空間光調(diào)制器及其光場三維顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種裸眼立體顯示【技術領域】的空間光調(diào)制器及其光場三維顯示系統(tǒng)，該空間光調(diào)制器采用一個二維陣列或由一個一維陣列和與之相連的一維掃描機械裝置構成的模擬二維陣列得以實現(xiàn)；陣列中的每一個像素由一個光線偏轉(zhuǎn)器進行控制。該光場三維顯示系統(tǒng)包括：光源模塊和與之相連的空間光調(diào)制器。本發(fā)明具有大偏轉(zhuǎn)角、高偏轉(zhuǎn)精度，快速響應的優(yōu)點，來實現(xiàn)大可視角、大再現(xiàn)深度、高分辨率的光場三維顯示。
【專利說明】空間光調(diào)制器及其光場三維顯示系統(tǒng)【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種裸眼立體顯示【技術領域】的裝置，具體是一種空間光調(diào)制器及其光場三維顯示系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]近幾十年，顯示技術發(fā)展突飛猛進，對比度、視角、分辨率、色彩保真度等性能越來越高，體積重量越來越小。然而傳統(tǒng)顯示器件只能提供二維平面圖像，缺少深度信息(第三維)。而周圍的現(xiàn)實世界是三維的，二維顯示限制了感知和理解復雜的現(xiàn)實世界，三維顯示逐漸成為顯示領域的新發(fā)展趨勢。
[0003]光場三維顯示是一種重要的三維顯示技術。光場顯示通過模擬真實三維場景中物體發(fā)光的方式來重建物體周圍的光場分布，從而重現(xiàn)三維影像。自由空間中，對于給定的波長和時刻，可以用一個五維函數(shù)L(x，y，z，Θ, Ψ)表示以一個靜止光場，其中:x、y、z為光線中任一點的三維坐標，?、Ψ分別為光線的傳播方向，λ為光線的波長，t為時間。對于現(xiàn)實生活中的物體，無論是自身發(fā)光還是漫反射其它光源，都會在自己周圍形成獨特的光場分布。光場顯示的原理是通過空間光調(diào)制器(SLM)調(diào)制產(chǎn)生不同強度和方向的空間光線，重現(xiàn)整個光場分布。用于光場重構的空間光調(diào)制器可以看做光場在空間中的一個二維截面，這個截面與無數(shù)個包含強度和三維方向的矢量(光線)相交。然而，實際上空間光調(diào)制器不可能同時調(diào)制無數(shù)個連續(xù)矢量，只能顯示有限個離散的矢量。
[0004]實現(xiàn)光場顯示的方法有以下幾種:1)用高速投影機和高速旋轉(zhuǎn)的縱向散射屏，投影到散射屏上的光線在橫向上反射，在縱向上被散射開，使不同方向投影出不同圖像，而其他視角被遮擋。當左右眼 分別橫跨兩個視點時，經(jīng)過大腦融合成像就能產(chǎn)生真實的三維感受。但旋轉(zhuǎn)屏不可避免的導致圖像不穩(wěn)定，且快速機械裝置體積龐大，功率高。2)由多臺投影機和全息定向屏實現(xiàn)。各臺不同的投影機從不同方向投影圖案，構成了不同的視角圖像，全息定向屏控制發(fā)光的角度使其組合成連續(xù)分布的視角圖像，從而形成一幅完整的畫面。然而多個投影儀系統(tǒng)造價昂貴，校準困難。3)通過空間光調(diào)制器分別控制光線的位置和方向，來重現(xiàn)三維物體。
[0005]但是該方案受限于幾個關鍵因素:a)現(xiàn)有空間光調(diào)制器的偏轉(zhuǎn)角小。傳統(tǒng)的相位型空間光調(diào)制器依靠相鄰像素之間的相位差產(chǎn)生光線角度偏轉(zhuǎn)。像素尺寸越小，所能達到的偏轉(zhuǎn)角越大。目前商用的空間光調(diào)制的像素一般在6 μ m-8 μ m，導致偏轉(zhuǎn)角度只有2到3度。b)空間光調(diào)制器的響應速度慢。Gordon Wetzstein等人在2012年提出用多層空間光調(diào)制器隔開一定距離，用不同空間光調(diào)制器層的特定像素組來定義光的方向和強度(文獻“Tensor displays:compressive light field synthesis using multilayer displayswith directional backlighting,，，ACM Transactions on Graphics (TOG),31,80,2012)。但是其響應速度大于2ms，因此為了重現(xiàn)不同方向的角度，光場顯示需要以犧牲空間分辨率來提供角度信息Jordon Wetzstein在同篇文獻中提到也可以由單層空間光調(diào)制器配合多角度出射的背光源來實現(xiàn)光場顯示。但是因為空間光調(diào)制器的響應速度不夠快，需要犧牲空間分辨率來換取角度信息。
[0006]由于現(xiàn)有空間光調(diào)制器偏轉(zhuǎn)角度小、響應速度慢，造成光場三維顯示觀察視角小、再現(xiàn)深度淺和空間分辨率低。D.E.Smalley等人在2013年提出采用聲波調(diào)制的空間光調(diào)制器來增加響應速度(文獻“Anisotropic leaky-mode modulator for holographic videodisplays，” Nature，498，313，2013)，也能一定程度上擴大了偏轉(zhuǎn)角。但是這些方案需要將角度信息轉(zhuǎn)化為高頻信號，并需要機械掃描裝置，使系統(tǒng)變得更加復雜。
[0007]聚合物穩(wěn)定藍相液晶(以下稱藍相液晶)是聚合物穩(wěn)定的一種液晶特殊相。藍相液晶具有雙螺旋結(jié)構，有較短的相干長度，因此有很快的響應速度，可以達到微秒級(文獻“A low voltage and submiIlisecond-response polymer-stabilized blue phase liquidcrystal, ” Appl.Phys.Lett., 102,141116, 2013),且該材料不需要配相層，工藝簡單，容易制造。
[0008]經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，宋世軍等，在《變焦納米液晶透鏡的體三維立體顯示器的初步研究》(現(xiàn)代顯示AdvancedDisplay,總第83/84期)中提出一種基于電動變焦納米液晶透鏡的3D立體顯示器。該變焦透鏡具有50Hz的高速響應以達到無閃爍的顯示。梯度折射率納米聚合物分散液晶透鏡通過紫外掩模制作，具有透明性好，響應速度快的優(yōu)點。采用快速陰極射線管作為二維顯示器。因為藍相液晶透鏡只能實現(xiàn)開關切換，無法改變焦距。因此需要由多個不同位置的像素來提供多個方向信息，大大降低了分辨率；而且因為藍相液晶透鏡靠非均勻電場產(chǎn)生的相位差小，焦距長，導致該3D顯示的可視范圍??；而且因為藍相液晶透鏡米用的結(jié)構中，電場方向、液晶盒厚方向和光傳播方向在同一個方向:增大液晶盒厚，可以增加一些相位差，但是電壓也大大增加。
[0009]中國專利文獻號CN102713732A，公開(公告)日2012.10.03，公開了一種光偏轉(zhuǎn)器以及采用該光偏轉(zhuǎn)器的液晶顯示裝置，該技術使光偏轉(zhuǎn)向規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向且能夠?qū)獾钠D(zhuǎn)角度進行調(diào)制的光偏轉(zhuǎn)器，其具備在規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向上排列配置的多個液晶偏轉(zhuǎn)元件。在至少一組相鄰的成對的液晶偏轉(zhuǎn)元件中，一方的液晶偏轉(zhuǎn)元件在規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向上的大小與另一方的液晶偏轉(zhuǎn)元件在規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向上的大小不同。但該技術由于采用普通向列型液晶，響應速度慢、角度數(shù)量太少，偏轉(zhuǎn)精度低。因此景深很小。其次，由于其液晶做在三角形的基板上，需要配相層，導入液晶的工序非常復雜，因此較難實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種空間光調(diào)制器及其光場三維顯示系統(tǒng)，具有大偏轉(zhuǎn)角、高偏轉(zhuǎn)精度，快速響應的優(yōu)點，完全不用犧牲空間分辨率并保持電壓不必增加的基礎上實現(xiàn)大可視角、大再現(xiàn)深度、高分辨率的光場三維顯示。
[0011]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0012]本發(fā)明涉及一種光場三維顯示系統(tǒng)，包括:光源模塊和與之相連的空間光調(diào)制器，其中:空間光調(diào)制器通過時序方法，以像素為單位對光源模塊各個方向上的光線進行強度調(diào)制，使得光源模塊重現(xiàn)三維物體的光場，從而實現(xiàn)三維顯示。
[0013]所述的光源可采用單不限于:激光的相干光源、發(fā)光二極管(LED)等非相干光源
坐寸ο
[0014]所述的光源為單個整體背光光源或由多個亞背光光源組成，其中:每個亞背光源對空間光調(diào)制器的一個或一組像素提供背光。
[0015]所述的整體背光光源以及亞背光光源均可以在時序上調(diào)制強度或是強度不變。
[0016]所述的空間光調(diào)制器采用一個二維陣列或由一個一維陣列和與之相連的一維掃描機械裝置構成的模擬二維陣列得以實現(xiàn)。
[0017]所述的陣列中的每一個像素由一個光線偏轉(zhuǎn)器進行控制。
[0018]所述的光線偏轉(zhuǎn)器優(yōu)選設有一個強度調(diào)制器，該強度調(diào)制器是通過電信號控制光強度的器件，可以采用但不限于普通向列型液晶顯示器、藍相液晶顯示器、數(shù)字微鏡等任何能實現(xiàn)電控光強度的器件。
[0019]所述的光線偏轉(zhuǎn)器包括:平行于光傳播的方向設置的上、下基板、位于上基板內(nèi)側(cè)的第一電極、位于下基板內(nèi)側(cè)的第二電極以及設置于上、下基板間的藍相液晶層。
[0020]所述的上、下基板可以采用但不限于玻璃石英、硅或聚合物制成。
[0021]所述的第一電極和第二電極可以采用但不限于氧化銦錫(Indi μ m Tin Oxide,ITO)材料、金屬、導電聚合物或任何導電物制成。
[0022]所述的電極的形狀可以采用但不限于單個三角形、多個三角形組成的鋸齒形、多邊形、圓形等，電極的厚度為20納米到10微米。
[0023]所述的藍相液晶層由兩塊藍相液晶材料和位于其中間的間隔物組成，其中:藍相液晶材料的厚度為2微米到2毫米；間隔物為球狀或柱狀結(jié)構，由樹脂、硅或任何可以控制液晶厚度的材料制成。
[0024]所述的藍相液晶材料優(yōu)選為聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料。
[0025]所述的光線偏轉(zhuǎn)器進一步優(yōu)選包括:用于電控偏振態(tài)90度轉(zhuǎn)換的偏振轉(zhuǎn)換器。
[0026]所述的光線偏轉(zhuǎn)器進一步優(yōu)選包括:設置于上基板內(nèi)側(cè)的第三電極以及設置于下基板內(nèi)側(cè)的第四電極。
[0027]所述的第三電極和第四電極可以采用但不限于氧化銦錫材料、金屬、導電聚合物或任何導電物制成。
[0028]所述的電極的形狀可以采用但不限于單個三角形、多個三角形組成的鋸齒形、多邊形、圓形等，電極的厚度為20納米到10微米。
[0029]所述的第一電極和第三電極均位于上基板內(nèi)側(cè)且互相不導通，第一電極和第三電極上分別連接不同的電信號。
[0030]所述的第二電極和第四電極均位于下基板內(nèi)側(cè)且互相不導通，第二電極和第四電極上分別連接不同的電信號。
技術效果
[0031]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下的有益效果:
[0032]I)本發(fā)明由在上下基板上的電極的形狀控制藍相液晶中的折射率分布，形成類似棱鏡的結(jié)構，平行于基板方向傳播的光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可以達到很大的偏轉(zhuǎn)角，因此本發(fā)明的三維顯示可以達到大視角。
[0033]2)本發(fā)明的電壓可以連續(xù)控制折射率變化，可以連續(xù)控制光線偏轉(zhuǎn)角，偏轉(zhuǎn)精度很高，因此本發(fā)明的三維顯示可以達到大重現(xiàn)深度。
[0034]3)本發(fā)明采用快速響應的藍相液晶，因此可以在一幀圖像時間內(nèi)掃描多個角度，因此本發(fā)明的三維顯示可以達到高分辨率?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0035]圖1為光場三維顯示原理示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明整體結(jié)構示意圖1 ;
[0037]圖3為本發(fā)明整體結(jié)構示意圖2 ；
[0038]圖4為本發(fā)明單像素結(jié)構示意圖；
[0039]圖5為本發(fā)明實施例1中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構圖1 ;
[0040]圖6為本發(fā)明實施例1中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)角隨電極角度θ p變化的曲線示意圖；
[0041]圖7為本發(fā)明實施例1中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)角隨電致雙折射率變化的曲線示意圖；
[0042]圖8為本發(fā)明實施例1中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構圖2 ；
[0043]圖9為本發(fā)明實施例1中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構示意圖3 ；
[0044]圖10為本發(fā)明實施例2中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構圖1 ;
[0045]圖11為本發(fā)明實施例2中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構圖2 ；
[0046]圖中:10三維物體、11空間光調(diào)制器、12像素單元、13機械掃描裝置、14強度調(diào)制器、15光線偏轉(zhuǎn)器、16上基板、17下基板、18電極、19電極、20藍相液晶、21散射觀察屏幕、22偏振轉(zhuǎn)換器、23電極、24電極。
【具體實施方式】
[0047]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0048]如圖1所示，為本實施例的光場顯示的原理圖；本實施例中:空間光調(diào)制器11通過各個像素單元12模擬三維物體10發(fā)出的光線，來重現(xiàn)三維影像。
[0049]如圖2和圖3所示，空間光調(diào)制器11是由像素單元12組成的一個二維陣列。圖3是空間光調(diào)制器的另一種整體結(jié)構圖，其中:空間光調(diào)制器11是由像素單元12組成的一個一維陣列，配合機械掃描裝置13擴展成模擬二維陣列。
[0050]如圖4所示，空間光調(diào)制器的每個像素12為一個強度調(diào)制器14和一個光線偏轉(zhuǎn)器15。當光源13發(fā)出的光線經(jīng)過空間光調(diào)制器以后，它的強度和方向分別被14和15調(diào)制。
[0051]如圖5所示，藍相液晶20夾在上基板16，下基板17之間。在上基板16內(nèi)側(cè)有三角形第一電極18,在下基板17內(nèi)側(cè)有三角形第二電極19。光沿著z方向傳播,與上基板16和下基板17平行。第一電極18和第二電極19對齊,他們的斜邊與光線傳播方向的夾角為θ p。當?shù)谝浑姌O18和第二電極19之間沒有電勢差時，沒有電場產(chǎn)生，因此這個液晶盒中的藍相液晶20是各項同性的，整個器件內(nèi)的折射率橢球呈球狀，各個方向的折射率均勻分布為nis。。因此光線通過該器件時,方向沒有改變。在第一電極18和第二電極19之間施加電壓時，處于電極覆蓋區(qū)域的藍相液晶，由于豎直電場產(chǎn)生了電致雙折射率，折射率橢球從球狀變成了豎直方向拉長的橢球。對于y方向偏振的光(非常光，e光)來說，折射率增大為1(E)，對于X方向偏振的光(尋常光，O光)來說，折射率減小為η。?)。而在沒有電極覆蓋區(qū)域的藍相液晶，仍然保持各向同性，折射率為nis。。由于電極的形狀，整個藍相液晶折射率分布相當于一個棱鏡或者有很大相位變化的光柵。當光入射在折射率變化界面時，根據(jù)斯涅爾定理npin Θ J=Ii2Sin Θ 2，光線發(fā)生偏轉(zhuǎn),其中叫和n2是入射媒介和出射媒介的折射率，01和02是在界面的入射和出射角度。三角形電極角度θρ越小，或者叫和巧的差別越大，則產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角大。這里對ο光來說,Ii1=Iitj(E),對e光來說,1^=? (E),而n2總是等
于1^。。根據(jù)藍相液晶的電光特性:?⑷= %--->n(E)，ne(E) = nlS0+jM(E), ο光和e
光朝相反的兩個方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。加在第一電極18和第二電極19上的電壓越大,產(chǎn)生的電致雙折射率An(E)越大，偏轉(zhuǎn)角也越大。
[0052]藍相液晶電致雙折射率在低電場下遵循擴展科爾效應:Δη(￡) = Ans [l - exp (-.)]，其中:八ns是藍相液晶材料能夠?qū)崿F(xiàn)的最大電致雙折射率,稱
為飽和電致雙折射率，Es是飽和電場，決定了達到飽和電致雙折射率的63%所需的電場。
[0053]用擴展科爾模型對該藍相液晶偏轉(zhuǎn)器進行如下仿真:首先用有限元算法根據(jù)泊松方程
[0054]▽(￡.▽<&) = O計算出電勢分布，然后根據(jù)￡ = -νΦ:算出電場的大小和方向。再根據(jù)擴展科爾模型算出電致雙折射率AnE的分布，從而算出折射率分布。最后對非常光和尋常光的角度進行計算。
[0055]圖6是計算得到的光線偏轉(zhuǎn)角隨電致雙折射率變化的曲線，這里假定三角形電極的角度θ ρ是10度，各向同性狀態(tài)下的藍相液晶折射率nis。為1.53?？梢姺浅９?e光)的偏轉(zhuǎn)角隨著電致雙折射率的增 大不斷增大。這說明了兩個問題:1)對于同樣的材料，在第一電極18和第二電極19之間施加的電壓越大，電場越強，電致雙折射率越大，因此偏轉(zhuǎn)角越大；2)對于不同的材料,飽和雙折射率Ass越大，所能達到的最大偏轉(zhuǎn)角度越大。然而對于尋常光(O光)來說，當電致雙折射率增大到一定值的以后，由于折射率和入射角滿足了全反射條件，偏轉(zhuǎn)角不再增大。
[0056]圖7是計算得到的非常光的偏轉(zhuǎn)角隨三角形電極角度θρ變化的曲線。這里假定niS()=1.53和Ans=0.18?？梢姦?p越小，偏轉(zhuǎn)角越大，因為等效棱鏡的相位差越快。
[0057]圖8是實施例1的藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構圖2。在上基板16內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第一電極18，在下基板17內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第二電極19。當?shù)谝浑姌O18與第二電極19之間沒有電勢差時，整個液晶盒內(nèi)的藍相液晶呈各向同性。光線通過時，沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當?shù)谝浑姌O18與第二電極19之間有電勢差時，由于電致雙折射率產(chǎn)生了折射率分布，相當于很多個等效棱鏡的疊加。e光(y方向偏振的光)會朝負X方向偏轉(zhuǎn)，而ο光(X方向偏振的光)會朝正X方向偏轉(zhuǎn)。光線每經(jīng)過一次折射率突變界面，就會產(chǎn)生一次光線偏轉(zhuǎn)。多次經(jīng)過各個鋸齒電極區(qū)域，光線的偏轉(zhuǎn)角就會累加，不斷增加。
[0058]由圖6可見，非常光和尋常光朝兩個不同的方向偏轉(zhuǎn)。為了增大偏轉(zhuǎn)角，可以使藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器進一步包含快速電控偏振轉(zhuǎn)換器22。
[0059]圖9是實施例1的藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構不意圖3。它包含一個電控偏振轉(zhuǎn)換器22和前述的藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器15 (包括結(jié)構I和結(jié)構2)。偏振轉(zhuǎn)換器22在開啟狀態(tài)時可以將偏振方向旋轉(zhuǎn)90度:即可以把非常光轉(zhuǎn)化為尋常光，也可以把尋常光轉(zhuǎn)化為非常光。偏振轉(zhuǎn)換器22在關閉狀態(tài)對偏振態(tài)不產(chǎn)生影響。如圖9所示，當偏振轉(zhuǎn)換器22關閉的時候，非常光通過22以后仍然是非常光，因此通過15以后光束往負X方向偏轉(zhuǎn)。當偏振轉(zhuǎn)換器22開啟的時候，非常光經(jīng)過22轉(zhuǎn)化成了尋常光，因此通過15以后光束往正X方向偏轉(zhuǎn)。反之，尋常光也可以經(jīng)歷類似的轉(zhuǎn)換。當偏振轉(zhuǎn)換器22可以在電信號控制下快速地在開啟和關閉狀態(tài)下切換，就可以實現(xiàn)總最大偏轉(zhuǎn)角度為非常光和尋常光最大偏轉(zhuǎn)角度之和。
[0060]光線經(jīng)過強度調(diào)制器，光的強度被調(diào)制。光線再經(jīng)過偏轉(zhuǎn)器，通過電壓可以控制偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)角度。這樣光線的方向就可以得到控制。因為藍相偏轉(zhuǎn)器的快速響應，本實施例可以在時序上，單個像素遍歷各個方向角度的信息，即單個像素就可以實現(xiàn)同時強度和方向的調(diào)制，不需要以犧牲空間分辨率來提供角度信息。由這些單像素組成的陣列(空間光調(diào)制器)因為本實施例的顯示偏轉(zhuǎn)精度極高，能夠更真實的模擬現(xiàn)實生活中的三維物體，使人能夠像看真實物體一樣觀看，長期觀看不會覺得疲勞。
實施例2
[0061]圖10是第二實例中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構圖1。藍相液晶20夾在上基板16，下基板17之間。在上基板16內(nèi)側(cè)有三角形第一電極18和三角形第三電極23，在下基板17內(nèi)側(cè)有三角形第二電極19和三角形第四電極24。三角形第一電極18與三角形第三電極23的形狀互補，但是隔開10微米到5毫米的距離。三角形第二電極19與三角形第四電極24的形狀互補，但是隔開10微米到5毫米的距離。光沿著z方向傳播，與上基板16和下基板17平行。第一電極18和第二電極19對齊,他們的斜邊與光線傳播方向的夾角為θρ1。第三電極23和第四電極24對齊,他們的斜邊與光線傳播方向的夾角為θρ2。當?shù)谝浑姌O18、第二電極19，第三電極23和第四電極24之間都沒有電勢差時沒有電場產(chǎn)生，因此這個液晶盒中的藍相液晶20是各向同性的，整個器件內(nèi)的折射率橢球呈球狀，各個方向的折射率均勻分布為nis。。因此光束通過該器件時，方向沒有改變。
[0062]如圖10所示，在第三電極23`和第四電極24之間施加電壓時，并且第一電極18和第二電極19之間沒有電勢差時，處于第三電極23和第四電極24覆蓋區(qū)域的藍相液晶，由于豎直電場產(chǎn)生了電致雙折射率，折射率橢球從球狀變成了豎直方向拉長的橢球。對于y方向偏振的光(非常光，e光)來說,折射率增大為ι\Ε,對于X方向偏振的光(尋常光，ο光)來說，折射率減小為η。?)。而在電極18、19覆蓋區(qū)域的藍相液晶，仍然保持各向同性，折射率Snis。。由于電極的形狀，整個藍相液晶折射率分布相當于一個棱鏡或者有很大相位變化的光柵。當光入射在折射率變化界面時，根據(jù)斯涅爾定理Ii1Sin Θ J=Ii2Sin Θ 2,光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其中=Ii1和n2是入射媒介和出射媒介的折射率，Θ i和Θ 2是在界面的入射和出射角度。三角形兩個電極23、24的角度θρ2越小，或者ηι和Ii2的差別越大，則產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角大。這里對ο光和e光來說，H1=Iiiso ;對e光來說，n2=ne (E),對于ο光來說，n2=n0 (E)。根據(jù)藍相
液晶的電光特性:ησ(Ε) = Tim -^Δη(Ε), Ke(E) = Iiiso +-M(E), e光朝正x方向偏轉(zhuǎn)，而ο光朝負X方向偏轉(zhuǎn)。
[0063]當?shù)谝浑姌O18和第二電極19之間有電勢差，并且兩個電極23、24之間沒有電勢差時，處于電極18、19覆蓋區(qū)域的藍相液晶折射率橢球從球狀變成豎直方向拉長的橢球狀，而處于兩個電極23、24覆蓋區(qū)域的藍相液晶仍然保持各向同性(類似于圖5)。則非常光(e光)朝負X方向偏轉(zhuǎn)，而尋常光(ο光)朝正X方向偏轉(zhuǎn)。這樣，通過控制電極18、19或者電極23、24，可以控制光線往兩個不同方向偏轉(zhuǎn)，總的最大偏轉(zhuǎn)角度為單邊偏轉(zhuǎn)角度的兩倍。
[0064]圖11是第二實例中藍相液晶光線偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構圖2。在上基板16內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第一電極18和鋸齒狀的第三電極23，在下基板17內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第二電極19和鋸齒狀的第四電極24。第一電極18與第三電極23的形狀互補，但是隔開10微米到5毫米的距離。第二電極19與第四電極24的形狀互補，但是隔開10微米到5毫米的距離。當?shù)谝浑姌O18、第二電極19、第三電極23和第四電極24之間都沒有電勢差時，整個液晶盒內(nèi)的藍相液晶呈各向同性。光線通過時，沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
[0065]當?shù)谝浑姌O18與第二電極19之間有電勢差時，并且第三電極23和第四電極24之間沒有電勢差時，由于電致雙折射率產(chǎn)生了折射率分布。e光(y方向偏振的光)會朝負X方向偏轉(zhuǎn)，而ο光(X方向偏振的光)會朝正X方向偏轉(zhuǎn)。光線每經(jīng)過一次折射率突變界面，就會產(chǎn)生一次光線偏轉(zhuǎn)。多次經(jīng)過各個鋸齒電極，光線的偏轉(zhuǎn)角就會累加，不斷增加。
[0066]當?shù)谌姌O23與第四電極24之間有電勢差時，并且第一電極18和第二電極19之間沒有電勢差時，由于電致雙折射率產(chǎn)生了折射率分布。e光(y方向偏振的光)會朝正X方向偏轉(zhuǎn)，而ο光(X方向偏振的光)會朝負X方向偏轉(zhuǎn)。光線每經(jīng)過一次折射率突變界面，就會產(chǎn)生一次光線偏轉(zhuǎn)。多次經(jīng)過各個鋸齒電極區(qū)域，光線的偏轉(zhuǎn)角就會累加，不斷增加。
[0067]通過控制第一電極18、第二電極19或者第三電極23、第四電極24，就可以使光線偏轉(zhuǎn)方向達到單邊偏轉(zhuǎn)的兩倍。通過增加四個電極18、19、23、24的鋸齒數(shù)，可以進一步增加偏轉(zhuǎn)角度。
【權利要求】
1.一種空間光調(diào)制器，其特征在于，采用一個二維陣列或由一個一維陣列和與之相連的一維掃描機械裝置構成的模擬二維陣列得以實現(xiàn)； 所述的陣列中的每一個像素由一個光線偏轉(zhuǎn)器進行控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器內(nèi)設有一個強度調(diào)制器，該強度調(diào)制器是通過電信號控制光強度的器件。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器包括:平行于光傳播的方向設置的上、下基板、位于上基板內(nèi)側(cè)的第一電極、位于下基板內(nèi)側(cè)的第二電極以及設置于上、下基板間的藍相液晶層。
4.根據(jù)權利要求3所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的藍相液晶層由兩塊藍相液晶材料和位于其中間的間隔物組成，其中:藍相液晶材料的厚度為2微米到2毫米；間隔物為球狀或柱狀結(jié)構。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器內(nèi)設有:用于電控偏振態(tài)90度轉(zhuǎn)換的偏振轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權利要求4所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的藍相液晶材料采用為聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器內(nèi)設有:設置于上基板內(nèi)側(cè)的第三電極以及設置于下基板內(nèi)側(cè)的第四電極； 所述的第一電極和第三電極均位于上基板內(nèi)側(cè)且互相不導通，第一電極和第三電極上分別連接不同的電信號； 所述的第二電極和第四電極均位于下基板內(nèi)側(cè)且互相不導通，第二電極和第四電極上分別連接不同的電信號。
8.根據(jù)上述任一權利要求所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的電極的厚度為20納米到10微米。
9.一種光場三維顯不系統(tǒng)，其特征在于，包括:光源模塊和與之相連的根據(jù)上述任一權利要求所述的空間光調(diào)制器，其中:空間光調(diào)制器通過時序方法，以像素為單位對光源模塊各個方向上的光線進行強度調(diào)制，使得光源模塊重現(xiàn)三維物體的光場，從而實現(xiàn)三維顯/Jn ο
10.根據(jù)權利要求9所述的光場三維顯示系統(tǒng)，其特征是，所述的光源為單個整體背光光源或由多個亞背光光源組成，其中:每個亞背光源對空間光調(diào)制器的一個或一組像素提供背光。
【文檔編號】G02F1/29GK103777432SQ201410075523
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權日:2014年3月4日
【發(fā)明者】李燕, 蘇翼凱, 榮娜, 陳超平, 陸建鋼, 吳佳旸, 高武然 申請人:上海交通大學