三維顯示器的制作方法

本發明涉及顯示技術領域，特別涉及的是三維顯示器。

背景技術：

傳統的自由立體三維顯示主要是利用一些具有雙目視差的二維圖像，在特定的位置觀看到三維圖像。此種三維顯示由于不能解決眼球聚焦深度和眼球輻輳之間的矛盾，容易使觀看者感到視覺疲勞。被人們所看好的全息三維顯示，雖能解決上述矛盾并能顯示正確的深度，但對制造工藝、光源的相干性、計算量以及調制器像素尺寸要求極高，所以目前較難應用于實際中。頭戴式三維顯示，結合傳統的三維顯示方式的同時，能夠把傳統三維顯示方法顯示信息直接呈現在眼前，極大的減小了信息的冗余度，同時頭戴式三維顯示的體積和重量小，具有便攜、可穿戴等特點，具有增強現實或虛擬現實的顯示效果。

Sheng Liu、Hong Hua等人利用可變焦液體透鏡實現了頭戴式顯示(文章：Liu S,Hua H,Cheng D.A novel prototype for an optical see-through head-mounted display with addressable focus cues[J].Visualization and Computer Graphics,IEEE Transactions on,2010,16(3):381-393)，通過對液體透鏡施加不同的電壓來改變液體透鏡的焦距，來實現不同深度的顯示，這種顯示方法由于液體透鏡的響應速度不夠快，只能實現兩層深度的顯示，使得三維效果不夠好。Hong Hua利用集成成像的方法結合透鏡實現了三維頭戴式顯示(文章：Hua H,Javidi B.A 3D integral imaging optical see-through head-mounted display[J].Optics express,2014,22(11):13484-13491)，由于微顯示器的分辨率有限，使得利用集成成像方法顯示出的三維物體分辨率很低。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種三維顯示器，能夠實現大景深、高分辨率的三維顯示。

為解決上述問題，本發明提出一種三維顯示器，包括：

圖像源背光投射模塊，用以將圖像源投射輸出；

液晶板，接收來自所述圖像源背光投射模塊的光，具有多個平行排列的液晶膜片；

透鏡組，接收所述液晶板輸出的成像光束，成像后輸出；

反射鏡，為部分反射鏡或全反射鏡，將所述透鏡組所成的像投影到人眼。

根據本發明的一個實施例，所述液晶膜片由電壓控制而在散射態和透過態之間切換，每液晶膜片在處于散射態時該液晶膜片輸出成像光束。

根據本發明的一個實施例，通過不斷切換各液晶膜片的狀態，每次選中一液晶膜片為散射態而其余為透過態，從而所述液晶板得以輸出不斷切換成像平面的成像光束，液晶膜片的狀態切換速率和所述圖像源的圖像切換速率同步。

根據本發明的一個實施例，所述液晶膜片為能夠在散射態、透過態之間切換的液晶膜。

根據本發明的一個實施例，所述液晶膜片為聚合物穩定液晶、聚合物分散液晶、膽甾相液晶、或聚合物穩定膽甾相液晶。

根據本發明的一個實施例，聚合物穩定液晶，其組份按重量比包括：三羥甲基丙烷三丙烯酸酯單體為5-15wt％、5CB液晶為84.5-94.5wt％、光引發劑為0.1-0.5wt％。

根據本發明的一個實施例，所述液晶膜片兩側具有透明基板，所述液晶膜片的組份混合后在黑暗條件下置入透明基板之間，之后在均勻紫外光下曝光固化，以形成所述液晶膜片。

根據本發明的一個實施例，所述透明基板之間通過隔離結構相隔開，所述 液晶膜片的膜厚為0.5微米到1毫米。

根據本發明的一個實施例，所述液晶板包括至少2層液晶膜片。

根據本發明的一個實施例，時序上輪流選中一液晶膜片為散射態、同時其余為透過態，以使圖像源的相應幀圖像投影至處于散射態的液晶膜片上。

根據本發明的一個實施例，還包括電壓控制裝置，其包括數目對應于所述液晶膜片數目的電壓驅動模塊，每電壓驅動模塊控制相應所述液晶膜片上電而進入透過態、斷電而進入散射態。

根據本發明的一個實施例，還包括一頭戴連接結構，所述反射鏡接收所述透鏡透過的光并形成人眼可觀察的虛像。

根據本發明的一個實施例，所述反射鏡為平面反射鏡或曲面反射鏡。

根據本發明的一個實施例，所述圖像源背光投射模塊的光為近似平行光束。

根據本發明的一個實施例，所述透鏡組包括至少一個透鏡。

根據本發明的一個實施例，每個所述透鏡為透射式或反射式透鏡。

采用上述技術方案后，本發明相比現有技術具有以下有益效果：液晶板為多層式，且各層液晶膜片根據電壓控制在散射態和透過態之間切換，液晶膜片在散射態時能夠在作為三維切片發出光，在透過態時則將光束直接透過而作為三維切片發出光，從而不同液晶膜片相當于不同的三維發光切片，也就是投影到不同的成像平面上，當成像平面高速切換時，在空間上可形成三維圖像。控制液晶膜片狀態切換速率與圖像源的圖像切換速率同步，則當圖像源高速刷新時，成像平面在液晶膜片間切換，由于人眼的視覺暫留效應就會在眼前呈現一個具有深度的三維圖像。由于用透鏡組將該液晶板形成的三維圖像進行放大，并且利用人眼對近的物體觀察分辨率高，遠的物體觀察分辨率低的特點，可以實現大三維景深、高分辨率的三維顯示。

附圖說明

圖1為本發明實施例的三維顯示器的結構示意圖；

圖2為本發明實施例的液晶膜片的結構示意圖；

圖3為本發明實施例的液晶膜片的工作狀態切換示意圖；

圖4為本發明實施例的液晶板的狀態切換示意圖。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。

圖1示出本發明一實施例的三維顯示器，包括：投影儀1，第一透鏡2，液晶板3，第二透鏡4和部分反射鏡5，部分反射鏡5能夠對接收的光進行部分反射、部分透射，其中部分反射鏡5可以替換為全反射鏡。

投影儀1與第一透鏡2組成圖像源背光投射模塊，當然圖像源背光投射模塊也可以由其他部件組成。第一透鏡2接收來自投影儀1的圖像源，并將圖像源轉換為近似平行光束輸出。投影儀1可以選為高速投影儀，圖像源的圖像可高速切換。

第二透鏡4是透鏡組的一個實例，透鏡組也可以包含2個以上的透鏡，這些透鏡中，任一透鏡可以是透射式的，也可以是反射式的。

液晶板3接收第一透鏡2透過的平行光束，平行光束照射到不同成像位置的液晶板3上，形成大小近似相同的像(近似平行光成像)。液晶板3具有多個平行排列的液晶膜片，各液晶膜片可由電壓控制而處于散射態或透過態，當一液晶膜片為散射態時，該液晶膜片可以用于平行光束成像，同時其余液晶膜 片為透過態，僅將近似平行光束做透過處理，不在這些液晶膜片上成像，換言之，每液晶膜片在處于散射態時該液晶膜片輸出成像光束。當液晶膜片切換為散射態時，光束成像在不同平面上，經過第二透鏡4和部分反射鏡5的光線傳輸后，人眼6可觀察到虛像，虛像可以是適當放大后的虛像，人眼5位于部分反射鏡5的反射線位置上，當圖像源高速刷新時，液晶膜片同步切換，圖像源每刷新一幀，電壓控制切換另一液晶膜片為散射態，由于人眼的視覺暫留效應，就會在眼前呈現一個具有深度的三維圖像。

液晶膜片為能夠在散射態、透過態之間切換的液晶膜。可選的，液晶膜片為聚合物穩定液晶、聚合物分散液晶、膽甾相液晶、或聚合物穩定膽甾相液晶等。可以理解，液晶膜片在未施加電壓時呈散射態，在液晶膜片上可以成像；而在施加電壓時呈透過態，液晶膜片可以透過光，而不能成像；這是所選用的液晶膜所具有的特性。

在一個實施例中，第一透鏡2、液晶板3、第二透鏡4和部分反射鏡5依次層疊設置。第二透鏡4接收液晶板3輸出的成像光束，成放大虛像輸出，傳輸到部分反射鏡5上。部分反射鏡5接收第二透鏡4透過的光，將該第二透鏡4透過的光部分反射，將光束投影到人眼6，所以人眼6能夠見到第二透鏡所成的虛像。

在另一個實施例中，第一透鏡2、液晶板3、第二透鏡4和全反射鏡依次層疊設置。第二透鏡4接收液晶板3輸出的成像光束，成放大虛像輸出，傳輸到全反射鏡上。全反射鏡接收第二透鏡4透過的光，將該第二透鏡4透過的光部分反射，將光束投影到人眼6，所以人眼6能夠見到第二透鏡所成的虛像。反射鏡可以是全部反射或者部分反射部分透射，全部反射可以應用于虛擬現實場景；部分反射部分透射可以將虛像與真實世界融合，應用于增強現實場景。

反射鏡可以是平面反射鏡，沒有聚焦效果，也可以是曲面反射鏡，具有聚焦效果。

較佳的，將三維顯示器設置為頭戴式，在一個實施例中，三維顯示器還包 括一頭戴連接結構(圖中未示出)，當為部分反射時，部分反射鏡5接收第二透鏡4透過的光并形成人眼可觀察的虛像，或者，當為全反射時，全反射鏡接收第二透鏡4透過的光形成人眼可觀察的實像。通過頭戴式設計，三維虛像或實像放大成像在人眼6上，避免了傳統的體三維顯示所帶來的體積較大和重量較重的問題，實現可穿戴式真三維顯示。當然若三維顯示器不設計為頭戴式，也可以設置為直接三維成像在人眼6中，因而頭戴式設置不作為限制。

三維顯示器工作時，通過不斷切換各液晶膜片的狀態，每次選中一液晶膜片為散射態而其余為透過態，較佳的是每次選中不同的液晶膜片，當各液晶膜片均被選中過后再重復切換步驟，近似平行光束僅成像在呈散射態的液晶膜片上，其余液晶膜片透過處理，從而液晶板3得以輸出不斷切換成像平面的成像光束。液晶膜片的狀態切換速率和圖像源的圖像切換速率同步，切換圖像的同時切換液晶膜片的狀態，每一切換只有一層液晶膜片處于散射態，其他全部處于透過態。選擇高速投影儀1可以實現快速圖像的刷新頻率，成像時景深更大、分辨率更高。

較佳的，從圖像源背光投射模塊發出的光在液晶板上可以時序上輪流成像在多片液晶膜中其中一片，不同時刻，成像在不同液晶膜上，使每一個散射態的液晶膜上有清晰的圖像。按液晶膜片排列順序依次切換液晶膜片的狀態，按順序輪流選中一液晶膜片為散射態、同時其余為透過態，以使圖像源的相應幀圖像投影至處于散射態的液晶膜片上。也就是說，可以依次從第一個液晶膜片到最后一個，輪流一個個切換為散射態，每次狀態更新，散射態傳遞至下一個液晶膜片，而之前的液晶膜片變回為透過態，保證僅有一個液晶膜片為散射態。但是切換的次序也可以是不按液晶膜片的排布順序，具體根據圖像刷新方式確定。

為了使得三維圖像的立體效果更明顯，液晶板3包括至少2層液晶膜片，較佳的，包括6層以上液晶膜片，從而平行光束至少在6個成像平面上不斷切換成像，經由第二透鏡4和部分反射鏡5或第二透鏡4和全反射鏡后成像在人 眼上，呈具有一定景深的三維圖像。

在一個實施例中，液晶膜片為聚合物穩定液晶，其組份按重量比包括：三羥甲基丙烷三丙烯酸酯單體為5-15wt％、5CB液晶為84.5-94.5wt％、光引發劑為0.1-0.5wt％。

參看圖2，每液晶膜片兩側具有透明基板8，液晶膜片的上述組份經混合后，攪拌均勻，在黑暗條件下將混合物置入透明基板8之間，基板需預先清洗干凈，之后在均勻紫外光7下曝光固化，得到厚度大致為20μm的聚合物穩定液晶層，厚度可根據需要調整。透明基板8的基材可以為PET(熱塑性聚酯)、玻璃等透明材質。較佳的，在圖2中，透明基板8之間通過隔離結構9相隔開，確保透明基板間距離處處相同，隔離結構9的材質不做限制，不導電的材料均可以用來制作隔離結構9。

圖3示意了液晶膜片的不同狀態，狀態a為當未施加電壓時，聚合物穩定液晶層為光態，也就是散射態，狀態a下，入射到聚合物穩定液晶層上的光線將被散射到各個方向，若投影一幅圖像，則將在聚合物穩定液晶層上顯示一副圖像；狀態b為當施加電壓時，聚合物穩定液晶層呈現透明態，也就是透過態，狀態b下，入射光線將直接透過聚合物穩定液晶層，若投影一幅圖像則圖像直接透過聚合物穩定液晶層。實際情況可能未施加電壓時候，液晶膜處于透過態，而施加電壓時，液晶膜處于透過態；或者施加不同電壓時，液晶膜分別呈現散射態和透過態。

繼續參看圖3，在一個實施例中，三維顯示器還包括電壓控制裝置，其包括數目對應于液晶膜片數目的電壓驅動模塊10，每電壓驅動模塊10控制相應液晶膜片上電而進入透過態、斷電而進入散射態。電壓驅動模塊10例如可以通過開關連接透明基板8兩端，導通開關則上電，斷開開關則斷電，驅動開關導通的驅動信號的時鐘和圖像源的圖像切換的時鐘同步。

在圖4中，第一幅圖表示某一時刻只有第一層液晶膜片a1處于散射態，微型高速投影儀1通過第一透鏡2后，將第一幀圖像投影在第一層液晶膜片 a1上，其他液晶膜片a2～an處于透過態，此時圖像經過第二透鏡4和反射鏡，人眼將觀看到一個處于遠方放大的圖像；第二幅圖表示下一時刻第二層液晶膜片a2處于散射態，微型高速投影儀1通過第一透鏡2后，將第二幀圖像投影在第二層液晶膜片a2上，其他液晶膜片a1，a3～an處于透過態，此時圖像經過第二透鏡4和反射鏡，人眼將觀看到一個處于較遠位置放大的圖像；以此類推，第三幅圖表示某一時刻只有第n-1層液晶膜片an-1處于散射態，微型高速投影儀1通過第一透鏡2后，將第n-1幀圖像投影在第n-1層液晶膜片an-1上，其他液晶膜片a1～an-2，an處于透過態，此時圖像經過第二透鏡4和反射鏡，人眼將觀看到一個處于較近位置放大的圖像；第三幅圖表示某一時刻只有第n層液晶膜片an處于散射態，微型高速投影儀1通過第一透鏡2后，將第一幀圖像投影在第n層液晶膜片an上，其他液晶膜片1～an-1處于透過態，此時圖像經過第二透鏡4和反射鏡，人眼將觀看到一個近處放大的圖像。由于人眼的視覺暫留特性，當圖像在1到n層液晶膜片a1～an之間快速切換時，人樣將觀看到一副三維圖像。

本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定權利要求，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護范圍應當以本發明權利要求所界定的范圍為準。