CN102231020A

CN102231020A - 一种新型立体显示器系统

Info

Publication number: CN102231020A
Application number: CN 201110187496
Authority: CN
Inventors: 郑继红; 庄松林; 孙立嘉
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Kechaung Digital-Display Technology Co., Ltd., Shenzhen
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: CN102231020B

Abstract

本发明涉及一种新型立体显示器系统，工作模式可在2D与3D间快速切换。在3D模式下，全息分像光栅将不同像素的出射光分别衍射向不同方向，再由柱面透镜分别聚焦于左右两眼，使人眼观看到具有视差的图像，并在人脑中形成立体视觉。在外加电场的切换作用下，分像光栅可视为平板玻璃，柱面透镜效应亦可拆除，从而显示系统恢复到2D显示状态。系统在分像的过程中的亮度损失不高于10%，相较于狭缝光栅式立体显示器具有高亮度的优势；相较于微柱面透镜式立体显示器具有成本优势，其制造工艺兼容现有的液晶面板制造技术，工艺简单，成本低廉；低功耗，适用于小功率便携式显示终端。

Description

一种新型立体显示器系统

技术领域

本发明涉及一种立体显示器。

背景技术

三维立体显示技术又称3D技术，即可以显示客体和场景的深度信息的显示技术，相较于传统的二维显示技术，其所携带的信息量更大，更加逼真，且富有渲染力，已经成为未来显示技术发展的主流方向。目前，大部分的立体显示系统都是依据双目感知立体信息的机理来获取立体视觉。早期的立体显示器都需要佩戴特定的眼睛才能观看，虽然可以获得立体视觉，但是佩戴眼睛阻碍了人的自然视觉感受。不需要借助辅助工具观看三维立体影响的技术满足了人们追求裸眼观看3D效果的需求，目前主流的技术包括狭缝式视差光栅和柱面透镜等分光方法。这两种利用双目视差原理实现裸眼立体显示的设备，其核心思想是使左、右眼分别看到独立而带有视差的图像。对于传统二维显示器而言，由于显示面板上的每一个像素所发出的光线发散角很大，因此任意一个像素所发出的光线都能同时被左眼和右眼接收。换而言之，左眼和右眼看到的是同一幅图像，并不存在视差，所以不能产生立体视觉。

目前，主流的裸眼立体显示器，其核心设计思想都是将左、右眼图像分割并交错排列在同一显示面板上，再通过光学上的处理，例如遮挡和折射，使其相互分开，再分别射向左眼和右眼，从而形成立体视觉。常见的裸眼立体显示器有两种，即狭缝式视差光栅式（如图1所示）和微柱面透镜阵列式（如图2所示）显示器。这两种裸眼3D显示都存在明显的缺点。例如：造成光线的亮度损失，分辨率降低，加工困难等问题。

发明内容

本发明是针对现在立体显示器存在的问题，提出了一种新型立体显示器系统，实现裸眼3D的显示实现方法，即基于电控光栅分像的3D系统，该显示实现方法可以克服以往方法的缺点，而且容易实现工作模式在二维和三维显示的兼容和快速切换。

本发明的技术方案为：一种新型立体显示器系统，由下至上依次包括准直性背光模块、灰度控制模块、像素控制模块、电控分像光栅模块和电控柱面透镜模块，灰度控制模块紧贴于背光模块，以使透过该模块的光线具有较高准直度，灰度控制模块由内侧镀有ITO透明导电层的上、下玻璃基板和夹在其间的液晶材料组成；像素控制模块由彩色滤波片组成；分像光栅模块由分像光栅及其ITO玻璃控制电极组成；柱面透镜模块由液晶和上、下层透明非对称电极构成，所述电控分像光栅模块由下方像素控制模块垂直入射光通过后，以布拉格衍射角θ₁和θ₂向左眼侧和右眼侧射出，全息光栅条纹的延伸方向与光栅法线所成角分别等于1/2θ₁和1/2θ₂，即布拉格衍射角平分线方向，单个光栅的尺寸等于像素宽度。

所述ITO透明导电层由ITO导电膜、像素电极和驱动晶体管组成。

所述像素控制模块由彩色滤波片组成，彩色滤波片为RGB三色单元阵列组成的滤波片，RGB三色单元以形如品字形的结构为单位依次排列，即一个完整的像素单元三个方形RGB子像素以及形状、面积与单个像素相同微控制电路组成，共计四个正方形微结构单元对齐排列构成一个完整的像素结构，每个子像素单元对应于RGB三基色中的一种。

所述电控柱面透镜模块由上玻璃基板、线形透明电极、液晶材料、ITO导电膜和下玻璃基板组成，在上方玻璃基板上刻有线形透明电极；在下方玻璃基板内侧的整个表面上均匀地涂覆有ITO导电膜。

所述电控分像体全息光栅是通过全息掩膜曝光方法制作，即分步曝光法，通过完全涂黑的遮住左眼信息部分的掩模板紧紧扣住聚合物分散液晶盒，曝光右眼信息所需的部分光栅；再通过完全遮掩右眼信息部分的掩模板，曝光制作针对左眼方向衍射所需的左向倾斜方向的光栅结构。

本发明的有益效果在于：本发明新型立体显示器系统，其工作模式可在2D与3D间转换；系统在分像的过程中的亮度损失不高于10%，相较于狭缝光栅式立体显示器具有高亮度的优势；相较于微柱面透镜式立体显示器具有成本优势，其制造工艺兼容现有的液晶面板制造技术，工艺简单，成本低廉；低功耗，适用于小功率便携式显示终端。

附图说明

图1为视差光栅式立体显示器原理图；

图2为微柱面透镜式立体显示器原理图；

图3为本发明立体显示器系统结构示意图；

图4本发明立体显示器系统中GB子像素成品字形排列图；

图5本发明立体显示器系统中全息分像光栅衍射示意图；

图6本发明立体显示器系统中光栅衍射的微观光路图；

图7本发明立体显示器系统中电控柱面透镜模块结构示意图；

图8本发明立体显示器系统中加载电场时的电控液晶柱面透镜纵剖图；

图9本发明立体显示器系统原理结构示意图。

具体实施方式

如图3所示立体显示器系统结构图，包括准直性背光模块6、灰度控制模块、像素控制模块和电控分像光栅模块和电控柱面透镜模块1。其中灰度控制模块由内侧镀有ITO透明导电层2的上、下玻璃基板3和夹在其间的液晶5材料组成。像素控制模块由彩色滤波片6组成。分像光栅模块由分像光栅7及其ITO玻璃控制电极8组成，柱面透镜模块1由液晶和上、下层透明非对称电极构成。

灰度控制模块紧贴于背光模块，以使透过该模块的光线具有较高准直度。灰度控制模块由带有ITO透明导电层2的上下玻璃基板3和普通液晶盒5组成。其中，透明导电层2由ITO导电膜、像素电极和驱动晶体管组成。控制电极通过对子像素的液晶施加电压使液晶分子转动相应的角度，实现灰度的控制。

显示器采用屏幕长宽比16：10的19寸面板，其实际横向长度为408.24毫米，纵向宽度为255.15毫米，像素间距为0.567毫米，有效分辨率为720×900dpi。

像素控制模块由彩色滤波片6组成。如图4所示，RGB三色单元以形如品字形的结构为单位依次排列，即一个完整的像素单元三个方形RGB子像素以及形状、面积与单个像素相同微控制电路组成，共计四个正方形微结构单元对齐排列构成一个完整的像素结构。每个子像素单元对应于RGB三基色中的一种。在2D显示模式下，每个像素单元所需的某一基本色彩对应于某一个子像素；在3D显示模式下，两幅存在视差的图像被竖直切割成条状，并交叉合成在显示器面板上，其微观排列方式如图4所示，其中，每一条状图像由上下相邻的一列像素单元组成，而左右相邻的像素则分别构成左眼图像和右眼图像，此时每个像素仍然包含3个RGB子像素，每种基本色彩某个色子像素提供。

分像光栅模块由一片电控体全息光栅组成。如图5所示，由下方像素控制模块垂直入射的光以布拉格衍射角θ₁和θ₂向左眼侧和右眼侧射出，其中，全息光栅条纹的延伸方向与光栅法线所成角分别等于1/2θ₁和1/2θ₂，即布拉格衍射角平分线方向。单个光栅的尺寸等于像素宽度，即0.567毫米，由公式

Figure 2011101874964100002DEST_PATH_IMAGE002

(1)

取

=550nm（白光平均波长），

，则制作时候夹角为

（布拉格衍射角），m=1（衍射光强极大值条纹）。分像光栅的作用是在3D模式下，改变显示面板不同像素光线的光路，即所有左眼图像所对应的光线均向左衍射，并形成平行光；所有右眼图像所对应的光线均向右侧衍射，亦形成平行光。如图5示，通过光栅分像作用，左眼图像与右眼图像得以分开。不仅如此，由于所有左眼图像所对应的衍射角相同，因此，所有衍射方向同侧的光线均互相平行，这就为通过下文所述之柱面透镜分别聚焦于左右两眼提供了可能。经过柱面透镜的聚焦作用，在保证双眼间距离为65mm的同时，将信息聚焦于离笔记本观察距离为300mm左右的位置为双眼所在平面位置。对于左眼和右眼像素的垂直方向入射，光栅分像模块将产生对称的左右眼分像作用，衍射角度与垂直方向夹角为10°左右，左右两边对称。这样大量从左右眼像素出射的衍射光就在各自的衍射方向上平行，再通过聚焦柱面透镜的电控作用，分别聚焦成像于人眼的左右两个位置。

电控分像体全息光栅的具体制作过程是通过全息掩膜曝光方法制作。所谓掩膜曝光就是分步曝光法，即通过完全涂黑的遮住左眼信息部分的掩模板紧紧扣住聚合物分散液晶盒，曝光右眼信息所需的部分光栅；再通过完全遮掩右眼信息部分的掩模板，曝光制作针对左眼方向衍射所需的左向倾斜方向的光栅结构。具体步骤首先配置聚合物分散液晶材料，其配制流程为：1、将液晶材料、聚合物单体、适量的交联剂、活化剂和引发剂按照一定比例（参见参考文献），在遮光条件下混合加热到60～70℃，使其处于各向同性的状态。2、在充分搅拌并用超声波乳化使其均匀混合从而制备出聚合物分散液晶预聚物混合材料，3、将光致固化预聚物和液晶材料组成的混合物注入液晶盒中,将预留的材料注入口封住。将黑条形曝光掩模板遮掩液晶盒，然后并把液晶盒放在的514nm 的Ar^＋全息曝光光路中曝光，曝光时间为60到120秒，最终经相分离固化后形成电控液晶成像光栅模块，对应于分别形成图6所示左向和右向倾斜条纹的电控体全息光栅。

电控柱面透镜模块由上玻璃基板11、线形透明电极10、液晶材料12、ITO导电膜13和下玻璃基板14组成，其结构如图7示。在上方玻璃基板11上刻有线形透明电极10；在下方玻璃基板14内侧的整个表面上均匀地涂覆有ITO导电膜13。当显示系统工作在2D模式下时，板间无电场，液晶保持统一的寻常折射率，光学性质上等效为玻璃平行平板，对光线无折射作用。当系统工作在3D模式下时，控制电路对上下非对称电极施加电压，使液晶层12间形成了由电极向整个下基板辐射式电场分布，电场分布呈现周期性平行对称态，液晶微滴的光轴方向沿电力线方向分布，其折射率呈现中央大，两侧小，由中心向两侧逐渐减小的周期性分布，如图8所示，此时该模块光学上等效为柱面透镜，该柱透镜像方焦距等于显示器最佳观看距离，在本实例中，考虑到人眼到显示屏的近视距离较近，本实例中距离为300毫米左右。当在分像光栅模块的ITO导电玻璃上施加100V交流电压，电控聚合物分散液晶的光栅特点就是在电场作用下衍射作用消失。主要原理是由于在电场作用下，液晶微滴的指向矢方向同电场方向重合，如果液晶微滴的寻常折射率同周围聚合物的指向矢匹配，光栅作用就消失了。这样就实现了平板玻璃效果。目前，通常H-PDLC的液晶盒厚度在10微米左右，保证电场足够大，需要施加50V-100V左右的交流电。

光栅效应擦除，则左右眼分光作用消失，相当于平板玻璃。而此时在柱面透镜上所施加的电压拆除，则柱面透镜也相当于平板玻璃，因而能够快速从3D转化到2D状态。

对于电控柱面透镜的实施步骤包括：首先制作线性透明ITO电极；线形透明电极通过掩膜刻蚀法形成。第一步，在玻璃基板上涂覆ITO透明导电材料。第二步，在ITO材料上方涂覆光刻胶。第三步，激光光源或紫外光源透过利用预制的掩模板照射基板，未遮挡的光刻胶被腐蚀。第四步，对未受光刻胶保护的ITO材料进行刻蚀处理。第五步，将仍留存于线形电极上方的光刻胶冲洗剥离。然后将均匀ITO导电膜玻璃和线性透明ITO电极玻璃基板对齐并构成液晶盒，再通过液晶盒工艺，填充厚度为20微米的纯液晶。

本发明所述的电控柱面透镜对图像起到聚焦作用，其光路参见图9，光线垂直入射到全息分像光栅之后，分别形成了衍射方向分别向左和向右的两束平行光。因为本发明所述之电控柱面透镜像方焦平面处于人眼所在平面，故平行入射到透镜的图像光互不干扰地分别聚焦于左眼和右眼。

为了进一步降低成本，可将立体显示器采用预制光学玻璃或树脂等传统光学透镜材料制造的柱面透镜。当使用模式切换至3D状态时，通过电路改变显示面板的显示设置，同时手动安装透镜；当显示模式切换回2D状态时，再由手动拆除该透镜。

为在技术上实现上述四大功能，在本发明的另外一个实例包括：

准直性背光源模块，所述背光源的光线出射方向与出射面相垂直。

显示面板，所述显示面板采用以预设图案二维排列设置多种颜色子像素的显示面。每个子像素对应于显示所需的多种色彩中的一种。

电控全息分像光栅，所述光栅布置于显示面板之上，在非加电状态下，可使垂直射来的光以一定的衍射角出射；在加电状态下，可是入射光以原方向无损失地透射。

电控柱面透镜，所述柱面透镜邻接于电控全息分像光栅之上，且其像方焦平面位于观察者双眼所构成平面位置。

在该实施例中，整个显示器的核心原理及结构如图9所示。首先，背光源显示面板提供高准直度的背景光，垂直打到显示面板的每一个像素上。白光透过显示面板的光线被子像素滤光片滤波，而带上不同颜色。随后，出射光经过液晶层进行灰度调整后垂直入射到电控全息分像光栅上。以左眼图像为例，全息分像光栅将各左眼条状图像向左衍射至左眼方向，将右眼条纹图像向右衍射至右眼方向。此时，电控柱面透镜在电路控制下形成等效于面板纵向放置的柱面透镜，从而使具有统一出射方向的左眼图像光聚焦于最佳观看距离处的观看者左眼；右眼图像聚焦于观察者右眼。

相较于传统微柱面透镜式立体显示器，本发明所采用的分像光栅采用激光相干原理制造，不需要高精度的机械加工，因而使得成本大大降低。对比传统分像方法，例如狭缝光栅式立体显示器，本发明采用的全息光栅具有超过90%的衍射效率，因此在此传播过程中，并几乎没有光强损失，最大限度地保持了显示器的亮度。基于上述优点，本发明使得如手机，PDA、笔记本电脑或平板电脑显示屏等便携式立体显示终端得以在不损失显示质量的情况下，实现成本低、亮度高、重量轻和待机时间长等设计要求。

为进一步减小便携式显示终端的体积和重量，同时降低制造难度和成本。本发明运用模块化设计思想，将柱面透镜模块独立出来，设计为预制的，可方便安装和拆卸的模块。所述之柱面透镜模块由光学玻璃或树脂材料制成，在使用时，只需从保护套件中取出，将透镜底面对准显示面板上方卡槽轨道或弹片夹插入，当透镜安装到位时，固定装置会自动闭锁，保持最佳的安装姿态；若要拆除该模块，则只需轻按保险，固定装置自动解锁，将透镜沿导轨轻轻拉出即可完成拆卸。

Claims

1.一种新型立体显示器系统，由下至上依次包括准直性背光模块、灰度控制模块、像素控制模块、电控分像光栅模块和电控柱面透镜模块，灰度控制模块紧贴于背光模块，以使透过该模块的光线具有较高准直度，灰度控制模块由内侧镀有ITO透明导电层的上、下玻璃基板和夹在其间的液晶材料组成；像素控制模块由彩色滤波片组成；分像光栅模块由分像光栅及其ITO玻璃控制电极组成；柱面透镜模块由液晶和上、下层透明非对称电极构成，其特征在于，所述电控分像光栅模块由下方像素控制模块垂直入射光通过后，以布拉格衍射角θ₁和θ₂向左眼侧和右眼侧射出，全息光栅条纹的延伸方向与光栅法线所成角分别等于1/2θ₁和1/2θ₂，即布拉格衍射角平分线方向，单个光栅的尺寸等于像素宽度。

2.根据权利要求1所述新型立体显示器系统，其特征在于，所述ITO透明导电层由ITO导电膜、像素电极和驱动晶体管组成。

3.根据权利要求1所述新型立体显示器系统，其特征在于，所述像素控制模块由彩色滤波片组成，彩色滤波片为RGB三色单元阵列组成的滤波片，RGB三色单元以形如品字形的结构为单位依次排列，即一个完整的像素单元三个方形RGB子像素以及形状、面积与单个像素相同微控制电路组成，共计四个正方形微结构单元对齐排列构成一个完整的像素结构，每个子像素单元对应于RGB三基色中的一种。

4.根据权利要求1所述新型立体显示器系统，其特征在于，所述电控柱面透镜模块由上玻璃基板、线形透明电极、液晶材料、ITO导电膜和下玻璃基板组成，在上方玻璃基板上刻有线形透明电极；在下方玻璃基板内侧的整个表面上均匀地涂覆有ITO导电膜。

5.根据权利要求1所述新型立体显示器系统，其特征在于，所述电控分像体全息光栅是通过全息掩膜曝光方法制作，即分步曝光法，通过完全涂黑的遮住左眼信息部分的掩模板紧紧扣住聚合物分散液晶盒，曝光右眼信息所需的部分光栅；再通过完全遮掩右眼信息部分的掩模板，曝光制作针对左眼方向衍射所需的左向倾斜方向的光栅结构。