TWI477816B - 裸眼式立體顯示裝置及其液晶透鏡 - Google Patents

Description

裸眼式立體顯示裝置及其液晶透鏡

本發明是關於一種顯示裝置，特別是一種具有液晶透鏡的裸眼式立體顯示裝置。

在目前的顯示技術而言，立體顯示技術可大致分成觀察者需戴特殊設計眼鏡觀看之戴眼鏡式(stereoscopic)以及直接裸眼觀看之裸眼式(auto-stereoscopic)。其中戴眼鏡式立體顯示技術已經發展成熟，並廣泛用到如軍事模擬或大型娛樂等某些特殊用途上，但戴眼鏡式立體顯示技術因其方便性與舒適性不佳，使得此類技術不易普及。因此，裸眼式立體顯示技術已逐漸發展並成為新潮流。

裸眼式立體顯示技術目前已經發展至多重觀看角度(multi-view)之立體顯示技術。多重觀看角度之立體顯示技術的優點是可以提供觀賞者更大的觀賞空間或觀賞自由度。一般來說，目前主要用來達到多重觀看角度的手段有光柵(Barrier)和柱狀透鏡(Lenticular lens)。

然而，由於每單個光柵或柱狀透鏡會對應多個像素，因此無論是使用光柵或柱狀透鏡，當所達到的視點數越高，立體影像的解析度就會越低。如「第1圖」所示，當柱狀透鏡LL對應顯示面板PX的像素P1至P4時，可產生視點VB1至VB4，同時立體影像的水平解析度也降為四分之一。表一為習知之視點數與解析度之關係。

表一

並且，對於傳統裸眼式立體顯示器來說，觀賞者與立體顯示器之間的觀賞距離必須一開始就抵定，以維持觀賞者所看到的顯示品質。此一限制對觀賞者而言卻造成了很大的不方便。除此之外，傳統裸眼式立體顯示器對於其光學元件與顯示器之間的對位(alignment)要求非常嚴格，對於製作來說，更是一大挑戰。

本發明所揭露之液晶透鏡，包含一第一基板、一第二基板、多個控制電極、一電極層和一液晶層。第一基板和第二基板相對配置。這些控制電極設置於第一基板上。電極層設置於第二基板上。液晶層設置於第一基板和電極層之間。當這些控制電極彼此間的電壓不同時，液晶透鏡形成一等效非對稱透鏡，使光線穿越等效非對稱透鏡後，在一視點端形成多個視點。

根據上述本發明所揭露之裸眼式立體顯示裝置，包含一顯示面板和一液晶透鏡層。顯示面板包含多個像素。這些像素排列成一矩陣圖案。液晶透鏡層設置於顯示面板上，且包含多個液晶透鏡。每一個液晶透鏡對應至少一像素。每一該液晶透鏡同時根據多個不同的驅動電壓的控制而形成一等效非對稱透鏡。光線穿越等效非對稱透鏡後，在一視點端形成多個視點。

在一實施例中，上述等效非對稱透鏡的光軸與Y軸間具有一 傾斜角。

在一實施例中，上述傾斜角隨著這些控制電極和電極層間的電壓變化而改變。

在一實施例中，上述等效非對稱透鏡之一曲率半徑隨著裸眼式立體顯示裝置與視點端間的距離而改變。

在一實施例中，當上述的控制電極和該電極層間的電壓的切換頻率增加時，這些視點的數量增加。

在一實施例中，相鄰的兩個控制電極間的距離為每一個控制電極的寬度的一整數倍。

透過上述液晶透鏡的偏心的設計，可避免裸眼式立體顯示裝置的視點數增加所造成立體影像解析度下降的問題。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

請同時參照「第2A圖」和「第2B圖」，其為根據本發明一實施例之裸眼式立體顯示裝置在前後時間點的結構示意圖。根據本發明所揭露之裸眼式立體顯示裝置，可在一視點端提供多個視區，每一個視區具有一相對應的視點。每一個視點的視角不同。視點的數目代表有相對應數目的圖片的影像資訊作為立體影像畫面內容的來源。

在本實施例中，該等視點(視區)係位於一個與立體顯示器平行之平面上，但本發明不限於此。該等視區之形式，諸如寬度、位置、排列方式及與立體顯示器之距離僅用以例示說明，其排列方 式只要連續即可，不限制為一直線或圓弧。本實施例以一直線作為示例。視點端與立體顯示器之距離D可代表一觀賞者與立體顯示器之觀賞距離。

立體顯示裝置包含一顯示面板PX和一液晶透鏡層10。液晶透鏡層10設置於顯示面板PX和視點端之間，亦即設置在顯示面板PX上。顯示面板PX包含多個像素(pixel)，例如但不限於像素P1和P2，該等像素排列形成一矩陣圖案。

液晶透鏡層10包含多個液晶透鏡單元。液晶透鏡單元係根據施加之電壓被驅動且功能上作為一透鏡。穿透液晶透鏡單元的影像光線可根據施加在液晶透鏡層10的電壓大小而選擇地形成一二維影像或一三維影像。

在沒有施加電壓或施加一足夠電壓的狀態下，液晶透鏡單元的液晶分子排列方向皆相同，折射率都一樣，因此液晶透鏡單元在功能上僅作為一傳輸層，不具對焦功能。顯示面板PX所產生的光線將直接穿透液晶透鏡層，形成一二維的影像。另一方面，當施加多種適當的電壓給液晶透鏡層的狀態下，所施加的電壓透過多電極而形成不對稱之電場，藉此可控制液晶分子的方向而偏折光線。

透過液晶層內折射率之變化，液晶透鏡單元可等效成一等效非對稱的柱狀透鏡之效果。液晶透鏡單元在列方向上可分為多個液晶透鏡100。每一個液晶透鏡100對應至少一個像素。關於液晶透鏡100的結構將記載如下。

請參考「第4A圖」和「第4B圖」所示，其分別為根據本發 明一實施例之單一液晶透鏡的剖面結構圖和斜視圖。液晶透鏡100包含一第一基板110、一第二基板111、多個控制電極(例如但不限於控制電極120a和120b)、一電極層121和一液晶層140。第一基板110與第二基板111相對設置。控制電極120a和120b設置在第一基板110上。電極層121設置在第二基板111上。液晶層140則設置於第一基板110和電極層121之間。控制電極120a和120b間的長度W1為控制電極120a和120b的長度W3的兩倍。長度W1和兩個長度W3的總和為一個液晶透鏡的長度W2。然而上述實施例不為本案之限制，亦即長度W1和W3間的關係可根據控制電極的數量而設計。

控制電極120a和電極層121間的電壓DV1在控制電極120a和電極層121間產生一相對應的電場。此電場控制靠近控制電極120a端的液晶分子偏轉。控制電極120b和電極層121間的電壓DV2在控制電極120b和電極層121間產生一相對應的電場。此電場控制靠近控制電極120b端的液晶分子偏轉。

當電壓DV1等於電壓DV2時，控制電極120a和電極層121間的電場與控制電極120b和電極層121間的電場相同，使得液晶透鏡100靠近控制電極120a和120b的液晶分子排列相同。此時，液晶透鏡100可等效成具有一曲率半徑的一等效對稱透鏡EN2，如「第3圖」所示。此等效對稱透鏡EN2的光軸平行Y軸。

當電壓DV1不等於電壓DV2時，控制電極120a和電極層121間的電場與控制電極120b和電極層121間的電場不同，使得液晶透鏡100靠近控制電極120a和120b的液晶分子排列也不同，如 「第4C圖」。此時，隨著液晶分子的偏轉將使液晶透鏡100的折射率產生改變，液晶透鏡100可等效成具有一曲率半徑和一傾斜角θ之一等效非對稱透鏡EN1，如「第3圖」所示。此傾斜角θ為等效非對稱透鏡EN1的光軸AX與Y軸間的夾角，亦即等效對稱透鏡EN2以其中心點Q旋轉的角度。

當電壓DV1大於電壓DV2時，光線(影像光線L1、L2、L3或L4)穿越等效非對稱液晶透鏡時，將朝控制電極120b端偏折。當電壓DV1小於電壓DV2時，光線在穿越等效非對稱液晶透鏡時，將朝控制電極120a端偏折。上述利用液晶透鏡100的折射率變化來控制光路的運作如下。

在一實施例中，立體顯示裝置設定運作在120赫茲(Hz)，且以左眼視覺效果作為說明，如「第2A圖」和「第2B圖」所示。在此實施例中，一個液晶透鏡100對應兩個像素P1和P2。由於液晶透鏡100具有偏心的特性，因此像素P1和P2發出的影像光線，例如但不限於影像光線L1至L4，經由液晶透鏡100後將產生不同的折射效果。

在1/120秒時，影像光線L1穿透液晶透鏡100後將投射至視點VB1的位置，影像光線L3穿透液晶透鏡100後將投射至視點VB3的位置，如「第2A圖」所示。接著，在2/120秒時，影像光線L2穿透液晶透鏡100後將投射至視點VB2的位置，影像光線L4穿透液晶透鏡100後將投射至視點VB4的位置，如「第2B圖」所示。之後的運作以此類推。

然而，上述的實施例不為本發明的限制，本發明的實施範疇 也可應用於透過調整立體顯示裝置運作的頻率，來達到在相同解析度的情況下，提高視點數的目的，或是在相同視點數的情況下，提高解析度的目的，如表二所示。

此外，本發明之立體顯示裝置可在二維影像和三維影像間作顯示的切換。液晶透鏡100的半徑可透過立體顯示裝置中配置的偵測裝置所偵測到距離D的大小來自動調整。

綜上所述，根據本發明所揭露之立體顯示裝置，利用顯示面板本身的液晶層來設計等效非對稱的液晶透鏡，以取代光柵或對稱的柱狀透鏡等光學元件。透過設計液晶透鏡的偏心的位置、傾斜角和曲率半徑，可調整單個液晶透鏡所對應的像素的數目。透過設計等效非對稱的液晶透鏡與像素的數目間的關係，可提高立體顯示裝置所形成的視點數並維持三維影像的解析度。此外，透過偵測觀賞者與立體顯示裝置間的距離，以自動調整液晶透鏡的半徑，可避免觀賞者與立體顯示裝置間的觀賞距離受限制的問題。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍 內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧液晶透鏡層

100‧‧‧液晶透鏡

110‧‧‧第一基板

111‧‧‧第二基板

120a、120b‧‧‧控制電極

121‧‧‧第一電極層

140‧‧‧液晶層

AX‧‧‧光軸

D‧‧‧距離

DV1、DV2‧‧‧電壓

EN1‧‧‧等效非對稱透鏡

EN2‧‧‧等效對稱透鏡

L1、L2、L3、L4‧‧‧影像光線

PX‧‧‧顯示面板

P1、P2‧‧‧像素

Q‧‧‧中心點

VB1、VB2、VB3、VB4‧‧‧視點

W1、W2、W3‧‧‧長度

θ‧‧‧傾斜角

第1圖係為習知立體顯示裝置的結構示意圖。

第2A圖至第2B圖係為根據本發明一實施例之立體顯示裝置在前後時間點的結構示意圖。

第3圖係為根據第2A圖之立體顯示裝置的放大示意圖。

第4A圖係為根據本發明一實施例之單一液晶透鏡的剖面結構圖。

第4B圖係為根據第4A圖之單一液晶透鏡的斜視結構圖。

第4C圖係為第4A圖之單一液晶透鏡在同時施加不同電壓時的剖面結構圖。

10‧‧‧液晶透鏡層

VB1、VB2、VB3、VB4‧‧‧視點

PX‧‧‧顯示面板

P1、P2‧‧‧像素

L1、L3‧‧‧影像光線

D‧‧‧距離

Claims (11)

1. 一種液晶透鏡，包含：一第一基板和一第二基板，該第一基板和該第二基板相對配置；多個控制電極，設置於該第一基板上；一電極層，設置於該第二基板上；以及一液晶層，設置於該第一基板和該電極層之間，當該些控制電極工作在一電壓頻率下且施加在該些控制電極上的電壓位準不同時，該液晶透鏡形成一等效非對稱透鏡，使穿越該液晶透鏡的至少一光線在一第一時間點和一第二時間點上分別在一視點端形成一第一視點和一第二視點，該第一視點和該第二視點的位置不同。
2. 根據請求項1所述之液晶透鏡，其中該等效非對稱透鏡的光軸與Y軸間具有一傾斜角，該Y軸為該第二基板的法線方向。
3. 根據請求項2所述之液晶透鏡，其中該傾斜角隨著該些控制電極和該電極層間的電壓變化而改變。
4. 根據請求項1所述之液晶透鏡，其中該等效非對稱透鏡之一曲率半徑隨著該液晶透鏡與該視點端間的距離而改變。
5. 根據請求項1所述之液晶透鏡，其中當該電壓頻率增加時，該些視點的數量增加。
6. 一種立體顯示裝置，包含：一顯示面板，包含多個像素組，該些像素組排列成一矩陣圖案，每一該像素組包含分別對應左右眼影像的二像素；以及 一液晶透鏡層，設置於該顯示面板上，且包含多個液晶透鏡，每一該液晶透鏡對應至少一該像素組，每一該液晶透鏡包含：一第一基板和一第二基板，該第一基板和該第二基板相對設置；多個控制電極，設置於該第一基板上；一電極層，設置於該第二基板上；以及一液晶層，設置於該第一基板和該電極層之間，當該些控制電極工作在一電壓頻率下且施加在該些控制電極上的電壓位準不同時，該液晶透鏡形成一等效非對稱透鏡，使穿越該液晶透鏡之每一該像素的一光線在一第一時間點和一第二時間點上分別在一視點端形成一第一視點和一第二視點，該第一視點和該第二視點的位置不同。
7. 根據請求項6所述之立體顯示裝置，其中該等效非對稱透鏡的光軸與Y軸間具有一傾斜角，該Y軸為該第二基板的法線方向。
8. 根據請求項7所述之立體顯示裝置，其中該傾斜角隨著該些控制電極和該電極層間的電壓變化而改變。
9. 根據請求項6所述之立體顯示裝置，其中該等效非對稱透鏡之一曲率半徑隨著該顯示面板與該視點端間的距離改變。
10. 根據請求項6所述之立體顯示裝置，其中當該電壓頻率增加時，該些視點的數量增加。
11. 根據請求項6所述之立體顯示裝置，其中該立體顯示裝置選擇地顯示一二維影像或一三維影像。