空間光調(diào)制器及其光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種裸眼立體顯示【技術(shù)領(lǐng)域】的空間光調(diào)制器及其光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)，該空間光調(diào)制器采用一個(gè)二維陣列或由一個(gè)一維陣列和與之相連的一維掃描機(jī)械裝置構(gòu)成的模擬二維陣列得以實(shí)現(xiàn)；陣列中的每一個(gè)像素由一個(gè)光線偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行控制。該光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)包括：光源模塊和與之相連的空間光調(diào)制器。本發(fā)明具有大偏轉(zhuǎn)角、高偏轉(zhuǎn)精度，快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)大可視角、大再現(xiàn)深度、高分辨率的光場(chǎng)三維顯示。
【專利說明】空間光調(diào)制器及其光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種裸眼立體顯示【技術(shù)領(lǐng)域】的裝置，具體是一種空間光調(diào)制器及其光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年，顯示技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，對(duì)比度、視角、分辨率、色彩保真度等性能越來越高，體積重量越來越小。然而傳統(tǒng)顯示器件只能提供二維平面圖像，缺少深度信息(第三維)。而周圍的現(xiàn)實(shí)世界是三維的，二維顯示限制了感知和理解復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界，三維顯示逐漸成為顯示領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢(shì)。
[0003]光場(chǎng)三維顯示是一種重要的三維顯示技術(shù)。光場(chǎng)顯示通過模擬真實(shí)三維場(chǎng)景中物體發(fā)光的方式來重建物體周圍的光場(chǎng)分布，從而重現(xiàn)三維影像。自由空間中，對(duì)于給定的波長(zhǎng)和時(shí)刻，可以用一個(gè)五維函數(shù)L(x，y，z，Θ, Ψ)表示以一個(gè)靜止光場(chǎng)，其中:x、y、z為光線中任一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，?、Ψ分別為光線的傳播方向，λ為光線的波長(zhǎng)，t為時(shí)間。對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中的物體，無論是自身發(fā)光還是漫反射其它光源，都會(huì)在自己周圍形成獨(dú)特的光場(chǎng)分布。光場(chǎng)顯示的原理是通過空間光調(diào)制器(SLM)調(diào)制產(chǎn)生不同強(qiáng)度和方向的空間光線，重現(xiàn)整個(gè)光場(chǎng)分布。用于光場(chǎng)重構(gòu)的空間光調(diào)制器可以看做光場(chǎng)在空間中的一個(gè)二維截面，這個(gè)截面與無數(shù)個(gè)包含強(qiáng)度和三維方向的矢量(光線)相交。然而，實(shí)際上空間光調(diào)制器不可能同時(shí)調(diào)制無數(shù)個(gè)連續(xù)矢量，只能顯示有限個(gè)離散的矢量。
[0004]實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)顯示的方法有以下幾種:1)用高速投影機(jī)和高速旋轉(zhuǎn)的縱向散射屏，投影到散射屏上的光線在橫向上反射，在縱向上被散射開，使不同方向投影出不同圖像，而其他視角被遮擋。當(dāng)左右眼 分別橫跨兩個(gè)視點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過大腦融合成像就能產(chǎn)生真實(shí)的三維感受。但旋轉(zhuǎn)屏不可避免的導(dǎo)致圖像不穩(wěn)定，且快速機(jī)械裝置體積龐大，功率高。2)由多臺(tái)投影機(jī)和全息定向屏實(shí)現(xiàn)。各臺(tái)不同的投影機(jī)從不同方向投影圖案，構(gòu)成了不同的視角圖像，全息定向屏控制發(fā)光的角度使其組合成連續(xù)分布的視角圖像，從而形成一幅完整的畫面。然而多個(gè)投影儀系統(tǒng)造價(jià)昂貴，校準(zhǔn)困難。3)通過空間光調(diào)制器分別控制光線的位置和方向，來重現(xiàn)三維物體。
[0005]但是該方案受限于幾個(gè)關(guān)鍵因素:a)現(xiàn)有空間光調(diào)制器的偏轉(zhuǎn)角小。傳統(tǒng)的相位型空間光調(diào)制器依靠相鄰像素之間的相位差產(chǎn)生光線角度偏轉(zhuǎn)。像素尺寸越小，所能達(dá)到的偏轉(zhuǎn)角越大。目前商用的空間光調(diào)制的像素一般在6 μ m-8 μ m，導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)角度只有2到3度。b)空間光調(diào)制器的響應(yīng)速度慢。Gordon Wetzstein等人在2012年提出用多層空間光調(diào)制器隔開一定距離，用不同空間光調(diào)制器層的特定像素組來定義光的方向和強(qiáng)度(文獻(xiàn)“Tensor displays:compressive light field synthesis using multilayer displayswith directional backlighting,，，ACM Transactions on Graphics (TOG),31,80,2012)。但是其響應(yīng)速度大于2ms，因此為了重現(xiàn)不同方向的角度，光場(chǎng)顯示需要以犧牲空間分辨率來提供角度信息Jordon Wetzstein在同篇文獻(xiàn)中提到也可以由單層空間光調(diào)制器配合多角度出射的背光源來實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)顯示。但是因?yàn)榭臻g光調(diào)制器的響應(yīng)速度不夠快，需要犧牲空間分辨率來?yè)Q取角度信息。
[0006]由于現(xiàn)有空間光調(diào)制器偏轉(zhuǎn)角度小、響應(yīng)速度慢，造成光場(chǎng)三維顯示觀察視角小、再現(xiàn)深度淺和空間分辨率低。D.E.Smalley等人在2013年提出采用聲波調(diào)制的空間光調(diào)制器來增加響應(yīng)速度(文獻(xiàn)“Anisotropic leaky-mode modulator for holographic videodisplays，” Nature，498，313，2013)，也能一定程度上擴(kuò)大了偏轉(zhuǎn)角。但是這些方案需要將角度信息轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)，并需要機(jī)械掃描裝置，使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。
[0007]聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶(以下稱藍(lán)相液晶)是聚合物穩(wěn)定的一種液晶特殊相。藍(lán)相液晶具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，有較短的相干長(zhǎng)度，因此有很快的響應(yīng)速度，可以達(dá)到微秒級(jí)(文獻(xiàn)“A low voltage and submiIlisecond-response polymer-stabilized blue phase liquidcrystal, ” Appl.Phys.Lett., 102,141116, 2013),且該材料不需要配相層，工藝簡(jiǎn)單，容易制造。
[0008]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，宋世軍等，在《變焦納米液晶透鏡的體三維立體顯示器的初步研究》(現(xiàn)代顯示AdvancedDisplay,總第83/84期)中提出一種基于電動(dòng)變焦納米液晶透鏡的3D立體顯示器。該變焦透鏡具有50Hz的高速響應(yīng)以達(dá)到無閃爍的顯示。梯度折射率納米聚合物分散液晶透鏡通過紫外掩模制作，具有透明性好，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。采用快速陰極射線管作為二維顯示器。因?yàn)樗{(lán)相液晶透鏡只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換，無法改變焦距。因此需要由多個(gè)不同位置的像素來提供多個(gè)方向信息，大大降低了分辨率；而且因?yàn)樗{(lán)相液晶透鏡靠非均勻電場(chǎng)產(chǎn)生的相位差小，焦距長(zhǎng)，導(dǎo)致該3D顯示的可視范圍?。欢乙?yàn)樗{(lán)相液晶透鏡米用的結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)方向、液晶盒厚方向和光傳播方向在同一個(gè)方向:增大液晶盒厚，可以增加一些相位差，但是電壓也大大增加。
[0009]中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN102713732A，公開(公告)日2012.10.03，公開了一種光偏轉(zhuǎn)器以及采用該光偏轉(zhuǎn)器的液晶顯示裝置，該技術(shù)使光偏轉(zhuǎn)向規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向且能夠?qū)獾钠D(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)制的光偏轉(zhuǎn)器，其具備在規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向上排列配置的多個(gè)液晶偏轉(zhuǎn)元件。在至少一組相鄰的成對(duì)的液晶偏轉(zhuǎn)元件中，一方的液晶偏轉(zhuǎn)元件在規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向上的大小與另一方的液晶偏轉(zhuǎn)元件在規(guī)定的偏轉(zhuǎn)方向上的大小不同。但該技術(shù)由于采用普通向列型液晶，響應(yīng)速度慢、角度數(shù)量太少，偏轉(zhuǎn)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，需要配相層，導(dǎo)入液晶的工序非常復(fù)雜，因此較難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種空間光調(diào)制器及其光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)，具有大偏轉(zhuǎn)角、高偏轉(zhuǎn)精度，快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，完全不用犧牲空間分辨率并保持電壓不必增加的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大可視角、大再現(xiàn)深度、高分辨率的光場(chǎng)三維顯示。
[0011]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0012]本發(fā)明涉及一種光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)，包括:光源模塊和與之相連的空間光調(diào)制器，其中:空間光調(diào)制器通過時(shí)序方法，以像素為單位對(duì)光源模塊各個(gè)方向上的光線進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，使得光源模塊重現(xiàn)三維物體的光場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)三維顯示。
[0013]所述的光源可采用單不限于:激光的相干光源、發(fā)光二極管(LED)等非相干光源
坐寸ο
[0014]所述的光源為單個(gè)整體背光光源或由多個(gè)亞背光光源組成，其中:每個(gè)亞背光源對(duì)空間光調(diào)制器的一個(gè)或一組像素提供背光。
[0015]所述的整體背光光源以及亞背光光源均可以在時(shí)序上調(diào)制強(qiáng)度或是強(qiáng)度不變。
[0016]所述的空間光調(diào)制器采用一個(gè)二維陣列或由一個(gè)一維陣列和與之相連的一維掃描機(jī)械裝置構(gòu)成的模擬二維陣列得以實(shí)現(xiàn)。
[0017]所述的陣列中的每一個(gè)像素由一個(gè)光線偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行控制。
[0018]所述的光線偏轉(zhuǎn)器優(yōu)選設(shè)有一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器，該強(qiáng)度調(diào)制器是通過電信號(hào)控制光強(qiáng)度的器件，可以采用但不限于普通向列型液晶顯示器、藍(lán)相液晶顯示器、數(shù)字微鏡等任何能實(shí)現(xiàn)電控光強(qiáng)度的器件。
[0019]所述的光線偏轉(zhuǎn)器包括:平行于光傳播的方向設(shè)置的上、下基板、位于上基板內(nèi)側(cè)的第一電極、位于下基板內(nèi)側(cè)的第二電極以及設(shè)置于上、下基板間的藍(lán)相液晶層。
[0020]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。
[0021]所述的第一電極和第二電極可以采用但不限于氧化銦錫(Indi μ m Tin Oxide,ITO)材料、金屬、導(dǎo)電聚合物或任何導(dǎo)電物制成。
[0022]所述的電極的形狀可以采用但不限于單個(gè)三角形、多個(gè)三角形組成的鋸齒形、多邊形、圓形等，電極的厚度為20納米到10微米。
[0023]所述的藍(lán)相液晶層由兩塊藍(lán)相液晶材料和位于其中間的間隔物組成，其中:藍(lán)相液晶材料的厚度為2微米到2毫米；間隔物為球狀或柱狀結(jié)構(gòu)，由樹脂、硅或任何可以控制液晶厚度的材料制成。
[0024]所述的藍(lán)相液晶材料優(yōu)選為聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料。
[0025]所述的光線偏轉(zhuǎn)器進(jìn)一步優(yōu)選包括:用于電控偏振態(tài)90度轉(zhuǎn)換的偏振轉(zhuǎn)換器。
[0026]所述的光線偏轉(zhuǎn)器進(jìn)一步優(yōu)選包括:設(shè)置于上基板內(nèi)側(cè)的第三電極以及設(shè)置于下基板內(nèi)側(cè)的第四電極。
[0027]所述的第三電極和第四電極可以采用但不限于氧化銦錫材料、金屬、導(dǎo)電聚合物或任何導(dǎo)電物制成。
[0028]所述的電極的形狀可以采用但不限于單個(gè)三角形、多個(gè)三角形組成的鋸齒形、多邊形、圓形等，電極的厚度為20納米到10微米。
[0029]所述的第一電極和第三電極均位于上基板內(nèi)側(cè)且互相不導(dǎo)通，第一電極和第三電極上分別連接不同的電信號(hào)。
[0030]所述的第二電極和第四電極均位于下基板內(nèi)側(cè)且互相不導(dǎo)通，第二電極和第四電極上分別連接不同的電信號(hào)。
技術(shù)效果
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下的有益效果:
[0032]I)本發(fā)明由在上下基板上的電極的形狀控制藍(lán)相液晶中的折射率分布，形成類似棱鏡的結(jié)構(gòu)，平行于基板方向傳播的光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可以達(dá)到很大的偏轉(zhuǎn)角，因此本發(fā)明的三維顯示可以達(dá)到大視角。
[0033]2)本發(fā)明的電壓可以連續(xù)控制折射率變化，可以連續(xù)控制光線偏轉(zhuǎn)角，偏轉(zhuǎn)精度很高，因此本發(fā)明的三維顯示可以達(dá)到大重現(xiàn)深度。
[0034]3)本發(fā)明采用快速響應(yīng)的藍(lán)相液晶，因此可以在一幀圖像時(shí)間內(nèi)掃描多個(gè)角度，因此本發(fā)明的三維顯示可以達(dá)到高分辨率。【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為光場(chǎng)三維顯示原理示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖1 ;
[0037]圖3為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖2 ；
[0038]圖4為本發(fā)明單像素結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖1 ;
[0040]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)角隨電極角度θ p變化的曲線示意圖；
[0041]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)角隨電致雙折射率變化的曲線示意圖；
[0042]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖2 ；
[0043]圖9為本發(fā)明實(shí)施例1中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)示意圖3 ；
[0044]圖10為本發(fā)明實(shí)施例2中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖1 ;
[0045]圖11為本發(fā)明實(shí)施例2中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖2 ；
[0046]圖中:10三維物體、11空間光調(diào)制器、12像素單元、13機(jī)械掃描裝置、14強(qiáng)度調(diào)制器、15光線偏轉(zhuǎn)器、16上基板、17下基板、18電極、19電極、20藍(lán)相液晶、21散射觀察屏幕、22偏振轉(zhuǎn)換器、23電極、24電極。
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0048]如圖1所示，為本實(shí)施例的光場(chǎng)顯示的原理圖；本實(shí)施例中:空間光調(diào)制器11通過各個(gè)像素單元12模擬三維物體10發(fā)出的光線，來重現(xiàn)三維影像。
[0049]如圖2和圖3所示，空間光調(diào)制器11是由像素單元12組成的一個(gè)二維陣列。圖3是空間光調(diào)制器的另一種整體結(jié)構(gòu)圖，其中:空間光調(diào)制器11是由像素單元12組成的一個(gè)一維陣列，配合機(jī)械掃描裝置13擴(kuò)展成模擬二維陣列。
[0050]如圖4所示，空間光調(diào)制器的每個(gè)像素12為一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器14和一個(gè)光線偏轉(zhuǎn)器15。當(dāng)光源13發(fā)出的光線經(jīng)過空間光調(diào)制器以后，它的強(qiáng)度和方向分別被14和15調(diào)制。
[0051]如圖5所示，藍(lán)相液晶20夾在上基板16，下基板17之間。在上基板16內(nèi)側(cè)有三角形第一電極18,在下基板17內(nèi)側(cè)有三角形第二電極19。光沿著z方向傳播,與上基板16和下基板17平行。第一電極18和第二電極19對(duì)齊,他們的斜邊與光線傳播方向的夾角為θ p。當(dāng)?shù)谝浑姌O18和第二電極19之間沒有電勢(shì)差時(shí)，沒有電場(chǎng)產(chǎn)生，因此這個(gè)液晶盒中的藍(lán)相液晶20是各項(xiàng)同性的，整個(gè)器件內(nèi)的折射率橢球呈球狀，各個(gè)方向的折射率均勻分布為nis。。因此光線通過該器件時(shí),方向沒有改變。在第一電極18和第二電極19之間施加電壓時(shí)，處于電極覆蓋區(qū)域的藍(lán)相液晶，由于豎直電場(chǎng)產(chǎn)生了電致雙折射率，折射率橢球從球狀變成了豎直方向拉長(zhǎng)的橢球。對(duì)于y方向偏振的光(非常光，e光)來說，折射率增大為1(E)，對(duì)于X方向偏振的光(尋常光，O光)來說，折射率減小為η。?)。而在沒有電極覆蓋區(qū)域的藍(lán)相液晶，仍然保持各向同性，折射率為nis。。由于電極的形狀，整個(gè)藍(lán)相液晶折射率分布相當(dāng)于一個(gè)棱鏡或者有很大相位變化的光柵。當(dāng)光入射在折射率變化界面時(shí)，根據(jù)斯涅爾定理npin Θ J=Ii2Sin Θ 2，光線發(fā)生偏轉(zhuǎn),其中叫和n2是入射媒介和出射媒介的折射率，01和02是在界面的入射和出射角度。三角形電極角度θρ越小，或者叫和巧的差別越大，則產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角大。這里對(duì)ο光來說,Ii1=Iitj(E),對(duì)e光來說,1^=? (E),而n2總是等
于1^。。根據(jù)藍(lán)相液晶的電光特性:?⑷= %--->n(E)，ne(E) = nlS0+jM(E), ο光和e
光朝相反的兩個(gè)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。加在第一電極18和第二電極19上的電壓越大,產(chǎn)生的電致雙折射率An(E)越大，偏轉(zhuǎn)角也越大。
[0052]藍(lán)相液晶電致雙折射率在低電場(chǎng)下遵循擴(kuò)展科爾效應(yīng):Δη(￡) = Ans [l - exp (-.)]，其中:八ns是藍(lán)相液晶材料能夠?qū)崿F(xiàn)的最大電致雙折射率,稱
為飽和電致雙折射率，Es是飽和電場(chǎng)，決定了達(dá)到飽和電致雙折射率的63%所需的電場(chǎng)。
[0053]用擴(kuò)展科爾模型對(duì)該藍(lán)相液晶偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行如下仿真:首先用有限元算法根據(jù)泊松方程
[0054]▽(￡.▽<&) = O計(jì)算出電勢(shì)分布，然后根據(jù)￡ = -νΦ:算出電場(chǎng)的大小和方向。再根據(jù)擴(kuò)展科爾模型算出電致雙折射率AnE的分布，從而算出折射率分布。最后對(duì)非常光和尋常光的角度進(jìn)行計(jì)算。
[0055]圖6是計(jì)算得到的光線偏轉(zhuǎn)角隨電致雙折射率變化的曲線，這里假定三角形電極的角度θ ρ是10度，各向同性狀態(tài)下的藍(lán)相液晶折射率nis。為1.53。可見非常光(e光)的偏轉(zhuǎn)角隨著電致雙折射率的增 大不斷增大。這說明了兩個(gè)問題:1)對(duì)于同樣的材料，在第一電極18和第二電極19之間施加的電壓越大，電場(chǎng)越強(qiáng)，電致雙折射率越大，因此偏轉(zhuǎn)角越大；2)對(duì)于不同的材料,飽和雙折射率Ass越大，所能達(dá)到的最大偏轉(zhuǎn)角度越大。然而對(duì)于尋常光(O光)來說，當(dāng)電致雙折射率增大到一定值的以后，由于折射率和入射角滿足了全反射條件，偏轉(zhuǎn)角不再增大。
[0056]圖7是計(jì)算得到的非常光的偏轉(zhuǎn)角隨三角形電極角度θρ變化的曲線。這里假定niS()=1.53和Ans=0.18?？梢姦?p越小，偏轉(zhuǎn)角越大，因?yàn)榈刃Ю忡R的相位差越快。
[0057]圖8是實(shí)施例1的藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖2。在上基板16內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第一電極18，在下基板17內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第二電極19。當(dāng)?shù)谝浑姌O18與第二電極19之間沒有電勢(shì)差時(shí)，整個(gè)液晶盒內(nèi)的藍(lán)相液晶呈各向同性。光線通過時(shí)，沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)谝浑姌O18與第二電極19之間有電勢(shì)差時(shí)，由于電致雙折射率產(chǎn)生了折射率分布，相當(dāng)于很多個(gè)等效棱鏡的疊加。e光(y方向偏振的光)會(huì)朝負(fù)X方向偏轉(zhuǎn)，而ο光(X方向偏振的光)會(huì)朝正X方向偏轉(zhuǎn)。光線每經(jīng)過一次折射率突變界面，就會(huì)產(chǎn)生一次光線偏轉(zhuǎn)。多次經(jīng)過各個(gè)鋸齒電極區(qū)域，光線的偏轉(zhuǎn)角就會(huì)累加，不斷增加。
[0058]由圖6可見，非常光和尋常光朝兩個(gè)不同的方向偏轉(zhuǎn)。為了增大偏轉(zhuǎn)角，可以使藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器進(jìn)一步包含快速電控偏振轉(zhuǎn)換器22。
[0059]圖9是實(shí)施例1的藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)不意圖3。它包含一個(gè)電控偏振轉(zhuǎn)換器22和前述的藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器15 (包括結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)2)。偏振轉(zhuǎn)換器22在開啟狀態(tài)時(shí)可以將偏振方向旋轉(zhuǎn)90度:即可以把非常光轉(zhuǎn)化為尋常光，也可以把尋常光轉(zhuǎn)化為非常光。偏振轉(zhuǎn)換器22在關(guān)閉狀態(tài)對(duì)偏振態(tài)不產(chǎn)生影響。如圖9所示，當(dāng)偏振轉(zhuǎn)換器22關(guān)閉的時(shí)候，非常光通過22以后仍然是非常光，因此通過15以后光束往負(fù)X方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)偏振轉(zhuǎn)換器22開啟的時(shí)候，非常光經(jīng)過22轉(zhuǎn)化成了尋常光，因此通過15以后光束往正X方向偏轉(zhuǎn)。反之，尋常光也可以經(jīng)歷類似的轉(zhuǎn)換。當(dāng)偏振轉(zhuǎn)換器22可以在電信號(hào)控制下快速地在開啟和關(guān)閉狀態(tài)下切換，就可以實(shí)現(xiàn)總最大偏轉(zhuǎn)角度為非常光和尋常光最大偏轉(zhuǎn)角度之和。
[0060]光線經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器，光的強(qiáng)度被調(diào)制。光線再經(jīng)過偏轉(zhuǎn)器，通過電壓可以控制偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)角度。這樣光線的方向就可以得到控制。因?yàn)樗{(lán)相偏轉(zhuǎn)器的快速響應(yīng)，本實(shí)施例可以在時(shí)序上，單個(gè)像素遍歷各個(gè)方向角度的信息，即單個(gè)像素就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)強(qiáng)度和方向的調(diào)制，不需要以犧牲空間分辨率來提供角度信息。由這些單像素組成的陣列(空間光調(diào)制器)因?yàn)楸緦?shí)施例的顯示偏轉(zhuǎn)精度極高，能夠更真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)生活中的三維物體，使人能夠像看真實(shí)物體一樣觀看，長(zhǎng)期觀看不會(huì)覺得疲勞。
實(shí)施例2
[0061]圖10是第二實(shí)例中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)圖1。藍(lán)相液晶20夾在上基板16，下基板17之間。在上基板16內(nèi)側(cè)有三角形第一電極18和三角形第三電極23，在下基板17內(nèi)側(cè)有三角形第二電極19和三角形第四電極24。三角形第一電極18與三角形第三電極23的形狀互補(bǔ)，但是隔開10微米到5毫米的距離。三角形第二電極19與三角形第四電極24的形狀互補(bǔ)，但是隔開10微米到5毫米的距離。光沿著z方向傳播，與上基板16和下基板17平行。第一電極18和第二電極19對(duì)齊,他們的斜邊與光線傳播方向的夾角為θρ1。第三電極23和第四電極24對(duì)齊,他們的斜邊與光線傳播方向的夾角為θρ2。當(dāng)?shù)谝浑姌O18、第二電極19，第三電極23和第四電極24之間都沒有電勢(shì)差時(shí)沒有電場(chǎng)產(chǎn)生，因此這個(gè)液晶盒中的藍(lán)相液晶20是各向同性的，整個(gè)器件內(nèi)的折射率橢球呈球狀，各個(gè)方向的折射率均勻分布為nis。。因此光束通過該器件時(shí)，方向沒有改變。
[0062]如圖10所示，在第三電極23`和第四電極24之間施加電壓時(shí)，并且第一電極18和第二電極19之間沒有電勢(shì)差時(shí)，處于第三電極23和第四電極24覆蓋區(qū)域的藍(lán)相液晶，由于豎直電場(chǎng)產(chǎn)生了電致雙折射率，折射率橢球從球狀變成了豎直方向拉長(zhǎng)的橢球。對(duì)于y方向偏振的光(非常光，e光)來說,折射率增大為ι\Ε,對(duì)于X方向偏振的光(尋常光，ο光)來說，折射率減小為η。?)。而在電極18、19覆蓋區(qū)域的藍(lán)相液晶，仍然保持各向同性，折射率Snis。。由于電極的形狀，整個(gè)藍(lán)相液晶折射率分布相當(dāng)于一個(gè)棱鏡或者有很大相位變化的光柵。當(dāng)光入射在折射率變化界面時(shí)，根據(jù)斯涅爾定理Ii1Sin Θ J=Ii2Sin Θ 2,光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其中=Ii1和n2是入射媒介和出射媒介的折射率，Θ i和Θ 2是在界面的入射和出射角度。三角形兩個(gè)電極23、24的角度θρ2越小，或者ηι和Ii2的差別越大，則產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角大。這里對(duì)ο光和e光來說，H1=Iiiso ;對(duì)e光來說，n2=ne (E),對(duì)于ο光來說，n2=n0 (E)。根據(jù)藍(lán)相
液晶的電光特性:ησ(Ε) = Tim -^Δη(Ε), Ke(E) = Iiiso +-M(E), e光朝正x方向偏轉(zhuǎn)，而ο光朝負(fù)X方向偏轉(zhuǎn)。
[0063]當(dāng)?shù)谝浑姌O18和第二電極19之間有電勢(shì)差，并且兩個(gè)電極23、24之間沒有電勢(shì)差時(shí)，處于電極18、19覆蓋區(qū)域的藍(lán)相液晶折射率橢球從球狀變成豎直方向拉長(zhǎng)的橢球狀，而處于兩個(gè)電極23、24覆蓋區(qū)域的藍(lán)相液晶仍然保持各向同性(類似于圖5)。則非常光(e光)朝負(fù)X方向偏轉(zhuǎn)，而尋常光(ο光)朝正X方向偏轉(zhuǎn)。這樣，通過控制電極18、19或者電極23、24，可以控制光線往兩個(gè)不同方向偏轉(zhuǎn)，總的最大偏轉(zhuǎn)角度為單邊偏轉(zhuǎn)角度的兩倍。
[0064]圖11是第二實(shí)例中藍(lán)相液晶光線偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)圖2。在上基板16內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第一電極18和鋸齒狀的第三電極23，在下基板17內(nèi)側(cè)有鋸齒狀的第二電極19和鋸齒狀的第四電極24。第一電極18與第三電極23的形狀互補(bǔ)，但是隔開10微米到5毫米的距離。第二電極19與第四電極24的形狀互補(bǔ)，但是隔開10微米到5毫米的距離。當(dāng)?shù)谝浑姌O18、第二電極19、第三電極23和第四電極24之間都沒有電勢(shì)差時(shí)，整個(gè)液晶盒內(nèi)的藍(lán)相液晶呈各向同性。光線通過時(shí)，沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
[0065]當(dāng)?shù)谝浑姌O18與第二電極19之間有電勢(shì)差時(shí)，并且第三電極23和第四電極24之間沒有電勢(shì)差時(shí)，由于電致雙折射率產(chǎn)生了折射率分布。e光(y方向偏振的光)會(huì)朝負(fù)X方向偏轉(zhuǎn)，而ο光(X方向偏振的光)會(huì)朝正X方向偏轉(zhuǎn)。光線每經(jīng)過一次折射率突變界面，就會(huì)產(chǎn)生一次光線偏轉(zhuǎn)。多次經(jīng)過各個(gè)鋸齒電極，光線的偏轉(zhuǎn)角就會(huì)累加，不斷增加。
[0066]當(dāng)?shù)谌姌O23與第四電極24之間有電勢(shì)差時(shí)，并且第一電極18和第二電極19之間沒有電勢(shì)差時(shí)，由于電致雙折射率產(chǎn)生了折射率分布。e光(y方向偏振的光)會(huì)朝正X方向偏轉(zhuǎn)，而ο光(X方向偏振的光)會(huì)朝負(fù)X方向偏轉(zhuǎn)。光線每經(jīng)過一次折射率突變界面，就會(huì)產(chǎn)生一次光線偏轉(zhuǎn)。多次經(jīng)過各個(gè)鋸齒電極區(qū)域，光線的偏轉(zhuǎn)角就會(huì)累加，不斷增加。
[0067]通過控制第一電極18、第二電極19或者第三電極23、第四電極24，就可以使光線偏轉(zhuǎn)方向達(dá)到單邊偏轉(zhuǎn)的兩倍。通過增加四個(gè)電極18、19、23、24的鋸齒數(shù)，可以進(jìn)一步增加偏轉(zhuǎn)角度。
【權(quán)利要求】
1.一種空間光調(diào)制器，其特征在于，采用一個(gè)二維陣列或由一個(gè)一維陣列和與之相連的一維掃描機(jī)械裝置構(gòu)成的模擬二維陣列得以實(shí)現(xiàn)； 所述的陣列中的每一個(gè)像素由一個(gè)光線偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器內(nèi)設(shè)有一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器，該強(qiáng)度調(diào)制器是通過電信號(hào)控制光強(qiáng)度的器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器包括:平行于光傳播的方向設(shè)置的上、下基板、位于上基板內(nèi)側(cè)的第一電極、位于下基板內(nèi)側(cè)的第二電極以及設(shè)置于上、下基板間的藍(lán)相液晶層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的藍(lán)相液晶層由兩塊藍(lán)相液晶材料和位于其中間的間隔物組成，其中:藍(lán)相液晶材料的厚度為2微米到2毫米；間隔物為球狀或柱狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器內(nèi)設(shè)有:用于電控偏振態(tài)90度轉(zhuǎn)換的偏振轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的藍(lán)相液晶材料采用為聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的光線偏轉(zhuǎn)器內(nèi)設(shè)有:設(shè)置于上基板內(nèi)側(cè)的第三電極以及設(shè)置于下基板內(nèi)側(cè)的第四電極； 所述的第一電極和第三電極均位于上基板內(nèi)側(cè)且互相不導(dǎo)通，第一電極和第三電極上分別連接不同的電信號(hào)； 所述的第二電極和第四電極均位于下基板內(nèi)側(cè)且互相不導(dǎo)通，第二電極和第四電極上分別連接不同的電信號(hào)。
8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的空間光調(diào)制器，其特征是，所述的電極的厚度為20納米到10微米。
9.一種光場(chǎng)三維顯不系統(tǒng)，其特征在于，包括:光源模塊和與之相連的根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的空間光調(diào)制器，其中:空間光調(diào)制器通過時(shí)序方法，以像素為單位對(duì)光源模塊各個(gè)方向上的光線進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，使得光源模塊重現(xiàn)三維物體的光場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)三維顯/Jn ο
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光場(chǎng)三維顯示系統(tǒng)，其特征是，所述的光源為單個(gè)整體背光光源或由多個(gè)亞背光光源組成，其中:每個(gè)亞背光源對(duì)空間光調(diào)制器的一個(gè)或一組像素提供背光。
【文檔編號(hào)】G02F1/29GK103777432SQ201410075523
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】李燕, 蘇翼凱, 榮娜, 陳超平, 陸建鋼, 吳佳旸, 高武然 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)