專利名稱：三維hlcd系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般地說，本發(fā)明涉及三維(3D)顯示器領(lǐng)域，具體地說，涉及不需要觀看者配戴防護(hù)鏡或眼鏡的三維全息液晶顯示器(HLCD)。本發(fā)明還涉及制作三維HLCD顯示器所用的左-右眼觀察多路合成全息圖的方法。
一般說來，科學(xué)觀察、模擬和儀器設(shè)計(jì)都是利用科學(xué)工作站、強(qiáng)有力的圖像處理方法、計(jì)算機(jī)圖形軟件以及為使在兩維顯示器上顯示假三維圖像而設(shè)計(jì)的專用軟件來實(shí)現(xiàn)的。遺憾的是，這些系統(tǒng)都缺少圖像內(nèi)容的實(shí)質(zhì)方面，因?yàn)檫@些系統(tǒng)都是依靠觀察人員對(duì)兩維觀察深度提示的解釋來產(chǎn)生三維圖像的。給觀察顯示器附加一個(gè)第三維，就能夠極大地加強(qiáng)觀察人員想像并解釋圖像的準(zhǔn)確空間關(guān)系。
已經(jīng)開發(fā)了幾種三維顯示技術(shù)，但是它們的應(yīng)用受許多因素的限制。這些因素包括需要諸如掃描儀和投影儀之類的外部設(shè)備；不能實(shí)時(shí)顯示無爍圖像；有限的觀察范圍使分辨率減?。灰揽刻厥獾膱D像數(shù)據(jù)格式化和掃描以及成本的增加。因此，需要一種成本有效的三維顯示單元，這種顯示單元容易與常規(guī)的兩維顯示格式接口，允許與寬視場(chǎng)觀看能力互動(dòng)，并且支持三維自動(dòng)立體觀察。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種系統(tǒng)，它將投影光限定到需要的顯示和觀察結(jié)構(gòu)上。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種三維觀察系統(tǒng)，這種觀察系統(tǒng)是成本有效、結(jié)構(gòu)緊湊的，并與常規(guī)兩維平板LCD顯示技術(shù)兼容。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種三維觀察系統(tǒng)，這種觀察系統(tǒng)與常規(guī)兩維顯示器和視頻傳輸格式兼容。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種三維觀察系統(tǒng)，這種觀察系統(tǒng)可以提供更寬的觀看視場(chǎng)。
最后，本發(fā)明的再一目的在于提供一種全息多路波導(dǎo)，它包含右視場(chǎng)和左視場(chǎng)的全息記錄。
按照這些目的，本發(fā)明提供一種自動(dòng)立體的、高分辨率的、觀看視場(chǎng)寬的、緊湊的、平板型三維全息液晶顯示(HLCD)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括背光照明LCD，它利用由特殊多路全息圖形成的新穎可切換背光照明板進(jìn)行了改進(jìn)。
具體地說，所述系統(tǒng)包括背光照明，第一光衍射全息圖，第二左-右視場(chǎng)多路波導(dǎo)全息圖以及液晶顯示器(LCD)。如果背光照明未經(jīng)準(zhǔn)直，比如常規(guī)LCD顯示器中所用的那些背光照明，則要在背光照明與第一全息圖之間提供微準(zhǔn)直器陣列，以提供準(zhǔn)直光。
所述系統(tǒng)通過使兩個(gè)眼睛從不同角度觀看目標(biāo)而產(chǎn)生三維視差。常規(guī)的三維觀察方法依靠特殊的觀察器具，如防護(hù)鏡和特制的觀察眼鏡把光引至適當(dāng)?shù)难劬?。然而，本發(fā)明的系統(tǒng)利用新穎的左右視場(chǎng)多路波導(dǎo)全息圖在本系統(tǒng)內(nèi)把光引至右眼或左眼，因此不再需要外部觀察器具。
利用光刻掩模和觀察區(qū)掩模的組合記錄過程，加上在波導(dǎo)傳播模式中涉及目標(biāo)光束及參照光束的波導(dǎo)全息記錄，形成這種觀察系統(tǒng)所用的新型左右視場(chǎng)多路波導(dǎo)全息圖主圖。多路波導(dǎo)全息圖記錄過程是一個(gè)包括兩個(gè)步驟的過程形成與第一個(gè)眼觀察區(qū)對(duì)應(yīng)的第一全息記錄，和隨后的形成與第二個(gè)眼對(duì)應(yīng)的第二全息記錄。隨后使用多路波導(dǎo)全息圖主圖形成全息接觸拷貝，這些全息接觸拷貝提供一種把常規(guī)LCD顯示轉(zhuǎn)換成自動(dòng)立體的三維HLCD顯示系統(tǒng)的成本有效的方法。本發(fā)明的一個(gè)重要方面就在于—波導(dǎo)全息圖提供一種裝置，它能阻止所不希望有的光被觀察者看見。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供多個(gè)左右視場(chǎng)和一種頭頂跟蹤照像機(jī)，從而可以按照觀察人員的眼睛位置顯示正確的三維透視圖。
結(jié)合以下參照附圖的描述，可以更好地體會(huì)和理解本發(fā)明的其它方面和目的。然而應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，下面給出的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述均為示例性的，而非限制性的。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進(jìn)行多種改型和改進(jìn)，而不致偏離本發(fā)明的構(gòu)思；本發(fā)明包括所有的這些變化。
組裝時(shí)或者使用當(dāng)中，所述背光照明12通過微準(zhǔn)直器陣列14發(fā)送光。微準(zhǔn)直器陣列14將準(zhǔn)直光以預(yù)定角度(最好是0°)投射向第一波導(dǎo)全息

圖16。然后，第一全息圖16以大于臨界角的角度(最好是45°)衍射所述的光，并將它漫射成各種波長。隨后，第二波長全息圖18內(nèi)的第一和第二全息記錄將所述的光偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)的第一和第二觀察區(qū)，而后通過LCD顯示器的相應(yīng)奇數(shù)和偶數(shù)像素輸出。下面的各節(jié)中將更加詳細(xì)地討論系統(tǒng)10的各個(gè)元件。2.三維HLCD設(shè)備如圖2和2A所示，所述系統(tǒng)包括背光照明12、微準(zhǔn)直器陣列14、第一全息圖16、第二全息圖18和包含像素21的標(biāo)準(zhǔn)LCD20。A.背光照明背光照明12可以是常規(guī)的準(zhǔn)直光。例如，這種光可以是一種小型低功率白光準(zhǔn)直光源?？梢酝ㄟ^各種方法來形成這種光，其中包括使用帶有短焦距菲涅爾透鏡的低功率金屬鹵素?zé)?。B.微準(zhǔn)直器陣列及其制造方法如果背光照明光源未受到準(zhǔn)直(即為漫射的)，就可以用微準(zhǔn)直器陣列14準(zhǔn)直所述背光照明光源。每個(gè)微透鏡的焦點(diǎn)處形成的針孔用來聚焦并準(zhǔn)直所述的光。通過圖3所示的如下過程形成微準(zhǔn)直器陣列14。
選擇商業(yè)上適用的微透鏡主鏡22。由橡膠或其它適宜的材料制成主鏡的橡膠負(fù)片24?；?6涂有可紫外固化樹脂28，可紫外固化樹脂28的折射率最好在1.48和1.65之間。然后再把所述橡膠負(fù)片24壓入樹脂28內(nèi)，形成微準(zhǔn)直器陣列14的微透鏡22。在把橡膠負(fù)片24壓入樹脂28時(shí)，引入紫外光穿過涂敷樹脂的基片，用以固化樹脂28。去掉橡膠負(fù)片24之后，給微準(zhǔn)直器陣列14的基片一側(cè)涂敷含有希利(Shiley)正光致抗蝕劑組合物的黑色染料混合物。然后引入紫外光穿過每一個(gè)微透鏡22。每個(gè)微透鏡22的曲率將紫外光沿基片26聚焦到焦點(diǎn)30，在每個(gè)焦點(diǎn)30處使基片軟化。再將蝕刻的結(jié)果加到基片26上，從而在微準(zhǔn)直器陣列14內(nèi)形成針孔。C.第一全息圖及其制造方法具體參照?qǐng)D4，用第一全息圖16，使所述的光偏離水平方向預(yù)定的角度(最好在45°-50°之間)被引向第二全息圖，使光散布成紅、綠、藍(lán)光譜圖像。通過常規(guī)的雙束記錄過程形成第一全息圖。具體地說，給全息板基片32涂以諸如鹵化銀之類的光敏乳膠34。一束漫射的目標(biāo)光和一束準(zhǔn)直的基準(zhǔn)光通過所述基片，并進(jìn)入乳膠34，以記錄一個(gè)全息圖，這個(gè)全息圖在與水平方向偏離45°-50°之間分散所說的光。最終的全息圖使通過微準(zhǔn)直器陣列14投射的光分散成分開的紅、綠、藍(lán)光譜圖像。D.第二全息圖及其制造方法如圖5所示，第二全息圖18包含兩個(gè)分開交錯(cuò)的全息記錄。一個(gè)記錄對(duì)應(yīng)于右視場(chǎng)，另一記錄對(duì)應(yīng)于左視場(chǎng)。觀察時(shí)，最終的全息圖產(chǎn)生直接對(duì)應(yīng)于如圖6所示的LCD中像素的左右交替全息記錄，并且產(chǎn)生三維效果。每個(gè)交替的右記錄和左記錄都是一個(gè)固定的寬度。所述寬度等于標(biāo)準(zhǔn)LCD像素的寬度，優(yōu)選的為200微米。
第二全息圖18是通過下述過程所形成的右-左交替的全息圖主圖。如圖5所示，給全息板或基片36涂以光敏乳膠，形成乳膠層38，優(yōu)選的為鹵化銀。然后將經(jīng)過涂敷的基片36裝到灰玻璃夾持器40上，使乳膠層38遠(yuǎn)離灰玻璃夾持器40。然后，要給乳膠層的曝露的一側(cè)涂以標(biāo)度(indexing)液體44，如ISOPAR。
1.光刻掩模將光刻掩模44放在乳膠層38上，并且在記錄之前涂以標(biāo)準(zhǔn)液體46。光刻掩模44設(shè)有一系列等間隔的線。具有等于標(biāo)準(zhǔn)LCD像素寬度的光刻掩模44的每條線寬最好在200-300微米之間。例如，如果奇數(shù)線是黑色線48而偶數(shù)線是空格50，則奇數(shù)線用作掩模，阻擋在掩模44的奇數(shù)線下的全息記錄。
2.觀察區(qū)掩模眾所周知，人們所能感覺到的是三維的信息，因?yàn)橛捎已劢邮盏降男畔⑴c由左眼接收到的信息略有不同。右眼和左眼之間隔開大約2.5英寸，這導(dǎo)致這種感覺的差異，這種感覺的差異集中到一點(diǎn)，就是提供可產(chǎn)生三維效果的深度提示(cue)。通過在有如圖5所示的全息記錄過程期間使用觀察區(qū)掩模52就可以模擬這種想法。
使用觀察區(qū)掩模漫射體52在全息記錄期間遮擋右視場(chǎng)或左視場(chǎng)。觀察區(qū)掩模漫化體52包括基片54和觀察區(qū)掩模56。
觀察區(qū)掩模56提供一系列涂黑區(qū)58。比如，每個(gè)涂黑區(qū)58的寬度可為2.5英寸，并且離開下一涂黑區(qū)58的距離是2.5英寸。在記錄過程期間，觀察區(qū)掩模56放在目標(biāo)光束的通路上。涂黑區(qū)58或者擋住右目標(biāo)光束或者擋住左目標(biāo)光束。
使用觀察區(qū)掩模56并結(jié)合光刻掩模46產(chǎn)生第一全息記錄和第二全息記錄，第一全息記錄和第二全息記錄相互交錯(cuò)，產(chǎn)生分開的右視場(chǎng)和左視場(chǎng)。
現(xiàn)在參照附圖7，光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56兩者都具有第一位置和第二位置。在第一全息記錄期間，光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56兩者都處在第一位置。然后，光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56兩者都移動(dòng)到它們的第二位置，隨后再開始第二全息記錄。
若在形成第一全息記錄期間，光刻掩模46擋住與奇數(shù)LCD像素對(duì)應(yīng)的區(qū)域，而觀察區(qū)掩模56擋住右觀察區(qū)，則在形成第二全息記錄期間，光刻掩模46必須擋住與偶數(shù)LCD像素相應(yīng)的區(qū)域，并且觀察區(qū)掩模56必須擋住左觀察區(qū)。
通過有如圖5所示的雙光束記錄過程形成全息記錄。使目標(biāo)光束通過定位在等于系統(tǒng)所期望之回放距離的觀察區(qū)掩模56，然后再通過光刻掩模46，從而可以形成第一全息記錄?；鶞?zhǔn)光束以等于用以記錄第一全息圖之基準(zhǔn)角的角度通過光刻掩模46，該角度最好是偏離水平方向45°-50°之間的角。然后讓光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56從第一位移動(dòng)到第二位置，并重復(fù)進(jìn)行記錄以形成第二全息記錄。
第一全息記錄產(chǎn)生多個(gè)具有預(yù)定寬度的全息圖，這些全息圖由相同預(yù)定寬度的空白格分開。第二全息記錄產(chǎn)生具有多個(gè)縫隙的多個(gè)全息圖，這些縫隙填充在第一全息記錄后所存在的多個(gè)空白格內(nèi)。
然后通過接觸復(fù)制產(chǎn)生左-右交錯(cuò)的全息圖主圖18的拷貝，其中左-右交錯(cuò)的全息圖主圖18是用常規(guī)的方法，利用波長為514納米的45°基準(zhǔn)激光束復(fù)制的。
具體地說，如圖8所示，通過下述過程形成左-右交錯(cuò)的全息圖的接觸拷貝58。將涂有光敏乳膠62，如鹵化銀的的全息板60裝入灰玻璃夾持器40中，使光敏乳膠62與灰玻璃夾持器40接觸。在全息板60的上方定位玻璃墊片64。玻璃墊片64最好是1毫米厚。隨之將左-右交錯(cuò)的全息圖主圖18定位在玻璃墊片64上，使左-右交錯(cuò)的全息圖主圖18的涂有乳膠的一側(cè)38與玻璃墊片64接觸。使涂敷的全息板60、玻璃墊片64、和左-右交錯(cuò)的全息圖主圖18轉(zhuǎn)換位置，以使全息板和所述主板上的乳膠層分開的距離等于LCD基片的厚度，最好是1毫米。然后，再讓單獨(dú)一束基準(zhǔn)光束以預(yù)定的角度(最好是45°)通過主板18、玻璃墊片64、全息板60、和乳膠層62，累計(jì)預(yù)定的曝光時(shí)間，從而可以記錄所述接觸拷貝58。然后，通過光化學(xué)處理，給接觸拷貝58顯影。
就本發(fā)明而言，實(shí)際上有無數(shù)的應(yīng)用，這里不需要詳細(xì)描述所有的這些應(yīng)用。這里公開的所有實(shí)施例都可以實(shí)施，而無需過多的實(shí)驗(yàn)。
雖然上面公開了本發(fā)明人認(rèn)為是實(shí)施本發(fā)明的最佳方式，但本發(fā)明的實(shí)踐不限于此。顯然，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和范圍的條件下，可以產(chǎn)生本發(fā)明特征的各種各樣的增添、改進(jìn)和重新安排。例如，各個(gè)元部件不必一定用公知的材料制造，而是實(shí)質(zhì)上可由任何材料制成。此外，每種公開實(shí)施例的所有已公開特征都可以和每個(gè)其它的公開實(shí)施例的除相互排斥特征之外的公知特征相組合，或者進(jìn)行替換。
希望所附各權(quán)利要求覆蓋所有這樣的增添、改進(jìn)和重新安排。本發(fā)明的相應(yīng)實(shí)施例由所附各從屬權(quán)利要求予以區(qū)分。
權(quán)利要求
1.一種交錯(cuò)的波導(dǎo)全息圖，它包括a.第一全息記錄；和b.與所述第一全息記錄交錯(cuò)的第二全息記錄。
2.如權(quán)利要求6所述的交錯(cuò)的波導(dǎo)全息圖，其中，所述第一全息記錄對(duì)應(yīng)于第一視場(chǎng)，第二全息記錄對(duì)應(yīng)于第二視場(chǎng)。
3.如權(quán)利要求7所述的交錯(cuò)的波導(dǎo)全息圖，其中，所述第一視場(chǎng)是右視場(chǎng)，第二視場(chǎng)是左視場(chǎng)。
4.如權(quán)利要求6所述的交錯(cuò)的波導(dǎo)全息圖，其中，所述每個(gè)全息記錄是一個(gè)預(yù)定的寬度。
5.如權(quán)利要求9所述的交錯(cuò)的波導(dǎo)全息圖，其中，所述預(yù)定寬度約為2.5毫米。
6.如權(quán)利要求6所述的交錯(cuò)的波導(dǎo)全息圖，其中，所述第一全息記錄與第二全息記錄組合，在使用中產(chǎn)生三維效果。
7.一種三維全息液晶顯示系統(tǒng)，它包括a.背光照明；b.第一波導(dǎo)全息圖；c.液晶顯示器；和d.具有與第二全息記錄交錯(cuò)之第一全息記錄的第二波導(dǎo)全息圖，所述第二波導(dǎo)全息圖定位在第一波導(dǎo)全息圖與液晶顯示器之間。
8.如權(quán)利要求12所述的三維全息液晶顯示系統(tǒng)，其中，還包括定位在背光照明與第一全息圖之間的微準(zhǔn)直器陣列。
9.如權(quán)利要求12所述的三維全息液晶顯示系統(tǒng)，其中，所述背光照明是準(zhǔn)直的。
10.一種制造交錯(cuò)的波導(dǎo)全息圖的方法，它包括如下步驟a.在第一位置形成第一全息記錄；b.在第二位置形成第二全息記錄，其中所述第二全息記錄與所述第一全息記錄是交錯(cuò)的。
11.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述形成第一全息記錄的步履還包括在涂有乳膠和標(biāo)度液體之基片上的第一位置定位光刻掩模；在對(duì)應(yīng)的第一位置定位觀察區(qū)掩模，然后形成第一全息記錄；其中所述形成第二全息記錄的步驟還包括在涂有乳膠和標(biāo)準(zhǔn)液體之基片上的第二位置定位光刻掩模；在對(duì)應(yīng)的第二位置定位觀察區(qū)掩模，然后形成第二全息記錄。
12.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第一位置對(duì)應(yīng)于右視場(chǎng)，第二位置對(duì)應(yīng)于左視場(chǎng)。
13.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述光刻掩模包括一系列等間隔線，其中預(yù)定的線遮擋全息記錄。
14.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述每條線的寬度近似等于標(biāo)準(zhǔn)像素的寬度。
15.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，每條線的寬度在約200-300微米之間。
16.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述觀察區(qū)掩模包括一系列分開預(yù)定距離的涂黑區(qū)。
17.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述預(yù)定距離約為2.5英寸。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述乳膠層由鹵化銀構(gòu)成。
19.一種制造三維全息液晶顯示系統(tǒng)的方法，它包括如下步驟a.提供第一波導(dǎo)全息圖；b.提供第二波導(dǎo)全息圖，使第一波導(dǎo)全息圖與第二波導(dǎo)全息圖交錯(cuò)；c.提供背光照明和液晶顯示器；d.在所述背光照明和液晶顯示器之間安置所述第一波導(dǎo)全息圖和第二波導(dǎo)全息圖，使所述第一波導(dǎo)全息圖與背光照明靠近對(duì)齊，并使所述第二波導(dǎo)全息圖排列在所述第一波導(dǎo)全息圖與所述液晶顯示器之間。
20.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，還包括在所述背光照明和第一全息圖之間定位微準(zhǔn)直器陣列。
全文摘要
一種自動(dòng)立體三維液晶顯示系統(tǒng)及其制造方法。該系統(tǒng)包括準(zhǔn)直的背光照明(12)、第一光衍射全息圖(16)、第二右－左交錯(cuò)的全息圖(18)、和液晶顯示器。如果背光照明未受到準(zhǔn)直，則在進(jìn)入第一全息圖之前使用微準(zhǔn)直器陣列(14)準(zhǔn)直背光照明。通過包括兩個(gè)步驟的過程形成第二右－左交錯(cuò)的全息圖。該過程包括在第一位置定位光刻掩模(44)和觀察區(qū)掩模(52)，在第一位置記錄第一全息記錄，將光刻掩模(44)和觀察區(qū)掩模(52)移動(dòng)到第二位置，并且在第二位置記錄第二全息記錄。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1468384SQ01816956
公開日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2001年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月7日
發(fā)明者信·M·埃, 信 M 埃, H 余, 凱文·H·余, 加金德拉·D·薩萬特, 拉 D 薩萬特 申請(qǐng)人:物理光學(xué)公司