專利名稱：一種新型立體顯示器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立體顯示器。
背景技術(shù)：
三維立體顯示技術(shù)又稱3D技術(shù)，即可以顯示客體和場景的深度信息的顯示技術(shù)， 相較于傳統(tǒng)的二維顯示技術(shù)，其所攜帶的信息量更大，更加逼真，且富有渲染力，已經(jīng)成為未來顯示技術(shù)發(fā)展的主流方向。目前，大部分的立體顯示系統(tǒng)都是依據(jù)雙目感知立體信息的機理來獲取立體視覺。早期的立體顯示器都需要佩戴特定的眼睛才能觀看，雖然可以獲得立體視覺，但是佩戴眼睛阻礙了人的自然視覺感受。不需要借助輔助工具觀看三維立體影響的技術(shù)滿足了人們追求裸眼觀看3D效果的需求，目前主流的技術(shù)包括狹縫式視差光柵和柱面透鏡等分光方法。這兩種利用雙目視差原理實現(xiàn)裸眼立體顯示的設(shè)備，其核心思想是使左、右眼分別看到獨立而帶有視差的圖像。對于傳統(tǒng)二維顯示器而言，由于顯示面板上的每一個像素所發(fā)出的光線發(fā)散角很大，因此任意一個像素所發(fā)出的光線都能同時被左眼和右眼接收。換而言之，左眼和右眼看到的是同一幅圖像，并不存在視差，所以不能產(chǎn)生立體視覺。目前，主流的裸眼立體顯示器，其核心設(shè)計思想都是將左、右眼圖像分割并交錯排列在同一顯示面板上，再通過光學(xué)上的處理，例如遮擋和折射，使其相互分開，再分別射向左眼和右眼，從而形成立體視覺。常見的裸眼立體顯示器有兩種，即狹縫式視差光柵式(如圖1所示)和微柱面透鏡陣列式(如圖2所示)顯示器。這兩種裸眼3D顯示都存在明顯的缺點。例如造成光線的亮度損失，分辨率降低，加工困難等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在立體顯示器存在的問題，提出了一種新型立體顯示器系統(tǒng)，實現(xiàn)裸眼3D的顯示實現(xiàn)方法，即基于電控光柵分像的3D系統(tǒng)，該顯示實現(xiàn)方法可以克服以往方法的缺點，而且容易實現(xiàn)工作模式在二維和三維顯示的兼容和快速切換。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種新型立體顯示器系統(tǒng)，由下至上依次包括準直性背光模塊、灰度控制模塊、像素控制模塊、電控分像光柵模塊和電控柱面透鏡模塊，灰度控制模塊緊貼于背光模塊，以使透過該模塊的光線具有較高準直度，灰度控制模塊由內(nèi)側(cè)鍍有ITO 透明導(dǎo)電層的上、下玻璃基板和夾在其間的液晶材料組成；像素控制模塊由彩色濾波片組成；分像光柵模塊由分像光柵及其ITO玻璃控制電極組成；柱面透鏡模塊由液晶和上、下層透明非對稱電極構(gòu)成，所述電控分像光柵模塊由下方像素控制模塊垂直入射光通過后，以布拉格衍射角θ^π θ2向左眼側(cè)和右眼側(cè)射出，全息光柵條紋的延伸方向與光柵法線所成角分別等于1/2 θ :和1/2 θ 2，即布拉格衍射角平分線方向，單個光柵的尺寸等于像素寬度。所述ITO透明導(dǎo)電層由ITO導(dǎo)電膜、像素電極和驅(qū)動晶體管組成。所述像素控制模塊由彩色濾波片組成，彩色濾波片為RGB三色單元陣列組成的濾波片，RGB三色單元以形如品字形的結(jié)構(gòu)為單位依次排列，即一個完整的像素單元三個方形RGB子像素以及形狀、面積與單個像素相同微控制電路組成，共計四個正方形微結(jié)構(gòu)單元對齊排列構(gòu)成一個完整的像素結(jié)構(gòu)，每個子像素單元對應(yīng)于RGB三基色中的一種。所述電控柱面透鏡模塊由上玻璃基板、線形透明電極、液晶材料、ITO導(dǎo)電膜和下玻璃基板組成，在上方玻璃基板上刻有線形透明電極；在下方玻璃基板內(nèi)側(cè)的整個表面上均勻地涂覆有ITO導(dǎo)電膜。所述電控分像體全息光柵是通過全息掩膜曝光方法制作，即分步曝光法，通過完全涂黑的遮住左眼信息部分的掩模板緊緊扣住聚合物分散液晶盒，曝光右眼信息所需的部分光柵；再通過完全遮掩右眼信息部分的掩模板，曝光制作針對左眼方向衍射所需的左向傾斜方向的光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明新型立體顯示器系統(tǒng)，其工作模式可在2D與3D間轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)在分像的過程中的亮度損失不高于10%，相較于狹縫光柵式立體顯示器具有高亮度的優(yōu)勢；相較于微柱面透鏡式立體顯示器具有成本優(yōu)勢，其制造工藝兼容現(xiàn)有的液晶面板制造技術(shù)，工藝簡單，成本低廉；低功耗，適用于小功率便攜式顯示終端。


圖1為視差光柵式立體顯示器原理圖； 圖2為微柱面透鏡式立體顯示器原理圖； 圖3為本發(fā)明立體顯示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖4本發(fā)明立體顯示器系統(tǒng)中GB子像素成品字形排列圖5本發(fā)明立體顯示器系統(tǒng)中全息分像光柵衍射示意圖6本發(fā)明立體顯示器系統(tǒng)中光柵衍射的微觀光路圖7本發(fā)明立體顯示器系統(tǒng)中電控柱面透鏡模塊結(jié)構(gòu)示意圖8本發(fā)明立體顯示器系統(tǒng)中加載電場時的電控液晶柱面透鏡縱剖圖9本發(fā)明立體顯示器系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖3所示立體顯示器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括準直性背光模塊6、灰度控制模塊、像素控制模塊和電控分像光柵模塊和電控柱面透鏡模塊1。其中灰度控制模塊由內(nèi)側(cè)鍍有ITO 透明導(dǎo)電層2的上、下玻璃基板3和夾在其間的液晶5材料組成。像素控制模塊由彩色濾波片6組成。分像光柵模塊由分像光柵7及其ITO玻璃控制電極8組成，柱面透鏡模塊1 由液晶和上、下層透明非對稱電極構(gòu)成。灰度控制模塊緊貼于背光模塊，以使透過該模塊的光線具有較高準直度?；叶瓤刂颇K由帶有ITO透明導(dǎo)電層2的上下玻璃基板3和普通液晶盒5組成。其中，透明導(dǎo)電層2由ITO導(dǎo)電膜、像素電極和驅(qū)動晶體管組成?？刂齐姌O通過對子像素的液晶施加電壓使液晶分子轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，實現(xiàn)灰度的控制。顯示器采用屏幕長寬比16 10的19寸面板，其實際橫向長度為408. M毫米，縱向?qū)挾葹?55. 15毫米，像素間距為0. 567毫米，有效分辨率為720 X 900dpi。像素控制模塊由彩色濾波片6組成。如圖4所示，RGB三色單元以形如品字形的結(jié)構(gòu)為單位依次排列，即一個完整的像素單元三個方形RGB子像素以及形狀、面積與單個像取a=550nm(白光平均波長)，j =則制作時候夾角為5= 9.46°(布拉格衍射
角)，m=l (衍射光強極大值條紋)。分像光柵的作用是在3D模式下，改變顯示面板不同像素光線的光路，即所有左眼圖像所對應(yīng)的光線均向左衍射，并形成平行光；所有右眼圖像所對應(yīng)的光線均向右側(cè)衍射，亦形成平行光。如圖5示，通過光柵分像作用，左眼圖像與右眼圖像得以分開。不僅如此，由于所有左眼圖像所對應(yīng)的衍射角相同，因此，所有衍射方向同側(cè)的光線均互相平行，這就為通過下文所述之柱面透鏡分別聚焦于左右兩眼提供了可能。經(jīng)過柱面透鏡的聚焦作用，在保證雙眼間距離為65mm的同時，將信息聚焦于離筆記本觀察距離為300mm左右的位置為雙眼所在平面位置。對于左眼和右眼像素的垂直方向入射，光柵分像模塊將產(chǎn)生對稱的左右眼分像作用，衍射角度與垂直方向夾角為10°左右，左右兩邊對稱。這樣大量從左右眼像素出射的衍射光就在各自的衍射方向上平行，再通過聚焦柱面透鏡的電控作用，分別聚焦成像于人眼的左右兩個位置。電控分像體全息光柵的具體制作過程是通過全息掩膜曝光方法制作。所謂掩膜曝光就是分步曝光法，即通過完全涂黑的遮住左眼信息部分的掩模板緊緊扣住聚合物分散液晶盒，曝光右眼信息所需的部分光柵；再通過完全遮掩右眼信息部分的掩模板，曝光制作針對左眼方向衍射所需的左向傾斜方向的光柵結(jié)構(gòu)。具體步驟首先配置聚合物分散液晶材料，其配制流程為1、將液晶材料、聚合物單體、適量的交聯(lián)劑、活化劑和引發(fā)劑按照一定比例(參見參考文獻)，在遮光條件下混合加熱到60 70°C，使其處于各向同性的狀態(tài)。2、在充分攪拌并用超聲波乳化使其均勻混合從而制備出聚合物分散液晶預(yù)聚物混合材料，3、將光致固化預(yù)聚物和液晶材料組成的混合物注入液晶盒中，將預(yù)留的材料注入口封住。將黑條形曝光掩模板遮掩液晶盒，然后并把液晶盒放在的514nm的Ar +全息曝光光路中曝光， 曝光時間為60到120秒，最終經(jīng)相分離固化后形成電控液晶成像光柵模塊，對應(yīng)于分別形成圖6所示左向和右向傾斜條紋的電控體全息光柵。電控柱面透鏡模塊由上玻璃基板11、線形透明電極10、液晶材料12、ITO導(dǎo)電膜 13和下玻璃基板14組成，其結(jié)構(gòu)如圖7示。在上方玻璃基板11上刻有線形透明電極10 ； 在下方玻璃基板14內(nèi)側(cè)的整個表面上均勻地涂覆有ITO導(dǎo)電膜13。當(dāng)顯示系統(tǒng)工作在2D 模式下時，板間無電場，液晶保持統(tǒng)一的尋常折射率，光學(xué)性質(zhì)上等效為玻璃平行平板，對
素相同微控制電路組成，共計四個正方形微結(jié)構(gòu)單元對齊排列構(gòu)成一個完整的像素結(jié)構(gòu)。 每個子像素單元對應(yīng)于RGB三基色中的一種。在2D顯示模式下，每個像素單元所需的某一基本色彩對應(yīng)于某一個子像素；在3D顯示模式下，兩幅存在視差的圖像被豎直切割成條狀，并交叉合成在顯示器面板上，其微觀排列方式如圖4所示，其中，每一條狀圖像由上下相鄰的一列像素單元組成，而左右相鄰的像素則分別構(gòu)成左眼圖像和右眼圖像，此時每個像素仍然包含3個RGB子像素，每種基本色彩某個色子像素提供。
分像光柵模塊由一片電控體全息光柵組成。如圖5所示，由下方像素控制模塊垂直入射的光以布拉格衍射角9工和θ 2向左眼側(cè)和右眼側(cè)射出，其中，全息光柵條紋的延伸方向與光柵法線所成角分別等于1/2 θ工和1/2 θ 2，即布拉格衍射角平分線方向。單個光柵的尺寸等于像素寬度，即0. 567毫米，由公式光線無折射作用。當(dāng)系統(tǒng)工作在3D模式下時，控制電路對上下非對稱電極施加電壓，使液晶層12間形成了由電極向整個下基板輻射式電場分布，電場分布呈現(xiàn)周期性平行對稱態(tài)， 液晶微滴的光軸方向沿電力線方向分布，其折射率呈現(xiàn)中央大，兩側(cè)小，由中心向兩側(cè)逐漸減小的周期性分布，如圖8所示，此時該模塊光學(xué)上等效為柱面透鏡，該柱透鏡像方焦距等于顯示器最佳觀看距離，在本實例中，考慮到人眼到顯示屏的近視距離較近，本實例中距離為300毫米左右。當(dāng)在分像光柵模塊的ITO導(dǎo)電玻璃上施加100V交流電壓，電控聚合物分散液晶的光柵特點就是在電場作用下衍射作用消失。主要原理是由于在電場作用下，液晶微滴的指向矢方向同電場方向重合，如果液晶微滴的尋常折射率同周圍聚合物的指向矢匹配，光柵作用就消失了。這樣就實現(xiàn)了平板玻璃效果。目前，通常H-PDLC的液晶盒厚度在 10微米左右，保證電場足夠大，需要施加50V-100V左右的交流電。光柵效應(yīng)擦除，則左右眼分光作用消失，相當(dāng)于平板玻璃。而此時在柱面透鏡上所施加的電壓拆除，則柱面透鏡也相當(dāng)于平板玻璃，因而能夠快速從3D轉(zhuǎn)化到2D狀態(tài)。對于電控柱面透鏡的實施步驟包括首先制作線性透明ITO電極；線形透明電極通過掩膜刻蝕法形成。第一步，在玻璃基板上涂覆ITO透明導(dǎo)電材料。第二步，在ITO材料上方涂覆光刻膠。第三步，激光光源或紫外光源透過利用預(yù)制的掩模板照射基板，未遮擋的光刻膠被腐蝕。第四步，對未受光刻膠保護的ITO材料進行刻蝕處理。第五步，將仍留存于線形電極上方的光刻膠沖洗剝離。然后將均勻ITO導(dǎo)電膜玻璃和線性透明ITO電極玻璃基板對齊并構(gòu)成液晶盒，再通過液晶盒工藝，填充厚度為20微米的純液晶。本發(fā)明所述的電控柱面透鏡對圖像起到聚焦作用，其光路參見圖9，光線垂直入射到全息分像光柵之后，分別形成了衍射方向分別向左和向右的兩束平行光。因為本發(fā)明所述之電控柱面透鏡像方焦平面處于人眼所在平面，故平行入射到透鏡的圖像光互不干擾地分別聚焦于左眼和右眼。為了進一步降低成本，可將立體顯示器采用預(yù)制光學(xué)玻璃或樹脂等傳統(tǒng)光學(xué)透鏡材料制造的柱面透鏡。當(dāng)使用模式切換至3D狀態(tài)時，通過電路改變顯示面板的顯示設(shè)置， 同時手動安裝透鏡；當(dāng)顯示模式切換回2D狀態(tài)時，再由手動拆除該透鏡。為在技術(shù)上實現(xiàn)上述四大功能，在本發(fā)明的另外一個實例包括 準直性背光源模塊，所述背光源的光線出射方向與出射面相垂直。顯示面板，所述顯示面板采用以預(yù)設(shè)圖案二維排列設(shè)置多種顏色子像素的顯示面。每個子像素對應(yīng)于顯示所需的多種色彩中的一種。電控全息分像光柵，所述光柵布置于顯示面板之上，在非加電狀態(tài)下，可使垂直射來的光以一定的衍射角出射；在加電狀態(tài)下，可是入射光以原方向無損失地透射。電控柱面透鏡，所述柱面透鏡鄰接于電控全息分像光柵之上，且其像方焦平面位于觀察者雙眼所構(gòu)成平面位置。在該實施例中，整個顯示器的核心原理及結(jié)構(gòu)如圖9所示。首先，背光源顯示面板提供高準直度的背景光，垂直打到顯示面板的每一個像素上。白光透過顯示面板的光線被子像素濾光片濾波，而帶上不同顏色。隨后，出射光經(jīng)過液晶層進行灰度調(diào)整后垂直入射到電控全息分像光柵上。以左眼圖像為例，全息分像光柵將各左眼條狀圖像向左衍射至左眼方向，將右眼條紋圖像向右衍射至右眼方向。此時，電控柱面透鏡在電路控制下形成等效于面板縱向放置的柱面透鏡，從而使具有統(tǒng)一出射方向的左眼圖像光聚焦于最佳觀看距離處的觀看者左眼；右眼圖像聚焦于觀察者右眼。相較于傳統(tǒng)微柱面透鏡式立體顯示器，本發(fā)明所采用的分像光柵采用激光相干原理制造，不需要高精度的機械加工，因而使得成本大大降低。對比傳統(tǒng)分像方法，例如狹縫光柵式立體顯示器，本發(fā)明采用的全息光柵具有超過90%的衍射效率，因此在此傳播過程中，并幾乎沒有光強損失，最大限度地保持了顯示器的亮度?；谏鲜鰞?yōu)點，本發(fā)明使得如手機，PDA、筆記本電腦或平板電腦顯示屏等便攜式立體顯示終端得以在不損失顯示質(zhì)量的情況下，實現(xiàn)成本低、亮度高、重量輕和待機時間長等設(shè)計要求。為進一步減小便攜式顯示終端的體積和重量，同時降低制造難度和成本。本發(fā)明運用模塊化設(shè)計思想，將柱面透鏡模塊獨立出來，設(shè)計為預(yù)制的，可方便安裝和拆卸的模塊。所述之柱面透鏡模塊由光學(xué)玻璃或樹脂材料制成，在使用時，只需從保護套件中取出， 將透鏡底面對準顯示面板上方卡槽軌道或彈片夾插入，當(dāng)透鏡安裝到位時，固定裝置會自動閉鎖，保持最佳的安裝姿態(tài)；若要拆除該模塊，則只需輕按保險，固定裝置自動解鎖，將透鏡沿導(dǎo)軌輕輕拉出即可完成拆卸。
權(quán)利要求
1.一種新型立體顯示器系統(tǒng)，由下至上依次包括準直性背光模塊、灰度控制模塊、像素控制模塊、電控分像光柵模塊和電控柱面透鏡模塊，灰度控制模塊緊貼于背光模塊，以使透過該模塊的光線具有較高準直度，灰度控制模塊由內(nèi)側(cè)鍍有ITO透明導(dǎo)電層的上、下玻璃基板和夾在其間的液晶材料組成；像素控制模塊由彩色濾波片組成；分像光柵模塊由分像光柵及其ITO玻璃控制電極組成；柱面透鏡模塊由液晶和上、下層透明非對稱電極構(gòu)成，其特征在于，所述電控分像光柵模塊由下方像素控制模塊垂直入射光通過后，以布拉格衍射角θ^π θ2向左眼側(cè)和右眼側(cè)射出，全息光柵條紋的延伸方向與光柵法線所成角分別等于 1/2 θ工和1/2 θ 2，即布拉格衍射角平分線方向，單個光柵的尺寸等于像素寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型立體顯示器系統(tǒng)，其特征在于，所述ITO透明導(dǎo)電層由ITO 導(dǎo)電膜、像素電極和驅(qū)動晶體管組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型立體顯示器系統(tǒng)，其特征在于，所述像素控制模塊由彩色濾波片組成，彩色濾波片為RGB三色單元陣列組成的濾波片，RGB三色單元以形如品字形的結(jié)構(gòu)為單位依次排列，即一個完整的像素單元三個方形RGB子像素以及形狀、面積與單個像素相同微控制電路組成，共計四個正方形微結(jié)構(gòu)單元對齊排列構(gòu)成一個完整的像素結(jié)構(gòu)，每個子像素單元對應(yīng)于RGB三基色中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型立體顯示器系統(tǒng)，其特征在于，所述電控柱面透鏡模塊由上玻璃基板、線形透明電極、液晶材料、ITO導(dǎo)電膜和下玻璃基板組成，在上方玻璃基板上刻有線形透明電極；在下方玻璃基板內(nèi)側(cè)的整個表面上均勻地涂覆有ITO導(dǎo)電膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型立體顯示器系統(tǒng)，其特征在于，所述電控分像體全息光柵是通過全息掩膜曝光方法制作，即分步曝光法，通過完全涂黑的遮住左眼信息部分的掩模板緊緊扣住聚合物分散液晶盒，曝光右眼信息所需的部分光柵；再通過完全遮掩右眼信息部分的掩模板，曝光制作針對左眼方向衍射所需的左向傾斜方向的光柵結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型立體顯示器系統(tǒng)，工作模式可在2D與3D間快速切換。在3D模式下，全息分像光柵將不同像素的出射光分別衍射向不同方向，再由柱面透鏡分別聚焦于左右兩眼，使人眼觀看到具有視差的圖像，并在人腦中形成立體視覺。在外加電場的切換作用下，分像光柵可視為平板玻璃，柱面透鏡效應(yīng)亦可拆除，從而顯示系統(tǒng)恢復(fù)到2D顯示狀態(tài)。系統(tǒng)在分像的過程中的亮度損失不高于10%，相較于狹縫光柵式立體顯示器具有高亮度的優(yōu)勢；相較于微柱面透鏡式立體顯示器具有成本優(yōu)勢，其制造工藝兼容現(xiàn)有的液晶面板制造技術(shù)，工藝簡單，成本低廉；低功耗，適用于小功率便攜式顯示終端。
文檔編號G02F1/1335GK102231020SQ20111018749
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者孫立嘉, 莊松林, 鄭繼紅 申請人:上海理工大學(xué)