CN1908734A - 高分辨率自动立体显示器 - Google Patents

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Abstract

提供一种高分辨率自动立体显示器。该自动立体显示器包括：控制器；显示面板，从控制器接收图像信号并形成图像，所述显示面板包括像素以及像素之间的非活动区域；偏振器，使从显示面板发出的光具有第一偏振；偏振开关控制器；偏振开关，响应于偏振开关控制器的电控制，选择性地将具有第一偏振的光转换为具有第二偏振的光；选择控制器；第一光电双折射层，具有随选择控制器的电控制而改变方向的光轴，并且包括分离开预定间距的多个第一微粒透镜；和第二光电双折射层，具有随选择控制器的电控制而改变方向的光轴，并且包括多个第二微粒透镜，所述多个第二微粒透镜以与第一微粒透镜的间距相同的间距布置，并相对于第一微粒透镜偏移半个间距。

Description

高分辨率自动立体显示器
本申请要求于2005年8月4日在韩国知识产权局提交的第10-2005-0071484号韩国专利申请的利益，该申请公开于此以资参考。
                        技术领域
本发明涉及一种自动立体显示器，更具体地讲，涉及一种可在二维(2D)模式和三维(3D)模式之间进行转换而不降低分辨率的自动立体显示器，所述自动立体显示器可被制造为用于电视、计算机图形及其他应用的平板。
                        背景技术
通过平板显示器提供立体图像的一种有效方法是利用微粒透镜(lenticular lens)阵列的微粒透镜方法，所述微粒透镜阵列位于图像面板和观看者之间，用于将立体像对中的左眼图像的视域与右眼图像的视域分离开。在所述微粒透镜方法中，右眼图像和左眼图像分别被提供给观看者的右眼和左眼。通常，以这样的方式将立体像对的两个图像显示在一个图像面板上：一组列(例如，奇数列)显示左眼图像，而另一组列(例如，偶数列)显示右眼图像。由于左眼图像和右眼图像显示在一个面板上，因此每一图像的分辨率为面板的分辨率的一半。
近来，具有快速响应的液晶显示(LCD)面板的发展促进了通过利用帧顺序(frame-sequential)操作并连续交替地显示左眼图像和右眼图像来使立体图像的显示具有面板的完整分辨率。这里，左眼图像和右眼图像都是以显示面板的完整分辨率来显示的。为了顺序地显示帧，需要用于选择性地切换并显示左眼图像和右眼图像的单元。
图1示出在第5,457,574号美国专利中公开的现有自动立体显示器。该自动立体显示器包括：LCD面板11，形成图像；微粒透镜片12，将左眼图像的视域和右眼图像的视域分离开；第一光源13a和第二光源13b，连接到光源控制器14以被打开和关闭；图像信号控制器15，将图像信号发送到LCD面板11。
第一光源13a和第二光源13b与LCD面板11的帧产生速率同步地交替发光。从光源13a或13b发出的光被微粒透镜片12会聚到LCD面板11的垂直线(即，列)中。换言之，通过微粒透镜片12显示像素列。这一过程产生了两组光线，每一组光线通过微粒透镜片12被显示为像素列。当第一光源13a和第二光源13b交替地打开和关闭时，观看者的眼睛16a和16b的每一个交替地通过奇数列和偶数列看到图像。一只眼睛(16a或16b)首先看到LCD面板11的奇数列后面作为背光的光线，然后看到偶数列后面的光线，而另一只眼睛首先通过偶数列后面的光线看到图像，然后通过奇数列后面的光线看到图像。图像信号控制器15快速改变显示在奇数列和偶数列上的左眼图像和右眼图像，并为光源控制器14产生同步信号以使光源13a和13b的切换同步。结果，观看者看到全部LCD像素以及具有LCD面板11的完整分辨率的图像。
上述现有技术基于方向性背光(directional backlight)，方向性背光一般很厚并且比用于LCD的传统的漫射背光制造起来更复杂。方向性背光包括至少两个单独的光源或者具有图阵列(diagram array)的单个光源，所述图阵列可被切换以便光源的有效水平位置可以与图形数据的提供同步地移位。由于视域的位置由光源的位置决定，所以观看者的每一只眼睛可交替地感知到通过不同组的像素显示的图像，从而观看者可看到完整分辨率的图像。然而，基于方向性背光的现有技术的缺点在于制造复杂且尺寸较大。
                        发明内容
本发明的一方面提供一种薄的自动立体显示器，该自动立体显示器显示具有完整分辨率的立体图像并允许二维模式和三维模式之间的转换。
根据本发明的一方面，提供一种自动立体显示器，包括：控制器；显示面板，从控制器接收图像信号并形成图像，所述显示面板包括像素以及像素之间的非活动区域；偏振器，使从显示面板发出的光具有第一偏振；偏振开关控制器；偏振开关，响应于偏振开关控制器的电控制，选择性地将具有第一偏振的光转换为具有第二偏振的光；2D-3D模式选择控制器；第一光电双折射层，其光学双折射特性以光轴(以下，称为晶体光轴)的方向为特征，所述晶体光轴的方向随2D-3D模式选择控制器的电控制而改变，所述第一光电双折射层包括分离开预定间距的多个第一微粒透镜；和第二光电双折射层，其双折射特性随2D-3D模式选择控制器的电控制而改变，第二光电双折射层包括多个第二微粒透镜，所述多个第二微粒透镜以与第一微粒透镜的间距相同的间距布置，并相对于第一微粒透镜偏移半个间距。
所述自动立体显示器还可包括：用于相对于作为正常光线偏振的光补偿第一光电双折射层和第二光电双折射层的光焦度(optical power)的光学层(以下，称为分离器)，其位于第一光电双折射层和第二光电双折射层之间。所述分离器材料的折射率等于第一光电双折射层和第二光电双折射层的正常光线的折射率(no)。
第一光电双折射层和第二光电双折射层可具有正的折射光焦度或负的折射光焦度。所述分离器的轮廓可与第一光电双折射层和第二光电双折射层的轮廓对应。所述分离器可包括平面玻璃基底以及所述平面玻璃基底两侧的子分离器。所述子分离器可具有凸的轮廓或凹的轮廓。所述控制器可向偏振开关控制器发送同步信号。所述第一微粒透镜和第二微粒透镜的间距可等于或小于显示面板的像素之间的水平间距。
所述第一微粒透镜和第二微粒透镜的间距可满足下面的等式：
P L = P 0 1 + ( T L ) ,
其中，PL是第一微粒透镜和第二微粒透镜的间距，P0是显示面板的像素之间的水平间距，T是从所述像素到第一微粒透镜的顶点的光学距离，L是观看距离。
根据2D-3D模式选择控制器的电压控制，所述第一光电双折射层相对于具有第一偏振的光可具有对应于正常光线的折射率(no)，而相对于具有第二偏振的光可具有对应于异常光线的折射率(ne)，所述第二光电双折射层相对于具有第一偏振的光可具有对应于异常光线的折射率(ne)，而相对于具有第二偏振的光可具有对应于正常光线的折射率(no)。
根据2D-3D模式选择控制器的电压控制，无论光的偏振方向如何，所述第一光电双折射层和第二光电双折射层可相对于光都具有对应于正常光线的折射率(no)，以便以二维模式显示图像。
                        附图说明
通过参照附图详细描述本发明示例性实施例，本发明的上述和其他特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是第5,457,574号美国专利中公开的现有自动立体显示器的俯视图；
图2是示出根据本发明示例性实施例的自动立体显示器的俯视图；
图3A示出图2中所示的自动立体显示器中所包括的第一光电双折射层的操作；
图3B示出图2中所示的自动立体显示器中所包括的第二光电双折射层的操作；
图4A和图4B示出根据光的偏振方向的图2中所示的自动立体显示器的操作；
图5示出在二维模式下图2中所示的自动立体显示器的操作；
图6A至图6D示出根据本发明示例性实施例的自动立体显示器中使用的光电单元；
图7示出使用图6C中所示的光电单元的自动立体显示器。
                        具体实施方式
参照图2，根据本发明示例性实施例的自动立体显示器包括：显示面板121；偏振器124，使从显示面板121发出的光沿一个方向偏振；偏振开关125，切换偏振光的偏振；光电双折射单元100，具有根据入射光的偏振而变化的折射特性。
显示面板121对光进行电调制以形成图像，显示面板121可以被实施为需要安装偏振器124的等离子体显示面板(PDP)、有机发光显示(OLED)面板、场致发射显示面板(FED)以及其传统结构已经包括偏振器124作为输出偏振器的液晶显示器(LCD)或铁电LCD(FELCD)。显示面板121包括以行和列布置的像素122以及布置在像素122之间的非活动区域(inactivearea)123。非活动区域123阻挡入射光，并且可以是例如TFT LCD面板中的黑矩阵(black matrix)。控制器131将驱动电压施加到显示面板121。
偏振器124使从显示面板发出的光沿第一偏振方向偏振。偏振开关125保持光的第一偏振方向或者将其转换为光的第二偏振方向。通过偏振开关控制器130来打开或关闭偏振开关125。
光电双折射单元100包括：第一光电双折射层126和第二光电双折射层127，彼此面对地布置；以及分离器128，布置在第一光电双折射层126和第二光电双折射层127之间。第一光电双折射层126和第二光电双折射层127被制成与微粒透镜板(lenticular plate)相似的形状。换言之，第一光电双折射层126形成为多个第一微粒透镜126a按直线布置，第二光电双折射层127形成为多个第二微粒透镜127a按直线布置。第一微粒透镜126a和第二微粒透镜127a并排地垂直(即，沿B方向)布置在自动立体显示器中。相邻微粒透镜的中心之间的间距(pitch)为PL，第一微粒透镜126a和第二微粒透镜127a具有相同的间距和相同的形状。第一光电双折射层126和第二光电双折射层127彼此平行，并且相对于彼此水平(即，沿A方向)偏移半个间距(1/2PL)。换言之，第二微粒透镜127a相对于第一微粒透镜126a偏移了1/2PL。
第一光电双折射层126中的第一微粒透镜126a的数量以及第二光电双折射层127中的第二微粒透镜127a的数量可以大于或等于显示面板121的行(即，水平线)中的像素数量。在水平方向上，微粒透镜间距PL略小于像素122的间距。具体地讲，可以满足下面的等式来设计所述自动立体显示器：
P L = P 0 1 + ( T L ) ,
其中，P0是显示面板121的水平像素间距，T是从像素122到第一微粒透镜126a的光学距离，L是观看距离。
第一光电双折射层126和第二光电双折射层127选择性地具有双折射和光电特性，可以实施为被限制在两个带有透明电极的透明基底之间并被分离器分离开的两个液晶层。本示例性实施例的特性在于：仅对于沿垂直于画面平面的方向偏振的光，即对于沿第一方向偏振的光，第一光电双折射层126的折射率才大于分离器的折射率。此外，在没有施加到光电双折射层的外部电场的情况下，第一光电双折射层对于平行于画面平面偏振的光不具有光焦度(optical power)。第二光电双折射层127仅对沿平行于画面平面的方向(即，第二偏振方向)偏振的光具有光焦度，而对沿第一方向偏振的光不具有光焦度。如果第一光电双折射层126的晶体光轴与第二光电双折射层127的晶体光轴垂直，则可以获得上述特性。当应用于液晶时，这对应于液晶层126相对于液晶层127中的指向矢(director)的垂直取向(orientation)。通过液晶透镜126和127中的配向(alignment)层的不同取向可提供所述指向矢的垂直取向。通过2D-3D模式选择控制器129来控制第一光电双折射层126和第二光电双折射层127的光电特性。可选地，第一光电双折射层126和第二光电双折射层127的晶体光轴可沿正常方向具有相同的取向，或者光学双折射甚至消失。在这种情况下，偏振开关125的偏振方向控制以及第一光电双折射层126和第二光电双折射层127的光电转换控制与晶体光轴彼此垂直的情况下的控制不同。
垂直于第一光电双折射层126或第二光电双折射层127的晶体光轴偏振的正常光束根据正常折射率(no)无折射地透射通过第一光电双折射层126或第二光电双折射层127，而平行于第一光电双折射层126或第二光电双折射层127的晶体光轴偏振的异常光束根据异常折射率(ne)被折射。第一光电双折射层126和第二光电双折射层127由2D-3D模式选择控制器129控制，以交替地改变晶体光轴的方向。分离器128的折射率等于正常折射率(no)。
将参照图3A和图3B描述根据本发明示例性实施例的显示面板的作用。图3A示出当t＝t1时，例如当左眼图像被左眼LE感知到时通过第一光电双折射层126形成视域。图3B示出当t＝t2时，例如当右眼图像被右眼RE感知到时通过第二光电双折射层127形成视域。
控制器131将用于左眼的第一帧图像的图像信号输入到显示面板121，显示面板121为左眼形成第一帧图像。控制器131以高速率发送图形数据。为了防止在帧速率(frame rate)为60Hz时可能感觉到的图像跳动，显示面板的帧速率可以是传统帧速率的至少两倍，例如120Hz。换言之，显示左眼图像和右眼图像二者的完整周期(例如，1/60s)足够使观看者无跳动感地感知到具有完整分辨率的立体图像。此外，控制器131向偏振开关控制器130发送同步脉冲以便偏振开关125与图像信号的发送同步地进行切换。
偏振器124使左眼的第一帧图像的光沿例如第一方向偏振。偏振开关控制器130关闭偏振开关125以便沿第一方向偏振的光不改变偏振地入射到光电双折射单元100上。
当如图3A中所示，左眼图像被显示并且偏振开关125不改变偏振光的偏振方向时，沿第一方向偏振的光线相对于第一光电双折射层126是异常光线。这里，第二光电双折射层127的晶体光轴与第一光电双折射层126的晶体光轴垂直，因此，沿第一方向偏振的光相对于第二光电双折射层127是正常光束。
同时，由于双折射光电层相对于作为正常光线偏振的光的折射率等于分离器128的折射率，因此第二光电双折射层127中的第二微粒透镜127a不影响光。结果，第二光电双折射层127起到透明平板的作用。因此，为了简化描述，图3A中没有示出第二光电双折射层127。第一光电双折射层126的操作在1/120秒内执行。
接下来，偏振器124使右眼的第二帧图像的光沿例如第一方向偏振(第一偏振)。偏振开关控制器130打开偏振开关125以便具有第一偏振的光被转换为具有第二偏振的光，并且具有第二偏振的光入射到光电双折射单元100上。这里，具有第二偏振的光线相对于第一光电双折射层126是正常光线，而相对于第二光电双折射层127是异常光线。由于正常折射率(no)等于分离器128的折射率，所以第一光电双折射层126中的第一微粒透镜126a不具有光焦度。结果，第一光电双折射层126起到透明平板的作用，而第二光电双折射层127起到微粒透镜板的作用。因此，为了简化描述，图3B中没有示出第一光电双折射层126。
如上所述，第一光电双折射层126和第二光电双折射层127相对于第一偏振光和第二偏振光交替地显示出微粒透镜阵列的特性，从而形成移位的视域。由于第一光电双折射层126和第二光电双折射层127偏移半个间距，所以产生选择性地移位的视域。通过第一微粒透镜(图3A中)或第二微粒透镜(图3B中)产生第一视域135和第二视域136。相应于第一光电双折射层126和第二光电双折射层127的互相移位，图3A和图3B中的视域136和135相对于观看者的眼睛的横向位置也互相移位。从显示面板121的像素122和非活动区域123发出并透射通过第一微粒透镜126a或第二微粒透镜127a的顶点的每一光形成第一视域135和第二视域136。位于第一视域135的一只眼睛仅看到显示面板121的像素122，位于第二视场136的一只眼睛仅看到非活动区域123，即显示面板121的黑矩阵。
例如，如图3A中所示，由于第一光电双折射层126的作用，位于第一视域135的左眼LE接收到来自显示面板121的所有像素122的光，而位于第二视域136的右眼RE仅看到显示面板121的黑矩阵。随后，如图3B中所示，由于第二光电双折射层127的作用，位于第一视域135的右眼RE接收到来自显示面板121的所有像素122的光，而位于第二视域136的左眼LE仅看到显示面板121的黑矩阵。控制器131发送用于立体像对的右眼图像的第二帧的图像信号，同时向偏振开关控制器130发送同步信号以驱动偏振开关125。2D-3D模式选择控制器129改变或者不改变第一光电双折射层126和第二光电双折射层127的晶体光轴。第二光电双折射层127的工作原理与第一光电双折射层126的相似。然而，由于第二微粒透镜127a相对于第一微粒透镜126a偏移半个间距，因此第一视域135和第二视域136移位从而左眼LE看到黑矩阵而右眼RE看到像素122。
图4A对应于图3A，示出光的第一偏振方向、形成为像素122的图像的左眼视域、由非活动区域123(例如LCD面板的黑矩阵)形成的右眼视域。参照图4A，第一光电双折射层126选择性地允许左眼LE看到由实线表示的由像素122形成的图像，允许右眼RE看到由虚线表示的黑矩阵。
参照对应于图3B的图4B，第二光电双折射层127选择性地允许右眼RE看到由实线表示的由像素122形成的图像，允许左眼LE看到由虚线表示的黑矩阵。
图5示出在二维(2D)模式下图2中所示的自动立体显示器的操作。
当第一光电双折射层126和第二光电双折射层127由折射率响应于电压控制变化的光电材料制成时，可实现该自动立体显示器中的2D-3D模式转换。液晶可以被用作所述光电材料。当选择控制器129将控制电压施加到第一光电双折射层126和第二光电双折射层127时，晶体光轴的方向改变。如果液晶被用作光电材料，则当电压施加到第一光电双折射层126和第二光电双折射层127时，液晶分子的方向改变，并且相对于入射到双折射层上的沿任何方向偏振的光，第一光电双折射层126和第二光电双折射层127的折射率变为正常折射率，从而变得与分离器128的折射率相同。结果，第一光电双折射层126和第二光电双折射层127不具有光焦度，而起到透明光学板的作用，从而以完整分辨率显示2D图像。
在不需要2D-3D切换的情况下，第一光电双折射层126和第二光电双折射层127可由具有较高双折射能力的塑料或晶体材料制成，或者由具有正的或负的双折射率的液晶聚合物制成。
图6A至图6D示出根据本发明示例性实施例的用于提供光电切换的光电双折射单元的结构。参照图6A至图6D，光电双折射单元可以是如图6A和图6B所示的正类型或者如图6C和图6D中所示的负类型，在正类型中，第一光电双折射层126和第二光电双折射层127具有凸的轮廓，在负类型中，第一光电双折射层126和第二光电双折射层127具有凹的轮廓。正类型的材料制成的光电双折射层的轮廓使其具有正的折射光焦度(refractive power)，而负类型的材料制成的光电双折射层的轮廓使其具有负的折射光焦度。如图6A中所示，光电双折射单元100可以具有均匀分离器128，用于分离由各向同性透明材料制成的两个液晶层。可选地，如图6B中所示，光电双折射单元100’可具有混合分离器128’，混合分离器128’包括平面玻璃基底141’和形成在平面玻璃基底141’两侧的子分离器142’。
如图6C所示的具有负的双折射能力的光电双折射单元100”具有均匀分离器128”以及形成在分离器128”两侧的具有负的双折射能力的第一层126”和第二层127”。参照图6D，具有负的双折射能力的光电双折射单元100是包括平面玻璃基底141以及形成在平面玻璃基底141两侧的子分离器142的混合单元。
可对根据本发明示例性实施例的光电双折射单元的结构进行各种修改。图2中所示的自动立体显示器包括具有均匀分离器的正双折射单元。图7示出包括图6C中所示的负双折射光电单元100”的自动立体显示器。当具有负的双折射能力的液晶材料用作光电双折射层时，分离器128”用作正微粒透镜。
本发明提供一种自动立体显示器，该自动立体显示器提供具有显示面板的完整分辨率的3D图像，并且允许2D-3D图像转换。可以使用用于电视、计算机图形及其他应用的诸如TN LCD或FELCD面板的具有快速响应和高透射率的平板来实现根据本发明的显示器。此外，本发明使用相对于彼此偏移半个间距的一对光电双折射层，从而提供了具有完整分辨率的立体图像并有利于2D-3D转换。此外，本发明具有简单的结构，从而利于制造，并且总体厚度较小。
尽管已参照本发明的示例性实施例显示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可在其中进行各种形式和细节上的改变。

Claims (18)

1、一种自动立体显示器，包括：
显示面板，从控制器接收图像信号并形成图像，所述显示面板包括像素以及位于像素之间的非活动区域；
偏振器，使从显示面板发出的光具有第一偏振；
偏振开关，响应于偏振开关控制器的电控制，选择性地将具有第一偏振的光转换为具有第二偏振的光；
2D-3D选择控制器；
第一光电双折射层，具有随所述选择控制器的电控制而改变的晶体光轴，并且包括分离开预定间距的多个第一微粒透镜；和
第二光电双折射层，具有随所述选择控制器的电控制而改变的晶体光轴，并且包括多个第二微粒透镜，所述多个第二微粒透镜以与第一微粒透镜的间距相同的间距布置，并相对于第一微粒透镜偏移半个间距。
2、如权利要求1所述的自动立体显示器，还包括：分离器，位于第一光电双折射层和第二光电双折射层之间，所述分离器的折射率等于第一光电双折射层和第二光电双折射层的正常光线的折射率。
3、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，第一光电双折射层和第二光电双折射层具有正的折射光焦度，或者具有负的折射光焦度。
4、如权利要求2所述的自动立体显示器，其中，所述分离器的轮廓与第一光电双折射层和第二光电双折射层的轮廓对应。
5、如权利要求2所述的自动立体显示器，其中，所述分离器包括平面玻璃基底以及位于所述平面玻璃基底两侧的子分离器。
6、如权利要求5所述的自动立体显示器，其中，所述子分离器具有凸的轮廓。
7、如权利要求5所述的自动立体显示器，其中，所述子分离器具有凹的轮廓。
8、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，所述控制器向所述偏振开关控制器发送同步信号。
9、如权利要求2所述的自动立体显示器，其中，所述第一微粒透镜和第二微粒透镜的间距等于或小于显示面板的像素之间的水平间距。
10、如权利要求9所述的自动立体显示器，其中，所述第一微粒透镜和第二微粒透镜的间距满足下面的等式：
P L = P 0 1 + ( T L ) ,
其中，PL是第一微粒透镜和第二微粒透镜的间距，P0是显示面板的像素之间的水平间距，T是从所述像素到第一微粒透镜的顶点的光学距离，L是观看距离。
11、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，所述第一微粒透镜的数量和第二微粒透镜的数量都等于或大于显示面板的行中的像素数量。
12、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，根据2D-3D选择控制器的电压控制，所述第一光电双折射层相对于具有第一偏振的光具有正常折射率，而相对于具有第二偏振的光具有异常折射率，所述第二光电双折射层相对于具有第一偏振的光具有异常折射率，而相对于具有第二偏振的光具有正常折射率。
13、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，根据所述选择控制器的电压控制，所述第一光电双折射层和第二光电双折射层相对于入射光具有正常折射率以便以二维模式显示图像。
14、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，所述第一光电双折射层和第二光电双折射层包括液晶。
15、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，所述第一光电双折射层的晶体光轴垂直于第二光电双折射层的晶体光轴。
16、如权利要求1所述的自动立体显示器，其中，所述第一光电双折射层的晶体光轴平行于第二光电双折射层的晶体光轴。
17、一种自动立体显示器，包括：
第一光电双折射层，具有通过选择控制器而改变的晶体光轴，并且包括分离开预定间距的多个第一微粒透镜；和
第二光电双折射层，具有通过所述选择控制器而改变的晶体光轴，并且包括多个第二微粒透镜，所述多个第二微粒透镜以与第一微粒透镜的间距相同的间距布置，并相对于第一微粒透镜偏移半个间距。
18、如权利要求17所述的自动立体显示器，还包括：
显示面板，用于形成图像；
偏振器，使从显示面板发出的光具有第一偏振；
偏振开关，选择性地将具有第一偏振的光转换为具有第二偏振的光。
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