CN101893788A - 自动立体显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动立体显示装置,包括显示面板和背光源;所述显示面板,包括对置的上基板和下基板,和密封于上下基板之间的液晶层,并且所述液晶层由多个液晶分子组成;所述背光源,用于向所述显示面板提供光线;其中,所述显示面板包括复数个像素单元,每一像素单元包括第一子像素单元和第二子像素单元;位于第一子像素单元中的液晶分子与位于第二子像素单元中的液晶分子具有相反配向;所述光线经过显示面板中位于第一子像素单元的液晶分子沿第一方向出射以及经过位于第二子像素单元的液晶分子沿第二方向出射。该装置能够减少显示画面产生图像串扰。
Description
技术领域
本发明涉及三维(3D)立体显示技术领域,尤其涉及一种可以降低图像串扰的自动立体显示装置。
背景技术
随着电视机尺寸的增加以及解析度的提高,为提供给观察者更加逼真的画面,高清晰度电视(HDTV:High Deefnition Television)技术成为人们不断追求的目标。
众所周知,现实世界是三维立体世界,人的三维视觉效果主要是依靠两只人眼,即人眼看到的周围环境其实是具有轻微的方向偏差的。人的两只眼睛或者说是两只眼睛瞳孔之间的距离产生的偏差是不同的。成人的瞳孔间距平均约为65毫米,这就使得在人的视网膜上形成两幅具有轻微视角差异的图像,然后经过人脑的进一步融合作用,则观察者可以感知到一幅具有立体效果的图像。
近年来,随着高清电视技术的发展,人们对于更加真实显示图像技术的追求也越来越高。利用这个三维(3D:3Dimensional)立体成像的原理,通过显示器将两幅具有位差的左图像和右图像分别呈现给左眼和右眼,即可以获得3D的感觉。目前较常见的自动立体显示装置(auto stereoscopic display)主要有:障栅(barrer)式立体显示装置和透镜阵列(lenticular-based)式立体显示装置。自动立体显示装置无需观察者佩戴观察辅助设备(如眼镜、头盔等),其信号处理单元,例如可以是图形处理单元(GPU)将同一画面的至少两幅具有轻微视差的图像发送至显示屏幕,再通过设置于显示屏幕前方的障栅或者透镜阵列的光学作用,该至少两幅具有轻微视差的图像分别作为左图像和右图像各自进入观察者的左眼和右眼,然后经过观察者的人脑的进一步融合作用,被感知为一幅具有立体效果的图像。
然而,在传统的自动立体显示装置中,形成的左图像和右图像之间会存在漏光,即部分左图像的光线能够进入观察者的右眼,或者部分右图像的光线能够进入观察者的左眼,如图1所示。图1中示出了现有技术自动立体显示装置产生漏光的示意图。显示屏幕上交替排列着左图像1和右图像2,设置于显示屏幕后面的背光源(图1中未示出)发出光线照亮显示屏幕上的左图像1和右图像2,则经过设置于显示屏幕前面的透镜阵列5(由多个透镜单元组成)的折射作用,照亮左图像1的光线与照亮右图像2的光线主要分成沿第一定向出射的光线3和沿第二定向出射的光线4,该沿第一定向出射的光线3和沿第二定向出射的光线4分别进入观察者的左眼和右眼;但是,由于目前的自动立体显示技术的局限性,经过透镜阵列5尚会存在部分光线例如照亮左图像1的漏光线(如图中3’)大致沿着第二定向射入右眼,或者照亮右图像2的漏光线(如图中4’)大致沿着第一定向射入左眼,这种漏光被称为图像串扰(crosstalk),其所带来的问题即部分左图像能够被右眼看到,反之亦然。同样,对于障栅式的自动立体显示装置,这种现象也无法避免。这就严重影响了3D显示画面的显示质量,使得观察者产生严重的视觉疲劳。所以,这一缺憾成为业界亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种自动立体显示装置,该装置能够减少显示画面产生图像串扰。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种自动立体显示装置,包括显示面板和背光源;
所述显示面板,包括对置的上基板和下基板,和密封于上下基板之间的液晶层,并且所述液晶层由多个液晶分子组成;
所述背光源,用于向所述显示面板提供光线;
其中,所述显示面板包括复数个像素单元,每一像素单元包括第一子像素单元和第二子像素单元;
位于第一子像素单元中的液晶分子与位于第二子像素单元中的液晶分子具有相反配向;
所述光线经过显示面板中位于第一子像素单元的液晶分子沿第一方向出射以及经过位于第二子像素单元的液晶分子沿第二方向出射。
由上述的技术方案可见,本发明的自动立体显示装置将显示面板的每个像素单元分为两个子像素单元,并且这两个子像素单元中的液晶分子配向相反,这样,在给该装置施加合适的电压后,背光源的光线经过这两个子像素单元的液晶分子后,分别沿两个定向出射,有效减少不同子像素单元之间的漏光现象,不会出现现有技术中从一个子像素单元射出的光线射向每个方向的现象,即从一个子像素单元射出的光线同时进入观察者的左右眼。所以有效解决了图像串扰的问题,减轻了观察者的视觉疲劳。
对于水平电场开关(IPS)结构显示面板,由于液晶分子具有一定的预倾角,在液晶层不施加电压的情况下,背光源的光线经过两个子像素单元的液晶分子后,分别沿两个定向出射,同样也可以有效减少不同子像素单元之间的漏光现象,实现避免图像串扰的问题。
附图说明
图1为现有技术自动立体显示装置产生漏光的示意图;
图2为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板剖面结构示意图;
图3为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板的光学效果示意图;
图4为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板所施加电压与其穿透度的关系曲线示意图;
图5a-5b为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板在无电压差和具有电压差两种状态下的工作示意图;
图6为本发明第一实施例的自动立体显示装置的模拟效果图;
图7a-7b为本发明第二实施例的自动立体显示装置在无电压差和具有电压差两种状态下的工作示意图。
具体实施方式
为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的核心思想是:将自动立体显示装置中的每个像素单元分成两个域(domain),即分为左子像素单元和右子像素单元,其中左子像素单元与右子像素单元中液晶分子的配向(Alignment)相反,因此产生相反的预倾角(pretilt),在液晶层施加适当的电压下,液晶分子发生偏转,使得左子像素单元中的左图像被光线照射后,主要进入观察者的左眼,同时,右子像素单元中的右图像被光线照射后主要进入观察者的右眼,当左右子像素单元同时给出不同的图像信号时,再经过位于显示面板前面的透镜阵列或者障栅阵列的进一步作用,就会出现理想的3D效果,从而有效减少了图像串扰的发生。
参照图2,其为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板剖面结构示意图。如图所示,依照本发明的第一实施例的自动立体显示装置的显示面板100包括:下基板110、上基板120,和密封于上、下基板120、110之间的液晶层130。在下基板110的外表面顺次设置有:第一四分之一波片141(也称之为下四分之一波片)、第一偏光片151(也称之为下偏光片)以及上基板120的外表面顺次设置有:第二四分之一波片142(也称之为上四分之一波片)、第二偏光片152(也称之为上偏光片)。进一步地,该自动立体显示装置还包括背光源(图中未示出),背光源可以设置于显示面板100的背面或者侧边,用于向显示面板100发出光线。作为光源,可以采用冷阴极荧光灯(CCFL),还可以采用外电极荧光灯(EEFL),以及采用具有优良亮度和色彩再现的发光二极管(LED)。进一步地,显示面板100的下基板110的与上基板120相对的表面(称之为下基板110的内表面)上还设置有像素电极,上基板120的与下基板110相对的表面(称之为上基板120的内表面)还设置有公共电极。进一步地,在本发明的第一实施例的自动立体显示装置的显示面板100的分别位于上、下基板120、110内侧与液晶层130接触的表面具有上配向膜和下配向膜。该第一实施例的显示面板100还包括多个像素单元。图2则示意性地示出了该第一实施例的显示面板100中的一个像素单元的剖视图。在该图中,该像素单元分成两个域(domain),即由第一子像素单元和第二子像素单元组成,在本说明书中,也可以将该第一子像素单元和第二子像素单元分别称作左子像素单元和右子像素单元。其中,该左子像素单元130L与右子像素单元130R中的液晶分子具有方向相反的配向(alignment)。该液晶分子的方向相反的配向是通过在上、下基板120、110分别与液晶层130接触的表面涂抹配向膜来实现的,如图2中标号121L和121R分别代表箭头所指的方向(或者图2中标号111L和111R分别代表箭头所指的方向),即表示分别和左子像素单元130L、右子像素单元130R相对应的配向膜的的配向方向,该分别和左子像素单元130L、右子像素单元130R相对应的配向膜的相反的配向方向使得分别位于该左子像素单元130L与右子像素单元130R的液晶分子具有相反的配向。对于该实施例中的配向膜的处理,可以根据公知的配向处理技术,即在下基板110的上表面以及上基板120的下表面涂抹配向膜材料,例如可以是完全亚胺化的可溶性聚醯铵,再运用例如摩刷(rubbing)处理方法,即主要以卷在金属滚轮的布摩刷烧制后的配向膜,从而使得液晶分子朝向预定方向对齐。优选地,液晶显示面板中的液晶分子的长轴与液晶显示面板所在的平面保持一定的预倾角,由于左子像素单元130L与右子像素单元130R的液晶分子具有相反的配向,因此,左子像素单元130L与右子像素单元130R的液晶分子具有相反的预倾角(pretiltangle)。该一定的预倾角例如可以为2°,则在同一子像素单元,例如在左子像素单元130L,为保持左子像素单元130L的液晶分子在长轴方向平行或者逆向平行(此处可以定义预倾角为2°的液晶分子的排列状态为在长轴方向平行,而预倾角为-2°的液晶分子的排列状态为与预倾角为2°的液晶分子在长轴方向逆向平行),则在左子像素单元130L中的上、下配向膜的配向方向相反,即如图中标号121L和111L分别表示箭头所指的方向所示。同理,对于右子像素单元亦然。
进一步地,图2所示的像素单元中位于下基板110上的像素电极也被分成分别位于左子像素单元和右子像素单元的左子像素电极和右子像素电极,在本发明第一实施例的自动立体显示装置中,该左子像素电极和右子像素电极分别被输入不同的信号,该左子像素电极和右子像素电极上被输入的不同信号分别代表不同的图像信号,例如图3中分别代表输入观察者左眼的左图像信号L1、L2、L3...,以及输入观察者右眼的右图像信号R1、R2、R3...。进一步地,该实施例的自动立体显示装置为实现自动立体显示,则显示面板的左子像素电极与右子像素电极上的左图像信号与右图像信号可以分别同时被输入左子像素电极与右子像素电极。
优选地,下偏光片(一般称之为polarizer)151为45度偏光片,上偏光片(一般称之为analyzer)152为135度偏光片,液晶的配向方向为0度,以保证在水平方向上获得最大穿透度,即左右方向上的最佳立体效果。
当本发明的第一实施例的自动立体显示装置的显示面板100其上、下基板120、110之间的电压差为0时,则密封于上、下基板120、110之间的液晶分子大致保持其长轴与上、下基板120、110平行的状态(也可以有预倾角,例如可以是2度的预倾角),如图2所示的状态。因为图2中所示的像素单元分成的左子像素单元130L与右子像素单元130R左右对称,所以,为说明的清楚简要,下面将以像素单元中的右子像素单元130R为例进行示例说明(关于左子像素单元130L的说明,参照右子像素单元130R的镜像对称即可),以下请结合图4参考图5a-5b。
图4为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板所施加电压与其穿透度的关系曲线示意图,以及图5a、5b为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板在无电压差和具有电压差两种状态下的工作示意图。
在公知技术中,液晶分子可以被看作是微小的光阀,光线穿过液晶层130的穿透度T满足以下公式:
其中,φ为液晶分子长轴与偏光片透过轴的夹角,Γ为相位差;且Γ满足以下公式:
Γ=2π(Δn)d/λ (2)
公式(2)中,λ为入射光的波长,Δn为液晶的双折射系数,d为液晶层的厚度。
优选地,公式(1)中,当φ为45度或者135度时,即背光源发出的光线依次经过设置于下基板110外表面的45度的下偏光片151和设置于上基板120外表面的135度的上偏光片152,穿过液晶层130的光线具有较大的穿透度;进一步地,公式(1)中,当Γ为(2k+1)π时,穿过液晶层130的光线具有较大的穿透度,则穿过液晶层130的光线具有的光程差(Δn)d最小近似为
进一步地,为补偿光线穿过液晶层130的该的最小近似光程差,在下基板110的外表面和上基板的120的外表面分别设置下四分之一波片141和上四分之一波片142,来补偿光线穿过液晶层130时产生的的最小近似光程差。
当向液晶层130施加电压时,液晶分子的长轴会与该显示面板所在的平面形成θ角的倾角。对液晶层施加不同的电场,可以使得液晶分子的排列不同(即θ角不同),从而导致光的穿透度的改变。具体可结合图4参考图5a、5b。
结合图4参考图5a,图5a所示为本发明第一实施例的自动立体显示装置的显示面板在无电压差的状态下的工作示意图,其揭示了液晶层左、右子像素单元的液晶分子排列状况(为清楚起见,以下只以右子像素单元中的一个液晶分子作示例性地详细说明,左子像素单元中的液晶分子工作方式与右子像素单元中的液晶分子的工作方式为镜像对称)。在公知技术当中,观察者观看显示屏幕时,其大脑对显示画面的感知是通过以下公式来衡量的:
Y=AXγ (3)
该公式(3)即公知的伽马(γ)校正公式,其中,Y为亮度,X为大脑的感知,A只是一个用以代表成正比的常数,则观察者的大脑的感知是与亮度正相关的,即大脑感觉可近似于与亮度的(1/γ)次方成正比,并且,(1/γ)的值约为0.4至0.45之间。
在本发明第一实施例的自动立体显示装置中,显示面板100中的像素电极(未图示)接收电压;该电压从而控制液晶层130中液晶分子的排列从而控制射入显示面板100中液晶层130的背光光线的穿透度。因为显示面板100的亮度与射出显示面板的背光光线的穿透度正相关,所以,观察者的大脑的感知与穿透度也是正相关的。所以,观察者观察到的画面的灰阶也可以用穿透度来考量。具体地,穿过液晶层的光线的穿透度(Transmittance)与施加在液晶层上的电压的关系可以用图4所示的穿透度-电压关系曲线来表示。
如图4中所示,曲线T1、T2分别表示观察视角(所谓观察视角,定义为观察者的视线与显示屏幕平面的法线之间的夹角)为30度(当然,此处的观察视角并不限于30度,此处仅给出一示例性数据)时,分别从右子像素单元射向观察者的右眼的光线以及从左子像素单元射向观察者左眼的光线的穿透度-电压之间的关系曲线。
因为当向液晶层130施加电压时,液晶分子会发生扭转,其长轴与显示面板所在的平面形成θ角的倾角。对液晶层施加不同的电场,可以使得液晶分子的排列不同(即θ角不同),从而导致光的穿透度的改变。优选地,本发明的该实施例中的液晶分子为正型液晶,使得液晶分子的长轴向电场方向扭转。
参考图5a,当未向液晶层130施加电压时,液晶分子的长轴大致平行于显示面板所在的平面(也可以具有较小的预倾角度,例如2度),因液晶层的相位差抵消了2张1/4波片(也就是下四分之一波片141和上四分之一波片142)的相位差,总相位差为0,所以入射光线基本上不穿过显示面板。即在此种状态下,未向液晶层施加电压,观察者的左、右眼睛都看不到显示画面。
参考图5b,当液晶显示面板100的上、下基板之间具有一较大电压差(约为4.8V的电压)时,液晶分子的长轴与显示面板所在的平面形成一较大的扭转角度,则入射光的行进方向向液晶分子的长轴方向偏向,而光线基本上不会沿液晶分子短轴方向传播,则结合图3,表现在图5b中,即右子像素单元中的右图像被光线照射进入观察者的右眼而不会被光线照射进入观察者的左眼,同理,左子像素单元中的左图像被光线照射进入观察者的左眼而不会被光线照射进入观察者的右眼;在此种状态(即液晶层被施加电压)下,观察者的左、右眼之间基本无图像串扰的现象发生。
以该像素单元中右子像素单元作示例性验证,只是向该右子像素单元施加一较大电压(例如约为4.8V的电压),得到的验证结果表现在图4中即进入观察者右眼的曲线T1对应地有一较大的穿透度值,而进入观察者左眼的曲线T2对应地穿透度值还是几乎为0。
再结合参考图6,其为对本发明第一实施例的自动立体显示装置的验证效果示意图。为使验证效果更加对比明显,示意性地,令本发明的自动立体显示装置的显示面板100中的左子像素单元不施加电压,而对右子像素单元施加4.8V的电压,则由图6可以清楚地看到,表示亮度的等高线几乎全部集中在表示右子像素单元的右边区域,而表示左子像素单元的左边区域几乎没有亮度等高线分布。再如图4所示,当液晶层施加的电压大于4.8伏时,由分别代表从右子像素单元射向观察者的右眼的光线的穿透度-电压关系曲线T1和从左子像素单元射向观察者的左眼的光线的穿透度-电压关系曲线T2可看出,T1、T2分别对应一较大的穿透度值,即表示均有光线会同时照亮左子像素单元和右子像素单元,所以,观察者的左眼会同时看到左图像和右图像(同理,观察者的右眼也会同时看到右图像和左图像),即产生了图像串扰现象。因此,为保证左、右图像之间无图像串扰,所以,向液晶层施加约为4.8伏的电压,并且保证了显示装置具有最大穿透度。
以上详细说明的是本发明第一实施例的自动立体显示装置中右子像素单元的具体结构以及工作原理,由于左子像素单元与右子像素单元为镜像对称关系,所以,对于左子像素单元的结构以及工作原理,可以参照右子像素单元镜像对称以及对应相同即可。
再结合参考图3,其为本发明第一实施例的自动立体显示装置的光学效果示意图。显示面板上交替排列着左图像1和右图像2,设置于显示屏幕后面的背光源(图中未示出)发出光线照亮显示面板上的左图像1和右图像2,则经过设置于显示屏幕前面的由多个透镜单元组成的透镜阵列(或者由多个障栅单元组成的障栅阵列)的折射作用,照亮左图像1的光线与照亮右图像2的光线,在液晶层施加适当的电压后,分成沿第一定向出射的光线6和沿第二定向出射的光线7,该沿第一定向出射的光线6和沿第二定向出射的光线7分别进入观察者的左眼和右眼。并且,减少了现有技术中的漏光光线3’和4’。
经过以上的详细说明,可以看到,本发明第一实施例的自动立体显示装置有效减少了左图像与右图像之间的漏光现象,一定程度上减少了图像串扰的发生。
本发明的自动立体显示装置的显示面板还可以是应用水平电场开关(IPS:In-Plane Switching)结构显示面板,IPS结构显示面板包括在下基板210靠近液晶层的一侧上设置的像素电极和公共电极,像素电极和公共电极统称为水平电极。如图7a所示,在本发明第二实施例的自动立体显示装置的IPS结构显示面板的上基板220、下基板210的内表面分别涂抹配向层,并且在同一像素单元的左、右两个子像素单元中,配向膜具有相反的配向方向,如图中同一像素单元箭头211L所示的下配向膜的方向与箭头211R所示的下配向膜的配向方向(或者箭头221L所指的上配向膜的配向方向与箭头221R所指的上配向膜的配向方向),该同一像素单元中两个配向方向使得像素单元分成左子像素单元230L与右子像素单元230R,分别位于该左子像素单元230L与右子像素单元230R的液晶分子具有不同的配向方向。较佳地,在液晶层未被施加电压的状态下,由于配向膜的作用,分别位于左子像素单元230L与右子像素单元230R的液晶分子分别具有一预倾角。由于左右子像素单元230L、230R的液晶分子的不同配向方向,可以使得它们分别具有相反的预倾角。优选地,根据本说明书中的公式(1),为使得穿过液晶层的背光光线具有最大的穿透度,由于液晶分子长轴与偏光片光轴的夹角为45度或135度,在此实施例中,液晶分子由于选材的关系,其折射率约为1.5,当背光光线从液晶显示面板的背面入射液晶层并经过液晶层再出射至显示面板外面时,近似认为空气的折射率为1,则依据折射定律:
根据α入射近似为45度,n入射为1,n折射约为1.5,则可以计算得出,α折射约为63度,即对应液晶分子的预倾角约为63度时,显示面板在倾斜45度方向上具有最大的穿透度。液晶分子的配向方向与水平电极方向的夹角成45度,即水平电极与上偏光片和下偏光片中的其中一个偏光片的透过轴平行。
则,在此种状态下,由于右子像素单元中的液晶分子光轴(即长轴)朝左,因此对应左方向上的相位差近似为0,穿透度也为0,而右方向上的光程差近似为二分之一波长,即Γ=π,则穿透度为最大,所以右子像素单元230R中的右图像被光线照射进入观察者的右眼睛而不会被光线照射进入观察者的左眼,同理,左子像素单元230L中的左图像被光线照射进入观察者的左眼睛而不会被光线照射进入观察者的右眼;在此种状态(即液晶层未施加电压)下,观察者观看到完整一个像素单元的显示画面而左、右眼之间无图像串扰的现象发生。
如图7b所示,当向(IPS)结构显示面板的下基板上的电极施加电压时,左、右子像素单元中的液晶分子分别处于长轴平行于偏光片透过轴的方向,则根据公式(1),得φ=0,T=0,所以入射光线基本上不穿过显示面板。即在此种状态下,即向液晶层施加电压,观察者的左、右眼都看不到显示画面。此处关于形成左、右子像素单元的不同配向的方法均为公知技术,故此处不做赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改,因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种自动立体显示装置,包括显示面板和背光源;
所述显示面板,包括对置的上基板和下基板,和密封于上、下基板之间的液晶层,并且所述液晶层由多个液晶分子组成;
所述背光源,用于向所述显示面板提供光线;
其特征在于,所述显示面板包括复数个像素单元,每一像素单元包括第一子像素单元和第二子像素单元;
位于第一子像素单元中的液晶分子与位于第二子像素单元中的液晶分子具有相反配向;
所述光线经过显示面板中位于第一子像素单元的液晶分子沿第一方向出射以及经过位于第二子像素单元的液晶分子沿第二方向出射。
2.如权利要求1所述的自动立体显示装置,其特征在于,该装置还包括位于显示面板前面的透镜阵列,所述透镜阵列包括复数个透镜单元。
3.如权利要求1所述的自动立体显示装置,其特征在于,该装置还包括位于显示面板前面的障栅阵列,所述障栅阵列包括复数个障栅单元。
4.如权利要求2或3所述的自动立体显示装置,其特征在于,上基板包括公共电极,下基板包括像素电极,当液晶层未被施加电压时,液晶分子长轴基本平行于上基板和下基板,背光光线基本无法穿过液晶层。
5.如权利要求4所述的自动立体显示装置,其特征在于,当液晶层被施加约为4.8伏的电压时,显示装置具有最大穿透度,并且基本无图像串扰。
6.如权利要求2或3所述的自动立体显示装置,其特征在于,该装置还包括位于上基板外表面的上偏光片和位于下基板外表面的下偏光片。
7.如权利要求6所述的自动立体显示装置,其特征在于,该装置还包括位于上基板和上偏光片之间的上四分之一波片,以及位于下基板和下偏光片之间的下四分之一波片。
8.如权利要求1所述的自动立体显示装置,其特征在于,所述第一子像素单元显示的图像信息与所述第二子像素单元显示的图像信息不同。
9.如权利要求1所述的自动立体显示装置,其特征在于,所述显示面板为水平电场开关结构;所述显示面板在未加电压时,具有大致为63度的预倾角。
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