CN202275241U - 一种新型立体显示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型立体显示器，由下至上依次包括背光模块、灰度控制模块、像素控制模块、模式及动态跟踪控制模块，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；像素控制模块由透明导电膜，彩色滤波器和玻璃基板组成；所述模式及动态跟踪控制模块由透明导电膜，全息聚合物分散液晶盒与玻璃基板组成，可在2D与3D工作模式间转换并可以根据使用者所在方位进行动态跟踪调整，工艺简单，成本低廉。其三维裸眼立体显示系统可以根据观看者所在位置动态调整等效柱面透镜各项参数，以保证观看效果最佳。

Description

一种新型立体显示器

技术领域

本实用新型涉及一种显示器，特别涉及一种实现2D-3D可转换且具有动态调整功能的新型立体显示器。 

背景技术

人的双眼在水平方向上的间距大约为65mm,因此在观察同一物体时，将会存在两个稍有不同的视角，由于光学的投影，距离观察者不同的像点落在左右眼视网膜相应的不同位置上，这种双眼视网膜上的水平位差被称为双目视差，通过神经网络的融合在人脑中形成立体视觉。 

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基于视差的自动立体显示、全息显示和体积显示。 

基于双目视差原理成像的裸眼立体显示有双液晶物镜显示、反射显示、菲涅尔透镜、狭缝式视差光栅和柱面透镜等分光方法。而目前主流的方法有两种，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。前者使用一系列简单的垂线来阻挡从被选择的组成像素发出的光线到达用户的眼睛。通过仔细选择屏障形状，可以调节观看窗口的位置和角度。视差屏障的主要缺点是屏障将分别进入左右两眼的光线各阻挡了二分之一，故不可避免地造成显示亮度的损失。而为了弥补这一损失，显示器背光单元则必须将其功率至少提升至原来的两倍，这也带来了功率、散热和成本等一系列的问题。不仅如此，狭缝式视差光栅立体显示器的显示面板中的金属配线的延伸方向会和光栅狭缝的方向重合，会造成叠纹效应，即观看者会观察到屏幕上明暗的纹路，严重影响着观赏效果。而后者，微柱面透镜式立体显示器，则不存在上述问题，这一技术利用柱面透镜将两侧子像素发出的光线分别偏折向不同方向来实现双眼视差。图3所示为微柱面透镜阵列。图4为阵列中的一个透镜单元，其主要的四个参数包括长度D、厚度A、曲率半径B和栅距C。每个柱面透镜单元的光栅板平面为焦平面，因此焦平面上的任意一点都可以经过柱面透镜折射为平行光。其折射光路如图5所示，对于y=0点，经柱面透镜后形成一束与光轴平行的细光束，传输方向角为0°。对于y≠0的任意一点，其传输方向角为 

在这一过程中，光强几乎没有损失，也不存在叠纹效应的困扰，因此这一类型的立体显示器非常适合低功耗，薄厚度的发展趋势。

然而，基于传统技术的微柱面透镜式立体显示器也存在着一些问题。首先是加工难度大：以长宽比16:10的19寸液晶显示器面板为例，其实际横向长度为408.24毫米，横向像素共排1440列，即每列仅0.2835毫米宽。如果采用传统透镜的制作方法，如采用光学玻璃或树脂材料，则在如此窄小的半径上高精度地塑形，其对工艺和设备的要求是非常高的。其次，微透镜必须与每列像素精确匹配对准，微小的误差都会造成相邻像素间的严重串扰，这就对成品率造成了很大的影响。最重要的是透镜材料一旦固化，则其焦距就被固定不能改变和调整，而无法实现调焦功能。这样的立体显示器不能进行视角的动态调整，也没有2D-3D模式转换功能。上述的这些成本和功能性方面的问题都不可避免地弱化了微柱面透镜式立体显示器的优势。 

发明内容

本实用新型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，基于电控可变焦透镜技术，其工作模式可在2D与3D间转换并可以根据使用者所在方位进行动态跟踪调整，兼容现有的液晶面板制造技术，工艺简单，成本低廉。 

本实用新型的技术方案为：一种立体显示器，由下至上依次包括背光模块、灰度控制模块、像素控制模块、模式及动态跟踪控制模块，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；像素控制模块由透明导电膜，彩色滤波器和玻璃基板组成；所述模式及动态跟踪控制模块由透明导电膜，全息聚合物分散液晶盒与玻璃基板组成，在上玻璃基板的内侧，面向下玻璃基板的一侧有沿像素分割线纵向和横向垂直布置的两列线形透明电极，两组电极交叉位置相互绝缘，下玻璃基板内侧，面向上玻璃基板侧为透明导电膜，全息聚合物分散液晶盒位于上下玻璃基板之间；所述像素控制模块中的彩色滤波器为RGB三色单元阵列组成的滤波片，RGB三色单元以形如圆心角30°的扇形为单位依次排列，即一个完整的像素单元三个扇形RGB子像素组成1/4圆形结构，每4像素单元，12个子像素单元交错排列构成一个完整的圆形结构。 

所述背光模块采用侧光式结构的冷阴极灯管，或采用直下式结构的CCFL冷阴极灯管。 

本实用新型的有益效果在于：本实用新型立体显示器，系统工作模式可在二维显示于三维显示间快速切换，实现电控裸眼三维成像效果，并保证系统亮度不受损失；显示器放置状态可在横向，纵向及多方向上快速切换，并保证分辨率和整体色彩均匀度的稳定；其三维裸眼立体显示系统可以根据观看者所在位置动态调整等效柱面透镜各项参数，以保证观看效果最佳。 

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为微柱面透镜阵列示意图；

图4为微柱面透镜阵列中的一个透镜单元示意图；

图5为微柱面透镜焦平面上任意两点经透镜折射的光路图；

图6为本实用新型立体显示器总体结构纵剖图；

图7为本实用新型立体显示器中透镜液晶层极板布线俯视图；

图8为本实用新型立体显示器中模式及动态跟踪模块纵向线形电极开启状态下由上极板向下极板形成柱面透镜状电场分布示意图；

图9为本实用新型立体显示器中模式及动态跟踪模块横向线形电极开启状态下由上极板向下极板形成柱面透镜状电场分布示意图；

图10为本实用新型立体显示器中模式及动态跟踪控制模块结构示意图；

图11为本实用新型立体显示器中模式及动态跟踪控制模块在横向显示状态图；

图12为本实用新型立体显示器中模式及动态跟踪控制模块在纵向显示状态图；

图13为本实用新型立体显示器中模式及动态跟踪控制模块在横向放置状态图；

图14为本实用新型立体显示器中模式及动态跟踪控制模块在纵向放置状态图；

图15为本实用新型由计算机模拟的聚合物分散液晶盒在通电状态下的分布形态图；

图16为本实用新型3D模式下的聚合物分散液晶盒的纵剖图；

图17为本实用新型2D模式下的聚合物分散液晶盒的纵剖图；

图18为本实用新型动态跟踪反馈系统示意图。

具体实施方式

一种立体显示器，其结构如图6所示,包括背光模块1、灰度控制模块、像素控制模块和模式及动态跟踪控制模块。其中灰度控制模块由内侧镀有ITO导电膜7的上、下玻璃基板8和夹在其间液晶2组成。像素控制模块由透明导电膜，彩色滤波器3和玻璃基板组成。模式及动态跟踪控制模块由透明导电膜4，全息聚合物分散液晶盒6与玻璃基板5组成。 

背光源模块可采用侧光式结构的，CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp）冷阴极灯管，有高功率、高亮度、低能耗等优点。适用于中小尺寸显示终端，如手机，PDA、笔记本电脑或平板电脑显示屏。 

背光源模块也采用直下式结构的CCFL冷阴极灯管。灯管内封有氩气、氖气和水银蒸汽混合物，灯管内壁涂有荧光物质，用于高亮度大尺寸的LCD电视机或大屏幕液晶显示屏。 

灰度控制模块由透明导电膜、普通液晶盒与玻璃基板组成。其中，透明导电层由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。 

传统固定式的显示器只具有单一放置状态，因此传统的柱面透镜式立体显示器的微柱面透镜主轴均为纵向延伸。但随着显示终端的便携化发展，逐渐在全触屏手机以及新近出现的平板电脑，如苹果公司的iPhone、iPod touch以及iPad系列中，出现了在改变放置方向后仍保持内容视觉方向的功能。 

为了实现横向与纵向显示状态的切换，模式及动态跟踪控制模块上极板如图7所示，沿像素分割线纵向和横向分别垂直布置了两列线形透明电极，两组电极交叉位置相互绝缘。当横向显示时，如图8所示，电压沿纵向线形透明电极开启，极板间形成纵向延伸的等效柱面透镜阵列。当显示器切换至纵向显示时，如图9所示纵向向电压关闭，横向电压沿横向线形透明电压施加于极板间，形成横向延伸的等效柱面透镜阵列。 

像素控制模块由透明导电膜，彩色滤波器和玻璃基板组成。如图10所示，RGB三色单元以形如圆心角30°的扇形300为单位依次排列，即一个完整的像素单元三个扇形RGB子像素组成1/4圆形结构，每4像素单元，12个子像素单元交错排列构成一个完整的圆形结构。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，在观看方向上的左右相邻像素单元，对称拆分为分别对应左右眼的两个像素，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。如图11所示，右眼像素显示所需的红光谱由编号为1、4的两块子像素提供；同理，该右眼像素所需绿光谱由编号2、5的两块子像素提供，蓝光谱由编号3、6的子像素提供。当显示器处于纵向放置状态下时，电控柱面透镜模块生成横向衍生的柱面透镜阵列，对于观看者，像素同样分别工作为左右眼像素，而对于显示器本身，图12所示，像素在原方向上拆分为上下像素。其中右眼像素显示所需红光谱由编号为7、10的两块子像素提供；所需绿光谱由编号8、11的两块子像素提供；蓝光谱由编号9、12的子像素提供。图13为在显示器横向放置状态下，模式及动态跟踪控制模块生成的纵向延伸的透镜阵列与像素的位置关系。图14为在显示器纵向放置状态下，模式及动态跟踪控制模块生成的横向延伸的透镜阵列与像素的位置关系。由于圆形像素结构的高度对称性，使得显示器无论在横向或纵向工作状态下都可以保证在放置状态切换后左右眼像素有效工作面积和颜色分布的均匀度不变，即分辨率和色彩均匀度的稳定性。 

模式及动态跟踪控制模块由透明导电膜，全息聚合物分散液晶盒与玻璃基板组成。如图10所示，在上方透明极板100面向下方透明极板200一侧的整个表面上均匀地涂覆有ITO导电膜；在下方透明极板面向上方透明极板一侧，且对应于各像素分割线位置平行间隔宽度L刻有线形电极400，显示系统工作在3D模式下时，控制电路对上下两层导电膜施加非对称电压，使液晶层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500所示。图15为由计算机模拟的极板间电场分布图。随着驱动电压的改变，板间电场线分布也随之改变，则聚合物分散液晶折射率分布也会不同。光学性质上等效于柱透镜阵列,其焦距可根据动态跟踪系统的反馈信号，通过控制透明导电膜通电大小、位置以及电压的高低实时调节；当显示系统工作在2D模式下时，如图所示16，控制电路消除电场,液晶恢复统一的寻常折射率,光学性质上等效为玻璃平行平板,对光线无折射作用。全息聚合物分散液晶（HPDLC）材料的柱面透镜的效果，是由全息聚合物分散液晶具有由于液晶微滴的周期分布而产生的折射率的起伏分布所产生，我们利用电场控制聚合物分散液晶的折射率起伏程度来实现等效柱面透镜的电控变焦性质。全息聚合物分散液晶中液晶微滴指向矢随机排列，考虑理想的情况，液晶中不含聚合物，聚合物中不含液晶，即相分离进行完全了，通常富液晶区域聚合物分散液晶全息透镜的折射率表示为： 

（3）

富聚合物区域聚合物分散液晶全息透镜的折射率为，则聚合物分散液晶全息透镜产生折射率的起伏分布的两个极值分别为。当给聚合物分散液晶全息透镜施加电压时，电场方向是垂直于透镜表面，液晶指向矢将平行于电场取向，故液晶指向矢亦垂直于全息透镜表面。则对于以布拉格入射角入射的光，液晶的有效折射率基本等于液晶的寻常折射率

，也就是说聚合物分散液晶全息透镜的富液晶区域的折射率在加了电场的情况下变成了

。若选择的聚合物折射率

和液晶的寻常折射率相等，则消除电压后折射率和散射系数的起伏分布亦被擦除。此时聚合物分散液晶层光学性质上仅相当于一块折射率为

的平板玻璃。如图17所示，通过在上下极板加载一定电压，由上极板100向下极板200形成柱面透镜状电场分布。如此，系统不仅可以通过改变模块的通电状态来进行2D与3D模式间的快速切换，并通过调整电压的大小具备连续调焦的能力，配合动态跟踪反馈信号，可根据观看者距离屏幕的远近自动调整最佳观看距离，保证观看效果最佳。

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720×900 dpi。最佳观看距离设定为750毫米。等效微柱面透镜栅距为0.5645毫米,微柱面透镜厚度为4.9067毫米。 

配备了人眼动态跟踪反馈系统如图18所示。该系统配备一具近红外LED光源和一只CCD摄像头。被通过瞳孔跟踪技术，即使用CCD捕捉近红外光源发射的光在用户眼睛角膜上形成的高亮度反射点的位置，随后，该位置信号反馈给计算机处理，计算机根据特殊算法得出观看者和显示器间的距离。随后再分别计算得出显示面板上的像素显示调整信号和透镜液晶层调焦信号，其中最佳观看距离D与等效柱透镜的折射率n、栅距p和焦距f的关系遵循公式： 

由于柱面透镜的焦平面就处于自身底面，所有f即为等效柱面透镜的厚度。不难看出，当折射率n一定时，栅距p 越小或焦距f越大，则观看距离越远。由此，当观看者距离屏幕的位置发生改变时，系统可以通过人眼动态跟踪反馈系统自动调整显示器各项光学参数和显示信号，以保证观赏效果最佳。

显示面板，所述显示面板各像素单元呈圆形结构，各子像素以圆心角30°的扇形依次按照RGB的顺序排列，即一个完整的像素单元由四组，每组三个RGB子像素，共计十二个子单元交错排列构成。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由四个同色子像素提供；在3D显示模式下，每个像素单元依放置方向，对称拆分为分别对应左右眼的两个像素，此时每个像素包含两组共计六个RGB子像素，每种基本色彩由两个同色子像素提供。 

所述聚透镜液晶层采用新型全息聚合物分散液（HPDLC）材料。其柱面透镜的效果，是由电场控制全息聚合物分散液晶的折射率的起伏分布而实现的。其精确调焦能力，则是通过控制层间电场参数，如电压，及通电范围实现。该液晶层配有两块平行构造的透明导电极板，透明电极之下方极板对应于等效柱面透镜底面，其面向聚合物分散液晶材料一侧，即液晶层内侧，均匀涂覆氧化铟锡（ITO）透明导电膜；上方极板对应于等效柱面透镜曲面顶端，正对横向和纵向等效透镜曲面最高线位置布置间距为单个柱面透镜直径的氧化铟锡（ITO）透明导电线。横向导电线与纵向导电线相互交叉，并相互绝缘。当显示器处于横向放置状态时，液晶层纵向导电线电压开启，使等效柱面透镜水平平行排列。当显示器处于横向放置状态时，原纵向电压关闭，原横向电压开启，保持于观看者水平方向的透镜阵列排列模式。 

动态跟踪反馈系统，所述动态反馈系统，由一具近红外LED光源和一只CCD摄像头以及计算机控制模块、显示面板控制模块和液晶透镜电控模块组成。通过瞳孔跟踪技术，使用CCD捕捉近红外光源发射的光在用户眼睛角膜上形成的高亮度反射点的位置信号，并将该位置信号反馈给计算机处理，计算机根据特殊算法得出观看者和显示器间的距离。随后再分别计算得出显示面板上的像素显示调整信号和透镜液晶层调焦信号。即保证最佳观赏位置始终对准观看者左右两眼。 

立体显示器的核心结构包括显示面板模块和模式及动态跟踪控制模块。 

显示面板模块具有多个二维彩色显示所需的由三基色红色R、绿色G和蓝色B子像素组成的像素单元。如图10所示，RGB三色单元以形如圆心角30°的扇形300为单位依次排列，即一个完整的像素单元三个扇形RGB子像素组成1/4圆形结构，每4像素单元，12个子像素单元交错排列构成一个完整的圆形结构。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，在观看方向上的左右相邻像素单元，对称拆分为分别对应左右眼的两个像素，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。如图11所示，右眼像素显示所需的红光谱由编号为1、4的两块子像素提供；同理，该右眼像素所需绿光谱由编号2、5的两块子像素提供，蓝光谱由编号3、6的子像素提供。当显示器处于纵向放置状态下时，模式及动态跟踪控制模块生成横向衍生的柱面透镜阵列，对于观看者，像素同样分别工作为左右眼像素，而对于显示器本身，图12所示，像素在原方向上拆分为上下像素。其中右眼像素显示所需红光谱由编号为7、10的两块子像素提供；所需绿光谱由编号8、11的两块子像素提供；蓝光谱由编号9、12的子像素提供。图13为在显示器横向放置状态下，模式及动态跟踪控制模块生成的纵向延伸的透镜阵列与像素的位置关系。图14为在显示器纵向放置状态下，模式及动态跟踪控制模块生成的横向延伸的透镜阵列与像素的位置关系。由于圆形像素结构的高度对称性，使得显示器无论在横向或纵向工作状态下都可以保证在放置状态切换后左右眼像素有效工作面积和颜色分布的均匀度不变，即分辨率和色彩均匀度的稳定性。 

显示面板模块由下至上包括背光源模块、玻璃基板、ITO透明导电膜、灰度控制液晶、ITO透明导电膜、玻璃基板、彩色滤光片组成。 

如图16、17所示，模式及动态跟踪控制模块由下至上包括上玻璃基板12、透明导电膜15、全息聚合物分散液晶盒11、线形透明电极14和下玻璃基板13组成。在上玻璃基板面向下玻璃间的一侧有两组延伸方向分别垂直的线形透明电极14，其俯视图可参见图15。同组电极线以等间隔平行布置，两组电极线互相绝缘。 

全息聚合物分散液晶盒11，通过响应于施加在线形透明电极14和透明导电膜15间的电压改变自身折射率分布起伏程度，进而在控制电压方向上形成对可见光的透镜效果。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，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，并把液晶盒放在的514nm 的Ar^＋均匀高斯光场下曝光,曝光功率为10－12mw/cm²，曝光时间为60到120秒，最终经相分离固化后形成具有纳米尺寸液晶微滴镶嵌在固化后聚合物中的结构的透明液晶层。 

镀有均匀ITO导电膜的下玻璃基板构成透明导电膜15。线形透明电极14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。 

Claims (2)

1.一种新型立体显示器，由下至上依次包括背光模块、灰度控制模块、像素控制模块、模式及动态跟踪控制模块，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；像素控制模块由透明导电膜，彩色滤波器和玻璃基板组成；其特征在于，所述模式及动态跟踪控制模块由透明导电膜，全息聚合物分散液晶盒与玻璃基板组成，在上玻璃基板的内侧，面向下玻璃基板的一侧有沿像素分割线纵向和横向垂直布置的两列线形透明电极，两组电极交叉位置相互绝缘，下玻璃基板内侧，面向上玻璃基板侧为透明导电膜，全息聚合物分散液晶盒位于上下玻璃基板之间；所述像素控制模块中的彩色滤波器为RGB三色单元阵列组成的滤波片，RGB三色单元以形如圆心角30°的扇形为单位依次排列，即一个完整的像素单元三个扇形RGB子像素组成1/4圆形结构，每4像素单元，12个子像素单元交错排列构成一个完整的圆形结构。

2.根据权利要求1所述新型立体显示器，其特征在于，所述背光模块采用侧光式结构的冷阴极灯管，或采用直下式结构的CCFL冷阴极灯管。

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