TWI303740B - Optical device and display - Google Patents

Description

1303740 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種光學裝置，該種光學裝置譬如可被使 用在能夠以二維（2D)模式與自動立體三維（autostereoscopic 3D)模式操作之顯示器内。本發明也關於包含此種光學裝置 的顯示器。 【先S’j技術】 GB 2 317 295與EP 0 829 744提及一種可在二維和三維模 式下操作的顯示器。附圖中的圖1顯示在二維與三維模式下 的此種顯示器之一種範例的基本結構。在三維模式下，該 顯示器包括一緊湊的延伸背光丨，該背光配置在實施成液晶 裝置（liquid crystal device LCD) 2的空間光線調變器（spatial light modulator SLM)之後。液晶裝置2有一後方偏光器3和 一前方偏光器4。在三維模式下，該顯示器為前方視差阻障 型，其中該視差阻障由形成在基板6上畫有圖樣之延遲器5 與偏光器7形成。 在也顯π於圖1之二維模式下，偏光器7被移除以使該視 差阻障的功能失效。 附圖中的圖2顯示在三維模式下的操作。延遲器5包括諸 如8的區域與諸如9的區域，區域8將穿過該區域的光線偏極 化方向旋轉90度，區域9不改變穿過該區域的光線偏極化方 向。區域8對應於視差阻障的光隙而區域9則對應於光隙間 的不透明阻障部份。 在圖2中，圖式平面内的偏極化方向以雙箭頭表示而與圖 86240 1303740 式平面垂直的偏極方向則以實心圓表示。來自背光1未被偏 極化的光線射入輸入偏光器3，輸入偏光器3幾乎阻擋所有 與圖式平面垂直的偏極化分量且有一透射軸1 〇，該透射軸 讓圖式平面内的偏極化分量通過。液晶裝置2的型式被控制 以改變穿過該裝置的偏極化方向使90度旋轉，相當於最大 亮度。輸出偏光器4的透射轴11正交於輸入偏光器3的透射 軸1 0，以使輸出偏光器4僅透射被偏極化成與圖式平面垂直 的光線。 來自輸出偏光器4通過區域9的光線之偏極化未被改變。 偏光斋7的透射軸12與偏光器4的透射軸11正交，以使通過 區域9的光線大部分被阻擋且區域9呈現黑色或不透明。通 過區域8的光線之偏極化方向被旋轉9 〇度而平行於偏光器7 的透射軸12。所以偏光器7透射此光線以使畫有圖樣之延遲 备5和偏光為7的組合被當作視差阻障。在顯示器的二維模 式下’偏光器7被移動到從顯示器到觀看者的光線路徑以外 或移除。因此該阻障結構不再可見，且來自區域8和區域9 的光線都透射到觀看者。 附圖的圖3顯示在三維模式下視差阻障的樣子，且顯 ’頃不器的|素化結構”夜晶裝置2包括#列成列與行的 (R) ”豕（G)和監（B)圖像元素（像素）。使用者用左眼和右 觀看的〜像被安排成父錯的像素行（LR)且與延遲器$的 隙區域8配口以在—平面上形成觀看視窗工6，該平面在顯 器前面以適當的觀看距離隔開。理想上，各視窗的光線 射輪廓應該是有”頂帽”功能，靖視窗内部有恨定的 86240 !3〇3740 線強度而在視窗外部則為零光線強度。但如圖3中i 8處所 示，在各視窗交會處有某些強度變異，且在各視窗外部的 非零強度會造成左影像和右影像之間的串音。 在如圖4中所的—^維作業模式下，來自延遲5之’’黑暗•’ 區域的光線被垂直偏極化而來自”光隙”區域8的光線被水 平偏極化。這造成觀看平面内因兩種偏極化形成不同的強 度分布，該兩種偏極化加總在一起，因為二者正交且不干 擾。當畫有圖樣之延遲器5被實施成畫有圖樣的半波板且各 光隙區域8之光軸方向與各黑暗區域9之光軸方向不同時， 穿過黑暗區域9的光線因為延遲器慢軸而僅碰到單一折射 率，而穿過區域8的光線則碰到延遲器的快軸和慢軸而因此 通過不同的光線路徑。當該路徑上放有一偏光器時，偏極 化被做成相同且光線路徑能夠干擾。但是，一般而言，在 路徑之間有相對相位偏移，所以增加振幅 銷變異。這會造成顯示面整體在二維模式下亮抵 而這是不好的。

AhP 0 887 666中提及的

附圖中的圖5顯示GB /三維型顯示器的二維模式。圖5的顯示器與圖2中所示顯7 器的不同點在於偏光器7不是在二維模式下被移除，而是淨 安排成使其透射軸12相料偏絲4之透射轴^_45。。’ 圖5的下部說明顯示器在二維模式下對料波前的遷 響。區域9的慢軸與來自偏絲4之光線偏極化方向對齊 從而如20處所示般，來自區域9的光線有均勻的波m 區域8之光線的偏極化彳向被旋轉9〇。且經過區域㈣快車 86240 1303740 和慢轴。這顯示於21處。 偏光器7被旋轉以傳遞來自區域8和9的光線。明確地說， 偏光器7傳遞來自區域9的一部分光線，該光線僅經過延遲 器5的慢軸。但是偏光器7傳遞來自區域8的光線，該光線經 過快軸和慢軸。所以偏光器7如22處所示般透射非均勻的波 前，且這如上文所述般會引發二維模式下非均勻的視窗亮 度。 【發明内容】 根據本發明的第一種相態，本發明提出一種光學裝置， 该光學裝置包括一輸入偏光器、一偏極化修改元件、及一 輸出偏光器，該輸入偏光器用來傳遞具有第一偏極化方向 的光線，孩偏極化修改元件從該輸入偏光器接收具有第一 偏極化方向的光線，該輸出偏光器用來分析來自該偏極化 修改元件之光線，該偏極化修改元件至少包括第一與第二 組區域’該第-組區域(或第一組的各區域)把來自輸入偏光 器之光線的偏極化改變成與第一偏極化方向不同之第二偏 極化万向’且第二組區域（或第二組的各區域）供應與第二偏 極化方向不同之第三偏極化方向的光線，輸出偏光器與偏 極化改變元件配合以梓决& 4人 口便不自輸入偏光器之光線在穿過第一 組區域和輸出偏光器的第一光 九、、果路徑上又哀減率及相位變 化大致相同於穿過第二细p β 一 罘一、、且E域和輸出偏光器的第二光線路 fe上之衰減率及相位變化。 第一組區域與第二組區域六 A 了人錯配置且可分別包括第一 與第二平行長條。第一長 仅栎了有罘一覓度且第二長條可有 86240 1303740 比第一長條為寬的第二寬度。 弟一與弟二偏極化方向可大致正交。 第三偏極化方向可與第一偏極化方向相同。 該裝置可有另一種供選擇操作模式，在該模式下，輸出 偏光器被配置以傳遞來自第一組區域與第二組區域中:組 區域的光線，並衰減來自第一組區域與第二組區域中另^ 組區域的光線。該第一組區域與第二組區域中的一組區域 可為該第-組區域。輸出偏光器可被配置以在該另—種供 選擇模式下大致阻播來自第—組區域與第二組區域中另— 組區域的光線。 偏極化修改元件可包括—畫有圖樣的延遲器，且輸出偏 光器可被配置以對來自第_與第二組區域之光㈣㈣和 快㈣量透射相同的比率。輸出偏光器可被配置以僅透射 來自第一與第二組（各）區域之光線的慢軸分量。延遲器可包 括光致水口 4匕水合體。&遲器可在彳見光頻率下提供半波 延遲n(各）區域的慢抽可指肖與第一偏極化方向成 45 ，且罘二組（各）區域的慢軸可平行於第一偏極化方向。 輪出偏光器可透射偏極化方向被指向與第—偏極化方向成 45的H輸出偏光器可在另_種供選擇模式下被重新轉 向:透射偏極化方向大致正交於第_偏極化方向的光線。 第。一组（各}區域之慢軸可指向與第一偏極化方向成 22.5 ，且第—組（各）區域之慢軸可指向與第一偏極化方向 成-22.5。。 一偏極化方向，且第二 第一組（各）區域之慢軸可平行於第 86240 1303740 組（各）區域之慢軸可指向與第一偏極化方向成45。。 該裝置可進一步在輸入與輸出偏光器之間包括另一個偏 極化修改元件。該另一個元件可為另一個延遲器。該另一 個延遲器可在可見光頻率下提供半波延遲。該另一個延遲 器可為液晶裝置。 該另一個延遲器的慢軸可指向與第一偏極化方向成 22·5 。輸出偏光器可透射偏極化方向平行於第一偏極化方 向之光線。該另一個延遲器與輸出偏光器可在另一種供選 擇模式下以一整體單元方式繞著一平行於第一組（各）區域 之慢軸的軸旋轉180。。 該另一個延遲器可包括至少一個區域，該區域之慢軸可 在大致平行於第一和第二光線路徑之第一方向與大致垂直 於第一方向的第二方向之間切換。該另一個延遲器可為傅 兑德瑞克斯（Freedericksz)單元。 孩第一方向可用在另一種供選擇模式下，該第二方向可 指向與第一偏極化方向成22.5。，且輸出偏光器可透射偏極 化方向垂直於第一偏極化方向之光線。 藏第二方向可用在另一種供選擇模式下且可指向與第一 偏極化方向成67.5。，且輸出偏光器可透射偏極化方向垂直 於第一偏極化方向之光線。 β第一方向可用在另一種供選擇模式下且可指向與第一 偏極化万向成22.5。，且輸出偏光器可透射偏極化方向指向 與第一偏極化方向成45。之光線。 这另一個延遲器可包掊至少一個區域，該區域之慢軸可 86240 -11 - 1303740 在大致垂直於第一與第二光線路徑的第三與第四方向之間 切換。該第三方向可垂直於第一偏極化方向，且該第四方 向可用在另一種供選擇模式下且可指向與第一偏極化方向 成67.5° 。 該另一個元件可包括一偏極化旋轉器。該旋轉器可包括 至少一個提供45。偏極化旋轉之區域。該旋轉器可包括扭轉 向列液晶裝置。 該液晶裝置可在較接近輸入偏光器之液晶表面處有一平 行於第一偏極化方向之排列方向，且在較接近輸出偏光器 之液晶表面處有一指向與第一偏極化方向成45。的排列方 向。 該液晶裝置可在較接近輸入偏光器之液晶表面處有一指 向與第一偏極化方向成22.5。之排列方向，且在較接近輸出 偏光器之液晶表面處有一指向與第一偏極化方向成n 2.5。 的排列方向。 該液晶裝置可在較接近輸入偏光器之液晶表面處有一指 向與第一偏極化方向成12.5。之排列方向，且在較接近輸出 偏光器之液晶表面處有一指向與第一偏極化方向成1〇2.5。 的排列方向。 該偏極化旋轉器可在另一種供選擇模式下使失效。 根據本發明的第二種相態，本發明提供一種顯示器，該 顯示斋包括根據本發明第一種相態的裝置。 該顯示器可包括一諸如液晶空間光線調變器之空間光線 調變器。 86240 -12- 1303740 該顯示器可有一自動立體模式。該裝置在另一種供選擇 模式下可形成一前方或背後視差阻障。 在本發明說明的整個描述中，角度的正值可為順時針方 向或逆時針方向，而負值則表示相反方向的角度。而且， 所有偏極化方向與延遲器慢軸的角度均以”滿〗8〇。模，， (modulo 180°)表示。所以各角度$等同於各角度（$ +n 1 80) ’其中n為任何整數。但是在某些裝置的情況下， 因為其結構的固有特性，0值比（6> +18〇。）好，因為如此可 有較佳的效能。 所以可能提供一種適用於顯示器内 使用於也有二維操作模式的自動立體三維顯示器内時，血 種裝置大幅減少或抑制二維模式下顯示器整體光線強度的 變異。譬如，當該裝置操作成為三維模式下的视差阻障^ ^ ^弱強度長條（相當於三維模式下的_或絲區域）在二 :扠式下被大幅抑制，結果和已知類型的顯示器比較起 來’此種視覺瑕射被移除或減少到觀看者看不到的程度。 各種實施法容許藉著將該裝置反轉或藉著全電子電路 \ 置而使操作模式改變。不需要移除顯示器的任何零件，所 :不需要提供任何儲存設備或複雜的對齊設備㈣ :齊在=零：情況下，可輕易地達成與顯上 不.要可切換液晶元件的細緻解析度電極圖 “丄’不需要液晶元件次像素對齊空間光線調變器。 受與暗狀態的消色差性可獲得改 式下串音的降低。 以成二維操作模 86240 -13 - 1303740 精於本技術領域者在閱讀並了解下文的詳細描述並參考 附圖後，即可清楚知道本發明的這些和其他優點。 【實施方式】 下文將參考圖式描述本發明的實施法。 圖6顯示構成本發明一種實施法並形成自動立體顯示哭 一部分的光學裝置，該光學裝置也構成本發明的一種實2 法且有自動立體三維操作模式和二維操作模式。二維操作 模式顯示於圖6中，且在此模式下，圖6所示的該裝置與顯 示器與圖5所示的裝置與顯示器不同點在於輸出偏光器7之 透射軸12指向與偏光器4之透射軸11成45。，這包括一形成 空間光線調變器之液晶裝置（LCD) 2的輸出偏光器。 因為液晶裝置一般的配置是其輸出偏光器的透射軸n相 對於此種裝置所顯示之影像的影像法線成_45。，這是在圖6 與其他圖式中所顯示的方向。所以，目式中所有角度都以 法線為基準，而且圖式顯示偏光器4之透射方向u指向 -45。故區域慢軸指向〇。而區域9之慢軸則指向。。輸 出偏光器7的透射軸12指向〇。。 如圖6的下部所示且如上文參考圖5所述，被偏極化到偏 光器4之透射軸11之方向的光線僅走過區域9的慢軸，且從 而如20處所示般有均勻的波前。穿過區域8的光線如21處所 示般走過區域8的快軸與慢軸。走過畫有圖樣的延遲器5之 快軸的光線"Γ之波前領先走過其慢軸的光線"s，，之波前。但 是輸出偏光器7的透射軸12在二維操作模式下被旋轉，以僅 透射來自區域8和9走過慢軸的光線，走過快軸的光線被輸 86240 -14- 13 03 7樽伊2117302號專利申請案

中文說明書替換頁(96年4月辦4. U 出偏光器7有效地消除。所以如24所示般，來自顯示器整個 區域的光線有大致均句的波前，所以肇因於延遲器5之圖樣 的顯示器整體強度變異被大幅消除或降低到一程度，不利 . 的視覺瑕疵在該程度大體上不會被顯示器的觀看者看到。 在圖6所示實施法中，穿過區域9的光線僅走過慢軸。但 是，在穿過區域8與9之光線走過快軸與慢軸的其他實施法 中，輸出偏光器7可被配置以對來自區域8與9之光線傳送相 同比率之快軸與慢軸分量，以使輸出光線具有均勻的波 前。類似地，該旋轉可使來自區域8與9的光線經歷相同程 度的衰減。所以，通過該裝置的各光線路徑對區域8與9呈 現相同的衰減與相位效果。 為了在自動立體三維模式下操作圖6中所示顯示器，需要 一輸出偏光器的透射軸旋轉45。，亦即垂直於液晶顯示器輸 出偏光器4的透射軸丨丨。當透過此偏光器觀看時，來自區域 9的光線大體上被消除以使這些區域看來是不透明的，而光 線透過區域8傳送，藉此有效地形成視差阻障的光隙。為了 在二維與二維操作模式間改變，可配置可交互變化妁偏光 器7,或可安排使偏光器7旋轉。 圖7顯示構成本發明另一種實施法的一種光學裝置及自 動互體三維/二維顯示器。圖7中所示裝置與圖6中所示裝置 不同點在於還有另一個半波延遲器25配置在畫有圖樣之延 遲器5和輸出偏光器7之間，且輸出偏光器7的透射軸12在二 維操作模式下被旋轉到-45。。延遲器25是一均勻片狀延遲 器’其慢轴被旋轉到-22.5。。 86240-960410.doc -15- 1303740 通過E域8與9之光線的偏極化方向分別顯示為2 6與2 7。 在通過延遲器25之後，來自區域8與9之光線的偏極化分別 被如28與29所示般旋轉。如前一實施法般，偏光器7僅透射 文慢轴影響的光線，以使分別來自光隙區域8與阻障區域9 的輸出光線30和31在相位、振幅、與偏極化方面都匹配。 在三維操作模式下，不需要延遲器25且輸出偏光器7的透 射軸12必須在45。。這可藉如圖8中所示將延遲器與偏光器7 形成一整體元件32而非常方便地達成。偏光器7與延遲器25 ’成在非雙折射基板3 3的相反兩侧上，而畫有圖樣的延 遲备5形成在、一非雙折射基板34的一側上。二維組態顯示於 圖8的右侧而三維組態則顯示在左側。在三維模式下，偏光 裔7配置在畫有圖樣之延遲器5和均勻延遲器25之間，以使 均勻延遲器25幾乎沒有任何影響且對觀看者而言幾乎看不 到。在兩種模式之間的切換可藉將載有偏光器7和延遲器以 之基板33繞著如圖中箭頭35所示的垂直軸旋轉18〇。而達 成。所以不需要提供料的料器，因為整個顯示器經常 處於"使用中”狀態。 圖9顯示-種與圖8中所示不同的裝置，其不同點在於輸 出偏光器7與均勾延遲器25形成在基板33的相同侧上。此種 配置對延遲器25提供較佳的保護，並降低需要用保護性覆 膜對基板的兩側純”硬覆膜.，。抗反射覆膜可當做必要提 供者且最好為大致非雙折射者，以避免對裝置產生不利的 光學效果改變。 其中延遲器25被實 圖10到12顯示另一種裝置和顯示器 86240 •16- 1303740 施成可電氣切換半波延遲器以在二維操作模式和三維操作 挺式之間切換。延遲器25可在兩種狀態之間切換，其在第 一種狀態下當做慢軸被旋轉到22.5。的半波延遲器（如圖n 中所示在三維自動立體模式下）；其在第二種狀態下提供幾 乎為零的延遲（如圖12中所示在二維模式下）。譬如在二維模 式下’慢軸可被切換垂直於延遲器25的平面且大致平行於 穿過該裝置與顯示器的光線路徑。可切換延遲器25可被實 施成諸如具有反平行排列之傅立德瑞克斯組態扭轉液晶裝 置的液晶裝置。江拉施（Jianra Shi·)在液晶（Liquid Crystal) 2002 年 29 卷 1冊的"Criteria for the first order Freedericksz transition”文中提及此種型式的裝置。在此種裝置中，當電 壓施加給液晶層兩側時，液晶導引器_連帶的慢光軸_大致呈 垂直於該裝置平面的狀態以呈現均勻的折射率，從而沒有 雙折射發生，讓光線以垂直方向穿過該裝置。 液晶裝置可被組態以在兩種狀態下都均勻，在該情況 下，整個顯示器可成為一個單元在二維與三維模式之間切 換。或者，被適當地畫圖樣的電極可配置在液晶裝置内以 使顯示器的不同區域可為了二維或三維作業而彼此分別獨 立組態。 如圖11與12中所示’延遲器5的區域8和9之慢軸分別被旋 轉到-22.5°與-67.5°，以使其方向相對於偏光器4之透射軸u 對稱。偏光器7之透射軸12正交於透射軸11。 在如圖11所示的三維模式下，延遲器25被組態使其慢軸 處於+22.5。。所以偏極化26和27被轉換成偏極化28與29。偏 86240 -17- 1303740 光器7大體上消除來自區域9的偏極化”並以最小衰減讓來 自光隙區域8的偏極化28通過。如此，該光學裝置具備視差 阻障的功能。 在如圖12所示的二維模式下，實際上使延遲器25失效， 以使分別來自區域8和9的偏極化26和27分別如28和29所示 般以未改變方式通過。所以，偏光器7把來自區域8和9的光 線以相位、振幅與偏極化匹配的方式如3〇與31所示般傳遞。 在三維模式下，延遲器5與25可具有大致匹配的散射率。 所以，正父偏光益4與7的存在連同散射率匹配的延遲器造 成通過區域9的整個可見光譜光線良好的滅絕，從而造成三 維模式下良好㈣音效能。延遲器5與25的散射率匹配造成 通過光隙區域8之亮度具有更佳消色差效能。 圖13顯示一種背後視差阻障顯示器，其中背後視差阻障 是由與圖11和12中所示相同類型之光學裝置形成的。但在 圖13中所示裝置裡，液晶裝置的背後偏光器變成光學裝置 的輸出偏光器7，且輸入偏光器4和液晶裝置清楚區分。而 且，切換液晶延遲器25在光線透射穿過該裝置的方向上配 置在畫有圖樣之延遲器5的前面。這使晝有圖樣的延遲器5 (該延遲器在三維模式下有效地界定背後視差阻障）如圖14 中所示般較接近顯示液晶裝置2，以縮短阻障和顯示像素間 的距離。縮短此距離可讓從顯示器前方觀看的最佳距離得 以縮短，譬如可使顯示器能在諸如行動電話與個人數位助 理器等手持裝置内觀看。 背後視差阻障型顯示器更適合使用於同時具有透射與反 86240 -18- 1303740 射操作模式的半透射半反射顯示器。藉將視差阻障配置在 頭不液晶裝置2的後面，在反射模式下光線通過前方視差阻 障兩次所造成的衰減得以大幅免除且這可獲得較亮的反射 模式。 如圖14中所示，在切換液晶裝置25中，畫有圖樣的延遲 器和液晶裝置2被做成獨立的裝置，該二裝置在往後被放在 一起以形成完整的顯示器。所以，切換液晶裝置25有玻璃 基板40和41、畫有圖樣的延遲器5形成在玻璃基板42上、且 液晶裝置2有玻璃基板43和44。 如圖15中所示，可藉將畫有圖樣之延遲器形成在切換液 晶裝置25的基板41上而省略基板42。因此可提供厚度較薄 的顯示益且在需要相當薄的裝置内具有應用優勢。 圖16顯示藉免除基板41並在切換液晶裝置25與顯示液晶 裝置2之間分旱基板44而進一步減少厚度。在此情況下，延 遲器5與偏光器7被實際形成為液晶裝置25内的内部構成元 件。這些構成元件-且特別是偏光器7 _的種類必須是能夠耐 得住後續溫度與化學處理程序以形成裝置25之透明電極與 對齊層的。EP 0 887 692和鮑伯羅夫（Bobrov)等人在Proc. SID 2000 中的 ”Ly〇tr0pic thin film polansers” 中提及適合此 種内邵應用的範例。 圖17顯示一種與圖13所示者不同的背後視差阻障裝置， 其不同點在於區域8與9的慢軸方向朝向〇。與_45。、液晶延遲 器25的慢軸在三維模式下朝向22 5。、且偏光器4的透射軸j j 朝向0 °。此種組態提供一種在圖17中所示二維模式下更具 86240 -19- 1303740 有色差消性的輸出’且因此減少色彩再生的錯誤。 _示另一種背後視差阻障型顯示器的二維模式，立 中-維模式發生在液晶延遲器25關閉的情況下。當^ =模f是主要用途且功率消耗甚為重要譬如在以電池: 私的I置中_時，此種裝置可能是較佳的。 ’、 在圖18的顯示器中，區域8和9的轴分別朝向％。和a。 在液晶延遲器25被關閉的：維模式下，延遲器的慢輛朝向 22.5。偏光器4之透射㈣正交於偏光器7之透射方向^且 朝向45。。當液晶延遲器25被啟動時，延遲大致被消除且顯 示功能處於自動立體三維模式下。 圖19顯示另一種背後視差阻障顯示器，其中液晶延遲器 25被當作偏極化旋轉器以對來自偏光器4之光線產生Μ。的 偏極化方向旋轉。延„25是扭轉向縣置，該裝置在分 別較接近偏光器4和延遲器5的扭轉向列液晶層表面處的排 列方向50和51之間有—相對角度。排列方向5峨顯示為平 行於透射軸11且在排列方向50和51之間有45。的扭轉。但是 液晶裝置25可相對於透射軸丨丨旋轉到任何角度且對通過其 的光線之偏極化方向產生45。的旋轉。 在二維模式下，裝置25提供45。的偏極化方向旋轉。對自 動立體三維模式操作而言，電壓施加到扭轉向列液晶層的 兩侧以使液晶導向器垂直於該裝置平面方向排列且不提供 偏極化方向旋轉。 圖20中所示顯示器與圖19中所示顯示器不同點在於裝置 25的扭轉是9〇。。此種裝置可”自我補償”且可在較低電壓下 86240 -20- 1303740 操作。藉適當選擇角度和延遲可用此裝置達成45。的旋轉。 本發明者在英國專利申請案第0215057.1號（與本專利申請 案同日提出’名為"Polarisation Rotator，Parallax Barrier， Display and Optical Modulator，，，且編號為 P52138GB)中提及 此類裝置。 對入射到扭轉向列液晶上的線性偏極化光線而言，若正 確選擇扭轉（Φ )、延遲（△!!·(!)、與來自偏光器之輸入導向器 的方向（0 )，則可用任何裝置扭轉角度獲得任何被選擇之偏 極化方位角值的線性偏極化。對線性偏極化光線相對於入 射偏極化方向旋轉45。而言，下列公式可藉將斯托克斯 (Stokes)參數列入傳播通過扭轉向列結構的線性偏極化光 線考慮而導出： tan“VTfa2)= Vl + a7 "~λ 其中λ是入射光線的波長。這些公式可以數值解開以獲得 一組解，如圖21中所圖示般。 圖22顯示一與圖20中所示不同的裝置，其不同點在於角 度與延遲已經被改變以使整個可見光譜都有最佳效能。當 電壓施加給裝置25的液晶層時，該裝置對系統沒有光學影 響。所以延遲和旋轉可對需要改變偏極化的狀態做最佳 化，以使通過畫有圖樣之延遲器5的光隙區域與阻障區域所 產生的強度與色彩大致相同。 圖23顯示具有可切換延遲器25之前方視差阻障顯示器， 86240 -21 - 1303740 其中忮軸在二維模式（顯示於圖23的左下部）下的22 5。與二 維模式（顯不於圖23的右下部）下的45。之間切換。此種可切 換延遲器可實施成同平面切換型液晶裝置，像是鐵電液晶 (ferroelectric liquid crystal FLC)，譬如克拉克（Clark N.A.) 與拉嚷威爾（Lagarwell S.T w198_Appl Phys Lett。36, 899 中#疋及者）、抗鐵電液晶（抓^ ferr〇eieCfric iiqUid crystal AFLC)、或雙穩態扭轉向列⑼stable twisted nematic BTN) 裝置（譬如柏里曼（D.W. Berreman)與赫夫納（W.R. Heffner)在 1981年J· Appl. Phys·，52，3032中提及者）（譬如強達尼 (Chandani)等·人在 1989年Jpn. j Appl· Phys。28, L1261 中提及 者）°偏光器4與7和畫有圖樣之延遲器5被如圖12中所示般 配置。 圖24顯示一種類似於圖9中所示類型之顯示器，但是其中 二維模式與二維模式類似於圖丨〇的電氣可切換顯示器。所 以圖24之顯示器可被視為圖1〇之顯示器的’，機械類似物”， 其中切換液晶延遲器被譬如固定片狀延遲器代替。 圖25顯示一種裝置，該裝置與圖12的裝置不同點在於偏 光為7之透射軸12平行於偏光器4之透射軸11。來自區域8與 9的光線在相位、振幅與偏極化方面匹配。 其他電氣切換實施法也有機械類似物，精於本技術領域 者可輕易了解之。在切換扭轉向列裝置的情況下，可使用 扭轉固定延遲器結構。譬如，此種結構可藉將對掌性接雜 物加入液晶聚合物或反應内消旋材料以產生所需的螺旋狀 結構’接著再做聚合來使用。 86240 •22- 1303740 相對於上文所述的液晶模式，也可能採用平面外切換（〇ut of plane switching OPS)類型。〇PS類型可為均質排列或非均 質排列’或混合排列（hybrid aligned HAN)。藉使用垂直排 列和負介電各向異性液晶材料可獲得任何均勻排列正介電 向列液晶裝置的反操作（到一好的接近程度）。所以，藉著從 一種排列改變成另一種排列，顯示器的未加電源狀態可在 二維模式和三維模式之間改變。可藉簡單地使厚度大到兩 倍（假設扭轉是〇。）並將排列從均勻改變成垂直而使用han 液晶裝置取代均勻排列向列液晶裝置。也可使用增你索雙 穩態向列（Zenithal Bistable Nematic ZBN)模式，且其具有真 實雙穩態及非常低功率消耗的優點，因為只需要從一種狀 怨切換到另一種狀態的功率。在一種狀態下，ZBN LCD擁 有HAN的組態，而在另一種狀態下，則擁有垂直排列 組態。 上文所述的所有光學裝置可被使用做為前方或背後視差 阻卩早。而且，如上文所述，顯示器的不同區域可同時在二 維和二維模式下操作。譬如，圖26顯示電極圖樣”和“在 一切換LCD 25之範例的基板上以讓不同的區域同時以不同 模式操作。圖26也顯示該顯的外觀，其上部·域和下 部區域在二維模式下操作以顯示文字，而中間區域則在三 維模式下操作以顯示影像。纟此種設備中，彳望不同區域 的党度能匹配-譬如藉調整軟體内使用的灰階範圍。 對精於本技術領域者而言，可清楚地知道有許多種其他 修改’且可輕易地進行修改而不背離本發明的範轉與精 86240 -23 - 1303740 並不在限制所附申請專利 範圍應了廣義的解釋。 神。所以本文所陳述的插述用意 範圍的範疇，本發明之申請專利 【圖式簡單說明] 上文藉由範例參考 圖1是已知類型之 斷面圖示； 、圖進一步描述本發明，諸附圖中： 顯示器在三維與二維操作模式下的橫 π棂断面圖，說明三維操作模式； 圖3是圖1之顯示器在 一〜判 —維挺式下的橫斷面圖示； 圖4顯示圖1之顯示 度的變異；. 維棱式下的橫斷面圖，㈣ 圖5是另一種已知類 π 下顯示器整體發生亮产線 W的圖7^ ’說明在二維模； 儿度、交兴的機制； 圖6是說明構成本發 之光學裝置的圖示弟—種貫施法之顯示器的， 圖7以圖示說明構成 類示器； #以-種貫施法之光學裝置禾 ==圖7之顯示器不同實體配置的橫 =說：圖7之顯示器不同實體配置的橫斷面圖示； =疋說明圖7之顯示器不同實體配置的橫斷面圖示； ®以圖示說明構成本發 顯示器； 方弟―種貫施法^學裝置和 装置和 圖丨2以圖示說明圖u之 圖13以圖示說明構成本 顯示器； 顯示器的二維模式； 發明第四種實施法之光學 86240 -24- 1303740

斷面圖 圖15是說明圖11與12之顯示

圖16是說明圖11與I]之顯 斷面圖

圖19以圖示說明構成本發明第七種實施法之光學 顯示器； # 顯 圖20以圖示說明構成本發明第八種實施法之光學裝置和 顯示器； 圖21是說明用來產生45。偏極化旋轉之輸入偏極化、扭 轉角度和延遲的組合圖； 圖22以圖示說明構成本發明第九種實施法之光學裝置和 顯示器； 圖23以圖示說明構成本發明第十種實施法之光學裝置和 顯示器； 圖24包括構成本發明裝置的第十一種實施法之光學裝置 和顯示器的實體配置之斷面圖； 圖25以圖示說明構成本發明第十二種實施法之光學裝置 和顯示器；且 86240 -25- 1303740 圖2 6顯示切換液晶裝置之電極圖樣和包含此種液晶裝置 之顯示器的外觀範例。 諸圖式中類似的編號表示類似的構成元件。 【圖式代表符號說明】 1 背光 2 液晶裝置 3 後方偏光器 4 前方偏光器 5, 25 延遲器 6 基板 7 輸出偏光器 8, 9 區域 10, 11， 12 透射轴 15 產生之視差阻障 16 視窗 18 旋繞視窗 20, 21，22, 24 波前 27, 29, 31 阻障 26, 28, 30 光隙 32-45 度下的液晶裝置輸出偏極化 33, 34 非雙折射基板 35-45 度下的偏極化 40, 41， 42, 43, 44 玻璃基板 50, 51 排列方向 55, 56 電極圖樣 86240 -26-

Claims (1)

13035^¾117302號專利申請案 〜 ψ].ΪΦ 办申請專利範圍： 匕… 〜—」·ΐ\ 一種光學裝置，包括用以傳送具有第一偏極化方向之光 i的輸入偏光器、用以從該輸入偏光器接收該第一偏極 化方向的光線之偏極化修改元件、及用以分析來自該偏 極化修改元件之光線的輸出偏光器，該偏極化修改元件 包括至少第一與第二組區域，該第一組區域的各該區域 把來自該輸入偏光器的光線之偏極化改變成與該第一偏 極化方向不同之第二偏極化方向，且該第二組區域的各 ‘ 邊區域提供與該第二偏極化方向不同之第三偏極化方向 的光線w亥輸出偏光器與該偏極化修改元件配合運作以 使牙過a弟組區域之各該區域和該輸出偏光器的各第 一光線路徑對來自該輸入偏光器的光線有大致與穿過該 第二組區域之各該區域和該輸出偏光器的各第二光線路 徑相同的衰減率與相同的相位變化，其中該偏極化修改 凡件包括一圖案化延遲器，且其中該輸出偏光器被配置 以將來自該第-與第二組區域之光線的慢軸分量和快轴 分量以相同比率透射。 2·如申請專利範圍第旧之裝置，其中該第一與第二組區域 之該等區域彼此交錯且分％包括第一肖第二平行長條。 3·如申請專利範圍第2項之裝置，其中該第一長條有第一寬 度且該第二長條有比該第一寬度為寬的第二寬度。 4. 如申請專利範圍第旧之裝置，其中該第二與第三偏極化 方向大致垂直。 5. 如申請專利範圍第1之裝置，其中該第三偏極化方向與 86240-970904.doc 740 該第一偏極化方向相同。 6. 2申請專利範圍第1項之裝置，具有另-種供選擇的操作 式°亥輸出偏光益在該操作模式下被安排成傳送來自 該第一與第二組其中一 、、且之邊荨區域的光線並衰減來自 該第一與第二植 、八中另一組之該等區域的光線。 Λ如申請專利範圍第6項之奘罢甘| 矛峭之裝置，其中該第一與第二組其中 的該一組是該第一組。 8.如申睛專利範圍第6項之奘罢 項之裝置，其中該輸出偏光器大致被 -，成在該另_供選擇的操作模式下阻播來自該第一 與第二組其中另一組之光線。 士申π專利耗圍第1項之裝置，其中該輸出偏光器被配置 、僅透射來自$第—與第二組區域之光線的該慢轴分 量° 10 ·如申清專利範圍第1 祀固乐1項之裝置，其中該延遲器包括一光致 聚合化聚合體。 u·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該延遲器提供可見光 頻率下的半波延遲。 如申請專利範圍第"項之裝置，其中該第一組區域之各 該=域的該慢軸被相對於該第一偏極化方向旋轉45。，且 "亥第-、组區域之各該區域的該慢軸平行於該第—偏極化 方向。 申明專利範圍第12項之裝置，其中該輸出偏光器透射 偏極化方向相對於該第一偏極化方向旋轉M。的光線。 %如申請專利範圍第13項之裝置，其中該輸出偏光器大體 86240-970904.doc -2 - 1303740 上被配置以在該另一種供選擇的操作模式下阻擋來自該 第一與第二組其中另一組之光線，且可在該另一種供選 擇的操作模式下可再導向地以透射偏極化方向大致垂直 於該第一偏極化方向之光線。 I5·如申請專利範圍第丨丨項之裝置，其中該第一組區域之各 嫿區域的該慢軸被相對於該第一偏極化方向旋轉22.5。， 且。亥第一組區域之該區域的該慢軸被相對於該第一偏極 化方向旋轉-22.5。。 16·如申請專利範圍第丨丨項之裝置，其中該第一組區域之各 該區域的該慢軸平行於該第一偏極化方向，且該第二組 區域之各該區域的該慢軸被相對於該第一偏極化方向旋 轉 45°。 17·如申請專利範圍第丨項之裝置，進一步在該輸入與輸出偏 光器之間包括另一個偏極化修改元件。 18.如申請專利範圍第17項之裝置，其中該另一個偏極化修 改元件是另一個延遲器。 19·如申請專利範圍第18項之裝置，其中該另一個延遲器提 供可見光頻率下的半波延遲。 20.如申請專利範圍第19項之裝置，其中該另一個延遲器是 液晶裝置。 21·如申請專利範圍第19項之裝置，其中該輸出偏光器大體 上被配置以在該另一種供選擇操作模式下阻擋來自該第 一與第二組區域其中另一組區域之光線，該延遲器提供 可見光頻率下的半波延遲，該第一組區域之各該區域的 86240-970904.doc -3 - 1303740 該慢軸被相對於該第一偏極化方向旋轉45。，且該第二組 區域之各該區域的該慢軸平行於該第一偏極化方向，卞 另一個延遲器的慢軸相對於該第—偏極化方=旋= 22.5°。 W 22. 如申請專利範圍⑽項之裝置，其中該輸出偏光器透射 偏極化方向平行於該第一偏極化方向之光線。 23. =申請專利範圍第22項之裝置，具有另一種供選擇操作 板式，其中該輸出偏光器被配置以傳送來自該第一與第 二組區域其中一組區域的該等區域之光線，並衰減來自 。亥第一與第二組區域其中另一組區域的該等區域之光 線"亥輸出偏光器大體上被配置以在該另一種供選擇操 作模式下阻擋來自該第一與第二組區域其中該另一組區 域的光線，該另一個延遲器與該輸出偏光器可當做一個 單元在該另一種供選擇操作模式下繞著一軸旋轉180。，該 轴平行於該第一組區域之各該區域的該慢軸。 24·如申請專利範圍第20項之裝置，其中該另一個延遲器包 括至少一個區域，該區域之慢軸可在一大致平行於該第 一與第二光線路徑之第一方向與一大致垂直於該第一方 向之第二方向之間切換。 25. 如申請專利範圍第24項之裝置，其中該另一個延遲器是 傅立德瑞克斯單元。 26. 如申4專利範圍第24項之裝置，具有另一種供選擇操作 模式，其中該輸出偏光器被配置以傳送來自該第一與第 二組區域其中一組區域的該等區域之光線，並衰減來自 86240-970904.doc -4 - 1303740 該第一與第二組區域其中另一組區域的該等區域之光 線’該輸出偏光器大體上被配置以在該另一種供選擇操 作模式下阻擋來自該第一與第二組區域其中該另一組區 域的光線，該偏極化修改元件包括畫有圖樣之延遲器， 且該輸出偏光器被配置以把來自該第一與第二組區域之 光線的慢軸分量和快軸分量以相同比率透射，該延遲器 提供可見光頻率下的半波延遲，該第一組區域之各該區 域的該慢軸相對於該第一偏極化方向旋轉45。，且該第二 組區域之各該區域的該慢軸平行於該第一偏極化方向， 該第一方向係為該另一個供選擇操作模式用，該第二方 向相對於該第一偏極化方向旋轉22·5。，且該輸出偏光器 透射偏極化方向垂直於該第一偏極化方向之光線。

一組區域的光線， 86240-970904.doc 丨且福來自該第 該圖案化延遲 -5- 1303740 益提供可見光頻率下的半波延遲，該第-組區域之各， 區域的該慢軸平行於該第—偏極化方向，且該第二組區 域之各^區域的該慢軸相對於該第-偏極化方向旋轉 45。’該第二方向係為該另一個供選擇操作模式用且相對 於該第-偏極化方向旋轉22 5。，且該輸出偏光器透射偏 極化方向相對於該第一偏極化方向旋轉Μ。之光線。 29.如申請專利範圍第〗 J祀固笫19項之裝置，其中該另一個延遲器包 括：少-個區域，該區域之慢軸可在大致垂直於該第一 與第二光線路徑的第三與第四方向之間切換。 3〇·如申請專利範圍第29項之裝置，其中該輸出偏光器大體 上被配置以在該另一個供選擇操作模式下阻擋來自該第 與第一組區域其中另一組區域的光線，該圖案化延遲 器提供可見光頻率下的半波延遲，該第-組區域之各該 區域的歧1*又軸相對於該第一偏極化方向旋轉22·5。，且該 第一組區域之各該區域的該慢軸相對於該第一偏極化方 向方疋轉22.5 ’該第二方向垂直於該第一偏極化方向且該 第四方向係為該另一個供選擇操作模式用且相對於該第 一偏極化方向旋轉67.5。。 31 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該另一個元件是偏 極化旋轉器。 3 2·如申印專利範圍第31項之裝置，其中該圖案化延遲器提 供可見光頻率下的半波延遲，該第一組區域之各該區域 的該慢轴相對於該第一偏極化方向旋轉45。，且該第二組 區域之各該區域的該慢軸平行於該第一偏極化方向，該 86240-970904.doc -6 - 1303740 旋轉益包括至少一個提供45。偏極化旋轉的區域。 33·如申請專利範圍第32項之裝置，其中該旋轉器包括扭轉 向列液晶裝置。 •如申请專利範圍第33項之裝置，其中該液晶裝置在較接 近該輸入偏光器之液晶表面處有一平行於該第一偏極化 方向之排列方向，且在較接近該輸出偏光器之液晶表面 處有一相對於該第一偏極化方向旋轉45。之排列方向。 35·如申請專利範圍第33項之裝置，其中該液晶裝置在較接 近省輸入偏光器之液晶表面處有一相對於該第一偏極化 方向旋轉22.5。之排列方向，且在較接近該輸出偏光器之 液晶表面處有一相對於該第一偏極化方向旋轉112.5。之 排列方向。 36·如申晴專利範圍第33項之裝置，其中該液晶裝置在較接 近該輸入偏光裔之液晶表面處有一相對於該第一偏極化 方向疑轉12 · 5之排列方向，且在較接近該輸出偏光器之 液晶表面處有一相對於該第一偏極化方向旋轉102.5。之 排列方向。 37·如申請專利範圍第31項之裝置，具有另一個供選擇之操 作模式’其中§亥輸出偏光器被配置以傳送來自該第一與 第二組區域其中一組區域的該等區域之光線，並衰減來 自。亥第一與第二組區域其中另一組區域的該等區域之光 線，该輸出偏光器大體上被配置以在該另一種供選擇操 作扠式下阻擋來自該第一與第二組區域其中該另一組區 域的光線，該偏極化旋轉器在該另一種供選擇操作模式 86240-970904.doc 1303740 下被使失效。 3 8. —種包括光學裝置之顯示器，該光學裝置包括用以傳送 具有第一偏極化方向之光線的輸入偏光器、用以從該輸 入偏光器接收該第一偏極化方向的光線之偏極化修改元 件、及用以分析來自該偏極化修改元件之光線的輸出偏 光盗，该偏極化修改元件包括至少第一與第二組區域， /第、、且區域的各5亥區域把來自該輸入偏光器的光線之 偏極化改變成與該第-偏極化方向不同之第二偏極化方 向’且該第二組區域的各該區域提供與該第二偏極化方 向不同之第三偏極化方向的光線，該輸出偏光器與該偏 極化修改元件配合運作以使穿過該第-組區域之各該區 域和該輸出偏光器的各第一光線路徑對來自該輸入偏光 益的光線有大致與穿過該第二組區域之各該區域和該輸 f偏光器的各第：光線路徑相同的衰減率與相㈣相位 變化’其令該偏極化修改元件包括一圖案化延遲器，且 其中該輸出偏光器被配置以將來自該第—與第二組區域 之光線的慢軸分量和快軸分量以相同比率透射。 39.如申請專利範圍第38項之 器。 匕括一空間光線調變 40·如申凊專利範圍第39項之顯 空間光線調變器。 -中^周變器是液晶 41·如申請專利範圍第％項之顯示器， 42.如申嗜裒刹# m /、有—自動立體模式。 如甲明專利乾圍第41項之顯示器，具 作模式，J: φ兮认， 、另一種供選擇操 〃中讀出偏光器被配置以傳送來自該第一與 86240-970904.doc 1303740 第二組區域其尹一組區域的該等區域之光線，並衰減來 自該第一與第二組區域其中另一組區域的該等區域之光 線，該輪出偏光器大體上被配置以在該另一 作模式下阻播來自該第-與第二組區域其中該另= 域的光線’該裝置在該另—種供選擇操作模式， 前方或背後視差阻障。 戍 86240-970904.doc 9-