УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ОТОБРАЖЕНИЯ
DISPLAY DEVICE AND A DISPLAY DEVICE CONTROL METHOD

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение относится к устройству отображения, которое способно обеспечивать режим конфиденциальности и публичный режим. Оно относится, в частности, но не исключительно, к автостереоскопическому устройству отображения с панелью дисплея, имеющей матрицу пикселей дисплея для создания конструкции отображения и формирования изображения для направления различных ракурсов в различные пространственные положения.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первым примером конструкции формирования изображения для использования в автостереоскопическом устройстве отображения этого типа является барьер, например, с прорезями, которые имеют определенный размер и определенным образом расположены относительно лежащих под ними пикселей дисплея. В конструкции с двумя ракурсами зритель может воспринимать 3D-изображение, если его/ее голова находится в фиксированном положении. Барьер расположен перед панелью дисплея и выполнен так, что свет от четных и нечетных столбцов пикселей направлен к левому и правому глазу зрителя соответственно.
Недостатком этого типа конструкции дисплея с двумя ракурсами является то, что зритель должен быть в фиксированном положении и может двигаться только приблизительно на 3 см влево или вправо. В более предпочтительном варианте осуществления имеется не два столбца субпикселей под каждой прорезью, а несколько. Таким образом, зритель может двигаться влево и вправо и воспринимать стереоизображение в его/ее глазах все время.
Конструкция с барьером проста в изготовлении, но не светоэффективна. Поэтому предпочтительной альтернативой является использование конструкции с линзами в качестве конструкции формирования изображения. Матрица вытянутых линз, простирающихся параллельно друг другу, покрывает пиксельную матрицу дисплея и действует как средство формирования ракурса. Они известны как «лентикулярные линзы». Выходы от пикселей дисплея проецируются через эти лентикулярные линзы, которые служат для изменения направления выхода.
Лентикулярные элементы предусмотрены в виде листа элементов, каждый из которых содержит вытянутый частично цилиндрический (например, полуцилиндрический) линзовый элемент. Лентикулярные элементы простираются, как правило, в направлении столбцов панели дисплея, при этом каждый лентикулярный элемент располагается над соответствующей группой из двух или более смежных столбцов субпикселей дисплея.
Панель дисплея содержит, например, двумерную жидкокристаллическую панель, имеющую матрицу строк и столбцов пикселей дисплея (при этом «пиксель», как правило, содержит набор «субпикселей», а «субпиксель» является наименьшим индивидуально адресуемым одноцветным элементом изображения). Субпиксели вместе действуют как средство формирования изображения для создания отображения.
В конструкции, в которой, например, каждая цилиндрическая линза связана с двумя столбцами субпикселей дисплея, субпиксели дисплея в каждом столбце обеспечивают вертикальный срез соответствующего двумерного фрагмента изображения. Лентикулярный лист направляет эти два среза, и соответствующие срезы из столбцов пикселей дисплея, связанных с другими цилиндрическими линзами, в левый и правый глаза пользователя, находящегося перед листом, так что пользователь видит одно стереоскопическое изображение. Таким образом, лист лентикулярных элементов обеспечивает функцию направления выхода света.
В других конструкциях каждая цилиндрическая линза связана с группой из четырех или более смежных субпикселей дисплея в направлении строк. Соответствующие столбцы субпикселей дисплея в каждой группе расположены соответствующим образом, чтобы обеспечить вертикальный срез соответствующего двумерного фрагмента изображения. По мере того, как голова пользователя движется слева направо, воспринимается серия последовательных стереоскопических ракурсов, создавая, например, впечатление осмотра.
Увеличение числа ракурсов улучшает ощущение трехмерности, но уменьшает разрешение изображения, воспринимаемое зрителем, так как все ракурсы отображаются одновременно встроенным дисплеем. Обычно находят компромисс, при котором некоторое число ракурсов (например, 9 или 15) отображается в так называемых конусах просмотра, и эти конусы просмотра повторяются на протяжении поля обзора. Конечным результатом является дисплей с большим углом обзора, хотя зрители не полностью свободны в выборе их местоположения, с которого можно просматривать 3D монитор или телевизор: на границах между конусами просмотра 3D эффект отсутствует, и появляются фантомные изображения. Этот широкий угол обзора является проблемой в ситуациях, в которых пользователь дисплея предпочел бы отсутствие подсматривания всех или некоторых частей отображаемого контента. Одним типичным примером является чтение почты и документов во время поездок на работу и обратно.
Было предложено снабдить дисплей приватным и публичным режимами просмотра. Также это было предложено для 3D автостереоскопических дисплеев, например, в WO 2013/179190.
Этот документ раскрывает автостереоскопическое устройство отображения на основе линз, в котором предусмотрена светоблокирующая конструкция между смежными местоположениями линз, и дисплей выполнен перестраиваемым в по меньшей мере два различных режима: режим конфиденциальности, в котором светоблокирующая конструкция блокирует свет, который направлен между линзами; и публичный режим, в котором светоблокирующая конструкция не блокирует свет, который направлен между линзами.
Переключаемый режим конфиденциальности позволяет включать и выключать повторение конуса. С повторением конуса дисплей функционирует в точности как обычный автостереоскопический дисплей на основе линз с широким углом обзора, аналогично обычному 3D лентикулярному дисплею. Без повторения конуса (из-за функции блокирования между линзами) видимым является только основной конус, а все другие конусы кажутся черными. В режиме конфиденциальности выходная яркость в желаемом конусе просмотра не уменьшается, и используется полное разрешение дисплея.
3D лентикулярный дисплей также может иметь возможность переключения между 2D и 3D режимом либо потому, что линза может быть выполнена электрооптически переключаемой, либо потому, что линза является двоякопреломляющей, а поляризацией панели дисплея можно управлять. В частности, когда световая модуляция светоблокирующей конструкцией основана не на поляризации, эти две функции могут быть независимыми, и может быть четыре комбинированных режима (2D приватный, 2D публичный, 3D приватный и 3D публичный).
Однако светоблокирующие структуры потенциально сложны в изготовлении, поскольку они являются вертикальными структурами.
Поэтому имеется потребность в светоблокирующей конструкции для реализации публичного режима и режима конфиденциальности, которые могут быть реализованы с низкой стоимостью и низкой сложностью.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением предложены дисплей и способ, охарактеризованные в независимых пунктах формулы изобретения.
В одном аспекте изобретение предусматривает устройство отображения, содержащее:
панель дисплея;
светоблокирующую конструкцию для избирательного блокирования света, который ориентирован в боковом направлении выхода из панели дисплея;
матрицу линз, расположенных перед панелью дисплея,
при этом дисплей выполнен перестраиваемым в режим конфиденциальности, в котором светоблокирующая конструкция блокирует выход, ориентированный в боковом направлении света из устройства отображения на основании поляризация света, и публичный режим, в котором светоблокирующая конструкция позволяет проходить свету, который ориентирован в боковом направлении выхода,
при этом светоблокирующая конструкция содержит пакет слоев, причем каждый слой имеет рисунок из участков светоблокирующей конструкции двух различных типов, так что в пакете слоев эти участки совмещаются с образованием светоблокирующих элементов двух различных типов, при этом каждый светоблокирующий элемент связан с соответствующей линзой так, что светоблокирующие элементы образуют рисунок с шагом, который равен удвоенному шагу линз.
Эта конструкция устройства позволяет, в общем, формировать вертикальные светоблокирующие структуры в виде пакета слоев. Это упрощает изготовление устройства.
Светоблокирующие элементы могут предотвращать возможность видеть выход дисплея с больших боковых углов. Например, светоблокирующая конструкция может блокировать свет, имеющий боковой угол испускания с центром вокруг направления нормали более 60 градусов (то есть >30 градусов с каждой стороны от нормали), или более 40 градусов (то есть >20 градусов с каждой стороны от нормали), или более 20 градусов (то есть >10 градусов с каждой стороны от нормали). Более узкий диапазон углов выхода обеспечивает большую конфиденциальность. Таким образом, под словами «блокирует ориентированный в боковом направлении свет» подразумевается, что блокируется свет в направлении с углом вбок от нормали, который больше порогового значения. Этот угол будет зависеть от высоты светоблокирующих элементов (то есть размера в направлении нормали) и расстояния между ними в боковом направлении. Можно считать, что они образуют световые трубки.
В общем вертикальные светоблокирующие элементы могут быть смещены от направления нормали к панели дисплея. Таким образом, тогда они не строго вертикальны. Это смещение используется, например, для придания наклона световым трубкам, образуемым светоблокирующими элементами, для обеспечения фокуса на желаемом расстоянии просмотра.
Пакет слоев может содержать 3 или 4 слоя. Большее число слоев будет более точно аппроксимировать структуру вертикального твердого тела, но это увеличит сложность изготовления. Небольшое число слоев требует, чтобы рисунки в каждом слое были больше с тем, чтобы блокировался боковой свет. Это означает, что конструкция становится оптически менее эффективной. Было обнаружено, что 3 или 4 слоя в пакете обеспечивают наилучший компромисс между оптической эффективностью и технологичностью изготовления.
Устройство отображения содержит матрицу линз, расположенных перед панелью дисплея, при этом светоблокирующая конструкция предназначена для избирательного блокирования света, который направлен между линзами.
Линзы позволяют дисплею быть автостереоскопическим дисплеем с дополнительной возможностью режима конфиденциальности.
Участки рисунка светоблокирующей конструкции относятся к двум различным типам, так что в пакете слоев эти участки совмещаются с образованием светоблокирующих элементов двух различных типов. Один тип светоблокирующего элемента позволяет проходить свету одного типа (т.е. поляризации) и блокирует свет другого типа (т.е. поляризации). Это означает, что может быть обеспечен свет с правильным рисунком поляризации через все светоблокирующие элементы одновременно, так что уменьшаются потери света. Это означает, что светоблокирующие элементы могут быть большими, то есть с шириной, соответствующей ширине линзы, а это, в свою очередь, означает, что для образования светоблокирующих элементов может использоваться небольшое число слоев.
В одной конструкции каждый слой светоблокирующей конструкции содержит чередующуюся конструкцию из фиксированных поляризаторов и переключаемых поляризаторов или вращателей плоскости поляризации.
Для панели дисплея, которая дает поляризованный выход, могут использоваться вращатели плоскости поляризации для создания чередующегося рисунка поляризации (для режима конфиденциальности) или же создания однородного рисунка (для публичного режима). Тогда переключаемые поляризаторы позволяют блокировать или позволяют проходить конкретной поляризации. Они позволяют чередующемуся рисунку поляризации достигать выхода дисплея с блокированием света вбок между светоблокирующими элементами.
Ближайший к панели дисплея слой содержит, например, чередующуюся конструкцию из фиксированных поляризаторов и вращателей плоскости поляризации, тогда как другие слои содержат чередующуюся конструкцию из фиксированных поляризаторов и переключаемых поляризаторов.
В другой конструкции все слои светоблокирующей конструкции, кроме одного, содержат чередующуюся конструкцию из фиксированных поляризаторов с чередующимся направлением поляризации, а другой слой содержит матрицу переключаемых вращателей плоскости поляризации.
В этой конструкции переключаемые вращатели плоскости поляризации позволяют создавать два противоположных рисунка поляризации (или, иначе говоря, картины распределения поляризации). Один (первый) рисунок может достигать выхода дисплея в направлении нормали из-за фиксированных поляризаторов, с блокированием света вбок между светоблокирующими элементами. Другой (второй) рисунок может достигать выхода дисплея только в боковом направлении. Для публичного режима с широким углом просмотра первый и второй рисунки могут чередоваться во времени, тогда как для режима конфиденциальности используется только первый рисунок.
Эта конструкция означает, что необходим только один переключаемый слой. В одном состоянии переключения свет для основного конуса просмотра может проходить, а вторичные конусы просмотра блокируются. В другом состоянии переключения блокируется свет для основного конуса просмотра, а свет для вторичных конусов просмотра может проходить. В этом случае может использоваться последовательная во времени работа для обеспечения публичного режима просмотра основного и вторичных конусов.
Рисунки могут быть полосчатыми рисунками. Различные области дисплея также могут быть настроены на различные режимы.
Примеры в соответствии с другим примером изобретения предусматривают способ изготовления устройства отображения, содержащий:
обеспечение панели дисплея;
формирование светоблокирующей конструкции для избирательного блокирования света, который ориентирован в боковом направлении выхода из панели дисплея, на основании поляризации света;
монтаж светоблокирующей конструкции над панелью дисплея; и
обеспечение матрицы линз перед панелью дисплея,
причем формирование светоблокирующей конструкции содержит формирование пакета слоев, причем каждый слой имеет рисунок из участков светоблокирующей конструкции двух различных типов, так что в пакете слоев эти участки совмещаются с образованием светоблокирующих элементов двух различных типов, при этом каждый светоблокирующий элемент связан с соответствующей линзой так, что светоблокирующие элементы образуют рисунок с шагом, который равен удвоенному шагу линз.
Этот способ позволяет формировать в общем вертикальные структуры в процессе последовательного нанесения слоев.
Изобретение также предусматривает способ управления охарактеризованным выше устройством отображения (в котором каждый слой светоблокирующей конструкции содержит чередующуюся конструкцию из фиксированных поляризаторов и переключаемых поляризаторов или вращателей плоскости поляризации), при этом способ содержит управление переключаемыми поляризаторами или вращателями плоскости поляризации так, что слой функционирует либо как однородный поляризатор для публичного режима, либо как полосчатый поляризатор для режима конфиденциальности.
Изобретение также предусматривает способ управления охарактеризованным выше устройством отображения (в котором все слои светоблокирующей конструкции, кроме одного, содержат чередующуюся конструкцию из фиксированных поляризаторов с чередующимся направлением поляризации, а другой слой содержит матрицу переключаемых вращателей плоскости поляризации), при этом способ содержит управление переключаемыми вращателями плоскости поляризации в одном состоянии переключения так, что свет для основного конуса просмотра имеет возможность пройти на выход дисплея, а вторичные конусы просмотра блокируются, и управление переключаемыми вращателями плоскости поляризации в другом состоянии переключения, в котором свет для основного конуса просмотра блокируется, а свет для вторичных конусов просмотра имеет возможность пройти на выход дисплея.
Это означает, что последовательная во времени работа может использоваться для обеспечения публичного режима просмотра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь будет описан вариант осуществления изобретения исключительно в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 является схематической видом в перспективе известного автостереоскопического устройства отображения;
фиг. 2 показывает, как лентикулярная матрица обеспечивает различные ракурсы в различных пространственных местоположениях;
фиг. 3 показывает разрез схемы мультиракурсного автостереоскопического дисплея;
фиг. 4 является крупным планом фиг. 3;
фиг. 5 показывает 9-ракурсную систему, в которой ракурсы, создаваемые в каждом конусе из набора конусов, одинаковы;
фиг. 6 показывает пример устройства отображения, раскрытого в WO 2013/179190;
фиг. 7 показывает обобщенное конструктивное исполнение светоблокирующих элементов уровня техники;
фиг. 8 показывает обобщенное конструктивное исполнение светоблокирующих элементов из примеров в соответствии с изобретением;
фиг. 9 показывает оптическое поведение первой конструкции на основании фиг. 8;
фиг. 10 показывает интенсивность на выходе конструкции по фиг. 8 в двух режимах работы; и
фиг. 11 показывает оптическое поведение второй конструкции;
фиг. 12 показывает оптическое поведение третьей конструкции в режиме конфиденциальности;
фиг. 13 показывает оптическое поведение третьей конструкции в одном подкадре публичного режима (другой подрежим является режимом конфиденциальности с фиг. 12); и
фиг. 14 показывает характеристики интенсивности для третьей конструкции в публичном режиме.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение предусматривает устройство отображения, содержащее панель дисплея и светоблокирующую конструкцию для избирательного блокирования света, который ориентирован в боковом направлении выхода из панели дисплея. Дисплей имеет режим конфиденциальности, в котором светоблокирующая конструкция блокирует выход ориентированного в боковом направлении света из устройства отображения, и публичный режим, в котором светоблокирующая конструкция позволяет проходить свету, который ориентирован в боковом направлении выхода. Светоблокирующая конструкция содержит пакет слоев, причем каждый слой имеет рисунок из участков светоблокирующей конструкции, так что в пакете слоев эти участки совмещаются с образованием вертикальных светоблокирующих элементов. Это позволяет более легко изготавливать светоблокирующую конструкцию.
Изобретение будет описано в отношении автостереоскопического устройства отображения, но оно может использоваться в общем для обеспечения приватного и публичного режимов просмотра.
Фиг. 1 является схематическим видом в перспективе известного автостереоскопического устройства 1 отображения прямого просмотра. Известное устройство 1 содержит жидкокристаллическую панель 3 с активной матрицей, которая выступает в качестве пространственного модулятора света для получения отображения.
Панель 3 дисплея имеет ортогональную матрицу субпикселей 5 дисплея, расположенных в строках и столбцах. Для ясности на фигуре показано только небольшое число субпикселей 5 дисплея. На практике панель 3 дисплея может содержать приблизительно одну тысячу строк и несколько тысяч столбцов субпикселей 5 дисплея. В черно-белой панели дисплея субпиксель фактически представляет собой полный пиксель. В цветном дисплее субпиксель является одним цветовым компонентом полноцветного пикселя. Полноцветный пиксель в соответствии с общей терминологией содержит все субпиксели, необходимые для создания всех цветов наименьшей отображаемой части изображения. Полноцветный пиксель может иметь красный (К), зеленый (З) и синий (С) субпиксели, возможно дополненные белым субпикселем или одним или более другими субпикселями элементарных цветов. Например, хорошо известен КЗС (красный, зеленый, синий) субпиксельная матрица, хотя известны и другие субпиксельные конфигурации, такие как КЗСБ (красный, зеленый, синий, белый) или КЗСЖ (красный, зеленый, синий, желтый).
Структура жидкокристаллической панели 3 дисплея полностью обычна. В частности, панель 3 содержит пару расположенных на расстоянии друг от друга прозрачных стеклянных подложек, между которыми имеется ориентированный скрученный нематик или другой жидкокристаллический материал. Подложки на своих обращенных друг к другу поверхностях несут рисунки электродов из прозрачного оксида индия и олова (ITO). Также на наружных поверхностях подложек имеются поляризационные слои.
Каждый субпиксель 5 дисплея содержит противоположные электроды на подложках с лежащим между ними жидкокристаллическим материалом. Форма и схема расположения субпикселей 5 дисплея определяется формой и схемой расположения электродов. Субпиксели 5 дисплея отделены друг от друга зазорами одинакового размера.
Каждый субпиксель 5 дисплея связан с переключающим элементом, таким как тонкопленочный транзистор (TFT) или тонкопленочный диод (TFD). Субпиксели дисплея работают на получение отображения путем выдачи сигналов адресации переключающим элементам, и подходящие схемы адресации известны специалистам в области техники.
Панель 3 дисплея освещается источником 7 света, содержащим в данном случае плоскую подсветку, простирающуюся по площади матрицы субпикселей дисплея. Свет от источника 7 света направлен через панель 3 дисплея, при этом отдельные субпиксели 5 дисплея возбуждаются для модуляции света и получения отображения.
Устройство 1 отображения также содержит лентикулярный лист 9, расположенный поверх стороны отображения панели 3 дисплея, который выполняет функцию формирования ракурсов. Лентикулярный лист 9 содержит ряд проходящих параллельного друг другу лентикулярных элементов 11, из которых для ясности показан только один с преувеличенными размерами.
Лентикулярные элементы 11 имеют форму выпуклых цилиндрических линз, и они действуют как средство направления выхода света для выдачи различных изображений, или ракурсов, от панели 3 дисплея в глаза пользователя, размещающегося перед устройством 1 отображения.
Устройство имеет контроллер 13, который управляет подсветкой и панелью дисплея.
Автостереоскопическое устройство 1 отображения, показанное на фиг. 1, способно обеспечивать нескольких ракурсов с разных углов зрения в различных направлениях. В частности, каждый лентикулярный элемент 11 перекрывает небольшую группу субпикселей 5 дисплея в каждой строке. Лентикулярный элемент 11 проецирует каждый субпиксель 5 дисплея из группы в различном направлении, формируя эти несколько различных ракурсов. По мере того, как голова пользователя перемещается слева направо, его/ее глаза поочередно будут принимать различные из нескольких ракурсов.
Специалисту будет понятно, что в сочетании с описанной выше матрицей должно использоваться средство поляризации света, так как жидкокристаллический материал является двоякопреломляющим, при этом переключение показателя преломления применяется только к свету с конкретной поляризацией. Средство поляризации света может быть предусмотрено как часть панели дисплея или конструкции формирования изображения устройства.
Фиг. 2 показывает принцип работы конструкции формирования изображения лентикулярного типа, как описано выше, и показывает подсветку 20, устройство 24 отображения, такое как ЖК-дисплей, и лентикулярную матрицу 28 линз 27. Фиг. 2 показывает, как лентикулярная структура 28 направляет выходы различных пикселей в три различных пространственных местоположения.
При применении к автостереоскопическому дисплею изобретение относится к повторению ракурса в таких дисплеях, которое объясняется ниже.
I
VII
I
VII
L
Фиг. 3 показывает разрез схемы мультиракурсного автостереоскопического дисплея. Каждый субпиксель с 31 по 31 под некоторой лентикулярной линзой 27 будет вносить вклад в конкретный ракурс с 32 по 32. Все субпиксели под этой линзой вместе будут вносить вклад в конус ракурсов. Ширина этого конуса (между линиями 37' и 37'') определяется комбинацией нескольких параметров: она зависит от расстояния 34 (D) от плоскости пикселей до плоскости лентикулярных линз. Также она зависит от шага 35 линз (P).
IV
Фиг. 4 является крупным планом фиг. 3 и показывает, что излучаемый (или модулируемый) пикселем дисплея 24 свет собирается ближайшей к пикселю лентикулярной линзой 27, а также соседними линзами 27' и 27'' лентикулярной конструкции 28. Это является источником возникновения повторяющихся конусов ракурсов. Например, пиксель 31 вносит вклад в конусы просмотра 29', 29'' и 29''', как показано.
Соответствующие ракурсы, созданные в каждом из конусов, одинаковы. Этот эффект схематично показан на фиг. 5 для 9-ракурсной системы (то есть 9 ракурсов в каждом конусе).
Для приемлемого компромисса между 3D эффектом и снижением разрешения общее число ракурсов ограничено, как правило, 9 или 15. Эти ракурсы имеют угловую ширину, как правило, 1-2 градуса. Ракурсы и конусы обладают тем свойством, что они периодичны.
Фиг. 6 показывает одну примерную конструкцию из WO 2013/179190, в которой между линзами предусмотрены светоблокирующие элементы 62. Конструкция в целом (не обязательно части между линзами) может быть переключена в режим пропускания или блокирования света. Таким образом, свет от пикселя, который покинул бы дисплей из соседней линзы, может быть заблокирован, в то время как основной конус просмотра не меняется. Система может быть реализована как оптические элементы между цилиндрическими линзами и дополнительные слои, которые обеспечивают управление светом, входящим в/покидающим лентикулярные линзы, так что функция блокировки света включается или отключается.
Примерами возможной светоблокирующей конструкции, раскрытой в WO 2013/179191, являются:
(i) светоблокирующая структура является поляризатором, а оптический путь включает в себя по меньшей мере одну фазовую пластинку;
(ii) светоблокирующая структура является фазовой пластинкой, а оптический путь включает в себя поляризатор;
(iii) светоблокирующая структура является электрофоретической ячейкой.
Фиг. 6 основана на использовании поляризатора в качестве светоблокирующего элемента. Первый поляризатор 60 предусмотрен между панелью 24 дисплея и лентикулярной матрицей 28. Конструкция вторых поляризаторов 62 предусмотрена между линзообразными элементами. Оптическая фазовая пластинка 64 предусмотрена между поляризаторами 60, 62.
Лентикулярный лист может изготавливаться путем рельефного тиснения лентикулярного листа и заполнения его материалом, который, когда он высушен, выполняет функцию поляризации. Альтернативой является изготовление лентикулярных и поляризационных полосок отдельно, а затем их склеивание с образованием лентикулярного листа. Этот лист затем может быть помещен поверх других слоев дисплея.
Фазовая пластинка 64 может быть, например, одной жидкокристаллической ячейкой, покрытой с обеих сторон одним прозрачным (например, из ITO) электродом, так что фазовая пластинка в целом может переключаться между состояниями поляризации. Альтернативно, фазовая пластинка 64 может быть снабжена таким рисунком, что жидкокристаллическая (ЖК) ячейка покрывает один субпиксель, пиксель или набор пикселей. В этом случае ячейки могут переключаться независимо. Это позволяет использовать режимы конфиденциальности содержания, задач или приложений, так что конфиденциальная информация на дисплее (например, почта) видна только в небольшом конусе просмотра, в то время как неконфиденциальная информация - нет.
Фигура 7 показывает обобщенное конструктивное исполнение известной светоблокирующей конструкции. Она имеет набор столбцов 70 над панелью 24 дисплея с линзами 27 над столбцами 70. Следует отметить, что фигура 7 также показывает конструкцию линз 27, которые вместо того, чтобы быть обращенными от панели дисплея (то есть выпуклыми, если смотреть со стороны панели дисплея, и вогнутыми, если смотреть со стороны выхода дисплея), имеют кривизну в противоположном направлении с показателем преломления на границе раздела твердое тело - твердое тело вместо границы раздела воздух - твердое тело. Возможна любая из конфигураций.
Фигура 8 показывает обобщенное конструктивное исполнение светоблокирующей конструкции, используемой в примерах в соответствии с изобретением. Она содержит пакет слоев 80, причем каждый слой 80 имеет рисунок 82 из участков светоблокирующей конструкции, так что в пакете слоев эти участки совмещаются с образованием вертикальных светоблокирующих элементов.
Таким образом формируются вертикальные или почти вертикальные структуры из множества тонких слоев. Слои 80 могут быть с любой или с обеих сторон матрицы линз. Только слои со стороны зрителя от линзы увеличивают полную толщину дисплея.
Как и в описанной выше известной системе, панель дисплея обеспечивает выход света в любом из двух ортогональных состояний поляризации управляемым образом. Одним примером является наличие модуля дисплея, содержащего панель дисплея с поляризованным выходом (например, жидкокристаллический дисплей) и переключаемую фазовую пластинку.
Для изготовления разделителя линз могут быть добавлены полоски материала поляризатора к каждому слою прозрачного вещества, например, путем нанесения металлических проволок.
Если имеется много слоев, процесс становится сложным, потому что слои должны быть совмещены и ламинированы. Одним более простым подходом является использование процесса «с рулона на рулон», при котором ламинируют отдельные рулоны с образованием более толстых рулонов.
Альтернативой является использование аддитивного изготовления матрицы линз, такого как 3D печать. Например, известно аддитивное изготовление оптических компонентов на основе текучих отверждаемых ультрафиолетом (УФ) акриловых чернил.
В таком аддитивном процессе, вместо изготовления тонких слоев стекла или пластика в виде листов или рулонов, в качестве стартовой заготовки используют подложку, такую как первый слой обычного разделительного стекла, или даже панель дисплея. Затем многократно добавляют плоские слои прозрачного вещества с полосками поляризатора, наносимыми сверху. Сама лентикулярная линза может формироваться непосредственно сверху разделителя с использованием дальнейшего аддитивного изготовления, или она может изготавливаться в соответствии с отдельным процессом и ламинироваться на разделитель. Добавляют дополнительные слои, если должны быть слои с обеих сторон матрицы линз.
Независимо от того, какая технология изготовления используется, общий способ изготовления включает в себя обеспечение панели дисплея, формирование светоблокирующей конструкции для избирательного блокирования света, который ориентирован в боковом направлении выхода из панели дисплея, и монтаж светоблокирующей конструкции над панелью дисплея. Этот монтаж может быть частью процесса изготовления самой светоблокирующей структуры, или он может быть отдельным этапом после изготовления светоблокирующей структуры.
Формирование светоблокирующей конструкции содержит формирование пакета слоев, причем каждый слой имеет рисунок из участков светоблокирующей конструкции, так что в пакете слоев эти участки совмещаются с образованием вертикальных светоблокирующих элементов.
Невозможно будет сделать полосы поляризатора полностью прозрачными (например, только на 90%) для состояния поляризации, которое должно пропускаться. Для компенсации потери света в участках поляризатора аналогичная независимая от поляризации потеря может быть обеспечена между участками поляризатора. Таким образом, рисунок поляризатора имеет такую же прозрачность для света с поляризацией, которая позволяет ему проходить, как и прозрачность слоя, прозрачного для этого света. Это обеспечивает однородный внешний вид в публичном режиме.
Шаг рисунка полосок каждого отдельного слоя 80 может быть настроен так, чтобы корректировать расстояние просмотра. Таким образом, светоблокирующие конструкции функционируют как световые трубки, но они слегка сходятся, фокусируя на заданном расстоянии просмотра от дисплея. В результате вертикальные светоблокирующие элементы смещены от направления нормали к панели дисплея. Это смещение может быть небольшим, например, меньше 5 градусов, и оно будет противоположным с противоположных сторон дисплея и нулевым в центре.
Шаг будет немного больше, чем шаг линз, и будет зависеть от оптического расстояния от слоя 80 до линз в сравнении с расстоянием просмотра. За исключением этой небольшой поправки шага слои совмещены.
Фигура 8 показывает конструкцию с большим числом слоев 80. Хотя изготовить такой дисплей в принципе возможно, было бы лучше с точки зрения оптического качества и/или технологичности изготовления, если бы дисплей имел лишь небольшое число слоев 80 с рисунками.
2
Фигура 9 показывает конструктивное исполнение лишь с тремя слоями 80. С меньшим числом слоев 80 рисунки поляризатора должны быть более широкими, чтобы предотвратить утечку света, и это приводит к уменьшению интенсивности в режиме конфиденциальности. Это может быть приемлемым, потому что современные дисплеи могут быть сделаны очень яркими (например, 1000 кд/м), но для мобильных применений это влияет на время работы от батареи. Кроме того, фигура 9 показывает цилиндрические линзы 27.
Фигура 10 показывает смоделированный результат такого решения только с тремя слоями.
Она показывает общее влияние на интенсивность выхода света (ось y) как функцию угла просмотра (ось x). График 100 приводится для режима конфиденциальности, а график 102 - для публичного режима.
Свет, который направлен по нормали от пикселя дисплея, будет проходить через центр лентикулярной линзы и достигать центрального местоположения просмотра без затухания. Однако некоторое количество света, который достиг бы этого центрального местоположения просмотра с краев линзового растра, будет заблокировано слоями поляризатора.
Таким образом, причиной уменьшения интенсивности является то, что половина поверхности рисунка поляризатора заходит в путь света основного конуса. С множеством слоев это является меньшей проблемой, потому что каждый из слоев может иметь поляризаторы небольшой площади, но когда число слоев уменьшается, поверхность должна быть увеличена, чтобы избежать утечки света (пересекающего зазоры между рисунками в направлении укладки слоев в пакет), и это приводит к большей потере света в основном конусе.
В результате для данного угла конуса есть оптимальный компромисс между сложностью изготовления числа слоев и оптической эффективностью. Большее число слоев дает меньшую площадь необходимого материала, а значит, большее оптическое окно для центрального конуса просмотра, но их сложнее делать.
В численных моделированиях было продемонстрировано, что минимальное число слоев равно трем, а предпочтительное число, как правило, равно трем или четырем, в зависимости от общего конструктивного исполнения.
Использование поляризации для обеспечения избирательного блокирования света является не единственной опцией. В качестве альтернативы полоскам поляризатора и переключаемой фазовой пластинке могут применяться полноценные модуляторы света, то есть технологии панелей дисплея. В публичном режиме модуляторы света могут быть выполнены с возможностью пропускать весь свет. В режиме конфиденциальности они формируют полоски путем формирования блокирующего свет рисунка. В этом случае имеется потеря света, если модулятор света не может быть полностью прозрачным. Таким образом, выгодно использовать модулятор света с высокой прозрачностью и апертурой. Одним примером является электрофоретический модулятор света.
Как объяснялось выше, причиной уменьшения интенсивности в основном конусе является то, что половина поверхности оптического рисунка заходит в путь света.
Изобретение обеспечивает конструктивные исполнения, которые решают эту проблему за счет наличия участков светоблокирующей конструкции двух различных типов. Таким образом, формируются светоблокирующие элементы двух различных типов, при этом каждый светоблокирующий элемент связан с соответствующей линзой. Это означает, что светоблокирующие элементы образуют рисунок (где элементы различных типов считаются различными элементами рисунка) с шагом, который равен удвоенному шагу линз.
Один тип светоблокирующего элемента позволяет проходить свету одного типа (т.е. одной поляризации) и блокирует свет другого типа (т.е. другой поляризации). Это означает, что свет правильного типа может быть обеспечен через все светоблокирующие элементы одновременно, так что имеет место уменьшенная потеря света. Это означает, что светоблокирующие элементы могут быть большими, то есть с шириной, соответствующей ширине линзы, а это, в свою очередь, означает, что для образования светоблокирующих элементов может использоваться небольшое число слоев.
Некоторые подходы на основании этого подхода показаны на фигурах 11-14. Используются те же самые номера позиций, что и на фигуре 10. Во всех случаях рисунок светоблокирующих элементов каждого конкретного типа имеет шаг, равный удвоенному шагу линз (игнорирование коррекции расстояния просмотра объяснялось выше). Это означает, что есть одно подмножество линз, каждая из которых совмещена с соответствующим светоблокирующим элементом первого типа, и другое подмножество линз, каждая из которых совмещена с соответствующим пространством между парой светоблокирующих элементов этого типа и на котором присутствует светоблокирующий элемент другого типа. Каждый слой, таким образом, имеет два типа светоблокирующих элементов (то есть противоположной поляризации), которые вместе покрывают всю площадь. Общий рисунок или же рисунок для одного конкретного типа светоблокирующих элементов имеет шаблон. Во всех примерах этой концепции повторяющийся рисунок имеет шаг, который равен удвоенному шагу линз.
Первый вариант реализации показан на фигуре 11.
Каждый слой 80 поляризатора содержит фиксированные поляризаторы 90 (показаны пунктиром) и переключаемые вращатели 92 плоскости поляризации (показаны сплошными линиями). Фиксированные и переключаемые поляризаторы чередуются, так что они образуют полоски, которые соответствуют полоскам линз. Предполагая, что выход панели дисплея является поляризованным, тогда элемент 92 вблизи панели дисплея является переключаемым вращателем плоскости поляризации. Другие элементы 92 являются вращающимися поляризаторами (элементы, которые блокируют одну поляризацию, но можно выбирать, какую именно поляризацию они блокируют).
Панель дисплея выпускает поляризованный свет.
В публичном режиме этот поляризованный свет проходит через все слои. Переключаемые элементы 92 в слое, ближайшем к панели дисплея, не осуществляют вращение плоскости поляризации, так что везде присутствует одна и та же поляризация света. Переключаемые поляризаторы 92 ориентированы параллельно фиксированным поляризаторам 90 в двух верхних слоях, и все они пропускают поляризацию света, выдаваемого панелью дисплея. Помимо некоторого поглощения из-за активных слоев (например, ITO не совсем прозрачен), эффект этих слоев отсутствует.
В режиме конфиденциальности для половины линз (например, всех нечетных) в панели дисплея поляризация повернута вращателями 92, и тогда на других слоях 80 вращение переключено для той же самой половины линз, так что создается ситуация, в которой свет, который идет в пределах границ цилиндрической линзы, имеет одну поляризацию, и эта поляризация не блокируется, в то время как соседние цилиндрические линзы блокируют эту поляризацию. Режим конфиденциальности получается, когда переключаемые поляризаторы 92 ориентированы перпендикулярно фиксированным поляризаторам 90 в верхних двух слоях. Это означает, что свет данной поляризации (т.е. как на выходе дисплея) может проходить только через один набор поляризаторов, таким образом создавая желаемую функцию полосчатой блокировки света в каждом из слоев.
Таким образом, панель имеет полное разрешение как в публичном режиме, так и в режиме конфиденциальности, и кроме некоторой потери света и сложности из-за активных слоев, как публичный режим, так и режим конфиденциальности в основном не имеют артефактов. Фиксированные поляризаторы 90 блокируют свет, который используется в соседних столбцах. Эта конструкция создает публичный режим с широким углом просмотра. В режиме конфиденциальности создаются столбцы переменной поляризации для устранения вторичных конусов просмотра.
В режиме конфиденциальности, так как линза совмещена с промежутком между светоблокирующими элементами, улучшается интенсивность основного конуса просмотра, просматриваемого в режиме конфиденциальности.
Второй вариант реализации показан на фигурах 12-14. Верхние два слоя имеют фиксированные поляризаторы 94, но с чередующимся направлением поляризации (одно направление поляризации показано сплошной линией, а другое показано пунктирной линией). В самом нижнем слое, который находится непосредственно на панели дисплея, обеспечен переключаемый вращатель 96 плоскости поляризации, имеющий матрицу вращателей плоскости поляризации. Этот слой может создавать два противоположных рисунка. Один рисунок имеет полоски чередующейся поляризации, а другой рисунок имеет противоположное расположение полосок. Таким образом, весь слой в целом является переключаемым, но он снабжен рисунком, причем этот рисунок имеет шаг в две линзы (то есть одна полоска в ширину линзы имеет одну поляризацию на ее выходе, а другая полоска в ширину линзы имеет противоположную поляризацию на ее выходе).
Рисунок поляризации на выходе слоя 96 затем чередуется в последовательных кадрах. Опять же, предполагается, что панель дисплея имеет поляризованный выход.
В режиме конфиденциальности, показанном на фигуре 12, переключаемые вращатели в слое 96 удерживаются в указанном состоянии поляризации, при этом пунктирные участки позволяют проходить той же самой поляризации, как и пунктирные участки двух фиксированных слоев 80 выше. Эта конфигурация функционирует точно таким же образом, как и на фигуре 11, на который участки, которые позволяют проходить одной и той же поляризации, расположены в многослойных столбцах. Таким образом, имеются чередующиеся столбцы противоположной поляризации. Таким образом задаются вертикальные светоблокирующие элементы. Фигура 12 также показывает интенсивность выхода света как функцию угла просмотра, и она показывает, что основной конус просмотра является доминирующим.
Панель дисплея может иметь ограниченный по углу выход света (например, при выполнении выхода подсветки ограниченным по ее диапазону углов испускания), так что свет от испускающих свет областей панели дисплея не достигает линз на две влево или вправо (по сравнению с линзой по нормали над испускающей свет областью). Тогда поляризационная конструкция используется для блокирования света непосредственно в стороны от направления нормали, а конструкция подсветки используется для предотвращения достижения светом больших смещенных вбок углов просмотра.
В публичном режиме участки 96 переключаются между двумя рисунками поляризации последовательно во времени. Как следствие, угол обзора уширяется приблизительно от одного конуса (режим конфиденциальности) до приблизительно 3 конусов. Вторая последовательная во времени работа показана на фигуре 13, при этом теперь самый нижний слой блокирует основной конус просмотра. Эта ширина в 3 конуса все еще слишком мала для публичного режима, но технологически намного проще в реализации, чем иметь все слои переключаемыми.
Фигура 13 также показывает интенсивность выхода света как функцию угла просмотра, и она показывает, что основной конус просмотра блокирован.
Фигура 14 показывает комбинацию графиков интенсивности с фигур 12 и 13, а значит, показывает разность между публичным режимом 100 и режимом 102 конфиденциальности.
Последовательная во времени работа требует быстрой модуляции света (например, ЖК-материала с голубой фазой или с переключением краевого поля (FFS)), что потребляет энергию и может вызвать видимое мерцание. В качестве альтернативы один из этих двух подкадров может показываться непрерывно, так что режим конфиденциальности имеет половину разрешения публичного режима. В этом случае для оптического переключателя может быть выбран более прозрачный модулятор света, например, основанный на электрофоретической технология.
Управляемыми слоями в приведенных выше примерах можно управлять на уровне всего дисплея, так что весь дисплей переключается между режимами. Однако также возможно задавать различные области отображения путем локального управления конфигурациями вращателей плоскости поляризации и контроллерами.
Два приведенных выше примера могут сохранять полное разрешение дисплея и в режиме конфиденциальности, и в публичном режиме. Есть более простые варианты реализации, если можно пожертвовать разрешением. Например, в панели дисплея может быть обеспечен один переключатель поляризатора, и тогда все переключаемые вращатели 90 с фигуры 11 могут быть выполнены просто как прозрачные отверстия между фиксированными поляризаторами. В режиме конфиденциальности выход дисплея для половины линз заблокирован фиксированными поляризаторами, а в публичном режиме выход дисплея может проходить везде. Эта конструкция будет иметь полное разрешение в публичном режиме, но в приватном режиме только половина линз будет испускать свет. Это будет генерировать рисунок в полоску, который может видеть пользователь, если линзы не являются достаточно маленькими. Можно видеть, что это возникает за счет разрешения в режиме конфиденциальности. Например, может отображаться только один из двух подкадров.
Как упоминалось выше, в одном примере подсветки используются светодиоды. Это дает хорошую энергетическую эффективность, и они могут быстро включаться и выключаться и тем самым позволять покадровое локальное уменьшение яркости для улучшения уровня черного и энергетической эффективности. Другим шагом является использование КЗС-светодиодов вместо светодиодов белого свечения с тем преимуществом, что может быть увеличена цветовая гамма. Светодиоды могут быть размещены за панелью дисплея или по сторонам структурированного волновода для создания дисплея с боковым освещением.
Однако вместо этого может использоваться подсветка с помощью люминесцентной лампы с холодным катодом («CCLL»), которая, как правило, содержит ряд ламп CCFL, размещенных в полости с белой и рассеивающей (ламбертовской) задней поверхностью. Свет от ламп CCFL либо напрямую, или от покрытия задней поверхности проходит через рассеиватель, чтобы скрыть лампы и обеспечить в достаточной мере равномерную интенсивность на экране.
Также могут использоваться органические светодиоды (OLED), органические светоизлучающие транзисторы (OLET) и светодиоды на квантовых точках (QLED) для создания подсветки, поскольку эти технологии позволяют создавать равномерно излучающую поверхность. Это устраняет потребность в рассеивателях и волноводах, а значит, может уменьшить количество компонентов и сделать дисплей еще тоньше. Однако чтобы использовать полный потенциал этих технологий, сами пиксели могут быть излучателями для улучшения эффективности, как объяснялось со ссылкой на фигуру 8.
И тогда, если используется технология излучающего прямо дисплея, можно обойтись без подсветки для создания отображаемого изображения.
Изобретение может быть применено к дисплеям всех этих типов.
Вышеприведенные примеры показывают непереключаемые автостереоскопические дисплеи.
Сделав линзы мультиракурсного дисплея переключаемыми, становится возможным получить режим высокого 2D разрешения в комбинации с 3D режимом. Другим применениями переключаемых линз являются последовательное по времени увеличение числа ракурсов (WO 2007/072330) и обеспечение нескольких 3D режимов (WO 2007/072289). В известных способах создания переключаемого 2D/3D дисплея заменяют лентикулярную линзу на:
(i) заполненную жидкокристаллическим материалом полость линзообразной формы, у которой функция линзы включается/выключается с помощью электродов, которые управляют ориентацией ЖК-молекул, или включается/выключается путем изменения поляризации света (с помощью переключаемой фазовой пластинки);
(ii) заполненную жидким кристаллом коробчатую полость, где электроды управляют ориентацией ЖК-молекул для создания линз с переменным показателем преломления (см., например, WO 2007/072330);
(iii) электросмачиваемую линзу из капелек, формой которых управляют с помощью электрического поля;
(iv) линзообразную полость, заполненную прозрачными электрофоретическими частицами в жидкости с различными показателями преломления (WO 2008/032248).
Это изобретение может быть применено к переключаемым автостереоскопическим дисплеям, например, описанных выше типов.
Приведенные выше примеры демонстрируют использование изобретения в автостереоскопическом дисплее. Однако изобретение может использоваться для 2D дисплея для обеспечения приватного и публичного режимов просмотра.
Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения после изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а использование элемента в единственном числе не исключает множества таких элементов. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно-различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих параметров не может быть использована с выгодой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение объема изобретения.