CN104714262A - 可切换透镜装置及使用其的二维和三维图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种可切换透镜装置及使用其的二维和三维图像显示装置。该可切换透镜装置包括第一膜、第一透镜层和第二透镜层。所述第一透镜层在第一方向上具有第一折射率并且在第二方向上具有第二折射率，所述第二折射率低于所述第一折射率，所述第二方向垂直于所述第一方向，并且所述第一透镜层具有凸面。所述第二透镜位于所述第一膜和所述第一透镜层之间，以使所述第一透镜层的凸面平坦化，所述第二透镜具有对应于所述凸面的凹面，并且具有与所述第二折射率相同的折射率。

Description

可切换透镜装置及使用其的二维和三维图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种可切换透镜装置以及使用该可切换透镜装置的二维和三维(2D/3D)图像显示装置。
背景技术
根据是否使用眼镜，立体图像显示器可分类为眼镜型和非眼镜型。
在眼镜型的典型示例中，左图像和右图像在空间上分离地显示，或者左图像和右图像以时分的方式分开显示。然而，当观看3D图像时眼镜型需要观看者佩戴眼镜。由于佩戴眼镜的这种不便性，近年来已经开发了非眼镜型立体图像显示器。
非眼镜型通常具有光学元件，例如视差屏障和双凸透镜，其用于分离左眼图像和右眼图像的光轴，并设置在显示屏幕的前方或后方，从而实现3D图像。
然而，这种常规的非眼镜型立体图像显示装置仅显示3D图像而不显示2D图像。
发明内容
本发明的一方面提供了一种可切换透镜装置及立体图像显示装置，其能够以非眼镜方式显示2D图像和3D图像二者。
本发明的示例性实施方式提供了一种可切换透镜装置，其包括第一膜、第一透镜层和第二透镜层。所述第一透镜层在第一方向上具有第一折射率并且在第二方向上具有第二折射率，所述第二折射率低于所述第一折射率，所述第二方向垂直于所述第一方向，并且所述第一透镜层具有凸面。所述第二透镜位于所述第一膜和所述第一透镜层之间，以使所述第一透镜层的凸面平坦化，所述第二透镜具有对应于所述凸面的凹面，并且具有与所述第二折射率相同的折射率。
该可切换透镜装置还包括：第二膜，其位于所述第二透镜层的第一表面上。
所述第二膜的尺寸大于所述第一膜、所述第一透镜层和所述第二透镜层，并且包括形成在角部区域的对准标记。
所述第一透镜层由包括反应性液晶基元(reactive mesogen)在内的可光固化液晶材料形成，具有折射率各向异性，并且所述第二透镜层由可光固化树脂形成。
本发明的另一示例性实施方式提供了2D/3D图像显示装置，其包括：显示面板，其利用沿第一方向线偏振的光显示图像；偏振控制单元，其选择性地将所述第一方向的光切换到在垂直于所述第一方向的第二方向线偏振的光；以及可切换透镜装置，其利用折射率差对从所述偏振控制单元入射的光进行折射，并且将经折射的光分离为用于左眼图像的光和用于右眼图像的光来呈现3D图像，或者透射从所述偏振控制单元入射的光而不折射来显示2D图像。该可切换透镜装置包括权利要求1中所述的第一膜、第一透镜层和第二透镜层。
该2D/3D图像显示装置还包括：第二膜，其位于所述第一透镜层的第一表面上。
该第二膜的尺寸大于所述第一膜、所述第一透镜层和所述第二透镜层，并且包括形成在角部区域的对准标记。
所述第一透镜层由包括反应性液晶基元在内的可光固化液晶材料形成，具有折射率各向异性，并且所述第二透镜层由可光固化树脂形成。
所述对准标记位于与所述显示面板的角部相对应的位置。
根据本发明的可切换透镜装置及2D/3D图像显示设备允许在非眼镜方式下显示2D/3D图像，因为可切换透镜装置的透镜单元包括第一透镜层和第二透镜层，所述第一透镜层具有两个不同的折射率，所述第二透镜层具有单一折射率。
此外，由于所述可切换透镜装置的所述第二膜具有对准标记并且具有低延迟，所以当所述显示面板和所述偏振控制单元附接(attach)在一起时，可以不需要用于保证后部距离的附加手段，并防止从显示面板发射的光的延迟。因此，可防止3D串扰特性方面的降低。
此外，通过使用形成在与所述显示面板的角部相对应的位置的对准标记，所述第二膜允许所述显示面板和所述偏振控制单元的更精确的附接。
附图说明
包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图被并入且构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是例示根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的示意性构造的剖面图；
图2是示出被配置为TN模式液晶面板的偏振控制单元的构造的剖面图；
图3A和图3B是例示图2中所示的根据偏振控制单元的操作状态的光的偏振方向的剖面图；
图4是图1中所示的根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的可切换透镜装置的剖面图；
图5是用于说明通过可切换透镜装置将光汇聚到焦点的条件的视图；
图6是用于说明通过根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置显示2D图像和3D图像的原理的视图；
图7是例示根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的示意性构造的剖面图；
图8A是例示根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的可切换透镜装置的俯视平面图；
图8B是例示图7中所示的根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的可切换透镜设备的剖面图；以及
图9是用于说明通过根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置显示2D图像和3D图像的原理的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明示例性实施方式的可切换透镜装置和使用该可切换透镜装置的2D/3D图像显示装置。在整个说明书中，相同的参考标号指示相同的组件。在以下的说明中，如果有关已知功能或者结构的详细描述由于不必要的细节而使本发明模糊不清，则省略对其的详细描述。
首先，将参考图1描述根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置。图1是例示根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的示意性构造的剖面图。
显示面板100是显示2D和3D图像数据的显示装置，显示面板100包括平面显示器，例如，液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示面板(PDP)、无机电致发光显示器、包括有机发光二极管(OLED)显示器和无机发光二极管显示器的电致发光(EL)显示器、以及电泳显示器(EPD)。下面将通过示例来进行描述，在该示例中显示面板100是液晶显示器。
显示面板100包括：薄膜晶体管(TFT)基板，其上形成有包括TFT的像素阵列；滤色器基板，其上形成有表示颜色的滤色器；以及设置在该TFT基板和该滤色器基板之间的液晶层。光吸收轴基本上彼此垂直的偏振板分别附接到显示面板100的TFT基板的表面和滤色器基板的表面。因此，沿水平方向或垂直方向入射在显示面板100上的光在相对于入射光的光吸收轴大约90°的方向上线偏振，并且随后从显示面板100输出。
偏振控制单元200被设置在显示面板100上。偏振控制单元200透射从显示面板100提供的光而不折射，或者使该光线偏振大约90°，并且然后提供该光到可切换透镜装置300。偏振控制单元200可被应用于在扭曲向列(TN)模式、垂直取向(VA)模式、面内切换(IPS)模式以及边缘场切换(FFS)模式下驱动的液晶面板。
可切换透镜装置300被设置在偏振控制单元200上。根据从偏振控制单元200提供的光的偏振方向，可切换透镜装置300透射从偏振控制单元200提供的光而不改变光的状态，以显示2D图像，或者将该光分离为对应于右眼图像的光和对应于左眼图像的光，以显示3D图像。
下面将参照图2、3A和3B描述偏振控制单元200的构造和操作。图2是示出被配置为TN模式液晶面板的偏振控制单元200的构造的剖面图。图3A和图3B是例示图2中所示的根据偏振控制单元的操作状态的光的偏振方向的剖面图。
参照图2，偏振控制单元200包括：形成在第一基板210(对应于图2中的下基板)上的第一电极230、被设置为与第一电极230相对且形成在第二基板220(对应于图2的上基板)上的第二电极240、以及设置在第一电极230和第二电极240之间的液晶层250。
第一基板210和第二基板220中的每个都是由玻璃或者透明塑料形成。
第一电极230和第二电极240中的每个都是由透明导电材料形成，例如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)和掺镓氧化锌(GZO)。
构成液晶层250的液晶分子是由正性液晶形成。正性液晶是由Δε>0来定义的液晶，其表明液晶分子的沿长轴的介电常数(ε∥)大于液晶分子的沿短轴的介电常数(ε⊥)。正性液晶被布置在分别附接到第一电极230和第二电极240的配向层(未示出)之间，并且预倾斜。
如图3A所示，当在TN模式下电场没有施加到液晶时，液晶被排列为使得入射光的线偏振方向旋转大约90°，从垂直线偏振(通过表示)改变为水平线偏振(通过表示)。另一方面，如图3B所示，当电场施加到液晶时，液晶被排列为允许光穿过液晶而没有折射。因此，如图3A所示，当电场没有施加到液晶时，偏振控制单元200使偏振轴是垂直的光线偏振为偏振轴是成为水平的光，并且然后透射该光。如图3B所示，当电场施加到液晶时，偏振控制单元200透射偏振轴是垂直的光而没有折射，并且因此透射光的偏振轴变为垂直。
接着，将参照图4描述可切换透镜装置300。图4是图1中所示的根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的可切换透镜装置的剖面图。
如图4所示，可切换透镜装置300包括：第一膜320和位于第一膜320的一个表面上的透镜单元LCC。该透镜单元LCC包括：具有凸面330a的第一透镜层330，和设置在第一透镜层330的凸面330a和第一膜320之间且具有凹面330a的第二透镜层340。
第一膜320由具有100nm或更小的低延迟、各向同性和单轴特性的材料形成。第一膜320可从由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、三乙酰纤维素(TAC)和聚碳酸酯(PC)构成的组中选择。
透镜单元LCC的第一透镜层330通过在可UV固化液晶被定向在垂直方向(图中的z轴方向)的状态下固化可光固化液晶来形成，并具有连续的凸面330a。因此，构成第一透镜层330的液晶在所有位置上被永久保持定向在垂直方向。更具体地说，可光固化液晶的分子(例如，反应性液晶基元)通过光反应形成网状物(network)，并且可保持液晶分子的初始取向状态。因此，当偏振UV射线照射在可光固化液晶上时，可光固化液晶被固化，同时保持与UV射线的偏振光一致初始取向状态。因此，可获得第一透镜层330。
因为液晶分子的折射率各向异性，所以根据液晶分子的方向，透镜单元LCC的第一透镜层330具有第一折射率‘ne’和第二折射率‘no’。更具体地说，第一透镜层330在液晶分子的长轴方向上具有第一折射率‘ne’，但是在液晶分子的短轴方向上具有小于第一折射率‘ne’的第二折射率‘no’。由于透镜单元LCC的第一透镜层330的液晶分子的短轴定向于垂直方向(图中的z轴方向)，所以第一透镜层330在垂直方向具有第二折射率‘no’。此外，由于透镜单元LCC的第一透镜层330的液晶分子的长轴定向于水平方向(图中的x轴方向)，所以第一透镜层330在水平方向具有第一折射率‘ne’。
第二透镜层340位于第一透镜层330和第一膜320之间，以平坦地覆盖第一透镜层330的凸面330a。第二透镜层340可由透明的可光固化树脂形成，并且具有与第一透镜层330的沿短轴的折射率‘no’相同的折射率‘no’。
图5是用于说明通过可切换透镜装置将光汇聚到焦点的条件的视图。为了显示3D图像，必须通过可切换透镜300将光分离为用于左眼图像的光和用于右眼图像的光，以将用于左眼图像的光和用于右眼图像的光汇聚到焦点。
如上所述，根据光的偏振方向，第一透镜层330具有第一折射率‘ne’和第二折射率‘no’，并且第二透镜层340具有第二折射率‘no’。
根据折射定律(Snell’s law)，当光穿过各自具有不同折射率的两种不同介质时，入射角α和折射角β在两种介质之间的边界处具有ne·sinα＝no·sinβ的关系。然而，由于第二折射率‘no’小于第一折射率‘ne’，所以入射角α必须大于折射角β。因此，第一透镜层330和第二透镜层340之间的边界必须形成凹面330a来将光汇聚到焦点上。相反地，当第一透镜层330和第二透镜层340的边界形成凸面时，光不能汇聚到焦点上。因此，用于左眼图像的光和用于右眼图像的光不被分离。
下面将参照图6描述通过根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置显示2D和3D图像的过程。图6是用于说明通过根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D图像显示装置显示2D图像和3D图像的原理的视图。图6例示了可切换透镜装置300对应于显示面板100的三条线上的像素设置。
在3D图像模式下，当光穿过没有施加电场的偏振控制单元200时，偏振轴从垂直方向(图中的z轴方向)到水平方向(图中的x轴方向)旋转90°。因此，偏振轴是水平的光被提供给可切换透镜装置300。
由于构成可切换透镜装置300的透镜单元LCC的第一透镜330的液晶分子被定向在水平方向，所以入射光的偏振方向与液晶分子的长轴方向相同。因此，第一透镜层330用作具有第一折射率‘ne’的层，并且第二透镜层340用作具有第二折射率‘no’的层。因此，根据折射定律，光通过第一透镜层330的凸面330a折射，且汇聚到焦点‘p’。结果，当光通过可切换透镜装置300时，该光束分离为两束，沿着对应于右眼图像的光的路径和沿着对应于左眼图像的光的路径行进，并且被汇聚到不同的焦点，从而显示3D图像。
在2D图像模式下，当光穿过施加了电场的偏振控制单元200时，光穿过偏振控制单元200而不改变偏振轴。因此，在光穿过偏振控制单元200之前和之后，光的偏振轴都是垂直(图中的z轴方向)。
因此，偏振轴是垂直的光被提供到可切换透镜装置300。
由于可切换透镜装置300的透镜单元LCC的第一透镜330的液晶分子被定向在垂直方向，所以入射光的偏振方向与液晶分子的长轴方向相同。因此，第一透镜层330用作具有第二折射率‘no’的层，且第二透镜层340也用作具有第二折射率‘no’的层。因此，光不被可切换透镜装置300折射且穿过可切换透镜装置300而没有折射，从而显示2D图像。
根据本发明的第一示例性实施方式的可切换透镜装置和2D/3D图像显示设备允许用于在非眼镜方式下显示2D/3D图像，这是因为可切换透镜装置的透镜单元包括具有两个不同的折射率的第一透镜层和具有单一折射率的第二透镜层。
接下来，将参照图7描述根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置。图7是例示根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的示意性构造的剖面图。
参照图7，根据本发明的第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置包括显示面板100、偏振控制单元200以及可切换透镜装置400。显示面板100、偏振控制单元200以及可切换透镜装置400沿着光的行进路径以所述的顺序设置。
根据本发明的第二示例性实施方式的除了2D/3D图像显示装置的可切换透镜装置400的所有其他组件与根据本发明第一示例性实施方式的2D/3D显示图像装置的那些组件基本相同，因此下面将仅描述可切换透镜装置400。
在下文中，将参照图8A和图8B描述可切换透镜装置400。图8A是例示根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的可切换透镜装置的俯视平面图。图8B是例示图7中所示的根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置的可切换透镜设备的剖面图。
参照图8A和8B，该可切换透镜装置400包括：第一膜420、第二膜450以及设置在第一膜420和第二膜450之间的透镜单元LCC。透镜单元LCC包括附接到第二膜450并具有凸面430a的第一透镜层430以及具有对应于凸面430的凹面并且附接到第一膜420的第二透镜层440。
第一膜420可从包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、三乙酰纤维素(TAC)以及聚碳酸酯(PC)的组中选择。
第二膜450的尺寸大于位于第二膜450下面的显示面板100和偏振控制单元200，并且具有对准标记AM，对准标记AM形成在对应于显示面板100的角部的位置。
第二膜450由具有100nm或更小的低延迟、各向同性和单轴特性的材料形成。第二膜450可从由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、三乙酰纤维素(TAC)以及聚碳酸酯(PC)构成的组中选择。
当显示面板100和偏振控制单元200附接在一起时，第二膜450可保证所需要的后部距离。因此，用于保证从显示面板100和偏振控制单元200到可切换透镜装置400的距离的附加手段是不必要的。
此外，由于第二膜450具有低延迟，所以从显示面板100发射的光的迟延将不会被察觉。因此，第二膜450防止在3D串扰特性方面的降低。
第一膜410可由与第二膜450相同的材料形成。另选地，第一膜410可由与第一膜310不同的材料形成。
根据本发明第二示例性实施方式的可切换透镜装置400的透镜单元LCC包括：具有凸面部分430a且具有第一折射率和第二折射率‘ne/no’的第一透镜层430，以及具有对应于凸面部分430a的凹面部分且具有第二折射率‘no’的第二透镜层440。构成根据本发明第二示例性实施方式的可切换透镜装置400的透镜单元LCC与根据本发明第一示例性实施方式的可切换透镜装置300的透镜单元LCC基本相同，因此省略对其的详细描述。
下面将参照图9描述通过根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置来显示2D和3D图像的过程。图9是用于说明通过根据本发明第二示例性实施方式的2D/3D图像显示装置显示2D图像和3D图像的原理的视图。图9例示了该可切换透镜装置400对应于显示面板100的三条线上的像素设置。
在3D图像模式下，当光穿过没有施加电场的偏振控制单元200时，偏振轴从垂直方向(图中的z轴方向)到水平方向(图中的x轴方向)旋转90°。因此，偏振轴是水平的光被提供到可切换透镜装置400。
由于构成可切换透镜装置400的透镜单元LCC的第一透镜层430的液晶分子被定向在水平方向，所以入射光的偏振方向与液晶分子的长轴方向相同。因此，第一透镜层430用作具有第一折射率‘ne’的层，并且第二透镜层440用作具有第二折射率‘no’的层。因此，根据折射定律，光通过第一透镜层430的凸面430a折射，且汇聚到焦点‘p’。结果，当光穿过可切换透镜装置400时，该光被分为两束，沿着对应于右眼图像的光的路径和对应于左眼图像的光的路径行进，且被汇聚到不同焦点，从而显示3D图像。
在2D图像模式下，当光穿过施加了电场的偏振控制单元200时，光穿过偏振控制单元200而不改变偏振轴。因此，在光穿过偏振控制单元200之前和之后，光的偏振轴都是垂直(图中的z轴方向)。
因此，偏振轴是垂直的光被提供到可切换透镜装置400。
由于可切换透镜装置400的透镜单元LCC的第一透镜层430的液晶分子被定向在垂直方向，所以入射光的偏振方向与液晶分子的短轴方向相同。因此，第一透镜层430用作具有第二折射率‘no’的层，并且第二透镜层440也用作具有第二折射率‘no’的层。因此，光没有被可切换透镜装置400折射并且穿过可切换透镜400而没有折射，从而显示2D图像。
根据以上根据本发明第二示例性实施方式描述的可切换透镜装置和2D/3D图像显示装置，当显示面板和偏振控制单元附接在一起时，具有低延迟的第二膜消除了对用于保证所需的后部距离的附加手段的需要，并防止从显示面板100发射的光的延迟。因此，可防止3D串扰特性方面的降低。
此外，通过使用形成在与显示面板的角部相对应的位置的对准标记，第二膜450允许显示面板和偏振控制单元的更精确的附接。
根据以上描述，本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明的技术思想的情况下，可以对本发明做出各种变化和修改。因此，本发明的技术范围并不限于说明书的详细描述中所述的内容，而应由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种可切换透镜装置，该可切换透镜装置包括：
第一膜；
第一透镜层，该第一透镜层在第一方向上具有第一折射率并且在第二方向上具有第二折射率，所述第二折射率低于所述第一折射率，所述第二方向垂直于所述第一方向，并且所述第一透镜层具有凸面；以及
第二透镜层，该第二透镜层位于所述第一膜和所述第一透镜层之间，以使所述第一透镜层的凸面平坦化，所述第二透镜具有对应于所述凸面的凹面，并且具有与所述第二折射率相同的折射率。
2.根据权利要求1所述的可切换透镜装置，该可切换透镜装置还包括第二膜，该第二膜位于所述第一透镜层的第一表面上。
3.根据权利要求1所述的可切换透镜装置，其中，所述第二膜的尺寸大于所述第一膜、所述第一透镜层和所述第二透镜层，并且包括形成在角部区域的对准标记。
4.根据权利要求1所述的可切换透镜装置，其中，所述第一透镜层由包括反应性液晶基元在内的可光固化液晶材料形成，具有折射率各向异性，并且所述第二透镜层由可光固化树脂形成。
5.一种2D/3D图像显示装置，该2D/3D图像显示装置包括：
显示面板，其利用沿第一方向线偏振的光显示图像；
偏振控制单元，其选择性地将所述第一方向的光切换到在垂直于所述第一方向的第二方向线偏振的光；以及
可切换透镜装置，其利用折射率差对从所述偏振控制单元入射的光进行折射，并且将经折射的光分离为用于左眼图像的光和用于右眼图像的光来呈现3D图像，或者透射从所述偏振控制单元入射的光而不折射来呈现2D图像，
其中，所述可切换透镜装置包括权利要求1中的所述第一膜、所述第一透镜层和所述第二透镜层。
6.根据权利要求5所述的2D/3D图像显示装置，该2D/3D图像显示装置还包括第二膜，该第二膜位于所述第一透镜层的第一表面上。
7.根据权利要求5所述的2D/3D图像显示装置，其中，所述第二膜的尺寸大于所述第一膜、所述第一透镜层以及所述第二透镜层，并且包括形成在角部区域的对准标记。
8.根据权利要求5所述的2D/3D图像显示装置，其中，所述第一透镜层由包括反应性液晶基元在内的可光固化液晶材料形成，具有折射率各向异性，并且所述第二透镜层由可光固化树脂形成。
9.根据权利要求7所述的2D/3D图像显示装置，其中，所述对准标记位于与所述显示面板的角部相对应的位置。
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