CN106873169A - 三维显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种三维显示器，包括：图像源背光投射模块，用以将图像源投射输出；液晶板，接收来自所述图像源背光投射模块的光，具有多个平行排列的液晶膜片；透镜组，接收所述液晶板输出的成像光束，成像后输出；反射镜，为部分反射镜或全反射镜，将所述透镜组所成的像投影到人眼。本发明能够实现大景深、高分辨率的三维显示。

Description

三维显示器

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别涉及的是三维显示器。

背景技术

传统的自由立体三维显示主要是利用一些具有双目视差的二维图像，在特定的位置观看到三维图像。此种三维显示由于不能解决眼球聚焦深度和眼球辐辏之间的矛盾，容易使观看者感到视觉疲劳。被人们所看好的全息三维显示，虽能解决上述矛盾并能显示正确的深度，但对制造工艺、光源的相干性、计算量以及调制器像素尺寸要求极高，所以目前较难应用于实际中。头戴式三维显示，结合传统的三维显示方式的同时，能够把传统三维显示方法显示信息直接呈现在眼前，极大的减小了信息的冗余度，同时头戴式三维显示的体积和重量小，具有便携、可穿戴等特点，具有增强现实或虚拟现实的显示效果。

Sheng Liu、Hong Hua等人利用可变焦液体透镜实现了头戴式显示(文章：Liu S,Hua H,Cheng D.A novel prototype for an optical see-throughhead-mounted display with addressable focus cues[J].Visualization and ComputerGraphics,IEEE Transactions on,2010,16(3):381-393)，通过对液体透镜施加不同的电压来改变液体透镜的焦距，来实现不同深度的显示，这种显示方法由于液体透镜的响应速度不够快，只能实现两层深度的显示，使得三维效果不够好。Hong Hua利用集成成像的方法结合透镜实现了三维头戴式显示(文章：Hua H,Javidi B.A 3D integral imaging optical see-through head-mounted display[J].Optics express,2014,22(11):13484-13491)，由于微显示器的分辨率有限，使得利用集成成像方法显示出的三维物体分辨率很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维显示器，能够实现大景深、高分辨率的三维显示。

为解决上述问题，本发明提出一种三维显示器，包括：

图像源背光投射模块，用以将图像源投射输出；

液晶板，接收来自所述图像源背光投射模块的光，具有多个平行排列的液晶膜片；

透镜组，接收所述液晶板输出的成像光束，成像后输出；

反射镜，为部分反射镜或全反射镜，将所述透镜组所成的像投影到人眼。

根据本发明的一个实施例，所述液晶膜片由电压控制而在散射态和透过态之间切换，每液晶膜片在处于散射态时该液晶膜片输出成像光束。

根据本发明的一个实施例，通过不断切换各液晶膜片的状态，每次选中一液晶膜片为散射态而其余为透过态，从而所述液晶板得以输出不断切换成像平面的成像光束，液晶膜片的状态切换速率和所述图像源的图像切换速率同步。

根据本发明的一个实施例，所述液晶膜片为能够在散射态、透过态之间切换的液晶膜。

根据本发明的一个实施例，所述液晶膜片为聚合物稳定液晶、聚合物分散液晶、胆甾相液晶、或聚合物稳定胆甾相液晶。

根据本发明的一个实施例，聚合物稳定液晶，其组份按重量比包括：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯单体为5-15wt％、5CB液晶为84.5-94.5wt％、光引发剂为0.1-0.5wt％。

根据本发明的一个实施例，所述液晶膜片两侧具有透明基板，所述液晶膜片的组份混合后在黑暗条件下置入透明基板之间，之后在均匀紫外光下曝光固化，以形成所述液晶膜片。

根据本发明的一个实施例，所述透明基板之间通过隔离结构相隔开，所述液晶膜片的膜厚为0.5微米到1毫米。

根据本发明的一个实施例，所述液晶板包括至少2层液晶膜片。

根据本发明的一个实施例，时序上轮流选中一液晶膜片为散射态、同时其余为透过态，以使图像源的相应帧图像投影至处于散射态的液晶膜片上。

根据本发明的一个实施例，还包括电压控制装置，其包括数目对应于所述液晶膜片数目的电压驱动模块，每电压驱动模块控制相应所述液晶膜片上电而进入透过态、断电而进入散射态。

根据本发明的一个实施例，还包括一头戴连接结构，所述反射镜接收所述透镜透过的光并形成人眼可观察的虚像。

根据本发明的一个实施例，所述反射镜为平面反射镜或曲面反射镜。

根据本发明的一个实施例，所述图像源背光投射模块的光为近似平行光束。

根据本发明的一个实施例，所述透镜组包括至少一个透镜。

根据本发明的一个实施例，每个所述透镜为透射式或反射式透镜。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：液晶板为多层式，且各层液晶膜片根据电压控制在散射态和透过态之间切换，液晶膜片在散射态时能够在作为三维切片发出光，在透过态时则将光束直接透过而作为三维切片发出光，从而不同液晶膜片相当于不同的三维发光切片，也就是投影到不同的成像平面上，当成像平面高速切换时，在空间上可形成三维图像。控制液晶膜片状态切换速率与图像源的图像切换速率同步，则当图像源高速刷新时，成像平面在液晶膜片间切换，由于人眼的视觉暂留效应就会在眼前呈现一个具有深度的三维图像。由于用透镜组将该液晶板形成的三维图像进行放大，并且利用人眼对近的物体观察分辨率高，远的物体观察分辨率低的特点，可以实现大三维景深、高分辨率的三维显示。

附图说明

图1为本发明实施例的三维显示器的结构示意图；

图2为本发明实施例的液晶膜片的结构示意图；

图3为本发明实施例的液晶膜片的工作状态切换示意图；

图4为本发明实施例的液晶板的状态切换示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1示出本发明一实施例的三维显示器，包括：投影仪1，第一透镜2，液晶板3，第二透镜4和部分反射镜5，部分反射镜5能够对接收的光进行部分反射、部分透射，其中部分反射镜5可以替换为全反射镜。

投影仪1与第一透镜2组成图像源背光投射模块，当然图像源背光投射模块也可以由其他部件组成。第一透镜2接收来自投影仪1的图像源，并将图像源转换为近似平行光束输出。投影仪1可以选为高速投影仪，图像源的图像可高速切换。

第二透镜4是透镜组的一个实例，透镜组也可以包含2个以上的透镜，这些透镜中，任一透镜可以是透射式的，也可以是反射式的。

液晶板3接收第一透镜2透过的平行光束，平行光束照射到不同成像位置的液晶板3上，形成大小近似相同的像(近似平行光成像)。液晶板3具有多个平行排列的液晶膜片，各液晶膜片可由电压控制而处于散射态或透过态，当一液晶膜片为散射态时，该液晶膜片可以用于平行光束成像，同时其余液晶膜片为透过态，仅将近似平行光束做透过处理，不在这些液晶膜片上成像，换言之，每液晶膜片在处于散射态时该液晶膜片输出成像光束。当液晶膜片切换为散射态时，光束成像在不同平面上，经过第二透镜4和部分反射镜5的光线传输后，人眼6可观察到虚像，虚像可以是适当放大后的虚像，人眼5位于部分反射镜5的反射线位置上，当图像源高速刷新时，液晶膜片同步切换，图像源每刷新一帧，电压控制切换另一液晶膜片为散射态，由于人眼的视觉暂留效应，就会在眼前呈现一个具有深度的三维图像。

液晶膜片为能够在散射态、透过态之间切换的液晶膜。可选的，液晶膜片为聚合物稳定液晶、聚合物分散液晶、胆甾相液晶、或聚合物稳定胆甾相液晶等。可以理解，液晶膜片在未施加电压时呈散射态，在液晶膜片上可以成像；而在施加电压时呈透过态，液晶膜片可以透过光，而不能成像；这是所选用的液晶膜所具有的特性。

在一个实施例中，第一透镜2、液晶板3、第二透镜4和部分反射镜5依次层叠设置。第二透镜4接收液晶板3输出的成像光束，成放大虚像输出，传输到部分反射镜5上。部分反射镜5接收第二透镜4透过的光，将该第二透镜4透过的光部分反射，将光束投影到人眼6，所以人眼6能够见到第二透镜所成的虚像。

在另一个实施例中，第一透镜2、液晶板3、第二透镜4和全反射镜依次层叠设置。第二透镜4接收液晶板3输出的成像光束，成放大虚像输出，传输到全反射镜上。全反射镜接收第二透镜4透过的光，将该第二透镜4透过的光部分反射，将光束投影到人眼6，所以人眼6能够见到第二透镜所成的虚像。反射镜可以是全部反射或者部分反射部分透射，全部反射可以应用于虚拟现实场景；部分反射部分透射可以将虚像与真实世界融合，应用于增强现实场景。

反射镜可以是平面反射镜，没有聚焦效果，也可以是曲面反射镜，具有聚焦效果。

较佳的，将三维显示器设置为头戴式，在一个实施例中，三维显示器还包括一头戴连接结构(图中未示出)，当为部分反射时，部分反射镜5接收第二透镜4透过的光并形成人眼可观察的虚像，或者，当为全反射时，全反射镜接收第二透镜4透过的光形成人眼可观察的实像。通过头戴式设计，三维虚像或实像放大成像在人眼6上，避免了传统的体三维显示所带来的体积较大和重量较重的问题，实现可穿戴式真三维显示。当然若三维显示器不设计为头戴式，也可以设置为直接三维成像在人眼6中，因而头戴式设置不作为限制。

三维显示器工作时，通过不断切换各液晶膜片的状态，每次选中一液晶膜片为散射态而其余为透过态，较佳的是每次选中不同的液晶膜片，当各液晶膜片均被选中过后再重复切换步骤，近似平行光束仅成像在呈散射态的液晶膜片上，其余液晶膜片透过处理，从而液晶板3得以输出不断切换成像平面的成像光束。液晶膜片的状态切换速率和图像源的图像切换速率同步，切换图像的同时切换液晶膜片的状态，每一切换只有一层液晶膜片处于散射态，其他全部处于透过态。选择高速投影仪1可以实现快速图像的刷新频率，成像时景深更大、分辨率更高。

较佳的，从图像源背光投射模块发出的光在液晶板上可以时序上轮流成像在多片液晶膜中其中一片，不同时刻，成像在不同液晶膜上，使每一个散射态的液晶膜上有清晰的图像。按液晶膜片排列顺序依次切换液晶膜片的状态，按顺序轮流选中一液晶膜片为散射态、同时其余为透过态，以使图像源的相应帧图像投影至处于散射态的液晶膜片上。也就是说，可以依次从第一个液晶膜片到最后一个，轮流一个个切换为散射态，每次状态更新，散射态传递至下一个液晶膜片，而之前的液晶膜片变回为透过态，保证仅有一个液晶膜片为散射态。但是切换的次序也可以是不按液晶膜片的排布顺序，具体根据图像刷新方式确定。

为了使得三维图像的立体效果更明显，液晶板3包括至少2层液晶膜片，较佳的，包括6层以上液晶膜片，从而平行光束至少在6个成像平面上不断切换成像，经由第二透镜4和部分反射镜5或第二透镜4和全反射镜后成像在人眼上，呈具有一定景深的三维图像。

在一个实施例中，液晶膜片为聚合物稳定液晶，其组份按重量比包括：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯单体为5-15wt％、5CB液晶为84.5-94.5wt％、光引发剂为0.1-0.5wt％。

参看图2，每液晶膜片两侧具有透明基板8，液晶膜片的上述组份经混合后，搅拌均匀，在黑暗条件下将混合物置入透明基板8之间，基板需预先清洗干净，之后在均匀紫外光7下曝光固化，得到厚度大致为20μm的聚合物稳定液晶层，厚度可根据需要调整。透明基板8的基材可以为PET(热塑性聚酯)、玻璃等透明材质。较佳的，在图2中，透明基板8之间通过隔离结构9相隔开，确保透明基板间距离处处相同，隔离结构9的材质不做限制，不导电的材料均可以用来制作隔离结构9。

图3示意了液晶膜片的不同状态，状态a为当未施加电压时，聚合物稳定液晶层为光态，也就是散射态，状态a下，入射到聚合物稳定液晶层上的光线将被散射到各个方向，若投影一幅图像，则将在聚合物稳定液晶层上显示一副图像；状态b为当施加电压时，聚合物稳定液晶层呈现透明态，也就是透过态，状态b下，入射光线将直接透过聚合物稳定液晶层，若投影一幅图像则图像直接透过聚合物稳定液晶层。实际情况可能未施加电压时候，液晶膜处于透过态，而施加电压时，液晶膜处于透过态；或者施加不同电压时，液晶膜分别呈现散射态和透过态。

继续参看图3，在一个实施例中，三维显示器还包括电压控制装置，其包括数目对应于液晶膜片数目的电压驱动模块10，每电压驱动模块10控制相应液晶膜片上电而进入透过态、断电而进入散射态。电压驱动模块10例如可以通过开关连接透明基板8两端，导通开关则上电，断开开关则断电，驱动开关导通的驱动信号的时钟和图像源的图像切换的时钟同步。

在图4中，第一幅图表示某一时刻只有第一层液晶膜片a1处于散射态，微型高速投影仪1通过第一透镜2后，将第一帧图像投影在第一层液晶膜片a1上，其他液晶膜片a2～an处于透过态，此时图像经过第二透镜4和反射镜，人眼将观看到一个处于远方放大的图像；第二幅图表示下一时刻第二层液晶膜片a2处于散射态，微型高速投影仪1通过第一透镜2后，将第二帧图像投影在第二层液晶膜片a2上，其他液晶膜片a1，a3～an处于透过态，此时图像经过第二透镜4和反射镜，人眼将观看到一个处于较远位置放大的图像；以此类推，第三幅图表示某一时刻只有第n-1层液晶膜片an-1处于散射态，微型高速投影仪1通过第一透镜2后，将第n-1帧图像投影在第n-1层液晶膜片an-1上，其他液晶膜片a1～an-2，an处于透过态，此时图像经过第二透镜4和反射镜，人眼将观看到一个处于较近位置放大的图像；第三幅图表示某一时刻只有第n层液晶膜片an处于散射态，微型高速投影仪1通过第一透镜2后，将第一帧图像投影在第n层液晶膜片an上，其他液晶膜片1～an-1处于透过态，此时图像经过第二透镜4和反射镜，人眼将观看到一个近处放大的图像。由于人眼的视觉暂留特性，当图像在1到n层液晶膜片a1～an之间快速切换时，人样将观看到一副三维图像。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种三维显示器，其特征在于，包括：

图像源背光投射模块，用以将图像源投射输出；

液晶板，接收来自所述图像源背光投射模块的光，具有多个平行排列的液晶膜片；

透镜组，接收所述液晶板输出的成像光束，成像后输出；

反射镜，为部分反射镜或全反射镜，将所述透镜组所成的像投影到人眼。

2.如权利要求1所述的三维显示器，其特征在于，所述液晶膜片由电压控制而在散射态和透过态之间切换，每液晶膜片在处于散射态时该液晶膜片输出成像光束。

3.如权利要求1所述的三维显示器，其特征在于，通过不断切换各液晶膜片的状态，每次选中一液晶膜片为散射态而其余为透过态，从而所述液晶板得以输出不断切换成像平面的成像光束，液晶膜片的状态切换速率和所述图像源的图像切换速率同步。

4.如权利要求1所述的三维显示器，其特征在于，所述液晶膜片为能够在散射态、透过态之间切换的液晶膜。

5.如权利要求1或4所述的三维显示器，其特征在于，所述液晶膜片为聚合物稳定液晶、聚合物分散液晶、胆甾相液晶、或聚合物稳定胆甾相液晶。

6.如权利要求5所述的三维显示器，其特征在于，聚合物稳定液晶，其组份按重量比包括：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯单体为5-15wt％、5CB液晶为84.5-94.5wt％、光引发剂为0.1-0.5wt％。

7.如权利要求6所述的三维显示器，其特征在于，所述液晶膜片两侧具有透明基板，所述液晶膜片的组份混合后在黑暗条件下置入透明基板之间，之后在均匀紫外光下曝光固化，以形成所述液晶膜片。

8.如权利要求7所述的三维显示器，其特征在于，所述透明基板之间通过隔离结构相隔开，所述液晶膜片的膜厚为0.5微米到1毫米。

9.如权利要求1所述的三维显示器，其特征在于，所述液晶板包括至少2层液晶膜片。

10.如权利要求1或2的三维显示器，其特征在于，时序上轮流选中一液晶膜片为散射态、同时其余为透过态，以使图像源的相应帧图像投影至处于散射态的液晶膜片上。

11.如权利要求1或2所述的三维显示器，其特征在于，还包括电压控制装置，其包括数目对应于所述液晶膜片数目的电压驱动模块，每电压驱动模块控制相应所述液晶膜片上电而进入透过态、断电而进入散射态。

12.如权利要求1或2所述的三维显示器，其特征在于，还包括一头戴连接结构，所述反射镜接收所述透镜透过的光并形成人眼可观察的虚像。

13.如权利要求1所述的三维显示器，其特征在于，所述反射镜为平面反射镜或曲面反射镜。

14.如权利要求1所述的三维显示器，其特征在于，所述图像源背光投射模块的光为近似平行光束。

15.如权利要求1所述的三维显示器，其特征在于，所述透镜组包括至少一个透镜。

16.如权利要求15所述的三维显示器，其特征在于，每个所述透镜为透射式或反射式透镜。