CN102439516B - 扭曲向列液晶盒及包含该液晶盒的2d-3d立体显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种逐点控制扭曲向列液晶盒及包括该液晶盒的2D-3D立体显示装置。该逐点控制扭曲向列液晶盒包括：顺序设置的表面有若干个带状第一电极(22)的第一透明基板(21)、第一配向层(23)、扭曲液晶(20)、第二配向层(24)、表面有若干个带状第二电极(25)的第二透明基板(26)；所述若干个第一电极(22)彼此绝缘排列于所述第一透明基板(21)上；所述若干个第二电极(25)彼此绝缘排列于所述第二透明基板(26)上；且第二电极(25)的排列方向垂直于所述第一电极(22)的排列方向；所述第一电极(22)和/或所述第二电极(25)的至少一个长边为波浪形。

Description

扭曲向列液晶盒及包含该液晶盒的2D-3D立体显示装置
技术领域
本发明涉及扭曲向列液晶(Twisted Nematic，TN)盒及包含该液晶盒的装置，尤其涉及一种逐点控制TN盒及包含该逐点控制TN盒的2D-3D立体显示装置。
背景技术
随着显示技术的发展，TN盒的使用越来越广泛。图1所示为现有的TN盒示意图：玻璃基板11和玻璃基板12以预定间距平行设置，在基板11、基板12的内表面上分别具有透明电极13、透明电极14，透明电极13、14的内表面上分别具有配向层15、配向层16，且配向层15和配向层16的摩擦方向相互垂直；在配向层15和配向层16之间充满扭曲向列液晶17。当透明电极13和透明电极14之间没有外加电压时，该TN盒的状态如图1所示，此时该TN盒能使偏振方向平行于入射侧配向层方向的线偏振光转换为偏振方向与入射线偏振光的偏振方向相垂直的线偏振光出射；当透明电极13和透明电极14间的外加电压大于等于阈值电压时，液晶17的长轴方向沿电场方向，此时该TN盒不改变入射线偏振光的偏振状态。
现有的一类2D/3D可切换立体显示器中(参见CN 101387758A)，在普通显示屏前面设置一块如图1所示的TN盒作为光切换装置，通过对所述TN盒外加电压来控制出射光线的偏振方向，从而实现2D和3D的显示切换。显然，该TN盒一旦切换则是整屏切换，不能进行2D/3D的逐点切换。
为解决上述问题，现有的另一类2D/3D可切换立体显示器采用薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)型的TN盒作为光切换装置，由于TFT型的TN盒可以进行像素点的切换控制，因此极大地方便了局部显示面板的2D图像和3D图像的切换显示。但是TFT的制作工艺复杂，造价昂贵，而且由于需要在透明基板上布置不透明的TFT电路的信号线、栅线等电路，因此必须采用黑矩阵覆盖布线区域，导致有效显示面积减小，开口率降低，且黑矩阵的存在可能会影响画面的显示质量，如果去掉黑矩阵，则会在电极的边缘产生亮线，同样影响画面的显示质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种逐点控制TN盒及使用该种逐点控制TN盒的2D-3D立体显示装置，不仅能够逐点控制入射线偏振光的偏振方向，而且能够增加显示面积、提高开口率、消除电极间亮线、提高显示质量。
本发明提供一种逐点控制扭曲向列液晶盒，包括：顺序设置的表面有若干个带状第一电极的第一透明基板、第一配向层、扭曲液晶、第二配向层、表面有若干个带状第二电极的第二透明基板；
所述若干个第一电极彼此绝缘排列于所述第一透明基板上；所述若干个第二电极彼此绝缘排列于所述第二透明基板上，且所述第二电极的排列方向垂直于所述第一电极的排列方向；所述第一电极和/或所述第二电极的至少一个长边为波浪形。
所述逐点控制扭曲向列液晶盒采用扫描方式进行驱动时，所述扭曲液晶在其分子长轴方向沿垂直于所述第一透明基板方向排列的状态下的保持时间长于或等于一个扫描周期。
所述第一电极和所述第二电极的长边均为波浪形。
所述的逐点控制扭曲向列液晶盒还包括：用于将所述扭曲液晶封闭在所述第一配向层和第二配向层之间的封胶框。
所述的逐点控制扭曲向列液晶盒还包括：设置于所述第一配向层和第二配向层之间的衬垫料，用于确保所述第一配向层和第二配向层的间距为预定间距。
本发明还提供一种2D-3D立体显示装置，沿光传播方向依次包括：用于提供图像光的显示面板、连接有控制模块的所述逐点控制扭曲向列液晶盒、单折射透镜阵列和双折射透镜阵列；
所述显示面板提供的图像光为偏振方向与传播方向相互垂直的第一线偏振光；
所述逐点控制扭曲向列液晶盒中靠近所述显示面板一侧的配向层的配向方向与所述第一线偏振光的偏振方向相互平行；所述逐点控制扭曲向列液晶盒在所述控制模块的控制下用于使所述第一线偏振光直接透射，或将所述第一线偏振光转换为偏振方向与所述第一线偏振光的偏振方向相互垂直的第二线偏振光出射；
所述单折射透镜阵列和双折射透镜阵列都包括平面部分和与该平面相对的曲面部分，且所述单折射透镜阵列和双折射透镜阵列的曲面部分外形互补；所述单折射透镜阵列和双折射透镜阵列的组合用于对所述逐点控制扭曲向列液晶盒出射的第一线偏振光和第二线偏振光之中的一种表现为平透镜，另一种表现为凸透镜。
所述单折射透镜阵列可为凸透镜阵列，且所述单折射透镜阵列的折射率与所述双折射透镜阵列的寻常光折射率和非寻常光折射率中最大的那个折射率相等。
所述单折射透镜阵列可为凹透镜阵列，且所述单折射透镜阵列的折射率与所述双折射透镜阵列的寻常光折射率和非寻常光折射率中最小的那个折射率相等。
本发明提供的逐点控制TN盒不仅能够实现各点的单独控制，而且开口率高，有效显示面积大且显示区内无盲区存在，电极间无亮线，全部显示区都可以进行2D/3D转换。此外，本发明提供的2D-3D立体显示装置可以实现对图像显示面板的子像素的独立控制，结构简单、成本低廉、控制灵活、显示质量高。
附图说明
图1为现有的TN盒结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种逐点控制TN盒沿光路方向的剖面图；
图3为除去第一配向层和扭曲液晶后看到的第一控制层的电极结构示意图；
图4为除去第二配向层和扭曲液晶后看到的第二控制层的电极结构示意图；
图5为图2所示的逐点控制TN盒的电极分布示意图；
图6为本发明实施例提供的一种2D-3D立体显示装置结构示意图及光路示意图。
具体实施方式
现将参考附图更全面地描述本发明，在附图中显示了本发明的示范性实施方式。
图2所示为本发明实施例提供的一种逐点控制TN盒沿光路方向的剖面图。该逐点控制TN盒包括：第一控制层、第二控制层以及位于第一控制层和第二控制层之间的扭曲液晶20。图中为方便表示，仅画出该剖面图的局部，值得说明得是，具体实施时，在所述第一控制层和第二控制层的四周边缘，采用封框胶等将所述扭曲液晶20封闭在所述第一控制层和第二控制层之间。
其中，第一控制层包括：第一透明基板21、若干个第一电极22和第一配向层23，且第一电极22和第一配向层23均是透明的。所述第一电极22为波浪形带状。各第一电极22彼此绝缘间隔排列于第一透明基板21上。所述第一配向层23成形于各第一电极22间隙内及上表面且上表面为一平面，可在具有第一电极22的第一透明基板21上涂抹配向剂获得。
第二控制层包括：第二透明基板26、若干个第二电极(由于所述第二电极的排列方向垂直于所述第一电极的排列方向，图中只能示出一个第二电极)、和第二配向层24，且第二电极25和第二配向层24均是透明的。第二控制层的结构类似于第一控制层。所述第二电极25为波浪形带状。各第二电极彼此绝缘间隔排列于第二透明基板26上。所述第二配向层24成形于各第二电极25间隙内及上表面且上表面为一平面，扭曲液晶20位于所述第一配向层23和第二配向层24之间。
所述第一控制层和第二控制层平行。所述第一电极22和所述第二电极25的排列方向相互垂直，第一电极22所处平面和第二电极25所处平面间的间距小于所述第一透明基板21和第二透明基板26间的间距。此外，该TN盒还可以包括设置于所述第一配向层23和第二配向层24之间的衬垫料(图中未示出)，用于确保第一，二控制层间距为预定间距。
图3为去掉图2中的第二控制层和扭曲液晶20后看到的第一控制层的第一电极结构示意图。图4为去掉第一控制层和扭曲液晶20后看到的第二控制层的第二电极结构示意图。图3、图4中，第一电极22、第二电极25所具有的两长边均为波浪形。当然，具体实施中不限于此，还可以选择电极的一个长边为波浪形。
图5所示为图2所示的逐点控制TN盒的电极分布示意图，且仅示意性画出了8个第一电极a1至a8，8个第二电极b1至b8。以下说明图5所示逐点控制TN盒的工作原理。
由图5可知，所述第一电极与所述第二电极交叠，将该逐点控制TN盒划分为8×8个像素显示区，各像素区的底部为第一控制层，上部为第二控制层，中间为扭曲液晶。为方便说明，将图5所示的8×8个像素显示区看成一个8×8的二维像素矩阵，该二维像素矩阵的列代表第一电极22，该二维像素矩阵的行代表第二电极25，用aij表示第i行(i＝1，...，8)和第j(j＝1，...，8)列处的像素显示区，则当aij的上下电极没有外加电压时，在所述第一配向层23和第二配向层24的作用下，aij内的液晶扭曲90度，偏振方向平行于入射基板的摩擦方向的线偏振光经aij后，出射光为偏振方向与入射线偏振光的偏振方向垂直的线偏振光，以下为方便描述，将此时该aij内的扭曲液晶状态称为第一状态；当向第i行电极、第j列电极在同一时刻分别施加电压Ui、Uj且Ui和Uj之差大于等于所述扭曲液晶的阈值电压时，aij内的扭曲液晶分子在电场力作用下、分子的长轴方向沿垂直于所述第一透明基板21和第二透明基板26的方向排布，此时aij不改变入射的线偏振光的偏振状态，以下为方便说明，将此时该aij内的扭曲液晶状态称为第二状态。可见，通过向不同行不同列的电极外加电压，可以实现对各像素显示区内液晶状态的单独控制。
此外，该逐点控制TN盒还能实现：使局部显示区内的液晶处于所述第一状态和第二状态之中的一个状态，而其它显示部位的扭曲液晶处于第一状态和第二状态之中的另一个状态。为实现该功能，本发明提供的逐点控制TN盒采用逐行扫描或逐列扫描的方式进行液晶状态的切换控制，且扫描频率的选择需要使得该逐点控制TN盒中采用的扭曲液晶为从第一状态切换到第二状态的时间极短且在第二状态附近的保持时间长于或等于一个扫描周期，这样可使得当扫描到该逐点控制TN盒的最后一行时，该逐点控制TN盒的第一行被改变为第二状态的液晶还远远未回复到第一状态。以下以图5所示的逐点控制TN盒为例说明如何使第5行的a53、a54、a55、a56、a57，第6行的a63、a64、a65、a66、a67，第7行的a73、a74、a75、a76、a77，第8行的a83、a84、a85、a86、a87内的扭曲液晶都为第二状态，同时使该逐点控制TN盒的其余部位的扭曲液晶都为第一状态。对于图5所示的逐点控制TN盒，则可在初始时使电极a1至a8保持同样的输入电压U0，在逐行扫描时，依次从a1开始对每行进行扫描且扫描输入电压为U1：在扫描第5行的同一时刻向电极a3、电极a4、电极a5、电极a6和电极a7输入脉冲电压U2，使这些电极与第5行电极b5的交叠区域上下电势差(即U2-U1)大于等于Uth。其中，Uth为该逐点控制TN盒中采用的扭曲液晶改变状态所对应的阈值电压，(U1-U0)小于Uth且(U2-U0)小于Uth。则此时a53、a54、a55、a56、a57中的扭曲液晶同时从第一状态迅速切换到第二状态。同样地，在扫描第6行的同一时刻向电极a3、电极a4、电极a5、电极a6和电极a7输入脉冲电压U2，使a63、a64、a65、a66、a67的两端电势差大于等于Uth，则a63、a64、a65、a66、a67中的扭曲液晶同时从第一状态迅速切换到第二状态；在扫描第7行的同一时刻向电极a3、电极a4、电极a5、电极a6和电极a7输入脉冲电压U2，使a73、a74、a75、a76、a77的两端电势差大于等于Uth，则a73、a74、a75、a76、a77中的扭曲液晶同时从第一状态迅速切换到第二状态；在扫描第8行的同一时刻向电极a3、电极a4、电极a5、电极a6和电极a7输入脉冲电压U2并使a83、a84、a85、a86、a87中的扭曲液晶同时从第一状态迅速切换到第二状态。由于扫描频率很高，因此当扫描到第8行时，a53、a54、a55、a56、a57、a63、a64、a65、a66、a67、a73、a74、a75、a76和a77所对应的液晶几乎还没从第二状态向第一状态转变，即：可认为此时a53、a54、a55、a56、a57、a63、a64、a65、a66、a67、a73、a74、a75、a76和a77中的扭曲液晶仍处于第二状态，且该逐点控制TN盒的其它像素显示区内的扭曲液晶处于第一状态。此外，在新的扫描周期到来时，若需要使上一个扫描周期中已从第一状态转变为第二状态的像素显示区aij内的液晶转变回第一状态，则需要在本次扫描周期内扫描到第i行时，根据此时aij内液晶的状态，同时向第j列电极输入适当的脉冲电压，以使aij内的液晶的长轴迅速反向旋转，即使其迅速转变回第一状态。显然，若采用上述扫描方式，就可以对该逐点控制TN盒的各像素显示区的扭曲液晶的状态进行切换控制，实现与TFT型的逐点控制TN盒等同的切换显示功能。所述第一配向层的配向方向和第二配向层的配向方向是否需要垂直，可以根据具体的应用要求而定。
显然，本发明实施例提供的上述逐点控制TN盒不仅可以实现逐点切换控制，此外，由于第一电极和第二电极采用波浪线方式设置，且各波浪带状电极信号从带状电极一端输入而无需在各电极之间布线以单独控制各像素点两端电极电压，因此，该逐点控制TN盒中无需使用黑矩阵，显示区域内的电极宽度可最大化，且可进行全区域控制，相对于TFT型的TN盒，这种逐点控制TN盒的有效显示面积得以扩大，开口率得到显著提高，且电极之间无亮线，显示质量得以改善。上述实施例中波浪带状电极的形状仅仅是示意性的，可以灵活变动，而且第一电极和第二电极其中之一为波浪形带状电极也会改善电极边缘产生亮线的情况。第一电极或第二电极也可以不必均位于一个平面，比如第一电极的其中一部分电极位于第一透明基板的一面，另一部分电极位于第一透明基板的另一面；第二电极的其中一部分电极位于第二透明基板的一面，另一部分电极位于第二透明基板的另一面。而且电极可以位于透明基板上与配向层相对的一面。
本发明实施例还提供一种采用上述逐点控制TN盒作为切换装置的2D-3D立体显示装置，如图6所示，沿光传播方向，该装置包括：提供图像的显示面板61、本发明所提供的逐点控制TN盒62、单折射透镜阵列63和与单折射透镜阵列63吻合的双折射透镜阵列64。此外，图6所示的2D-3D立体显示装置还包括：用于控制所述逐点控制TN盒62的各电极电压的控制模块65。
所述显示面板61用于提供偏振方向与传播方向相互垂直的第一线偏振光。当所述显示面板61的出射光为非线性偏振光时，需要在显示面板61和所述逐点控制TN盒62之间添加线偏振片以使所述线偏振片出射第一线偏振光。
所述逐点控制TN盒62中靠近所述显示面板61的一侧的控制层中配向层的配向方向与入射的第一线偏振光的偏振方向相互平行。该逐点控制TN盒62用于在所述控制模块65的控制下使入射的第一线偏振光直接透射或将所述第一线偏振光转换为偏振方向与其垂直的第二线偏振光。以下为方便说明，设逐点控制TN盒62中第一控制层比第二控制层接近所述显示面板61，第一配向层的配向方向与所述第一线偏振光的偏振方向相同。逐点控制TN盒62具有与显示面板61像素阵列对应的像素显示区阵列。
所述单折射透镜阵列63的折射率为n1，双折射透镜阵列64具有寻常光折射率no和非寻常光折射率ne，且n1＝no，no＞ne。所述双折射透镜阵列64的透镜光轴方向与所述第一线偏振光的偏振方向相同，图6中双箭头所示为该双折射透镜阵列64的透镜光轴方向。
值得说明的是，图6中是为了标明显示面板61提供的第一线偏振光的偏振状态以及第一线偏振光经逐点控制TN盒62后的偏振状态而使显示面板61、逐点控制TN盒62和单折射透镜阵列63之间分别具有一定间距，具体实施时，所述显示面板61、逐点控制TN盒62和单折射透镜阵列63可以紧密接触放置。此外，图6中仅是示意性画出了控制模块65和逐点控制TN盒62的连接关系，实际上控制模块65对所述逐点控制TN盒62内的各电极单独控制。
以下对图6所示的2D-3D立体显示装置的4条成像光路图进行说明，其中上两条第一线偏振光最后发生折射，下两条第一线偏振光直接透射，下面具体说明它们的原理。
从图6中可以看出，由于需要对上两条第一线偏振光进行3D显示，控制模块65使上两条第一线偏振光所对应的逐点控制TN盒62的像素显示区内的液晶工作于第二状态，因此入射的上两条第一线偏振光保持原偏振特性穿过该逐点控制TN盒62，接着穿过单折射透镜阵列63并入射到双折射透镜阵列64，此时由于入射的第一线偏振光的偏振方向与所述双折射透镜阵列64光轴方向平行，因此双折射透镜阵列64对于该第一线偏振光线的折射率为ne，由于单折射透镜阵列63的折射率n1大于ne，因此入射于所述双折射透镜阵列64的第一线偏振光在单折射透镜阵列63和双折射透镜阵列64的交界面上发生折射，且所述双折射透镜阵列64的光学效果表现为凸透镜。这种情况下，该2D-3D立体显示装置可以将最终出射的两条光线分别传播到人眼的左眼和右眼，使人眼看到3D立体图像，即该2D-3D立体显示装置将上两条光线采用3D方式显示。
对于入射于所述逐点控制TN盒62的下两条第一线偏振光，控制模块65使下两条第一线偏振光所对应的逐点控制TN盒62的像素显示区内的液晶工作于第一状态，因此入射的下两条第一线偏振光通过该逐点控制TN盒62后偏振方向被旋转90度，变为第二线偏振光出射；随后所述第二线偏振光经所述单折射透镜阵列63射至所述双折射透镜阵列64，此时由于入射的第二线偏振光的偏振方向与所述双折射透镜阵列64的光轴方向(即第一线偏振光的偏振方向)垂直，因此所述双折射透镜阵列64相对于该第二线偏振光的折射率为no，由于单折射透镜阵列63的折射率n1等于no，即此时单折射透镜阵列63的折射率与双折射透镜阵列64的折射率相同，因此该第二线偏振光在所述单折射透镜阵列63和双折射透镜阵列64的界面处不发生折射，第二线偏振光直线通过所述双折射透镜阵列64。这种情况下，该2D-3D立体显示装置将图6所示的下两条第一线偏振光采用2D方式显示。
图6所示的2D-3D立体显示装置中的单折射透镜阵列63和双折射透镜阵列64还可以有别的组合方式，例如CN201126495中所提到的其它单折射透镜阵列和双折射透镜阵列的组合方式，在此不再详述。
将本发明实施例提供的逐点控制TN盒用于2D-3D立体显示装置中，可以实现对图像显示面板的单个像素的独立控制，也可以对图像显示面板的多个像素进行控制，不仅实现简单、控制灵活，而且能够显著提高2D-3D立体显示装置的显示质量。
上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本方法的启示下，在不脱离本方法宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种逐点控制扭曲向列液晶盒，包括：顺序设置的表面有若干个带状第一电极的第一透明基板、第一配向层、扭曲液晶、第二配向层、表面有若干个带状第二电极的第二透明基板；其特征在于，
所述若干个第一电极彼此绝缘排列于所述第一透明基板上；所述若干个第二电极彼此绝缘排列于所述第二透明基板上，且所述第二电极的排列方向垂直于所述第一电极的排列方向；所述第一电极和/或所述第二电极的至少一个长边为波浪形。
2.如权利要求1所述的逐点控制扭曲向列液晶盒，其特征在于，所述逐点控制扭曲向列液晶盒采用扫描方式进行驱动时，所述扭曲液晶在其分子长轴方向沿垂直于所述第一透明基板方向排列的状态下的保持时间长于或等于一个扫描周期。
3.如权利要求1所述的逐点控制扭曲向列液晶盒，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的长边均为波浪形。
4.如权利要求1所述的逐点控制扭曲向列液晶盒，其特征在于，还包括：用于将所述扭曲液晶封闭在所述第一配向层和第二配向层之间的封胶框。
5.如权利要求1所述的逐点控制扭曲向列液晶盒，其特征在于，还包括：设置于所述第一配向层和第二配向层之间的衬垫料，用于确保所述第一配向层和第二配向层的间距为预定间距。
6.一种2D-3D立体显示装置，其特征在于，沿光传播方向依次包括：用于提供图像光的显示面板、连接有控制模块的如权利要求1至5中任一项所述的逐点控制扭曲向列液晶盒、单折射透镜阵列和双折射透镜阵列；
所述显示面板提供的图像光为偏振方向与传播方向相互垂直的第一线偏振光；
所述逐点控制扭曲向列液晶盒中靠近所述显示面板一侧的配向层的配向方向与所述第一线偏振光的偏振方向相互平行；所述逐点控制扭曲向列液晶盒在所述控制模块的控制下用于使所述第一线偏振光直接透射，或将所述第一线偏振光转换为偏振方向与所述第一线偏振光的偏振方向相互垂直的第二线偏振光出射；
所述单折射透镜阵列和双折射透镜阵列都包括平面部分和与该平面相对的曲面部分，且所述单折射透镜阵列和双折射透镜阵列的曲面部分外形互补；所述单折射透镜阵列和双折射透镜阵列的组合用于对所述逐点控制扭曲向列液晶盒出射的第一线偏振光和第二线偏振光之中的一种表现为平透镜，另一种表现为凸透镜。
7.如权利要求6所述的2D-3D立体显示装置，其特征在于，所述单折射透镜阵列为凸透镜阵列，且所述单折射透镜阵列的折射率与所述双折射透镜阵列的寻常光折射率和非寻常光折射率中最大的那个折射率相等。
8.如权利要求6所述的2D-3D立体显示装置，其特征在于，所述单折射透镜阵列为凹透镜阵列，且所述单折射透镜阵列的折射率与所述双折射透镜阵列的寻常光折射率和非寻常光折射率中最小的那个折射率相等。
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