聚合物分散液晶薄膜、光场显示系统及方法

1.本公开发明涉及三维立体显示领域，尤其涉及一种聚合物分散液晶薄膜及基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示系统及光场显示方法。


背景技术：

2.在现实世界里，人眼看到空间中的物体是三维的，而传统的显示技术只能提供二维平面图像显示，缺少深度信息，这不符合人眼观看三维物体的视觉习惯。人眼在观看远近不同距离的物体时，眼球内睫状肌会调节晶状体的形状使物体的像聚焦到视网膜上，与此同时两个眼球在看近处物体时会向内转动，在看远处物体时会向外转动，这种现象称为辐辏效应。聚焦和辐辏总是同时发生的，相互匹配调节。然而，传统的二维平面显示由于缺少深度信息，聚焦和辐辏会产生调节冲突，易造成人眼的视觉疲劳。
3.光场显示技术是通过记录物体信息在传播过程中的三维位置信息再现出原物体的技术，如果能采集并投射出全光函数中七个维度的光线，将能使环境中所有人同时获得身临其境的全新视觉体验。光场作为理想的三维显示技术与传统的二维显示有着明显的区别：传统的二维显示器只能提供仿射、遮挡、光照阴影、纹理等心理视觉信息。光场显示技术除了能产生传统的二维显示器的所有信息外，还能够提供双目视差、移动视差、聚焦模糊三方面的生理视觉信息，能为观察者提供更真实的观看体验。而构建一个光场显示系统需要大量实验数据作为理论支撑，因此出现了三维光场显示仿真技术。


技术实现要素：

4.本发明主要目的在于提供一种能够更好地进行三维广场显示的基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示系统及光场显示方法。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.提供一种聚合物分散液晶薄膜，其采用质量比为55：45的向列相液晶e7和紫外光敏单体noa65，并通过聚合物诱导相分离pips法制备出的透射式聚合物分散液晶薄膜。
7.接上述技术方案，聚合物分散液晶薄膜的制备过程如下：
8.将质量比为55：45的向列相液晶e7和紫外光敏单体noa65通过多次振荡进行混合；
9.控制混合物的厚度为7.5μm；
10.在紫外线灯的作用下形成聚合物分散液晶薄膜。
11.接上述技术方案，在20℃和589nm波长下，向列相液晶e7的寻常光折射率ne＝1.7472、非寻常光折射率no＝1.5217。
12.本发明还提供一种基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示系统，包括背光源、显示面板、微透镜阵列和聚合物分散液晶薄膜；
13.所述背光源，位于显示面板的正左侧，由单个或多个点状光源成圆形排列而成，并同时点亮；
14.所述显示面板，用于显示元素图像阵列，元素图像阵列是一幅由光场采集得到的
多个图像元组成的元素图像阵列；
15.所述微透镜阵列，由多个微透镜感光元件等间距排列而成，用于将入射的平行光汇聚，产生具有特定传播方向和发散角的光源阵列，微透镜感光元件上的光圈图像按六边形排列，对六边形图像块进行规则化转化，最终得到正交的图像排列；
16.所述聚合物分散液晶薄膜，该聚合物分散液晶薄膜为权利要求1或2或3所述的聚合物分散液晶薄膜，在其外部施加驱动电压，并以聚合物分散液晶薄膜的中心为原点建立三维坐标系，元素图像阵列通过微透镜阵列显示在聚合物分散液晶薄膜上，显示出三维图像。
17.接上述技术方案，微透镜阵列的折射率为1.5，散射损耗为0.01。
18.接上述技术方案，所述元素图像阵列由虚拟相机阵列对指定三维物体采集得到，采集前对场景进行检测，保证相机阵列可以正常运行的前提下对镜头进行必要的畸变检查和矫正处理，对采集系统进行校正，最终获得单幅元素图像阵列。
19.接上述技术方案，微透镜阵列中相邻两个微透镜间距为0.15mm，微透镜阵列焦距为5.2mm，微透镜阵列数为60
×
60。
20.本发明还提供一种基于上述技术方案的基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示系统的光场显示方法，包括以下步骤：
21.通过虚拟相机阵列采集三维物体的光场信息，并通过三维软件构建元素阵列图像；
22.将元素阵列图像刷新在显示面板上；
23.通过微透镜阵列将入射的元素阵列图像进行汇聚，再入射到聚合物分散液晶薄膜上；
24.高速改变聚合物分散液晶薄膜的外加电压，实现高分辨率的三维显示。
25.本发明产生的有益效果是：本发明通过改变聚合物分散液晶薄膜的电压，调节该聚合物分散液晶薄膜的透射率；再利用人眼的暂留/余晖效应，将调制前和调制后的图像信息进行融合，可形成高分辨率的三维显示结果。与传统光场显示方法相比，本专利提出的光场显示系统通过聚合物分散液晶薄膜进行光场调制，可获得视差信息连续的光场显示结果，支持多人实时观看。此外，本专利针对传统光场显示方法亮度不足的问题，设置了外加光源提高显示屏幕的亮度，以获得更加清晰的显示结果；另外，本专利所提出的光场显示系统无需佩戴外置设备，裸眼即可观看到屏幕上呈现的三维图像。
附图说明
26.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
27.图1是本发明实施例基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示系统的结构示意图；
28.图2是本发明实施例基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示方法流程图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。
30.本发明提供了一种新的聚合物分散液晶薄膜，其采用质量比为55：45的向列相液晶e7和紫外光敏单体noa65，并通过聚合物诱导相分离pips法制备出的透射式聚合物分散液晶薄膜。
31.聚合物分散液晶薄膜使用的材料可选用向列相液晶e7和紫外光敏单体noa65，其中，在20℃和589nm波长下，向列相液晶e7的寻常光折射率ne＝1.7472、非寻常光折射率no＝1.5217。采用pips法(聚合物诱导相分离polymer induced phase separation)制备出透射式pdlc薄膜。
32.制备透射式pdlc薄膜关键工艺如下：
33.e7与noa65质量比为55：45，通过多次振荡进行混合；
34.混合物在紫外线灯36w@365nm作用下，照射20分钟，形成的厚度为7.5μm的聚合物分散液晶薄膜。
35.聚合物分散液晶薄膜中，单体分子由外部紫外光诱导，具有形成聚合物的聚合能力；随着聚合度的增加，液晶分子的溶解度随之降低。当溶解度小于一定阈值时，液晶分子析出；最后，液晶分子会分散在聚合物中。设液晶和单体的化学势能分别为μ
lc
和μm：
[0036][0037]
式中，lc表示液晶；m表示单体；是纯液晶状态下的化学势能；是纯单体状态下的化学势能；n
lc
表示混合物中液晶分子的数目，nm表示混合物中单体分子的数目，k是玻耳兹曼常数，t表示绝对温度。当聚合物分散液晶薄膜处于热平衡状态时，膜中各组分的化学势能均相等。在弱光照区域，单体在外紫外光的作用下发生聚合，逐渐形成聚合物，该区域的单体数量减少。由于单体的化学势能逐渐降低，由公式1和热平衡原理，单体从弱光照区迁移到强光照区，单体的化学势能得到补偿。同样，在强光照区域，由于单体的数量减少，液晶的化学势能逐渐增加，基于热平衡原理，液晶从强光照区域迁移到弱光照区域，相应地，液晶的化学势能得到补偿，最终完成相分离。
[0038]
在电压关断条件下，聚合物分散液晶薄膜中液晶微滴内指向矢是随机方向，即液晶的有效折射率数值与聚合物网络折射率不同，此时入射光将会散射或反射；而在电压开启状态下，液晶微滴将沿电场方向重新排列，即液晶的有效折射率数值恰好与聚合物网络折射率一样，形成了透明状态，入射光将直接穿过。
[0039]
入射的光线经过液晶分子后会逐渐衰减，衰减程度与聚合物分散液晶薄膜的透射率紧密相关。其中，聚合物分散液晶薄膜中，其薄膜透射率会随着外加电信号的变化而发生改变。设lo表示透射率，l表示最大透射率，则有：
[0040]
l0＝l(e
pdlc
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0041][0042]
其中，η为液晶分子的密度，s表示平均散射的横截面积，e
pdlc
表示外加电压，d为液
晶d型光学元件的厚度，即光线传播的路径。当聚合物分散液晶薄膜加载外加电压后，聚合物分散液晶薄膜的透射率得以提升。通过高速改变聚合物分散液晶薄膜的外加电压时和人眼的余晖效应，显示结果在人脑中进行融合，最终可获得高分辨率的三维显示结果。
[0043]
如图1所示，本发明实施例的基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示系统包含背光源、显示面板、微透镜阵列和聚合物分散液晶薄膜。背光源位于最左侧，往右依次是显示面板、微透镜阵列和聚合物分散液晶薄膜。
[0044]
背光源，位于显示面板的正左侧，由单个或多个点状光源成圆形排列而成，并同时点亮。
[0045]
显示面板，用于显示元素图像阵列，元素图像阵列是一幅由光场采集得到的多个图像元组成的微图像阵列。
[0046]
微透镜阵列，由多个透镜元等间距排列而成，用于将入射的平行光汇聚，产生具有特定传播方向和发散角的光源阵列，微透镜感光元件上的光圈图像按六边形排列，对六边形图像块进行规则化转化，最终得到正交的图像排列，微透镜阵列的折射率为1.5，散射损耗为0.01。
[0047]
聚合物分散液晶薄膜(即上述实施例的液晶薄膜)，以聚合物分散液晶薄膜的中心为原点建立三维坐标系，元素图像阵列通过微透镜阵列显示在聚合物分散液晶薄膜上，人眼可从聚合物分散液晶薄膜上观察到三维图像。
[0048]
即背光源发射的平行光到达显示面板后照明显示面板上的元素图像阵列，其光源进一步通过微透镜阵列进行汇聚，最终入射到聚合物液晶薄膜上实现三维像点的重建显示。
[0049]
其中，元素图像阵列可由虚拟相机阵列对指定三维物体进行光场采集得到，采集前需对场景进行检测，即保证相机阵列可以正常运行的前提下对镜头进行必要的畸变检查和矫正处理，对采集系统进行校正，最终获得单幅元素图像阵列。
[0050]
其中，光场采集主要包括以下步骤：
[0051]
1)、获取白图像，设置在整个光场成像系统启动前，用于充当光场采集系统的物理通检；
[0052]
2)、计算白图像中心点坐标，用于在获取白图像后，即保证本光场采集系统可以正常运行的前提下对镜头进行必要的畸变检查和矫正处理，采用光场相机和微透镜阵列对三维物体的光场信息进行采集。
[0053]
3)、合成孔径数字对焦，用于在计算白图像中心点坐标的同时，通过合成孔径数字对焦技术采集四维光场图像，在保证光通量的前提下，提高了图像的空间分辨率。
[0054]
4)、同步终端响应，用于存储和管理接收到的光场信息，在同步终端中对采集的光场信息进行重建、显示，并对其进行数据分析和阈值设置，显示最终的目标场景图像，即元素图像阵列。
[0055]
本实施例中，为了生成三维物体的元素图像阵列，在3dmax2016软件中设置了一虚拟相机阵列。其中，虚拟相机阵列数为60
×
60，虚拟相机焦距为5.2mm，虚拟相机间距0.15mm，虚拟相机视角为45
°
，虚拟相机分辨率为600
×
600。在3dmax2016中，设置渲染图像的分辨率为200
×
200。
[0056]
采用上述实施例的基于聚合物分散液晶薄膜的高分辨率光场显示系统的光场显
示方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0057]
s1、通过虚拟相机阵列采集三维物体的光场信息，并通过三维软件构建元素阵列图像；
[0058]
s2、将元素阵列图像刷新在显示面板上；
[0059]
s3、通过微透镜阵列将入射的元素阵列图像进行汇聚，再入射到聚合物分散液晶薄膜上；
[0060]
s4、高速改变聚合物分散液晶薄膜的外加电压，实现高分辨率的三维显示。可通过工业相机捕获高分辨率的三维显示图像。
[0061]
在光场显示端，所采用的玻璃型微透镜阵列参数为：相邻两个单元微透镜间距为0.15mm，微透镜阵列焦距为5.2mm，微透镜阵列数为60
×
60，微透镜阵列折射率为1.5，其散射损耗为0.01。pdlc薄膜的驱动电压为12vrms，驱动电压的电场频率为1khz。最终光场显示结果可通过工业相机(像元尺寸2.2μm*2.2μm，光学尺寸为1/2.5(cmos，分辨率为2592pixel*1244pixel))捕获。
[0062]
当显示完成后，判断是否继续运行，若为是，则继续返回初始状态，重新选取一个目标三维物体对其进行光场信息的采集工作，若为否，则结束该处理过程。
[0063]
当人眼观察三维结果时，可通过高速改变聚合物分散液晶薄膜的外加电压时和人眼的余晖效应，显示结果在人脑中进行融合，最终可获得高分辨率的三维显示结果。聚合物分散液晶薄膜的初始驱动电压为12vrms，外加电压的改变范围可在10vrms-14vrms之间随机选择，在该范围内聚合物分散液晶薄膜的透射率改变较小，通过不断刷新聚合物分散液晶薄膜的外加电压，基于人眼的余晖效应，最终可获得高分辨率的光场显示结果，外加电压的改变频率可与人眼的余晖效应时间保持一致。可以理解的是，也可以在相应的设置下，通过工业相机捕获三维结果。
[0064]
本发明通过基于聚合物分散液晶薄膜的光场显示装置可以获得更加完整、分辨率更高的三维图像。该系统在三维测量，三维显示、医疗检测等现代信息化应用中都具有很高的潜力和需求性。
[0065]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。