CN101271199A - 高效二维/三维可转换显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效二维/三维可转换显示设备，该设备包括：光源单元；第一反射偏振器，其在由光源单元出射的光束中反射第一偏振光束并传输正交于第一偏振光束的第二偏振光束；在二维或三维模式中的一个中受到控制的转换视差屏障单元，其中，在二维模式中，转换视差屏障单元完全传输穿过第一反射偏振器的光束；以及在三维模式中，转换视差屏障单元的一区域传输光束，转换视差屏障单元的一区域截断光束；和显示面板，其根据图像信号调制穿过转换视差屏障单元传输的光以形成图像。

Description

高效二维/三维可转换显示设备
技术领域
本发明涉及二维(2D)/三维(3D)图像显示设备，尤其涉及能够使在2D显示转换到3D显示时出现的光损失最小化的2D/3D图像显示设备。
背景技术
立体图像显示设备已经用于各种领域，包括医学成像、游戏、广告、教育、军事应用等。已经广泛研究了全息和立体方法以显示立体图像。
全息方法是一种良好的显示方法，但是它需要相干光源，因而很难记录和再现位于长距离处的大的目标。
立体方法采用一种立体效果以制造3D效果，该立体效果由观察者的双眼分别看到的两个2D图像之间的双眼视差引起。立体方法使用两张平面图像，从而可以显示一3D图像，该图像易于实现且具有高分辨率和大的深度。立体方法分为镜片型图像显示方法和无镜片型自动立体(autostereoscopic)成像方法，其中镜片型图像显示方法中使用偏振光和快门以允许两只眼睛看到独立的图像，无镜片型自动立体成像方法中显示器直接单独成像以形成一视场。在无镜片型自动立体图像显示方法中，观测范围是固定的并局限于较少数目的观众。然而，与观众必需戴眼镜的镜片型图像显示方法相比，通常优选无镜片型自动立体图像显示方法。此外，作为利用立体图像实际显示3D图像的方法，视差屏障(parallax barrier)被越来越多地运用。在视差屏障中，一个垂直或是水平的狭缝被设置在对应于左眼和右眼图像的前面，以分别观察由垂直或水平的狭缝合成的立体图像，从而制造出3D效果。
图1示意性地说明了传统的视差屏障型立体图像显示设备。参照图1，显示左眼图像信息的左眼像素L和显示右眼图像信息的右眼像素R交替形成于液晶显示器(LCD)面板10上。背光20设置在LCD面板10下。背光20使用电能将光射向LCD面板10。视差屏障30设置在LCD面板10和观测者40之间以允许光通过或是截断光。换句话说，视差屏障30包括使右眼像素R和左眼像素L发射出的光通过的狭缝32以及截断光的屏障34，以使观测者40能看到3D图像。如视差屏障30的放大的视图所示，狭缝32和屏障34是垂直交替地形成的。
现在将描述使用这种视差屏障来实现3D图像的方法。从背光20出射并向着观测者40的左眼前进的光束，是穿过LCD面板10的左眼像素L和视差屏障30的狭缝32后到达观测者40的左眼的光束L1。然而，从背光20出射通过LCD面板10的左眼像素L后向着观测者40右眼前进的光束L2，被屏障34所截断，因而不能传送至观测者40。光束R1从背光20出射，穿过LCD面板10的右眼像素R和视差屏障30的狭缝32，并到达观测者40的右眼。通过LCD面板10的右眼像素R并向着观测者40的左眼前进的光束R2被屏障34所截断。从而，穿过左眼像素L的光束L1只到达观测者40的左眼，而穿过右眼像素R的光束R1只到达观测者40的右眼。在到达左眼使得人类观测者能充分感知的光束L1和到达右眼的光束R1之间形成双眼视差信息。从而，观测者可以看见3D图像。
2D/3D可转换显示器使用3D LCD显示来实现视差屏障并防止在利用光幻视时出现的观察者的双眼疲劳。在这种情形下，例如，使用液晶(LC)对图1中视差屏障30的每个区域进行分析。当向LC的区域中供电时，截断和/或吸收从背光20发出的光的区域被用作屏障34。而没有被供电的LC的区域被用作视差屏障30的狭缝32以实现立体图像。同样，当不向LC供电时，将不会形成视差屏障。这样，同样的图像会传输到观测者的右眼和左眼以显示2D图像。
在使用视差屏障的方法中，由于要显示立体图像，大量的光被屏障截断并被吸收进屏障。因而，光效率降低。很难最小化狭缝的尺寸以减少3D模式中的色度亮度干扰。同样，增加视点的数量时也增加了被屏障截断的光的量，这样光效率将更加减少。从而，2D/3D可转换显示器很难用于多重模式。
图2图示了用于提高光效率的视差屏障型立体图像显示设备的结构。根据图2，镀铝层66形成于屏障63上，它吸收从背光60出射的光，以便向反射器69反射光来使光进行循环。然而，这个结构只能进行3D显示，而不能进行2D/3D转换。
发明内容
本发明提供一种高效的二维(2D)/三维(3D)可转换显示设备来限制在三维模式中光效率的减少。
根据本发明的一个方面，提供了一种2D/3D可转换显示设备包括：光源单元；第一反射偏振器，其在由光源单元出射的光束中反射第一偏振光束并传输正交于第一偏振光束的第二偏振光束；受控于2D或3D模式的其中一个的转换(switching)视差屏障单元，其中，在2D模式中，转换视差屏障单元整体传输通过第一反射偏振器的光束，而，在3D模式中，转换视差屏障单元的一区域传输光束，转换视差屏障单元的一区域截断光束；和显示面板，根据图像信号调制穿过转换视差屏障单元传输的光，以形成图像。
转换视差屏障单元可包括：偏振转换(switch)阵列，包括偏振转换区域和狭缝区域，偏振转换区域受到控制以将通过第一反射偏振器的第二偏振光束转换为第一偏振光束，或者，保持它们的偏振状态，而狭缝区域则保持偏振状态地传输第二偏振光束，其中偏振转换区域和狭缝区域交替排列；和第二反射偏振器，其反射第一偏振光束并传输第二偏振光束。
偏振转化区域可根据电子信号将波长为λ的入射光的相位延迟0、+λ/2，或-λ/2。
第一和第二反射偏振器可以是线栅偏振器或是双重亮度增强膜(DBEF)。
偏振转换阵列可具有条带形状、倾斜条带形状、2D阵列形状、或针孔状，其中偏振转换区域和狭缝区域交替排列。
光源单元可包括一反射器，使由第一或第二反射偏振器反射的光循环。
附图说明
通过结合附图详细描述示例性实施例，本发明的上述和其它方面将变得更为明显，附图中：
图1示意性示出使用视差屏障的传统的立体图像显示器；
图2所示为用于提高光效率的传统的视差屏障型立体图像显示设备的结构；
图3是根据本发明的示例性实施例的2D/3D可转换显示设备的示意性的截面图；
图4A到4D所示为图3中的2D/3D可转换显示设备的偏振转换阵列的阵列形状，其中偏振转换区域和狭缝区域根据本发明的示例性实施例交替排列；
图5示出了根据本发明的示例性实施例将一线栅偏振器用作反射偏振器；
图6是示出了图5中的线栅偏振器的偏振消光比的图表；和
图7A和7B所示为图2所示的2D/3D可转换显示设备在2D和3D模式下操作的光路。
具体实施方式
现在将参考附图对本发明进行更全面地描述，其中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以很多不同的形式实施，而不应该局限于此处给出的实施例；此外，通过提供这些示例性实施例以便详细并完整地进行公开，并向本领域的技术人员完整地传达本发明的原理。在附图中，为清楚起见，层和区域的厚度被放大。
图3是根据本发明的示例性实施例的2D/3D可转换显示设备100的示意性的截面图。根据图3，2D/3D可转换显示设备100包括光源单元110，第一反射偏振器130，在2D或3D模式中受控的转换视差屏障单元180，和显示面板190。
光源单元110可包括反射器115以便使由第一反射偏振器130或转换视差屏障单元180反射的光循环。
第一反射偏振器130传输由光源单元110出射的未经偏振光束中的第一偏振光束并反射与第一偏振光束正交的第二偏振光束。例如，该第一偏振光束可以是S偏振光束，而第二偏振光束可以是P偏振光束。第一反射偏振器130可以是双重亮度增强膜(DBEF)或线栅偏振器。
转换视差屏障单元180在2D或3D模式中受到控制。转换视差屏障单元1 80在2D模式下完全地传输入射光。然而，在3D模式下，转换视差屏障单元180在一些区域中传输光而在其它区域中截断光。为了这个目的，转换视差屏障单元180可包括偏振转换阵列150和第二反射偏振器170。
偏振转换阵列150包括多个偏振转换区域152和多个狭缝区域154，它们是交替排列的。偏振转换区域152可以是相位延迟器，其根据电子信号将波长为λ的入射光的相位延迟0、+λ/2，或-λ/2。换句话说，偏振转换区域152将入射光的偏振态转换为正交偏振态或保持入射光的偏振态并传输入射光。狭缝区域154不会改变入射光的偏振状态而是传输入射光，从而可由由各向同性材料形成的光可透射材料形成或者为一开口。偏振转换阵列150将在下文中结合图4A至4D进行更详细地描述。偏振转换阵列150可具有如图4A到4D所示的条带形状150、倾斜条带形状150’、2D阵列形状150”、或针孔状150”’。在图4A所示的条带形状150中，具有垂直条带形状的偏振转换区域152和狭缝区域154在水平方向交替排列。在图4B所示的倾斜条带形状150’中，具有倾斜条带形状的偏振转换区域152和狭缝区域154在水平方向交替排列。在图4C所示的2D阵列形状150”中，偏振转换区域152和狭缝区域154以锯齿形状二维排列。在图4D所示的针孔状150”’中，狭缝区域154是针孔。
第二反射偏振器170传输通过偏振转换阵列150的第一偏振光束并反射正交于第一偏振光束的第二偏振光束。反射偏振器170可以是DBEF或线栅偏振器。
显示面板190根据图像信号调制穿过转换视差屏障单元180的光束以形成图像。显示面板190可为液晶显示(LCD)面板。在3D模式中，显示面板190可交替显示左眼和右眼图像，例如，左眼图像像素和右眼图像像素呈交替的柱状物。同样，如果提供多视图(multiview)立体图像，显示面板190可以以每个柱状物的像素交替显示多视图图像。
图5所示为一线栅偏振器的示意性结构，该线栅偏振器可用作第一或第二反射偏振器130或170。根据图5，线栅偏振器具有这样的结构，其中多根金属丝135周期性地排列于透明基底132上。如果金属丝135的空间周期T小于λ/2，线栅偏振器反射在金属丝135的纵向方向上偏振的第一偏振光束S并传输在金属丝135的横向方向W上偏振的第二偏振光束P。换句话说，金属丝135对于第一偏振光束S显示出高反射金属特性。尽管金属丝135是由反射性金属形成的，金属丝135也会吸收少量的光。同样，如果金属丝135的厚度很薄，金属丝135可透射很少的光束。从而，反射率在90％到95％的范围内。被传输的光束以虚线箭头表示。第二偏振光束P，即，与金属丝135的横向方向平行的光束，大部分都穿过线栅偏振器传输。然而，虽然线栅偏振器是像玻璃那样透明的，少量光束由线栅偏振器的表面反射，如虚线箭头所示。金属丝135可由具有高反射率的金属材料形成。例如，金属丝135可由铝(AL)、金(Au)或银(Ag)形成。线栅偏振器的详细的形状和尺寸，例如，金属丝135的空间周期T、高度H、宽度W等，在考虑到金属丝135的材料和入射光的波长λ的基础上进行适当地设计。例如，金属丝135的高度h足够高，从而金属丝135相对于在金属丝135的纵向方向偏振的光束被用作反射性金属。同样，金属丝135的宽度W比入射到线栅偏振器上的光的波长λ短。线栅偏振器的性能可由偏振消光比和透过率体现。偏振消光比被定义为“(Si/St)|Pi＝0”而透过率被定义为“(Pt/Pi)|Si＝0”。换句话说，偏振消光比表示如果S偏振光束入射的话，入射的S偏振光束Si与透射的S偏振光束St之间的光强度比值。透过率表示如果P偏振光束入射的话，透射的P偏振光束Pt与入射的P偏振光束Pi之间的光强度比值。图6是示出了线栅偏振器相应于空间周期T对于不同波长的偏振消光比的图表。根据图6，当T很短时偏振消光比具有较高的数值。此时，金属丝135由Al形成，其高度h为140nm。当偏振消光比很高时，高质量的偏振光可被提供给显示面板。这样，在考虑到偏振消光比的基础上可以调整线栅偏振器的详细的设计尺寸。
下面将描述2D/3D可转换显示设备100形成2D和3D图像的操作。
图7A和7B图示了2D/3D可转换显示设备100在2D和3D模式下操作的光路。
根据图7A，在由光源单元110向第一反射偏振器130出射的任意偏振光束中，只有在预定方向上的线性偏振光束可以穿过第一反射偏振器130传输，而其它偏振光束都被第一反射偏振器130反射。例如，第二偏振态P的光穿过第一反射偏振器130传输，然后向偏振转换阵列150前进。在3D模式中，偏振转换区域152延迟入射光的相位，以便将入射光的偏振方向变为正交于入射光的偏振方向的方向。即，第二偏振态P的入射光变成了第一偏振态S的光，穿过偏振转换阵列150的偏振转换区域152并进入第二反射偏振器170。另一方面，穿过偏振转换阵列150的狭缝区域154的光的偏振方向没有改变，而第二偏振态P的光保持其偏振方向入射到第二反射偏振器170上。此处，第二反射偏振器170反射第一偏振光束S而传输第二偏振光束P。这样，穿过狭缝区域154的第二偏振光束P通过第二反射偏振器170，然后向显示面板190前进。然而，穿过偏振转换区域152的第一偏振光束S由第二反射偏振器170反射。换句话说，当偏振转换区域152处于开的状态时，偏振转换区域152和第二反射偏振器170将光分为光束，这些光束分别向显示面板190的左眼像素L和右眼像素R前进。从而，不同的图像被入射到左眼和右眼，使得左眼和右眼观察到3D图像。由第一或第二反射偏振器130或170反射的光束向光源单元110前进，并且被反射器115反射，从而进行循环。
图7B示出了2D/3D可转换显示设备100以2D形式操作时的光路。根据图7B，控制偏振转换区域152从而不延迟入射光的相位。从而，保持第二偏振状态穿过偏振转换区域152和狭缝区域154的光束被入射到第二反射偏振器170上，并且穿过第二反射偏振器170传输。同样的图像会到达左眼和右眼，而不会发生双眼视差，从而左眼和右眼察觉到2D图像。
已经描述了第一和第二反射偏振器反射S偏振光并传输P偏振光。然而，这是示例性的，可以使用具有相反的特性的反射偏振器。同样，已经描述了使用左眼和右眼图像形成二视图3D图像。然而，显示面板可以在每个像素中显示多视图图像，以形成多视图3D图像。
如上所述，根据本发明的2D/3D可转换显示设备可包括在2D或3D模式中被控制的转换视差屏障单元。该转换视差屏障单元可传输预定的偏振光束但是反射其它偏振光束，从而形成双眼视差。因而，当将2D模式转换成3D模式时，能最小化光效率的减少。从而，能最小化2D/3D可转换显示设备的狭缝的尺寸以便减少色度亮度干扰。同样，能以多视图方式提供2D/3D可转换显示设备。
尽管本发明是参照其中的示例性实施例得以具体地示出并描述的，本领域的技术人员应当理解可对其作出形式上和细节上的不同的改变，而不脱离所附的权利要求限定的本发明的精神和范围。
本申请要求于2007年3月21日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请No.10-2007-0027809的优先权，此处通过引用结合其全文。

Claims (12)

1.一种二维/三维可转换显示设备，包括：
第一反射偏振器，其在由光源单元出射的光束中反射第一偏振光束并传输正交于第一偏振光束的第二偏振光束；
在二维或三维模式的一个中控制的转换视差屏障单元，
其中，在二维模式中，转换视差屏障单元整体传输穿过第一反射偏振器的光束，和
其中，在三维模式中，转换视差屏障单元的一区域传输光束，转换视差屏障单元的一区域截断光束；和
显示面板，其根据图像信号调制穿过转换视差屏障单元传输的光以形成图像。
2.权利要求1的二维/三维可转换显示设备，其中转换视差屏障单元包括：
偏振转换阵列，包括
偏振转换区域，其受到控制以将穿过第一反射偏振器的第二偏振光束转换为第一偏振光束，或保持其偏振状态，和
狭缝区域，其以保持其偏振状态的方式传输第二偏振光束，
其中偏振转换区域和狭缝区域是交替排列的；和
第二反射偏振器，其反射第一偏振光束并传输第二偏振光束。
3.权利要求2的二维/三维可转换显示设备，其中偏振转换区域根据电子信号将波长为λ的入射光的相位延迟0、+λ/2，或-λ/2。
4.权利要求2的二维/三维可转换显示设备，其中第二反射偏振器是线栅偏振器。
5.权利要求2的二维/三维可转换显示设备，其中第二反射偏振器是双重亮度增强膜。
6.权利要求2的二维/三维可转换显示设备，其中偏振转换阵列具有偏振转换区域和狭缝区域。
7.权利要求2的二维/三维可转换显示设备，其中偏振转换阵列具有条带形状，其中偏振转换区域和狭缝区域以条带形状排列。
8.权利要求2的二维/三维可转换显示设备，其中偏振转换阵列具有2D阵列形状，其中偏振转换区域和狭缝区域以锯齿形状二维排列。
9.权利要求2的二维/三维可转换显示设备，其中偏振转换阵列具有针孔形状，其中狭缝区域是针孔。
10.权利要求1的二维/三维可转换显示设备，其中光源单元包括一反射器，其使由第一和第二反射偏振器中的一个反射的光循环。
11.权利要求1的二维/三维可转换显示设备，其中第一反射偏振器是线栅偏振器。
12.权利要求1的二维/三维可转换显示设备，其中第一反射偏振器是双重亮度增强膜。
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