專利名稱：三維hlcd系統及其制造方法
技術領域：
一般地說，本發(fā)明涉及三維(3D)顯示器領域，具體地說，涉及不需要觀看者配戴防護鏡或眼鏡的三維全息液晶顯示器(HLCD)。本發(fā)明還涉及制作三維HLCD顯示器所用的左-右眼觀察多路合成全息圖的方法。
一般說來，科學觀察、模擬和儀器設計都是利用科學工作站、強有力的圖像處理方法、計算機圖形軟件以及為使在兩維顯示器上顯示假三維圖像而設計的專用軟件來實現的。遺憾的是，這些系統都缺少圖像內容的實質方面，因為這些系統都是依靠觀察人員對兩維觀察深度提示的解釋來產生三維圖像的。給觀察顯示器附加一個第三維，就能夠極大地加強觀察人員想像并解釋圖像的準確空間關系。
已經開發(fā)了幾種三維顯示技術，但是它們的應用受許多因素的限制。這些因素包括需要諸如掃描儀和投影儀之類的外部設備；不能實時顯示無爍圖像；有限的觀察范圍使分辨率減??；依靠特殊的圖像數據格式化和掃描以及成本的增加。因此，需要一種成本有效的三維顯示單元，這種顯示單元容易與常規(guī)的兩維顯示格式接口，允許與寬視場觀看能力互動，并且支持三維自動立體觀察。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種系統，它將投影光限定到需要的顯示和觀察結構上。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種三維觀察系統，這種觀察系統是成本有效、結構緊湊的，并與常規(guī)兩維平板LCD顯示技術兼容。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種三維觀察系統，這種觀察系統與常規(guī)兩維顯示器和視頻傳輸格式兼容。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種三維觀察系統，這種觀察系統可以提供更寬的觀看視場。
最后，本發(fā)明的再一目的在于提供一種全息多路波導，它包含右視場和左視場的全息記錄。
按照這些目的，本發(fā)明提供一種自動立體的、高分辨率的、觀看視場寬的、緊湊的、平板型三維全息液晶顯示(HLCD)系統。所述系統包括背光照明LCD，它利用由特殊多路全息圖形成的新穎可切換背光照明板進行了改進。
具體地說，所述系統包括背光照明，第一光衍射全息圖，第二左-右視場多路波導全息圖以及液晶顯示器(LCD)。如果背光照明未經準直，比如常規(guī)LCD顯示器中所用的那些背光照明，則要在背光照明與第一全息圖之間提供微準直器陣列，以提供準直光。
所述系統通過使兩個眼睛從不同角度觀看目標而產生三維視差。常規(guī)的三維觀察方法依靠特殊的觀察器具，如防護鏡和特制的觀察眼鏡把光引至適當的眼睛。然而，本發(fā)明的系統利用新穎的左右視場多路波導全息圖在本系統內把光引至右眼或左眼，因此不再需要外部觀察器具。
利用光刻掩模和觀察區(qū)掩模的組合記錄過程，加上在波導傳播模式中涉及目標光束及參照光束的波導全息記錄，形成這種觀察系統所用的新型左右視場多路波導全息圖主圖。多路波導全息圖記錄過程是一個包括兩個步驟的過程形成與第一個眼觀察區(qū)對應的第一全息記錄，和隨后的形成與第二個眼對應的第二全息記錄。隨后使用多路波導全息圖主圖形成全息接觸拷貝，這些全息接觸拷貝提供一種把常規(guī)LCD顯示轉換成自動立體的三維HLCD顯示系統的成本有效的方法。本發(fā)明的一個重要方面就在于—波導全息圖提供一種裝置，它能阻止所不希望有的光被觀察者看見。
本發(fā)明的另一個方面是提供多個左右視場和一種頭頂跟蹤照像機，從而可以按照觀察人員的眼睛位置顯示正確的三維透視圖。
結合以下參照附圖的描述，可以更好地體會和理解本發(fā)明的其它方面和目的。然而應該認識到，下面給出的本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述均為示例性的，而非限制性的。在本發(fā)明的范圍內可以進行多種改型和改進，而不致偏離本發(fā)明的構思；本發(fā)明包括所有的這些變化。
組裝時或者使用當中，所述背光照明12通過微準直器陣列14發(fā)送光。微準直器陣列14將準直光以預定角度(最好是0°)投射向第一波導全息

圖16。然后，第一全息圖16以大于臨界角的角度(最好是45°)衍射所述的光，并將它漫射成各種波長。隨后，第二波長全息圖18內的第一和第二全息記錄將所述的光偏轉到相應的第一和第二觀察區(qū)，而后通過LCD顯示器的相應奇數和偶數像素輸出。下面的各節(jié)中將更加詳細地討論系統10的各個元件。2.三維HLCD設備如圖2和2A所示，所述系統包括背光照明12、微準直器陣列14、第一全息圖16、第二全息圖18和包含像素21的標準LCD20。A.背光照明背光照明12可以是常規(guī)的準直光。例如，這種光可以是一種小型低功率白光準直光源。可以通過各種方法來形成這種光，其中包括使用帶有短焦距菲涅爾透鏡的低功率金屬鹵素燈。B.微準直器陣列及其制造方法如果背光照明光源未受到準直(即為漫射的)，就可以用微準直器陣列14準直所述背光照明光源。每個微透鏡的焦點處形成的針孔用來聚焦并準直所述的光。通過圖3所示的如下過程形成微準直器陣列14。
選擇商業(yè)上適用的微透鏡主鏡22。由橡膠或其它適宜的材料制成主鏡的橡膠負片24。基片26涂有可紫外固化樹脂28，可紫外固化樹脂28的折射率最好在1.48和1.65之間。然后再把所述橡膠負片24壓入樹脂28內，形成微準直器陣列14的微透鏡22。在把橡膠負片24壓入樹脂28時，引入紫外光穿過涂敷樹脂的基片，用以固化樹脂28。去掉橡膠負片24之后，給微準直器陣列14的基片一側涂敷含有希利(Shiley)正光致抗蝕劑組合物的黑色染料混合物。然后引入紫外光穿過每一個微透鏡22。每個微透鏡22的曲率將紫外光沿基片26聚焦到焦點30，在每個焦點30處使基片軟化。再將蝕刻的結果加到基片26上，從而在微準直器陣列14內形成針孔。C.第一全息圖及其制造方法具體參照圖4，用第一全息圖16，使所述的光偏離水平方向預定的角度(最好在45°-50°之間)被引向第二全息圖，使光散布成紅、綠、藍光譜圖像。通過常規(guī)的雙束記錄過程形成第一全息圖。具體地說，給全息板基片32涂以諸如鹵化銀之類的光敏乳膠34。一束漫射的目標光和一束準直的基準光通過所述基片，并進入乳膠34，以記錄一個全息圖，這個全息圖在與水平方向偏離45°-50°之間分散所說的光。最終的全息圖使通過微準直器陣列14投射的光分散成分開的紅、綠、藍光譜圖像。D.第二全息圖及其制造方法如圖5所示，第二全息圖18包含兩個分開交錯的全息記錄。一個記錄對應于右視場，另一記錄對應于左視場。觀察時，最終的全息圖產生直接對應于如圖6所示的LCD中像素的左右交替全息記錄，并且產生三維效果。每個交替的右記錄和左記錄都是一個固定的寬度。所述寬度等于標準LCD像素的寬度，優(yōu)選的為200微米。
第二全息圖18是通過下述過程所形成的右-左交替的全息圖主圖。如圖5所示，給全息板或基片36涂以光敏乳膠，形成乳膠層38，優(yōu)選的為鹵化銀。然后將經過涂敷的基片36裝到灰玻璃夾持器40上，使乳膠層38遠離灰玻璃夾持器40。然后，要給乳膠層的曝露的一側涂以標度(indexing)液體44，如ISOPAR。
1.光刻掩模將光刻掩模44放在乳膠層38上，并且在記錄之前涂以標準液體46。光刻掩模44設有一系列等間隔的線。具有等于標準LCD像素寬度的光刻掩模44的每條線寬最好在200-300微米之間。例如，如果奇數線是黑色線48而偶數線是空格50，則奇數線用作掩模，阻擋在掩模44的奇數線下的全息記錄。
2.觀察區(qū)掩模眾所周知，人們所能感覺到的是三維的信息，因為由右眼接收到的信息與由左眼接收到的信息略有不同。右眼和左眼之間隔開大約2.5英寸，這導致這種感覺的差異，這種感覺的差異集中到一點，就是提供可產生三維效果的深度提示(cue)。通過在有如圖5所示的全息記錄過程期間使用觀察區(qū)掩模52就可以模擬這種想法。
使用觀察區(qū)掩模漫射體52在全息記錄期間遮擋右視場或左視場。觀察區(qū)掩模漫化體52包括基片54和觀察區(qū)掩模56。
觀察區(qū)掩模56提供一系列涂黑區(qū)58。比如，每個涂黑區(qū)58的寬度可為2.5英寸，并且離開下一涂黑區(qū)58的距離是2.5英寸。在記錄過程期間，觀察區(qū)掩模56放在目標光束的通路上。涂黑區(qū)58或者擋住右目標光束或者擋住左目標光束。
使用觀察區(qū)掩模56并結合光刻掩模46產生第一全息記錄和第二全息記錄，第一全息記錄和第二全息記錄相互交錯，產生分開的右視場和左視場。
現在參照附圖7，光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56兩者都具有第一位置和第二位置。在第一全息記錄期間，光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56兩者都處在第一位置。然后，光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56兩者都移動到它們的第二位置，隨后再開始第二全息記錄。
若在形成第一全息記錄期間，光刻掩模46擋住與奇數LCD像素對應的區(qū)域，而觀察區(qū)掩模56擋住右觀察區(qū)，則在形成第二全息記錄期間，光刻掩模46必須擋住與偶數LCD像素相應的區(qū)域，并且觀察區(qū)掩模56必須擋住左觀察區(qū)。
通過有如圖5所示的雙光束記錄過程形成全息記錄。使目標光束通過定位在等于系統所期望之回放距離的觀察區(qū)掩模56，然后再通過光刻掩模46，從而可以形成第一全息記錄?；鶞使馐缘扔谟靡杂涗浀谝蝗D之基準角的角度通過光刻掩模46，該角度最好是偏離水平方向45°-50°之間的角。然后讓光刻掩模46和觀察區(qū)掩模56從第一位移動到第二位置，并重復進行記錄以形成第二全息記錄。
第一全息記錄產生多個具有預定寬度的全息圖，這些全息圖由相同預定寬度的空白格分開。第二全息記錄產生具有多個縫隙的多個全息圖，這些縫隙填充在第一全息記錄后所存在的多個空白格內。
然后通過接觸復制產生左-右交錯的全息圖主圖18的拷貝，其中左-右交錯的全息圖主圖18是用常規(guī)的方法，利用波長為514納米的45°基準激光束復制的。
具體地說，如圖8所示，通過下述過程形成左-右交錯的全息圖的接觸拷貝58。將涂有光敏乳膠62，如鹵化銀的的全息板60裝入灰玻璃夾持器40中，使光敏乳膠62與灰玻璃夾持器40接觸。在全息板60的上方定位玻璃墊片64。玻璃墊片64最好是1毫米厚。隨之將左-右交錯的全息圖主圖18定位在玻璃墊片64上，使左-右交錯的全息圖主圖18的涂有乳膠的一側38與玻璃墊片64接觸。使涂敷的全息板60、玻璃墊片64、和左-右交錯的全息圖主圖18轉換位置，以使全息板和所述主板上的乳膠層分開的距離等于LCD基片的厚度，最好是1毫米。然后，再讓單獨一束基準光束以預定的角度(最好是45°)通過主板18、玻璃墊片64、全息板60、和乳膠層62，累計預定的曝光時間，從而可以記錄所述接觸拷貝58。然后，通過光化學處理，給接觸拷貝58顯影。
就本發(fā)明而言，實際上有無數的應用，這里不需要詳細描述所有的這些應用。這里公開的所有實施例都可以實施，而無需過多的實驗。
雖然上面公開了本發(fā)明人認為是實施本發(fā)明的最佳方式，但本發(fā)明的實踐不限于此。顯然，在不脫離本發(fā)明構思和范圍的條件下，可以產生本發(fā)明特征的各種各樣的增添、改進和重新安排。例如，各個元部件不必一定用公知的材料制造，而是實質上可由任何材料制成。此外，每種公開實施例的所有已公開特征都可以和每個其它的公開實施例的除相互排斥特征之外的公知特征相組合，或者進行替換。
希望所附各權利要求覆蓋所有這樣的增添、改進和重新安排。本發(fā)明的相應實施例由所附各從屬權利要求予以區(qū)分。
權利要求
1.一種交錯的波導全息圖，它包括a.第一全息記錄；和b.與所述第一全息記錄交錯的第二全息記錄。
2.如權利要求6所述的交錯的波導全息圖，其中，所述第一全息記錄對應于第一視場，第二全息記錄對應于第二視場。
3.如權利要求7所述的交錯的波導全息圖，其中，所述第一視場是右視場，第二視場是左視場。
4.如權利要求6所述的交錯的波導全息圖，其中，所述每個全息記錄是一個預定的寬度。
5.如權利要求9所述的交錯的波導全息圖，其中，所述預定寬度約為2.5毫米。
6.如權利要求6所述的交錯的波導全息圖，其中，所述第一全息記錄與第二全息記錄組合，在使用中產生三維效果。
7.一種三維全息液晶顯示系統，它包括a.背光照明；b.第一波導全息圖；c.液晶顯示器；和d.具有與第二全息記錄交錯之第一全息記錄的第二波導全息圖，所述第二波導全息圖定位在第一波導全息圖與液晶顯示器之間。
8.如權利要求12所述的三維全息液晶顯示系統，其中，還包括定位在背光照明與第一全息圖之間的微準直器陣列。
9.如權利要求12所述的三維全息液晶顯示系統，其中，所述背光照明是準直的。
10.一種制造交錯的波導全息圖的方法，它包括如下步驟a.在第一位置形成第一全息記錄；b.在第二位置形成第二全息記錄，其中所述第二全息記錄與所述第一全息記錄是交錯的。
11.如權利要求15所述的方法，其中，所述形成第一全息記錄的步履還包括在涂有乳膠和標度液體之基片上的第一位置定位光刻掩模；在對應的第一位置定位觀察區(qū)掩模，然后形成第一全息記錄；其中所述形成第二全息記錄的步驟還包括在涂有乳膠和標準液體之基片上的第二位置定位光刻掩模；在對應的第二位置定位觀察區(qū)掩模，然后形成第二全息記錄。
12.如權利要求16所述的方法，其中，所述第一位置對應于右視場，第二位置對應于左視場。
13.如權利要求16所述的方法，其中，所述光刻掩模包括一系列等間隔線，其中預定的線遮擋全息記錄。
14.如權利要求18所述的方法，其中，所述每條線的寬度近似等于標準像素的寬度。
15.如權利要求19所述的方法，其中，每條線的寬度在約200-300微米之間。
16.如權利要求16所述的方法，其中，所述觀察區(qū)掩模包括一系列分開預定距離的涂黑區(qū)。
17.如權利要求21所述的方法，其中，所述預定距離約為2.5英寸。
18.如權利要求16所述的方法，其中，所述乳膠層由鹵化銀構成。
19.一種制造三維全息液晶顯示系統的方法，它包括如下步驟a.提供第一波導全息圖；b.提供第二波導全息圖，使第一波導全息圖與第二波導全息圖交錯；c.提供背光照明和液晶顯示器；d.在所述背光照明和液晶顯示器之間安置所述第一波導全息圖和第二波導全息圖，使所述第一波導全息圖與背光照明靠近對齊，并使所述第二波導全息圖排列在所述第一波導全息圖與所述液晶顯示器之間。
20.如權利要求24所述的方法，其中，還包括在所述背光照明和第一全息圖之間定位微準直器陣列。
全文摘要
一種自動立體三維液晶顯示系統及其制造方法。該系統包括準直的背光照明(12)、第一光衍射全息圖(16)、第二右－左交錯的全息圖(18)、和液晶顯示器。如果背光照明未受到準直，則在進入第一全息圖之前使用微準直器陣列(14)準直背光照明。通過包括兩個步驟的過程形成第二右－左交錯的全息圖。該過程包括在第一位置定位光刻掩模(44)和觀察區(qū)掩模(52)，在第一位置記錄第一全息記錄，將光刻掩模(44)和觀察區(qū)掩模(52)移動到第二位置，并且在第二位置記錄第二全息記錄。
文檔編號G02B27/22GK1468384SQ01816956
公開日2004年1月14日 申請日期2001年8月3日 優(yōu)先權日2000年8月7日
發(fā)明者信·M·埃, 信 M 埃, H 余, 凱文·H·余, 加金德拉·D·薩萬特, 拉 D 薩萬特 申請人:物理光學公司