TWI382380B

TWI382380B - 二維影像與三維影像切換型顯示器裝置

Info

Publication number: TWI382380B
Application number: TW97106446A
Authority: TW
Inventors: Yan Rung Lin; Shie Chang Jeng; Chi Chang Liao; Chia Wei Kuo
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2013-01-11
Also published as: TW200937368A

Description

二維影像與三維影像切換型顯示器裝置

本發明係有關於一種顯示器裝置，特別有關於一種二維影像與三維影像切換型顯示器裝置。

傳統三維影像(3D)顯示裝置主要應用雙眼視差(binocular disparity)達到立體化效果，亦即讓左、右眼分別接受不同視角的平面影像，並利用大腦的融像功能，以產生立體視覺。

在商業化產品中，自動立體顯示器(auto－stereoscopic display)不需配戴眼鏡，較常使用的方法為視差屏障(parallax barrier)或是微透鏡陣列(lenticular lens)的輔助，使得左眼分別僅看到左眼影像，而右眼僅看到右眼影像，達到空間多功(spatial multiplexed)。

第1圖係顯示傳統以視差屏障達到空間多功的示意圖。一視差屏障2設置於2D影像顯示器4前，觀看者立於Z軸方向，無需配戴額外的輔助眼鏡，使得左眼E_L 分別僅看到左眼影像，而右眼E_R 僅看到右眼影像，達到空間多功的效果。另外，視差屏障2也可以放置在2D影像顯示器4後，達到同樣的效果。

從市場角度觀之，二維影像與三維影像(2D/3D)切換型顯示器裝置為目前立體顯示器商業化發展的主流之一。然而，目前2D/3D切換型顯示器的結構仍複雜，若能簡化結構的設計，則可以大幅降低製造成本。

美國專利第US 6,046,849號揭露一種2D/3D切換型顯示器裝置。請參閱第2A圖，傳統2D/3D切換型顯示器裝置10A包括一液晶顯示器面板11、一背光模組13、一圖案化二分之一波長板12、一可切換式轉子(switchable rotator)15及一外偏振板14。上述2D/3D切換型顯示器裝置10A藉由搭配圖案化二分之一波長板12和可切換式轉子15，而達到3D/2D影像間的切換。更明確地說，藉由電的方式切換可切換式轉子15以達到3D/2D影像顯示。上述可切換式轉子15可以切換的兩種狀態，分別是：四分之一波長板(quarter wave plate)的狀態和對穿透光偏振沒影響的狀態。當顯示2D影像時，由顯示器出來的光經過圖案化二分之一波長板(half wave plate)的區域後，再經四分之一波長板(quarter wave plate)，讓光的偏振變圓偏振，兩種圓偏振光都可經過外偏振板14。故在顯示2D影像時，亮度會被犧牲。

第2B圖係顯示另一傳統的2D/3D切換型顯示器裝置的示意圖。傳統2D/3D切換型顯示器裝置10B包括一液晶顯示器面板11、一背光模組13、一圖案化二分之一波長板12、一可切換式擴散板(switchable diffuser)16及一外偏振板14。上述2D/3D切換型顯示器裝置10B藉由搭配圖案化二分之一波長板12和可切換式擴散板16，而達到3D/2D影像間的切換。更明確地說，藉由電的方式切換可切換式擴散板16以達到3D/2D影像顯示。上述可切換式擴散板16可以切換的兩種狀態，分別是：散射的狀態(scattering state)和對穿透光偏振沒影響的狀態。當顯示2D影像時，經過圖案化二分之一波長板的光再經散射狀態的可切換式擴散板16，偏振被打亂變成隨機態(random)，使所有的光都可經過可經過外偏振板14。同樣地，在顯示2D影像時，亮度會被犧牲。

本發明實施例提供一種簡化3D影像顯示器的結構，藉由一主動光電開關(active electro－optical shutter)層，達到2D/3D影像切換的功能，降低3D影像顯示器的製作成本。

本發明提供一種二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，包括：一顯示器模組，根據一輸入訊號以顯示一影像；以及一主動型光電切換元件，包括一上基板具一上電極層、一下基板具一下電極層、及一液晶混合物夾至於該上、下基板之間，其中該主動型光電切換元件更包括兩個以上的區域，分別具有不同的V－T工作曲線；其中於操作時，選擇性地分別於該上電極與該下電極間施予不同電壓，使得該兩個以上的區域分別具有不同或相同的光電性質，以將該影像切換成三維影像或二維影像。

本發明另提供一種二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，包括：一背光模組；一顯示器模組，根據一輸入訊號以顯示一影像；以及一主動型光電切換元件，包括一上基板具一上電極層、一下基板具一下電極層、及一液晶混合物夾至於該上、下基板之間，其中該主動型光電切換元件更包括兩個以上的區域，分別具有不同的V－T工作曲線。

其中於操作時，選擇性地於該上電極與該下電極間施予不同電壓，使得該兩個以上的區域分別具有不同或相同的光電性質，以將該影像切換成三維影像或二維影像。

為使本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下以各實施例並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，另外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。

根據本發明實施例的主要特徵及樣態，提供以一簡單的主動光電開關層替代傳統的圖案化二分之一波長板及電控開關裝置(switchable diffuser或是switchable rotator)，以達到2D/3D影像的切換效能。更明確地說，以一顯示器(例如液晶顯示器LCD)搭配主動光電開關層，輔以控制電路產生電壓變換此主動光電開關層，達到2D/3D影像切換的功能。

根據本發明之一實施例，上述主動光電開關層包含兩個以上的區域，分別於不同區域，施以差異性的製程參數，使得不同區域的液晶具有不同的V－T(voltage－transmission)工作曲線特性。由於在製程中做出需要的圖案，因此在應用時，只需在整片電極上給予一電壓，即可顯示出圖案，不需傳統的圖案化電極及複雜驅動電路。

第3A圖係顯示根據本發明之一實施例的主動光電開關(active electro－optical shutter)元件的平面圖，第3B圖係顯示第3A圖的主動光電開關元件沿切割線I－I’的剖面圖，而第3C圖為顯示第3A圖的主動光電開關元件的區域100A和100B分別具有不同V－T工作曲線特性。請參閱第3A和3B圖，一主動光電開關(active electro－optical shutter)元件100包括一上基板110具上電極層115、一下基板130具下電極層125及液晶混合物120設置於上、下基板間。可依液晶混合物而選擇是否需要搭配向層116和126，以及分別設置於上、下基板外側的偏振板105和135。主動光電開關元件100可分成兩個以上的區域100A和100B，分別於不同區域，施以具差異性的製程條件，使得區域100A和100B的液晶具有不同的V－T(voltage－transmission)工作曲線。請參閱第3C圖，區域100A的V－T工作曲線為A；而區域100B的V－T工作曲線為B。圖示為全明態(normally white)型的例子，實際應用時也可以是全暗態(normally black)型的工作曲線。

上述液晶混合物120是以液晶分子為主體，另任意選擇添加不同的添加物，其包括高分子單體(monomer)或預聚合物(prepolymer)、染料分子與旋光性分子材料，反應完成後高分子單體或預聚合物，聚合成高分子材料、網狀高分子材料。例如，液晶混合物可包括網狀高分子與液晶，或者包括高分子、液晶及染料，又或者包括高分子、液晶及旋光性材料、又或者網狀高分子、液晶及染料，利用製程的差異造成網狀高分子的分佈密度不同，使得高分子對液晶分子的作用力不同，而有不同V－T工作曲線。更明確地說，上述施以具差異性的製程條件，是在不同區域，選擇性地照射能量不同或是密度分佈不同的光，使不同區域的高分子單體或預聚合物形成不同程度的聚合化。或是，可選擇以不同的溫度梯度分佈，使不同區域的高分子單體或預聚合物形成不同程度的聚合化。再者，或是以不同的電場強度，先改變液晶分子的位向，使其趨於一致，再使不同區域的高分子單體或預聚合物形成不同程度的聚合化。若為光反應型製程，則液晶混合物內另需加入光起始劑。

由於利用製程中，施以具差異性的製程條件得到所欲的圖案，因此在應用時，只需在整片電極上給一電壓則可以顯示出圖案，不需傳統的圖案化電極及驅動電路。根據本發明之一實施例，此主動光電開關元件100可使用塑膠基板，搭配連續式(roll－to roll)製程，容易做到大面積、低成本製作。

第4A－4C圖分別顯示根據本發明之一實施例的主動光電開關元件於不同操作電壓狀態下的示意圖。此主動光電開關元件100可為全明態(normally white)型或全暗態(normally black)型。再者，A、B的V－T工作曲線未必要同斜率。請參閱第4A圖，未加電壓，時，區域100A及100B的液晶皆在第一狀態。請參閱第4B圖，當加給的電壓V_I 範圍為V1’<V_I <V2時，區域100A的液晶狀態變成第二狀態；而區域100B的液晶仍維持在第一狀態。請參閱第4C圖，當加給的電壓V_II 的範圍為V_II >V2’時，區域100A及100B的液晶狀態皆變成第二狀態。

應注意的是，液晶層分別在第一和第二狀態與光的作用機制可為非偏振模式(nonpolarized mode)及偏振模式(polarized mode)。例如是散射與穿透，或是吸收與穿透，或是反射與穿透，又或是偏振方向改變與偏振方向不變。液晶層可以是TN型、STN型液晶胞、水平配向液晶胞(homogeneous cell)或是垂直配向液晶胞(homotropic cell)，上述各液晶層的工作原理應為本發明技術領域中具有通常知識者，所能理解，為求簡明之故，在此不再贅述。

應注意的是，於偏振模式時，在主動光電開關元件上、下側要加額外的偏振片。

第5A和5B圖為顯示根據本發明之一實施例的主動光電開關層的圖案為橫條間隔圖形的示意圖。當作3D影像顯示器的視差屏障(parallax barrier)200時，在兩種電壓間切換產生透光200A、不透光200B的條紋圖案，如第5A圖所示。或是，使得整片視差屏障200的區域200A和200B皆為透光。其中，透光、不透光與光作用的機制為散射與穿透，或是吸收與穿透，或是反射與穿透。

第6A圖係顯示根據本發明之一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖。於第6A圖中，一2D/3D影像切換型顯示器裝置300A包括一顯示器模組320與一背光源310，以及一主動光電開關元件330設置在顯示器模組320和背光源310之間的位置。由背光源310提供的光線先經過主動光電開關元件330，再進入顯示器模組320。

第6B圖係顯示根據本發明另一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖。於第6B圖中，一2D/3D影像切換型顯示器裝置300B包括一背光源310、一顯示器模組320、以及一主動光電開關元件330。由背光源310提供的光線先經過顯示器模組320，再由主動光電開關元件330轉換進入觀看者的眼睛形成3D影像。

應注意的是，上述第5A和5B圖中的主動光電開關元件200的圖案不限定為橫條間隔圖形，其亦可以是棋盤式交錯分布，如第7圖中的主動光電開關元件250。例如，可做為3D影像顯示器的微相延遲板(micro－retarder)，在兩種電壓間切換產生偏振方向改變的部份區域250A與偏振方向不變的部份區域250B。為方便說明，假設經過區域250A偏振方向會被轉90度，而經過區域205B，偏振方向不受影響。

第8A圖係顯示根據本發明之一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖。於第8A圖中，一2D/3D影像切換型顯示器裝置400A包括一背光源410、一顯示器模組420、一主動光電開關元件430、以及一外偏振板440。主動光電開關元件430的圖案化區域為橫條間隔的圖紋，由顯示器模組420出來的光的偏振態，經過區域A被轉90度，而經過區域B則不變。接著，經過外偏振板440。由於外偏振板440的吸收軸垂直於由顯示器模組420出來的光的偏振方向，使得上述出光線無法通過區域A，而可通過區域B。由此，主動光電開關元件430與外偏振板440合起來可做為視差屏障(parallax barrier)。

第8B圖係顯示根據本發明另一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖。於第8B圖中，一2D/3D影像切換型顯示器裝置400B包括一背光源410、一顯示器模組420、以及一主動型光電偏振切換元件，其包括一主動型光電開關元件430，並選擇性地搭配一偏光眼鏡445，以達3D顯示的視覺效果。主動光電開關元件430的圖案化區域為橫條間隔圖紋，或是棋盤式交錯分布的圖案。該由顯示器模組420出來的光線的偏振態，經過區域A被轉90度，而經過區域B則不變，觀察者配帶一偏光眼鏡445，其左、右眼分別只允許經過區域A及區域B的光線通過，故可分別接收左右眼訊號。根據本實施例，不需配帶偏光眼鏡445，即可直接觀看顯示的2D影像。

應注意的是，本發明實施例中圖8以線性偏振為例，實際應用時也可以用圓偏振。本發明各實施例中的顯示器模組可為液晶(LCD)顯示器做為影像顯示的基本元件，其包括一液晶層、上、下基板及其外側的偏振片。LCD顯示器根據輸入的影像訊號產生影像。一般液晶顯示器的基本元件還包括：一驅動電極層(electrode)、配向層(alignment layer)、間隙子(spacer)、彩色濾光片(color filter)及黑色陣列(black matrix)。再者，圖6B中所述顯示器模組亦可為一自發光顯示器模組，其包括一陰極射線管顯示器、一電漿顯示器、一發光二極體顯示器、一有機發光二極體顯示器、或一場發射顯示器。

本發明雖以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

習知部分(第1~2B圖)

2．．．視差屏障

4．．．2D影像顯示器

E_L ．．．觀看者的左眼

E_R ．．．觀看者的右眼

10A、10B．．．傳統2D/3D切換型顯示器裝置

11．．．液晶顯示器面板

12．．．圖案化二分之一波長板

13．．．背光模組

14．．．外偏振板

15．．．可切換式轉子(switchable rotator)

16．．．可切換式擴散板(switchable diffuser)

本案部分(第3A~8B)

100．．．主動光電開關(active electro－optical shutter)元件

100A和100B．．．主動光電開關元件的區域

105和135．．．偏振板

110．．．上基板

115．．．上電極層

116和126．．．配向層

120．．．液晶混合物

125．．．下電極層

130．．．下基板

A、B．．．V－T(voltage－transmission)工作曲線

200、250．．．視差屏障

200A、200B．．．透光、不透光的條紋圖案

300A、300B．．．2D/3D影像切換型顯示器裝置

310．．．背光源

320．．．顯示器模組

330．．．主動光電開關元件

400A、400B．．．2D/3D影像切換型顯示器裝置

410．．．背光源

420．．．顯示器模組

430．．．主動光電開關元件

440．．．外偏振板

445．．．偏光眼鏡

第1圖係顯示傳統以視差屏障達到空間多功的示意圖；第2A圖係顯示傳統的2D/3D切換型顯示器裝置的示意圖；第2B圖係顯示另一傳統的2D/3D切換型顯示器裝置的示意圖；第3A圖係顯示根據本發明之一實施例的主動光電開關(active electro－optical shutter)元件的平面圖；第3B圖係顯示第3A圖的主動光電開關元件沿切割線I－I’的剖面圖；第3C圖為顯示第3A圖的主動光電開關元件的區域A和B分別具有不同V－T工作曲線特性；第4A－4C圖分別顯示根據本發明之一實施例的主動光電開關元件於不同操作電壓狀態下的示意圖；第5A和5B圖為顯示根據本發明之一實施例的主動光電開關層的圖案為橫條間隔圖形的示意圖；第6A圖係顯示根據本發明之一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖；第6B圖係顯示根據本發明另一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖；第7圖係顯示根據本發明另一實施例的主動光電開關元件的棋盤式交錯分布圖案的示意圖；第8A圖係顯示根據本發明之一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖；以及第8B圖係顯示根據本發明另一實施例的二維影像與三維影像切換型顯示器裝置的示意圖。

300A．．．影像切換型顯示器裝置

310．．．背光源

320．．．顯示器模組

330．．．主動光電開關元件

Claims

一種二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，包括：一顯示器模組，根據一輸入訊號以顯示一影像；以及一主動型光電切換元件，包括一上基板具一上電極層、一下基板具一下電極層、及一液晶混合物夾至於該上、下基板之間，其中該主動型光電切換元件更包括兩個以上的區域，分別具有不同的V-T工作曲線與不同的液晶混合物；其中於操作時，選擇性地於該上電極與該下電極間施予不同電壓，使得該兩個以上的區域分別具有不同或相同的光電性質，以將該影像切換成三維影像或二維影像。
如申請專利範圍第1項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該主動型光電切換元件為一主動型光電開關元件，使得該兩個以上的區域分別具有不同或相同的明態或暗態，以將該影像切換成三維影像或二維影像。
如申請專利範圍第2項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該主動型光電開關元件為非偏振模式，該兩個以上的區域的該液晶混合物分別為散射模式與穿透模式，吸收模式與穿透模式，或是反射模式與穿透模式。
如申請專利範圍第2項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該顯示器模組包括一背光模組以及一顯示器面板，其中該主動型光電開關元件設置於該背光模組與該顯示器面板之間。
如申請專利範圍第2項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該顯示器模組包括一背光模組以及一顯示器面板，其中該顯示器面板設置於該背光模組與該主動型光電開關元件之間。
如申請專利範圍第2項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該兩個以上的區域分別是長條狀的一第一區域和一第二區域。
如申請專利範圍第1項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該主動型光電切換元件為一主動型光電偏振切換元件，使得該兩個以上的區域分別具有不同或相同的偏振切換態，以將該影像切換成三維影像或二維影像。
如申請專利範圍第7項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該主動型光電切換元件為偏振模式，且其中該液晶混合物中的液晶包括TN型、STN型、水平配向液晶(homogeneous LC)或是垂直配向液晶(homotropic LC)。
如申請專利範圍第7項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該顯示器模組包括一背光模組以及一顯示器面板設置於該主動型光電偏振切換元件與該背光模組之間，及其中該主動型光電偏振切換元件包括一主動型光電開關元件和一對應的偏振片。
如申請專利範圍第7項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該顯示器模組包括一背光模組以及一顯示器面板設置於該主動型光電偏振切換元件與該背光模組之間，及其中該主動型光電偏振切換元件包括一主動型光電開關元件。
如申請專利範圍第7項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該兩個以上的區域分別是長條狀的一第一區域和一第二區域。
如申請專利範圍第7項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該兩個以上的區域分別是棋格狀交替的一第一區域和一第二區域。
如申請專利範圍第1項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該顯示器模組為一自發光顯示器模組。
如申請專利範圍第13項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該自發光顯示器模組包括一陰極射線管顯示器、一電漿顯示器、一發光二極體顯示器、一有機發光二極體顯示器、或一場發射顯示器。
如申請專利範圍第1項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該主動型光電切換元件更包括一配向層設置於該上電極或該下電極上。
如申請專利範圍第1項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，其中該液晶混合物係擇自下列一組材料之任意群組，其包括高分子材料、網狀高分子材料、液晶分子、染料分子與旋光性分子材料。
一種二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，包括：一背光模組；一顯示器模組，根據一輸入訊號以顯示一影像；以及一主動型光電切換元件，包括一上基板具一上電極層、一下基板具一下電極層、及一液晶混合物夾至於該上、下基板之間，其中該主動型光電切換元件更包括兩個以上的區域，分別具有不同的V-T工作曲線與不同的液晶混合物；其中於操作時，分別依時序於該上電極與該下電極間施予不同電壓，使得該兩個以上的區域分別具有不同或相同的光電性質，以將該影像切換成三維影像或二維影像。
如申請專利範圍第17項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，更包括一偏振片設置於該主動型光電切換元件上。
如申請專利範圍第17項所述之二維影像與三維影像切換型顯示器裝置，更包括一對應的偏振眼鏡以觀看該顯示器模組的該影像。