專利名稱：二維和三維視圖顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及被配置為提供二維和三維感受的顯示裝置，具體而言，涉及一種能夠在二維和三維模式之間切換的顯示裝置和控制所述顯示裝置的方法。
背景技術(shù)：
采用顯示系統(tǒng)提供三維感受正在變得越來越流行，其主要得益于圖形處理系統(tǒng)的計算速度的迅猛提高。例如，即使是典型的個人計算機也能夠提供足以在典型的矩陣顯示裝置上顯示虛擬三維視圖的圖像處理能力。
但是，為了使三維視圖更加生動，人們希望提供一種能夠提供視差效應(yīng)的顯示器。在過去的數(shù)十年中人們一直試圖采取不同的方式解決這一問題，例如，采用特殊構(gòu)造的玻璃，例如，兩種顏色或偏振的玻璃的組合，以及特殊構(gòu)造的顯示器等。其他的系統(tǒng)涉及設(shè)有擴展的透鏡系統(tǒng)的顯示屏板，所述擴展的透鏡系統(tǒng)覆蓋所述顯示屏板并提供視差效應(yīng)。
很多現(xiàn)有技術(shù)的缺點在于不能提供一種容易的方法在普通的二維觀看模式和三維觀看模式之間切換，同時保持圖像分辨率和多色彩能力。兩種觀看模式之間的切換往往涉及一種顯示裝置與另一顯示裝置的互換。不用說，這樣的解決方案既復(fù)雜，成本又高。
在美國專利申請公開文本2004/0041747A1中公開了能夠在二維和三維圖像表達之間切換的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備。在矩陣顯示屏板的前面設(shè)置兩個雙凸透鏡。通過改變兩個透鏡之間的相對位置，使矩陣顯示器的像素視圖在二維模式和三維模式之間切換。但是，美國專利申請公開文本2004/0041747A1中公開的這種構(gòu)造的缺點在于具有復(fù)雜的機械構(gòu)造，至少其涉及移動部分的這一實事可以表明這一點。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)當中的構(gòu)造的缺陷，并提供一種簡單的方法，使得顯示裝置能夠提供二維觀看模式和三維觀看模式之間的切換。
所述目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的顯示裝置和根據(jù)權(quán)利要求14和15的控制顯示裝置的方法實現(xiàn)的。
也就是說，根據(jù)第一方面，本發(fā)明是一種被配置為提供二維感知和三維感知的顯示裝置。所述裝置包括顯示屏板、背光裝置和控制電路。所述背光結(jié)構(gòu)包括光學(xué)透明光導(dǎo)，所述光導(dǎo)具有第一側(cè)面，其用于向所述光導(dǎo)內(nèi)耦合在所述光導(dǎo)內(nèi)沿第一方向傳輸?shù)墓?，與所述第一側(cè)面相對的第二側(cè)面，其用于向所述光導(dǎo)內(nèi)耦合在所述光導(dǎo)內(nèi)沿與所述第一方向相反的第二方向傳輸?shù)墓?；出射表面，耦合到所述光?dǎo)內(nèi)的光通過所述出射表面耦合到所述光導(dǎo)之外。
所述背光裝置還包括具有起伏結(jié)構(gòu)的偏振選擇分束界面，其用于從沿所述第一方向傳輸?shù)墓庵蟹蛛x具有第一偏振的第一射束，并對所述第一射束重新定向，從而使所述第一射束以第一角度從所述出射表面出射，以及從沿所述第二方向傳輸?shù)墓庵蟹蛛x具有第一偏振的第二光束，并對所述第二射束重新定向，從而使所述第二射束以不同于所述第一角度的第二角度從所述出射表面出射；控制電路被配置為采用所述第一和第二射束提供三維感受。
一具體實施例包括具有光學(xué)透明光導(dǎo)的形式的第一層、第二層和第三層。所述層中的任何兩者之間的交界表面中的至少一個包括微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)具有沿所述結(jié)構(gòu)的延伸方向延伸的多個基本平行的結(jié)構(gòu)的形式。所述裝置還包括被配置為分別沿第一和第二方向向所述光導(dǎo)內(nèi)發(fā)射光的第一和第二光源。所述第一和第二方向是基本相反的方向，所述第一和第二方向基本垂直于所述起伏結(jié)構(gòu)的延伸方向。
從所述第一和第二光源(或者其發(fā)射的光被引導(dǎo)至第一和第二側(cè)面的單個光源)中的每者發(fā)出的光受到內(nèi)反射，在所述光被通過所述起伏結(jié)構(gòu)反射到所述第二層內(nèi)時，所述光分成了具有不同偏振方向的兩個光束。即，分成了具有第一偏振方向和第一射束方向的第一光束和具有第二偏振方向和第二射束方向的光束。第一射束沿第一射束方向射出背光裝置，第二射束保留在背光裝置內(nèi)直到得到循環(huán)利用為止。
因而，由于所述第一光源和所述第二光源沿基本相反的方向向光導(dǎo)內(nèi)發(fā)射光，因而將從背光發(fā)射兩個光束，每一光束具有各自的射束方向。在通過顯示圖形信息的顯示屏板，例如，有源矩陣LCD屏板時，所述兩個光束使觀察者對顯示屏板的圖形信息產(chǎn)生三維感受。
在兩個燈同時工作時，或者在兩個燈交替工作以節(jié)省電能時，激活三維觀看模式。在只有一盞燈工作時，激活二維觀看模式。于是可以將2D和3D工作模式集成到同一個背光模塊中，其中，通過簡單地開啟或關(guān)閉所述燈中的一盞執(zhí)行兩種觀看模式之間的切換。
因而，本發(fā)明的優(yōu)點在于，顯示裝置不會在2D模式中遭受分辨率損失的影響。將滿2D分辨率用于右眼和左眼。3D圖像效果是通過在與背光保持同步的情況下，在時間上順次顯示右眼和左眼圖像而建立起來的，其中所述背光在向右眼發(fā)射光和向左眼發(fā)射光之間切換。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于易于實現(xiàn)，因而造價低廉。這一點與現(xiàn)有技術(shù)中的方案相反，例如，后者包括機械移動透鏡系統(tǒng)，其實現(xiàn)困難，因而造價高。
在優(yōu)選實施例中，第二層可以是雙折射的，即光學(xué)各向異性的。但是，在其他實施例中第二層可以具有高于，例如，顯著高于第一層和第三層的折射率的折射率。其優(yōu)點在于，易于制造，因而造價低廉。
在優(yōu)選實施例中，第一層和第二層接合成單個層。其優(yōu)點在于使背光尺寸緊湊。
所述起伏結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括延伸到所述具有起伏結(jié)構(gòu)的表面內(nèi)的溝槽，所述溝槽的截面優(yōu)選相對于垂直于所述溝槽的延伸方向的方向?qū)ΨQ，例如，所述截面為三角形。
在優(yōu)選實施例中，所述雙折射的第二層包括聚萘二甲酸乙二酯(PEN)薄片。在另一優(yōu)選實施例中，所述雙折射的第二層包括聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄片。
在優(yōu)選實施例中，采用三角形溝槽截面，所述溝槽的寬度和深度界定了溝槽角，其中所述溝槽角處于30°到90°的間隔內(nèi)。更優(yōu)選地，所述溝槽角處于30°到70°的間隔內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，如上所述的控制顯示裝置的方法包括控制經(jīng)由所述第一和第二側(cè)面向所述光導(dǎo)內(nèi)的光耦合，使之在時間上連續(xù)?；蛘撸刂平?jīng)由所述第一和第二側(cè)面向所述光導(dǎo)內(nèi)的光耦合，使得光耦合以高到足以不被觀察者察覺的更替頻率在第一和第二側(cè)面之間更替。這種交替工作的優(yōu)點在于，能夠節(jié)省電能，因而適于在諸如膝上型計算機、移動電話等的便攜式裝置內(nèi)使用。


圖1示意性地示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例中采用的背光。
圖2a示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的優(yōu)選實施例的方框圖。
圖2b示意性地示出了圖2a所示的根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置的優(yōu)選實施例的方框圖和截面圖的組合。
圖3示意性地示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例中采用的具有對稱溝槽的背光的截面圖。
圖4示意性地示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例中采用的具有不對稱溝槽的背光的截面圖。
圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的背光和在生成計算機建模結(jié)果中采用的探測器。
圖6是示出了采用圖5所示的背光得到的第一組計算機建模結(jié)果的示意圖。
圖7是示出了采用圖5所示的背光得到的第二組計算機建模結(jié)果的示意圖。
具體實施例方式
對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明將開始于參考圖1對偏振背光100的簡要說明。偏振背光100能夠?qū)煞N不同偏振方向(S和P)的光120轉(zhuǎn)化為只有一種偏振方向(S)的光，所述光沿方向124朝向顯示屏板，例如LCD屏板(圖1中未示出)發(fā)射。
背光100由光學(xué)各向異性(即雙折射)材料層102和光學(xué)各向同性材料層104構(gòu)成。圖1示出了兩層的折射率。各向同性層104的折射率為no，沿各向異性層102的主方向x、y和z的各向異性層的折射率分別為ne、no和no。
在各向異性層102中，通過機器加工、模壓或其他構(gòu)圖技術(shù)制造具有微溝槽106的形式的起伏結(jié)構(gòu)。采用各向同性材料104覆蓋這些溝槽106以形成光導(dǎo)，采用聚(甲基丙烯酸甲酯)，即PMMA墊層110支撐各向同性材料104，墊層110接收來自光源118，即燈的光120。
包括具有期望偏振方向(S)的光的光120入射到溝槽106上，由于兩個交界層102和104的折射率存在失配，因而，所述光被作為沿方向125的S光124向外折射。對于具有另一偏振方向(P)的光126而言，折射率匹配，因而P光126由于全內(nèi)反射而留在內(nèi)部。因而，P光126能夠在背光100中循環(huán)，直到其通過反射/碰撞而翻轉(zhuǎn)其偏振方向。因而，所發(fā)射的S光124的強度相當于常規(guī)背光的S光強度的兩倍。
該偏振背光100的一個重要特征是其溝槽106。如圖1所示，所發(fā)射的偏振光124沿一定角度125從背光100射出，由于全內(nèi)反射模式中的淺入射角的原因，發(fā)射光124在一定程度上受到了準直，即S光124分布在跨越15-20度的角間隔128內(nèi)。盡管難以改變(即使之變窄)所發(fā)射的準直光124的角分布128，但是能夠非常容易地改變發(fā)射角125。只需簡單地改變各向異性材料102中溝槽的角度108就能完成這一操作。因而，幾乎可以以任何(預(yù)定)角度發(fā)射光。在下文中將給出研究發(fā)射光的溝槽角度相關(guān)性的計算機建模的結(jié)果。
現(xiàn)將參考圖2a和2b描述根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置200的優(yōu)選實施例的方框圖。顯示裝置200包括其上設(shè)置了多個像素240的矩陣LCD屏板230。通過背光201照射LCD屏板230。
控制單元232控制LCD屏板230上的顯示信息，例如，通過接口234從外部源238接收到的信息。控制單元232還控制背光201中的第一光源218和第二光源219，所述第一和第二光源218和219沿相反方向，即分別沿光導(dǎo)210中的z和-z方向發(fā)射光。如上文結(jié)合圖1所述，來自光源218和219的光通過光導(dǎo)210傳輸，并在各向同性層204和雙折射(各向異性)層202中受到反射和折射，所述雙折射層202包括多個平行的V形溝槽206。
現(xiàn)在，將參考圖3所示的截面圖給出對背光300的說明。例如，背光300可以用于上述顯示裝置200。背光300包括第一光源318和第二光源319。光源318和319向設(shè)置在光學(xué)各向同性層304的頂部的雙折射光導(dǎo)302內(nèi)發(fā)射非偏振光。光導(dǎo)302設(shè)有多個相對于沿方向y的線309對稱的V形平行溝槽306。溝槽306具有寬度和深度，所述寬度和深度相結(jié)合界定了溝槽角度308。以第一光路330和第二光路332示范從第一光源318發(fā)射的光。以第三光路334和第四光路334示范從第二光源319發(fā)出的光。可以以高到足以不被人眼察覺的高頻連續(xù)或交替運轉(zhuǎn)光源318和319。
如下文中在展示計算機建模結(jié)果時所示出的，對稱溝槽306具有優(yōu)選大于30度小于70度的角度308，但是不限于這些角度。例如，隨著溝槽角308的增大，可能出現(xiàn)具有降低的強度的干擾性次級射束。但是，可以采用這一射束建立多種(例如，兩種)視圖。
現(xiàn)在將繼續(xù)參考圖4中的截面圖描述作為背光400的另一優(yōu)選實施例。例如，背光400可以用于上述顯示裝置200。背光400包括第一光源418和第二光源419。光源418和419向設(shè)置在光學(xué)各向同性層404的頂部的雙折射光導(dǎo)402內(nèi)發(fā)射非偏振光。光導(dǎo)402設(shè)有多個相對于沿y方向的線409不對稱的V形平行溝槽406。溝槽406具有寬度和深度，所述寬度和深度相結(jié)合界定了溝槽角度408。以第一光路430和第二光路432示范從第一光源418發(fā)射的光。以第三光路434和第四光路434示范從第二光源419發(fā)出的光。與在上文中結(jié)合圖3描述的例子中一樣，可以以高到足以不被人眼分辨的高頻連續(xù)或交替運轉(zhuǎn)光源418和419。
應(yīng)當注意，與圖3中的實施例相比，溝槽406是不對稱的。與圖3中的情況相比，這種情況所得到的效果是從背光400沿第二光路432發(fā)射的光或多或少地處于y方向，從背光400沿第四光路436發(fā)射的光更加朝向z方向。其優(yōu)點在于，對于沿-y方向觀察的觀察者，即直接位于顯示器的前面并且沿垂直于顯示器的方向觀察的觀察者而言，可以說針對2D觀看模式優(yōu)化了溝槽形狀。
因而，優(yōu)選將采用不對稱溝槽406的實施例用于主要為2D應(yīng)用而設(shè)計的顯示器應(yīng)用當中，同時優(yōu)選將前述采用對稱溝槽306的實施例用于主要為3D應(yīng)用而設(shè)計的顯示器應(yīng)用當中。
當觀察者處于被顯示器圍繞的環(huán)境中時，例如，處于飛行模擬器中時，不對稱溝槽背光也可以是優(yōu)選解決方案。其他的例子包括這樣的環(huán)境，其中，觀察者并非直接處于顯示器中心的前方，例如，在機動車應(yīng)用當中，其中，顯示器通常位于機動車車廂的中央面板內(nèi)。
現(xiàn)在將參考圖5到圖7給出說明所發(fā)射的偏振光射束的溝槽角度相關(guān)性的計算機建模結(jié)果。圖5示意性地示出了背光系統(tǒng)500的截面圖。與圖1所示的系統(tǒng)類似，系統(tǒng)500包括光導(dǎo)510，其上具有光學(xué)各向同性材料504和雙折射材料，即光學(xué)各向異性材料502構(gòu)成的層。雙折射層502包括沿x方向延伸的平行溝槽506。溝槽506具有界定溝槽角度508的寬度和深度。光源518向光導(dǎo)510內(nèi)發(fā)射光，所發(fā)射的光受到上文所述的內(nèi)反射，并導(dǎo)致了從背光發(fā)射出來經(jīng)由偏振層530照射到光探測器532上的光束560。將偏振層530配置為僅通過S偏振光。光束560具有由第一射束邊緣561和第二射束邊緣562界定的空間范圍。由角度566定義了射束寬度，參考y軸定義射束方向角564。
圖6示出了第一次計算機建模的結(jié)果。這里，計算機建模的設(shè)置為光導(dǎo)510的折射率為1.49，涂層504的折射率為1.56。具有溝槽的雙折射層502是折射率no＝1.56，ne＝1.86的PEN薄片。溝槽的深度為56.5μm，溝槽間距為200μm，溝槽角在30度和90度之間變化。
圖6中的示意圖示出了探測器532探測到的光束560的作為溝槽角508的函數(shù)的角分布。也就是說，從所述示意圖中既能夠看到方向角564，又能夠看到射束寬度566。
從圖中可以看出，對于30、35或40度的溝槽角而言，將從負角度引出光，例如，在觀察者的右眼內(nèi)形成圖像。如果溝槽角為65度或更高，那么將從正角度引出光，從而在觀察者的左眼內(nèi)形成圖像。
圖7中示出了第二次計算機建模試驗的結(jié)果。這里，計算機建模的設(shè)置為，光導(dǎo)510的折射率為1.49，涂層504的折射率為1.53。帶有溝槽的雙折射層502是具有no＝1.53，ne＝1.71的折射率的PET薄片。溝槽的深度為56.5μm，溝槽間距為200μm，溝槽角在30度和90度之間變化。
圖7中的示意圖示出了探測器532探測到的光束560的作為溝槽角508的函數(shù)的角分布。也就是說，從所述示意圖中既能夠看到方向角564，又能夠看到射束寬度566。
從圖中可以看出，對于30、35或40度的溝槽角而言，將從負角度引出光，例如，在觀察者的右眼內(nèi)形成圖像。如果溝槽角為60度或更高，那么將從正角度引出光，從而在觀察者的左眼內(nèi)形成圖像。
盡管本發(fā)明的所有上述實施例都示出了具有雙折射的第二層或者具有雙折射的接合起來的第一和第二層，但是可以采用具有高折射率的各向同性層替代所述雙折射層，由此對這些實施例予以修改。
也就是說，采用具有均勻高折射率(優(yōu)選大于等于1.7)的各向同性材料能夠使光的角分布與在具有雙折射層的實施例中描述的角分布相同。采用具有高折射率的各向同性層的優(yōu)點在于更易于制造。例如，可以在諸如PMMA的常規(guī)聚合物中制作微結(jié)構(gòu)，接下來采用高折射率材料使所述微結(jié)構(gòu)平面化。這樣的高折射率材料的例子包括透明聚酰亞胺和填充了TiO2納米顆粒的聚合物。
權(quán)利要求
1.一種被配置為提供二維和三維感受的顯示裝置(200)，其包括顯示屏板(230)、背光裝置(201，300，400)和控制電路(232)，其中，所述背光裝置包括光學(xué)透明光導(dǎo)，其具有第一側(cè)面，其用于向所述光導(dǎo)內(nèi)耦合在所述光導(dǎo)內(nèi)沿第一方向傳輸?shù)墓?，與所述第一側(cè)面相對的第二側(cè)面，其用于向所述光導(dǎo)內(nèi)耦合在所述光導(dǎo)內(nèi)沿與所述第一方向相反的第二方向傳輸?shù)墓?；出射表面，耦合到所述光?dǎo)內(nèi)的光通過所述出射表面耦合到所述光導(dǎo)之外；以及具有起伏結(jié)構(gòu)的偏振選擇分束界面，其用于從沿所述第一方向傳輸?shù)墓庵蟹蛛x出具有第一偏振的第一射束，并對所述第一射束重新定向，從而使所述第一射束以第一角度從所述出射表面射出，以及從沿所述第二方向傳輸?shù)墓庵蟹蛛x具有第一偏振的第二光束，并對所述第二射束重新定向，從而使所述第二射束以不同于所述第一角度的第二角度從所述出射表面出射；并且其中，配置所述控制電路以采用所述第一和第二射束提供三維感受。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯示裝置(200)，其中，所述背光裝置包括形成所述光學(xué)透明光導(dǎo)的第一層(210，302，402)、第二層(202，302，402)和第三層(204，304，404)，其中，所述層中的任何兩個之間的交界表面的至少一個包括所述具有起伏結(jié)構(gòu)的偏振選擇分束界面(206，306，406)，其具有沿基本垂直于所述第一和第二方向的延伸方向延伸的多個基本平行的結(jié)構(gòu)的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的顯示裝置，其中，所述第二層是雙折射的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的顯示裝置，其中，所述第二層具有高于所述第一層和所述第三層的折射率的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的顯示裝置，其中，所述第一層和所述第二層接合為單個層(302，402)。
6.根據(jù)在從屬于權(quán)利要求2時的權(quán)利要求5所述的顯示裝置，其中，所述第二層具有高于所述第三層的折射率的折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任何一項所述的顯示裝置，其中，所述起伏結(jié)構(gòu)包括延伸到所述具有起伏結(jié)構(gòu)的表面內(nèi)的溝槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的顯示裝置，其中，所述溝槽的截面相對于垂直于所述溝槽的延伸方向的方向?qū)ΨQ。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的顯示裝置，其中，所述溝槽的截面在形狀上為三角形。
10.根據(jù)權(quán)利要求3到9中的任何一項所述的顯示裝置，其中，所述雙折射層包括聚萘二甲酸乙二酯(PEN)薄片。
11.根據(jù)權(quán)利要求3到9中的任何一項所述的顯示裝置，其中，所述雙折射層包括聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄片。
12.根據(jù)在從屬于權(quán)利要求9時的權(quán)利要求10或11所述的顯示裝置，其中，所述溝槽的寬度和深度界定了溝槽角，且其中所述溝槽角處于30°到90°的間隔內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的顯示裝置，其中，所述溝槽角處于30°到70°的間隔內(nèi)。
14.用于控制根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任何一項所述的顯示裝置的方法，所述方法包括控制經(jīng)由所述第一和第二側(cè)面向所述光導(dǎo)內(nèi)的光耦合，使之在時間上連續(xù)。
15.用于控制根據(jù)權(quán)利要求1到10中的任何一項所述的顯示裝置的方法，所述方法包括控制經(jīng)由所述第一和第二側(cè)面向所述光導(dǎo)內(nèi)的光耦合，使得光耦合以高到足以不被觀察者察覺的更替頻率在所述第一和第二側(cè)面之間更替。
全文摘要
一種被配置為提供二維和三維感受的顯示裝置(200)。所述裝置包括顯示屏板(230)、背光裝置(201)和控制電路(232)。所述背光裝置包括具有光學(xué)透明的光導(dǎo)的形式的第一層(210)、雙折射第二層(202)和第三層(204)。所述層中的任何兩個之間的交界表面的至少一個包括微結(jié)構(gòu)(206)，所述微結(jié)構(gòu)具有沿所述結(jié)構(gòu)的延伸方向(x)延伸的多個基本平行的結(jié)構(gòu)。所述裝置還包括被配置為分別沿第一方向(z)和第二方向(－z)向所述光導(dǎo)內(nèi)發(fā)射光的第一(218)和第二(219)光源。所述第一和第二方向是基本相反的方向，所述第一和第二方向基本垂直于所述微結(jié)構(gòu)的延伸方向。
文檔編號H04N13/00GK101061416SQ200580039292
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者胡戈·J.·科內(nèi)利森, 馬蒂納斯·H.·W.·M.·范德爾登 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司