CN101261369A - 可转换自动立体显示装置 - Google Patents

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CN101261369A CNA2008100075553A CN200810007555A CN101261369A CN 101261369 A CN101261369 A CN 101261369A CN A2008100075553 A CNA2008100075553 A CN A2008100075553A CN 200810007555 A CN200810007555 A CN 200810007555A CN 101261369 A CN101261369 A CN 101261369A
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Abstract

本发明公开了一种可转换自动立体显示装置，包括提供图像光源的装置、偏振光转换装置和透镜组件；提供图像光源的装置用于提供图像的线性偏振光光源；所述偏振光转换装置，用于可控制的把入射的所述线性偏振光光源不旋转直接透射或旋转成与入射时的偏振方向垂直的偏振光，出射的光入射到所述透镜组件；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，该组合透镜对所述偏振光转换装置旋转后或不旋转的两种偏振光中其中一种表现为凸透镜，对另一种表现为平透镜。本发明的上述方案易于实现，转换时间短质量高。

Description

可转换自动立体显示装置
技术领域
本发明涉及立体显示技术领域，尤其涉及一种2D-3D可转换自动立体显示装置。
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。自动式立体显示装置一般有两种方式：狭缝光栅式自动立体显示装置和微透镜阵列自动立体显示装置。其中微透镜阵列自动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。
传统微透镜阵列式自动立体显示装置，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US6069650、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ne，且ne不等于微透镜材料的折射率np，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no，此时no等于微透镜材料折射率np，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。
由于微透镜阵列精度要求非常高，且为非平整表面，因此这种在微透镜阵列表面镀导电薄层或梯度电极层的工艺非常困难，而且镀完导电薄层后难以保证的微透镜阵列的精度；且电压施加在微透镜阵和透明平面板之间的导电薄层上，形成电场，此电场的间距大，在供电电压相同的情况下电场强度很小，微透镜阵列和透明板间的液晶指向矢趋向电场排布的时间和撤消电场时液晶指向矢回到原先取向位置的时间非常长，从而导致该装置在2D-3D之间转换的响应时间非常长，令观众眼睛产生不适感。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新结构、新原理的自动立体显示装置来实现2D-3D之间的自动转换，该装置工艺要求简单，易于实现，透镜组件更精确，转换响应时间短，实现低成本、高质量的2D-3D转换效果。
本发明目的通过下述技术方案来实现：本发明提供一种可转换自动立体显示装置，包括：提供图像光源的装置，还包括偏振光转换装置和透镜组件；
所述提供图像光源的装置，用于提供图像的线性偏振光光源；
所述偏振光转换装置，用于可控制的把入射的所述线性偏振光不旋转直接透射或旋转成与入射时的偏振方向垂直的偏振光，出射的光入射到所述透镜组件；
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，该组合透镜对所述偏振光转换装置旋转后或不旋转的两种偏振光中其中一种表现为凸透镜，对另一种表现为平透镜。
所述单折射率透镜可以为凸透镜，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。
所述双折射率透镜为可以凸透镜，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。
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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率no并大于所述非寻常光折射率ne。
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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率ne并大于所述寻常光折射率no。
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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率no并小于所述非寻常光折射率ne。
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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率ne并小于所述寻常光折射率no。
所述偏振光转换装置包括：两块内侧附有导电物质薄层的透明板，所述两块导电物质薄层上均涂覆有取向层，两块取向层取向方向相互垂直，在两取向层间具有扭曲的向列相液晶，当两块导电物质薄层不加电时，入射的线性偏振光通过该偏振光转换装置后偏振方向旋转至与入射时的偏振方向垂直，加电时，入射的线性偏振光不发生旋转。
所述提供图像光源的装置包括能提供线性偏振光的显示面板。
所述提供图像光源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偏振光转换装置之间，将所述显示面板发出的非线性偏振光转化为线性偏振光。
所述双折射率透镜包括具有双折射性的材料，所述双折射性的材料为液晶材料。
利用本发明提供的上述立体显示装置，可以低成本、高质量的实现2D-3D的转换。
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为本发明原理的实施例(1)的可转换自动立体显示装置的总体示意图；
图4A和图4B为本发明的实施例(1)的可转换自动立体显示装置的两种情况下的结构原理图；
图5A和图5B为本发明的实施例(2)的可转换自动立体显示装置的两种情况下的结构原理图；
图6为本发明原理的示例性实施例(3)的可转换自动立体显示装置总体示意图；
图7A和图7B为本发明的实施例(3)中的可转换自动立体显示装置的两种情况下的结构原理图；
图8A和图8B为本发明的一个示例性实施例(4)中的可转换自动立体显示装置的两种情况下的结构原理图；
具体实施方式
图3示意性的表示出本发明的示例性实施例(1)的可转换自动立体显示装置结构，可转换自动立体显示装置包括：提供图像的显示面板10，负责在2D情况下将由显示面板10提供的光线振动方向旋转90度、在3D情况下不改变由显示面板10提供的光线振动方向的偏振光转换装置，以及由单折射率透镜和双折射率透镜构成的透镜组件，主要作用为在2D模式中透射提供的图像、3D模式中将入射的图像分成右眼图像和左眼图像。所述偏振光转换装置结构与一般TN型液晶盒相似，由两片ITO玻璃11a，11b、取向层12a，12b、内部充满向列相液晶13封装构成，电源通过电极17a和17b连接到ITO玻璃11a，11b上，两取向层分子取向垂直九十度。因这种工艺成熟，故不多做赘述，值得提出的是当显示面板10的出射光为非线性偏振光时需在显示面板前加一片偏光片，使入射在偏振光转换装置的光为线性偏振光，不加电的情况下，该线性偏振光的偏振方向与取向层12a表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90度，平行于取向层12b表面分子轴方向射出。如果显示面板10的出射光为线性偏振光，则无需设置此偏振片，且本发明的各种结构器件均适用此条件。透镜组件的结构由单折射率凸透镜14，双折射率凹透镜15以及玻璃基板16组成。本发明中的凸透镜或凹透镜其实均由多个微小透镜构成，也可以称之为透镜阵列。其中单折射率凸透镜14的折射率为n1，双折射率凹透镜15的寻常光折射率为no，非寻常光折射率为ne，且n1＝no，n1＞ne。其中单折射透镜材料可为高分子聚合物或其他透明硬质材料，双折射透镜的材料可以选择负性向列相液晶，或胆甾相液晶或方解石；如果是液晶，可以在液态状态下填充进入由单折射率透镜14和玻璃片16所构成的空间内。在玻璃片16表面施加取向层12c(在后面的其它实施例中取向层12c与玻璃片16可不相邻)和在单折射凸透镜14表面经过取向处理使得液晶排列方向与显示设备出射的偏振光的偏振方向相同。当然，可以根据偏振光转换装置的设定而灵活设定，这里只是一个特例。其它详情后面有描述。
图4a和图4b以更多的细节表示了偏振光转换装置和透镜组件在施加电压前后的光路图。
图4a所示为施加电压前的光路图，入射偏振光的振动方向与取向层12a表面的取向方向相同，由于偏振光转换装置的内部液晶能将入射的偏振光旋转90度，偏振光经过偏振光转换装置后振动方向被旋转90度入射到透镜组件，此时偏振方向与凹透镜15的液晶排列方向垂直，因此折射率为no，根据所选材料单折射凸透镜14的折射率n1＝no，即此时单折射凸透镜14的折射率与液晶凹透镜15的折射率相同，所以在两种材料界面处不发生折射，光线直线通过。这种情况下，所述裸眼式立体显示装置即为2D模式。
当偏振光转换装置被施加电压时，如图4b所示，当偏振光转换装置加电时，液晶排列方向全部顺电场方向排列，偏振光通过时，不会改变偏振方向而入射到凹透镜15，此时偏振方向与凹透镜15的液晶排列方向平行，凹透镜15的折射率为ne，根据欲选的材料，单折射凸透镜14的折射率n1＞ne，即此时单折射凸透镜14的折射率大于液晶所形成的凹透镜15折射率，因此组合透镜的光学效果仍为凸透镜，所以光线经过时会发生折射。这种情况下，所述裸眼式立体显示装置可以将两幅图像分别显示在人眼的左眼和右眼，使人眼看到的是3D立体图像，即裸眼式立体显示装置运行在3D模式中。
事实上，本实施例中单折射率凸透镜14与双折射率凹透镜15在组合形态上可以稍作变化，将凹透镜15和凸透镜14的组合旋转180度。使得凹透镜的平面部分正对着光线的入射部分，凸透镜14的凸面部分为光线入射的方向。当入射到组合透镜的光线的偏振方向平行于双折射率液晶的排列方向时，折射率为ne，单折射凸透镜14的折射率n1＞ne，故组合透镜仍然表现为凸透镜，使入射的光线发生折射，此时裸眼式立体显示装置运行在3D模式中。
并且，如果入射到偏振光转换装置的偏振光的偏振方向为垂直于双折射率液晶的排列方向，则，这个控制过程相反，即：偏振光转换装置不加电时，该裸眼式立体显示装置运行在3D模式中；加电时，为2D模式显示。当然，无论入射到偏振光转换装置的偏振光是什么方向，该偏振光转换装置的入射端的液晶排列方向与偏振方向相同，使得偏振光能够被旋转90度，而且只要能够控制旋转和不旋转90度的装置都能够配合组合透镜实现本发明的目的。
实例(2)(3)(4)与实例(1)结构原理基本相似，只是根据所选液晶15材料的特性不同，而设计出不同的取向排列或组合透镜结构的有所差异。
施例(2)：图5a和5b表示出本发明的示例性实施例(2)的可转换自动立体显示装置结构，与实例(1)相比，区别在于所选用液晶凹透镜15为光学正性液晶(ne＞no)，如正性向列相液晶，并且，双折射率凹透镜15的液晶分子排列方向与显示器出射的偏振光振动方向垂直。且单折射率凸透镜的折射率n1＝ne、n1＞no。当偏振光转换装置不加电压时，入射的偏振光被旋转90度后平行穿过单折射率凸透镜14，进入单折射率凸透镜14的光线的偏振方向与双折射率凹透镜15液晶排列方向(光轴方向)平行，此时该入射光的折射率为非寻常光的折射率ne，由于n1＝ne，此时不发生折射；即裸眼式立体显示装置运行在2D模式中。
当偏振光转换装置施加电压时，向列相液晶13的光轴平行于电场方向，入射的偏振光不会发生旋转，直接入射到单折射率透镜14中，此时入射到单折射率透镜14中的光线偏振方向垂直于双折射凹透镜15的液晶排列方向，此时折射率为寻常光的折射率no，由n1＞no，此时发生折射，这种情况下，所述裸眼式立体显示装置将两幅图像分别显示在人眼的左眼和右眼，使人眼看到的是3D立体图像，即裸眼式立体显示装置运行在3D模式中。
本实施例中单折射率凸透镜14与双折射率凹透镜15在组合形态上同样可以稍作变化，将凹透镜15和凸透镜14的组合旋转180度。使得凹透镜的平面部分正对着光线的入射部分，凸透镜14的凸面部分为光线入射的方向。当入射到组合透镜的光线的偏振方向垂直于双折射率液晶的排列方向时，折射率为no，单折射凸透镜14的折射率n1＞no，故组合透镜仍然表现为凸透镜，使入射的光线发生折射，此时裸眼式立体显示装置运行在3D模式中。入射光线反之则为2D显示。
实施例(3)：图6为该实施例的总体效果图；图7a和7b表示出本发明的实施例(3)中的可转换自动立体显示装置的两种情况下的结构原理图，本装置中，透镜组件包括凸透镜17，和凹透镜18，凸透镜17采用双折射率材料，通常选用液晶，本实施例中选用光学正性液晶，折射率分别为no和ne，凹透镜18采用单折射率材料，折射率为n1，且n1＝no，ne＞n1。偏振光转换装置与前面实施例中所述相同，用于在不加电的情况下将偏振光旋转90度；透镜组合中，单折射率的凹透镜18，凹透镜背面(平面)与玻璃基板16紧密相贴，凸透镜17的背面有取向层12c，紧贴ITO玻片11b，其原理与之前所述实例相似。如图7a，7b，并且凸透镜17中的液晶的取向方向与显示器入射偏振方向相同。
当偏振光转换装置不加电压时，如图7a所示，偏振方向平行于凸透镜17的液晶排列方向的光线经偏振光转换装置旋转90度，呈与凸透镜17的液晶排列方向垂直的偏振方向，此时凹透镜18的折射率为no，由于凹透镜18的折射率n1＝no，所以光线穿过凸透镜17进入凹透镜18后不发生折射；此时，表现为2D显示。
当偏振光转换装置加电压时，如图7b所示，光线穿过偏振光转换装置后，偏振方向不变，偏振光线呈与凸透镜17的液晶平行的偏振方向入射到凹透镜18，此时凸透镜17的折射率为ne，由于ne＞n1，所以透镜组件的光学效果仍为凸透镜，偏振光线穿过凸透镜17进入凹透镜18后会发生折射，此时裸眼式立体显示装置表现为3D显示。
而且本实施例中双折射率凸透镜17与单射率凹透镜18在组合形态上同样可以稍作变化，将凹透镜18和凸透镜17的组合旋转180度。使得凹透镜的平面部分正对着光线的入射部分，凸透镜17的凸面部分为光线入射的方向。当入射到组合透镜的光线的偏振方向平行于双折射率液晶的排列方向时，折射率为ne，双折射凸透镜17的折射率ne＞n1，故组合透镜仍然表现为凸透镜，使入射的光线发生折射，此时裸眼式立体显示装置运行在3D模式中。入射光线的偏振方向反之则为2D显示。
实施例(4)：与实例(3)同理，如图8a所示，与实施例(4)的不同之处在于所选用凸透镜17的液晶为光学负性液晶，即no＞ne，且使单折射率凹透镜18的折射率n1＝ne，此时入射到偏振光转换装置的偏振光的偏振方向与凸透镜17的液晶排列方向垂直。
当不加电时，如图8a，入射光线经过偏振光转换装置后被旋转90度，变成与凸透镜17的液晶排列方向平行的方向，此时凸透镜17的液晶的折射率为ne，由于n1＝ne，透镜组件无折射作用，此时裸眼式立体显示装置表现为2D显示。
当加电时，如图8b，通过偏振光旋转装置的偏振光不会被旋转，进入凸透镜17的光线的偏振方向与液晶排列方向垂直，此时凸透镜17的液晶折射率为no，由于no＞n1，透镜组件的光学效果为凸透镜，该偏振光线经过时会发生折射，聚焦于凸透镜17和凹透镜18的组合透镜的焦点，此时裸眼式立体显示装置表现为3D显示。
本实施例中双折射率凸透镜17与单射率凹透镜18在组合形态上同样可以稍作变化，将凹透镜18和凸透镜17的组合旋转180度，使得凹透镜的平面部分正对着光线的入射部分，凸透镜17的凸面部分为光线入射的方向。当入射到组合透镜的光线的偏振方向垂直于双折射率液晶的排列方向时，折射率为no，双折射凸透镜17的折射率no＞n1，故组合透镜仍然表现为凸透镜，使入射的光线发生折射，此时裸眼式立体显示装置运行在3D模式中。入射光线的偏振方向反之则为2D显示。
由上述四个实施例可知，透镜组件中，有三种折射率no、ne和n1，三种折射率中必须有两个相等，很显然no和ne不能相等，也就是n1要么等于ne，要么等于no，如果n1大于与它不相等的那个双折射率中一个折射率，则n1所对应的单折射率透镜必须为凸透镜；反之，no和ne所对应的双折射率透镜必须为凸透镜。对于两个透镜的物理位置可以前后调换，都可以达到本发明的目的。而对于偏振光转换装置来说，很明显，只要从该装置出来的偏振光在控制条件下有两种形态就行，一种是出来的偏振光垂直于双折射率透镜的液晶排列方向，另一种是平行于双折射率透镜的液晶排列方向。至于旋转多少度不是必要限制，如果能够旋转270度，则与旋转90度的效果相同。透镜组件中的其它辅助材料如玻璃基板等并非必要结构，对本发明的方案不起主要作用，有无均不构成影响本发明的实施，这些技术手段本领域普通技术人员均可以灵活调整进行组合，以实现本发明的目的。
本实施例中采用的图像光源为显示面板，但是并非限于显示面板，可以采用投影设备，例如在投影设备的前方采用凸透镜，将影像变为平行光线，如果投影设备发射的光为偏振光，这可以直接入射到相应的偏振光转换装置；如果投影设备发射的光为非偏振光，则需在入射到偏振光转换装置之前用一个偏振片或类似装置将非偏振光转为偏振光，偏振方向的设定与偏振光转换装置和透镜组件中的液晶排列方向相应。当然还可以选择现有技术中的其它方式提供光源。附图中的电源和开关是示意性的，可以采用逻辑电路供电。本领域技术人员可以灵活选择和设定相应的光路，这里就不再一一赘述。
利用本发明的上述方案，可以很容易实现2D到3D的转换。而且转换速度快，完全不会影响视觉上的不适。
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 (10)

1. 一种可转换自动立体显示装置，包括：提供图像光源的装置，其特征在于，还包括偏振光转换装置和透镜组件；
所述提供图像光源的装置，用于提供图像的线性偏振光光源；
所述偏振光转换装置，用于可控制的把入射的所述线性偏振光光源不旋转直接透射或旋转成与入射时的偏振方向垂直的偏振光，出射的光入射到所述透镜组件；
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，该组合透镜对所述偏振光转换装置旋转后或不旋转的两种偏振光中其中一种表现为凸透镜，对另一种表现为平透镜。
2. 根据权利要求1所述的一种可转换自动立体显示装置，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所述的一种可转换自动立体显示装置，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所述的一种可转换自动立体显示装置，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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率no并大于所述非寻常光折射率ne。
5. 根据权利要求2所述的一种可转换自动立体显示装置，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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率ne并大于所述寻常光折射率no。
6. 根据权利要求3所述的一种可转换自动立体显示装置，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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述寻常光折射率no并小于所述非寻常光折射率ne。
7. 根据权利要求3所述的一种可转换自动立体显示装置，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no和相对于非寻常光的非寻常光折射率ne，所述单折射率透镜的折射率等于所述非寻常光折射率ne并小于所述寻常光折射率no。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的一种可转换自动立体显示装置，其特征在于，所述偏振光转换装置包括：两块内侧附有导电物质薄层的透明板，所述两块导电物质薄层上均涂覆有取向层，两块取向层取向方向相互垂直，在两取向层间具有扭曲的向列相液晶，当两块导电物质薄层不加电时，入射的线性偏振光通过该偏振光转换装置后偏振方向旋转至与入射时的偏振方向垂直，加电时，入射的线性偏振光不发生旋转。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的一种可转换自动立体显示装置，其特征在于，所述提供图像光源的装置包括能提供线性偏振光的显示面板。
10. 根据权利要求1至7中任一项所述的一种可转换自动立体显示装置，其特征在于，所述提供图像光源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偏振光转换装置之间，将所述显示面板发出的非线性偏振光转化为线性偏振光。
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