CN1768537B - 显示设备和在其上显示数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有方向背光的显示设备。通过在两个被限定和限制的角锥内发射光来产生立体图像。与在高速开关LCD上切换左眼和右眼图像同步地交替将光发送到观察者的左眼和右眼。可选择地，可以为两个或更多个观察者产生图像，并将图像导向多个方向。该显示设备包括：显示面板(1)，用于将光引导穿过显示面板(1)的光变向元件(8)，用于将光导向光变向元件(8)的光导(6)，耦合到光导(6)的第一光源(4)，以便在第一方向上将光耦合进光导(6)，和耦合到光导(6)的第二光源(5)，以便在第二方向上将光耦合进光导(6)。光变向元件(8)具有第一凹槽结构(9)，并且光导(6)具有第二凹槽结构(7)，第一和第二凹槽结构(9，7)以下述结构排列，该结构能将来自第一光源(4)的光以第一角分布(2)引导穿过显示面板(1)，将来自第二光源(5)的光以第二角分布(3)引导穿过显示面板(1)。

Description

显示设备和在其上显示数据的方法
技术领域
本发明涉及一种显示设备和在其上显示数据的方法，具体的涉及一种适于移动使用的显示设备。 
背景技术
在移动设备的屏幕上显示图像常用的方法是使用含有液晶显示器(LCD)的屏幕。在LCD彩色屏幕中，从光源发射实质上的白光，并穿过屏幕，就是说LCD是背后照明的。该屏幕包括像素阵列，每个像素进一步包括与三个彩色滤色器，红色、绿色和蓝色滤色器连接的三个电容器。通过仔细控制每个电容器的电压，在单个像素上能够产生特定的颜色，并且通过控制所有像素来产生屏幕图像。这种显示器一般产生2D图像。 
每个眼睛观看两个稍微不同的图像可产生3D视觉。这就是所谓的立体效果。欧洲专利申请1001300中显示了产生立体图像的一个方法。这里，与一个镜面系统一起设置两个光源。由一个光源发射的光导向右眼，由另一个光源发射的光导向左眼。控制装置在图像再现元件上交替显示右眼图像和左眼图像。仅当显示右眼图像时，控制装置才激励光源发射用于右眼的光，且仅当显示左眼图像时，控制装置才激励光源发射用于左眼的光。 
现有技术的这种显示设备和其它显示设备包括复杂的光学系统，体积大，不易弯曲，昂贵和/或难以实现。 
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有相对简单和便宜的光学系统的显示设备。 
在本发明的第一个方面中，通过这样一种显示设备来获得该目的，所述显示设备包括： 
显示面板； 
用于将光引导通过显示面板的光变向元件； 
用于将光导向光变向元件的光导； 
耦合到光导的第一光源，以在第一方向上将光耦合进光导；和 
耦合到光导的第二光源，以在第二方向上将光耦合进光导； 
其中光变向元件具有第一凹槽结构，光导具有第二凹槽结构，并且第一和第二凹槽结构以下述结构排列，该结构能将来自第一光源的光以第一角分布引导穿过显示面板，将来自第二光源的光以第二角分布引导穿过显示面板。 
本发明提供了一种适于产生方向图像的显示设备。该显示设备可以是柔性的，易于实现和/或具有小的体积。具体地说，本发明提供了一种具有集成光学系统的显示设备，其适于移动使用。 
该显示设备可以是液晶显示器(LCD)，并且优选是用于一个或几个相对于显示器具有或多或少公知位置的使用者的显示设备。该设备可以是膝上型电脑、桌上型PC、平坦屏幕设备、移动电话、个人数字助理(PDA)、手持组织器、全球定位(GPS)设备、手持游戏电脑等。 
第一和第二光源是背光源，即向显示面板后侧发射光的光源。如果显示面板是LCD面板或其它类型的透射型图像再现面板，则背光是必需的。 
显示设备进一步可包括用于交替第一和第二光源照明的装置，以及用于与交替第一和第二光源照明基本上同步地在显示面板上交替显示第一和第二图像的装置。显示设备能在第一和第二图像间如此快地切换，以致使用者没有察觉，就是说如此快使得使用者没有察觉由于第一和第二图像间的切换产生的任何闪烁。这就提供了一种显示设备，其上可以给使用者发送不同的图像，例如给使用者的左眼和右眼发送不同的图像。此外，这允许超过一个的使用者使用单个显示设备。 
显示设备可包括具有以相对结构排列的第一和第二凹槽结构的光学系统。因为附加的组件对于在两个凹槽结构之间传导光没有必要，所以这可以是排列第一和第二凹槽结构的稳健和灵活的方式。 
第一凹槽结构可以是具有基本上三角形横截面的棱镜结构，其中形成棱镜结构的三角形横截面的邻边的角可以在10°和70°之间，并且优选地为60°，或接近60°。60°的角可适于将光引导穿过显示面板。 
第二凹槽结构可以是具有基本上三角形横截面的棱镜结构，其中形成棱镜结构的三角形横截面的邻边的角可以在150°和179°之间，并且优选地为175°，或接近175°。175°的角可适于将光导向光变向元件。 
当显示设备保持在使用位置时，第一和第二凹槽结构在基本上垂 直指向一个轴的方向上延伸，所述轴在显示面板使用者的眼睛之间延伸。显示设备可以是手持设备，其使用位置通常很好确定。例如，移动电话通常如此保持，即从显示器延伸到键盘的轴基本上垂直于在使用者眼睛之间延伸的轴。如果使用位置不好确定，则使用者可重新定位和/或重新定向该设备，直到凹槽结构的方向在基本上垂直指向使用者眼睛之间延伸的轴的方向上延伸。如果该设备不是手持设备，举例来说，用于显示图像(如视频影片)的平坦屏幕，则该设备可包括用于改变其定向和位置的装置。 
如果显示面板是LCD面板，则第一和第二凹槽结构可在基本上垂直于LCD面板中行的方向上延伸。 
第一和第二光源可以产生第一和第二锥形光束。这些锥形光束可包含具有特定角分散的光，即锥形光束的特征在于第一和第二角分布。第一角分布可包含在显示面板正显示第一图像时穿过显示面板的光，第二角分布可包含在显示面板正显示第二图像时穿过显示面板的光。可以在主要包含来自第一光源的光的第一观看区域内发射具有第一角分布的光，并且可以在主要包含来自第二光源的光的第二观看区域内发射具有第二角分布的光。通过分离第一和第二观看区域以使它们不重叠，可分离地观看第一和第二图像。 
第一和第二图像是3D立体图像的第一和第二图像。这可以通过在具有第一角分布的锥形光束中发送第一图像并在具有第二角分布的锥形光束中发送第二图像来实现。这样，可以将第一图像发送到使用者的一个眼睛，并将第二图像发送到使用者的另一个眼睛。 
第一图像还可以专用于第一使用者，第二图像可以专用于第二使用者，由此至少第一和第二使用者可从单个显示设备观看不同的图像。这可以通过在具有第一角分布的锥形光束中发送第一图像并通过在具有第二角分布的锥形光束中发送第二图像来实现。这样，可将第一图像发送到第一使用者，并且将第二图像发送到第二使用者。如果第一和第二图像相同的话，则还可以给至少第一和第二使用者发送相同的图像。 
第一和第二光源可同时点亮，这样可在显示设备上显示2D图像，因为可以给使用者的两个眼睛发送相同的图像。 
显示设备可包括用于同时在点亮第一和第二光源之间切换的装 置，并且点亮第一和第二光源与在显示面板上显示第一和第二图像基本上同步。这样，可提供用于在显示面板上显示2D图像和3D立体图像之间切换的装置。切换装置可通过使用者或通过电子控制系统来操作。 
第一和第二光源可以是发光二极管(LED)或冷阴极荧光灯。 
依照本发明第二个方面，在显示设备上显示数据的方法包括下述步骤： 
将来自第一和第二光源的光耦合进光导，以便将来自第一光源的光在第一方向上耦合进光导，并将来自第二光源的光在第二方向上耦合进光导； 
通过具有第一凹槽结构的出耦合(out-coupling)表面将光从光导耦合出来，从而将耦合进光导的光向着光变向元件变向； 
通过具有第二凹槽结构的入耦合(in-coupling)表面将光耦合进光变向元件，从而进一步将耦合进光变向元件的光变向，以使来自第一光源的光以第一角分布引导穿过显示面板，并将来自第二光源的光以第二角分布引导穿过显示面板。 
显示面板的图像可在第一和第二图像之间切换。 
第一和第二光源可与在显示面板上显示第一和第二图像同步地顺序操作。 
本发明的这些和其它方面、特征和/或优点将参照之后描述的实施例来阐述，从而变得显而易见。 
附图说明
将仅通过参照附图的例子的方式描述本发明的实施例，其中： 
图1是该显示设备优选实施例的示意性横截面图； 
图2是光源以及第一和第二图像顺序的示意性表示； 
图3图解了锥形光束的角距要求的例子； 
图4图解了第一和第二棱镜结构的细节； 
图5图解了显示设备原型的角分布图表；和 
图6是从相同设备观看图像的两个使用者的示意图。 
具体实施方式
图1是依照本发明优选的实施例的显示设备的示意性横截面图。使用LCD显示器1作为显示面板。光2，3从光源4，5(例如冷阴极荧 光灯或发光二极管)发射。从第一光源4发射的光以第一角分布2(即第一锥形光束)引导穿过显示面板1，并且从第二光源5发射的光以第二角分布3(即第二锥形光束)引导穿过显示面板1。从光源4，5发射的光由光导6从光源引导，所述光导具备含有第二凹槽结构7的出耦合表面。从光导6耦合出的光被耦合进光变向元件8。光变向元件8具备含有第一凹槽结构9的入耦合表面。光导6和光变向元件8以相对的配置排列，由此光从光导耦合进光变向元件。然而，如果需要的话，光导6和光变向元件8还可以相对于彼此以其它的方式放置，例如以反射镜或附加光导的方式放置，从而使光从光导6导入光变向元件8。显示设备的使用者10可以这样定位，使得在第一锥形光束中发射的光入射到使用者的一个眼睛11上，而在第二锥形光束中发射的光入射到使用者的另一个眼睛12上。通过与在显示面板8上第一和第二图像的切换同步地操作光源，可将第一图像导向一个眼睛，例如左眼11，而将第二图像导向另一个眼睛，例如右眼12。可连续刷新图像，从而获得动态视图。 
图2中显示了光源以及第一和第二图像的顺序20。作为顺序中的第一个步骤，在显示面板上写入第一图像21。随后打开22第一光源或光源一(1s 1)给定的时间周期。然后在显示面板上写入第二图像23。随后打开24第二光源或光源二(1s 2)给定的时间周期。在使用显示设备时重复该顺序。因而，光就被时间连续地送进第一锥形光束和第二锥形光束。通过与显示设备结合的电子电路控制光源的切换以及显示面板上的图像。该电子电路可连接到或包括用于控制顺序同步性的计时器电路。 
锥形光束的角距要求依赖于观察距离。图3中表示了使用者30距显示设备31特定距离时的角度和距离。在眼睛距离为60mm和观察距离为200mm时，眼睛之间的角距为2Arctan(30/200)＝17°。在观察距离为300mm时，该角距减小到11.4°。从显示器的右手侧来看，观察距离为200mm时，右眼在-6°，左眼在-22°。从显示器的中心来看，右眼和左眼对称地在±8.5°。 
图4图解了两个棱镜结构40的细节。来自第一光源42的光44耦合进入光导46。光导具备含有第二凹槽结构的出耦合表面47。第二凹槽结构是具有基本上三角形横截面的棱镜结构。光导46的出耦合表面 47的棱镜结构相当平坦，其特征在于形成三角形横截面的相邻边构成了在150°和179°之间的角48，称作顶角。出耦合表面的目的是以基本上相反的传播锥形来引导来自第一光源42的光44和来自第二光源43的光45。获得锥形光束是有利的，在此阶段锥形光束以较小的提升角49相反传播，从而获得锥形44，45的最佳分离。 
光通过光变向元件400耦合进显示面板。光变向元件具有含有第一凹槽结构的入耦合表面。与第二凹槽结构相似，第一凹槽结构是具有基本上三角形横截面的棱镜结构。光变向元件400的棱镜结构比光导46的棱镜结构陡峭。光变向元件的棱镜结构的特征在于形成三角形横截面的相邻边构成了在10°和70°之间的角，称作顶角。光变向元件的目的是使光44，45改变方向，从而将光以合适的角度耦合进显示面板。 
控制光穿过显示面板的方向是控制沿光路的折射率以及光导出耦合表面和光变向元件402的入耦合表面的顶角48的问题。折射角是折射表面两侧上折射率的函数，类似地，作为折射角函数的透射系数也是折射率的函数。此外，通过使用下述材料可以调整折射角和透射系数，所述材料被表面处理，从而使得折射率是远离表面的位置的函数。因此，通过选择具有特定折射率和特定顶角的材料，可以将光以最佳的角距从发光源导向使用者。 
图5图解了显示设备原型的角分布图表50。发射光的强度显示为与图4中所示的两个棱镜结构47，401的横截面在相同平面内的角度的函数。在该原型中，光导的顶角选择为175°，而光变向元件的顶角选择为60°。在第一观察区域内发射第一角分布52且在第二观察区域内发射第二角分布51是很重要的，以使得存在至少一个区域55，在该区域中第一和第二角分布不重叠。所述分布在方向53和54或在由两个观察区域限制的区域55内不包含的任何方向上伸展就不那么重要了。然而，因为宽广的分布比狭窄的分布需要更多能量，所以由于能量的考虑，避免在方向53和54上伸展是有利的。 
锥形光束的角距是多个参数的函数，该多个参数包括光导和光变向元件的顶角和材料选取。光导和光变向元件优选由透明的或半透明的材料(例如玻璃)，或透明或半透明的塑料材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))制成。因此精确的设计依靠设备使用者的位置以及操作的模式。设象了两种操作模式。 
在本发明的优选实施例中，显示设备是能在显示设备上显示3D立体图像的类型的显示设备。这通过与在显示面板上显示左眼图像和右眼图像同步地将第一锥形光束导向使用者的左眼和将第二锥形光束导向使用者的右眼来实现。因而，在图2中，第一图像应该为左眼的图像，第二图像应该为右眼的图像。如果使用者与显示设备保持一定距离，从而使第一锥形光束入射到左眼上，第二锥形光束入射到右眼上，例如如图3中所示，如果使用者此时将显示设备以这种方式定向，即显示设备保持在使用的位置中，则使用者将能在显示设备的显示面板上看到3D立体图像。使用的位置是下述位置，即在该位置处，第一和第二凹槽结构在基本上垂直指向一个轴的方向上延伸，所述轴在显示面板使用者的眼睛之间延伸。 
不是显示设备上产生的所有图像都适于3D立体观看，例如由文本组成的图像，或者使用者不想以3D立体的模式观看图像。因此该显示设备可以包括用于在显示面板上显示3D立体图像和2D图像之间切换的装置。切换装置可以是使用者控制的，也可以是设备控制的。使用者可以按开关、按钮或类似物，或通过控制软件、操作系统或类似物来控制切换。 
在本发明另一个实施例中，显示设备是能为至少两个使用者显示2D图像的类型的显示设备。图像可以不同，从而使多个使用者可从单个显示设备观看不同的图像。可选择地，图像可以相同，从而多个使用者可使用单个显示设备。这在图6中示出。 
图6是两个使用者从相同设备观看图像的示意图。在该实施例中，调整显示设备60的凹槽结构从而使得将第一锥形光束61导向第一使用者63，而将第二锥形光束62导向第二使用者64。 
图6中所示的实施例能使超过一个的使用者共享一个显示设备，例如，与车辆连接的显示设备。车辆的优点是使用者的位置相对固定。显示设备例如可以装配在汽车的顶部，从而使后座乘客可以用这种方式观看影片。该显示设备可扩展为包括多个光源和凹槽结构，以使超过两个的使用者可使用单个显示设备。例如，汽车内的四个乘客可使 用单个显示设备。汽车的驾驶员可以观看具有地图的图像，如与GPS连接，而乘客可以观看影片。 
尽管已经结合优选的实施例描述了本发明，但并不意在限制在这里列出的具体形式。而是本发明的范围仅由所附的权利要求限定。 

Claims (13)

1.一种用于显示立体图像对的显示设备，包括：
显示面板(1)；
用于将光引导穿过显示面板(1)的光变向元件(8)；
用于将光导向光变向元件(8)的光导(6)；
耦合到光导(6)的第一光源(4)，以便在第一方向上将光耦合进光导(6)；和
耦合到光导(6)的第二光源(5)，以便在第二方向上将光耦合进光导(6)；
其中光变向元件(8)具有第一凹槽结构(9)，并且光导(8)具有第二凹槽结构(7)，第一和第二凹槽结构(9，7)以下述结构排列，该结构能将来自第一光源(4)的光引导穿过显示面板(1)并具有在第一观看区域中的第一角分布(2)，以及将来自第二光源(5)的光引导穿过显示面板(1)并具有在第二观看区域中的第二角分布(3)；其中所述第一角分布和第二角分布设置成存在至少一个第一和第二角分布不重叠的区域(55)；
所述显示设备进一步包括：
用于交替第一和第二光源(4，5)照明的装置；和
用于与交替第一和第二光源(4，5)的照明(22，24)同步地在显示面板上交替显示第一和第二图像(21，23)的装置，其中在主要包含来自第一光源(4)的光的第一观看区域内发射具有第一角分布(51)的光，并且在主要包含来自第二光源(5)的光的第二观看区域内发射具有第二角分布(52)的光。
2.如权利要求1中所述的显示设备，其中光变向元件(400)和光导(46)的第一和第二凹槽结构(401，47)以相对的结构排列。
3.如权利要求1中所述的显示设备，其中第一凹槽结构是具有三角形横截面的棱镜结构。
4.如权利要求3中所述的显示设备，其中形成第一凹槽结构(401)的棱镜结构的三角形横截面的邻边的角(402)在10°和70°之间。
5.如权利要求1中所述的显示设备，其中第二凹槽结构(47)是具有三角形横截面的棱镜结构。
6.如权利要求5中所述的显示设备，其中形成第二凹槽结构的棱镜结构的三角形横截面的邻边的角(48)在150°和179°之间。
7.如权利要求1中所述的显示设备，其中当显示设备保持在使用位置时，第一和第二凹槽结构(9，7)在垂直于一个轴的方向上延伸，当使用时，所述轴在显示面板使用者的眼睛(11，12)之间延伸。
8.如权利要求1中所述的显示设备，其中第一和第二图像是3D立体图像的第一和第二图像。
9.如权利要求1中所述的显示设备，其中显示设备包括用于在下述之间切换的装置：
与在显示面板上显示第一和第二图像同时点亮第一和第二光源，其中第一和第二图像是相同的；
与在显示面板上显示第一和第二图像同步地点亮第一和第二光源，其中第一和第二图像是立体视觉图像对的相应图像。
10.如权利要求1中所述的显示设备，其中第一和第二光源是发光二极管或冷阴极荧光灯。
11.如权利要求1中所述的显示设备，其中显示面板是液晶显示器面板。
12.如权利要求13中所述的显示设备，其中第一和第二凹槽结构在垂直于液晶显示器面板中行的方向上延伸。
13.一种在显示设备上显示立体图像数据的方法，所述方法包括下述步骤：
将来自第一和第二光源(4，5)的光耦合进光导(6)，以便将来自第一光源(4)的光在第一方向上耦合进光导(6)，并将来自第二光源(5)的光在第二方向上耦合进光导(6)；
通过具有第二凹槽结构(7)的出耦合表面将光从光导耦合出来，从而将耦合进光导的光向着光变向元件变向；
通过具有第一凹槽结构(9)的入耦合表面将光耦合进光变向元件(8)，从而进一步将耦合进光变向元件(8)的光变向，以使来自第一光源(4)的光引导穿过显示面板(1)并具有在第一观看区域中的第一角分布，以及将来自第二光源(5)的光引导穿过显示面板(1)并具有在第二观看区域中的第二角分布；其中所述第一角分布和第二角设置成存在至少一个第一和第二角分布不重叠的区域(55)，以及其中第一和第二光源(4，5)与在显示面板上显示第一和第二图像同步地交替点亮，其中在主要包含来自第一光源(4)的光的第一观看区域内发射具有第一角分布(51)的光，并且在主要包含来自第二光源(5)的光的第二观看区域内发射具有第二角分布(52)的光。
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