CN103348269A

CN103348269A - 菲涅耳透镜结构和使用其的2d/3d图像切换显示装置

Info

Publication number: CN103348269A
Application number: CN2012800084932A
Authority: CN
Inventors: 裵成学; 朴光承; 韩尚澈; 朴柄洙
Original assignee: LG Chemical Co Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd; LG Corp
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-10-09
Also published as: WO2012108664A2; KR20120091646A; WO2012108664A3; US20120268816A1; JP2014511497A

Abstract

本发明涉及菲涅耳透镜结构和使用其的2D/3D图像切换显示装置。所述菲涅耳透镜结构包括：菲涅耳透镜层；和位于所述菲涅耳透镜层上的平坦层。菲涅耳透镜层和平坦层之一由双折射材料构成并且另一个由各向同性材料构成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述双折射率材料的最大折射率或最小折射率。根据本发明，因为2D/3D可切换的结构简单，所以切换容易，并且对于2D/3D切换而言不使用复杂的设备，菲涅耳透镜结构通过使用菲涅耳形状的透镜结构而允许3D图像显示装置简单并且与柱状透镜结构相比，具有减少生产成本的效果。

Description

菲涅耳透镜结构和使用其的2D/3D图像切换显示装置

技术领域

本发明涉及菲涅耳透镜结构以及制造菲涅耳透镜结构的方法，并且更特别地涉及用于2D/3D图像切换显示装置的菲涅耳透镜结构以及制造用于2D/3D图像切换显示装置的菲涅耳透镜结构的方法。

背景技术

作为三维的（3D）立体图像显示装置，提供有眼镜系统和无眼镜系统。就眼镜系统而言，立体图像通常使用偏光透镜或快门透镜而得到。眼镜系统具有的优点在于：视角相对较宽并且立体效果优异，但是其可能存在的不便之处在于要购买并且佩戴一幅单独的眼镜。尤其是，当将使用眼镜系统的立体图像显示装置应用到便携设备诸如移动电话、平板个人电脑等等时，可能不便的是用户不得不始终保持3D眼镜在手边以便观看立体图像。

同时，就无眼镜系统立体图像显示装置而言，可以提供有视差屏障系统和柱状透镜系统。在视差屏障系统中，屏障滤光片被布置在距离显示板前面的预定距离处，并且在之后，控制不同的图像或视频以便被在其之间具有时间延迟的两只眼睛观察到，使得三维地显示图像或视频，也就是说，通过使用时间延迟的方法来三维地显示图像或视频。在这种情况下，2D/3D之间的切换可以很容易，但是可能发生亮度减少大约一半的缺陷。

在柱状透镜的方案中，为了将左眼图像的视野与右眼图像的视野分开，使用被布置在显示板与观察者（观看者）之间的柱状透镜阵列。在这种情况下，在3D切换的时候可以不影响亮度，但是不利于2D/3D切换。

因此，研发有助于2D/3D切换但不需要用户佩戴眼镜且不降低亮度的图像显示装置的需求已经增加。

发明内容

技术问题

本发明的方案提供了一种在立体图像显示装置中使用的用于2D/3D图像切换的菲涅耳透镜结构和制造其的方法，以及使用菲涅耳透镜结构的2D/3D图像切换显示装置。

技术方案

根据本发明的方案，提供了一种菲涅耳透镜结构，包括：菲涅耳透镜层；被布置在菲涅耳透镜层上的平坦层，所述菲涅耳透镜层和所述平坦层中的任一层由双折射材料形成并且另一层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述双折射率材料的最高折射率或最低折射率。

根据本发明的另一方案，提供了一种制造菲涅耳透镜结构的方法，包括：（a）形成菲涅耳透镜层；并且（b）在所述菲涅耳透镜层上形成平坦层，所述菲涅耳透镜层和所述平坦层中的任一层由双折射材料形成并且另一层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述双折射率材料的最高折射率或最低折射率。

根据本发明的另一方案，提供了一种2D/3D图像切换显示装置，包括：显示板；偏光转换器，其相对于所述显示板而位于观看者侧上并且通过电力控制来控制输出图像的偏振方向；以及上述的菲涅耳透镜结构，其相对于所述偏光转换器而位于观看者侧上并且根据所述输出图像的偏振方向来切换立体图像和平面图像。

有益效果

根据本发明的菲涅耳透镜结构，通过使用菲涅耳透镜结构可以实施2D图像和3D图像切换而不降低亮度级。

此外，可以通过使用根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构，根据输出图像的偏振方向来简单地切换立体图像和平面图像，无需应用电力或使用单独的光学调制设备。

此外，因为根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构与在根据现有技术的立体图像装置中使用的柱状透镜结构相比，具有非常薄的厚度，所以可以实施薄的显示装置，而且，因为能够减少相对昂贵的双折射材料的使用，所以可以降低制造成本。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构的结构的剖视图。

图2是示出根据本发明另一实施例的菲涅耳透镜结构的结构的剖视图。

图3图示出在菲涅耳透镜的形状中左眼图像和右眼图像彼此分开的状态。

图4图示出使用根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构的2D/3D图像切换显示装置的构造。

图5图示出使用根据本发明另一实施例的菲涅耳透镜结构的2D/3D图像切换显示装置的构造。

附图标记说明

10 菲涅耳透镜结构

11 菲涅耳透镜层

12 平坦层

100 显示板

200 偏光转换器

210 偏光器

220 偏光旋转器

具体实施方式

现在将参照附图详细地描述本发明的实施例，使得与本发明有关的本领域普通技术人员能够容易地实施在此描述的实施例。然而，应当注意的是，本发明的精神不限于在此给出的实施例并且本领域的技术人员和理解本发明的人员通过在相同精神内的增加、修改、和移除部件能够容易地实现包括在本发明精神中的退步发明或其他实施例，但是其被构造为被包括在本发明的精神内。

此外，相似或类似的附图标记在整个附图中表示执行类似功能和作用的部件。

图1是示出根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构的结构的剖视图，并且图2是示出根据本发明另一实施例的菲涅耳透镜结构的结构的剖视图。

参照图1和图2，根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构10可以包括菲涅耳透镜层11和平坦层12。

菲涅耳透镜层11可以具有平行地布置多个菲涅耳透镜的形式。

本发明实施例中的菲涅耳透镜的形状可以用于通过在立体图像显示装置中将左眼图像与右眼图像分开来实施立体图像。

图3图示出通过菲涅耳透镜的形状而将左眼图像和右眼图像彼此分开的状态。

参照图3，在通过菲涅耳透镜的形状来实施立体图像的过程中，当左眼像素和右眼像素沿菲涅耳透镜单元内的宽度方向布置时，光可以从各个像素发射出使得光可以通过菲涅耳透镜的形状（也就是说，当从发射光的显示板侧观察时，透镜具有透镜表面曲率从透镜的中心到其边缘增加的形状）而线性地穿过透镜的中心。此外，穿过透镜的右部分（用于右眼的像素部分）的光可以被折射到左侧使得光被提供至观看者的右眼，并且穿过透镜的左部分（用于左眼的像素部分）的光可以被折射到右侧以被提供至观看者的左眼。这样，用于左眼的像素图像和用于右眼的像素图像可以被分开以在不同的方向上单独提供，由此可以实施立体图像。

同时，当使用菲涅耳透镜的形状来实施立体图像时，因为与柱状透镜所需要的原材料数量相比较，可以减少所需要的原材料的数量，所以可以减少透镜结构制造成本，从而导致立体图像显示装置制造成本的减少。更详细地，就用于立体图像显示装置中的透镜结构而言，单位透镜的宽度的范围可以从大约100μm到大约800μm，以便与像素宽度对应。然而，就具有宽度的单位透镜被实施为具有柱状透镜形状的情况下，尽管只存在根据透镜曲率的差异，但是单位透镜的高度可以达到约30μm至500μm。同时，当透镜结构以与本发明实施例相同的方式形成为具有菲涅耳透镜的形状时，即使在其透镜高度等于或小于柱状透镜的高度的三分之一的情况下，也可以得到与柱状透镜相同水平的光学特性。这样，在单位透镜的高度相对低的情况下，因为可以显著地减小透镜结构的体积，所以可以显著地减少所需要的双折射材料的数量，从而可以降低制造成本。此外，因为可以相对地减小整个透镜结构的厚度，所以可以将显示装置形成为薄的，并且再者，因为可以降低光学损耗并且可以增加亮度，所以可以提高光学效率。

平坦层12可以被布置在菲涅耳透镜层11上并且可以用于允许菲涅耳透镜结构10用作透明的平底。

同时，菲涅耳透镜层11和平坦层12中的任一层可以由双折射材料形成并且另一层可以由各向同性材料形成，该各向同性材料具有的折射率等于双折射率材料的最高折射率或最低折射率。相对于实现2D图像的线性偏振光，通过允许菲涅耳透镜层和平坦层的折射率彼此相等从而将菲涅耳透镜结构实行为透明的平底，并且相对于实现3D图像的线性偏振光，通过使菲涅耳透镜层和平坦层的折射率差异化从而将菲涅耳透镜结构实行为菲涅耳透镜屏幕，其允许了立体图像被实施。

将参照图1更加详细地描述根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构。

参照图1，菲涅耳透镜层11可以由双折射材料形成。此处，双折射材料是指穿过材料的两个正交线性偏振光束的折射率不同的材料。也就是说，当在两个折射率中时，相对大的折射率被认为是最高折射率，而相对小的折射率被认为是最低折射率，并且穿过菲涅耳透镜层11的具有最高折射率n_1H的线性偏振光束和具有最低折射率n_1L的线性偏振光可以彼此垂直。

此处，在形成菲涅耳透镜层11的双折射材料中，最高折射率n_1H与最低折射率n_1L之间的差可以在从0.05到0.3的范围内变化，具体地在从0.1到0.3的范围内变化，并且更具体地在从0.2到0.3的范围内变化。尽管可以存在最高折射率n_1H与最低折射率n_1L之间的差小于0.05的双折射材料；但是当菲涅耳透镜层由这种材料形成时，在输出立体图像的时候菲涅耳透镜层11与平坦层12之间的折射率差会是极小的，使得菲涅耳透镜结构10会以透明的平底方式实行，由此可能不能恰当地实施立体图像。而且，在有机材料的情况下，可以不存在最高折射率n_1H与最低折射率n_1L之间的差大于0.3的双折射材料，其可以在无机晶体的情况下存在，但是可能不适合用于薄膜。

此外，只要菲涅耳透镜层11是双折射材料，菲涅耳透镜层11就不特别地受限制，但是可以由拉伸塑料或液晶形成，并且更具体地，可以通过定向液晶来制造菲涅耳透镜层11。详细地，通过定向液晶而制造的菲涅耳透镜11可以指通过如下方式得到的菲涅耳透镜层：用取向层涂覆基底的上部分；将液晶注入取向层上以允许液晶在其上定向；并且在之后将光发射到其上且固化该液晶。

此外，构造菲涅耳透镜层11的单位菲涅耳透镜可以具有如下的形状：在该形状中，凸透镜被布置在其中心上并且多个锯齿形状的透镜对称地布置在凸透镜的两侧上。

此外，菲涅耳透镜层11的单位菲涅耳透镜可以具有范围从100μm到800μm的宽度。在立体图像显示装置为移动设备的情况下，菲涅耳透镜层11的单位菲涅耳透镜可以具有范围从100μm到200μm的宽度，而在立体图像显示装置为计算机监测器或平板个人计算机显示器的情况下，菲涅耳透镜层11的单位菲涅耳透镜可以具有范围从100μm到300μm的宽度。此外，在立体图像显示装置为电视机的情况下，菲涅耳透镜层11的单位菲涅耳透镜可以具有范围从400μm到800μm的宽度。单位菲涅耳透镜的宽度可以通常被确定为对应于显示板的两个显示像素的尺寸，并且其范围可以满足从小尺寸显示器的显示像素的尺寸到大尺寸显示器的显示像素的尺寸的所有范围。

菲涅耳透镜层11的单位菲涅耳透镜的高度可以在从1μm到10μm的范围内变化。当单位菲涅耳透镜的高度小于1μm时，可能很难得到透镜效果，而当单位菲涅耳透镜的高度超过10μm时，可能很难实现一致的液晶定向。

菲涅耳透镜层11的单位菲涅耳透镜的焦距可以在从100μm到6000μm的范围内变化。当焦距小于100μm时，可能很难设计用于立体图像显示装置的透镜，而当焦距超过6000μm时，视距会大于4m，使得可能很难在日常生活中使用。此处，菲涅耳透镜的焦距是指从透镜的最低端到光被聚焦的位置的距离。

同时，平坦层12可以由各向同性材料形成，该各向同性材料具有的折射率n₂等于菲涅耳透镜层11的最低折射率n_1L。也就是说，当具有的方向性与具有菲涅耳透镜层11的最低折射率n_1L的线性偏振光的方向性相同的偏振光穿过菲涅耳透镜结构10时，透镜结构可以以透明平底的方式而被实行，使得光不能通过其被折射，由此可以得到二维图像。当具有的方向性与具有菲涅耳透镜层11的最高折射率n_1H的线性偏振光的方向性相同的偏振光穿过菲涅耳透镜结构10时，菲涅耳透镜层11的折射率与平坦层12的折射率相比较可以相对较大，因此透镜结构可以以一般的菲涅耳透镜片的方式被实行以将左眼视野图像与右眼视野图像分开，由此可以得到三维图像。

此外，只要平坦层12为各向同性材料，平坦层12就不特别地受限制，但是平坦层12可以由丙烯酸系UV固化树脂形成。在厚度方面，平坦层12可以在从1μm到100μm的范围内变化，更具体地在从1μm到50μm的范围内变化，并且更具体地在从1μm到10μm的范围内变化。在平坦层的厚度小于1μm的情况下，其厚度可以小于单位菲涅耳透镜的高度，使得不能形成平坦层，并且在平坦层的厚度大于100μm的情况下，光会被平坦层过度地吸收，使得其透射比会降低。

下面将参照图2更加详细地描述根据本发明另一实施例的菲涅耳透镜结构。

参照图2，菲涅耳透镜层11是指具有光学各向同性特性的菲涅耳透镜层，特别是关于折射率的各向同性。各向同性材料不特别地受限制，但是可以通过使用丙烯酸系UV固化树脂来得到菲涅耳透镜层11。

平坦层的其他条件与根据本发明上述实施例的菲涅耳透镜结构的菲涅耳透镜层的那些条件相同。

平坦层12可以由双折射材料形成，通过根据穿过菲涅耳透镜结构的光的偏振方向而使平坦层的折射率差异化，可以根据穿过菲涅耳透镜结构的光的偏振方向通过平坦层12而得到2D或3D图像。

此外，虽然只要平坦层12为双折射材料，平坦层12就不特别地受限制，但是平坦层12可以由液晶和拉伸塑料中的任一种形成，并且更具体地由液晶形成。

而且，关于平坦层12，最高折射率n_2H与最低折射率n_2L之间的差可以在从0.05到0.3的范围内变化，具体地在从0.1到0.3的范围内变化，并且更具体地在从0.2到0.3的范围内变化。

此外，平坦层12可以由双折射材料形成，该双折射材料具有的最高折射率n_2H等于菲涅耳透镜层11的折射率。因此，在菲涅耳透镜结构10用于立体图像显示装置中的情况下，当具有的方向性与具有平坦层12的最高折射率n_2H的线性偏振光的方向性相同的偏振光穿过菲涅耳透镜结构10时，透镜结构可以以透明平底的方式而被实行，使得可以得到二维图像。此外，当具有的方向性与具有平坦层12的最低折射率n_2L的线性偏振光的方向性相同的偏振光穿过菲涅耳透镜结构10时，透镜结构可以以菲涅耳透镜片的方式而被实行以将左眼视野图像与右眼视野图像分开，由此可以得到三维图像。

制造根据本发明实施例的透镜结构的方法可以包括：（a）形成菲涅耳透镜层；以及（b）在菲涅耳透镜层上形成平坦层。

此处，步骤（a）的菲涅耳透镜层和步骤（b）的平坦层中的任一层可以由双折射材料形成并且另一层可以由各向同性材料形成，该各向同性材料具有的折射率等于双折射率材料的最高折射率或最低折射率。

详细地，当在（a）（形成菲涅耳透镜层11）期间菲涅耳透镜层11由双折射材料形成时，在（b）（在菲涅耳透镜层11上形成平坦层12）期间平坦层12可以由各向同性材料形成，该各向同性材料具有的折射率等于菲涅耳透镜层11的最低折射率n_1L，而当在（b）（在菲涅耳透镜层11上形成平坦层12）期间平坦层12由双折射材料形成时，在（a）（形成菲涅耳透镜层11）期间菲涅耳透镜层11可以由各向同性材料形成，该各向同性材料具有的折射率等于平坦层12的最高折射率n_2H。

此外，关于双折射材料，其最高折射率与其最低折射率之间的差可以在从0.05到0.3的范围内变化，具体地在从0.1到0.3的范围内变化，并且更具体地在从0.2到0.3的范围内变化。

此外，虽然双折射材料不特别地受限制，但是双折射材料可以是液晶和拉伸塑料中的任一种，并且各向同性材料不特别地受限制，但是各向同性材料可以是丙烯酸系UV固化树脂。

同时，在（a）（形成菲涅耳透镜层）中，菲涅耳透镜层的单位菲涅耳透镜可以具有范围从200μm到800μm的宽度，单位菲涅耳透镜可以具有范围从1μm到10μm的高度，并且其焦距可以在从100μm到6000μm的范围内变化。

此外，在（b）（形成平坦层）中，平坦层可以具有范围从1μm到100μm的厚度，具体地，具有范围从1μm到50μm的厚度，并且更具体地，具有范围从1μm到10μm的厚度。

图4图示出使用根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构10的2D/3D图像切换显示装置的构造。图5图示出使用根据本发明另一实施例的菲涅耳透镜结构10的2D/3D图像切换显示装置的构造。

参照图4和图5，使用根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构10的2D/3D图像切换显示装置可以包括显示板100、偏光转换器200以及菲涅耳透镜结构10。

显示板100可以是具有显示像素的行和列的已知显示板，并且不特别地受限制。

偏光转换器200可以相对于显示板100而位于观看者侧上并且可以包括偏光器210和偏光旋转器220。偏光旋转器220可以通过电力控制对穿过偏光器的光的偏振方向进行转换，也就是说，偏光旋转器220可以用于确定输出图像的偏振方向，也就是，穿过菲涅耳透镜结构10的光。

菲涅耳透镜结构10可以相对于偏光转换器200而位于观看者侧上并且可以用于根据输出图像的偏振方向（也就是，穿过菲涅耳透镜结构10的光）来切换立体图像和平面图像。

本发明实施方式

实施例

（1）菲涅耳透镜结构的制造

菲涅耳透镜的逆像可以通过在诸如无相位差TAC薄膜、COP薄膜等的带基薄膜上使用UV固化树脂（在固化时折射率为1.54）而形成，但在其内无相位差。关于以上形成的其形状，可以通过使用包括降冰片烯系光学反应性聚合物的合成物来形成液晶取向层，该光学反应性聚合物含有肉桂酸根基团、能够与光学反应性聚合物交联反应的多功能单体、光学引发剂以及有机溶剂。可以在所形成的取向层上对杆状液晶进行取向。此处，液晶的最低折射率可以是1.54，而其最高折射率可以是1.66。所形成的单位菲涅耳透镜可以具有119.4μm的宽度和5μm的高度。形成单位菲涅耳透镜的锯齿状部分的个数可以是10，凸透镜可以具有4.1μm的高度和44μm的宽度。

在使用根据本发明实施例的菲涅耳透镜结构的2D/3D图像切换显示装置中，因为无需电力控制透镜结构就可以执行2D/3D切换，所以2D/3D切换可以相对容易，并且进一步的，为了得到2D/3D切换，因为可以不使用诸如光学调制器等的转换装置的复杂结构，所以可以简化立体图像显示装置结构，并且因为可以使用菲涅耳状透镜结构，所以可以减少其制造成本。

Claims

1.一种菲涅耳透镜结构，包括：

菲涅耳透镜层；以及

布置在所述菲涅耳透镜层上的平坦层，

所述菲涅耳透镜层和所述平坦层中的任一层由双折射材料形成并且另一层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述双折射率材料的最高折射率或最低折射率。

2.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述菲涅耳透镜层由所述双折射材料形成并且所述平坦层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述菲涅耳透镜层的最低折射率。

3.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述平坦层由所述双折射材料形成并且所述菲涅耳透镜层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述平坦层的最高折射率。

4.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述双折射材料的最高折射率与最低折射率之间的差在从0.05到0.3的范围内变化。

5.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述双折射材料是液晶或拉伸塑料。

6.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述各向同性材料是丙烯酸系UV固化树脂。

7.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述菲涅耳透镜层的单位菲涅耳透镜具有范围从100μm至800μm的宽度。

8.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述菲涅耳透镜层的单位菲涅耳透镜具有范围从1μm至10μm的高度。

9.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述菲涅耳透镜层具有范围从100μm至6000μm的焦距。

10.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜结构，其中所述平坦层具有范围从1μm至100μm的厚度。

11.一种制造菲涅耳透镜结构的方法，包括：

（a）形成菲涅耳透镜层；并且

（b）在所述菲涅耳透镜层上形成平坦层，

步骤（a）的所述菲涅耳透镜层和步骤（b）的所述平坦层中的任一层由双折射材料形成并且另一层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述双折射率材料的最高折射率或最低折射率。

12.根据权利要求11所述的方法，其中步骤（a）的所述菲涅耳透镜层由所述双折射材料形成并且步骤（b）的所述平坦层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述菲涅耳透镜层的最低折射率。

13.根据权利要求11所述的方法，其中步骤（b）的所述平坦层由所述双折射材料形成并且步骤（a）的所述菲涅耳透镜层由各向同性材料形成，所述各向同性材料具有的折射率等于所述平坦层的最高折射率。

14.一种2D/3D图像切换显示装置，包括：

显示板；

偏光转换器，其相对于所述显示板而位于观看者侧上并且通过电力控制来控制输出图像的偏振方向；以及

权利要求1至10中的任一项所述的菲涅耳透镜结构，其相对于所述偏光转换器而位于观看者侧上并且根据所述输出图像的偏振方向来切换立体图像和平面图像。