CN107102444A - 自动立体显示装置 - Google Patents

Abstract

一种可切换的自动立体显示装置，包括：显示面板，其具有用于产生显示的显示像素阵列(5)，显示像素被排列成行和列；以及透镜布置(9)，其用于将来自不同像素的输出导向至不同空间位置以能观看立体图像，透镜布置处于平行于所述显示面板的平面中。透镜布置包括可电切换的LC层，该LC层限定透镜图案或透镜复制件图案，其中LC层的LC排列可电切换以使得透镜布置可在2D模式与3D模式之间切换。在2D模式，LC排列处于基本上在透镜布置平面内的第一方向上，且在3D模式，LC排列处于也基本上在透镜布置平面内的第二垂直方向上。显示面板的光输出在所述第二方向上偏振。这种布置对于两个垂直观看平面而言能使得显示面板输出与LC排列方向之间的垂直关系得以维持。

Description

自动立体显示装置

技术领域

本发明涉及以下类型的自动立体显示装置（autostereoscopic displaydevice），这种类型的自动立体显示装置包括显示面板和成像布置，显示面板具有用于产生显示的显示像素阵列，成像布置用于将不同视图导向至不同空间位置。

背景技术

用于这种类型显示器中的成像布置的第一实例为屏障，该屏障例如具有相对于显示器的基本像素（underlying pixel）来确定大小和位置的狭缝。如果观看者的头部处于固定位置，观看者就能感知3D图像。屏障定位于显示面板前方且被设计成使得来自奇数和偶数像素列的光被导向观看者的左眼和右眼。

这种类型的双视图显示设计的缺陷在于，观看者必须处于固定位置，且仅能向左或向右移动大约3cm。在一更优选的实施例中，在每个狭缝下方并不存在两个子像素列，而是若干个子像素列。以此方式，允许观看者左右移动且在其眼睛中总是感知立体图像。

屏障布置生产起来较为简单但并非光高效的。因此优选的替代是使用透镜布置作为成像布置。举例而言，能提供细长的微透镜元件阵列，其平行于彼此延伸且覆盖在显示像素阵列上，且通过这些微透镜元件来观察显示像素。

微透镜元件提供为多个元件的片，其中的每一个元件包括细长的半圆柱形透镜元件。微透镜元件在显示面板的列方向上延伸，且每个微透镜元件覆盖在显示像素的两个或两个以上相邻列的相应组上。

如果每个微透镜与两列显示像素相关联，则每列中的显示像素提供相应二维子图像的竖直切片。微透镜片将这两个切片和来自于与其它微透镜相关联的显示像素列的相应切片导向至位于该片前方的使用者的左眼和右眼处，使得使用者观察到单个立体图像。微透镜元件片因此提供光输出导向功能。

在其它布置中，每个微透镜与行方向中的四个或更多个相邻显示像素的组相关联。每组中显示像素的相应列被近似布置成从相应二维子图像提供竖直切片。随着使用者的头从左到右的移动，感知一系列连续的、不同的立体视图，从而形成例如环视（look-around）印象。

上文所述的装置提供有效的三维显示。但应了解，为了提供立体视图，需要牺牲装置的水平分辨率。这种分辨率牺牲对于特定应用是不可接受的，诸如显示小文本字符来供近距离观看。因此，建议提供一种可在二维模式与三维(立体)模式之间切换的显示装置。

实施这种切换的一种方式为，提供可电切换的微透镜阵列。在二维模式，可切换装置的微透镜元件以“通过”模式进行操作，即，它们以与光学透明材料的平面片相同的方式起作用。所得到的显示器具有等于显示面板的原分辨率（native resolution）的高分辨率，其适合于从近的观看距离来显示小文本字符。当然，二维显示模式不能提供立体图像。

在三维模式，可切换装置的微透镜元件提供光输出导向功能，如上文所述的那样。所得到的显示器能提供立体图像，但具有上文所提到的不可避免的分辨率损失。

为了提供可切换的显示模式，可切换装置的微透镜元件由诸如液晶材料的电光材料形成，该电光材料具有可在两个值之间切换的折射率。继而通过向设于微透镜元件上方和下方的平面电极施加适当电位来在各个模式之间切换该装置。该电位相对于相邻光学透明层的折射率来更改微透镜元件的折射率。可切换装置的结构和操作的更详细描述可见于美国专利号6,069,650中。

LC微透镜可切换显示器的缺点在于，在2D模式仍有透镜作用，特别是当从显示屏幕的法线上方或下方的位置观看该显示器时。这导致不合需要的图像伪像。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种自动立体显示装置，其关于2D模式中透镜作用的前述问题做出改进。

利用根据本发明的装置实现这个目的。

本发明由独立权利要求限定。附属权利要求限定有利实施例。

根据本发明，提供一种可切换的自动立体显示装置，其包括：

-显示面板，其具有用于产生显示的显示像素阵列，所述显示像素被布置成行和列；以及

-透镜布置，其用于将来自不同像素的输出导向至不同的空间位置以能观看立体图像，所述透镜布置处于平行于显示面板的平面中；

其中该透镜布置包括可电切换的LC层，其限定透镜图案或透镜复制件图案，其中LC层的LC排列可电切换以使得透镜布置可在2D模式与3D模式之间切换，

其中在2D模式， LC排列处于基本上在透镜布置平面内的第一方向上，且在3D模式， LC排列处于也基本上在透镜布置平面内的第二垂直方向上，且其中显示面板的光输出在第二方向上偏振。

在此布置中，可切换透镜装置的LC分子排列位于显示器的平面内。对于在垂直于显示平面的两个平面中的显示观看方向而言，这种布置能允许显示器面板的输出的偏振与LC排列方向之间的垂直关系得以维持。

在一布置中，显示面板的光输出沿着显示器的行方向或列方向偏振。

因此，显示输出偏振与LC排列方向处在相同平面中。这意味着在偏振方向与液晶光轴之间所期望的90度角能基本上独立于在水平(行)平面和竖直(列)平面中的光输出方向。

在另一布置中，透镜布置包括细长透镜阵列，其中显示面板的光输出沿着或垂直于细长透镜轴线偏振。

同样，显示输出偏振与LC排列方向处在相同平面中。对于平行于和垂直于透镜轴线的平面而言，在偏振方向与液晶光轴之间所期望的90度角独立于光输出方向。对于小倾斜角，这意味着所期望的90度角又基本上独立于在水平平面和竖直平面中的光输出方向。

在一布置中，第一(2D) 方向垂直于透镜轴线且第二方向平行于透镜轴线，显示面板的光输出在平行于透镜轴线的方向上偏振，且其中透镜布置电切换到2D模式。在2D模式，偏振方向沿着透镜且LC排列穿过（across）透镜。然后基于透镜布置的稳态LC排列来获得3D模式。

该透镜布置可包括平行于透镜轴线的切换电极，以生成穿过透镜的平面内电场，以便实施到2D模式的切换。

在另一布置中，第一方向垂直于透镜轴线且第二方向平行于透镜轴线，显示面板的光输出在平行于透镜轴线的方向上偏振，且其中透镜布置电切换到3D模式。再者，在此实施方式的2D模式中，偏振方向沿着透镜且LC排列穿过透镜。但是基于透镜布置的稳态LC排列获得2D模式。

该透镜布置可包括垂直于透镜轴线的切换电极，以沿着透镜生成平面内电场，以便实施到3D模式的切换。

显示面板包括可个别寻址的发射、透射、折射或衍射显示像素的阵列，例如，其可包括液晶显示面板。

本发明还提供一种控制自动立体显示装置的方法，该自动立体显示装置包括显示面板和可切换的透镜布置，该可切换的透镜布置用于将显示面板输出导向至不同空间位置以能观看立体图像，该方法包括：

-在2D模式与3D模式之间选择，其中在2D模式， LC排列处于基本上在透镜布置平面内的第一方向上，且在3D模式， LC排列处于也基本上在透镜布置平面内的第二垂直方向上；

-对透镜布置进行电切换来提供选定的操作模式；以及

-驱动显示面板以提供适合于选定模式的显示输出，其中显示输出受到控制以在第二方向上偏振。

附图说明

现将参考附图仅以举例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是已知自动立体显示装置的示意性透视图；

图2和图3用于解释图1所示的显示装置的透镜阵列的操作原理；

图4示出微透镜阵列如何向不同空间位置提供不同视图；

图5用于解释与已知设计相关联的问题且该问题通过本发明而解决；

图6示出本发明的显示装置的第一实例；以及

图7示出本发明的显示装置的第二实例。

具体实施方式

本发明提供一种可切换的自动立体显示装置，其中可切换透镜布置的可切换LC材料的光轴可在两个垂直方向之间切换，每个垂直方向处在平行于显示面板平面的平面内。这能够使得当处在2D模式中时，在垂直于显示器的两个观看平面中避免透镜效果。

图1是已知的直接观看自动立体显示装置 1的示意性透视图。已知装置1包括有源矩阵型液晶显示面板3，其充当空间光调制器以产生显示。

显示面板3具有排列成行和列的显示像素5的垂直阵列。为了简单起见，在图1中仅示出少量显示像素5。实际上，显示面板3可包括大约一千行和数千列显示像素5。

液晶显示面板3的结构是完全常规的。特别地，该面板3包括一对间隔开的透明玻璃基底，在它们之间设有排列的扭曲向列或其它液晶材料。基底在其相对表面上承载有透明的铟锡氧化物(ITO)电极的图案。偏振层也设于基底的外表面上。

每个显示像素5包括在基底上的相对电极，且在它们之间存在介于其间的液晶材料。显示像素5的形状和布局由电极的形状和布局确定。显示像素5以间隙彼此之间规则地间隔开。

每个显示像素5与切换元件相关联，切换元件如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD)。显示像素通过操作以通过向切换元件提供寻址信号来产生该显示，且本领域技术人员将获知合适的寻址方案。

由光源7照亮显示面板3，在此情况下，光源7包括在显示像素阵列的区域上延伸的平面背光。将来自光源7的光导向通过显示面板3，且驱动个别显示像素5以调制光且产生显示。

显示装置1还包括布置于显示面板3的显示侧上的微透镜片9，其执行形成视图的功能。微透镜片9包括彼此平行延伸的一行微透镜元件11，为了清楚起见，以放大尺寸示出了其中的仅一个。

微透镜元件11呈凸圆柱透镜形式，且它们充当光输出引导器件以从显示面板3向位于显示装置1前方的使用者的眼睛提供不同的图像或视图。

图1所示的自动立体显示装置1能提供在不同方向中的若干不同透视图。特别地，每个微透镜元件11覆盖在每一行中的一小组显示像素5上。微透镜元件11将一组中的每个显示像素5投射到不同方向中，以便形成若干不同视图。随着使用者的头从左到右移动，他/她的眼睛将依次接收若干视图中的不同视图。

已经建议，如上文所述的那样，提供可电切换的透镜元件。这使得显示能在2D模式与3D模式之间切换。

图2和图3示意性地示出能用于图1所示的装置中的可电切换的微透镜元件35的阵列。该阵列包括一对透明玻璃基底39、41，其中由铟锡氧化物(ITO)形成的透明电极43、45设于其相对表面上。使用复制技术形成的反透镜结构47设于基底39、41之间，邻近基底39中的一个上部基底。液晶材料49也设于基底39、41之间，邻近基底41中的一个下部基底。

反透镜结构47使得液晶材料49在反透镜结构47与下部基底41之间呈平行的、细长的微透镜形状，如在图2和图3中的截面中所图示的那样。与液晶材料接触的下部基底41和反透镜结构47的表面也具备定向层(未图示)以对液晶材料进行定向。

图2示出当不向电极43、45施加电位时的阵列。在此状态，液晶材料49的折射率显著地高于反透镜阵列47的折射率，且因此微透镜形状提供光输出定向功能，如图所示的那样。

图3示出当大约50伏至100伏的交流电位被施加到电极43、45上时的阵列。在此状态，液晶材料49的折射率与反透镜阵列47的折射率基本上相同，从而取消了微透镜形状的光输出定向功能，如图所示的那样。因此，在此状态，阵列以“通过”模式有效地起作用。

适用于图1所示显示装置中的可切换微透镜元件的阵列的结构和操作的另外的细节可见于美国专利号6,069,650中。

图4示出如上文所述的微透镜类型的成像布置的操作原理，且示出背光50、显示装置54（诸如LCD和微透镜阵列58）。图4示出微透镜布置58如何将不同像素输出导向至不同空间位置。

本发明具体而言涉及显示输出与透镜布置LC层相互作用的方式，和特别地涉及LC层的排列和显示输出的偏振。

在图2和图3所示的已知布置中，显示面板的线性偏振方向处在透镜的细长轴线的方向上，即，穿入到图2和图3的页面内。

因此，显示输出偏振和透镜布置的LC排列在图2中是平行的，且在图3中是垂直的。而且，对于横向观看角度，即在图2和图3中法线方向左边和右边的光路径方向，维持这种平行和垂直关系。

这种布置的缺点在于，当参考法线方向从显示器上方或下方的位置观看时，在2D模式中有透镜作用。在图5中示出这种效果，其示出处于2D模式的系统的侧视图。不与显示器法线平行的射线60经历LC材料中的不同折射率，LC材料的不同折射率因此不再与复制件的折射率匹配。这是由于以下现实所致：偏振(由箭头62所示)不再完全垂直于透镜布置内LC层的排列。结果导致引起可见的伪像的透镜作用。2D模式中并不期望这种透镜作用。

本发明提供一种布置，其中2D模式中双折射LC材料的光学排列轴线基本上平行于显示器的平面排列。显示器的偏振也基本上处在显示器的平面中且垂直于LC的光轴。此组合导致2D模式的改进的观看体验。光学排列轴线为LC分子排列方向，且这与指示LC材料的非寻常折射轴的向量共线。

对于3D模式，需要由显示器的偏振光所看到的LC的折射率不同于2D模式。这通过绕显示器的法线来旋转LC排列轴线而实现。因此，对于两种模式，透镜布置的LC层的光学排列轴线均平行于显示器的平面。为了在模式之间切换，能使用已知的平面内切换技术。

图6示出第一实施例，且示出当处于3D模式时系统的顶视图。在此实例中，3D模式为不向电极施加电压的稳态模式。

在此布置中，稳态3D模式的LC排列平行于透镜轴线(由点70示出)，且显示面板的光输出在平行于透镜轴线的方向(以72示出)中进行偏振。

这种排列布置的优点在于，排列将在整个透镜中基本上相同。

透镜布置包括平行于透镜轴线的切换电极74，其用于生成穿过透镜的平面内电场。

当向电极施加电压时，LC分子绕显示器的法线旋转，且显示器然后处于2D模式。光轴然后穿过透镜。但是，即使光路径的方向高于或低于法线，偏振方向72保持垂直于光轴，使得对于两个垂直平面而言，避免了2D模式中透镜作用的问题。

图7示出第二实施例，其中排列层和电极的作用被互换。图7示出侧视图。

排列层被布置成使得在稳态(无电压)条件下LC在显示器上水平地排列。显示器的偏振再次被选择为平行于透镜轴线，即，处在图7的平面中。图7示出施加电压的条件，其在此情况下为3D模式。在此布置中，处在稳态2D模式的LC排列垂直于透镜轴线。

透镜布置包括垂直于透镜轴线的切换电极74，以沿着透镜生成平面内电场。

因此电极被布置成由透镜阵列所交叉的阵列中。

电极布置提供平面内电场，使得光轴处在平行于显示面板的平面中。但是完好的电场图案是不可能的，特别是在电极位于LC层的一个表面处(而不是在该层的边缘处)时。电场线将最初与法线成角度地穿透到LC层内，然后弯绕到下一电极。在两个电极之间的中点处，电场线将平行于显示面板平面。能将这个区域选择成对应于透镜的主中央部分。在上下文中，应了解，对于光轴的提及“基本上”位于平行于显示器的平面中。特别地，电场线在平行于显示面板平面的平面中的各个点(电极)之间延伸，但该路径在实践中并非为直的直达线。但将清楚地理解，与延伸穿过LC层厚度的横向电场线形成对照。通过LC材料的平面内切换而实现基本上平行于显示面板平面的光轴。因此，电切换模式的平行光轴的替代定义为：用于在各模式之间切换的电场由平面内切换电极布置生成。

用于稳态条件的光学排列（其再次旨在位于相同的平面中）将以常规方式利用光学排列层来实施。举例而言，聚酰亚胺排列层的材料可为AL-1051。

本发明可应用于使用倾斜微透镜式透镜的布置。已知的是，通过使得微透镜倾斜，能在水平方向和竖直方向中分配分辨率损失。实际上，这显著地改进了所感知的图像品质。

本发明需要显示器偏振方向和透镜布置的LC光学排列以两种模式中的一种模式垂直，且以两种模式的另一中模式中平行。透镜布置的两个光学排列方向可沿着且穿过倾斜透镜方向，或者处在行和列方向中。将显示器输出的偏振方向选择成平行于这些中的一个。

优选地，当观看者横向移动或者从显示器的中间法线位置上下移动时，2D模式尽可能被保持成没有视觉伪像。这是因为其为观看者自然可能的移动。这通过使得显示器在行或列方向中进行偏振来实现，或者(如果倾斜角小)沿着或垂直于透镜轴线来实现。

但应了解，对于透镜布置LC层的两种模式而言，只要显示输出偏振平行于它们之一，能选择在显示面板平面中的任何成对的垂直方向。这种布置将总是给出两个移动平面，其中将2D模式中的视觉伪像保持在最小值。对于其它观看位置而言，还存在2D模式的改进。在本发明的范围内，两个平面的(精确地或大约地)横向和上下的优选布置是仅有的一种可能性。

电极可具有与透镜相同的节距，且如上文所提到的那样，透镜的中央部分继而能与最佳的电场线方向相关联。但是，电极的数量可不同于透镜的数量。显然并不要求透镜和电极对应于上文的第二实施例（其中电极与透镜交叉）。

可切换的LC层已经在上文中示出为透镜部分。但是，透镜复制件可为可切换的部分。

单轴液晶通过非寻常折射率和寻常折射率来描述。复制件的折射率接近液晶的寻常折射率。在寻常折射率大于非寻常折射率的情况下，复制件的透镜表面应具有正透镜形状。

上文所述的实例采用的液晶显示面板例如具有处于50μm-1000μm范围内的显示像素间距。但对于本领域技术人员而言显然的是，可采用替代类型的显示面板，诸如有机发光二极管(OLED)或阴极射线管(CRT)显示装置。显示器的输出需要被偏振，且对于并不具有偏振输出的显示技术而言，能提供额外偏振器。

用于制作显示装置的制造和材料并未详细地描述，因为这些是常规的且是本领域技术人员熟知的。

所公开的实施例的另外的变型可由本领域技术人员在实践所主张的本发明时，通过学习附图、公开内容和所附权利要求而理解和实行。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤且不定冠词“一”并不排除多个。在相互不同的附属权利要求中陈述特定措施的简单事实并不表示不能使用这些措施的组合来取得益处。在权利要求中的任何附图标记不应被理解为限制其范围。

Claims (10)

1.一种可切换的自动立体显示装置，包括：

-显示面板(3)，其具有用于产生显示的显示像素阵列(5)，所述显示像素被排列成行和列；以及

-透镜布置(9)，其用于将来自不同像素的输出导向至不同空间位置以能观看立体图像，所述透镜布置处于平行于所述显示面板的平面中且包括细长透镜的阵列；

其中所述透镜布置包括可电切换的LC层，该LC层限定透镜图案或透镜复制件图案，其中所述LC层的LC排列可电切换以使得所述透镜布置可在2D模式与3D模式之间切换，

其中在所述2D模式，所述LC排列处于基本上在所述透镜布置平面内的第一方向上，且在所述3D模式，所述LC排列处于绕所述显示面板的法线旋转以基本上保持在所述透镜布置平面内的第二方向上，所述 LC排列的所述第一方向垂直于所述LC排列的所述第二方向并处在平行于所述显示面板的所述透镜布置的平面内，

其中所述透镜布置包括平行于所述透镜布置的透镜轴线的切换电极以生成穿过所述透镜的平面内电场。

2.根据权利要求1所述的装置，其中在所述3D模式，所述LC布置平行于所述透镜布置的透镜轴线。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示面板包括可个别寻址的发射、透射、折射或衍射显示像素阵列。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述显示面板为液晶显示面板。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述透镜布置相对于所述显示面板倾斜。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述透镜布置包括一片微透镜式透镜。

7.一种控制自动立体显示装置的方法，所述自动立体显示装置包括显示面板(3)和可切换的透镜布置(9)，该透镜布置(9)用于将所述显示面板的输出导向至不同空间位置以能观看立体图像，所述透镜布置包括细长透镜的阵列且包括可电切换的LC层，其中所述LC层的LC排列可电切换以使得所述透镜布置可在2D模式与3D模式之间切换，且所述透镜布置处于平行于所述显示面板的平面中，所述方法包括：

-在2D模式与3D模式之间进行选择，其中在所述2D模式，所述LC排列处于基本上在所述透镜布置平面内的第一方向上，且在所述3D模式，所述LC排列处于也基本上在所述透镜布置平面内的第二垂直方向上；

-对所述LC排列进行电切换以绕所述显示面板的法线旋转LC分子的轴线从而使得所述LC排列基本上保持在所述透镜布置平面内以提供选定的操作模式；以及

-驱动所述显示面板以提供适合于所述选定的模式的光输出，其中所述透镜布置包括平行于所述透镜布置的透镜轴线的切换电极以生成穿过所述透镜的平面内电场。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述3D模式，所述LC布置平行于所述透镜布置的透镜轴线。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述透镜布置相对于所述显示面板倾斜。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述透镜布置包括一片微透镜式透镜。