CN103149737B - 一种显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显示器，包括：平面显示装置，用于提供线性偏振的图像光线；偏振光转换装置，用于将入射的线性偏振的图像光线的偏振态进行转换后透射或者不转换直接透射；透镜装置，用于接收经过偏振光转换装置透射的图像光线，当经过所述偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于平面工作模式时，形成平面显示的出射光线；当经过偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于立体工作模式时，形成立体显示的出射光线；相位补偿装置，用于对传输至所述偏振光转换装置之前的所述线性偏振的图像光线和/或经过所述偏振光转换装置透射的图像光线进行相位补偿。通过该显示器能够解决从液晶盒出射的偏振光为非线性偏振光时造成的串扰问题。

Description

一种显示器

技术领域

本发明涉及液晶显示技术领域，尤其是指一种显示器。

背景技术

当前，实现3D显示已成为液晶显示器制造领域的研究重点。通常立体显示技术是通过人为的手段来制造人的左右眼的视差，给左、右眼分别送去有视差的两幅图像，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。自动式立体显示装置一般有两种方式：狭缝光栅式自动立体显示装置和微透镜阵列自动立体显示装置。其中微透镜阵列自动立体显示装置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。

当前超扭曲向列型(STN，Super Twisted Nematic)液晶相对于扭曲向列型（TN，Twisted Nematic）液晶来说，具有能够实现色彩变化显示及能够分像素、分区域控制等优点，因此被广泛采用。然而，当STN液晶用于显示器的2D-3D自由立体显示时，由于液晶的双折射效应，不能较好的匹配双折射透镜光栅的立体工作模式，从STN液晶盒出射的光为椭圆偏振光，导致3D显示效果不理想，3D显示具有较大的串扰，因此导致采用STN液晶盒的立体显示的显示器不能实用化。

发明内容

为解决上述问题，本发明技术方案的目的是提供一种显示器，能够解决从液晶盒出射的偏振光为非线性偏振光时造成的串扰问题。

本发明提供一种显示器，包括：

平面显示装置，用于提供图像显示光源，所述光源发出线性偏振的图像光线；

偏振光转换装置，用于将入射的所述线性偏振的图像光线的偏振态进行转换后透射或者不转换直接透射；

透镜装置，包括平面工作模式和立体工作模式，用于接收经过所述偏振光转换装置透射的图像光线，当经过所述偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于所述平面工作模式时，形成平面显示的出射光线；当经过所述偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于所述立体工作模式时，形成立体显示的出射光线；

相位补偿装置，用于对传输至所述偏振光转换装置之前的所述线性偏振的图像光线和/或经过所述偏振光转换装置透射的图像光线进行相位补偿，使所述透镜装置所接收的图像光线为线性偏振光线，且偏转方向匹配于所述平面工作模式或所述立体工作模式。

优选地，上述所述的显示器，所述偏振光转换装置包括一超扭曲向列型STN液晶盒。

优选地，上述所述的显示器，所述相位补偿装置设置于所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间。

优选地，上述所述的显示器，所述相位补偿装置设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间。

优选地，上述所述的显示器，所述相位补偿装置包括第一相位补偿器件和第二相位补偿器件，其中所述第一相位补偿器件设置于所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间，所述第二相位补偿器件设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间。

优选地，上述所述的显示器，所述平面显示装置所提供线性偏振光的琼斯矩阵记为M₁₀₀；所述偏振光转换装置在不加电时的琼斯矩阵记为M₁₀₃，在加电时的琼斯矩阵记为M₁₃₀；所述相位补偿装置的琼斯矩阵记为M₁₀₂；所述透镜装置所接收图像光线为线性偏振光，偏振方向与竖直方向夹角为Ψ时，满足以下公式：

$\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]=M_{103}{M}_{102}{M}_{100}$ 并且 $\left[\begin{array}{c}-\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]=M_{130}{M}_{102}{M}_{100}.$

优选地，上述所述的显示器，所述相位补偿装置的快轴与竖直方向之间的夹角为α，相位延迟量为Γ₁₀₂时，琼斯矩阵M₁₀₂为：

优选地，上述所述的显示器，当所述偏振光转换装置中液晶盒的扭转角度为φ，厚度为d时，在不加电时的琼斯矩阵为M₁₀₃为：

$M_{103}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(X\right)-i\frac{{\mathrm{\Γ}}_{103}}{2}\frac{\sin \left(X\right)}{X}& \mathrm{\φ}\frac{\sin \left(X\right)}{X}\\ -\mathrm{\φ}\frac{\sin \left(X\right)}{X}& \cos \left(X\right)+i\frac{{\mathrm{\Γ}}_{103}}{2}\frac{\sin \left(X\right)}{X}\end{array}\right]$

其中Γ₁₀₃为所述偏振光转换装置的相位延迟量。

在加电时的琼斯矩阵M₁₃₀为：

$M_{130}=\exp \left[\mathrm{i\φ}\left(V\right)\right]\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}R(-{\mathrm{\χ}}_n)M_{n}R\left({\mathrm{\χ}}_n\right)$

其中： ${\mathrm{\χ}}_n=\frac{\mathrm{n\φ}}{N};$

$\mathrm{\φ}\left(V\right)=\frac{\mathrm{\π}{n}_o}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^d(1+\frac{n_e}{\sqrt{n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}(z,V)+n_o^2{\cos }^2\mathrm{\θ}(z,V)}})\mathrm{dz};$

$M_n=\left[\begin{array}{cc}\exp [-i{\mathrm{\β}}_n\left(V\right)]& 0\\ 0& \exp [-i{\mathrm{\β}}_n\left(V\right)]\end{array}\right];$

$R\left({\mathrm{\χ}}_n\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\χ}}_n\right)& \sin \left({\mathrm{\χ}}_n\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\χ}}_n\right)& \cos \left({\mathrm{\χ}}_n\right)\end{array}\right];$

${\mathrm{\β}}_n\left(V\right)=\frac{\mathrm{\π}{n}_{o}d}{\mathrm{\λ}}(\frac{n_e}{\sqrt{n_e^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_n(z,V)+n_o^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_n(z,V)}}-1);$

χ_n和β_n（V）分别为所述偏振光转换装置中液晶盒第n个液晶薄层的指向矢扭曲角和双折射参量，N为液晶盒所包括的N个液晶薄层的叠加，其中每一层内分子的取向基本一致，相当于一单轴晶体薄层。

优选地，上述所述的显示器，当所述平面显示装置所发出图像光线的偏振方向为0度，所述偏振光转换装置的液晶分子的底摩擦方向为正35度，面摩擦方向为负35度时，设置于所述平面显示装置和所述偏振光转换装置之间或设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间的所述相位补偿装置的快轴为正30度至正60度之间，相位延迟量为200nm至350nm之间，使入射至所述透镜装置的图像光线的线偏振光的偏振方向为0度，达到所述透镜装置的立体工作模式的匹配方向；其中以水平线为基准，逆时针方向为负，顺时针方向为正。

优选地，上述所述的显示器，当所述平面显示装置所发出图像光线的偏振方向为正80度，所述偏振光转换装置的液晶分子的底摩擦方向为正35度，面摩擦方向为负35度时，设置于所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间的第一相位补偿装置的快轴为正100度至正120度之间，相位延迟量为380nm至500nm之间，设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间的第二相位补偿装置的快轴为正60度至正80度之间，相位延迟量为380nm至500nm之间时，使入射至所述透镜装置图像光线的线偏振光的偏振方向为正10度，达到所述透镜装置的立体工作模式的匹配方向；其中以水平线为基准，逆时针方向为负，顺时针方向为正。

优选地，上述所述的显示器，所述相位补偿装置包括由双折射晶体构成的薄片状器件或聚合物构成的薄膜状器件。

本发明具体实施例上述技术方案中的至少一个具有以下有益效果：

通过设置相位补偿装置，用于补偿通过偏振光转换装置透射的光线的相位延迟，保证被透镜装置所接收的图像光线为线性偏振光线，且偏转方向与透镜装置的平面工作模式或立体工作模式匹配，从而实现显示器的2D或3D显示，减轻串扰。

附图说明

图1表示本发明具体实施例所述显示器的工作原理示意图；

图2表示本发明具体实施例所述显示器的结构示意图；

图3表示所述显示器中，所述透镜装置第一种工作模式的原理示意图；

图4表示所述显示器中，所述透镜装置第二种工作模式的原理示意图；

图5表示采用本发明所述显示器时，利用各参数之间的对应关系式，优化获得的第一种设计结果；

图6表示采用第一种设计结果，光经过各个器件后偏振态的变化形式；

图7表示采用第一种设计结果的实验模拟数据图；

图8表示采用本发明所述显示器时，利用各参数之间的对应关系式，优化获得的第二种设计结果；

图9表示采用第二种设计结果，光经过各个器件后偏振态的变化形式；

图10表示采用第二种设计结果的实验模拟数据图；

图11表示采用本发明所述显示器时，利用各参数之间的对应关系式，优化获得的第三种设计结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明具体实施例所述显示器，包括：

平面显示装置，用于提供图像显示光源，所述光源发出线性偏振的图像光线；

偏振光转换装置，用于将入射的所述线性偏振的图像光线的偏振态进行转换后透射或者不转换直接透射；

透镜装置，包括平面工作模式和立体工作模式，用于接收经过所述偏振光转换装置透射的图像光线，当经过所述偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于所述平面工作模式时，形成平面显示的出射光线；当经过所述偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于所述立体工作模式时，形成立体显示的出射光线；

相位补偿装置，用于对传输至所述偏振光转换装置之前的所述线性偏振的图像光线和/或经过所述偏振光转换装置透射的图像光线进行相位补偿，使所述透镜装置所接收的图像光线为线性偏振光线，且偏转方向匹配于所述平面工作模式或所述立体工作模式。

本发明具体实施例上述所述的显示器，通过设置相位补偿装置，用于补偿通过偏振光转换装置透射的光线的相位延迟，保证被透镜装置所接收的图像光线为线性偏振光线，且偏转方向与透镜装置的平面工作模式或立体工作模式匹配，从而实现显示器的2D或3D显示，减轻串扰。

由于通常采用STN液晶盒时易形成串扰，因此本发明可以应用于偏振光转换装置包括一STN液晶盒的显示器中。

此外，所述相位补偿装置可以设置于所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间，由光源发出线性偏振光的图像光线可以在入射至偏振光转换装置之前进行相位补偿；所述相位补偿装置也可以设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间，对经过偏振光转换装置透射的图像光线进行相位补偿；此外，也可以采用在所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间以及所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间均分别设置相位补偿装置的结构形式。

以下将结合图1及图2对本发明具体实施例所述显示器的结构进行描述。图1为本发明具体实施例所述显示器的工作原理示意图；图2为本发明具体实施例所述显示器的结构示意图。

参阅图1所示，所述显示器包括：

用于提供图像的平面显示装置10，该平面显示装置10提供一图像显示光源，所述光源发出线性偏振的图像光线；本领域技术人员应该能够了解该平面显示装置10的具体结构，在此不详细描述；

偏振光转换装置20，用于将平面显示装置10所发出、入射至偏振光转换装置20的图像光线的偏振态进行转换后透射或者不转换直接透射；

透镜装置30，包括平面工作模式和立体工作模式，用于接收经过所述偏振光转换装置20透射的图像光线，当经过所述偏振光转换装置20透射的图像光线的偏振方向匹配于所述平面工作模式时，形成平面显示的出射光线，直接透射图像光线；当经过所述偏振光转换装置20透射的图像光线的偏振方向匹配于所述立体工作模式时，形成立体显示的出射光线，将入射的图像光线分成右眼图像光线和左眼图像光线，如图1所示。

所述偏振光转换装置20包括一STN液晶盒。具体地，所述偏振光转换装置20包括：薄膜晶体管电路、作为驱动电极的ITO玻璃层、作为公共电极的ITO玻璃层、第一取向层、第二取向层、第一取向层和第二取向层之间的液晶层以及控制模块，控制模块与薄膜晶体管电路和作为公共电极的ITO玻璃层之间电连接，用于通过薄膜晶体管控制各ITO单元与作为公共电极的ITO玻璃基板之间的电压，使得位于第一取向层和第二取向层之间的液晶层内的液晶分子偏转方向。

其中，STN液晶盒的结构及工作原理为：当STN液晶盒的液晶分子在不加电压的像素处时，液晶分子长轴取向垂直于电极表面；同时假定两个偏振器的吸收轴互相垂直，并且起偏器吸收轴垂直于电极表面，在这样条件下，入射光经起偏器后，成为偏振光。光的偏振方向垂直于液晶分子长轴平面，经过液晶层后，不受液晶层影响。透过液晶层的光，被解偏器吸收，呈黑色。而在加有超过阈值电压的像素处，液晶分子长轴趋向平行电极表面。这样，入射光经起偏器后，入射到STN液晶盒的液晶层中，它的E矢量不再垂直于液晶分子长轴平面，而会有平行于液晶分子长轴平面的分量，这就使通过液晶层的光会产生椭圆偏振。

图3及图4为所述透镜装置30两种工作模式的原理示意图。当透镜装置30所接收通过偏振光转换装置20透射的图像光线的线偏振光与立体工作模式匹配时，透镜装置30对光表现出透镜工作效果，如图3所示，将入射的图像光线分成左眼图像光线和右眼图像光线；当透镜装置30所接收通过偏振光转换装置20透射的图像光线的线偏振光与平面工作模式匹配时，透镜装置30对光表现出平面玻璃工作效果，如图4所示，形成平面显示的出射光线。

此外，透镜装置30在图3及图4所示两种工作模式下，所接收的线偏振光的偏振方向相互垂直。

通常，实现上述功能的透镜装置30包括单折射率凸透镜、双折射率凹透镜以及玻璃基板，而单折射率凸透镜和双折射率凹透镜是由多个透镜阵列构成。利用凸透镜及凹透镜的折射率不同，使包括凸透镜和凹透镜的组合结构对不同偏转方向的偏振光表现不同的出射效果。

通过透镜装置30实现上述两种工作模式的结构为本领域的熟知技术，在此不作详细描述。

然而，根据以上所述，由于液晶分子的双折射效应，由所述偏振光转换装置20出射至透镜装置30的光形成为椭圆偏振光，导致显示器的3D显示具有较大的串扰。因此，本发明具体实施例所述显示器还包括如图2所示的相位补偿装置40，通过合理设置相位补偿装置的快轴方向和相位延迟量，使得经过偏振光转换装置20出射的图像光线为线偏振光，当线偏振光的偏振方向与透镜装置30的立体工作模式匹配时，呈现3D现实。

因此，本发明具体实施例所述显示器，由于相位补偿装置40的加入，保证了入射至透镜装置30的光的偏振态为线偏振光，因此提升了3D显示效果，达到降低串扰的目的。

其中，所述相位补偿装置40包括：双折射晶体构成的薄片状器件和聚合物构成的薄膜状器件。

本发明具体实施例所述显示装置，采用包括上述结构的平面显示装置10、偏振光转换装置20、透镜装置30和相位补偿装置40，通过合理选择相位补偿装置的延迟量、快轴取向，偏振光转换装置20上STN液晶盒的扭曲角度、延迟量，以及合理设置各装置之间的匹配参数，可以保证偏振光转换装置20的STN液晶盒在加电和不加电的两种状态下，入射至透镜装置30的光均为线偏振光，且偏振方向互相垂直，实现加电3D显示或者不加电3D显示，或者通过控制STN液晶盒的加电与断电，实现2D与3D的自由转换显示。

当显示器为不加电3D显示结构时，偏振光转换装置20的控制模块不对ITO单元加电，ITO单元与作为公共电极的ITO玻璃基板之间无电场，由平面显示器10所发出的线性偏振的图像光线进入STN液晶盒的液晶层后，由于双折射效应，成为椭圆偏振光，通过设置于偏振光转换装置20光路前方和/或后方的相位补偿装置进行相位补偿，使入射至透镜装置30的图像光线为线性偏振光，且与透镜装置30的立体工作模式匹配，使经过透镜装置30的光线发生折射，将光线分划为左眼图像光线和右眼图像光线，用于3D图像显示。

此时，当对ITO单元加电时，偏振光转换装置20的控制模块通过薄膜晶体管对ITO单元加电，使ITO单元与作为公共电极的ITO玻璃基板之间产生电场，该电场区域内的分子全部顺电场方向排列，在经过偏振光转换装置20的液晶层时，图像光线不受液晶层影响，直接通过液晶层后而透射。此外利用设置于偏振光转换装置20光路前方和/或后方的相位补偿装置的相位补偿作用，使入射至透镜装置30呈线性偏振的图像光线与透镜装置30的平面显示工作模式匹配，用于2D显示。

同理，当显示器为加电3D显示结构时，利用设置于偏振光转换装置20光路前方和/或后方的相位补偿装置的相位补偿作用，使入射至透镜装置30呈线性偏振的图像光线与透镜装置30的立体工作模式匹配，用于3D显示；此种情况当对ITO单元不加电时，由于双折射效应，透过STN液晶盒的图像光线为椭圆偏振光，通过设置于偏振光转换装置20光路前方和/或后方的相位补偿装置进行相位补偿，使入射至透镜装置30的图像光线为线性偏振光，且与透镜装置30的平面显示工作模式匹配，用于2D显示。

以下将对采用本发明具体实施例所述显示器时，各元部件的选取原理进行说明。

其中，STN液晶盒的扭曲角度、延迟量以及相位补偿器件的延迟量、快轴取向影响入射至透镜装置的光的偏振态，因此本发明所述显示器进行结构设置时，需要考虑上述各参数的确定。

设所述平面显示装置所提供线性偏振光的琼斯矩阵记为M₁₀₀；所述偏振光转换装置在不加电时的琼斯矩阵记为M₁₀₃，在加电时的琼斯矩阵记为M₁₃₀；所述相位补偿装置的琼斯矩阵记为M₁₀₂；所述透镜装置所接收图像光线为线性偏振光，其偏振方向与竖直方向夹角为ψ时，其中在不加电3D显示时，上述各参数满足以下公式(1)：

$\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]=M_{103}{M}_{102}{M}_{100}---\left(1\right)$

在加电3D显示时，上述各参数满足以下公式(2)：

$\left[\begin{array}{c}-\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]=M_{130}{M}_{102}{M}_{100}---\left(2\right)$

其中，相位补偿装置的相位延迟量采用如下公式(3)计算：

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_e-n_0)d---\left(3\right)$

上述公式(3)中，n_e为非寻常光折射率，n_o为寻常光折射率，d为相位补偿装置的厚度。

由于STN液晶盒同样具有相位延迟的作用，故STN液晶盒的相位延迟量也采用上述（3）式进行计算。

设偏振光转换装置20中STN液晶盒的扭转角度为φ，厚度为D，则STN液晶盒在不加电时的琼斯矩阵M₁₀₃采用以下公式(4)计算：

$M_{103}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(X\right)-i\frac{{\mathrm{\Γ}}_{103}}{2}\frac{\sin \left(X\right)}{X}& \mathrm{\φ}\frac{\sin \left(X\right)}{X}\\ -\mathrm{\φ}\frac{\sin \left(X\right)}{X}& \cos \left(X\right)+i\frac{{\mathrm{\Γ}}_{103}}{2}\frac{\sin \left(X\right)}{X}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中： $X=\sqrt{{\mathrm{\φ}}^2+(\frac{{\mathrm{\Γ}}_{103}}{2}{)}^2}$

Γ₁₀₃为STN液晶盒的相位延迟量，该Γ₁₀₃的计算可以参阅上述相位补偿装置的相位延迟量Γ₁₀₂计算公式。

将STN看做N（N足够大）个液晶薄层的叠加，每一层内分子的取向基本一致，相当于一单轴晶体薄层，可得第n层的扭曲角为：

${\mathrm{\χ}}_n=\frac{\mathrm{n\φ}}{N}$

加电时STN的琼斯矩阵可写为：

$M_{130}=\exp \left[\mathrm{i\φ}\left(V\right)\right]\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}R(-{\mathrm{\χ}}_n)M_{n}R\left({\mathrm{\χ}}_n\right)$

其中：

$M_n=\left[\begin{array}{cc}\exp [-i{\mathrm{\β}}_n\left(V\right)]& 0\\ 0& \exp [-i{\mathrm{\β}}_n\left(V\right)]\end{array}\right]$

$\mathrm{\φ}\left(V\right)=\frac{\mathrm{\π}{n}_o}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^d(1+\frac{n_e}{\sqrt{n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}(z,V)+n_o^2{\cos }^2\mathrm{\θ}(z,V)}})\mathrm{dz}$

$R\left({\mathrm{\χ}}_n\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\χ}}_n\right)& \sin \left({\mathrm{\χ}}_n\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\χ}}_n\right)& \cos \left({\mathrm{\χ}}_n\right)\end{array}\right]$

${\mathrm{\β}}_n\left(V\right)\frac{\mathrm{\π}{n}_{o}d}{\mathrm{\λ}}(\frac{n_e}{\sqrt{n_e^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_n(z,V)+n_o^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_n(z,V)}}-1)$

χ_n和β_n(V)分别对应第n个液晶薄层的指向矢扭曲角和双折射参量。

以下将以所述显示器形成为图2所示结构时，也即相位补偿装置40包括两个相位补偿器件，分别设置于平面显示装置10与偏振光转换装置20之间和偏振光转换装置20与透镜装置30之间时，各参数之间的关系进行说明。

设平面显示装置10所提供线性偏振光的琼斯矩阵记为M₁₀₀，选择平面显示装置10出射光的偏振方向为垂直偏振（垂直纸面向里），则琼斯矩阵：

$M_{100}=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]$

设第一相位补偿器件的快轴与竖直方向夹角为α，相位延迟量为Γ₁₀₂，则第一相位补偿器件的琼斯矩阵M₁₀₂计算公式(5)为：

$M_{102}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\α}\right)& -\sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\α}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\frac{i{\mathrm{\Γ}}_{102}}{2}}& 0\\ 0& e^{\frac{i{\mathrm{\Γ}}_{102}}{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\α}\right)& \sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\α}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

设第二相位补偿器件的快轴和竖直方向夹角为β，第二相位补偿器件的相位延迟量为Γ₁₀₄，则第二相位补偿器件的琼斯矩阵M₁₀₄参阅以下公式(6)确定：

式中Γ₁₀₄的计算可以参阅公式(3)关于相位延迟量的计算公式。

由于经过第二相位补偿器件之后，入射至透镜装置30的图像光线为线性偏振光，线性偏振光的偏振方向与透镜装置30的平面工作模式或立体工作模式对应，因此入射至透镜装置30的线性偏振光的偏振方向为已知，设其偏振方向与竖直方向夹角为ψ时，入射至透镜装置30的图像光线的琼斯矩阵为：

$\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]$

其中显示器在不加电实现3D显示时，入射至透镜装置30的线性偏振光的琼斯矢量满足以下关系：

当显示器在加电实现3D显示时，STN液晶盒加电，根据上述公式(4)所计算得到的不加电时的琼斯矩阵M₁₀₃，本领域技术人员可以计算加电时的STN液晶盒的琼斯矩阵M₁₃₀，此时由第二相位补偿器件出射入透镜装置30的图像光线为线性偏振光，且偏振方向与不加电时入射至透镜装置30的线性偏振光的偏振方向相垂直，则加电3D显示时，由第二相位补偿器件出射入透镜装置30的图像光线为线性偏振光的琼斯矩阵可表示为以下：

$\left[\begin{array}{c}-\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]$

计算公式为： $\left[\begin{array}{c}-\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]=M_{104}{M}_{130}{M}_{102}\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]$

根据以上的计算公式可知，由于入射至透镜装置30的图像光线为线性偏振光，线性偏振光的偏振方向与透镜装置30的平面工作模式或立体工作模式对应，入射至透镜装置30的线性偏振光的偏振方向为已知，因此通过合理选择相位补偿器件的延迟量、快轴取向，STN液晶盒的扭曲角度、延迟量，以及各个器件之间的相互关系，可以保证在STN液晶盒加电和不加电的两种状态下，入射到透镜装置的光均为线偏振光，且偏振方向互相垂直。

图5至图7表示采用本发明具体实施例所述显示器，在偏振光转换装置20与透镜装置30之间设置相位补偿装置40时，利用上述各参数之间的对应关系式，优化获得的第一种实现结果。其中，在图5中，在平面301表示由平面显示装置10出射的线偏振光的偏振方向，在平面302和303上表示偏振光转换装置20的STN液晶盒液晶分子的底摩擦方向和面摩擦方向，在平面304上表示相位补偿装置30上相位补偿膜的快轴方向，在平面305上表示透镜装置30的立体工作模式的匹配方向。

图6表示了光经过各个器件后偏振态的变化。3011表示从平面显示装置10出射的光为线偏振光；此线偏振光经过偏振光转换装置20的STN液晶盒后，由于液晶的双折射效应，线偏振光转变为椭圆偏振光3021；通过合理设置相位补偿装置上相位补偿膜的快轴取向范围为+30度至+60度之间和相位延迟量取值范围为200nm至350nm之间，使得该椭圆偏振光进一步转变为线性偏振光3031；当该线性偏振光的偏振方向与透镜装置30的立体工作模式匹配时，此结构呈现3D显示效果。

参阅图5和图6所示，以水平线为基准，逆时针方向为负，顺时针方向为正，当平面显示装置10出射线偏振光的偏振方向为0度，偏振光转换装置20的STN液晶盒液晶分子的底摩擦方向为正35度，面摩擦方向为负35度时，调整相位补偿膜的快轴角度和相位延迟量，可以使入射至透镜装置30图像光线的线偏振光的偏振方向为0度，达到透镜装置30的立体工作模式的匹配方向。

图7表示了采用上述参数的实验模拟检测结果。从图7可以看出，两曲线在可见光波段范围内分布较为平坦，表明该结构可以很好地工作于可见光波段范围，满足了观看需求；此外，两曲线在可见光波段范围内间距较大，表明该结构明显的提升了3D显示效果，降低了串扰。

图8至图10表示采用本发明具体实施例所述显示器，在平面显示装置10与偏振光转换装置20之间和偏振光转换装置20与透镜装置30之间同时进行相位补偿时，利用上述各参数之间的对应关系式，优化获得的第二种实现结果。

其中，在图8中，在平面401表示由平面显示装置10出射的线偏振光的偏振方向，在平面402上表示相位补偿装置40上第一相位补偿膜的快轴方向，在平面403和404上分别表示偏振光转换装置20的STN液晶盒液晶分子的底摩擦方向和面摩擦方向，在平面405上表示相位补偿装置40上第二相位补偿膜的快轴方向，在平面406上表示透镜装置30的立体工作模式的匹配方向。

图9表示了光经过各个器件后偏振态的变化。4011表示从平面显示装置10出射的光为线偏振光；该线偏振光经过第一相位补偿膜后转变为椭率较大的椭圆偏振光4021。此椭圆偏振光4021经过偏振光转换装置20的STN液晶盒后，由于液晶的双折射效应，椭率较大的椭圆偏振光4021转变为椭率较小的椭圆偏振光4031；通过合理设置第二相位补偿膜的快轴取向和相位延迟量，使得该椭圆偏振光进一步转变为线性偏振光4041；当该线性偏振光4041的偏振方向和透镜装置30的立体工作模式匹配时，此结构呈现出3D显示效果。

参阅图8和图9所示，以水平线为基准，逆时针方向为负，顺时针方向为正，当平面显示装置10出射线偏振光的偏振方向为+80度，偏振光转换装置20的STN液晶盒液晶分子的底摩擦方向为正35度，面摩擦方向为负35度时，第一相位补偿膜的快轴取向范围为正100度至正120度之间，相位延迟量的取值范围为380nm至500nm之间，第二相位补偿膜的快轴取向范围为正60度至正80度之间，相位延迟量的取值范围为380nm至500nm之间，可以使入射至透镜装置30图像光线的线偏振光的偏振方向为+10度，达到透镜装置30的立体工作模式的匹配方向。

图10表示了采用上述参数的实验模拟检测结果。从图10可以看出，两曲线在可见光波段范围内分布较为平坦，表明该结构可以很好地工作于可见光波段范围，满足了观看需求；此外，两曲线在可见光波段范围内间距较大，表明该结构明显的提升了3D显示效果，降低了串扰。

图11表示采用本发明具体实施例所述显示器，在平面显示装置10与偏振光转换装置20之间设置相位补偿装置40时，利用上述各参数之间的对应关系式，优化获得的第三种实现结果。

其中，在图11中，在平面501表示由平面显示装置10出射的线偏振光的偏振方向，在平面502表示相位补偿装置40上相位补偿膜的快轴方向，在平面503和504上表示偏振光转换装置20的STN液晶盒液晶分子的底摩擦方向和面摩擦方向，在表面505上表示透镜装置30的立体工作模式的匹配方向。

以水平线为基准，逆时针方向为负，顺时针方向为正，当平面显示装置10出射线偏振光的偏振方向为0度，偏振光转换装置20的STN液晶盒液晶分子的底摩擦方向为正35度，面摩擦方向为负35度时，调整相位补偿膜的快轴角度和相位延迟量，使相位补偿膜的快轴取向范围为+30度至+60度之间和相位延迟量取值范围为200nm至350nm之间，可以使入射至透镜装置30图像光线的线偏振光的偏振方向为0度，达到透镜装置30的立体工作模式的匹配方向。

根据以上实验数据及模拟结果可以看出，本发明具体实施例所述显示器，通过设置相位补偿装置，用于补偿通过偏振光转换装置透射的光线的相位延迟，保证被透镜装置所接收的图像光线形成为线性偏振光线，且偏转方向与透镜装置的平面工作模式或立体工作模式匹配，从而实现显示器的2D或3D显示，减轻串扰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种显示器，其特征在于，包括：

平面显示装置，用于提供图像显示光源，所述光源发出线性偏振的图像光线；

偏振光转换装置，用于将入射的所述线性偏振的图像光线的偏振态进行转换后透射或者不转换直接透射；

透镜装置，包括平面工作模式和立体工作模式，用于接收经过所述偏振光转换装置透射的图像光线，当经过所述偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于所述平面工作模式时，形成平面显示的出射光线；当经过所述偏振光转换装置透射的图像光线的偏转方向匹配于所述立体工作模式时，形成立体显示的出射光线；

相位补偿装置，用于对传输至所述偏振光转换装置之前的所述线性偏振的图像光线和/或经过所述偏振光转换装置透射的图像光线进行相位补偿，使所述透镜装置所接收的图像光线为线性偏振光线，且偏转方向匹配于所述平面工作模式或所述立体工作模式；

所述平面显示装置所提供线性偏振光的琼斯矩阵记为M₁₀₀；所述偏振光转换装置在不加电时的琼斯矩阵记为M₁₀₃，在加电时的琼斯矩阵记为M₁₃₀；所述相位补偿装置的琼斯矩阵记为M₁₀₂；所述透镜装置所接收图像光线为线性偏振光，偏振方向与竖直方向夹角为ψ时，满足以下公式：

$\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]=M_{103}{M}_{102}{M}_{100}$ 并且 $\left[\begin{array}{c}-\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\\ \cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]=M_{130}{M}_{102}{M}_{100}.$

2.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述偏振光转换装置包括一超扭曲向列型STN液晶盒。

3.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述相位补偿装置设置于所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间。

4.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述相位补偿装置设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间。

5.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述相位补偿装置包括第一相位补偿器件和第二相位补偿器件，其中所述第一相位补偿器件设置于所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间，所述第二相位补偿器件设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间。

6.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述相位补偿装置的快轴与竖直方向之间的夹角为α，相位延迟量为Γ₁₀₂时，琼斯矩阵M₁₀₂为：

$M_{102}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\α}\right)& -\sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\α}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\frac{\mathrm{i\Γ}}{2}102}& 0\\ 0& e^{\frac{i{\mathrm{\Γ}}_{102}}{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\α}\right)& \sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\α}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right].$

7.如权利要求6所述的显示器，其特征在于，当所述偏振光转换装置中液晶盒的扭转角度为φ，厚度为D时，在不加电时的琼斯矩阵为M₁₀₃为：

$M_{103}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\φ}\right)& \cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(X\right)-i\frac{{\mathrm{\Γ}}_{103}}{2}\frac{\sin \left(X\right)}{X}& \mathrm{\φ}\frac{\sin \left(X\right)}{X}\\ -\mathrm{\φ}\frac{\sin \left(X\right)}{X}& \cos \left(X\right)+i\frac{{\mathrm{\Γ}}_{103}}{2}\frac{\sin \left(X\right)}{X}\end{array}\right]$

其中Γ₁₀₃为所述偏振光转换装置的相位延迟量；

在加电时的琼斯矩阵M₁₃₀为：

$M_{103}=\exp \left[\mathrm{i\φ}\left(V\right)\right]\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}R(-{\mathrm{\χ}}_n)M_{n}R\left({\mathrm{\χ}}_n\right)$

其中： ${\mathrm{\χ}}_n=\frac{\mathrm{n\φ}}{N};$

$\mathrm{\φ}\left(V\right)=\frac{\mathrm{\π}{n}_0}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^d(1+\frac{n_e}{\sqrt{n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}(z,V)+n_o^2{\cos }^2\mathrm{\θ}(z,V)}})\mathrm{dz};$

$M_n=\left[\begin{array}{cc}\exp [-i{\mathrm{\β}}_n\left(V\right)]& 0\\ 0& \exp [-i{\mathrm{\β}}_n\left(V\right)]\end{array}\right];$

$R\left({\mathrm{\χ}}_n\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\χ}}_n\right)& \sin \left({\mathrm{\χ}}_n\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\χ}}_n\right)& \cos \left({\mathrm{\χ}}_n\right)\end{array}\right];$

${\mathrm{\β}}_n\left(V\right)=\frac{\mathrm{\π}{n}_{o}d}{\mathrm{\λ}}(\frac{n_e}{\sqrt{n_e^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_n(z,V)+n_o^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_n(z,V)}}-1);$

χ_n和分别为所述偏振光转换装置中液晶盒第n个液晶薄层的指向矢扭曲角和双折射参量，N为液晶盒所包括的N个液晶薄层的叠加，其中每一层内分子的取向基本一致，相当于一单轴晶体薄层。

8.如权利要求7所述的显示器，其特征在于，当所述平面显示装置所发出图像光线的偏振方向为0度，所述偏振光转换装置的液晶分子的底摩擦方向为正35度，面摩擦方向为负35度时，设置于所述平面显示装置和所述偏振光转换装置之间或设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间的所述相位补偿装置的快轴取向为正30度至正60度之间，相位延迟量为200nm至350nm之间；其中以水平线为基准，逆时针方向为负，顺时针方向为正。

9.如权利要求7所述的显示器，其特征在于，当所述平面显示装置所发出图像光线的偏振方向为正80度，所述偏振光转换装置的液晶分子的底摩擦方向为正35度，面摩擦方向为负35度时，设置于所述平面显示装置与所述偏振光转换装置之间的第一相位补偿装置的快轴取向为正100度至正120度之间，相位延迟量为380nm至500nm之间，设置于所述偏振光转换装置与所述透镜装置之间的第二相位补偿装置的快轴取向为正60度至正80度之间，相位延迟量为380nm至500nm之间；其中以水平线为基准，逆时针方向为负，顺时针方向为正。

10.如权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述相位补偿装置包括由双折射晶体构成的薄片状器件或聚合物构成的薄膜状器件。