CN103116228A

CN103116228A - 使用透射型液晶显示面板的空间光调制面板及使用该空间光调制面板的3d显示装置

Info

Publication number: CN103116228A
Application number: CN2012104652749A
Authority: CN
Inventors: 尹珉郕; 金善宇; 辛旻泳
Original assignee: LG Display Co Ltd
Current assignee: LG Display Co Ltd
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: KR20130053978A; US20130120817A1; KR101507202B1; CN103116228B; US9720375B2

Abstract

本发明涉及一种使用透射型液晶显示面板的空间光调制面板及使用其的三维显示装置。本发明提供了一种空间光调制器，包括：以矩阵方式排列的多个像素；以及液晶层，所述液晶层配置成分别调制穿过每个像素的入射光的相位。根据本发明的空间光调制器及使用其的3D显示装置提供了具有简单结构和低制造成本的薄板型显示系统。

Description

使用透射型液晶显示面板的空间光调制面板及使用该空间光调制面板的3D显示装置

本申请要求2011年11月16日提交的韩国专利申请No.10-2011-0119727的优先权，为了所有目的在此援引该专利申请的全部内容作为参考，如同在这里完全阐述一样。

技术领域

本发明涉及一种使用透射型液晶显示面板的空间光调制面板及使用其的三维（或3D）显示装置。本发明尤其涉及一种应用于全息型3D显示的、使用透射型液晶显示面板的空间光调制面板及使用其的3D显示装置。

背景技术

近来，正积极开发很多用于形成和再现3D（三维）图像/视频的技术和研究。涉及3D图像/视频的媒体是一种实现虚拟现实的新概念媒体，它可以更好地优化视觉信息，并将引领下一代显示装置。常规的2D图像系统仅提出投射到平面视图的图像和视频数据，但3D图像系统可给观看者提供完全真实的图像数据。因此，3D图像/视频技术是True North图像/视频技术。

一般具有三种方法再现3D图像/视频：立体法、自动立体法、体积法、全息法以及整体成像法。其中，全息法使用激光束，从而可用裸眼观看3D图像/视频。因为全息法具有出色的视觉立体特性，使观看者不会有任何疲劳感，所以全息法是最理想的方法。

为了记录图像中每个点处的光波相位，全息使用与来自景象或物体的光（物体光束）组合的参考光束。如果这两个光束是相干的，则由于光波的重叠，参考光束与物体光束之间的光波干涉产生可记录在标准胶片上的一系列强度条纹。这些条纹在胶片上形成一种衍射光栅，这称为全息图。全息的核心目标是，当之后由替代的参考光束照射记录的光栅时，重建（或再现）出原始物体光束，产生3D图像/视频。

存在一种新的技术，计算机生成全息法（或称为CGH），它是数字化地产生全息干涉图案的方法。例如通过数字化地计算全息干涉图案并将其打印到随后被适当的相干光源照射的掩模或胶片上，可产生全息图像。通过全息3D显示装置使全息图像再现，不需要每次都必须制造全息干涉图案的“硬拷贝”。

计算机生成全息法优点在于人们希望显示的物体根本不必拥有任何物理实体。如果光学地产生现有物体的全息数据，但经过数字化地记录和处理，并随后进行显示，这也称为CGH。例如，通过计算机系统产生全息干涉图案并将全息干涉图案发送到诸如LCSML（液晶空间光调制器）这样的空间光调制器，然后通过向空间光调制器照射参考光束来重建/再现与该全息干涉图案对应的3D图像/视频。图1是图解根据现有技术的使用计算机生成全息法的数字全息图像/视频显示装置的结构图。

参照图1，计算机10产生要被显示的图像/视频数据的全息干涉图案。产生的全息干涉图案被发送到SLM 20。作为透射型液晶显示装置的SLM 20可呈现出所述全息干涉图案。在SLM 20的一侧，设置用于产生参考光束的激光源30。为了将来自激光源30的参考光束90照射到SLM 20的整个表面上，依次设置扩束器40和透镜系统50。从激光源30输出的参考光束90穿过扩束器40和透镜系统50，照射到SLM 20的一侧。由于SLM 20是透射型液晶显示装置，所以将在SLM 20的另一侧重建/再现与全息干涉图案对应的3D图像/视频。

根据图1的全息型3D显示系统包括用于产生参考光束90的光源30，扩束器40以及透镜系统50，这些部件具有相对大的体积。如果配置这种3D显示系统，它会有较大的体积和巨大的重量。也就是说，全息型3D显示系统的常规技术不足以应用于近来需求的薄、轻以及便携的显示系统。因此，需要开发一种可用裸眼实现真实3D图像的薄板型全息3D显示系统。

在现有技术，有一种使用薄板的全息型3D显示装置。例如，根据USPN5,416,618，公开了使用两个液晶显示面板的全息型3D显示装置。在US5,416,618中，使用一个SLM调制光的相位，使用另一个SLM调制光的振幅。由于组合两个SLM，所以该系统比使用一个SLM的系统更加厚且昂贵。此外，很难对准这两个SLM，且驱动这两个组合的SLM的方法非常复杂。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的目的是提供一种应用于薄板型全息3D显示装置的、使用液晶面板的空间光调制器（或称为SLM）及使用其的3D显示装置。本发明的另一个目的是提供一种使用下述液晶面板的用于薄板型全息3D显示装置的空间光调制器，所述液晶面板通过在每个像素处以不同方式调制一束背光的相位并通过将调制后的光合成，来控制光的相位和振幅。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间光调制面板，包括：以矩阵方式排列的多个像素；以及液晶层，所述液晶层配置成分别调制穿过每个像素的入射光的相位。

所述的空间光调制面板进一步包括：限定以矩阵方式排列的所述像素并彼此结合的上基板和下基板，在所述上基板和下基板之间具有所述液晶层；设置在每个像素处并形成在所述上基板的内侧的上电极；以及设置在每个像素处并形成在所述下基板的内侧的下电极。

所述液晶层包括具有厚度的ECB模式液晶材料，所述ECB模式液晶材料用于根据所述液晶层的双折射，从0到2π改变穿过每个像素的入射光的相位。

所述入射光是平行于所述液晶层的初始取向方向并在准直条件下传播到像素的线偏振光。

此外，本发明提供了一种全息3D显示装置，包括：向一个方向提供线偏振背光的背光单元；以及设置在所述一个方向处的空间光调制面板，所述空间光调制面板包括以矩阵方式排列的用于对所述背光分别进行相位调制的多个像素，且所述空间光调制面板配置成将穿过两个相邻像素之后被相位调制的光合成。

所述空间光调制器进一步包括：限定以矩阵方式排列的所述像素并彼此结合的上基板和下基板；设置在在所述上基板和下基板之间的液晶层；设置在每个像素处并形成在所述上基板的内侧的上电极；和设置在每个像素处并形成在所述下基板的内侧的下电极。

在两个相邻像素处分别对背光进行相位调制之后，通过合成这两个调制后的光，根据本发明的空间光调制器及使用其的3D显示装置在SLM与观看者之间的空间中形成全息3D图像。因此，仅使用一个透射型液晶面板，就可再现、呈现或重建全息3D图像/视频。此外，仅通过相位调制，可同时调制光的振幅和相位，从而可再现全息3D图像。因此，全息3D图像/视频的控制方法和系统配置非常简单。根据本发明的空间光调制器及使用其的3D显示装置提供了具有简单结构和低制造成本的薄板型显示系统。

附图说明

给本发明提供进一步理解并组成说明书一部分的附图图解了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是图示根据现有技术的使用计算机生成全息法的数字全息图像/视频显示装置的结构图；

图2是图示根据本发明的使用透射型液晶显示面板的数字全息3D显示系统的结构的示意图；

图3是图示根据本发明的空间光调制器的结构的截面图；

图4A到4C是图示根据本发明的空间光调制器的一个像素的截面图，以用于显示根据施加给液晶层的电压差而导致的液晶分子的变化以及穿过液晶分子的光的相位（φ）的变化；

图5是图示根据本发明第二个实施方式的具有透射型液晶面板的数字全息3D图像/视频显示装置的结构的截面图。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明的优选实施方式。在整个说明书中使用相同的参考标记表示相同的元件。然而，本发明并不限于这些实施方式，而是在不改变技术精神的情况下，可应用各种变化或修改。在下面的实施方式中，考虑到解释方便选择了元件的名称，从而它们可能不同于实际的名称。

参照图2，将解释根据本发明的使用透射型液晶显示面板作为空间光调制器的薄板型全息3D显示装置。图2是图示根据本发明的使用透射型液晶显示面板的数字全息图像/视频显示装置的结构的示意图。

根据本发明的全息3D显示装置包括由透射型液晶显示面板形成的SLM200。SLM 200包括由透明玻璃基板形成且彼此相对的上基板SU和下基板SD，以及夹在上基板SU与下基板SD之间的液晶层LC。SLM 200通过从计算机或视频处理器（图中未示出）接收与干涉条纹图案有关的数据，呈现干涉条纹图案。上基板SU和下基板SD可分别具有用于构成液晶显示面板的薄膜晶体管和滤色器。

在SLM 200的后侧，可设置包括光源300和光纤OF的背光单元BLU。光源300可为一组包括红色激光二极管R、绿色激光二极管G和蓝色激光二极管B的激光二极管，或者为一组包括红色LED、绿色LED和蓝色LED的准直LED。此外，光源300可包括除红色、绿色和蓝色光源之外的其他彩色光源。其他方式，光源300可具有一个光源，如白色激光二极管或白色准直LED。可存在许多种类的光源300。在这些实施方式中，为了便于描述，光源300解释为包括红色、绿色和蓝色激光二极管。

为了将来自光源300的参考光引导至SLM 200并为了将参考光分布在SLM 200的后表面的整个区域上，优选使用光纤OF。例如，红色、绿色和蓝色激光二极管R，G和B设置在背光单元BLU的一侧。使用光纤OF，可引导从激光二极管R，G和B照射的激光束，以使激光束到达SLM 200的后表面。光纤OF可设置为覆盖SLM 200的整个表面。尤其是，通过去除覆盖光纤OF的芯的包层的一些部分，以形成多个光点OUT，激光束可照射到液晶显示面板，即SLM 200的整个表面上。此外，为了将由光纤OF扩展并照射的参考光均匀照射到SLM 200的整个表面上并成为准直光，可在SLM 200与光纤OF之间设置多个光学片500。

在该实施方式中，背光单元BLU是使用光纤OF的一个典型示意结构。在组成SLM 200的彩色像素设置为一种颜色沿一列排列的情形中，与一种颜色对应的一个光纤OF可设置为与同一颜色的列相匹配。对于另外一个例子，背光单元BLU可包括设置在每个彩色像素处的表面发光LED。由于本发明的主旨不在于背光单元BLU，所以将不再详细描述背光单元BLU。

在SLM 200前方，在观看者与SLM 200之间的空间中的适当位置处，进一步包括用于聚焦3D图像的平面透镜FL。平面透镜FL的焦点可以以不同方式设置。例如，焦点可设在SLM 200与观看者之间的最佳位置上。对于另外一个例子，焦点可直接设在观看者的眼睛上。在该情形中，左眼图像和右眼图像分别传输到左眼和右眼。因为本发明的主要特征并不在于平面透镜FL，所以将不再详细描述平面透镜。

此外，在平面透镜FL前方包括眼睛追踪器ET。当观看者的位置变化时，眼睛追踪器ET可检测变化后的观看者的位置，针对移动的观看者计算最佳的视角，然后根据观看者新的最佳视角偏转3D图像的焦点。例如，眼睛追踪器ET可以是用于根据观看者的位置在水平方向上移动3D图像的焦点的偏转器。尽管图中未示出，但眼睛追踪器ET进一步包括用于检测观看者位置的位置检测器。因为本发明的主要特征并不在于眼睛追踪器ET上，所以将不再详细描述眼睛追踪器ET。

以下，将详细解释本发明的一个关键元件，空间光调制器200。图3是图示根据本发明的空间光调制器的结构的截面图。

根据本发明的空间光调制器200包括以矩阵方式布置的多个像素PXL。根据本发明的空间光调制器200进一步包括彼此结合在一起的上基板US和下基板LS以及设置在它们之间的液晶层EC。在上基板US的内侧，以矩阵阵列方式设置有配置在每个像素PXL处的多个上电极UE。在下基板LS的内侧，以矩阵阵列方式设置有多个下电极LE。

液晶层EC可优选包括ECB（电控双折射）模式液晶材料。尤其是，更优选地，包含ECB模式LC材料的液晶层EC被控制为使穿过这个液晶层EC的光的相位从0到2π被调制。通过将液晶材料的双折射Δn乘以液晶层的厚度（或盒间隙）d确定相位调制，即Δφ=Δnⅹd。

在一些情形中，可进一步包括覆盖上电极UE的上绝缘层UIN。在该情形中，上绝缘层UIN用作确定液晶层EC的初始取向方向的取向层。此外，可包括覆盖下电极LE的下绝缘层LIN。在该情形中，下绝缘层LIN也可用作确定液晶层EC的初始取向方向的取向层。

在上电极UE与下电极LE之间形成电压差，如果在上电极UE与下电极LE之间形成电场，则液晶层EC的液晶分子的取向方向发生变化。图4A到4C是图示根据本发明的空间光调制器的一个像素的截面图，以用于显示根据施加给液晶层的电压差而导致的液晶分子的变化以及穿过液晶分子的光的相位（φ）的变化。

ECB模式液晶材料可根据由施加的电压差控制的液晶分子的倾角，显示出双折射。双折射（即光学各向异性或折射率各向异性）Δn可由下面的方程1表示。

[方程1]

Δn = n_{eff} - n_{o} = \frac{n_{e} n_{o}}{\sqrt{n_{0}^{2} \sin^{2} θ + n_{e}^{2} \cos^{2} θ}} - n_{o}

其中，“θ”是液晶分子相对于水平方向的预倾角，“n_o”是液晶分子在短轴方向上的折射率，“n_e”是液晶分子在长轴方向上的折射率，“n_eff”是液晶分子在倾斜角方向上的折射率。

图4A图示了其中在上电极UE与下电极LE之间没有电场的情形。当给液晶层EC不施加任何电场（V＝0）时，液晶分子根据初始取向方向保持位置。在初始取向方向时，θ＝0，从而来自下基板LS的入射光沿液晶分子的短轴传播。就是说，“n_eff”等于“n_o”。就是说，双折射Δn＝n_o－n_o＝0。因此，穿过液晶层EC的光的相位没有变化（Δn＝0）。

图4B图示了施加在最小电压（V＝0）与最大电压（Vmax）之间选择的任意一个电压的情形。当给液晶层EC施加特定电压Va，即最小电压（V＝0）与最大电压（Vmax）之间的任一个值（V＝Va）时，液晶分子倾斜某一角度θa（θ＝θa）。因此，Δn变为不具有零值。根据Δn与液晶层EC的厚度d的乘积，穿过液晶分子的光的相位可发生变化（Δφ=φa≠0）。

图4C图示了在上电极UE与下电极LE之间施加最大电压差（Vmax）的情形。当给液晶层EC施加最大电场时，所有液晶分子都沿电场的方向排列。就是说，液晶分子垂直排列，θ=90°。此时，Δn具有液晶材料的折射率的最大差值，Δn＝n_e－n_o。在本发明中，基于液晶层EC的相位差（相位延迟）设为具有最大值。就是说，随着根据最大双折射Δn（n_e－n_o），相位延迟Δφ＝Δn×d具有最大值2π，从而确定了液晶层EC的盒间隙d。因此，穿过液晶层EC的光的相位差为2π（Δφ=2π）。

以下，将详细解释使用下述透射型液晶面板产生与全息图像对应的衍射光的空间光调制器，所述透射型液晶面板具有被设计为具有从0到2π的相位差（或延迟）的液晶层。图5是显示根据本发明第二个实施方式的具有透射型液晶面板的数字全息3D图像/视频显示装置的结构的截面图。图5包括显示相邻两个像素的部分放大图，并且图5显示了根据本发明的空间光调制器的结构和工作原理。

根据本发明的空间光调制器，如液晶显示面板，包括以矩阵方式排列的多个像素。以相邻的两个像素为基本单元，分别以不同的方式调制穿过第一像素的背光的相位和穿过与第一像素相邻的第二像素的背光的相位。将经不同调制后的这两束相邻的光合成，以实现合成的振幅调制。

参照图5，根据本发明的全息3D显示系统包括平板型背光单元BLU和根据本发明的空间光调制器200。随着来自背光单元BLU的背光BL穿过空间光调制器200，来自多个像素的背光BL的相位彼此不同地变化，然后将来自两个相邻像素的光合成，以呈现全息图像。

其中，优选背光BL为线偏振并作为准直光传播到空间光调制器200。为此，通过将穿过空间光调制器200之后相位被调制的两个光合成，可更正确地再现全息图像。此外，液晶层EC的分子的初始取向方向优选平行于背光BL的线偏振方向。这样，可均匀地保持穿过液晶层EC的背光BL的透射率。

详细地说，从背光单元BLU发射的作为线偏振光的背光BL具有振幅A和相位φ0。该背光分别穿过空间光调制器200中包含的两个相邻的像素。此时，随着给左像素L施加第一电压差V1，穿过左像素L的液晶层EC的光被调制为具有相位φ1。同时，另一方面，随着给右像素R施加第二电压差V2，穿过右像素R的液晶层EC的光被调制为具有相位φ2。因为空间光调制器200是仅调制相位的液晶面板，所以不会调制背光的振幅，仅仅是穿过像素。结果，穿过左像素L的背光BL可为具有振幅A和相位φ1的第一调制光ML1。此外，穿过右像素R的背光BL可为具有振幅A和相位φ2的第二调制光ML2。由于第一调制光ML1和第二调制光ML2从空间光调制器200非常相近地发射出来，所以这两个光彼此干涉，从而产生合成光CL。

这里，合成光CL的波动方程满足下面的方程2

[方程2]

A e^{i φ_{1}} + A e^{i φ_{2}} = 2 A \cos \frac{(φ_{1} - φ_{2})}{2} e^{i \frac{(φ_{1} + φ_{2})}{2}}

其中，A表示背光的振幅，φ1表示第一调制光的相位，φ2表示第二调制光的相位。

根据方程2，合成光CL具有的振幅和的相位。就是说，仅通过调制入射光的相位并将这些仅相位被调制的光合成，可得到具有被调制的振幅和被调制的相位的合成光。换句话说，通过将其中仅相位被相邻两个像素调制的两个光合成，可同时控制光的振幅和相位，并可再现全息3D图像/视频。

为了有效进行其中相位被相邻两个像素调制的两个相邻光的合成，可在空间光调制器200前方进一步设置光合成面板BC。尽管图中未示出，但使用具有焦点的平面透镜，以将从空间光调制器200的相邻两个像素照射出来的两个相位被调制的光合成，合成光CL可在空间光调制器与观看者之间的空间中的任何点处产生。

尽管参照附图描述了本发明的实施方式，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的技术精神或实质特征的情况下，可以以其他特定形式实施本发明。因此，应当注意，前述实施方式在所有方面都仅仅是举例说明，并不解释为限制本发明。本发明的范围由所附权利要求确定，而不是由本发明的详细描述确定。权利要求的含义和范围内的所有变化或修改及其等价范围都落入本发明的范围内。

Claims

1.一种空间光调制面板，包括：

以矩阵方式排列的多个像素；以及

液晶层，所述液晶层配置成分别调制穿过每个像素的入射光的相位。

2.根据权利要求1所述的空间光调制面板，进一步包括：

上基板和下基板，限定以矩阵方式排列的所述像素，并彼此结合，在所述上基板和下基板之间具有所述液晶层；

设置在每个像素处并形成在所述上基板的内侧的上电极；以及

设置在每个像素处并形成在所述下基板的内侧的下电极。

3.根据权利要求1所述的空间光调制面板，其中所述液晶层包括具有厚度的ECB模式液晶材料，所述ECB模式液晶材料用于根据所述液晶层的双折射，从0到2π改变穿过每个像素的入射光的相位。

4.根据权利要求1所述的空间光调制面板，其中所述入射光是平行于所述液晶层的初始取向方向并在准直条件下传播到像素的线偏振光。

5.一种全息3D显示装置，包括：

向一个方向提供线偏振背光的背光单元；和

设置在所述一个方向处的空间光调制面板，所述空间光调制面板包括以矩阵方式排列的用于对所述背光分别进行相位调制的多个像素，且所述空间光调制面板配置成将穿过两个相邻像素之后被相位调制的光合成。

6.根据权利要求5所述的全息3D显示装置，其中所述空间光调制器进一步包括：

上基板和下基板，限定以矩阵方式排列的所述像素，并彼此结合；

设置在在所述上基板和下基板之间的液晶层；

设置在每个像素处并形成在所述下基板的内侧的下电极。

7.根据权利要求6所述的全息3D显示装置，其中所述液晶层包括具有厚度的ECB模式液晶材料，所述ECB模式液晶材料用于根据所述液晶层的双折射，从0到2π改变穿过每个像素的入射光的相位。

8.根据权利要求5所述的全息3D显示装置，其中所述入射光是平行于所述液晶层的初始取向方向并在准直条件下传播到像素的线偏振光。