CN101563629A - 用于自动立体显示设备的透镜结构 - Google Patents

Abstract

用于显示设备的透镜结构包括透镜式装置，该透镜式装置包括平行透镜式元件的阵列并且包括双折射层。双折射层的非常轴被设置成与透镜式元件的伸长轴基本上成30°和90°之间的角度。

Description

用于自动立体显示设备的透镜结构

技术领域

本发明涉及用于显示设备的透镜结构，更特别地，涉及用于自动立体显示设备的透镜结构。

背景技术

图1中示出了一种已知的自动立体显示设备。该已知的设备1包括具有显示像素5的行列阵列的二维液晶显示面板3，该液晶显示面板充当产生显示的空间光调制器。为了清楚起见，图1中仅示出了少量的显示像素5。在实践中，显示面板3可能包括大约一千行和数千列显示像素5。

液晶显示面板3的结构完全是常规的。具体而言，面板3包括一对隔开的透明玻璃基底，其间提供了对准的扭曲向列或其他的液晶材料。这些基底在它们的面对的表面上载有透明氧化铟锡(ITO)电极模式。偏振层也设置在这些基底的外表面上。

每个显示像素5与诸如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD)之类的开关元件关联。通过向开关元件提供寻址信号操作这些显示像素以产生显示，并且适当的寻址方案对于本领域技术人员是已知的。

显示面板3由光源7照射，该光源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的光被引导通过显示面板3，其中单独的显示像素5被驱动以便调制光并且产生显示。

显示设备1还包括设置在显示面板3的显示侧之上的透镜式(lenticular)薄板9，其实现视图形成功能。透镜式薄板9包括彼此平行延伸的透镜式元件11的阵列，为了清楚起见仅仅以夸大的尺寸显示了其中一个透镜式元件。

因此，彼此平行延伸的伸长的透镜式元件11的阵列覆盖在显示像素阵列之上，并且通过这些透镜式元件11观看显示像素5。

透镜式元件11充当向位于显示设备1之前的用户眼睛提供来自显示面板3的不同图像或视图的光输出引导装置。上述设备提供了有效的三维显示设备(如果图像包括多个视图)。

在其中例如每个透镜式元件11与两列显示像素5关联的设置中，每列中的显示像素5提供了对应的二维子图像的竖直切片。透镜式薄板9将这两个切片以及来自与其他透镜式元件11关联的显示像素列的相应切片导向位于该透镜式薄板之前的用户的左右眼，使得用户观看到单幅立体图像。

然而，与使用圆柱形透镜状物关联的问题在于，由于场曲的原因，焦点尺寸(focus size)随着观察角的变化而变化。图2a和图2b中说明了这个问题，其示出了光线，这些光线起源于像素平面15处的像素并且对观察角00°下的图像(图2a)产生贡献——其中焦点P在像素平面15的正后方，以及对观察角50°下的图像(图2b)产生贡献——其中焦点P在像素平面15的前面。

此外，图3为示出对于观察角在0°和50°之间的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的关系的曲线图，其中透镜式元件11是各向同性的。换言之，它示出了对特定视图产生贡献的像素在x轴上的位置(以mm为单位)。由图3的曲线图可知，焦点尺寸对于大于30°的观察角是很大的，其中大的物理宽度的像素对视图产生贡献(点线是考虑到像素尺寸和倾角的影响，在与顶帽分布卷积之后的结果)。大的焦点尺寸是不希望的，因为它造成视图之间的过分的重叠并且因而降低3D印象。

使用圆柱形透镜式元件的另一个缺点在于，竖直线(垂直于图2的平面)可能被成像为曲线。

因此，希望产生自动立体显示设备，其中对于大于30°的观察角减小焦点尺寸。换言之，寻求降低可能出现在大的观察角下的模糊效应。

发明内容

依照本发明，提供了用于自动立体显示设备的透镜结构，其包括透镜式装置，该透镜式装置包括平行透镜式元件的阵列并且包括双折射层，其中双折射层的非常(extraordinary)轴被设置成与透镜式元件的伸长轴基本上成30°和90°之间的角度。

通过在透镜式装置内使用双折射层，可以显著降低3D显示器产生的图像的模糊。特别地，在不同的横向方向(在中间视图的法向与最外侧视图的横向方向之间)通过的光遇到的折射率边界是不同的。这些不同的折射率边界引起透镜式元件的不同的透镜聚集效果，并且可以选择这些折射率边界，使得显示面板的正确区域被聚集到每个观察位置。

双折射层的第一界面(interface)处的非常轴可以相对于双折射层的第二界面处的非常轴扭曲。可以提供半λ(lambda)波片，以用于旋转这些界面之间的偏振方向。

所述透镜式元件的阵列可以包括双凸透镜。

优选地，所述透镜式装置包括透镜层和设置在透镜层之上的复制物(replica)层。可以选择每层的折射率，并且一个或两个层可以是各向异性的。对于所述各向异性层而言，可以选择折射率差和各向异性轴。这些参数都可以被选择，以便提供具有希望的聚焦特性的透镜装置。

可以在所述透镜式装置的至少一部分上设置偏振装置。这可以保证来自显示面板的光具有正确的偏振以便确保实现角度相关透镜功能。

本发明也提供了自动立体显示设备，其包括：

-用于产生显示的显示面板；以及

-本发明的透镜结构。

优选地，显示面板输出在垂直于透镜结构的透镜式元件的轴的平面内偏振。所述双折射层的非常轴的取向可以通过选择性地施加电场而成为可切换的，从而在2D和3D操作模式之间切换显示器。

本发明还提供了显示自动立体图像的方法，其包括：

-产生包括多个视图的图像；

-通过透镜结构投影该图像，所述透镜结构包括平行透镜式元件的阵列并且包括双折射层，

其中双折射层的非常轴被设置成基本上垂直于透镜式元件的伸长轴，并且其中产生的图像被设置成在垂直于所述透镜结构的透镜式元件的轴的平面内偏振。

附图说明

现在将仅仅通过举例的方式参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1为已知自动立体显示设备的示意性透视图；

图2a和图2b分别示出了起源于像素平面的像素并且对00°和50°观察角下的图像产生贡献的光线；

图3为示出对于观察角在0°和50°之间的图1的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的示例性关系的曲线图；

图4为依照本发明实施例的自动立体显示设备的示意性截面图；

图5为示出对于观察角在0°和50°之间的图4的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的关系的曲线图；

图6为依照本发明可替换实施例的自动立体显示设备的示意性截面图；

图7为示出对于观察角在0°和50°之间的图5的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的关系的曲线图；

图8为依照本发明另一可替换实施例的自动立体显示设备的示意性截面图；

图9为示出对于观察角在0°和50°之间的图8的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的关系的曲线图；

图10为依照本发明又一可替换实施例的自动立体显示设备的示意性截面图；

图11为示出对于观察角在0°和50°之间的图10的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的关系的曲线图；

图12为依照本发明又一可替换实施例的自动立体显示设备的示意性截面图；以及

图13为示出对于观察角在0°和50°之间的图12的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的关系的曲线图。

这些示图的尺寸不符合比例，并且在所有附图中，相似的附图标记表示相似的元件。

具体实施方式

本发明提供了用于显示设备的透镜结构，该透镜结构包括具有平行透镜式元件的阵列的透镜式装置。所述透镜式装置包括双折射层，该双折射层的非常轴不与透镜式元件的伸长轴基本平行，而是优选地成30°和90°之间的角度。这使得聚焦功能取决于光的入射角，并且这可以用来显著地降低大的观察角下存在的模糊效应。

图4为依照本发明实施例的自动立体显示设备40的示意性截面图。自动立体显示设备40包括用于产生显示的二维液晶显示面板42。液晶显示面板42的结构完全是常规的。

在与已知的自动立体显示设备(如本申请的背景部分所描述的)相似的方式中，显示面板42由光源(未示出)照射。来自光源的光(由标记为“L”的箭头大体表示)被引导通过显示面板42，其中显示42的单独的显示像素被驱动以便调制光并且产生图像。

自动立体显示设备40还包括设置在显示面板42之上的双折射透镜式薄板44，其中该双折射薄板可选地通过玻璃薄板43与显示面板分开。双折射透镜式薄板44包括彼此平行延伸的半圆柱形(或平凸)透镜式元件46的阵列(为了清楚起见以夸大的尺寸示出了其中五个透镜式元件)。半圆柱形透镜式元件46的圆柱轴被设置成使得它们基本上平行于彼此以及显示面板42(即进入页面)。

因此，彼此平行延伸的伸长的透镜式元件46的阵列覆盖在显示面板42之上，并且通过透镜式元件46观看到显示面板42的像素。

自动立体显示设备领域中已知的是，透镜式元件42充当向位于显示设备40之前的用户眼睛提供来自显示面板42的不同图像或视图的光输出引导装置。

然而，在图4的显示设备40中，透镜式薄板44是双折射的，并且具有记为n_o的寻常(ordinary)折射率和记为n_e的非常折射率。

对于单轴各向异性而言，寻常折射率n₀被定义为针对垂直于各向异性轴的偏振的折射率，非常折射率被定义为针对平行于各向异性轴的偏振的折射率。在以下描述中，术语“非常轴”因此用作“各向异性轴”的等效物。

本发明基于设置所述双折射透镜式构件(means)，使得非常轴(由标记为“A”的箭头大体表示)基本上垂直于透镜式元件46的平行轴。通过透镜式元件行进(在水平面内)的光的方向将改变光的偏振与非常轴之间的相对角度，从而对于不同角度下的光遇到不同的折射率，例如如图2所示。这允许显著地降低不希望的模糊效应。

以平行于显示器的平面的非常轴为例，这种模糊效应的降低可以通过倾斜的光线遇到下式(等式1)定义的有效折射率n这一事实来解释：

$n=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_o^2{\cos }^2\mathrm{\θ}+n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}}---\left(1\right)$

式中，n_o和n_e分别为针对垂直(寻常)和平行(非常)于各向异性轴的偏振的折射率，并且θ为非常轴与光的波矢量之间的角度。

根据等式1，应当理解的是，有效折射率n是介于寻常折射率n_o的值与非常折射率n_e的值之间的值。这导致较弱的透镜化(lensing)动作以及因此得到的模糊较小。

此外，德耳塔n(Δn)指的是双折射幅值，由下式(等式2)定义：

Δn＝n_e-n_o    (2)

因此，当n_e＞n_o时，Δn为正，当n_e＜n_o时，Δn为负。

图5为示出对于观察角在0°和50°之间的图4的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的得到的关系的曲线图，其中n_o＝1.0并且n_e＝1.5。

由图5的曲线图可知，当与图1中的设备的焦点尺寸(如图3所示)相比时，对于大于30°的观察角的焦点尺寸得到改进(即更小)。对于大于30°的观察角的减小的焦点尺寸以及增大的强度意味着视图之间存在更少的重叠并且3D印象更大。

事实上，要求显示设备包括具有这些折射率的双折射材料是不实际的。例如，已知双折射有机材料的典型折射率是n_o＝1.5，n_e＝1.8。因此，尽管与已知的自动立体设备(例如图1的设备)相比得到改进，依照图4的实施例的设备实际上可能不完全实现图5中所示的模糊的降低。

现在参照图6，其示出了依照本发明另一实施例的自动立体显示设备60。该自动立体显示设备60具有与图4的显示设备40相似的结构，但是与此不同之处在于，它还包括具有另一材料的透镜式结构62，此后将其称为复制物，其精确地安装在透镜式元件46上。该复制物62是具有折射率n_r的各向同性材料。它的提供据发现满足可以通过使用已知双折射有机材料(例如n_o＝1.5并且n_e＝1.8的材料)得到的非理想的模糊降低。

图7为示出对于观察角在0°和50°之间的图6的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的得到的关系的曲线图，其中n_o＝1.5，n_e＝1.8并且n_r＝1.5。

由图7的曲线图可知，对于大于30°的观察角的焦点尺寸和强度与使用理想双折射透镜式构件的图4的设备的情况(其关系示于图5中)类似。因此，可以通过提供覆盖透镜式元件46的各向同性复制物62层，由使用已知双折射有机材料(即n_o＝1.5并且n_e＝1.8的材料)的设备实现优选的焦点尺寸和模糊的降低。

在上述实施例中，假设光L的偏振垂直于透镜式元件46的圆柱轴。然而，在实践中，偏振方向通常处于另一个方向(典型地平行于透镜式元件46的圆柱轴)。

满足这种偏振差异的第一种方法是采用半λ延迟器(retarder)以便将光的偏振旋转到希望的方向上。

第二种方法是使用具有非常轴的扭曲配置(类似于扭曲向列LCD的概念)的透镜式元件46。当透镜式元件足够厚(例如数十微米)时，光的偏振方向将绝热地(adiabatically)遵循非常轴的偏振方向。

现在参照图8，其示出了依照本发明可替换实施例的自动立体显示设备80。该自动立体显示设备80具有与图6的显示设备60相似的结构，但是与此不同之处在于，透镜式元件46被设置成具有非常轴的扭曲配置。更特别地，透镜式元件的第一界面处的非常轴(由标记为“A1”的箭头大体表示)基本上平行于透镜式元件46的平行轴以及显示面板42。此外，透镜式元件的第二界面处的非常轴(由标记为“A2”的箭头大体表示)基本上垂直于透镜式元件46的平行轴并且基本上平行于显示面板42。因此，向透镜式元件46提供了非常轴的扭曲配置。

如上所述，通过使得透镜式元件46具有适当的厚度，通过透镜式元件46的光的偏振方向将绝热地遵循非常轴的偏振方向(从A1到A2)。

仿真表明，由于偏斜光线将在第一透镜界面处遇到不同的有效折射率，因而复制物62的折射率n_r的最佳值或优选值将与依照本发明的不具有扭曲非常轴配置的显示设备(例如图6的设备)的不同。

图9为示出对于观察角在0°和50°之间的图8的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的得到的关系的曲线图，其中n_o＝1.5，n_e＝1.8并且n_r＝1.6。

由图9的曲线图可知，对于大于30°的观察角的焦点尺寸和强度与图6的设备的情况(如图7所示)类似。然而，这些结果针对n_r＝1.6，并且与针对具有折射率为n_r＝1.5的复制物的相同设备的结果相比提供了优选的模糊降低。

因此，应当理解的是，尽管依照本发明实施例的自动立体显示设备可以提供大的观察角下的模糊降低，但是降低的量可能取决于实际的折射率值。因此，本领域技术人员应当理解，特定的折射率值可能比其他折射率值更优选，并且这样的优选值将取决于显示设备的结构。

更一般而言，已经证明，可能优选的是向依照本发明的显示设备提供具有寻常折射率1.4-1.6和非常折射率1.6-1.8的双折射透镜材料。还可能进一步优选的是提供设置在双折射透镜材料之上的复制物，并且选择该复制物材料，使得其具有折射率1.4-1.7。

图10示出了依照本发明又一实施例的自动立体显示设备100。同样地，自动立体显示设备100具有与图6的显示设备60相似的结构，但是与此不同之处在于，复制物102由具有记为n_ro的寻常折射率和记为n_re的非常折射率的双折射材料形成。复制物102被设置成使得它的非常轴(由标记为“Ar”的箭头大体表示)垂直于显示屏幕42。在这种情况下，透镜式薄板不必是双折射的。

然而，可以设想，优选的是选择双折射复制物102，使得它具有高的折射率(即例如1.5以上)。

同样优选的是形成透镜式元件46，使得如果复制物102与透镜式元件46之间的折射率差小，则这些透镜式元件具有小的曲率半径。换言之，优选的是在诸如图10所示的设备之类的设备中将透镜式元件46的曲率半径设置成与复制物102和透镜式元件46之间的折射率差成正比。

图11为示出对于观察角在0°和50°之间的图10的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的得到的关系的曲线图，其中n_o＝n_e＝1.65，n_re＝1.8并且n_ro＝1.5。

图12示出了依照本发明另一实施例的自动立体显示设备1020。自动立体显示设备100具有与图10的显示设备100相似的结构，但是与此不同之处在于，透镜式元件46是双凸的(而不是半圆柱形或平凸的)并且复制物122在透镜式元件46的阵列之上和之下形成。通过这种方式，圆柱形透镜式元件46的阵列夹在上复制物层122a和下复制物层122b之间，提供的复制物与透镜式元件46的弯曲表面邻近。此外，双凸透镜式元件46的非常轴被设置成垂直于透镜式元件的平行轴。

图13为示出对于观察角在0°和50°之间的图12的设备产生的图像产生贡献的像素平面处的强度与位置之间的得到的关系的曲线图，其中n_o＝n_e＝1.65，n_re＝1.77并且n_ro＝1.55。应当指出的是，图12中的双凸透镜式元件46的非常轴垂直于显示面板42。由此可知，可以通过在依照本发明的自动立体显示设备的双折射透镜式薄板内使用双凸透镜式元件来进一步降低模糊。

上面阐述了多种可能的配置。更一般而言，本发明提供了一种设计，其中透镜式装置的不同层被设计成(就其各向同性层的折射率值、其寻常和非常折射率以及各向异性层的各向异性轴而言)使得横向穿过透镜式装置的光相比于法向穿过透镜式装置的光穿过不同的折射率边界。这些不同的折射率边界被设计成使得透镜化性能导致显示面板的减小的横向区域被聚焦到横向视图位置。优选地，对于横向光路，有效透镜能力被降低。

存在其中可以实现这种透镜功能差异的许多方式。例如，当存在复制物和透镜体时，有可能选择哪个具有更大的折射率，选择所述或每个各向异性层的各向异性轴的取向，以及选择双折射Δn是否为正或为负。

例如，当采用各向同性层(透镜层或复制物层)时，下列配置是可能的：

1)各向同性复制物(低折射率n)，双折射透镜式元件，所述双折射透镜式元件具有正的Δn以及垂直于透镜式元件的伸长轴并且平行于显示面板的非常轴；

2)各向同性复制物(低折射率n)，双折射透镜式元件，所述双折射透镜式元件具有负的Δn以及垂直于显示面板和透镜式元件的伸长轴的非常轴；

3)各向同性透镜式元件(高折射率n)，双折射复制物，所述双折射复制物具有正的Δn以及垂直于显示面板和透镜式元件的伸长轴的非常轴；

4)各向同性透镜式元件(高折射率n)，双折射复制物，所述双折射复制物具有负的Δn以及垂直于伸长轴并且平行于显示器的非常轴。

甚至可以采用两种双折射材料，例如：

5)具有负的Δn的双折射透镜式元件，其具有垂直于显示面板和透镜式元件的伸长轴的非常轴；以及具有正的Δn并且其非常轴垂直于显示器和透镜式元件的伸长轴的双折射复制物；

6)双折射透镜式元件，其具有负的Δn以及垂直于显示面板和透镜式元件的伸长轴的非常轴；以及具有负的Δn并且非常轴垂直于透镜式元件的伸长轴且平行于显示面板的双折射复制物；

7)双折射透镜式元件，其具有正的Δn以及垂直于透镜式元件的伸长轴且平行于显示器的非常轴；以及具有正的Δn并且其非常轴垂直于显示面板和透镜式元件的伸长轴的双折射复制物；

8)双折射透镜式元件，其具有正的Δn以及垂直于透镜式元件的伸长轴且平行于显示面板的非常轴；以及具有负的Δn并且其非常轴垂直于透镜式元件的伸长轴且平行于显示面板的双折射复制物。

因此，应当理解的是，所述透镜式元件或者复制物可以是双折射的。在上面列出的八种配置中，光的偏振优选地应当处于垂直于透镜式元件的伸长轴的平面内。

应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，并且本领域技术人员应当能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计出许多可替换的实施例。在权利要求中，置于括号中的任何附图标记都不应当被视为对权利要求的限制。措词“包括”并没有排除存在权利要求中未列出的元件或步骤。元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件项实现。在相互不同的从属权利要求中陈述某些技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。

总的说来，用于显示设备的透镜结构包括透镜式装置，该透镜式装置包括平行透镜式元件的阵列并且包括双折射层。双折射层的非常轴被设置成与透镜式元件的伸长轴基本上成30°和90°之间的角度。

Claims (17)

1.一种用于自动立体显示设备的透镜结构，包括：

-透镜式装置，该透镜式装置包括平行透镜式元件的阵列并且包括双折射层，

其中双折射层的非常轴被设置成与透镜式元件的伸长轴成30°和90°之间的角度。

2.如权利要求1所述的透镜结构，其中双折射层的非常轴垂直于透镜式元件的仲长轴。

3.如权利要求1或2所述的透镜结构，其中双折射层的非常轴平行于透镜式装置的平面。

4.依照权利要求1、2或3的透镜结构，其中双折射层的第一界面处的非常轴相对于双折射层的第二界面处的非常轴扭曲。

5.依照前面任何一项权利要求的透镜结构，还包括半λ波片，该波片用于旋转双折射层的界面之间的偏振方向。

6.依照前面任何一项权利要求的透镜结构，其中所述透镜式元件的阵列包括双凸透镜。

7.依照前面任何一项权利要求的透镜结构，其中所述透镜式装置包括透镜层和设置在透镜层之上的复制物层。

8.依照权利要求7的透镜结构，其中所述复制物层具有与透镜层不同的折射率。

9.依照权利要求7或8的透镜结构，其中所述复制物层是各向同性的。

10.依照权利要求7或8的透镜结构，其中所述复制物层是双折射的。

11.依照前面任何一项权利要求的透镜结构，其中所述透镜层是双折射的并且包括所述双折射层。

12.依照前面任何一项权利要求的透镜结构，还包括设置在所述透镜式装置的至少一部分上的偏振装置。

13.一种自动立体显示设备，包括：

-用于产生显示的显示面板；以及

-依照前面任何一项权利要求的透镜结构。

14.如权利要求13所述的显示设备，其中显示面板输出在垂直于透镜结构的透镜式元件的轴的平面内偏振。

15.依照权利要求13或14的显示设备，其中所述双折射层的非常轴的取向通过选择性地施加电场而成为可切换的，从而在2D和3D操作模式之间切换该显示器。

16.依照权利要求13-15中任何一项的显示设备，其中所述显示面板为液晶显示面板。

17.一种显示自动立体图像的方法，包括：

-产生包括多个视图的图像；

-通过透镜结构投影该图像，所述透镜结构包括平行透镜式元件的阵列并且包括双折射层，

其中双折射层的非常轴被设置成基本上垂直于透镜式元件的伸长轴，并且其中产生的图像被设置成在垂直于所述透镜结构的透镜式元件的轴的平面内偏振。

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