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CN1468384A - 三维hlcd系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种自动立体三维液晶显示系统及其制造方法。该系统包括：准直的背光照明(12)、第一光衍射全息图(16)、第二右－左交错的全息图(18)、和液晶显示器。如果背光照明未受到准直，则在进入第一全息图之前使用微准直器阵列(14)准直背光照明。通过包括两个步骤的过程形成第二右－左交错的全息图。该过程包括：在第一位置定位光刻掩模(44)和观察区掩模(52)，在第一位置记录第一全息记录，将光刻掩模(44)和观察区掩模(52)移动到第二位置，并且在第二位置记录第二全息记录。

Description

三维HLCD系统及其制造方法
技术领域
一般地说，本发明涉及三维(3D)显示器领域，具体地说，涉及不需要观看者配戴防护镜或眼镜的三维全息液晶显示器(HLCD)。本发明还涉及制作三维HLCD显示器所用的左-右眼观察多路合成全息图的方法。
背景技术
高性能显示系统实际上在科学和工程仪器的各种系统接口中都是关键性的元部件。比如，三维成像在诸如神经学研究的医学成像中和依靠三维结构观察的其它研究中都显示很大的优越性。
一般说来，科学观察、模拟和仪器设计都是利用科学工作站、强有力的图像处理方法、计算机图形软件以及为使在两维显示器上显示假三维图像而设计的专用软件来实现的。遗憾的是，这些系统都缺少图像内容的实质方面，因为这些系统都是依靠观察人员对两维观察深度提示的解释来产生三维图像的。给观察显示器附加一个第三维，就能够极大地加强观察人员想像并解释图像的准确空间关系。
已经开发了几种三维显示技术，但是它们的应用受许多因素的限制。这些因素包括：需要诸如扫描仪和投影仪之类的外部设备；不能实时显示无烁图像；有限的观察范围使分辨率减小；依靠特殊的图像数据格式化和扫描以及成本的增加。因此，需要一种成本有效的三维显示单元，这种显示单元容易与常规的两维显示格式接口，允许与宽视场观看能力互动，并且支持三维自动立体观察。
发明内容
本发明的目的在于借助多路全息衍射光栅结构提供一种高分辨率、高质量、全彩色、自动立体三维图像。
本发明的另一目的在于提供一种系统，它将投影光限定到需要的显示和观察结构上。
本发明的又一目的在于提供一种三维观察系统，这种观察系统是成本有效、结构紧凑的，并与常规两维平板LCD显示技术兼容。
本发明的再一目的在于提供一种三维观察系统，这种观察系统与常规两维显示器和视频传输格式兼容。
本发明的再一目的在于提供一种三维观察系统，这种观察系统可以提供更宽的观看视场。
最后，本发明的再一目的在于提供一种全息多路波导，它包含右视场和左视场的全息记录。
按照这些目的，本发明提供一种自动立体的、高分辨率的、观看视场宽的、紧凑的、平板型三维全息液晶显示(HLCD)系统。所述系统包括背光照明LCD，它利用由特殊多路全息图形成的新颖可切换背光照明板进行了改进。
具体地说，所述系统包括：背光照明，第一光衍射全息图，第二左-右视场多路波导全息图以及液晶显示器(LCD)。如果背光照明未经准直，比如常规LCD显示器中所用的那些背光照明，则要在背光照明与第一全息图之间提供微准直器阵列，以提供准直光。
所述系统通过使两个眼睛从不同角度观看目标而产生三维视差。常规的三维观察方法依靠特殊的观察器具，如防护镜和特制的观察眼镜把光引至适当的眼睛。然而，本发明的系统利用新颖的左右视场多路波导全息图在本系统内把光引至右眼或左眼，因此不再需要外部观察器具。
利用光刻掩模和观察区掩模的组合记录过程，加上在波导传播模式中涉及目标光束及参照光束的波导全息记录，形成这种观察系统所用的新型左右视场多路波导全息图主图。多路波导全息图记录过程是一个包括两个步骤的过程：形成与第一个眼观察区对应的第一全息记录，和随后的形成与第二个眼对应的第二全息记录。随后使用多路波导全息图主图形成全息接触拷贝，这些全息接触拷贝提供一种把常规LCD显示转换成自动立体的三维HLCD显示系统的成本有效的方法。本发明的一个重要方面就在于—波导全息图提供一种装置，它能阻止所不希望有的光被观察者看见。
本发明的另一个方面是提供多个左右视场和一种头顶跟踪照像机，从而可以按照观察人员的眼睛位置显示正确的三维透视图。
结合以下参照附图的描述，可以更好地体会和理解本发明的其它方面和目的。然而应该认识到，下面给出的本发明优选实施例的描述均为示例性的，而非限制性的。在本发明的范围内可以进行多种改型和改进，而不致偏离本发明的构思；本发明包括所有的这些变化。
附图说明
通过参照各附图所示的说明性而非限制性的实施例，这些实施例构成本发明的一部分，可以容易理解本发明的明显优点和特征，各附图中相同的标号代表相同的元件。其中：
图1示出三维HLCD系统的示意图；
图2示出系统元件的分解示意图；
图2A示出准直光通过LCD像素的分解示意图；
图3示出是制造微透镜阵列方法的示意图；
图4示出第一全息图记录过程的示意图；
图5示出第二全息图记录过程的示意图；
图6示出由第二全息图形成交替的左视场和右视场；
图7示出在第一全息记录和第二全息记录期间光刻掩模和观察区掩模的位置；
图8示出复制第二全息主图方法的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，参照详细描述的非限制性实施例更加全面地说明本发明及其各个特征和有益的细节。1.系统概述
如图1所示，本发明提供一种自动立体、全分辨率的、并且紧凑和观察视场宽的平板型三维显示系统。该系统10包括背光照明LCD，利用由背光照明12、微准直器阵列14、第一全息图16、第二全息图18和标准LCD20形成的新的可切换背光照明板对所述背光照明LCD进行改进。
组装时或者使用当中，所述背光照明12通过微准直器阵列14发送光。微准直器阵列14将准直光以预定角度(最好是0°)投射向第一波导全息图16。然后，第一全息图16以大于临界角的角度(最好是45°)衍射所述的光，并将它漫射成各种波长。随后，第二波长全息图18内的第一和第二全息记录将所述的光偏转到相应的第一和第二观察区，而后通过LCD显示器的相应奇数和偶数像素输出。下面的各节中将更加详细地讨论系统10的各个元件。2.三维HLCD设备
如图2和2A所示，所述系统包括背光照明12、微准直器阵列14、第一全息图16、第二全息图18和包含像素21的标准LCD20。A.背光照明
背光照明12可以是常规的准直光。例如，这种光可以是一种小型低功率白光准直光源。可以通过各种方法来形成这种光，其中包括使用带有短焦距菲涅尔透镜的低功率金属卤素灯。B.微准直器阵列及其制造方法
如果背光照明光源未受到准直(即为漫射的)，就可以用微准直器阵列14准直所述背光照明光源。每个微透镜的焦点处形成的针孔用来聚焦并准直所述的光。通过图3所示的如下过程形成微准直器阵列14。
选择商业上适用的微透镜主镜22。由橡胶或其它适宜的材料制成主镜的橡胶负片24。基片26涂有可紫外固化树脂28，可紫外固化树脂28的折射率最好在1.48和1.65之间。然后再把所述橡胶负片24压入树脂28内，形成微准直器阵列14的微透镜22。在把橡胶负片24压入树脂28时，引入紫外光穿过涂敷树脂的基片，用以固化树脂28。去掉橡胶负片24之后，给微准直器阵列14的基片一侧涂敷含有希利(Shiley)正光致抗蚀剂组合物的黑色染料混合物。然后引入紫外光穿过每一个微透镜22。每个微透镜22的曲率将紫外光沿基片26聚焦到焦点30，在每个焦点30处使基片软化。再将蚀刻的结果加到基片26上，从而在微准直器阵列14内形成针孔。C.第一全息图及其制造方法
具体参照图4，用第一全息图16，使所述的光偏离水平方向预定的角度(最好在45°-50°之间)被引向第二全息图，使光散布成红、绿、蓝光谱图像。通过常规的双束记录过程形成第一全息图。具体地说，给全息板基片32涂以诸如卤化银之类的光敏乳胶34。一束漫射的目标光和一束准直的基准光通过所述基片，并进入乳胶34，以记录一个全息图，这个全息图在与水平方向偏离45°-50°之间分散所说的光。最终的全息图使通过微准直器阵列14投射的光分散成分开的红、绿、蓝光谱图像。D.第二全息图及其制造方法
如图5所示，第二全息图18包含两个分开交错的全息记录。一个记录对应于右视场，另一记录对应于左视场。观察时，最终的全息图产生直接对应于如图6所示的LCD中像素的左右交替全息记录，并且产生三维效果。每个交替的右记录和左记录都是一个固定的宽度。所述宽度等于标准LCD像素的宽度，优选的为200微米。
第二全息图18是通过下述过程所形成的右-左交替的全息图主图。如图5所示，给全息板或基片36涂以光敏乳胶，形成乳胶层38，优选的为卤化银。然后将经过涂敷的基片36装到灰玻璃夹持器40上，使乳胶层38远离灰玻璃夹持器40。然后，要给乳胶层的曝露的一侧涂以标度(indexing)液体44，如ISOPAR。
1.光刻掩模
将光刻掩模44放在乳胶层38上，并且在记录之前涂以标准液体46。光刻掩模44设有一系列等间隔的线。具有等于标准LCD像素宽度的光刻掩模44的每条线宽最好在200-300微米之间。例如，如果奇数线是黑色线48而偶数线是空格50，则奇数线用作掩模，阻挡在掩模44的奇数线下的全息记录。
2.观察区掩模
众所周知，人们所能感觉到的是三维的信息，因为由右眼接收到的信息与由左眼接收到的信息略有不同。右眼和左眼之间隔开大约2.5英寸，这导致这种感觉的差异，这种感觉的差异集中到一点，就是提供可产生三维效果的深度提示(cue)。通过在有如图5所示的全息记录过程期间使用观察区掩模52就可以模拟这种想法。
使用观察区掩模漫射体52在全息记录期间遮挡右视场或左视场。观察区掩模漫化体52包括基片54和观察区掩模56。
观察区掩模56提供一系列涂黑区58。比如，每个涂黑区58的宽度可为2.5英寸，并且离开下一涂黑区58的距离是2.5英寸。在记录过程期间，观察区掩模56放在目标光束的通路上。涂黑区58或者挡住右目标光束或者挡住左目标光束。
使用观察区掩模56并结合光刻掩模46产生第一全息记录和第二全息记录，第一全息记录和第二全息记录相互交错，产生分开的右视场和左视场。
现在参照附图7，光刻掩模46和观察区掩模56两者都具有第一位置和第二位置。在第一全息记录期间，光刻掩模46和观察区掩模56两者都处在第一位置。然后，光刻掩模46和观察区掩模56两者都移动到它们的第二位置，随后再开始第二全息记录。
若在形成第一全息记录期间，光刻掩模46挡住与奇数LCD像素对应的区域，而观察区掩模56挡住右观察区，则在形成第二全息记录期间，光刻掩模46必须挡住与偶数LCD像素相应的区域，并且观察区掩模56必须挡住左观察区。
通过有如图5所示的双光束记录过程形成全息记录。使目标光束通过定位在等于系统所期望之回放距离的观察区掩模56，然后再通过光刻掩模46，从而可以形成第一全息记录。基准光束以等于用以记录第一全息图之基准角的角度通过光刻掩模46，该角度最好是偏离水平方向45°-50°之间的角。然后让光刻掩模46和观察区掩模56从第一位移动到第二位置，并重复进行记录以形成第二全息记录。
第一全息记录产生多个具有预定宽度的全息图，这些全息图由相同预定宽度的空白格分开。第二全息记录产生具有多个缝隙的多个全息图，这些缝隙填充在第一全息记录后所存在的多个空白格内。
然后通过接触复制产生左-右交错的全息图主图18的拷贝，其中左-右交错的全息图主图18是用常规的方法，利用波长为514纳米的45°基准激光束复制的。
具体地说，如图8所示，通过下述过程形成左-右交错的全息图的接触拷贝58。将涂有光敏乳胶62，如卤化银的的全息板60装入灰玻璃夹持器40中，使光敏乳胶62与灰玻璃夹持器40接触。在全息板60的上方定位玻璃垫片64。玻璃垫片64最好是1毫米厚。随之将左-右交错的全息图主图18定位在玻璃垫片64上，使左-右交错的全息图主图18的涂有乳胶的一侧38与玻璃垫片64接触。使涂敷的全息板60、玻璃垫片64、和左-右交错的全息图主图18转换位置，以使全息板和所述主板上的乳胶层分开的距离等于LCD基片的厚度，最好是1毫米。然后，再让单独一束基准光束以预定的角度(最好是45°)通过主板18、玻璃垫片64、全息板60、和乳胶层62，累计预定的曝光时间，从而可以记录所述接触拷贝58。然后，通过光化学处理，给接触拷贝58显影。
就本发明而言，实际上有无数的应用，这里不需要详细描述所有的这些应用。这里公开的所有实施例都可以实施，而无需过多的实验。
虽然上面公开了本发明人认为是实施本发明的最佳方式，但本发明的实践不限于此。显然，在不脱离本发明构思和范围的条件下，可以产生本发明特征的各种各样的增添、改进和重新安排。例如，各个元部件不必一定用公知的材料制造，而是实质上可由任何材料制成。此外，每种公开实施例的所有已公开特征都可以和每个其它的公开实施例的除相互排斥特征之外的公知特征相组合，或者进行替换。
希望所附各权利要求覆盖所有这样的增添、改进和重新安排。本发明的相应实施例由所附各从属权利要求予以区分。

Claims (20)

1.一种交错的波导全息图，它包括：
a.第一全息记录；和
b.与所述第一全息记录交错的第二全息记录。
2.如权利要求6所述的交错的波导全息图，其中，所述第一全息记录对应于第一视场，第二全息记录对应于第二视场。
3.如权利要求7所述的交错的波导全息图，其中，所述第一视场是右视场，第二视场是左视场。
4.如权利要求6所述的交错的波导全息图，其中，所述每个全息记录是一个预定的宽度。
5.如权利要求9所述的交错的波导全息图，其中，所述预定宽度约为2.5毫米。
6.如权利要求6所述的交错的波导全息图，其中，所述第一全息记录与第二全息记录组合，在使用中产生三维效果。
7.一种三维全息液晶显示系统，它包括：
a.背光照明；
b.第一波导全息图；
c.液晶显示器；和
d.具有与第二全息记录交错之第一全息记录的第二波导全息图，所述第二波导全息图定位在第一波导全息图与液晶显示器之间。
8.如权利要求12所述的三维全息液晶显示系统，其中，还包括定位在背光照明与第一全息图之间的微准直器阵列。
9.如权利要求12所述的三维全息液晶显示系统，其中，所述背光照明是准直的。
10.一种制造交错的波导全息图的方法，它包括如下步骤：
a.在第一位置形成第一全息记录；
b.在第二位置形成第二全息记录，其中所述第二全息记录与所述第一全息记录是交错的。
11.如权利要求15所述的方法，其中，所述形成第一全息记录的步履还包括：
在涂有乳胶和标度液体之基片上的第一位置定位光刻掩模；
在对应的第一位置定位观察区掩模，然后形成第一全息记录；
其中所述形成第二全息记录的步骤还包括：
在涂有乳胶和标准液体之基片上的第二位置定位光刻掩模；
在对应的第二位置定位观察区掩模，然后形成第二全息记录。
12.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一位置对应于右视场，第二位置对应于左视场。
13.如权利要求16所述的方法，其中，所述光刻掩模包括一系列等间隔线，其中预定的线遮挡全息记录。
14.如权利要求18所述的方法，其中，所述每条线的宽度近似等于标准像素的宽度。
15.如权利要求19所述的方法，其中，每条线的宽度在约200-300微米之间。
16.如权利要求16所述的方法，其中，所述观察区掩模包括一系列分开预定距离的涂黑区。
17.如权利要求21所述的方法，其中，所述预定距离约为2.5英寸。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述乳胶层由卤化银构成。
19.一种制造三维全息液晶显示系统的方法，它包括如下步骤：
a.提供第一波导全息图；
b.提供第二波导全息图，使第一波导全息图与第二波导全息图交错；
c.提供背光照明和液晶显示器；
d.在所述背光照明和液晶显示器之间安置所述第一波导全息图和第二波导全息图，使所述第一波导全息图与背光照明靠近对齐，并使所述第二波导全息图排列在所述第一波导全息图与所述液晶显示器之间。
20.如权利要求24所述的方法，其中，还包括在所述背光照明和第一全息图之间定位微准直器阵列。
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