CN1144084C - 胆甾相液晶反射式立体显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种立体显示设备，特别是涉及一种胆甾相液晶反射式立体显示设备。本发明的目的在于提供一种可以实现黑白或彩色显示；分辨率高；可以抵抗潮湿环境和降低造价；节省功耗；适于户外使用，便于携带；占空比大的立体显示设备。胆甾相液晶反射式立体显示设备，包括左旋胆甾相液晶显示器和右旋胆甾相液晶显示器，其特点在于：该设备包括两枚或三枚单色胆甾相液晶显示器重叠而成，其中，至少有一对胆甾相液晶显示器的胆甾相液晶的螺旋结构是反向的。
Description
技术领域
本发明涉及一种立体显示设备，特别是涉及一种胆甾相液晶反射式立体显示设备。
背景技术
人类获取信息量的70％来自视觉。视觉对客观感受的理论解释是很复杂的，但是在身临其境的情况下，有深度感是人们公认的。随着计算机制图、通讯以及模拟生活等技术的发展，人们要求在身临其境的环境中，能够再现这种“深度感”。
目前正在开发的这种深度感技术很多。目前应用比较普遍的有两种：
1、光全息立体显示
请参考[1]清华大学光学仪器教研组，《信息光学基础》P249，机械工业出版社(1985)；[2]蔡履中，刘华光，《现代显示》第一期，P39(1996)。
实现全息立体(即三维)显示方案很多。但其记录与再现的原理大体相同。先制作一个全息平面图，即用相干光照明物体表面，将表面的漫反射光波照到记录介质上。二者产生干涉，记录下来便是全息平面图。再现有深度感物体像时，需用一束与参考光相似的光波，照射到这个记录介质上，便可得到一个与物体十分逼真的有深度感的立体像。这类的全息立体显示，设备庞大，适用于电影院。
2、借助特殊眼镜，从两维视差图像获得深度感的立体显示
请参考[1]石明卫，《电视技术》，总第210期，P22(1999)；[2]赵战略，王衡翔，韩崇照，《电视技术》，总第212期，P61(2000)。
人的双眼有65mm的空间距离，在观察同一个三维物体时，见附图1所示，映在右眼的图像为BARC，映在左眼的图像为BALC。在双眼上所呈现的略有差别的图像(简称视差图像)。经双眼调节，便可在大脑中产生BC在A之后的深度感。
半个世纪之前，美国一家大型电影院就利用双眼视差原理放映立体电影。他们先用两台摄像机，与人的双眼相匹配的距离和角度拍摄三维物体，制成两套胶片。再用两台分别带有相互垂直的线偏振器电影放映机，同步地投到大屏幕上。同时这两副相互垂直的线偏振光的图像要在水平方向上错开一定的距离，观察者需戴上一副眼镜，左右镜片为相互垂直的线偏振片。左右线偏振片的偏振方向需与放映机的相对应，致使左右眼分别只能看到视差图像的相应部分。经观察者大脑叠合，便可得到质量优良栩栩如生立体的活动的彩色图像。也是因为设备庞大，适用于电影院。
与立体电影原理相似，将电视(PAL制)50Hz祯频分为奇偶场，分别对应左右眼的视差图像，借助于与帧频同步的液晶光阀使左右眼分别只能看见奇或偶场的视差图像。经过观察者双眼调节，便可得到立体的彩色活动图像。适于家庭和个人适用。但是，50Hz帧频分别为奇偶场，使立体图像的祯频变为25Hz，低于人眼的闪烁频率，观察者眼睛易疲劳，头昏。90年代，我国有两家电视台进行试播，曾一度引起很大轰动，后因闪烁问题未能解决而告终。
近年来许多电视研究工作者，提出许多解决问题的方案。例如双通道双显示屏立体显示方案[赵战略，王衡翔，韩崇照，《电视技术》，总第212期，P61(2000)]。这个显示方案需要两台CRT电视机或TFT液晶显示器，用光学***将两台眼视差图像分别送至左右眼。此方案能与PAL制相配，无闪烁，图像清晰，立体感强。可以在家庭或个人使用。但是这个双显示屏立体显示器只能放置在桌上或者戴在头上，携带不便，价格昂贵。
在本发明背景中，还应该提及近年来的三个方面的发明：
1、用一种具有胆甾相液晶(Cholesteric liquid crystal)螺旋性的聚合物为颜料作为左和右旋圆偏振墨汁，按着三维视差编码顺序，印刷或绘画在黑纸的表面上，再利用左和右旋圆偏振片作助视镜，即可获得立体图像[S.M Faris，U.S.Patent 5,364,557；S.M Faris，U.S.Patent5,364,554]。但是，这个印刷或绘画在黑纸上的立体图像是不能擦除的或再写入的。
2、为了实现可擦除和写入的立体图像显示，用胶条将矩阵显示屏中的各个列(或行)电极上空间，彼此隔离开来，于是便形成以列(或行)电极为基底的条形盒。再将左和右旋胆甾相液晶或三基色的左和右旋胆甾相液晶，按着三维视差编码顺序分别灌注到条形盒中。同样，利用左和右旋圆偏振片作的助视镜来实现立体显示[请参考Yao-Dong Ma《CholestericLiquid crystal Displays》P150 Kennedy Western University]。这个立体显示方案，由于左和右旋胆甾相液的条形盒均处在一个平面上，所以像素的占空比必然要降低。更重要的缺点是在作立体显示时，反射光强对双眼的贡献将减少一半。
3、为了实现胆甾相液晶全彩色显示而采用红、绿、蓝三枚单色胆甾相液晶显示器重叠在一起形成一个重叠屏方案[D.Davis，A.Khan，K.-YHuang.J.W.Doane，C.Jones，SID98 DIEST，P901(1998)]。不过这个重叠屏不能实现立体显示。
现有的胆甾相液晶显示器7均为反射式的二维的，其结构见图2。带有列透明电极2和行透明电极4上下基片1和5，其材料为玻璃或塑料。基片之间充满胆甾相液晶3，厚度约为3μm。下基片用油墨6涂黑。胆甾相液晶呈螺旋状，螺旋轴在盒中可取任意方向，在无外场作用时，是稳定的。当螺旋轴与基本夹角约90℃时，当自然光照到盒上，在盒的上方可以看胆甾相液晶的布喇格反射(Bragg reflection)。当螺旋轴与基片夹角约0°时，入射光将透过胆甾液晶而被下基片吸收。外加电场可改变螺旋轴的方向，因而改变布喇格的反射光强，便成为二维单色显示。这个单色是由布喇格的反射光谱决定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现黑白或彩色显示；分辨率高；可以抵抗潮湿环境和降低造价；节省功耗；无闪烁；适于户外使用，便于携带；占空比大的立体显示设备。
胆甾相液晶反射式立体显示设备，包括左旋胆甾相液晶显示器和右旋胆甾相液晶显示器，其特点在于：该设备包括两枚或三枚单色胆甾相液晶显示器重叠而成，其中，至少有一对胆甾相液晶显示器的胆甾相液晶的螺旋结构是反向的。
本发明的有益效果在于：
1、只用两个或三个胆甾相液晶屏重叠在一起，借助于助视镜，便可实现黑白或彩色立体显示，这个重叠的单屏可以作成大屏幕挂在墙壁上，也可作成小屏幕手持；
2、这种立体显示屏的分辨率(指显示的立体图象的行数)，理论上不受限制；
3、这种立体显示屏无偏振片，有利于抵抗潮湿环境和降低造价；
4、可在无功耗下观察，节省功耗；
5、不用背光源，在阳光下观察对比度好，颜色鲜艳，适于户外使用；
6、助视镜不需要与显示信号同步，无闪烁现象。观察时头部可移动，疲劳感弱；
7、这种立体显示可与平面显示兼容，不用助视镜，双眼看到的亮度可增加4倍；
8、这种立体显示***简单，重量轻，便于携带；
9、这种立体显示***造价低廉；
10、本发明与其它类型的胆甾相液晶立体显示器相比较，占空比大，亮度高。
附图说明
图1是双眼视差示意图。
图2是反射式胆甾相液晶二维显示屏结构图。
图3是两枚左和右旋胆甾相液晶二维显示屏重叠成的三维黑白显示单屏
图4是三枚左和右旋胆甾相液晶二维显示屏重叠成的三维彩色显示单屏
图5是胆甾相液晶布喇格反射光谱示意图
其中(a)为左旋胆甾相液晶
(b)为右旋胆甾相液晶
图6是两枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏对自然光的布喇格反射情况
图7是三枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏对自然光的布喇格反射情况
图8是两枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏立体显示示意图
图9是三枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏立体显示示意图
附图中的参照标号
上基片1 行透明电极2
胆甾相液晶3 列透明电极4
下基片5 油墨6
胆甾相液晶显示器7 基片8
胆甾相液晶9、10 光胶11
液晶二维显示屏12、13 单屏14
胆甾相液晶15、16、17
左和右旋基色胆甾液晶二维显示屏18、19、20
立体全彩色单屏21
左和右旋圆偏振片22、23
具体实施方式
本发明的胆甾相液晶反射式立体显示屏基本结构是重叠型单屏，即由两枚或三枚胆甾相液晶二维显示屏重叠而成为单屏，同时，不论是两枚或是三枚组合的单屏，其中必须有一对二维显示屏的胆甾相液晶的旋转方向相反。根据这个基本结构，例举以下三个应用方面的实施例的基本结构。
用于便携式黑白摄像机的立体黑白显示屏的结构(见图3和图8)：
两枚左和右旋胆甾相液晶二维显示屏12和13重叠而成为一个单屏14。在这个单屏14中，8为基片，6为油墨，屏12和屏13用光胶11贴合在一起(也可以采用一个公用基片将屏12和屏13做在一起)。在二维显示屏12和13中的胆甾相液晶9和10一定要旋转方向相反。若二维显示屏12和13的布喇格反射光的颜色互为补色，利用左和右旋圆偏振片22和23便可获得黑白立体显示。
用于便携式立体全彩色电子书的立体全彩色显示屏的结构(见图4和图9)
三枚左和右旋基色胆甾液晶二维显示屏18，19，20重叠而成立体全彩色一个单屏21。三枚二维显示屏的布喇格反射光谱分别为红、绿、蓝。对基片8做表面处理，如溅射SiO2，来减少三枚显示屏18，19，20的布喇格反射光谱相互重叠部分。在三枚显示屏中的胆甾相液晶15，16，17必须有一对旋转方向相反。
本发明的胆甾相液晶反射式重叠单屏立体显示原理：
左旋和右旋胆甾相液晶屏的布喇格反射光：
胆甾相液晶的三维显示与二维显示的主要差别是，在胆甾相液晶二维显示中，不是左旋的就是右旋的胆甾相液晶，而在三维显示两者都要有。左和右旋胆甾相液晶的布喇格反射光的物理特性不同。见图5a，胆甾相液晶为左旋结构的，入射光为自然光，并且平行于螺旋轴。其布喇格反射光是由左旋圆偏振光BL和右旋圆偏振光BR组成，由于BL最大光强远大于右旋圆偏振光BR，故我们常把BR忽略不计。左旋圆偏振光BL的光谱范围是λ0±Δλ，故我们又把这种反射称为选择反射。右旋结构的胆甾相液晶的布喇格反射光特性见图5(b)，BR的最大光强＞＞BL的最大光强，选择波长为λ0±Δλ。反射波长λ0可用胆甾相液晶混合物组份调节，可获得可见光范围内任何波长，Δλ～50nm。
自然光照射到胆甾相液晶屏上时，除了一部分产生布喇格反射之外(在这里不考虑屏的基片界面反射)，其他的光将被透射。
如果入射光为圆偏振光，胆甾相液晶屏只能对于其本身旋转方向相反，波长范围λ0±Δλ相同的圆偏振光进行布喇格反射。其它的波长范围的圆偏振光以及波长范围为λ0±Δλ但与胆甾相液晶旋转方向相同的圆偏振光均被透射。
左和右旋胆甾相液晶重叠屏的布喇格反射光：
在本发明的重叠屏中，我们需要的左和右旋的圆偏振光(即布喇格反射光)，能否被充分的反射出来是至关紧要的。
两枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏在自然光照明下，布喇格反射光的情况，见图6所示。设：9为左旋胆甾相液晶材料；10为右旋胆甾相液晶材料。当自然光L1首先照射到右旋胆甾相液晶屏13上，其布喇格反射光L2为右旋圆偏振光。其透射光L3的组成比较复杂，其中有与L2波长范围相同，但旋转方向相反的圆偏振光，还有大量其它波长范围的光。当L3照射到左旋胆甾相液晶屏12上，其布喇格反射光L4为左旋圆偏振光。其透过光全部被黑漆所吸收。这个左旋圆偏振光L4照射到右旋胆甾相液晶屏13上，L4将透过右旋胆甾相液晶屏13，即L5与L4旋转方向相同，波长范围也相同。于是，当自然光L1照射到重叠屏14上，产生了两束布喇格反射光(L2和L5)，它们的旋转方向相反，它们的波长取决于胆甾相液晶材料，它们的布喇格反射光几乎不被重叠屏14吸收。
三枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏在自然光照明下，布喇格反射光的情况，见图7所示。首先，三枚屏18、19、20所灌注的胆甾相液晶，其布喇格反射光分别为红、蓝、绿。在制作屏的工艺方面将尽量减少三基色光谱范围重叠部分。这样做有利于获得全彩色显示和在重叠屏中透过布喇格反射光强。其次，三枚屏所灌注的胆甾相液晶要有两枚旋转方向是相反。
当自然光l1首先照射到左旋胆甾相液晶红色屏20，其布喇格反射光l2为红色左旋圆偏振光。其透射光l3中具有蓝色屏19和绿色屏18产生充分的布喇格反射光的自然光的光谱部分。因此，不影响19产生的蓝色右旋的布喇格反射光l4。由于19和20的布喇格反射光谱不重叠，所以19反射蓝色右旋偏振光l4，将能透过20，即l4＝l5。基于同样的原理，18反射的绿光左旋圆偏振光l7，将能透过19和20，即l7＝l8＝l9。于是，当自然光l1照射到重叠屏21上，产生了三束布喇格反射光(l2、l5和l9)，其波长分别为红、蓝、绿。l2和l9为左旋圆偏振光、l5为右旋圆偏振光。这三束布喇格反射光(l2、l5和l9)几乎不被重叠屏21吸收。
重叠屏立体显示：
两枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏立体黑白显示：
见图8互为补色的双眼的立体图像视差信号，通过控制器，分别送到左和右旋胆甾相液晶屏12和13。在这两枚屏上产生视差图像分别以左和右旋圆偏振光L2和L5反射出重叠屏14。我们知道，左旋圆偏振光可以通过右旋圆偏振光，而不能通过左旋圆偏振光；右旋圆偏振光可以通过左旋圆偏振光，而不能通过右旋圆偏振光。于是我们可以借助由两枚旋转方向相反的圆偏振片22和23组成的眼镜，使双眼分别获得视差信号相应部分，再经大脑叠合成立体图像。重叠屏反射出左和右旋圆偏振光互为补色，经大脑对颜色叠合，便可获得黑色立体显示。在这里应该指出，重叠屏的互补色立体显示与文献[蔡履中，刘华光，《现代显示》第一期，P39(1996)]中提到互补色立体显示，有原则区别。
本发明的两枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏14，如果送到两枚屏上的图像信号是相同的，那么在两枚屏上将显示相同的图像，不用助视镜便可看到黑白的二维图像。即实现二维/三维转换。这个重叠二维显示器与普通的胆甾相液晶显示器相比，在显示性能的方面有两个重要的优点：改单色显示为黑色显示；增大显示器的反射光强接近两倍，这个重叠二维显示器与普通的胆甾相液晶显示屏相比还增加了一个重要功能，即两枚胆甾相液晶屏可同时分别显示不同内容的图像和字符(例如一枚屏显示地图，另一枚屏显示地址指令)可扩大显示器的应用范围。
三枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏立体彩色显示：
三枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏获得立体显示的原理与两枚左和右旋胆甾相液晶重叠屏立体黑白显示的原理相同。下面重点讲述本发明的彩色显示原理。见图9，在重叠屏21中，双眼的立体视差图像是由左旋(或右旋)圆偏振光的三基色之一(如绿色的图像)和右旋(或左旋)圆偏振光的另外两个基色(如蓝色和红色的图像)组成。助视镜仍是采用两枚旋转方向相反的宽带圆偏振片22和23。通过左旋圆偏振片的颜色将是绿色。通过右旋圆偏振片的光的颜色将是蓝色和红色的混合色。通过大脑对颜色的叠合，便可获得彩色立体显示。
Claims (10)
1、胆甾相液晶反射式立体显示设备，包括左旋胆甾相液晶显示器和右旋胆甾相液晶显示器(14，21)，其特征在于：该设备包括两枚或三枚单色胆甾相液晶显示器重叠而成，其中，至少有一对胆甾相液晶显示器的胆甾相液晶的螺旋结构是反向的。
2、如权利要求1所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：该立体显示设备由左旋胆甾相液晶二维显示屏(12)和右旋胆甾相液晶二维显示屏(13)重叠连接而成。
3、如权利要求2所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：所述左旋胆甾相液晶二维显示屏(12)和右旋胆甾相液晶二维显示屏(13)的布喇格反射的颜色互为补色。
4、如权利要求1所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：该立体显示设备由三枚左和右旋三基色胆甾相液晶二维显示屏重叠而成。
5、如权利要求4所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：在三维全彩色摄像机中，有三个图像转换器，其中两个(18，20)与相连接的图像转换器在摄像机的同一侧，另一个与(19)相连接的图像转换器在摄像机的另一侧。
6、如权利要求1所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：该显示设备应用于便携式带立体图像显示的黑白和全彩色摄像机。
7、如权利要求1所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：该显示设备应用于大屏幕壁挂式全彩色立体显示。
8、如权利要求1所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：该显示设备应用于立体显示电子书。
9、如权利要求1所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：该显示设备应用于便携式立体显示电话。
10、如权利要求1所述的胆甾相液晶反射式立体显示设备，其特征在于：该显示设备应用于便携式带三维显示的GPS或两个二维显示的GPS，其中一个显示地图。
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