专利名称：自动立体显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种类型的自动立体显示装置，其包括具有用于产生 显示的显示像素阵列和多个成像装置的显示面板，成像装置例如为在 显示面板上设置并通过它们观看显示像素的透镜元件。
背景技术：
在GB2196166A中公开了已知的自动立体显示装置。已知的装置包 括二维液晶显示面板，其具有用作空间光调制器以产生显示的行和列 阵列显示像素。彼此平行延伸的延长透镜元件的阵列覆盖在显示像素 阵列上，并且通过这些透镜元件能观察到显示像素。透镜元件为片式 元件，每个元件包括延长的半圆柱透镜元件。透镜元件在显示面板的 列方向上延长，每个透镜元件覆盖有两个或更多相邻列的显示像素的 相应组。
在例如每个透镜(lenticular)元件与两列显示像素结合的设置 中，每列中的显示像素提供了各自的二维子图像的垂直片。透镜片从 与其它透镜元件相关的显示像素列引导这两个片和相应的片，到位于 片前的用户的左和右眼，因此用户观察到单个立体图像。透镜元件片 由此提供了光输出导向功能。
在其它设置中，每个透镜元件在行方向上与超过两个的相邻显示 像素关联。适当设置每组中相应列的显示像素以提供来自相应二维子 图像的垂直片(vertical slice)。当用户的头从左到右移动时，会 感觉到形成了一系列连续的、不同的、立体的图像，例如，形成环绕 的感觉。上述装置提供了有效的三维显示。然而，理解到为了提供立 体视觉，在装置的水平分辨率上有必要的牺牲。牺牲分辨率对于某些 应用是不可接受的，例如用于短距离观看的小文本字母显示。因此， 提出了提供一种能在二维模式和三维(立体)模式之间切换的显示装 置。
在二维模式中，可切换器件的透镜元件以"通过，，模式工作，即 它们以与平板的光学透明材料相同的方式工作。所得的显示器具有等
于显示面板的本征分辨率的高分辨率，其适用于显示短观察距离的小 文本字符。二维显示模式当然不能提供立体图像。
在三维模式中，可切换装置的透镜元件提供如上所述的光输出导 向功能。所得显示器能提供立体图像，但也会遭受上述不可避免的分 辨率损失。
为了提供可切换显示模式，可切换装置的透镜元件由电光材料形 成，例如液晶材料，其具有在偏振的光的两个不同值之间切换的折射 系数。于是，该装置通过在透镜元件的上面或下面提供的电极层上施 加适当电势进行模式切换。电势改变了透镜元件相对于邻近光学透明 层的折射系数。可选择地，邻近的光学透明层可以由电光材料形成， 同样地，透镜元件相对于光学透明层的折射系数改变。
已经认识到需要提供可切换自动立体显示装置，其中显示区域的 离散部分能单独或以组合的方式在二维和三维模式之间切换。以这种 方式，能在三维显示器中提供一个或多个二维显示窗口，反过来，可 以在二维显示器中提供一个或多个三维显示窗口 。
这样的显示装置能通过提供电极层实现，每个电极层包括多个分 立的电极并使用寻址系统为电极的具体组合提供电势。然而，已经发 现分立的电极能导致亮度不均勻，例如在显示区域上产生条紋或波紋 状图案。
发明内容
根据本发明，提供了一种可切换的立体显示装置，包括具有用 于形成显示的显示像素阵列的显示面板；以行和列设置的显示像素； 设置在显示面板上用于导向显示像素的光输出以提供立体图像的透镜 元件阵列，透镜元件包括电光材料，其折射系数能通过选择性地施加 电场而在保持光输出导向功能的第一值和除去光输出导向功能的第二 值之间进行切换；透镜元件上面和下面提供的用于跨过透镜元件施加 电场的电极结构，其中至少一个电极结构包括由介电层分开的第一和 第二电极层，每个电极层包括多个由间隔分开的电极，每个电极层的 电极与其它电极层的间隔对准，以使透镜元件中间隔对电场的影响减 小了。
已经发现，在透镜元件中，通过提供包括由介电层分开的两个电 极层的电极结构，能得到更稳定的电场。特别地，通过设置一层电极
以与其它层的间隔重合，得到了更稳定的电场。电极不仅仅产生电场， 也屏蔽透镜元件使其免受周围电场的影响。
在透镜元件内更稳定的电场使得能形成更稳定的折射率系数的切 换(对于来自显示器的光)，并实现亮度非均匀度的相应减小，例如 显示区域上的条紋或波紋状图案。
因此，本发明提供了一种显示装置，其具有能在二维和三维显示 模式之间局部切换的显示区域，并且其中在每种模式中电极层不连续 性对显示质量的影响被最小化。
电极优选为平行延长的电极。
电极可以通过相邻成对的方式连接在一起，每对包括每个电极层 的电极。在这种情况下，不需要额外的驱动装置，并且在使用中电极 以成对的方式被寻址。可选择地，电极层的距离透镜元件更远的所有 电极可以电连接在一起。在这种情况下，需要额外的驱动装置以为电 极提供电势，并且电势可以"调谐，，以提供最优化的透镜元件折射系 数转换。
每个电极层的电极优选至少与其它电极层的间隔一样宽，在这种 情况下，实现了电极对显示区域的完整覆盖。
在电极结构的电极层之间的最小间隔优选在1 |Lim至100pm的范 围内，虽然其它的值也是可以的。在电极之间的电极层可以包括任何
光学透明绝缘体。
电极结构的第一和第二个可以分别面对透镜元件的轮廓(例如， 凹形或凸形)并且基本平坦的表面。
第一电极结构的电极可以垂直于第二电极结构的电极。
如上所述，第二电极结构可以包括由介电层分开的第一和第二电极 层，并且第一电极结构可以简单地包括单个电极层。
透镜元件阵列可以包括平行透镜元件阵列，其中每个元件覆盖基本 在行方向上的几个显示像素。当元件提供光输出导向功能时，来自不 同像素的光输出通过透镜元件投射到不同方向上以使立体图像能被观 察到。
电光材料可以包括液晶材料，例如向列液晶。对于限定偏振的光， 液晶材料的折射系数是很容易在电场影响下切换的。
电极层可以包括氧化铟锡(ITO),其具有适当高电导率和光学透明
性。
显示装置可以进一步包括控制器，其被设置成选择性地在电极层施 加电势以在透镜元件上施加电场。控制器可以设置成在电极层上施加 交变电势。控制器可以设置成选择性地施加电势到所选择的电极层的 电极，由此切换透镜元件阵列所选择部分的折射系数。
显示面板可以是液晶显示面板。显示像素可以具有矩形形状，显 示像素更长的边缘在列方向延伸。显示像素的行和列可以是正交的。 在显示像素行和列的每个交叉点提供显示像素。
现在将仅仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，其中 图l是可以应用本发明的已知自动立体显示装置的示意透视图； 图2是如图1中所示的已知显示装置的元件的详细示意图； 图3A和3B用于说明如图1中所示显示装置的工作原理；以及 图4是根据本发明的自动立体显示装置的元件的详细示意图。
具体实施例方式
本发明提供了一种显示装置，其具有能在二维显示模式和三维显 示模式之间切换的显示区域。通过给由液晶材料形成的透镜元件阵列 施加电场而实现模式之间的切换。在二维模式中，透镜元件表现为好 像它们是一片普通的透明材料。在三维;^式中，透镜元件提供光输出 功能以使能观察到立体图像。使用与透镜元件间隔的电极层在透镜元 件上施加电场。电极层距离透镜元件的间隔改进了透镜元件内电场的 稳定性。
图1是可以应用本发明的已知可切换的自动立体显示装置的示意 透视图。显示装置1以展开形式示出。
已知装置1包括有源矩阵形式的液晶显示面板3，其用作空间光调 制器以形成显示。显示面板3具有以行和列设置的显示像素5的正交 阵列。为了清楚起见，仅在图中示出了少量的显示像素5。实际上，显 示面板3可以包括约1000行和几千列个显示像素5。
液晶面板3的结构是完全传统的。特别地，面板3包括一对分开 的透明玻璃衬底，在其间提供对准的扭曲向列或其它液晶材料。衬底
在它们的对面表面上具有透明氧化铟锡(ITO)电极的图案。在衬底的外 部表面上也提供极化层。
每个显示像素5包括衬底上的相对电极，其间具有插入的液晶材 料。显示像素5的形状和布置图(layout)由电极的形状和布置图确 定。显示像素5由间隙(gap)彼此有规律地隔开。
每个显示像素5与切换元件关联，例如薄膜晶体管(TFT)或薄膜 二极管(TFD)。通过提供寻址信号到切换元件，使得显示像素被操作 以形成图像，适当的寻址系统对本领域技术人员是已知的。
显示像素5之间的间隙被不透明黑掩模覆盖。以光吸收材料的隔 栅形式提供掩模。掩模覆盖切换元件并限定单独的显示像素区域。
显示面板3通过光源7照明，其在这种情况下包括在显示像素 阵列的区域上延伸的平面背光。来自光源7的光通过显示面板3，其中 单个显示像素5被驱动以调制光并形成显示。
显示装置1也可以包括位于显示面板3显示侧面上的透镜元件结 构9，其结构是可控制的以选择性地进行视图形成功能。透镜元件结构 9包括彼此平行延伸的透镜元件11的阵列，为了清楚起见，仅示出了 夸大的尺寸。
图2中示意性地更详细地示出了透镜元件结构9。以展开形式示 出了结构9。
参考附图，可以看出透镜元件结构9包括一对透明玻璃衬底13、 15,其中透明电极层17、 19由在衬底的衬面上提供的氧化铟锡(ITO) 形成。每个电极层17、 19为多个平行延长电极的形式，并且各自不同 的层17、 19的电极彼此垂直设置。延长的电极之间设置有小间隙以使 它们能被分别寻址。
使用复制技术形成的相反的透镜结构21,提供在衬底13、 15之 间，邻近衬底13的上面一个。在衬底13、 15之间，邻近衬底15的下 面一个，也提供向列液晶材料23。如图中所示，相反的透镜结构21导 致液晶材料23在相反透镜结构21和下衬底15之间保持平行，延伸透 镜形状。相反透镜结构21和与液晶材料23接触的下衬底15的表面也 具有用于导向液晶材料23的取向层(未示出)。
在使用中，图1中示出的已知可切换显示装置可操作用于提供显 示输出，其分立的部分可以在二维和三维显示模式之间单独切换或组
合切换。以这种方式，可以在二维显示区域中提供一个或多个三维显 示窗口。
显示输出的分立部分在模式之间的可切换性是通过在由液晶材料
23形成的透镜元件上施加电场而实现的。通过在电极层17、 19的电极 上施加电势，产生电场。
为每个电极层17、 19中延长电极中选定数量的相邻电极施加电 势。上电极的选择限定了要被切换的显示窗口的高度，下电极的选择 限定了要被切换的显示窗口的宽度。
施加的电势导致所选择部分显示区域中的透镜元件在维持和除去 光输出导向功能之间切换，这现在将参考附图3A和3B进行说明。
图3A是当没有电势施加到电极时透镜元件结构9的一部分的示意 截面图。在这种情况下，对于由显示面板提供的偏振光，液晶材料23 的折射系数比相反透镜结构21的折射系数显著更高，并且如所述，透 镜形状由此提供光输出导向功能。
图3B是当大约50伏的交变电势施加到电极上时透镜元件结构9 的一部分的示意截面图。在这种情况下，对于由显示面板提供的偏振 光，液晶材料23的折射系数基本与相反透镜结构21的折射系数相同， 以使透镜形状的光输出导向功能被取消，如所示。由此，在这种情况 下，阵列有效地用作"通过"模式。
如图3A中，通过维持所示的光输出导向功能，由液晶材料23限 定的透镜元件用作凸圆柱透镜，并提供从显示面板3到显示装置1前 面用户的眼睛的不同图像或视图。因此，可以提供三维图像。
如图3B中所示，通过光输出导向功能的取消，由液晶材料23限 定的透镜元件工作在"通过"模式，即如同它们是平板的凸圆柱透镜。 因此，采用显示面板3的全本征分辨率能提供高分辨率的二维图像。
在显示模式之间切换的电势通过控制器12提供给透镜元件结构 9的电极。
上述已知显示装置的结构的进一步细节在美国专利No. 6069650中 公开，这里引入其全部内容作为参考。
上述已知显示装置1可操用于在二维显示区域中提供一个或多个 三维显示窗口。显示窗口的尺寸和位置可以通过改变透镜结构9的电 极的选择而简单地调节，电极上施加有电势。已经发现，在上述显示装置1的切换显示窗口中，观察到不希望 的线阵列或波紋状图案。已经发现，线阵列或波紋状图案是由当在每
个电极层17、 19中的多个电极被寻址时电场中的不规则性造成的。特 别地，已经发现，在相邻电极之间的间隙导致了液晶材料23内的电场 不均匀性，这导致不稳定的折射系数切换。
本发明提供了图1中示出类型的可切换显示装置，但当施加电势 时该装置不会存在造成的条紋或波紋状图案。
现在将描述根据本发明的可切换显示装置的实施例。根据本发明 的可切换显示装置具有如图1所示的相同结构，因此不提供另外的附 图。因此，该装置包括液晶显示面板3、光源7和控制器12,上面提
供了它们的详细描述。
如图1所示，根据本发明的装置还包括位于显示面板3的显示侧 面上的透镜元件结构。根据本发明的透镜元件结构提供了如图1和2 所示的相同功能，但是其结构稍有不同。
图4示意性地示出了根据本发明的装置的透镜元件布置的结构。 该布置31的结构类似于如图2中所示的布置9的结构，在适当的地方， 相同的附图标记表示相同的结构。
参考附图，已经看到，透镜元件结构n包括一对透明玻璃村底l3、
15，其中在它们的衬面上提供由氧化铟锡(IT0)形成的透明上和下电 极层17、 19。电极层17、 19每个包括多个隔开的平行延长电极。电极 层17、 19的电极设置成彼此垂直。
结构31也包括介电相反透镜结构21和在村底13、 15之间提供的 液晶材料23。这些元件的每一个与以参考图2描述的相应元件相同， 这里省略其详细描述。
与图2中所示的结构9相比，根据本发明的装置的结构31额外地 包括介电层33和在液晶材料23与下衬底15之间提供的附加透明电极 层35。
介电层33基本是平坦的，由光学透明绝缘体形成。介电层33可 以具有从lpm至100ym范围内的厚度。介电层33具有把附加电极层 35和下电极层19分开的功能。
附加电极层35由氧化铟锡(IT0)形成，并包括多个分开的延长 电极。附加层35的电极平行于下电极层19的电极。附加层35的电极
与下电极层19的电极之间的间隙对准，并且被设置以使当以平面视图 观察时，即垂直于显示面，它们的长边缘彼此重叠。
附加电极层35、介电层33和下电极层19共同形成了下电极结构。 上电极层17形成了上电极结构。下电极结构的电极以相邻成对的方式 连接在一起，如图中所示，每对包括来自每个电极层19、 35的电极。
如附图中所示，在相反透镜介电结构21和附加电极层35之间液 晶材料23保持平行、延伸的透镜形状。相反透镜介电结构21、附加电 极层35和与液晶材料23接触的介电层33的表面也具有导向层(未示 出)，用于适当地导向液晶材料23。
在使用中，根据本发明的可切换显示装置可操作用于以和图1中 示出的已知装置相同的方式提供显示输出，这里省略其详细描述。下 电极层的电极当然可以仅通过成对方式而不是单个方式寻址。
因此，显示区域的分立部分可以在二维和三维显示模式之间单独 或以组合方式切换。这样，可以在二维显示区域中提供一个或多个三 维显示窗口。
在使用根据本发明的显示装置中，在图1所示的在已知显示装置1 的切换显示窗口中可观察到的条阵列或波紋状图案没有出现。相反， 观察到切换显示窗口在显示区域具有恒定亮度。
通过提供包括由介电层33分开的两个电极层19、 35的下电极结 构，在根据本发明的显示装置中避免了出现条阵列或波紋状图案。下 电极结构的电极是成对寻址的，每个包括介电层33的电极一侧。当以 平面图观察时，每对电极是交叉的，并且这使在液晶材料23中产生了 更稳定电场。避免了通常在电极之间的间隙周围产生的电场不一致性。
上面已经描述了本发明的具体实施例。然而，很清楚本领域技术 人员可以在不脱离本发明范围的情况下，对实施例作出多种改变和修 改。
例如，上面已经描述了在三维显示中具有二维显示窗口的显示装 置。然而，本领域技术人员很清楚根据本发明的装置在二维显示中具 有三维显示窗口。
类似地，上述显示装置包括具有与具有下凹表面的介电结构接触 的上凸表面液晶材料。然而，在另一实施例中，液晶可以具有凹表面， 介电结构可以具有凸表面。液晶材料和介电结构的相对位置可以相对
于显示面板交换。
上迷实施例采用了具有例如在50nm至1000 pm范围内的显示^象 素节距的液晶显示面板。然而，本领域技术人员将会清楚可以采用显 示面板的其它类型，例如有机发光二极管(OLED)或阴极射线管(CRT) 显示装置。
上迷实施例包括分开的和明显的(distinct)透镜元件布置。然 而，在某些实施例中，元件的衬底可以被组合以减少部分数量。
上述显示装置可以采用以与显示像素的列方向成锐角倾斜的透镜 元件，如传统自动立体显示装置中已知的那样。
上述显示装置包括下电极结构，其中一对电极层由介电层分开， 上电极结构简单地包括单个电极层。在该装置中，电场不一致性存在 于上电极结构的电极之间的间隙周围，但是这些不 一致性不会延伸出 邻近设置的相反透镜结构。然而，在另一实施例中，上电极结构可以 具有与下电极结构相同的结构，也就是两个电极层被介电层分开。
在上述显示装置中，下电极结构的电极彼此成对连接，目的是为 了局部地在二维和三维模式之间切换显示区域，其中利用电势寻址这 些对。然而，在另一实施例中，电极可以不成对连接。相反，仅仅附 加电极层的电极可以利用电势寻址，下电极层的所有电极连接在一起 并施加电势。电势可以在工厂内调节到固定值以最小化电场的一致性。 可选择地，电势可以是可以用户可调节的，或可以提供反馈电路，以 保持用于最小化电场不一致性的最优电势，。
上述实施例包括用于施加电场到透镜元件的平行的延伸电极。然 而，电极可以采用任意形式。
在上述说明书中，使用了术语"透镜元件，，。该术语倾向于表示 任意提供透镜功能的元件，其能例如通过相对于具有不同折射系数的 材料具有非平坦(凹或凸)边界。
权利要求
1.可切换自动立体显示装置，包括-具有用于形成显示的显示像素阵列的显示面板(3)，显示像素以行和列设置；-在用于导向显示像素的光输出的整个显示面板(3)上设置以提供立体图像的透镜阵列(23)，该透镜元件(23)包括电光材料，其折射系数可以通过选择性地施加电场在保持光输出导向功能的第一值和去除光输出导向功能的第二值之间来切换；和-电极结构(17、19、35)，提供在透镜元件(23)之上和之下，用于在透镜元件(23)上施加电场，其中至少一个电极结构包括由介电层(33)隔开的第一和第二电极层(19，35)，每个电极层(19，35)包括多个由间隙分开的电极，每个电极层(19，35)的电极与其它电极层(19，35)的间隙对准，以使间隙对透镜元件(23)中电场的影响减小。
2. 根据权利要求1的可切换自动立体显示装置，其中电极是平行 的拉伸电极。
3. 根据权利要求1或2的可切换自动立体显示装置，其中电极以 相邻成对方式电连接在一起，每对包括每个电极层(19， 35)的电极。
4. 根据权利要求1或2的可切换立体显示装置，其中距离透镜元 件更远的电极层(19)的电极电连接在一起。
5. 根据前述权利要求任意一个的可切换自动立体显示装置，其中 每个电极层(19， 35)的电极至少与其它电极层(19， 35)的间隙一 样宽。
6. 根据前述权利要求任意一个的可切换立体显示装置，其中在电 极层之间的间隔小于每个电极层的电极之间的最大间隙。
7. 根据前述权利要求任意一个的可切换自动立体显示装置，其中 包括光学透明绝缘体。
8. 根据前述权利要求任意一个的可切换自动立体显示装置，其中 电极结构(17， 19， 35)的第一和第二电极结构分别面向透镜元件(23)的异型和基本平坦的表面。
9. 根据权利要求7的可切换自动立体显示装置，其中第一电极结 构(17)的电极提供为与第二电极结构(19， 35)的电极垂直。
10. 根据权利要求7或8的可切换自动立体显示装置，其中第二 电极结构(19， 35 )包括由介电层(33 )隔开的笫一和第二电极层(19， 35)，第一电极结构(17)包括单个电极层。
11. 根据前述任意一个权利要求的可切换自动立体显示装置，其 中透镜元件(23)的阵列包括平行透镜元件阵列。
12. 根据前述任意一个权利要求的可切换自动立体显示装置，其 中电光材料包括液晶材料。
13. 根据前述任意一个权利要求的可切换自动立体显示装置，其 中电极层(17， 19, 35)包括氧化铟锡。
14. 根据前述任意一个权利要求的可切换自动立体显示装置，进 一步包括控制器，该控制器设置以选择性地施加电势到电极以用于跨 过透镜元件(23)施加电场。
15. 根据权利要求13的可切换自动立体显示装置，其中控制器设 置以选择性地施加电势到电极层(17， 19， 35)的选择电极，由此切 换透镜元件(23)阵列选择部分的折射系数。
16. 根据前述任意一个权利要求的可切换自动立体显示装置，其 中显示像素具有矩形形状，显示像素的更长边缘在列方向上延伸。
17. 根据前述任意一个权利要求的可切换立体显示装置，其中显 示像素的行和列正交。
18. 根据前述任意一个权利要求的可切换自动立体显示装置，其 中显示面板(3)是液晶面板。
19. 根据前述任意一个权利要求的可切换自动立体显示装置，其 中显示像素在显示像素行和列的每个交叉点提供。
全文摘要
可切换自动立体显示装置，包括具有用于形成显示的显示像素阵列的显示面板，显示像素以行和列设置；在用于导向显示像素的光输出的整个显示面板上设置以提供立体图像的透镜阵列，该透镜元件包括电光材料，其折射系数可以通过选择性地施加电场在保持光输出导向功能的第一值和去除光输出导向功能的第二值之间切换；和在透镜元件上和下提供的用于跨过透镜元件施加电场的电极结构，其中至少一个电极结构包括由介电层隔开的第一和第二电极层，每个电极层包括多个由间隔分开的电极，每个电极层的电极与其它电极层对准，以使透镜元件中间隔对电场的影响减小。
文档编号H04N13/00GK101341762SQ200680048340
公开日2009年1月7日 申请日期2006年11月28日 优先权日2005年12月20日
发明者M·G·H·希丁克, O·H·威廉森, S·T·德兹沃特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司