CN102540487A - 2d/3d可切换显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种2D/3D可切换显示装置，其包括：显示面板，用于产生2D或3D图像；3D功能膜，位于所述显示面板与观察者之间，用于将所述显示面板产生的图像所发出的光线进行左右眼分离；2D/3D切换装置，位于所述3D功能膜与观察者之间，用于对显示模式进行2D/3D切换，所述2D/3D切换装置包括第一基板、第二基板以及夹于第一基板与第二基板之间的胆甾型液晶层或近晶型液晶层，还包括位于所述第一基板上靠近所述液晶层的第一电极和位于所述第二基板上靠近所述液晶层的第二电极，通过调节所述第一电极与所述第二电极之间的电压实现观察者所看到图像的2D/3D切换。本发明结构简单、能耗低，可以适用于多种类型的显示装置中。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种2D/3D可切换显示装置。
背景技术
随着显示技术的不断发展，人们愈加追求更加真实的显示画面。近年来，出现了利用不同技术实现的三维（3D）显示（又称为立体显示），3D显示相较于二维（2D）显示，可以给观察者带来更逼真的立体效果，因此，受到了人们的欢迎和青睐。
人之所以看到的物体是三维的，是因为人有两只眼睛，并且两只眼睛具有一定的间距，物体在两眼视网膜上产生两幅具有细微差别的图像，经大脑处理后合成为一幅三维图像。立体显示技术是利用人眼的立体成像原理，人眼看物体时是从不同角度看到两幅稍有差别的图像，大脑将这两幅具有视差的图像合成后形成立体视觉。现有的立体显示方法主要有：偏振镜法、滤色镜法、视差立体法以及体视镜法。其中偏振镜法是最常用的方法，其原理就是利用光的不同偏振角度，让两个镜片分别透过不同偏振状态的光，将两幅具有细微差别的图像分别投射到左右眼中，从而给人以三维立体感。但是，这种立体显示方法需要观察者配戴配套的立体偏振眼镜才能观看到三维图像，配戴立体眼镜常常会造成观察者的观看不舒适，特别是对于自身已经配戴着眼镜的观察者来说，观看立体图像则较为困难。因此，为了避免配戴特殊眼镜的不便，最近出现了不必配戴立体眼镜就能观看立体图像的装置，称为自动立体显示装置（即裸眼立体显示装置），通过立体显示设备可以直接分开分别进入左右眼的左右眼图像光线，从而在观看立体图像时不必配戴立体眼镜，以满足观察者的需求。另外正在研发一种立体显示设备，其内设置有根据需要可透过开关组件分开左右眼图像的媒体，平时可以让人们观看二维平面图像，但有需要时也可以让人们观看三维立体图像。
图1a和1b分别是现有的一种液晶透镜在不加电和加电状态下的部分剖面结构示意图，现有的这种液晶透镜可以搭配液晶显示面板共同实现2D/3D可切换的液晶显示装置，该液晶透镜的上下基板上靠近液晶层的一侧均具有透明的电极，上电极为整面设置的电极层，下电极为图案化的电极层。如图1a所示，液晶透镜在不加电状态下，上下电极之间没有电场形成，液晶分子的长轴均沿着平行于上下基板的平面排列，线偏振光经过液晶层之后均可以沿着原来的传播方向前进而进入人的左右眼，此时为2D显示模式。如图1b所示，当液晶透镜处在加电状态下，上下电极之间形成电场，不同位置的液晶分子分别受到不同强度的电场力的作用，液晶分子在空间中渐变排列，使其折射率同样产生过渡渐变，线偏振光经过液晶层之后发生折射，形成渐变式折射率棱镜，线偏振光经过液晶层之后均改变原来的传播方向前进而使得液晶显示面板左右像素产生的画面分别进入人的左右眼，此时为3D显示模式。另外，现有技术中还有利用液晶光栅在空间上产生光路分离从而实现3D显示模式，在无电压施加时，光栅关闭，即光线无任何阻挡通过而呈现2D模式，施加电压后，光栅开启，光线由于只能通过障栅间的狭缝而实现光线的左右眼分离达到3D效果，其与液晶透镜都是基于光路空间分离的原理，使不同的光线独立进入左右眼。
采用现有技术的2D/3D可切换液晶透镜或液晶光栅存在以下缺点：首先，其均基于偏振光，因此其仅适用于应用在液晶显示面板上；其次，其均需要制作图案化的电极，制程难度高；再次，对于液晶透镜，其驱动电路复杂，需要多路电压信号驱动，需要昂贵的驱动IC；还有，其均是基于2D基础上的2D/3D可切换模式，因此它们首先确保的是2D性能而非3D性能，因此3D效果相对较差；最后，由于其均需要持续的电源供应，因此功耗相对较高。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是：提供一种2D/3D可切换显示装置，其结构简单、节能环保，可以适用于多种类型的显示装置中。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明提供了一种2D/3D可切换显示装置，其包括：显示面板，用于产生2D或3D图像；3D功能膜，位于所述显示面板与观察者之间，用于将所述显示面板产生的图像所发出的光线进行左右眼分离；2D/3D切换装置，位于所述3D功能膜与观察者之间，用于对显示模式进行2D/3D切换，所述2D/3D切换装置包括第一基板、第二基板以及夹于第一基板与第二基板之间的胆甾型液晶层或近晶型液晶层，还包括位于所述第一基板上靠近所述液晶层的第一电极和位于所述第二基板上靠近所述液晶层的第二电极，通过调节所述第一电极与所述第二电极之间的电压实现观察者所看到图像的2D/3D切换。
优选地，所述胆甾型液晶层或近晶型液晶层均具有透明态和散射态，当其处于透明态时所述2D/3D可切换显示装置处于3D模式，当其处于散射态时所述2D/3D可切换显示装置处于2D模式。
优选地，采用所述胆甾型液晶层时所述第一电极与第二电极之间的电压差在0~40V的范围内，采用所述近晶型液晶层时所述第一电极与第二电极之间的电压差在0~50V的范围内且施加电压脉冲的频率在10Hz~100KHz的范围内。
优选地，所述显示面板选自CRT、PDP、LCD、LED、OLED中的任意一种。
优选地，所述3D功能膜是视差光栅阵列。
优选地，所述3D功能膜是棱镜透镜阵列。
优选地，所述3D功能膜是折射率渐变透镜。
优选地，所述近晶型液晶层为A类近晶型液晶有机化合物。
优选地，所述A类近晶型液晶为包括近晶型液晶和添加物的混合物，该A类近晶型液晶是带硅基的化合物、四氰基四辛基联苯、四乙酸癸酯四氰基联苯等，该添加物为带导电特性的化合物，如十六烷基三乙基溴化铵等含有导电离子的化合物，所述A类近晶型液晶占总重量的90％~99.999％，所述添加物占总重量的0.001％~10％。
优选地，所述胆甾型液晶层为由向列型液晶和手性添加剂构成的混合物，所述向列型液晶占总重量的70％~95％，所述手性添加剂占总重量的5％~30％。
本发明的2D/3D可切换显示装置结构简单，不局限于依赖偏振光的显示面板，可以适用于各种类型的显示装置（例如CRT、PDP、LCD、LED、OLED等），并且制程简单，无需对电极进行图案化，驱动简单，无需对电极持续供电驱动，更节能并降低驱动IC的成本。
附图说明
图1a是现有的一种液晶透镜在不加电状态下的部分剖面结构示意图；
图1b是现有的一种液晶透镜在加电状态下的部分剖面结构示意图；
图2是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置处于3D显示模式的原理结构示意图；
图3是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置处于2D显示模式的原理结构示意图；
图4是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中采用胆甾型液晶施加不同驱动电压脉冲时的部分剖面结构示意图；
图5是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中采用近晶型液晶施加不同驱动电压时的部分剖面结构示意图；
图6是2D图像经过本发明实施例中的2D/3D切换装置后的实际效果对比图；
图7是3D图像经过本发明实施例中的2D/3D切换装置后的实际效果对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、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，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图2是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置处于3D显示模式的原理结构示意图，图3是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置处于2D显示模式的原理结构示意图，结合图2和图3所示，本发明的2D/3D可切换显示装置，其包括：显示面板10，用于产生2D或3D图像；3D功能膜20，位于显示面板10与观察者40之间（观察者位于图2及图3中所示光线箭头指向的一侧），用于将显示面板10产生的图像所发出的光线进行左右眼分离；2D/3D切换装置30，位于3D功能膜20与观察者40之间，用于对图像进行2D/3D切换，2D/3D切换装置30包括第一基板31、第二基板32以及夹于第一基板31与第二基板32之间的液晶层33，液晶层33为胆甾型液晶层或近晶型液晶层，还包括位于第一基板31上靠近液晶层33的第一电极34和位于第二基板32上靠近液晶层33的第二电极35，通过调节第一电极34与第二电极35之间的电压实现观察者40所看到图像的2D/3D切换。
本发明中，液晶层33优选地选用具有双稳态的液晶，本发明具体实施例中液晶层33选用胆甾型液晶或近晶型液晶，其均具有透明态和散射态，且该两种光学状态经特定波形电压触发后，能在无外加电场的前提下长时间保持，当其处于透明态时2D/3D可切换显示装置处于3D模式，当其处于散射态时所述2D/3D可切换显示装置处于2D模式。
图4是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中采用胆甾型液晶施加不同驱动电压脉冲时的部分剖面结构示意图，图4中第一基板和第二基板靠近液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极，图4中省略，图4中主要示意性地示出胆甾型液晶的排布结构。本发明实施例的胆甾型液晶层中包括按照一定比例混合的向列型液晶和手性添加剂，优选地，其中向列型液晶占总重量的70％~95％，手性添加剂占总重量的5％~30％。例如，向列型液晶材料为5CB，占总重量的80%；手性添加剂为S811，占总重量的20%。如图4所示，当本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中的第一电极34和第二电极35之间施加一电压为V1，例如40V、100ms的脉冲时，由于所述液晶材料为介电正性材料，且基板表面配向层为垂直配向，液晶分子将顺应电场方向被完全垂直排列，脉冲关断后，将会马上回复到一种螺旋结构，即所谓的指纹(Fingerprint)状态，在该结构中，在手性添加剂的作用下液晶分子围绕水平螺轴周期性地连续旋转排列，该状态为胆甾型液晶的双稳态状态之一，即无需外部电场便可以自行维持。由于该状态具有周期性重复的结构，如果满足布拉格（Bragg）反射条件，入射光线中的与螺旋方向相同的圆偏振光分量将会被反射，且螺轴为法线方向，被反射光线的中心波长λ0与螺距(pitch)的关系为 
，其中p为螺距，
为液晶分子的平均折射率，为避免该反射对显示造成的影响，可以调节螺距长度至微米级别范围，从而使得反射波长处于红外不可见区，则此时液晶层所表现的光学状态为透明态（transparent state），对入射光线无任何散射作用；当本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中的第一电极34和第二电极35之间施加一电压为V2，且V1>V2>0, 例如V2为30V、100ms的脉冲时，胆甾型液晶中的螺距结构被第一基板31与第二基板32之间产生的电场破坏，形成许多无序分布的畴（domain），因此此时胆甾型液晶层将对光线产生散射作用，该状态为胆甾型液晶的双稳态状态之二，即此状态同样具有无需外部电场时也可以自行维持的记忆效应，通常该状态没有上述状态稳定，被认为是亚稳定的状态，但可以通过高分子网络对此结构进行固化，提高其稳定性从而实现真正的双稳态，该方式我们称为聚合物稳定型胆甾型液晶状态（Polymer Stabilized Cholesteric Texture）；由于上述两种液晶状态的记忆效应，可以让2D/3D切换装置在无需持续提供外加电压的情况下长时间保持在透明或者散射的光学状态。图3为本发明实施例的2D/3D可切换显示装置处于2D显示模式的原理结构示意图，此时2D/3D切换装置30处于散射态，由显示面板10发出的光线先经过3D功能膜20，之后再经过2D/3D切换装置30之后，不论原图像是2D还是3D信号，经过2D/3D切换装置30的散射至各个方向，均可以同时进入观察者的左眼和右眼，此时2D/3D可切换显示装置为2D显示模式。本发明实施例中，当第一基板31与第二基板32之间施加高电平的电压脉冲于指纹或分散结构的液晶层33后，液晶分子此时被激发到螺旋结构，如图2所示为本发明实施例的2D/3D可切换显示装置处于3D显示模式的原理结构示意图，此时2D/3D切换装置30处于透明态，由显示面板10发出的光线先经过3D功能膜20，之后再经过2D/3D切换装置30之后并不改变其光线传播方向，原图像是3D信号图像，沿原传播方向经过2D/3D切换装置30后，仍然保持经过3D功能膜20之后的图像分别进入观察者的左眼和右眼，此时2D/3D可切换显示装置为3D显示模式。
本发明实施例中，采用胆甾型液晶层时第一电极34与第二电极35之间的电压脉冲的振幅在0~40V的范围内，脉冲时间为100ms，但并不仅限于此，可以根据实际需求适当调整。
图5是本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中采用近晶型液晶施加不同电压时的部分剖面结构示意图，图5中第一基板和第二基板靠近液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极，图5中省略，图5中主要示意性地示出近晶型液晶的排布结构。本发明实施例的近晶型液晶层为A类近晶型液晶，本发明实施例的近晶型液晶层所采用的是A类近晶型液晶，该A类近晶型液晶为包括近晶型液晶和添加物的混合物，该A类近晶型液晶是带硅基的化合物、四氰基四辛基联苯、四乙酸癸酯四氰基联苯等，该添加物为十六烷基三乙基溴化铵等含有导电离子的化合物，该A类近晶型液晶占总重量的90％~99.999％，添加物占总重量的0.001％~10％，通常，在室温±50℃之间时，近晶型液晶的分子集群为层状排列结构，呈现出粘稠的浆糊状。该添加物可以为带导电特性的化合物，例如十六烷基三乙基溴化铵等含有导电离子的化合物。
如图5所示，当本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中的第一电极34和第二电极35之间的电压差为零时，即V=0时，第一基板31和第二基板32的近晶型液晶层具有分层的结构，此时2D/3D切换装置30中的近晶型液晶处于透明态，对外来光线呈透明且不改变任何光路的效果，该状态为近晶型液晶的双稳态状态之一，此状态具有无需外部电场便可以自行维持的结构；当本发明实施例的2D/3D可切换显示装置中的第一电极34和第二电极35之间的电压差为V’的脉冲时，即V=V’>0时，本实施例中例如V’取50V左右，近晶型液晶中的螺距结构被第一基板31与第二基板32之间产生的电场破坏，形成无序分布的许多畴（domain），因此近晶型液晶此时对光线产生散射作用，该状态为近晶型液晶的双稳态状态之二。本发明实施例中，当2D/3D可切换显示装置中采用近晶型液晶层，第一基板31与第二基板32之间施加高电平的电压脉冲后，即可让2D/3D切换装置被触发并保持在散射态，此时2D/3D切换装置30处于散射态，由显示面板10发出的光线先经过3D功能膜20，之后再经过2D/3D切换装置30之后，不论原图像是2D还是3D信号，经过2D/3D切换装置30的散射，均可以进入观察者的左眼和右眼，此时2D/3D可切换显示装置为2D显示模式，光线传播同样如本发明图3所示。本发明实施例中，当第一基板31与第二基板32之间的电压差V=0时，液晶分子回复到初始的有序分层结构，此时2D/3D切换装置30处于透明态，由显示面板10发出的光线先经过3D功能膜20，之后再经过2D/3D切换装置30之后并不改变其光线传播方向，原图像是3D信号图像，沿原传播方向经过2D/3D切换装置30后，仍然保持经过3D功能膜20之后的图像光路分别进入观察者的左眼和右眼，此时2D/3D可切换显示装置为3D显示模式，光线传播同样如本发明图2所示。
本发明实施例中，采用胆甾型液晶层或者A类近晶相液晶层时第一电极34与第二电极35之间的电压差在0~50V的范围内，但并不仅限于此，可以根据实际需求适当调整。
另外，近晶型液晶除了上述两种稳定状态以外，还具有多稳态效应，即对应不同的电压可以得到不同的稳定状态，因此可以通过控制施加在第一电极34与第二电极35之间的电压差的大小来控制光线被散射的程度。同时，本发明实施例中所采用的近晶型液晶还可以为双频液晶(dual-frequency)，高低频率组合的电压可以更容易选择每一种状态，一般来说，低频率(~50hz)的电压幅值越大，液晶层中的畴（domain）会越多越小，散射效果越明显。
本发明具体实施例中，显示面板10可以选自CRT、PDP、LCD、LED、OLED中的任意一种。由于本发明中的2D/3D可切换显示装置中的2D/3D切换装置利用的是其中的液晶的透明态与散射态可切换的原理，该装置具有的另一个技术优势是由于利用光线散射的机制，装置本身可以起到雾化效果，既可以增大视角也可以防止外来环境光的反射，从而取代现有的抗反射或防炫光光学功能膜，进一步节省成本。
本发明具体实施例中，3D功能膜20可以是视差(Parallax)光栅阵列，也可以是棱镜(Lenticular)透镜(Lens)阵列或者折射率渐变(GRIN)透镜，其作用是对显示面板10发出的光线进行空间光路分光，一般是按两个或两个以上的像素长度为重复周期，分光后分别进入观察者的左眼和右眼，因进入观察者左眼的左眼图像和进入观察者右眼的右眼图像存在一定的视差，经观察者大脑的融合而显示3D的效果。
图6是2D信号图像经过本发明实施例中的2D/3D切换装置后的实际效果对比图，图6中左图为透明态，右图为散射态；图7是3D信号图像经过本发明实施例中的2D/3D切换装置后的实际效果对比图，图7中左图为透明态，右图为散射态。由图6和图7可见，不论2D图像还是3D图像，经过本发明的2D/3D可切换显示装置中的2D/3D切换装置后，均可根据实际需要实现其2D与3D间的自由切换，并呈现较好的视觉效果。
本发明的2D/3D可切换显示装置结构简单，不依赖于应用偏振光的显示面板，可以适用于各种类型的显示装置（例如CRT、PDP、LCD、LED、OLED等），并且制程简单，无需对电极进行图案化，驱动简单，无需对电极持续供电，更节能并降低驱动IC的成本。
以上实施例中所示的2D/3D可切换显示装置中，并未完全示出其中的所有组成部分，而仅示出与本发明密切相关的部分组成，该未示出的部分为液晶显示领域内的一般技术人员所公知，对其具体组成、分布位置及其作用等不再赘述。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种2D/3D可切换显示装置，其特征在于，包括：
显示面板，用于产生2D或3D图像；
3D功能膜，位于所述显示面板与观察者之间，用于将所述显示面板产生的图像所发出的光线进行左右眼分离；
2D/3D切换装置，位于所述3D功能膜与观察者之间，用于对显示模式进行2D/3D切换，
所述2D/3D切换装置包括第一基板、第二基板以及夹于第一基板与第二基板之间的胆甾型液晶层或近晶型液晶层，还包括位于所述第一基板上靠近所述液晶层的第一电极和位于所述第二基板上靠近所述液晶层的第二电极，通过调节所述第一电极与所述第二电极之间的电压实现观察者所看到图像的2D/3D切换。
2.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述胆甾型液晶层或近晶型液晶层均具有透明态和散射态，当其处于透明态时所述2D/3D可切换显示装置处于3D模式，当其处于散射态时所述2D/3D可切换显示装置处于2D模式。
3.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，采用所述胆甾型液晶层时所述第一电极与第二电极之间的电压差在0~40V的范围内，采用所述近晶型液晶层时所述第一电极与第二电极之间的电压差在0~50V的范围内且施加电压脉冲的频率在10Hz~100KHz的范围内。
4.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述显示面板选自CRT、PDP、LCD、LED、OLED中的任意一种。
5.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述3D功能膜是视差光栅阵列。
6.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述3D功能膜是棱镜透镜阵列。
7.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述3D功能膜是折射率渐变透镜。
8.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述近晶型液晶层为A类近晶型液晶有机化合物。
9.如权利要求8所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述A类近晶型液晶为包括近晶型液晶和添加物的混合物，该A类近晶型液晶是带硅基的化合物、四氰基四辛基联苯、四乙酸癸酯四氰基联苯等，该添加物为十六烷基三乙基溴化铵等含有导电离子的化合物，所述A类近晶型液晶占总重量的90％~99.999％，所述添加物占总重量的0.001％~10％。
10.如权利要求1所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于，所述胆甾型液晶为由向列型液晶和手性添加剂构成的混合物，所述向列型液晶占总重量的70％~95％，所述手性添加剂占总重量的5％~30％。
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