УСТРОЙСТВО ОТКЛОНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА И СОДЕРЖАЩЕЕ ЕГО МНОГОВИДОВОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
OPTICAL BEAM DEFLECTION DEVICE AND MULTI-VIEW DISPLAY DEVICE COMPRISING SAME

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Это изобретение относится к устройству отклонения оптического пучка типа, в котором свет преломляется на границе раздела между твердым материалом и газообразным/жидким материалом, где устройство содержит подложку, первый слой, сформированный из оптически прозрачного твердого материала, имеющего первый показатель преломления, и имеющий искривленные поверхности, обращенные к подложке, и второй слой, сформированный из газообразного и/или жидкого материала, заключенный между подложкой и первым слоем и имеющий второй показатель преломления, причем второй показатель преломления отличается от первого показателя преломления.
Изобретение также относится к многовидовому устройству отображения, содержащему устройство отклонения оптического пучка. В этом случае, устройство выполнено с возможностью приема света от устройства отображения, имеющего подпиксели, и проецирования света разных подпикселей в разных направлениях и в разные из множественных видов.
Изобретение также относится к способу формирования устройства отклонения оптического пучка.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Автостереоскопическое устройство отображения описано в GB 2196166 A. Это известное устройство содержит двухмерную излучающую жидкокристаллическую отображающую панель, имеющую массив строк и столбцов подпикселей отображения, действующую как устройство формирования изображения для обеспечения отображения. Массив удлиненных лентикуляров (линз), расположенных параллельно друг другу, перекрывает массив подпикселей отображения и действует как устройство отклонения оптического пучка. Выходы пикселей отображения проецируются через эти лентикуляры, причем лентикуляры формируют выходы во множество видов.
В соответствии с общим определением и в целях настоящего изобретения, пиксель является наименьшей единицей отображающей панели для представления точки изображения. Таким образом, в цветных дисплеях пиксель способен обеспечивать все цвета в точке изображения и поэтому может делиться на подпиксели, представляющие элементарные или основные цвета, например красный, зеленый и синий. Могут присутствовать дополнительные подпиксели в форме подпикселей дополнительных основных цветов или может присутствовать белый пиксель. Для монохромного устройства отображения (дисплея) подпиксель таким образом соответствует пикселю, поскольку цвета отсутствуют.
Таким образом, устройство отклонения оптического пучка из GB 2196166 A обеспечено в виде листа элементов, каждый из которых содержит удлиненный полуцилиндрический линзовый элемент. Лентикуляры ориентированы в направлении столбца подпикселей отображающей панели, причем каждый лентикуляр перекрывает соответствующую группу из двух или более соседних столбцов подпикселей отображения. Фокальная точка каждой линзы приблизительно совпадает с плоскостью, образованной массивом пикселей отображения.
В устройстве, где, например, каждый лентикуляр связан с двумя столбцами подпикселей отображения, подпиксели отображения в каждом столбце обеспечивают вертикальный срез соответствующего двухмерного субизображения. Лентикулярный лист проецирует эти два среза и соответствующие срезы из столбцов пикселей отображения, связанных с другими лентикулярами, в левый и правый глаза пользователя, размещенные перед листом, что позволяет пользователю наблюдать единое стереоскопическое изображение. Для регулярной конфигурации пикселей отображающей панели, имеющей столбцы красных, зеленых и синих подпикселей, три соседних лентикуляра в направлении строки обеспечивают два вида, каждый из которых имеет выход красного и зеленого и синего подпикселя.
В других устройствах каждый лентикуляр связан с группой из трех или более соседних пикселей отображения в направлении строки. Соответствующие столбцы пикселей отображения в каждой группе расположены надлежащим образом для обеспечения вертикального среза из соответствующего двухмерного субизображения. При перемещении головы пользователя слева направо, наблюдается ряд последовательных, различных стереоскопических видов, создающих, например, впечатление кругового обзора.
Вышеописанное устройство обеспечивает эффективное трехмерное отображение. Однако очевидно, что обеспечение стереоскопических видов предусматривает необходимое снижение разрешения, поскольку каждый вид формируется поднабором подпикселей отображающей панели. Кроме того, для данного разрешения отображающей панели, существует компромисс между реалистичным восприятием трехмерной глубины, которая определяется количеством видов, и разрешением каждого из видов.
Было предложено обеспечить устройство отображения, которое способно переключаться в ходе эксплуатации, чтобы функционировать как традиционное двухмерное устройство отображения и автостереоскопическое устройство отображения. В таком устройстве устройство отклонения оптического пучка, по существу, переключается между первым и вторым режимами. Первый режим это режим пропускания, в котором свет, принятый устройством, проходит, по существу, без изменения направления. Второй режим это режим формирования видов, в котором свет направляется в разных направлениях для формирования стереоскопических видов. Использование устройства (компоновки) отклонения оптического пучка в первом режиме (пропускания) пригодно для вариантов применения, где предпочтение отдается высокому разрешению устройства отображения (дисплея), например, для текстового дисплея. Использование устройства во втором режиме (формирования видов) пригодно для вариантов применения, где предпочтение отдается трехмерному эффекту, например, для видеодисплея.
Известное переключаемое устройство отклонения оптического пучка раскрыто в международной патентной заявке WO 1998/021620. Оно содержит массив лентикуляров, размещенных таким образом, что лентикулярные поверхности образуются на одной стороне двулучепреломлящим материалом и на другой стороне оптически изотропным материалом. Показатель преломления изотропного материала согласуется с обыкновенным показателем преломления или с необыкновенным показателем преломления двулучепреломлящего материала, благодаря чему свет первой поляризации не отклоняется линзами, и свет второй поляризации отклоняется. В этом случае, функция линзы может включаться и отключаться путем надлежащего управления поляризацией света, принятого или переданного устройством отклонения оптического пучка. Двулучепреломлящий материал обычно является жидкокристаллическим материалом.
Существует потребность в усовершенствованном устройстве отклонения оптического пучка для использования, например, в многовидовых дисплеях в отношении оптических эксплуатационных показателей, когда оно содержит жидкий и/или газообразный слой.
В GB 2 403 815 раскрыта конструкция массива линз, где используется два ортогональных массива линз, в которой один или другой является эффективным на основании поляризации падающего света.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является удовлетворение вышеупомянутой потребности.
Эта задача решается посредством изобретения, заданного в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают преимущественные варианты осуществления.
Изобретение предусматривает устройство отклонения оптического пучка, используемое в многовидовом устройстве отображения, в котором поверхность подложки отделена от искривленных поверхностей первого слоя множеством распорок, которые отходят от подложки и/или от первого слоя, причем каждая из множества распорок образует точечный или линейный контакт с другим одним из подложки и первого слоя.
Эксплуатационные показатели оптического устройства повышаются, поскольку можно гарантировать, что, по существу, вся отклоняющая поверхность первого слоя контактирует с газообразным или жидким материалом второго слоя, причем точечный и/или линейный контакт распорок минимизирует область, где такой контакт отсутствует. В результате, различимость при видимости (оптический эффект) областей, где распорки контактируют с отклоняющей поверхностью, минимизируется и, следовательно, различимость распорок также минимизируется.
В то же время, конструкция устройства отклонения оптического пучка, предусматривающая наличие особых распорок, допускает, что поверхность подложки и первый слой находятся на заданном расстоянии друг от друга. Следовательно, можно обеспечить более согласованную толщину второго слоя устройства, причем эта согласованность может даже дополнительно уменьшать оптические дефекты.
Кроме того, сложность устройства минимизируется за счет обеспечения распорок, которые отходят от подложки или первого слоя (например, образуя с ней/ним единое целое или будучи присоединены к ней/нему). Это обеспечивает преимущества над устройствами, содержащими дискретные распорки, например, шарики или цилиндрические детали, в частности в отношении изготовления устройства. Следует понимать, что распорки, предложенные согласно изобретению, не являются шариками или цилиндрическими деталями с круглым поперечным сечением.
Поверхность, отклоняющая оптический пучок, образована множеством искривленных поверхностей меньшего размера. Эти искривленные поверхности могут представлять собой призмы, или вогнутые и/или выпуклые линзы или микролинзы. Предпочтительно, они представляют собой одиночные призмы, линзы или микролинзы. Множество искривленных поверхностей, предпочтительно, является массивом искривленных поверхностей. Массив может быть регулярным в одном или двух (в необязательном порядке, взаимно перпендикулярных) направлениях, в которых ориентирован массив. Таким образом, искривленная поверхность представляет массив повторяющихся искривленных поверхностей, например лентикулярный лист, имеющий массив микролинз.
Подложку и/или первый слой можно формировать из гибких материалов, например пластиковых материалов или (органических) полимерных материалов. Примеры таких материалов включают в себя поликарбонат или материалы, применяемые в отображающих панелях, например панелях жидкокристаллического дисплея (ЖКД) портативных компьютеров или карманных устройств. В этих случаях, наличие распорок может потребоваться, когда второй слой содержит нетвердые материалы, например, газ и/или жидкость, в ходе изготовления или в конечном состоянии устройства. В первом варианте осуществления изобретение предусматривает устройство отклонения оптического пучка типа, в котором свет преломляется на границе раздела между твердым материалом, который является материалом первого слоя, и вторым слоем, содержащим или состоящим из газообразного и/или жидкого материала. В этом случае второй слой в конечном состоянии устройства содержит жидкость и/или газ. Таким образом, изобретение имеет преимущество, поскольку расширяет перечень материалов, используемых для второго слоя, на жидкости, жидкие смеси и газы. Это преимущество особенно заметно для оптических устройств, где второй слой используется для переключения их показателя преломления.
Таким образом, когда жидкости и/или газы имеют дополнительный показатель преломления, который отличается от второго показателя преломления, но совпадает с первым показателем преломления, устройство изобретения может переключаться между двумя оптическими состояниями. В этом случае, первое состояние связано со вторым слоем, обеспечивающим второй показатель преломления на отклоняющей поверхности, и второе состояние связано со вторым слоем, обеспечивающим дополнительный показатель преломления на отклоняющей поверхности.
Альтернативно, второй и дополнительный показатель преломления могут оба отличаться от первого показателя преломления и отличаться друг от друга, благодаря чему устройство обеспечивает два разных режима отклонения оптического пучка.
Предпочтительно, второй слой содержит жидкий материал, имеющий второй и дополнительный показатель преломления. Такой материал может быть жидкокристаллическим материалом. Таким образом, показатель преломления второго слоя может переключаться между вторым и дополнительным показателем преломления путем приложения электрического поля ко второму слою с использованием, например, электродов на одном или более участках одной или более сторон поверхности, отклоняющей оптический пучок. Каждая из искривленных поверхностей может иметь первый участок, где искривленная поверхность отделена от поверхности подложки минимальным локальным расстоянием и где распорки отходят от подложки таким образом, что для первого поднабора искривленных поверхностей линейный и/или точечный контакт возникает на первых участках в первом поднаборе искривленных поверхностей. Таким образом, контакт всегда имеет место на верхней из контактирующих искривленных поверхностей. Устройство можно использовать с поляризатором для обеспечения света, имеющего заранее определенную поляризацию, но такой поляризатор уже может присутствовать в другой части устройства, где используется устройство.
В предпочтительном варианте осуществления минимальное локальное расстояние совпадает с минимальным расстоянием разнесения между поверхностью подложки и первым участком искривленной поверхности для поверхности, отклоняющей оптический пучок. Кроме того, искривленные поверхности, которые образуют контакт, идентичны друг другу. В этой конфигурации распорки могут представлять собой удлиненные распорки одинаковой высоты, обеспечивающие однородный промежуток между подложкой и первым слоем.
Таким образом, распорки могут быть удлиненными распорками, направление длины которых ориентировано параллельно плоскости подложки. Таким образом, распорки могут образовывать контакт с множественными искривленными поверхностями.
Искривленные поверхности, предпочтительно, представляют собой полуцилиндрическую линзу, имеющую цилиндрическую ось, причем все цилиндрические оси линз параллельны и образуют ненулевой угол с направлением длины распорок. Предпочтительно, удлиненные распорки образуют контакт с множественными искривленными поверхностями, и их продольные оси образуют угол с цилиндрическими осями лентикулярных линз. Таким образом, распорки образуют лишь точечный контакт с лентикулярами, и контакт между подложкой и первым слоем можно минимизировать. В то же время, подложка и первый слой не нуждаются в точном выравнивании для обеспечения хорошей и однородной конфигурации разнесения для устройства отклонения оптического пучка. Это значительно облегчает изготовление. В то же время, создается запас на изгиб всего устройства без существенного изменения значения разнесения.
Угол между распорками и лентикулярами может быть любым углом, отличным от нуля градусов, но, предпочтительно, в пределах от 2 до 90 градусов, или, в частности, в пределах от 15 до 80 градусов.
Распорки (41) имеют высоту распорки, измеряемую от поверхности, от которой она отходит, и толщину распорки, перпендикулярную высоте распорки, причем высота распорки и толщина распорки охватывают поперечное сечение распорки, причем толщина распорки уменьшается с увеличением высоты распорки в линейном соотношении, или менее чем в линейном соотношении или более чем в линейном соотношении, но менее чем соотношение, заданное круглым поперечным сечением распорки. При условии, что распорки образуют точечный или линейный контакт, они могут иметь любую форму поперечного сечения, в том числе, формы, имеющие клиновидные стороны и/или закругленные стороны и/или оканчивающиеся в точке для минимизации площади контакта. Например, распорки могут иметь параболическое или треугольное поперечное сечение.
Когда форма поперечного сечения распорок оканчивается в точке, контакт характеризуется как контакт “Герца”, и это устройство является предпочтительным, поскольку расстояние между подложкой и первым слоем в областях вблизи такого контакта сравнительно велико, благодаря чему, например, жидкокристаллический материал второго слоя в этих областях будет менее ограничен при изменении его ориентации для переключения устройства отклонения оптического пучка.
Поверхность подложки, обращенная к первому слою, может быть планарной (плоской). Альтернативно, эта поверхность может быть искривленной или иметь другие формы, что будет объяснено ниже в связи с другими вариантами осуществления.
В контексте устройства отклонения оптического пучка и систем, в которые оно входит, термины «газообразный или жидкий материал» подразумевают, что эти материалы обладают этими свойствами на протяжении, по меньшей мере, части температурного диапазона, в котором изготавливается и/или эксплуатируется устройство манипулирования оптическим пучком.
Распорки гарантируют, что, по существу, вся поверхность первого слоя окружена двулучепреломлящим материалом второго слоя формирования видов, даже на участке, ближайшем к подложке. Таким образом, функция отклонения пучка может эффективно переключаться на протяжении, по существу, всей поверхности первого слоя.
Поверхности подложки и/или первого слоя, которые контактируют с жидкокристаллическим материалом второго слоя, могут быть снабжены выравнивающими микроструктурами для выравнивания оптической оси жидкокристаллического материала в первой заранее определенной ориентации. Микроструктуры могут содержать механически натертый полиимидный слой. Выравнивающие микроструктуры можно выравнивать с удлиненными распорками для упрощения обработки поверхностей и обеспечения улучшенной характеристики выравнивания.
Подложка также может содержать слой прозрачного электрода, например, из оксида индия-олова (ITO), который может быть обращен ко второму слою. Слой электрода можно использовать для обеспечения электрического поля поперек второго слоя для внесения изменения в ориентацию жидкокристаллического материала, чтобы таким образом изменить показатель преломления жидкокристаллического материала для света, имеющего заранее определенную поляризацию. Распорки могут быть полностью образованы слоем электрода (и любым покровным слоем, снабженным выравнивающими микроструктурами). Альтернативно, распорки могут быть образованы дополнительным структурным слоем, лежащим выше или ниже слоя электрода.
Во второй группе вариантов осуществления, распорки отходят от первого слоя формирования видов и образуют точечный или линейный контакт с поверхностью подложки. В этом случае, распорки могут отходить от первого слоя формирования видов между соседними лентикулярами, вследствие чего, они не образуют часть лентикулярной поверхности. Распорки могут представлять собой параллельные удлиненные распорки, проходящие параллельно механическим осям лентикуляров.
Удлиненные распорки могут иметь ширину, которая меньше ширины лентикуляров, например менее 20% или менее 10% ширины лентикуляров. При условии, что распорки образуют точечный или линейный контакт, они могут иметь любую форму поперечного сечения, в том числе формы, имеющие клиновидные стороны и/или оканчивающиеся в точке для минимизации площади контакта. Когда форма поперечного сечения распорок оканчивается в точке, контакт характеризуется как контакт “Герца”, и это устройство является предпочтительным.
В любом из вышеописанных вариантов осуществления, подложка может быть гибкой подложкой, например, сформированной из пластикового материала. Первый слой также можно формировать из гибкого пластикового материала, что позволяет использовать эффективные методы обработки с рулонной подачей и приемкой для изготовления устройства формирования видов. Варианты осуществления могут дополнительно содержать вторую гибкую подложку, например, сформированную из пластикового материала и/или снабженную вторым слоем прозрачного электрода, размещенным на нелинзовой поверхности первого слоя. Гибкое устройство отклонения оптического пучка этого типа можно наслаивать на более жесткую подложку, например, сформированную из стекла, в качестве опоры.
Устройство формирования изображения может содержать устройство жидкокристаллического дисплея (ЖКД), которое обеспечивает поляризованный световой выход. Альтернативно, можно использовать другие типы устройств (компоновок) формирования изображения, включая плазменные, электронно-лучевые, светодиодные (СИД) или органо-светодиодные дисплеи (ОСИД). Когда для работы устройства отклонения оптического пучка требуются поляризаторы, они могут присутствовать для поляризации выхода отображения соответствующего устройства формирования изображения.
Распорки могут располагаться в позициях черной матрицы устройства формирования изображения, например, регулярной панели ЖКД или ОСИД, поскольку в этом случае распорки не располагаются в световыводящих частях пикселей, которые обеспечивают отображаемое изображение, и таким образом распорки будут менее заметны.
Предпочтительно, чтобы устройство отклонения оптического пучка многовидового устройства отображения имело искривленную поверхность, образующую двухмерный массив лентикуляров, причем каждый из лентикуляров имеет, например, полуцилиндрическую форму, или одномерный массив параллельных удлиненных лентикуляров, каждый из которых имеет, например, форму полуцилиндра. Затем лентикуляры можно ориентировать относительно устройства формирования изображения таким образом, чтобы длинные оси лентикуляров были параллельны или наклонены относительно столбцов пикселей или подпикселей устройства формирования изображения. Наклон можно использовать для задания формы 3D пикселя или снижения полосатости. Примеры наклона лентикуляров относительно столбцов пикселей для достижения этих эффектов подробно описаны в WO 12998/021620 или EP 1566683 B1, каковые документы, таким образом, включены посредством ссылки в полном объеме. При использовании наклона, преимущество применения настоящего изобретения состоит в том, что распорки проходят параллельно столбцам пикселей устройства формирования изображения, в необязательном порядке, располагаясь поверх и вдоль черной матрицы, тогда как угол между распорками и параллельными лентикулярами устройства отклонения оптического пучка представляет собой угол, пригодный для наклона с целью снижения полосатости и/или оптимизации формы 3D пикселя как описано в вышеупомянутых документах. В данном случае, форма 3D пикселя это конфигурация пикселя, воспринимаемая зрителем, наблюдающим дисплей в многовидовом режиме.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения явствуют из нижеследующего подробного описания изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Конкретные варианты осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематический вид известного автостереоскопического устройства отображения;
фиг. 2 - схематический вид в разрезе устройства отображения, показанного на фиг. 1, поясняющий его принцип действия;
фиг. 3 - схематический вид в разрезе, демонстрирующий компоновку формирования видов, на которой базируется изобретение;
фиг. 4 - вид, более подробно демонстрирующий участок фиг. 3;
фиг. 5a и 5b - схематические виды конфигурации первой компоновки формирования видов согласно изобретению;
фиг. 6a и 6b - схематические виды конфигурации второй компоновки формирования видов согласно изобретению;
фиг. 6a и 6b - схематические виды конфигурации второй компоновки формирования видов согласно изобретению;
фиг. 7a и 7b - схематические виды конфигурации третьей компоновки формирования видов согласно изобретению; и
фиг. 8 - схематический вид автостереоскопического устройства отображения, которое включает в себя компоновку формирования видов согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение предусматривает устройство отклонения оптического пучка, содержащее подложку, первый слой, сформированный из оптически прозрачного твердого материала, и второй слой, сформированный из газообразного и/или жидкого материала, заключенный между подложкой и первым слоем. Первый слой имеет первый показатель преломления и искривленную поверхность, обращенную к подложке. Второй слой имеет второй показатель преломления, отличающийся от первого показателя преломления. Подложка отделена от искривленной поверхности первого слоя множеством распорок, которые отходят от подложки или от первого слоя. Распорки образуют точечный или линейный контакт с другим одним из подложки и первого слоя.
Используемое здесь понятие совпадающих показателей преломления, в общем случае, относится не только к идентичным показателям преломления, но и к показателям преломления, достаточно близким друг к другу для границы раздела между средами, имеющими соответствующие показатели преломления, для обеспечения практически незаметного отклонения. Выражение “отходящий от” может включать в себя конструкции, сформированные воедино или соединенные друг с другом для обеспечения целостной конструкции.
Конкретные варианты осуществления изобретения предусматривают переключаемое устройство формирования видов для автостереоскопического устройства отображения. В этих вариантах осуществления, которые описаны ниже, искривленная поверхность первого слоя образует массив лентикуляров. Кроме того, второй слой сформирован из двулучепреломлящего жидкокристаллического материала и имеет дополнительный показатель преломления, отличающийся от второго показателя преломления. Дополнительный показатель преломления совпадает с первым показателем преломления первого слоя. Показатель преломления второго слоя, для света заранее определенной поляризации, может непосредственно переключаться между вторым показателем преломления и дополнительным показателем преломления с использованием электрического поля, вызывающего изменение в выравнивании жидкокристаллического материала второго слоя.
Фиг. 1 - схематический вид в перспективе известного многовидового автостереоскопического устройства 1 отображения. Известное устройство 1 содержит жидкокристаллическую отображающую панель 3 типа активной матрицы, которая действует как средство формирования изображения для создания устройства отображения.
Отображающая панель 3 имеет ортогональный массив пикселей 5 отображения, организованный в виде строк и столбцов. Это могут быть подпиксели цветного дисплея или пиксели монохромного дисплея. Для наглядности, на фигуре показано лишь небольшое количество пикселей 5 отображения. На практике, отображающая панель 3 может содержать около тысячи строк и несколько тысяч столбцов пикселей 5 отображения.
Конструкция жидкокристаллической отображающей панели 3 полностью традиционна. В частности, панель 3 содержит пару разнесенных прозрачных стеклянных подложек, между которыми обеспечен выровненный скрученный нематический или другой жидкокристаллический материал. Подложки несут шаблоны прозрачных электродов из оксида индия-олова (ITO) и выравнивающие микроструктуры жидкого кристалла на своих обращенных друг к другу поверхностях. Поляризационные слои также обеспечены на внешних поверхностях подложек.
Каждый пиксель 5 отображения содержит противоположные электроды на подложках с промежуточным жидкокристаллическим материалом между ними. Форма и конфигурация пикселей 5 отображения определяются формой и конфигурацией электродов и компоновки черной матрицы, обеспеченной на передней стороне панели 3. Пиксели 5 отображения отделены друг от друга одинаковыми промежутками.
Каждый пиксель 5 отображения связан с переключающим элементом, например тонкопленочным транзистором (TFT) или тонкопленочным диодом (TFD). Пиксели отображения действуют для обеспечения отображения за счет подачи сигналов адресации на переключающие элементы, и пригодные схемы адресации известны специалистам в данной области техники.
Отображающая панель 3 освещается источником 7 света, содержащим в этом случае планарную заднюю подсветку, покрывающую всю площадь массива пикселей отображения. Свет из источника 7 света направляется через отображающую панель 3, при этом отдельные пиксели 5 отображения возбуждаются для модуляции света и обеспечения изображения.
Устройство 1 отображения также содержит лентикулярный лист 9, размещенный на отображающей стороне отображающей панели 3, который осуществляет функцию формирования видов. Лентикулярный лист 9 содержит строку лентикуляров 11, расположенных параллельно друг другу в направлении столбца отображающей панели 3, из которых, для наглядности, только один показан с преувеличенными размерами. Фокусные точки лентикуляров 11 приблизительно совпадают с плоскостью отображающей панели 3 и действуют как элементы формирования видов для осуществления функции формирования видов. Лентикуляры имеют длинную ось 12 и ширину 14.
Лентикуляры 11 в этом случае имеют форму выпуклых цилиндрических элементов и действуют как средство направления светового выхода для обеспечения разных изображений, или видов, от отображающей панели 3 в глаза пользователя, находящиеся перед устройством 1 отображения.
Лентикулярный лист 9 сформирован в виде периодической линзовой конструкции, известной в технике. Планарные поверхности линз 11 связаны стеклянной подложкой (не показана), которая обеспечивает жесткость. Выпуклые поверхности линз 11 связаны силиконовым наполнителем (не показан), причем наполнитель располагается между лентикулярами 11 и другой стеклянной подложкой (не показана). Показатель преломления силиконового наполнителя отличается от показателя преломления линз 11, из-за чего свет, проходящий через границу раздела между ними, преломляется. Силиконовый наполнитель можно заменить воздушным промежутком в известном устройстве 1.
Автостереоскопическое устройство 1 отображения, показанное на фиг. 1, способно проецировать несколько разных видов в перспективе в разных направлениях. В частности, каждый лентикуляр 11 перекрывает малую группу пикселей 5 отображения в каждой строке. Лентикуляр 11 проецирует каждый пиксель 5 отображения группы в другом направлении, формируя таким образом несколько разных видов. При перемещении головы пользователя слева направо, его глаза будут по очереди принимать разные из нескольких видов.
На Фиг. 2 показан принцип действия вышеописанного устройства формирования изображения лентикулярного типа и показаны источник 7 света, отображающая панель 3 и лентикулярный лист 9. Устройство обеспечивает три вида 2, 2′ и 2″, проецируемые в разных направлениях. Каждый пиксель отображающей панели 3 возбуждается информацией для одного конкретного вида.
Вышеописанное устройство обеспечивает эффективное трехмерное отображение, когда виды возбуждаются таким образом, что они содержат соответствующую информацию параллакса для трех видов. Очевидно, что обеспечение стереоскопических видов предусматривает необходимое снижение разрешения, поскольку каждый вид формируется поднабором пикселей отображающей панели, если нельзя обеспечить последовательное во времени отображение вида. Кроме того, для данного разрешения отображающей панели, существует компромисс между реалистичным восприятием трехмерной глубины, которая определяется количеством видов, и разрешением каждого из видов.
На Фиг. 3 и 4 показаны схематические виды в разрезе, демонстрирующие устройство отображения, которое включает в себя переключаемое устройство 23 формирования видов, которое лежит в основе варианта осуществления изобретения. Устройство 23 формирования видов способно переключаться в ходе эксплуатации, чтобы устройство отображения могло функционировать, и как традиционное двухмерное устройство отображения, и как автостереоскопическое устройство отображения. В таком устройстве устройство формирования видов, по существу, переключается между двумя режимами: режимом пропускания для обеспечения отображения с высоким разрешением и режимом формирования видов для обеспечения автостереоскопического отображения. В режиме пропускания не происходит направления оптического пучка, тогда как в режиме формирования видов имеет место направление пучка.
Таким образом, устройство отображения, показанное на фиг. 3, аналогично известному устройству 1, показанному на фиг. 1 и 2, в том отношении, что оно содержит заднюю подсветку (не показана) и традиционную жидкокристаллическую отображающую панель 25, которая функционирует как средство формирования изображения. Согласно принципу действия отображающей панели 25 (LCD), ее световой выход имеет заранее определенную поляризацию.
В устройстве отображения, показанном на фиг. 3, лентикулярный лист 9 (см. фиг. 1 и 2) заменен устройством 23 формирования видов. Устройство 23 формирования видов, показанное на фиг. 3 и 4, содержит первый и второй слои 29 и 31 формирования видов, заключенные между первой и второй подложками 27a, 27b и 33a, 33b. Первый слой 29 сформирован из оптически изотропного материала. Первый слой 29 имеет поверхность, отклоняющую оптический пучок 30 (поверхность линзы), причем множественные искривленные поверхности 29′ обращены к первой подложке 27a, 27b, и плоская поверхность подложки обращена ко второй подложке 29a, 29b. Второй слой 31 сформирован из двулучепреломлящего жидкокристаллического материала и эффективно заполняет промежуток между первой подложкой 27a, 27b и первым слоем 29.
Каждая из первой и второй подложек 27a, 27b, 33a, 33b содержит пленку 27a, 33a и слой 27b, 33b прозрачного электрода, сформированный из оксида индия-олова (ITO). Слои 27b, 33b электрода обращены друг к другу для приложения электрического поля поперек второго слоя 31. Поверхность первых подложек 27a, 27b, которая контактирует с жидкокристаллическим материалом второго слоя 31 электрода, также снабжена выравнивающими микроструктурами в форме механически натертой полимерной поверхности (не показана). Выравнивающие микроструктуры служат для выравнивания жидкокристаллического материала с первой ориентацией, как описано ниже. С этой целью можно использовать общеизвестные полиимидные натирающие слои.
Уплотнительные линии 35 предусмотрены по краям устройства 23 формирования видов для дополнительного удержания жидкокристаллического материала второго слоя 31 формирования видов. В этом случае, вышеописанные компоненты устройства 23 формирования видов нанесены на жесткую стеклянную подложку 37, которая обеспечивает опору. При изготовлении устройства 23, гибкую конструкцию можно обрабатывать методами рулонной подачи и приемки до нанесения на стеклянную подложку.
На Фиг. 4 более подробно показан участок 39 первой 27a, 27b подложки и первого и второго слоев 29, 31. Граница раздела между первым и вторым слоями 29, 31 образует множество параллельных лентикулярных линз, образованных искривленными поверхностями 29′, которые могут функционировать как средство формирования видов традиционным образом; то есть фокусируя свет, принятый от отображающей панели 25, во множество видов, которые проецируются в соответствующих различных направлениях (см. выше и, например, фиг. 1 и 2).
Показатель преломления оптически изотропного первого слоя 29 формирования видов является, по существу, фиксированным для всех направлений поляризации света. Напротив, для света, имеющего заранее определенное направление поляризации, показатель преломления двулучепреломлящего жидкокристаллического материала второго слоя 31 зависит от ориентации его молекул. В первой ориентации, которая обусловлена выравнивающими микроструктурами первой 27a, 27b подложки и первого слоя 29, показатель преломления для света, имеющего заранее определенную поляризацию (обыкновенный показатель преломления) совпадает с фиксированным показателем преломления первого слоя 29. Во второй ориентации, которая обусловлена приложением электрического поля поперек жидкокристаллического материала с использованием слоев 27b, 33b электродов, показатель преломления для света, имеющего заранее определенную поляризацию (необыкновенный показатель преломления), меньше фиксированного показателя преломления первого слоя 29.
Используя устройство направления оптического пучка в качестве устройства 23 формирования видов с поляризованным световым выходом от отображающей панели 25 и надлежащим образом управляя ориентацией жидкокристаллического материала второго слоя 31, функцию формирования видов можно включать и отключать; то есть устройство 23 формирования видов можно переключать между режимом пропускания и режимом формирования видов.
Более подробное описание таких автостереоскопических дисплеев можно найти в патенте США 6064424 и патенте США 6069650.
Согласно фиг. 4, первая подложка 27a, 27b контактирует с участком поверхности линзы первого слоя 29. В результате, поверхность линзы не полностью окружена жидкокристаллическим материалом второго слоя 31 формирования видов. Кроме того, в непосредственной близости к области контакта имеются участки, где слой жидкого кристалла очень тонок. Известно, что тонкие слои создают затруднения в переключении. Этот эффект не ограничивается слоями жидкого кристалла и обусловлен различиями между объемными и поверхностными свойствами материалов. Эти области контакта могут приводить к оптическим дефектам при использовании устройства (компоновки) 23 формирования видов, поскольку локализованные области устройства 23 не могут эффективно переключаться между режимами пропускания и формирования видов. Следовательно, было установлено, что имеется необходимость в сокращении такого рода областей по площади экрана дисплея.
Таким образом, предпочтительно устранять контакты, например, путем увеличения разнесения между линзами и первой подложкой. Однако, в этом случае, страдает устойчивость устройства в целом, поскольку подложка не поддерживается линзами по всей площади. Эта проблема приобретает особую остроту, когда требуется, чтобы слои подложки были тонкими, и/или устройство, частично или полностью, выполнено из гибких материалов, например пластмасс, по соображениям стоимости и/или веса. Таким образом, предпочтительно, первый слой 29 и/или слои 27a и 27b и/или слои 33a и 33b выполнены из таких пластмасс. Они легко поддаются деформациям, приводящим к образованию контакта между линзами, который снова может стать заметным. Может даже происходить слипание. Изобретение обеспечивает способ устранения видимых областей контакта за счет обеспечения распорок в качестве опорных деталей. Эти распорки могут иметь особую форму или ориентацию для уменьшения не переключающихся областей по площади экрана устройства отображения.
Для описания устройства направления оптического пучка изобретения, устройство, показанное на фиг. 3 и 4, используется в порядке примера с необходимыми регулировками. Первый вариант осуществления показан на фиг. 5a и 5b, причем в этом варианте осуществления распорки отходят от поверхности 27a, 27b подложки. На Фиг. 5a и 5b показаны схематические виды. На фигуре показаны первая подложка 27a, 27b и первый слой 29; другие компоненты устройства, по существу, такие же, как показанные на фиг. 3.
В первой конфигурации 101, линейные удлиненные распорки 41 отходят от первой подложки 27a, 27b и образуют точечный контакт с первым слоем 29. Распорки 41 обеспечены в виде шаблонированного структурного слоя, сформированного поверх слоя 27b электрода. Структурный слой сформирован из диэлектрического материала, поэтому распорки 41 не образуют функциональную часть слоя 27b электрода для обеспечения таких распорок можно предложить другие конфигурации.
Распорки 41 проходят в направлении, параллельном выравнивающим микроструктурам (не показаны), которые обеспечены для выравнивания жидкокристаллического материала второго слоя 31 формирования видов. Таким образом, также выравнивающие микроструктуры удобно формировать механическим натиранием после формирования распорок 41.
Удлиненные распорки 41 имеют квадратное поперечное сечение, высота которого измеряется от их основания, которое в этом случае находится на поверхности 28 подложки, и ширина перпендикулярна высоте и перпендикулярна длинной оси 50 распорок. Ширина распорок 41 значительно меньше ширины лентикуляров. Удлиненные распорки и механические оси 52 лентикулярных линз, образованных искривленными поверхностями 29′, образуют угол приблизительно 30 градусов, измеренный в плоскости поверхности 28. Таким образом, каждая распорка 41 контактирует с более чем одним из лентикуляров, но площади точечного контакта все же минимизируются. В результате обеспечивается простое изготовление с помощью простой конструкции и ориентации, что позволяет надежно прослаивать слой подложки и первый слой. Контакт всегда будет обеспечиваться, и промежутки не будут втягиваться в углубления между лентикулярами в результате небольшого механического рассогласования положения.
Очевидно, что с тем же результатом можно выбирать и другие углы. Хотя меньшие углы приводят к образованию увеличенных линий контакта, они уменьшают количество областей контакта. Выбор той или иной конкретной конфигурации может зависеть от гибкости материалов слоев устройства отклонения оптического пучка. Чем больше гибкость, тем больше областей контакта может потребоваться. Кроме того, форма и ширина 14 (см. определение на фиг. 1) лентикуляров также влияет на количество контактов и необходимый угол контакта с по меньшей мере двумя соседними лентикулярами.
Распорки не обязаны быть непрерывными в направлении своей длины. В тех местах, где не предполагается контакт, они могут отсутствовать. Это может дополнительно устранять оптические дефекты. Они могут присутствовать в определенных шаблонах по поверхности подложки.
Массив лентикулярных линз может иметь взаимно идентичные лентикулярные линзы, имеющие идентичные искривленные поверхности. В этом случае все распорки могут иметь одинаковую геометрию. Альтернативно, не все лентикулярные линзы могут быть взаимно идентичными. Они могут отличаться в отношении своей кривизны и/или своей высоты и/или ширины. Различия могут возникать регулярно на протяжении лентикулярного массива в одном или более направлениях, в которых проходит плоскость массива лентикулярных линз, т.е., например, параллельно плоскости подложки. В результате, распорки могут быть выполнены с возможностью контактировать только с поднабором искривленных поверхностей лентикулярных линз, которые идентичны друг другу. Предпочтительно, контакт происходит в верхней точке искривленных поверхностей. В одном варианте, все контакты осуществляются с поднабором искривленных поверхностей, ближайших к поверхности 28 подложки. Опять же в этом случае все распорки могут иметь одну и ту же геометрию для достижения однородного разнесения подложки и первого слоя 29. Альтернативно, распорки могут контактировать с любыми другими поднаборами или комбинациями. Для этого может потребоваться, чтобы распорки были разрывными или имели разную высоту в разных местах для достижения однородного разнесения подложки и первого слоя.
На Фиг. 6a и 6b показаны схематические виды конфигурации 201 второго устройства формирования видов согласно изобретению. Опять же, на фигуре показаны первая подложка 27a, 27b и первый слой 29 формирования видов; другие компоненты устройства, по существу, такие же, как показанные на фиг. 3.
В этой конфигурации 201, распорки 43 отходят от первого слоя 29 формирования видов и сформированы воедино с ним. Распорки 43 расположены между соседними лентикулярами, но не образуют часть лентикулярной поверхности. Распорки 43 проходят в направлении, параллельном линзам.
Форма поперечного сечения распорок 43 имеет клиновидные боковые стенки и оканчивается в точке, благодаря чему распорки образуют линейный контакт с первой подложкой 27a, 27b. Ширина распорок 43 значительно меньше ширины лентикуляров.
На Фиг. 7a и 7b показаны схематические виды конфигурации 301 третьего устройства формирования видов согласно изобретению. Конфигурация 301 аналогична конфигурации 201, показанной на фиг. 6a и 6b, за исключением того, что распорки 45 имеют другую форму поперечного сечения.
На Фиг. 8A-8F показаны поперечные сечения распорок, которые полезны для разнесения подложки от линз первого слоя. На обеих фигурах показано, что распорка 80 имеет высоту 81 (указано только для двух из подфигур). Также показаны искривленные поверхности 82 лентикулярных линз. Распорки имеют ширину, измеренную в плоскости чертежа, перпендикулярной высоте. Очевидно, что для распорок, ширина которых, измеренная при их основаниях, одинакова, области контакта, где переключение затруднено, будут уменьшаться при переходе от фиг. 8A к 8B с круглым поперечным сечением, к фиг. 8C с более чем круглым (например, параболическим) поперечным сечением, к фиг. 8E с острым концом (контакт Герца) и закругленными сторонами, к фиг. 8D с треугольным поперечным сечением с контактом Герца, к фиг. 8E с контактом Герца и вогнутыми сторонами.
Формы для фиг. 8A-F могут сами по себе обеспечивать преимущество, но, в частности, с распорками, образующими угол с лентикулярными линзами, например, на фиг. 5a и 5b.
На Фиг. 9 показан схематический вид автостереоскопического устройства 401 отображения, которое включает в себя устройство 23 формирования видов, имеющее одну из вышеописанных конфигураций 101, 201, 301 согласно изобретению.
Устройство 401 отображения содержит традиционную заднюю подсветку жидкокристаллической отображающей панели 25, которая функционирует как средство формирования изображения. Устройство 23 формирования видов располагается поверх и в выровненном положении с отображающей панелью 25.
Устройство 401 также включает в себя контроллер 47, который, при эксплуатации, передает данные отображения на отображающую панель 25 и управляет режимом устройства 23 формирования видов. В первом режиме, в котором отсутствует электрическое поле через первый слой 31 формирования видов, устройство 23 формирования видов работает в режиме пропускания, и отображающая панель 25 получает двухмерные данные отображения. Во втором режиме, в котором обеспечено электрическое поле через первый слой 31 формирования видов, устройство 23 формирования видов работает в режиме формирования видов, и отображающая панель 25 получает трехмерные (многовидовые) данные отображения.
Выше описаны конкретные варианты осуществления изобретения. Специалисты в данной области техники могут понять и осуществить на практике вариации раскрытых вариантов осуществления заявленного изобретения, на основании чертежей, раскрытия и нижеследующей формулы изобретения.
Например, вместо выпуклой поверхности линзы, первый слой формирования видов может быть обеспечен с вогнутой поверхностью линзы. В этом случае, распорки, отходящие от подложки, могут контактировать с краями лентикуляров.
Лентикулярные линзы могут быть полуцилиндрическими искривленными по кругу или искривленными с другими формами. Эти лентикулярные линзы могут быть непрерывными по всему устройству отображения в направлении своей цилиндрической оси. Однако они также могут быть разрывными, возможно, перекрывающими, например, определенное количество пикселей, задающее количество видов автостереоскопического отображения. Лентикулярные линзы могут быть искривленными в двух независимых направлениях.
Устройство отклонения оптического пучка согласно изобретению может применяться не только в автостереоскопических устройствах отображения, например, в электрофоретических системах.
Вышеописанное автостереоскопическое устройство отображения обеспечивает один пример многовидового устройства отображения. Оно способно обеспечивать одного или более зрителей множественными видами, чтобы каждый из них мог снабжаться информацией параллакса и получать впечатление стереоскопического наблюдения.
В другом примере многовидового устройства отображения множественные зрители могут видеть совершенно разную информацию, как 2D, так и 3D и даже их обе. Такие многовидовые устройства отображения часто именуются двухвидовыми устройствами отображения или устройствами отображения с разделенным экраном. Пример такого двухвидового устройства отображения напоминает показанный на фиг. 2, лишь только с разницей, что пиксели и линзы здесь организованы таким образом, что пиксельная информация каждого из пикселей направляется либо в вид на левой стороне во всем поле зрения устройства отображения, либо в вид на правой стороне этого поля зрения. Например, с этой целью каждая пара двух соседних столбцов пикселей (подпикселей для цветного дисплея) могут перекрываться одной линзой 9. Таким образом, каждый вид снабжается информацией из поднабора пикселей со всей площади отображающей панели. Одним применением такого устройства отображения может быть монитор компьютера, пригодный для игр. Два игрока могут наслаждаться своей перспективой игры на всем (устройстве отображения) дисплее вместо того, чтобы пользоваться только половиной площади дисплея. Альтернативно, такое устройство отображения можно использовать на приборной панели автомобиля или другого транспортного средства, где место ограничено, и два зрителя желают получать разную информацию. Таким образом, водитель может снабжаться информацией движения, тогда как пассажир, сидящий рядом с ним, может наслаждаться видеофильмом, интернетом или другим развлечением. Более подробное описание принципа действия и возможной конструкции таких двухвидовых устройств отображения, в частности, с линзами в качестве элементов формирования видов, раскрыто в патенте США 7365707.
Предпочтительно, такие устройства отображения также снабжены переключаемым устройством формирования видов. В двухвидовом режиме, оба зрителя могут иметь половину разрешения пикселей отображения в своем местоположении. В одновидовом режиме, где формирование видов не требуется, достигается полное пиксельное разрешение. Настоящее изобретение в равной степени применимо к таким устройствам отображения со всеми своими преимуществами.
Согласно вышеприведенным примерам многовидовых устройств отображения, отображающие панели представляют собой ЖК-панели, т.е. пропускающие панели. Однако, без потери преимущества, для настоящего изобретения, такие панели могут представлять собой как излучающие панели, например, светодиодные (СИД) или органо-светодиодные (ОСИД) панели, так и отражающие ЖКД, СИД или ОСИД панели.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление единственного числа не исключает наличия множества элементов или этапов. Лишь то, что определенные меры упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинацию этих мер нельзя выгодно использовать. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать в смысле ограничения объема формулы изобретения.