CN100483184C - 可变焦透镜三维显示器 - Google Patents
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Abstract
一种利用动态可变焦液体透镜阵列的图像集成立体显示器。它的透镜阵列是由多层夹心结构的液体透镜单元组成，透镜阵列焦距的调整与二维显示屏的显示帧率同步变化，通过分时实现多个不同的空间立体图像，利用人眼的视觉暂留效应，提高立体图像的三维纵深感，并通过将液体透镜单元两种液体的接触面调整为平面，实现二维和三维显示模式的转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维立体显示技术，尤其是涉及一种利用动态可变焦液体透镜阵列的图像集成立体显示器。
背景技术
目前基于双目视差方式(binocular parallax)的立体显示器主要采用二维平面显示器件加上柱状棱镜(lenticular lens)或视差隔条(parallax barrier)的方式将不同图像分别送至左右眼，由于两眼图像存在差异，从而感知到三维立体影像。此类立体显示器件的主要问题是：观测者必须在特定位置才能观看立体图像、观测者双眼的会聚点(convergence)和双眼调节角度(accommodation)不重合，长时间观看会产生视觉疲劳和不适感。
图像集成(integral imaging)立体显示技术可以克服上述缺点。图像集成立体显示原理最早是由Lippmann于1908年提出的(M.G.Lippmann，“Laphotographie integrale，”C.R.Acad.Sci.1908，146：446-451)。图1所示为图像集成立体显示技术的拍摄和显示原理。拍摄端包括拍摄透镜阵列2和图像传感器4，拍摄透镜阵列2将物体1的影像聚焦在图像传感器4，形成由许多独立的拍摄子图像3排列而成的二维图像。显示端由二维平面显示器5和显示透镜阵列7组成，二维平面显示器5显示由显示子图像6组成的二维图像，经过显示透镜阵列7的焦距，在空间重建三维物体的第一影像8。与全息图像类似，图像集成立体显示技术在三维空间重建了物体的真实影像，因此观测者不受位置限制，也不会产生视觉疲劳。但是由于图像集成立体显示器的透镜阵列通常采用玻璃或光敏树脂制成，其透镜焦距是固定的，因此无法正常显示二维平面显示器的二维图像信息，并且由于透镜焦距的固定，所显示三维图像的纵深立体感较差。
发明内容
技术问题：为了克服图像集成立体显示焦距固定、不能方便进行二维和三维显示模式的转换和显示图像纵深立体感较差的问题，本发明提供一种可变焦透镜三维显示器，即利用可变焦液体透镜阵列的图像集成立体显示器，利用该图像集成立体显示器可以方便得进行二维和三维显示模式的转换，并且能有效得提高显示图像纵深方向的立体感。
技术方案：本发明的技术方案是由二维平面显示器和可变焦液体透镜阵列组成的可变焦图像集成立体显示器。二维平面显示器可以是当前各类大屏幕平面显示器(例如，液晶显示器、等离子体显示、背投等)，可变焦液体透镜阵列则与显示屏幕平行放置且每个透镜单元与一个子图像对应。为了实现透镜的变焦，每个液体透镜单元包含一个腔体，里面充满两种互不混融的液体。两种液体折射率和导电性能都不相同。其中一个是导电液体，另外一个是非极性绝缘液体。两种混合液体密度相同，从而克服重力对两种液体接触面形状的影响。透镜单元包含两个电极，其中一个直接与导电液体接触，另外一个电极则覆盖绝缘层。腔体内壁由侧壁、前壁和后壁组成，在腔体的侧壁和前壁覆盖有疏水层(如有必要可以增加额外的绝缘层)。因此在不加外电场时，由于表面张力的作用，两种液体的接触表面呈自然的旋转对称曲面，即形成一个液体透镜单元。当在两个电极之间加不同电压时，由于电润湿(electrowetting)作用，两个液体接触曲面的曲率将发生变化。通过调整电压便可以实现改变液体透镜的焦距。
为了实现二维和三维显示模式的转换，本发明技术方案是通过调整液体透镜单元两个电极之间的外加电压，使两个液体的接触表面呈平面，此时可变焦液体透镜阵列对光线不产生折射，从而人眼能清楚的看到二维平面显示器所显示的二维图像信息。具体而言，二维显示模式时，液体透镜单元腔体内两种液体的接触面为第三液面21，即平面；三维显示模式时，液体透镜单元腔体内两种液体的接触面为焦距可调的曲面，即第一液面19或第二液面20。
为了增强纵深方向的立体感，本发明的技术方案是，根据显示的图像内容，可变焦液体透镜阵列焦距的变化与二维平面显示器的显示帧率同步，周期性得同步改变二维平面显示器显示的图像内容和液体透镜焦距，从而利用分时方式，在空间纵轴方向不同位置交替显示三维立体图像。具体原理如图2所示，当液体透镜焦距较大时，如图2中第一焦距11’，根据二维平面显示器5的显示内容，形成第三影像10；改变液体透镜的焦距，如图2中第二焦距11”，同时改变二维平面显示器5的显示内容，形成第二影像9。当连续交替显示第二影像9和第三影像10时，由于人眼的视觉暂留作用，人眼感知到一个三维纵深信息增加了的三维立体图像。
有益效果：能够实现图像集成立体显示器在二维和三维显示模式之间的快速、方便转换，能够增强图像集成立体显示器纵深方向的立体感，能够连续、快速地调整液体透镜的焦距。在本发明的优选实施例中，提供了多层夹心的液体透镜单元结构，其实现简单，成本低。
附图说明
图1为图像集成立体显示技术拍摄和显示原理；
图2为可变焦液体透镜工作原理；
图3为液体透镜单元第一实施例构造图；
图4为液体透镜单元第二实施例构造图；
图5为图3的AA’剖面的第一种截面图；
图6为图3的BB’剖面的第一种截面图；
图7为图3的AA’剖面的第二种截面图；
图8为图3的BB’剖面的第二种截面图；
图9为图3的AA’剖面的第三种截面图；
图10为图3的BB’剖面的第三种截面图。
以上的图中有：物体1、拍摄透镜阵列2、拍摄子图像3、图像传感器4、二维平面显示器5、显示子图像6、显示透镜阵列7、第一影像8、第二影像9、第三影像10、可变焦液体透镜阵列11、第一焦距11’，第二焦距11”、第一疏水层12、第二疏水层13、第一中间隔断14、第三疏水层15、第四疏水层16、后壁透明电极17、后透明基板18、第一液面19、第二液面20、第三液面21、非极性绝缘液体22、导电液体23、前壁透明电极24、第五疏水层25、第二中间隔断26、第一液体透镜单元27、第二液体透镜单元28、前透明基板29。
具体实施方式
图1所示为图像集成立体显示原理图。
图2所示为本发明可变焦透镜三维显示器原理图，其包括二维平面显示器5和可变焦液体透镜阵列11，二维平面显示器5可以是当前各类大屏幕平面显示器(例如，液晶显示器、等离子体显示、背投等)，可变焦液体透镜阵列11的第一和第二优选实施例在图3和图4中分别给予详细描述。
在图3所示的优选实施例中，第一液体透镜单元27是一种多层夹心结构，包括：最上面的前透明基板29，例如采用薄平板玻璃，前透明基板29上覆盖第一疏水层12，例如由TEFLON AF1600构成，液体透镜单元的第一中间隔断14由网孔状金属板构成，金属材料可采用铟钢，金属网板被一层疏水层完全覆盖，如图3中的第二疏水层13、第三疏水层15、第四疏水层16，疏水层同时也起绝缘层的作用(也可在疏水层和金属网板之间增加一层绝缘层)，在第一中间隔断14的下方为后基板，由后壁透明电极17和后透明基板18组成，后透明基板18可以用薄平板玻璃，后壁透明电极17可以由氧化铟锡，即ITO构成，后壁透明电极17与导电液体23直接接触，上述多层夹心结构形成了许多独立的液体透镜单元腔体，每个腔体内包含两种液体，导电液体23，如盐水溶液，和非极性绝缘液体22，如矿物油，当在第一中间隔断14和后壁透明电极17之间加以适当电压时，由于电润湿作用，两种液体接触面与侧壁的夹角会发生变化，即第一液面19，随外加电压变化为如第三液面21的平面，或如第二液面20的曲面，如果非极性绝缘液体22的折射率大于导电液体23，则处于第一液面19状态时为凹透镜，处于第二液面20时，为凸透镜，处于第三液面21时，透镜阵列对光线不产生折射，此时即转换为二维显示模式。
图3所示优选实施例的可变焦液体透镜阵列11可以有多种排列方式，以下图示5～10说明三种具体实施方式。
图5为图3AA’截面的第一种结构图，第一液体透镜单元27呈圆柱状，且行列呈方形矩阵排列。
图6为图3BB’截面的第一种结构图，后壁透明电极17中的圆孔位置与图5中的第一中间隔断14和第三疏水层15所包含的圆孔位置相对应，行列呈方形矩阵排列，且后壁透明电极17所包含的圆孔直径小于第三疏水层15所包含的圆孔直径。
图7为图3AA’截面的第二种结构图，第一液体透镜单元27呈圆柱状，透镜阵列奇偶行错开呈品字状排列。
图8为图3BB’截面的第二种结构图，后壁透明电极17中的圆孔位置与图7中的第一中间隔断14和第三疏水层15所包含的圆孔位置相对应，透镜阵列奇偶行错开呈品字状排列，且后壁透明电极17所包含的圆孔直径小于第三疏水层15所包含的圆孔直径。
图9为图3AA’截面的第三种结构图，第一液体透镜单元27呈对称六边形，透镜阵列呈蜂窝状排列。
图10为图3BB’截面的第三种结构图，后壁透明电极17为包含圆孔的网状结构，圆孔位置与图9中的第一中间隔断14和第三疏水层15所包含的六边形位置相对应，透镜阵列呈蜂窝状排列，且后壁透明电极17所包含的圆孔直径小于第三疏水层15最大内切圆孔的直径。
图4所示为本发明的第二优选实施例，第二液体透镜单元28是一种多层夹心结构，最上面是前透明基板29，例如薄平板玻璃，前透明基板29上覆盖前壁透明电极24，可采用IT0材料，前壁透明电极24上再覆盖第五疏水层25，例如由TEFLONAF1600构成，第二中间隔断26为网状透明板，可采用玻璃或光敏树脂材料构成，其内壁覆盖第三疏水层15(第二中间隔断26也可采用金属板，但需用绝缘层完全包裹)，后基板由后透明基板18和后壁透明电极17组成，后透明基板18可以采用玻璃或光敏树脂，后壁透明电极17可采用ITO，上述多层夹心结构形成了许多独立的液体透镜单元腔体，每个腔体内包含两种液体，导电液体23，如盐水溶液，和非极性绝缘液体22，如矿物油，当在前壁透明电极24和后壁透明电极17之间加以适当电压时，由于电润湿作用，液体接触面与侧壁的夹角会发生变化，即第一液面19，随外加电压变化为如第三液面21的平面，或如第二液面20的曲面，如果非极性绝缘液体22的折射率大于导电液体23，则处于第一液面19状态时为凹透镜，处于第二液面20时，为凸透镜，处于第三液面21时，透镜阵列对光线不产生折射，此时即转换为二维显示模式。
图4所示优选实施例的可变焦液体透镜阵列11可以有多种排列方式，图4中CC’剖面结构与图3中AA’剖面类似，第二液体透镜单元28可以是圆孔或对称六边形，具体形状与图5、7、9一致，仅需将金属材料的第一中间隔断14改为透明玻璃材料的第二中间隔断26，图4中DD’剖面结构与图3中BB’剖面结构一致，具体形状与图6、8、10一致，图4中EE’剖面结构与图3中BB’剖面结构类似，只是圆孔内部填充了第五疏水层25，具体形状与图6、8、10类似。
图3和图4所示的第一和第二透镜单元结构可以实现焦距连续变化的凸透镜和凹透镜，以及两种液体接触面为平面的二维显示模式。为实现立体图像纵深方向立体感的增强，本发明的优选实施例为，选用图3或图4的透镜阵列，以二维平面显示器件的帧率为同步信号改变液体透镜的焦距，例如设置两个固定焦距f1、f2，根据显示帧率周期交替实现透镜焦距f1和f2，即当焦距为f1时，屏幕显示如图2中的第二影像9，当焦距为f2时，屏幕显示如图2中的第三影像10，也可进一步将固定焦距增加到3～5个，从而进一步增强图像的纵深立体感。
本发明优选实施例，既可以使用焦距连续变化的凸透镜，也可以使用焦距连续变化的凹透镜，采用凹透镜时自动补偿图像集成立体显示所存在的赝像问题，而采用凸透镜时，需额外补偿，可以再增加一层固定焦距的凹透镜阵列，透镜阵列可以采用光敏树脂或玻璃制成，或采用信号处理的一般通用方法。
Claims (7)
1.一种可变焦透镜三维显示器，其特征是：该三维显示器由二维平面显示器(5)和可变焦液体透镜阵列(11)组成；可变焦液体透镜阵列(11)的焦距随显示图像内容同步变化，采用分时的方式在空间纵轴方向不同位置交替显示三维立体第二影像(9)、第三影像(10)，实现立体图像纵深感的增强；可变焦液体透镜阵列(11)通过调整电压，形成第三液面(21)，实现二维图像模式的显示；可变焦液体透镜阵列(11)由多个液体透镜单元组成，第一液体透镜单元(27)为多层夹心结构，包括前透明基板(29)、后透明基板(18)和第一中间隔断(14)，在前透明基板(29)的内侧面设有第一疏水层(12)，在第一疏水层(12)与第一中间隔断(14)之间设有第二疏水层(13)，在后透明基板(18)的内侧面设有后壁透明电极(17)，在后壁透明电极(17)与第一中间隔断(14)之间设有第四疏水层(16)，在第一中间隔断(14)的内壁设有第三疏水层(15)；第一液体透镜单元(27)内包含有非极性绝缘液体(22)和导电液体(23)；在后壁透明电极(17)与第一中间隔断(14)之间加载电压可以调整液体透镜单元的焦距，实现图像集成三维显示。
2.一种可变焦透镜三维显示器，其特征是：该三维显示器由二维平面显示器(5)和可变焦液体透镜阵列(11)组成；可变焦液体透镜阵列(11)的焦距随显示图像内容同步变化，采用分时的方式在空间纵轴方向不同位置交替显示三维立体第二影像(9)、第三影像(10)，实现立体图像纵深感的增强；可变焦液体透镜阵列(11)通过调整电压，形成第三液面(21)，实现二维图像模式的显示；可变焦液体透镜阵列(11)由多个液体透镜单元组成，第二液体透镜单元为在前透明基板(29)的内侧面设有前壁透明电极(24)在前壁透明电极(24)上再覆盖第五疏水层(25)，在后壁透明电极(18)的内侧面设有后壁透明电极(17)，在后壁透明电极(17)与第五疏水层(25)之间设有第二中间隔断(26)，在第二中间隔断(26)的内壁设有第三疏水层(15)，在前透明基板(29)、后透明基板(18)、第二中间隔断(26)所形成的腔体内包含非极性绝缘液体(22)和导电液体(23)，在前壁透明电极(24)与后壁透明电极(17)之间加载电压调整液体透镜单元的焦距，实现图像集成三维显示。
3.根据权利要求1或2所述的可变焦透镜三维显示器，其特征是：可变焦液体透镜阵列(11)的排列方式是：方形矩阵、或奇偶行错开呈品字状矩阵、或呈蜂窝状矩阵。
4.根据权利要求1所述的可变焦透镜三维显示器，其特征是：第一液体透镜单元(27)的腔体为圆柱状或截面为对称六边形的柱状体。
5.根据权利要求2所述的可变焦透镜三维显示器，其特征是：第二液体透镜单元(28)的腔体为圆柱状或截面为对称六边形的柱状体。
6.根据权利要求1所述的可变焦透镜三维显示器，其特征是：所述的第一中间隔断(14)为导电金属网板；
7.根据权利要求2所述的可变焦透镜三维显示器，其特征是：所述的第二中间隔断(26)为网状透明板，或是用绝缘层包裹的金属网板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090429 Termination date: 20180529 |