專利名稱：基于液晶透鏡的三維立體顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種液晶三維顯示技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于液晶透鏡的三維立體顯示器。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，作為信息傳播中最為重要的一種手 段，顯示技術(shù)也得到了日新月異的發(fā)展。近年來，人們已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)的平面顯示技術(shù)， 開始追求各種新穎的顯示手段，三維立體顯示以其獨(dú)特的立體視覺刺激，受到了越來越多 的青睞。三維立體顯示技術(shù)，其主要的目標(biāo)是使人在觀看顯示器的圖像時(shí)，產(chǎn)生有如觀看 實(shí)際物體一樣的立體感覺。三維立體顯示技術(shù)主要采用的方法是使觀察者左右眼分別觀察 到有一定視差的兩幅圖像，從而在大腦中合成有立體感官的圖像。早期使用的技術(shù)包括濾 色片技術(shù)、偏振眼鏡技術(shù)、眼鏡開關(guān)等技術(shù)，近年來又出現(xiàn)了障柵式和透鏡式三維立體顯示 等技術(shù)，比較前沿尚未成熟的技術(shù)還有體三維和全息三維立體顯示技術(shù)等。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)申請(qǐng)?zhí)枮?00710048382. 5的發(fā)明專利“基于偏 光視差條柵屏的三維自由立體顯示裝置”，其利用偏振光柵器件，使不同的像素區(qū)域的光線 以相互正交的偏振出射，通過合適的圖像編碼，觀察者在佩戴偏振眼鏡后，就可以使視差圖 像對(duì)分別進(jìn)入左右眼，從而形成三維立體視覺。又如中國(guó)申請(qǐng)?zhí)枮?00910047720. 2的發(fā)明專利“三維立體顯示裝置”，其利用柱 面透鏡陣列對(duì)光線的偏折作用，使不同子像素發(fā)出的光線在空間上產(chǎn)生分離，當(dāng)人眼觀察 時(shí)，左右眼就能夠觀察到不同的子像素，通過適當(dāng)?shù)膱D像編碼，就能使人眼觀察到視差圖像 對(duì)，從而產(chǎn)生立體視覺。通過分析現(xiàn)有的三維立體顯示技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于偏振光柵式立體三維顯示技 術(shù)，需要觀察者佩戴偏振眼睛，其會(huì)影響觀看的舒適度，而且當(dāng)觀察者數(shù)目增多時(shí)，眼鏡的 數(shù)目也必須相應(yīng)增加；對(duì)于傳統(tǒng)的障柵式技術(shù)，由于障柵對(duì)屏幕的遮擋，其會(huì)大幅降低屏 幕亮度；透鏡式三維立體技術(shù)，其使視差圖像對(duì)在空間上分離，不需要觀察者佩戴眼鏡就可 以使觀察者產(chǎn)生立體視覺，能提高觀看舒適度，不會(huì)明顯降低畫面亮度，并適合多人同時(shí)觀 看，但是其在2D到3D的轉(zhuǎn)換上卻比較難以實(shí)現(xiàn)。近年來液晶技術(shù)在顯示領(lǐng)域得到了很快的發(fā)展。液晶是一種具有雙折射效應(yīng)的材 料，其物質(zhì)形態(tài)介于液體和固體之間，既有液體的流動(dòng)性，又具有固體內(nèi)部組成單元周期排 列的特性，而且，液晶分子的空間朝向會(huì)隨著電場(chǎng)的方向改變，或垂直于電場(chǎng)，或平行于電 場(chǎng)。通過適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)控制，就能在液晶材料的不同位置形成不同的折射率分布，從而產(chǎn)生各 種需要的光學(xué)效果。鑒于液晶材料的種種優(yōu)勢(shì)，液晶材料也被逐步應(yīng)用在三維立體顯示技 術(shù)中，以實(shí)現(xiàn)2D/3D轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于液晶透鏡的三維立體顯示器，通過電信號(hào)控制不同位置的液晶分子的偏轉(zhuǎn)不同的角度，從而對(duì)于某一特定偏振態(tài)的 光線形成一定的折射率分布，從而模仿柱面透鏡的光學(xué)折射作用，達(dá)到三維立體顯示的效果。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括平面顯示器和位于觀眾和平面 顯示器之間的液晶透鏡面板，其特征在于所述的液晶透鏡面板包括近觀眾一側(cè)的外基 板、近平面顯示器一側(cè)的內(nèi)基板和位于外、內(nèi)基板之間的液晶層。所述的平面顯示器是陰極射線管顯示器(CRT)、等離子體顯示器(PDP)或液晶顯 示器(LCD)，其顯示圖像為兩個(gè)或更多視差圖像進(jìn)行編碼合成后的圖像。所述的外基板與內(nèi)基板為方形平板，大小與相應(yīng)的平面顯示器匹配，厚度為0. 1 到2毫米之間，其由透明材料制成，如玻璃或塑料等。所述的外基板與內(nèi)基板相對(duì)的一側(cè)均設(shè)有透明導(dǎo)電層，該透明導(dǎo)電層為覆蓋整個(gè) 外基板或內(nèi)基板的直條狀、斜條狀透明信號(hào)電極層或透明公共電極層。透明導(dǎo)電層一般為 ITO材料制成，厚度為10納米到500納米。所述的透明信號(hào)電極層由若干個(gè)平行的條狀電極組成，其中每2-100個(gè)條狀電 極為一個(gè)單元，通過添加不同電壓至每個(gè)條狀電極以形成折射率分布結(jié)構(gòu)。所述的外基板與內(nèi)基板上與液晶層相接觸的一側(cè)均設(shè)有液晶配向?qū)?，材料為某種 有機(jī)涂料，如聚酰亞胺(PI)，厚度在10納米到100納米。所述的液晶層的周邊設(shè)有隔離子以控制厚度，該液晶層為具有電可控雙折射的液 晶材料制成；所述的隔離子為板載突起或直徑為1到100微米的微球，如硅顆粒小球。所述的內(nèi)基板上的透明導(dǎo)電層和配向?qū)又g設(shè)有有機(jī)層，以改善液晶層內(nèi)部的電 場(chǎng)分布，該有機(jī)層的厚度為0.1到10微米。所述的內(nèi)基板與平面顯示器相接觸一側(cè)設(shè)有線偏振膜，該線偏振膜的方向和內(nèi)基 板中配向?qū)拥哪Σ练较蛳嘁恢隆Ｏ鄬?duì)于傳統(tǒng)的三維立體顯示技術(shù)，本發(fā)明不會(huì)降低畫面的亮度，不用佩戴任何眼 鏡即可產(chǎn)生三維立體視覺效果，其可以靈活地使用電信號(hào)控制，能夠容易地實(shí)現(xiàn)2D/3D的 轉(zhuǎn)換，并可以根據(jù)需要改善三維立體顯示的性能等。


圖1為本發(fā)明的原理示意圖。圖2為本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)施例的信號(hào)電極圖形。圖4為本實(shí)施例軟件建模模型示例。圖5為本實(shí)施例經(jīng)軟件仿真后的折射率分布。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本實(shí)施例以三視場(chǎng)三維立體顯示器為實(shí)例，平面顯示器選用14寸IXD顯示器，其 分辨率為1366x768，子像素水平寬度為75. 5微米，觀察距離選擇為1米，并假設(shè)觀察者的瞳 孔距離為65毫米。液晶透鏡面板采用30微米的間隔，并使用10個(gè)電極來控制液晶偏轉(zhuǎn)， 以形成所需的折射率分布，且液晶的驅(qū)動(dòng)采用純電控雙折射(ECB)模式。如圖1所示，為本發(fā)明的原理示意圖，其以三視場(chǎng)立體顯示為例。圖中普通平面顯 示器1的像素被分成PI、P2、P3三類，每三個(gè)像素為一個(gè)單元且按周期排列以顯示有細(xì)微 差別的三幅視差圖像。液晶透鏡面板2中的弧形虛線為液晶分子在電信號(hào)控制下形成的類 似透鏡的折射率分布的示意曲線。對(duì)于普通平面顯示器1的像素單元，包含子像素P1、P2、 P3，其發(fā)出的光線經(jīng)過液晶透鏡面板2的光學(xué)折射作用后，分別投射到觀察面3的三個(gè)不同 視點(diǎn)上，從而達(dá)到了使顯示器不同像素光線在空間上分離的效果，從而可以使觀察者產(chǎn)生 3D立體視覺。在圖1中，i表示子像素寬度；ζ表示觀察距離^表示視場(chǎng)間隔，f表示液晶透鏡 的焦距，d表示液晶透鏡的空間周期。其中，i、z、e為設(shè)計(jì)時(shí)的已知條件，d、f為需要得到 的設(shè)計(jì)參數(shù)。在本實(shí)施例中，像素寬度i取為75. 5微米，觀察距離ζ取為1米，視場(chǎng)間隔e 可以為一倍瞳距、二分之一瞳距、三分之一瞳距等，這里取為一倍瞳距，即65毫米。通過圖
中幾何光學(xué)光路關(guān)系，可以得到設(shè)計(jì)參數(shù)的表達(dá)式
r zxi 7 nxexi/ = ~；d =--
e+ι e+i其中，η表示視點(diǎn)數(shù)目，這里取3，根據(jù)前述的數(shù)據(jù)，計(jì)算可得液晶透鏡f為1. 16 毫米，周期間隔d為226. 24微米。通過調(diào)整加載在液晶層不同位置的電信號(hào)強(qiáng)度，就可以 使液晶層內(nèi)形成類似常規(guī)固態(tài)透鏡的折射率分布，并滿足參數(shù)f與d的要求，從而形成三維 立體顯示效果。如圖2所示，本實(shí)施例包括平面顯示器1和位于觀眾和平面顯示器1之間的液晶 透鏡面板2，其特征在于所述的液晶透鏡面板2包括近觀眾一側(cè)的外基板3、近平面顯示 器1 一側(cè)的內(nèi)基板4和位于外、內(nèi)基板4之間的液晶層5。所述的平面顯示器1是常規(guī)液晶顯示器(IXD)，其據(jù)三維立體顯示需要，將兩個(gè)或 更多視差圖像進(jìn)行編碼合成后進(jìn)行顯示。在本實(shí)施例中，是將三幅有細(xì)微差別的視差圖像 合成后進(jìn)行顯示的圖像。所述的外基板3與內(nèi)基板4為玻璃制成，厚度為0. 5毫米。所述的外基板3與內(nèi)基板4相對(duì)的兩側(cè)，在外基板3 —側(cè)設(shè)有覆蓋整個(gè)基板的公 共電極6，在內(nèi)基板4 一側(cè)設(shè)有直條狀透明信號(hào)電極層9。透明電極的材料為ΙΤ0，厚度為 200納米。所述的外基板3與內(nèi)基板4上與液晶層5相接觸的一側(cè)分別設(shè)有液晶配向?qū)?和 配向?qū)?0，其材料為PI，厚度為100納米；所述的內(nèi)基板4上的液晶配向?qū)?0之間設(shè)有有機(jī)層11，以改善液晶層5內(nèi)部的電 場(chǎng)分布，該有機(jī)層厚度為2微米。所述的內(nèi)基板4與平面顯示器1相接觸一側(cè)設(shè)有線偏振膜8，該線偏振膜8的方向 和內(nèi)基板4中液晶配向?qū)?0的摩擦方向相一致。
液晶層5位于外基板3與內(nèi)基板4之間，為具有電可控雙折射的液晶材料制成， 在本實(shí)施例中，使用的液晶材料的特性參數(shù)為me = 1. 805，no = 1. 524，kl = 13. 9，k2 = 8. 4，k3 = 24. 2。液晶層中間設(shè)有隔離子12以控制厚度，隔離子12為直徑為30微米的硅小 球。液晶層5內(nèi)的虛線為電極層加載合適電壓信號(hào)后所形成的理想折射率分布的示意圖。
如圖3所示，為均勻分布在內(nèi)基板4上的直條狀透明信號(hào)電極層9，其上由若干個(gè) 平行的條狀電極組成，其中每10個(gè)條狀電極為一個(gè)單元，10個(gè)電極的總周期為前述的周期 d，即226. 24微米。Vl到VlO為不同的電信號(hào)，其被加載到相應(yīng)的透明電極上，形成電場(chǎng)分 布，控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)類似需要的折射率分布，以實(shí)現(xiàn)液晶透鏡的焦距為f。該信號(hào) 電極可以根須需要制作成傾斜狀的條狀電極。如圖4所示，為通過軟件建模得到的液晶透鏡面板結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看到，液晶 層5位于外基板3與內(nèi)基板4之間。電極位于基板內(nèi)部，用來模擬有機(jī)層對(duì)電場(chǎng)的隔離作 用，在基板與液晶層的界面上，均設(shè)置了平行的配向方向，以實(shí)現(xiàn)模擬純電控雙折射(ECB) 驅(qū)動(dòng)模式。如圖5所示，為上述仿真得到的折射率分布圖，由于透鏡為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖中只繪制 透鏡一半的折射率分布狀況。在圖中，實(shí)線為理想的折射率分布，球狀點(diǎn)分布為仿真得到 數(shù)據(jù)的分布，對(duì)比可以得到，其兩者基本吻合。此時(shí)，一個(gè)單元中，10個(gè)電極上的電壓分別 為4. 7995V, 2. 8406V, 2. 1744V, 1. 7462V, 1. 5613V, 1. 5613V, 1. 7462V, 2. 1744V, 2. 8406V, 4. 7995V。本實(shí)施例相對(duì)于傳統(tǒng)的固態(tài)障柵或固態(tài)柱面棱鏡式3D顯示技術(shù)，采用液晶材料 形成液晶透鏡，不僅可以實(shí)現(xiàn)2D/3D的轉(zhuǎn)換，而且，通過改變加載到信號(hào)電極上的電壓信 號(hào)，就可改變折射率分布，從而調(diào)整光路，改變3D的顯示效果。這樣就大大簡(jiǎn)化了 3D顯示 的優(yōu)化調(diào)整過程，有利于得到高性能的3D顯示性能。
權(quán)利要求
一種基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，包括平面顯示器和位于觀眾和平面顯示器之間的液晶透鏡面板，其特征在于所述的液晶透鏡面板包括近觀眾一側(cè)的外基板、近平面顯示器一側(cè)的內(nèi)基板和位于外、內(nèi)基板之間的液晶層，所述的平面顯示器顯示的圖像是根據(jù)三維立體顯示需要，將兩個(gè)或更多視差圖像進(jìn)行編碼合成后的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的平面顯 示器是陰極射線管顯示器、等離子體顯示器或液晶顯示器，其顯示圖像為兩個(gè)或更多視差 圖像進(jìn)行編碼合成后的圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的外基板 與內(nèi)基板均為方形平板，其大小與相應(yīng)的平面顯示器相匹配，厚度在0. 1到2毫米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的外基 板與內(nèi)基板相對(duì)的一側(cè)均設(shè)有透明導(dǎo)電層，該透明導(dǎo)電層為覆蓋整個(gè)外基板或內(nèi)基板的直 條狀、斜條狀透明信號(hào)電極層或透明公共電極層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的透明信 號(hào)電極層由若干個(gè)平行的條狀電極組成，其中每2-100個(gè)條狀電極為一個(gè)單元，通過添加 不同電壓至每個(gè)條狀電極以形成折射率分布結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的外基 板與內(nèi)基板上與液晶層相接觸的一側(cè)均設(shè)有液晶配向?qū)樱穸葹?0納米到100納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的液晶層 的周邊設(shè)有隔離子以控制厚度，液晶層為具有電可控雙折射的液晶材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的隔離子 為板載突起或直徑為1到100微米的微球。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的內(nèi)基板 近平面顯示器的一側(cè)設(shè)有有機(jī)層，該有機(jī)層的厚度為0. 1到10微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，其特征是，所述的內(nèi)基板 與平面顯示器相接觸一側(cè)設(shè)有線偏振膜，該線偏振膜的方向和內(nèi)基板中配向?qū)拥哪Σ练较?相一致。
全文摘要
一種液晶三維顯示技術(shù)領(lǐng)域的基于液晶透鏡的三維立體顯示屏，包括平面顯示器和位于觀眾和平面顯示器之間的液晶透鏡面板，其中所述的液晶透鏡面板包括近觀眾一側(cè)的外基板、近平面顯示器一側(cè)的內(nèi)基板和位于外、內(nèi)基板之間的液晶層，所述的平面顯示器顯示的圖像是根據(jù)三維立體顯示需要，將兩個(gè)或更多視差圖像進(jìn)行編碼合成后的圖像。本發(fā)明利用電信號(hào)控制，因此可以方便地實(shí)現(xiàn)2D/3D之間轉(zhuǎn)化，且通過調(diào)整電信號(hào)的強(qiáng)度分布，可以優(yōu)化液晶透鏡的光學(xué)性能，從而可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要改善三維立體顯示的性能。
文檔編號(hào)G02F1/29GK101840071SQ201010171230
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者孫雄飛, 朱吉亮, 歐陽世宏, 蘇翼凱, 陸建鋼 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)