CN101341433A - 可切换自动立体显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可切换的自动立体显示设备，其包括：显示面板，其具有显示像素的阵列以用于产生显示，所述显示像素被设置成行和列；透镜元件的阵列，其被设置在该显示面板之上以用于引导所述显示像素的光输出，从而提供立体图像，所述透镜元件包括电－光材料，可以通过选择性地施加第一值与第二值之间的电场来切换所述电－光材料的折射率，所述第一值保持所述光输出引导功能，第二值去除所述光输出引导功能；以及被提供在所述透镜元件的上方和下方以便在所述透镜元件上施加所述电场的不连续电极层。所述电极层通过电介质层与所述透镜元件间隔开，从而减轻了所述电极层不连续性对所述透镜元件中的电场的影响。

Description

可切换自动立体显示设备
技术领域
本发明涉及一种自动立体显示设备，这种类型的自动立体显示设备包括显示面板以及设置在该显示面板上的多个成像装置(比如双凸透镜元件)，所述显示面板具有用于产生显示的显示像素阵列，并且通过所述成像装置观看所述显示像素。
背景技术
在GB 2196166A中描述了一种已知的自动立体显示设备。该已知设备包括二维液晶显示面板，其具有充当空间光调制器的显示像素的行、列阵列以便产生所述显示。彼此平行地延伸的细长双凸透镜元件阵列覆盖在所述显示像素阵列之上，并且通过这些双凸透镜元件观看所述显示像素。所述双凸透镜元件被提供为元件薄板，其中的每一个元件包括细长的半圆柱状透镜元件。所述双凸透镜元件在所述显示面板的列方向上延伸，其中每一个双凸透镜元件覆盖在包括两个或多个相邻的显示像素列的对应的组上。
在其中例如每一个双凸透镜元件与两列显示像素相关联的设置中，每一列中的显示像素提供对应的二维子图像的一个垂直切片。所述双凸透镜薄板把这两个切片以及来自与其他双凸透镜元件相关联的显示像素的相应切片导向位于该薄板前方的用户的左眼和右眼，从而使得该用户观看到单一立体图像。因此，所述双凸透镜元件薄板提供光输出引导功能。
在其他设置中，每一个双凸透镜元件与在行方向上包括多于两个相邻显示像素的组相关联。每一组中的相应的显示像素列被适当地设置成从对应的二维子图像提供垂直切片。随着用户的头从左向右移动，感知到一系列连续的不同立体视图，从而例如产生环视印象。
上述设备提供了有效的三维显示。然而，应当意识到，为了提供立体视图，必须牺牲所述设备的水平分辨率。这种分辨率方面的牺牲对于某些应用(比如显示小文字字符以便从近距离观看)来说是不可接受的。为此，已经提出了提供一种可以在二维模式与三维(立体)模式之间进行切换的显示设备。
在二维模式下，所述可切换设备的双凸透镜元件操作在“穿透”模式下，也就是说，所述元件按照与光学透明材料的平面薄板相同的方式操作。所得到的显示器具有高分辨率，其分辨率等于所述显示面板的固有分辨率，这适于从较近的观看距离显示小文字字符。当然，所述二维显示模式不能提供立体图像。
在三维模式下，所述可切换设备的双凸透镜元件提供如上所述的光输出引导功能。所得到的显示器能够提供立体图像，但是如上所述会有不可避免的分辨率损失。
为了提供可切换的显示模式，所述可切换设备的双凸透镜元件由诸如液晶材料的电-光材料形成，其具有可以(对于特定偏振光)在两个不同值之间切换的折射率。随后通过把适当的电势施加到提供在所述双凸透镜元件上方和下方的电极层而在所述模式之间进行切换。所述电势改变所述双凸透镜元件相对于相邻的光学透明层的折射率。或者，所述相邻的光学透明层可以由电-光材料形成，其相同的结果是改变所述双凸透镜元件相对于该光学透明层的折射率。
已经认识到希望能够提供一种可切换的自动立体显示设备，其中，可以在二维与三维显示模式之间单独地或组合地切换显示区域的各分立部分。这样，可以在三维显示中提供一个或多个二维显示窗口，或者反之亦然，可以在二维显示中提供一个或多个三维显示窗口。
可以通过以下方式实现这种显示设备：提供分别包括多个分立电极的电极层；以及利用寻址方案把电势提供到所述电极的特定组合。然而，已经发现分立电极可能在所述显示区域上导致亮度不均匀性，比如条纹或波纹状图案。
发明内容
根据本发明，提供一种可切换的自动立体显示设备，其包括：显示面板，其具有显示像素阵列以用于产生显示，所述显示像素被设置成行和列；透镜元件的阵列，其被设置在该显示面板之上以用于引导所述显示像素的光输出，从而提供立体图像，所述透镜元件包括电-光材料，可以通过选择性地施加第一值与第二值之间的电场来切换所述电-光材料的折射率，所述第一值保持所述光输出引导功能，第二值去除所述光输出引导功能；以及被提供在所述透镜元件的上方和下方以便在所述透镜元件上施加所述电场的电极层，至少其中一个所述电极层是不连续的，其中，所述电极层通过电介质层与所述透镜元件间隔开，从而减轻了所述电极层不连续性对所述透镜元件中的电场的影响。
优选地，全部两个电极层都是不连续的。
通过把所述透镜元件与所述电极层间隔开，已经发现可以在所述透镜元件内实现更加连贯的电场。特别地，已经发现所述电极层中的不连续性对所述电场的连贯性的影响往往会随着与所述电极层的距离增大而减轻。所述透镜元件内的更加连贯的电场(对于来自所述显示器的光)允许更加连贯的折射率切换，并且相应地减轻所述显示区域上的亮度不均匀性，比如条纹或波纹状图案。
因此，本发明提供一种具有可以在二维与三维显示模式之间进行切换的显示区域的显示设备，其中所述电极层不连续性对所述显示的质量的影响在任一种模式下都是最小的。
所述电极层与所述透镜元件之间的最小间距(即在其最近点处的间距)可以是至少20μm，并且优选地处在50μm到150μm的范围内。然而，其他间距也可能是适当的，一般来说，所述电极层与所述透镜元件之间的任何间距都导致所述透镜元件中的电场连贯性的改进。
每一个电极层都可以被模制，以便例如允许把所述显示区域的不同部分同时操作在二维模式和三维模式下。每一个电极层还可以包括可以被单独寻址的多个分立电极。
例如，每一个电极层可以包括多个平行细长电极，不同层的细长电极彼此成一定角度延伸。所述角度可以是直角。随后可以单独地或者组合地切换所述透镜元件阵列的各分立部分的折射率，以便在三维显示中提供在其中显示二维图像的一个或多个窗口，或者反之亦然。
每一个电极层与所述透镜元件的最小间距可以是所述电极层的相邻电极之间的间隙的最大宽度的1到10倍。
可以分别与所述透镜元件的成形(例如凸或凹)表面和基本上平坦的表面相邻地提供第一和第二电介质层。
所述第一电介质层可以具有与所述透镜元件的成形表面相匹配的成形表面。所述第二电介质层可以具有与所述透镜元件的基本上平坦的表面相匹配的基本上平坦的表面。
所述第一和/或第二电介质层可以包括已知具有适当的高电阻率和光学透明度特性的任何光学透明层。
所述透镜元件阵列可以包括平行双凸透镜元件的阵列，其中每一个元件覆盖基本上处在行方向上的几个显示像素。当所述元件提供所述光输出引导功能时，通过所述双凸透镜元件把来自不同像素的光输出投影在不同方向上，以便允许感知到立体图像。
所述电-光材料可以包括液晶材料，比如向列液晶。可以很容易地在电场的影响下切换向列液晶材料的折射率。然而，本领域技术人员将认识到，如果采用了(双折射)液晶材料(比如向列液晶)，则为了实现对所述光输出引导功能的切换，必须把特定偏振光输入到所述透镜元件阵列。
所述电极层可以包括氧化铟锡(ITO)，其具有适当的高电导率和光学透明度。
所述显示设备还可以包括控制器，其被设置成在所述电极层上选择性地施加电势，以便在所述透镜元件上施加电场。该控制器可以被配置成在所述电极层上施加交流电势。该控制器可以被设置成把所述电势选择性地施加到所述电极层的所选电极，从而切换所述透镜元件阵列的所选部分的折射率。
所述显示面板可以是液晶显示面板。所述显示像素可以具有矩形形状，其中所述显示像素的长边在所述列方向上延伸。所述显示像素的行与列可以是正交的。显示像素被提供在所述显示像素行与列的每一个交点处。
附图说明
下面将仅仅以举例的方式参照附图来描述本发明的一个实施例，其中：
图1是可以对之应用的本发明的已知的自动立体显示设备的示意性透视图；
图2是图1中示出的已知显示设备的一个元件的详细示意图；
图3A和3B被用来解释图1中示出的已知显示设备的操作原理；以及
图4是根据本发明的自动立体显示设备的一个元件的详细示意图。
具体实施方式
本发明提供一种显示设备，其具有可以在二维显示模式与三维显示模式之间进行切换的显示区域。在所述两种模式之间的切换是通过在由液晶材料形成的透镜元件阵列的上施加电场而实现的。在所述二维模式下，所述透镜元件作为普通的透明材料薄板起作用。在所述三维模式下，所述透镜元件提供光输出引导功能，以便允许感知到立体图像。利用与所述透镜元件间隔开的电极层在所述透镜元件上施加所述电场。所述电极层与所述透镜元件的间距改进了所述透镜元件内的电场的连贯性。
图1是可以对之应用的本发明的已知的可切换自动立体显示设备1的示意性透视图。该显示设备1以展开形式被示出。
该已知设备1包括有源矩阵类型的液晶显示面板3，其充当用以产生所述显示的空间光调制器。所述显示面板3具有设置成行和列的显示像素5的正交阵列。为清楚起见，在图中仅仅示出了很少数量的显示像素5。在实践中，该显示面板3可以包括大约一千行以及几千列的显示像素5。
所述液晶显示面板3的结构完全是传统的。特别地，该面板3包括一对间隔开的透明玻璃基板，其间提供对准的扭曲向列液晶材料或其他液晶材料。所述基板在其相向表面上携带透明氧化铟锡(ITO)电极的图案。还可以在所述基板的外表面上提供偏振层。
每一个显示像素5包括所述基板上的相对电极，其间具有居间液晶材料。所述显示像素5的形状和布局由所述电极的形状和布局决定。所述显示像素5通过间隙彼此规则地间隔开。
每一个显示像素5与开关元件相关联，所述开关元件例如是薄膜晶体管(TFT)或者薄膜二极管(TFD)。通过向所述开关元件提供寻址信号，所述显示像素被操作来产生图像，本领域技术人员已经知道适当的寻址方案。
所述显示像素5之间的间隙被不透明黑掩模所覆盖。所述掩模是以光吸收材料栅格的形式提供的。所述掩模覆盖所述开关元件并且定义各单独的显示像素区域。
通过光源7来照射所述显示面板3，该光源7在本例中包括在所述显示像素阵列的区域之上延伸的平面背光。来自该光源7的光被引导穿过该显示面板3，其中各单独的显示像素5被驱动来调制所述光并且产生所述显示。
所述显示设备1还包括双凸透镜元件设置9，其被定位在所述显示面板3的显示侧之上，该设置可以被控制来选择性地执行视图形成功能。该双凸透镜元件设置9包括彼此平行地延伸的双凸透镜元件11的阵列，为清楚起见仅仅以夸张的尺寸示出了其中一个双凸透镜元件。
在图2中更加详细地示出了所述双凸透镜元件设置9。该设置9以展开形式被示出。
参照该图，可以看出，所述双凸透镜元件设置9包括一对透明玻璃基板13、15，其中在所述基板的相向表面上提供了由氧化铟锡(ITO)形成的透明电极层17、19。每一个电极层17、19具有多个平行细长电极的形式，并且对应的不同层17、19的电极被设置成彼此垂直。所述细长电极被设置成在其间具有小间隙，以便允许对所述细长电极进行单独寻址。
与上基板13相邻地在基板13、15之间提供利用复制技术形成的反双凸透镜结构21。此外，与下基板15相邻地在基板13、15之间提供向列液晶材料23。如图所示，所述反双凸透镜结构21使得所述液晶材料23在该反透镜结构21与下基板15之间取得平行的细长双凸透镜形状。此外，该反双凸透镜结构21和下基板15与所述液晶材料23相接触的表面还配备了用于对所述液晶材料23进行定向的定向层(未示出)。
在使用中，图1中示出的已知的可切换显示设备1适于提供显示输出，所述显示输出的各分立部分可以被单独地或者组合地在二维显示模式与三维显示模式之间进行切换。这样，可以在二维显示区域中提供一个或多个三维显示窗口。
通过在由液晶材料23形成的所述双凸透镜元件的上施加电场来实现所述显示输出的各分立部分在所述两种模式之间的可切换性。通过在所述电极层17、19的电极上施加电势生成该电场。
所述电势被施加到每一个电极层17、19的所选数目的相邻细长电极上。对上电极的选择限定将被切换的显示窗口的高度，对下电极的选择限定将被切换的该显示窗口的宽度。
所施加的电势使得所述显示区域的所选部分中的双凸透镜元件在保持光输出引导功能与去除光输出引导功能之间进行切换，下面将参照图3A和3B进行解释。
图3A是在没有向所述电极施加电势时的所述双凸透镜元件设置9的一部分的示意性横截面图。在该状态下，所述液晶材料23的折射率远高于所述反双凸透镜结构21的折射率，因此如图所示，所述双凸透镜形状提供所述光输出引导功能。
图3B示出了在向所述电极施加了近似50伏特的交流电势时所述双凸透镜元件设置9的一部分的示意性横截面图。在该状态下，所述液晶材料23的折射率基本上与所述反双凸透镜结构21的折射率相同，从而如图所示抵销了所述双凸透镜形状的光输出引导功能。因此，在该状态下，所述阵列实际上在“穿透”模式下操作。
本领域技术人员将认识到，所述液晶材料23的折射率的改变仅仅是针对具有特定偏振的光。因此，应当理解的是，必须在所述显示设备1的结构内合并光偏振装置，以便确保来自所述显示面板的光输出以适当的偏振进入所述设置的液晶材料23。
在保持所述光输出引导功能的情况下，如图3A所示，由所述液晶材料23限定的所述双凸透镜元件充当凸圆柱透镜，并且把不同的图像或视图从所述显示面板3提供到位于所述显示设备1前方的用户的眼睛。因此，可以提供三维图像。
在去除了所述光输出引导功能的情况下，如图3B所示，由所述液晶材料23限定的所述双凸透镜元件操作在“穿透”模式下，即所述双凸透镜元件好像是凸圆柱透镜的平坦薄板。因此，可以提供采用了所述所述显示面板3的完全固有分辨率的高分辨率二维图像。
通过控制器12把用以在两种显示模式之间进行切换的电势提供到所述双凸透镜元件设置9的电极。
可以在US 6,069,650和WO 98/21620中找到上面描述的已知显示设备1的结构的进一步细节，其全部内容被合并在此以作参考。
上面描述的已知显示设备1适于在二维显示区域内提供一个或多个三维显示窗口。可以通过改变对于向其施加所述电势的所述双凸透镜设置9的电极的选择来简单地调节所述显示窗口的尺寸和位置。
已经发现，可以在上面描述的显示设备1的所切换的显示窗口内观察到不合期望的条纹行或波纹状图案。已经发现所述波纹状图案是在寻址每一个电极层17、19中的多个电极时由电场中的不规则性所导致的。特别地，已经发现相邻电极之间的间隙导致所述液晶材料23内的电场中的不均匀性，这导致不连贯的折射率切换。
本发明提供一种在图1中示出的该类可切换显示设备，但是所述显示设备在施加电势时不会被强加条纹或波纹状图案。
下面将描述根据本发明的可切换显示设备的一个实施例。根据本发明的可切换显示设备具有与图1中示出的相同的结构，因此不提供单独的附图。因此，所述设备包括液晶显示面板3、光源7和控制器12，在上面已经给出了对它们的详细描述。
如图1所示，根据本发明的设备还包括位于所述显示面板3的显示侧之上的双凸透镜元件设置。根据本发明的设备的双凸透镜元件设置提供与图1和2中示出的相同的功能，但是其结构略有不同。
图4示意性地示出了根据本发明的设备的双凸透镜元件设置的结构。该设置31的结构类似于图2中示出的设置9的结构，其中在适当情况下采用了相同的附图标记来表示相同结构。
参照该图，可以看出所述双凸透镜元件设置31包括一对透明玻璃基板13、15，在其相向表面上提供了由氧化铟锡(ITO)形成的透明电极层17、19。该设置31还包括提供在所述基板13、14之间的电介质反双凸透镜结构21和液晶材料23。这些组件当中的每一个与上面参照图2描述的相应组件相同，因此省略详细的描述。
与图2中示出的设置9不同，根据本发明的设备的设置31还包括提供在所述液晶材料23与所述下基板15之间的电介质层33。该电介质层33基本上是平坦的，并且由光学透明的绝缘体形成。该层33可以具有从20μm到200μm的厚度。
如图所示，所述液晶材料23在所述反双凸透镜电介质结构21与所述电介质层33之间采取平行的细长双凸透镜形状。所述反双凸透镜电介质结构21和所述电介质层33与所述液晶材料23相接触的表面也配备有用于对所述液晶材料23进行定向的定向层(未示出)。
在使用中，根据本发明的可切换显示设备适于按照与图1中示出的已知设备相同的方式提供显示输出，因此将省略详细描述。
因此，所述显示区域的各分立部分可以被单独地或者组合地在二维显示模式与三维显示模式之间进行切换。这样，可以在三维显示区域中提供一个或多个二维显示窗口。
在使用根据本发明的显示设备的过程中，不存在可以在图1中示出的已知显示设备1的切换的显示窗口内观看到的不合期望的条纹或波纹状图案。相反，可以观看到在所述显示区域内具有连贯亮度的切换的显示窗口。
通过在所述液晶材料23的两侧提供电介质层21、33在根据本发明的显示设备中避免了所述条纹或波纹状图案。特别地，所述电介质层21、33把所述液晶材料23与所述电极层17、19间隔开。因此，虽然由所述电极17、19生成的所述电场中的不连贯性仍然存在，但是这些不连贯性被局限在所述电极之间的间隙周围，并且仅仅影响相邻的电介质层21、33。所述液晶材料23内的电场是连贯的，从而允许更加连贯的折射率切换。
与图1中示出的已知设备相比，根据本发明的显示设备要求在所述双凸透镜设置31的电极层17、19上提供略微更高的电势。需要该更高的电压来获得所述液晶材料23内的足够强的电场，这是因为所述液晶材料23的位置远离所述两个电极层17、19。
上面已经描述了本发明的一个具体实施例。但是本领域技术人员将认识到，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对该实施例做出多种改变和修改。
例如，上面描述了在二维显示中具有三维显示窗口的显示设备。但是本领域技术人员将认识到，根据本发明的设备可以在三维显示中具有二维显示窗口。
类似地，上面描述的显示设备包括液晶材料，所述液晶材料的上凸表面与具有下凹表面的电介质结构相接触。但是在替换实施例中，所述液晶可以具有凹表面，并且所述电介质结构可以具有凸表面。还可以关于所述显示面板交换所述液晶材料与所述电介质结构的相对位置。
上面描述的实施例采用了例如具有50μm到1000μm范围内的显示像素间距的液晶显示面板。但是本领域技术人员将认识到，可以采用其他类型的显示面板，比如有机发光二极管(OLED)或者阴极射线管(CRT)显示设备。
上面描述的实施例包括单独且不同的双凸透镜元件设置。但是在某些实施例中，各组件的基板可以被组合在一起以便减少部件数目。
上面描述的显示设备可以采用与显示像素的列方向成锐角倾斜的双凸透镜元件，如传统的自动立体显示设备中已知的那样。
上面描述的实施例包括平行的细长电极以用于把电场施加到所述透镜元件。但是所述电极可以采取任何形式，只要所述电极是不连续的(即包括间隙)即可。可以在每一个电极层中提供单一电极。
在上面的描述中，使用了短语“透镜元件”。该术语意指能够提供透镜功能的任何元件，比如通过与折射率不同的材料具有非平坦(凸或凹)边界。

Claims (18)

1、一种可切换的自动立体显示设备，其包括：
显示面板(3)，其具有显示像素的阵列以用于产生显示，所述显示像素被设置成行和列；
透镜元件(23)的阵列，其被设置在该显示面板(3)之上以用于引导所述显示像素的光输出，从而提供立体图像，所述透镜元件(23)包括电-光材料，可以通过选择性地施加第一值与第二值之间的电场来切换所述电-光材料的折射率，所述第一值保持光输出引导功能，第二值去除光输出引导功能；以及
被提供在所述透镜元件(23)的上方和下方以便在所述透镜元件(23)上施加电场的电极层(17、19)，至少其中一个所述电极层(17、19)是不连续的，
其中，所述电极层(17、19)通过电介质层(21、33)与所述透镜元件(23)间隔开，从而减轻了所述电极层不连续性对所述透镜元件(23)中的电场的影响。
2、根据权利要求1的可切换自动立体显示设备，其中，全部两个电极层(17、19)都是不连续的。
3、根据权利要求1或2的可切换自动立体显示设备，其中，每一个电极层(17、19)包括通过间隙分开的多个分立电极。
4、根据权利要求3的可切换自动立体显示设备，其中，每一个电极层(17、19)包括多个平行细长电极，不同层的电极彼此垂直地延伸。
5、根据权利要求3或4的可切换自动立体显示设备，其中，每一个电极层(17、19)与所述透镜元件(23)的最小间距是所述电极层(17、19)的相邻电极之间的间隙的宽度的1到10倍。
6、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，所述第一和第二电介质层(17、19)分别面向所述透镜元件(23)的成形表面和基本上平坦的表面。
7、根据权利要求6的可切换自动立体显示设备，其中，所述第一电介质层(21)具有与所述透镜元件(23)的成形表面相匹配的成形表面。
8、根据权利要求6或7的可切换自动立体显示设备，其中，所述第二电介质层(33)具有与所述透镜元件(23)的基本上平坦的表面相匹配的基本上平坦的表面。
9、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，所述第一和/或第二电介质层包括光学透明的绝缘体。
10、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，所述透镜元件(23)的阵列包括平行双凸透镜元件的阵列。
11、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，所述电-光材料包括液晶材料。
12、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，所述电极层(17、19)包括氧化铟锡。
13、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，还包括控制器，该控制器被设置成在所述电极层(17、19)上选择性地施加电势，以便在所述透镜元件(23)上施加所述电场。
14、根据权利要求12的可切换自动立体显示设备，其中，所述控制器被设置成把所述电势选择性地施加到所述电极层(17、19)的所选电极，从而切换所述透镜元件(23)的阵列的所选部分的折射率。
15、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，所述显示像素具有矩形形状，其中所述显示像素的长边在所述列方向上延伸。
16、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，显示像素的行与列是正交的。
17、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，所述显示面板(3)是液晶显示面板。
18、根据任一条在前权利要求的可切换自动立体显示设备，其中，显示像素被提供在所述显示像素行与列的每一个交点处。
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