TWI431341B - 微相位差膜 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種視差光柵，更特定而言，是有關於一種微相位差膜所構成之視差光柵。
隨著平面顯示器應用愈來愈普及，更高解析度、色域更廣、反應速度更快的顯示器已經成為不可或缺的要素。由於人類最終希望能夠呈現出最自然、最真實、具有立體感受的影像，因此立體/三維(3D)影像顯示技術受到相當大的重視。
如上所述，3D立體顯示技術的發展的原始想法就是來自左右眼分別接受不同的影像。一般而言，空間中的物體相對位置是由多個深度線索(depth cues)組合來正確判斷，深度線索包含了雙眼視差、人眼的調適性、移動視差、透視、觀測物體間大小關係、物體材質等。意即，立體顯示器必須至少具有兩眼視差及移動視差的特性，其中以雙眼視差較能正確的判斷出深度資訊，雙眼視差原的理是由於兩眼在水平方向有一位移(間隔約65mm)，兩眼所看到的影像會稍微不同，因此所接收的影像內容也略有差異；而移動視差則是指觀賞者的眼睛位置移動時，由於觀賞角度隨之改變，眼睛所接收的內容也有所不同。所以若要接受到立體的影像，必須讓左眼與右眼分別只接受到有些微差異的個別影像，再經大腦融合成具深度資訊的三維(3D)影像(深度資訊)。因此，目前大部份的3D顯示器重建立體影像的原理皆為雙眼視差為主要的設計，將不同視角的影像利用特殊光學設計分別投射到左右眼，再經過大腦融合此兩張影像，即可以重建出立體影像。
早期的立體影像顯示器大部份是戴眼鏡式立體顯示器。戴眼鏡式之快門式眼鏡3D顯示器是以更新頻率120Hz以上播放左、右眼視角畫面。當顯示器顯示左眼畫面時，快門眼鏡將左眼打開，右眼遮蔽；當顯示器顯示右眼畫面時，快門眼鏡將右眼打開，左眼遮蔽。藉由快速切換左右眼資訊，使得左右眼分別看到正確的左眼與右眼畫面，經過視覺暫留與大腦融合後，即可呈現出具深度感的立體影像。
然而，上述戴眼鏡式立體顯示器都需要佩帶特殊的儀器，此常會阻礙人類自然的視覺。因此，近幾年來，逐漸發展一種裸眼式立體影像顯示器。裸眼式的3D顯示方式可分成時間多工與空間多工兩種。時間多工是以一組指向性背光搭配一快速反應面板，快速顯示左、右眼影像，讓觀賞者的左、右眼分別看到左、右眼影像；空間多工是犧牲畫面解析度來同時顯示左、右眼影像，其主要分成視差光柵(Parallax barrier)和柱狀透鏡(Lenticular lenses)兩種，視差光柵是利用光柵來控制光前進的方向，而柱狀透鏡是利用折射率的不同來控制光的方向。
此外，柱狀透鏡係由許多細長直條之凸透鏡沿一軸方向連續排列，並利用光學折射來產生左右眼之不同視圖，其係利用光的折射來達到分光的目的，所以光較無損失、亮度佳，然而若由於製作柱狀透鏡時的誤差或透鏡表面不平整等因素，則會有雜散光的產生，而造成部分模糊的立體影像，因此影響整體3D影像的顯示效果。另外，視差光柵係利用整列之屏障物來限制某些角度的光射出，只讓某些角度的視圖影像分別傳送至左右眼以產生立體影像。
再者，一般的立體顯示裝置，僅能顯示立體影像而已，無法針對平面(二維)影像與立體(三維)影像進行切換。因此，便有業者開發出可切換顯示立體影像或平面影像之立體影像顯示裝置。目前一般的區域化2D/3D(二維/三維)切換技術主要是以視差光柵與柱狀透鏡為主，視差光柵與柱狀透鏡結構可置於顯示面板前面或置於顯示面板與背光模組之間。舉例而言，可切換2D/3D視差光柵顯示器，至少包括視差光柵102、顯示面板101以及背光模組100，如第一a圖與第一b圖所示。視差光柵102係配置於顯示面板101之前。當某區域影像內容顯示為3D影像時，就在相對應的區域102a產生視差光柵的效果，此即為3D顯示模式，如第一a圖所示；而當要顯示文字或2D影像資訊時，即讓對應位置(區域)102b的視差光柵之效果消失，如第一b圖所示，則左眼與右眼皆看到相同的畫素，如一般2D顯示器一樣。而另一模式為可切換2D/3D柱狀透鏡顯示器，其與可切換2D/3D視差光柵顯示器的功能類似。在此例子中，可切換2D/3D柱狀透鏡顯示器，係以柱狀透鏡103取代視差光柵102，如第二a圖與第二b圖所示。柱狀透鏡103係配置於顯示面板101之前。當某區域影像內容顯示為3D影像時，就在相對應的區域103a產生柱狀透鏡的效果，此即為3D顯示模式，如第二a圖所示；而當要顯示文字或2D影像資訊時，即讓對應位置103b的柱狀透鏡之效果消失，如第二b圖所示，則左眼與右眼皆看到相同的畫素，而呈現如2D顯示器之效果。
在可切換2D/3D視差光柵顯示器中，由於液晶本身具有使光線穿透與否之能力，使用液晶面板來產生區域化視差光柵是最容易實現的方式之一。舉例而言，一種可切換2D/3D液晶視差光柵顯示器，其係於背光模組之前配置二組液晶面板，其中前液晶面板當作視差光柵使用，當顯示面板要顯示3D內容時，則前液晶面板對應區域顯示黑白相間的條紋；而當顯示面板的影像畫面為2D內容，則前液晶面板於該區域顯示白畫面(使光線完全穿透)。因此，可以藉由控制前液晶面板的顯示內容來達到區域化2D/3D的切換功能。
在可切換2D/3D柱狀透鏡顯示器中，包括可區域化2D/3D切換柱狀透鏡，其分成二種類型，分別為(1)主動式柱狀透鏡及(2)被動式柱狀透鏡與切換液晶面板。舉例而言，主動式可切換2D/3D柱狀透鏡顯示器技術是由飛利浦(Philips)所開發，其係將柱狀透鏡(例如凹透鏡)114內部灌入液晶，並且由上、下玻璃基板115及112包覆，下玻璃基板112之下配置一偏極(光)膜111，偏極膜111之下有顯示畫素110；由於液晶是一個雙折射材料(折射率為N和n)，可藉由施加電壓(V)來改變折射率。選用適當的折射率的液晶材料搭配透鏡114的折射率(例如為n)。當不施加電壓於柱狀透鏡114時，液晶層的折射率為N，與透鏡折射率n不同，因此產生一個折射率差，光線經過此主動式切換柱狀透鏡114時，由於有折射率差，就會改變光的前進方向，如此即為3D模式顯示，如第三a圖所示；而當施加電壓於主動式2D/3D切換柱狀透鏡114時，液晶會改變排列方式，此時液晶層113的折射率為n，與透鏡折射率n一樣，經由顯示畫素110而來的光線即沿著原入射光的方向前進，如此即為2D模式顯示，如第三b圖所示。因此，在此架構之下，透過加電壓與不加電壓於柱狀透鏡114的選擇，以產生2D/3D的切換效果，因此屬於主動的操作方式。
而在被動式柱狀透鏡與切換液晶面板之架構中，此切換架構是由一固定式雙折射(折射率為N和n)柱狀透鏡114與一切換液晶層116來控制光前進的方向，此技術是由切換液晶層116決定柱狀透鏡114是否作用，因此屬於被動的操作方式。當不施加電壓於切換液晶層時，以TN為例，假設經過偏極膜111之0度偏極方向的入射光經切換液晶層116之後，偏極方向變成90度，此時柱狀透鏡114中的液晶層113折射率為N，與透鏡折射率n不同，因而產生光程差，所以會改變光的前進方向，而具有柱狀透鏡的效果，即為3D模式顯示，如第四a圖所示；而當切換液晶層116加電壓時，TN液晶分子會改變排列的方向，使經過切換液晶層116之後的偏極方向仍為0度，此時，柱狀透鏡114中的液晶層113折射率為n，與透鏡折射率n相同，因此不改變光的前進方向，此即為2D模式顯示，如第四圖b所示。此技術藉由局部的控制切換液晶層的電壓，以達到區域化2D/3D的切換效果。
綜合上述，在傳統的2D/3D切換架構中，必須使用柱狀透鏡搭配至少一個液晶層，並且必須施加電壓於柱狀透鏡上，才能達到區域化2D/3D的切換效果，因此，其製造成本較為昂貴，並且架構複雜較容易產生顯示或切換不良的情況。因此，鑑於傳統架構具有上述缺點，本發明提供一種優於習知傳統的視差光柵以克服上述缺點。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種用於二維/三維影像切換顯示裝置之微相位差膜，其中微相位差膜可以作為視差光柵之用，或者用於偏光眼鏡式3D顯示相位差膜，其具有低成本、製程簡單的優點。
綜上所述，依據本發明之一觀點，提出一種用於二維/三維影像切換顯示裝置之微相位差膜，包含：一第一均質材料層；一微結構相位層，包含複數個相位延遲部分間隔地排列於第一均質材料層之上；以及一第二均質材料層，係形成於微結構相位層之上。
第一均質層之材料與該微結構相位層之材料相同，其係透過一改質處理步驟所形成；第二均質材料層係填入於複數個相位延遲部分的間隔之中。
本發明之微相位差膜不但克服先前技術之缺點，且可有效切換二維/三維影像，並可大幅降低成本。
本發明將配合其較佳實施例與隨附之圖示詳述於下。應可理解者為本發明中所有之較佳實施例僅為例示之用，並非用以限制。因此除文中之較佳實施例外，本發明亦可廣泛地應用在其他實施例中。且本發明並不受限於任何實施例，應以隨附之申請專利範圍及其同等領域而定。
以下，將搭配參照相應之圖式，詳細說明依照本發明之較佳實施例。關於本發明新穎概念之更多觀點以及優點，將在以下的說明提出，並且使熟知或具有此領域通常知識者可瞭解其內容並且據以實施。
傳統的2D/3D切換架構中，必須使用柱狀透鏡搭配至少一個液晶層並且施加電壓於柱狀透鏡上，才能達到區域化2D/3D的切換效果，因此，其製造成本較為昂貴並且架構複雜較容易產生顯示或切換不良的情況。因此，鑑於傳統架構具有上述缺點，本發明提供一種優於習知技術，且成本低廉、製程簡單之微相位差膜(Micro-retarder)，用於作為二維/三維影像切換顯示裝置之視差光柵，包含三層結構：第一層為第一透明層59；第二層為微結構相位層58，具有複數個相位延遲部分間隔地排列於第一透明層之上；第三層為第二透明層56，形成於微結構相位層58之上並填入於複數個相位延遲部分的間隔之中。
上述微相位差膜之製造方法及步驟如下所述。首先，預備一非均質材料層，其為一微結構相位層。微結構相位薄膜層遇到光照之後會改變為一均質材料，使光通過之相位調變。微結構相位薄膜層之材料包括：聚醋酸乙烯酯(polyvinyl acetate,PVA)、三醋酸纖維素(Triacetate cellulose,TAC)、聚碳酸酯(Poly Carbonate，PC)或醋酸丙酸纖維素(Cellulose Acetate Propionate,CAP)。然後，微結構相位薄膜層透過一拉伸壓膜步驟以形成一微結構相位薄膜圖案50，如第五a圖所示。利用拉伸滾壓方法將微結構相位薄膜層之高分子材料製成一體成形的微結構相位薄膜，其具有深淺厚度的凹凸圖案。微結構相位薄膜圖案50包含複數個凹槽(開口)部分52，複數個相位延遲部分51隔著凹槽部分52而間隔地排列。相位延遲部分51之間距55範圍約為150至350微米(μm)，厚度53範圍約為25至200微米(μm)。
在一具體實施例中，凹槽部分52之寬度範圍約為75至150微米(μm)，凹槽部分52之底下的薄膜層之厚度54約為10至50微米(μm)。
之後，形成一第一均質材料層56於微結構相位薄膜圖案50之上，並填入於複數個相位延遲部分51的間隔之中的凹槽部分52，如第五圖b所示。第一均質材料層56之材料包括紫外線(UV)固化高分子或雙液型固化高分子。該形成方法包含塗佈方式。
最後，微結構相位層薄膜圖案50之背面進行一改質處理步驟，如第五c圖所示。舉一實施例而言，改質處理方法例如為利用能量以作熱處理，熱處理方法包含但不限定為退火(annealing)、電子束淬火、高週波淬火、高壓放電、電漿表面處理、雷射曝(照)光..等。舉一實施例而言，改質處理係利用光線57以一特定能量背面照射微結構相位層薄膜圖案50之背面，其係使用能量作為處理改質，使結構打散成為均質。雷射曝光之照光強度、照光時間以及光波長端視實際的應用或材料而選擇。電漿表面處理可以處理微結構相位層薄膜圖案50之深度至其背表面下大於厚度54。經改質處理步驟之後的材質部分將轉變為均質材料。利用控制凹槽之深度，可以使得底部完全被改質且達到至少凹槽底部。直到凹槽部分52之下的微結構相位層薄膜完全變為具有均質特性為止，結果形成一第二均質材料層59，如此即完成本發明之微相位差膜結構，如第五d圖所示，其與第一均質材料層56均屬於均質材料，不造成光相位改變，而微結構相位層58將造成入射光相位改變。第二均質材料層59之厚度小於或等於。
本發明之微相位差膜結構，如第五d圖所示，可以提供作為二維/三維影像切換顯示裝置之視差光柵。舉一實施例而言，本發明之微相位差膜可以貼合於一般液晶顯示器之前，利用光的偏振方向來將左眼(L)與右眼(R)的影像分離。本發明之微相位差膜包括相位延遲部分58以及非相位延遲部分60。相位延遲部分58由於包括未照光的微結構相位薄膜，因此光經過其中會產生一相位差；而非相位延遲部分60則全部為均質材料，因此光經過其中不會產生相位差。舉一實施例而言，在2D/3D影像切換顯示裝置中係使用兩層液晶面板，而在兩面板間夾著一層本發明之微相位差膜。舉一實施例而言，微相位差膜是由本發明之相位延遲部分(λ/2相位差，λ為入射光波長)58以及非相位(0相位差)延遲部分60依特定光學圖案排列而成的薄膜。切換面板的功能是讓經過切換面板後的光能在0度偏極與45度偏極之間轉換，當0度偏極光經過微相位差膜的0相位延遲區域60時，仍保持0度偏極態；當經過微相位差膜的λ/2相位延遲區域58時，0度偏極態的入射光會被轉成90度偏極態。此時，若經過0度偏極方向的偏光膜，就會呈現出透明和黑色兩種圖案，此圖案與微相位差膜上的圖案排列一樣，即產生視差光柵的效果。而當切換面板出來的光為45度偏極光，經過微相位差膜的0相位延遲區域60仍保持45度偏極態；若經過微相位差膜的λ/2的區域，因45度偏極光與λ/2相位延遲區域58的光軸平行，所以偏極光經微相位差膜後，仍然保持45度的偏極方向。此時，經過0度偏極的偏光膜，就不會產生透明和黑色兩種圖案，即無視差光柵形成。藉由本發明之微相位差膜與切換面板適當的配合，就可以形成2D/3D切換的效果。
本發明之微相位差膜並不限定應用於上述2D/3D影像切換顯示裝置(使用兩層液晶面板)之架構，其他可能的2D/3D影像切換顯示裝置亦可以應用之。
對熟悉此領域技藝者，本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明之精神。在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改與類似的配置，均應包含在下述之申請專利範圍內，此範圍應覆蓋所有類似修改與類似結構，且應做最寬廣的詮釋。
100．．．背光模組
101．．．顯示面板
102．．．視差光柵
102a、102b、103a、103b．．．對應區域
103、114．．．柱狀透鏡
115．．．上玻璃基板
112．．．下玻璃基板
111．．．偏極膜
110．．．顯示畫素
113．．．液晶層
116．．．切換液晶層
50．．．微結構相位薄膜圖案
52．．．凹槽(開口)部分
51．．．相位延遲部分
55．．．相位延遲部分之間距
53．．．相位延遲部分之厚度
54．．．凹槽部分底下的薄膜層厚度
56．．．第一均質材料層
57．．．光線
59．．．第二均質材料層
58．．．相位延遲部分
60．．．非相位延遲部分
上述元件，以及本發明其他特徵與優點，藉由閱讀實施方式之內容及其圖式後，將更為明顯：
第一a與一b圖係顯示可切換2D/3D視差光柵顯示器之示意圖。
第二a與二b圖係顯示可切換2D/3D柱狀透鏡顯示器之示意圖。
第三a與三b圖係顯示主動式可切換2D/3D柱狀透鏡顯示器之示意圖。
第四a與四b圖係顯示被動式柱狀透鏡與切換液晶面板之示意圖。
第五a圖係顯示根據本發明之透過拉伸壓膜步驟以形成之微結構相位薄膜圖案之剖面圖。
第五b圖係根據本發明之第一均質材料層形成於微結構相位薄膜圖案之上之剖面圖。
第五c圖係根據本發明之於微結構相位薄膜圖案之背面進行照光之示意圖。
第五d圖係根據本發明之微相位差膜結構之剖面圖。
56．．．第一均質材料層
58．．．微結構相位層
59．．．第二均質材料層
60．．．非相位延遲部分
Claims (8)
- 一種微相位差膜，包含：一第一均質層，其中該第一均質層之厚度為10至50微米；一微結構相位層，包含複數個相位延遲部分間隔地排列於該第一均質層之上，其中該微結構相位層之厚度為25至200微米；以及一第二均質層，係形成於該微結構相位層之上。
- 如請求項1之微相位差膜，其中該第一均質層之材料與該微結構相位層之材料相同，其係透過一改質處理步驟所形成。
- 如請求項2之微相位差膜，其中該改質處理步驟包含熱處理。
- 如請求項3之微相位差膜，其中該熱處理包含退火、電子束淬火、高週波淬火、高壓放電、電漿表面處理或雷射照光。
- 如請求項1之微相位差膜，其中該第二均質層之材料包括紫外線固化高分子或雙液型固化高分子。
- 如請求項1之微相位差膜，其中該微結構相位層之材料 包括聚醋酸乙烯酯、三醋酸纖維素、聚碳酸酯或醋酸丙酸纖維素。
- 如請求項1之微相位差膜，其中該複數個相位延遲部分之間距為150至350微米。
- 如請求項1之微相位差膜，其中該相位延遲部分之寬度為75至150微米。
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