专利名称：使用可控液晶透镜阵列用于3d/2d模式切换的自动立体显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动立体显示设备，这种设备包括具有用于产生显示 的显示像素阵列的显示面板以及布置在显示面板上并且通过其观看 显示像素的透镜装置。
背景技术：
一种已知的自动立体显示设备包括具有显示像素行列阵列的二 维液晶显示面板，所述显示像素行列阵列用作产生显示的空间光调制 器。彼此平行延伸的细长透镜单元(element)的阵列覆盖所述显示 像素阵列，并且显示像素是通过这些透镜单元来观看的。这些透镜单 元作为单元片层(a sheet of elements)而提供，每个单元包括细 长半圆柱透镜单元。这些透镜单元沿显示面板的列方向延伸，每个透 镜单元覆盖具有两个或更多相邻列显示像素的对应组。
在其中例如每个透镜单元与两列显示像素关联的布置中，每列中 的显示像素提供相应二维子图像的纵向片段(slice)。所述透镜片 层将这两个片段以及来自与其他透镜单元关联的显示像素列的对应 片段导向位于该片层前方的用户的左右眼，以便用户观看到单个立体 图像。因此，该透镜单元片层提供了光输出导向功能。
在其他布置中，每个透镜单元与比如在行方向上具有四个或更多 相邻显示像素的组关联。每组中的对应显示像素列适当地布置成提供 来自相应二维子图像的纵向片段。随着用户头部从左到右移动，感知 到 一 系列连续不同的立体^见图，从而建立起例如环顾印象。
上述设备提供了有效的三维显示器。然而，应当理解的是，为了 提供立体视图，必需牺牲设备的水平分辨率。这种分辨率的牺牲对于 某些应用是不可接受的，所述应用诸如用于短距离观看的小文本字符 的显示或者需要高分辨率的图形应用。因此，已经提出了一种可在二 维(2D)模式和三维(3D立体)模式之间切换的自动立体显示设备。 US-A-6069650中描述了这种设备，该文献通过引用全部合并于此。 在这种设备中，形成一个或多个立体对的不同像素组由观察者的各个 眼睛通过透镜单元进行观看。这些透镜单元包含电光材料，该电光材 料的折射率可切换以便允许消除透镜单元的折射效应。
在二维模式下，可切换设备的透镜单元工作于"通过"模式，即
它们以与光学透明材料的平片几乎相同的方式起作用。结果得到的显 示器具有与显示面板的原始分辨率相等的高分辨率，其适用于从短观 看距离处显示小文本字符。当然，二维显示模式不能提供立体图像。
在三维模式下，如上所述，可切换设备的透镜单元提供了光输出 导向功能。结果得到的显示器能够提供立体图像，但是也必然经受如 上所述的分辨率损失。
为了提供可切换显示模式，可切换设备的透镜单元使用诸如液晶 材料之类的电光材料，其折射率可在用于极化光的两个不同值之间切 换。于是，通过向设置在透镜单元上下方的电极层施加适当的电势， 该设备在这些模式之间进行切换。该电势改变了透镜单元相对于相邻 光学透明层的折射率。可替换地，相邻光学透明层可以由电光材料形 成，并具有透镜单元相对于光学透明层的折射率发生改变的相同结 果。
然而，当在2D模式中以倾斜角度观看时，遇到了不希望地显示 伪影方面的问题。在这样的角度下，在显示输出中存在看起来与透镜 片层的结构有关的可见结构，而当垂直于显示面板平面和透镜阵列观 看时，则看不到这种结构。
发明内容
依照本发明的一个方面，提供了包括显示面板以及布置在显示面 板上的透镜装置的可切换自动立体显示设备，该透镜装置包括具有与 光学透明层相邻的电光材料的透镜单元阵列，该电光材料的折射率可 通过有选择地施加电场来切换，并且其中光学透明层包括双折射材料。
如前所述，电光材料的折射率可切换以便向透镜装置提供两种状 态在一种状态中，例如提供光输出导向作用；在另一种状态中，例 如消除光输出导向作用。这是2D和3D工作模式。
通过由双折射材料形成透镜装置的光学透明层，可以实现对在倾
斜角度下的2D模式显示器中的前述不希望显示伪影的减少方面的显 著改进。
优选地，光学透明层具有与电光材料基本上相同的寻常折射率以 及可能的非常折射率。
光学透明层优选地包括其中形成阵列透镜单元的片层状或板状 的透镜主体。每个透镜单元可以由主体中具有透镜形状的凹槽来限定 (例如半圆柱形凹槽)，其中该凹槽中包含电光材料。
人们相信，不希望的显示伪影归因于如下事实在已知设备中， 对应于大体上垂直于光学透明层平面行进的光线的光学透明层的折 射率与对应于以相对于所述层平面的倾斜角(例如45度)行进的光
线的折射率不同。在二维显示模式下，并且液晶(LC)材料的分子取 向通过在所述层平面两端施加适当的电压而垂直于所述层平面时，那 么对于垂直于所述层的光线而言，通过适当地选择相应的材料，所述 LC材料和所述层的折射率是匹配的。然而，对于倾斜光线而言，LC
材料的有效折射率不等于所述寻常折射率(一般大约为I.5)，而是 位于寻常折射率和非常折射率(一般大约为1.7)之间。结果，光线
将在LC材料和所述层之间的弯曲透镜表面处折射。这被认为向在相 对于显示设备的倾斜角处的观察者引起可见的显示伪影结构。显示伪 影结构的性质看起来与所述透镜装置的物理结构有关。通过为所述层 提供双折射材料而改善LC材料和所述层材料之间的折射率匹配，至 少在一定程度上消除了这些效应。
光学透明层优选地包括LC材料和固化聚合物的混合体，所述固 化聚合物例如UV固化聚合物。
光学透明层优选地在与显示面板表面正交的方向具有1.50和 1. 55之间(更优选地在1. 52和1. 54之间)的有效折射率。这与2D 模式下相同方向上的LC材料的折射率相匹配。光学透明层优选地在 与显示面板表面法线横向偏移45度的方向上具有1. 55和1. 70之间 的有效折射率。因此，在2D模式下，对于倾斜光的折射率更大，以 便匹配LC材料中的双折射性。
因此，光学透明层优选包括在与显示面板表面正交的第一方向以 及与所述法线方向横向偏移的第二横向方向之间具有双折射性的双
折射材料。
该电光材料优选地是可切换的，以便限定显示设备的2D和3D工 作模式。当处于2D工作模式下时，光学透明层具有基本上与该电光 材料相同的寻常折射率和非常折射率。
本发明还提供了控制可切换自动立体显示设备的方法，所述设备 包括显示面板以及布置在该显示面板上的透镜装置，该方法包括
-在3D模式下，通过施加电场来切换透镜单元的电可切换光学 材料的折射率，从而在该电可切换光学材料和光学透明层之间的透镜 状边界处限定了折射率变化；以及
-在2D模式下，切换电可切换光学材料的折射率，从而在该透 镜状边界处限定了基本上没有折射率变化，光学透明层包括双折射材 料，以便对于跨越透镜状边界的所有方向基本上都没有折射率变化。
通过参照附图对仅仅通过举例的方式给出的本发明优选实施例 的下列描述的阅读，本发明的其他特征和优点将变得清楚明白，在附 图中
图1为可以应用本发明的已知自动立体显示设备的示意性透视
图2为图1中示出的已知显示设备的详细示意图3A和3B用来解释图1中示出的已知显示设备的工作原理；
图4为图1设备中的两个典型透镜单元的示意性截面图，其绘出
了工作时的光学效应；以及
图5为类似于图4的视图的、依照本发明的显示设备实施例中的
透镜阵列的部分视图。
具体实施例方式
具有可观看显示区域的可切换显示设备是已知的，所述可切换显 示设备可以在二维显示模式和三维显示模式之间进行切换。模式之间 的切换是通过在由诸如LC材料之类的电光材料制成的透镜单元阵列 两端施加电场来实现的。在二维模式下，这些透镜单元表现得像普通 的透明材料片层。在三维模式下，这些透镜单元提供光输出导向功能
以便允许感知到立体图像。
图1为可以将本发明应用其中的已知可切换自动立体显示设备1 的示意性透视图。显示设备1以展开的形式示出。
已知设备1包括用作空间光调制器以产生显示的有源矩阵类型
的液晶显示面板3。显示面板3具有以行和列设置的显示像素5的正 交阵列。为了清楚起见，图中仅示出了少量的显示像素5。在实践中， 显示面板3可以包括大约一千行以及数千列的显示像素5。
液晶显示面板3的结构完全是常规的。特别地，面板3包括一对 隔开的透明玻璃基底，在这些透明玻璃基底之间提供了对准的扭曲向 列型或其他液晶材料。这些基底在它们面对的表面上带有透明氧化铟 锡(IT0)电极图案。在这些基底的外表面上还提供了极化层。
每个显示像素5包括所述基底上的相对电极，其间具有介入的液 晶材料。显示像素5的形状和布置由这些电极的形状和布置所确定。 显示像素5以一定间隙彼此有规则地隔开。
每个显示像素5与切换单元相关联，该切换单元例如为薄膜晶体 管(TFT)或薄膜二极管(TFD)。显示像素进行操作来通过向切换单 元提供寻址信号而产生显示，并且适当的寻址方案对于本领域技术人 员来说是已知的。
显示像素5之间的间隙由不透明黑色掩模覆盖。该掩模以光吸收 材料栅格的形式提供。该掩模覆盖切换单元并且限定了各个显示像素 区域。
显示面板3由光源7照射，光源7在这种情况下包括在显示像素 阵列的区域上延伸的平面背光。来自光源7的光被导向通过显示面板 3，其中驱动各个显示像素5以便调制光并且产生显示。
显示设备1还包括透镜装置，该透镜装置包含在显示面板3的显 示输出侧上定位的透镜单元设置9，可对所述透镜单元设置进行控制 以便有选择地执行视图形成功能。透镜单元设置9包括彼此平行延伸 的透镜单元ll的阵列，其中为了清楚起见，只有一个以夸大的维度 示出。
图2中更详细地示意性示出了透镜单元设置9,该设置9以展开 的形式示出。
参照图2,可以看出透镜单元设置9包括一对透明玻璃基底13、
15,在它们面对的表面上提供了由氧化铟锡(IT0)制成的透明电极 层17、 19。每个电极层17、 19具有多个平行细长电极的形式，并且 各个不同层17、 19的电极被设置成彼此垂直。这些细长电极之间设 置有小的间隙，以便允许它们被单独地寻址。
在基底13、 15之间，与这些基底中的上基底13相邻地提供了构 成透镜主体并且呈片层状或板状、具有逆透镜结构的光学透明层21。 透镜主体21通过使用复制技术由塑料材料制造。也在基底13、 15之 间，与这些基底中的下基底15相邻地提供了向列型液晶材料23。如 图所示，透镜主体21的逆透镜结构使得液晶材料23在透镜主体21 和下基底15之间呈现平行细长的半圆柱透镜形状。主体21的逆透镜 结构以及下基底15与液晶材料23接触的表面还具有用于对液晶材料 23进行定向的定向层25和26。
使用时，图1中示出的已知可切换显示设备1可进行操作来提供 显示输出，其分立的部分可以单独地或者组合地在二维(2D)和三维 (3d)显示模式之间切换。通过这种方式，可以在三维显示区域中提 供一个或多个二维显示窗。
显示输出的分立部分在这些模式之间的可切换性是通过在由液 晶材料23制成的透镜单元两端施加电场来实现的。这个电场通过在 电极层17、 19的电极之间施加电势而生成。
将电势施加到每个电极层17、 19的细长电极中的选定数目个相 邻电极上。对上电极的选择限定了要切换的显示窗的高度，对下电极 的选择限定了要切换的显示窗的宽度。
代替如图所示进行细分的是，电极17、 19每个都可以是沿所述 像素阵列连续延伸的单个电极，并且可以通过简单地向其施加适当的 电压来进行操作以便在2D和3D显示模式之间整体地切换显示输出。
所施加的电势使得显示区域的选定部分中的透镜单元在维持和 去除光输出导向功能之间切换，现在将参照图3A和3B来对之进行阐 述。由于其静态介电各向异性，因而可以通过施加的电场来控制LC 材料的取向。在光学领域中，也存在介电各向异性并且LC材料的折 射率与相对介电常数有关。LC材料具有寻常折射率和非常折射率， 前者适用于电场极化垂直于导向器的光，后者适用于电场极化平行于 导向器的光。
图3A为没有向电极施加电势时透镜单元装置9的一部分的示意 性截面图。这里，定向层25和26的摩擦方向以及显示光的极化处于 z方向。结果，可以将尽管在光学上为双折射的有效透镜近似为折射 率与LC材料的非常折射率相对应的各向同性透镜。在这种状态下， 对于由显示面板提供的线性极化光，液晶材料23的折射率充分大于 所述主体21的折射率，并且透镜的形状因而如图所示提供光输出导 向功能。
图3B为向电极施加大约50伏特的交变电势时，透镜单元布置9 的一部分的示意性截面图。电场在y方向上形成，并且LC分子与场 线对齐。结果，导向器处于y方向。来自显示面板的光的极化方向是 线性极化的。如果显示的极化处于z方向，那么有效透镜将具有寻常 折射率，并且由于在LC材料和透镜主体21之间存在折射率匹配，因 而光不会被折射。因此，在这种状态下，对于由显示面板提供的线性 极化光，LC材料23的折射率与主体21的逆透镜结构的折射率基本 上相同，所以如图所示抵消了所述透镜形状的光输出导向功能。因此， 所述阵列实际上在"通过"模式下作用。
如果如图3A所示维持了光输出导向功能，那么由LC材料23限 定的透镜单元用作凸圆柱透镜并且提供从显示面板3到位于显示设 备1前方的用户眼睛的不同图像或视图。因此，可以提供三维图像。
如果如图3B所示去除了光输出导向功能，那么由液晶材料23限 定的透镜单元表现得像凸圆柱透镜扁平片层那样。因此，可以提供利 用了显示面板3的全部原始分辨率的高分辨率二维图像。
控制电势以便在显示模式之间进行切换由控制器12提供给透镜 单元布置9的电极。
已知可切换自动立体显示设备的结构的进一步细节可以从美国 专利说明No. 6069650中获悉，可以参见该文献获得其内容。
已经发现，当在2D模式下以相对于显示面板平面的倾斜角(例 如以大约45度)观看时，在该设备的显示输出中可见到不希望的显 示伪影。这些伪影呈可见暗带或阴影线的形式，其结构看起来与透镜 阵列的结构有关。当垂直于显示面板观看2D模式显示输出时，该伪 影结构不存在。人们相信，这些伪影归因于一些残余透镜效应。
该结构的可见性可以阐述如下。在2D模式下，在透镜单元的两
端施加电压并且LC材料的分子垂直定向，即近似与显示面板3的平 面正交。图4示意性地说明了该阵列中的两个代表性透镜单元在这种 模式下的应用效果，并且示出了这些单元中LC材料的垂直定向。由 于LC材料和透镜主体21的折射率匹配，基本上垂直于显示面板和透 镜阵列而行进的光线在透镜表面(LC材料23和透镜主体21之间的 半圆柱边界)处没有遇到折射率的变化，并且因此光的路径不变。图 4中的左侧透镜单元绘出了这一点。
然而，对于倾斜光线而言，LC材料23的有效折射率不等于寻常 折射率(一般大约为1.5)，而是具有寻常折射率和非常折射率(一 般大约为1. 7)之间的值。结果，如图4中的右侧透镜单元所示，光 线将在弯曲透镜表面处发生折射。因此，由于LC材料的双折射特性， 当以倾斜角观看显示器时，存在残余透镜效应。看起来透镜单元的焦 距是角度相关的。在垂直于显示面板的法向角度下，光焦度为零，而 对于更大的观看角度，光焦度增加。对于某个观看角度而言，透镜单 元的焦点位于显示面板的像素结构处。结果，围绕该面板中的像素的 黑矩阵成像于无穷远处，并且这被认为是可见伪影结构的原因。
为了克服这个问题，将双折射材料用于透镜主体21。优选地， 双折射材料具有与LC材料相同的寻常折射率和非常折射率。
其效果如图5所示，该图是包括两个典型的透镜单元11的透镜 阵列9的一部分的截面图，并且其类似于图4的视图。透镜主体21 中光轴的取向优选地沿着垂直方向，这如图5所示。
在3D工作模式下，来自显示面板的光被极化，以便在透镜表面 处产生折射。光线在LC材料23中遇到非常折射率并且在透镜主体 21中遇到寻常折射率。因此，垂直方向的光线在透镜表面处没有遇
到折射率的变化并且不发生折射。
在2D工作模式下，如图5所示，在透镜单元两端施加电压并且 LC材料分子再次垂直定向。在这种模式下，LC材料和透镜主体21材 料的寻常折射率和非常折射率相匹配，而且在透镜表面处不存在折 射。图5左侧的透镜单元11绘出了垂直行进的光的效果，而右侧的 透镜单元11绘出了倾斜行进的光的效果。由图可知，在这两种情况 下，光线在透镜表面处都没有遇到折射率的变化并且不发生折射。
特别地，光学透明层包括双折射材料，该双折射材料在与显示面
板表面正交的第一方向(即图5中左图所示的垂直方向)和第二横向 方向(即如右图所示具有横向分量)之间具有双折射性。
更详细而言，透镜单元11内的LC材料23可以由均匀单轴各向 异性介质来近似。光在单轴各向异性介质中的传播可以通过两种独立 的极化模式来描述。每种独立模式的折射率取决于极化方向以及相对 于双折射介质的光轴的传播方向。带有寻常折射率的寻常(0)波具 有垂直于光轴的极化方向以及波矢量kQ。非常(E)波具有与0波的 极化方向垂直的极化方向。E波的非常折射率取决于波矢量b和光轴 之间的角度3。
区分0波的传播和E波的传播是可能的。对于0波而言，折射率 不取决于传播方向。然而，对于E波而言，根据相对于光轴的传播方 向，存在折射率的变化。换言之，折射率还取决于观看角度。如果角 度3增大，那么有效折射率也增大。对于某个观看角度，透镜的折 光力已经达到其中可切换透镜的焦点正好位于显示面板的像素结构 处的值。
在图5的设备中，透镜主体21是光学双折射的，光轴在垂直y 方向。用于可切换透镜单元的LC材料23例如具有1. 527的寻常折射 率和1. 766的非常折射率。通过改变双折射透镜主体21的折射率， 改变了透镜单元的折光力。为了为0波得到完美的折射率匹配，将透 镜主体21的寻常折射率选择成基本上等于LC材料23的寻常折射率。 结果，对于0波不存在透镜效应。
在3D模式下，该设备的性能没有受到明显的影响。
双折射透镜主体可以包括固化光敏聚合物(例如2P)和LC材料 的混合体。该混合体例如通过UV固化来聚合。
在一个次优选实施例中，透镜主体21的材料的非常折射率可以 不与LC材料23的非常折射率匹配。尽管在这个实施例中，在透镜表 面处仍然可能存在一些折射，但是它将远小于已知设备中的情况。
本领域技术人员应当理解的是，各种修改和变型是可能的。
权利要求
1. 一种可切换自动立体显示设备，包括显示面板(3)以及设置在该显示面板上的透镜装置(9)，所述透镜装置包括具有与光学透明层(21)相邻的电光材料(23)的透镜单元(11)阵列，所述电光材料(23)的折射率可通过电场的有选择施加来切换，并且其中所述光学透明层(21)包括双折射材料。
2. 依照权利要求1的设备，其中所述光学透明层(21)具有与 所述电光材料(23)基本上相同的寻常折射率和非常折射率。
3. 依照权利要求l或权利要求2的设备，其中所述电光材料(23) 包括液晶材料。
4. 依照权利要求1-3中任何一项的设备，其中所述显示面板(3) 包括液晶显示面板。
5. 依照前面任何一项权利要求的设备，其中所述光学透明层 (21)包括LC材料和固化聚合物的混合体。
6. 如权利要求5所述的设备，其中所述固化聚合物是UV固化的。
7. 如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述光学透明层 (23)在与所述显示面板的表面正交的方向上具有1.50和1.55之间的有效折射率。
8. 如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述光学透明层 (23)在与所述显示面板表面法线横向偏移45度的方向上具有1.55和1. 70之间的有效折射率。
9. 如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述光学透明层 (21 )包括在与所述显示面板表面正交的第一方向以及与所述法线方向横向偏移的第二横向方向之间具有双折射性的双折射材料。
10. 如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述电光材料 (23 )可进行切换以便定义所述显示设备的2D和3D工作模式。
11. 如权利要求10所述的设备，其中当处于2D工作模式时，所 述光学透明层(21)具有与电光材料(23)基本上相同的寻常折射率 和非常折射率。
12. —种控制可切换自动立体显示设备的方法，所述设备包括显 示面板(3)以及设置在该显示面板上的透镜装置(9 ),该方法包括 -在3D模式下，通过施加电场来切换透镜单元的电可切换光学 材料(23)的折射率，从而在该电可切换光学材料(23)和光学透明 层(21 )之间的透镜状边界处限定了折射率变化；以及-在2D模式下，切换所述电可切换光学材料(23)的折射率， 从而在所述透镜状边界处限定了基本上没有折射率变化，所述光学透 明层(21)包括双折射材料，从而对于跨越所述透镜状边界的所有方 向基本上都没有折射率变化。
13. 依照权利要求12的方法，其中所述光学透明层(21)具有 与电光材料(23)基本上相同的寻常折射率和非常折射率。
14. 依照权利要求12或权利要求13的方法，其中所述电光材料 (23)包括液晶材料。
15. 如权利要求12-14中任何一项所述的方法，其中所述光学透 明层(21)在与所述显示面板的表面正交的方向上具有1.50和1.55 之间的有效折射率。
16. 如权利要求12-15之一所述的方法，其中所述光学透明层 (21 )在与所述显示面板表面法线横向偏移45度的方向上具有1. 55和1. 70之间的有效折射率。
全文摘要
一种自动立体显示设备具有覆盖显示面板(3)的透镜单元(11)阵列(9)，这些透镜单元包括电光材料(23)并且可切换以便允许2D和3D观看模式。所述电光材料(例如液晶材料)包含在与以透镜主体(21)形式的光学透明层相邻的位置。双折射材料用于所述透镜主体，其寻常折射率和非常折射率优选地基本上匹配所述电光材料的寻常折射率和非常折射率。
文档编号H04N13/00GK101395928SQ200780007667
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月26日 优先权日2006年3月3日
发明者M·斯卢伊特, S·T·德兹沃特, W·L·伊泽曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司