DE69528145T2

DE69528145T2 - Autostereoskopische Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69528145T2
Application number: DE69528145T
Authority: DE
Inventors: David Ezra; Jonathan Harrold; Basil Omar; Edward Peter Raynes; Graham John Woodgate
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2015-12-19
Also published as: EP0721132B1; EP0721132A2; US5917562A; JPH08240790A; EP0721132A3; DE69528145D1

Description

Die Erfindung betrifft ein autostereoskopisches Display.
Es wurde eine Anzahl von Anzeigevorrichtungen offenbart, die dazu in der Lage sind, eine stereoskopische Anzeige auszuführen, wobei jedoch ein Betrachter eine Sehhilfe tragen muss, üblicherweise in Form einer Brille. Bei einer Anwendung (J. Opt. Soc. Am. 30: 230, 1940) trägt der Betrachter eine Brille mit Polarisationslinsen, wobei die Polarisationsachsen der Linsen einander schneiden. Wenn ein geeignet codiertes 3D-Bild mit polarisierten Bereichen unter Verwendung der Brille betrachtet wird, sind die von einem der Augen des Betrachters gesehenen Bilder von denen verschieden, die vom anderen Auge gesehen werden.
In Advanced Imaging, Mai 1992, Seiten 18 bis 22, ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der zwei Hälften eines stereografischen Bilds unter Verwendung eines Flüssigkristalldisplays, das hinter einer Parallaxesperre positioniert ist, die aus undurchsichtigen Bereichen gekreuzter Mikropolarisatoren und dazwischenliegenden transparenten Bereichen steht, verschachtelt und angezeigt werden. Die Schrittweiten der verschachtelten Bilder und der Sperre sind dergestalt, dass erste Betrachtungspositionen definiert werden, an denen eine erste der Hälften erkennbar ist, und zweite Betrachtungspositionen, an denen die andere Hälfte erkennbar ist. Wenn ein Betrachter so positioniert wird, dass sich eines seiner Augen an einer der ersten Betrachtungspositionen befindet und sein anderes Auge sich an einer der zweiten Betrachtungspositionen befindet, kann das stereografische Bild betrachtet werden. Die Funktion der Mikropolarisatoren besteht darin, eine Parallaxesperre zu erzeugen, wobei die Polarisation des hindurchgestrahlten Lichts im Wesentlichen unverändert bleibt.
EP 0 541 374 offenbart ein stereoskopisches 3D-Display vom Zeitmultiplextyp, bei dem eine Lichtquelle eine Flüssigkristallvorrichtung beleuchtet, die abwechselnd Bilder für das linke und das rechte Auge anzeigt. Ein Modulator moduliert das durch die Flüssigkristallvorrichtung reflektierte Licht in solcher Weise, dass die Bilder für das linke Auge transportierendes Licht in einer Richtung polarisiert wird und das die Bilder für das rechte Auge transportierende Licht in der dazu rechtwinkligen Richtung polarisiert wird. Das Licht vom Modulator wird auf einen Schirm projiziert, der durch eine Sehhilfe in Form einer Brille mit orthogonal polarisierten Filtern zu betrachten ist, damit ein Betrachter das 3D-Bild wahrnimmt.
US 5 264 964 offenbart ein SD-System, bei dem einem räumlich gemultiplexten Bild ein im Pixel unterteilter Mikropolarisator zugeordnet ist. Das Bild kann stereografisch durch eine Polarisations-Analysatorbrille betrachtet werden. Alternativ kann eine Parallaxesperre, die z. B. aus weiteren Mikropolarisatoren besteht, dazu verwendet werden, autostereoskopische Betrachtung zu ermöglichen.
WO 85/02914 offenbart ein Flüssigkristalldisplay (LCD) unter Verwendung von Polymersubstraten mit einem zwischen dem Flüssigkristall und jedem Substrat liegenden Polarisator, so dass die optische Anisotropie des Polymersubstrats den Betrieb des LCD nicht beeinflusst.
GB 2 155 193 offenbart ein LCD mit Substraten, die dadurch hergestellt wurden, dass ein Polarisator zwischen Schichten eines gereckten Polyesters laminiert wurde. Die Substrate sind so angeordnet, dass die Reckrichtungen des Polyesters parallel zueinander verlaufen, um zu verhindern, dass eine Verformung die Elektrodenausrichtung beeinflusst.
Der hier verwendete Begriff "Modus" betrifft das Ausmaß der Schwächung von Licht durch ein Flüssigkristallelement beim Fehlen eines eine den Flüssigkristall angelegten Felds. Es existieren zwei derartige Modi, nämlich ein Modus mit im Normalzustand weiß, bei dem beim Fehlen eines angelegten Felds geringe Abschwächung besteht, und ein Modus mit im Normalzustand schwarz, bei dem beim Fehlen eines angelegten Felds hohe Abschwächung besteht.
Gemäß der Erfindung ist ein Display geschaffen, wie es im beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen 2 bis 19 definiert.
So ist es möglich, ein autostereoskopisches Display zu schaffen, bei dem ein Rasterlinsenschirm nicht mit hoher Toleranz mit den Pixeln eines Raumlichtmodulators ausgerichtet werden muss. Demgemäß sind die Kosten für optische Komponenten verringert. Ferner ist es möglich, eine Hintergrundbeleuchtung körperlich vom Raumlichtmodulator zu trennen. So ist es einfacher, einen Betrachter-Nachfahrvorgang zu realisieren.
Bei Anordnungen, bei denen Rasterlinsenschirme und optische Komponenten wie Fresnellinsen vorhanden sind, sind die Schrittweiten derartiger Komponenten nicht durch die Schrittweite des Raumlichtmodulators bestimmt. Demgemäß können die Schrittweiten so gewählt werden, dass die Funktion eines mechanischen Lenksystems für einen Betrachter-Nachfahrvorgang optimiert werden kann.
Es ist auch möglich, ein Flachtafeldisplay zu schaffen, das 20-Bilder mit voller Auflösung anzeigen kann. Derartige Displays können für stereoskopischen Übersichtsbetrieb mit polarisierender Brille und für autostereoskopischen Betrieb, unter Verwendung einer derartigen Brille mit niedrigem Übersprechen verwendet werden. Einem Betrachter kann durch Steuern der Lichtquelle nachgefahren werden, und es sind mehrere Betrachter möglich.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft weiter beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen eines autostereoskopischen Displays, das eine erste Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 2 ist eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht eines Displays, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 2a ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Displays der Fig. 2;
Fig. 2b ist eine der Fig. 2a ähnliche Ansicht einer Modifizierung;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines Displays, das eine dritte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht eines Displays, das eine vierte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 5 ist eine schematische Draufsicht eines Displays, das eine fünfte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht eines Displays, das eine sechste Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 7 bis 22 sind schematische Schnittansichten zweier benachbarter Pixels von SLMs, die bei den Displays der Fig. 1 bis 6 verwendbar sind;
Fig. 23 ist eine andere schematische Ansicht des SLM der Fig. 8;
Fig. 24 ist eine Ansicht zum Veranschaulichen einer programmierbaren Lichtquelle, die zur Verwendung bei der Anzeigevorrichtung der Fig. 1 geeignet ist;
Fig. 25 veranschaulicht schematisch ein bekanntes stereoskopisches Display;
Fig. 26 ist ein schematischer Vertikalschnitt des Displays der Fig. 1 zum Veranschaulichen korrekter Betrachtung;
Fig. 27 ist ein schematischer Vertikalschnitt des Displays der Fig. 1 zum Veranschaulichen von Vorteilen dieses Displays; und
Fig. 28 ist eine schematische Schnittansicht zweier benachbarter Pixel eines bekannten Raumlichtmodulators (SLM).
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Zeichnungen gleiche Teile.
Die in der Fig. 1 dargestellte Anzeigevorrichtung verfügt über ein Beleuchtungssystem in Form eines Paars von Lichtquellen 1, 2, die so angeordnet sind, dass sie ebenes polarisiertes Licht emittieren, wobei die Polarisationsachse des von einer der Quellen 1 emittierten Lichts rechtwinklig zur Polarisationsachse des von der anderen Quelle 2 emittierten Lichts verläuft. Das emittierte Licht fällt auf ein optisches System mit einer Linse 3, die so angeordnet ist, dass sie das Licht so abbildet, dass in einer ersten Betrachtungszone 6a ein Bild der ersten Lichtquelle 1 erzeugt wird und in einer zweiten Betrachtungszone 6b, die von der ersten Betrachtungszone beabstandet ist, ein Bild der zweiten Lichtquelle 2 erzeugt wird. Die Linse 3 ist vom Typ, der die Polarisation des auf sie fallenden Lichts nicht beeinflusst.
Das durch die Linse 3 hindurchgestrahlte Licht fällt auf einen Raumlichtmo dulator (SLM) 4, in Form einer Flüssigkristallvorrichtung mit einer Anzahl von Flüssigkristall-Bildelementen, von denen jedes so ausgebildet ist, dass es die Lichtintensität moduliert, wobei eine Steuerschaltung 7 so angeordnet ist, dass sie den SLM 4 steuert, um die gewünschte Anzeige zu erzeugen.
Der SLM verfügt ferner über ein Array von Polarisations-Einstelleinrichtungen 5, von denen jede einem jeweiligen Bildelement des SLM 4 benachbart und mit diesem ausgerichtet ist. Die Polarisations-Einstelleinrichtungen sind von zwei Typen, nämlich einem Typ 5a, der für Licht mit der Polarisation der ersten Lichtquelle 1 im Wesentlichen transparent und für Licht von der zweiten Lichtquelle 2 im Wesentlichen undurchlässig ist, und einem anderen Typ 5b, der für Licht von der zweiten Lichtquelle 2 im Wesentlichen transparent ist, aber für Licht von der ersten Lichtquelle 1 im Wesentlichen undurchlässig ist. Dieser Effekt wird beim in der Fig. 8 dargestellten SLM dadurch erzielt, dass eine erste Schicht von Polarisationselementen so ausgebildet wird, dass die Polarisationsachsen der Polarisationselemente des ersten Typs 5a parallel zur Polarisationsachse der ersten Lichtquelle 1 verlaufen und die Polarisationsachsen der Polarisationselemente vom zweiten Typ 5b parallel zur Polarisationsachse der zweiten Lichtquelle 2 verlaufen. Da die Polarisationsachsen der Lichtquellen 1, 2 rechtwinklig zueinander verlaufen, gilt dies auch für die Polarisationsachsen der Polariscitionselemente vom ersten und zweiten Typ 5a, 5b. Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die Polarisationselemente auf schachbrettweise angeordnet, jedoch könnten sie alternativ mit anderen Mustern angeordnet sein, wie als vertikale oder horizontale Streifen mit abwechselnder Polarisation.
Im Gebrauch ist die Steuerschaltung 7 so ausgebildet, dass die Bildelemente, die zu den Polarisationselementen des ersten Typs 5a benachbart sind, ein stereoskopisches Bild eines Paars stereoskopischer Bilder anzeigen, das in der ersten Betrachtungszone 6a erkennbar ist, und das andere Bild des Paars stereoskopischer Bilder durch die Bildelemente des zweiten Typs 5b angezeigt wird und in der zweiten Betrachtungszone 6b erkennbar ist. Durch Positionieren eines Auges in der ersten Betrachtungszone 6a und des anderen Auges in der zweiten Betrachtungszone 6b erkennt der Betrachter das vollständige stereoskopische Bild, ohne dass er eine Sehhilfe tragen müsste.
Wenn die Lichtquellen 1, 2 in Bezug auf die Linse 3 bewegt werden, bewegen sich auch die Orte der Betrachtungspositionen. Daher ist es durch Verstellen der Lichtquellen 1, 2 möglich, eine Anzeigevorrichtung zu schaffen, bei der ein sich bewegender Betrachter dauernd das stereoskopische Bild sieht, wobei die Lichtquellen 1, 2 so ausgebildet sind, dass sie sich so bewegen, dass die Betrachtungszonen 6a, 6b dem Betrachter folgen. Der Inhalt des Bilds kann auch bei einer Erfassung der Bewegung des Betrachters eingestellt werden, um für die Möglichkeit eines Umherschauens im Bild zu sorgen.
Alternativ oder zusätzlich zu einer derartigen relativen Querbewegung können sich die Lichtquellen 1, 2 und die Linse 3 um eine vertikale Achse zueinander drehen, um für einen Betrachter-Nachfahrvorgang zu sorgen oder diesen zu unterstützen. Wenn ein derartiges Nachfahren alleine durch Drehung bewerkstelligt wird, kann ein Betrachter am Ort der Achse der Linse 3 oder in in dessen Nähe verbleiben, um Beeinträchtigungen durch Aberration in der Funktion der Linse bei Achsversatz zu vermeiden.
Die in der Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Fig. 1 dargestellten dadurch, dass die Lichtquellen 1, 2 und die Linse 3 durch ein Beleuchtungssystem ersetzt sind, das eine einzelne ausgedehnte Lichtquelle oder "Hintergrundbeleuchtung" 9 und eine Polarisationstafel 10 mit darauf vorhandenen abwechselnden ersten und zweiten Polarisationsstreifen 10a, 10b sowie ein optisches System mit einem Rasterlinsenschirm 11 aufweist. Die ersten und die zweiten Streifen 10a und 10b verfügen über rechtwinklige Polarisationen, wie es in der Fig. 2a dargestellt ist.
Der Rasterlinsenschirm 11 verfügt über ein Array von Zylinderlinsenelementen oder Rasterlinsen, die so angeordnet sind, dass ihre Längsachsen parallel zu den Längsachsen der Streifen 10a, 10b der Polarisationstafel 10 verlaufen. Die Breite jedes Zylinderlinsenelements entspricht im Wesentlichen dem Doppelten der Breite jedes Streifens 10a, 10b der Polarisationstafel 10. Demgemäß wird vom Rasterlinsenschirm 11 durchgelassenes Licht erster Polarisation in einer anderen Richtung als Licht der zweiten Polarisation durchgestrahlt, um für die erste und die zweite Betrachtungszone oder -position 6a, 6b, wie oben beschrieben, zu sorgen.
Der SLM 4 ist benachbart zum Rasterlinsenschirm 11 angeordnet, und er ist so ausgebildet, dass er das einfallende Licht moduliert, um das erwünschte Bild zu erzeugen. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 verfügt der SLM 4 über eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit einer Anzahl schaltbarer Bildelemente sowie ein Array von Polarisation-Einstellelementen, die so angeordnet sind, dass jedes derselben benachbart zu einem jeweiligen Bild element des SLM 4 Liegt. Die Hälfte der Polarisation-Einstellelemente lässt Licht der ersten Polarisation durch, während sie im Wesentlichen ein Durchstrahlen von Licht der zweiten Polarisation verhindern, wohingegen die andere Hälfte der Polarisation-Einstellelemente Licht der zweiten Polarisation durchlässt, während sie im Wesentlichen ein Durchstrahlen von Licht der ersten Polarisation verhindern. Die zwei Arten von Polarisation-Einstellelementen sind in einem eindimensionalen, abwechselnden Array, ähnlich dem der Polarisationstafel 10 angeordnet, wobei jedoch andere Konfigurationen wie die eines zweidimensionalen Schachbrettarrays verwendet werden können.
Im Gebrauch wird Licht der ersten Polarisation durch den Rasterlinsenschirm 11 in einer ersten Richtung durchgelassen, und es kann unter den ersten Betrachtungspositionen 6a betrachtet werden. Da das Licht nur durch einige der Polarisationselemente laufen kann, ist das im SLM erzeugte und aus den ersten Betrachtungspositionen erkennbare Bild dasjenige, das durch die Bildelemente des SLM 4 erzeugt wird, die benachbart zu den Polarisationselementen des ersten Typs liegen. In ähnlicher Weise wird Licht der zweiten Polarisation durch den Rasterlinsenschirm 11 in einer zweiten Richtung durchgelassen, und es kann aus den zweiten Betrachtungspositionen 6b betrachtet werden. Das auf dem SLM angezeigte Bild, das aus den zweiten Betrachtungspositionen erkennbar ist, ist dasjenige, das durch die Bildelemente angezeigt wird, die benachbart zu den Polarisationselementen des zweiten Typs liegen.
Wenn ein Betrachter so positioniert ist, dass sich ein Auge an der ersten Betrachtungsposition und sein anderes Auge an der zweiten Betrachtungsposition befindet und der SLM 4 so gesteuert wird, dass die aus der ersten und der zweiten Betrachtungsposition erkennbaren Bilder die zwei Hälften eines stereoskopischen Paars bilden, erkennt der Betrachter ein dreidimensionales autostereoskopisches Bild, ohne dass der Gebrauch einer Sehhilfe erforderlich wäre. Da die Polarisationstafel 10 vom Rasterlinsenschirm 11 beabstandet ist, kann Licht von einem der Streifen der Poiarisationstafel 10 auf ein Zylinderlinsenelement des Rasterlinsenschirms 11 fallen, das nicht das Element direkt benachbart dazu ist, was dazu führt, dass die Anzeigevorrichtung mehrere Paare von Betrachtungszonen oder "Keulen" 6a, 6b bildet. Der Nachfahrvorgang für einen sich bewegenden Betrachter kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die Polarisationstafel 10 in Bezug auf den Rasterlinsenschirm 11 bewegt wird, z. B. mittels eines elektromechanischen Stellglieds, so dass der Betrachter die Bedingungen für autostereoskopische Betrachtung einhält. Alternativ oder zusätzlich, wie oben beschrieben, kann eine Drehung der gesamten Hintergrundbeleuchtungsanordnung einschließlich der Polarisationstafel 10 und des Rasterlinsenschirms 11 dazu verwendet werden, für einen Betrachter-Nachfahrvorgang zu sorgen oder diesen zu unterstützen. Kombinationen aus einer relativen Querbewegung und einer Drehung können dazu verwendet werden, den Freiheitsgrad bei der Bewegung des Betrachters zu verbessern und die Ansprechgeschwindigkeit zu erhöhen.
Die Polarisationstafel der Fig. 2b kann anstelle derjenigen der Fig. 2a verwendet werden, wobei jedes Paar benachbarter Streifen 10a, 10b der Tafel der Fig. 2b durch einen undurchsichtigen Streifen 10c getrennt ist. Unter Verwendung einer derartigen Tafel sind die Paare benachbarter Betrachtungspositionen 6a, 6b voneinander getrennt, um die Situation zu vermeiden, bei der das linke und das rechte Auge des Betrachters Bilder sehen, die für das rechte bzw. linke Auge vorgesehen sind (pseudoskopische Zonen). Der Betrieb der Vorrichtung ist derjenige, der unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben wurde.
Als Alternative zu dieser Anordnung kann der Rasterlinsenschirm 11 durch eine Konvergenzlinse des in der Fig. 1 dargestelten Typs ersetzt werden. In ähnlicher Weise kann die Linse 3 der Fig. 1 durch ein Array von Linsen, z. B. einen Rasterlinsenschirm, ersetzt werden. Das zur Verwendung in der Anzeigevorrichtung verwendete optische System hängt stark vom ausgewählten Beleuchtungssystem ab. Wenn bei der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mehr als ein Betrachter das Display zu betrachten wünscht, kann mehr als ein Paar von Beleuchtungseinrichtungen vorhanden sein. Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform können zusätzliche Keulen verwendet werden, um es zu ermöglichen, dass mehr als ein Betrachter die Anzeige autostereoskopisch sieht.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem zweidimensionalen Array von Paaren von Polarisationslichtquellen 1, 2 (Fig. 3a), von denen Licht auf einen Rasterlinsenschirm 11 mit einem zweidimensionalen Array von Linsenelementen fällt. Jedes Linsenelement ist so ausgebildet, dass es Licht von einem entsprechenden Paar von Lichtquellen 1, 2 auf einen SLM 4 lenkt, der aus einem Paar von Betrachtungspositionen 6a, 6b zu betrachten ist. Durch Bewegen des Arrays von Lichtquellen 1, 2 in Bezug auf den Rasterlinsenschirm 11 können die Betrachtungspositionen 6a, 6b so ausgebildet werden, dass einem sich bewegenden Betrachter nachgefahren wird, wobei dieses Nachfahren sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung erfolgt.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen verwenden den SLM der Fig. 8, bei dem das durch ihn hindurchgestrahlte Licht 2 orthogonale Komponenten aufweist. Die Wahl des SLM ist weitgehend vom verwendeten optischen System und vom Beleuchtungssystem unabhängig, und andere Komponenten als die dargestellten SLMs, oder tatsächlich andere SLMs, die hier nicht beschrieben oder veranschaulicht sind, könnten verwendet werden. Es ist von Vorteil, einen SLM vom hier offenbarten Typ zu verwenden, wobei die Schaltschicht desselben nur eine der Polarisationskomponenten durchlässt, da ein derartiger SLM nicht aus Intensitätsschwankungen zwischen den zwei Bildern eines autostereoskopischen Bilds leidet, mit einer Änderung des Betrachtungswinkels, wie beim bekannten SLM-Typ. Wenn die zwei Bilder nicht angepasste Betrachtungswinkel aufweisen, kann dies zu visuellen Belastungen und Reizen falscher Tiefe aufgrund des Pulfrich-Effekts führen, so dass der effektive Freiheitsgrad für die Betrachtungsposition des Betrachters für ein derartiges Display stärker eingeschränkt ist.
Die in der Fig. 4 dargestellte Vorrichtung ist der in der Fig. 1 dargestellten ähnlich, enthält jedoch einen Strahlkombinierer 20 zwischen dem SLM 4 und dem Betrachter, sowie eine zweite, identische Anordnung mit einem SLM 4a, einer Linse 3a und einem Paar von Lichtquellen 1a, 2a zum Durchlassen von Licht zum Strahlkombinierer 20. Die Verwendung des Strahlkombinierers 20 erlaubt es, zwei Paare autostereoskopischer Bilder zu erzeugen, was es dem Betrachter ermöglicht, vier verschiedene 2D-Ansichten des Bilds aus den geeigneten Betrachtungspositionen zu erkennen, um für eine Umherseh- Möglichkeit zu sorgen oder es zwei Betrachtern zu ermöglichen, das 3D-Bild zu sehen. Falls erwünscht, kann jedes Paar von Bildern unabhängig bewegt werden, um jeweiligen Betrachtern dadurch nachzufahren, dass die entsprechenden Lichtquellen 1, 2, 1a, 2a quer in Bezug auf die entsprechenden Linsen 3, 3a bewegt werden und/oder die entsprechenden Lichtquellen und Linsen verdreht werden. Der Strahlkombinierer 20 kann einen teilreflektierenden, teildurchlässigen Spiegel aufweisen.
Die Fig. 5 zeigt eine Anzeigevorrichtung, bei der Zeitmultiplexbetrieb dazu verwendet wird, die autostereoskopische Anzeige zu verbessern. Die Vorrichtung ist der in der Fig. 1 dargestellten ähnlich, beinhaltet jedoch ein zweites Paar von Polarisationslichtquellen 1b, 2b angrenzend an das Paar, das bei der Ausführungsform der Fig. 1 vorhanden ist. Im Gebrauch werden die Lichtquellen 1, 2 eingeschaltet, um den SLM 4 zu beleuchten, wodurch ein erstes Paar von Bildern erzeugt wird, wie oben beschrieben. Nach einer kurzen, vorbestimmten Zeitperiode werden die Lichtquellen 1, 2 ausgeschaltet, die Anzeige durch den SLM 4 wird geändert, und die Lichtquellen 1b, 2b werden eingeschaltet, um ein zweites Paar von Bildern zu erzeugen, das vom ersten Paar von Bildern beabstandet ist. Jede der Lichtquellen kann mit verschiedenen Segmenten unterteilt werden, die synchron mit der Adressierung des SLM 4 geschaltet werden. Die in der Fig. 5 dargestellte Vorrichtung kann vier verschiedene Bilder an beabstandeten Orten unter Verwendung eines einzelnen SLM 4 anzeigen. Unter Verwendung eines SLM 4, der sehr schnelle Anzeigeänderungen ausführen kann, und Paaren von Lichtquellen 1, 2, 1b, 2b, die mit geeignet hoher Geschwindigkeit geschaltet werden können, kann eine im Wesentlichen flackerfreie Anzeige bewerkstelligt werden. Auf diese Weise können auch Displays hergestellt werden, die mehr Bilder, z. B. 16 Bilder anzeigen können, wenn ein SLM 4 mit ausreichend hoher Vollbildrate vorliegt.
Die in der Fig. 6 dargestellte Anzeigevorrichtung unterscheidet sich von der der Fig. 1 dadurch, dass eine Projektionslinsenanordnung 17 vorhanden ist, um die Bilder auf einen Rasterlinsenschirm 18 so zu projizieren, dass der Betrachter, wenn er aus der Zone 6a betrachtet, ein Bild eines Paars stereoskopischer Bilder sieht, wobei dann, wenn aus der Zone 6b betrachtet wird, das andere Bild des stereoskopischen Paars erkennbar ist. Die in der Fig. 6 dargestellte Anzeigevorrichtung hat den Vorteil, dass ein relativ großes Bild erzeugt werden kann.
Es können andere Arten von Projektionskonfigurationen verwendet werden, wie z. B. in EP 0 653 891 beschrieben. Außerdem können die Polarisation-Einstelleinrichtungen von der Ebene der Flüssigkristallschicht des SLM 4 beabstandet sein, z. B. dadurch, dass sie an der Außenseite des zugehörigen Glassubstrats vorhanden sind. Eine weitere Alternative besteht darin, die Elemente der Polarisation-Einstelleinrichtungen auf der Oberfläche des Projektionsschirms 8 statt auf dem Flüssigkristall des SLM 4 zu positionieren.
Wie es gut bekannt ist, verfügen Pixel mit im Normalzustand schwarz bzw. weiß über verschiedene Ausgangsgraupegel abhängig von der angelegten Spannung. Demgemäß müssen Hardware- oder Softwarekorrekturen ausgeübt werden, um für eine angepasste Funktion bei Betrachtung auf der Achse zu sorgen. Dadurch wird die Komplexität des Displays erhöht.
Der Begriff "Modus", wie er hier verwendet wird, betrifft das Ausmaß der Schwächung von Licht durch ein Flüssigkristallelement beim Fehlen eines an den Flüssigkristall angelegten Felds. Es existieren zwei derartige Modi, nämlich der Modus mit im Normalzustand weiß, bei dem beim Fehlen eines angelegten Felds geringe Abschwächung besteht, und der Modus mit im Normalzustand schwarz, bei dem beim Fehlen eines angelegten Felds hohe Abschwächung besteht.
Die Fig. 25 veranschaulicht schematisch den Betrieb eines stereoskopischen 3D-Displays vom bekannten Flachtafel-Polarisationstyp. Das Display verfügt über einen SLM 4 aus einer Flüssigkristallvorrichtung (LCD) mit einem regelmäßigen Array von Pixeln (Bildelementen). Die Pixel sind als zwei Gruppen verschachtelter Pixel angeordnet, wobei die Pixel der ersten Gruppe Licht einer ersten Richtung (linearer oder zirkularer) Polarisation liefern und die Pixel der zweiten Gruppe Licht der orthogonalen Polarisation liefern. Dies ist durch die verschiedenen Schraffierungsrichtungen in der Fig. 25 angedeutet. Die Pixel 12 der ersten Gruppe zeigen ein erstes Bild eines stereoskopischen Paars zur Betrachtung durch das linke Auge eines Betrachters an, wohingegen die Pixel 13 der zweiten Gruppe ein Bild zur Betrachtung durch das rechte Auge des Betrachters anzeigen. Eine geeignete unpolarisierte Hintergrundbeleuchtung (nicht dargestellte) liefert Licht an den SLM 4.
Damit der Betrachter das stereoskopische 3D-Bild sieht, trägt eine Analysierbrille 104. Die Brille 104 verfügt über Polarisatoren 105 und 106 für das linke bzw. rechte Auge des Betrachters. Die Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 105 und 106 passen zu den Ausgangspolarisationen der Pixel 12 und 13 der ersten bzw. zweiten Gruppe. So lässt der Polarisator 105 das durch die Pixel 12 der ersten Gruppe codierte Bild durch, während er das Licht von den Pixeln 13 der zweiten Gruppe stark schwächt, wohingegen der Polarisator 106 Licht von den Pixeln 13 mit relativ kleiner Abschwächung durchlässt, wohingegen er Licht von den Pixeln 12 stark schwächt.
Im Fall linearer Polarisatoren ist die Übersprechfunktion beeinträchtigt, wenn der Betrachter seinen Kopf neigt, da die Extinktion von Licht von den Pixeln 13 und 12 durch die Polarisatoren 105 bzw. 106 verringert ist. Übersprechen für das rechte Auge des Betrachters, dessen Kopf um einen Winkel Θ geneigt ist, ist wie folgt gegeben:
ILcos²(π/2 - Θ)/IRcos²Θ
wobei IL und IR die Lichtstärken für das linke bzw. rechte Auge sind. Bei einem Neigungswinkel von Θ = 10º, der in der Größenordnung einer vollständigen Pupillenhöhe liegt, beträgt das Übersprechen 3%.
Durch die Verwendung von Kreispolarisationstechniken wird Übersprechen im Wesentlichen beseitigt, das durch Neigen des Kopfs des Betrachters hervorgerufen wird. Jedoch besteht die Tendenz, dass Kreispolarisatoren unter einem schlechten Übersprechpegel leiden, der wahrscheinlich durch eine begrenzte optische Bandbreite von Kreispolarisatoren hervorgerufen wird.
Wie es in den Fig. 26 und 27 dargestellt ist, verfügt der SLM 4 über einen gleichmäßigen hinteren Polarisator 108 sowie Glassubstrate 109 und 110 mit Dicken in der Größenordnung von 1 mm, wohingegen die Größe der Pixel 12 und 13 in der Größenordnung von 100 um liegt. Die Pixel 12 und 13 befinden sich an der Innenseite des Substrats 110, wohingegen eine Mikropolarisationsschicht mit Polarisationspixeln 112 und 113, die mit den Pixeln 12 bzw. 13 ausgerichtet sind, auf der Außenseite des Substrats 110 liegt. Eine Schwarzmatrix oder Maske 117, die die Zwischenräume zwischen den Pixeln bedeckt, z. B. dort, wo sich Elektroden, Transistoren und Kondensatoren befinden, soll den Bildkontrast verbessern.
Die Fig. 26 veranschaulicht die korrekte Positionierung des Auges 114 eines Betrachters zum Betrachten des stereoskopischen 3D-Bilds. Licht von einem Pixel, das ein Bild für das linke Auge anzeigt, läuft vom Pixel 13a durch das entsprechende Polarisationspixel 113a und durch die Polarisationsbrille 105 zum Auge 114 des Betrachters. Das Auge 114 des Betrachters sieht nur das Pixel 13a und den benachbarten Abschnitt 117a der Schwarzmaske. Das rechte Auge (nicht dargestellt) des Betrachters sieht in ähnlicher Weise nur die Pixel 12 und benachbarte Teile der Schwarzmaske 117.
Der obere Teil der Fig. 27 veranschaulicht das Bild für das Auge 114 des Betrachters nach einer Bewegung nach oben in Bezug auf die in der Fig. 26 dargestellte Position. An dieser Position kann das Auge 114 durch das Polarisationspixel 113a zu einem Teil des Pixels 13a blicken, das mit dem Polarisationspixel 113a ausgerichtet ist. Da sich jedoch durch das relativ dicke Substrat 110 Parallaxefehler ergeben, kann das Auge 114 auch einen Teil des Pixels 12a durch das Polarisationspixel 113a hindurch erkennen. So sieht das Auge 114 Pixel, die Bilder für das linke und das rechte Auge des stereoskopischen Paars anzeigen, was zu wesentlicher Übersprechen zwischen diesen Bildern und einer Verringerung des 3D-Effekts oder dessen Verlust führt.
Der untere Teil der Fig. 27 veranschaulicht die Situation, bei der sich das Äuge 114 noch weiter vertikal bewegt hat. In diesem Fall kann das Auge 114 das Pixel 12b durch das Polarisationspixel 113b erkennen. So sieht das linke Auge 114 das Pixel 12b für das rechte Auge. In ähnlicher Weise sieht das rechte Auge das Pixel für das linke Auge, so dass ein pseudoskopisches Bild betrachtet wird und der SD-Effekt verlorengegangen ist.
So verfügt der Betrachter über einen sehr eingeschränkten vertikalen Betrachtungsbereich, wenn das 3D-Bild stereoskopisch zu betrachten ist und Übersprechen und Bildqualität sowie ein Kontrastverhältnis, die akzeptierbar sind, vorliegen sollen. Wenn die Pixel der Mikropolarisatorschicht als horizontale Streifen angeordnet sind, ist die Freiheit der Betrachterbewegung vertikal begrenzt, wohingegen vertikale Streifen zu einer horizontalen Beschränkung der Bewegungsfreiheit führen. Eine "Schachbretf"-Pixelanordnung begrenzt die Bewegungsfreiheit sowohl horizontal als auch vertikal. Selbst wenn ein Betrachter-Nachfahrsystem vorhanden ist, um der Position des Betrachters nachzufahren und das linke und das rechte Bild umzuschalten, um pseudoskopische Betrachtung zu verhindern, wenn sich der Betrachter bewegt, sorgen die durch den in der Fig. 27 veranschaulichten Mechanismus erzeugte Übersprechung und die Kontrastbeeinträchtigung für schlechte Ergebnisse an Zwischenpositionen des Betrachters zwischen Bildumschaltpositionen.
Der in der Fig. 28 dargestellte bekannte SLM-Typ vermeidet im Wesentlichen die Probleme, wie sie durch Parallaxe zwischen den Pixeln 12 und 13 und der die Polarisationspixel 35a und 35b bildenden Polarisationsschicht erzeugt werden, indem die Polarisationspixein zwischen dem Glassubstrat 19 und einer Flüssigkristallschicht 20 positioniert werden, die in der Fig. 28 als verdrillt-nematische Flüssigkristall(TN-LC)Schicht dargestellt ist. Durch Positionieren der Ausgangs-Polarisationspixel 35a und 35b im Wesentlichen unmittelbar angrenzend an die Bildpixel in der Flüssigkristallschicht 20 werden die in den Fig. 26 und 27 veranschaulichten Parallaxeprobleme im Wesentlichen überwunden.
Der in der Fig. 28 dargestellte SLM 4 verfügt über ein Glassubstrat 21 und einen Eingangspolarisator 22. Andere Elemente, wie Elektrodenschichten und Ausrichtungsschichten, sind der Deutlichkeit halber nicht dargestellt.
Im Gebrauch lässt der Eingangspolarisator 22 Licht eines ersten linearisierten Polarisators bei 23 und 24 zu den Pixeln 12 und 13 durch, wohingegen Licht der orthogonalen linearen Polarisation bei 25 und 26 entsprechend dem Extinktionsverhältnis des Eingangspolarisators 22 stark abgeschwächt wird. In den Zeichnungen kennzeichnen Pfeile wie 23 und Punkte wie 26 die orthogonalen linearen Polarisationen durchgelassenen Lichts.
Für das Pixel 12 besteht ein Eingangspolarisator aus einem Teil des Polarisators 22 und dem Ausgangspolarisator 35a, deren Polarisationsrichtungen rechtwinklig zueinander verlaufen. So arbeitet das Pixel 12 beim Fehlen eines an die Flüssigkristallschicht des Pixels 12 angelegten elektrischen Felds im Modus mit im Normalzustand weiß, d. h. im transparenten Modus. Dies, da ein Standard-TN-LC im Zustand ohne Spannung die Eingangspolarisation um 90º dreht. Das Pixel 13 verfügt über einen Eingangspolarisator aus dem ausgerichteten Teil des Polarisators 22 und einen Ausgangspolarisator 35b, deren Polarisationsrichtungen parallel sind. So arbeitet das Pixel 13 beim Fehlen eines an seine Flüssigkristalischicht angelegten elektrischen Felds im Modus mit im Normalzustand schwarz, d. h. im im Wesentlichen undurchsichtigen Modus.
Wie es gut bekannt ist, verfügen Pixel mit im Normalzustand schwarz bzw. weiß über verschiedene Ausgangsgraupegel abhängig von der angelegten Spannung. Demgemäß müssen Hardware- oder Softwarekorrekturen ausgeführt werden, um für angepasste Funktion für Betrachtung auf der Achse zu sorgen. Dies erhöht die Komplexität des Displays.
Ein anderes Problem bei SLMs vom in der Fig. 28 dargestellten Typ mit Pixeln, die in den Modi mit im Normalzustand schwarz bzw. weiß arbeiten, besteht darin, dass die Kontrastfunktion abhängig vom Betrachtungswinkel, entfernt von der axialen Betrachtungsposition, variiert. Z. B. entsteht für verschiedene vertikale Betrachtungspositionen des Betrachters eine erhebliche Fehlanpassung hinsichtlich der angepassten Kontrastfunktion für die Pixel 12 und 13 bei Betrachtung auf der Achse. Dies führt zu Unterschieden der scheinbaren Helligkeit und des Kontrast für die Bilder für das linke und das rechte Auge, die sich ändern, wenn sich der Betrachter in Bezug auf das Display bewegt. Dies kann zu visuellen Belastungen und falschen Tiefeeindrücken über den Pulfrich-Effekt führen, so dass die effektive Freiheit für die Betrachtungsposition des Betrachters bei einem Display des in der Fig. 28 veranschaulichten Typs erneut begrenzt ist.
Die Fig. 7 zeigt zwei benachbarte Pixel eines SLM, die bei den in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Displays verwendet werden können. Die Pixel 12 und 13 verfügen über Eingangspolarisatoren 31 bzw. 33, deren Polarisationsachsen rechtwinklig zueinander verlaufen. Die Eingangspolarisatoren 33 und 33 bilden Bereiche eines in Pixel unterteilten Arrays von Mikropolarisatoren, die sich an der Innenseite eines Substrats 21 befinden. Zwischen dem Eingangspolarisator 31 und dem Flüssigkristallpixel 12 ist eine 90-Grad-Rotationseinrichtung 32 angeordnet, die die Ebene der linearen Polarisation um 90º verdreht. Die Rotationseinrichtung 32 kann durch Doppelbrechung (z. B. eine Halbwellenplatte), Lichtleitung oder eine Kombination der beiden für Drehung sorgen, und sie dreht die Polarisation von Licht vom Eingangspolarisator 31 um 90º. Zwischen dem Eingangspolarisator 33 und dem Flüssigkristallpixel 13 ist eine Kompensationsplatte 34 angeordnet, um den Zwischenraum aufzufüllen, der andernfalls zwischen dem Eingangspolarisator 33 und der Flüssigkristallschicht 20 (mit konstanter Dicke) vorhanden wäre, d. h., dass die Kompensationsplatte 34 optisch isotrop sein kann, in welchem Fall sie die Dicke der Halbwellenplattenfunktion in der anderen Gruppe von Pixeln kompensiert. Jedoch ist es auch möglich, weitere Kompensationsplatten (nicht dargestellt) zu verwenden, die eine anisotrope Komponente (wie Doppelbrechung) enthalten, was die Betrachtungswinkeleigenschaften des Displays weiter verbessern kann. Die Kompensationsplatte 24 kann auch dazu verwendet werden, für die anisotrope Komponente oder einen Teil derselben, des durch das Pixel 13 laufenden Lichts zu sorgen. Die Rotationseinrichtung 32 und die Kompensationsplatte 34 können über Farbfilterung verfügen, um für Farbanzeige zu sorgen.
Die Oberfläche eines Substrats 19 außerhalb des SLM trägt einen nicht in Pixel unterteilten Ausgangspolarisator 35 mit einer einzelnen Schicht.
Wenn die Richtung des Lichts durch den SLM dergestalt ist, wie es durch die Pfeile 38 und 39 dargestellt ist, wird das Display im autostereoskopischen Modus betrieben, wie hier beschrieben. Links vom in der Fig. 7 dargestellten SLM befindet sich eine Beleuchtungsquelle (nicht dargestellt) mit benachbarten Lichtquellen, von denen eine Licht mit der linearen Polarisation, wie sie bei 23 und 24 dargestellt ist, erzeugt, und die andere Licht mit der mit 25 und 26 gekennzeichneten linearen Polarisation erzeugt. Licht mit der Polarisation 23 und 24 wird durch den Eingangspolarisator 33 hindurchgelassen, jedoch durch den Eingangspolarisator 31 im Wesentlichen ausgeblendet, wohingegen Licht mit der Polarisation 25 und 26 durch den Eingangspolarisator 33 im Wesentlichen ausgeblendet wird, jedoch durch den Eingangspolarisator 31 durchgelassen wird. Die Rotationseinrichtung 32 dreht die Polarisation von Licht um 90º, so dass die in die Flüssigkristallpixel 12 und 13 eintretenden Lichtstrahlen dieselbe Polarisation aufweisen.
Der Ausgangspolarisator 35 verfügt über eine Polarisationsrichtung, die rechtwinklig zu derjenigen des Eingangslichts für beide Pixel 12 und 13 verläuft. Demgemäß arbeiten beide Pixel 12 und 13 im Modus mit im Normalzustand weiß. Der Ausgangspolarisator 35 erzeugt auf effektive Weise eine Grauskala für jedes der Pixel 12 und 13, und das Ausgangslicht 36 und 37 hat für alle Pixel dieselbe Polarisation. Licht von den Pixeln 12 der ersten Gruppe wird zu einem ersten Betrachtungsfenster für das linke Auge des Betrachters gelenkt, wohingegen Licht von den Pixeln 13 der zweiten Gruppe zu einem zweiten Betrachtungsfenster für das rechte Auge des Betrachters gelenkt wird. Wenn die Augen korrekt positioniert sind, sieht der Betrachter ein autostereoskopisches 3D-Bild.
Die Eingangspolarisatoren 31 und 33 sowie die Rotationseinrichtung 32 sind im Wesentlichen benachbart zur Flüssigkristallschicht 20 angeordnet, so dass Parallaxeprobleme bei einer Betrachtung des Bilds außerhalb der Achse über einen ganzen großen Bereich von Betrachter-Betrachtungspositionen wesentlich verringert oder beseitigt werden können. Da alle Pixel im selben Modus mit im Normalzustand weiß arbeiten, sind die Kontrastfunktionen für einen großen Bereich von Betrachtungspositionen des Betrachters im Wesentlichen angepasst.
Durch Umkehren der Richtung des Lichts durch den in der Fig. 7 dargestellten SLM kann dieser bei einem stereoskopischen Display verwendet werden. Die Beleuchtungsquelle kann eine zufällig polarisierte Lambertsche Hintergrundbeleuchtung sein, die durch den Polarisator 35 linear polarisiert ist. Licht vom Flüssigkristailpixel 12 wird durch die Rotationseinrichtung 32 und den Polarisator 31 analysiert, wohingegen Licht vom Flüssigkristallpixel 13 durch den Polarisator 33 analysiert wird. Die Polarisationsrichtung von Licht vom Pixel 12 ist daher rechtwinklig zu derjenigen des Lichts vom Pixel 13, und durch Tragen einer geeigneten Analysierbrille, wie der in der Fig. 25 dargestellten, sieht ein Betrachter über einen ganzen erweiterten Betrachtungsbereich ein stereoskopisches Bild ohne Beeinträchtigungen durch Parallaxe und eine fehlangepasste Kontrastfunktion bei Betrachtung außerhalb der Achse.
Die Fig. 8 zeigt einen SLM 4, der sich von dem in der Fig. 7 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Rotationseinrichtung 32, die Kompensationsplatte 34 und der Ausgangspolarisator 35 weggelassen sind und Ausgangspolarisatoren 35a und 35b in Form einer in Pixel unterteilten Polarisationsschicht vorhanden sind, die zwischen der Flüssigkristallschicht 20 und dem Substrat 19 angeordnet ist.
Wenn die Lichtrichtung durch den SLM 1 dergestalt ist, wie es durch die Pfeile 38 und 39 dargestellt ist, lässt der Eingangspolarisator 31 in der Richtung 26 polarisiertes Licht durch, sperrt jedoch in der Richtung 24 polarisiertes Licht, wohingegen der Eingangspolarisator 33 das Licht 23 durchlässt, aber das Licht 25 sperrt. Die Pixel 12 und 13 arbeiten im Modus mit im Normalzustand weiß, und die Ausgangspolarisatoren 35a und 35b analysieren der Graupegel, um für Ausgangslicht 36 und 40 mit rechtwinkligen Polarisationsrichtungen zu sorgen. Der Betrachter muss für autostereoskopische Betrachtung keine Analysatorbrille tragen. Wenn jedoch eine derartige Brille getragen wird, wobei die Polarisationsrichtungen des Analysators für das linke und das rechte Auge parallel zu den Polarisationsrichtungen der Ausgangspolarisatoren 35a bzw. 35b verlaufen, kann ein Restübersprechen an den Augen des Betrachters weiter verringert werden.
Tatsächlich ist der in der Fig. 8 dargestellte SLM 4 symmetrisch in Bezug auf die Richtung des Lichts durch ihn hindurch, und er kann in einem stereoskopischen 3D-Display verwendet werden, da Ausgangslicht von den Pixeln 12 eine Polarisationsrichtung rechtwinklig zu derjenigen von Ausgangslicht von den Pixeln 13 hat.
Die Fig. 9 zeigt einen SLM 4, der sich von dem in der Fig. 7 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Eingangspolarisatoren 31 und 33 durch einen nicht in Pixel unterteilten Eingangspolarisator 22 ersetzt sind, der zwischen der Rotationseinrichtung 32 und der Kompensationsplatte 34 auf der einen Seite und der Flüssigkristallschicht 20 auf der anderen Seite angeordnet ist.
Für autostereoskopischen Betrieb durchläuft das Licht 23 und 25 von den Polarisationslichtquellen die Kompensationsplatte zum Eingangspolarisator 22, der das Licht 23 durchlässt und das Licht 25 sperrt. Die Rotationseinrichtung 32 dreht die Polarisation des Lichts 24 und 26, so dass das Licht 24 durch den Eingangspolarisator 22 gesperrt wird, jedoch das Licht 26, folgend auf die Drehung, zum Flüssigkristallpixel 12 durchgelassen wird.
Der Ausgangspolarisator 35 analysiert die Grauskala von den Pixeln 12 und 13.
Im stereoskopischen Modus läuft Licht von einer zufällig polarisierten Quelle in der entgegengesetzten Richtung durch den SLM 4. Das Ausgangslicht der Flüssigkristallpixel 12 und 13 wird durch den Polarisator 22 polarisiert und direkt vom Pixel 13 geliefert, während es durch die Rotationseinrichtung 32 für das Pixel 12 um 90º gedreht wird.
Ein Herstellvorteil der Ausführungsform der Fig. 9 im Vergleich mit der der Fig. 7 besteht darin, dass nur eine in Pixel unterteilte Schicht, nämlich die mit der Rotationseinrichtung 32 und der Kompensationsplatte 34, erforderlich ist. Der interne Polarisator muss nicht in Pixel unterteilt sein. So kann die Anzahl der Maskierungsschritte während der Herstellung verringert werden.
Die Fig. 10 zeigt einen SLM 4, der sich von dem in der Fig. 7 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Rotationseinrichtung 32 und die Kompensationsplatte 34 weggelassen sind und eine 90-Grad-Rotationseinrichtung 41 und eine Kompensationsplatte 42 vorhanden sind. Die Rotationseinrichtung 41 ist zwischen der Flüssigkristallschicht 20 des Pixels 12 und dem Substrat 19 angeordnet, wohingegen die Kompensationsplatte 42 zwischen der Flüssigkristallschicht 20 des Pixels 13 und dem Substrat 19 angeordnet ist.
Für autostereoskopischen Betrieb mit orthogonal polarisierten Lichtquellen lassen die Eingangspolarisatoren 31 und 33 Licht orthogonaler Polarisationen durch. Licht vom Pixel 13 wird direkt durch den Ausgangspolarisator 35 analysiert, wohingegen Licht vom Pixel 12 durch die Rotationseinrichtung 41 um 90º gedreht wird und durch den Ausgangspolarisator 35 analysiert wird. So arbeiten beide Pixel 12 und 13 im Modus mit im Normalzustand weiß.
Für stereoskopischen Betrieb wird die Richtung des Lichts durch den SLM 4 umgekehrt, und die Polarisatoren 31 und 33 liefern Licht orthogonaler Polarisationen.
Die Fig. 11 zeigt einen SLM 4, der sich von dem in der Fig. 9 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Rotationseinrichtung 32 und die Kompensationsplatte 34 durch eine (+)-Viertelwellenplatte 44 bzw. eine (-)-Vierteiwellenplatte 45 ersetzt sind.
Die Fig. 11 veranschaulicht autostereoskopischen Betrieb des SLM 4: Lichtquellen 46 und 47 liefern rechtshändig bzw. linkshändig zirkulär polarisiertes Licht. Die Kombination aus der Platte 44 und dem Eingangspolarisator 22 lässt das rechtshändig polarisierte Licht 48 von der Lichtquelle 46 durch, sperrt jedoch das linkshändig polarisierte Licht von der Quelle 47. In ähnlicher Weise lassen die Platte 45 und der Eingangspolarisator 22 linkshändig, zirkulär polarisiertes Licht von der Lichtquelle 47 durch, sperren jedoch Licht von der Quelle 46. Die Pixel 12 und 13 arbeiten beide im Modus mit im Normalzustand weiß.
Für stereoskopischen Betrieb läuft Licht in der entgegengesetzten Richtung durch den SLM 4. Zufällig polarisiertes Eingangslicht wird vom Polarisator 35 polarisiert und vom Polarisator 22 analysiert. Die Platten 44 und 45 setzen das Ausgangslicht in rechtshändig bzw. linkshändig zirkulär polarisiertes Licht um, die dann durch eine geeignete Analysierbrille analysiert werden können.
Die Fig. 12 zeigt einen SLM 4, der sich von dem in der Fig. 9 dargestellten dadurch unterscheidet, dass der Ausgangspolarisator 35 benachbart zur Flüssigkristallschicht 20 angeordnet ist, eine Kompensationsplatte 50 zwischen dem Ausgangspolarisator 35 und dem Substrat 19 für das Pixel 12 angeordnet ist und für das Pixel 13 eine 90-Grad-Rotationseinrichtung 51 zwischen dem Ausgangspolarisator 35 und dem Substrat 19 angeordnet ist.
Für autostereoskopischen Betrieb, wie in der Fig. 12 dargestellt, unterscheidet sich der Betrieb des SLM von dem in der Fig. 9 dadurch, dass die Polarisation von Licht vom Pixel 13 um 90º gedreht wird. So sieht ein Betrachter ein 3D-Bild, ohne dass er irgendeine Sehhilfe tragen müsste. Da jedoch die linke und die rechte Ansicht orthogonale Polarisationsrichtungen aufweisen, kann der Betrachter eine geeignete Analysierbrille tragen, um im autostereoskopischen Modus ein Restübersprechen zu verringern.
Der SLM 4 der Fig. 12 kann bei einem stereoskopischen Display verwendet werden, bei dem Licht in derselben Richtung wie während des autostereoskopischen Betriebs läuft. Tatsächlich ist der SLM der Fig. 12 symmetrisch in Bezug auf die Lichtdurchlaufrichtung. So kann das Display einfac dadurch zwischen autostereoskopischem und stereoskopischem Betrieb umgeschaltet werden, dass rechtwinklig polarisierten Lichtquellen für autostereoskopischen Betrieb und einer zufällig polarisierten Lichtquelle für stereoskopischen Betrieb umgeschaltet wird.
Beim in der Fig. 12 dargestellten SLM verfügt jedes der Pixel 12 und 13 über ein Paar aus einer Kompensationsplatte/einer Rotationseinrichiung, so dass jegliche Funktionsbeeinträchtigungen, wie sie in diesen Komponenten auftreten, zwischen den Pixeln 12 und 13 ausgeglichen werden. Wie bei allen hier beschriebenen SLMs können geeignete Farbfilter im Wesentliche benachbart zu den Flüssigkristallpixeln 12 und 13 vorhanden sein, um Parallaxeeffekte zu vermeiden.
Der in der Fig. 13 dargestellte SLM 4 unterscheidet sich von dem in der Fig. 12 dargestellten dadurch, dass der Eingangs- und der Ausgangspolarisator 22 und 35 weggelassen sind und sie durch in Pixel unterteilte Polarisationsschichten ersetzt sind, die benachbart zu den Substraten 21 und 19 liegen. Das Pixel 12 ist so mit einem Eingangspolarisator 31 und einem Ausgangspolarisator 35a versehen, wohingegen das Pixel 13 mit einem Eingangspolarisator 33 und einem Ausgangspolarisator 35b versehen ist. Der SLM der Fig. 13 kann auf dieselbe Weise wie derjenige der Fig. 12 für stereoskopischen und autostereoskopischen Betrieb verwendet werden, und mit einer geeigneten Analysierbrille kann er für autostereoskopischen Betrieb mit verringertem Übersprechen verwendet werden.
Die Fig. 14 zeigt einen SLM 4, der sich von dem in der Fig. 11 dargestellten dadurch unterscheidet, dass der Ausgangspolarisator 35 benachbart zur Flüssigkristall-Schicht 20 angeordnet ist, das Pixel 12 mit einer (-)-Viertelwellenplatte 52 versehen ist und das Pixel 13 mit einer (+ )-Visrtelwellenplatte 53 versehen ist.
Für autostereoskopischen Betrieb wird der SLM der Fig. 14 durch Polarisationslichtquellen, wie die in der Fig. 11 dargestellten Quellen 46 und 47, beleuchtet. Das Ausgangslicht der Pixel 12 und 13 wird durch den Ausgangspolarisator 35 analysiert und dann durch die Platten 52 und 53 in zirkuläre Polarisation entgegengesetzter Händigkeit umgesetzt. Der Betrachter kann das 3D-Bild ohne Betrachtungshilfe autostereoskopisch betrachten, oder er kann eine geeignete Analysierbrille tragen, um die Übersprechfunktion zu verbessern.
Für stereoskopischen Betrieb wird zufällig polarisiertes Licht durch den Eingangspolarisator 32 polarisiert und durch den Ausgangspolarisator 35 analysiert. Dann wird das Ausgangslicht in zirkulär polarisiertes Licht entgegengesetzter Händigkeit umgesetzt, und das 3D-Bild kann durch einen Betrachter betrachtet werden, der eine geeignete Analysierbrille trägt.
Die Struktur des in der Fig. 14 dargestellten SLM ist symmetrisch in Bezug auf die Richtung des durch ihn laufenden Lichts. Demgemäß kann eine Änderung zwischen stereoskopischem und autostereoskopischem Betrieb dadurch bewerkstelligt werden, dass zwischen einer polarisierten und einer unpolarisierten Lichtquelle umgeschaltet wird.
Der in der Fig. 15 dargestellte SLM 4 unterscheidet sich von dem in der Fig. 14 dargestellten dadurch, dass die (+)- und die (-)-Viertelwellenplatte 44 und 45 durch eine 90-Grad-Rotationseinrichtung 32 bzw. eine Kompensationsplatte 34 ersetzt sind. Linear polarisierte Lichtquellen 56 und 57 mit orthogonalen Polarisationsrichtungen sind anstelle der zirkulär polarisierten Lichtquellen 46 und 47 der Fig. 11 verwendet. Hinsichtlich der Pixel 13 lässt der Eingangspolarisator 22 Licht mit der Polarisation 23 von der Quelle 57 durch, während er Licht mit der Polarisation 26 von der Quelle 56 sperrt. Hinsichtlich der Pixel 12 lässt die Kombination aus der Rotationseinrichtung 32 und dem Eingangspolarisator 22 Licht mit der Polarisation 26 von der Quelle 56 durch, während sie Licht mit der Polarisation 23 von der Quelle 57 sperrt. Der Ausgangspolarisator 35 analysiert die Grauskala der Pixel 12 und 13, und die Wellenplatten 52 und 53 setzen das Ausgangslicht der Pixel 12 und 13 in zirkulär polarisiertes Licht entgegengesetzter Händigkeit um. Der Betrachter sieht das 3D-Bild, ohne dass er eine Sehhilfe tragen müsste, oder er kann eine geeignete Analysierbrille tragen, um Restübersprechen zu verringern.
Für stereoskopischen Betrieb werden die Lichtquellen 56 und 57 durch eine Lambertsche Lichtquelle mit Zufallspolarisation ersetzt. Licht von der Lichtquelle wird durch den Polarisator 22 polarisiert, durch den Polarisator 35 analysiert und durch die Wellenplatten 52 und 53 in zirkulär polarisiertes Licht entgegengesetzter Händigkeit umgesetzt. Der Betrachter trägt eine geeignete Analysierbrille, um ein 3D-Bild zu sehen. Wie bereits beschrieben, bedeutet die Verwendung von zirkulär polarisiertem Ausgangslicht, dass die Übersprechfunktion durch Neigen des Kopfs des Betrachters nicht beeinflusst wird.
Der in der Fig. 16 dargestellte SLM 4 unterscheidet sich von dem in der Fig. 13 dargestellten dadurch, dass die 90-Grad-Rotationseinrichtung 32 durch eine (-)-45-Grad-Rotationseinrichtung 60 ersetzt ist, die Kompensationsplatte 34 durch eine (+)-45-Grad-Rotationseinrichtung 61 ersetzt ist, die Kompensationsplatte 50 durch eine (+)-45-Grad-Rotationseinrichtung 62 ersetzt ist und die 90-Grad-Rotationseinrichtung 51 durch eine (-)-45-Grad- Rotationseinrichtung 63 ersetzt ist.
Für autostereoskopischen Betrieb werden linear polarisierte Lichtquellen wie die in der Fig. 15 dargestellten verwendet. Die Eingangspolarisatoren 31 und 33 lassen Licht orthogonaler linearer Polarisationen durch, und die Rotationseinrichtungen 60 und 61 drehen die Polarisationen in solcher Weise, dass das auf die Flüssigkristallschicht der Pixel 12 und 13 gestrahlte Licht dieselbe lineare Polarisation hat. Die Kombinationen der Ausgangspolarisatoren 35a und 35b und der Rotationseinrichtungen 62 und 63 analysieren Licht derselben Polarisation von der Flüssigkristallschicht 20 für die Pixel 12 und 13, und sie liefern Ausgangslicht von den Pixeln mit orthogonalen linearen Polarisationen. Ein 3D-Bild kann ohne Sehhilfe oder über eine geeignete Analysierbrille betrachtet werden, um Restübersprechen zu verringern. Für stereoskopischen Betrieb wird zufällig polarisiertes Licht durch die Eingangspolarisatoren 31 und 33 polarisiert, und das orthogonal polarisierte Ausgangslicht wird durch eine geeignete Analysierbrille analysiert.
Die Anordnung der Fig. 16 kann von Vorteil sein, da in jeder Polarisationsstufe ausgeglichene Rotationseinrichtungen verwendet werden. Jegliche Betrachtungswinkeldifferenzen zwischen den Rotationseinrichtungen werden unter Verwendung angepasster Paare von Rotationseinrichtungen für jedes der Pixel 12 und 13 effektiv verringert.
Der in der Fig. 17 dargestellte SLM 4 unterscheidet sich von dem in der Fig. 13 dargestellten dadurch, dass an der Außenseite des Substrats 19 eine breitbandige Ausgangs-Viertelwellenplatte 65 angeordnet ist. Der Betrieb des SLM der Fig. 17 unterscheidet sich dadurch, dass die orthogonalen linearen Ausgangspolarisationen des in der Fig. 13 dargestellten SLM in orthogonale zirkuläre Polarisationen umgesetzt werden. In ähnlicher Weise kann eine breitbandige Viertelwellenplatte an der Außenseite des Substrats 21 zur Verwendung mit zirkulär polarisierten Lichtquellen für autostereoskopischen Betrieb platziert werden.
Obwohl es bei den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht explizit angegeben ist, ist es impliziert, dass Ausrichtungsschichten für den Flüssigkristall der Schicht 20 über die Gesamterstreckung der Schicht gleichmäßig sind. Jedoch ist dies nicht wesentlich. Z. B. zeigt die Fig. 18 einen Raum lichtmodulator 4 vom in der Fig. 8 dargestellten Typ, bei dem Ausrichtungsschichten 70 bis 73 für die Pixel 12 und 13 explizit dargestellt sind. Die Ausrichtungsschichten verfügen über Ausrichtungsrichtungen, die für die Pixel 12 und 13 verschieden sind. So verfügt die Ausrichtungsschicht 70 über eine Ausrichtungsrichtung, die parallel zur Absorptionsachse des Polarisators 31 verläuft, wohingegen die Ausrichtungsschicht 71 des Pixels 13 über eine Ausrichtungsrichtung verfügt, die parallel zur Absorptionsachse des Polarisators 33 verläuft. In ähnlicher Weise verlaufen die Ausrichtungsrichtungen der Schichten 72 und 73 parallel zu den Absorptionsachsen der Polarisatoren 35a bzw. 35b. So verlaufen die Ausrichtungsrichtungen der Schichten 70 und 71 der Pixel 12 und 13 rechtwinklig zueinander. Durch diese Anordnung wird die Anpassung der Winkelkontrastfunktion für die Pixel 12 und 13 im Vergleich zur Verwendung einer gleichmäßigen Ausrichtungsschicht, wie in der Fig. 8 dargestellt, verbessert. Der Winkelkontrast ist bei dieser Anordnung in Bezug auf Anordnungen verbessert, bei denen die Ausrichtungsrichtungen rechtwinklig zu den Absorptionsachsen der zugehörigen Polarisatoren verlaufen.
Der in der Fig. 19 dargestellte SLM 4 unterscheidet sich von dem in der Fig. 18 dargestellten dadurch, dass innerhalb jedes der Pixel 12 und 13 eine Mehrdomänen-Flüssigkristallausrichtung vorhanden ist. Bei der in der Fig. 19 beispielhaft dargestellten Anordnung ist jede der Ausrichtungsschichten in zwei Abschnitte (durch die Indizes a und b gekennzeichnet) mit zueinander rechtwinklig ausgerichteten Ausrichtungsrichtungen unterteilt. Eine derartige Anordnung hat den Effekt, dass die Betrachtungswinkel-Kontrastfunktionen der Pixel 12 und 13 durch einen Mittelungsprozess angepasst werden. Es können auch komplizierte Domänenstrukturen innerhalb jedes Pixels verwendet werden.
Bei allen bisher beschriebenen SLMs erfolgte der Betrieb aller Pixel 12 und 13 im Modus mit im Normalzustand weiß. Jedoch kann jeder dieser SLMs im Modus mit im Normalzustand schwarz betrieben werden, und die Fig. 20 zeigt einen SLM 4 vom in der Fig. 8 dargestellten Typ, jedoch mit einer Modifizierung für Betrieb mit Normalzustand schwarz. Insbesondere verfügen die Polarisatoren 35a und 31 des Pixels 12 über parallele Polarisationsrichtungen, und die Polarisationen 35b und 33 des Pixels 13 verfügen über parallele Polarisationsrichtungen, wenn der TN-LC-Effekt verwendet wird. Die anderen SLMs können in ähnlicher Weise so modifiziert werden, dass die Ausgangspolarisation der Flüssigkristallschicht parallel zur Eingangspolarisation von Licht in die Schicht 20 analysiert wird.
In ähnlicher Weise können bei jeder der Ausführungsformen optisch aktive Kompensationsplatten vorhanden sein, um z. B. den Betrachtungsbereich und den Winkelkontrast zu verbessern.
Obwohl, die hier offenbarten SLMs implizit hinsichtlich verdrillt-nematischen Flüssigkristallschichten oft beschrieben sind, können leicht SLMs bereitgestellt werden, die einen Schaltvorgang in der Ebene oder Techniken mit superverdrillt-nematischen Flüssigkristallen und solchen mit variabler Doppelbrechung verwenden, wie bei elektrisch gesteuerten Doppelbrechungs- oder π-Zellen. Ferner können komplexe Kompensationsplatten vorhanden sein, um die Doppelbrechung für Licht außerhalb der Achse anzupassen, das durch die verschiedenen Gruppen von Pixeln des Displays läuft. Derartige Kompensationsplatten können eine Komponente mit negativer Nacheilung enthalten, und sie können Führungskomponenten geeigneter Händigkeit der Verdrillung enthalten, um den Winkelbetrachtungskontrast zu verbessern und/oder anzupassen.
Die Fig. 21 zeigt einen SLM 4, der sich von dem in der Fig. 8 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Flüssigkristallschicht 20 im axial symmetrischen Modus betrieben wird, wie z. B. von N. Yamada et al. in "Axially Symmetrie Mode", SID95 Digest beschrieben. Insbesondere sorgt der axial symmetrische Modus (ASM) für eine radial oder koaxial ausgerichtete Flüssigkristallausrichtung, die sich von der linearen Ausrichtung beim TN-LC- Standardeffekt unterscheidet. Es ist möglich, diese ASM-Ausrichtung ohne eine Polyimid-Ausrichtungsschicht, die eine Hochtemperaturbearbeitung benötigt, zu erzielen.
Bildumkehrung (manchmal als Kontrastumkehrung bezeichnet) kann dann auftreten, wenn herkömmliche Displays wesentlich außerhalb der Achse betrachtet werden. Im Vergleich mit der relativen Helligkeit auf der Achse können dieselben Graupegel wegen des Doppelbrechungseffekts des Flüssigkristalls außerhalb der Achse die entgegengesetzte relative Helligkeit aufweisen. So erscheinen Teile des Bilds wie bei einem fotografischen Negativ oder als Bild mit inversiertem Kontrast. Die Polarisatoren werden so eingestellt, dass sie für einen angepassten Winkelbetrachtungskontrast sorgen und die hervorragenden Betrachtungswinkeleigenschaften im axial symmetrischen Modus aufrecht erhalten. Es können weitere Kompensationsplatten (nicht dargestellt) hinzugefügt werden, um den außerordentlich großen Betrachtungswinkel und die Freiheit von "Bildumkehrungs"-Eigenschaften aufrecht zu erhal ten, wie sie dem axial symmetrischen Modus eigen sind, und/oder die Anpassung der Kontrastfunktionen der Pixel 12 und 13 außerhalb der Achse zu verbessern.
Wie es gut bekannt ist, können Polarisatoren durch Ultraviolettlicht beschädigt werden, und sie beinhalten im Allgemeinen einen Ultravioiett- Schutzfilm. Bei geeignet geformten Mikropolarisatormustern kann dieser Film dazu verwendet werden, die gesamte Ultraviolett-Belichtungsmaske oder einen Teil derselben zu bilden, z. B. zur Verwendung bei der Herstellung eines SLM im axial symmetrischen Modus. Außerdem müssen die Ultraviolettabschirmungs- und Polarisationseigenschaften des Mikropolarisators berücksichtigt werden, um die Erzeugung von Polymerwänden um jedes Pixel herum zu ermöglichen.
Der axial symmetrische Modus kann bei anderen Ausführungsformen verwendet werden, insbesondere bei autostereoskopischen und stereoskopischen Displays mit dem SLM der Fig. 9 und 11 und bei stereoskopischen Displays mit dem SLM der Fig. 10.
Zwischen den optischen Komponenten und dem Substrat oder zwischen diesen und der Flüssigkristalischicht kann eine Elektrode aus einem transparenten Leiter vorhanden sein, um ein Feld an die Flüssigkristallschicht anzulegen. Im ersteren Fall muss der Effekt der zusätzlichen dielektrischen Schichten in Serie mit der Flüssigkristallschicht berücksichtigt werden, z. B. bei der erforderlichen Ansteuerspannung von einem Aktivmatrixelement.
Der linke Teil der Fig. 22 veranschaulicht eine Anordnung, bei der zwischen der Flüssigkristailschicht 20 und einem strukturierten, transparenten Leiter 82 eine (wahlweise) Ausrichtungs/Barriere-Schicht 80 vorhanden ist. Diese Anordnung ist vom Typ mit Polarisatoren 35a und 35b, die zwischen dem Leiter 82 und einer Einebnungsschicht 84 angeordnet sind. Auf dem Substrat 19 sind eine oder mehrere (wahlfreie) Schichten 86 mit aktivem Bauteil/Elektroden ausgebildet, über denen die Einebnungsschicht 84 liegt. So ist der Leiter 82 zwischen den optischen Komponenten 35a, 35b und der Flüssigkristallschicht 20 angeordnet, jedoch von den Schichten 86 zur aktiven Ansteuerung/mit den Elektroden getrennt. Demgemäß sind zwischen dem Leiter 82 und den Schichten 86 geeignete Durchführungen 88 vorhanden.
Der rechte Teil der Fig. 22 veranschaulicht eine Anordnung, die sich von der im linken Teil der Fig. 22 dargestellten in der Reihenfolge der Schichten zwischen der Flüssigkristallschicht 20 und dem Substrat 19 unterschei det. So ist der strukturierte, transparente Leiter 82 auf dem Substrat 19 angeordnet, und auf ihm befindet sich die Schicht 86 mit aktiven Bauteilen/Elektroden, die ihrerseits mit der Einebnungsschicht 84 versehen ist. So ist der Leiter 82 direkt mit der Schicht 86 verbunden, und es sind keine Durchführungen 88 erforderlich. Da jedoch die optischen Komponenten 35a, 35b und die Schichten 84 und 86 zwischen den Leiter 82 und der Flüssigkristallschicht 20 angeordnet sind, muss die Ansteuerspannung für korrekten Betrieb des Displays des Displays erhöht werden.
Wenn Displays unter Verwendung von SLMs des hier offenbarten Typs nicht nur 3D- sondern auch 2D-Bilder erzeugen sollen, hat das 2D-Bild die vollständige Auflösung des SLM. Dies ist im Vergleich mit autostereoskopischen 3D- Displays vom Rasterlinsen- oder Parallaxesperre-Typ von Vorteil, bei denen die Auflösung bei 2D-Anzeige ein Bruchteil der SLM-Auflösung ist.
Bei SLMs, die für Farbanzeige sorgen müssen, können, wie oben genannt, Farbfilter nahe der Flüssigkristallschicht eingeschlossen werden, um Parallaxeeffekte zu minimieren. Wellenlängenabhängige Komponenten wie Viertelwellenplatten, 90-Grad-Rotationseinrichtungen, 45-Grad-Rotationseinrichtungen können dann auf die Farbfilter abgestimmt werden, die jedem Pixel des Displays zugeordnet sind.
Bei den oben beschriebenen SLMs können die Rotationsfunktionen durch Doppelbrechung oder Führung oder eine Kombination der beiden bereitgestellt werden. Sowohl die Rotations- als auch die Kompensationselemente können zusammengesetzte Bauteile sein, die aus mehr als einer Schicht aufgebaut sind, um die optische Bandbreite der Bauteile zu erhöhen oder um den Bereich/die Anpassung der Betrachtungswinkelkegel der Gruppe von Pixeln weiter zu verbessern.
Die oben beschriebenen SLMs beinhalten alle optische Elemente, die in das LCD selbst eingebaut werden müssen. Die Materialien, aus denen diese Elemente bestehen, müssen daher dazu in der Lage sein, die Bearbeitungstemperatur und die Umgebung bei der LCD-Herstellung ohne wesentliche Beeinträchtigung zu überdauern. Wie es gut bekannt ist, verwenden einige, jedoch nicht alle LCDs Ausrichtungsschichten zum Fördern oder Stabilisieren der Flüssigkristall-Ausrichtung. Einige bekannte Typen von Ausrichtungsschichten benötigen eine Bearbeitung bei Temperaturen in der Nähe von 200ºC. Die Materialien der optischen Elemente sollten der Flüssigkristall-Bearbeitungsumgebung ohne wesentliche Beeinträchtigung standhalten.
Obwohl keine Beschränkung auf Aktivmatrixdisplays besteht, sind bei dieser wichtigen Klasse von Displays einige zusätzliche Herstellpunkte im Vergleich zu Passivmatrixdisplays eingeführt. Insbesondere dürfen die zusätzlichen Komponenten keine unakzeptierbare Verunreinigung in das Flüssigkristallmaterial einführen, die wichtige Eigenschaften, wie das Speisherverhältnis, beeinträchtigen könnte. Daher können Sperrschichten dazu verwendet werden, den Schutz des Flüssigkristalimaterials gegen Beeinträchtigung zu unterstützen.
Ferner kann die Bearbeitungstemperatur eines Aktivmatrixsubstrats höher als die eines Gegenelektrodensubstrats sein. So kann es von Vorteil sein, oben beschriebene Strukturen zu verwenden, bei denen die externen Komponenten wie die Polarisatoren an der Außenseite des Aktivmatrixsubstrats statt am Gegenelektrodensubstrat angeordnet sind.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde die Polarisation durch Polarisatoren ausgeführt, die von den Flüssigkristallschichten getrennt sind. Jedoch ist es möglich, einige der Polarisatoren dann wegzulassen, wenn Gast-Wirt-Schichten verwendet werden, bei denen ein Farbstoff oder Farbstoffe mit anisotropen Absorptionseigenschaften in den Flüssigkristall eingemischt sind. Z. B. sorgen bei einem Typ eines Gast-Wirt-Systems Ausrichtungsschichten mit parallelen Ausrichtungsrichtungen dafür, dass sich die Flüssigkristalle beim Fehlen eines angelegten Felds parallel zueinander ausrichten. Die anisotropen Farbstoffmoleküle richten sich mit den Flüssigkristallmolekülen aus, so dass die Schicht als linearer Polarisator wirkt. Wenn ein Feld an die Schicht angelegt wird, wird die parallele Ausrichtung der Moleküle gestört und die Schicht lässt Licht mit geringer oder keiner Polarisation durch.
Im Fall der Ausführungsformen, wie der in der Fig. 9 dargestellten, mit einem für alle Pixel gemeinsamen Polarisator kann der Polarisator 22 oder 35 weggelassen werden, und es kann z. B. ein Farbstoff oder Farbstoffe mit anisotropen Absorptionseigenschaften zur Flüssigkristallschicht 20 hinzugefügt werden. Im Fall der Ausführungsformen, wie der in der Fig. 8 dargestellten, bei denen den Pixeln 12 und 13 Polarisatoren mit orthogonalen Polarisationsrichtungen zugeordnet sind, können die Polarisatoren auf einer Seite der Schicht 20 weggelassen werden, und die Ausrichtungsschichten der Pixel 12 und 13 können orthogonale Ausrichtungsrichtungen aufweisen, so dass die Pixel 12 und 13 als orthogonale Polarisatoren wirken. Derartige Anordnungen vermeiden mögliche Herstellschwierigkeiten mit SLMs mit speziellen Polarisatoren, wie oben beschrieben.
Bei verschiedenen der oben beschriebenen SLMs sind spezielle Werte der Winkeldrehung der Polarisationsvektoren beschrieben. Jedoch sind es die Relativdrehungen zwischen den zwei Gruppen von Pixeln, die von Bedeutung sind. Z. B. entsprechen Drehungen von -30º und +60º Drehungen von 0º und 90º, wie auch Drehungen von 90º und 180º.
Die Fig. 23 zeigt eine andere mögliche Konfiguration der Polarisationselemente eines Flüssigkristalldisplays. Wie dargestellt, können die Polarisation-Einstellelemente in die Farbfilter in einer einzelnen Schicht eingebaut sein.
Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen verfügt der SLM über eine Flüssigkristallschicht zum Modulieren des auf diese fallenden Lichts. Es können andere transmissive Raumlichtmodulatoren verwendet werden.
Die Fig. 24 zeigt eine programmierbare, ebene Polarisationslichtquelle, die zur Verwendung bei den Anzeigevorrichtungen der Fig. 1 bis 6 geeignet ist. Die Polarisationslichtquelle verfügt über eine Quelle 90 für nientpolarisiertes Licht, die so ausgebildet ist, dass sie Licht zu einer Polarisationsplatte 91 durchlässt. Die Polarisationsplatte 91 ist für eben polarisiertes Licht einer ersten Polarisation im Wesentlichen durchlässig, und für eben polarisiertes Licht mit einer Polarisationsachse rechtwinklig zur ersten Polarisation im Wesentlichen undurchlässig. Licht von der Polarisationsplatte 91 fällt auf eine Flüssigkristallvorrichtung mit einem ersten Glassubstrat 93, die eine erste Elektrode und eine Ausrichtungsschicht trägt, einer Flüssigkristallschicht 92 und einem zweiten Glassubstrat 94, das eine zweite Elektrode und eine Ausrichtungsschicht trägt. Die Flüssigkristallschicht 92 kann aus einer TN-Schicht oder einem ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial bestehen, oder sie kann eine Pi-Zelle bilden.
Nun wird der Betrieb der Lichtquelle unter Verwendung einer TN-Schicht beschrieben. Im Gebrauch werden die Elektroden dazu verwendet, die Flüssigkristallschicht 92 zwischen ihrem vollständig angesteuerten Zustand und ihrem vollständig nicht angesteuerten Zustand umzuschalten. Im angesteuerten Zustand läuft das durch die Polarisationsplatte 91 hindurchgestrahlte eben polarisierte Licht durch die Flüssigkristallschicht 92, ohne dass ihre Polarisationsachse durch das Flüssigkristallmaterial geändert würde. Im nicht angesteuerten Zustand wird die Polarisationsachse des durch die Flüssigkristallschicht 92 laufenden Lichts um 90º gedreht, wobei hindurchgestrahltes Licht mit einer Polarisationsachse rechtwinklig zum auf die Flussigkristallvorrichtung fallenden Licht durchgelassen wird.
Durch Steuern der Flüssigkristallvorrichtung unter Verwendung einer geeigneten Steuereinrichtung (nicht dargestellt) kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, zwei Quellen polarisierten Lichts zu bilden, deren Polarisationsachsen rechtwinklig zueinander stehen. Wenn Verwendung in einer Anzeigevorrichtung erfolgt, bei der dem Betrachter nachgefahren werden soll, können die effektiven Positionen der Polarisationslichtquellen geändert werden, ohne dass die Lichtquelle körperlich geändert wird, in dem das Flüssigkristallmaterial zwischen seinem vollständig angesteuerten und seinem vollständig nicht angesteuerten Zustand umgeschaltet wird.
Wenn der SLM vom Typ ist, bei dem die Ausgangspolarisationen orthogonal sind, z. B. bei den in den Fig. 8 und 12 bis 21 veranschaulichten SLMs, kann durch Umschalten von richtungsmäßig polarisierten Lichtquellen auf eine Lambertsche Quelle, die z. B. so ausgebildet ist, dass sie Licht zufälliger Polarisation oder solches Licht emittiert, das unter einem Winkel, von vorzugsweise 45º, sowohl zur ersten als auch zur zweiten Polarisation polarisiert ist, das Bild aus einer großen Anzahl von Orten betrachtet werden, vorausgesetzt, dass eine Betrachtungshilfe, z. B. eine Brille mit polarisierten Gläsern mit gekreuzten Polarisationen verwendet wird. Demgemäß ist ein schaltbares Display möglich, das autostereoskopische Bilder anzeigen kann, die aus einem relativ kleinen Bereich von Betrachtungspositionen betrachtbar sind, oder stereoskopische Bilder, die aus einem relativ großen Bereich von Betrachtungspositionen betrachtbar sind. Hinsichtlich SLMs vom Typ, bei dem die Ausgangspolarisationen für alle Pixel gleich sind, kann das SLM so gedreht werden, dass für stereoskopische Betrachtung das Licht in der entgegengesetzten Richtung durchläuft.
Wenn das Display von einem einzelnen Betrachter oder nur einer kleinen Anzahl von Betrachtern verwendet wird, kann es zweckdienlich sein, dasselbe autostereoskopisch zu betreiben. Wenn es jedoch eine größere Anzahl von Betrachtern wünscht, das Display gleichzeitig zu betrachten, kann es stereoskopisch betrieben werden, wobei der Betrachter eine die Polarisation analysierende Brille trägt.
Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung können verschiedene Modifizierun gen ausgeführt werden. Z. B. können die oben beschriebenen Polarissationslichtquellen und die optischen Systeme durch ein Beleuchtungssystem unter Verwendung holografischer Elemente ersetzt werden. Bei einer derartigen Anordnung kann jedes holografische Element mit einem entsprechenden Mikro- Polarisationselement ausgerichtet werden, das in einer von zwei orthogonalen Polarisationen ausgerichtet ist und auf der Eingangs- oder Ausgangsseite eines die holografischen Elemente bildenden Hologramms angeordnet ist. Wenn die holografischen Elemente geeignet mit dem korrekten Rekonstruktionsstrahl beleuchtet werden, erzeugt jedes derselben ein definiertes Betrachtungsfenster für eine bestimmte Farbe. Die Hologramme können so aufgezeichnet werden, dass jedes holografische Element mehrere Betrachtungskeulen erzeugt, wobei die Hologramme so in Gruppen angeordnet sind, dass Licht von jeder Gruppe von Pixeln auf eine Gruppe von Fenstern mit derselben Polarisation abgebildet wird. Ein Vorteil derartiger holografischer Techniken besteht darin, dass Verbesserungen des Verhaltens des Displays entfernt von der Achse erzielt werden können, da Aberrationen außerhalb der Achse stark aufgehoben werden können, wenn die Hologramme aufgezeichnet werden.
Geeignete Hologramme können mit einem Fotopolymer, einer mit Dichromat bearbeiteten Gelatine, als Reliefhologramm mit geätzter Oberfläche oder als geprägtes Hologramm hergestellt werden. Die Hologramme können durch einen Computer erzeugt werden, oder sie können dadurch aufgezeichnet werden, dass Licht von einem beleuchteten Betrachtungsfenster mit einem Bezugsstrahl zur Interferenz gebracht wird und dies für rotes, grünes und blaues Licht wiederholt wird.
Derartige Hologramme können durch einen Laser beleuchtet werden. Alternativ kann eine kollimierte Weißlicht-Hintergrundbeleuchtung dazu verwendet werden, derartige Hologramme zu beleuchten. Bei einem derartigen Beispiel verfügt eine derartige Hintergrundbeleuchtung über ein Linsenarray, das an der Oberfläche eines Schlitzarrays angeordnet ist, wobei zwischen benachbarten Linsen sperren angeordnet sind. Alternativ können kleine Glaskugeln verwendet werden, die in Öffnungen einer Fläche angeordnet sind. So kann ein relativ kompaktes Design einer Hintergrundbeieuchtung geschaffen werden. Alternativ ist es möglich, die erforderliche Kollimation mittels eines Hologramms mit Kantenbeleuchtung zu erzielen.
Es ist auch möglich, das Display als berichtigendes, zweidimensionales Display hoher Auflösung zu verwenden. In diesem Fall zeigt der Raumlichtmodulator ein einzelnes zweidimensionales Bild unter Verwendung aller Pixel an. Für diesen Betriebstyp kann eine Hintergrundbeleuchtung von autastereoskopischem Betrieb auf eine Lambertsche Quelle umgeschaltet werden, z. B. unter Verwendung eines Elements vom in der Fig. 24 dargestellten Typ, so dass das Display aus einem großen Bereich von Betrachtungswinkeln erkennbar ist.

Claims

1. Autostereoskopisches Display mit einer Beleuchtungsquelle (1, 1a, 1b, 2. 2a, 2b, 9, 10) zum Erzeugen von Licht einer ersten Polarisation und Licht einer zweiten Polarisation, die von der ersten verschieden ist, und einem Raumlichtmodulator (4, 4a) zum Modulieren von Licht von der Beleuchtungsquelle (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b, 9, 10) sowie einem optischen System (3, 3a, 11, 17, 18) zum Lenken von Licht der ersten Polarisation zu einem ersten Betrachtungsbereich (6a) und Licht der zweiten Polarisation zu einem zweiten Betrachtungsbereich (6b), wobei der Raumlichtmodulator (4, 4a) eine erste und eine zweite Gruppe von Bildelementen aufweist, die optisch mit ersten bzw. zweiten Polarisations-Einstelleinrichtungen ausgerichtet sind, wobei die ersten Polarisations-Einstelleinrichtungen (5a, 31, 22 + 32, 22 + 44) Licht der ersten Polarisation durchlassen und im Wesentlichen das Durchstrahlen von Licht der zweiten Polarisation verhindern und die zweiten Polarisations-Einstelleinrichtungen (56, 33, 22, 22 + 45) Licht der zweiten Polarisation durchlassen und das Durchstrahlen von Licht der erste Polarisation im Wesentlichen verhindern.

2. Display nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polarisationsrichtung rechtwinklig zur zweiten verläuft.

3. Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Polarisations-Einstelleinrichtungen (5a, 5b, 33, 31, 22 + 32, 22, 22 + 44, 22 + 45) zwischen einer Modulationsschicht (20) des Raumlichtmodulators (4, 4a) und der Beleuchtungsquelle (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b, 9, 10) angeordnet sind.

4. Display nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (3, 3a, 11, 17, 18) zwischen der Beleuchtungsquelle (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b, 9, 10) und dem Raumlichtmodulator (4, 4a) angeordnet ist.

5. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b) mindestens eine Lichtquelle (9) und mehrere Polarisatoren (10, 10a, 10b) aufweist.

6. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildelemente der ersten Gruppe abwechselnd mit den Bildelementen der zweiten Gruppe vorliegen.

7. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (7) zum Steuern der ersten und zweiten Gruppe von Bildelementen zum Anzeigen eines ersten bzw. eines zweiten Bilds eines stereoskopischen Paars von Bildern.

8. Autostereoskopisches Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b, 9, 11) eine einzelne Lichtquelle und eine Polarisationseinrichtung zum Umsetzen des von dieser emittierten Lichts in Licht der ersten Polarisation und Licht der zweiten Polarisation aufweist.

9. Autostereoskopisches Display nach Anspruch 8, bei dem die Polarisationseinrichtungen eine Polarisationsfolie und eine Flüssigkristallschicht, die zwischen einem Zustand, in dem die Polarisation von durch die Flüssigkristallschicht laufendem Licht um 90 (2 m) Grad gedreht wird, wobei m eine ganze Zahl ist, und einem Zustand umschaltbar ist, in dem der Flüssigkristall die Polarisationsachse um 90 (2n + 1) Grad dreht, wobei n eine ganze Zahl ist, aufweist.

10. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumlichtmodulator (4, 4a) ein erstes und ein zweites Substrat (19, 21) aufweist, die zwischen sich eine einen Flüssigkristall (20) enthaltende Zelle bilden, wobei der Modulator (4, 4a) eine Anzahl von Bildelementen (12, 13) aufweist, die so ausgebildet sind, dass sie im selben Modus arbeiten, und die jeweils eine der innerhalb der Zelle angeordnete Polarisations-Einstelleinrichtungen (5a, 31, 33, 22 + 32, 22, 22 + 44, 22 + 45) aufweisen, wobei die Bildelemente (12, 13) als erste und zweite Gruppen angeordnet sind, die Polarisations-Einstelleinrichtungen (5a, 31, 22 + 32, 22 + 44) der Bildelemente (12) der ersten Gruppe so ausgebildet sind, dass sie Licht einer ersten Polarisation zwischen dem ersten Substrat (21) und dem Flüssigkristall (20) durchlassen, und die Polarisations-Einstelleinrichtungen (5b, 33, 22, 22 + 45) der Bildelemente (13) der zweiten Gruppe so ausgebildet sind, dass sie Licht einer zweiten Polarisation, die von der ersten verschieden ist, zwischen dem ersten Substrat (21) und dem Flüssigkristall (20) durchlassen.

11. Display nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildelemente (12, 13) so ausgebildet sind, dass sie im Modus mit im Normalzustand Schwarz arbeiten.

12. Display nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildelemente (12, 13) so ausgebildet sind, dass sie im Modus mit im Normalzustand Weiß arbeiten.

13. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b, 9, 10) so umschaltbar ist, dass sie für unpolarisiertes Licht oder Licht mit einer einzelnen Polarisation sorgt, wobei die ersten und zweiten Polarisations-Einstelleinrichtungen so angeordnet sind, dass das Licht durch sie läuft.

14. Display nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (1, 1a, 1b, 2, 2a, 2b, 9, 10) so umschaltbar ist, dass es als Lambertsche Quelle wirkt.

15. Display nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (7) zum Steuern der ersten und zweiten Gruppe von Bildelementen zum Anzeigen eines zweidimensionalen Bilds, wobei die Bildelemente der ersten und der zweiten Gruppe verschiedene Bildelemente des zweidimensionalen Bilds anzeigen.

16. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe der Bildelemente so ausgebildet ist, dass sie Licht einer dritten Polarisation ausgibt, und die zweite Gruppe von Bildelementen so ausgebildet ist, dass sie Licht einer vierten Polarisation, die von der dritten verschieden ist, ausgibt.

17. Display nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte und die vierte Polarisation orthogonal sind.

18. Display nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Polarisationsbrille mit einem ersten und einem zweiten Polarisator zum Durchlassen von Licht der dritten bzw. vierten Polarisation.

19. Display nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumlichtmodulator (4, 4a) so verdrehbar ist, dass er die Richtung des ihn durchlaufenden Lichts für stereoskopischen Betrieb umkehrt.