МНОГОВИДОВОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
MULTI-VIEW IMAGING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к многовидовому устройству отображения того типа, который содержит панель отображения, имеющую матрицу отображающих пикселей для формирования отображения и расположенные над панелью отображения линзообразные средства, сквозь которые наблюдаются отображающие пиксели.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Имеются два основных типа многовидовых устройств отображения. К одному типу относятся устройства отображения для одновременного показа различных изображений различным наблюдателям в различных пространственных положениях. Например, один наблюдатель может находиться на сиденье водителя автомобиля транспортного средства, а другой может находиться на пассажирском сиденье. Водителю может отображаться относящийся к водителю контент, такой как контент спутниковой навигации, а пассажиру может отображаться развлекательный контент. Для множества наблюдателей может существовать более двух видов.
К другому типу относятся автостереоскопические дисплеи для отображения видов для различных глаз в различные пространственные положения. Для одного наблюдателя в одном положении могут существовать два вида, но может существовать значительно больше видов (например, 9 или 15), таким образом, что множество наблюдателей может находиться в поле зрения, и/или таким образом, что наблюдатель может перемещаться относительно дисплея, чтобы испытывать эффект кругового обзора.
Принципы, лежащие в основе формирования и пространственного разделения различных видов в этих устройствах, одинаковы. По существу, различный 2-мерный (2D) контент проецируется в различные пространственные положения одновременно. Единственное различие состоит в том, что для автостереоскопического дисплея угловое разделение видов, как правило, меньше (приблизительно 2 градуса), чем для многовидовых дисплеев, когда оба глаза наблюдателя принимают одно и то же изображение. Как правило, различные пространственные положения проходят вдоль горизонтальной линии, поскольку глаза наблюдателей обычно находятся на одной и той же пространственной высоте, но в различных горизонтальных положениях относительно дисплея. В целях объяснения данное изобретение будет описываться применительно к автостереоскопическим устройствам отображения.
Известное автостереоскопическое устройство отображения содержит двумерную жидкокристаллическую панель отображения, имеющую матрицу отображающих пикселей из строк и столбцов, выполняющую функцию пространственного модулятора света для получения отображения. Решетка удлиненных линзообразных элементов, проходящих параллельно друг другу, лежит над решеткой отображающих пикселей, при этом отображающие пиксели наблюдаются сквозь эти линзообразные элементы. Линзообразные элементы предусматриваются в виде слоя элементов, каждый из которых содержит удлиненный полуцилиндрический линзовый элемент. Линзообразный элемент проходит в направлении столбца панели отображения, при этом каждый линзообразный элемент лежит над соответствующей группой из двух или более смежных столбцов отображающих пикселей.
В компоновке, в которой, например, каждый линзообразный элемент связан с двумя столбцами отображающих пикселей, отображающие пиксели в каждом столбце образуют вертикальный срез соответствующего двумерного фрагмента изображения. Линзообразный слой направляет эти два среза и соответствующие срезы столбцов отображающих пикселей, связанных с другими линзообразными элементами, в левый и правый глаза пользователя, расположенного перед слоем, таким образом, что пользователь наблюдает единое стереоскопическое изображение. Слой линзообразных элементов посредством этого обеспечивает функцию направления выходного оптического излучения.
В других компоновках каждый линзообразный элемент связан с группой, скажем, четырех или более смежных отображающих пикселей в направлении строки. Соответствующие столбцы отображающих пикселей в каждой группе размещаются соответствующим образом для получения вертикального среза соответствующего двумерного фрагмента изображения. С движением головы пользователя слева направо воспринимается ряд последовательных различных стереоскопических видов, создающих, например, впечатление кругового обзора.
Вышеописанное устройство обеспечивает эффективное трехмерное отображение. Однако должно быть понятно, что для получения стереоскопических изображений необходимо пожертвовать горизонтальным разрешением устройства (то же относится к разрешению различных изображений в многовидовых 2-мерных системах). Такое пожертвование разрешением неприемлемо для некоторых применений, таких как отображение мелких текстовых символов для наблюдения с небольших расстояний или графические приложения, которым необходимо высокое разрешение. В связи с этим, было предложено создание автостереоскопического устройства отображения, которое может переключаться между двумерным (2D) режимом и трехмерным (3D стереоскопическим) режимом. Такое устройство описано в документе US-A-6,069,650, полное содержание которого включено в настоящий документ в виде данной ссылки на него. В этом устройстве различные группы пикселей, образующие одну или более стереопар, наблюдаются соответствующими глазами наблюдателя сквозь линзообразные элементы. Линзообразные элементы включают в себя электрооптический материал, имеющий показатель преломления, который является переключаемым для обеспечения устранения эффекта преломления линзообразных элементов.
В двумерном режиме линзообразные элементы переключаемого устройства работают в режиме «пропускания», т.е. они действуют совершенно аналогично плоскому листу из оптически прозрачного материала. Получающееся в результате отображение обладает высоким разрешением, равным собственному разрешению панели отображения, которое подходит для отображения мелких текстовых символов для небольших расстояний наблюдения. Разумеется, двумерный режим отображения не может обеспечить стереоскопическое изображение.
В трехмерном режиме линзообразные элементы переключаемого устройства обеспечивают функцию направления выходного оптического излучения, как описано выше. Получающийся в результате дисплей способен создавать стереоскопические изображения, но также испытывает неизбежные потери разрешения, упомянутые выше.
Чтобы обеспечивать переключаемые режимы отображения, в линзообразных элементах переключаемого устройства используется электрооптический материал, такой как жидкокристаллический материал, имеющий показатель преломления, который может переключаться между двумя различными значениями для поляризованного излучения. При этом устройство переключает режимы путем подачи соответствующего электрического потенциала на электродные слои, предусматриваемые над линзообразными элементами и под ними. Электрический потенциал изменяет показатель преломления линзообразных элементов относительно показателя преломления смежного оптически прозрачного слоя. В качестве альтернативы, смежный оптически прозрачный слой может быть выполнен из электрооптического материала с получением того же результата: показатель преломления линзообразных элементов изменяется относительно показателя преломления оптически прозрачного слоя.
Однако возникли сложности с мешающими артефактами отображения в 2D режиме переключаемого многовидового/одновидового дисплея при наблюдении под косыми углами. При таких углах в отображаемых на дисплее выходных данных присутствует заметная структура, которая, по-видимому, связана со структурой линзообразного листа, в то время как при наблюдении перпендикулярно к плоскости панели отображения и линзообразной решетки такая структура не видна.
Предлагался ряд различных подходов к решению этой проблемы. Например, в WO 2007/099488 описывается использование двулучепреломляющей (непереключаемой) структуры реплики, смежной с переключаемой двулучепреломляющей структурой линзы. Благодаря образованию оптически прозрачного слоя линзообразного средства из двулучепреломляющего материала может быть достигнуто значительное усовершенствование, состоящее в сокращении вышеупомянутых мешающих артефактов отображения в 2D режиме дисплеев при косых углах. Однако при этом необходимо увеличить сложность двулучепреломляющей структуры реплики. Существуют и другие решения для улучшения качества отображения при боковых углах наблюдения, но все эти решения вносят в дисплей дополнительную сложность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существует необходимость в многовидовом дисплее, который решает вышеупомянутую проблему. Вышеупомянутая проблема решается с помощью изобретения, определенного в независимых пунктах формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения определены предпочтительные варианты осуществления.
В соответствии с изобретением, предлагается устройство отображения по п. 1.
В данной компоновке вновь используются переключаемый двулучепреломляющий электрооптический материал и непереключаемый оптически прозрачный слой. Переключаемый двулучепреломляющий электрооптический материал реализует функцию ориентирования линейной поляризации излучения, падающего на непереключаемый оптически прозрачный слой в заданном направлении, для одновидового (например, 2D) режима работы. Непереключаемый оптически прозрачный слой имеет показатель преломления, по существу равный показателю преломления необыкновенной волны двулучепреломляющего электрооптического материала. Такое ориентирование может включать в себя функцию поворота плоскости поляризации, если выходная поляризация панели отображения не имеет требуемого направления.
Поляризация излучения, выходящего из панели отображения, является линейной и совпадает с оптической осью двулучепреломляющего электрооптического материала, который при этом в случае необходимости реализует поворот плоскости поляризации, например, чтобы сделать поляризацию линейной и имеющей направление лентикулярных линз. В описании данного изобретения оптическая ось, как обычно определяется в оптической теории, совпадает с единичным вектором (директором) жидкокристаллического (ЖК) материала. Она является «предпочтительным направлением» выстраивания молекул в объеме элемента образца жидкого кристалла.
Термин «смежный с» предпочтительно означает «соприкасающийся с».
В одном примере первое состояние является непереключаемым (т.е., не требующим напряжения релаксированным состоянием), а второе состояние является переключаемым (т.е., управляемым напряжением) состоянием ЖК материала.
В многовидовом (например, 3D) режиме двулучепреломляющий электрооптический материал определяет состояние, в котором оптическая ось устанавливается перпендикулярно выходной поверхности дисплея (гомеотропно ориентированное).
Такое сочетание признаков обеспечивает высококачественный одновидовой режим, свободный от артефактов изображений, в заданной плоскости наблюдения, например, горизонтальной плоскости наблюдения.
Электрооптический материал предпочтительно содержит скрученный нематический жидкокристаллический материал, поскольку при этом в скрученном состоянии слоев ЖК материала может обеспечиваться поворот плоскости поляризации.
Непереключаемый оптически прозрачный слой предпочтительно содержит изотропный материал, но может использоваться и двулучепреломляющий материал.
Панель отображения предпочтительно содержит жидкокристаллическую панель отображения. Она выдает поляризованное излучение. В качестве альтернативы, могут использоваться панели отображения, выдающие неполяризованное излучение, при условии, что средство поляризации, такое как, например, линейно поляризующий слой, используются для создания поляризованного излучения для средства направления излучения.
Данная конструкция может использоваться с дисплеями различных типов, имеющими различную выходную поляризацию. Например, направление поляризации выходного оптического излучения панели отображения может:
быть параллельным продольной оси дентикулярных линз; или
проходить в направлении столбца дисплея; или
проходить в направлении строки дисплея; или
проходить под углом 45 градусов к направлениям строки и столбца дисплея.
Между выходным излучением панели отображения и линзообразным средством может предусматриваться поляризатор. Это позволяет использовать панели отображения, которые по своей природе обеспечивают неполяризованное или нелинейно поляризованное излучение, такие как светодиодные (LED) панели, включая органические светодиодные (OLED) панели или плазменные панели отображения. OLED, как известно, имеют высокую светоотдачу даже в случае, если для поляризации излучения дисплея используются поляризационные фильтры.
Любой дисплей имеет поле зрения, в котором отображаемые им изображения могут наблюдаться наблюдателем, сидящим перед дисплеем. Предполагается, что термин «полное поле зрения» означает все местоположения перед дисплеем, из которых может наблюдаться 2D или 3D режим. В многовидовом режиме для множества наблюдателей дисплей, как правило, имеет множество 2D режимов, каждый из которых может наблюдаться конкретным наблюдателем лишь в части полного поля зрения. Например, двухвидовой дисплей может иметь два 2D режима: один для наблюдения в левой половине и один - в правой половине полного поля зрения.
В данном изобретении также предлагается способ управления устройством отображения данного изобретения по п. 12.
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения должны быть понятны из чтения нижеследующего наглядного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, представленных лишь в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
фиг. 1 представляет собой схематичный общий вид известного автостереоскопического устройства отображения, к которому может быть применено данное изобретение;
фиг. 2 представляет собой детальное схематичное изображение элемента известного устройства отображения, показанного на фиг. 1;
фиг. 3А и 3В используются для объяснения принципа действия известного устройства отображения, показанного на фиг. 1;
фиг. 4 представляет собой схематичный вид поперечного сечения двух типичных линзообразных элементов в устройстве на фиг. 1, на котором показаны оптические эффекты в действии;
фиг. 5 представляет собой вид, аналогичный показанному на фиг. 4, части линзообразной матрицы в конструкции, в которой используется структура двулучепреломляющей непереключаемой линзообразной реплики;
на фиг. 6А и 6В показано устройство отображения данного изобретения в 2D и 3D режимах; и
на фиг. 7 показана модификация устройства, изображенного на фиг. 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Известны переключаемые устройства отображения, имеющие видимую область отображения, которая может переключаться между двумерным режимом отображения и трехмерным режимом отображения. Переключение режимов осуществляется путем приложения электрического поля к электрооптическому материалу матрицы линзовых элементов, содержащих электрооптический материал, такой как ЖК материал. В двумерном режиме линзовые элементы ведут себя так, как если бы они являлись обычным листом из прозрачного материала. В трехмерном режиме линзовые элементы выполняют функцию направления выходного оптического излучения, чтобы создавать подлежащее восприятию стереоскопическое изображение. Та же идея переключения может применяться к 2D многовидовому дисплею для переключения между одним видом для полного поля 2D зрения и множеством видов, направленных в различные пространственные положения таким образом, что множество наблюдателей могут наблюдать различный 2D контент в различных частях полного поля зрения дисплея.
Фиг. 1 представляет собой схематический общий вид известного переключаемого автостереоскопического устройства 1 отображения, к которому может быть применено настоящее изобретение. Устройство 1 отображения изображено в развернутом виде.
Известное устройство 1 содержит жидкокристаллическую панель 3 отображения активного матричного типа, которая выполняет функцию пространственного модулятора света для обеспечения отображения. Панель 3 отображения имеет ортогональную матрицу отображающих пикселей 5, расположенных в виде строк и столбцов. Для ясности на чертеже показано лишь небольшое число отображающих пикселей 5. В действительности панель 3 отображения может содержать около одной тысячи строк и несколько тысяч столбцов отображающих пикселей 5.
Структура жидкокристаллической панели 3 отображения вполне традиционна. В частности, панель 3 содержит пару расположенных на определенном расстоянии друг от друга прозрачных стеклянных подложек, между которыми предусматривается ориентированный скрученный нематический или иной жидкокристаллический материал. На лицевые поверхности подложек нанесены структуры прозрачных индиево-оловянно-оксидных (ITO) электродов. На наружных поверхностях подложек также предусматриваются поляризующие слои.
Каждый отображающий пиксель 5 содержит противоэлектроды на подложках, при этом между ними находится промежуточный жидкокристаллический материал. Форма и расположение отображающих пикселей 5 определяются формой и расположением электродов. Отображающие пиксели 5 расположены на равном расстоянии друг от друга с зазорами.
Каждый отображающий пиксель 5 связан с переключающим элементом, таким как тонкопленочный транзистор (TFT) или тонкопленочный диод (TFD). Управление отображающими пикселями для получения отображения осуществляется путем подачи сигналов адресации на переключающие элементы, и специалистам известны подходящие схемы адресации.
Зазоры между отображающими пикселями 5 закрываются непрозрачной черной маской. Маска предусматривается в форме сетки из светопоглощающего материала. Маска закрывает переключающие элементы и определяет зоны отдельных отображающих пикселей.
Панель 3 отображения освещается источником 7 света, содержащим в данном случае плоскую фоновую подсветку, проходящую по площади матрицы отображающих пикселей. Излучение от источника 7 света направляется сквозь панель 3 отображения, при этом осуществляется управление отдельными отображающими пикселями 5 для модулирования излучения и получения отображения.
Устройство 1 отображения также содержит линзообразное средство, включающее в себя компоновку 9 линзообразных элементов, размещаемую над стороной выходного излучения дисплея панели 3 отображения, которая может управляться для селективного выполнения функции формирования изображения. Компоновка 9 линзообразных элементов содержит матрицу линзообразных элементов 11, проходящих параллельно друг другу, лишь один из которых для ясности показан с увеличенными размерами.
Компоновка 9 линзообразных элементов более подробно схематически изображена на фиг. 2. Компоновка 9 показана в развернутом виде.
Из фиг. 2 видно, что компоновка 9 линзообразных элементов содержит пару прозрачных стеклянных подложек 13, 15, при этом на их лицевых поверхностях предусмотрены прозрачные электродные слои 17, 19, выполненные из оксида индия и олова (ITO). Каждый электродный слой 17, 19 выполнен в виде множества параллельных удлиненных электродов, при этом электроды соответствующих различных слоев 17, 19 расположены перпендикулярно друг другу. Удлиненные электроды расположены с небольшими зазорами между ними для обеспечения их раздельной адресации.
Между подложками 13, 15 рядом с верхней из подложек 13 предусмотрен оптически прозрачный слой 21, образующий линзообразное тело и выполненный в виде листа или пластины, имеющей обратную линзообразную структуру. Линзообразное тело 21 изготовлено из пластического материала с помощью метода репликации. Между подложками 13, 15 рядом с нижней из подложек 15 предусмотрен также нематический жидкокристаллический материал 23. Обратная линзообразная структура линзообразного тела 21 заставляет жидкокристаллический материал 23 принимать параллельные, удлиненные, полуцилиндрические линзообразные формы между линзообразным телом 21 и нижней подложкой 15, как показано на чертеже. Поверхности обратной линзообразной структуры тела 21 и нижней подложки 15, которые соприкасаются с жидкокристаллическим материалом 23, снабжены также слоем ориентации 25 и 26 для ориентирования жидкокристаллического материала 23.
При использовании известное переключаемое устройство отображения 1, изображенное на фиг. 1 выполнено с возможностью обеспечения вывода отображения, отдельные части которого могут переключаться либо сами по себе, либо в совокупности, между двумерным (2D) и трехмерным (3D) режимами отображения. Таким образом, в трехмерной области отображения может предусматриваться одно или более двумерных окон отображения.
Переключаемость отдельных частей выходного излучения дисплея между режимами обеспечивается приложением электрического поля к линзообразным элементам, выполненным из жидкокристаллического материала 23. Это электрическое поле генерируется путем подачи электрического потенциала на электроды электродных слоев 17, 19.
Электрический потенциал подается на заданное количество смежных удлиненных электродов в каждом электродном слое 17, 19. Выбор верхних электродов определяет высоту окна отображения, которое должно переключаться, а выбор нижних электродов определяет ширину окна отображения, которое должно переключаться.
Вместо разделения в соответствии с чертежом каждый из электродов 17 и 19 может проходить непрерывно по матрице пикселей и управляться подачей на него подходящих напряжений попросту для переключения полного выходного излучения дисплея между 2D и 3D режимами отображения.
Приложенный электрический потенциал заставляет линзообразные элементы в заданной части области отображения переключаться между сохранением и исключением функции направления выходного оптического излучения, которая объясняется ниже со ссылкой на фиг. 3А и 3В.
Ввиду статической диэлектрической анизотропии ЖК материала, управление его ориентацией может осуществляться посредством приложения электрического поля. В оптическом режиме также имеется диэлектрическая анизотропия, при этом показатель преломления ЖК материала связан с относительной диэлектрической проницаемостью. ЖК материал имеет показатель преломления обыкновенной и необыкновенной волны, причем первый из них применим к излучению с поляризацией электрического поля, перпендикулярной единичному вектору, а последний применим к излучению с поляризацией электрического поля, параллельной единичному вектору.
Фиг. 3А представляет собой схематический вид поперечного сечения части компоновки 9 линзообразных элементов в отсутствие электрического потенциала, приложенного к электродам. При этом направления рисунка слоев 25 и 26 ориентации и поляризация излучения дисплея лежат в направлении z (направлении осей линз) и в данном случае проходят перпендикулярно плоскости чертежа, приведенного на фиг. 3А. В результате этого эффективная линза, хотя она и является оптически двулучепреломляющей, может аппроксимироваться как изотропная линза с показателем преломления, соответствующим показателю преломления необыкновенной волны ЖК материала. В этом состоянии показатель преломления (то есть, показатель преломления необыкновенной волны) жидкокристаллического материала 23 для линейно поляризованного излучения, обеспечиваемого панелью отображения, значительно выше, чем показатель преломления тела 21, поэтому линзообразные формы обеспечивают функцию направления выходного оптического излучения, как показано на чертеже.
Фиг. 3В представляет собой схематичный вид поперечного сечения части компоновки 9 линзообразных элементов при подаче на электроды переменного электрического потенциала величиной приблизительно 50 В. Электрическое поле создается в направлении y, при этом молекулы ЖК ориентируются по линиям поля. В результате этого единичный вектор ЖК материала также расположен главным образом в направлении y. Направление поляризации излучения от панели отображения по-прежнему является линейно поляризованным, то есть электрическое поле излучения расположено в направлении z. В случае расположения поляризации излучения от панели отображения в направлении z эффективная линза будет иметь показатель преломления обыкновенной волны, при этом излучение не будет преломляться, поскольку имеется согласование показателей преломления ЖК материала и линзообразного тела 21. Следовательно, в этом состоянии показатель преломления ЖК материала 23 для излучения с линейной поляризацией, обеспечиваемого панелью отображения, является по существу таким же, как и показатель преломления обратной линзообразной структуры тела 21, поэтому функция направления выходного оптического излучения линзообразных форм исключается, как показано на чертеже. Таким образом, матрица эффективно действует в режиме «пропускания».
При сохранении функции направления выходного оптического излучения, как показано на фиг. 3А, линзообразные элементы, определяемые ЖК материалом 23, действуют как выпуклые цилиндрические линзы и передают различные изображения, или виды, от панели 3 отображения к глазам пользователя, расположенного перед устройством 1 отображения. Посредством этого может быть получено трехмерное изображение.
При исключении функции направления выходного оптического излучения, как показано на фиг. 3В, линзообразные элементы, определяемые ЖК материалом 23, действуют так, как если бы они представляли собой плоский лист из прозрачного материала, который действует как прозрачный слой без функции направления наблюдения. Посредством этого может быть получено высокоразрешающее двумерное изображение с использованием полного собственного разрешения панели 3 отображения.
Управление электрическими потенциалами для переключения между режимами отображения обеспечивается на электродах компоновки 9 линзообразных элементов с помощью контроллера 12.
Дополнительная информация о структуре известного переключаемого автостереоскопического устройства отображения содержится в описании патента США № 6069650, на который приведена ссылка.
Обнаружено, что в выходном излучении дисплея данного устройства заметны нежелательные артефакты отображения при наблюдении дисплея в 2D режиме под косым углом, например под углом приблизительно 45 градусов относительно плоскости панели отображения. Эти артефакты имеют вид заметной темной полосатости или затеняющих линий, структура которых, по-видимому, относится к структуре линзообразной матрицы. При наблюдении выходного излучения дисплея в 2D режиме перпендикулярно панели отображения структура артефактов отсутствует. Считается, что артефакты вызваны некоторыми остаточными эффектами линзы.
Видимость этой структуры можно объяснить следующим образом. В 2D режиме на линзообразные элементы подается напряжение, и молекулы ЖК материала ориентируются приблизительно перпендикулярно плоскости панели 3 отображения. На фиг. 4 схематически показан используемый эффект двух типичных линзообразных элементов в матрице в этом режиме и показана ортогональная ориентация ЖК материала в этих элементах. Световые лучи, распространяющиеся по существу перпендикулярно панели отображения и линзообразной матрице, не «видят» изменения показателя преломления на поверхности линзы (полуцилиндрической границе между ЖК материалом 23 и линзообразным телом 21), поскольку показатели преломления ЖК материала и линзообразного тела 21 согласованы, и, следовательно, путь светового луча остается неизменным. Это показано для левого линзообразного элемента на фиг. 4.
Однако для косых лучей света (не перпендикулярных линзе или панели отображения) эффективный показатель преломления ЖК материала 23 не равен показателю преломления обыкновенной волны (обычно составляющему около 1,5) для определенных направлений поляризации, а будет иметь некоторое значение между показателями преломления обыкновенной и необыкновенной волн (как правило, около 1,7), которое зависит, помимо прочего, от наклона лучей. Следовательно, лучи будут преломляться на криволинейной поверхности линзы, как показано для правого линзообразного элемента на фиг. 4. Таким образом, ввиду свойств двойного лучепреломления ЖК материала, имеется остаточный эффект линзы при наблюдении дисплея под косым углом. По-видимому, фокусное расстояние линзообразного элемента имеет угловую зависимость. При нормальных углах, перпендикулярных панели отображения, оптическая сила является нулевой, в то время как она увеличивается с возрастанием углов наблюдения. Для определенного угла наблюдения фокальная точка линзообразного элемента находится на структуре пикселей панели отображения. В результате этого черная матрица, окружающая пиксели в панели отображения, отображается в бесконечности, и это считается причиной видимой структуры артефактов.
Этот эффект зависит от направления поляризации излучения, падающего на поверхность линзы. В приведенном на фиг. 4 примере излучение от дисплея считается поляризованным в горизонтальном направлении (направлении х, показанном на фиг. 3), а именно в направлении поперек линз, как показано на чертеже. Если излучение от дисплея поляризовано в вертикальном направлении z, как объясняется для примера на фиг. 3, то оптическая ось ЖК материала всегда остается перпендикулярной направлению поляризации, и световые лучи в плоскости чертежа всегда «видят» показатель преломления обыкновенной волны. В этом случае артефакты отсутствуют. Таким образом, артефакты в 2D режиме зависят от направления поляризации падающего излучения.
Для преодоления этой проблемы для линзообразного тела 21 может использоваться двулучепреломляющий материал. Двулучепреломляющий материал предпочтительно имеет тот же показатель преломления обыкновенной и необыкновенной волн, что и ЖК материал. Это решает проблему для всех углов наблюдения. Этот эффект показан на фиг. 5, который представляет собой вид поперечного сечения части линзообразной матрицы 9, содержащей два типичных линзообразных элемента 11, и подобен виду на фиг. 4. Ориентация оптической оси в линзообразном теле 21 предпочтительно находится в вертикальном направлении, как показано на фиг. 5.
В 3D режиме работы излучение от панели отображения поляризуется таким образом, что на поверхности линзы создается преломление. Световые лучи «видят» показатель преломления необыкновенной волны в ЖК материале 23 и показатель преломления обыкновенной волны в линзообразном теле 21.
В 2D режиме работы, как показано на фиг. 5, на линзообразные элементы подается напряжение, и молекулы ЖК материала вновь ориентируются в направлении y. В этом режиме показатель преломления обыкновенной и необыкновенной волн ЖК материала и материала линзообразного тела 21 согласуются, и преломления на поверхности линзы не происходит. Линзообразный элемент 11 слева на фиг. 5 иллюстрирует эффекты для излучения, распространяющегося перпендикулярно дисплею, в то время как линзообразный элемент 11 справа иллюстрирует эффекты для излучения, распространяющегося наклонно. Как видно на чертеже, в обоих случаях световые лучи не «видят» изменения в показателе преломления на поверхности линзы и не преломляются.
В частности, оптически прозрачный слой содержит двулучепреломляющий материал, имеющий двойное лучепреломление между первым направлением, перпендикулярным поверхности панели отображения, и вторым поперечным направлением в плоскости поверхности.
o
e
Более подробно, ЖК материал 23 внутри линзообразного элемента 11 может аппроксимироваться однородной одноосно-анизотропной средой. Распространение света в одноосно-анизотропных средах может описываться двумя независимыми режимами поляризации. Показатель преломления каждого независимого режима зависит от направления поляризации и направления распространения по отношению к оптической оси двулучепреломляющей среды. Обыкновенная волна (О-волна) с показателем преломления обыкновенной волны имеет направление поляризации, перпендикулярное оптической оси и волновому вектору k. Необыкновенная волна (Е-волна) имеет направление поляризации, перпендикулярное направлению поляризации О-волны. Показатель преломления необыкновенной волны для Е-волны зависит от угла ∂ между волновым вектором k и оптической осью.
Можно провести различие между распространением О-волны и распространением Е-волны. Для О-волны показатель преломления не зависит от направления распространения. Однако для Е-волны имеются колебания показателя преломления в зависимости от направления распространения по отношению к оптической оси. Иными словами, показатель преломления зависит также от угла наблюдения. Если угол ∂ увеличивается, эффективный показатель преломления также увеличивается. Для определенного угла наблюдения преломляющая способность лентикулярной линзы достигает значения, при котором фокальная точка переключаемой лентикулярной линзы находится в точности на пиксельной структуре панели отображения.
Другое решение обсуждаемых выше задач состоит в использовании линзы с плавно изменяющимся показателем преломления (GRIN-линзы). В этом случае управление переключаемым ЖК материалом осуществляется локально таким образом, что формы линзы определяются ориентацией молекулы ЖК. При выключении определенная форма линзы отсутствует, поэтому данная структура нечувствительна к направлению распространения излучения через линзу.
Различные обсуждаемые выше подходы приводят к различным характеристикам в отношении зависимости угла наблюдения. Угловая зависимость подхода на фиг. 4 зависит от поляризации дисплея. В настоящее время изготавливаются некоторые дисплеи, в которых поляризация по дисплею является диагональной. Для таких дисплеев ни горизонтальная плоскость, ни вертикальная не дает хороших зависимостей от угла наблюдения.
Целью данного изобретения является решение проблемы артефактов изображений в 2D режиме при больших углах наблюдения без значительного усложнения конструкции дисплея и тем способом, который может быть приспособлен к различным поляризациям выходного излучения от панели отображения.
Существуют два режима ЖК: гомеотропно ориентированный (перпендикулярный поверхностям дисплея) и лежащий в одной плоскости с поверхностями.
В изображенной на фиг. 3 компоновке в 2D режиме (фиг. 3В) жидкий кристалл является гомеотропно ориентированным, а в 3D режиме (фиг. 3А) жидкий кристалл является плоско ориентированным.
Фиг. 6 представляет собой схематический чертеж, на котором показана конфигурация в соответствии с изобретением. На фиг. 6А показан 2D режим, а на фиг. 6В показан 3D режим.
В изображенном примере поляризация 64 дисплея 66 является линейной и лежащей в плоскости дисплея (для нормально исходящего излучения, т.е., излучения, исходящего перпендикулярно плоскости дисплея). В приведенном ниже описании в случае, если поляризация считается лежащей в плоскости дисплея, она относится к нормально исходящему излучению от панели отображения (т.е., излучению, исходящему перпендикулярно по отношению к панели отображения), поскольку исходящее вбок линейно поляризованное излучение будет иметь направление поляризации, перпендикулярное направлению распространения, и, следовательно, уже не находится в плоскости дисплея.
За исключением различных признаков, указанных ниже в настоящем документе, дисплей в данном примере может быть выполнен так, как описано для дисплея, изображенного на фиг. 2 и 3.
Лентикулярные линзы 60 являются непереключаемыми и предпочтительно изотропными, при этом переключаемая ЖК ячейка 62 используется для реплики линзы.
Показатель (n) изотропной лентикулярной линзы 60 согласован с показателем преломления необыкновенной волны ЖК 62. Показатель преломления необыкновенной волны часто выше, чем показатель преломления обыкновенной волны, при этом форма линз выбирается известным способом для обеспечения требуемой оптической фокусировки в многовидовом (в данном случае 3D) режиме. В частности, поскольку показатель преломления необыкновенной волны обычно выше, чем показатель преломления обыкновенной волны, непереключаемый оптически прозрачный слой содержит лентикулярную линзу выпуклой формы. Эта лентикулярная линза выступает в переключаемый двулучепреломляющий слой. Поскольку указанная форма является выпуклой, объем жидкого кристалла переключаемого слоя может быть выполнен меньшим, чем при использовании обычных непереключаемых оптически прозрачных слоев вогнутой формы. Посредством этого экономится объем жидкокристаллического материала и снижаются расходы на изготовление. Таким образом, лентикулярные линзы являются непереключаемыми, при этом для реплики линз используется скрученная ЖК ячейка.
Многовидовой 3D режим основан на гомеотропно ориентированном ЖК 62. В этом случае излучение будет, главным образом, испытывать показатель преломления обыкновенной волны таким образом, что имеется пограничный слой линзы на границе между показателем преломления обыкновенной волны ЖК и показателем преломления необыкновенной волны изотропной реплики.
В 3D режиме показатель преломления зависит от угла, поскольку угол, образуемый между направлением поляризации и показателем преломления ЖК, изменяется в зависимости от направления освещения. Однако обнаружено, что это не оказывает неблагоприятного влияния на 3D режим аналогично тому, как такие артефакты заметно влияют на 2D режим. Кроме того, для больших углов наблюдения лентикулярная линза находится дальше, чем для перпендикулярно направленного излучения. Артефакт приводит к тому, что фокусное расстояние линзы зависит от угла, и это компенсирует различную длину пути до плоскости пикселей. Таким образом, артефакт линзы в 3D режиме вносит положительный вклад с точки зрения качества фокусировки для наблюдений сбоку.
Для выключения линз излучение в 2D режиме должно преимущественно претерпевать показатель преломления необыкновенной волны, чтобы согласовываться с показателем преломления реплики.
В одном примере компоновка изобретения в выключенном состоянии (2D режим) поляризация дисплея вращается таким образом, что на поверхности линзы или, по меньшей мере, на выходной поверхности оптического излучения ЖК слоя поляризация излучения имеет требуемое направление поляризации. Используется скрученная нематическая ЖК ячейка с ориентацией ЖК, совпадающей с направлением поляризации выходного излучения дисплея со стороны дисплея. В примере, приведенном на фиг. 6А, поляризация 64 выходного излучения дисплея вновь показана находящейся в плоскости дисплея. Она может быть вдоль осей линз или поперек линз.
В 2D режиме скручивание приводит к ориентации направления поляризации в плоскости дисплея и в требуемом направлении для согласования с показателем преломления тела из лентикулярных линз.
Оптимальные характеристики по горизонтали могут быть получены за счет ориентации ЖК параллельно оси цилиндра лентикулярных линз после скручивания. Это - ориентация, изображенная на фиг. 6А и фиг. 6В, и она означает, что при боковых углах наблюдения артефакты изображений не вносятся.
В частности, в случае, если оптическая ось переключаемого двулучепреломляющего слоя на поверхности оптически прозрачного слоя выстраивается вдоль ориентации лентикулярной линзы, угловые артефакты в 2D режиме могут быть устранены. Угол между направлением поляризации и оптической осью ЖК является практически постоянным (т.е., нулевым) для плоскости наблюдения, перпендикулярной ориентации структуры линзы. Данная плоскость наблюдения является практически горизонтальной, поэтому она согласуется с тем, каким образом используются дисплеи. Этого можно достичь независимо от собственной поляризации панели.
Оптимальные характеристики по вертикали могут быть получены за счет ориентации ЖК (после скручивания) поперек (т.е., перпендикулярно) оси цилиндра лентикулярных линз и вновь параллельно пограничному слою линзы.
Таким образом, данное изобретение может решить проблему артефактов в практически горизонтальной плоскости независимо от поляризации нижележащей панели. На фиг. 3В в горизонтальной плоскости артефакты преимущественно незаметны, поскольку поляризация излучения перпендикулярна оптической оси ЖК для всех этих углов. Однако в случае, если поляризация дисплея не совпадает с направлением лентикулярной линзы (как это обычно бывает), то эти артефакты все-таки возникают. Компоновка данного изобретения решает эту проблему.
В описанных выше компоновках используется скручивание на 90 градусов исходя из предполагаемой выходной поляризации панели отображения в направлении строки (поперек лентикулярных линз). Данное изобретение может быть применено к дисплеям с выходной поляризацией под углом 45 градусов к направлениям строки и столбца. В этом случае переключаемым ЖК слоем может быть внесено вращение плоскости поляризации на 45 градусов для обеспечения ввода требуемого направления поляризации в непереключаемую лентикулярную линзу. Степень вращения плоскости поляризации обусловлена направлениями ориентации поверхности на противоположных сторонах ЖК слоя известным способом и может управляться для получения любой требуемой степени вращения.
Если панель отображения имеет требуемое направление выходной поляризации (например, в направлении столбца или направлении лентикулярных линз), то скручивание может не понадобиться. В этом случае переключаемый ЖК может переключаться между плоской линейной поляризацией без скручивания и гомеотропной ориентацией плоскости поляризации.
Ключевая особенность состоит в том, что направление поляризации на выходной стороне переключаемого двулучепреломляющего слоя (т.е., на пограничном слое линзы) является линейным и находящимся в требуемом направлении (например, параллельно продольной оси лентикулярной линзы). Направление линейной поляризации параллельно панели отображения для нормально (перпендикулярно панели отображения) исходящего излучения. Величина углового скручивания, требуемая для обеспечения этого, зависит от направления поляризации излучения, исходящего из панели отображения.
Одновидовые/многовидовые (например, 2D/3D) переключаемые дисплеи в настоящее время считаются дисплеями высокого технического уровня. Наличие артефактов в 2D режиме с точки зрения потребителя считается неприемлемым. Это может быть обусловлено тем, что потребитель наиболее знаком с 2D режимом.
В конструкции данного изобретения 2D режим используется в качестве первого режима, являющегося непереключаемым. Это приводит к меньшему остаточному действию линзы (и, следовательно, меньшим артефактам). Теоретически можно возразить, что проблема артефактов переместилась в 3D режим, но из пользовательских тестов ясно, что эти артефакты менее заметны в 3D режиме, чем в 2D режиме. Благодаря наличию непереключаемого режима, который может использоваться в 2D режиме, качество 2D режима значительно повышается.
В приведенном на фиг. 6 примере в непереключаемом режиме поляризация вращается таким образом, что она параллельна геометрической оси лентикулярных линз и параллельна оптической оси ЖК. Поскольку поляризация на поверхности лентиклярных линз совпадает с геометрической осью, в горизонтальной плоскости наблюдения (т.е., плоскости слева направо при наблюдении дисплея) артефакты не возникают. Эта плоскость, главным образом, используется потребителями.
Дисплей может иметь выходную поляризацию поперек лентикулярных линз (как на фиг. 6), вдоль осей линз или фактически вдоль диагонали дисплея. Ориентация ЖК выбирается согласующейся с типом дисплея.
В данном изобретении исключается необходимость в двулучепреломляющей реплике (как в примере на фиг. 5), но двулучепреломляющая лентикулярная линза, тем не менее, может использоваться.
Для исключения необходимости в проектировании компоновки переключаемых линз для конкретной выходной поляризации дисплея между выходным излучением дисплея и компоновкой лентикулярных линз может использоваться поляризатор или элемент с поворотом плоскости поляризации в качестве верхнего слоя дисплея или нижнего слоя компоновки линз. Использование поляризатора 70 показано на фиг. 7. Поэтому в данном изобретении могут также выгодно использоваться дисплеи на основе LED, OLED или плазменные дисплеи.
Как объяснялось выше, изобретение может быть применимо к дисплеям, имеющим одновидовой 2D режим и либо к многовидовому 3D дисплею, в котором каждый наблюдатель может испытывать 3D эффект, либо к многовидовому дисплею, обеспечивающему множество 2D изображений в различных положения перед дисплеем таким образом, что различные наблюдатели могут видеть различный контент.
Хотя изобретение было подробно описано для многовидового 3D режима, пример для многовидового 2D режима для множества наблюдателей может быть почти таким же с важным отличием, состоящим в том, что средство направления изображения должно быть выполнено таким, чтобы оно направляло соответствующие изображения в соответствующие местоположения перед дисплеем. Посредством этого, как объяснялось во вводном разделе данного изобретения для 3D дисплея, различные столбцы пикселей, которые направлялись бы таким образом, чтобы определять различные изображения для левого и правого глаз наблюдателя, в данном случае должны отклоняться таким образом, что они формируют различные изображения для множества наблюдателей.
При осуществлении заявляемого изобретения специалисты могут понять и реализовать другие модификации описанных вариантов осуществления по результатам изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы обработки, а единственное число не исключает множества. Сам по себе тот факт, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой. Любые условные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.