TWI398669B

TWI398669B - 立體顯示器

Info

Publication number: TWI398669B
Application number: TW098118040A
Authority: TW
Inventors: Yi Pai Huang; Chih Wei Chen; To Chiang Shen
Original assignee: Univ Nat Chiao Tung
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2013-06-11
Also published as: US20100302349A1; US8279270B2; KR20100129670A; KR101174841B1; JP2010277064A; TW201044019A

Description

立體顯示器

本發明是有關於一種顯示器，且特別是有關於一種立體顯示器。

立體顯示技術依照使用分類可分為眼鏡式(Stereoscopic)與裸眼式(Auto-stereoscopic)兩種，其中裸眼式立體顯示技術大致上又可分為：全像式(Holography)、體積式(Volumetric)、多平面式(Multi-plane)以及空間多工式(Spatial-multiplexed)…等方法。然而，上述之方法皆有其缺點，舉例來說，全像式立體顯示技術所需用到的資料量過於龐大，而體積式與多平面式的立體顯示技術也有機台大小與空間限制的問題。

傳統的空間多工式立體顯示技術多半是採用屏障(Barrier)或透鏡(Lens)等方式將不同角度的影像分別投射於空間中不同位置，以使觀察者的左右眼分別接收到不同角度的影像，進而在大腦中融合以達到立體成像的效果。圖1繪示為習知3D液晶顯示器(3D-Lquid Crystal Display,3D-LCD)的示意圖。請參照圖1，液晶顯示器100是在畫素單元110前方設置一視差屏障(Parallax Barrier)120來擋住某些角度的光線，以使同一觀察者的左右眼所看到的畫素單元110不同，進而於腦中產生立體影像顯示的效果；或是使左側的觀察者與右側的觀察者所觀看的影像畫面不同，而造成雙向顯示效果。

然而，由於視差屏障120阻擋了大部分的光線，因此將會造成影像畫面的亮度下降。此外，以視差屏障120作為立體影像的處理機制時，由於觀察者所看到的影像畫面是被間隔地劃分為左右眼影像顯示區域，因此雖然可使液晶顯示器100具有立體顯示之效果，但卻大幅降低立體顯示器的影像解析度。詳言之，當觀察者閉上左眼或右眼時，立體顯示器之影像畫面的解析度就會減半。再來，由於只有兩個影像分別提供給左右眼，因此觀察者需要在正確的距離與位置才能觀看到對應的立體影像，進而使觀看位置的選擇受到限制。

圖2繪示為習知另一種3D液晶顯示器的示意圖。請參照圖2，此液晶顯示器200具有第一基板210與第二基板220。液晶顯示器200主要是利用在第二基板220上製作曲面透鏡230，且使每一曲面透鏡230分別對應一畫素單元240而配置，以使得曲面透鏡230可控制經過畫素單元240的光線的折射角度。如此，觀察者的左右眼便可看到不同的畫素單元240而產生不同的影像，進而於腦中呈現立體影像的效果。此外，由於曲面透鏡230可將畫素單元240的影像折射到不同角度，因此只要觀察者的左右眼分別取得其中兩不同個影像便可於腦中呈現立體影像效果，因此液晶顯示器200會比圖1的液晶顯示器100有更多的視角可觀看立體影像畫面。也就是說，觀察者可於空間中數個不同角度觀看到不同之相對應立體影像。值得一提的是，由於液晶顯示器200在解析度固定之下，若要顯示單一影像物體的多種視角影像，則相對於傳統顯示器表現出的單一的視角畫面影像，液晶顯示器200的解析度會明顯降低。

此外，由於曲面透鏡230是製作在第二基板220上，且曲面透鏡230需要對應每一個畫素單元240而設置，因此，在製作過程中需要相當高的對位精度，以確保每個曲面透鏡230可在正確的位置上控制光線出射的角度。此外，曲面透鏡230製造難度較高也不易與每一畫素單元240有良好的對位精度，進而使液晶顯示器200的生產成本難以降低。

美國專利號US Patent No.6,064,424所提出的立體顯示器便是與前述圖2的3D液晶顯示器200類似，其利用一斜透鏡元件(Slanted Lenticular Element)(相當於圖2的曲面透鏡230)，將斜透鏡元件所對應的各畫素單元(相當於圖2的畫素單元240)的光線偏向不同的方向，使觀察者的左右眼可觀看到不同的影像，進而於腦中呈現立體影像的效果。也因此，此種立體顯示器亦會面臨與液晶顯示器200的相同問題。

由此可知，習知之空間多工式立體顯示技術仍然存在解析度不佳、亮度不足、視角小與影像干擾(Crosstalk)等問題。

本發明提供一種立體顯示器，具有一視域掃描層，其可隨外加電場的變化改變光線的行進方向，以將顯示影像投射至多個視域方向。

本發明提出一種立體顯示器，包括一顯示面板以及一視域掃描層。顯示面板用以快速顯示多個顯示影像。視域掃描層配置於顯示面板上，並接收這些顯示影像。視域掃描層具有多個光線折射調變區。每一光線折射調變區包括一視域掃描單元。視域掃描單元隨一外加電場變化改變光線的行進方向，以將不同顯示影像的部份分別投射至不同的視域方向，其中每一視域方向對應光線的行進方向。

在本發明之一實施例中，上述之視域掃描層更包括一第一基板以及一第二基板。第一基板包括一下基材與一共通電極。共通電極配置於下基材上，且視域掃描單元配置於共通電極上。第二基板包括一上基材與多個控制電極。控制電極配置於上基材上，且上基材配置於視域掃描單元上。

在本發明之一實施例中，上述之視域掃描層更包括一第一基板以及一第二基板。第一基板包括一下基材與一共通電極。共通電極配置於下基材上，且視域掃描單元配置於共通電極上。第二基板包括一上基材與多個控制電極。控制電極配置於上基材上且位於視域掃描單元之一側。

在本發明之一實施例中，上述之顯示面板具有多個次畫素區，且每一視域掃描單元分別對應部份次畫素區。

在本發明之一實施例中，上述之顯示面板更包括一第一發光層。第一發光層包括多個第一發光元件分別位於這些次畫素區之一。

在本發明之一實施例中，上述之顯示面板更包括一第二發光層。第二發光層配置於第一發光層上，且第二發光層包括多個第二發光元件，其分別位於這些次畫素區之一。

在本發明之一實施例中，上述之第一發光元件包括有機發光二極體。

在本發明之一實施例中，上述之第二發光元件包括有機發光二極體。

在本發明之一實施例中，上述之視域掃描單元的材料包括液晶分子或電潤濕流體(Electrowetting Fluid)。

在本發明之一實施例中，上述之共通電極與控制電極的材料為一透明導電材料。在本發明之一實施例中，上述之共通電極與控制電極包括銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)或銦鋅氧化物(Indium Zinc Oxide,IZO)。

基於上述，本發明主要是利用視域掃描單元會隨外加電場變化而改變光線之行進方向的特性，以將不同的顯示影像於不同時間分別投射至多個視域方向，使觀察者的左右眼可觀看到多個不同方向的顯示影像，進而於腦中呈現立體影像的效果。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

第一實施例

圖3A繪示為本發明之第一實施例的立體顯示器300的剖面示意圖。請參照圖3A，本實施例之立體顯示器300包括一顯示面板310以及一視域掃描層320。顯示面板310用以快速循序顯示顯示影像I₁~I₁₂(圖3A僅示意地繪示12個)。視域掃描層320配置於顯示面板310上，並接收這些顯示影像I₁~I₁₂。圖3B繪示為圖3A立體顯示器300之區域A的局部放大示意圖。請同時參照圖3A與圖3B，視域掃描層320具有多個光線折射調變區B，且每一光線折射調變區B包括一視域掃描單元322。

另外，如圖3B所示，視域掃描層320更包括一第一基板324以及一第二基板326。第一基板324包括一下基材324a與一共通電極324b。共通電極324b配置於下基材324a上，且視域掃描單元322是配置於共通電極324b上。第二基板326包括一上基材326a與多個控制電極326b。控制電極326b配置於上基材326a上，且上基材326a是配置於視域掃描單元322上。在本實施例中，共通電極324b與控制電極326b的材料為一透明導電材料，其例如是銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)或銦鋅氧化物(Indium Zinc Oxide,IZO)。

值得注意的是，本實施例之視域掃描單元322會隨外加電場變化改變入射光線的行進方向，以將不同的顯示影像I₁~I₁₂的部份分別投射至多個視域方向d₁~d₆(圖3A與圖3B僅示意地繪示6個)，其中每一視域方向是對應光線的行進方向。另外，在本實施例中，視域掃描層320例如是由液晶(Liquid Crystal,LC)分子322a所組成，且光線折射調變區B內包括多個液晶分子322a(圖3B僅示意地繪示1個)。

圖3C繪示為圖3B之區域C液晶分子322a未受外加電場的排列方式，而圖3D繪示為圖3B之區域C液晶分子322a受外加電場的排列方式。請同時參照圖3B與圖3C，當共通電極324b與控制電極326b皆無外加電壓時，由於液晶分子322a無受外加電場影響，因此液晶分子322a皆沿同一方向排列(即垂直紙面的方向)。另外，液晶分子具有雙折射性(birefringence)，而其等效折射率可表示為，其中n _o為光在液晶分子短軸向所看到的折射率，n _e為光在液晶分子長軸向所看到的折射率。因此，在此情況下，對於同方向入射至液晶分子322a的光線而言，入射光線所看到液晶分子322a的等效折射率皆相同，故同方向的入射光線在通過不同位置處的液晶分子322a後，皆具有相同的偏折方向。

另外，如圖3D所示，當共通電極324b與控制電極326b外加一電壓V時，不同位置的液晶分子322a會對應所在位置之電場大小而產生不同的傾斜形態。因此，對同方向入射至液晶分子322a的光線而言，入射光線所看到液晶分子322a的等效折射率會有所不同，進而使同方向的入射光線在通過不同位置處的液晶分子322a時可以被折射到不同的方向。

因此，應用上述之原理，當外加電場連續隨時間發生變化而使得同方向的入射光線所看到液晶分子322a的等效折射率連續變化時，來自顯示面板310的不同顯示影像I₁~I₁₂便可於不同時間被液晶分子322a部份投射至如圖3A所示的多個視域方向d₁~d₆(即所謂的時間多工(Time-multiplexed)的概念)。值得注意的是，在本實施例中，上述之液晶分子322a之等效折射率的連續變化特性，可等效視為如圖3B所示之連續移動的視域掃描單元322，且其功能類似折射率漸變型透鏡(Gradient-index Lens,GRIN lens)。

請同時參照圖3A與圖3B，詳細而言，假設顯示面板310分別於影像畫面時間t₁~t₁₂顯示顯示影像I₁~I₁₂，則在影像畫面時間t₁~t₆時，視域掃描單元322可等效視為位於位置P₁，且視域掃描單元322會於影像畫面時間t₁~t₆分別將部份的顯示影像I₁~I₆折射至視域方向d₁~d₆。在影像畫面時間t₇~t₁₂時，視域掃描單元322可等效視為位於位置P₂，且視域掃描單元322會於影像畫面時間t₇~t₁₂分別將顯示影像I₇~I₁₂的部份折射至視域方向d₁~d₆。也就是說，由液晶分子322a所構成的視域掃描單元322相當於一種在光線調變折射區B做連續來回的移動之移動式液晶透鏡(Moveable Switching LC Lens)。另外，本實施例之顯示影像I₁和I₇實質上雖為相同的顯示影像，然而不同位置的視域掃描單元322會投影顯示影像I₁(顯示影像I₇)的不同部份，因此若欲使觀察者看到完整的顯示影像，視域掃描單元322從位置P₁移動到位置P₂的動作必需在一個畫框時間(frame period)內完成。詳言之，在本實施例中，位於位置P₁和位置P₂的視域掃描單元322分別貢獻一半的顯示影像I₁~I₆(或顯示影像I₇~I₁₂)。因此，不同於習知的顯示器，每一顯示影像在空間上被間隔地劃分為左右眼影像顯示區域，本實施例的立體顯示器300是利用時間多工的方式來達到顯示完整的影像。另一方面，立體顯示器300也不會有傳統時間多工顯示器之影像閃爍的問題。

值得一提的是，圖3B僅示意地繪示兩位置P₁與P₂。然而在其他實施例中，在位置P₁和P₂間更可包括其他位置，如位置P₃~P₆(未繪示)。因此，視域掃描單元322的移動路線便依序為位置P₁、P₃、P₄、P₅、P₆、P₂，且視域掃描單元322於每一位置分別將部分的(例如為1/6)顯示影像I₁~I₆折射至視域方向d₁~d₆。也就是說，不同位置的視域掃描單元322分別貢獻部分的(例如為1/6)顯示影像I₁~I₆，而搭配視域掃描單元322的快速移動與掃描，不同位置但同一視域方向的部份顯示影像I₁~I₆便可在每一視域方向d₁~d₆合成一張插排後的完整顯示影像I₁~I₆。同樣地，視域掃描單元322從位置P₁、P₃、P₄、P₅、P₆移動到位置P₂的動作也需在一個畫框時間內完成。另一方面，視域掃描單元322從影像畫面時間t₁到再次回到位置P₁並顯示部份顯示影像I₁的時間間隔必須小於人眼的視覺暫留時間。如此一來，觀察者才可在不同視域方向(即 d₁~d₆)持續地觀看到同影像畫面時間t₁的影像資訊，如此也可得一完整之影像。

值得注意的是，本實施例之視域掃描單元322雖是等效為一透鏡，然而在其他實施例中，視域掃描單元322的亦可等效為例如是稜鏡或液晶光柵(LC Grating)等任何可改變光線行進方向的元件，其例如是藉由改變共通電極324b與控制電極326b的相對位置來達到。另外，本實施例之視域掃描單元322的材料雖是由液晶分子所構成，然而在其他實施例中，視域掃描單元322的材料亦可以是電潤濕流體(Electrowetting Fluid)。

另外，在本實施例之視域方向d₁~d₆僅是示意地6個，然而在其他實施例中，立體顯示器更可提供其它數目的視域方向，例如是32個不同的視域方向，且這32個視域方向是每隔32個影像畫面時間重複循環一次，且從第1個時間到第32個影像畫面時間的時間間隔是小於人眼的視覺暫留時間。此外，由於本實施例之立體顯示器300包括多個控制電極326b，因此當施外加電壓於控制電極326b與共通電極324b時，整層的視域掃描層320會產生多個近似於透鏡或稜鏡功能的視域掃描單元322，且每一視域掃描單元322分別位於不同的光線折射調變區B。由於本實施例之視域控制層320包括多個控制電極326b，使得每一光線折射調變區B皆有其對應的視域掃描單元322，因此本實施例之視域掃描單元322會比只有兩個控制電極326b的視域控制層更能精確地將部份的顯示影像I₁~I₁₂投影到如圖3B所示的視域方向d₁~d₆，也就是說視域掃描單元322的功能是更近似完美的透鏡或稜鏡。

另外，如圖3A與圖3B所示，顯示面板310還包括一第一發光層312以及一第二發光層314，且顯示面板310具有多個次畫素區D₁，其中每三個次畫素區D₁構成一個畫素區D。第一發光層312包括多個位於次畫素區D₁的第一發光元件312a，而第二發光層314包括多個位於次畫素區D₁的第二發光元件314a。因此，第一發光層312與第二發光層314皆可個別完整地呈現一個顯示影像。值得注意的是，因為顯示影像I₁~I₁₂中的每個畫素資訊皆可完整地被觀察者的左右眼接收，其不同於習知的每一顯示影像被間隔地劃分為左右眼影像顯示區域，或如傳統空間多工式顯示器需要藉由降低影像解析度來達到多視角的目的，因此觀察者於每一視域方向皆可看到一張完整的顯示畫面，故相較於習知的3D顯示器具有較高的解析度。

此外，由於本實施例之立體顯示器300具有兩層發光層(即第一發光層312與第二發光層314)，因此顯示影像I₁~I₁₂的影像更新速度會較單層發光層增加一倍。詳言之，假設在畫框時間t₁，顯示影像I₁是由第一發光層312來提供背光，則畫框時間t₂的顯示影像I₂可由第二發光層314來提供背光。如此一來，第一發光層312便可在顯示面板310提供顯示影像I₂的同時，預備下一刻畫框時間t₃的背光。也就是說，本實施例之顯示影像I₁~I₁₂是由第一發光層312與第二發光層314來輪流提供背光的。因此，顯示影像I₁~I₁₂的影像更新速度會較單層發光層增加一倍。值得一提的是，發光層的層數可隨設計者自行設計，舉例而言，在其他實施例中，立體顯示器300還可包括第三發光層(未繪示)，此時顯示影像I₁~I₁₂的影像更新速度又會較單層發光層增加兩倍。

另外，如圖3B所示，每一視域掃描單元322分別對應部份次畫素區D₁(本實施例示意地繪示9個)。此外，視域掃描單元322所對應的次畫素區D₁的個數(或畫素區D的個數)與立體顯示器300可提供的視角數有關(即視域方向的個數)。詳言之，若視域掃描單元322所對應的次畫素區D₁或畫素區D的個數越多，則立體顯示器300可提供視角數越多(即視角越廣)。因此，設計者可視所需的視角個數來調整視域掃描單元322所對應的次畫素區D₁或畫素區D的個數。

此外，本實施例之顯示面板310更包括一第三基板316以及一第四基板318，其中第一發光層312配置於第三基板316上，而第二發光層314配置於第四基板318上。第三基板316與第四基板318例如是一透明基板，而第一發光元件312a與第二發光元件314a例如是有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)。更進一步而言，第一發光元件312a與第二發光元件314a例如是紅色、綠色以及藍色的有機發光二極體，且其三者分別位於不同的次畫素區D₁。值得一提的是，本實施例之第一發光元件312a與第二發光元件314a雖為有機發光二極體，然而在其他實施例中，第一發光元件312a與第二發光元件314a亦可以是其他可自行發光的元件。值得注意的是，由於本實施例之立體顯示器300因採用有機發光二極體做為背光源，因此背光源可直接作為畫素模組成像而不需彩色濾光片(Color Filter,CF)等元件，故在亮度的表現可較目前3D液晶顯示器的品質更好。

在以下的實施例與圖式中，相同或相似的標號代表相同或相似的元件，以簡化說明。

第二實施例

圖4繪示為本發明之第二實施例的立體顯示器400的局部剖面示意圖。本實施例之立體顯示器400與圖3B的立體顯示器300類似，惟二者主要差異之處在於：立體顯示器400控制電極326b是配置在上基材326a上且位於視域掃描單元322之一側。因此，藉由施加不同電壓於控制電極326b上，便將視域掃描單元322視為等效的菲涅爾透鏡(Fresnel lens)，其詳細說明如下。

如圖4所示，控制電極326b是配置於上基材326a上位於視域掃描單元322之一側，其中不同個數的控制電極326b可分別組成多個等效電極，且每一控制電極326b具有相同寬度。值得注意的是，本實施例之等效電極分別對應圖4之等效電壓V₀~V₃，以使視域掃描單元322產生菲涅爾透鏡的效果。

一般而言，菲涅爾透鏡保留了傳統凸透鏡的曲面和弧度，但卻比傳統凸透鏡還要薄，因此可以節省材料，進而使得減少傳統大型透鏡的體積。類似地，運用上述的原理，視域掃瞄層320的厚度也可減少，特別是在圖4中厚度L的部份更是如此。

另一方面，若隨時間變化施加不同電壓於各個控制電極326b上，則視域掃描單元322可等效視為一連續來回移動的菲涅爾透鏡。如此一來，視域掃描單元322便可達到前述之掃描效果。詳言之，若控制電極326b所對應的施加電壓V₀~V₃是沿著x方向移位，則視域掃描單元322也等同沿x方向移動。據此，立體顯示器400便可因視域掃描層320之厚度的減少(特別是厚度L的部份)而使視域掃描層320中例如是由液晶(Liquid Crystal,LC)分子322a反應時間降低，以達到於固定時間內快速掃瞄的效果。

綜上所述，由於本發明實施例之視域掃描單元的可隨外加電場變化改變光線的行進方向，故可利用時間多工的方式連續地將顯示影像於不同時間投射到各個方向，進而達到廣視角的效果。此外，由於本發明實施例之立體顯示器是採用雙層結構的有機發光二極體做為背光源，因此本發明實施例之立體顯示器不僅成像速度快，且在亮度表現上也較習知的3D液晶顯示器的品質更好。除此之外，由於本發明實施例之立體顯示器可使觀察者於不同視域方向觀看到完整的影像畫面，與傳統空間多工式顯示器需要藉由降低影像解析度來達到多視角的方法不同，因此也較習知的3D顯示器具有較高的解析度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、102‧‧‧3D液晶顯示器

110、240‧‧‧畫素單元

120、200‧‧‧視差屏障

210、324‧‧‧第一基板

220、326‧‧‧第二基板

230‧‧‧曲面透鏡

300、400‧‧‧立體顯示器

310‧‧‧顯示面板

312‧‧‧第一發光層

312a‧‧‧第一發光元件

314‧‧‧第二發光層

314a‧‧‧第二發光元件

316‧‧‧第三基板

318‧‧‧第四基板

320‧‧‧視域掃描層

322‧‧‧視域掃描單元

322a‧‧‧液晶分子

324a‧‧‧下基材

324b‧‧‧共通電極

326a‧‧‧上基材

326b‧‧‧控制電極

d₁~d₆‧‧‧視域方向

I₁~I₁₂‧‧‧顯示影像

t₁~t₁₂‧‧‧影像畫面時間

A、B、C‧‧‧區域

D‧‧‧畫素區

D₁‧‧‧次畫素區

P₁、P₂‧‧‧位置

V、V₀~V₃‧‧‧電壓

L‧‧‧厚度

x‧‧‧方向

圖1繪示為習知3D液晶顯示器的示意圖。

圖2繪示為習知另一種3D液晶顯示器的示意圖。

圖3A繪示為本發明之一實施例的立體顯示器的剖面示意圖。

圖3B繪示為圖3A立體顯示器之區域A的局部放大示意圖。

圖3C繪示為圖3B之區域B液晶分子未受外加電場的排列方式。

圖3D繪示為圖3B之區域B液晶分子受外加電場的排列方式。

圖4繪示為本發明之第二實施例的立體顯示器的局部剖面示意圖。