CN101065702B - 显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有沿主方向延伸的圆柱透镜的双折射透镜系统的显示器。由LC层调制的光的偏振被旋转器层(25’)扭曲，以和主方向垂直或平行。使用双折射补偿层(26)来去除任何由旋转器层(25’)造成的椭圆性。在显示设备用作例如可切换2D/3D显示器时，这提供了改进的对比度。

Description

显示装置
技术领域
本发明涉及一种显示装置，包括：可控制LC(液晶)层、双折射透镜层的，所述双折射透镜层包括：在主方向延伸的多个柱面透镜；旋转器层，该旋转器层提供偏振扭曲，用于旋转从所述LC层接收的光线的偏振方向，使得该偏振方向和所述主方向平行或者垂直，所述透镜层根据所述光线的偏振方向而对其进行不同的折射；以及可切换双折射层，所述可切换双折射层从所述透镜层接收光线并对这些光线提供可变化量的偏振扭曲，以为所述双折射透镜层选择操作模式。
背景技术
这种设备在WO，A2，03/015424中公开，其产生可在2D模式和3D模式之间切换的显示器。旋转器层可用于适应可购买的可控制LC层，这种可控制LC层通常和透镜层的主方向成45°或者135°方位角，透镜层的主方向在用户看来是垂直的(方位角90+/-10°)。
这种设备的一个问题是，2D模式或者3D模式对比度对许多应用而言是不够的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种前述的显示装置，无论使用透镜层的何种操作模式，这种装置都可以实现良好的对比度特性。
该目的由根据本发明实施例的显示装置实现。
具体而言，所述显示装置包括：可控制LC层；双折射透镜层；和设置在可控制LC层与双折射透镜层之间的旋转器层，其中该双折射透镜层包括：在主方向延伸的多个柱面透镜，该旋转器层提供偏振扭曲，用于旋转从所述LC层接收的光线的偏振方向，使得所述偏振方向和所述主方向平行或者垂直，所述透镜层根据所述光线的偏振方向而对其进行不同的折射；以及可切换双折射层，该可切换双折射层从所述透镜层接收光线并对这些光线提供可变化量的偏振扭曲，以为所述双折射透镜层选择操作模式，其中，双折射补偿层放置在所述双折射透镜层和所述可切换双折射层之间，所述双折射补偿层提供和所述旋转器层的偏振扭曲相比，变化量基本上相等而方向相反的偏振扭曲。
所增加的双折射补偿层提供和所述旋转器层相比方向相反的扭曲，并且已表明，其对由所述旋转器引入的任何椭圆率进行补偿，使得这两层结合在一起为所述显示器提供了实质上改进的对比度。
可以通过使所述双折射补偿层的延迟值基本上等于所述旋转器层的延迟值实现该效果。
优选地，所述双折射补偿层的偏振扭曲量与所述旋转器层的偏振扭曲量基本上相等，而方向相反。
优选地，所述双折射补偿层的后光轴垂直于所述旋转器层的前光轴。
在优选实施例中，可切换双折射层的延迟值也基本上等于LC层的延迟值。这也提供改进的对比度效果。
可切换双折射层的偏振扭曲量也可以和LC层的偏振扭曲量基本上相等，而方向相反。
可切换双折射层的后光轴也可以垂直于LC层的前光轴。
在一个实施例中，可切换双折射层可具有多个分别可控制的子区域。这样可以支持混合显示模式，其中显示器的一部分为2D模式，另一部分为3D模式。
所述显示装置可用作可切换2D-3D显示器。那么，主方向在用户看来近似垂直。
本发明的这些和其他发明将通过下文参考附图进行的描述而变得清楚易懂。
附图说明
图1示出了用于自动立体显示的复合图像的产生。
图2示出了将该图像的图像信息投影到用户的左眼和右眼的结构。
图3示出了双折射透镜的工作原理。
图4简要示出了根据在先技术的可切换2D/3D显示器。
图5示出了图4的显示器的仿真对比度特性。
图6简要示出了根据本发明实施例的可切换2D/3D显示器。
图7示出了图6的显示器的仿真对比度特性。
具体实施方式
图1和图2简要示出了获得自动立体图像的概念。自动立体图像意指不使用特殊眼镜，用户看起来就是三维的图像。
参考图1，第一图像1希望显示给用户的左眼，第二图像2期望显示给用户的右眼。这些图像可以通过例如用两个偏移摄像机向人眼那样地对物体拍照。当然，也可以用其他多种方法获得这种图像。
通过顺序交织第一和第二图像1、2的竖条L1、L2等、R1、R2等(从左至右：第二图像的最左侧的条，第一图像的最左侧的条，第二图像的最左侧第二条等)，可以从第一和第二图像1、2获得复合图像3。复合图像可以使用液晶显示器(LCD)显示。
图2示出了向用户的眼睛6、7投影由液晶显示屏4显示的这种复合图像的结构。该结构包括透镜层5，该透镜层5包括多个并排的圆柱平凸镜。每个透镜覆盖显示的复合图像的两条R、L，并且将来自条R的光投影到用户的右眼6并将来自条L的光投影到用户的左眼7。这和所谓的“3维明信片”中使用的概念很像，其中复合图像印刷在纸上，透镜层包括模制的塑料薄片。
图3以截面概要示出了本发明的实施例中可以使用的双折射透镜10的工作原理。透镜10包括第一和第二透明材料11、12。第一材料11是各向同性的，这意味着无论通过该材料的光的偏振方向如何，其折射率n1是相同的。相反，第二材料12是双折射的，对于纸平面内的第一偏振方向13的光，该材料具有第一折射率n2，对于和纸平面垂直的第二偏振方向14，该材料具有第一折射率n3。或者，第一材料11是双折射的，第二材料12是各向同性的。第一和第二材料11、12之间的界面15是弯曲表面，这样第一材料11自身包括圆柱平凸镜。
假定n1＝n2且n1＞n3，具有偏振方向13的通过该透镜的偏振光线16在通过界面15之前和之后经历相同的折射率，因此不会被折射。然而，如图3所示，具有偏振方向14的偏振光线17会被折射，因为界面15之前和之后的折射率不同。因此，通过改变光的偏振方向，可以选择透镜10是起作用的还是不起作用的。或者，透镜可以构建成n1＝n2且n1＜n3。
图4简要示出根据在先技术的2D/3D显示器。显示器包括下面几层。后起偏振器20，其将来自背光结构(未示出)的光偏振成45°的方位角。该光由具有多个象素的扭曲向列型TFT(薄膜晶体管)LC(液晶)层21调制，该液晶层可以对通过其中的光施加90°的偏振扭曲。
来自TFT-LC层21的光通过透镜层22，透镜层22根据前面结合图3讨论的原理工作，包括大量的方位方向为90°的圆柱透镜，即，在用户看来是垂直的。透镜层22后面是可切换的双折射层23，该双折射层23可以在将入射光偏振90°和0°之间切换。该层可以设计为扭曲向列层，即，具有第一和第二透明电极，每个电极覆盖大部分的层表面。扭曲的量随着施加在电极之间的变化的控制电压Vc而改变。
实质上，透镜层22为一个偏振方向提供和图2中的透镜层5相似的透镜功能，而不为另外的方向提供此功能。可切换双折射层23可以将显示器从正常发光(+90°扭曲)切换到正常黑色模式(blackmode)(0°)。这样，在2D模式，可切换双折射层23可以例如提供90°扭曲，因而使前起偏振器(分析仪)24阻挡由透镜层22折射的光。在3D模式，可切换双折射层23可以提供0°扭曲，因而使得由透镜层22折射的光被起偏振器24阻挡。
根据本发明的一个实施例，可以提供这样的具有两个或多个单独的可控制子区域(每个由施加在单独的电极间的单独电压控制)的可切换双折射层23。这允许使用混合模式，其中显示器的一部分，例如上半部分作为2D显示器，而其他部分，例如下部分，同时作为3D显示器。
请注意，TFT LC层应该接收和2D模式相比处于3D模式的反转信号，因为在这些模式之一，显示器是正常的黑色，而在另一个模式，其是正常发光的。哪个模式是正常发光的以及哪个是正常黑色的取决于透镜层22的双折射材料的方向。
如果在可切换双折射层23使用混合模式，这当然也用于TFT LC层。
透镜层22的透镜位于垂直方向，因此，在黑色和白色象素的情况下，到达透镜层中各向同性和各向异性材料之间的界面的光应该在方位方向0°或者90°偏振。对于灰度级，不同的偏振状态是可能的。因为大多数可用的TFT LC层21位于45°或者135°，在TFT LC层21和透镜层22之间提供旋转器层25。
然而，引入该旋转器层25在正常黑色模式和正常发光模式都造成下降的对比度。
这一现象的原因是，如旋转器的扭曲的双折射结构的导波在可见光谱上不能是完全理想的。根据Gooch-Tarry最大值获得良好的旋转器：
Figure GC20016106200580040177301D00051
其中，N＝1，2，3，4...，λ是波长，Δn是双折射，d是双折射材料厚度，是扭曲角。显而易见的是，该条件只有在一个波长的情况下才能满足。通常选择λ＝550nm，dΔn/λ的值越小，对其他可见波长，越好地满足该条件，黑色和发光状态对波长的依赖越小。
因而，在图4所示结构的仿真中，为旋转器层25选择N＝1(45°扭曲)，为TFT LC层21和可切换双折射层23选择N＝2(都为90°扭曲)。
对于正常发光模式(模式1)和正常黑色模式(模式2)，在发光和黑色状态所得的透射(乘以眼睛的敏感度函数)如图5所示。
正常发光模式的对比度很好，约为CR＝1000，但是正常黑色模式的对比度只有CR＝50。如前所述，哪个模式用于2D哪个模式用于3D可以任意选择。
图6简要示出了根据本发明实施例的2D/3D显示器。将图4的显示设备修改成包括双折射补偿层26。此外，和图4的旋转器25相比，旋转器层25’将透射光的偏振在相反方向扭曲，尽管该变化不是必需的。可切换双折射层23’和前起偏振器24’的偏振方向也可以相应改变。双折射补偿层26可以对由旋转器层25所引起的任何不理想偏振扭曲进行补偿。这意味着对于偏振由于旋转器层25’的不完美旋转而变成椭圆形的任何波长，该椭圆特性被补偿层去除，这是因为整体而言，对于两层25’、26的等效双折射效果是零。就是说，在图6的实施例中，由于总折射是0°，两层的延迟值dΔn相同，双折射补偿层26的后光轴垂直于旋转层25的前光轴(如图6所示，分别为水平和垂直的)。
这可用通过忽略透镜自身而将旋转层25、26分成细段实现。然后，可以去除双折射补偿层26和旋转器层25的光学上邻近的薄单轴段，因为它们的效果相互抵消。可以这样做，直到补偿层26和旋转器层25被完全去除。
总体的发明构思可以表述为：提供双折射补偿层26，其具有和所述旋转器层25的偏振变化相比，变化量基本上相等而方向相反的偏振变化，并且优选地具有近似相同的波长依赖性。
这在很大程度上可以通过使双折射补偿层26的延迟值(dΔn)基本上等于旋转器层25的延迟值实现。
优选地，还使双折射补偿层26的偏振扭曲与旋转器层25的偏振扭曲在量上基本相等，而方向相反。
优选地，还使双折射补偿层26的后光轴垂直于旋转器层25的前光轴而设置。
这三种措施的每一个都提供实质上改进的对比度，但是优选地，三种措施都采用。
在优选实施例中，相同的总体概念可用于包括LC层21和可切换双折射层23’的一对层。
因此，优选地，可切换双折射层23’的延迟值可以基本上等于LC层21的延迟值。此外，可切换双折射层23’的偏振扭曲量可以基本上等于LC层21的偏振扭曲量，而偏振扭曲方向相反。最后，可切换双折射层23’的后(朝向背光结构)光轴可以垂直于LC层21的前(朝向用户)光轴。
在图6的实施例中，优选地，为旋转器层25选择N＝1(对于λ＝550nm)
Figure GC20016106200580040177301D00071
为TFT LC层21和可切换双折射层23’选择N＝2
Figure GC20016106200580040177301D00072
这样，根据Gooch-Tarry最大值，为每一层确定d(层厚度)和Δn(LC材料的双折射)之间的关系。
图7示出了图6的显示器的仿真对比度特性。如图7所示，现在对比度非常好，而且在两种模式对比度相同(图形重合)。
本发明不限于上述实施例，其可以在所附权利要求的范围内变化。
例如，即便参照可切换2D-3D显示器描述了本发明，其中不同的内容可以分别显示在用户的左眼和右眼上，该显示器同样可用作通常的可切换双视点/单视点显示器。那么，不是向用户的左眼和右眼显示第一和第二图像，而是在第一和第二用户的方向显示第一和第二图像。然后，例如，汽车驾驶员在观看显示器时，可以看到行驶相关的信息，例如导航信息，而乘客在观看同一显示器时，可以看电影。
总而言之，本发明涉及具有沿主方向延伸的圆柱透镜的双折射透镜系统的显示器。由LC层调制的光的偏振被旋转器层扭曲，以和主方向垂直或平行。使用双折射补偿层来去除任何由旋转器层造成的椭圆性。在显示设备用作例如可切换2D/3D显示器时，这提供了改进的对比度。

Claims (5)

1.一种显示装置，包括：
-可控制LC层(21)，
-双折射透镜层(22)，
-旋转器层(25’)，设置在可控制LC层(21)与双折射透镜层(22)之间，
其中该双折射透镜层(22)包括：在主方向延伸的多个柱面透镜，所述旋转器层(25’)提供偏振扭曲，用于旋转从所述LC层(21)接收的光线的偏振方向，使得所述偏振方向和所述主方向平行或者垂直，所述双折射透镜层(22)根据所述光线的偏振方向而对其进行不同的折射，以及
-可切换双折射层(23’)，该可切换双折射层(23’)从所述双折射透镜层(22)接收光线并对这些光线提供可变化量的偏振扭曲，以为所述双折射透镜层(22)选择操作模式，
其中，双折射补偿层(26)放置在所述双折射透镜层(22)和所述可切换双折射层(23’)之间，所述双折射补偿层(26)提供的偏振扭曲和所述旋转器层(25’)的偏振扭曲相比，变化量基本上相等而方向相反。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述双折射补偿层(26)的延迟值基本上等于所述旋转器层(25’)的延迟值。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的显示装置，其中所述可切换双折射层(23’)的延迟值基本上等于所述LC层(21)的延迟值。
4.根据权利要求1-2中任意一项所述的显示装置，其中所述可切换双折射层(23’)的偏振扭曲的扭曲量基本上等于所述LC层(21)的偏振扭曲的扭曲量，但是方向相反。
5.根据权利要求1-2中任意一项所述的显示装置，其中所述可切换双折射层(23’)具有多个分别可控制的子区域。
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