CN106054451A - 2d/3d可切换的液晶显示装置及其显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种2D/3D可切换的液晶显示装置及其显示方法，其包括：透射型显示器件的显示面板、以及为该显示面板提供背光源的2D/3D可切换背光模组；其中，所述2D/3D可切换背光模组包括：2D背光模组、位于该2D背光模组上的导光板、位于该导光板相对两侧的侧入式LED灯条；所述导光板的出光面设有多个微结构。本发明2D/3D可切换的液晶显示装置作为集成成像3D显示器件，在3D显示模式上克服了有限深度的限制，集成成像3D显示模式可同时具有实模式和虚模式；本发明2D/3D可切换的液晶显示装置作为2D显示器件，具有高质量的2D显示效果，并且具有高的光效率。

Description

2D/3D可切换的液晶显示装置及其显示方法
技术领域
本发明属于集成成像的三维显示技术领域，尤其涉及一种2D/3D可切换的液晶显示装置及其显示方法。
技术背景
集成成像是一种利用微透镜阵列来记录和再现三维空间场景的真三维显示技术，其为一种具有全视差、全彩色3D图像、准连续视点的裸眼三维显示技术，集成成像被视为理想裸眼三维显示装置之一。由于集成成像具体3D图像的深度范围较小、观看视角较窄、3D图像分辨率较低以及3D图像发生深度反转等特点，与此同时集成成像所需3D显示片源难以获取，因此2D/3D可切换的集成成像3D显示技术是推进集成成像3D显示器迈进商用化的重要方式之一。
现如今，2D/3D可切换的集成成像3D显示器件的切换基本原理是背光发光特性基于点光源阵列与面光源之间的相互切换。已有的技术方案主要有三种，第一种方案是通过PDLC(聚合物分散液晶)的透明态和散射态之间切换来实现2D显示和集成成像3D显示之间相互切换。
如图1所示，当对PDLC面板10施加电压，PDLC液晶表现为透明状态，光源20通过准直透镜11形成的平行光经过PDLC面板10后仍为平行光，当该平行光通过透镜阵列12后聚焦于透镜的焦点处，表现为点光源14特性，因此，整个背光变成点光源阵列，当透射式显示面板13显示相应的图像元阵列(3D内容)，空间中将再现出集成成像3D图像，整个装置工作于3D显示模式；如图2所示，当对PDLC面板10不施加电压，PDLC表现散射状态，通过准直透镜11形成的平行光经过PDLC面板10后为散射光，当该平行光通过透镜阵列12仍为散射光，整个背光表现为面光源特性，当透射式显示面板13显示2D图像，整个装置工作于2D显示模式。
同理，为了得到点光源阵列，第二种方案是通过在偏光片30是制作针孔阵列，通过偏光转换器来实现点光源阵列与面光源的相互切换。
如图3所示，当背光模组30产生的偏振光的偏振方向与针孔阵列31的偏振片的偏振方向正交时，光源只能从针孔阵列31出光，从而整个背光模组30为点光源阵列，该装置工作于3D显示面板32的模式；如图4所示，当通过偏光转换器将背光模组30发出的偏振光的偏振方向转换成针孔阵列31的偏振片的偏振方向一致时，整个背光为面光源，该装置工作于2D显示面板32的模式。
第三种方案是通过对OLED面板40像素点亮来实现背光特性的相互转换。如图5所示，采用OLED面板40作为背光源，当对OLED面板40相应区域的像素点亮，整个背光的特性表现为点光源特性，此时该装置工作于3D显示模式；如图6所示，当OLED面板40的像素全点亮，整个背光的特性表现为面光源特性，此时该装置工作于2D显示模式。
虽然以上三种方案在2D/3D可切换的集成成像3D显示领域中具有很好的应用前景，
从三种方案可以得出，第一种方案是采用PDLC面板以及体积较大准直透镜，采用第一种方案，会使得成本较高，并且装置体积较大；第二种方案是采用偏光片将背光单元发出的光源转换成偏振光，采用第二种方案，会使得装置的光的效率有很大的损失，尤其在2D显示模式，不利于2D显示；第三种方案采用OLED面板，会使得成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时集成3D显示模式和2D显示模式的2D/3D可切换的液晶显示装置及其显示方法。
本发明提供一种2D/3D可切换的液晶显示装置，其包括：透射型显示器件的显示面板、以及为该显示面板提供背光源的2D/3D可切换背光模组；其中，所述2D/3D可切换背光模组包括：2D背光模组、位于该2D背光模组上的导光板、位于该导光板相对两侧的侧入式LED灯条；所述导光板的出光面设有多个微结构。
本发明又提供一种2D/3D可切换的液晶显示装置的显示方法，包括如下步骤：
S1：当2D背光模组处于打开状态下，导光板和相对应的LED灯条处于关闭状态下，2D背光模组发出的光源为面光源，当该光源经过导光板后仍为面光源；
S2：当2D背光模组处于关闭状态下，导光板和相对应的LED灯条处于打开状态下，导光板射出点光源。
本发明2D/3D可切换的液晶显示装置作为集成成像3D显示器件，在3D显示模式上克服了有限深度的限制，集成成像3D显示模式可同时具有实模式和虚模式；本发明2D/3D可切换的液晶显示装置作为2D显示器件，具有高质量的2D显示效果，并且具有高的光效率。
附图说明
图1为现有PDLC面板在集成成像3D显示应用的结构示意图；
图2为图1所示PDLC面板在2D显示应用的结构示意图；
图3为现有针孔阵列的偏振片在集成成像3D显示应用的结构示意图；
图4为图3所示针孔阵列的偏振片在2D显示应用的结构示意图；
图5为现有采用OLED面板在集成成像3D显示应用的结构示意图；
图6为图5所示OLED面板在2D显示应用的结构示意图；
图7为本发明2D/3D可切换的液晶显示装置的结构示意图；
图8为图7所示2D/3D可切换的液晶显示装置的2D/3D可切换背光源模组的结构示意图；
图9为图7所示2D/3D可切换的液晶显示装置在2D模式下的工作示意图；
图10为图7所示2D/3D可切换的液晶显示装置在3D模式下的工作示意图；
图11为图7所示光线在导光板内的传播示意图；
图12为图11所示导光板的微结构的第一实施例的结构示意图；
图13为图11所示导光板的微结构的第二实施例的结构示意图；
图14为图11所示导光板的微结构的第三实施例的结构示意图；
图15为图11所示导光板的俯视图；
图16为图7所示2D/3D可切换的液晶显示装置的显示面板的图像元阵列的结构示意图；
图17为图7所示2D/3D可切换的液晶显示装置的集成成像3D显示光学设计的示意图。
具体实施方式
本发明2D/3D可切换的液晶显示装置，如图7所示，2D/3D可切换的液晶显示装置100包括：显示面板1、以及为该显示面板1提供背光源的2D/3D可切换背光模组2。其中，显示面板1作为透射型显示器件，其功能是根据图像数据来调制光线；2D/3D可切换背光源模组2的功能是对显示面板1提供照明。
图8所示为2D/3D可切换背光源模组的结构示意图，2D/3D可切换背光模组2包括：2D背光模组21、位于该2D背光模组21上的导光板22、与该导光板22相对应光学特性的且位于该导光板22侧边的双边侧入式LED灯条23。其中，导光板23可采用PMMA(亚克力)、Glass(玻璃)、PC(聚碳酸酯)、Zeonor(环烯的热可塑性树脂)等制成，导光板23的上表面(出光面)设有多个散射微结构221。2D背光模组21产生面光源；导光板22与双边侧入式LED灯条23所组成的背光源产生点光源阵列。
图9所示为2D/3D可切换的液晶显示装置在2D模组下的工作示意图，当2D背光模组21处于打开(On)状态下，导光板22和相对应的LED灯条23处于关闭(Off)状态下，由于2D背光模组21发出的光源为面光源，当该光源经过导光板22后的光学特性仍然表现为面光源特性。
图10所示为2D/3D可切换的液晶显示装置在3D模组下的工作示意图，当2D背光模组21处于关闭(Off)状态下，导光板22和相对应的LED灯条23处于打开(On)状态下，由于微结构221的作用，整个导光板22的出射光的光学特性表现为点光源阵列特性。
图11为光线在导光板内的传播示意图，导光板22和对应的双边侧入式LED灯条23处在打开(On)状态，双边侧入式LED灯条23发出的光线全部以全反射的形式在导光板22内部传播。导光板22设有远离2D背光模组21的第一内反射面222、以及靠近2D背光模组21的第二内反射面223；导光板22本身介质折射率为n1，导光板22外的介质(空气)折射率为n0；在导光板22内产生全反射临界角为θc，满足公式(1)：
θc＝arcsin n0/n1 (1)
当入射角θi＞θc时，光线在导光板内传播是以全反射的形式进行传播。光线进入导光板后，经过表面时，由于微结构221的作用，使得光线的全反射的条件被破坏，光线从导光板22的正面出射。
图12为导光板的微结构的第一实施例的结构示意图，微结构221为凹设在导光板22表面的结构，且与导光板22一体形成。图13为导光板的微结构的第二实施例的结构示意图，微结构221为凸设在导光板22表面的结构，且与导光板22一体形成。图14为导光板的微结构的第三实施例的结构示意图，微结构221由高折射率材料制成，其折射率为n2，n2＞n1，该微结构设置在导光板22上。
图15为导光板的俯视图，在导光板22上未设置微结构的区域为全反射区域224，全反射区域为无光出射区域；在导光板22上设置微结构的区域为散射区域225，散射区域为光出射的区域。
当满足全反射条件的入射角θi的光线经过散射区域，在微结构221的作用下，光线在导光板22内的散射区域的全反射条件被破坏，从而光线将在散射区域出射形成点光源，从而整个新型导光板出射的光源表现为点光源阵列。
请参阅图12和图13所示，在导光板22上表面制作几何形状的凹形结构或者凸形结构，形成散射区域225，当满足全反射条件的入射角θi的光线经过凹形结构或者凸形结构的侧面后，光线会发生散射，从而形成点光源。请参阅图14所示，在导光板22上表面表面处理形成折射率大于n1透明材料图案形成散射区域，满足全反射条件的入射角θi的光线经过该透明材料后，由于透明材料的折射率大于n1，破坏了光线的全反射条件，光线在该区域会出射，从而形成点光源。
图16为显示面板的图像元阵列的结构示意图，当2D/3D可切换的液晶显示装置工作于3D显示模式下，该2D/3D可切换的液晶显示装置的背光发光区域在散射区域224发光，整个背光模组表现为点光源阵列。为了实现集成成像3D显示，此时显示面板1显示图像元阵列11，当2D/3D可切换背光模组2的点光源作为相应的图像元的背光源，即点光源阵列与图像元阵列一一对应，空间中将再现出集成成像3D图像。
微结构区域的形状与图像元的形状不仅限于此，具体区域形状根据实际设计所决定。
图17为集成成像3D显示光学设计示意图，为了使得点光源作为对应图像元的背光源，根据公式(2)得出图像元区域大小与点光源大小之间的精准匹配关系。根据公式(3)可以得出导光板22发出的点光源阵列的排布情况。其中，Sls表示点光源的大小；Sele表示图像元区域大小；表示点光源的发散角度；g表示2D/3D可切换背光模组2与显示面板1之间的间距，即导光板22光出射面与显示面板2之间的间距；l表示相邻点光源之间的间距，即导光板22上表面的相邻微结构221之间的间距。
图17为2D/3D可切换集成成像3D显示装置工作原理示意图，当2D/3D可切换背光模组2的特性表现为点光源阵列时，显示面板1显示图像元阵列11，整个2D/3D可切换的液晶显示装置为集成成像3D显示器件，点光源作为相应的图像元的背光源后，各个图像元发出的光线将在空间中交叠形成具有一定深度的集成成像3D图像。由于2D/3D可切换的液晶显示装置形成的集成成像3D图像不是基于透镜元成像，因此，相对于传统集成成像3D显示，本2D/3D可切换的液晶显示装置在3D显示模式克服了有限深度的限制，并且该2D/3D可切换的液晶显示装置可同时显示实模式和虚模式3D图像。当2D/3D可切换背光模组2的特性表现为面光源时，显示面板1显示2D图像，整个2D/3D可切换的液晶显示装置为2D显示器件。
本发明2D/3D可切换的液晶显示装置可应用于2D显示以及集成成像3D显示领域，通过对2D/3D可切换背光模组2光学特性的点光源与面光源之间的切换实现了集成成像3D显示与2D显示之间的相互转换。
本发明2D/3D可切换的液晶显示装置作为集成成像3D显示器件，在3D显示模式上克服了有限深度的限制，集成成像3D显示模式可同时具有实模式和虚模式；本发明2D/3D可切换的液晶显示装置作为2D显示器件，具有高质量的2D显示效果，并且具有高的光效率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种2D/3D可切换的液晶显示装置，其特征在于，其包括：透射型显示器件的显示面板、以及为该显示面板提供背光源的2D/3D可切换背光模组；其中，所述2D/3D可切换背光模组包括：2D背光模组、位于该2D背光模组上的导光板、位于该导光板相对两侧的侧入式LED灯条；所述导光板的出光面设有多个微结构。
2.根据权利要求1所述的2D/3D可切换的液晶显示装置，其特征在于：所述微结构为凹设在导光板上表面的结构，该多个微结构与导光板一体形成。
3.根据权利要求1所述的2D/3D可切换的液晶显示装置，其特征在于：所述微结构为凸设在导光板上表面的结构，该多个微结构与导光板一体形成。
4.根据权利要求1所述的2D/3D可切换的液晶显示装置，其特征在于：微结构由高折射率材料制成，其折射率大于导光板本身的折射率，该微结构设置在导光板上表面。
5.根据权利要求1-5任一所述的2D/3D可切换的液晶显示装置的显示方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：当2D背光模组处于打开状态下，导光板和相对应的LED灯条处于关闭状态下，2D背光模组发出的光源为面光源，当该光源经过导光板后仍为面光源；
S2：当2D背光模组处于关闭状态下，导光板和相对应的LED灯条处于打开状态下，导光板射出点光源阵列。
6.根据权利要求5所述的2D/3D可切换的液晶显示装置的显示方法，其特征在于：所述步骤S2的形成方法为：
当满足全反射条件的入射角θi的光线经过导光板的微结构后，光线会发生散射，形成点光源；
假设导光板本身介质折射率为n1，导光板外的介质折射率为n0；在导光板内产生全反射临界角为θc，满足公式(1)：
θc＝arcsinn0/n1
当入射角θi＞θc时，光线在导光板内传播是以全反射的形式进行传播；
光线进入导光板后，经过微结构，使得光线的全反射的条件被破坏，光线从导光板的正面出射，在显示面板上显示图像元阵列，每个图像元对应一个微结构。
7.根据权利要求6所述的2D/3D可切换的液晶显示装置的显示方法，其特征在于：图像元区域大小Sele的计算公式如下：
其中，Sls表示点光源的大小；表示点光源的发散角度；g表示2D/3D可切换背光模组与显示面板之间的间距。
8.根据权利要求6所述的2D/3D可切换的液晶显示装置的显示方法，其特征在于：相邻点光源之间的间距l的计算公式如下：
其中，表示点光源的发散角度；g表示2D/3D可切换背光模组与显示面板之间的间距。
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