CN100474035C

CN100474035C - 立体显示装置

Info

Publication number: CN100474035C
Application number: CNB2007101219938A
Authority: CN
Inventors: 杨扬
Original assignee: 北京超多维科技有限公司
Current assignee: Shenzhen Super Perfect Optics Ltd
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: CN101118316A

Abstract

本发明公开了一种立体显示装置，包括：用于提供线性偏振的图像光线的装置和透镜组件；透镜组件包括由单折射率透镜和双折射率透镜构成的组合透镜；还包括薄膜晶体管电路板和控制单元；所述双折射率透镜的两个面均覆盖有进行了取向处理的透明电极，其中一个面上的透明电极包括至少两个互不导电的透明电极单元，透明电极单元分别与所述薄膜晶体管电路板上的晶体管连接，控制单元与所述晶体管和双折射率透镜的另一个面上的透明电极连接，用于通过晶体管控制透明电极单元与所述另一个面上的透明电极之间的电场；入射的偏振光线在有电场的情况下通过该透镜组件不发生折射，在无电场的情况下通过该透镜组件发生折射。能任意进行2D-3D转换。

Description

立体显示装置

技术领域

本发明涉及立体显示领域，尤其涉及一种可在屏幕的任何区域进行2D或3D转换的装置。

背景技术

人类是通过右眼和左眼所看到的物体的细微差异来感知物体的深度，从而识别出立体图像的，这种差异被称为视差。立体显示技术就是通过人为的手段来制造人的左右眼的视差，给左、右眼分别送去有视差的两幅图像，使大脑在获取了左右眼看到的不同图像之后，产生观察真实三维物体的感觉。立体显示装置一般有两种方式：狭缝光栅式立体显示装置和微透镜阵列立体显示装置。其中微透镜阵列立体显示装置包括显示面板和安装在显示面板前方的微透镜阵列，从而将来自于显示面板的3D图像分成右眼和左眼图像。

上述传统微透镜阵列式立体显示装置，无法实现2D-3D之间的转换，给使用带来了不便。因此需要一种自动立体显示装置，其可以根据所提供的图像信号在2D和3D模式之间进行转换。针对这一需求，开展了很多研究工作。如专利文献US5500765提到一种2D-3D可转换自动立体显示装置，通过透镜片在显示面板上的机械移动来实现2D-3D之间的转换。但是这种机械转换原理的实现受到振动、潮湿、灰尘等因素的影响而不易控制。此外专利文献US6069650和CN1892289都利用了液晶对寻常光(o光)和非寻常光(e光)产生不同的折射率来实现2D-3D转换，它们都需要在微透镜的表面镀导电薄层或梯度结构的导电层，以达到控制液晶指向矢方向的目的。图1表示了传统2D-3D可转换自动立体显示装置的结构和原理。如图1，此装置主要包括显示面板1，微透镜阵列2，面对微透镜阵列的透明平面板5，在微透镜和透明平面板表面的导电薄层或梯度电极层3，填充在微透镜阵列和透明平面板之间的液晶4，以及分别连接在两个导电薄层或梯度电极层的电极6。根据此结构，当没有电压施加在电极6时，入射的偏振光的偏振方向平行于液晶的指向矢即光轴方向，如图2A此时光线透过液晶的折射率为n_e，且n_e不等于微透镜材料的折射率n_p，光线在微透镜表面发生折射，显示为3D效果。当施加电压于电极6时，如图2B，微透镜阵列和透明平面板之间的导电薄层间形成电场，液晶指向矢方向改变为按照电场方向排布，入射的偏振光的偏振方向垂直于液晶的指向矢即光轴方向，光线透过液晶的折射率为n_o，此时n_o等于微透镜材料折射率n_p，光线在不发生折射的情况下穿过微透镜2、液晶4和透明平面板5，显示为2D效果。

上述现有的2D-3D转换并不能对每个像素点实现独立控制，不能给观众同时显示立体和平面图像，更加不能动态显示立体或平面图像，显示的功能和效果均不如人意。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立体显示装置，能够同时进行2D和3D的显示，并能够在屏幕的任何区域进行2D-3D动态转换。

为达到本发明的目的，提供一种立体显示装置，包括：提供图像光线的装置和透镜组件；

所述提供图像光线的装置，用于提供线性偏振的图像光线；

所述透镜组件，包括单折射率透镜和双折射率透镜，且所述单折射率透镜和所述双折射率透镜构成组合透镜，所述两个透镜均包括平面部分和与之相对的曲面部分，两透镜的曲面部分相互契合；所述双折射率透镜的材料为液晶；

还包括薄膜晶体管电路板和控制单元；所述双折射率透镜的平面部分和曲面部分覆盖有进行了取向处理的透明电极，其中一个面上的透明电极包括至少两个互不导电的透明电极单元，所述透明电极单元分别与所述薄膜晶体管电路板上的晶体管连接，所述控制单元与所述薄膜晶体管电路板中的晶体管和双折射率透镜的另一个面上的透明电极连接，用于通过晶体管控制相应的透明电极单元与所述另一个面上的透明电极之间的区域的电场，入射的偏振光线在有电场的情况下通过该透镜组件不发生折射，在无电场的情况下通过该透镜组件发生折射。

作为一种优选方案，所述单折射率透镜为凸透镜，且所述单折射率透镜的折射率等于所述双折射率透镜的其中一个折射率并大于另外一个折射率。

作为一种优选方案，所述双折射率透镜为凸透镜，且所述单折射率透镜的折射率等于所述双折射率透镜的其中一个折射率并小于另外一个折射率。

作为一种优选方案，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_e，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率n_o并大于所述非寻常光折射率n_e。

作为一种优选方案，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_e，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率n_e并大于所述寻常光折射率n_o。

作为一种优选方案，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_e，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率n_o并小于所述非寻常光折射率n_e。

作为一种优选方案，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_o，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率n_e并小于所述寻常光折射率n_o。

作为一种优选方案，所述提供图像光线的装置包括能提供线性偏振光的显示面板。

作为一种优选方案，所述提供图像光线的装置包括提供非线性偏振光的显示面板和起偏器，所述起偏器放置在所述显示面板与所述透镜组件之间，将所述显示面板发出的非线性偏振光转化为线性偏振光。

利用本发明的上述技术方案，能够对每个像素点甚至子像素点进行控制，能在屏幕上不同区域同时进行2D和3D的显示，并能够任意进行2D-3D转换。

附图说明

图1为传统2D-3D可转换自动立体显示装置示意图；

图2A为偏振光入射在图1所示装置时，在未加电状态下的光路图；

图2B为偏振光入射在图1所示装置时，在加电状态下的光路图；

图3为现有技术中TFT型液晶显示器的主要结构图；

图4为现有技术中TFT液晶显示器的面板阵列示意图；

图5为现有技术中TFT液晶显示器中一像素单元的电路示意图；

图6为本发明实施例一的立体显示装置的结构和光路图：

图7为本发明实施例二的立体显示装置的结构和光路图。

具体实施方式

本发明的立体显示方案中主要应用了TFT显示屏的类似技术，在具体说明本发明的方案之前，首先对现有技术中TFT显示屏的相关原理和作用作一个简要说明。以便后面能更加清楚的说明本发明的技术方案，TFT是“Thin Film Transistor”的简称，即薄膜场效应晶体管，所谓薄膜晶体管，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度、高亮度和高对比度显示屏幕信息。

TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更真。TFT液晶显示屏的特点是亮度好、对比度高、层次感强和颜色鲜艳。参见图3，TFT型的液晶显示器主要的构成包括：白光源31，偏光板32、包含薄膜晶体管的电路平板33，滤光板34和偏振片35，在电路平板33和滤光板34之间具有玻璃基板、配向膜、电极和液晶材料等。TFT液晶显示器常采用TN(Twisted nematic)型的线状液晶(或称之为棒状液晶)。图4为TFT液晶显示器的面板阵列示意图，图中S1-SN为Source线(也叫信号线或数据线)，G1-GM为Gate线(也叫扫描线)，阴影部分为覆盖在液晶表面的显示电极。在与显示电极相对的液晶的另一表明为common电极(公共电极)74。利用显示电极与common电极产生的电场来改变两电极间的TN型液晶分子的排列方向，以改变入射的偏振光的透射率来达到显示的效果。图4中由晶体管和显示电极构成的单元在一个像素中需要三个，分别对应RGB三个子像素。以一个1024*768分辨率的TFT液晶显示器来说，共需要1024*768*3个这样的单元。Gate线送出的波形依序将每一行的TFT打开，好让整排的Source线同时将一整行的显示点充电到各自所需的电压，显示不同的灰阶，当这一行充好电时，Gate线便将电压关闭，然后下一行的Gate线便将电压打开，再有相同的一排Source线对下一行的显示点进行充放电。实现对每一像素点的子像素进行独立控制。

图5为薄膜晶体管液晶显示器中一像素单元的电路示意图，其主要包括薄膜晶体管51、一液晶显示单元52和一存储电容53。而其中存储电容53并联至该液晶显示单元52(液晶显示单元52本身具有一定的电容存储能力)，用以增强液晶显示单元52原本不足的电荷存储能力(当然，如果液晶显示单元52的电荷存储能力很足，则不需要额外的存储电容53)，进而改善薄膜晶体管51关闭时，液晶显示单元52的电压值下降过快的现象。在液晶显示单元52中包含TN型液晶523、透明电极521、522，在透明电极521、522的液晶侧涂有取向层，由于液晶分子有一种特性，就是所处的电场不能一直不变，不然时间久了，即使将电压取消掉，液晶分子会因为特性的破坏而无法再应电场的变化来转动，以形成不同的灰阶，因此液晶显示器内的显示电压分成了两种极性，一个是正极性，而另一个是负极性，不管是正极性或是负极性，都会有一组相同亮度的灰阶，所以当上下两层玻璃的压差绝对值是固定时，所表现出来的灰阶是一样的。本发明中仅仅利用到TFT液晶显示器中能够对每一点单独控制结构和功能，确切的说，仅仅利用到通过薄膜晶体管控制与之相连的透明电极与公共电极之间的电场。对TFT显示器技术，还可以参阅CN1410822A、CN1420383A、CN1423160和CN1455290A等公开的专利文献。

上面说明了TFT液晶显示器的结构和工作原理，下面将详细描述本发明的具体实施例。

图6为本发明实施例一的立体显示装置的结构和光路图，图中立体显示装置包括：显示面板1，由单折射率材料构成的微凸透镜阵列2，面对微凸透镜阵列的透明平面板5，透明平面板5上的薄膜晶体管电路板6，在微凸透镜阵列的凸面和薄膜晶体管电路板6表面的透明的导电薄层或梯度电极层3(后面就称之为透明电极3)，还包括与薄膜晶体管电路板6和微凸透镜阵列2凸面上的透明电极连接的控制单元7以及填充在微凸透镜阵列和透明平面板之间的液晶4；其中，透明电极可以是ITO玻璃，在薄膜晶体管电路板6上的透明电极由多个透明电极单元组成，薄膜晶体管电路板上的晶体管分别与所述透明电极单元电连接，在微凸透镜阵列2凸面上的透明电极为一个整体导电凸面，其作为公共电极。所述控制单元7通过薄膜晶体管给所述透明电极单元进行充放电，以此控制透明电极单元与作为公共电极的微凸透镜阵列2上的透明电极之间区域的电场；控制单元包括信号线驱动电路和扫描线驱动电路，控制单元控制薄膜晶体管的技术可以借用现有的TFT液晶显示技术中的控制技术，而且这种控制技术是相当成熟的现有技术，这里就不再一一赘述。所述液晶4本实施例中采用双折射率液晶材料，在透明电极3上均做取向处理，使得液晶分子的取向方向均平行于入射的偏振光的偏振方向，如果显示面板1的出射光为非线性偏振光，则需在显示面板和微凸透镜阵列2之间置一个偏振片来产生相应的偏振光，所述液晶4形成与由微凸透镜构成的微凸透镜阵列2相对应的凹透镜阵列，因此该凹透镜阵列与凸透镜阵列形成组合透镜阵列，这样与相应光线对应的凸透镜和凹透镜就形成组合透镜。本实施例中微凸透镜阵列的折射率为n_p，双折射率液晶的折射率具有寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e，其中n_p等于n_o，且n_o>n_e。双折射率液晶可以采用光学负性液晶，如负性向列相液晶，或胆甾相液晶或方解石等。

本实施例中例举了四道光线的光路图，上两道光线和下两道光线，先描述上两道光线的光路原理：控制单元7通过薄膜晶体管控制上两道光线所对应的透明电极单元与公共电极之间产生电场，使得该电场内的液晶指向矢方向顺着电场的方向排布，此时入射的偏振光的偏振方向垂直于液晶的指向矢即光轴方向，该部分液晶4对于该光线的折射率为n_o，由于n_o等于微凸透镜的折射率n_p，因此光线在不发生折射的情况下穿过微凸透镜2、液晶4和透明平面板5，显示为2D效果。

下面描述下两道光线的光路原理：控制单元7通过薄膜晶体管控制下两道光线所对应的透明电极单元与公共电极之间无电场(如果在前一个时刻该透明电极单元与公共电极之间存在电场，则本过程中需要对电极进行放电，或采取其它手段，总之使得该透明电极单元与公共电极之间无电场)，入射的偏振光的偏振方向平行于液晶的指向矢即光轴方向，此时该部分液晶相对于光线的折射率为n_e，由于n_e小于微凸透镜的折射率n_p，光线通过微凸透镜时在微凸透镜表面发生折射，显示为3D效果。

事实上，本实施例中的微凸透镜阵列和液晶4构成的微凹透镜阵列可以作为一个整体水平旋转180度，让偏振光从凹透镜阵列入射而从凸透镜阵列射出，同样能产生在无电场时发生折射，在有电场时不发生折射的效果；而且也可以将公共电极设置在透明平板5上，将透明电极单元和薄膜晶体管电路设置在微凸透镜阵列2的凸面上，同样能达到通过薄膜晶体管控制任一透明电极单元与公共电极之间的电场。

作为另一个优选方案，立体显示装置同样采用上述实施例一的结构，但是选取单折射率材料和双折射率材料，使得n_p等于n_e，且n_p>n_o。则控制单元7控制上两路光线所对应的透明电极单元与公共电极之间有电场时，上两路光线通过微凸透镜时在微凸透镜表面发生折射；控制单元7控制下两路光线所对应的透明电极单元与公共电极之间无电场时，下两路光线通过微凸透镜时在微凸透镜表面不发生折射。

实施例二：参考图7，作为另一个优选实施例，立体显示装置包括显示面板1、薄膜晶体管电路板6、透明电极3、控制单元7、由双折射材料构成的微凸透镜阵列8和由单折射率材料构成的微凹透镜阵列9，其中所述双折射率微凸透镜阵列8的平面和凸面部分均覆盖有做过取向处理的透明电极3，凸面部分覆盖的透明电极也可以位于微凹透镜阵列9的凹面上，透明电极的材料可采用ITO玻璃，液晶分子的指向失的排布方向与入射的偏振光的偏振方向平行，覆盖在微凸透镜阵列8的平面部分的透明电极由多个相互不电连接的透明电极单元组成，薄膜晶体管电路板6上的各个晶体管的一端分别与相应的所述透明电极单元连接，各个晶体管的另外两端连接到控制单元7，控制单元7还连接到作为公共电极的位于微凸透镜阵列8凸面上的透明电极，控制单元7通过晶体管控制对透明电极单元的充放电来控制透明电极单元与公共电极之间区域的电场，该控制原理与现有技术中TFT液晶显示器中对显示电极的控制原理相同，这里就不再详述。本实施例中双折射率微凸透镜阵列的材料采用双折射率液晶，适当选取单折射率凹透镜阵列的折射率n_p和双折射率液晶的折射率n_o和n_e，使得n_p等于n_o，且n_o<n_e。双折射率液晶可以采用光学正性液晶(即n_e>n_o)，如正性向列相液晶等。由于透明平面板的有无不影响本发明的实施，本实施例中没有采用。

上面说明了本实施例中立体显示装置的结构，下面分别对图中的上两道光线和下两道光线的光路原理进行说明。

先描述上两道光线的光路原理：控制单元7通过薄膜晶体管控制上两道光线所对应的透明电极单元与公共电极之间产生电场，使得该电场内的液晶指向矢方向顺着电场的方向排布，此时入射的偏振光的偏振方向垂直于液晶的指向矢即光轴方向，该部分液晶对于该光线的折射率为n_o，由于n_o等于微凹透镜阵列的折射率n_p，因此光线在不发生折射的情况下穿过微凸透镜阵列8和单折射率微凹透镜阵列9，显示为2D效果。

下面描述下两道光线的光路原理：控制单元7通过薄膜晶体管控制下两道光线所对应的透明电极单元与公共电极之间不产生电场(如果在前一个时刻该透明电极单元与公共电极之间存在电场，则本过程中需要对电极进行放电，或采取其它手段，总之使得该透明电极单元与公共电极之间无电场)，入射的偏振光的偏振方向平行于液晶的指向矢即光轴方向，此时该部分液晶相对于光线的折射率为n_e，由于n_e大于凹透镜阵列的折射率n_p，光线通过双折射率微凸透镜阵列时在微凸透镜阵列表面发生折射，显示为3D效果。

本实施例中，由微凸透镜阵列8和微凹透镜阵列9构成的组合透镜阵列水平旋转180度后，同样能够实现任意控制2D或3D显示的效果。由于其原理与实施例一类似，这里就不对光路进行详细的分析了。本发明中，薄膜晶体管电路、透明电极单元和公共电极本领域技术人员可以灵活设置。

作为另一个优选方案，立体显示装置同样采用上述实施例二的结构，但是选取单折射率材料和双折射率材料，使得n_p等于n_e，且n_o>n_p。则控制单元7控制上两路光线所对应的透明电极单元与公共电极之间有电场时，上两路光线通过微凸透镜时在微凸透镜表面发生折射，显示为3D效果；控制单元7控制下两路光线所对应的透明电极单元与公共电极之间无电场时，下两路光线通过微凸透镜时在微凸透镜表面不发生折射，显示为2D效果。

由上述实施例可知，透镜装置存在三种折射率n_o、n_e和n_p，三种折射率中必须有两个相等，很显然n_o和n_e不能相等，只有n_p等于n_e和n_o中的其中一个，如果n_p大于与它不相等的那个双折射率中一个折射率，则n_p所对应的单折射率透镜阵列必须为凸透镜阵列；反之，n_o和n_e所对应的双折射率透镜必须为凸透镜。本发明的双折射性的材料的取向处理可以为摩擦取向、光控取向、温控取向或电控取向。

上述实施例中采用的图像光源为显示面板，可以是等离子显示面板、液晶显示面板、有机发光装置、场致发射装置、阴极射线管或液晶背投。如果显示面板发射的光为非偏振光，则需在入射到透镜阵列之前用一个偏振片或类似装置将非偏振光转为偏振光，偏振方向的设定和液晶排列方向相同。当然还可以选择现有技术中的其它方式提供光源。实施例中的所有透镜结构的集合可以统称为透镜组件。本发明中的控制单元可以与现有技术中的TFT液晶显示器中的控制单元相同，可以包括信号线驱动电路和扫描线驱动电路，由于采用薄膜晶体管电路对像素的单点控制已经是非常成熟的现有技术，这里就不再一一赘述。

由上述实施例可知，采用本发明的技术方案，可以灵活进行任意区域的2D或3D显示，可以在不同的区域同时显示2D或3D图像。甚至显示在屏幕上动态移动的3D图像。

上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本方法的启示下，在不脱离本方法宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种立体显示装置，包括：提供图像光线的装置和透镜组件；

所述提供图像光线的装置，用于提供线性偏振的图像光线；

其特征在于，还包括薄膜晶体管电路板和控制单元；所述双折射率透镜的平面部分和曲面部分覆盖有进行了取向处理的透明电极，其中一个面上的透明电极包括至少两个互不导电的透明电极单元，所述透明电极单元分别与所述薄膜晶体管电路板上的晶体管连接，所述控制单元与所述薄膜晶体管电路板中的晶体管以及双折射率透镜的另一个面上的透明电极连接，用于通过晶体管控制相应的透明电极单元与所述另一个面上的透明电极之间的区域的电场，入射的偏振光线在有电场的情况下通过该透镜组件不发生折射，在无电场的情况下通过该透镜组件发生折射。

2、根据权利要求1所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述单折射率透镜为凸透镜，且所述单折射率透镜的折射率等于所述双折射率透镜的其中一个折射率并大于另外一个折射率。

3、根据权利要求1所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述双折射率透镜为凸透镜，且所述单折射率透镜的折射率等于所述双折射率透镜的其中一个折射率并小于另外一个折射率。

4、根据权利要求2所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_e，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率n_o并大于所述非寻常光折射率n_e。

5、根据权利要求2所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_e，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率n_e并大于所述寻常光折射率n_o。

6、根据权利要求3所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_e，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率n_o并小于所述非寻常光折射率n_e。

7、根据权利要求3所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述双折射率透镜的折射率包括相对于寻常光的寻常光折射率n_o和相对于非寻常光的非寻常光折射率n_e，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率n_e并小于所述寻常光折射率n_o。

8、根据权利要求1至7中任一项所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述提供图像光线的装置包括能提供线性偏振光的显示面板。

9、根据权利要求1至7中任一项所述的一种立体显示装置，其特征在于，所述提供图像光线的装置包括提供非线性偏振光的显示面板和起偏器，所述起偏器放置在所述显示面板与所述透镜组件之间，将所述显示面板发出的非线性偏振光转化为线性偏振光。