外的子光栅121定义为第二子光栅121”。

首先，对第一子光栅121’的具体结构进行描述，由以上描述内容可知，从位于阵列基板1的中心的子像素11射出的光线的传播方向应沿垂直于阵列基板1的方向射出，因此，如图4所示，从第一子光栅121’射出的光线的出射角θ1满足θ1＝90°，其中，出射角θ1为从第一子光栅121’射出的光线与光栅12所在平面之间的夹角。

具体地，当第一子光栅121’包括的狭缝的延伸方向与衬底基板10的靠近光源2的侧面平行时，第一子光栅121’的光栅常数d1应满足狭缝光栅的衍射方程：d1(sinφ1±sinψ1)＝kλ1，其中，φ1为入射至第一子光栅121’的光线与第一子光栅121’的法线之间的夹角，ψ1为从第一子光栅121’出射的光线与第一子光栅121’的法线之间的夹角，λ1为具有第一特定颜色的光线的波长，该第一特定颜色为第一子光栅121’对应的子像素11用于显示的颜色(例如，该子像素11用于显示红色时，λ1为红光波长)，k为衍射级数，k＝0，1，2，……。由图4可知，φ1＝90°-α，ψ1＝90°-θ1，并将θ1＝90°，cosθ1＝0代入上述衍射方程可得，d1cosα＝kλ1，如无特殊说明在本发明实施例中均以k＝1为例，将k＝1代入d1cosα＝kλ1可得

接着，对第二子光栅121”的具体结构进行描述。

由以上所述可知，从第一子光栅121’射出的光线沿垂直于阵列基板1的方向射出，基于此情况，本发明实施例中优选，所有第二子光栅121”呈中心对称分布，对称中心为阵列基板1的中心，从而使得在对所有第二子光栅121”的具 体结构进行设计的过程中，只要对由阵列基板1的中心的子像素11向外的特定方向上分布的第二子光栅121”的具体结构进行设计，阵列基板1上的其他位置处的第二子光栅121”的具体结构在该特定方向上的第二子光栅121”的具体结构的基础上进行简单的改变(例如旋转或者镜面对称等)即可，使得显示装置的制作方法较为简单。

示例性地，以上述特定方向为沿第一子光栅121’垂直指向衬底基板10的靠近光源2的侧面的方向为例，如图4所示，从特定方向上分布的第二子光栅121”射出的光线的出射角θ2满足，其中，出射角θ2为从第二子光栅121”射出的光线与第二子光栅121”所在平面之间的夹角，d为人眼与第二子光栅121”所在平面之间的垂直距离，l为在特定方向上，第二子光栅121”与第一子光栅121’之间的距离，即在特定方向上，第二子光栅121”的中心与第一子光栅121’的中心之间的距离。

具体地，第二子光栅121”的光栅常数d2也应满足狭缝光栅的衍射方程：d2(sinφ2±sinψ2)＝kλ2，其中，φ2为入射至第二子光栅121”的光线与第二子光栅121”的法线之间的夹角，ψ2为从第二子光栅121”出射的光线与第二子光栅121”的法线之间的夹角，λ2为具有第二特定颜色的光线的波长，该第二特定颜色为该第二子光栅121”对应的子像素11用于显示的颜色(例如，该子像素11用于显示红色时，λ2为红光波长)，k为衍射级数，k＝0，1，2，……。由图4可知，φ2＝90°-α，ψ2＝90°-θ2，并将k＝1代入上述衍射方程后计算可得，其中，当入射至第二子光栅121”的光线和从第二子光栅121”出射的光线位于第二子光栅121”的法线的同侧时，上述等式中取加号，当入射至第二子光栅121”的光线和从第二子光栅121”出射的光线位于第二子光 栅121”的法线的异侧时，上述等式中取减号。

为了降低第二子光栅121”的设计难度，本发明实施例中优选在特定方向上分布的第二子光栅121”包括的狭缝的有效数目、狭缝的宽度与第一子光栅121’相同，此时，只要使第二子光栅121”包括的狭缝具有倾斜角β，倾斜角β为第二子光栅121”中的狭缝的延伸方向与衬底基板10的靠近光源2的侧面之间的夹角，也就是使第二子光栅121”包括的狭缝的延伸方向与第一子光栅121’包括的狭缝的延伸方向之间具有夹角β，如图8所示，倾斜角β满足即可使第二子光栅121”的光栅常数d2满足以上条件。由以上所述可知，因此，进而计算可得，其中，以上各公式中的各参数的含义与以上提及的含义相同，此处不再进行赘述。

另外，由于阵列基板1上设置的子像素11通常包括用于显示红色的子像素11、用于显示绿色的子像素11和用于显示蓝色的子像素11，因此，本发明实施例中还提供一种对从各子光栅121射出的光线的强度进行调节的方式，使从各子像素12射出的光线的光强一致，从而使得从各子像素11射出的光线能够混成均匀的白光，有利于提升显示画面的均匀性，并使显示画面的色彩更真实。

示例性地，狭缝光栅的光强公式为其中，当该子光栅121为第一子光栅121’时，λ为上述λ1，当该子光栅121为第二子光栅121”时，λ为上述λ2，a为子光栅121包括的狭缝的宽度，d为子 光栅121的光栅常数，n为子光栅121包括的狭缝的有效数目，θ为从子光栅121射出的光线的出射角，即从子光栅121射出的光线与子光栅121所在平面之间的夹角，类似地，当该子光栅121为第一子光栅121’时，θ为上述θ1，当该子光栅121为第二子光栅121”时，θ为上述θ2，i0为入射至子光栅121的具有特定颜色的光线的强度，类似地，当该子光栅121为第一子光栅121’时，该特定颜色为第一特定颜色，当该子光栅121为第二子光栅121”时，该特定波长为第二特定颜色。因此，本发明实施例中可以通过调节子光栅121包括的狭缝的宽度a、子光栅121的光栅常数d和子光栅121包括的狭缝的有效数目n的方式调节从子光栅121射出的光线的强度。本领域技术人员结合以上公式即可得出通过以上各参数调节光强的具体方式，此处不再进行赘述。当然，对从各子光栅121射出的光线的强度进行调节的方式不局限于以上所述，且对光线的强度进行调节后的有益效果也不局限于以上所述。

第二种设计方式，由第一种设计方式中描述可知，位于阵列基板1的中心的子像素11对应的子光栅121的具体结构与其他子光栅121的具体结构具有一定的差别，因此，为了便于描述，第二种设计方式中也定义位于阵列基板1的中心的子像素11对应的子光栅121为第一子光栅121’，定义除第一子光栅121’外的子光栅121为第二子光栅121”。

在第二种设计方式中，如图9所示，第一子光栅121’为狭缝光栅，第一子光栅121’的调节部分为第一子光栅121’包括的狭缝，所有第二子光栅121”均为闪耀光栅，闪耀光栅包括光栅面和槽面，各第二子光栅121”的调节部分分别为各第二子光栅121”的槽面。

具体地，当第一子光栅121’包括的狭缝的延伸方向与衬底基板10的靠近光源2的侧面平行时，第一子光栅121’的光栅常数d1应满足狭缝光栅的衍射方程： d1(sinφ1±sinψ1)＝kλ1，其中，φ1为入射至第一子光栅121’的光线与第一子光栅121’的法线之间的夹角，ψ1为从第一子光栅121’出射的光线与第一子光栅121’的法线之间的夹角，λ1为具有第一特定颜色的光线的波长，该第一特定颜色为第一子光栅121’对应的子像素11用于显示的颜色(例如，该子像素11用于显示红色时，λ1为红光波长)，k为衍射级数，k＝0，1，2，……。由图4可知，φ1＝90°-α，ψ1＝90°-θ1，并将θ1＝90°，cosθ1＝0，k＝1代入上述衍射方程可得，d1cosα＝λ1，进而可得

与第一种设计方式相类似，本发明实施例中优选，所有第二子光栅121”呈中心对称分布，对称中心为阵列基板1的中心，此优选方式的有益效果可以参见第一种设计方式中相关描述，此处不再进行赘述。

示例性地，仍以特定方向为沿第一子光栅121’垂直指向衬底基板10的靠近光源2的侧面的方向为例，在特定方向上分布的第二子光栅121”的闪耀角为γ，如图10所示，该闪耀角γ与从第二子光栅121”射出的光线与垂直于阵列基板1的方向之间的夹角η相等，由于所以在特定方向上分布的第二子光栅121”的光栅常数为d2，由闪耀光栅的衍射公式2d2sinγ＝λ2以及计算可得，其中，λ2为具有第二特定颜色的光线的波长，第二特定颜色为第二子光栅121”对应的子像素11用于显示的颜色，d为人眼与第二子光栅121”所在平面之间的垂直距离，l为在特定方向上，第二子光栅121”与第一子光栅121’之间的距离，即在特定方向上，第二子光栅121”的中心与第一子光栅121’的中心之间的距离。

另外，在第二种设计方式中，也可以对从每个子光栅121射出的光线的强度进行调节，其调节的方式与有益效果均与第一种设计方式类似，此处不再进行赘述。

第三种设计方式，所有子光栅121均为如图11所示的表面具有条形凸起和条形凹槽的衍射光栅。此时，从子光栅121射出的光线的出射角和光线的强度均与各条形凸起或者条形凹槽的倾斜角以及宽度有关，本领域技术人员参照第一种设计方式中的相关关系可以获得，此处不再进行赘述。

实施例二

本发明实施例以如图5所示，一个子像素11所在区域分为多个预设区域a，每个子像素11对应具有不同结构的多个子光栅121为例，对所有子光栅121的具体设计方式进行详细说明。

可选地，如图5所示，每个子像素11对应的具有不同结构的多个子光栅121均为狭缝光栅，且各子光栅121包括的狭缝的有效数目、狭缝的宽度均相同，且具有不同结构的子光栅121包括的狭缝的倾斜角β不同，以使从每个子像素11对应的具有不同结构的多个子光栅121射出的光线覆盖整个人眼，其中，倾斜角β为各子光栅121中的狭缝的延伸方向与衬底基板10的靠近光源2的侧面之间的夹角。

示例性地，每个子像素11对应的多个子光栅121的设计方式如下：每个子像素11对应的多个子光栅121中的一个子光栅121按照实施例一中进行设计，每个子像素11对应的多个子光栅121中的其他子光栅121在该已经设计好的子光栅121的基础上，通过在一定范围内增加或者减小狭缝的倾斜角获得。本领域技术人员结合该显示装置在使用过程中，人眼与显示装置之间的距离、人眼的长度和实施例一中的内容即可得出每个子像素11对应的具有不同结构的多个子光栅121包括的狭缝的倾斜角β之间的最大差值，以使从该子像素11射出的光线能够覆盖人眼且不会造成光线的利用率的大幅降低。示例性地，当该显示装置应用于虚拟现实眼镜中时，人眼与显示装置之间的距离通常为5cm，且人 眼的长度通常为3.5cm，因此，每个子像素11对应的具有不同结构的多个子光栅121包括的狭缝的倾斜角β之间的最大差值为30°～40°，以使从该子像素11射出的光线能够覆盖人眼且不会造成光线的利用率的大幅降低。

可选地，每个子像素11包括的多个子光栅121也可以均为闪耀光栅，且每个子像素11包括的各子光栅121具有相同的光栅常数d和不同的闪耀角γ，类似地，本领域技术人员结合人眼与显示装置之间的距离、人眼的尺寸和实施例一中的内容，即可得出和每个子像素11包括的多个子光栅121的闪耀角γ之间的最大差值。

需要说明的是，对于如图7所示，多个子像素11所在区域为一个预设区域a，位于同一预设区域a内的相邻的多个子像素11对应具有一种结构的子光栅121时，所有子光栅121的具体设计方式，本领域技术人员可以参照实施例一中描述，此处不再进行赘述。

此外，如图2所示，本发明实施例中的显示装置还包括与阵列基板1相对设置的彩膜基板3，以及设置于阵列基板1和彩膜基板3之间的液晶分子层4，当光源2发出的光线为线偏振光时，仅彩膜基板3背向阵列基板1的一面上设置有上偏振片31即可使显示装置正常显示；当光源2发出的光线为自然光时，不仅彩膜基板3背向阵列基板1的一面上设置有上偏振片31，显示装置还包括下偏振片13，下偏振片13设置于光源3与阵列基板1的衬底基板10之间或者设置于光栅12上。示例性地，该上偏振片31和下偏振片13为线栅式偏振片(wiregridpolarizer，简称wgp)。

此外，本发明实施例还提供了一种虚拟现实眼镜，该虚拟现实眼镜包括外壳以及位于外壳中的两个如上所述的显示装置，其中一个显示装置对应于用户的左眼，另一个显示装置对应于用户的右眼。由于本发明实施例提供的虚拟现 实眼镜包括如上所述的显示装置，因此，该虚拟现实眼镜具有和上述显示装置相同的有益效果，此处不再进行赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。