变焦纳米液晶透镜的体三维立体显示器的初步研究

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摘要：三维（3D）立体显示技术已成为当今一个引人注目的前沿科技领域。本文提出研制基于电动变焦纳米液晶透镜的3D立体显示器。该变焦透镜具有50 Hz的高速响应，以达到无闪烁的显示。梯度折射率纳米聚合物分散液晶透镜通过紫外掩模制作，具有透明性好，响应速度快的优点。采用快速阴极射线管作为二维显示器。该体3D立体显示器是一个全新的3D立体显示方案，该显示器的实验工作正在进行中。

关键词：立体显示；体三维立体显示；变焦纳米液晶透镜

中图分类号：TN873 文献标识码：A

Three Dimensional Volumetric Autostereoscopic Display

Based on Varifocal Nano-liquid -crystal Lens

SONG Shi-jun, WANG Qiong-hua, LI Da-hai, ZHAO Ren-liang, ZHANG Chao

（School of Electronics and Information Engineering,

Sichuan University, Chengdu 610065, China）

Abstract: Three-dimensional (3D) autostereoscopic display is a frontier technology. We have proposed a 3D autostereoscopic display system based on electrically controllable liquid-crystal (LC) varifocal lens. The varifocal lens operates at high-speed of 50 Hz for flicker-free display. Gradient refractive index nano-polymer dispersion LC (GRIN PDLC) lens is fabricated by ultraviolet exposure through photomask. We developed a high-speed 2D display, e.g. Cathode Ray Tube (CRT) to handle all the depth-sampled images. Such a 3D display system is a novel volumetric autostereoscopic display scheme. A prototype of the display is under way.

Keywords:autostereoscopic display；volumetric 3D display；varifocal nano-liquid-crystal lens

1引言

信息显示是当今电子信息时展的重要技术之一。目前通常的显示几乎都是二维（2D）平面的。所谓三维（three dimensional, 3D）立体显示是指能显示图象深度（第三维）效果，就像我们看真实世界一样，是立体的。3D显示分为佩戴眼镜的3D显示和不戴眼镜的自动3D显示（也叫真3D显示）两大类。前者除了因戴眼镜使观看者不方便外，还会令人疲劳和头晕，不便长期观看，更不利于一些人群，如儿童观看。后者是3D显示的前沿技术，将沿着三个方向发展，即电子全息术、方向多路显示和体显示。真3D显示不会造成观众的视疲劳, 特别是体3D显示能提供满足人体对立体深度的所有暗示，类似于人们对自然物体的立体感。3D显示有着广泛的用途。显示真实的三维世界是人类的梦想，也是从事显示技术研究的科技人员和显示器制造商苦苦追求的目标。3D显示技术成为当今一个引人注目的前沿科技领域。日本、韩国、欧美等国家开发了相关的各种技术和产品。我国在该领域的研究还相当薄弱。

纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。纳米聚合物分散液晶（PDLC）具有可见光透明、响应时间快的特点，在显示和通讯领域有着特殊的应用，成为液晶领域的研究热点。

本文结合3D显示技术前沿和纳米新技术，并在2D显示器和液晶透镜研究的基础上提出采用变焦纳米液晶透镜的体3D立体显示方案。

2变焦纳米液晶透镜的体3D立体显示器的原理与结构

采用变焦纳米液晶透镜的体3D立体显示器由快速2D显示屏和变焦纳米液晶透镜组成，如图1所示。其原理是：用带有变焦透镜的摄像机连续拍摄景物不同景深的2D图像，然后人眼通过同样的变焦透镜来观看按同样时序带有景深信息的该2D图像，3D立体图像就重建于一个空间内。如果景深变化频率在人眼视觉暂留范围内（如50Hz），人眼就能见到连续的3D立体图像了。

为了满足景深变化的需要，该立体显示器的2D显示屏必须具有响应速度快的特点，比普通电视图像的响应速度快数10倍。常规2D电视机和计算机显示屏，如CRT（阴极射线管）和LCD（液晶显示）的响应速度还远达不到，因而必须研制快速2D显示屏。若采用CRT，需要研制快速响应荧光粉等，技术相对简单；若采用LCD，则更具挑战性，因为如今的液晶电视技术是在突破了液晶的响应速度的基础上发展起来的，在快速响应液晶方面，已采用了许多新技术，要满足该立体显示器快于普通液晶电视数十倍的响应速度，需要更新的技术突破。

该系统中的变焦透镜需满足可见光范围透过率高、响应速快、驱动电压低、适当的调焦范围，以及与2D显示屏的同步性好等要求。为此，拟采用电动变焦纳米PDLC（聚合物分散液晶）。因为纳米PDLC的颗粒远小于可见光波长，其透明性相当好。而且纳米级液晶小颗粒具有响应速度快的特点，约100ns，大大满足景深调制50Hz的需要。由于电动调焦，容易实现与2D显示屏的同步。

我们将采用独特的材料和方法来制作纳米PDLC。将聚合物单体、向列相液晶、光引发剂、交联剂和协引发剂组按比例(重量比)称量好，在暗室中均匀混合加热到各向同性态后，注入到由氧化铟锡(ITO)导电玻璃制作的样品盒内，配制的样品尽可能马上进行曝光。对于常规的PDLC，2～5μm大小的液晶微滴分散在聚合物中。采用独特的配方，如采用快速聚合速度的聚合物单体NOA81 或NOA65，聚合物单体在相分离之前就产生聚合物网络，可使PDLC中液晶微滴尺寸降到100～200nm，使它成为一种纳米PDLC；另外，液晶的浓度比常规的PDLC要小，如35%左右（常规40%～80%），以保证获得纳米PDLC。

该方案的电动变焦纳米PDLC透镜采用一个叫做梯度折射率纳米（GRIN ）PDLC变焦透镜。这个GRIN PDLC是均匀紫外光通过具有一定图案的光刻掩模板对液晶/单体进行曝光，从而获得纳米颗粒的梯度尺寸分布而得到透镜特性的，其原理如图2所示[9]。因为弱的紫外光曝光区就形成较大的液晶颗粒，这些较大的液晶颗粒就会具有比小颗粒更低的阈值电压。当均匀电场施加在这个液晶盒上时，由于存在不同的阈值电压，液晶颗粒将具有不同的分子取向，从而导致具有梯度分布的折射率。通过改变光掩膜板的图案，就能实现透镜和微镜阵列。图案掩膜制作PDLC透镜的方法具有制作简单、工作电压低、响应速度快等优点。

纳米PDLC具有透明性好，响应速度快的优点，但缺点是工作电压高，为此我们采取措施降低驱动电压。液晶和聚合物材料的介电和粘度性质、液晶微滴的尺寸、器件厚度决定了PDLC的驱动电压。特别是驱动电压与液晶微滴尺寸成反比，对纳米PDLC驱动电压的影响更是非常突出。而且，由于纳米PDLC液晶微滴很小，被聚合物基体紧紧包裹，它们与聚合物的表面相互作用，即表面锚定能很大，需要更高的电压才可以使液晶分子运动。由于小尺寸液晶微滴是PDLC的一个固有特点，因此降低驱动电压只能通过提高聚合物的导电率或者降低液晶表面锚定能来实现。据此，一方面我们研究了在配方中添加表面活性剂对纳米PDLC驱动电压的影响；另一方面我们开发新的PDLC制作工艺，以降低工作电压。例如，在紫外光诱导液晶/单体相位分离时，施加较强的电压。

3结论

基于电动变焦GRIN PDLC透镜的3D显示器是一个全新的体3D显示方案。该系统能提供满足人体对立体深度的所有暗示，类似于人们对自然物体的立体感，不会造成视疲劳。而且，由于在2D显示器上实现3D显示，3D显示将与现存的2D显示兼容，就像彩色显示与黑白显示是兼容一样。该体3D显示器的实验工作正在进行中，一旦研制成功，将具有可观的应用前景。

参考文献：

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[2]王琼华，成建波，杨刚，三维立体显示技术综述[R], 2004中国平板显示学术会议, 2004, 215-217.

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作者简介：宋世军（1982-），男，河南信阳人，四川大学在读硕士，研究方向为三维立体显示技术，Email: qhwang@cdnet.省略。