CN103792753A - 裸眼式立体显示装置及其液晶透镜 - Google Patents

Abstract

一种裸眼式立体显示装置及其液晶透镜，裸眼式立体显示装置包含一显示面板及一液晶透镜层。显示面板包含多个像素。像素排列成一矩阵图案。液晶透镜层设置于显示面板上，且包含多个液晶透镜。每一个液晶透镜对应至少一像素。每一个液晶透镜同时根据多个不同的驱动电压的控制而形成一等效非对称透镜，光线穿越等效非对称透镜后，在一视点端形成多个视点。

Description

裸眼式立体显示装置及其液晶透镜

技术领域

本发明涉及一种显示装置，特别涉及一种具有液晶透镜的裸眼式立体显示装置。

背景技术

在目前的显示技术而言，立体显示技术可大致分成观察者需戴特殊设计眼镜观看的戴眼镜式(stereoscopic)以及直接裸眼观看的裸眼式(auto-stereoscopic)。其中戴眼镜式立体显示技术已经发展成熟，并广泛用到如军事模拟或大型娱乐等某些特殊用途上，但戴眼镜式立体显示技术因其方便性与舒适性不佳，使得此类技术不易普及。因此，裸眼式立体显示技术已逐渐发展并成为新潮流。

裸眼式立体显示技术目前已经发展至多重观看角度(multi-view)的立体显示技术。多重观看角度的立体显示技术的优点是可以提供观赏者更大的观赏空间或观赏自由度。一般来说，目前主要用来达到多重观看角度的手段有光栅(Barrier)和柱状透镜(Lenticular lens)。

然而，由于每单个光栅或柱状透镜会对应多个像素，因此无论是使用光栅或柱状透镜，当所达到的视点数越高，立体影像的分辨率就会越低。如图1所示，当柱状透镜LL对应显示面板PX的像素P1至P4时，可产生视点VB1至VB4，同时立体影像的水平分辨率也降为四分之一。表一为现有的视点数与分辨率的关系。

表一

频率(Hz)	像素的数目	半径	倾斜角度	视点数	分辨率
						60	1	∞	0	1	1920
60	2	2.65	0	2	960
						60	3	2.68	0	3	640

并且，对于传统裸眼式立体显示器来说，观赏者与立体显示器之间的观赏距离必须一开始就抵定，以维持观赏者所看到的显示品质。此一限制对观赏者而言却造成了很大的不方便。除此之外，传统裸眼式立体显示器对于其光学元件与显示器之间的对位(alignment)要求非常严格，对于制作来说，更是一大挑战。

发明内容

本发明所揭露的液晶透镜，包含一第一基板、一第二基板、多个控制电极、一电极层和一液晶层。第一基板和第二基板相对配置。这些控制电极设置于第一基板上。电极层设置于第二基板上。液晶层设置于第一基板和电极层之间。当这些控制电极彼此间的电压不同时，液晶透镜形成一等效非对称透镜，使光线穿越等效非对称透镜后，在一视点端形成多个视点。

根据上述本发明所揭露的裸眼式立体显示装置，包含一显示面板和一液晶透镜层。显示面板包含多个像素。这些像素排列成一矩阵图案。液晶透镜层设置于显示面板上，且包含多个液晶透镜。每一个液晶透镜对应至少一像素。每一该液晶透镜同时根据多个不同的驱动电压的控制而形成一等效非对称透镜。光线穿越等效非对称透镜后，在一视点端形成多个视点。

在一实施例中，上述等效非对称透镜的光轴与Y轴间具有一倾斜角。

在一实施例中，上述倾斜角随着这些控制电极和电极层间的电压变化而改变。

在一实施例中，上述等效非对称透镜的一曲率半径随着裸眼式立体显示装置与视点端间的距离而改变。

在一实施例中，当上述的控制电极和该电极层间的电压的切换频率增加时，这些视点的数量增加。

在一实施例中，相邻的两个控制电极间的距离为每一个控制电极的宽度的一整数倍。

通过上述液晶透镜的偏心的设计，可避免裸眼式立体显示装置的视点数增加所造成立体影像分辨率下降的问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有立体显示装置的结构示意图；

图2A至图2B为根据本发明一实施例的立体显示装置在前后时间点的结构示意图；

图3为根据图2A的立体显示装置的放大示意图；

图4A为根据本发明一实施例的单一液晶透镜的剖面结构图；

图4B为根据图4A的单一液晶透镜的斜视结构图；

图4C为图4A的单一液晶透镜在同时施加不同电压时的剖面结构图。

其中，附图标记

10液晶透镜层

100液晶透镜

110第一基板

111第二基板

120a、120b控制电极

121第一电极层

140液晶层

AX光轴

D距离

DV1、DV2电压

EN1等效非对称透镜

EN2等效对称透镜

L1、L2、L3、L4影像光线

PX显示面板

P1、P2像素

Q中心点

VB1、VB2、VB3、VB4视点

W1、W2、W3长度

θ倾斜角

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

请同时参照图2A和图2B，其为根据本发明一实施例的裸眼式立体显示装置在前后时间点的结构示意图。根据本发明所揭露的裸眼式立体显示装置，可在一视点端提供多个视区，每一个视区具有一相对应的视点。每一个视点的视角不同。视点的数目代表有相对应数目的图片的影像信息作为立体影像画面内容的来源。

在本实施例中，该多个视点(视区)是位于一个与立体显示器平行的平面上，但本发明不限于此。该多个视区的形式，诸如宽度、位置、排列方式及与立体显示器的距离仅用以例示说明，其排列方式只要连续即可，不限制为一直线或圆弧。本实施例以一直线作为示例。视点端与立体显示器的距离D可代表一观赏者与立体显示器的观赏距离。

立体显示装置包含一显示面板PX和一液晶透镜层10。液晶透镜层10设置于显示面板PX和视点端之间，亦即设置在显示面板PX上。显示面板PX包含多个像素(pixel)，例如但不限于像素P1和P2，该多个像素排列形成一矩阵图案。

液晶透镜层10包含多个液晶透镜单元。液晶透镜单元系根据施加的电压被驱动且功能上作为一透镜。穿透液晶透镜单元的影像光线可根据施加在液晶透镜层10的电压大小而选择地形成一二维影像或一三维影像。

在没有施加电压或施加一足够电压的状态下，液晶透镜单元的液晶分子排列方向均相同，折射率都一样，因此液晶透镜单元在功能上仅作为一传输层，不具对焦功能。显示面板PX所产生的光线将直接穿透液晶透镜层，形成一二维的影像。另一方面，当施加多种适当的电压给液晶透镜层的状态下，所施加的电压通过多电极而形成不对称的电场，藉此可控制液晶分子的方向而偏折光线。

通过液晶层内折射率的变化，液晶透镜单元可等效成一等效非对称的柱状透镜的效果。液晶透镜单元在列方向上可分为多个液晶透镜100。每一个液晶透镜100对应至少一个像素。关于液晶透镜100的结构将记载如下。

请参考图4A和图4B所示，其分别为根据本发明一实施例的单一液晶透镜的剖面结构图和斜视图。液晶透镜100包含一第一基板110、一第二基板111、多个控制电极(例如但不限于控制电极120a和120b)、一电极层121和一液晶层140。第一基板110与第二基板111相对设置。控制电极120a和120b设置在第一基板110上。电极层121设置在第二基板111上。液晶层140则设置于第一基板110和电极层121之间。控制电极120a和120b间的长度W1为控制电极120a和120b的长度W3的两倍。长度W1和两个长度W3的总和为一个液晶透镜的长度W2。然而上述实施例不为本发明的限制，亦即长度W1和W3间的关系可根据控制电极的数量而设计。

控制电极120a和电极层121间的电压DV1在控制电极120a和电极层121间产生一相对应的电场。此电场控制靠近控制电极120a端的液晶分子偏转。控制电极120b和电极层121间的电压DV2在控制电极120b和电极层121间产生一相对应的电场。此电场控制靠近控制电极120b端的液晶分子偏转。

当电压DV1等于电压DV2时，控制电极120a和电极层121间的电场与控制电极120b和电极层121间的电场相同，使得液晶透镜100靠近控制电极120a和120b的液晶分子排列相同。此时，液晶透镜100可等效成具有一曲率半径的一等效对称透镜EN2，如图3所示。此等效对称透镜EN2的光轴平行Y轴。

当电压DV1不等于电压DV2时，控制电极120a和电极层121间的电场与控制电极120b和电极层121间的电场不同，使得液晶透镜100靠近控制电极120a和120b的液晶分子排列也不同，如图4C。此时，随着液晶分子的偏转将使液晶透镜100的折射率产生改变，液晶透镜100可等效成具有一曲率半径和一倾斜角θ的一等效非对称透镜EN1，如图3所示。此倾斜角θ为等效非对称透镜EN1的光轴AX与Y轴间的夹角，亦即等效对称透镜EN2以其中心点Q旋转的角度。

当电压DV1大于电压DV2时，光线(影像光线L1、L2、L3或L4)穿越非等效液晶透镜时，将朝控制电极120b端偏折。当电压DV1小于电压DV2时，光线在穿越非等效液晶透镜时，将朝控制电极120a端偏折。上述利用液晶透镜100的折射率变化来控制光路的运作如下。

在一实施例中，立体显示装置设定运作在120赫兹(Hz)，且以左眼视觉效果作为说明，如图2A和图2B所示。在此实施例中，一个液晶透镜100对应两个像素P1和P2。由于液晶透镜100具有偏心的特性，因此像素P1和P2发出的影像光线，例如但不限于影像光线L1至L4，经由液晶透镜100后将产生不同的折射效果。

在1/120秒时，影像光线L1穿透液晶透镜100后将投射至视点VB1的位置，影像光线L3穿透液晶透镜100后将投射至视点VB3的位置，如图2A所示。接着，在2/120秒时，影像光线L2穿透液晶透镜100后将投射至视点VB2的位置，影像光线L4穿透液晶透镜100后将投射至视点VB4的位置，如图2B所示。之后的运作以此类推。

然而，上述的实施例不为本发明的限制，本发明的实施范畴也可应用于通过调整立体显示装置运作的频率，来达到在相同分辨率的情况下，提高视点数的目的，或是在相同视点数的情况下，提高分辨率的目的，如表二所示。

表二

频率(Hz)	像素的数目	半径	倾斜角度	视点数	分辨率
						120	1	0.152	±1.09	2	1920
120	2	2.12	±1.09	4	960
						120	3	2.14	±1.09	6	640
180	1	0.146	±2.16	3	1920
						180	2	1.42	±2.16	6	960
180	3	1.44	±2.16	9	640

此外，本发明的立体显示装置可在二维影像和三维影像间作显示的切换。液晶透镜100的半径可通过立体显示装置中配置的检测装置所检测到距离D的大小来自动调整。

综上所述，根据本发明所揭露的立体显示装置，利用显示面板本身的液晶层来设计等效非对称的液晶透镜，以取代光栅或对称的柱状透镜等光学元件。通过设计液晶透镜的偏心的位置、倾斜角和曲率半径，可调整单个液晶透镜所对应的像素的数目。通过设计等效非对称的液晶透镜与像素的数目间的关系，可提高立体显示装置所形成的视点数并维持三维影像的分辨率。此外，通过检测观赏者与立体显示装置间的距离，以自动调整液晶透镜的半径，可避免观赏者与立体显示装置间的观赏距离受限制的问题。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种液晶透镜，其特征在于，包含：

一第一基板和一第二基板，该第一基板和该第二基板相对配置；

多个控制电极，设置于该第一基板上；

一电极层，设置于该第二基板上；以及

一液晶层，设置于该第一基板和该电极层之间，当该些控制电极彼此间的电压不同时，该液晶透镜形成一等效非对称透镜，使光线穿越该等效非对称透镜后，在一视点端形成多个视点。

2.根据请求项1所述的液晶透镜，其特征在于，该等效非对称透镜的光轴与Y轴间具有一倾斜角。

3.根据请求项2所述的液晶透镜，其特征在于，该倾斜角随着该些控制电极和该电极层间的电压变化而改变。

4.根据请求项1所述的液晶透镜，其特征在于，该等效非对称透镜的一曲率半径随着该液晶透镜与该视点端间的距离而改变。

5.根据请求项1所述的液晶透镜，其特征在于，当该些控制电极和该电极层间的电压的频率增加时，该些视点的数量增加。

6.一种裸眼式立体显示装置，其特征在于，包含：

一显示面板，包含多个像素，该些像素排列成一矩阵图案；以及

一液晶透镜层，设置于该显示面板上，且包含多个液晶透镜，每一该液晶透镜对应至少一该像素，每一该液晶透镜同时根据多个不同的驱动电压的控制而形成一等效非对称透镜，光线穿越该等效非对称透镜后，在一视点端形成多个视点。

7.根据请求项6所述的裸眼式立体显示装置，其特征在于，每一该液晶透镜包含：

一第一基板和一第二基板，该第一基板和该第二基板相对设置；

多个控制电极，设置于该第一基板上；

一电极层，设置于该第二基板上；以及

一液晶层，设置于该第一基板和该电极层之间，当该些控制电极和该电极层间的电压不同时，该液晶透镜形成该等效非对称透镜。

8.根据请求项7所述的裸眼式立体显示装置，其特征在于，该等效非对称透镜的光轴与Y轴间具有一倾斜角。

9.根据请求项8所述的裸眼式立体显示装置，其特征在于，该倾斜角随着该些控制电极和该电极层间的电压变化而改变。

10.根据请求项7所述的裸眼式立体显示装置，其特征在于，该等效非对称透镜的一曲率半径随着该显示面板与该视点端间的距离改变。

11.根据请求项7所述的裸眼式立体显示装置，其特征在于，当该些控制电极和该电极层间的电压的频率增加时，该些视点的数量增加。

12.根据请求项7所述的裸眼式立体显示装置，其特征在于，该裸眼式立体显示装置选择地显示一二维影像或一三维影像。

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