裸眼立体显示液晶屏的光学结构及设计

取出液晶的背 光 模 组 ! 将可控光栅安装在框 架的最上层 ! 组成 了 适 合 于 狭 缝 背 光 照 明 立 体 显 示器的线光源照明系统 # 背光模组发出的面光源 经过可控光栅的 阻 断 区 和 穿 透 区 后 ! 只有穿透区 线宽范围内的高亮度光线可以透过 # 在立体显示 时! 由 于 存 在 阻 断 区! 背光的总照明强度有所减 弱! 可以用公式表示为 $ 线宽 F F J 8 D 间距 !8 可以 8 模 式 下 的 显 示 器 亮 度! !! 为了改 善 在 J 增加灯管数量来提高背光的照明光强 # 随着背光 技术的发展 ! 背光 模 组 的 光 照 效 率 和 亮 度 都 有 不 断增大的趋势 ! J 8 模式下的亮度衰减已经 是 一 个 很容易解决的问题 #
图 %! 液晶盒的结构 Q ( > %!C 7 / . = 7 . / *2I Q I3 & 8= * 1 1 H
限制 # 为了方便 ! 可以用可 8 和J 8 的分时使用 ! 控式的电子光栅 在 平 面 显 示 时 允 许 面 光 源 照 明 ! 而需要观看立体画面时再切换到线光源照明 # 可控式光学组件的要求是 " $ % % ! 8 显示时为 I Q I3 & 8 提供高亮度 的 面 光源照明 ’ $ % ! J 8 显示时能切换到线光源照明 ’ $ % J ! 8 和J 8 状态可以由用户适时切换 ’ $ % 满足两种显示状态下的照明亮度要求 # B 可控光栅本质上是起光开关作用的器件 # 能 够对光路进行实时阻断和传输的器件首选就是液 晶#同 I 我 Q I3 & 8 像 素 的 液 晶 开 关 作 用 类 似! 们使用液晶来控制照明光的阻断和传输 # 根据形成照明线光源的参数要求 ! 在b I U玻
%! 引 !! 言
不需要配戴特殊眼镜的裸眼立体显示器是立 美 国& 日 本& 德 体显 示 技 术 研 究 的 一 个 重 要 方 向 ! 国& 加拿大等发达国家早在! "世纪# "年代末就 开始投入大量资 金 进 行 这 个 领 域 的 研 究 ! 相继提 出了一些实现原 理 和 方 法 %I Q I3 & 8 技术成熟 并实用后 ! 掀起了 裸 眼 立 体 显 示 器 研 究 的 又 一 轮 热潮 ! 三 洋 电 机& 日 本 夏 普 与 夏 普 欧 洲 研 究 所& 日 立 研 究 所& 美国 8 ( G * ) + ( ) 0 1I * = ’ ) 1 H 6 公 司& 及飞利浦电子 等 相 继 发 表 了 使 用 液 晶 作为图 3 S
图 J! 可控光栅 b I U 电极示意图 Q ( > J!C N * 7 = ’G 0 2 = ) 7 / 1 1 0 X 1 */ 0 + 7 * / b I U* 1 * = 7 / 5 * H 9-
显示屏的研制成功提供了工艺上的保障 # 图 B 是动态装配法中可控光栅和液晶列像素 之间的莫尔条纹 ! 由于放大作用使它们之间的相 对位置可以用肉眼加以判别 #
第! "卷!第#期 ! " " $年% !月
液!晶!与!显!示
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裸眼立体显示液晶屏的光学结构及设计
梁发云 ! 邓善熙 ! 杨永跃
# 合肥工业大学 仪器仪表学院 ! 安徽 合肥 !! " J " " " W! F @ G 0 ( 1 + 7 * / * + = ( = ! #> = G$ !% 9
摘 ! 要 !裸眼立体显示液晶屏以液晶像素作为立体视图的载体 ! 使用特殊 的 光 学 元 件 改 变 显 示器和人眼的成像系统来获取立体视觉效果 % 狭 缝 背 光 照 明 的 裸 眼 立 体 显 示 液 晶 屏 的 光 学 结构包括狭缝照明板 & 液晶盒及背光组件 % 设计了可以完成面光源照明和线光源照明相互转 换的可控光栅 ! 研究了一种行之有效的立体 显 示 液 晶 屏 的 装 配 方 法 ’ ’ ’动 态 装 配 法! 利用装 配组件的工作特性产生莫尔条纹 ! 完成立体显示液晶屏的精密装配 % 研制的裸眼立体显示液 晶屏可以方便地在 ! 8 和J 8 显示模式之间转换 % 关 ! 键 ! 词 !立体显示 ( 液晶显示屏 ( 莫尔条纹 ( 动态装配 中图分类号 ! I< A ? J ; W J!!! 文献标识码 !K
!! 基本光学结构
裸眼立体显示液晶屏的光学系统由两个主要 部件组成 " $ 能够 显 示 动 态 图 像 的 彩 色 显 示 器 % 液 晶 # % 屏的显像 部 分 称 为 I 在立体显示时可 Q I3 & 8! 以分区显示立体对图像 ( # $ 产生 可 控 线 光 源 的 照 明 部 件 % 为 液 晶 提 ! 供线光源和面光 源 照 明 ! 可以利用液晶的光开关 特性进行设计 % I Q I3 & 8 的所有像 素 都 由 薄 膜 晶 体 管 和 与 之对应的滤色片构成 % 像素由三基色亚像素所合 成! 把红 & 绿& 蓝J种颜色的彩色滤光片有规律地 制作在一块作为 公 共 电 极 的 大 玻 璃 基 板 上 ! 另一 侧玻璃基板上相应地制作能产生控制液晶偏转电 压的薄膜晶体管 ! 通过扫描控制晶体管的电压来
提供了亮度均匀的照明面光源 # 立体显示液晶屏的照明系统可以利用背光模 组的光源 ! 使用特制的光学元件 * * * 可控光栅 ! 使 面光源离散化为线光源 # 液晶盒与线光源照明组 件装配在一起 ! 构成立体显示液晶屏 #
J! 可控照明板设计制造
线光源的产生是立体显示技术的关键 # 线光 源的间距+ 决定视图分离效果 ! I Q I3 & 8 像素层 与照明面的距离 / 影响观看区域的位置 # 在不透明的 黑 色 平 板 上 刻 划 出 狭 长 的 缝 隙 ! 缝隙的宽度极小 ! 可以让光源透过 ! 与液晶的面光 源结合后 ! 缝隙对光源按缝隙间距进行离散 ! 可以 产生出高亮度的线状光源 # 对计算机用的 桌 面 显 示 器 而 言 ! 许多时候需 要显示 ! 8 的平面图 像 # 用 固 定 式 光 栅 装 配 的 立 体显示器在 显 示 ! 列像素也被分 8 平 面 图 像 时! 离! 影响了正常的视觉效果 ! 使显示器的使用受到
%"$* % 目 前 国 内对 这 个 像显示的裸眼立体显示 器 )
同其他空分法 立 体 显 示 器 类 似 ! 狭缝背光照 明立体显示器的 左 & 右眼独立视区位于固定的区 域! 观察区域受到一定的限制 ! 可以配合头部跟踪 或视区定位装置来确定合适的观看位置 % 裸眼立体显示液晶屏同普 通的 I Q I3 & 8屏 体一样 ! 可以 设 计 成 独 立 的 部 件 % 裸 眼 立 体 显 示 液晶屏配合视频 信 号 驱 动 及 转 换 电 路 ! 即组成完 整的立体显示器 % 本文介绍了裸眼立体液晶显示 屏的基本光学结构及其装配方法 %
图 ! ! 背光模组的结构 Q ( > !!C 7 / . = 7 . / *2X 0 = N1 ( ’ 7G 5 . 1 * H H
电极制作在一个 玻 璃 基 板 上 ! 另一块玻璃基板用 作公共电极 # 液 晶 光 栅 设 计 为 常 白 模 式 ! 栅状电 极没有加载驱动 的 交 变 电 压 时 ! 背光模组的面光
平行 ! 即它们之间 的 夹 角 为4h" ! 如果存在安装 k 偏差将严重影响视觉效果 # 经过多次尝试我们发 现可以使 I Q I3 & 8 处于工作状态且在像素列上 间隔显示某种颜色 & 或 亚 像 素 列’ ! 没有显示的像 素列阻挡光 线 的 通 过 ! 从 而 生 成 一 个 光 栅#通 电 工作状态的 I 加载驱动 Q I3 & 8 与线光源光栅& 电压 ’ 一起形成光栅 ! 满足莫尔条纹形成的两个条
A) ! 使用 璃基板上制作 出 等 间 距 的 光 栅 控 制 电 极 (
用于立体显示 时 ! 对液晶盒的像素进行交错 分区 ! 奇 列 像 素 组 成 一 个 分 区! 显 示 左 眼 视 图’ 偶 列像素组成另一个分区 ! 显示右眼视图 # 这样 ! 整 个屏幕被分成了两个亚屏幕 # 液晶盒是一种本身并不发光的光控制显示器
过反射板万方数据 & 导光板 & 光学膜的处理 ! 为I Q I 液晶盒
$ B # !
液 !! 晶 !! 与 !! 显 !! 示
第! "卷
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源可以全部通过 ! 为液晶像素照明 " 加载驱动交变 电压时 ! 电极处的液晶发生扭转 ! 被入射偏振片极 化的偏振光无法 通 过 出 射 偏 振 片 ! 阻断了该区域 的光线传输 ! 而电 极 之 间 的 空 白 区 光 线 可 以 自 由 通过 ! 形成线光源照明 # 因此 ! 只要控制驱动电压 的 加 载 与 否! 即可实现面光源和线光源的相互 转化 #
领域的研究还是 以 介 绍 和 学 习 为 主 ! 缺少相关的 研究报道 % 只用一个屏幕的裸眼立体显示技术一般使用 前置或后置的光 学 元 件 ! 使立体对视图的可视光 线在空间上分离 ! 便于左 & 右眼分别接收对应的视 与色分法和时分法对应 ! 这类立体显示器统一 图! 称为空分法立体显示器 % 由于 I 光学原理上具有独 Q I3 & 8 在 结 构& 特的优点 ! 结合线 光 源 照 明 部 件 可 以 设 计 出 结 构 相对简单 & 成本低 廉 而 立 体 效 果 明 显 的 裸 眼 立 体 显示器 % 线光源照明部件可以设计成根据需要来 切换二维和三维 显 示 状 态 ! 满足目前的实际使用 情况 ! 因而更容易被使用者接受 %
封 框& 灌 注 液 晶& I< 型液晶显 示 器 的 生 产 工 艺 ! 黏结上下偏振片 后 ! 即可以制造出可控式的液晶 线光源光栅 # 图 J 是可控光栅的b 黑色部 I U 电极示意图 ! 分为电极 $ 示意图中使用黑色 b I U 为 无 色 透 明! 实指在工作时该区域阻挡光线通过 % ! 电极的形状 确定了线光源的主要参数间距+ 和线宽 Y # 栅状
! " " $ @ " J @ " A(修订日期 ! ! " " $ @ " B @ " # !! 收稿日期 ! !合肥工业大学光电研究院资助项目 !! 基金项目 万方数据
第#期
梁发云 ! 等" 裸眼立体显示液晶屏的光学结构及设计
$ B $ !
调制像素的光通量 ! 使整块显示屏显示彩色图像 # 液晶 显 示 部 分 的 结 构 如 图 % 所 示#从 截 面 上 看! 液晶器件设计成层叠结构 ! 最外层为偏振片 ! 内侧 为上下玻璃 基 板 ! 中 间 为 厚 度 只 有 $"% "# G的 液晶层 ! 滤色片和 I Q I 阵列分别制作在上下玻 璃基 板 上 # 液 晶 屏 的 分 辨 率 由 像 素 量 决 定 ! 对 % 的I 其像素的数量为 J A= G$ % $ ( ) Q I3 & 8 而言 ! $ 列% 行% ! 亚 像 素 的 数 量 则 为 %" %" ! B ]? # A$ ! B $ 列% $ 行% # 液晶像素的驱动电极一般通 ]J]? # A 过柔性电路与扫描 & 数据驱动电路连接到一起 ! 成 为一个功能完善的显示组件 #
W) ! 可以得到 明 暗 相 间 的 干 涉 带 # 调 整 两 个 光 件(
栅的相对位 置 * * *夹 角! 利用莫尔条纹的放大作 用来判断和调整两个组件的平行度 # 当莫尔条纹 间距调整到最大时 ! 固定好组件并一次封装成型 # 普通意义的装配工艺都是在零件处于静态情 况下进行安 装 ! 属 于 静 态 安 装#而 这 种 利 用 装 配 对象的工作特性来进行几何位置对准和安装的方 法! 我们称之 为 动 态 装 配 法 # 动 态 装 配 工 艺 顺 利 地解决了实验室 条 件 下 的 精 密 装 配 难 题 ! 为立体
#! ?) # 件! 需要使用外 部 照 明 光 源 来 实 现 透 射 显 示 (
为了确保显示画 面 的 质 量 ! 背光器件应具有亮度 高& 发光 均 匀 & 照 明 角 度 大& 可 调 节& 功 耗 低& 体积 小薄等特点 # 由 于 照 明 组 件 位 于 液 晶 盒 的 后 方 ! 所以常称作背光 模 组 ! 其基本构造由J大部分组 成! 即光源 &导光板和光学膜 ! 如图 ! 所示 # 背 光 组件使用 & $ 冷阴极发光管% 的高亮度光源 !通 & Q 3