CN102749769A - 基于双层液晶透镜的2d/3d可切换自由立体显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置。该装置包括双层液晶透镜，导电聚合物层，2D显示屏。双层液晶透镜由导电聚合物层隔离，它们置于2D显示屏正上方。每层液晶透镜具有相同的参数，液晶透镜包括上基板玻璃层、上基板ITO透明条形电极、上基板取向层、液晶层、下基板取向层、下基板ITO透明平面电极、下基板玻璃层。当每层液晶透镜的上基板ITO透明条形电极和下基板ITO透明平面电极之间没有电压时，2D显示屏显示没有视差的2D图像，此时该装置工作于2D模式；当在每层液晶透镜的上基板ITO透明弧形电极和下基板ITO透明平面电极之间施加电压时，并且当液晶透镜满足聚焦模式时，2D显示屏显示左、右视差2D图像，此时该装置工作于3D模式。
Description
技术领域
本发明涉及显示领域，更具体地说，本发明涉及自由立体显示领域，尤指一种基于双层液晶透镜的2D/3D（二维/三维）可切换自由立体显示装置。
背景技术
自由立体显示是一种裸视3D显示，它通过加装在2D显示屏前的狭缝光栅或者柱透镜光栅等分光器件，将2D显示屏上显示的左、右视差图像分别送入观看者的左、右眼，经过大脑融合后获得立体感知。狭缝光栅由在透明胶片或玻璃上间隔印制或光刻一定尺寸的挡光条制作而成，通过其透光及遮挡作用获得视差图像的分离；柱透镜光栅采用透明材质来制作一定尺寸的柱透镜阵列，通过其折射作用获得视差图像的分离。光栅自由立体显示器由于结构简单、易于实现、无需佩戴眼镜等助视设备、3D显示效果良好等优点而备受关注。
光栅自由立体显示器虽然具有上述优点，但是它们普遍存在3D图像分辨率低、亮度低（尤其是狭缝光栅自由立体显示器）、观看视疲劳以及3D图像的串扰等问题，使其目前还难以普及。而且，由于目前3D片源相对较少，其制作也复杂，所以绝大多数的图像信息都还只能由2D显示器显示。2D/3D可切换技术可以在一台显示器上实现2D模式和3D模式的兼容，使用户在观看传统2D图像时能够切换到3D模式或者2D模式和3D模式同屏显示。采用液晶狭缝光栅代替传统的狭缝光栅可实现自由立体显示器的2D/3D切换：当液晶挡光条不透光时，显示器工作于3D模式；当液晶挡光条透光时，显示器工作于2D模式。采用液晶狭缝光栅依然存在3D图像亮度低的问题。通过在2D显示屏前加装液晶透镜来代替传统的柱透镜光栅可以实现自由立体显示器的2D/3D切换：当液晶透镜单元的液晶层的中心与边缘产生折射率差时，液晶透镜工作于聚焦模式，此时显示器可工作于3D模式；当液晶透镜单元的液晶层的中心与边缘没有折射率差时，液晶透镜工作于非聚焦模式，此时显示器工作于2D模式。采用液晶透镜不会使3D图像的亮度有明显的降低，但由于传统的基于液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示采用单层液晶透镜，焦距调制范围受到限制；而且，要获得小的焦距需要增加液晶层的厚度，但增加液晶层厚度会影响液晶透镜的响应时间。
发明内容
本发明提出一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，如附图1所示。它包括液晶透镜I（1），液晶透镜II（2），2D显示屏（3），用于隔离液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）的导电聚合物层（4）。液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）置于2D显示屏（3）正上方。液晶透镜I（1）包括上基板玻璃层I（5）、上基板ITO（氧化铟锡）透明条形电极I（6）、 上基板取向层I（7）、下基板取向层I（9），置于上基板取向层I（7）和下基板取向层I（9）之间的液晶层I（8）、下基板ITO透明平面电极I（10）、下基板玻璃层I（11），它们紧密排列。液晶透镜II（2）包括上基板玻璃层II（12）、上基板ITO透明条形电极II（13）、 上基板取向层II（14）、下基板取向层II（16），置于上基板取向层II（14）和下基板取向层II（16）之间的液晶层II（15）、下基板ITO透明平面电极II（17）、下基板玻璃层II（18），它们紧密排列。液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）上下对称放置，并且由一系列相同的液晶透镜单元组成，每个液晶透镜单元的节距为w。上基板ITO透明条形电极I（6）的间距和上基板ITO透明条形电极II（13）的间距均为d。
当上基板ITO透明条形电极I（6）和下基板ITO透明平面电极I（10）之间，以及上基板ITO透明条形电极II（13）下基板ITO透明平面电极II（17）之间没有电压时，液晶透镜单元中的液晶层I（8）和液晶层II（15）的中心和边缘没有折射率差，2D显示屏（3）显示没有视差的2D图像，此时该装置工作于2D模式；当在上基板ITO透明条形电极I（6）和下基板ITO透明平面电极I（10）之间，以及上基板ITO透明条形电极II（13）下基板ITO透明平面电极II（17）之间施加电压时，由于电场的不均匀分布，液晶透镜单元中的液晶层I（8）和液晶层II（15）的中心和边缘出现折射率差，并且当其满足聚焦模式时，光线经过液晶层I（8）和液晶层II（15）后会形成类似透镜的相位分布，2D显示屏（2）显示左、右视差2D图像，观看者在最佳观看距离处即可看到3D图像，此时该装置工作于3D模式。
优选地，液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）具有相同的参数。
优选地，液晶透镜I（1）的上基板玻璃层I（5）、下基板玻璃层I（11）和导电聚合物层（4）具有匹配的折射率。
优选地，液晶透镜II（2）的上基板玻璃层II（12）、下基板玻璃层II（18）和导电聚合物层（4）具有匹配的折射率。
优选地，导电聚合物层（4）接地。
优选地，液晶层I（8）和液晶层II（15）的液晶分子均作平行取向处理。
优优选地，所述液晶层厚度为3μm。
优选地，所述液晶分子的预倾角为0°。
优选地，液晶透镜单元的节距w满足公式
w=mQW p／(Q+W p) （1）
其中，m为3D模式的视点数，Q为人眼的瞳孔间距，W p为2D显示屏（3）的子像素宽度。
附图说明
附图1为本发明的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置的结构图。
附图2为本发明的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置在3D模式下视点1的视区分布图。
附图3为本发明的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置在3D模式下视点2的视区分布图。
附图4为本发明的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置在3D模式下视点的亮度分布图。
上述各附图中的图示标号为：
1. 液晶透镜I，2. 液晶透镜II，3. 2D显示屏，4.导电聚合物层，5. 上基板玻璃层I，6. 上基板ITO透明条形电极I，7. 上基板取向层I， 8. 液晶层I，9. 下基板取向层I，10. 下基板ITO透明平面电极I，11. 下基板玻璃层I，12. 上基板玻璃层II，13. 上基板ITO透明条形电极II，14. 上基板取向层II，15. 液晶层II，16. 下基板取向层II，17. 下基板ITO透明平面电极II，18. 下基板玻璃层II。
具体实施方式
下面详细说明本发明提出的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置的一个典型实施例，对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，如附图1所示，它包括液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2），2D显示屏（3），导电聚合物层（4）。液晶透镜I（1）和液晶透镜I（2）由导电聚合物层（4）隔离，它们置于2D显示屏（3）正上方，并且紧贴2D显示屏（3）。导电聚合物层（4）采用Agfa-Gevaert公司的ELP-3040。2D显示屏（3）采用分辨率为1024×600的10.1英寸平板2D显示屏，其子像素宽度W p=51μm。液晶材料采用Merck公司的BL-038，它的特性参数为：折射率各向异性Δn=0.272，介电各向异性Δε=16.4。
液晶透镜I（1）包括上基板玻璃层I（5）、上基板ITO透明条形电极I（6）、 上基板取向层I（7）、下基板取向层I（9），置于上基板取向层I（7）和下基板取向层I（9）之间的液晶层I（8）、下基板ITO透明平面电极I（10）、下基板玻璃层I（11），它们紧密排列。液晶透镜II（2）包括上基板玻璃层II（12）、上基板ITO透明条形电极II（13）、上基板取向层II（14）、下基板取向层II（16），置于上基板取向层II（14）和下基板取向层II（16）之间的液晶层II（15）、下基板ITO透明平面电极II（17）、下基板玻璃层II（18），它们紧密排列。液晶层II（8）和液晶层II（15）的厚度均为3μm。上基板ITO透明条形电极I（6）的间距和上基板ITO透明条形电极II（13）的间距均为10μm。上基板玻璃层I（5）、下基板玻璃层I（11）、上基板玻璃层II（12）、下基板玻璃层II（18）和导电聚合物层（4）的折射率匹配，都为1.52。液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）由一系列相同的液晶透镜单元组成，每个液晶透镜单元的节距由公式（1）计算得w= 101.9μm，其中，m=2，Q=65mm。
当上基板ITO透明条形电极I（6）和下基板ITO透明平面电极I（10）之间，以及上基板ITO透明条形电极II（13）下基板ITO透明平面电极II（17）之间没有电压时，液晶透镜单元中的液晶层I（8）和液晶层II（15）的中心和边缘没有折射率差，2D显示屏（3）显示没有视差的2D图像，此时该装置工作于2D模式；当在上基板ITO透明条形电极I（6）和下基板ITO透明平面电极I（10）之间，以及上基板ITO透明条形电极II（13）下基板ITO透明平面电极II（17）之间施加电压时，由于电场的不均匀分布，液晶透镜单元中的液晶层I（8）和液晶层II（15）的中心和边缘出现折射率差，并且当其满足聚焦模式时，光线经过液晶层I（8）和液晶层II（15）后会形成类似透镜的相位分布，2D显示屏（3）显示左、右视差2D图像，观看者在最佳观看距离z=l=1000mm处即可看到3D图像，此时该装置工作于3D模式。
设置如附图1所示的坐标系，其中坐标原点为液晶透镜I（1）的上基板玻璃层I（5）的上表面中心，该装置的水平方向和竖直方向分别为x轴和z轴。
附图2为本实施例的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置在3D模式下视点1的视区分布图。由2D显示屏（3）发出的视点1的光线经过液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）后沿z轴正方向发散，在最佳观看距离z=l=1000mm处沿x轴形成一系列的视区。
附图3为本实施例的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置在3D模式下视点2的视区分布图。由2D显示屏（3）发出的视点2的光线经过液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）后沿z轴正方向发散，在最佳观看距离z=l=1000mm处沿x轴形成一系列的视区。
附图4为本实施例的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置在3D模式下视点的亮度分布图。附图4中的实线和虚线分别代表视点1和视点2在最佳观看距离z=l=1000mm处沿x轴方向的亮度分布。如附图4所示，视点1和视点2的亮度分布曲线的重叠区域很小；在x轴方向上，当其中一个视点的亮度处于最大值时，相同位置上的另一个视点的亮度都很小；在x轴方向上，相邻两个亮度最大值之间的距离近似等于人眼瞳孔间距（65mm）。这表明本实施例的基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置在3D模式下视点的亮度分布良好。
Claims (9)
1.一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，该装置包括液晶透镜I（1）、液晶透镜II（2）、2D显示屏（3）和导电聚合物层（4）；液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）由导电聚合物层（4）隔离，它们置于2D显示屏（3）正上方；液晶透镜I（1）包括上基板玻璃层I（5）、上基板ITO（氧化铟锡）透明条形电极I（6）、 上基板取向层I（7）、下基板取向层I（9），置于上基板取向层I（7）和下基板取向层I（9）之间的液晶层I（8）、下基板ITO透明平面电极I（10）、下基板玻璃层I（11），它们紧密排列；液晶透镜II（2）包括上基板玻璃层II（12）、上基板ITO透明条形电极II（13）、 上基板取向层II（14）、下基板取向层II（16），置于上基板取向层II（14）和下基板取向层II（16）之间的液晶层II（15）、下基板ITO透明平面电极II（17）、下基板玻璃层II（18），它们紧密排列；液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）上下对称放置，并且由一系列相同的液晶透镜单元组成，每个液晶透镜单元的节距相同，上基板ITO透明条形电极I（6）的间距和上基板ITO透明条形电极II（13）的间距相同，当上基板ITO透明条形电极I（6）和下基板ITO透明平面电极I（10）之间，以及上基板ITO透明条形电极II（13）下基板ITO透明平面电极II（17）之间没有电压时，液晶透镜单元中的液晶层I（8）和液晶层II（15）的中心和边缘没有折射率差，2D显示屏（3）显示没有视差的2D图像，此时该装置工作于2D模式；当在上基板ITO透明条形电极I（6）和下基板ITO透明平面电极I（10）之间，以及上基板ITO透明条形电极II（13）下基板ITO透明平面电极II（17）之间施加电压时，由于电场的不均匀分布，液晶透镜单元中的液晶层I（8）和液晶层II（15）的中心和边缘出现折射率差，并且当其满足聚焦模式时，光线经过液晶层I（8）和液晶层II（15）后会形成类似透镜的相位分布，2D显示屏（2）显示左、右视差2D图像，观看者在最佳观看距离处即可看到3D图像，此时该装置工作于3D模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，液晶透镜I（1）和液晶透镜II（2）具有相同的参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，液晶透镜I（1）的上基板玻璃层I（5）、下基板玻璃层I（11）和导电聚合物层（4）具有匹配的折射率。
4.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，液晶透镜II（2）的上基板玻璃层II（12）、下基板玻璃层II（18）和导电聚合物层（4）具有匹配的折射率。
5.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，导电聚合物层（4）接地。
6.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，液晶层I（8）和液晶层II（15）的液晶分子作平行取向处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，所述液晶层厚度为3μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，所述液晶分子的预倾角为0°。
9.根据权利要求1所述的一种基于双层液晶透镜的2D/3D可切换自由立体显示装置，其特征在于，液晶透镜单元的节距w由公式w=mQW p／(Q+W p) 计算得到，其中，m为3D模式的视点数，Q为人眼的瞳孔间距，W p为2D显示屏（3）的子像素宽度。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121024 |