专利名称：基于液晶透镜的三维立体显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种液晶三维显示技术领域的装置，具体是一种基于液晶透镜的三维立体显示器。
背景技术：
随着人们生活水平的提高和科学技术的进步，作为信息传播中最为重要的一种手 段，显示技术也得到了日新月异的发展。近年来，人们已经不满足于传统的平面显示技术， 开始追求各种新颖的显示手段，三维立体显示以其独特的立体视觉刺激，受到了越来越多 的青睐。三维立体显示技术，其主要的目标是使人在观看显示器的图像时，产生有如观看 实际物体一样的立体感觉。三维立体显示技术主要采用的方法是使观察者左右眼分别观察 到有一定视差的两幅图像，从而在大脑中合成有立体感官的图像。早期使用的技术包括滤 色片技术、偏振眼镜技术、眼镜开关等技术，近年来又出现了障栅式和透镜式三维立体显示 等技术，比较前沿尚未成熟的技术还有体三维和全息三维立体显示技术等。经过对现有技术的检索发现，中国申请号为200710048382. 5的发明专利“基于偏 光视差条栅屏的三维自由立体显示装置”，其利用偏振光栅器件，使不同的像素区域的光线 以相互正交的偏振出射，通过合适的图像编码，观察者在佩戴偏振眼镜后，就可以使视差图 像对分别进入左右眼，从而形成三维立体视觉。又如中国申请号为200910047720. 2的发明专利“三维立体显示装置”，其利用柱 面透镜阵列对光线的偏折作用，使不同子像素发出的光线在空间上产生分离，当人眼观察 时，左右眼就能够观察到不同的子像素，通过适当的图像编码，就能使人眼观察到视差图像 对，从而产生立体视觉。通过分析现有的三维立体显示技术，可以发现对于偏振光栅式立体三维显示技 术，需要观察者佩戴偏振眼睛，其会影响观看的舒适度，而且当观察者数目增多时，眼镜的 数目也必须相应增加；对于传统的障栅式技术，由于障栅对屏幕的遮挡，其会大幅降低屏 幕亮度；透镜式三维立体技术，其使视差图像对在空间上分离，不需要观察者佩戴眼镜就可 以使观察者产生立体视觉，能提高观看舒适度，不会明显降低画面亮度，并适合多人同时观 看，但是其在2D到3D的转换上却比较难以实现。近年来液晶技术在显示领域得到了很快的发展。液晶是一种具有双折射效应的材 料，其物质形态介于液体和固体之间，既有液体的流动性，又具有固体内部组成单元周期排 列的特性，而且，液晶分子的空间朝向会随着电场的方向改变，或垂直于电场，或平行于电 场。通过适当的电场控制，就能在液晶材料的不同位置形成不同的折射率分布，从而产生各 种需要的光学效果。鉴于液晶材料的种种优势，液晶材料也被逐步应用在三维立体显示技 术中，以实现2D/3D转换。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于液晶透镜的三维立体显示器，通过电信号控制不同位置的液晶分子的偏转不同的角度，从而对于某一特定偏振态的 光线形成一定的折射率分布，从而模仿柱面透镜的光学折射作用，达到三维立体显示的效果。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括平面显示器和位于观众和平面 显示器之间的液晶透镜面板，其特征在于所述的液晶透镜面板包括近观众一侧的外基 板、近平面显示器一侧的内基板和位于外、内基板之间的液晶层。所述的平面显示器是阴极射线管显示器(CRT)、等离子体显示器(PDP)或液晶显 示器(LCD)，其显示图像为两个或更多视差图像进行编码合成后的图像。所述的外基板与内基板为方形平板，大小与相应的平面显示器匹配，厚度为0. 1 到2毫米之间，其由透明材料制成，如玻璃或塑料等。所述的外基板与内基板相对的一侧均设有透明导电层，该透明导电层为覆盖整个 外基板或内基板的直条状、斜条状透明信号电极层或透明公共电极层。透明导电层一般为 ITO材料制成，厚度为10纳米到500纳米。所述的透明信号电极层由若干个平行的条状电极组成，其中每2-100个条状电 极为一个单元，通过添加不同电压至每个条状电极以形成折射率分布结构。所述的外基板与内基板上与液晶层相接触的一侧均设有液晶配向层，材料为某种 有机涂料，如聚酰亚胺(PI)，厚度在10纳米到100纳米。所述的液晶层的周边设有隔离子以控制厚度，该液晶层为具有电可控双折射的液 晶材料制成；所述的隔离子为板载突起或直径为1到100微米的微球，如硅颗粒小球。所述的内基板上的透明导电层和配向层之间设有有机层，以改善液晶层内部的电 场分布，该有机层的厚度为0.1到10微米。所述的内基板与平面显示器相接触一侧设有线偏振膜，该线偏振膜的方向和内基 板中配向层的摩擦方向相一致。相对于传统的三维立体显示技术，本发明不会降低画面的亮度，不用佩戴任何眼 镜即可产生三维立体视觉效果，其可以灵活地使用电信号控制，能够容易地实现2D/3D的 转换，并可以根据需要改善三维立体显示的性能等。
图1为本发明的原理示意图。图2为本实施例的结构示意图。图3为本实施例的信号电极图形。图4为本实施例软件建模模型示例。图5为本实施例经软件仿真后的折射率分布。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本实施例以三视场三维立体显示器为实例，平面显示器选用14寸IXD显示器，其 分辨率为1366x768，子像素水平宽度为75. 5微米，观察距离选择为1米，并假设观察者的瞳 孔距离为65毫米。液晶透镜面板采用30微米的间隔，并使用10个电极来控制液晶偏转， 以形成所需的折射率分布，且液晶的驱动采用纯电控双折射(ECB)模式。如图1所示，为本发明的原理示意图，其以三视场立体显示为例。图中普通平面显 示器1的像素被分成PI、P2、P3三类，每三个像素为一个单元且按周期排列以显示有细微 差别的三幅视差图像。液晶透镜面板2中的弧形虚线为液晶分子在电信号控制下形成的类 似透镜的折射率分布的示意曲线。对于普通平面显示器1的像素单元，包含子像素P1、P2、 P3，其发出的光线经过液晶透镜面板2的光学折射作用后，分别投射到观察面3的三个不同 视点上，从而达到了使显示器不同像素光线在空间上分离的效果，从而可以使观察者产生 3D立体视觉。在图1中，i表示子像素宽度；ζ表示观察距离^表示视场间隔，f表示液晶透镜 的焦距，d表示液晶透镜的空间周期。其中，i、z、e为设计时的已知条件，d、f为需要得到 的设计参数。在本实施例中，像素宽度i取为75. 5微米，观察距离ζ取为1米，视场间隔e 可以为一倍瞳距、二分之一瞳距、三分之一瞳距等，这里取为一倍瞳距，即65毫米。通过图
中几何光学光路关系，可以得到设计参数的表达式
r zxi 7 nxexi/ = ~；d =--
e+ι e+i其中，η表示视点数目，这里取3，根据前述的数据，计算可得液晶透镜f为1. 16 毫米，周期间隔d为226. 24微米。通过调整加载在液晶层不同位置的电信号强度，就可以 使液晶层内形成类似常规固态透镜的折射率分布，并满足参数f与d的要求，从而形成三维 立体显示效果。如图2所示，本实施例包括平面显示器1和位于观众和平面显示器1之间的液晶 透镜面板2，其特征在于所述的液晶透镜面板2包括近观众一侧的外基板3、近平面显示 器1 一侧的内基板4和位于外、内基板4之间的液晶层5。所述的平面显示器1是常规液晶显示器(IXD)，其据三维立体显示需要，将两个或 更多视差图像进行编码合成后进行显示。在本实施例中，是将三幅有细微差别的视差图像 合成后进行显示的图像。所述的外基板3与内基板4为玻璃制成，厚度为0. 5毫米。所述的外基板3与内基板4相对的两侧，在外基板3 —侧设有覆盖整个基板的公 共电极6，在内基板4 一侧设有直条状透明信号电极层9。透明电极的材料为ΙΤ0，厚度为 200纳米。所述的外基板3与内基板4上与液晶层5相接触的一侧分别设有液晶配向层7和 配向层10，其材料为PI，厚度为100纳米；所述的内基板4上的液晶配向层10之间设有有机层11，以改善液晶层5内部的电 场分布，该有机层厚度为2微米。所述的内基板4与平面显示器1相接触一侧设有线偏振膜8，该线偏振膜8的方向 和内基板4中液晶配向层10的摩擦方向相一致。
液晶层5位于外基板3与内基板4之间，为具有电可控双折射的液晶材料制成， 在本实施例中，使用的液晶材料的特性参数为me = 1. 805，no = 1. 524，kl = 13. 9，k2 = 8. 4，k3 = 24. 2。液晶层中间设有隔离子12以控制厚度，隔离子12为直径为30微米的硅小 球。液晶层5内的虚线为电极层加载合适电压信号后所形成的理想折射率分布的示意图。
如图3所示，为均勻分布在内基板4上的直条状透明信号电极层9，其上由若干个 平行的条状电极组成，其中每10个条状电极为一个单元，10个电极的总周期为前述的周期 d，即226. 24微米。Vl到VlO为不同的电信号，其被加载到相应的透明电极上，形成电场分 布，控制液晶分子的偏转，实现类似需要的折射率分布，以实现液晶透镜的焦距为f。该信号 电极可以根须需要制作成倾斜状的条状电极。如图4所示，为通过软件建模得到的液晶透镜面板结构图。从图中可以看到，液晶 层5位于外基板3与内基板4之间。电极位于基板内部，用来模拟有机层对电场的隔离作 用，在基板与液晶层的界面上，均设置了平行的配向方向，以实现模拟纯电控双折射(ECB) 驱动模式。如图5所示，为上述仿真得到的折射率分布图，由于透镜为对称结构，图中只绘制 透镜一半的折射率分布状况。在图中，实线为理想的折射率分布，球状点分布为仿真得到 数据的分布，对比可以得到，其两者基本吻合。此时，一个单元中，10个电极上的电压分别 为4. 7995V, 2. 8406V, 2. 1744V, 1. 7462V, 1. 5613V, 1. 5613V, 1. 7462V, 2. 1744V, 2. 8406V, 4. 7995V。本实施例相对于传统的固态障栅或固态柱面棱镜式3D显示技术，采用液晶材料 形成液晶透镜，不仅可以实现2D/3D的转换，而且，通过改变加载到信号电极上的电压信 号，就可改变折射率分布，从而调整光路，改变3D的显示效果。这样就大大简化了 3D显示 的优化调整过程，有利于得到高性能的3D显示性能。
权利要求
一种基于液晶透镜的三维立体显示屏，包括平面显示器和位于观众和平面显示器之间的液晶透镜面板，其特征在于所述的液晶透镜面板包括近观众一侧的外基板、近平面显示器一侧的内基板和位于外、内基板之间的液晶层，所述的平面显示器显示的图像是根据三维立体显示需要，将两个或更多视差图像进行编码合成后的图像。
2.根据权利要求1所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的平面显 示器是阴极射线管显示器、等离子体显示器或液晶显示器，其显示图像为两个或更多视差 图像进行编码合成后的图像。
3.根据权利要求1所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的外基板 与内基板均为方形平板，其大小与相应的平面显示器相匹配，厚度在0. 1到2毫米之间。
4.根据权利要求1或3所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的外基 板与内基板相对的一侧均设有透明导电层，该透明导电层为覆盖整个外基板或内基板的直 条状、斜条状透明信号电极层或透明公共电极层。
5.根据权利要求4所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的透明信 号电极层由若干个平行的条状电极组成，其中每2-100个条状电极为一个单元，通过添加 不同电压至每个条状电极以形成折射率分布结构。
6.根据权利要求1或3所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的外基 板与内基板上与液晶层相接触的一侧均设有液晶配向层，厚度为10纳米到100纳米。
7.根据权利要求1所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的液晶层 的周边设有隔离子以控制厚度，液晶层为具有电可控双折射的液晶材料制成。
8.根据权利要求7所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的隔离子 为板载突起或直径为1到100微米的微球。
9.根据权利要求1所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的内基板 近平面显示器的一侧设有有机层，该有机层的厚度为0. 1到10微米。
10.根据权利要求1所述的基于液晶透镜的三维立体显示屏，其特征是，所述的内基板 与平面显示器相接触一侧设有线偏振膜，该线偏振膜的方向和内基板中配向层的摩擦方向 相一致。
全文摘要
一种液晶三维显示技术领域的基于液晶透镜的三维立体显示屏，包括平面显示器和位于观众和平面显示器之间的液晶透镜面板，其中所述的液晶透镜面板包括近观众一侧的外基板、近平面显示器一侧的内基板和位于外、内基板之间的液晶层，所述的平面显示器显示的图像是根据三维立体显示需要，将两个或更多视差图像进行编码合成后的图像。本发明利用电信号控制，因此可以方便地实现2D/3D之间转化，且通过调整电信号的强度分布，可以优化液晶透镜的光学性能，从而可以根据设计需要改善三维立体显示的性能。
文档编号G02F1/29GK101840071SQ201010171230
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者孙雄飞, 朱吉亮, 欧阳世宏, 苏翼凯, 陆建钢 申请人:上海交通大学