膽甾相液晶反射式立體顯示設備的制作方法

專利名稱：膽甾相液晶反射式立體顯示設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種立體顯示設備，特別是涉及一種膽甾相液晶反射式立體顯示設備。
目前正在開發的這種深度感技術很多。目前應用比較普遍的有兩種1、光全息立體顯示請參考[1]清華大學光學儀器教研組，《信息光學基礎》P249，機械工業出版社(1985)；[2]蔡履中，劉華光，《現代顯示》第一期，P39(1996)。
實現全息立體(即三維)顯示方案很多。但其記錄與再現的原理大體相同。先制作一個全息平面圖，即用相干光照明物體表面，將表面的漫反射光波照到記錄介質上。二者產生干涉，記錄下來便是全息平面圖。再現有深度感物體像時，需用一束與參考光相似的光波，照射到這個記錄介質上，便可得到一個與物體十分逼真的有深度感的立體像。這類的全息立體顯示，設備龐大，適用于電影院。
2、借助特殊眼鏡，從兩維視差圖像獲得深度感的立體顯示請參考[1]石明衛，《電視技術》，總第210期，P22(1999)；[2]趙戰略，王衡翔，韓崇照，《電視技術》，總第212期，P61(2000)。
人的雙眼有65mm的空間距離，在觀察同一個三維物體時，見附

圖1所示，映在右眼的圖像為BARC，映在左眼的圖像為BALC。在雙眼上所呈現的略有差別的圖像(簡稱視差圖像)。經雙眼調節，便可在大腦中產生BC在A之后的深度感。
半個世紀之前，美國一家大型電影院就利用雙眼視差原理放映立體電影。他們先用兩臺攝像機，與人的雙眼相匹配的距離和角度拍攝三維物體，制成兩套膠片。再用兩臺分別帶有相互垂直的線偏振器電影放映機，同步地投到大屏幕上。同時這兩副相互垂直的線偏振光的圖像要在水平方向上錯開一定的距離，觀察者需戴上一副眼鏡，左右鏡片為相互垂直的線偏振片。左右線偏振片的偏振方向需與放映機的相對應，致使左右眼分別只能看到視差圖像的相應部分。經觀察者大腦疊合，便可得到質量優良栩栩如生立體的活動的彩色圖像。也是因為設備龐大，適用于電影院。
與立體電影原理相似，將電視(PAL制)50Hz禎頻分為奇偶場，分別對應左右眼的視差圖像，借助于與幀頻同步的液晶光閥使左右眼分別只能看見奇或偶場的視差圖像。經過觀察者雙眼調節，便可得到立體的彩色活動圖像。適于家庭和個人適用。但是，50Hz幀頻分別為奇偶場，使立體圖像的禎頻變為25Hz，低于人眼的閃爍頻率，觀察者眼睛易疲勞，頭昏。90年代，我國有兩家電視臺進行試播，曾一度引起很大轟動，后因閃爍問題未能解決而告終。
近年來許多電視研究工作者，提出許多解決問題的方案。例如雙通道雙顯示屏立體顯示方案[趙戰略，王衡翔，韓崇照，《電視技術》，總第212期，P61(2000)]。這個顯示方案需要兩臺CRT電視機或TFT液晶顯示器，用光學系統將兩臺眼視差圖像分別送至左右眼。此方案能與PAL制相配，無閃爍，圖像清晰，立體感強。可以在家庭或個人使用。但是這個雙顯示屏立體顯示器只能放置在桌上或者戴在頭上，攜帶不便，價格昂貴。
在本發明背景中，還應該提及近年來的三個方面的發明1、用一種具有膽甾相液晶(Cholesteric liquid crystal)螺旋性的聚合物為顏料作為左和右旋圓偏振墨汁，按著三維視差編碼順序，印刷或繪畫在黑紙的表面上，再利用左和右旋圓偏振片作助視鏡，即可獲得立體圖像[S.M Faris，U.S.Patent 5,364,557；S.M Faris，U.S.Patent5,364,554]。但是，這個印刷或繪畫在黑紙上的立體圖像是不能擦除的或再寫入的。
2、為了實現可擦除和寫入的立體圖像顯示，用膠條將矩陣顯示屏中的各個列(或行)電極上空間，彼此隔離開來，于是便形成以列(或行)電極為基底的條形盒。再將左和右旋膽甾相液晶或三基色的左和右旋膽甾相液晶，按著三維視差編碼順序分別灌注到條形盒中。同樣，利用左和右旋圓偏振片作的助視鏡來實現立體顯示[請參考Yao-Dong Ma《CholestericLiquid crystal Displays》P150 Kennedy Western University]。這個立體顯示方案，由于左和右旋膽甾相液的條形盒均處在一個平面上，所以像素的占空比必然要降低。更重要的缺點是在作立體顯示時，反射光強對雙眼的貢獻將減少一半。
3、為了實現膽甾相液晶全彩色顯示而采用紅、綠、藍三枚單色膽甾相液晶顯示器重疊在一起形成一個重疊屏方案[D.Davis，A.Khan，K.-YHuang.J.W.Doane，C.Jones，SID 98 DIEST，P901(1998)]。不過這個重疊屏不能實現立體顯示。
現有的膽甾相液晶顯示器7均為反射式的二維的，其結構見圖2。帶有列透明電極2和行透明電極4上下基片1和5，其材料為玻璃或塑料。基片之間充滿膽甾相液晶3，厚度約為3μm。下基片用油墨6涂黑。膽甾相液晶呈螺旋狀，螺旋軸在盒中可取任意方向，在無外場作用時，是穩定的。當螺旋軸與基本夾角約90℃時，當自然光照到盒上，在盒的上方可以看膽甾相液晶的布喇格反射(Bragg reflection)。當螺旋軸與基片夾角約0°時，入射光將透過膽甾液晶而被下基片吸收。外加電場可改變螺旋軸的方向，因而改變布喇格的反射光強，便成為二維單色顯示。這個單色是由布喇格的反射光譜決定。

發明內容
本發明的目的在于提供一種可以實現黑白或彩色顯示；分辨率高；可以抵抗潮濕環境和降低造價；節省功耗；無閃爍；適于戶外使用，便于攜帶；占空比大的立體顯示設備。
膽甾相液晶反射式立體顯示設備，包括左旋膽甾相液晶顯示器和右旋膽甾相液晶顯示器，其特點在于該設備包括兩枚或三枚單色膽甾相液晶顯示器重疊而成，其中，至少有一對膽甾相液晶顯示器的膽甾相液晶的螺旋結構是反向的。
本發明的有益效果在于1、只用兩個或三個膽甾相液晶屏重疊在一起，借助于助視鏡，便可實現黑白或彩色立體顯示，這個重疊的單屏可以作成大屏幕掛在墻壁上，也可作成小屏幕手持；2、這種立體顯示屏的分辨率(指顯示的立體圖象的行數)，理論上不受限制；3、這種立體顯示屏無偏振片，有利于抵抗潮濕環境和降低造價；4、可在無功耗下觀察，節省功耗；5、不用背光源，在陽光下觀察對比度好，顏色鮮艷，適于戶外使用；6、助視鏡不需要與顯示信號同步，無閃爍現象。觀察時頭部可移動，疲勞感弱；7、這種立體顯示可與平面顯示兼容，不用助視鏡，雙眼看到的亮度可增加4倍；8、這種立體顯示系統簡單，重量輕，便于攜帶；9、這種立體顯示系統造價低廉；10、本發明與其它類型的膽甾相液晶立體顯示器相比較，占空比大，亮度高。
圖1是雙眼視差示意圖。
圖2是反射式膽甾相液晶二維顯示屏結構圖。
圖3是兩枚左和右旋膽甾相液晶二維顯示屏重疊成的三維黑白顯示單屏圖4是三枚左和右旋膽甾相液晶二維顯示屏重疊成的三維彩色顯示單屏圖5是膽甾相液晶布喇格反射光譜示意圖其中(a)為左旋膽甾相液晶(b)為右旋膽甾相液晶圖6是兩枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏對自然光的布喇格反射情況圖7是三枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏對自然光的布喇格反射情況圖8是兩枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏立體顯示示意9是三枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏立體顯示示意圖附圖中的參照標號上基片1行透明電極2膽甾相液晶3列透明電極4下基片5油墨6膽甾相液晶顯示器7 基片8膽甾相液晶9、10光膠11液晶二維顯示屏12、13 單屏14膽甾相液晶15、16、17左和右旋基色膽甾液晶二維顯示屏18、19、20立體全彩色單屏21左和右旋圓偏振片22、23
本發明的膽甾相液晶反射式立體顯示屏基本結構是重疊型單屏，即由兩枚或三枚膽甾相液晶二維顯示屏重疊而成為單屏，同時，不論是兩枚或是三枚組合的單屏，其中必須有一對二維顯示屏的膽甾相液晶的旋轉方向相反。根據這個基本結構，例舉以下三個應用方面的實施例的基本結構。
用于便攜式黑白攝像機的立體黑白顯示屏的結構(見圖3和圖8)兩枚左和右旋膽甾相液晶二維顯示屏12和13重疊而成為一個單屏14。在這個單屏14中，8為基片，6為油墨，屏12和屏13用光膠11貼合在一起(也可以采用一個公用基片將屏12和屏13做在一起)。在二維顯示屏12和13中的膽甾相液晶9和10一定要旋轉方向相反。若二維顯示屏12和13的布喇格反射光的顏色互為補色，利用左和右旋圓偏振片22和23便可獲得黑白立體顯示。
用于便攜式立體全彩色電子書的立體全彩色顯示屏的結構(見圖4和圖9)三枚左和右旋基色膽甾液晶二維顯示屏18，19，20重疊而成立體全彩色一個單屏21。三枚二維顯示屏的布喇格反射光譜分別為紅、綠、藍。對基片8做表面處理，如濺射SiO2，來減少三枚顯示屏18，19，20的布喇格反射光譜相互重疊部分。在三枚顯示屏中的膽甾相液晶15，16，17必須有一對旋轉方向相反。
本發明的膽甾相液晶反射式重疊單屏立體顯示原理左旋和右旋膽甾相液晶屏的布喇格反射光膽甾相液晶的三維顯示與二維顯示的主要差別是，在膽甾相液晶二維顯示中，不是左旋的就是右旋的膽甾相液晶，而在三維顯示兩者都要有。左和右旋膽甾相液晶的布喇格反射光的物理特性不同。見圖5a，膽甾相液晶為左旋結構的，入射光為自然光，并且平行于螺旋軸。其布喇格反射光是由左旋圓偏振光BL和右旋圓偏振光BR組成，由于BL最大光強遠大于右旋圓偏振光BR，故我們常把BR忽略不計。左旋圓偏振光BL的光譜范圍是λ0±Δλ，故我們又把這種反射稱為選擇反射。右旋結構的膽甾相液晶的布喇格反射光特性見圖5(b)，BR的最大光強》BL的最大光強，選擇波長為λ0±Δλ。反射波長λ0可用膽甾相液晶混合物組份調節，可獲得可見光范圍內任何波長，Δλ～50nm。
自然光照射到膽甾相液晶屏上時，除了一部分產生布喇格反射之外(在這里不考慮屏的基片界面反射)，其他的光將被透射。
如果入射光為圓偏振光，膽甾相液晶屏只能對于其本身旋轉方向相反，波長范圍λ0±Δλ相同的圓偏振光進行布喇格反射。其它的波長范圍的圓偏振光以及波長范圍為λ0±Δλ但與膽甾相液晶旋轉方向相同的圓偏振光均被透射。
左和右旋膽甾相液晶重疊屏的布喇格反射光在本發明的重疊屏中，我們需要的左和右旋的圓偏振光(即布喇格反射光)，能否被充分的反射出來是至關緊要的。
兩枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏在自然光照明下，布喇格反射光的情況，見圖6所示。設9為左旋膽甾相液晶材料；10為右旋膽甾相液晶材料。當自然光L1首先照射到右旋膽甾相液晶屏13上，其布喇格反射光L2為右旋圓偏振光。其透射光L3的組成比較復雜，其中有與L2波長范圍相同，但旋轉方向相反的圓偏振光，還有大量其它波長范圍的光。當L3照射到左旋膽甾相液晶屏12上，其布喇格反射光L4為左旋圓偏振光。其透過光全部被黑漆所吸收。這個左旋圓偏振光L4照射到右旋膽甾相液晶屏13上，l4將透過右旋膽甾相液晶屏13，即L5與l4旋轉方向相同，波長范圍也相同。于是，當自然光L1照射到重疊屏14上，產生了兩束布喇格反射光(L2和L5)，它們的旋轉方向相反，它們的波長取決于膽甾相液晶材料，它們的布喇格反射光幾乎不被重疊屏14吸收。
三枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏在自然光照明下，布喇格反射光的情況，見圖7所示。首先，三枚屏18、19、20所灌注的膽甾相液晶，其布喇格反射光分別為紅、藍、綠。在制作屏的工藝方面將盡量減少三基色光譜范圍重疊部分。這樣做有利于獲得全彩色顯示和在重疊屏中透過布喇格反射光強。其次，三枚屏所灌注的膽甾相液晶要有兩枚旋轉方向是相反。
當自然光11首先照射到左旋膽甾相液晶紅色屏20，其布喇格反射光l2為紅色左旋圓偏振光。其透射光l3中具有藍色屏19和綠色屏18產生充分的布喇格反射光的自然光的光譜部分。因此，不影響19產生的藍色右旋的布喇格反射光l4。由于19和20的布喇格反射光譜不重疊，所以19反射藍色右旋偏振光l4，將能透過20，即l4＝l5。基于同樣的原理，18反射的綠光左旋圓偏振光l7，將能透過19和20，即l7＝l8＝l9。于是，當自然光l1照射到重疊屏21上，產生了三束布喇格反射光(l2、l5和l9)，其波長分別為紅、藍、綠。l2和l9為左旋圓偏振光、l5為右旋圓偏振光。這三束布喇格反射光(l2、l5和l9)幾乎不被重疊屏21吸收。
重疊屏立體顯示兩枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏立體黑白顯示見圖8互為補色的雙眼的立體圖像視差信號，通過控制器，分別送到左和右旋膽甾相液晶屏12和13。在這兩枚屏上產生視差圖像分別以左和右旋圓偏振光L2和L5反射出重疊屏14。我們知道，左旋圓偏振光可以通過右旋圓偏振光，而不能通過左旋圓偏振光；右旋圓偏振光可以通過左旋圓偏振光，而不能通過右旋圓偏振光。于是我們可以借助由兩枚旋轉方向相反的圓偏振片22和23組成的眼鏡，使雙眼分別獲得視差信號相應部分，再經大腦疊合成立體圖像。重疊屏反射出左和右旋圓偏振光互為補色，經大腦對顏色疊合，便可獲得黑色立體顯示。在這里應該指出，重疊屏的互補色立體顯示與文獻[蔡履中，劉華光，《現代顯示》第一期，P39(1996)]中提到互補色立體顯示，有原則區別。
本發明的兩枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏14，如果送到兩枚屏上的圖像信號是相同的，那么在兩枚屏上將顯示相同的圖像，不用助視鏡便可看到黑白的二維圖像。即實現二維/三維轉換。這個重疊二維顯示器與普通的膽甾相液晶顯示器相比，在顯示性能的方面有兩個重要的優點改單色顯示為黑色顯示；增大顯示器的反射光強接近兩倍，這個重疊二維顯示器與普通的膽甾相液晶顯示屏相比還增加了一個重要功能，即兩枚膽甾相液晶屏可同時分別顯示不同內容的圖像和字符(例如一枚屏顯示地圖，另一枚屏顯示地址指令)可擴大顯示器的應用范圍。
三枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏立體彩色顯示三枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏獲得立體顯示的原理與兩枚左和右旋膽甾相液晶重疊屏立體黑白顯示的原理相同。下面重點講述本發明的彩色顯示原理。見圖9，在重疊屏21中，雙眼的立體視差圖像是由左旋(或右旋)圓偏振光的三基色之一(如綠色的圖像)和右旋(或左旋)圓偏振光的另外兩個基色(如藍色和紅色的圖像)組成。助視鏡仍是采用兩枚旋轉方向相反的寬帶圓偏振片22和23。通過左旋圓偏振片的顏色將是綠色。通過右旋圓偏振片的光的顏色將是藍色和紅色的混合色。通過大腦對顏色的疊合，便可獲得彩色立體顯示。
權利要求
1.膽甾相液晶反射式立體顯示設備，包括左旋膽甾相液晶顯示器和右旋膽甾相液晶顯示器(14，21)，其特征在于該設備包括兩枚或三枚單色膽甾相液晶顯示器重疊而成，其中，至少有一對膽甾相液晶顯示器的膽甾相液晶的螺旋結構是反向的。
2.如權利要求1所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于該立體顯示設備由左旋膽甾相液晶二維顯示屏(12)和右旋膽甾相液晶二維顯示屏(13)重疊連接而成。
3.如權利要求2所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于所述左旋膽甾相液晶二維顯示屏(12)和右旋膽甾相液晶二維顯示屏(13)的布喇格反射的顏色互為補色。
4.如權利要求2所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于可在三維攝像機的兩個圖像轉換器(如CMOS圖像轉換器)前，分別安裝一個互為補色的濾光片，該濾光片的中心波長和寬帶要與左和右旋膽甾顯示器的布喇格反射波長和帶寬相匹配。
5.如權利要求1所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于該立體顯示設備由三枚左和右旋三基色膽甾相液晶二維顯示屏重疊而成。
6.如權利要求5所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于在三維全彩色攝像機中，有三個圖像轉換器，其中兩個(18，20)與相連接的圖像轉換器在攝像機的同一側，另一個與(19)相連接的圖像轉換器在攝像機的另一側，在這三個圖像轉換器前，分別安裝與(18)、(19)、(20)屏的反射波長相匹配的濾光片。
7.如權利要求1所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于該顯示設備應用于便攜式帶立體圖像顯示的黑白和全彩色攝像機。
8.如權利要求1所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于該顯示設備應用于大屏幕壁掛式全彩色立體顯示。
9.如權利要求1所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于該顯示設備應用于立體顯示電子書。
10.如權利要求1所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于該顯示設備應用于便攜式立體顯示電話。
11.如權利要求1所述的膽甾相液晶反射式立體顯示設備，其特征在于該顯示設備應用于便攜式帶三維顯示的GPS或兩個二維顯示的GPS，其中一個顯示地圖。
全文摘要
本發明涉及一種立體顯示設備,特別是涉及一種膽甾相液晶反射式立體顯示設備。本發明的目的在于提供一種可以實現黑白或彩色顯示;分辨率高;可以抵抗潮濕環境和降低造價;節省功耗;適于戶外使用,便于攜帶;占空比大的立體顯示設備。膽甾相液晶反射式立體顯示設備,包括左旋膽甾相液晶顯示器和右旋膽甾相液晶顯示器,其特點在于:該設備包括兩枚或三枚單色膽甾相液晶顯示器重疊而成,其中,至少有一對膽甾相液晶顯示器的膽甾相液晶的螺旋結構是反向的。
文檔編號G02F1/1333GK1338656SQ0113603
公開日2002年3月6日 申請日期2001年9月29日 優先權日2001年9月29日
發明者趙靜安 申請人:趙靜安