CN102645753B - 一种被动偏光式三维显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置，包括：背光单元、偏光片、阵列基板、彩膜基板、及图案位相差膜片；其中，所述彩膜基板上远离阵列基板的一侧设置有多条遮光条，所述每条遮光条的中间位置与对应的图案位相差膜片上相邻两个图案位相差膜之间的分界线的位置相对。采用本发明可以增大使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示的垂直视角，并且相对于其他改善垂直视角的模式，可以改善莫尔纹不良以及三维显示时开口率低下的问题。

Description

一种被动偏光式三维显示装置
技术领域
本发明涉及三维(3D)显示领域，尤其涉及一种使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置。
背景技术
如图1所示，现有技术中使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置包括：依次排列的背光单元1、第一偏光片2、阵列基板3、彩膜基板(CF)4、第二偏光片12及图案位相差膜片(Patterned Retarder Film)5；其中，彩膜基板4上朝向阵列基板3的一侧(该侧称为膜面)设有黑矩阵，黑矩阵具有多条矩阵条41。使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示的垂直视角B＝arc sin(折射率×sin(A))，角A＝2arc tan(h/2D)；其中，折射率可以取经验值1.5，h为矩阵条的宽度，D为彩膜基板厚度与第二偏光片厚度之和。其中，角A是指彩膜基板4膜面上矩阵条之间的一个像素区的最大正确透光角度；角B是指角A发生折射后的角度。在垂直视角B之内，能够看到较理想的三维图像，在垂直视角B之外，左、右眼图像会发生串扰而影响图像质量。
以下说明一下角A的推导过程。彩膜基板4膜面上矩阵条及矩阵条之间的区域为一个像素区，图案位相差膜片5上具有与每个像素区一一对应的图案位相差膜11，相邻两个图案位相差膜11之间的分界线10与该分界线10对应的矩阵条的中间位置在同一直线上。此时角A的两条边界是彩膜基板4膜面上两条矩阵条的内边各自与对应的两条图案位相差膜片之间的分界线10的连线，因此角A是彩膜基板4膜面上矩阵条之间的一个像素区的3D显示时最大正确透光角度，如果角A对应的像素区的透光超出角A则会与相邻像素区的透光产生串扰，从图1可以看出，角A＝2(A/2)，A/2＝arc tan((h/2)/D)，因此，
角A＝2arc tan(h/2D)          式(1)。
在计算角(A/2)时，并未将第二偏光片12和图案位相差膜片5之间的距离考虑在内，因为本领域技术人员都知道，这两者之间的实际距离非常近，可以忽略。
从上述垂直视角B和角A的计算式可知：1)增大矩阵条宽度，可以增大角A，进而可以增大3D显示的垂直视角B；2)减小彩膜基板与偏光片的总厚度，可以增大角A，进而可以增大3D显示的垂直视角B。因此，增大角A，就意味着增大3D显示的垂直视角B。
在2010年出版的期刊《SID(信息显示协会)》中，论文“A Novel PolarizerGlasses-type 3D Displays with a Patterned Retarder(一种新颖的使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示)”给出了改善垂直视角的两种模式：
1)在图案位相差膜片5上设置遮光条6，且相邻两个图案位相差膜之间的分界线10与该分界线10对应的遮光条6的中间位置在同一直线上，如图2所示的有遮光条的图案位相差结构(Patterned Retarder with Black StripeConfiguration)。在图案位相差膜片5上设置遮光条6后，角A’的两条边界为彩膜基板4上两条矩阵条的内边各自与对应的图案位相差膜片5上两条遮光条外边之间的连线，从图2可以看出，角A’比角A有所增大。
设彩膜基板膜面的矩阵条宽度为h，图案位相差膜片5上的遮光条6宽度为h1，则如图3所示，
角A’＝2角(A’/2)，角(A’/2)＝arc tan[(h/2+h1/2)/D]，因此
角A’＝2arc tan[(h+h1)/2D]        式(2)；
其中，D为彩膜基板厚度与偏光片厚度之和。
2)设置一个辅助像素7于盒内，如图4所示的遮光条位于盒内的图案位相差结构(In Cell Black Stripe Patterned Retarder Configuration)。图4中，彩膜基板4上辅助像素7右侧的矩阵条对应图1中所示的矩阵条，将辅助像素7设置于盒内后，相当于3D显示时增大了整个矩阵条的宽度，相应地，两条矩阵条内边之间的距离减小，因此与图1中的角A相比，角A”有所增大。
设彩膜基板膜面的矩阵条宽度为h，辅助像素高度为h2，则如图5所示，
角A”＝∠1+∠4；
∠1＝arc tan((h/2)/D)＝arc tan(h/2D)；
∠4＝arc tan[(h/2+h2)/D]，因此
角A”＝arc tan(h/2D)+arc tan[(h/2+h2)/D]        式(3)；
其中，D为彩膜基板厚度与偏光片厚度之和。
但是，图2和图4所示结构均有各自的缺陷。图2所示结构会产生莫尔纹不良：彩膜基板4上的矩阵条和图案位相差膜片5上的遮光条6为两个光栅，从背光单元1发出的光经过上述两个光栅后形成干涉及衍射作用，产生莫尔纹不良，影响显示品质。图4所示的结构，在2D显示时，图4中的阴影线部分为开口区域，但是在3D显示时，为了提升垂直视角，阴影线部分的像素变为黑态，因此3D显示下的开口率小于2D显示下的开口率，从而影响亮度等显示品质。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示装置，以增大使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示的垂直视角，并且相对于其他改善垂直视角的模式，可以改善莫尔纹不良以及三维显示时开口率低下的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种被动偏光式三维显示装置，包括依次排列的背光单元、第一偏光片、阵列基板、彩膜基板、第二偏光片、及图案位相差膜片；其中，所述彩膜基板上远离阵列基板的一侧设置有多条遮光条，所述每条遮光条的中间位置与对应的图案位相差膜片上相邻两个图案位相差膜之间的分界线的位置相对。
优选地，所述彩膜基板上朝向阵列基板的一侧设置有黑矩阵，所述黑矩阵具有多条矩阵条，所述矩阵条与所述遮光条一一相对，且所述矩阵条和所述遮光条等宽度。
优选地，所述彩膜基板背面的遮光条的材质为金属。
优选地，所述每条遮光条的中间位置与对应的图案位相差膜片上相邻两个图案位相差膜之间的分界线的位置位于垂直于位相差膜片的同一直线上。
由上述技术方案可以看出，通过在彩膜基板的背面设置遮光条，使得在计算使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示的垂直视角时，不再计入偏光片的厚度，因此可以增大使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示的垂直视角；进一步地，在彩膜基板的膜面设置与遮光条一一相对的矩阵条，且矩阵条与遮光条等宽度，则可以进一步增大使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示的垂直视角。另外，仅在彩膜基板的背面设置遮光条，或在彩膜基板的背面和膜面分别设置一一相对的遮光条和矩阵条，与图2所示结构相比，改善了莫尔纹不良；与图4所示结构相比，本发明3D显示下的开口率相对于2D显示下的开口率没有下降。
附图说明
图1为现有技术使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示的垂直视角示意图；
图2为另一现有技术在图案位相差膜片上设置遮光条的结构示意图；
图3为图2中角A’的计算示意图；
图4为又一现有技术在盒内设置辅助像素，且3D显示时辅助像素为黑态的结构示意图；
图5为图4中角A”的计算示意图；
图6为本发明实施一的使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示装置的结构示意图；
图7为本发明实施二的使用图案位相差膜片的被动偏光式三维显示装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是：在彩膜基板的背面设置遮光条，以增大使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示的垂直视角，并且同时减小莫尔纹，以及尽量增大3D显示下的开口率。其中，遮光条的中间位置与对应的图案位相差膜片上相邻两个图案位相差膜之间的分界线的位置相对，也与对应的彩膜基板膜面上相邻两个像素区之间的分界线的位置相对；这里的位置相对的优选方式是位于垂直于位相差膜片的同一直线上。
根据现有技术所述的角A＝2arc tan(h/2D)，本发明的基本思想鉴于以下分析得出：
1)对于h值：从增大开口率的角度考虑，尽量不在彩膜基板的膜面增大矩阵条宽度；
2)对于D值：将遮光条设置在彩膜基板的背面，D1值仅为彩膜基板的厚度，不用再计入偏光片的厚度，从而增大了垂直视角；
需要说明的是，彩膜基板的膜面指具有彩色像素的那一面，彩膜基板的背面指没有彩色像素的那一面；
3)关于莫尔纹：遮光条6(参见图2)的宽度越宽，莫尔纹现象越明显，遮光条宽度为零时，不产生莫尔纹不良。假设将垂直视角改善至某一相同的程度，将遮光条设置在彩膜基板的背面(遮光条8，图6结构)，相对于将遮光条设置在图案位相差膜片上(遮光条6，图2结构)，遮光条8的宽度小于遮光条6的宽度(对比式(4)与式(2))，即，相对于图2结构，图6结构改善了莫尔纹不良；
4)关于3D显示时的开口率：假设将垂直视角改善至某一相同的程度，图6结构的3D显示开口率大于图2以及图4结构的3D显示开口率(对比式(4)与式(2)及式(3))，并且，相对于2D显示，3D显示下的开口率没有减小。这里之所以要将彩膜基板背面的遮光条设置为与彩膜基板膜面的矩阵条等宽度，是从尽量增大开口率以及垂直视角的角度考虑。假设两者不等宽度，开口率由较大的那个宽度决定，且此状态下如果增大较小的那个宽度，可以进一步增大垂直视角。因此，将两者设置为等宽度，可以得到更好的开口率与垂直视角的综合效果。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例一
如图6所示，本发明实施例一的使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置包括：依次排列的背光单元1、第一偏光片2、TFT阵列基板3、彩膜基板4、第二偏光片12及图案位相差膜片5。本发明实施例一的使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置与图1所示的现有技术中使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置的区别在于：不仅在彩膜基板4的膜面设置有矩阵条，而且在彩膜基板4的背面设置有遮光条8，且彩膜基板4背面的遮光条8与彩膜基板4膜面的矩阵条等宽度、等间距，以尽量增大垂直视角且不降低开口率。其中，相邻两个图案位相差膜片之间的分界线不仅与该分界线对应的彩膜基板4膜面的矩阵条的中间位置相对，也与该分界线对应的彩膜基板4背面的遮光条8的中间位置相对，这里的位置相对的优选方式是位于垂直于位相差膜片的同一直线上。也即，矩阵条和遮光条8一一相对。
由于角A1是指彩膜基板4膜面上矩阵条之间的一个像素区的最大正确透光角度，且角A1不能与相邻像素区的透光产生串扰；因此从图6可以看出，改善后角A1的两条边界为彩膜基板4膜面上两条矩阵条的内边各自与对应的彩膜基板4背面上两个遮光条8外边之间的连线。
以下说明一下角A1的推导过程。角A1＝2(A1/2)，A1/2＝arc tan(h/D1)，因此，角A1＝2arc tan(h/D1)        式(4)；
其中，h为彩膜基板4上矩阵条的宽度，D1为彩膜基板4的厚度。比较角A1和角A的计算式可以发现，在计算角A1时，由于h值的作用，以及不再计入POL 2的厚度，使得角A1比角A大。因此，在彩膜基板4背面设置与彩膜基板4膜面的矩阵条等宽度、等间距的遮光条8，可以增大角A1，进而增大3D显示的垂直视角。
下面通过一个实例说明本发明实施例一角A1相对于现有技术中角A的改善情况。
假设矩阵条宽度h＝100um，D＝900um，D1＝700um，则计算得出：角A＝6.36°，角A1＝16.26°。
可以看出，在彩膜基板4背面设置与彩膜基板4膜面同为100um宽度的遮光条，角A1改善为角A的2.56倍。
优选地，彩膜基板4背面的遮光条8采用金属材料制作，以减小整个彩膜基板4背面的电阻率，从而起到更好的静电屏蔽作用。另外，用金属材料做遮光层，遮光层的表面平整度会比压克力聚合物(acryl polymer)等树脂材料好。
特别地，对于平面转换(IPS)显示模式，在彩膜基板4背面的遮光条8设置完后，还在彩膜基板4的背面覆盖透明导电层9，如氧化铟锡(ITO)，以达到屏蔽外界电场的作用。
实施例二
如图7所示，本发明实施例二的使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置包括：依次排列的背光单元1、第一偏光片2、TFT阵列基板3、彩膜基板4、第二偏光片12及图案位相差膜片5。本发明实施例二的使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示与图1所示的现有技术中使用图案位相差膜片的被动偏光式3D显示装置的区别在于：在彩膜基板4的背面设置有遮光条8，彩膜基板4膜面的相应位置可以不设置矩阵条。其中，相邻两个图案位相差膜片之间的分界线与该分界线对应的彩膜基板4背面的遮光条8的中间位置相对；这里的位置相对的优选方式是位于垂直于位相差膜片的同一条直线上。
实施例二与实施例一的区别在于：如果彩膜基板4背面的遮光条8的宽度可以使视角、视距达到要求，则彩膜基板4膜面的相应位置可以不设置矩阵条，以减少彩膜基板的制作工艺。
从图7可以看出，改善后角A2的两条边界为彩膜基板4膜面上一个像素区的两条边各自与对应的彩膜基板4背面上两个遮光条8外边之间的连线。
以下说明一下角A2的推导过程。角A2＝2(A2/2)，A2/2＝arc tan((h/2)/D1)，因此，角A2＝2arc tan(h/2D1)        式(5)；
其中，h为彩膜基板4背面上遮光条8的宽度，D1为彩膜基板4的厚度。比较角A2和角A的计算式可以发现，在计算角A2时不再计入POL 2的厚度，所以与角A相比，角A2有所增大。因此，在彩膜基板4的背面设置遮光条8，可以使在计算角A2时不用再计入POL 2的厚度，从而增大角A2，进而增大3D显示的垂直视角。另外，比较角A2和角A1的计算式可以发现，由于实施例一中在彩膜基板4的膜面和背面分别设置等宽度、等间距的矩阵条和遮光条，因此使得角A1比角A2的改善程度更好。
下面通过一个实例说明本发明实施例二角A2相对于现有技术中角A的改善情况。
假设遮光条宽度h＝100um，D＝900um，D1＝700um，则计算得出：角A＝6.36°，角A2＝8.17°。
可以看出，在彩膜基板4背面设置100um宽度的遮光条，且彩膜基板4膜面不设置矩阵条，角A2改善为角A的1.28倍。
优选地，彩膜基板4背面的遮光条8采用金属材料制作，以减小整个彩膜基板4背面的电阻率，从而起到更好的静电屏蔽作用。另外，用金属材料做遮光层，遮光层的表面平整度会比压克力聚合物等树脂材料好。
特别地，对于IPS显示模式，在彩膜基板4背面的遮光条8设置完后，还在彩膜基板4的背面覆盖透明导电层9，如ITO，以达到屏蔽外界电场的作用。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种被动偏光式三维显示装置，包括依次排列的背光单元、第一偏光片、阵列基板、彩膜基板、第二偏光片、及图案位相差膜片；其特征在于，所述彩膜基板上远离阵列基板的一侧设置有多条遮光条，所述每条遮光条的中间位置与对应的图案位相差膜片上相邻两个图案位相差膜之间的分界线的位置相对；先设置所述遮光条，再在所述彩膜基板的背面覆盖透明导电层；其中，所述彩膜基板上朝向阵列基板的一侧设置有黑矩阵，所述黑矩阵具有多条矩阵条，所述矩阵条与所述遮光条一一相对，且所述矩阵条和所述遮光条等宽度。
2.根据权利要求1所述的被动偏光式三维显示装置，其特征在于，所述彩膜基板背面的遮光条的材质为金属。
3.根据权利要求1所述的被动偏光式三维显示装置，其特征在于，所述每条遮光条的中间位置与对应的图案位相差膜片上相邻两个图案位相差膜之间的分界线的位置位于垂直于位相差膜片的同一直线上。
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