CN101285938B - 高效二维-三维可切换显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效的2D-3D可切换显示器。该图像显示器包括形成图像的显示单元、以及切换视场分离单元，该切换视场分离单元将所述显示单元所形成的图像切换成2D图像或3D图像，并包括用于分离视场的透镜阵列和液晶透镜，所述液晶透镜被控制成具有抵消或增强所述透镜阵列的折射能力的折射能力。

Description

高效二维-三维可切换显示器

技术领域

本发明涉及一种二维(2D)/三维(3D)可切换显示器，并尤其是，涉及一种2D-3D可切换显示器，该显示器可以容易地在显示2D和3D图像之间切换，可以容易地大规模生产并具有低功耗。

背景技术

最近，三维显示器已经在诸如医学成像、游戏、广告、教育、军事应用等中各种领域使用。而且，已经进行很多研究来利用全息和立体技术来显示三维图像。

全息技术是一种理想技术，但是它需要相干光源，并因为利用该技术难于记录和再现远距离处的大尺寸物体。另一方面，立体技术采用由用户的两个眼睛所分别看到的二维图像之间的双眼视差所产生的立体效果。由于立体技术利用两个平面图像进行，可以用简单的方式显示具有高分辨率和大景深的三维图像。立体技术可以分成眼镜型显示技术和无眼镜型自动立体(autostereoscopic)显示技术，其中，所述眼镜型显示技术利用偏振光和活门来使得两只眼镜看到分离的图像，而在无眼镜型自动立体显示技术中，显示器直接分离图像以形成视场。在无眼镜型自动立体显示器的情况下，因为观察范围固定，因此观众的数量受到限制。尽管如此，无眼镜型自动立体显示器总体上优于需要观众佩戴额外的眼镜的显示器。

无眼镜型自动立体显示器分成视差屏障型和透镜型。视差屏障型显示器通过利用屏障将光线分离成左眼和右眼方向以形成双眼视差来实现立体图像。由于在视差屏障型显示器中，光线被屏障所遮挡，光效率降低是几乎不可避免的。另一方面，透镜型显示器通过将对应于左眼和右眼的图像设置在双凸透镜(lenticular lens)的焦曲面上并根据双凸透镜的方向特性将图像分离成对应于左眼和右眼的图像来实现立体图像。即，由于在透镜型显示器中利用所有光线来将图像分离成左和右图像，在光效率方面，透镜型显示器更优于视差屏障型显示器。

图1是示出美国专利第6069650号中公开的传统2D-3D显示设备的视图。该2D-3D显示设备包括透镜装置15。该透镜装置15包括透镜片30、液晶层38和板36。透明的传导膜34置于透镜片30和液晶层38之间。透明的传导膜37还置于液晶层38和板36之间。透镜片30包括透镜元件16。2D-3D显示设备包括用于向液晶层38供电的电源40和开关41。

在图1中，当电源40打开或关闭时，液晶层38和透镜片30的折射率分别相同或不同。当液晶层38的折射率与透镜片30的相同时，入射到透镜片30上的光线穿过透镜片30和液晶层38，而不会折射，由此形成2D模式的图像。另一方面，当液晶层38与透镜片30的折射率不同时，图像被透镜片30分离成左眼图像和右眼图像。从而，可以形成3D模式的图像。

由于具有球形形状的透镜元件16形成在液晶层38的下表面上，液晶层38的厚度增加。于是，由于应该增加驱动电压，因此，增大了功耗。而且，难于连续控制球形形状的液晶层38。另外，由于透镜装置15是通过用液晶填充透镜而形成，这需要特殊的制造工艺，因此，难于切换液晶层38，并且2D-3D显示设备的可靠性较低。

发明内容

本发明提供了一种2D-3D可切换显示器，该显示器具有较低功耗，并且可以易于大规模生产。

根据本发明的一个方面，提供了一种2D-3D可切换显示器，该显示器包括：形成图像的显示单元；以及切换视场分离单元，该切换视场分离单元将显示单元形成的图像切换成2D图像或3D图像，并且包括用于分离视场的透镜阵列和液晶透镜，该液晶透镜被控制成具有抵消或增强透镜阵列的折射能力(refractive power)的折射能力。

所述液晶透镜可以包括：第一衬底，在该第一衬底上形成对应于透镜阵列的第一电极阵列；第二衬底，在该第二衬底上形成对应于第一电极阵列的第二电极阵列；以及液晶层，该液晶层形成于第一衬底和第二衬底之间。

第一电极阵列可以包括多个第一电极，该第一电极面对所述透镜阵列中所包含的多个透镜的每个界面，而第二电极阵列可以包括多个第二电极，该第二电极面对所述多个第一电极。

当电压施加到第一电极阵列使得相邻的第一电极具有彼此绝对值相同但是符号相反的电势，且电压不施加到第二电极阵列上时，可以形成3D图像；而当电压施加到第二电极阵列，使得相邻的第二电极具有彼此绝对值相同但是符号相反的电势，且电压不施加到第一电极阵列上时，形成2D图像。

透镜阵列可以是二维排列的平板型Grin透镜阵列、双凸透镜阵列或微透镜阵列。

附图说明

本发明的上述和其他各个方面将通过参照附图对其示例性实施例的详细描述变得更清楚，图中：

图1是示出传统2D-3D显示设备的视图；

图2是根据本发明示例性实施例的2D-3D可切换显示器的示意图；

图3A到图3D是示出图2所示的透镜阵列的不同形式的视图；

图4A和4B是示出根据本发明示例性实施例的、透镜阵列和电极阵列的对应关系的视图；

图5A到5C是示出根据本发明示例性实施例的、根据施加到第一和第二电极阵列的电压，液晶层的变化的视图；

图6A和6B是示出其中图2的图像显示设备形成2D和3D图像的操作的视图；以及

图7是根据本发明另一示例性实施例的2D-3D可切换显示器的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图更全面描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。但是，本发明可以按照多种不同形式来实施，而不应该理解为局限于在此描述的示例性实施例；而是，这些示例性实施例仅仅为了使得本公开更全面完整并全面向本领域技术人员传达本发明的概念而提供。图中相同的附图标记标识相同的元件，从而省略相同的描述。在附图中，层和区域的厚度为了清晰起见被夸大。

图2是根据本发明示例性实施例的2D-3D可切换显示器400的示意图。图3A到3D是示出图2所示的透镜阵列200的不同形式的视图。图4A和4B是示出根据本发明示例性实施例的、透镜阵列和电极阵列的对应关系的视图。参照图2到图4B，2D-3D可切换显示器400包括形成图像的显示单元100；将显示单元100所形成的图像的视场分离的透镜阵列200；以及液晶透镜300，该液晶透镜300被控制，以便增强或抵消透镜阵列200的折射能力。

显示单元100可以包括背光110和显示面板120。诸如液晶面板的非发光显示器可以包含在该显示面板120中。另外，诸如有机发光二极管面板的自发光显示器也可以包含在显示面板120中。在这种情况下，不需要背光110。显示面板120可以在3D模式中交替显示右眼和左眼图像。例如，显示面板120可以交替显示象素列(column of pixels)。

透镜阵列200将显示单元100上形成的视场分离，并且包括多个双凸透镜220或微透镜230。参照图3A，透镜阵列200布置成双凸透镜220可以长度方向对应于2D-3D可切换显示器的竖直方向。参照图3B，透镜阵列200可以布置成双凸透镜220的长度相对于2D-3D可切换显示器倾斜。当双凸透镜220倾斜时，可以提高水平方向的分辨率以及竖直方向的分辨率。参照图3C，透镜阵列200可以布置成微透镜230二维排列。参照图3D，微透镜230以Z字形二维排列。微透镜230二维排列以便通过水平和竖直视差实现高质量3D图像。

液晶透镜300被控制成具有可以增强或抵消在透镜阵列200内所包括的透镜的折射能力的折射能力。即，作为2D模式，液晶透镜300作用为与透镜阵列200一起，抵消透镜阵列200的折射能力；或作为3D模式，增强透镜阵列200的折射能力，从而液晶透镜300功能为切换视场分离单元。液晶透镜300包括：第一衬底310，该第一衬底包括形成于其上的第一电极阵列320；第二衬底350，该第二衬底包括形成于其上并面对第一电极阵列320的第二电极阵列340；以及液晶层330，该液晶层330形成在第一衬底310和第二衬底350之间。例如，第一电极阵列320包括多个第一电极322。每个第一电极322可以面对包括在透镜阵列200内的多个透镜的每个界面。当双凸透镜220包括在透镜阵列200内时，第一电极阵列320和透镜阵列200如图4A所示布置。当透镜阵列200包括二维布置的微透镜230时，第一电极阵列320如图4B所示那样二维布置。第二电极阵列340包括面对第一电极322的多个第二电极342。第一和第二电极阵列320和340可以由透明导体，如氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)形成。根据电压是否施加到第一和第二电极阵列320和340之间，液晶透镜300的折射能力有所不同。当液晶透镜300的折射能力相对于透镜阵列200具有相同的绝对值但相反符号时，通过抵消透镜阵列200的折射能力来形成2D图像。当液晶透镜300的折射能力相对于透镜阵列200具有相同符号时，通过增强透镜阵列200的折射能力来形成3D图像。这将在下面描述。第一和第二电极阵列320和340可以具有与图2到图4B的结构不同的结构，使得第一和第二电极阵列320和340可以对应于透镜阵列200并控制液晶层330，以便增强或抵消透镜阵列200。

现在将描述2D-3D可切换显示器300形成2D-3D图像的操作。

首先，参照图5A到5C，液晶层330根据施加到第一和第二电极阵列320和340之间的电压来变化，如下所述。参照图5A，当电压未施加到第一和第二电极阵列320和340之间时，液晶沿着液晶层330的水平方向取向。这种情况是TN模式的示例。参照图5B，电压未施加到第二电极阵列340上。电压施加到第一电极阵列320上，以便相邻的第一电极322可以具有彼此相同绝对值相反符号的电势。在这种情况下，液晶层330的液晶布置成沿着第一电极322所产生的电场具有凸起形。即，液晶透镜300具有与透镜阵列200相同符号的折射能力。液晶透镜300的折射能力根据液晶在液晶层330中的排列形式而有所不同。施加到第一电极阵列320上的电压可以被调整，以便液晶透镜300和透镜阵列200一起具有足以分离视场以便形成3D图像的折射能力。参照图5C，电压未施加到第一电极阵列320上。电压施加到第二电极阵列340上，以便相邻的第二电极342具有彼此绝对值相同符号相反的电势。在这种情况下，液晶层330的液晶排列成沿着第二电极342所产生的电场具有凹陷形。即，液晶透镜300具有与透镜阵列200符号相反的折射能力。液晶透镜300的折射能力根据施加到第二电极阵列340上的电压来调整。当电压完全抵消透镜阵列200的折射能力时，可以形成2D图像。

图6A是示出图2的图像显示设备400形成3D图像的操作的视图。为了形成3D图像，电压仅施加到液晶透镜300的第一电极阵列320上，而电压不施加到第二电极阵列340上。从而，如图5B所示，由于液晶布置成具有凸起形，并且具有与透镜阵列200相同符号的折射能力，液晶增强了透镜阵列200的折射能力。例如，当包括在透镜阵列200内的透镜的焦距是f₁，包括在液晶透镜300内对应于包括在透镜阵列200内的透镜的那部分的焦距是f₂，透镜阵列200和液晶透镜300的合成焦距f是f₁*f₂/(f₁+f₂)。当形成3D图像所需的折射能力要仅仅利用液晶透镜300来获得时，液晶层300的厚度要增大。但是，在根据本发明当前示例性实施例的结构中，所需的折射能力是通过保持液晶层330的适当厚度并增强透镜阵列200的折射能力来实现。显示单元100所形成的图像被分离成分别指向左眼和右眼的图像。从而，可以观察到3D图像。

图6B示出根据本发明的示例性实施例、形成2D图像的操作。在这种情况下，电压仅仅施加到液晶透镜300的第二电极阵列340上，且电压不施加到第一电极阵列320上。此时，如图5C所示，由于液晶排列成具有凹陷形，并且具有与透镜阵列200符号相反的折射能力，液晶抵消透镜阵列200的折射能力。例如，当包括在透镜阵列200内的透镜的焦距是f₁，而包括在液晶透镜300内的对应于透镜阵列200内所包括的透镜的那部分的焦距是f₂，则透镜阵列200和液晶透镜300的合成焦距f是f₁*f₂/(f₁+f₂)。当通过适当调节施加到第二电极阵列340上的电压使得液晶透镜300具有与透镜阵列200相同绝对值的折射能力，合成焦距f是无穷大，且由显示单元100所形成的图像不会被分离成分别指向左眼和右眼的图像，即，由于相同的图像到达左眼和右眼，因此观察到2D图像。

图7是根据本发明另一示例性实施例的2D-3D可切换显示器600的示意图。参照图7，该2D-3D可切换显示器600包括：形成图像的显示单元100、将显示单元100形成的图像的视场分离的Grin透镜阵列500、以及液晶透镜300，该液晶透镜300被控制成增强或抵消Grin透镜阵列500的折射能力。本发明的当前示例性实施例与图2的2D-3D可切换显示器400相同，除了2D-3D可切换显示设备600包括平板型Grin透镜阵列500之外，该平板型Grin透镜阵列500是用于分离视场的透镜阵列。Grin透镜阵列500包括多个绿色透镜(green lenses)520。Grin透镜520是平板透镜，但是由于折射率的分布而具有与球形透镜相同的折射率。另外，Grin透镜520与控制折射能力的液晶透镜300一起实现分离视场的折射能力和0折射能力的状态，并从而可以形成2D和3D图像。

如上所述，根据本发明的2D-3D可切换显示器包括与普通光学透镜一起的控制折射能力的液晶透镜。根据本发明的图像显示设备，与独自用于分离视场的液晶透镜或光学透镜的情况相比，液晶层可以设计为具有较小的厚度，并且光学透镜可以设计成具有较小的折射能力。于是，根据本发明的图像显示设备具有较高的光效率以及较小的能耗，并以容易地转变2D-3D图像，并可以容易地大规模生产。

虽然参照本发明的示例性实施例具体图示和描述了根据本发明的2D-3D可切换显示器，本领域技术人员应该理解到在不背离如所附权利要求书限定的本发明的精髓和范围的前提下，可以在本发明中作出各种形式和细节上的变化。

Claims (10)

1.一种二维(2D)/三维(3D)可切换显示器，包括：

形成图像的显示单元；以及

切换视场分离单元，该切换视场分离单元将所述显示单元形成的图像切换成2D图像或3D图像，并且包括用于分离视场的透镜阵列和液晶透镜，所述液晶透镜被控制成具有抵消或增强所述透镜阵列的折射能力的折射能力，

其中，所述液晶透镜包括：

第一衬底，在该第一衬底上设置与所述透镜阵列相对应的第一电极阵列；

第二衬底，在该第二衬底上设置与所述第一电极阵列相对应的第二电极阵列；以及

液晶层，该液晶层形成在所述第一衬底和第二衬底之间，

其中所述第一电极阵列和所述第二电极阵列对应于所述透镜阵列并控制所述液晶层从而增强或抵消所述透镜阵列。

2.如权利要求1所述的显示器，其中，所述第一电极阵列包括面对所述透镜阵列中所包括的多个透镜的每个界面的多个第一电极，而所述第二电极阵列包括面对所述多个第一电极的多个第二电极。

3.如权利要求2所述的显示器，其中，当电压施加到所述第一电极阵列上使得相邻的第一电极具有彼此绝对值相同符号相反的电势，且电压不施加到所述第二电极阵列时，形成3D图像；并且

当电压施加到所述第二电极阵列使得相邻的第二电极具有彼此绝对值相同符号相反的电势，且电压不施加到所述第一电极阵列时，形成2D图像。

4.如权利要求1所述的显示器，其中，所述显示单元包括：

背光；以及

非发光显示器，该非发光显示器利用从背光发出的光线形成图像。

5.如权利要求1所述的显示器，其中，所述显示单元包括自发光显示器。

6.如权利要求1所述的显示器，其中，所述透镜阵列是平板型Grin透镜阵列。

7.如权利要求1所述的显示器，其中，所述透镜阵列是双凸透镜阵列。

8.如权利要求7所述的显示器，其中，所述双凸透镜阵列布置成该双凸透镜的长度朝向图像显示设备的竖直方向倾斜。

9.如权利要求1所述的显示器，其中，所述透镜阵列是二维排列的微透镜阵列。

10.如权利要求9所述的显示器，其中，所述微透镜阵列中的微透镜以Z字形排列。

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