CN102809825B - 一种基于全息光栅的三维立体显示器 - Google Patents

Abstract

一种基于全息光栅的三维立体显示器，其包括：全息分光光栅器件、LCD液晶显示屏、λ/4相位延迟光学膜、背光源；其中叠放顺序依次为：全息分光光栅器件、LCD液晶显示屏、λ/4相位延迟光学膜、背光源。所述全息分光光栅为含有偶氮液晶聚合物的偏振全息分光光栅。所述全息分光光栅为由两束正交的圆偏振光一次干涉记录过程形成的相位调制的光栅，其对右旋光和左旋光读取光分别只有一级衍射图像。克服了现有技术中立体显示全息分光器件中图像串扰、对比度低，以及三维显示分光屏制作工艺复杂的问题。

Description

一种基于全息光栅的三维立体显示器

技术领域

本发明涉及LCD显示领域，具体是一种基于全息液晶光栅的三维立体显示器。

背景技术

最为常用的自由三维立体显示技术，主要可以分为两种方法：透镜式和障栅式(Barrier)这两种方式的原理是将左右相邻子像素的具有一定视差的图像，分光到左右眼不同的区域，从而形成一个含有深度信息的三维立体图像，使人感受到三维立体效果。这两种显示方式各有优缺点,透镜式显示器由于对光的透过率较高，因而在视野区的视像所达到的亮度较高；缺点是由于制作过程中，透镜的尺寸精确度和透镜膜与液晶显示器件之间的对位误差会引起图像串扰噪声。遮光式显示器由于遮光的作用，会导致接收亮度的降低，三维立体效果可视视野区数目的增加必然伴随着水平分辨率的降低，而分辨率的降低会大大恶化三维立体显示的效果，制约着自由三维立体显示的普及。

全息光栅亦可以作为一种分光器件用于液晶三维显示领域中。David Trayner用全息体光栅中布拉格角度的敏感性，采用空间复用方法，制作体全息光栅分光板，当两束入射光以各自的特定入射角照射分光板时，会使衍射光分别投向左右两个不同的区域（发表于“Autostercoscopic display using holographic opticalelements”SPIE Vol.2653165中）。这种体全息光栅的方法的缺点是对入射光的角度要求很严格，背光必须以严格的布拉格角度斜入射，因此这就造成了显示器的体积会很大。Wei-Chia Su用全息分光器件制作三维立体显示器（文章“Stereogram implemented with a holographic image splitter”May 2011/Vol.19,No.10/OPTICS EXPRESS），由于衍射光中有正、负一级衍射，且正负级衍射分别对称地位于法线两侧，一只眼睛看到一组衍射图像的同时，相同的图像可能也会到达另一只眼睛，这样图像串扰效应会很严重。

发明内容

本发明的目的在于提供基于全息光栅的三维立体显示器，以解决现有立体显示全息分光器件中图像串扰、对比度低，以及三维显示分光屏制作工艺复杂的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种基于全息光栅的三维立体显示器，其特征在于，其包括：全息分光光栅器件、LCD液晶显示屏、λ/4相位延迟光学膜、背光源；其中按照全息分光光栅器件、LCD液晶显示屏、λ/4相位延迟光学膜、背光源的顺序依次叠放。

优选地，所述全息分光光栅为偶氮液晶偏振全息光栅。

优选地，所述全息分光光栅为由两束正交的圆偏振光一次干涉记录过程形成的相位调制型光栅，其对右旋光和左旋光读取光分别只有一级衍射图像。

优选地，所述λ/4相位延迟光学膜由两个晶轴方向互相垂直的λ/4光学膜周期排列组成。

优选地，所述λ/4相位延迟光学膜由晶轴方向成90度角的液晶聚合物成列组成；所述λ/4相位延迟光学膜上重复列的周期宽度为一个LCD面板像素单元的宽度。

优选地，所述背光源为准直激光背光源。

优选地，所述准直激光背光源的第一种为直下式准直激光背光源，包括激光二极管阵列和透镜阵列。所述激光二极管阵列上的激光二极管与透镜阵列上的透镜一一对应，其中每个激光二极管位于其相对应的透镜的焦点上。所述承载透镜的基板为采用PET、玻璃等透明材质的基板；所述透镜阵列上的透镜为菲涅尔透镜、双凸透镜、平凸透镜等具有汇聚作用的光学元件。

优选地，所述准直激光背光源的第二种为侧入射式准直激光背光源，其由n×n个背光单元组成，每个背光单元包括：

一准直透镜；

一激光二极管，设置于该准直透镜的一侧焦点上；

一反射式全息板，相对设置于该准直透镜的另一侧；

其中，该激光二极管发出的光经过该准直透镜后，所形成的准直的激光照射该反射式全息板，衍射成为准直的背光。

优选地，所述准直激光背光源的第三种为侧入射式准直激光背光源，其由n×n个背光单元组成，每行背光单元的一侧设置有一激光二极管和一准直透镜，该激光二极管设置于相对应的准直透镜的焦点上；每个背光单元设置有一反射式全息板，每行中该反射式全息板衍射效率依次增大，且每行中离该行准直透镜最远的背光单元的反射式全息板的衍射效率最大；

其中，每行中的所有该反射式全息板都对应于该行一侧上的该激光二极管和该准直透镜，该激光二极管发出的光经过该准直透镜后，所形成的准直的光照射该反射式全息板，只有小部分的光衍射成为背光源，其余大部分的光通过该反射式全息板入射到下一个背光单元的反射式全息板上。

优选地，所述制作反射式全息板的全息干板为透明聚合物全息干板，该全息干板的分辨率达到5000线每毫米以上。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

1、制作工艺简单，只需一次干涉记录光栅，不需要空间复用两次干涉。

2、利用偶氮液晶偏振分光特性，避免了图像串扰的问题。

3、采用λ/4相位延迟光学膜，简化了器件装置结构。

4、采用侧入式激光背光准直系统，厚度减小。

附图说明

图1为本发明三维立体显示图；

图2为本发明整体结构图；

图3a和图3b为本发明偏振全息光栅分光原理图；

图4为本发明偏振全息光栅的记录过程；

图5a为λ/4相位延迟光学膜平面图；

图5b为λ/4相位延迟光学膜分布的其中一周期示意图；

图6a为第一种准直激光背光源的激光二极管阵列示意图；

图6b为第一种准直激光背光源的透镜阵列示意图；

图7为反射式全息板制作原理图；

图8a为第二种准直激光背光源中一个背光单元示意图；

图8b为第二种准直激光背光源的侧视图；

图9为第三种准直激光背光源的侧视图。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所示附图，作详细说明如下。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1和图2，图1为本发明的三维立体显示图，图2为更加详细具体的本发明整体结构图。本发明提出一种基于全息光栅的三维立体显示器，包括全息分光光栅器件1、LCD液晶显示屏2、λ/4相位延迟光学膜3、准直激光背光源4。其叠放结构顺序依次为：第一、全息分光光栅器件1；第二、LCD液晶显示屏2；第三、λ/4相位延迟光学膜3；第四、准直激光背光源4。

所述基于全息光栅的三维立体显示器还包括：设置于背光源4和λ/4相位延迟光学膜3之间的偏振膜5，以及分别设置于全息分光光栅器件1、LCD液晶显示屏2、λ/4相位延迟光学膜3以及偏振膜之间的支撑物6。

其中整个显示过程是：准直激光背光4经由偏振膜5变为线偏振光，该线偏振光入射到λ/4相位延迟光学膜3，转变成对应像素列的左旋和右旋圆偏振光，照射到LCD屏2上的像素阵列，LCD屏2显示的两幅不同偏振的视差图经由全息分光光栅器件1形成两幅衍射图像7和8，最后到达人的左右眼合成立体图像。

所述的全息分光光栅器件为含有偶氮液晶聚合物的偏振全息分光光栅。该光栅是基于一种偶氮液晶的偏振全息特性，其原理如下：含偶氮液晶聚合物材料是一类偏振敏感材料，偶氮分子吸收光能后发生反式-顺反-反式周期性异构循环，反式结构分子稳定，最终偶氮分子的取向将垂直与照射光偏振的垂直方向。

关于含偶氮液晶聚合物的偏振敏感材料的性质在Xu Pan,Changshun Wang的文章（“Image storage based on circular-polarization holographyin an azobenzeneside-chain liquid-crystalline polymer”1 January 2008 Vol.47,APPLIED OPTICS）中作了详细的研究，照射光为右旋圆偏振时，±1级衍射光场E_±1为下式：

其中为单束线偏振光照射下样品产生的相位差，δ为两束光波间的相位差，d为薄膜厚度，Δn为薄膜中的双折射的折射率差值，λ_p为偏振光波长。

即当照射光为右旋圆偏振光时，只有＋1级衍射光场。同理，当照射光为左旋圆偏振光时，只有－1级衍射光场。请参阅图3a和图3b，3a和图3b为本发明偏振全息光栅分光原理图。表示了当入射光为右旋偏振光时，衍射光只有＋1级；当入射光为左旋时，衍射光只有－1级。

本发明利用所述偶氮液晶聚合物的性质，提出一种含有偶氮液晶聚合物的偏振全息分光光栅，所述的偏振全息分光光栅是用两束正交的圆偏振光干涉记录形成。本发明采用的光栅是利用两束正交的圆偏振光在含偶氮液晶聚合物偏振敏感材料中干涉记录，干涉场为一系列偏振角度周期性变化的线偏振光，从而在材料中形成相位调制的光栅，对通过的光进行偏振和传播方向的控制。将其设置在视差式三维立体显示器中，该光栅可以解决图像串扰的问题。

本发明采用上述Xu Pan,Changshun Wang文章中提到的偶氮液晶聚合物薄膜制备方法来制备偶氮液晶聚合物薄膜样品，制备步骤如下：首先，将咔唑单体（P1)0.1mol,偶氮单体(P2)0.1mol、甲基丙烯酸丁脂0.8mol、100ml的四氢呋喃(THF)和2%的偶氮双异丁腈(AIBN)光引发剂混合均匀，加热、干燥得到三元聚合物粉末，将混合物粉末填充到干净的玻璃片之间，加热至熔点，冷却，得到厚度为10um的偶氮液晶聚合物薄膜（即图4样品10）。

请参阅图4，图4为偏振全息光栅的记录过程，其作用是将上述的偶氮液晶聚合物薄膜样品10干涉记录形成偏振全息光栅1。所述记录过程为：激光器11为532nm绿光激光器，经过分光镜12分为两束线偏振光，分别经过λ/4波片13变为正交的两束圆偏振光，经过全反射镜14、空间光滤波器15和透镜16变为扩束的平行光，两束光的夹角为8度，在偶氮液晶聚合物薄膜10上干涉形成偏振全息光栅1，为实现大面积的全息光栅面板，可进行步进式扫描方式进行多次干涉曝光。

所述的LCD显示屏2为普通的液晶显示屏，用于加载图像。由于偶氮液晶偏振光栅的特性，左旋和右旋衍射的图像为对称的图像，所以本专利三维显示器所用的片源会与目前商用的三维视差图像源有所不同。

请参阅图5a和5b，图5a为λ/4相位延迟光学膜平面图。所述的λ/4相位延迟光学膜3，是与LCD液晶显示屏2中像素列对应的两种晶轴方向不同的λ/4波片周期性组合。图5b为λ/4相位延迟光学膜分布的其中一周期示意图。每个周期由两个列λ/4光学膜31和32组成，每列的宽度为对应LCD显示屏上的像素的宽度。两个晶轴的方向成90度的夹角，与入射的激光背光源的偏振方向分别成45度夹角。当入射光经过λ/4相位延迟光学膜3时，LCD显示屏2上的像素会被相应的经λ/4光学膜3的圆偏振光照射，即当相应线偏振的激光入射对应右眼像素列的波片列时，垂直的线偏振光变成右旋圆偏振光，经由偏振光栅1的衍射，图像到达人的右眼区域。同理，对应左眼的像素阵列，被经由λ/4波片变换的左旋偏振光照射，会被衍射到左眼区域。

所述的λ/4相位延迟光学膜3的材料为液晶聚合物，相邻列的液晶聚合物的晶轴方向成90度角。薄膜上重复列的周期宽度为一个LCD面板像素单元(包含RGB子像素)的宽度。

所述的准直激光背光源，作为偏振全息光栅的读取光，可以采用直下式背光系统，也可以采用侧入射式背光系统。

请参阅图6a和图6b，图6a和图6b为本发明的第一种准直激光背光源，其采用直下式背光系统。所述第一种背光源包括如图6a所示的激光二极管阵列41a和图6b所示的透镜阵列41b，激光二极管阵列41a密集排布，该激光二极管412与透镜阵列41b上的透镜414一一对应，且每个二极管412放置在相对应的透镜414的焦点位置，使出射光尽可能的准直。基板411承载二极管阵列，基板413承载透镜阵列，承载透镜阵列的基板413为透明材质的基板，如PET、玻璃等。透镜414可以为菲涅尔透镜、双凸透镜、平凸透镜等具有汇聚作用的光学元件。

所述的准直激光背光源侧入射式系统，采用反射式全息板。请参见图7，图7为反射式全息板制作原理图，其中101为参考光，102为信号光，103为透明的记录介质（如全息干板），其原理是用反射全息记录方式，利用平行光在透明的全息干板103上记录全息图，形成了反射式全息板，然后用其中一束平行光再现时，再现光为平行光背光源，这样可以使背光源的厚度尽量的薄。

本发明提供的第二种准直激光背光源采用侧入射方式，请参阅图8a和图8b，图8a为本发明第二种准直激光背光源中的一个背光单元示意图；图8b为第二种准直激光背光源的侧视图。所述第二种准直激光背光源由n×n个背光单元组成，每个背光单元42包括准直透镜422、激光二极管423以及反射式全息板421。该激光二极管423设置在准直透镜422的焦点上，利用激光二极管光源423经过准直透镜422后形成的准直的平行光作为读取光，照射全息反射板421，出准直的平行背光。

请参阅图9，图9为第三种准直激光背光源的侧视图，也是采用侧入射式系统。第三种背光源和第二种背光源大部分技术特征相同，与前述第二种背光源不同处在于：本第三种背光源是采用衍射效率依次增大的反射式全息板421-1，其实现方式是：在制作反射式全息板的过程中，通过控制记录过程中的平行光光强的不同，来使各个全息板的衍射效率依次增加。这样每行背光单元N1-Nn只有在该行一侧具有一激光二级管423和一透镜422，发出准直的光，照射在反射式全息板421-1上时，只有小部分的光衍射成为背光源，其余的大部分光通过入射到下一个背光单元，离该行对应准直透镜最远的最后一个背光单元的发射式全息板衍射效率最大。其中该反射式全息板可用支撑物424搁置。

本发明提出了一种基于偶氮液晶材料的视差三维立体显示器，利用偶氮液晶的偏振全息光栅分光特性，分别使具有一定视差的两幅图像到左右眼，产生立体感觉。同时，也利用全息分光板来实现多用户显示屏。克服了现有技术中立体显示全息分光器件中图像串扰、对比度低，以及三维显示分光屏制作工艺复杂的问题。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种基于全息光栅的三维立体显示器，其特征在于，其包括：全息分光光栅器件、LCD液晶显示屏、λ/4相位延迟光学膜、背光源；按照全息分光光栅器件、LCD液晶显示屏、λ/4相位延迟光学膜、背光源的顺序依次叠放；所述背光源为准直激光背光源；其中：

所述准直激光背光源为侧入射式准直激光背光源，其由n×n个背光单元组成，每行背光单元的一侧设置有一激光二极管和一准直透镜，该激光二极管设置于相对应的准直透镜的焦点上；每个背光单元设置有一反射式全息板，每行中该反射式全息板衍射效率依次增大，且每行中离该行准直透镜最远的背光单元的反射式全息板的衍射效率最大；

其中，每行中的所有该反射式全息板都对应于该行一侧上的该激光二极管和该准直透镜，该激光二极管发出的光经过该准直透镜后，所形成的准直的光照射该反射式全息板，只有小部分的光衍射成为背光源，其余大部分的光通过该反射式全息板入射到下一个背光单元的反射式全息板上。

2.如权利要求1所述的基于全息光栅的三维立体显示器，其特征在于，所述全息分光光栅为偶氮液晶偏振全息光栅。

3.如权利要求2所述的基于全息光栅的三维立体显示器，其特征在于，所述全息分光光栅为由两束正交的圆偏振光一次干涉记录过程形成的相位调制型光栅，其对右旋光和左旋光读取光分别只有一级衍射图像。

4.如权利要求1所述的基于全息光栅的三维立体显示器，其特征在于，所述λ/4相位延迟光学膜由两个晶轴方向互相垂直的λ/4光学膜周期排列组成。

5.如权利要求4所述的基于全息光栅的三维立体显示器，其特征在于，所述λ/4相位延迟光学膜由晶轴方向成90度角的液晶聚合物成列组成；所述λ/4相位延迟光学膜上重复列的周期宽度为一个LCD面板像素单元的宽度。

6.如权利要求1所述的基于全息光栅的三维立体显示器，其特征在于，制作所述反射式全息板的全息干板为透明聚合物全息干板，该全息干板的分辨率达到5000线每毫米以上。