CN102096229B - 一种2d/3d切换型立体显示器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种2D/3D切换型立体显示器及其控制方法。该2D/3D切换型立体显示器包括：显示面板，用于提供具有一偏振方向的图像；偏振旋转器，用于旋转图像的偏振方向，以使2D/3D切换型立体显示器在2D显示状态与3D显示状态之间进行切换；透镜组件，具有相互垂直的第一方向和第二方向，其中透镜组件理论上对偏振方向位于第一方向上的图像产生非透镜效应，且对偏振方向位于第二方向上的图像产生透镜效应。该偏振旋转器配置成使得偏振方向与第一方向或第二方向成一个小于45°的夹角。通过上述方式，可有效地补偿2D显示状态下的透镜组件的折射率失配或者3D显示状态下的显示面板与透镜组件之间的距离失配，提高显示效果。

Description

一种2D/3D切换型立体显示器及其控制方法

【技术领域】

本发明涉及立体显示领域，尤其涉及一种2D/3D切换型立体显示器及其控制方法。

【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，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，给左右眼分别发送具有一定视差的两幅图，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。

立体显示器一般有两种方式：狭缝光栅式立体显示器和微透镜阵列式立体显示器。其中，微透镜阵列式立体显示器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。

传统的微透镜阵列式立体显示器，无法实现2D-3D之间的转换，给使用带来了不便。因此需要一种立体显示器，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。

现有的立体显示器由于制造工艺存在一定的误差，使得该立体显示器在实际显示的时候会出现一些与设计值存在偏差，就会影响显示的品质，例如2D的效果不清晰，3D的最佳观看距离不准等问题。

【发明内容】

本发明解决的技术问题是提供一种2D/3D切换型立体显示器及其控制方法，以有效地补偿2D显示状态下的透镜组件的折射率失配或者3D显示状态下的显示面板与透镜组件之间的距离失配，提高显示效果。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是提供一种2D/3D切换型立体显示器，包括：显示面板，所述显示面板用于提供具有一偏振方向的图像；偏振旋转器，所述偏振旋转器用于旋转所述图像的所述偏振方向，以使所述2D/3D切换型立体显示器在2D显示状态与3D显示状态之间进行切换；透镜组件，所述透镜组件具有相互垂直的第一方向和第二方向，其中所述透镜组件理论上对所述偏振方向位于所述第一方向上的所述图像产生非透镜效应，且对所述偏振方向位于所述第二方向上的所述图像产生透镜效应，其中，所述偏振旋转器配置成使得所述偏振方向与所述第一方向或所述第二方向成一小于45°的夹角。

根据本发明一优选实施例，在所述2D显示状态下，所述偏振方向与所述第一方向成第一夹角，以补偿所述透镜组件在所述第一方向上的折射率失配。

根据本发明一优选实施例，在所述3D显示状态下，所述偏振方向与所述第二方向成第二夹角，以补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

根据本发明一优选实施例，所述偏振旋转器包括：第一面板；第二面板，所述第二面板与所述第一面板间隔设置；第一电极结构，设置于所述第一面板上；第二电极结构，设置于所述第二面板上；液晶层，夹置于所述第一面板和所述第二面板之间，且包括多个液晶分子；控制模块，为所述第一电极结构和所述第二电极结构提供控制电压，以改变所述液晶分子的排列方向。

根据本发明一优选实施例，在所述2D显示状态下，所述控制模块根据所述透镜组件在所述第一方向上的折射率差调整所述控制电压，以使所述偏振方向与所述第一方向成第一夹角，进而补偿所述透镜组件在所述第一方向上的折射率失配。

根据本发明一优选实施例，在所述3D显示状态下，所述控制模块根据所述透镜组件在所述第二方向上的折射率差以及所述显示面板与所述透镜组件之间的距离调整所述控制电压，以使所述偏振方向与所述第二方向成第二夹角，进而补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

根据本发明一优选实施例，所述透镜组件包括单折射率透镜阵列和双折射率透镜阵列，且所述单折射率透镜阵列和所述双折射率透镜阵列均包括平面部分以及与所述平面部分相对的曲面部分，所述单折射率透镜阵列和所述双折射率透镜阵列的曲面部分相互契合，所述双折射率透镜阵列沿所述第一方向具有第一折射率，并沿所述第二方向具有第二折射率，所述单折射率透镜阵列具有第三折射率，其中所述第一折射率在理论上与所述第三折射率相匹配。

根据本发明一优选实施例，所述双折射率透镜阵列包括一液晶层，所述液晶层包括多个液晶分子，所述液晶分子沿预定方向固化于所述液晶层中。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是提供一种2D/3D切换型立体显示器的控制方法，包括：a.利用显示面板提供具有一偏振方向的图像；b.利用偏振旋转器旋转所述图像的所述偏振方向，以使得所述偏振方向与透镜组件的第一方向或第二方向成一小于45°的夹角，其中所述第一方向和所述第二方向相互垂直，所述透镜组件在理论上对所述偏振方向位于所述第一方向的所述图像产生非透镜效应，且对所述偏振方向位于所述第二方向上的所述图像产生透镜效应。

根据本发明一优选实施例，在所述步骤b中，在2D显示状态下，所述偏振方向与所述第一方向成第一夹角，以补偿所述透镜组件在所述第一方向上的折射率失配。

根据本发明一优选实施例，在所述步骤b中，在3D显示状态下，所述偏振方向与所述第二方向成第二夹角，以补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

根据本发明一优选实施例，在所述步骤b中，在2D显示状态下，根据所述透镜组件在所述第一方向上的折射率差调整所述偏振旋转器的控制电压，以使所述偏振方向与所述第一方向成第一夹角，进而补偿所述透镜组件在所述第一方向上的折射率失配。

根据本发明一优选实施例，在所述步骤b中，在3D显示状态下，根据所述透镜组件在所述第二方向上的折射率差以及所述显示面板与所述透镜组件之间的距离调整所述偏振旋转器的控制电压，以使所述偏振方向与所述第二方向成第二夹角，进而补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

通过上述实施例，可有效地补偿2D显示状态下的透镜组件的折射率失配或者3D显示状态下的显示面板与透镜组件之间的距离失配，提高显示效果。

【附图说明】

图1是本发明实施例的2D/3D切换型立体显示器的结构示意图；

图2是本发明实施例的偏振旋转器的控制电压与液晶分子的偏转角度之间关系的示意图；以及

图3是本发明实施例的2D/3D切换型立体显示器的控制方法的流程示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1，图1为本发明实施例的2D/3D切换型立体显示器的结构示意图。

在本实施例中，该2D/3D切换型立体显示器包括：显示面板10、偏振旋转器20以及透镜组件30。

在本实施例中，显示面板10用于提供具有一偏振方向的图像。显示面板10包括液晶显示面板、等离子显示面板或CRT显示面板。其中，由于液晶显示面板的表面设置有偏振片，因此液晶显示面板可以直接提供具有一偏振方向的图像，而等离子显示面板或CRT显示面板可以通过与适当的偏振片或起偏器结合来提供具有一偏振方向的图像。在本实施例中，显示面板10提供的图像的偏振方向位于图1的纸面内。

在本实施例中，偏振旋转器20包括第一面板21、第一电极结构22、液晶层23、第二电极结构24、第二面板25以及控制模块26。其中，第二面板25与第一面板21间隔设置。第一电极结构22和第二电极结构24分别位于第一面板21和第二面板25上，并在本实施例中为相互垂直的条状电极。液晶层23夹置于第一面板21和第二面板25之间，且包括多个液晶分子。在一优选实施例中，液晶分子通过适当的配向机制(例如，配向膜)进行配向，以使得在不施加电压的情况下，液晶分子的指向矢(即，光轴方向)平行于第一面板21和第二面板25，并且液晶分子的指向矢从第一面板21的表面到第二面板25的表面逐步扭转90°。此时，当入射到偏振旋转器20上的图像的偏振方向与处于第一面板21表面的液晶分子的指向矢平行时，图像的偏振方向会随着液晶层23中的液晶分子的逐步扭转而发生同步旋转，并在到达第二基板25的表面时，图像的偏振方向旋转达到90°。在本实施例中，在不施加电压的情况下，图像在经过偏振旋转器20后其偏振方向由原来的位于图1的纸面内变为垂直于图1的纸面。

控制模块26用于为第一电极结构22和第二电极结构24提供控制电压，以改变液晶分子的排列方向。具体来说，当控制模块26所提供的控制电压大于阈值V_th时，液晶层23中的液晶分子的扭转结构就会被破坏，变成沿液晶层23中的电场方向倾斜排列。当控制电压达到2V_th时，除了第一面板21和第二面板25的表面处的液晶分子外其他所有液晶分子变为沿电场方向排列。此时，偏振旋转器20的90°旋光性能消失，图像在经过偏振旋转器20后其偏振方向不发生变化。当然，本领域技术人员完全可以想到通过其他方式来选择性旋转显示面板10所提供的图像的偏振方向。

在本实施例中，透镜组件30包括单折射率透镜阵列31和双折射率透镜阵列32。单折射率透镜阵列31的两侧分别包括平面部分以及与平面部分相对的曲面部分。在本实施例中，单折射率透镜阵列31的曲面部分为凸面。单折射率透镜阵列31可由本领域公知的适当的单折射材料制成，并具有一致的折射率n_p。双折射率透镜阵列32的两侧也分别包括平面部分以及与平面部分相对的曲面部分。在本实施例中，双折射率透镜阵列32的曲面部分为凹面，并与单折射率透镜阵列31的曲面部分相互契合。当然，本领域技术人员完全可以想到将单折射率透镜阵列31的曲面部分设计成凹面，并将双折射率透镜阵列32的曲面部分设计成凸面。在本实施例中，双折射率透镜阵列32为一液晶层，该液晶层内包括多个液晶分子。液晶分子的指向矢(即，光轴方向)平行于双折射率透镜阵列32的平面部分，且沿预定方向排列，并优选固化于该液晶层中。

液晶分子本身具有双折射特性，并包括垂直于光轴方向上的第一折射率n₁以及沿光轴方向的第二折射率n₂。在理论上，通过选择单折射材料和液晶材料，可以使得单折射率透镜阵列31的折射率n_p与双折射率透镜阵列32的一个折射率n₁或n₂相匹配，同时使得单折射率透镜阵列31的折射率n_p与双折射率透镜阵列32的另一个折射率n₂或n₁不相匹配。此时，透镜组件30具有相互垂直的第一方向和第二方向。理论上，透镜组件30对偏振方向位于第一方向上的图像产生非透镜效应，且对偏振方向位于第二方向上的图像产生透镜效应。例如，在本实施例中，透镜组件30对偏振方向垂直于图1纸面的图像产生非透镜效应，而对于偏振方向位于图1纸面内的图像产生透镜效应。此时，结合偏振旋转器20的90°旋光性能，可以将显示面板10提供的图像的偏振方向选择性旋转到第一方向或第二方向上。当图像的偏振方向位于第一方向时，双折射率透镜阵列32对该图像的光线不进行偏折，呈现为2D显示状态。当图像的偏振方向位于第二方向时，双折射率透镜阵列32对该图像的光线进行偏折，进而将左眼图像和右眼图像分别投射到观察者的左眼及右眼，呈现为3D显示状态。通过改变偏振旋转器20的控制电压即可实现2D显示状态与3D显示状态之间的切换。

然而，在实际制造过程中，透镜组件30在第一方向上的折射率达到完全匹配实际相当困难。由于加工工艺等因素的影响，透镜组件30在第一方向上的折射率会存在一定的失配情况，即单折射率透镜阵列31的折射率与双折射率透镜阵列32在第一方向上的折射率不完全匹配，进而导致在2D显示状态下图像会因为折射率失配所产生的偏折而变得模糊。此外，在组装过程中，一般要求显示面板10与透镜组件30保持预定的距离，例如要求显示面板10与透镜组件30之间的距离等于透镜组件30的焦距，然而由于组装工艺等因素的影响，显示面板10与透镜组件30之间的距离无法严格满足设计要求，因而导致立体效果不佳。

为此，在本发明一实施例中，在2D显示状态下，利用偏振旋转器20控制图像的偏振方向与透镜组件30的第一方向成小于45°的第一夹角，以补偿透镜组件30在第一方向上的折射率失配。当图像的偏振方向与液晶分子的光轴方向成一定夹角θ时，液晶分子对该图像的有效折射率满足以下公式：

$\frac{1}{{n_{\mathrm{eff}}}^2}=\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{n_2}^2}+\frac{{\cos }^2\mathrm{\θ}}{{n_1}^2}$

其中，n_eff为液晶分子对该图像的有效折射率，n₁为液晶分子在垂直光轴方向上的折射率，而n₂为液晶分子在光轴方向上的折射率。通过调整夹角θ，可以使得双折射率透镜阵列32对图像的有效折射率n_eff等于单折射率透镜阵列31的折射率n_p。此时，图像的光线在不发生任何偏折的情况下通过透镜组件30，进而呈现良好的2D显示效果。

在具体实施过程中，由控制模块26根据透镜组件30在第一方向上的折射率差调整控制电压，以控制偏振旋转器20内的液晶分子的偏转角度。此时，经偏振旋转器20旋转后的图像的偏振方向与透镜组件30的第一方向成一定夹角，进而补偿透镜组件在第一方向上的折射率失配。具体控制电压调整可参照图2所示的偏振旋转器20的控制电压与液晶分子偏转角度之间关系的示意图。

在本发明另一实施例中，在3D显示状态下，利用偏振旋转器20控制图像的偏振方向与第二方向成小于45°的第二夹角，以补偿显示面板10与透镜组件30之间的距离失配。具体来说，根据上述公式，通过调整夹角θ，可以使得双折射率透镜阵列32对图像的有效折射率n_eff与单折射率透镜阵列31的折射率n_p呈现预定的差值，使得透镜组件30的实际焦距与显示面板10与透镜组件30之间的实际距离相等，进而呈现良好的3D显示效果。

在具体实施过程中，由控制模块26根据透镜组件30在第二方向上的折射率差以及显示面板10与透镜组件30之间的距离调整控制电压，以控制偏振旋转器20内的液晶分子的偏转角度。此时，经偏振旋转器20旋转后的图像的偏振方向与透镜组件30的第二方向成一定夹角，进而补偿显示面板10与透镜组件30之间的距离失配。具体控制电压调整可参照图2所示的偏振旋转器20的控制电压与液晶分子偏转角度之间关系的示意图。

如图3所示，图3是本发明实施例提供的一种2D/3D切换型立体显示器的控制方法的流程示意图。

在本实施例中，该控制方法包括如下步骤：

在步骤S300中，利用显示面板提供具有一偏振方向的图像。在本步骤中，显示面板采用液晶显示面板、等离子显示面板或CRT显示面板，并搭配适当的偏振片或起偏器来提供具有一偏振方向的图像。

在步骤S301中，利用偏振旋转器旋转图像的偏振方向，以使得图像的偏振方向与透镜组件的第一方向或第二方向成一小于45°的夹角。第一方向和第二方向相互垂直。该透镜组件在理论上对偏振方向位于第一方向的图像产生非透镜效应，且对偏振方向位于第二方向上的图像产生透镜效应。在本步骤中，偏振旋转器可采用上文所述的利用液晶的旋光性能实现的偏振旋转器20。当然，本领域技术人员完全可以想到采用本领域公知的其他能够对入射光的偏振方向进行旋转的其他光学元件。同时，在本步骤中，透镜组件可采用上文所述的透镜组件30。当然，本领域技术人员完全可以想到采用本领域公知的能够对不同偏振方向的入射光线产生透镜效应及非透镜效应的其他光学元件。

在本发明一实施例中，在步骤S301中，在2D显示状态下，利用偏振旋转器控制图像的偏振方向与透镜组件的第一方向成的第一夹角，以补偿透镜组件在第一方向上的折射率失配。具体来说，对于电压控制型偏振旋转器，根据透镜组件在第一方向上的折射率差调整偏振旋转器的控制电压，以使经偏振旋转器后的图像的偏振方向与第一方向成第一夹角，进而补偿透镜组件在第一方向上的折射率失配。

在本发明另一实施例中，在步骤S301中，在3D显示状态下，利用偏振旋转器控制图像的偏振方向与透镜组件的第二方向成第二夹角，以补偿显示面板与透镜组件之间的距离失配。具体来说，对于电压控制型偏振旋转器，根据透镜组件在第二方向上的折射率差以及显示面板与透镜组件之间的距离调整偏振旋转器的控制电压，以使经偏振旋转器后的图像的偏振方向与透镜组件的第二方向成第二夹角，由此调整透镜组件的焦距，进而补偿显示面板与透镜组件之间的距离失配。

通过上述方式，可有效地补偿2D显示状态下的透镜组件的折射率失配或者3D显示状态下的显示面板与透镜组件之间的距离失配，提高显示效果。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种2D/3D切换型立体显示器，其特征在于，所述2D/3D切换型立体显示器包括：

显示面板，所述显示面板用于提供具有一偏振方向的图像；

偏振旋转器，所述偏振旋转器用于旋转所述图像的所述偏振方向，以使所述2D/3D切换型立体显示器在2D显示状态与3D显示状态之间进行切换；

透镜组件，所述透镜组件具有相互垂直的第一偏振方向和第二偏振方向，其中所述透镜组件对所述偏振方向位于所述第一偏振方向上的所述图像产生非透镜效应，且对所述偏振方向位于所述第二偏振方向上的所述图像产生透镜效应；

其中，所述偏振旋转器配置成使得由偏振旋转器出射的所述偏振方向直接进入所述透镜组件，且使得由偏振旋转器出射的所述偏振方向与所述第一偏振方向或所述第二偏振方向成一小于45°的夹角；

在所述2D显示状态下，所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第一偏振方向成第一夹角，以补偿所述透镜组件在所述第一偏振方向上的折射率失配；

在所述3D显示状态下，所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第二偏振方向成第二夹角，以补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

2.根据权利要求1所述的2D/3D切换型立体显示器，其特征在于，所述偏振旋转器包括：

第一面板；

第二面板，所述第二面板与所述第一面板间隔设置；

第一电极结构，设置于所述第一面板上；

第二电极结构，设置于所述第二面板上；

液晶层，夹置于所述第一面板和所述第二面板之间，且包括多个液晶分子；

控制模块，为所述第一电极结构和所述第二电极结构提供控制电压，以改变所述液晶分子的排列方向。

3.根据权利要求2所述的2D/3D切换型立体显示器，其特征在于，在所述2D显示状态下，所述控制模块根据所述透镜组件在所述第一偏振方向上的折射率差调整所述控制电压，以使所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第一偏振方向成第一夹角，进而补偿所述透镜组件在所述第一偏振方向上的折射率失配。

4.根据权利要求2所述的2D/3D切换型立体显示器，其特征在于，在所述3D显示状态下，所述控制模块根据所述透镜组件在所述第二偏振方向上的折射率差以及所述显示面板与所述透镜组件之间的距离调整所述控制电压，以使所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第二偏振方向成第二夹角，进而补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

5.根据权利要求1所述的2D/3D切换型立体显示器，其特征在于，所述透镜组件包括单折射率透镜阵列和双折射率透镜阵列，且所述单折射率透镜阵列和所述双折射率透镜阵列均包括平面部分以及与所述平面部分相对的曲面部分，所述单折射率透镜阵列和所述双折射率透镜阵列的曲面部分相互契合，所述双折射率透镜阵列沿所述第一偏振方向具有第一折射率，并沿所述第二偏振方向具有第二折射率，所述单折射率透镜阵列具有第三折射率，其中所述第一折射率在理论上与所述第三折射率相匹配。

6.根据权利要求5所述的2D/3D切换型立体显示器，其特征在于，所述双折射率透镜阵列包括一液晶层，所述液晶层包括多个液晶分子，所述液晶分子沿预定方向固化于所述液晶层中。

7.一种2D/3D切换型立体显示器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

a.利用显示面板提供具有一偏振方向的图像；

b.利用偏振旋转器旋转所述图像的所述偏振方向，以使得所述由偏振旋转器出射的偏振方向直接进入所述透镜组件，且使得由偏振旋转器出射的所述偏振方向与透镜组件的第一偏振方向或第二偏振方向成一小于45°的夹角，其中所述第一偏振方向和所述第二偏振方向相互垂直，所述透镜组件对所述由偏振旋转器出射的偏振方向位于所述第一偏振方向的所述图像产生非透镜效应，且对所述由偏振旋转器出射的偏振方向位于所述第二偏振方向上的所述图像产生透镜效应；

其中，在所述步骤b中，在2D显示状态下，所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第一偏振方向成第一夹角，以补偿所述透镜组件在所述第一偏振方向上的折射率失配；在3D显示状态下，所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第二偏振方向成第二夹角，以补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤b中，在2D显示状态下，根据所述透镜组件在所述第一偏振方向上的折射率差调整所述偏振旋转器的控制电压，以使所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第一偏振方向成第一夹角，进而补偿所述透镜组件在所述第一偏振方向上的折射率失配。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤b中，在3D显示状态下，根据所述透镜组件在所述第二偏振方向上的折射率差以及所述显示面板与所述透镜组件之间的距离调整所述偏振旋转器的控制电压，以使所述由偏振旋转器出射的偏振方向与所述第二偏振方向成第二夹角，进而补偿所述显示面板与所述透镜组件之间的距离失配。

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