TW201310123A - 三維影像顯示設備 - Google Patents

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Yuzo Hirayama
Rieko Fukushima
Tatsuo Saishu
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Toshiba Kk
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Abstract

根據一實施例，三維影像顯示設備包含：顯示單元(1)及液晶透鏡(3)。在顯示單元(1)中，眾多子像素以矩陣排列在第一方向及第二方向上。液晶透鏡(3)以不大於水平節距p而排列在該第一方向上，水平節距p表示如下：□(單位：子像素寬度)其中，N是視差數。

Description

三維影像顯示設備
此處揭示的實施例大致上關於三維影像顯示設備。
關於能顯示移動影像的三維(3D)影像顯示設備，亦即，所謂的3D顯示器，已知有各式各樣的系統。近年來，特別地強烈需求採用平板型且未要求任何專用玻璃的系統。關於未要求任何專用玻璃的一型式的三維影像顯示設備，已知有一系統，其中，光線控制元件配置在顯示面板的正好前方，以及，來自顯示面板的光線受控制成朝向觀視者。關於顯示面板(顯示裝置)，使用直接觀視或投射型液晶顯示裝置或是使用電漿顯示裝置，且該顯示器的像素位置是固定的。
光線控制元件具有當觀視者觀看光線控制元件上的相同點時允許觀視者取決於不同角度而觀視不同影像。當光線控制元件僅給予右及左視差(水平視差)時，使用狹縫(視差屏障)或透鏡片(圓柱透鏡陣列)作為光線控制元件。當光控制元件除了給予右及左視差，也給予上及下視差(垂直視差)時，使用尖孔陣列或透鏡陣列作為光線控制元件。
使用光線控制元件的系統分類成二觀視系統、多觀視系統、超級多觀視系統(滿足多觀視系統中的超級多觀視條件)、及整合成像(於下文也稱為「II」)系統。雙觀視 系統根據雙眼視差而取得立體觀視。由於在多觀視系統之後的系統所產生的影像包含一等級或另一等級上的動作視差，所以，它們稱為「3D影像」以與二觀視系統的立體影像區別。顯示這些3D影像所需的基本原理與約100年前發明的整合攝影(IP)的原理實質上相同且應用至3D相片。
在這些3D影像顯示系統中，II系統特點在於高自由度的觀視點位置，因此，觀視者能夠容易地享受立體觀視。在僅提供水平視差但未提供任何垂直視差的一維(1D)II系統中，能夠相當容易地實施高解析度的顯示裝置。
此外，近年來為了提供新穎功能給三維影像顯示設備，已進行很多有關於應用液晶透鏡作為光線控制元件的研究。舉例而言，已實施能夠選擇性地顯示2D及3D影像的3D影像顯示設備，其具有比習知的系統更高的顯示品質、允許高速切換、及能在任意選取的區域上一起顯示2D和3D影像。
一般而言，根據一實施例，三維影像顯示設備包含顯示單元及液晶透鏡。眾多子像素以矩陣排列在顯示單元中的第一方向及第二方向上。
液晶透鏡以不大於水平節距p之節距排列在第一方向上，水平節距p表示如下： 其中，N是視差數。
圖1是根據實施例之3D影像顯示設備的顯示單元之放大視圖。本設備具有LCD(液晶顯示器)1、透鏡基部2、光折射部3。LCD 1是具有眾多子像素的顯示單元，眾多子像素以矩陣排列在水平方向(第一方向)及垂直方向(第二方向)上。一個子像素的形狀基本上是長方形或平行四邊形，其中，短邊對長邊的長度比例為1：3，於需要時，其外形及內部可以修改。三個排列在第一方向上的子像素形成一個像素。三個子像素設有濾光器以顯示R(紅)、G(綠)、及B(藍)中之一。來自背光(未顯示)的光轉換成光線，其顏色由濾光器指定為R、G、及B中之一，且這些光線通過透鏡基部2及光折射部3(光線控制元件)而以光線投射至顯示單元的前側，因而顯示3D影像。
如圖1所示，光折射部3具有在第二方向上延伸之幾乎圓柱狀，以及，眾多此光折射部3沿著第一方向排列。當從圖1觀視時，光折射部3沿著第一方向歪斜地配置。令p為光折射部3在第一方向上的長度，以及m為第二方向上的長度，則此傾斜為θ=atan(p/m)。
光折射部3作為光線控制元件，且使用液晶透鏡或液晶聚合物透鏡。於下，將參考圖2A，說明液晶透鏡及液晶聚合物透鏡。液晶透鏡是使用液晶之透鏡。舉例而言，如圖2A中所示，藉由以透鏡狀體5來密封液晶4，製備 液晶透鏡。關於透鏡狀體5的材料，可以使用UV(紫外光)可固化樹脂等等。此液晶透鏡可以作為具有偏振相依性的透鏡。液晶聚合物透鏡是使用液晶聚合物的透鏡，以及具有液晶4密封在透鏡狀體5中如同在液晶透鏡中般之結構。液晶聚合物通常具有固態。
在本實施例中，使用圖2B中所示的液晶GRIN(梯化折射率或梯度折射率)透鏡10作為光折射部3。液晶GRIN透鏡10是一種液晶透鏡型式，其中，如同已知般，液晶分子7密封在二透明基底6之間。液晶分子7具有加長結構，以及，液晶分子的縱向稱為導向器。液晶分子7具有雙折射，以及，視偏振方向是否平行於或垂直於導向器而發展不同的折射率(Ne,No)。
亦即，當液晶分子在二透明基底6之間的給定方向上對齊時，由於這些導向器都朝向相同方向而以透鏡間距設定固定的折射率，所以，液晶GRIN透鏡10未具有任何透鏡效果。另一方面，使用液晶分子7的特點作為介電質，電壓施加至液晶分子7而以透鏡間距改變導向器的傾斜。圖2B未顯示任何用以施加電壓的電極。在給定的偏振方向上，液晶分子的導向器的傾斜會形成折射率分佈，以及，液晶GRIN透鏡10具有透鏡效果。注意，以不同的電壓施加方法，改變透鏡的焦距。
(2D/3D切換)
一般而言，在裸視式3D顯示器中，顯示解析度低於 原始面板，但是，要求允許觀視者以原先的高解析度來觀視傳統的2D內容。如同參考圖2B之上述所述般，液晶GRIN透鏡10視偏振方向平行於或垂直於導向器而發展不同的折射率(Ne、No)。當液晶分子在二透明基底之間的給定方向上對齊時，由於導向器都朝向相同方向，所以，以透鏡間距設定固定折射率，因此，允許顯示是2D模式。另一方面，當導向器的傾斜因施加電壓而以透鏡節距改變時，液晶分子的導向器的傾斜在給定的偏振方向上形成折射率分佈，以及，提供透鏡效果。如圖3A所示，當液晶GRIN透鏡10的焦距f與透鏡10與顯示像素(LCD 1)之間的距離大略地匹配時，用於透鏡節距p中的一視差之來自像素(舉例而言，像素編號5)的光被放大達到透鏡間距p並被輸出。因此，由於能根據所需方向來觀視來自不同像素的光線，所以，能實施視3D顯示。圖3B是液晶GRIN透鏡10的剖面視圖。本實例顯示3線結構，其中，各接地線9設定在二電源線8之間，但是，於需要時，可以改變電極結構。
圖4A顯示包含2D/3D切換機制的3D影像顯示設備的實施例。圖4A中所示的設備使用TN(對絞向列型)液晶胞11作為用以切換偏振方向的液晶切換胞，以及，使用液晶GRIN透鏡10作為3D顯示光學元件。以來自背光12的光照射LCD 1。來自LCD 1的光經由TN液晶胞11而進入液晶GRIN透鏡10。在圖4A中所示的配置中，在2D及3D等二模式中，電壓V總是施加至液晶GRIN透鏡 10。在3D模式中，電壓施加至TN液晶胞11，以致於偏振方向平行於液晶導向器。另一方面，在2D模式中，沒有電壓施加至TN液晶胞11。在此情形中，偏振的方向因TN模式而旋轉90°。依此方式，由TN液晶胞11使液晶GRIN透鏡10的透鏡效果致能或失能。
如圖4B所示，採用在2D模式與3D模式之間開啟/關閉施加至液晶GRIN透鏡10的電壓V而使透鏡效果致能/失能之另一配置。
如上所述，在使用液晶GRIN透鏡10作為光線控制元件的實施例中，當施加電壓時導向器的傾斜形成折射率分佈時，液晶GRIN透鏡10能具有透鏡效果，因此允許觀視者觀視3D影像。另一方面，當無電壓施加時，液晶GRIN透鏡10未具有任何透鏡效果，以及，LCD 1(亦即，基本2D面板)被直接觀視，因而允許高清晰度2D顯示。
注意，如圖4C或4D中所示般，可以使用圖2A中所示的液晶透鏡13以取代液晶GRIN透鏡10。
當允許3D顯示而未要求任何專用玻璃的3D影像顯示設備採用大尺寸面板時，也必須應用大的液晶透鏡。在此情形中，透鏡厚度的增加干擾透鏡中液晶分子的對齊而使透鏡特徵變差，造成3D影像品質下降。一般而言，為了穩定液晶分子的導向器的方向，例如聚醯亞胺膜等對齊膜形成於玻璃或樹脂基底的表面上或是形成於密封液晶的個體上，以及，藉由例如在一方向上摩擦布而進行摩擦處理。由於對齊膜具有對齊，所以，液晶分子受該對齊影響 ，以及，導向器的方向相對齊。但是，當液晶厚度增加時，無法達到對齊膜的對齊限制力，因而干擾導向器的方向。液晶透鏡不再具有作為透鏡的效果。當液晶厚度超過100[μm]時，雖然這取決於液晶材料的型式，但是對齊一般不受干擾。因此，在本實施例中，如同下述將說明般，指明用於透鏡節距的上限及/或下限，且將傳統節距之透鏡節距的大約一半設定為幾乎是液晶厚度的一半，因而實現穩定的液晶透鏡。
(液晶透鏡的水平節距的上限)
在習知的平行光II系統的情形中，通常使用視差數的整數倍作為液晶透鏡的水平節距。舉例而言，在九個視差的情形中，液晶透鏡的水平節距設定為9[子像素寬度]。令N為視差的數目，L為觀視距離，以及，g為透鏡與像素之間的間隙，則在多觀視系統的情形中液晶透鏡的水平節距p由下述指定：
舉例而言，當L=2.5[m]及g=3[mm]時，p=8.999[子像素寬度]。但是，在此習知的設計中，隨著顯示幕尺寸增加，液晶透鏡具有更大的尺寸，以及，液晶層的厚度通常超過穩定區。
因此，在本實施例中，液晶透鏡的水平節距的上限被 指定為等於或小於如下所示的p：
舉例而言，在九視差的情形中，液晶透鏡的水平間距的上限設定為等於或小於P=8.83(子像素寬度)。然後，液晶層的厚度有效地降低以取得令人滿意的液晶透鏡特徵。
如圖5A所示，藉由習知的透鏡節距，一液晶透鏡3包含由均包括R、G、及B子像素的三件組配置的3D像素。如圖5A中所示，一個三件組由具有圓形標記的三個子像素配置而成。這三個子像素落在一液晶透鏡3之內，其在水平方向上傾斜。
在此情形中，圖5B顯示滿足上述等式(2)所給定的條件之情形。如同圖5B中可見般，由包含R、G、及B子像素的三件組所配置的3D像素佈跨越二或更多液晶透鏡3a和3b。亦即，構成一個三件組之二個子像素存在於液晶透鏡3a上，以及，其餘的一個子像素存在於液晶透鏡3b上。這意指眾多3D像素以重疊圖案佈置在整個顯示幕上，以及，也預期增進解析度的效果。此外，由包含R、G、及B子像素的三件組構成的3D像素可以跨越三個液晶透鏡。
(液晶透鏡節距)
於下，將說明液晶透鏡節距。在大量的透鏡體中藉由 密封液晶或液晶聚合物而取得的結構之情形中，這些透鏡狀體具有給定的規律。此規律稱為液晶透鏡或液晶聚合物透鏡的「透鏡節距」。注意，透鏡節距是在垂直於透鏡的脊方向上的節距。但是，當透鏡設置成具有傾斜度時，在水平方向上的節距(圖1中的p)特別稱為「水平透鏡節距」。
另一方面，由於液晶GRIN透鏡等等未具有任何透鏡體，所以，無法適用上述定義。但是，液晶導向器的方向規律地變化。因此，液晶導向器的規律可以定義為液晶透鏡的透鏡節距。此透鏡間距與規律地配置之電極的節距具有強的相關性。注意，也在此情形中，當透鏡配置成具有傾斜度時，水平方向上的節距特別地稱為「水平透鏡節距」。
(指明透鏡的水平節距之下限)
隨著水平透鏡節距愈小，液晶透鏡的尺寸降低。因此，液晶透鏡的厚度也降低。但是，由於當水平透鏡節距太小時會發生副作用，所以，水平透鏡節距具有下限。
舉例而言，隨著水平透鏡節距變得更小，自液晶透鏡發射的光線的散佈變得更小，造成更窄的可見範圍。為了補償此效應，需要適當的設計(舉例而言，調整3D面板的每一層的厚度以降低像素與液晶透鏡之間的距離)。另一方面，真正的下限是允許立體觀視能夠作用之最小透鏡節距。為了允許立體觀視，至少二光線必須從一液晶透鏡 輸出。這是因為當僅有一光線從一透鏡輸出時，無論從什麼方向，都看到相同的像素，而造成2D顯示。當水平透鏡節距僅稍微大於一個子像素寬度時，二光線從一個液晶透鏡輸出。因此，從上述說明可知，透鏡的水平節距的下限大於一個子像素寬度。
因此，試驗地生產具有水平節距=1.5個透鏡的[子像素]的液晶透鏡。在此情形中，雖然可見光範圍狹窄，但是，能夠有令人滿意的立體觀視。圖6顯示當液晶透鏡的水平節距設定為1.5[子像素]時像素與液晶透鏡之間的關係。在本實例中，視差數為3。
(垂直透鏡及傾斜透鏡)
圖7顯示垂直透鏡70配置在液晶面板上的實例。關於顯示2D影像的液晶面板，流行使用具有馬賽克濾光器矩陣的液晶面板。另一方面，圖8顯示傾斜透鏡80配置在液晶面板上之實例。關於顯示2D影像的液晶面板，流行使用具有垂直條狀濾光器矩陣的液晶面板。垂直條狀濾光器矩陣一般用於2D監視器等等中，且具有允許使用一般用途的2D面板而不用製備任何特定的2D面板。但是，以莫列波紋抑制的觀點而言，要求適當地選取透鏡的傾斜角及水平節距。
本實施例對於透鏡的垂直及傾斜佈局都是有效的，但是，對於傾斜佈局特別有效。在2D/3D切換型的情形中，在透鏡效果失能之後，在2D顯示模式中直接觀視原始 的2D面板。基於此原因，需要使用一般用途的2D面板。如上所述，對於傾斜透鏡佈局，使用具有垂直條狀濾光器矩陣的液晶面板作為基本2D顯示液晶面板。垂直條狀濾光器矩陣一般用於2D監視器等等中，且能使用一般用途的2D面板而不用製備任何特定的2D面板。垂直透鏡僅具有一設計參數，亦即，透鏡節距，而傾斜透鏡具有二設計參數，亦即，透鏡節距及傾斜角。因此，設計的自由度高，且能利用各式各樣的設計。
如圖9(相當於圖5B中相同的實例)中所示，當傾斜透鏡的傾斜角θ是atan(1/n)及n=6，以及透鏡的水平節距p為3×視差數/n(單位：子像素寬度)時，在顯示影像上產生規律的密度圖案，亦即，莫列波紋(moiré pattern)。舉例而言，n=1/tan θ。或者，n=m/p。
舉例而言，在九視差的情形中，當n=6，以及水平節距約為3×9/6=4.5[子像素寬度]時，產生莫列波紋。因此，雖然期望本實施例的效果，但是，以莫列波紋的觀點而言，此水平節距區無法取得令人滿意的3D影像。慮及製造誤差，藉由排除3×視差數/n的0.999倍至1.001倍的水平節距p的範圍，以作成設計。
而且，當每一傾斜透鏡的傾斜角θ是atan(1/n)且n=3，以及透鏡的水平間距p是3×視差數/n(單位：子像素寬度)時，在顯示影像上產生規律密度圖案，亦即莫列波紋。也在此情形中，慮及製造誤差，藉由排除3×視差數/n的0.999倍至1.001倍的水平節距p的範圍，以 作成設計。
(另一實施例)
在40”等級2D/3D切換型大顯示幕3D顯示器的情形中，使用具有約4000水平像素的面板作為基本2D面板。為了增強立體效果，視差數目較佳的是大的，但是，在此情形中，3D解析度降低。基於此理由，需要良好平衡的設計。舉例而言，為了取得等於高清晰度電視的3D解析度，使用約9視差是適當的。此時，假使歪斜地配置的液晶透鏡的水平透鏡間距是9[子像素]時，則每一液晶透鏡中的液晶層的厚度大到約200[微米]，以及，無法取得穩定的透鏡效果。
因此，如圖10所示，本實施例應用至透鏡的水平透鏡間距的幾乎一半。更具體而言，當透鏡的傾斜角θ是atan(1/n)時，透鏡的水平間距p設定為約3×視差數/n(單位：子像素寬度)。但是，視差數N=9，以及，n=1/tan θ，亦即，值稍微小於6。結果，每一透鏡中的液晶層的厚度降低至約100[μm]。如圖10所示，視差資訊指派給像素。藉由此配置，當透鏡開啟時能觀視令人滿意的3D影像，以及，當透鏡關閉時能觀視高清晰度的2D影像。
根據上述實施例，當採用大尺寸面板時，透鏡間距設定為幾乎傳統節距的一半至幾乎液晶層的厚度的一半，因此實現穩定的液晶透鏡。因此，能提供採用大尺寸面板時 仍然能抑制3D影像品質下降之3D影像顯示設備。當採用上述述2D/3D切換配置時，3D影像顯示為具有豐富的立體效果，以及，2D影像顯示為具有高解析度。此外，根據本實施例，由於液晶層的厚度幾乎減半，所以，能夠大幅地降低液晶材料的使用量，因此，在製造時也取得成本降低。
雖然已說明某些實施例，但是，這些實施例僅是舉例說明，並非要限制發明的範圍。事實上，可以以各種其它形式，具體實施此處所述的新穎實施例；此外，在不悖離本發明的精神之下，可以對此處所述的實施例作出各式各樣的省略、替代、及形式改變。後附的申請專利範圍及其均等範圍是要涵蓋落在本發明的精神及範圍之內的這些形式或是修改。
1‧‧‧液晶顯示器
2‧‧‧透鏡基部
3‧‧‧光折射部
3a‧‧‧液晶透鏡
3b‧‧‧液晶透鏡
4‧‧‧液晶
5‧‧‧透鏡狀體
6‧‧‧基底
7‧‧‧液晶分子
8‧‧‧電源線
9‧‧‧接地線
10‧‧‧液晶梯化折射率透鏡
11‧‧‧液晶胞
12‧‧‧背光
13‧‧‧液晶透鏡
80‧‧‧傾斜透鏡
圖1是根據實施例的3D影像顯示設備的顯示單元之放大視圖；圖2A是視圖，顯示液晶透鏡或液晶聚合物透鏡；圖2B是剖面視圖，顯示液晶GRIN透鏡；圖3A是剖面視圖，顯示液晶GRIN透鏡；圖3B是剖面視圖，顯示液晶GRIN透鏡；圖4A是視圖，顯示2D/3D切換顯示的實例；圖4B是視圖，顯示2D/3D切換顯示的另一實例；圖4C是視圖，顯示2D/3D切換顯示的仍然又另一實 例；圖4D是視圖，顯示2D/3D切換顯示的又另一實例；圖5A是視圖，顯示由均包含R、G、及B子像素的三件組所配置的3D像素；圖5B是視圖，顯示由均包含R、G、及B子像素的三件組所配置的3D像素；圖6是視圖，顯示當透鏡的水平節距設定為1.5子像素時像素與液晶透鏡之間的關係；圖7是視圖，顯示垂直透鏡佈置於液晶面板上的實例；圖8是視圖，顯示傾斜透鏡佈置於液晶面板上的實例；圖9是一情形的說明視圖，在此情形中，傾斜透鏡的傾斜角θ是atan(1/n)且n=6，以及，透鏡的水平節距是3x視差數目/n(單元：子像素寬度)；以及，圖10顯示另一實施例。
1‧‧‧液晶顯示器
2‧‧‧透鏡基部
3‧‧‧光折射部

Claims (5)

  1. 一種三維影像顯示設備，包括：顯示單元，在該顯示單元中，眾多子像素以矩陣排列在第一方向及第二方向上；以及液晶透鏡，以不大於水平節距p，排列在該第一方向上，該水平節距p的單位是該子像素的寬度，表示如下： 其中，N是視差數。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該液晶透鏡的該水平節距p大於一子像素寬度。
  3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中，每一液晶透鏡的脊方向相對於該第二方向傾斜。
  4. 如申請專利範圍第3項之設備，其中，令θ為該液晶透鏡的該脊方向相對於該第二方向的傾斜角度，以及，n=1/tan θ(n=3或6)，藉排除3×視差數/n的0.999倍至1.001倍，設定該液晶透鏡的該水平節距p。
  5. 如申請專利範圍第3項之設備，其中，令θ為該液晶透鏡的該脊方向相對於該第二方向的傾斜角度，θ=atan(1/n)，及n=1/tan θ，該液晶透鏡的該水平節距p設定為3×視差數/n(單位：子像素寬度)。
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