CN100449352C - 一种自动立体显示器 - Google Patents

Abstract

一种自动立体显示器，包括影像显示装置，其特征是：所述影像显示装置前方的适当位置设置有一宾主型液晶显示器。本发明的主要优点及积极效果如下：(1)可方便地实现2D/3D显示方式的转换；(2)可以实现染料分子对偏振光的最大吸收，得到一个足够的黑态，提高显示的清晰度；(3)显示器的亮度损失少；(4)提供更短的立体影像成像距离，可实现中小尺寸的立体显示器的近距离观看；(5)对液晶盒厚度要求不高，增加了工艺宽容度，而且可以通过增加液晶盒的厚度，增大染料分子含量，从而提高视差栅栏层的对比度；(6)结构简单，工艺易于实现，成本不高，极具实用价值。

Description

一种自动立体显示器

技术领域

本发明涉及一种显示器，具体地说，涉及一种利用视差栅栏原理实现自动立体显示影像并可以实现二维/三维(2D/3D)显示方式之间的转换的自动立体显示器。

背景技术

人的视觉是立体视觉，在观看物体时观察者既能感觉到物体之间的距离，又能感觉到物体与观察者之间的距离，即深度感。但是长期以来由于技术上的束缚，大多数的显示器只能通过二维的屏幕来表现各种画面。要想充分发挥人类视觉感知的强大功能，发展能再现真实三维场景的自动立体显示器是一条重要的途径。

实现立体显示的方法很多，其中通过视差栅栏(parallaxbarrier，又称为视差屏障)实现左、右眼影像分离的方案在1903年即被提出。图1中示出一种采用视差栅栏的自动立体显示器的原理图，背光源1、像素层2和视差栅栏层3共同组成了一个自动立体显示器。稍有差别的左、右眼15影像等间距交互排列在像素层2平面上，因像素层2前面的视差栅栏层3对视线的遮挡及分割作用，使左、右眼15分别看到各自应该看到的影像，造成左、右眼15所捕捉到的影像产生微小的偏离，最后经由视网膜当作三维影像读取，实现立体显示。此后的许多方案都是以此原理为基础，通过修改视差栅栏的设计，从而实现可以2D/3D显示方式转换的功能，并且进一步提高显示效果及显示范围。

如图2所示的一种使用带偏光片的普通视差栅栏层的自动立体显示器，其像素层2由偏光片4、基板5、液晶层6、基板7和偏光片8共同组成，其视差栅栏层3由基板9、液晶层10、基板11和偏光片12共同组成，像素层2与视差栅栏层3共用偏光片8。其中我们定义人眼15的瞳孔间距为V_W，人与栅栏层的距离为V_D(称为像距，即可视距离)，视差栅栏层3的视觉位置(在这里为偏光片12)与像素层2的最外层偏光片8的距离为d(称为物距)，像素层2中左、右图像像素大小都为P。由三角形相似性我们可以得到如下关系：V_D＝d·V_W/P，由此可见，可视距离与物距是成正比的，如果我们瞳孔间距采用V_W＝65mm，像素间距P＝0.08mm，物距d＝0.8mm，我们可以利用上面的公式求出像距(即可视距离)V_D为650mm，这个可视距离对于需要近距离观看的中小尺寸自动立体显示器来说显然是太大了。由于瞳孔间距V_W是固定的，而对于中小尺寸显示器来说，像素大小P也不可能太大，所以只有通过减小物距d才能实现近距离观看的目的。

中国专利CN1655011A中采用扭转向列遮断器制作视差栅栏层，通过将偏光片设立在载板的内侧，并用塑料基板(优选厚度小于0.2mm)取代玻璃基板，以此使视差栅栏层的视觉位置与显示装置的显示像素具有较短的距离(即物距d)，以提供较短的立体影像成像距离(即上述可视距离V_D)；视差栅栏层可根据需要转换成全穿透模式，以将立体影像转换为平面影像，即可进行2D/3D显示方式之间的转换。这对于中小尺寸的自动立体显示器设计以及增大视差栅栏层与像素层结合的工艺宽容度都是极其重要。然而无论是玻璃基板还是塑料基板都是有一定厚度的，所以通过采用尽量薄的基板对于物距的减小是有限的，另外通过印刷的方法将偏光片设立于载板的内侧也势必增加生产的工艺难度。

中国专利CN1506714A中采用了两片微位相差板的结构实现了可以2D/3D转换的视差栅栏的设计，它不需要液晶层，从而取消基板，减小厚度，然而微位相差板的制作精度要求很高，对微位相差板驱动器的动作精度要求也很高；在背光模块与微位相差板之间设有偏光板(偏光片)，偏光板的使用降低了背光的利用率，减弱了显示器的亮度。

发明内容

本发明的目的是提供一种立体影像成像距离小且工艺易于实现的可以实现2D/3D显示方式之间的转换的自动立体显示器。采用的技术方案如下：

一种自动立体显示器，包括影像显示装置，其特征是：所述影像显示装置前方的适当位置设置有一宾主型液晶显示器；宾主型液晶显示器由第一透明基板、第二透明基板以及掺杂了染料的液晶层组成，液晶层设于第一透明基板和第二透明基板之间，第一透明基板和第二透明基板上设有相对应的电极，其中第一透明基板比较靠近影像显示装置。

所述影像显示装置优选平板显示器，它可以有以下两种结构，一种由背光模组和穿透式空间光调制器组成，其中穿透式空间光调制器可以采用薄膜晶体管平板显示器(TFT)，它是一种液晶显示器，构成上述的像素层；另一种是自发光显示装置，可以采用等离子体平板显示器(PDP)、有机电致发光平板显示器(OLED)等。宾主型液晶显示器形成视差栅栏层。宾主型液晶显示器的入射光应当是偏振光，因此影像显示装置射出的光也应当是偏振光；当普通的影像显示装置射出的光不是偏振光时，可在普通影像显示装置和宾主型液晶显示器之间设置一偏光片，普通影像显示装置和偏光片构成符合要求的影像显示装置。

所述电极可由导电的、透明的材料制成，通常电极都设置在基板上靠液晶层的一侧。

所述第一透明基板和第二透明基板可采用透明的塑料基板或玻璃基板。

所述液晶层可以采用向列相液晶，可以是向列相正性液晶或向列相负性液晶。可购买已经混合好的液晶染料混合物(比如德国的MERCK公司生产的掺杂了黑色染料的液晶)来制作液晶层。一般染料在液晶中的溶解度在2％左右。当染料的量过少时，宾主型液晶显示器黑度不够，对比度较差，所以通常可以把液晶盒做厚，增加液晶的量，同时也就增加了染料的量，使光线被完全吸收，增加对比度。

将少量染料溶于向列相液晶中，由于染料分子本身的结构特点，在平行于分子轴和垂直于分子轴方向上，染料分子对光的吸收是不同的，其对偏振光的吸收随其光轴与偏振光振动方向的夹角而变化，染料分子轴与偏振光振动方向一致时，吸收最大。在电场作用下，溶于液晶中的染料分子随液晶分子的转动而转动，呈现颜色变化。

根据液晶介电各向异性特征以及染料的性质(正性或负性染料，即P型或N型染料)，采用相适应的表面排列取向技术(包括水平取向技术和垂直取向技术)，可以得到正型或负型的显示。

所述向列相液晶采用向列相正性液晶时，采用水平取向技术，并通过透明基板的摩擦取向(摩擦方向要与影像显示装置射出的偏振光的偏振方向一致)，使得液晶分子和染料分子沿第一透明基板、第二透明基板的表面排列(即液晶分子和染料分子平行于第一透明基板、第二透明基板的表面排列)，并且使得排列方向与影像显示装置的发射的偏振光的偏振方向平行，在第一透明基板、第二透明基板之间没有扭曲转变。此时因为宾主型液晶显示器的入射偏振光的方向与液晶分子的摩擦方向夹角为零，因此虽然有双折射效应，但是在宾主型液晶显示器中偏振光并不旋转，始终与染料分子轴的方向相平行。在不施加电压的时候，由于染料分子对光的最大吸收，宾主型液晶显示器呈现黑色；在施加电压的时候，由于外电场的作用，染料分子会与液晶分子一同旋转到垂直于第一透明基板、第二透明基板的方向，由于此时染料分子轴的方向与偏振光的振动方向垂直，因此对光吸收很弱，宾主型液晶显示器加有外电场的位置呈现透明态。

通过电极的设计和电场控制，可以实现宾主型液晶显示器上黑白条纹相间的栅栏状态和全透状态的变化，分别可以用于实现3D和2D显示。电极与一般液晶显示器的ITO电极一样，在本发明中，优选电极呈条纹状，第一透明基板和第二透明基板上的电极均可由平行排列的长条组成，其中每个基板上所有奇数长条为一组、所有偶数长条为一组，同一组的长条连接在一起，所以一个基板上的整个电极分成两部分，第一透明基板和第二透明基板上的电极相对应。通常长条线宽范围可为30～70微米，长条间距为8～10微米。通过在宾主型液晶显示器(即视差栅栏层)中的部分电极之间施加电压，可以实现部分液晶分子的扭转，从而带动部分染料分子扭转到垂直于第一透明基板和第二透明基板的方向，转动之后的染料分子不再吸收偏振光，而没有转动的染料分子仍吸收偏振光，从而使视差栅栏层呈现亮态与暗态交替排列，形成视差栅栏，可以用于显示3D影像。通过在视差栅栏层中的整个电极之间施加电压，可以实现全部液晶分子的扭转，从而带动染料分子都扭转到垂直于第一透明基板和第二透明基板的方向，染料分子不再吸收偏振光，从而使视差栅栏层全部呈现亮态，可以用于显示2D影像。上述施加在电极之间的电压只要大于阈值电压即可。

所述向列相液晶采用向列相负性液晶时，采用垂直取向技术，并通过透明基板的摩擦取向(摩擦方向要与影像显示装置射出的偏振光的偏振方向一致)，使得液晶分子和染料分子垂直于第一透明基板和第二透明基板的表面进行排列，并且使得液晶分子和染料分子的长轴方向与影像显示装置的发射的偏振光的偏振方向垂直，同样可以实现2D/3D显示方式的转换，而且电极设计更加简单。通常电极呈条纹状，第一透明基板和第二透明基板上的电极均可由平行排列的长条组成，每个基板上所有的长条连接在一起，第一透明基板和第二透明基板上的电极相对应。通常长条线宽与长条间距的大小一致或接近。当电极之间不施加电压时，全部液晶分子与染料分子都垂直于第一透明基板和第二透明基板，染料分子不吸收偏振光，从而全部呈现亮态，可以用于显示2D影像；当电极之间施加电压时，可以实现部分液晶分子的扭转，从而带动部分染料分子扭转到平行于第一透明基板和第二透明基板的方向，并且这部分染料分子的长轴方向与影像显示装置的发射的偏振光的偏振方向平行，转动之后的染料分子能吸收偏振光，电极长条对应的地方呈现暗态，从而呈现亮态与暗态交替排列，形成视差栅栏，可以用于显示3D影像。上述施加在电极之间的电压只要大于阈值电压即可。

所述电极除了以上条纹状的形式以外，还可以采用其它形式，比如阶梯状的电极排列形式(阶梯状的电极排列形式属现有技术，在此不作详细描述)，或者是由多个垂直相交的条纹构成的网状结构。

采用宾主型液晶显示器作为视差栅栏层不需要额外的偏光片12，所以视差栅栏的视觉位置移到了宾主液晶显示器中液晶层与第二透明基板的交界处，在3D显示的时候，物距大小仅为第一透明基板加液晶层的厚度，物距大小比图2所示的带有偏光片的一般液晶显示器栅栏减少了近一半，大大减小了可观看距离。

本发明的主要优点及积极效果如下：(1)由于采用了宾主型液晶显示器形成视差栅栏，通过外加电压调节宾主型液晶显示器中液晶分子的取向，同时带动染料分子的旋转来改变染料分子对偏振光吸收的能力，从而实现宾主型液晶显示器栅栏状态和全亮状态的切换，因此可方便地实现2D/3D显示方式的转换；(2)直接利用影像显示装置出射的偏振光，使染料分子的轴向与偏振光的方向相同，从而可以实现染料分子对偏振光的最大吸收，得到一个足够的黑态，提高显示的清晰度；(3)由于宾主型的液晶显示器可以不使用偏光片12，因此减少了显示器的亮度损失；(4)由于不采用偏光片12，因此可以进一步减小视差栅栏层的视觉位置与影像显示装置的显示像素之间的距离，提供更短的立体影像成像距离，可实现中小尺寸的立体显示器的近距离观看；(5)视差栅栏层由于没有旋光效应，因而对液晶盒厚度要求不高，增加了工艺宽容度，而且可以通过增加液晶盒的厚度，增大染料分子含量，从而提高视差栅栏层的对比度；(6)结构简单，工艺易于实现，成本不高，极具实用价值。

附图说明

图1是视差栅栏原理图；

图2是使用带偏光片的普通视差栅栏的自动立体显示器的结构示意图；

图3(a)和图3(b)分别是本发明优选实施例1的宾主型液晶显示器中第一透明基板和第二透明基板上的电极图形设计示意图；

图4(a)是本发明优选实施例1 3D显示时的结构示意图；图4(b)是3D显示时宾主型液晶显示器的显示示意图；

图5(a)是本发明优选实施例1 2D显示时的结构示意图；图5(b)是2D显示时宾主型液晶显示器的显示示意图；

图6(a)和图6(b)分别是本发明优选实施例2的宾主型液晶显示器中第一透明基板和第二透明基板上的电极图形设计示意图。

具体实施方式

实施例1

如图4(a)和图5(a)所示，这种自动立体显示器包括影像显示装置，影像显示装置前方的适当位置设置有宾主型液晶显示器3。

影像显示装置由背光模组1和穿透式空间光调制器2组成，穿透式空间光调制器2采用薄膜晶体管平板显示器，穿透式空间光调制器2构成像素层2。穿透式空间光调制器2由偏光片4、基板5、液晶层6、基板7和偏光片8共同组成。

宾主型液晶显示器3形成视差栅栏层3。宾主型液晶显示器3由第一透明基板9、第二透明基板11以及掺杂了染料的液晶层10组成，液晶层10设于第一透明基板9和第二透明基板11之间，第一透明基板9和第二透明基板11上设有相对应的电极13、14，第一透明基板9和第二透明基板11中，第一透明基板9比较靠近影像显示装置。电极13、14可由导电的、透明的材料制成。

第一透明基板9和第二透明基板11采用玻璃基板。

液晶层10采用向列相正性液晶，染料为黑色染料。可购买已经混合好的液晶染料混合物，比如德国的MERCK公司生产的掺杂了黑色染料的液晶。通常可以把液晶盒做厚，增加液晶的量，同时也就增加了染料的量，使光线被完全吸收，增加对比度。

通过水平取向技术，并通过透明基板9、11的摩擦取向(摩擦方向要与影像显示装置射出的偏振光的偏振方向一致)，使得向列相液晶分子和染料分子沿第一透明基板9、第二透明基板11的表面排列(即液晶分子和染料分子平行于第一透明基板、第二透明基板的表面排列)，并且使得排列方向与影像显示装置发射的偏振光的偏振方向平行，在第一透明基板9、第二透明基板11之间没有扭曲转变。

如图3(a)和图3(b)所示，电极呈条纹状，第一透明基板9上的电极13和第二透明基板11上的电极14均可由平行排列的长条组成，其中每个基板9、11上所有奇数长条为一组(A、C)、所有偶数长条为一组(B、D)，同一组的长条连接在一起，所以一个基板9、11上的整个电极13、14均被分成两部分，其中第一透明基板9上的电极13分成A和B两部分，第二透明基板11上的电极14分成C和D两部分，第一透明基板9的电极13和第二透明基板11上的电极14相对应，其中A与C对应，B与D对应。本电极设计中长条线宽为60微米，长条间距为8微米，这对于现有工艺水平来说很容易达到。

通过电极13、14的设计和电场控制可以实现黑白条纹相间的栅栏状态和全透状态的变化，分别可以用于实现3D和2D显示。在没有施加电压时，整个视差栅栏层3呈现黑色。在部分电极A和C(或B和D)上加电压时，部分电极A和部分电极C之间的液晶分子带动染料分子一同扭转，使染料分子轴垂直于第一透明基板9和第二透明基板11的表面，此时染料分子对光的吸收最弱，同时没有双折射现象发生，使得这一对部分电极之间变为透明；而相邻的另一对部分电极B和D(或A和C)上没有施加电压，因而仍然是黑色，此时就形成了一个黑白相间的液晶光栅，如图4(a)和图4(b)所示，通过液晶光栅的遮挡作用可以实现3D显示。当所有部分电极A，B，C，D(即整个电极)都施加电压，所有的液晶分子全部转动到与第一透明基板9和第二透明基板11的表面相垂直的方向，此时整个视差栅栏层3全部变为透明，对光线不再有遮挡作用，如图5(a)和图5(b)所示，因而可以实现2D显示。

实施例2

本实施例中液晶层10采用向列相负性液晶，染料为黑色染料。可购买已经混合好的液晶染料混合物，比如德国的MERCK公司生产的掺杂了黑色染料的液晶。采用垂直取向技术，并通过透明基板9、11的摩擦取向(摩擦方向要与影像显示装置射出的偏振光的偏振方向一致)，使得液晶分子和染料分子垂直于第一透明基板9和第二透明基板11的表面进行排列，并且使得排列方向与影像显示装置发射的偏振光的偏振方向垂直。如图6(a)和图6(b)所示，电极13、14呈条纹状，第一透明基板9上的电极13和第二透明基板11上的电极14均由平行排列的长条组成，每个基板9、11上所有的长条连接在一起，第一透明基板9和第二透明基板11上的电极13、14相对应，长条线宽与长条间距的大小一致。本实施例的其它结构与实施例1相同。

当电极13、14之间不施加电压时，宾主型液晶显示器3全部呈现亮态，可以用于显示2D影像；当电极13、14之间施加电压时，宾主型液晶显示器3呈现亮态与暗态交替排列，形成视差栅栏，可以用于显示3D影像。

以上是本发明的两个优选实施例，但本发明的实施方式不止这些，比如影像显示装置也可以是自发光显示装置，如等离子体平板显示器(PDP)、有机电致发光平板显示器(OLED)等。电极也可以采用其它形式，比如阶梯状的电极排列形式，或者是由多个垂直相交的条纹构成的网状结构。

Claims (9)

1、一种自动立体显示器，包括影像显示装置，其特征是：所述影像显示装置前方的适当位置设置有一宾主型液晶显示器；宾主型液晶显示器由第一透明基板、第二透明基板以及掺杂了染料的液晶层组成，液晶层设于第一透明基板和第二透明基板之间，第一透明基板和第二透明基板上设有相对应的电极。

2、根据权利要求1所述的自动立体显示器，其特征是：所述液晶层是向列相液晶，是向列相正性液晶或向列相负性液晶。

3、根据权利要求2所述的自动立体显示器，其特征是：所述液晶层是向列相正性液晶，液晶分子和染料分子平行于第一透明基板、第二透明基板的表面排列，并且排列方向与影像显示装置发射的偏振光的偏振方向平行。

4、根据权利要求2所述的自动立体显示器，其特征是：所述液晶层是向列相负性液晶，液晶分子和染料分子垂直于第一透明基板、第二透明基板表面排列；透明基板经摩擦取向，其摩擦方向与影像显示装置射出的偏振光的偏振方向一致。

5、根据权利要求1所述的自动立体显示器，其特征是：所述第一透明基板和第二透明基板是透明的塑料基板或玻璃基板。

6、根据权利要求3所述的自动立体显示器，其特征是：所述电极呈条纹状，第一透明基板和第二透明基板上的电极均由平行排列的长条组成，其中每个基板上所有奇数长条为一组、所有偶数长条为一组，同一组的长条连接在一起，一个基板上的整个电极分成两部分，第一透明基板和第二透明基板上的电极相对应。

7、根据权利要求4所述的自动立体显示器，其特征是：所述电极呈条纹状，第一透明基板和第二透明基板上的电极均由平行排列的长条组成，每个基板上所有的长条连接在一起，第一透明基板和第二透明基板上的电极相对应。

8、根据权利要求1～7任一项所述的自动立体显示器，其特征是：所述影像显示装置采用平板显示器，它由背光模组和穿透式空间光调制器组成，其中穿透式空间光调制器是薄膜晶体管平板显示器。

9、根据权利要求1～7任一项所述的自动立体显示器，其特征是：所述影像显示装置采用平板显示器，它是自发光显示装置，是等离子体平板显示器或有机电致发光平板显示器。

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