CN103777432A - 空间光调制器及其光场三维显示*** - Google Patents

Abstract

一种裸眼立体显示技术领域的空间光调制器及其光场三维显示***，该空间光调制器采用一个二维阵列或由一个一维阵列和与之相连的一维扫描机械装置构成的模拟二维阵列得以实现；阵列中的每一个像素由一个光线偏转器进行控制。该光场三维显示***包括：光源模块和与之相连的空间光调制器。本发明具有大偏转角、高偏转精度，快速响应的优点，来实现大可视角、大再现深度、高分辨率的光场三维显示。

Description

空间光调制器及其光场三维显示***

技术领域

本发明涉及的是一种裸眼立体显示技术领域的装置，具体是一种空间光调制器及其光场三维显示***。

背景技术

近几十年，显示技术发展突飞猛进，对比度、视角、分辨率、色彩保真度等性能越来越高，体积重量越来越小。然而传统显示器件只能提供二维平面图像，缺少深度信息(第三维)。而周围的现实世界是三维的，二维显示限制了感知和理解复杂的现实世界，三维显示逐渐成为显示领域的新发展趋势。

光场三维显示是一种重要的三维显示技术。光场显示通过模拟真实三维场景中物体发光的方式来重建物体周围的光场分布，从而重现三维影像。自由空间中，对于给定的波长和时刻，可以用一个五维函数L(x,y,z,Θ,Ψ)表示以一个静止光场，其中：x、y、z为光线中任一点的三维坐标，Θ、Ψ分别为光线的传播方向，λ为光线的波长，t为时间。对于现实生活中的物体，无论是自身发光还是漫反射其它光源，都会在自己周围形成独特的光场分布。光场显示的原理是通过空间光调制器(SLM)调制产生不同强度和方向的空间光线，重现整个光场分布。用于光场重构的空间光调制器可以看做光场在空间中的一个二维截面，这个截面与无数个包含强度和三维方向的矢量(光线)相交。然而，实际上空间光调制器不可能同时调制无数个连续矢量，只能显示有限个离散的矢量。

实现光场显示的方法有以下几种：1)用高速投影机和高速旋转的纵向散射屏，投影到散射屏上的光线在横向上反射，在纵向上被散射开，使不同方向投影出不同图像，而其他视角被遮挡。当左右眼分别横跨两个视点时，经过大脑融合成像就能产生真实的三维感受。但旋转屏不可避免的导致图像不稳定，且快速机械装置体积庞大，功率高。2)由多台投影机和全息定向屏实现。各台不同的投影机从不同方向投影图案，构成了不同的视角图像，全息定向屏控制发光的角度使其组合成连续分布的视角图像，从而形成一幅完整的画面。然而多个投影仪***造价昂贵，校准困难。3)通过空间光调制器分别控制光线的位置和方向，来重现三维物体。

但是该方案受限于几个关键因素：a)现有空间光调制器的偏转角小。传统的相位型空间光调制器依靠相邻像素之间的相位差产生光线角度偏转。像素尺寸越小，所能达到的偏转角越大。目前商用的空间光调制的像素一般在6μm-8μm，导致偏转角度只有2到3度。b)空间光调制器的响应速度慢。Gordon Wetzstein等人在2012年提出用多层空间光调制器隔开一定距离，用不同空间光调制器层的特定像素组来定义光的方向和强度(文献“Tensor displays：compressive light field synthesis using multilayer displays with directional backlighting，”ACMTransactions on Graphics(TOG)，31，80，2012)。但是其响应速度大于2ms，因此为了重现不同方向的角度，光场显示需要以牺牲空间分辨率来提供角度信息；Gordon Wetzstein在同篇文献中提到也可以由单层空间光调制器配合多角度出射的背光源来实现光场显示。但是因为空间光调制器的响应速度不够快，需要牺牲空间分辨率来换取角度信息。

由于现有空间光调制器偏转角度小、响应速度慢，造成光场三维显示观察视角小、再现深度浅和空间分辨率低。D.E.Smalley等人在2013年提出采用声波调制的空间光调制器来增加响应速度(文献“Anisotropic leaky-mode modulator for holographic video displays，”Nature，498，313，2013)，也能一定程度上扩大了偏转角。但是这些方案需要将角度信息转化为高频信号，并需要机械扫描装置，使***变得更加复杂。

聚合物稳定蓝相液晶(以下称蓝相液晶)是聚合物稳定的一种液晶特殊相。蓝相液晶具有双螺旋结构，有较短的相干长度，因此有很快的响应速度，可以达到微秒级(文献“A low voltageand submillisecond-response polymer-stabilized blue phase liquid crystal，”Appl.Phys.Lett.，102，141116，2013)，且该材料不需要配相层，工艺简单，容易制造。

经过对现有技术的检索发现，宋世军等，在《变焦纳米液晶透镜的体三维立体显示器的初步研究》(现代显示AdvancedDisplay，总第83/84期)中提出一种基于电动变焦纳米液晶透镜的3D立体显示器。该变焦透镜具有50Hz的高速响应以达到无闪烁的显示。梯度折射率纳米聚合物分散液晶透镜通过紫外掩模制作，具有透明性好，响应速度快的优点。采用快速阴极射线管作为二维显示器。因为蓝相液晶透镜只能实现开关切换，无法改变焦距。因此需要由多个不同位置的像素来提供多个方向信息，大大降低了分辨率；而且因为蓝相液晶透镜靠非均匀电场产生的相位差小，焦距长，导致该3D显示的可视范围小；而且因为蓝相液晶透镜采用的结构中，电场方向、液晶盒厚方向和光传播方向在同一个方向：增大液晶盒厚，可以增加一些相位差，但是电压也大大增加。

中国专利文献号CN102713732A，公开(公告)日2012.10.03，公开了一种光偏转器以及采用该光偏转器的液晶显示装置，该技术使光偏转向规定的偏转方向且能够对光的偏转角度进行调制的光偏转器，其具备在规定的偏转方向上排列配置的多个液晶偏转元件。在至少一组相邻的成对的液晶偏转元件中，一方的液晶偏转元件在规定的偏转方向上的大小与另一方的液晶偏转元件在规定的偏转方向上的大小不同。但该技术由于采用普通向列型液晶，响应速度慢、角度数量太少，偏转精度低。因此景深很小。其次，由于其液晶做在三角形的基板上，需要配相层，导入液晶的工序非常复杂，因此较难实现大规模量产。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种空间光调制器及其光场三维显示***，具有大偏转角、高偏转精度，快速响应的优点，完全不用牺牲空间分辨率并保持电压不必增加的基础上实现大可视角、大再现深度、高分辨率的光场三维显示。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种光场三维显示***，包括：光源模块和与之相连的空间光调制器，其中：空间光调制器通过时序方法，以像素为单位对光源模块各个方向上的光线进行强度调制，使得光源模块重现三维物体的光场，从而实现三维显示。

所述的光源可采用单不限于：激光的相干光源、发光二极管(LED)等非相干光源等。

所述的光源为单个整体背光光源或由多个亚背光光源组成，其中：每个亚背光源对空间光调制器的一个或一组像素提供背光。

所述的整体背光光源以及亚背光光源均可以在时序上调制强度或是强度不变。

所述的空间光调制器采用一个二维阵列或由一个一维阵列和与之相连的一维扫描机械装置构成的模拟二维阵列得以实现。

所述的阵列中的每一个像素由一个光线偏转器进行控制。

所述的光线偏转器优选设有一个强度调制器，该强度调制器是通过电信号控制光强度的器件，可以采用但不限于普通向列型液晶显示器、蓝相液晶显示器、数字微镜等任何能实现电控光强度的器件。

所述的光线偏转器包括：平行于光传播的方向设置的上、下基板、位于上基板内侧的第一电极、位于下基板内侧的第二电极以及设置于上、下基板间的蓝相液晶层。

所述的上、下基板可以采用但不限于玻璃石英、硅或聚合物制成。

所述的第一电极和第二电极可以采用但不限于氧化铟锡(Indiμm Tin Oxide，ITO)材料、金属、导电聚合物或任何导电物制成。

所述的电极的形状可以采用但不限于单个三角形、多个三角形组成的锯齿形、多边形、圆形等，电极的厚度为20纳米到10微米。

所述的蓝相液晶层由两块蓝相液晶材料和位于其中间的间隔物组成，其中：蓝相液晶材料的厚度为2微米到2毫米；间隔物为球状或柱状结构，由树脂、硅或任何可以控制液晶厚度的材料制成。

所述的蓝相液晶材料优选为聚合物稳定蓝相液晶材料。

所述的光线偏转器进一步优选包括：用于电控偏振态90度转换的偏振转换器。

所述的光线偏转器进一步优选包括：设置于上基板内侧的第三电极以及设置于下基板内侧的第四电极。

所述的第三电极和第四电极可以采用但不限于氧化铟锡材料、金属、导电聚合物或任何导电物制成。

所述的电极的形状可以采用但不限于单个三角形、多个三角形组成的锯齿形、多边形、圆形等，电极的厚度为20纳米到10微米。

所述的第一电极和第三电极均位于上基板内侧且互相不导通，第一电极和第三电极上分别连接不同的电信号。

所述的第二电极和第四电极均位于下基板内侧且互相不导通，第二电极和第四电极上分别连接不同的电信号。

技术效果

与现有技术相比，本发明与现有技术相比有如下的有益效果：

1)本发明由在上下基板上的电极的形状控制蓝相液晶中的折射率分布，形成类似棱镜的结构，平行于基板方向传播的光发生偏转，可以达到很大的偏转角，因此本发明的三维显示可以达到大视角。

2)本发明的电压可以连续控制折射率变化，可以连续控制光线偏转角，偏转精度很高，因此本发明的三维显示可以达到大重现深度。

3)本发明采用快速响应的蓝相液晶，因此可以在一帧图像时间内扫描多个角度，因此本发明的三维显示可以达到高分辨率。

附图说明

图1为光场三维显示原理示意图；

图2为本发明整体结构示意图1；

图3为本发明整体结构示意图2；

图4为本发明单像素结构示意图；

图5为本发明实施例1中蓝相液晶光线偏转器结构图1；

图6为本发明实施例1中蓝相液晶光线偏转器偏转角随电极角度θ_p变化的曲线示意图；

图7为本发明实施例1中蓝相液晶光线偏转器偏转角随电致双折射率变化的曲线示意图；

图8为本发明实施例1中蓝相液晶光线偏转器结构图2；

图9为本发明实施例1中蓝相液晶光线偏转器结构示意图3；

图10为本发明实施例2中蓝相液晶光线偏转器结构图1；

图11为本发明实施例2中蓝相液晶光线偏转器结构图2；

图中：10三维物体、11空间光调制器、12像素单元、13机械扫描装置、14强度调制器、15光线偏转器、16上基板、17下基板、18电极、19电极、20蓝相液晶、21散射观察屏幕、22偏振转换器、23电极、24电极。

具体实施方式

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。

实施例1

如图1所示，为本实施例的光场显示的原理图；本实施例中：空间光调制器11通过各个像素单元12模拟三维物体10发出的光线，来重现三维影像。

如图2和图3所示，空间光调制器11是由像素单元12组成的一个二维阵列。图3是空间光调制器的另一种整体结构图，其中：空间光调制器11是由像素单元12组成的一个一维阵列，配合机械扫描装置13扩展成模拟二维阵列。

如图4所示，空间光调制器的每个像素12为一个强度调制器14和一个光线偏转器15。当光源13发出的光线经过空间光调制器以后，它的强度和方向分别被14和15调制。

如图5所示，蓝相液晶20夹在上基板16，下基板17之间。在上基板16内侧有三角形第一电极18，在下基板17内侧有三角形第二电极19。光沿着z方向传播，与上基板16和下基板17平行。第一电极18和第二电极19对齐，他们的斜边与光线传播方向的夹角为θ_p。当第一电极18和第二电极19之间没有电势差时，没有电场产生，因此这个液晶盒中的蓝相液晶20是各项同性的，整个器件内的折射率椭球呈球状，各个方向的折射率均匀分布为n_iso。因此光线通过该器件时，方向没有改变。在第一电极18和第二电极19之间施加电压时，处于电极覆盖区域的蓝相液晶，由于竖直电场产生了电致双折射率，折射率椭球从球状变成了竖直方向拉长的椭球。对于y方向偏振的光(非常光，e光)来说，折射率增大为n_e(E)，对于x方向偏振的光(寻常光，o光)来说，折射率减小为n_o(E)。而在没有电极覆盖区域的蓝相液晶，仍然保持各向同性，折射率为n_iso。由于电极的形状，整个蓝相液晶折射率分布相当于一个棱镜或者有很大相位变化的光栅。当光入射在折射率变化界面时，根据斯涅尔定理n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，光线发生偏转，其中：n₁和n₂是入射媒介和出射媒介的折射率，θ₁和θ₂是在界面的入射和出射角度。三角形电极角度θ_p越小，或者n₁和n₂的差别越大，则产生的偏转角大。这里对o光来说，n₁=n_o(E)，对e光来说，n₁=n_e(E)，而n₂总是等于n_iso。根据蓝相液晶的电光特性： $n_o\left(E\right)=n_{\mathrm{iso}}-\frac{1}{3}\mathrm{\Δn}\left(E\right),n_e\left(E\right)=n_{\mathrm{iso}}+\frac{2}{3}\mathrm{\Δn}\left(E\right),$ o光和e光朝相反的两个方向发生偏转。加在第一电极18和第二电极19上的电压越大，产生的电致双折射率Δn(E)越大，偏转角也越大。

蓝相液晶电致双折射率在低电场下遵循扩展科尔效应：

其中：Δn_s是蓝相液晶材料能够实现的最大电致双折射率，称为饱和电致双折射率，E_s是饱和电场，决定了达到饱和电致双折射率的63%所需的电场。

用扩展科尔模型对该蓝相液晶偏转器进行如下仿真：首先用有限元算法根据泊松方程

计算出电势分布，然后根据算出电场的大小和方向。再根据扩展科尔模型算出电致双折射率ΔnE的分布，从而算出折射率分布。最后对非常光和寻常光的角度进行计算。

图6是计算得到的光线偏转角随电致双折射率变化的曲线，这里假定三角形电极的角度θ_p是10度，各向同性状态下的蓝相液晶折射率n_iso为1.53。可见非常光(e光)的偏转角随着电致双折射率的增大不断增大。这说明了两个问题：1)对于同样的材料，在第一电极18和第二电极19之间施加的电压越大，电场越强，电致双折射率越大，因此偏转角越大；2)对于不同的材料，饱和双折射率Δs_s越大，所能达到的最大偏转角度越大。然而对于寻常光(o光)来说，当电致双折射率增大到一定值的以后，由于折射率和入射角满足了全反射条件，偏转角不再增大。

图7是计算得到的非常光的偏转角随三角形电极角度θ_p变化的曲线。这里假定n_iso=1.53和Δn_s=0.18。可见θ_p越小，偏转角越大，因为等效棱镜的相位差越快。

图8是实施例1的蓝相液晶光线偏转器结构图2。在上基板16内侧有锯齿状的第一电极18，在下基板17内侧有锯齿状的第二电极19。当第一电极18与第二电极19之间没有电势差时，整个液晶盒内的蓝相液晶呈各向同性。光线通过时，没有发生偏转。当第一电极18与第二电极19之间有电势差时，由于电致双折射率产生了折射率分布，相当于很多个等效棱镜的叠加。e光(y方向偏振的光)会朝负x方向偏转，而o光(x方向偏振的光)会朝正x方向偏转。光线每经过一次折射率突变界面，就会产生一次光线偏转。多次经过各个锯齿电极区域，光线的偏转角就会累加，不断增加。

由图6可见，非常光和寻常光朝两个不同的方向偏转。为了增大偏转角，可以使蓝相液晶光线偏转器进一步包含快速电控偏振转换器22。

图9是实施例1的蓝相液晶光线偏转器结构示意图3。它包含一个电控偏振转换器22和前述的蓝相液晶光线偏转器15(包括结构1和结构2)。偏振转换器22在开启状态时可以将偏振方向旋转90度：即可以把非常光转化为寻常光，也可以把寻常光转化为非常光。偏振转换器22在关闭状态对偏振态不产生影响。如图9所示，当偏振转换器22关闭的时候，非常光通过22以后仍然是非常光，因此通过15以后光束往负x方向偏转。当偏振转换器22开启的时候，非常光经过22转化成了寻常光，因此通过15以后光束往正x方向偏转。反之，寻常光也可以经历类似的转换。当偏振转换器22可以在电信号控制下快速地在开启和关闭状态下切换，就可以实现总最大偏转角度为非常光和寻常光最大偏转角度之和。

光线经过强度调制器，光的强度被调制。光线再经过偏转器，通过电压可以控制偏转器的偏转角度。这样光线的方向就可以得到控制。因为蓝相偏转器的快速响应，本实施例可以在时序上，单个像素遍历各个方向角度的信息，即单个像素就可以实现同时强度和方向的调制，不需要以牺牲空间分辨率来提供角度信息。由这些单像素组成的阵列（空间光调制器）因为本实施例的显示偏转精度极高，能够更真实的模拟现实生活中的三维物体，使人能够像看真实物体一样观看，长期观看不会觉得疲劳。

实施例2

图10是第二实例中蓝相液晶光线偏转器的结构图1。蓝相液晶20夹在上基板16，下基板17之间。在上基板16内侧有三角形第一电极18和三角形第三电极23，在下基板17内侧有三角形第二电极19和三角形第四电极24。三角形第一电极18与三角形第三电极23的形状互补，但是隔开10微米到5毫米的距离。三角形第二电极19与三角形第四电极24的形状互补，但是隔开10微米到5毫米的距离。光沿着z方向传播，与上基板16和下基板17平行。第一电极18和第二电极19对齐，他们的斜边与光线传播方向的夹角为θ_p1。第三电极23和第四电极24对齐，他们的斜边与光线传播方向的夹角为θ_p2。当第一电极18、第二电极19，第三电极23和第四电极24之间都没有电势差时没有电场产生，因此这个液晶盒中的蓝相液晶20是各向同性的，整个器件内的折射率椭球呈球状，各个方向的折射率均匀分布为n_iso。因此光束通过该器件时，方向没有改变。

如图10所示，在第三电极23和第四电极24之间施加电压时，并且第一电极18和第二电极19之间没有电势差时，处于第三电极23和第四电极24覆盖区域的蓝相液晶，由于竖直电场产生了电致双折射率，折射率椭球从球状变成了竖直方向拉长的椭球。对于y方向偏振的光(非常光，e光)来说，折射率增大为n_eE，对于x方向偏振的光(寻常光，o光)来说，折射率减小为n_o(E)。而在电极18、19覆盖区域的蓝相液晶，仍然保持各向同性，折射率为n_iso。由于电极的形状，整个蓝相液晶折射率分布相当于一个棱镜或者有很大相位变化的光栅。当光入射在折射率变化界面时，根据斯涅尔定理n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，光线发生偏转，其中：n₁和n₂是入射媒介和出射媒介的折射率，θ₁和θ₂是在界面的入射和出射角度。三角形两个电极23、24的角度θ_p2越小，或者n₁和n₂的差别越大，则产生的偏转角大。这里对o光和e光来说，n₁=n_iso；对e光来说，n₂=n_e(E)，对于o光来说，n₂=n_o(E)。根据蓝相液晶的电光特性： $n_o\left(E\right)=n_{\mathrm{iso}}-\frac{1}{3}\mathrm{\Δn}\left(E\right),n_e\left(E\right)=n_{\mathrm{iso}}+\frac{2}{3}\mathrm{\Δn}\left(E\right),$ e光朝正x方向偏转，而o光朝负x方向偏转。

当第一电极18和第二电极19之间有电势差，并且两个电极23、24之间没有电势差时，处于电极18、19覆盖区域的蓝相液晶折射率椭球从球状变成竖直方向拉长的椭球状，而处于两个电极23、24覆盖区域的蓝相液晶仍然保持各向同性(类似于图5)。则非常光(e光)朝负x方向偏转，而寻常光(o光)朝正x方向偏转。这样，通过控制电极18、19或者电极23、24，可以控制光线往两个不同方向偏转，总的最大偏转角度为单边偏转角度的两倍。

图11是第二实例中蓝相液晶光线偏转器的结构图2。在上基板16内侧有锯齿状的第一电极18和锯齿状的第三电极23，在下基板17内侧有锯齿状的第二电极19和锯齿状的第四电极24。第一电极18与第三电极23的形状互补，但是隔开10微米到5毫米的距离。第二电极19与第四电极24的形状互补，但是隔开10微米到5毫米的距离。当第一电极18、第二电极19、第三电极23和第四电极24之间都没有电势差时，整个液晶盒内的蓝相液晶呈各向同性。光线通过时，没有发生偏转。

当第一电极18与第二电极19之间有电势差时，并且第三电极23和第四电极24之间没有电势差时，由于电致双折射率产生了折射率分布。e光(y方向偏振的光)会朝负x方向偏转，而o光(x方向偏振的光)会朝正x方向偏转。光线每经过一次折射率突变界面，就会产生一次光线偏转。多次经过各个锯齿电极，光线的偏转角就会累加，不断增加。

当第三电极23与第四电极24之间有电势差时，并且第一电极18和第二电极19之间没有电势差时，由于电致双折射率产生了折射率分布。e光(y方向偏振的光)会朝正x方向偏转，而o光(x方向偏振的光)会朝负x方向偏转。光线每经过一次折射率突变界面，就会产生一次光线偏转。多次经过各个锯齿电极区域，光线的偏转角就会累加，不断增加。

通过控制第一电极18、第二电极19或者第三电极23、第四电极24，就可以使光线偏转方向达到单边偏转的两倍。通过增加四个电极18、19、23、24的锯齿数，可以进一步增加偏转角度。

Claims (10)

1.一种空间光调制器，其特征在于，采用一个二维阵列或由一个一维阵列和与之相连的一维扫描机械装置构成的模拟二维阵列得以实现；

所述的阵列中的每一个像素由一个光线偏转器进行控制。

2.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征是，所述的光线偏转器内设有一个强度调制器，该强度调制器是通过电信号控制光强度的器件。

3.根据权利要求1或2所述的空间光调制器，其特征是，所述的光线偏转器包括：平行于光传播的方向设置的上、下基板、位于上基板内侧的第一电极、位于下基板内侧的第二电极以及设置于上、下基板间的蓝相液晶层。

4.根据权利要求3所述的空间光调制器，其特征是，所述的蓝相液晶层由两块蓝相液晶材料和位于其中间的间隔物组成，其中：蓝相液晶材料的厚度为2微米到2毫米；间隔物为球状或柱状结构。

5.根据权利要求1或2所述的空间光调制器，其特征是，所述的光线偏转器内设有：用于电控偏振态90度转换的偏振转换器。

6.根据权利要求4所述的空间光调制器，其特征是，所述的蓝相液晶材料采用为聚合物稳定蓝相液晶材料。

7.根据权利要求1或2所述的空间光调制器，其特征是，所述的光线偏转器内设有：设置于上基板内侧的第三电极以及设置于下基板内侧的第四电极；

所述的第一电极和第三电极均位于上基板内侧且互相不导通，第一电极和第三电极上分别连接不同的电信号；

所述的第二电极和第四电极均位于下基板内侧且互相不导通，第二电极和第四电极上分别连接不同的电信号。

8.根据上述任一权利要求所述的空间光调制器，其特征是，所述的电极的厚度为20纳米到10微米。

9.一种光场三维显示***，其特征在于，包括：光源模块和与之相连的根据上述任一权利要求所述的空间光调制器，其中：空间光调制器通过时序方法，以像素为单位对光源模块各个方向上的光线进行强度调制，使得光源模块重现三维物体的光场，从而实现三维显示。

10.根据权利要求9所述的光场三维显示***，其特征是，所述的光源为单个整体背光光源或由多个亚背光光源组成，其中：每个亚背光源对空间光调制器的一个或一组像素提供背光。

Images