CN104011586A - 多层图像显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层图像显示装置，其至少具有以下沿着从后向前的纵向延伸方向以该顺序布置的部件：a）光源(16)，b）第一液晶层(214)，c）第二液晶层(224)，其中第一液晶层附加有至少一个偏振过滤器(210,212)，并且第二液晶层附加有至少一个偏振过滤器(210,212)，其中光源的光在其到达观察者之前还被引导通过至少一个光学和/或光电延迟元件(230,221,260)。

Description

多层图像显示装置和方法

本发明涉及一种多层图像显示装置。此外，本发明涉及一种用于制造这种图像显示装置的方法和一种用于运行这种图像显示装置的方法。

这种也已知为多层显示器的图像显示装置优选在所谓的街机游戏（也称为Arcade-Automaten）的视频游戏控制台中使用，并且在那里通过其三维（3D）式的多平面图像显示而有助于提高游戏乐趣。当然，其他的更为严肃的应用也是可能的。

在开发和制造这种图像显示装置时，一种可能的方式是，将相应的设备“从基础开始设计”和将单个部件根据应用目的来优化并且必要时重新开发。一种可替选的方式意图为，尽可能地仅仅使用市面上常见的组件并且相互组合，以便通过这种方式来实现成本优点。然而，当然在该情况中也力求实现尽可能高的图像质量、高的发光强度和长寿命。

因此，本发明所基于的任务是，提供所述类型的图像显示装置，其可以在很大程度上利用市面上常见的标准零件来实现，并且具有尽可能高的图像质量、高的发光强度和长寿命。此外，要说明相应的制造方法和相关的运行方法。

关于装置方面的任务根据本发明通过独立权利要求1所述的特征来解决。

所述任务的其他的具有创新性的解决方案通过独立权利要求2和15所述的特征来说明。方法相关的解决方案此外在权利要求16至21中说明。

能够以不同的方式与独立权利要求所述的特征组合以及相互组合的有利的扩展方案、以及部分地同样本身具有创新内容的有利的扩展方案在从属权利要求中说明。

借助该解决方案，说明了一种明显更有效的多平面显示解决方案，其相对于现有技术具有以下优点：

1.由于明显改善的总体透射性得到明显更低的电功率消耗，因为并非如通常的那样，存在的光的偏振在不同的液晶显示屏之间借助光学薄膜来消偏振，以便接着以大约50%的损耗在随后的液晶显示屏的第一偏振过滤器上又被重新偏振化。

2.由于吸收光和重新偏振化所需的消偏振膜或者薄膜而得到明显改善的可辨认性和更大的视角而没有干扰性的伪像。

3.在再现图像时明显改善的可辨认性和更大的视角范围，而没有干扰性的伪像。

有利的扩展方案是从属权利要求的主题，并且此外从下面的具体描述中得出。

本发明的不同实施例现在借助附图来进一步阐述。在此，在各极为简化的并且示意性的视图中：

图1在截面中示出了传统结构类型的双层显示器，

图2示出了在其发光强度方面相对于图1的变形方案明显改善的双层显示器，

图3示出了在部分透视的视图中表明的、在制造这种双层显示器时的制造步骤，

图4示出了根据图3制造的双层显示器连同相关的电子控制单元的另一特别优选的变形方案，

图5示出了根据本发明的双层显示器的另一变形方案，

图6示出了在液晶显示屏的情况下可能的视角范围的说明性草图，以及

图7示出了在液晶显示屏情况下涉及校正与观察角以及其他的影响相关的图像伪像的原理草图。

在图1中示意性地在截面中示出了也称为双层显示器或者两层显示器或者双平面显示器的、已知结构类型的双层图像显示装置2，其包括带有矩形屏幕的后部液晶显示屏4（英语：Liquid Crystal Display，缩写LCD）和同样取向的前部液晶显示屏6，前部液晶显示屏带有同样矩形的、基本上具有相同尺寸的屏幕，它们相继布置，使得由后部液晶显示屏4产生的图像透过前部液晶显示屏6而发光，并且于是总体上在观看者8处产生包括两个图像平面的3D显示的印象，该3D显示具有在背景图像和前景图像之间的真实的视差效果。

对于下面的描述简化地假设的是，两个液晶显示屏4、6分别竖直地在水平基本面上相继布置，其中相应的屏幕具有矩形的形状，其一般而言较长的边平行于基本面、即水平地取向，并且其较短的边与其垂直、即竖直地取向，并且观察者基本上在水平方向上从前方朝着前部液晶显示屏6观看（横向模式中的图像显示，类似于在通常的安装中的电视机情况下那样）。相应地，说明“水平走向”和“竖直走向”表示平行于屏幕的较长的外边（边缘）和平行于较短边的取向。在该意义中，当图像显示装置2以其他方式在空间中设立时（这当然是可能的并且对于一些应用可能甚至是有意义的），这些说明也是可以理解的。

后部液晶显示屏4设计为彩色显示屏，并且以传统的方式按照单个可电控制的液晶盒（例如TN液晶盒类型（TN=扭转向列）的液晶盒）的矩阵或者阵列的方式来构建。为了绘图简化，这里仅仅示出了TN类型的单个液晶盒。每个单个液晶盒在该情况中都包括布置在后部偏振过滤器10（缩写：Polarisator，起偏器）和前部偏振过滤器12（缩写：Analysator，检偏振器）之间的液晶14，其液晶分子在无电压状态中形成大约90°的连续的螺旋（英语：Twist，扭转）。偏振过滤器10和12可以构建为扁平的膜，其不仅覆盖单个的液晶盒，而且覆盖液晶14的整个阵列。

在这里已经要说明的是，TN液晶盒在此仅仅为了特别简单并且直观的描述而被考虑，并且下面所描述的本发明的变形方案也可以借助其他的液晶盒类型来实现。

两个偏振过滤器10和12的偏振面相应地相对于彼此转动90°，使得在无电压的状态中由光源16按照背景照明的方式发出的、并且在穿过后部偏振过滤器10情况下线性偏振的光在旋转偏振方向的情况下横穿液晶14并且接着不受阻碍地通过前部偏振过滤器12。例如，后部偏振过滤器10的偏振面竖直（v）取向，并且前部偏振过滤器12的偏振面水平（h）。通过将电压U施加到液晶盒的透明电极18上，这里示例性地选择的TN液晶盒的液晶分子越来越多地与电场平行地取向，并且在前部偏振过滤器12中越来越多地吸收光。由此，液晶盒的光学透明度随着增大的电压U而连续下降；液晶盒于是随着增大的电压而变暗（常白模式）。

可替选地，当然也可以实现相反的工作原理。通常，在此将偏振过滤器相互平行地布置；于是，液晶盒在没有电压的情况下是暗的，并且随着增大的电压才变得透明（常黑模式）。

通过可单个控制的子像素（其设置有相应的滤色器――譬如在基本色红、绿、蓝中），能够以通常的方式实现色彩显示。

在根据图1的图像显示装置2的情况下，前部液晶显示屏6与后部液晶显示屏4同样地构造，于是同样具有后部偏振过滤器20、前部偏振过滤器22以及位于其间的带有透明电极28的液晶24的阵列，所述透明电极可以被施加以可以分别针对每个子像素来单独控制的液晶盒电压V。偏振过滤器20和22的偏振面对应于后部液晶显示屏4的情况下的偏振过滤器10和12的偏振面。通过在后部液晶显示屏4和前部液晶显示屏6之间布置的、构建为薄膜的消偏振过滤器26（其将入射的偏振光转化为非偏振光），将入射的偏振光转化为非偏振光，前部液晶显示屏6与直接被光源16照亮的后部液晶显示屏4一样被用非偏振光来照亮。该结构方式具有的优点是，可以毫无问题地使用市面上常见的液晶显示屏4和6而无需任何改动。然而缺点是，通过光学上相继布置的偏振过滤器12和20以及位于其间的消偏振过滤器26吸收比较多的光，因此该图像显示装置2对于观察者而言光线相当微弱。如果试图通过具有相应高的发光强度的光源16来对此进行补偿，则这导致单个光学部件的强烈热负荷，并且由此也导致图像显示装置2的比较短的寿命。

当替代明确地作为消偏振过滤器26来设置或者布置的光学部件而将光学扩散器（譬如光学扩散膜）布置在两个液晶显示屏之间时，也有上述缺点，其中该光学扩散器必然地并且技术上/物理上不可避免地具有消偏振作用。

为了避免这种缺点，在根据图2的图像显示装置中，前部液晶显示屏6是与后部液晶显示屏4基本上相同结构类型的彩色显示屏，然而具有的区别是，没有设置后部偏振过滤器并且也没有设置消偏振过滤器。其尤其可以是与后部液晶显示屏4结构相同的液晶显示屏6，其中去除了后部偏振过滤器。液晶盒的行和列的取向以及在相应的液晶盒的基板之间的液晶24中的液晶分子的无电压取向相应地基本上与后部液晶显示屏4相同地选择，其中该后部液晶显示屏类似于根据图1的液晶显示屏那样构建。前部偏振过滤器22的取向在此关于其偏振面相对于后部液晶显示屏4的前部偏振过滤器12旋转90°，在此例子中于是选择竖直（v）。这意味着，从后部液晶显示屏4中的前部偏振过滤器12中出射的光已经被偏振（这里在该例子中利用水平的（h）偏振面），并且在该状态中直接入射到前部液晶显示屏6的相应的液晶24中，而之前不必再次穿过偏振过滤器和/或消偏振过滤器。进入前部液晶显示屏6的液晶24中的偏振光在那里关于其偏振方向根据施加在液晶盒上的电压V进一步旋转，并且其在透过方向中的偏振部分通过用作检偏振器的前部偏振过滤器22朝着观察者8的方向离开前部液晶显示屏6。

为了在前部液晶显示屏6和后部液晶显示屏4相同的安装位置情况下得到非颠倒的或者色彩失真的图像显示，于是前部液晶显示屏6的前部偏振过滤器22的偏振面相对于后部液晶显示屏4的前部偏振过滤器12旋转90°地布置。这可以在市面上常见的、相同结构的液晶显示屏的情况下（其可以作为安装完成的和准备就绪的单元来得到）例如通过如下方式实现：原来在“错误的”取向上安装的前部偏振过滤器22从前部液晶显示屏6的液晶24的矩阵中去除，并且接着将合适尺寸的并且带有90°旋转的偏振面的偏振过滤器又安装上。然而，这比较复杂，特别是还如上面所述的那样必须将后部偏振过滤器去除。

为了简化结构，因此使用图3中所示的制造方法：在第一步骤中，提供基本上结构相同的、市面上常见的两个液晶显示屏4和6，其通常带有矩形的屏幕并且带有偏振过滤器10、12和20、22以及液晶14、24的相同配置。两个液晶显示屏4和6的每个于是都具有后部的、即背面的偏振过滤器10或20以及前部的、即正面的偏振过滤器12或22，其中所述后部的偏振过滤器10或20具有例如竖直的（v）偏振面，所述前部的偏振过滤器12或22具有旋转90°的、在该例子中即水平的（h）偏振面，在它们之间分别布置有液晶14或24的矩阵，这些矩阵以相同的方式通过分别相关的接口30或32来控制或者能够与相关的图像计算机连接。两个接口30和32的每个于是针对如下图像显示来设计：其中液晶显示屏4或6的照明从背侧34或36进行，并且所产生的图像从前侧38或40来观看。

在要制造的图像显示装置2中的前部液晶显示屏6现在在第二步骤中取向为使得后部偏振过滤器20朝向前部偏振过滤器22′，并且相反前部偏振过滤器22朝向后部偏振过滤器20′（参见图4）。相对于图3中所示的取向，整个前部液晶显示屏6于是例如围绕其竖直轴线A旋转180°。可替选地，也可以围绕水平轴线B进行180°旋转。由此，现在前部液晶显示屏6的前部偏振过滤器22′具有与后部液晶显示屏4的后部偏振过滤器10相同的、在该例子中为竖直的（v）偏振面，而现在前部液晶显示屏6的后部偏振过滤器20′具有与同其直接对置的、后部液晶显示屏4的前部偏振过滤器12相同的、在该例子中为水平的（h）偏振面。总之，得到图4中所示的配置。

所述的两个步骤当然可以在唯一的过程中实现；这里进行的假想的划分就此而言是纯粹说明性质的。

接着或者之前已经可以去除前部液晶显示屏6的现在后部的、在该例子中配备有水平偏振面的偏振过滤器20′，使得（忽略电极28的极性）直接得到图2中已知的配置。另一方面这不是必须的，因为射到偏振过滤器20′上的光通过相同取向的上游的偏振过滤器12已经合适地在透过方向上取向或者偏振，并且因此其强度在横穿偏振过滤器20′时实际上并未被进一步减弱。就此而言，可以（在功能上看）将两个偏振过滤器12和20′也考虑作为单个的偏振过滤器。在制造技术方面当然有利的是，偏振过滤器20′不被去除，因为图像显示装置2的结构于是可以通过单单借助未被修改的、市面上常见的显示器来实现。可替选地，其在需要时也可以被去除（或者从开始就不存在），以便将通过过滤器时在实际中不可避免的传输损失和成像伪像最小化，其中所述成像伪像甚至在关于入射光的偏振面“合适的”取向情况下出现。

然而，现在通过交换前侧和背侧，相应的图像信息在前部液晶显示屏6上的位置相对于在后部液晶显示屏4上的位置镜像，因为前部液晶显示屏6实际上设置用于以及在控制侧设计用于从根据图3的原始前部侧40来观看，然而其现在根据图4变为背面的侧。因此，图像信息必须借助合适的控制电子设备来同样镜像地显示，以便得到相应的不失真的显示。这通过电子镜像单元42来实现，其可以实施为特殊化的硬件，必要时却也可以用通用计算机或者特别计算机上运行的软件的形式来实现，并且该电子镜像单元将前部液晶显示屏6的要显示的图像内容根据其安装位置或者在竖直的或者在水平的图像中心线44上进行镜像（即在相应的外部图像边缘上在中垂线上的轴镜像）。镜像单元42为此例如可以是独立的图像计算机或者上游模块的组成部分，该图像计算机/上游模块通过市面上常见的、未被修改的接口32在数据方面与前部液晶显示屏6连接。可替选地，当然也可以涉及连接在接口32之后的、集成到液晶显示屏6中的、带有相应镜像例程的控制电子设备（如果在厂家方面已经存在）。

在根据图4的实施变形方案中，例如设置了共同的图像计算机46，其精确到像素地计算要在后部液晶显示屏4上显示的背景图像48（这里譬如是山川风景）以及要在前部液晶显示屏6上显示的前景图像50（这里譬如是飞机）。为此目的，当然也可以设置两个独立的图像计算机。背景图像48被直接地、即位置正确地输送给后部液晶显示屏4的接口30并且在其上不改变显示地示出，而前景图像50事先在镜像单元42中在竖直的图像中心线44上、可替选地在水平的图像中心线上（对应于前部液晶显示屏6的竖直或者水平的显示屏中心线）镜像，以便结果能够对于观察者8而言实现两个图像平面的所希望的未失真的、位置正确的显示。

镜像单元42可以是销售时完成安装的图像显示装置2的组成部分，其由用户通过标准接口30和扩展了镜像功能的接口52来操作。

所描述的结构可以在液晶显示屏的多于两个的层上普遍化，其方式是从图4中所示的基本结构出发连续地在前部液晶显示屏6之前、即朝着观察者8的方向将其他的液晶显示屏合适地取向和安装。要在图4中的前部液晶显示屏6之前安装的第三液晶显示屏于是例如又与后部液晶显示屏4相同地取向，使得对于该第三层或者图像平面无需图像镜像。对于第四层，其又是必需的，等等。这种多层图像显示装置（多层显示器）的基本原理是，直接相随的液晶显示屏的朝向彼此的偏振过滤器关于其偏振面而言相同地取向，而与此相对，分别在另外侧上的偏振过滤器的偏振面旋转90°。对于第二、第四图像平面等等，于是分别需要上述类型的图像镜像，而其在第一、第三图像平面等等的情况下被省去。

目前的描述示例性地涉及带有液晶以及偏振过滤器的相应配置和取向的、“常白”类型的液晶显示屏。然而，所描述的原理按照精神也可以转用到其他配置上，譬如当使用“常黑”类型的液晶显示屏时。一般地，于是可以使用所描述类型的图像计算机，以便在液晶显示屏的相对于控制方的设计而言“错误的”安装位置情况下，实现图像内容的翻转或者镜像并且由此结果实现未失真的并且位置正确的图像再现。

在这里实现的多层显示器的方案中要注意的是，前部液晶显示屏6的设置有确定的滤色器的子像素以主要散射的方式通过整个后部液晶显示屏4来照亮，即由后部液晶显示屏4的每个子像素获得照明贡献，其根据几何照射分布而被或多或少程度地减弱。通过以不同角度射到前部液晶显示屏6的相应子像素上的光束的不同程度的色散，在正常情况中保证了在那里具有所希望的频谱成分的足够的“白色”光到达，即使在后部液晶显示屏4上显示出确定基本色的大部分一致的背景图像。

这种效果可以用比较简单的方式在物理上建模并且在两个显示屏的色彩控制时进行考虑：特别地，在后部液晶显示屏4上显示的物体或者结构在一定程度上可以在伪彩色显示中或者负性显示中再现，其针对观察者8通过前部液晶显示屏6的互补的基本色彩来补偿。对于这种优化（其中例如对于一个或者两个图像平面可以追求特别高的总亮度或者尽可能高的对比度），又可以设置适当地配置的图像计算机等等。

同样有意义的是，通过下面描述的附加措施来改善在前部液晶显示屏6上出现的光的频谱混合。

在两个或者更多个面向像素或者像点的液晶显示屏4和6的共同作用中，由于几何的像素结构或者光栅结构而会出现光学伪像和畸变如摩尔纹等等。因为这些伪像这里在预先偏振的光中以及随着预先偏振的光形成，所以与其随着非偏振光而形成的情况相比，可以更简单地减少或者抑制这种现象的影响。所述的现象是光学上决定性地空间和/或平面分布的强度图案或者频谱上展开的折射和/或衍射图案。这些现象通常叠加到所希望的光学显示上并且使其失真。因为其在此在偏振光中和/或随着偏振光出现，并且在进一步的光路中也又仅仅可以使用确定的振动平面的偏振光，并且该要进一步使用的光具有尽可能完整的频谱组成用于显示所有色彩，并且此外应当在整个光路中尽可能少地损失光，因此有利的是，如下处理所说明的现象：以合适的方式将空间上和/或平面上分布的色彩图案和强度图案的效果组合、相加并且随后选择性地分类。

这通过在后部液晶显示屏4和前部液晶显示屏6之间的有源的反射偏振器60来实现，如在图5中示例性地示出的那样。这种有源的反射（非吸收性的）偏振器例如由美国专利5422756公开，其公开内容在此解释为本文件的组成部分。可替选地或者附加地，可以通过对两个相继布置的液晶显示屏4、6的合适构建和材料选择来实现类似有利的、基于光束在相对于边界层的布鲁斯特角（Brewster-Winkel）中的多次反射的效应，如下面针对紧凑型膜类型的反射偏振器所描述的那样。

这种有源的反射偏振器60的结构使得根据所使用的显示模式“常黑模式”或者“常白模式”，仅仅是在相对于液晶显示屏6的前部偏振过滤器22的预先给定的偏振方向上的光可以被传输。对于“常黑模式”，有源的反射偏振器60和液晶显示屏6的前部偏振过滤器22二者优选具有相同的偏振取向。对于“常白模式”，合乎目的的是，二者具有不同的、通常旋转90度的偏振取向。所使用的有源的反射偏振器60的结构可以首先让由该部件的相应定位而预先给定的偏振面的光透过，并且同时在该部件的不同层中将不能直接透过预先给定的偏振面的光向回反射。该向回反射根据所给定的、在所使用的有源的反射偏振器60内的不同边界层上已经存在的偏振来进行。附加地，每个被反射的光部分根据其在哪个平面上被反射而附加地每个通过的平面得到偏振面的进一步递增的光学旋转。

由此得到以下效果：

“未透过”的偏振光在有源的反射偏振器60的体积中的不同层上以在这些界面上相应的色散和漫射以及与此关联的在不同立体角中的分布进行多次向回反射、以及又回到后部液晶显示屏4和前部液晶显示屏6之间的间隙中、并且在该光下一次“开始”透过有源的反射偏振器60之前在该间隙中进行所有部分的组合和叠加，通过这种方式，实现了上面描述的光学现象的均匀化，并且消除或者至少减少了空间和/或平面分布的强度图案和/或频谱扩展的折射图案和/或衍射图案。

通过所描述的多次向回反射连同必然与其关联的色散和漫射，对于前部液晶显示屏6的观察得到明显改善的背光照明，并且关于局部的频谱分布得到更好的频谱完整性，即“更为混合的”并且由此“更白的”光。此外，在前部液晶显示屏6的表面上得到更高的局部亮度并且由此更高的总亮度以及更好的色彩显示，因为最后前部液晶显示屏6的每个子像素都从后部液晶显示屏4的每个子像素得到照明贡献，其对应于几何的射束分布或多或少程度地表现。

上面所描述的方案示例性地在图5中示出：有源的反射偏振器60布置在后部液晶显示屏4和前部液晶显示屏6之间的光路中。后部液晶显示屏4具有后部偏振过滤器10和前部偏振过滤器12。前部液晶显示屏6必要时具有后部偏振过滤器20（然而其也可以被去除或者从开始就不存在，并且因此在图5中用虚线示出）以及前部偏振过滤器22。与液晶12和24关联的电极的供电在此为了简化而未示出。后部液晶显示屏4的前部偏振过滤器12、有源偏振器60以及必要时的前部液晶显示屏6的后部偏振过滤器20关于其偏振面而言相互协调，即通常相同地取向，使得从后部到后部液晶显示屏4的前部偏振过滤器12投射的、根据偏振在透过方向上存在的、并且由此没有明显衰减地透过偏振过滤器12的光也可以没有明显衰减地透过随后的有源的反射偏振器60以及必要时的前部液晶显示屏6的后部偏振过滤器20。

为了理解上面描述的有源的反射偏振器60的效果和优点，在此要注意的是，在实际上没有偏振过滤器具有理想的光学特性。更确切地说，根据相应的偏振过滤器的品质，离开其的光的或多或少部分具有与所希望的（优选）偏振面或多或少程度地偏差的偏振面。也就是说，尤其是离开后部液晶显示屏4的前部偏振过滤器12的光在实践中一定具有值得一提的如下部分：该部分的偏振面相对于实际设置的偏振面或多或少程度地旋转。正是这些通常实际上不希望并且最后被丢弃的部分在上面描述的方式中借助有源的反射偏振器60转化为可用光用于前部液晶显示屏6的背光照明。

在图5的未示出的变形中，附加地或者替代液晶显示屏4和6之间布置的有源的反射偏振器60，可以将通常的传统偏振过滤器10、12、20、22中的一个或者多个构建为之前描述类型的有源的反射偏振器。

下面描述另一方面，其意图为使得可购买到的标准部件能够用于制造高价值的多层显示器，并且其可以与之前阐述的方面结合：

由于可购买到的液晶显示屏的例如作为便携式计算机如笔记本电脑和上网本的显示设备的典型应用，这些液晶显示屏在其液晶盒电压－传输－特性曲线（Gamma特性曲线）中匹配为，使得具有最小色彩偏移的最佳对比度并非作为可用观察角范围的角平分线相对于显示器表面正交居中地取向。更确切地说，由于从斜下方的优选观察方向，Gamma特性曲线相应推移地设置。

在图6中示出了几何情况。在左半图中示出了对称布置的LCD显示器70。在以阴影区域内的视角观察时，实现令人满意的图像质量。在该区域之外，可以强烈干扰性地察觉到色彩偏移、降低的对比度以及降低的亮度。最佳视角在限定的角度范围的角平分线方向上得到，即在垂直于（平面的）显示屏表面的方向上得到。而在通常设计用于在笔记本电脑中使用的、由于特别大批量的制造而成本比较低廉地可用的LDC显示器情况下，在相对于垂直线例如20度至50度的角度中的最佳视角是合适的，这在右半图中示出。这如已经提及的那样尤其是通过相对于对称设计推移的Gamma特性曲线来实现，该Gamma特性曲线在控制硬件中实施。

对于在3D适合的多层显示器中的应用，该推移的Gamma特性曲线是极其具有干扰性的，因为由于在所涉及的液晶盒、偏振器以及总计形成的最大可利用或可使用的视角中的与视角相关的传输函数以及不同位置、偏振面、关于对比度、色彩显示、光学伪像以及总亮度方面的功能，整个系统由此受到很大限制。

为了避免这种情况，根据本发明设计的是，将得到的Gamma特性曲线又设置为，使得补偿对于笔记本电脑中的原始功能所需的推移或者使其退化。这在原理上可以通过至少两种方式实现：即第一种方式，通过改变所使用的单个的液晶显示屏来单独地实现，这相应地费事并且成本高昂。或者第二种方式，借助合适地操作显示器控制数据来实现（类似于受控的预先畸变，该预先畸变由音频数据传输中得知，以便将传输特性曲线同等化），而无需单独改变所使用的单个的液晶显示屏。因为所使用的液晶显示屏是数字组件，其显示信息借助时间顺序的数据流来输送，所述显示信息随后相继地控制每个单个的像点，所以由此也可以是显示数据的像点精确的操作，并且由此也进行Gamma特性曲线的像点精确地相关的校正。由此，不仅可以实现Gamma特性曲线的校正，而且也可以实现所有在光路中的部件（譬如偏振器）以及通过其引起的光学伪像的补偿，或者至少明显简化。这里描述的校正尤其是对于带有多于两个平面的多层显示器以及使用上面提及的可自由使用的、成本低廉的笔记本电脑液晶显示屏是有利的，以便可以实现可接受的光学结果。

该情况在图7中示出：在上半图中示出了LCD显示器70，其通过接口72与相关的图像计算机74连接并且被其控制。在图像计算机74中以数据方式存储的原始图像S在LCD显示器70上显示为使得观察者8在以相对于垂直线一个倾斜角观察显示器表面时，看到关于其生理学感知而言最优的图像f(S)。而在垂直线的方向上观察时，观察者在一定程度上感知到关于颜色、亮度、对比度以及必要时的其他光学参数方面“畸变”的图像f*(S)。为了消除该干扰性的影响并且能够实现从垂直方向出发的非失真观察，在下半图中示出的扩展方案中，图像计算机74配备有校正模块76，其首先通过使用合适的成像规则将原始图像S成像为图像g(S)，该图像随后通过接口72输送给LCD显示器用于显示。成像规则S→g(S)实现为使得由观察者8在从垂直观察方向观察时感知的图像f*(g(S))在颜色、亮度和对比度方面尽可能好地与原始的（没有引入校正模块76的）、在观察角α下可见的图像f(S)一致，即f*(g(S))＝f(S)。

由此，在一定程度上通过在电子图像准备时合适的“预先畸变”来对抗以后的在图像再现时的“畸变”。对此所需的、与倾斜角α相关的成像规则S→g(S)例如可以通过确定和反转函数f(S)和/或f*(S)以及必要时其他的函数关系来得到。这例如可以在不同的倾斜角α的情况下通过借助数理模型来近似解析地也或者根据经验地通过比较相应的测量数据来进行。此外，如上面已经提及的那样，也可以通过这种方式补偿其他的、由于在光路中的不同部件（譬如偏振过滤器）引起的图像伪像。对于预先畸变或者一般的预处理而使用的成像规则在此可以在校正模块76中以通常的方式按照本地或者全局数字过滤器的方式或者作为多个这种过滤器的连接来实施。有利的是，该技术用于多层显示器的相继布置的液晶显示屏中的每个。

本发明的另外的有利方面涉及使用多层配置的自发光的发射式屏幕，尤其是与迄今描述的纯透射性显示屏结合，例如LCD类型的显示屏。本发明的一个特别的实施形式和扩展方案在该上下文中涉及在显示屏中使用OLED（有机发光二极管），用于改善3D效果。

下面描述的本发明的实施形式与前面描述的实施形式的所有特征或者某些特征的组合导致强化单个效果和总体效果，并且明确地是本发明的组成部分。特别有利的是，发射性的显示屏层也以该方式使用以及必要时与其他层组合，使得尽可能在3D图像显示装置的整个光学路径中将偏振光“加工”，并且尽可能地避免消偏振（譬如通过光学漫射）。

当前部显示屏自己发射光、即并非依赖于背景照明来用于产生图像，然而仍然（尤其在可见光的波长范围中）在光学上是透明的（即透光的），使得其让后部显示屏产生的图像能够以可感知的方式透视时，得到两层或者多层图像显示以及相关的电子控制装置的全新可能性。特别地，于是即使在后部显示屏平面上的背景图像在整个显示屏伸展上是完全暗的，也可能在前部显示屏平面上显示亮的前景物体。当前部显示屏能够发射彩色光时，即例如在深红色背景图像前再现深绿色发光的前景物体时，相应的情况适用于色彩显示。

在特别有利的扩展方案中，前部显示屏是OLED显示屏，即基于有机发光二极管（OLED）技术，其尤其是通过使用有机半导体材料作为薄膜元件来制造，并且其矩阵式地结合成为带有单个可控制的像素的显示屏。这种显示屏具有比较小的反应时间，并且由于其高能效而在工作中仅仅产生比较少的废热。

随着基础的图像单元（Bildzellen）的越来越好的封装，将来也可以期待具有较少老化现象的OLED的长寿命。然而同时尤其可能的是，制造高级的透明OLED层以及相应地也制造显示屏，其（至少在非发射状态中）将从后部透射的光仅仅较少的在其强度方面减弱。正是该特性（其在其他情况中会是干扰性的）在多层显示器的前部位置情况下证明为有利，因为背景图像必须具有仅仅较低的亮度，并且尽管如此仍然可以良好地穿过前部显示屏来感知。

作为对于OLED显示屏的可能的根据本发明的替选方案，可以是LED显示屏、等离子体显示屏（PDP）、场发射显示屏（FED）、电致发光显示屏（EL）以及表面传导电子发射显示屏（SED），只要其相应透明地设计和制造。

即使当该显示屏类型的进行发射的基本单元不应具有所希望的光学透明度时，可以（通过容忍相应较小的像素密度以及相应较低的分辨率）在基本单元之间设置合适伸展的比较高透明度的间隙，使得总体上还有比较多的光可以从后部显示屏层出发透过这样构建的前部显示屏层，并且背景图像保持可被这样感知。附加地或者可替选地，也可以在前部层的相应显示屏中存在合适地构建的孔（自由的开口），该孔譬如具有平面伸展的、无像素的区域形式等等。

此外，可以借助合适的光学装置例如透镜、棱镜系统和/或反射镜系统来设置绕过前部显示屏层的光学不透明的显示屏区域的光偏转，使得在没有这些措施的情况下被阻挡的光部分仍然可以被利用。

在本发明的一个可能的变形方案中，后部显示屏是非发射性的显示屏，其在运行中由布置在其后的光源透射。特别地，其在此可以是带有LED背景照明（LED背光）的薄层晶体管显示屏（TFT）或者液晶显示屏（LCD）。然而更有利的是，使用以激态复合物激励为基础的、基于等离子体的光源，以便实现相应的光分布、光密度、频谱完整性以及效率。激态复合物尤其是理解为由两种或者更多原子或者分子构成的亚稳的聚合体或者复合体，尤其是带有不同的配体。可替选地，例如可以使用冷阴极管、电致发光膜或者其他发光装置来进行背景照明。本发明的另一变形方案是已知为边缘光（Edge-Light）的照明，其从显示屏边缘出发并且必要时通过光波导分布到平面中。

在一个可替选的变形方案中，后部显示屏同样是发射性的显示屏，尤其是OLED显示屏或者等离子体显示屏或者EL显示屏。

在本发明的意义中并且被权利要求措辞所包括的是，提供一种图像显示装置，其带有相继布置的显示屏的三个或者更多个层，其中布置在最后部的显示屏之前的显示屏的至少之一是上述意义中的发射性显示屏。

有利的是，这适用于所有布置在最后部的显示屏之前的显示屏，并且必要时也适用于最后部的显示屏。然而例如也可能的是，将发射性的和非发射性的显示屏交替地（交错地）布置，或者选择其他组合和顺序。

在基本思想的一种变形中，其他的位于后部的显示屏之一可以替代可见光/除了可见光之外还发射在可见频谱之外的波长范围中的光，其至少部分地穿过位于其之前的显示屏并且在此转化为可见光。

借助本发明实现的优点尤其在于，通过在多层显示器中的前部显示屏的至少之一的自发光的并且同时大多透明的构型，消除了现有LCD系统的基本的限制，并且对于带有视差效果的、具有特别光功率、对比度丰富并且色彩艳丽的3D显示提供了新型的可能性，而对此不需特别亮的独立光源来背景照明。

对于这种技术的显示屏共同的是，其在用作前部显示屏时必须至少部分地对于后部显示屏的图像信息是至少成比例地可透射的――譬如通过相应的透明度、成比例的孔或者孔图案、或者借助合适的光学装置例如透镜系统、棱镜系统和/或反射镜系统。在使用多于两个层的情况中，由此可以实现实际上立体的图像显示，其中从不同角度出发的每个观察者根据观察角同时获得不同的图像信息，而无需其他的辅助装置如光学障碍物、（快门）眼镜、偏振过滤器、眼动追踪等等，其深度分辨率决定性地取决于所使用的显示屏层的数目。

本发明的不同的其他实施例在下面借助附图来进一步阐述。在此，在各极为简化的并且示意性的视图中：

图8示出了根据本发明的第一变形方案的双层图像显示装置，

图9示出了根据本发明的第二变形方案的双层图像显示装置，

图10作为本发明的另一变形方案的例子示出了三层图像显示装置。

在图8中在横截面中示出的双层图像显示装置102在观察者104的观察方向上看具有前部显示屏106和后部显示屏108，其带有基本上相同的尺寸，所述前部显示屏和后部显示屏以距离d相继布置。两个显示屏106、108对齐地相继布置，使得由后部显示屏108产生的背景图像可以透过前部显示屏106而对于观察者104而言是可见的。在此，在前部显示屏106上显示的前景图像或者前景物体在一定程度上位于背景图像之上或者之前，使得（至少在移动的主题情况下）形成带有空间深度和视差效果的3D显示的印象。

在图8中所示的变形方案中，后部显示屏108是LCD显示屏，其通过布置在其之后的、譬如LED面板构型的光源110来照明，然而优选通过基于激态复合物激励的等离子体光源来照明。后部显示屏108于是并非自发光，而是在一定程度上为可单个控制的滤色器的阵列，其让朝着观察者104的方向的、光源110的相应色彩的或多或少的光透过，由此在足够的观察距离情况下用已知的方式形成所希望的图像印象。而前部显示屏106设计为自发光的、光学透明的OLED显示屏，其带有可单个控制的有机发光二极管的阵列，其中所述有机发光二极管带有合适的发射波长、即色彩。为了产生前景图像，因此后部显示屏108不需要让光源110的光透过。更确切地说，背景图像也可以是完全黑暗的。然而当存在相应亮度的背景图像时，则其由于前部显示屏106的光学透明度而透过该前部显示屏，并且在那里的本地发射功率越小，则越能感知到。通过在两个显示屏106、108之前连接的图像计算机112中合适地准备前景图像和背景图像，由此可以显示复杂的3D场景，其中图像计算机是图像显示装置102的一部分或者可以是与其分离的。

在图9中示出的变形方案不同于图8中的变形方案之处在于，后部显示屏108本身是发射性显示屏，例如OLED显示屏或者等离子体显示屏。因此，不需要独立的光源用于背光照明。在该视图中省去了图像计算机112。

在图10中最后作为另一例子示出了三层图像显示装置102，其带有后部显示屏108和位于其之前的两个显示屏106、106′，其中两个前部的显示屏106、106′的至少之一是上述意义中的光学透明的、自发光的显示屏。特别地，两个前部的显示屏106、106′是透明的并且自发光的。

当然，也可以设置其他的显示层。

下面描述的本发明的实施形式与之前描述的实施形式的所有特征或者某些特征的组合导致增强单个效果和总体效果，并且明确地为本发明的组成部分。

在本发明的另一优选的实施形式中，根据本发明的多层图像显示装置至少具有以下沿着从后向前的纵向延伸方向以该顺序布置的部件：光源、第一液晶层、第二液晶层，其中第一液晶层附加有至少一个偏振过滤器，并且第二液晶层附加有至少一个偏振过滤器，其中光源的光在其到达观察者8之前还被引导通过至少一个光学和/或光电延迟元件。

有利的是，所述至少一个光学和/或光电延迟元件附加有至少一个偏振过滤器并且符合延迟函数f(x)，其满足必需的条件，使得传播时间差等于零或者相应于波长λ的整数倍n，即相应于n*λ。

有利的是，延迟元件由平面的、形状不稳定的并且透明的元件构成，例如由膜构成。

有利的是，延迟元件由处理信号的电子器件构成。

有利的是，延迟元件由电子控制装置构成，其能够实现通过延迟元件的传播时间的延迟。

有利的是，在第一液晶显示屏和第二显示屏之间设置有空气层，其为1μm到10,000μm之间。

进一步阐述本发明的四个优选的实施形式。

图11示出了根据本发明的图像显示装置的一个视图，其中示意性示出了相应的功能层。

在本发明的第一优选实施形式中，第一液晶显示屏214在其两个平面的侧上具有偏振过滤器210、212。这些前部偏振过滤器210、212的效率为至少40％并且优选为50％。偏振过滤器210、212的厚度在100μm到350μm之间。这两个偏振过滤器210、212之一、优选在透射方向54中的第二偏振过滤器212此外具有延迟元件230，其优选由膜状的材料构成。该延迟元件230（其也称为传播时间膜）的厚度优选在5μm到500μm之间。该延迟元件230的传播时间差优选为λ/4。

该第一优选实施形式的第二液晶层通过气隙250隔离，该气隙优选在1μm到10,000μm之间。第二液晶图像层仅仅在透射方向54的末端上具有偏振过滤器222，其同样设置有延迟元件260。偏振过滤器222的厚度在100μm到350μm之间。该圆周形的偏振过滤器260的传播时间差满足延迟函数f(x)，并且具有得到的波长λ/x₁。分母x₁设置为使得所有光学层的传播时间差为0或者相应于λ的多倍n。两个液晶层的厚度分别在600μm到2500μm之间。该实施形式的整个多层图像显示装置由此包括三个偏振过滤器210、212、222，两个显示屏以及两个延迟元件230和260。整个布置的厚度在1,505μm到17,050μm之间。

在本发明的第二优选实施形式中，第一液晶显示屏具有与第一实施例中相同的结构。第二液晶显示屏现在在其两个平面的侧上分别具有偏振过滤器220和延迟元件221。在透射方向54中的第一延迟元件221具有λ/4的传播时间差，并且第二延迟元件具有λ/x₂的传播时间差。在此，分母x₂设置为使得所有光学层的传播时间差或者为0或者相应于λ的多倍n。

在本发明的第三优选实施形式中，第一液晶显示屏在其两个平面的侧上具有偏振过滤器210、212。在第一液晶显示屏和第二液晶显示屏之间布置有延迟层230，其具有λ/2的延迟或者差。第二液晶显示屏在其两个平面的侧上具有偏振过滤器220、222，并且在背离第一液晶显示屏的侧上具有传播时间差为λ/x₃的延迟元件260。在此，分母x₃设置为使得所有光学层的补偿或者为0或者相应于λ的多倍n。

在本发明的第四优选实施形式中，第一液晶显示屏在其两个平面的侧上具有偏振过滤器。在第一液晶显示屏和第二液晶显示屏之间布置有延迟层，其具有λ/2的延迟或者差。第二液晶显示屏仅仅在背离第一液晶显示屏的侧上具有偏振过滤器，其带有延迟元件和λ/x₄的传播时间差。在此，分母x₄设置为使得所有光学层的补偿或者为0或者相应于λ的多倍n。

线性偏振过滤器210、212、220、222和圆周形的偏振过滤器212、230；220、221；222、260的频率范围分别在400μm到700μm之间。

上面的四个优选实施形式的不同的组合可能性在下面的表中总结。最上面的行给出了单个层1至4的附图标记。第二行例如如下：除了液晶层214之外使用了偏振过滤器210。此外，在液晶层214的另外的侧上接着有偏振过滤器212和延迟元件230。在空气层250之后跟着带有延迟元件221的另一偏振过滤器220。最后，跟着液晶层224的有带延迟元件260的偏振过滤器222。

第5行包含单个层的相应厚度（单位μm）。

附图标记表

2图像显示装置

4后部液晶显示屏

6前部液晶显示屏

8观察者

10后部偏振过滤器

12前部偏振过滤器

14液晶

16光源

18电极

20、20′后部偏振过滤器

22、22′前部偏振过滤器

24液晶

26消偏振过滤器

28电极

30接口

32接口

34背侧

36背侧

38前侧

40前侧

42反射单元

44图像中心线

46图像计算机

48背景图像

50前景图像

52接口

54纵向延伸方向

60反射偏振器

70LCD显示器

72接口

74图像计算机

76校正模块

102图像显示装置

104观察者

106、106′前部显示屏

108后部显示屏

110光源

112图像计算机

210偏振过滤器

212偏振过滤器

214液晶层

220偏振过滤器

221延迟元件

222偏振过滤器

224液晶层

230延迟元件

250气体（空气）

260延迟元件

d距离

A轴线

B轴线

U盒电压

V盒电压

Claims (21)

1.一种多层图像显示装置（2），其至少具有以下沿着从后向前的纵向延伸方向（54）以该顺序布置的部件：

a）光源（16），

b）第一液晶层（14；214），

c）第二液晶层（24，224），

其中该第一液晶层（14；214）附加有至少一个偏振过滤器（10；210，212），并且该第二液晶层（24；224）附加有至少一个偏振过滤器（22；220，222），其中所述光源（16）的光在其到达观察者（8）之前还被引导通过至少一个光学和/或光电延迟元件（60；221，230，260）。

2.根据权利要求1所述的多层图像显示装置（2），其中所述至少一个光学和/或光电延迟元件（60；221，230，260）附加有至少一个偏振过滤器（22；210，212，220，222）。

3.根据权利要求2所述的多层图像显示装置（2），其中所述延迟元件（60；221，230，260）由平面的、形状不稳定的并且透明的元件构成。

4.根据权利要求2所述的多层图像显示装置（2），其中所述延迟元件（60；221，230，260）由处理信号的电子器件构成。

5.根据权利要求2所述的多层图像显示装置（2），其中所述延迟元件（60；221，230，260）由电子控制装置构成，该电子控制装置能够实现传播时间差或者传播时间延迟。

6.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中在第一液晶显示屏和第二显示屏（4，6）之间设置有空气层（250）。

7.根据权利要求6所述的多层图像显示装置（2），其中所述空气层（250）为1μm到10,000μm之间。

8.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中所述至少一个延迟元件（60；221，230，260）满足延迟函数f(x)。

9.根据权利要求8所述的多层图像显示装置（2），其中所述延迟函数f(x)满足必需的条件，使得传播时间差或者等于零或者相应于波长λ的倍数n，即相应于n*λ。

10.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中该布置构建为使得由第一液晶显示屏（4）产生的背景图像能够从前方透过第二液晶显示屏（6）看到，

其中该第二液晶显示屏（6）设计用于在控制侧显示图像，该图像在从其在安装位置中的后侧观察时被正确地再现，并且其中为了显示前景图像而在第二液晶显示屏（6）之前在控制侧连接有反射单元（42），该反射单元将要显示的前景图像在图像中心线（44）上反射，其中所述前景图像在从前侧观察时被正确地再现。

11.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中该布置构建为使得由第一液晶显示屏（4）产生的背景图像能够从前方透过第二液晶显示屏（6）看到，

其中液晶显示屏（4，6）的至少之一针对相对于显示屏表面的垂直线不同于零的倾斜角（阿尔法）的观察而言，在硬件方面关于观察的色彩、亮度和/或对比度方面进行优化，并且其中在液晶显示屏（4，6）之前在控制侧连接有校正模块（76），该校正模块将要显示的图像在传输给液晶显示屏（4，6）之前借助数字图像处理装置来操作，使得在从垂直方向来观察液晶显示屏（4，6）时将色彩、亮度和/或对比度优化。

12.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中在第一液晶显示屏（4）和第二液晶显示屏（6）之间没有消偏振过滤器。

13.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中所述第一液晶显示屏（4）具有后部偏振过滤器（10）、前部偏振过滤器（12）以及位于其间的液晶（14）的矩阵，并且所述第二液晶显示屏（6）具有前部偏振过滤器（22，22′）和位于其后的液晶（24）的矩阵，并且其中所述第二液晶显示屏（6）的前部偏振过滤器（22，22′）关于其偏振面相对于所述第一液晶显示屏（4）的前部偏振过滤器（12）旋转90°地布置。

14.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中所述第一液晶显示屏（4）的后部偏振过滤器（10）关于其偏振面相对于所述第一液晶显示屏（4）的前部偏振过滤器（12）旋转90°地布置。

15.根据上述权利要求之一所述的多层图像显示装置（2），其中所述第二液晶显示屏（6）具有后部偏振过滤器（20′），该后部偏振过滤器关于其偏振面与第一液晶显示屏（4）的前部偏振过滤器（12）取向相同。

16.一种用于操作根据权利要求1至15之一所述的多层图像显示装置（2）的方法，其中要在第二液晶显示屏（6）上显示的前景图像由相关的图像计算机（46）位置正确地产生，在图像中心线（44）上反射并且镜像反转地在第二液晶显示屏（6）上再现，并且其中背景图像没有这种镜像地在该第一液晶显示屏（4）上再现。

17.一种用于操作根据权利要求1至15之一所述的多层图像显示装置（2）的方法，其中要在液晶显示屏（4，6）上显示的图像借助数字图像处理装置来进行预处理，该预处理进行为使得在图像再现时以及在从确定的观察方向观察时出现的色彩、亮度和/或对比度的推移被补偿。

18.一种多层图像显示装置（102），带有后部显示屏（108）和至少一个前部显示屏（106，106′），其中该布置构建为使得由后部显示屏（108）产生的图像能够透过前部显示屏（106，106′）而可见，其中所述前部显示屏（106，106′）的至少之一是发射性的显示屏。

19.根据权利要求18所述的多层图像显示装置（102），其中所述至少一个前部显示屏（106，106′）是OLED显示屏。

20.根据权利要求18或19所述的多层图像显示装置（102），其中所述后部显示屏（108）是非发射的显示屏，该显示屏在工作中由布置在其之后的光源（100）透射。

21.根据权利要求18、19或20所述的多层图像显示装置（102），其中所述后部显示屏（108）是LCD显示屏、发射性的显示屏、OLED显示屏或者等离子体显示屏，或者电致发光显示屏。