CN101048697A - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

双图像装置(19)向左右方向(1，2)引导光以显示不同的图像(1，2)，例如立体图像。解决了串扰问题(在法线方向上可看到双图像)。根据第一发明，非扭转LCD单元(20’)的LC分子排列得与输入偏振平行(或垂直)，因此通过施加通常的驱动电压(0－5伏)调制倾斜光而可能诱发的倾斜在法线方向上没有效果。第二发明的不同之处在于：通过扭转LCD单元(20”)的配向层确保左右对称，该配向层相对于垂直输入偏振是对称的(±45°)；如果扭转LCD单元(20”)的延迟值低(dΔn＜450nm)，用特定驱动电压(3－10伏)在阈值电压以上驱动单元所可能诱发的预倾斜在法线方向(更短的光路长度)上没有(显著的)调制效果。

Description

显示装置
技术领域
本发明涉及一种显示装置，其包括成像层和导光层，所述成像层具有设置于一平面内的多个像素，所述导光层包括多个光学元件，当从靠近所述平面的法线的方向来看时，所述光学元件将来自成像层中的不同像素的光分别投射到左侧和右侧。
背景技术
DE19920789A1中公开了这样一种采用柱形透镜作为所述光学元件的装置。这种构造允许，例如，机动车驾驶员在观看显示器时看到包括驾驶相关信息的图像，同时，允许与该显示器具有不同角度关系的乘客看到截然不同的图像，例如电影等。因而，在两个不同的角度区域内，即在左侧和右侧区域内，能够凭借单个显示器，通过左侧和右侧频道产生两种不同的图像。
但是，在两个频道之间的串扰的作用下，这样的显示器可能在靠近两个区域之间的边界的某一角度处产生畸变图像。那么，在右侧区域内靠近边界的位置处观看显示器的用户也会看到为左侧频道提供的某些内容，反之亦然。
发明内容
本发明的目的在于提供最开始提出的那种类型的显示装置，其能够降低或消除串扰。
这一目的是通过根据权利要求1所述的显示装置实现的。
更具体地说，本发明涉及一种显示装置，其包括具有设置于平面内的多个像素的成像层和包括多个光学元件的导光层，所述导光层用于将来自所述成像层中的不同像素的光分别朝向左侧和右侧投射，所述左侧和右侧是从处于所述平面的法线内或接近其法线的中间方向看的，其中，每一像素均包括LCD元件，所述LCD元件被构造为在接近所述中间方向的视角处比在远离所述中间方向的视角处具有更低的对比度和/或亮度。
这表明沿中间方向基本不发送任何信息，这样基本消除了在两个频道之间存在串扰的风险。
在优选实施例中，所述LCD元件可以是非扭转液晶单元，其具有带有平行摩擦方向的背面和正面配向层。
优选地，所述LCD元件是位于交叉的背面和正面偏振器之间的非扭转液晶单元。这表明，所述显示器沿法线方向呈现黑色。
在备选实施例中，所述LCD单元是位于平行偏振器之间的非扭转液晶单元。
优选地，所述背面配向层的摩擦方向平行于所述背面偏振器的偏振方向。
作为备选方案，所述背面配向层的摩擦方向可以垂直于所述背面偏振器的偏振方向。
在另一优选实施例中，所述LCD元件为扭转液晶单元，其沿所述中间方向具有小于450nm的延迟。这一单元也能够产生预期效果。
那么优选地，从用户的角度来看，所述液晶单元的液晶材料的中间平面指向矢是垂直的，即其取向位于划分左侧和右侧视界的平面内。这提供了左侧-右侧对称性。例如，如果两个视界处于+/-50°的极角处以及0°和180°的方位角处(即“3点钟方向”和“9点钟方向”)，那么划分两个视界的平面是处于“6点钟”方向和“12点钟”方向的与显示器正交的平面，这时中间平面指向矢的取向最好处于90°或270°的方位角。
优选以大于0V的极小绝对驱动电压驱动所述扭转向列LCD单元，从而提供充分高的中间平面指向矢倾角。或者，可以采用高预倾斜值，其能够提供相同的效果，即，确保沿法线方向具有最小的光调制。
所述光学元件可以优选包括柱形透镜，以建立不同的左侧/右侧视界。
或者，所述光学元件包括位于阻挡层内的垂直狭缝。
所述显示装置可以是沿左侧-右侧方向对称的。那么，所述中间方向与所述成像层的法线一致。
通过下文所述的实施例以及参考其做出的阐释，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1示意性地示出了合成图像的生成。
图2示出了根据本发明的第一实施例的导光层。
图3示出了根据本发明的第二实施例的导光层。
图4和图5示出了针对根据本发明的第一实施例的显示装置设计的LCD单元的模拟结果。
图6和图7示出了针对根据本发明的第二实施例的显示装置设计的LCD单元的模拟结果。
图8示出了普通液晶(LC)单元。
图9示意性地示出了根据本发明的第一实施例布置的此类LC单元。
图10示意性地示出了根据本发明的第二实施例布置的此类LC单元。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的显示装置中采用的合成图像的生成。
所述显示装置用于沿第一方向，例如沿从用户的角度观看的左侧(L)显示第一图像1，沿第二方向，例如沿右侧(R)显示第二图像2。因而分别通过左侧和右侧频道(channel)显示图像。
例如，可以在机动车内采用这样的显示器。那么，当驾驶员观看该显示器时，其看到的是呈现在第一图像1中的具体驾驶信息，例如，速度、耗油量或汽车导航信息等来自汽车计算机的数据。同时，位于驾驶员的侧面的、观看同一显示器的乘客将看到第二图像2，例如，所述第二图像2可以涉及电影或Web浏览器屏幕。
根据本发明的实施例的显示装置的另一应用是作为自动立体3D显示器。那么，将分别将第一和第二图像1和2显示给用户的左眼和右眼，而不是将第一图像1显示给驾驶员，将第二图像2显示给乘客。利用自动立体3D显示器意味着3D显示器将不再要求用户佩戴特殊的眼镜等。
为了使这样的效果成为可能，将从第一和第二图像1和2创建合成图像3。这是通过分别以垂直条L1、L2……等以及R1、R2……等划分第一和第二图像1和2实现的。所述条可以具有一个或多个像素的宽度。之后将这些条交叉排列成合成图像3，例如图中所示，其从左至右包括：来自第二图像2的最左侧的部分R1、来自第一图像1的最左侧的部分L1、来自第二图像2的第二靠近左侧的部分R2等。可以通过设置于平面内的包括多个像素的成像层显示这一合成图像3。
所述显示装置还包括用于将来自成像层中的不同像素的光(与第一和第二图像1和2相关)分别投射到左侧和右侧的导光层。
图2示出了根据本发明的第一实施例的具有导光层的显示装置的横截面。那么，所述显示装置包括具有以矩阵的形式布置的多个像素的成像层4。所述显示装置还可以包括背光部件。
所述成像层为液晶显示器，在下文中将对其予以更为详细的说明。因而每一像素至少包括一个LCD单元。将所述像素划分为左侧和右侧图像条L、R、L、R等，每一所述图像条具有一个或多个像素的宽度。与成像层4间隔短距离的导光层5包括多个柱形透镜6，其与所谓的3D明信片非常类似。LC层与透镜之间的距离约等于透镜的焦距。典型的参数可以是：0.9mm的玻璃厚度、0.4mm的透镜曲率半径以及0.3mm的像素间距。但是，在实践当中，所述参数可以在相当大的程度上发生变化，其具体取决于对显示器的要求。
透镜与成像层长条之间的位置关系使得透镜将来自左侧图像条L的光投射到左侧(从用户的角度观看)，将来自右侧图像条的光投射到右侧。
图3示出了根据本发明的备选的第二实施例的导光层。本实施例对应于结合图2描述的第一实施例，除了导光层5′作为替代包括阻挡层7以外，其中，阻挡层7包括多个具有垂直指向的狭缝8的形式的光学元件。阻挡层7的狭缝8与成像层长条之间的位置关系使得来自左侧图像条L的光被透射至左侧，并阻碍其向右侧透射(从用户的角度观看)，反之亦然。图2和图3中的导光层5和5′提供了定向滤光，其主要将来自左侧图像的光投射至左侧，将来自右侧图像的光投射至右侧。
但是，从图2和图3可以看出，平行于或接近平行于LCD单元平面的法线的光可能无法受到这种滤光作用，分别如图2和图3中的光束9和9′所示。因此，在采用具有这样的滤光部件的常规LCD时，在接近上述法线的视角处将感受到在左侧和右侧频道之间存在显著串扰。这表明，例如，在上述机动车应用中，在为机动车驾驶员提供的图像数据的影响下，后座的乘客将也可能看到畸变的，甚至可能无法理解的图像。
采用额外的滤波器或网格栅来降低或消除这种影响似乎也不是不可能的。但是，这是一种复杂的做法，还有可能干扰其他方向的视觉效果。
根据本发明，这一问题是通过向成像层的LCD单元提供某些特性而解决的，而这些特性在大多数常规LCD应用当中都是人们非常不想看到的，即沿对应于接近成像层平面的法线方向的观察方向降低或消除亮度和/或对比度。这表明，在接近法向视角处，例如图3所示的视角10处，不发射或几乎不发射图像信息，这样基本消除了串扰。在某些应用中，显示器可以优选稍微不对称，即，可以不是在沿法线方向而是沿接近于法线的朝右或朝左方向获得最小的对比度。通过适当调整LCD参数可以提供高达5°到10°的偏移，优选在下述第二实施例中对其加以实现。
现在，将描述两种不同的LCD单元实施例，二者均能够提供预期效果。
与常规LCD单元19类似，本发明的实施例中采用的LCD单元包括(如图8的示意性图示所示)由背面和正面基板21和22包围的液晶(LC)材料20以及用于影响LC分子的取向的电极23和24。所述单元还包括背面和正面偏振器25和26以及背面和正面配向层27和28，其作用在于使处于松弛状态的LC材料取得预定的配向方向，所述松弛状态是指未向电极23和24施加电压时的状态。所述单元从背光部件29接收光。可以采用常规方式，即有源模式和无源模式等实现所述单元的寻址(addressing)功能部件，尽管在第二实施例中应当选择特殊的驱动电压。
本说明书中与机动车显示器实例相关的角度定义如下。方位角(azimutal angle)处于从0°经由90°、180°和270°到360°(＝0°)的范围内，其中，0°指向从驾驶员或乘客的角度观察的右侧(3点钟方向)，90°指向汽车的车顶(12点钟方向)，180°指向左侧(9点钟方向)，270°指向车的地板(6点钟方向)。极角处于从0°到90°的范围内，其中，0°沿显示器表面的法线方向指向机动车的后座，90°处于显示器所在的平面内。这些极角和方位角一起在其范围内变动将覆盖显示器的观看侧的所有方向。
在第一实施例中，在第一(背面)和第二(正面)交叉的偏振器之间设置非扭转液晶(LC)层，并通过这样的方式对其配向，即令双折射材料的光轴的取向平行或垂直于所述偏振器。这表明沿LCD单元平面的法线方向将不会施加有赖于电压的光学效果。如果施加电压，可能改变折射率，但是不会改变光的偏振。
但是，在斜角下，光的偏振方向将不会平行于液晶材料的指向矢(director)，沿这样的角度传输的光将受到双折射。因而，抵达正面偏振器的光的偏振将取决于所施加的电压。因此，与远离所述法线的视角相比，所述单元在接近所述法线的视角处所具有的对比度更低。
所实施的模拟表明了这一特点。所采用的LCD参数如下：
    K1(张开(splay)弹性常数)     11.7pN
    K2(扭曲弹性常数)     6.1pN
    K3(弯曲弹性常数)     16.5pN
    ε⊥(垂直介电常数)     3.2
 ε‖(平行介电常数)     10.3
 Δε(＝ε‖-ε⊥＝介电各向异性)     7.1
 d＝(LC层厚度)     6.0μm
 正面指向矢(方位取向)     90.0°
 背面指向矢(方位取向)     90.0°
 扭转角度     0°
 预倾斜角度     5.0°
 no(平行折射率)     1.5
 ne(垂直折射率)     1.5804
 Δn(＝ne-no双折射)     0.0804
 dΔn(延迟)     482.4nm
 色散     0.015
 参考波长     589nm
 偏振器(方位取向)     90°
 检偏器(方位取向)     0°
在该实施例中，背面和正面偏振器是交叉(垂直)的，其表明在偏振不受LC材料影响的方向，即沿法线方向，显示器看起来总是黑的。
在备选实施例中，背面和正面偏振器可以平行。在这种情况下，所述单元沿法线方向看起来是亮的。但是，沿法线方向不发送信号，因为不能使透射率发生变化，因而仍不会发送引起串扰的信号。
图4和图5示出了具有上述表格所列特性的LCD单元的特性。图4示出了在0°/180°的方位视角下，针对不同电压的作为极坐标视角的函数的亮度，更具体地说是心理测验亮度(透射率确定的非线性函数)。从图中可以清晰地看出，在-15°到+15°的间隔内，即围绕显示器法线，电压与亮度的相关性非常低。在图5中也可发现这一点，在图5中，示出了作为不同灰度级(亮度越高，灰度级越浅)的LCD单元的亮度，所述亮度处于零方位角处，其为极坐标视角和所施加的电压的函数。
如图9所示，第一实施例的LCD元件19′的总设计原理如下。采用非扭转LC层20′，具有平行于背面偏振器25′的偏振轴的摩擦(rubbing)方向，并且采用交叉或平行的背面和正面偏振器(检偏器)25′和26′。
第二实施例包括具有低延迟值的扭转向列(TN)LCD单元。这表示在低驱动电压下，只有有限的灰度级调制是可能的。在实践中，如下文所示，在3V电压下，可以沿法线方向获得接近黑色的状态，在更高的电压下几乎也无法取得进一步的调制。但是，在倾斜角下，穿过LC材料的路径更长，偏振轴与LC指向矢之间的平均角度将更大，因而能够取得更大的有效调制，在下面的例子中将对其予以说明。注意，摩擦方向为45°和135°，以确保90°的中间平面LC指向矢取向，而偏振器方向为0°和90°。这在视角方向确保了左侧和右侧的对称性。中间平面LC指向矢是指处于两个基板中间的平面内的LC分子的取向。
对第二实施例的模拟是采用下述参数执行的。
   K1(张开弹性常数)     11.63pN
   K2(扭曲弹性常数)     8.5pN
   K3(弯曲弹性常数)     16.109pN
   ε⊥(垂直介电常数)     3.0
   ε‖(平行介电常数)     8.51
   Δε(＝ε‖-ε⊥＝介电各向异性)     5.51
   d＝(LC层厚度)     2.5μm
   正面指向矢(方位取向)     45.0°
   背面指向矢(方位取向)     135.0°
   扭转角度     90°
   预倾斜角度     2.5°
   no(平行折射率)     1.5
   ne(垂直折射率)     1.6
    Δn(＝ne-no双折射)     0.1
    dΔn(延迟)     250nm
    色散     0.21
    参考波长     520nm
    偏振器(方位取向)     90°
    检偏器(方位取向)     0°
图6和图7示出了具有上述参数的根据本发明的第二实施例的LCD单元的模拟结果。从图中可以看出，可以通过选择适当的驱动电压，例如3-9伏，获得与图4所示类似的角度与对比度的比率。从图7中可以清晰地看到，应当避免低于3V的绝对极小工作电压。
如图10所示的第二实施例的LCD元件19″的总设计原理如下所述。在交叉偏振器25″和26″之间采用90°扭转LC层20″，具有处于90°或270°的方位角的中平面LC指向矢，以确保沿左侧和右侧方向具有对称的观看条件(满足期望的)。采用小有效延迟(优选dΔn＜450nm，更优选＜300nm)，其仅沿光程长度较长的倾斜角提供调制。可以通过提供非常大的预倾角或采用比阈值电压更高的绝对电压(在上述例子中超过3V)实现沿倾斜角的调制。
所描述的两个实施例均具有很多共同的特点，这些特点就是它们按照我们的期望工作的原因。第一个共同的特点是，对于沿法线或接近法线方向(即，极角接近0°)传输的光而言，没有电-光效应，或这一效应非常小，这里的“小”是指与沿斜角传输的被导向左侧/右侧观众的光相比较小。在第一实施例中，其实现手段为，避免LC层中的扭转，使其取向平行于或垂直于背面偏振器，从而在向电极上施加电压并在LC层内诱发倾斜时，仅针对处于倾斜角内的光线改变穿越LC层的光的偏振。对于这些倾斜光线而言，将经受作为“倾斜”和“方位重取向”的混合作用的“纯倾斜”，但对于被导向法向的光线则不然。
在第二实施例中，通过确保平均方位指向矢取向也平行于所述偏振器并且独立于驱动电压而得到相同的效果。这是通过在两基板处选择一定的LC指向矢取向实现的，所述指向矢取向彼此相对，并且相对于偏振器取向对称，例如从+45°到+135°。
两实施例共有的第二点是，两者均采用其值处于某一范围内的电压驱动，所述范围使得对于接近法线方向的光线不会产生与电压相关的电-光效应。就第一实施例而言，所有的电压值都是允许的，因为这是一个特例，其中，LC分子在方位上总是采取平行于偏振器的取向。就第二实施例而言，存在一个潜在的问题：LC层的下半部分具有处于45°到90°的范围内的方位取向，而LC层的上半部分则具有处于90°到135°的范围内的方位取向。尽管平均起来，可以将整个LC层看作具有90°的方位取向，但是可以通过向LC层施加极小绝对电压而使这一平均效果更为精确，以便诱发比任何预倾斜都大得多的默认非零倾斜值。在所描述的例子中，本发明人发现，对于所指定的LC而言，至少3V的电压给出了令人满意的结果。因此，驱动电压应当处于3到10V的范围内，而不是通常的0到5V的范围内。当然，这一所需的极小电压的精确值取决于LC材料参数，尤其是弹性常数和粘滞度。
总之，本发明涉及一种显示装置，其用于在显示器前的不同角度区域内显示不同的图像，即，对右侧显示第一图像，对左侧显示第二图像。因此，所述显示装置包括成像层和导光层，例如，所述导光层可以包括柱形透镜。为了避免在不同区域相交的位置附近产生串扰，所述成像层包括的液晶单元在接近所述成像层的法线方向处具有低对比度和/或亮度。这样基本消除了两种显示图像之间的串扰。
本发明不限于所述的实施例。在所附权利要求的范围内，可以以不同的方式对其做出改变。

Claims (12)

1.一种显示装置，其包括具有设置于平面内的多个像素的成像层(4)和包括多个光学元件(6，8)的导光层(5)，所述导光层用于将来自所述成像层(4)中的不同像素的光分别朝向左侧和右侧投射，所述左侧和右侧是从处于所述平面的法线上或接近其法线的中间方向看到的，其中，每一像素均包括LCD元件(19′，19″)，所述LCD元件被设置为在接近所述中间方向的视角处比在远离所述中间方向的视角处具有更低的对比度和/或亮度。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述LCD元件(19′)为非扭转液晶单元，其具有带有平行的摩擦方向的背面和正面配向层(27，28)。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其中，所述LCD元件(19′)是位于交叉的背面和正面偏振器(25′，26′)之间的非扭转液晶单元(20′)。
4.根据权利要求2所述的显示装置，其中，所述LCD元件是位于平行的背面和正面偏振器之间的非扭转液晶单元。
5.根据权利要求2到4中的任何一项所述的显示装置，其中，所述背面配向层(27)的摩擦方向平行于所述背面偏振器(25′)的偏振方向。
6.根据权利要求2到4中的任何一项所述的显示装置，其中，所述背面配向层(27)的摩擦方向垂直于所述背面偏振器(25′)的偏振方向。
7.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述LCD元件(19″)是扭转液晶单元(20″)，其沿所述中间方向具有小于450nm的延迟值(dΔn)。
8.根据权利要求7所述的显示装置，其中，从用户的角度来看，所述液晶单元(20″)的液晶材料的中间平面指向矢是垂直的。
9.根据权利要求7或8所述的显示装置，其中，以大于0V的极小绝对驱动电压驱动所述LCD单元。
10.根据权利要求1到9中的任何一项所述的显示装置，其中，所述光学元件包括柱形透镜(6)。
11.根据权利要求1到9中的任何一项所述的显示装置，其中，所述光学元件包括处于阻挡层(7)内的垂直狭缝(8)。
12.根据权利要求1到11中的任何一项所述的显示装置，其中，所述中间方向与所述成像层(4)的法线一致。
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