專利名稱：光切換設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的第一方面涉及光切換方法和設(shè)備。這種設(shè)備可以用在可切換的二維(2D)/三維(3D)自動(dòng)立體顯示設(shè)備中；用于可切換的高亮度反射式顯示系統(tǒng)；可用于多用戶顯示系統(tǒng)；可用于定向照明系統(tǒng)或用于光纖信號(hào)交換系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以用于計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、通信手持機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、膝上型和桌面型電腦、游戲設(shè)備、汽車和其它移動(dòng)顯示應(yīng)用以及電信交換應(yīng)用中。
本發(fā)明的第二方面涉及反射式(reflective)和透反射式(transflective)顯示設(shè)備。這種設(shè)備可用于高亮度反射式顯示系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)可用于計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、通信手持機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、膝上型和桌面型電腦、游戲設(shè)備、汽車和其它移動(dòng)顯示應(yīng)用以及電信交換換應(yīng)用中。
背景技術(shù)：
3D顯示尋常的人類視覺(jué)是立體的，即每只眼睛所看見(jiàn)的世界的圖像稍有不同。大腦融合這兩幅圖像(稱為立體配對(duì))，以給出景深的感覺(jué)。三維立體顯示器向每只眼睛重放與觀看現(xiàn)實(shí)世界的景象所看到的對(duì)應(yīng)的獨(dú)立圖像(通常是平面的)。大腦再次融合該立體配對(duì)，以給出圖像中的景深感覺(jué)。
圖1a是平面視圖，顯示了顯示平面1中的顯示表面。右眼2觀察顯示平面上的右眼同源像點(diǎn)3，左眼4觀察顯示平面上的左眼同源像點(diǎn)5，以產(chǎn)生用戶感知的屏幕平面后面的表觀像點(diǎn)6。
圖1b是平面視圖，顯示了顯示平面1中的顯示表面。右眼2觀察顯示平面上的右眼同源像點(diǎn)7，左眼4觀察顯示平面上的左眼同源像點(diǎn)8，以在屏幕平面前面產(chǎn)生表觀像點(diǎn)9。
圖1c顯示了左眼圖像10和右眼圖像11的外觀。左眼圖像10中的同源點(diǎn)5位于參考線12上。右眼圖像11中的相應(yīng)同源像點(diǎn)3相對(duì)于參考線12位于不同的相對(duì)位置3上。將點(diǎn)3到參考線12的間距13稱為視差，在此其是屏幕平面后面的點(diǎn)的正視差。
對(duì)于場(chǎng)景中的廣義點(diǎn)，如圖1a所示，在立體配對(duì)的每幅圖像中都存在相應(yīng)的點(diǎn)。這些點(diǎn)被稱為同源像點(diǎn)。兩幅圖像之間的同源像點(diǎn)的相對(duì)間距被稱為視差；零視差的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于顯示器的景深平面上的點(diǎn)。圖1b顯示了視差不交叉的點(diǎn)出現(xiàn)在顯示器后面的情況，圖1c顯示了視差交叉的點(diǎn)出現(xiàn)在顯示器的前面的情況。同源像點(diǎn)的間距大小、到觀察者的距離和觀察者的雙眼之間的距離給出了顯示器上可感知的景深量。
立體型顯示器在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，并且指的是其中由用戶佩戴某些類型的觀察輔助設(shè)備以基本上分離發(fā)送給左眼和右眼的視圖的顯示器。例如，觀察輔助設(shè)備可以是其中對(duì)視圖進(jìn)行顏色編碼(例如紅和綠)的濾色鏡；可以是其中將視圖在正交偏振狀態(tài)下編碼的偏振眼鏡；或者是其中將視圖編碼為與眼鏡快門的打開(kāi)同步的圖像時(shí)間序列的快門眼鏡。
自動(dòng)立體顯示器無(wú)需觀察者佩戴觀察輔助設(shè)備即可工作。在自動(dòng)立體顯示器中，可以從空間中的有限區(qū)域中看到各個(gè)畫面，如圖2所示。
圖2a顯示了具有附加的視差光學(xué)元件17的顯示設(shè)備16。該顯示設(shè)備產(chǎn)生用于右眼通道的右眼圖像18。視差光學(xué)元件17沿箭頭19所示的方向引導(dǎo)光線，以在顯示器前面的區(qū)域中產(chǎn)生右眼觀察窗口20。觀察者把他們的右眼22放在窗口20的位置上。顯示左眼觀察窗口24的位置用于參考。觀察窗口20也可以稱為豎開(kāi)光瞳。
圖2b顯示了左眼光學(xué)系統(tǒng)。顯示設(shè)備16產(chǎn)生用于左眼通道的左眼圖像26。視差光學(xué)元件17沿箭頭28所示的方向引導(dǎo)光線，以在顯示器前面的區(qū)域中產(chǎn)生左眼觀察窗口30。觀察者把他們的左眼32放在窗口30的位置上。顯示右眼觀察窗口20的位置用于參考。
該系統(tǒng)包含顯示器和光學(xué)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。將來(lái)自左圖像26的光線發(fā)送到顯示器前面的有限區(qū)域，該區(qū)域被稱為觀察窗口30。若把眼睛32放在觀察窗口30的位置，則觀察者能夠在整個(gè)顯示器16上看到適當(dāng)?shù)膱D像26。類似地，光學(xué)系統(tǒng)把右圖像18的光線發(fā)送到單獨(dú)的窗口20。若觀察者把他們的右眼22放在那個(gè)窗口，則可以在整個(gè)顯示器上看到右眼圖像。一般來(lái)說(shuō)，來(lái)自任何一個(gè)圖像的光可認(rèn)為已被光學(xué)導(dǎo)向?yàn)槎ㄏ蚍植肌?br> 圖3是平面視圖，顯示了顯示平面34中的顯示設(shè)備16、17在窗口平面42中產(chǎn)生左眼觀察窗口36、37和38以及右眼觀察窗口39、40和41。窗口平面離顯示器的距離被稱為標(biāo)稱觀察距離43。顯示器的中心位置處的窗口37和40位于第0瓣44中。第0瓣44右側(cè)的窗口36和39位于+1瓣46中，而第0瓣左側(cè)的窗口38和41位于-1瓣48中。
顯示器的觀察窗口平面表示側(cè)面觀察自由度最高的位置到顯示器的距離。對(duì)于遠(yuǎn)離窗口平面的點(diǎn)，具有菱形的自動(dòng)立體觀察區(qū)，如圖3中的平面圖所示。由圖可見(jiàn)，來(lái)自整個(gè)顯示器上的每個(gè)點(diǎn)的光以有限寬度的錐形照射到觀察窗口。該錐形的寬度可定義為角寬度。
若把眼睛放在諸如37、40的一對(duì)觀察區(qū)中的每個(gè)觀察區(qū)中，則可以在顯示器的整個(gè)區(qū)域看見(jiàn)立體圖像。首先，顯示器的縱向觀察自由度由這些觀察區(qū)的長(zhǎng)度確定。
圖4a顯示了與理想化窗口的位置51有關(guān)的顯示器的整個(gè)窗口平面上的光強(qiáng)50中的變化(構(gòu)成了光線定向分布的一個(gè)有形的形式)。右眼窗口位置的光強(qiáng)分布52對(duì)應(yīng)于圖3中的窗口41，光強(qiáng)分布53對(duì)應(yīng)于窗口37，光強(qiáng)分布54對(duì)應(yīng)于窗口40，光強(qiáng)分布55對(duì)應(yīng)于窗口36。
圖4b示意性顯示了更多實(shí)際窗口位置的光強(qiáng)分布。右眼窗口位置的光強(qiáng)分布56對(duì)應(yīng)于圖3中的窗口41，光強(qiáng)分布57對(duì)應(yīng)于窗口37，光強(qiáng)分布58對(duì)應(yīng)于窗口40，光強(qiáng)分布59對(duì)應(yīng)于窗口36。
圖像分離的質(zhì)量和顯示器的橫向和縱向觀察自由度的程度由窗口質(zhì)量確定，如圖4所示。圖4a顯示了理想觀察窗口，而圖4b是可從顯示器輸出的實(shí)際觀察窗口的示意圖。由于不足的窗口性能而可能產(chǎn)生幾種假像。當(dāng)來(lái)自右眼圖像的光線被左眼看到時(shí)將產(chǎn)生串?dāng)_，反之亦然。這是一種重要的3D圖像退化機(jī)制，該退化機(jī)制將引起用戶的視覺(jué)疲勞。另外，差的窗口質(zhì)量將導(dǎo)致觀察者的觀察自由度降低。要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以優(yōu)化觀察窗口的性能。
視差格柵顯示器一種眾所周知的平板自動(dòng)立體顯示器包括背光燈、布置布置成行和列的電子可調(diào)像素陣列(稱為空間光調(diào)制器，SLM)和安裝在顯示器前面的視差格柵(parallax barrier)，如圖5中的平面圖所示。
背光燈60產(chǎn)生入射到LCD輸入偏振器64上的光輸出62。該光穿過(guò)TFTLCD基板66，并入射到在LCD像素平面67中布置成行和列的重復(fù)像素陣列上。紅色像素68、71和73、綠色像素69、72和75、藍(lán)色像素70和73中的每個(gè)像素包括可單獨(dú)控制的液晶層，并由稱為黑色掩膜(black mask)76的不透明掩膜的區(qū)域分隔。每個(gè)像素包括透射區(qū)或像素孔徑78。穿過(guò)像素的光由LCD像素平面74中的液晶材料進(jìn)行相位調(diào)制，并由位于LCD濾色器基板80上的濾色器進(jìn)行顏色調(diào)制。然后，該光穿過(guò)其后設(shè)置了視差格柵84和視差格柵基板86的輸出偏振器82。視差格柵84包括由垂直延伸的不透明區(qū)域分隔的垂直延伸的透射區(qū)域陣列，用來(lái)把來(lái)自交隔的像素列69、71、73和75的光導(dǎo)向右眼，如來(lái)自像素69的光的光線88所示，并把來(lái)自中間的列68、70、72、74的光導(dǎo)向左眼，如光線90所示(該總體光方向模式形成了光定向分布的另一個(gè)實(shí)例)。觀察者看到來(lái)自照亮格柵92的孔的下方像素的光。
在本說(shuō)明書中，SLM包括諸如液晶顯示器的“光閥”設(shè)備和諸如電致發(fā)光顯示器和LED顯示器的發(fā)光設(shè)備。
顯示器的像素布置成由間隙(一般由液晶顯示器LCD中的黑色掩膜限定)分隔的多行和多列，其中視差格柵是間距大致為兩倍于像素列間距的垂直延伸的狹縫的陣列。視差格柵限制了可以看見(jiàn)來(lái)自每個(gè)像素的光線的角度范圍，從而產(chǎn)生位于顯示器前面區(qū)域中的觀察窗口。顯示器的輸出錐形的角度由像素孔徑的寬度和形狀以及視差格柵的布置和象差確定。
為把來(lái)自每個(gè)像素的光導(dǎo)向觀察窗口，視差格柵的間距稍小于兩倍像素陣列的間距。這種條件被稱為“視點(diǎn)修正”。在這種顯示器中，每個(gè)立體配對(duì)圖像的分辨率是基礎(chǔ)LCD的水平分辨率的一半，并產(chǎn)生兩個(gè)畫面。
因此，來(lái)自奇數(shù)列像素68、70、72、74的光可以從左觀察窗口看到，來(lái)自偶數(shù)列像素69、71、73、75的光可以從右觀察窗口看到。若把左眼圖像數(shù)據(jù)放在顯示器的奇數(shù)列上，把右眼圖像數(shù)據(jù)放在偶數(shù)列上，則在正確的“無(wú)畸變”位置中的觀察者可以融合這兩幅圖像，以在整個(gè)顯示器上看到自動(dòng)立體3D圖像。
在兩個(gè)畫面之間會(huì)存在漏光，使得部分左眼畫面能夠被右眼看到，反之亦然。這種漏光被稱為圖像串?dāng)_。串?dāng)_是觀看3D顯示器時(shí)產(chǎn)生視覺(jué)疲勞的重要機(jī)制，并且對(duì)它的控制是3D顯示器開(kāi)發(fā)中的主要驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于平板自動(dòng)立體顯示器(尤其那些基于LCD技術(shù)的)，窗口性能的限制通常由像素的形狀和孔徑比以及光學(xué)元件的質(zhì)量確定。
在視差格柵型顯示器中，位于狹縫正下方的的列成像到顯示器的第0瓣中的第一對(duì)窗口。相鄰像素列也成像到顯示器的+1和-1瓣中的觀察窗口。因此，由圖3可見(jiàn)，若用戶在無(wú)畸變區(qū)的外部橫向移動(dòng)，則每只眼睛都能看到來(lái)自非正確圖像的光。當(dāng)右眼看見(jiàn)左眼畫面或者相反時(shí)，與正確的無(wú)畸變條件相比，該圖像被稱為“假像(pseudoscopic)”。
為提高顯示器的橫向觀察自由度，可以在格柵的每個(gè)狹縫下面設(shè)置多于兩個(gè)的像素列。例如，四個(gè)列將產(chǎn)生四個(gè)窗口，其中對(duì)于每個(gè)窗口畫面都有變化。這種顯示器在觀察者移動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生“環(huán)視”現(xiàn)象。也可以通過(guò)這種方法提高縱向自由度。但是，在這種情況下，顯示器的分辨率被限制為基礎(chǔ)顯示板的分辨率的四分之一。
視差格柵依靠遮擋來(lái)自顯示區(qū)域的光，因而降低了亮度和設(shè)備效率，一般僅達(dá)到原始顯示亮度的20-40％。
為了優(yōu)化顯示器的觀察自由度，對(duì)于格柵的子像素與顯示器的像素結(jié)構(gòu)有對(duì)齊公差的要求，所以視差格柵不容易去除和更換。2D模式是一半分辨率。
視差格柵光學(xué)部件在Academic Press 1976年出版的由T.Okoshi著的“ThreeDimensional Imaging Techniques”中公開(kāi)了一種視差格柵顯示器，其中，將視差格柵元件設(shè)置在顯示設(shè)備的前面。
在另一種視差格柵顯示器中，視差元件可作為顯示器后面的狹縫來(lái)實(shí)現(xiàn)，如G.Hamagishi的“A Display System with 2D/3Dcompatibility”，Proc.SID 1998 pp915-918所公開(kāi)的。可以知道，這種顯示器存在菲涅耳(Fresnel)衍射假像，限制了可以獲得的觀察窗口的質(zhì)量。
在另一種視差格柵顯示器中，視差元件可作為散布有暗區(qū)的導(dǎo)光管來(lái)實(shí)現(xiàn)，如US4717949中所公開(kāi)的?？梢灾?，這種顯示器存在菲涅耳衍射假像，限制了能夠獲得的觀察窗口的質(zhì)量，G.Woodgate等，Proc.SPIEVol 3957“Flat panel autosteroscopic displays-characterisationand enhancement”pp153-164，2000。
柱面鏡顯示器本領(lǐng)域中用于立體顯示器的另一種眾所周知的視差光學(xué)部件(與視差格柵相比)稱為柱面鏡屏幕(lenticular screen)，其是垂直延伸的柱面微透鏡陣列。這里所用的術(shù)語(yǔ)“柱面”是其在本領(lǐng)域中的通常含義，并且不僅包括嚴(yán)格的球面透鏡形狀，還包括非球面透鏡形狀。透鏡的間距仍然對(duì)應(yīng)于視點(diǎn)修正條件。可以把透鏡的曲率大致設(shè)置為在窗口平面上產(chǎn)生LCD像素的圖像。由于透鏡把像素的光會(huì)聚成錐形，并將其分配到窗口中，所以柱面鏡顯示器具有基礎(chǔ)顯示板的全部亮度。
圖6顯示了現(xiàn)有技術(shù)的柱面鏡顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)。將該設(shè)備配置到如圖5所示的輸出偏振器82。然后，光穿過(guò)柱面鏡屏幕基板94和在柱面鏡屏幕基板92的表面上形成的柱面鏡屏幕96。至于視差格柵，柱面鏡屏幕94用于把來(lái)自交隔的像素列69、71、73和75的光導(dǎo)向右眼，如來(lái)自像素69的光的光線88所示，并把來(lái)自中間列68、70、72、74的光導(dǎo)向左眼，如來(lái)自像素68的光線90所示。觀察者看到來(lái)自照亮柱面鏡屏幕96的單個(gè)透鏡98的孔徑的下方像素的光。所俘獲的光的錐形的范圍由俘獲線100示出。
Academic Press 1976年出版的由T.Okoshi著的“Three DimensionalImaging Techniques”中描述了柱面鏡顯示器。US4959641中描述了一種使用空間光調(diào)制器的柱面鏡顯示器。US4959641的發(fā)明描述了空中非切換型柱面鏡元件。
由于在透鏡96處或附近的反射和散射而使圖像的對(duì)比度降低，所以這種顯示器可能會(huì)在透鏡表面上出現(xiàn)不良的可視性。例如，這些反射源于菲涅耳反射。
擴(kuò)展的觀察自由度上述平板顯示器的觀察自由度受顯示器的窗口結(jié)構(gòu)限制。
EP0829743中描述了一種顯示器，其中，通過(guò)測(cè)量觀察者的位置并相應(yīng)移動(dòng)視差元件來(lái)提高觀察自由度。這種觀察者測(cè)量設(shè)備和機(jī)械驅(qū)動(dòng)很昂貴并很復(fù)雜。
EP0721131中舉例描述了一種顯示器，其中，窗口光學(xué)結(jié)構(gòu)不變(例如固定視差光學(xué)元件顯示器)，并對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的觀察者的位置而切換圖像數(shù)據(jù)，以使觀察者保持基本上無(wú)畸變的圖像。
設(shè)置正確觀察位置的指示器“Proceedings of Third International DisplayWorkshop”volume 2，1996年11月27-29日，E.Nakayama等，1996International Conference Centre，Kobe，Japan中描述了一種顯示器，其中設(shè)置了指示器，以使觀察者能夠使自己位于最佳位置。這種指示器不能向觀察者給出縱向位置的信息，或向觀察者給出橫向位置的精確信息。
另一種指示器[EP0860728]使用了圖像顯示、信號(hào)顯示和視差光學(xué)元件，該視差光學(xué)元件具有在觀察區(qū)中與圖像顯示器一起形成多個(gè)右眼和左眼觀察區(qū)的部分，并具有與信號(hào)顯示器一起形成至少在觀察區(qū)的第一部分可見(jiàn)的第一信號(hào)圖像和至少在觀察區(qū)的第二部分可見(jiàn)的第二信號(hào)圖像的第二部分。這種指示器使用了部分顯示區(qū)域，因而限制了可用的圖像面積。這對(duì)于小型顯示器尤其不利，由于該指示器的高度往往與顯示器的尺寸不成比例(為了保持對(duì)用戶的可視性)，因而將覆蓋小型顯示器中較大比例的面積。另外，由于損失了一些分辨率，使得3D顯示面積不再是標(biāo)準(zhǔn)的圖像面積，例如VGA(640×3×480象素)。
另外，當(dāng)用于透射式顯示器時(shí)，EP0860728不允許使用反射的環(huán)境光來(lái)照明指示器。EP0860728也闡述了為了對(duì)單個(gè)部分增加指示器部分的亮度，將不得不改變顯示器的濾色器。這需要改變LCD制造工藝，并導(dǎo)致一部分顯示的永久損失。
2D-3D可切換顯示器如上所述，使用視差光學(xué)元件產(chǎn)生空間復(fù)合的3D顯示把每幅圖像的分辨率限制在最多為全顯示分辨率的一半。在許多應(yīng)用中，顯示器只在3D模式下使用一小段時(shí)間，并需要具有全分辨率的無(wú)假像的2D模式。
Proc.SPIE vol.1915 Stereoscopic Displays and ApplicationsIV(1993)pp177-186，“Developments in Autostereoscopic Technologyat Dimension Technologies Inc.”，1993中描述了一種顯示器，其消除了視差光學(xué)元件的影響。在這種情況下，將可切換散射器元件放入光學(xué)系統(tǒng)，用于形成導(dǎo)光管。例如，這種可切換散射器可以是散布有聚合物的液晶類型，其中，在整個(gè)材料上施加電壓時(shí)，分子布置在散射和非散射之間切換。在3D模式下，散射器是清晰的，且產(chǎn)生導(dǎo)光管，以產(chǎn)生后視差格柵效應(yīng)。在2D模式下，散射器是散射的，導(dǎo)光管被取消，產(chǎn)生均勻光源的效果。通過(guò)這種方式，顯示器的輸出基本上是朗伯型的(Lambertian)，并且取消了窗口。然后，觀察者將看到作為全分辨率2D顯示器的顯示器。這種顯示器在3D模式下存在菲涅耳散射假像，并且在散射器的清晰狀態(tài)下存在不希望有的殘余散射，該殘余散射將增加顯示串?dāng)_。因此，這種顯示器可能會(huì)帶來(lái)更高程度的視覺(jué)疲勞。
在另一種可切換2D-3D顯示器[如EP0833183]中，將第二LCD設(shè)置在顯示器的前面，用作為視差光學(xué)元件。在第一模式下，視差LCD是清晰的，因此不產(chǎn)生窗口，并且可以在2D狀態(tài)下觀察圖像。在第二模式下，切換該設(shè)備，以便產(chǎn)生視差格柵的狹縫。然后，產(chǎn)生輸出窗口并顯示3D圖像。由于使用了兩個(gè)LCD元件，這種顯示器的成本和復(fù)雜性增加，并且亮度降低，或增加了電力消耗。若在反射模式的3D顯示系統(tǒng)中使用，由于在顯示器的輸入和輸出通道上視差格柵的遮擋區(qū)域引起的光的衰減，視差格柵將導(dǎo)致很低的亮度。
在另一種可切換2D-3D顯示器[EP0829744]中，視差格柵包括半波阻滯元件的構(gòu)圖陣列。阻滯元件的圖案對(duì)應(yīng)于格柵狹縫和視差格柵元件的吸收區(qū)域的圖案。在3D工作模式中，將偏振器加入顯示器中，以對(duì)構(gòu)圖阻滯器的狹縫進(jìn)行檢偏。通過(guò)這種方式，產(chǎn)生了吸收視差格柵。在2D工作模式中，完全去除偏振器，因?yàn)?D工作模式中不涉及任何偏振特征。因此，顯示器的輸出是全分辨率和全亮度的。一個(gè)缺點(diǎn)在于這種顯示器使用視差格柵技術(shù)，因而在3D工作模式中限制為大約20-30％的亮度。此外，該顯示器的觀察自由度和串?dāng)_將受到來(lái)自格柵的孔徑的散射的限制。
為了定向地切換光線，眾所周知可以提供可電切換的雙折射透鏡。眾所周知可以使用這種透鏡在2D工作模式和3D工作模式之間切換顯示器。
例如，在European Optical Society Topical Meetings DigestSeries13，15-16 May 1997，L.G.Commander等，“Electrode designs fortuneable microlenses”pp48-58中描述了電可切換的雙折射液晶微透鏡。
在另一種可切換2D-3D顯示器[US6069650、WO98/21620)中，使用了包括填充了液晶材料的柱面鏡屏幕的可切換微透鏡，以改變柱面鏡屏幕的屈光力(optical power)。
在S.Suyama等“3D Display System with Dual Frequency LiquidCrystal Varifocal Lens”，SID 97 DIGEST pp273-276中描述了一種包括液晶菲涅耳透鏡的3D顯示器。
雖然使用透鏡而不是格柵有一些優(yōu)點(diǎn)，例如，保留更多的光，但是，包括可切換透鏡的上述2D-3D顯示器具有某些缺點(diǎn)。例如，在Commander等的參考資料中的電可切換雙折射液晶微透鏡的情況下，由于殘余的未切換的液晶和相鄰微透鏡的尖端附近產(chǎn)生的向錯(cuò)，使微透鏡的光學(xué)性能受到限制。
折射率隨液晶材料溫度的變化意味著透鏡的焦距將改變。因此，在不控制溫度的情況下，這種顯示器具有受限的工作溫度范圍。另外，這些透鏡需要將電極材料淀積在其表面上。在2D和3D工作模式中，這將導(dǎo)致使圖像的對(duì)比度降低的色散反射。布置特性，尤其在透鏡側(cè)，需要在元件使用壽命期間保持不隨時(shí)間、溫度和物理應(yīng)力而改變。
作為另一個(gè)實(shí)例，在US6069650和WO98/21620所公開(kāi)的顯示器的情況下，如上所述，由于柱面鏡屏幕的未切換區(qū)域，使微透鏡的光學(xué)性能受到限制。因此，在2D狀態(tài)下存在一些殘余透鏡功能，其在窗口平面內(nèi)產(chǎn)生了一些強(qiáng)度變化，類似地，在3D模式中存在一些殘余非透鏡功能，其增加了顯示器的串?dāng)_。
與2D顯示有關(guān)的雙折射透鏡在顯示器中使用雙折射透鏡是眾所周知的，其用于多種不相關(guān)的用途，例如，包括下述內(nèi)容。
日本專利公開(kāi)No.11271744A的專利摘要中描述了用于LCD投影儀應(yīng)用的雙折射微透鏡。該系統(tǒng)的輸入照明結(jié)構(gòu)如圖7所示。具有定向器方向104的雙折射微透鏡102的陣列位于液晶層106和包括紅色數(shù)據(jù)像素110、綠色數(shù)據(jù)像素112和藍(lán)色數(shù)據(jù)像素114的反射像素108的陣列上方。從用于紅色像素的第一方向116、用于綠色像素的第二方向118、用于藍(lán)色像素第三方向120照亮顯示器。照明偏振方向124平行于浸沒(méi)在各向同性材料126中的透鏡的非尋常折射率(extraordinary index)104。
JP11271744A的單色像素的照明如圖8所示。與具有偏振狀態(tài)124的輸入光線118基本同方向的輸入照明錐形由透鏡102會(huì)聚到像素112上。由LC層106對(duì)光進(jìn)行調(diào)制并由像素112反射，以使其具有與輸入偏振狀態(tài)124正交的偏振分量128。產(chǎn)生由固定的分光部件(未示出)和投影透鏡(未示出)會(huì)聚，并被導(dǎo)向投影屏幕(未示出)的輸出光線130。
具有雙折射微透鏡陣列的LCD板由獨(dú)立的紅、綠、藍(lán)光的線偏振錐照明。雙折射透鏡周圍的材料具有與雙折射材料的慢軸基本相同的折射率。對(duì)透鏡中材料的雙折射的快軸進(jìn)行設(shè)置，以使透鏡可由輸入線偏振檢偏。因此，通過(guò)透鏡的作用，將綠色光發(fā)送給綠色像素，將紅色光發(fā)送給紅色像素，將藍(lán)色光發(fā)送給藍(lán)色像素。在反射時(shí)，將發(fā)送到投影屏幕的有用光處于正交偏振狀態(tài)。這種輸出偏振狀態(tài)具有與雙折射微透鏡的慢軸匹配的系數(shù)，從而不對(duì)任何透鏡進(jìn)行檢偏。通過(guò)這種方式，顯示器的輸出不會(huì)由于微透鏡的孔徑而產(chǎn)生暈影，可以通過(guò)投影透鏡會(huì)聚來(lái)自設(shè)備的整個(gè)光錐。這種設(shè)備能夠照明并有效會(huì)聚來(lái)自單個(gè)反射LCD板的光，以產(chǎn)生低成本且明亮的投影系統(tǒng)。這種設(shè)備不用于定向顯示系統(tǒng)，也不是可切換雙折射透鏡的效果。
定向顯示系統(tǒng)定向顯示器在本領(lǐng)域中是眾所周知的，其中，從不同方向觀察不同的圖像，以使得能夠看見(jiàn)交互圖像。例如，印刷的柱面鏡屏幕用于在不同方向顯示兩幅不同的廣告圖像。
光纖液晶切換器液晶光纖切換器在本領(lǐng)域中是眾所周知的，其使用獨(dú)立的透鏡、液晶層和偏振光束分離部件。例如，“Liquid crystal technologyimplementation for optical switching”Andrew Leuzinger，Intergrated Communications Design-Electronics Design Magazine 4March 2001描述了一種液晶光纖切換系統(tǒng)，其能夠控制輸入和輸出光纖之間的耦合效率。
反射式顯示器反射式顯示器在本領(lǐng)域中是眾所周知的。
在第一類顯示器(以反射方式工作的透射式顯示器)中，將反射層置于透射式顯示器的后面。落在顯示器上的環(huán)境光由反射層透過(guò)顯示器朝觀察者反射回去。由于具有兩條穿過(guò)顯示器的路徑和反射層的低效散射，這種顯示器存在亮度損失。
在第二類顯示器(以反射方式工作的背光透射式顯示器)(也稱為透反射式顯示器)中，透射式顯示器后面的反射層具有附加的光源和光導(dǎo)向設(shè)備，例如一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管或熒光燈管。在微暗的光照環(huán)境中，打開(kāi)光源以增加顯示器的亮度。使用光源將增加顯示器的電力消耗。
在“Influence of rough surface upon optial characteristics ofreflective LCD with a polariser”，Y.Itoh等，pp221-224，SID Digest1998中舉例描述了第三類顯示器(反射式顯示器)。將反射層合并在顯示器的結(jié)構(gòu)內(nèi)，基本上在像素平面上。反射鏡可以具有粗糙表面，以散射入射光線。另選地，可以將散射器合并在顯示器的前表面上?？梢栽诜瓷溏R上設(shè)置多個(gè)孔，以使來(lái)自背光燈的光能夠穿過(guò)，以提供一種透反射式顯示器。另選地，可以提供前光燈，以使得能夠從位于顯示板前面的輔助光源進(jìn)行照明。這種顯示器可以提高輔助光源的使用效率，所以尤其適用于彩色反射式顯示器中，其中光損失的增加與濾色器有關(guān)。
“Volume Holographic Components for Display Applications”，T.J.Trout等，pp202-205，Society for Information Display(SID)Digest 2000中描述了一種用于提高以反射方式工作的透射式和背光透射式顯示器的亮度的設(shè)備。體積反射全息圖位于反射式顯示器的后面，該反射式顯示器沿單獨(dú)的方向把入射光導(dǎo)向鏡面反射方向。為提供彩色反射式顯示器，在LCD中設(shè)置了三個(gè)獨(dú)立的全息元件，這導(dǎo)致了復(fù)雜和昂貴的結(jié)構(gòu)。對(duì)投影系統(tǒng)也顯示了聚焦和色彩分離全息元件。該全息元件用于為紅色、綠色、藍(lán)色像素分別聚焦離軸的入射白色光源。平面反射元件把光向投影透鏡反射回去，而全息透鏡對(duì)反射光線基本沒(méi)有影響。這種顯示器具有較窄范圍的照明角度，因而不適用于直接觀察系統(tǒng)。
“Multidirectional Asymmetical Microlens-array light controlfilms for high performance reflective liquid crystal displays”，Yi-Pai Huang等，SID Digest 2002中描述了另一種用于提高以反射方式工作的透射式和背光透射式顯示器以及反射式顯示器的亮度的設(shè)備。提供結(jié)構(gòu)化透鏡陣列，用來(lái)把來(lái)自環(huán)境光源的光線聚焦和偏轉(zhuǎn)到LCD板中的平面反射鏡上。該透鏡在從反射鏡開(kāi)始的返回路徑上提供進(jìn)一步的偏轉(zhuǎn)，使得輸出光線從鏡面反射中分離出來(lái)。與本發(fā)明相比，這種設(shè)備具有以下缺點(diǎn)—由于透鏡元件的受到限制的光學(xué)輸出錐，使橫向和縱向方向的最佳觀察區(qū)非尋常窄；—不能表現(xiàn)出可切換的亮度模式；—該引文沒(méi)有說(shuō)明通過(guò)把水平和垂直聚焦能力合并到透鏡中，來(lái)使用散射器以增大反射錐，以擴(kuò)展觀察者的觀察區(qū)的尺寸；—為了在水平和垂直方向進(jìn)行聚焦時(shí)消除波紋效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)的特征尺寸小于10μm。這將由透鏡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生衍射，該衍射將顯著增大反射平面上的光點(diǎn)，并減小亮度；—為實(shí)現(xiàn)聚焦和偏轉(zhuǎn)功能，需要使用非對(duì)稱的微透鏡。為實(shí)現(xiàn)所需功能，由具有小平面的表面形成這種透鏡。由于在非透鏡表面的總的內(nèi)部反射、衍射和折射，具有小平面的表面會(huì)產(chǎn)生不希望有的圖像假像和光損失。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光學(xué)切換設(shè)備，其包括—固定(或無(wú)源)雙折射透鏡；以及—可重配置(可切換或可變)的偏振器，對(duì)其進(jìn)行布置以使—在第一模式中，對(duì)其進(jìn)行布置以透射平行于雙折射透鏡的雙折射光軸的光，以及—在第二模式中，對(duì)其進(jìn)行布置以透射與雙折射透鏡的雙折射光軸正交的光。
另選地，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種定向顯示設(shè)備，其包括—包括像素陣列的偏振輸出空間光調(diào)制器；—視差光學(xué)元件，其包括微透鏡陣列，其中該微透鏡陣列包括固定雙折射透鏡(其中該微透鏡陣列可以是柱面鏡屏幕)；以及—偏振修正設(shè)備，設(shè)置該偏振修正設(shè)備以對(duì)來(lái)自微透鏡陣列的輸出偏振進(jìn)行檢偏，以使—在第一模式中，已檢偏的輸出偏振狀態(tài)在具有屈光力的微透鏡表面上遇到第一折射率級(jí)階(refractive index step)；—在第二模式中，已檢偏的輸出偏振狀態(tài)在微透鏡的具有屈光力的表面上遇到不同于第一折射率級(jí)階的第二折射率級(jí)階。
通過(guò)本發(fā)明的第一方面，可將下述特征有選擇地應(yīng)用于特定的優(yōu)點(diǎn)—偏振輸出空間光調(diào)制器可包括以下中的任何一個(gè)—相位調(diào)制空間光調(diào)制器—強(qiáng)度調(diào)制空間光調(diào)制器和偏振器
—反射式顯示器—透反射式顯示器。
—視差光學(xué)元件與空間光調(diào)制器的各個(gè)像素對(duì)齊。
—固定雙折射透鏡由屈光力定義表面上對(duì)齊的雙折射材料構(gòu)成(屈光力定義表面可由非雙折射(各向同性)光學(xué)材料形成)。
—第一折射率級(jí)階基本上為0[用于已檢偏的輸出偏振的雙折射材料的折射率與屈光力定義表面材料的折射率基本匹配](布置在顯示器上的圖像可以是全分辨率的2D圖像)。
—第二折射率級(jí)階基本上為非0，以使所得到的透鏡基本上在顯示器的窗口平面上形成像素孔徑的圖像(布置在顯示器上的圖像可以是交錯(cuò)的立體圖像對(duì)；布置在顯示器上的圖像可以是交錯(cuò)的多用戶顯示器中每個(gè)觀察者的畫面的組合)。
—偏振修正設(shè)備(PMD)(或檢偏設(shè)備)是電可重配置的(該偏振修正設(shè)備可以是可90度切換的偏振旋轉(zhuǎn)器)。如果這樣，則該90度旋轉(zhuǎn)器可以具有引導(dǎo)功能，并可以是位于電極之間對(duì)齊的扭轉(zhuǎn)向列液晶材料。該90度旋轉(zhuǎn)器具有半波片功能。如果這樣，則該半波片可以是設(shè)置在電極之間的均勻雙折射液晶層，以使通過(guò)施加電壓可以調(diào)節(jié)波片的雙折射光軸。還可以引入另外的顏色補(bǔ)償波片設(shè)備)。
—該P(yáng)MD可以是分段的。如果這樣，則在3D工作模式中，可以對(duì)分段之間的間隙進(jìn)行布置以提供與電極下面的區(qū)域相同的相移。
—該P(yáng)MD可以在該兩種模式之間進(jìn)行手工重配置。
—可以對(duì)偏振修正設(shè)備進(jìn)行配置，以使得在一個(gè)方向上偏振的檢偏使得透鏡被檢偏(并具有屈光力)，在第二個(gè)方向上透鏡是折射率匹配的(基本沒(méi)有屈光力)。
—該P(yáng)MD可包括線偏振器。
—該P(yáng)MD可包括線偏振器和均勻的半波片。
—對(duì)于具有固定線性輸出偏振的顯示器，可以跟在顯示器的輸出偏振器后面設(shè)置雙折射微透鏡陣列，其中該雙折射微透鏡的雙折射光軸以45度的角度與顯示設(shè)備的輸出偏振對(duì)齊。
—在第一模式中，已檢偏的輸出偏振可以+45度或-45度的角度與顯示設(shè)備的輸出偏振度度對(duì)齊。
—在第二模式中，輸出偏振可以+45或-45度之外的角度與顯示設(shè)備的輸出偏振對(duì)齊。
—可以將雙折射顯微透鏡的輸出置于相位調(diào)制空間光調(diào)制器的相位調(diào)制層和檢偏偏振器(analysing polariser)之間。
—當(dāng)在全開(kāi)狀態(tài)下工作時(shí)，雙折射微透鏡的雙折射光軸可以0度或90度的角度與相位調(diào)制SLM的輸出偏振狀態(tài)對(duì)齊。
—當(dāng)處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，在第一工作模式中，可以對(duì)輸出偏振器進(jìn)行配置，以使其與顯示器的輸出偏振平行或正交。
—當(dāng)處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，在第二工作模式中，可以對(duì)輸出偏振器進(jìn)行配置，以使其與顯示器的輸出偏振正交或平行。
—在其中輸出偏振與顯示器的輸出偏振正交的工作模式中，當(dāng)處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，可以調(diào)節(jié)顯示器的電響應(yīng)，以給出適當(dāng)?shù)幕叶燃?jí)輸出。
—相位調(diào)制SLM可以是透射式液晶顯示器。
—若顯示器具有視角修正膜，則可以將雙折射微透鏡置于視角修正膜和檢偏偏振器之間。
—相位調(diào)制SLM可以是反射式液晶顯示器。
—若顯示器具有對(duì)比度和亮度修正膜，則可以將雙折射微透鏡置于修正膜和輸出偏振器之間。
—相位調(diào)制SLM可以是透反射式液晶顯示器。
—可以對(duì)透反射式顯示器的像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，以在反射和透射工作模式中具有基本相同的光學(xué)性能。
—可以使用灰度級(jí)修正設(shè)備，其中，根據(jù)常黑或常白工作模式而修正LCD的灰度級(jí)響應(yīng)。如果這樣，則—在常黑工作模式中為紅、綠、藍(lán)通道進(jìn)行單獨(dú)修正，及/或—可以通過(guò)輸出偏振器模式位置檢測(cè)器和適當(dāng)使用的灰度級(jí)修正來(lái)檢測(cè)工作模式。
—雙折射微透鏡中的雙折射材料光軸的對(duì)準(zhǔn)可以基本上平行于平面基板處的基板，并基本上平行于微結(jié)構(gòu)基板；如果這樣，則—平面和微結(jié)構(gòu)基板的相對(duì)對(duì)齊可以是平行的，或平面和微結(jié)構(gòu)基板的相對(duì)對(duì)齊可以是逆平行的；—可以在為穿過(guò)平面基板到微結(jié)構(gòu)基板的光的偏振平面提供旋轉(zhuǎn)偏振時(shí)，對(duì)平面和微結(jié)構(gòu)基板的相對(duì)對(duì)齊進(jìn)行設(shè)置；對(duì)該相對(duì)對(duì)齊進(jìn)行設(shè)置，以使微結(jié)構(gòu)表面上的對(duì)齊方向平行于柱面微透鏡的幾何微透鏡軸。該旋轉(zhuǎn)可以是45度，或雙折射微透鏡中的雙折射材料的光軸的對(duì)齊基本垂直于平面基板的基板，并基本平行于微結(jié)構(gòu)基板。
—雙折射透鏡的對(duì)齊機(jī)制至少可以通過(guò)以下幾種方式中的一種實(shí)現(xiàn)—配向?qū)?，其中—可以在各個(gè)基板的表面上添加一層，如果這樣，則—可以另外摩擦該層，或—可以另外對(duì)該層進(jìn)行光對(duì)齊，或—該層可以是斜向蒸鍍的材料；或—可以作為復(fù)制的微結(jié)構(gòu)的一部分而形成一層，如果這樣，則—該層可以是高頻衍射光柵，及/或—可以在單個(gè)復(fù)制步驟中復(fù)制微透鏡和對(duì)齊結(jié)構(gòu)；或—電場(chǎng)，或—磁場(chǎng)—可以由微透鏡陣列形成微結(jié)構(gòu)表面—其可以是柱面形的；—若屈光力形成表面的折射率與雙折射材料的尋常和非尋常折射率中的較低值相匹配，則其可以是負(fù)透鏡陣列；—若屈光力形成表面的折射率與雙折射材料的尋常和非尋常折射率中的較高值相匹配，則其可以是正透鏡陣列；—其可以具有在光學(xué)表面上形成的另外的微結(jié)構(gòu)配向?qū)印?br> —雙凸透鏡的最佳焦點(diǎn)可以基本上位于不同于像素平面的平面上，以使圖像像素平面上觀察者的眼睛的瞳孔的光學(xué)圖像的大小大于液晶層的間距的大小。
—可以另外實(shí)現(xiàn)觀察者跟蹤系統(tǒng)，其中為了跟蹤移動(dòng)的觀察者相對(duì)于顯示器的測(cè)量位置，而相對(duì)于顯示器的圖像像素橫向移動(dòng)微透鏡。
—可以另外實(shí)現(xiàn)最佳位置指示器，并且可以包括—背光單元，其中—該背光可以包括光源和散射器裝置；—該背光可以包括散射鏡，和/或該背光可以包括顯示器的部分背光系統(tǒng)；—窗口產(chǎn)生掩膜；—視差光學(xué)元件包括設(shè)置用來(lái)在顯示區(qū)域的窗口平面形成窗口產(chǎn)生掩膜的圖像的微透鏡陣列，其中—該微透鏡陣列可包括與相關(guān)3D顯示器中所使用的基本相同的雙折射材料，并且—微透鏡陣列可包括折射率和色散與雙折射材料的折射率的非尋常部分基本相同的非雙折射材料；以及—設(shè)置用來(lái)遮擋從另一個(gè)微透鏡透射的光的掩膜—一種可切換的透反射式或反射式顯示器，其包括—背光(用于透反射式顯示器)，—反射式或透反射式顯示器，其包括像素陣列，—在其它方面中所述的布置成行的無(wú)源雙折射微透鏡陣列，其中—行間距與顯示器的像素的垂直間距基本相同，以及—在第一模式中，對(duì)透鏡進(jìn)行布置，以大致將顯示器的像素平面映射到標(biāo)稱觀察者平面上；以及—偏振修正元件；設(shè)置用于在以下模式之間切換顯示器的輸出—在限定的觀察位置上具有提高的亮度的第一模式，以及—具有標(biāo)準(zhǔn)亮度特征的第二模式。
—可以對(duì)一種自動(dòng)立體顯示器進(jìn)行配置，以使為觀察平面處的窗口的大小與觀察者的標(biāo)稱雙眼間距基本相同。
—可以對(duì)一種多觀察者顯示器進(jìn)行配置，以使觀察平面處的窗口的大小大于觀察者的標(biāo)稱雙眼間距。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了—一種光纖切換系統(tǒng)，其包括—雙折射透鏡—偏振修正設(shè)備，設(shè)置該偏振修正設(shè)備用于—在第一模式中，在屈光力表面上以一個(gè)折射率級(jí)階對(duì)入射的偏振狀態(tài)進(jìn)行檢偏，以使光基本上成像到輸出光纖的光學(xué)接收錐內(nèi)，以及—在第二模式中，在屈光力表面上以不同的折射率級(jí)階對(duì)入射的偏振狀態(tài)進(jìn)行檢偏，以使光基本上在輸出光纖的光學(xué)接收錐之外成像。
因此，在不同的方面，本發(fā)明特別提供了一種光學(xué)切換機(jī)構(gòu)，其包括至少一個(gè)無(wú)源雙折射透鏡元件和至少一個(gè)可在定向和非定向模式之間進(jìn)行切換的獨(dú)立偏振修正元件，用于提供自動(dòng)立體顯示裝置，其能夠方便地提供在一種工作模式中通過(guò)肉眼可觀察到的運(yùn)動(dòng)全色3D立體圖像和在第二種工作模式中的全分辨率的2D圖像。
可切換的高亮度透反射式和反射式顯示系統(tǒng)，其在第一模式中可以表現(xiàn)出基本上非定向的亮度性能，并在第二模式中可以表現(xiàn)出基本上定向的亮度性能。
多觀察者的顯示裝置，其能夠方便地在一種工作模式下向一個(gè)觀察者提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)全色2D圖像，并向至少第二位觀察者提供至少第二個(gè)不同的2D圖像，并且在第二種工作模式中向所有觀察者提供全分辨率的2D圖像。
一種光纖切換系統(tǒng)，其能夠把來(lái)自輸入光纖的光輸入切換到輸出光纖。
本發(fā)明的第一方面的不同特征在于單獨(dú)地或者以任何組合的方式提供下述優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明使得能夠產(chǎn)生具有低圖像串?dāng)_和高亮度的自動(dòng)立體3D圖像和高質(zhì)量的全分辨率2D圖像。
本發(fā)明也使得能夠產(chǎn)生定向的多觀察者顯示器，該顯示器可以在2D模式和其中不同觀察者可以在寬方向范圍內(nèi)看到圖像(這些圖像可能不同)的模式之間進(jìn)行切換。
通過(guò)將固定雙折射微透鏡陣列設(shè)置為視差元件，可以通過(guò)控制設(shè)備的輸出偏振來(lái)調(diào)節(jié)透鏡的功能。
可以避免與液晶層和雙折射微透鏡的曲面之間的界面相關(guān)的假像，(包含但不限于向錯(cuò))，其可以隨著穿過(guò)液晶材料施加的電壓而形成或變化。因此，顯示器的圖像質(zhì)量在2D和3D配置中都進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)不使用電尋址層(或電極)或?qū)ぶ冯娐范闺p折射微透鏡的復(fù)雜性最小化。
不需要在微透鏡的彎曲聚合物結(jié)構(gòu)上淀積透明導(dǎo)電電極，與玻璃相比，其在淀積過(guò)程中對(duì)溫度的耐受度更小。另外，消除了來(lái)自電極層的反射損失(例如菲涅耳反射)和吸收損失。
不需要處理由微結(jié)構(gòu)的物理形式所導(dǎo)致的穿過(guò)液晶的不同電場(chǎng)。
僅需要在制造過(guò)程中保持無(wú)源元件中的對(duì)齊條件，相反，現(xiàn)有技術(shù)的電可切換雙折射微透鏡必須在整個(gè)顯示器的壽命期間和工作條件的范圍內(nèi)保持對(duì)齊的完整性。
本發(fā)明使得能夠在雙折射微透鏡中使用硬化的液晶聚合物型材料。這使得雙折射材料的雙折射性能在制造時(shí)基本固定。液晶雙折射隨現(xiàn)有技術(shù)的可切換微透鏡設(shè)備所需的向列相液晶材料的溫度的變化表明電切換透鏡的光學(xué)性能將隨溫度變化。這表明所產(chǎn)生的窗口的光學(xué)質(zhì)量也將隨溫度改變。因此，當(dāng)電可切換微透鏡設(shè)備中現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備的工作溫度變化時(shí)，其中要求折射率匹配條件的模式(2D模式)的性能以及其中要求高性能窗口的模式(3D模式)的性能將發(fā)生變化。這將導(dǎo)致當(dāng)溫度變化時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)的顯示器在遠(yuǎn)離其最優(yōu)工作狀態(tài)的情況下工作。
在本發(fā)明的各方面中，可以使用的固態(tài)聚合物材料將在比電可切換透鏡所需的向列相(未硬化)材料更寬的工作溫度范圍內(nèi)保持最優(yōu)工作狀態(tài)。這在對(duì)環(huán)境有要求的應(yīng)用中尤其重要，例如汽車應(yīng)用。
通過(guò)把微透鏡設(shè)置在玻璃基板的內(nèi)部，可以使來(lái)自透鏡表面的反射最小，并且可以對(duì)輸出表面(其可以是平面)進(jìn)行寬帶防反射鍍膜。
在其中將雙折射微透鏡置于顯示器的輸出偏振器之后的配置中，—顯示器的2D和3D模式的亮度將基本相同。
—顯示器的對(duì)比度觀察角度性能將基本相同。
在其中將雙折射微透鏡置于SLM的相位調(diào)制層和顯示器的輸出偏振器之間的配置中—亮度與基礎(chǔ)顯示器相同。
—2D和3D模式下的亮度相同。
—可以使3D顯示的功率消耗與該模式中的2D顯示的功率消耗相同。
—通過(guò)把透鏡合并到設(shè)備的背板內(nèi)可以縮短觀察距離?？梢允褂靡阎牟牧虾椭圃旃に噥?lái)制造帶有內(nèi)部微透鏡的設(shè)備。
切換旋轉(zhuǎn)功能的偏振修正設(shè)備(如半波片)可以手工重配置，這使系統(tǒng)的附加成本和復(fù)雜性最小。
單個(gè)SLM和雙折射微透鏡的組合可以用于具有機(jī)械切換或電切換性能的產(chǎn)品，從而減少庫(kù)存。最終的產(chǎn)品配置由隨后安裝的偏振修正設(shè)備部件的選擇來(lái)確定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，電切換結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)已經(jīng)商業(yè)化的技術(shù)制造有源元件。薄的平面基板意味著可以使用低電壓。也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的液晶間隔技術(shù)。這不同于使用厚液晶層來(lái)，例如，滿足微透鏡形狀因素的情況。
可以由向列液晶或諸如鐵電液晶的雙穩(wěn)態(tài)設(shè)備來(lái)配置本發(fā)明的電可切換波片，因而除了在多個(gè)模式之間切換之外不需要另外的功率消耗。
切換元件可以是分段的，以允許顯示器上同時(shí)具有相同亮度的2D和3D區(qū)。
本技術(shù)可以應(yīng)用于寬范圍的空間光調(diào)制器，其包括透射式、反射式和透反射式液晶顯示器和發(fā)射式顯示器。
與和顯示器相關(guān)的視差光學(xué)元件的高精度對(duì)齊相比，這種顯示器需要偏振器與輸出的相對(duì)低的對(duì)齊精度。因此，在顯示器的制造過(guò)程中將高對(duì)齊精度固定，而低的對(duì)齊精度可以通過(guò)手工進(jìn)行，因?yàn)樗鼉H需要一個(gè)對(duì)齊自由度。因此，用戶重配置顯示器的物理機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和成本低于其中為了在2D和3D工作模式之間切換而在顯示器表面安裝和拆卸視差光學(xué)元件的情況。
在基板裝置內(nèi)使用柱面鏡意味著與空氣中的元件相比，來(lái)自透鏡表面的菲涅耳反射大大減少。這意味著該元件具有低水平的散射，并且可以很方便地將防反射涂層可以容易地應(yīng)用于設(shè)備的平面外表面。另外，不存在來(lái)自高折射率的氧化銦錫(ITO)層的額外反射(正如電可切換透鏡的情況)，所以顯示器中元件本身的可視性將降低。
可以對(duì)最佳位置指示器進(jìn)行配置，以具有與顯示器基本相同的光學(xué)性能，但不需要使用任何顯示區(qū)域。因此，這種顯示器尤其適于顯示區(qū)域有限的手持式顯示器。
可以通過(guò)添加觀察者跟蹤功能來(lái)提高顯示器的觀察自由度，該功能可以通過(guò)與移動(dòng)的觀察者的測(cè)量位置同步地移動(dòng)雙折射微透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)；或通過(guò)對(duì)應(yīng)于觀察者的測(cè)量位置而調(diào)節(jié)所顯示的圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)。
高亮度透反射式或反射式顯示器的優(yōu)點(diǎn)在于具有帶有由顯示器的反射器材料所限定的基本非定向性能的第一模式，并且在第二模式中具有定向亮度性能，使得顯示亮度高于所限定的角度范圍。這種顯示器在全色方式下工作，并可以用于增加反射和透射工作模式的亮度?？梢酝ㄟ^(guò)電可切換的偏振旋轉(zhuǎn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)模式之間的切換。
可以對(duì)多觀察者顯示器進(jìn)行配置，以使在一種工作模式中所有觀察者可以看到相同的圖像，并在第二工作模式中不同的觀察者可以看到不同的圖像，以允許多人同時(shí)使用該顯示器。
這可以通過(guò)使每個(gè)觀察者可以從相同顯示器單元看到其優(yōu)選的圖像來(lái)減少一環(huán)境中所需的顯示器和顯示器驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量。
這種顯示器尤其適用于諸如汽車顯示器、銀行自動(dòng)提款機(jī)和座椅靠背航空娛樂(lè)顯示器的系統(tǒng)。
使用本發(fā)明的光纖切換系統(tǒng)使的可以使用有限數(shù)量的部件產(chǎn)生切換技術(shù)，從而降低成本和復(fù)雜性。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種直接觀察反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其包括透鏡陣列，其能夠在圖像平面中形成外部光源的圖像陣列；反射器裝置，其大致設(shè)置在所述圖像平面內(nèi)，以反射所述圖像陣列，對(duì)反射器裝置和透鏡陣列進(jìn)行設(shè)置，以由所述反射器裝置通過(guò)透鏡陣列反射所述圖像陣列，以把每個(gè)圖像的光導(dǎo)向基本相同的定向分布；以及圖像顯示設(shè)備，其具有一像素陣列，該象素陣列設(shè)置用來(lái)對(duì)反射圖像的光進(jìn)行調(diào)制，其中，該反射器裝置是光偏轉(zhuǎn)反射器，以通過(guò)一透鏡孔徑反射圖像的每個(gè)相應(yīng)有限部分，該透鏡孔徑不同于該形成相應(yīng)有限部分的透鏡孔徑通過(guò)沿圖像平面延伸的平面反射器而成像到的透鏡孔徑。
另選地，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種直接觀察反射式顯示器光學(xué)設(shè)備，其包含—顯示設(shè)備；—透鏡陣列，以及；—光偏轉(zhuǎn)反射器；其中，—在至少一種模式中設(shè)置透鏡陣列，以基本上在光偏轉(zhuǎn)反射器的平面處形成外部光源的第一圖像陣列；—設(shè)置光偏轉(zhuǎn)反射器，以將來(lái)自第一透鏡孔徑的光導(dǎo)向第二透鏡孔徑。
本發(fā)明的第二方面(可選地，本發(fā)明的第一方面)涉及直接觀察顯示設(shè)備，該直接觀察顯示設(shè)備是其中圖像可由基本上位于空間光調(diào)制器處的觀察者看到的顯示器。這與投影顯示設(shè)備形成了對(duì)比，在投影顯示設(shè)備中，來(lái)自空間光調(diào)制器的圖像由單獨(dú)的投影透鏡放大。放大的圖像可由觀察者在單獨(dú)的投影屏幕或放大虛擬圖像的平面處看到。
通過(guò)本發(fā)明的第二方面，可以將下述特征應(yīng)用于特定優(yōu)點(diǎn)
第二透鏡孔徑的位置最好位于透鏡陣列的平面中，并與第三透鏡孔徑空間分離。
—其中，第三透鏡孔徑位于透鏡陣列平面中，并位于由基本上位于偏轉(zhuǎn)反射器的平面表面對(duì)第一透鏡孔徑進(jìn)行成像的位置上。
另外，該設(shè)備可以在下述模式之間切換—第一模式，其在所限定的觀察位置中具有增加的亮度；—第二模式，其具有不同于第一模式的亮度特性。
—其中，該亮度特性與基礎(chǔ)顯示器基本相同。
可以通過(guò)控制切換透鏡的焦距而實(shí)現(xiàn)在第一和第二模式之間的切換，其中—在第一模式中，透鏡具有第一焦距，該第一焦距設(shè)置用來(lái)基本上在反射器的平面產(chǎn)生外部光源的第一圖像；—在第二模式中，透鏡具有第二焦距，該第二透鏡設(shè)置用來(lái)基本上在無(wú)窮遠(yuǎn)處對(duì)外部光源進(jìn)行成像；其中，通過(guò)下述方式實(shí)現(xiàn)切換機(jī)構(gòu)—有源(切換)雙折射透鏡；—無(wú)源(固定的)雙折射透鏡和檢偏設(shè)備。
顯示設(shè)備可以是—在反射模式中工作的透射式顯示器；—反射式顯示器；—透反射式顯示器；其中，顯示設(shè)備的圖像元件以多行和多列的形式布置。
偏轉(zhuǎn)反射器可以是—平面反射器和散射器；—其中，散射器基本上位于與反射器相同的平面上；—其中，反射器和散射器可組合為單個(gè)元件；—反射器和散射器可以包括反射式顯示器的反射器和散射器；—設(shè)置全息圖(hologram)以組合反射和散射的功能。
散射器可以對(duì)光進(jìn)行散射
—在水平方向上，并且透鏡陣列提供垂直方向的聚焦；—在水平和垂直方向上；—基本上不需要修正反射光的偏振。
反射器可以是由孔陣列分隔的反射器陣列—其中，反射器陣列的間距與透鏡陣列的間距基本相同；—其中，第一方向上的像素元件的間距基本上是第一方向上的反射器陣列的間距的整數(shù)倍；—其中，第一方向是垂直方向；—其中，反射器是傾斜表面陣列。
反射器可以包括偏振敏感反射膜—其中，偏振敏感膜的偏振軸與雙折射微透鏡的雙折射材料的軸對(duì)準(zhǔn)。
透鏡陣列可以—包括柱面透鏡；—與顯示器的行平行對(duì)齊；—包括在兩個(gè)軸具有非零曲率的透鏡。
透鏡陣列、散射器和反射器可以組合為單個(gè)對(duì)準(zhǔn)的元件，并位于顯示器的后面。
透鏡陣列可以位于顯示器的前面，且散射器和反射器可以位于顯示器的后面。
因此，在不同的方面，本發(fā)明提供了高亮度的透反射式和反射式顯示系統(tǒng)。另外，在第一模式中，它可以表現(xiàn)出基本定向的亮度性能，在第二模式中，可以表現(xiàn)出基本非定向的亮度性能。
本發(fā)明第二方面的不同特征可以單獨(dú)或組合提供下述優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明使得可以在在用于環(huán)境照明環(huán)境中的反射模式下工作的顯示器上產(chǎn)生高亮度圖像。這種模式對(duì)于適當(dāng)定位的觀察者和光源，可以實(shí)質(zhì)性地提高反射式或透反射式顯示系統(tǒng)的亮度。
本發(fā)明使得可以從環(huán)境光源中把高亮度觀察區(qū)從鏡面反射區(qū)中分離出來(lái)，從而提高了所觀察圖像的對(duì)比度。
本發(fā)明也使得可切換顯示器成為可能，該可切換顯示器可以關(guān)閉高量度模式，例如，在適當(dāng)?shù)恼彰鳝h(huán)境中使用和使用背光的條件下。
本發(fā)明在全色方式下工作，并通過(guò)單個(gè)部件就能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，而不受限于有限的色帶。本發(fā)明不需要光學(xué)元件與顯示器的濾色器對(duì)準(zhǔn)，從而降低了成本和復(fù)雜性。
與使用諸如體積反射全息圖的衍射式光學(xué)部件相比，折射式和反射式光學(xué)部件使得顯示器對(duì)于寬范圍的可見(jiàn)波長(zhǎng)具有高的輸出均勻性。
為降低系統(tǒng)的成本，可以將透鏡制成非切換的。
在包括后反射透鏡和反射器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，在很多配置中不需要將透鏡間距設(shè)置為與像素間距相同。這使得可以將相同的元件用于不同像素間距的基礎(chǔ)顯示板。透鏡和反射器元件可以集成到單個(gè)對(duì)準(zhǔn)的部件中，以簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)顯示系統(tǒng)的安裝。透鏡的間距可以小于像素間距，以減小波紋效應(yīng)并減小設(shè)備厚度。
在包括后反射偏振膜的實(shí)施例中，不需要對(duì)反射元件進(jìn)行構(gòu)圖，因此能夠方便地相對(duì)于透鏡對(duì)齊，而不需要與顯示板像素高精度對(duì)齊。
本發(fā)明可以使用有源雙折射透鏡或無(wú)源(非切換)透鏡，以減少系統(tǒng)中光學(xué)部件的數(shù)量。
無(wú)源雙折射透鏡具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)在其他地方描述。
在反射器基本位于顯示器像素平面中的實(shí)施例中，透鏡聚焦功能將增加對(duì)顯示板的照明的的錐角。因此，在保持所需的散射特性的同時(shí)，與沒(méi)有修正的顯示器相比，可以減少不平的反射器的表面形貌的均方根值。這具有可以減少液晶層的厚度變化和提高液晶對(duì)齊的均勻性，并因此改善液晶模式的對(duì)比度性能的優(yōu)點(diǎn)。
其中，使用外部元件以能夠?qū)崿F(xiàn)亮度增強(qiáng)元件，它們可以很好地適用于預(yù)先制造的顯示器。該外部設(shè)備不在像素內(nèi)部使用不平的反射器，因此，不會(huì)將液晶模式的選擇限制為一種對(duì)設(shè)備厚度變化不敏感的模式。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的光切換設(shè)備可以用作根據(jù)第二方面的設(shè)備中的透鏡陣列。在這種組合中，可以將第一和第二方面的任何特征組合在一起。


現(xiàn)將只通過(guò)示例的方式，參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1a顯示了在3D顯示器中對(duì)屏幕平面后面的物體產(chǎn)生視覺(jué)景深；圖1b顯示了在3D顯示器中對(duì)屏幕平面前面的物體產(chǎn)生視覺(jué)景深；圖1c顯示了圖像立體對(duì)的每個(gè)圖像中的相應(yīng)同源點(diǎn)的位置；圖2a示意性地顯示了自動(dòng)立體3D顯示器前面的右眼觀察窗口的形成；圖2b示意性地顯示了自動(dòng)立體3D顯示器前面的左眼觀察窗口的形成；圖3顯示了由3D顯示器的輸出錐產(chǎn)生觀察區(qū)的平面圖；圖4a顯示了自動(dòng)立體顯示器的理想窗口的分布圖；圖4b示意性地顯示了自動(dòng)立體3D顯示器的觀察窗口的輸出分布圖；圖5顯示了視差格柵顯示器的結(jié)構(gòu)；圖6顯示了柱鏡狀屏幕顯示器的結(jié)構(gòu)；圖7顯示了使用雙折射微透鏡作為輸入照明的投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖8顯示了使用雙折射微透鏡作為輸出照明的投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖9a顯示了光方向切換設(shè)備；圖9b顯示了無(wú)源雙折射微透鏡顯示器的結(jié)構(gòu)；圖10a顯示了圖9b的顯示器的3D模式的偏振器構(gòu)造；圖10b顯示了圖9b的顯示器的2D模式的偏振器構(gòu)造；圖11a顯示了一種檢偏偏振器構(gòu)造的平面圖；圖11b示意性地顯示了圖11a的檢偏偏振器構(gòu)造的前部；圖12a顯示了使用圖11的偏振器構(gòu)造的3D模式的偏振器構(gòu)造；圖12b顯示了使用圖11的偏振器構(gòu)造的2D模式的偏振器構(gòu)造；圖13顯示了2D模式中的檢偏偏振器構(gòu)造；圖14顯示了3D模式中的檢偏偏振器構(gòu)造；圖15a顯示了電可切換波片的檢偏偏振器構(gòu)造；圖15b示意性地顯示了在3D模式中工作的圖15a的構(gòu)造的前部；
圖15c示意性顯示了在2D模式中工作的圖15a的構(gòu)造的前部；圖16顯示了分段的可切換波片；圖17顯示了可切換波片中電極之間的間隙的影響；圖18a顯示了用于基本平行對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)基板上的雙折射材料的雙折射微透鏡構(gòu)造結(jié)構(gòu)的平面圖；圖18b顯示了用于基本上平行對(duì)準(zhǔn)微結(jié)構(gòu)基板的雙折射材料并基本上垂直對(duì)準(zhǔn)平面基板的雙折射微透鏡構(gòu)造結(jié)構(gòu)的平面圖；圖18c顯示了在制造過(guò)程中由外部電場(chǎng)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的雙折射微透鏡構(gòu)造結(jié)構(gòu)的平面圖；圖18d顯示了在制造過(guò)程中通過(guò)把一個(gè)表面上的配向?qū)优c外部電場(chǎng)組合在一起而進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的雙折射微透鏡構(gòu)造結(jié)構(gòu)的平面圖；圖19a顯示了圖18a的構(gòu)造的對(duì)準(zhǔn)方向；圖19b顯示了圖18b的構(gòu)造的對(duì)準(zhǔn)方向；圖19c顯示了扭曲雙折射材料的雙折射微透鏡構(gòu)造結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)方向；圖19d顯示了雙折射微透鏡構(gòu)造結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)方向，用于不與幾何微透鏡軸平行的微結(jié)構(gòu)表面的對(duì)準(zhǔn)方向；圖20a顯示了其中將配向?qū)又糜陲@示器的輸出偏振器上的構(gòu)造；圖20b顯示了與圖20a相似的構(gòu)造，其中，各向同性的透鏡的微結(jié)構(gòu)的方向已被反向；圖21顯示了其中將復(fù)制的微結(jié)構(gòu)置于顯示器上且安裝了平面基板的構(gòu)造；圖22顯示了與圖21相似的構(gòu)造，其中，各向同性的透鏡的微結(jié)構(gòu)的方向已被反向；圖23顯示了2D模式的內(nèi)部微透鏡系統(tǒng)的構(gòu)造；圖24顯示了3D模式的內(nèi)部微透鏡系統(tǒng)的構(gòu)造；圖25示意性地顯示了圖23的內(nèi)部微透鏡的前部；圖26示意性地顯示了圖24的內(nèi)部微透鏡的前部；圖27a顯示了圖25和26的顯示器中的對(duì)準(zhǔn)方向；圖27b顯示了圖25和26的顯示器中的另選對(duì)準(zhǔn)方向；
圖28a示意性地顯示了為45度輸出偏振顯示而修正的內(nèi)部微透鏡構(gòu)造的前部；圖28b示意性地顯示了使用扭曲雙折射微透鏡的內(nèi)部微透鏡構(gòu)造的前部；圖29顯示了使用可切換波片以使得可以在2D和3D模式之間進(jìn)行電切換的內(nèi)部微透鏡構(gòu)造；圖30a顯示了使用一對(duì)可切換波片的2D和3D模式的常白(NW)操作；圖30b顯示了使用可切換波片和機(jī)械可重配置波片的常白(NW)操作；圖31a示意性地顯示了圖30a的常白2D模式的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖31b示意性地顯示了圖30a的常白3D模式的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖32a示意性地顯示了常白3D模式的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖32b示意性地顯示了圖32a的2D模式的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖32c示意性地顯示了圖32a的3D模式的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖33a顯示了反射式顯示器的構(gòu)造；圖33b示意性地顯示了2D模式中反射式顯示器的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖33c示意性地顯示了3D模式中反射式顯示器的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖33d顯示了反射式顯示器的3D模式中環(huán)境照明對(duì)圖像亮度的影響；圖33e顯示了一種電可切換反射式顯示器的構(gòu)造；圖33f示意性地顯示了在2D模式中圖33e的顯示器的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖33g示意性地顯示了在3D模式中圖33e的顯示器的偏振結(jié)構(gòu)的前部；圖34a示意性地顯示了常白模式的灰度級(jí)響應(yīng)；圖34b示意性地顯示了常黑模式的灰度級(jí)響應(yīng)；圖35顯示了根據(jù)偏振切換機(jī)構(gòu)的構(gòu)造而調(diào)節(jié)圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備；圖36顯示了最佳位置指示器中的窗口的產(chǎn)生；圖37顯示了使用來(lái)自LCD背光的光照明最佳位置指示器光學(xué)設(shè)備；圖38顯示了使用內(nèi)部非雙折射微透鏡的最佳位置指示器；圖39顯示了使用內(nèi)部雙折射微透鏡的最佳位置指示器；
圖40顯示了包括雙折射微透鏡型顯示器的多觀察者顯示設(shè)備；圖41示意性地顯示了圖40a的顯示器的窗口結(jié)構(gòu)；圖42顯示了使用上述類型的雙折射微透鏡顯示器的交通信號(hào)燈顯示系統(tǒng)；圖43顯示了可切換的高亮度透反射式顯示器；圖44顯示了可切換的高亮度透反射式顯示器的像素結(jié)構(gòu)；圖45顯示了可切換的高亮度透反射式顯示器的另選像素結(jié)構(gòu)；圖46顯示了可切換的高亮度透反射式顯示器的操作方法；圖47顯示了在第一工作模式中用于將來(lái)自光纖輸入孔徑的光充分分布的光纖切換系統(tǒng)；以及圖48顯示了圖47的光纖切換系統(tǒng)的第二工作模式，其中，將光導(dǎo)向輸出光纖的孔徑；圖49顯示了使用外部光學(xué)部件的增強(qiáng)亮度反射式顯示器的構(gòu)造；圖50顯示了使用位于顯示器后面的部件的增強(qiáng)亮度反射式顯示器的構(gòu)造；圖51a顯示了把第一光學(xué)孔徑成像到第二光學(xué)孔徑的偏轉(zhuǎn)反射器的操作；圖51b顯示了把第一光學(xué)孔徑成像到第三光學(xué)孔徑的基本位于偏轉(zhuǎn)反射器的平面上的平面表面的操作；圖51c顯示了另一種偏轉(zhuǎn)反射器；圖51d顯示了其中偏轉(zhuǎn)反射器包括傾斜的散射反射式表面以把入射光束導(dǎo)向輸出透鏡陣列的所需的聚光學(xué)孔徑的設(shè)備；圖52顯示了增強(qiáng)亮度反射式顯示器的第一工作模式，其中，雙折射透鏡與偏振修正元件一起使用；圖53顯示了圖52的顯示器的第二工作模式；以及圖54顯示了增強(qiáng)亮度反射式顯示器的另一種背光構(gòu)造。
具體實(shí)施例方式
各種實(shí)施例中的一些實(shí)施例使用了多個(gè)公共元件，為了簡(jiǎn)潔，對(duì)這些公共元件賦予公共標(biāo)號(hào)，并且不重復(fù)其描述。另外，在已作必要的修正后，對(duì)各實(shí)施例的元件的描述同樣可以應(yīng)用于其它實(shí)施例的相同元件以及具有相應(yīng)效果的元件。同樣，為清楚起見(jiàn)，顯示實(shí)施例(為顯示器)的附圖僅示出了顯示器的一部分。事實(shí)上，該構(gòu)造在顯示器的整個(gè)區(qū)域上是重復(fù)的。
圖9a顯示了本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的光方向切換設(shè)備(或光定向分布切換設(shè)備)。該光方向切換設(shè)備包括無(wú)源雙折射微透鏡和可切換或可變偏振修正設(shè)備146(其也可稱為偏振器)，如圖9a所示。在該實(shí)施例中，通過(guò)其上淀積有各向同性材料134(其上形成有微結(jié)構(gòu)表面136)的透鏡基板132提供雙折射微透鏡。具有限定非尋常折射率的方向的限定雙折射光軸方向140的雙折射材料138，或雙折射材料的定向器位于微結(jié)構(gòu)表面136上。具有平面表面144的微透鏡背板142平行于透鏡基板132設(shè)置，以形成雙折射材料138的夾層。可切換偏振修正設(shè)備146位于無(wú)源雙折射微透鏡設(shè)備的一側(cè)。
圖9a的實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)施例。該設(shè)備可用于任何需要在兩個(gè)定向分布之間進(jìn)行光切換的應(yīng)用。一種特別希望的應(yīng)用是與顯示設(shè)備(例如液晶顯示設(shè)備)一起或作為顯示設(shè)備的一部分使用該設(shè)備。因此，下面描述的許多實(shí)施例是與這種顯示設(shè)備一起使用的光方向切換設(shè)備或形成這種顯示設(shè)備的一部分。然而，應(yīng)該理解，在以下顯示設(shè)備實(shí)施例的上下文中所描述的光方向切換設(shè)備的許多優(yōu)選特征也可以單獨(dú)或組合地應(yīng)用于在液晶顯示設(shè)備以外的顯示設(shè)備中使用的本發(fā)明的光方向切換設(shè)備(例如圖9a中所示的)，當(dāng)然也可以用于除了顯示設(shè)備或顯示器應(yīng)用之外的設(shè)備和應(yīng)用，或者與除了顯示設(shè)備或顯示器應(yīng)用之外的設(shè)備和應(yīng)用一起使用。另外，這些優(yōu)選特征可以根據(jù)那些設(shè)備或應(yīng)用的結(jié)構(gòu)或工作模式而或者直接地、類地的或者等價(jià)地在這些其它設(shè)備或應(yīng)用中實(shí)施。
下面將與其在各種顯示器尤其是可切換的2D-3D顯示器和其它應(yīng)用中的使用相關(guān)聯(lián)地描述圖9a所示的設(shè)備的操作。一般而言，當(dāng)在其多數(shù)實(shí)際應(yīng)用(包括下面顯示器應(yīng)用的實(shí)施例)中實(shí)施圖9a的設(shè)備時(shí)，適于把該設(shè)備設(shè)置為使得輸入光在到達(dá)偏振修正設(shè)備146之前穿過(guò)雙折射微透鏡(在這種情況下，偏振修正設(shè)備146用作對(duì)已經(jīng)通過(guò)雙折射透鏡的光的偏振檢偏器)。通常這樣做的原因在于使得可以將雙折射透鏡放置在靠近顯示設(shè)備的光調(diào)制元件(例如像素)附近。然而，應(yīng)該理解，可以使用或設(shè)置圖9a中所示的設(shè)備，以使光可以通過(guò)該設(shè)備，即，以便穿過(guò)偏振修正設(shè)備之前的雙折射微透鏡，或者以便穿過(guò)雙折射微透鏡之前的偏振修正設(shè)備，這也是下面描述的其它實(shí)施例的情況。
在工作時(shí)，可以對(duì)圖9a的設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，以在由一個(gè)偏振部件的光照明時(shí)，透鏡工作，以形成物體的實(shí)像。例如，該物體可以是靠近透鏡放置的光源。例如，光源可以是顯示設(shè)備的像素。實(shí)像必須位于透鏡對(duì)物體的相反側(cè)。該實(shí)像可以位于窗口平面。雖然在本領(lǐng)域中眾所周知，由于透鏡的成像性能而導(dǎo)致的畸變會(huì)使窗口平面變形，但該窗口平面可以基本上是平面的。
對(duì)于第二偏振部件的光，透鏡可以具有不同的光學(xué)功能，所以在窗口平面上不會(huì)形成實(shí)像。對(duì)于第二偏振部件的光，可以將透鏡設(shè)置為基本上沒(méi)有屈光力，以使得對(duì)來(lái)自光源的光線基本沒(méi)有修正。在這種情況下，物體和圖像位于透鏡同側(cè)的基本相同的平面中。因此，在這種偏振模式下，透鏡不形成物體的實(shí)像。
這種構(gòu)造優(yōu)選地允許切換透鏡的光學(xué)性能，以使得可以在第一模式中形成觀察窗口，而在第二模式中不形成觀察窗口。
這種設(shè)備優(yōu)選地用于例如使用雙眼視差效應(yīng)的可從2D切換到3D的顯示器中，其中，空間光調(diào)制器包括設(shè)置在透鏡的物面上的像素陣列。在第一(自動(dòng)立體3D)偏振模式中，透鏡在基本上在窗口平面形成顯示器像素的實(shí)像，該窗口平面透鏡對(duì)于顯示器象素的相反側(cè)。基本上位于窗口平面的觀察者的每只眼睛將在透鏡光學(xué)孔徑看到由平面圖像構(gòu)成的立體圖像對(duì)。在第二(2D)偏振模式下，將透鏡設(shè)置為基本上沒(méi)有屈光力，因而物體的圖像基本上在物面上。因此，當(dāng)圖像位于透鏡同側(cè)時(shí)，該圖像不是實(shí)像。觀察者的雙眼在物面的顯示像素平面處可以看到相同的平面圖像。在這種偏振模式下，其優(yōu)點(diǎn)在于觀察者看到了空間光調(diào)制器的全像素分辨率。
這種設(shè)備也可以優(yōu)選地用于例如可切換的高亮度反射式顯示器中，其中，空間光調(diào)制器包括設(shè)置在透鏡的物面處的像素陣列。在第一偏振模式中，透鏡把物體成像到透鏡相反側(cè)的真實(shí)窗口平面。位于該窗口平面的觀察者借助適當(dāng)定位的外部光源能夠看到亮度增強(qiáng)的圖像。在第二模式中，圖像與物面實(shí)際上位于透鏡的同側(cè)，看不到亮度增強(qiáng)。
在工作時(shí)，可以調(diào)節(jié)該設(shè)備，以對(duì)可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以例如能夠在2D到3D切換設(shè)備或可切換的反射式顯示器亮度增強(qiáng)設(shè)備中切換平面圖像。觀察者在第一偏振模式中將看到基本上位于顯示設(shè)備的透鏡孔徑平面處的平面圖像，或在第二模式中看到位于顯示設(shè)備的像素平面處的平面圖像。這里的圖像不是指第一偏振模式中的窗口平面處的像素的實(shí)像?？梢越y(tǒng)一切換可切換偏振器，以使得相鄰?fù)哥R可以在相同的偏振模式中工作。這使得可以在同一工作模式中看見(jiàn)所顯示的圖像的區(qū)域。這有利于降低可切換偏振器的復(fù)雜性和成本。另外，不限制透鏡陣列和可切換偏振器的間距。在均勻區(qū)域上，透鏡陣列和可切換偏振器之間沒(méi)有視差。
圖9b顯示了其中將光方向切換設(shè)備用于或合并到可切換2D-3D顯示設(shè)備中的實(shí)施例。圖9a所示類型的定向分布切換設(shè)備安裝在LCD的前表面。背光燈60產(chǎn)生入射到LCD輸入偏振器64的光輸出62。光穿過(guò)TFT LCD基板66，并入射到LCD像素平面67中以多行和多列的形式布置的重復(fù)像素陣列上。紅色像素68、71、74，綠色像素69、72、75和藍(lán)色像素70、73中的每個(gè)像素包括單獨(dú)可控的液晶層，并由稱為黑色掩膜76的不透明掩膜區(qū)域分隔。每個(gè)像素包括透射區(qū)或像素孔徑78。穿過(guò)像素的光由LCD像素平面67中的液晶材料進(jìn)行相位調(diào)制，并由LCD濾色器基板80上的濾色器進(jìn)行顏色調(diào)制。然后，光穿過(guò)輸出偏振器82，并穿過(guò)微透鏡背板(載體)142、具有雙折射光軸方向140的雙折射微透鏡138、各向同性微結(jié)構(gòu)材料134和透鏡基板132。在該設(shè)備的輸出端添加了偏振修正設(shè)備146。在本實(shí)施例中，將雙折射微透鏡配置為柱面透鏡陣列。各個(gè)透鏡在整個(gè)顯示器中沿一個(gè)方向延伸，并且在垂直方向上這些透鏡在整個(gè)顯示器上重復(fù)。把背光燈60、LCD 64、66、67、80、82和雙折射微透鏡結(jié)構(gòu)142、138、134、132的組合結(jié)合在一起以形成顯示器148。
圖9a和后續(xù)附圖中顯示了LC的定向器的方向。這顯示了雙折射材料的雙折射的非尋常分量的方向。
將雙折射微透鏡夾在顯示器的輸出偏振器和檢偏偏振器之間。
本實(shí)施例的雙折射微透鏡包括—基板，其設(shè)置為使得其熱膨脹與顯示器基板的熱膨脹基本匹配—非雙折射材料層，該非雙折射材料的折射率與雙折射材料的尋常折射率基本相同—在非雙折射材料上形成的微結(jié)構(gòu)表面—具有統(tǒng)一雙折射光軸方向的雙折射材料，該統(tǒng)一雙折射光軸方向在微結(jié)構(gòu)表面的平面中基本對(duì)準(zhǔn)—微結(jié)構(gòu)，其具有在各向同性材料表面上形成的細(xì)長(zhǎng)凹表面陣列。
在本說(shuō)明書中，將雙折射材料的光軸方向(定向器方向或非尋常軸方向)看作為雙折射光軸。這不會(huì)與由通常的幾何光學(xué)的方式定義的透鏡光軸混淆。
背光照亮顯示器的后部。偏振器對(duì)來(lái)自背光的光進(jìn)行檢偏，該來(lái)自背光的光隨后入射到LCD的像素上。LCD是一種相位調(diào)制空間光調(diào)制器(SLM)，并且使用偏振器將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成對(duì)像素的輸出偏振進(jìn)行檢偏的強(qiáng)度調(diào)制。
入射光的相位可以根據(jù)穿過(guò)像素的電壓來(lái)調(diào)制，對(duì)于本特定實(shí)施例的薄膜晶體管扭轉(zhuǎn)向列(TFT-TN)型LCD，使用該設(shè)備的有源基板上的矩陣尋址晶體管陣列來(lái)進(jìn)行控制。然后，該輸出穿過(guò)設(shè)置在LCD的背板上的濾色器，或直接照射到有源基板上。使用黑色掩膜屏蔽尋址電子器件，并產(chǎn)生良好限定的像素孔徑。然后，通過(guò)LCD的輸出偏振器對(duì)該光進(jìn)行檢偏。然后，將輸出的光入射到雙折射微透鏡陣列和隨后的檢偏偏振器146上。
很顯然，在本實(shí)施例中，觀察者可以看到顯示器的各個(gè)像素基本上位于透鏡陣列的孔處，在空間中的二維平面中。該顯示器使用平面顯示設(shè)備的雙眼視差效應(yīng)，并優(yōu)選地使得可以顯示不透明圖像。這適用于其中透鏡具有下面描述的屈光力的所有實(shí)施例。
圖10a以展開(kāi)的形式顯示了在3D工作模式中光從LCD輸出偏振器向觀察者的傳播。LCD輸出偏振器82具有與垂直方向成45度的最大透射方向149；雙折射微透鏡138具有0度的雙折射材料光軸方向140；這里，偏振修正設(shè)備146包括用作檢偏偏振器的線偏振器，其具有0度的最大透射方向151。光沿著方向150導(dǎo)向觀察者。
圖10b以展開(kāi)的形式顯示了在2D工作模式中光從LCD輸出偏振器向觀察者的傳播。LCD輸出偏振器82具有與垂直方向成45度的最大透射方向149；雙折射微透鏡138具有0度的雙折射材料光軸方向140；偏振修正設(shè)備146(即用作檢偏偏振器的線偏振器)通過(guò)定位為90度的最大透射方向151來(lái)進(jìn)行切換。光沿著方向152導(dǎo)向觀察者。
圖10顯示了雙折射微透鏡在3D和2D模式下的操作方法。由微結(jié)構(gòu)和雙折射材料組合形成的該微透鏡在這種情況下是柱面鏡，即垂直軸對(duì)稱的柱面透鏡。這種設(shè)置僅能夠提供水平視差，一般由于觀察者雙眼的水平間距，這對(duì)于許多自動(dòng)立體應(yīng)用是足夠的。本發(fā)明也可用于二維透鏡陣列。
通常將來(lái)自透射式TFT TN-LCD的光的輸出偏振方向設(shè)置為或接近與垂直方向成45度的方向。入射到圖10a的微透鏡上的光可分解為垂直和水平線偏振。垂直偏振狀態(tài)要經(jīng)歷雙折射材料的非尋常軸和聚合物的折射率。由于這些系數(shù)不同，透鏡的曲率具有光學(xué)作用并表現(xiàn)出透鏡功能。然后，柱面鏡在觀察空間中產(chǎn)生窗口，如圖6所示。若將其透射軸垂直設(shè)置的線偏振器置于雙折射微透鏡陣列的后面，則在觀察空間中檢偏的光是導(dǎo)向觀察窗口的光，因而產(chǎn)生了3D圖像。在這種模式中，該定向分布是3D定向分布。
在水平軸中，來(lái)自LCD的分解后的輸出線偏振狀態(tài)經(jīng)歷雙折射材料的尋常折射率。由于這是與聚合物材料匹配的折射率，在界面上看不到折射率的變化，并且透鏡在該偏振狀態(tài)下不起作用。因此，若輸出偏振器處于如圖10b所示的透射軸為水平的狀態(tài)，則所提供的輸出光是基本上沒(méi)有由微透鏡陣列修正過(guò)的光的分量，因此不產(chǎn)生窗口，并且，顯示器表現(xiàn)為基本上沒(méi)有對(duì)基礎(chǔ)顯示板的定向分布進(jìn)行修正的全分辨率2D顯示器。
本發(fā)明不限于透射工作模式的設(shè)備。通常，顯示設(shè)備可以使用任何類型的空間光調(diào)制器來(lái)調(diào)制從各個(gè)像素輸出的光，其包括透射式、發(fā)射式或反射式，或者甚至它們的組合。顯示器可以配置為具有作為背光結(jié)構(gòu)的一部分的反射鏡，以使通過(guò)顯示器正面入射的光通過(guò)顯示器反射給觀察者。
本發(fā)明不限于TFT TN-LCD效應(yīng)。其它效應(yīng)包括但是不限于同平面切換(In-Plane Switching，IPS)、垂直對(duì)準(zhǔn)(Vertically Alighed，VA)、超視覺(jué)(Advanced Super View，ASV)和諸如使用電致發(fā)光、有機(jī)電致發(fā)光、等離子、等離子驅(qū)動(dòng)液晶和真空熒光的發(fā)射式顯示器。
偏振修正設(shè)備146(即，可切換偏振器)在上述的實(shí)施例中，可切換偏振器，即偏振修正設(shè)備146，僅包括線偏振器，如上所述，該可切換偏振器通過(guò)機(jī)械再定位和在兩個(gè)位置之間90度旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行切換。但是，在許多應(yīng)用中，顯示器是矩形的、基本矩形或縱橫比不是1∶1的一些其它形狀。在這種情況下，如果該偏振器也能夠在上述兩個(gè)可切換位置之間移動(dòng)，則不能將該偏振器制成與顯示器形狀相匹配。這個(gè)問(wèn)題將通過(guò)下面描述的另一個(gè)實(shí)施例而得以解決，在該下一個(gè)實(shí)施例提供多個(gè)設(shè)置，因此偏振修正設(shè)備需要以保持偏振修正設(shè)備的區(qū)域相對(duì)于顯示器的形狀而定位的方式而重新定位。在下面描述的再一個(gè)實(shí)施例中，偏振修正設(shè)備以電可切換的形式實(shí)現(xiàn)。
圖11顯示了可以用于偏振修正設(shè)備146的偏振器棧(polariserstack)的一種構(gòu)造。圖11a顯示了該設(shè)備的平面圖?；?56具有安裝在其一側(cè)的偏振器158和安裝在其另一側(cè)的半波片160。圖11b示意性地顯示了設(shè)備中的部件軸線的方向。偏振器158具有與垂直方向成0度的最大透射軸162，而半波片160具有與垂直方向成45度的有效雙折射光軸方向164。
偏振器棧包括透射軸位于垂直方向的線偏振器和安裝基板，它們例如可以是非雙折射塑料和90度偏振旋轉(zhuǎn)元件，該90度偏振旋轉(zhuǎn)元件例如可以是其雙折射光軸與垂直方向成45度的寬帶半波片。該波片用于把線偏振以兩倍的入射偏振角旋轉(zhuǎn)到雙折射光軸方向。因此，該半波片具有90度偏振旋轉(zhuǎn)功能。該半波片可由諸如扭轉(zhuǎn)向列單元等另一種90度偏振旋轉(zhuǎn)元件來(lái)代替。
圖12a顯示了在3D模式中顯示器的構(gòu)造。LCD輸出偏振器82具有一個(gè)45度(相對(duì)于垂直方向)的透射軸149，其后是具有與垂直方向成0度的光軸方向140的雙折射微透鏡138，其后是具有45度的雙折射光軸方向146的半波片160和具有與垂直方向成90度的最大透射軸方向162的偏振器158。3D輸出定向分布150朝向觀察者(未示出)。
圖12b顯示了2D模式中顯示器的構(gòu)造。LCD輸出偏振器82具有45度的透射軸148，其后是具有光軸方向140的雙折射微透鏡138，其后是具有與垂直方向成90度的最大透射軸方向162的偏振器158，其后是具有-45度雙折射光軸方向146的半波片160。2D輸出定向分布154朝向觀察者(未示出)。
圖12a顯示了偏振器棧在與圖10a相應(yīng)的構(gòu)造中的應(yīng)用。來(lái)自顯示器的3D輸出處于垂直偏振狀態(tài)，半波片把該偏振旋轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)并且輸出偏振器投射該偏振狀態(tài)。來(lái)自LCD的水平2D輸出由半波片旋轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)并且由輸出檢偏偏振器消除。
圖12b顯示了用于2D模式的偏振器的構(gòu)造，其中，從顯示器中去除了檢偏偏振器棧，并將其繞水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)，并放回顯示器的前部。然后，檢偏偏振器162去除來(lái)自雙折射微透鏡138的經(jīng)歷過(guò)透鏡功能的垂直偏振光，并透過(guò)未經(jīng)歷透鏡功能的水平偏振光。然后輸出偏振入射在半波片上，但是因?yàn)檫@里沒(méi)有后續(xù)偏振器，所以這對(duì)顯示器的輸出沒(méi)有作用。這樣，在該方向上，顯示器具有全分辨率的2D圖像。
圖11和12中的半波片和偏振器的取向可以相反，以使半波片用于2D模式而不是用于3D模式，反之亦然。通過(guò)考慮半波片的光譜偏振性能來(lái)做出最優(yōu)選擇?？墒褂枚鄺０氩ㄆ瑏?lái)提高兩個(gè)方向的性能。
在所描述的實(shí)施例中，將LCD的輸出偏振限定為45度。本發(fā)明不限于此，并且在未改進(jìn)的顯示器的最優(yōu)設(shè)計(jì)中可以任意設(shè)置該角度。可以相應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)剩余部分中的部件的角度。因此，雙折射光軸可以不再平行于柱面鏡的長(zhǎng)軸對(duì)齊。相對(duì)于LCD的輸出偏振設(shè)置雙折射光軸，以將輸入偏振檢偏為兩個(gè)正交分量。
圖13和14分別顯示了2D和3D模式中通過(guò)上述棧的偏振光的另一種傳播形式。
在圖13中，定向顯示器148位于偏振修正設(shè)備146之前，該偏振修正設(shè)備包括偏振器158、基板156和半波片160。顯示了沿方向166傳播的光。在輸出偏振器82之后，將光168在45度進(jìn)行偏振。在雙折射透鏡138之后，可以將該光分解為兩個(gè)分量。垂直分量170具有透鏡功能，因此包含3D模式的方向性信息。水平分量172不具有透鏡功能，因此包含2D模式的方向性信息。偏振器158消除垂直偏振狀態(tài)170，并允許水平偏振狀態(tài)172通過(guò)。輸出波片160將修正輸出偏振狀態(tài)的相位，但由于人類視覺(jué)對(duì)偏振不敏感，所以波片160的使用者看不見(jiàn)效果，因此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于2D定向分布的2D輸出。
在圖14中，定向顯示器148位于偏振修正設(shè)備146之前，該偏振修正設(shè)備包括偏振器158、基板156和半波片160。顯示了沿方向166傳播的光。在輸出偏振器之后，將光168在45度進(jìn)行偏振。在雙折射透鏡138之后，將該光分解為兩個(gè)分量。垂直分量170具有透鏡功能，因此包含3D模式的方向性信息。水平分量172不具有透鏡功能，因此包含2D模式的方向性信息。波片160將垂直偏振170旋轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，并將水平偏振172旋轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)。偏振器158消除垂直偏振狀態(tài)172，并允許水平偏振狀態(tài)170通過(guò)，以產(chǎn)生3D輸出。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向另一個(gè)實(shí)施例，圖15a顯示了定向顯示器148，其位于以另一種形式實(shí)現(xiàn)的偏振修正設(shè)備146之前，包括可切換波片176和線偏振器184。這些可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)構(gòu)化地安裝，這里，將它們?nèi)缦陆Y(jié)構(gòu)化地安裝。可切換波片176夾在一對(duì)透明電極178之間，這對(duì)透明電極安裝在顯示器148和電極基板180上。用于提供偏振旋轉(zhuǎn)校正(其可是Pancharatnum校正)的可選波片(或膜)182安裝在電極基板180上；線偏振器184安裝在可選波片(或膜)182上。這有利于增大顯示器的視角。
圖中也顯示了通過(guò)3D系統(tǒng)的光傳播。顯示了沿方向166傳播的光。在輸出起偏振器82之后，將光168在45度進(jìn)行偏振。在雙折射透鏡138之后，將該光分解為兩個(gè)分量。垂直分量170具有透鏡功能，因此包含3D模式的方向性信息(或定向分布)。水平分量172不具有透鏡功能，因此包含2D模式的方向性信息(或定向分布)。在2D工作模式中，可切換波片176的光軸與水平輸入偏振平行對(duì)齊，因此不能對(duì)從雙折射微透鏡輸出的偏振進(jìn)行旋轉(zhuǎn)?？蛇x波片182用于提高波片的色彩和視角性能，其功能為本領(lǐng)域所熟知，故此處不進(jìn)行描述。然后水平偏振狀態(tài)(帶有2D方向性信息)通過(guò)輸出偏振器。
在3D工作模式中，對(duì)可切換波片176進(jìn)行電控，從而使它的光軸與垂直方向成45度?？汕袚Q波片160把垂直偏振170旋轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，并將水平偏振172旋轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)。偏振器184消除垂直偏振狀態(tài)172，并允許水平偏振狀態(tài)170通過(guò)，以產(chǎn)生3D輸出。
圖15b示意性地顯示了來(lái)自LCD輸出偏振器82的光通過(guò)雙折射透鏡138、可切換波片176和輸出檢偏偏振器184的傳播。為了便于描述，去除了電極和可選波片(例如Pancharatnum校正)。在3D工作模式中，半波片176具有45度的雙折射光軸方向164。在如圖15c所示的2D工作模式中，半波片180具有90度的雙折射光軸方向164。
因此，這里機(jī)械切換的元件已由諸如位于透明電極(例如氧化銦錫，ITO)之間的液晶層的電切換的90度旋轉(zhuǎn)功能所代替。在一種工作模式下，對(duì)整個(gè)設(shè)備施加電場(chǎng)，以使其光軸位于一個(gè)方向。在第二工作模式中，改變或去除該電場(chǎng)，并且將該設(shè)備的光軸也改變?yōu)椴煌姆较颉?br> 90度旋轉(zhuǎn)功能可以是可切換半波片，例如，鐵電LC單元或向列電控雙折射單元?？蛇x地，該設(shè)備可以是諸如TN單元的引導(dǎo)模式設(shè)備。這種設(shè)備在本領(lǐng)域中眾所周知。
為了提高該有源設(shè)備的光譜和/或視角的性能，可以組合諸如適當(dāng)取向的“Pancharatnam”構(gòu)造的半波片等無(wú)源波片部件。Proc.Ind.Acad.Sci.vol 141 No.4 section A，pp130，S.Pancharatanam“Achromatic Combinations of Birefringent Plates”，1995中舉例公開(kāi)了寬帶性能的波片組合。
在下面的討論中，假定90度旋轉(zhuǎn)設(shè)備作為半波片進(jìn)行工作。在非“Pancharatnam”構(gòu)造中，可切換波片的非尋常軸方向是0或45度。在“Pancharatnam”構(gòu)造中，可切換波片的方向例如可以是+/-22.5度，且無(wú)源波片例如可以是67.5度。
在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，雙折射透鏡本身例如包括夾在微結(jié)構(gòu)和其各個(gè)表面都具有電極的平面基板之間的液晶材料。為了制造電切換的2D/3D顯示器，這就生產(chǎn)了可切換透鏡。但是，這些透鏡在兩種模式中均顯示了差的光學(xué)質(zhì)量(例如液晶顯示材料的旋轉(zhuǎn)位移)，并且需要在微結(jié)構(gòu)表面淀積復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)。由于雙折射液晶材料的折射率隨溫度改變，所以這些透鏡也表現(xiàn)出了溫度依賴性。此外，由于來(lái)自鍍有諸如ITO的部分反射電極材料的彎曲透鏡表面的光的反射，這些透鏡也產(chǎn)生了散射前沿分散效應(yīng)。當(dāng)在明亮照明的環(huán)境中使用時(shí)，散射分散會(huì)降低顯示器的對(duì)比度。
但是，在本發(fā)明的以上電切換實(shí)施例中，該設(shè)備包括獨(dú)立的偏振敏感成像元件和有源偏振切換元件。其優(yōu)點(diǎn)在于可使用標(biāo)準(zhǔn)的商品化的薄單元切換元件，其具有低的復(fù)雜性和制造成本，這直接解決了與切換透鏡相關(guān)的問(wèn)題。這種設(shè)備也可在寬的溫度范圍中工作，且可減少由于來(lái)自彎曲透鏡表面的反射所導(dǎo)致的散射。也可使用標(biāo)準(zhǔn)的單元分隔技術(shù)。不必考慮由于微結(jié)構(gòu)的物理形貌的結(jié)果導(dǎo)致的不同電場(chǎng)強(qiáng)度。
無(wú)源雙折射微透鏡在制造上也更簡(jiǎn)單，并且不需要與使用電極層的電驅(qū)動(dòng)方案兼容。特別地，如果使用硬化的LC材料，則雙折射材料的折射率特性可在硬化過(guò)程中充分地進(jìn)行設(shè)置。這意味著在工作溫度變化時(shí)，基板和LC材料的折射率會(huì)保持基本相同。在具有向列相位材料(如電切換透鏡的現(xiàn)有技術(shù)的方法中通常所需的)的設(shè)備中，材料的折射率會(huì)隨溫度發(fā)生變化。這將導(dǎo)致透鏡的性能隨溫度變化，其依賴于匹配的折射率以實(shí)現(xiàn)2D模式，并依賴于所限定的焦距以實(shí)現(xiàn)3D模式。因此，與本發(fā)明相比，透鏡在2D和3D模式下的工作方式有限。
本實(shí)施例的單獨(dú)切換90度旋轉(zhuǎn)器元件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于與分隔LC單元相比，當(dāng)一個(gè)基板高度結(jié)構(gòu)化(例如微透鏡)時(shí)，使用經(jīng)驗(yàn)證的LC單元分隔技術(shù)可以方便地制造它。另外，微結(jié)構(gòu)表面上的電接觸可使單元上更容易形成不必要的電接觸。電極層的安裝在彎曲表面可能更不牢固，使得更容易發(fā)生電極剝落。需要考慮可能使設(shè)備變厚的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。在微結(jié)構(gòu)表面上制造分段的元件更困難。這使得分段元件的制造更加可行。
圖16顯示了分段有源偏振旋轉(zhuǎn)切換元件?？傦@示區(qū)域190可分成其中偏振旋轉(zhuǎn)是0度或90度的部分。通過(guò)這種方式，顯示器可包括全分辨率2D圖像的區(qū)域192和定向3D圖像的區(qū)域194。例如，這可以用于在3D圖像周圍添加2D文本。在本發(fā)明的顯示器中，這些區(qū)域具有基本相同的亮度，這是本發(fā)明的特殊優(yōu)點(diǎn)。由分段電極提供的多個(gè)部分之間存在間隙。這種分段方法可用于偏振修正設(shè)備146的其它電切換形式。
圖17顯示了在一個(gè)基板上的兩個(gè)分段198電極之間的間隙區(qū)域196中圖16的顯示器的橫截面的細(xì)節(jié)。將均勻透明電極200設(shè)置在相對(duì)的基板上。在兩個(gè)分段電極198之間形成間隙196，以防止兩個(gè)分段部分之間導(dǎo)電。標(biāo)出了電場(chǎng)線197。在分段電極之間的間隙區(qū)域199中形成了液晶切換材料的變形場(chǎng)區(qū)域。
圖17還顯示了間隙196對(duì)設(shè)備性能的影響(即，它形成變形場(chǎng)區(qū)域199)。顯示器的輸出非尋常均勻，尤其在3D模式下。如果兩個(gè)分段電極之間的間隙可見(jiàn)，則它們會(huì)作為柵格線出現(xiàn)在顯示表面的平面上，并且會(huì)導(dǎo)致在最終圖像中出現(xiàn)視覺(jué)干擾假像。這是因?yàn)樵撻g隙將作為2D平面假像出現(xiàn)而干擾3D景深平面，從而導(dǎo)致視覺(jué)疲勞。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)定向配向?qū)雍颓袚Q設(shè)備來(lái)消除該影響，以使在3D模式中，這些間隙與電極具有相同的切換材料對(duì)齊。另選地，間隙可制成足夠小，以使電極的邊緣場(chǎng)(fringing field)表明可以在間隙中材料已經(jīng)切換。可通過(guò)使用諸如雙切換狀態(tài)材料(例如鐵電液晶)的在切換狀態(tài)之間具有明顯閾值的材料來(lái)改善這種性能?？稍黾臃侄蔚臄?shù)目，以提高在2D背景中定位3D窗口的靈活性。
雙折射微透鏡陣列結(jié)構(gòu)圖18a顯示了一個(gè)雙折射微透鏡結(jié)構(gòu)的構(gòu)造的細(xì)節(jié)。LCD背板80位于輸出偏振器82和微透鏡背板142之前。在微透鏡背板142上形成配向?qū)?02，在進(jìn)而安裝在透鏡基板132上的各向同性透鏡微結(jié)構(gòu)134上形成第二配向?qū)?04。將具有定向器對(duì)齊方向140的雙折射材料夾在配向?qū)?02和204之間，并與配向?qū)訉?duì)齊。
因此，LCD背板具有安裝在其外表面上的偏振器(并可能是本領(lǐng)域中眾所周知的視角校正膜)。雙折射微透鏡棧安裝在該表面上。該棧包括具有安裝在一側(cè)的液晶配向?qū)拥奈⑼哥R背板。
雙折射微透鏡包括透鏡陣列，其中至少一種透鏡構(gòu)成材料具有對(duì)所有透鏡來(lái)說(shuō)雙折射光軸方向都固定的雙折射性能。例如，透鏡可以是通過(guò)填充平面基板和凹模聚合物基板之間的間隙形成的凸雙折射透鏡。例如，雙折射材料可以是液晶材料，其填充了該間隙，并通過(guò)將配向?qū)影惭b到各個(gè)基板上來(lái)進(jìn)行對(duì)齊。
例如，微結(jié)構(gòu)表面可實(shí)現(xiàn)為包括單個(gè)的柱面微透鏡、圓形微透鏡、離軸透鏡、棱鏡或衍射結(jié)構(gòu)或它們的組合的結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)實(shí)施例中，將聚合體的折射率和色散設(shè)置為與雙折射材料的至少一個(gè)折射率(例如，折射率的尋常分量)和/或雙折射材料的色散基本相同。聚合體和基板材料基本上是非雙折射的。(因此，在切換的清除狀態(tài)下，只存在透鏡結(jié)構(gòu)的低可見(jiàn)性)。
雙折射透鏡通過(guò)以下方式形成在平面基板和復(fù)制的微結(jié)構(gòu)表面上安裝(或形成)配向?qū)?；在高溫下使用液晶材料填充微結(jié)構(gòu)表面和平面基板之間的間隙。
將材料與配向?qū)訉?duì)齊，因此形成透鏡。
該填充可在高溫下進(jìn)行。對(duì)于非固化型液晶材料，需要使用傳統(tǒng)技術(shù)，例如熱固性密封材料，來(lái)密封該單元?？蛇x地，雙折射材料可以在聚合物網(wǎng)絡(luò)中硬化。該硬化可通過(guò)已知的方法(例如紫外光)來(lái)進(jìn)行。雙折射材料可以是以商品化的固化液晶聚合材料，例如來(lái)自Merck有限公司的RM257。
通過(guò)固定聚合物網(wǎng)絡(luò)，所以只需在制造時(shí)校正對(duì)齊條件。此外，與未硬化液晶材料相比，固定聚合物網(wǎng)絡(luò)的折射率隨溫度變化較少。
控制復(fù)制的聚合物微結(jié)構(gòu)(例如通過(guò)激光掃描光阻材料、鉆石劃線、光阻材料構(gòu)圖和回流)和復(fù)制光學(xué)微結(jié)構(gòu)(例如通過(guò)熱壓花、注入成形或UV壓花等方式)的工藝在本領(lǐng)域種是眾所周知的。應(yīng)該使這種材料的殘留雙折射最小，以避免微透鏡棧的輸出中的偏振串?dāng)_。當(dāng)使用輸出檢偏偏振器時(shí)，偏振串?dāng)_會(huì)導(dǎo)致3D和2D模式混合。
通過(guò)例如旋涂、輥涂、噴涂或氣相涂覆等方式，將配向?qū)痈街谄矫婧蛷?fù)制的微結(jié)構(gòu)表面上，或在它們上面形成?？梢允褂帽绢I(lǐng)域中眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)摩擦技術(shù)，利用小的預(yù)傾斜以消除退化，來(lái)對(duì)各配向?qū)舆M(jìn)行摩擦，以產(chǎn)生均一(平面)的對(duì)齊，其中液晶分子基本平行于該表面對(duì)齊。
例如，如圖19a所示，配向?qū)涌梢允侵T如聚酰亞胺紗的經(jīng)摩擦的不平行于微透鏡長(zhǎng)軸的均一摩擦配向?qū)印?br> 也可以使用本領(lǐng)域中眾所周知的適當(dāng)暴露在偏振和未偏振光中的光配向?qū)觼?lái)產(chǎn)生配向?qū)臃较蚝皖A(yù)傾斜性能。微透鏡背板配向?qū)?02具有對(duì)齊方向206，微透鏡基板配向?qū)?04具有不平行于206的對(duì)齊方向208。不平行對(duì)齊在單元結(jié)構(gòu)的整個(gè)厚度上產(chǎn)生基本均勻的預(yù)傾斜。
摩擦方向的定向?qū)⑷Q于LCD的輸出偏振，而幾何微透鏡軸的方向被設(shè)置在垂直方向。
柱面透鏡描述了其中在第一線性方向邊緣(其具有曲率半徑)后掠的透鏡。幾何微透鏡軸定義為在第一線性方向上沿著透鏡中心的線，即，平行于邊緣的后掠方向。在2D-3D型顯示器中，幾何微透鏡的軸是垂直的，因此，其平行于顯示器的像素的列。在如這里所描述的亮度增強(qiáng)的顯示器中，幾何微透鏡軸是水平的，因而其平行于顯示器的像素的行。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖19c顯示了雙折射透鏡陣列的構(gòu)造的設(shè)置。對(duì)微透鏡背板142上的配向?qū)?0進(jìn)行設(shè)置，以使液晶材料的雙折射光軸的方向207與垂直方向成45度。在微結(jié)構(gòu)透鏡表面配向?qū)?04，將對(duì)齊方向209設(shè)置為平行于透鏡。然后，對(duì)于3D模式，輸出偏振器的方向與垂直方向成0度，對(duì)于2D模式，輸出偏振器的方向與垂直方向成90度。這種構(gòu)造可應(yīng)用于這里所描述的其它實(shí)施例。
圖19c的實(shí)施例尤其有益于透鏡單元的構(gòu)造。已知的TFT-LCD設(shè)備中常用的輸出偏振方向被設(shè)置為與垂直方向成45度。在操作中，這種偏振狀態(tài)應(yīng)該入射到雙折射透鏡陣列的尋?；蚍菍こ９廨S上。一種配置應(yīng)該將配向?qū)影惭b到微結(jié)構(gòu)表面或在微結(jié)構(gòu)表面上形成配向?qū)?，該微結(jié)構(gòu)表面平行于或不平行于顯示器的輸出偏振方向，即與垂直方向成45度。這與幾何微透鏡軸方向不同的方向。
微結(jié)構(gòu)表面上的液晶材料的對(duì)準(zhǔn)受形成在其上的配向?qū)雍驮撐⒔Y(jié)構(gòu)本身的影響。特別地，微結(jié)構(gòu)本身可以把一些優(yōu)選的對(duì)齊性能賦予雙折射微透鏡中的液晶材料。這將導(dǎo)致在雙折射微透鏡中出現(xiàn)不希望的假像，例如雙折射材料的旋轉(zhuǎn)位移。這種假像將降低透鏡的光學(xué)性能，例如，通過(guò)增加散射程度，增加圖像串?dāng)_，降低圖像對(duì)比度。
優(yōu)選把配向?qū)尤∠蚍较蛟O(shè)置為與柱面透鏡的幾何微透鏡軸的方向基本平行，或與其它類型的非對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸基本平行。例如，該長(zhǎng)軸可由微結(jié)構(gòu)中溝槽的方向限。對(duì)于通過(guò)摩擦處理產(chǎn)生的配向?qū)?，另外，通過(guò)沿柱面透鏡的幾何微透鏡軸的方向進(jìn)行摩擦或沿基本平行于其它類型的非對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸方向進(jìn)行摩擦，可以更容易地獲得良好的對(duì)齊質(zhì)量。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以在雙折射透鏡之前使用波片來(lái)旋轉(zhuǎn)來(lái)自顯示器的輸出偏振，以使落在微透鏡背板上的光的偏振方向垂直，并且雙折射微透鏡的兩個(gè)基板處的對(duì)齊方向是垂直的。因此，將不會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)位移，并且可以提高顯示器的性能。但是，集成這些元件將增加設(shè)備成本和制造復(fù)雜性。透鏡和像素平面之間的其它部件也將使顯示器的觀察距離增加，這是不希望的。
在圖19c所述的本發(fā)明的實(shí)施例中，將微透鏡背板配向?qū)?02處的對(duì)齊方向207設(shè)置為平行或垂直于LCD的輸出偏振方向，而將微結(jié)構(gòu)表面配向?qū)?04處的對(duì)齊方向209設(shè)置為平行于幾何微透鏡軸方向。因此，雙折射材料在透鏡單元的整個(gè)厚度上進(jìn)行了45度的扭曲。例如，另選地，也可以使用大致135度的扭曲角。這種扭曲可以對(duì)通過(guò)該單元的光的偏振方向進(jìn)行引導(dǎo)，以使到該單元的輸入偏振為45度，且微結(jié)構(gòu)表面處的輸出偏振方向與垂直方向成0度。另外，希望增加該單元的厚度，以使透鏡單元中的光學(xué)引導(dǎo)性能在整個(gè)透鏡表面上出現(xiàn)。
因此，在微結(jié)構(gòu)表面上，由于微結(jié)構(gòu)表面的對(duì)齊平行于配向?qū)?04的方向209，所以可以避免上述旋轉(zhuǎn)位移。
這種元件有利于降低與傳統(tǒng)TFT-TN LCD一起使用的透鏡單元的制造成本和復(fù)雜性，同時(shí)還使圖像質(zhì)量最優(yōu)。
如圖19d所示，本發(fā)明不限于其中將微結(jié)構(gòu)表面處的對(duì)齊方向209設(shè)置為平行于透鏡陣列的軸的構(gòu)造。來(lái)自TFT-LCD的輸出偏振器82的線性輸出偏振狀態(tài)方向211平行于微透鏡背板配向?qū)?02的對(duì)齊方向207對(duì)齊。微結(jié)構(gòu)表面配向?qū)?04具有不平行于方向207的對(duì)齊方向213，從而以一定角度向透鏡的幾何微透鏡軸傾斜。
在一另選實(shí)施例中，微透鏡可以與垂直方向稍微不同的角度傾斜，以通過(guò)在觀察平面上產(chǎn)生多個(gè)交迭的窗口來(lái)增加顯示器的有效觀察角度。在這種情況下，可以使微結(jié)構(gòu)表面處的雙折射材料的光軸平行于透鏡的溝槽，以使透鏡單元中沒(méi)有扭曲。然后，將輸出偏振器修正元件平行或正交于微結(jié)構(gòu)表面處的材料的雙折射光軸進(jìn)行定向。另選地，可以使透鏡中的材料的對(duì)齊與微透鏡的軸無(wú)關(guān)。
另選地，對(duì)齊機(jī)構(gòu)可以集成為溝槽微結(jié)構(gòu)，例如添加在微透鏡的透鏡形微結(jié)構(gòu)上的衍射消除結(jié)構(gòu)，以使其可以在復(fù)制微結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中形成。這具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，即能夠降低制造該單元的制造成本和復(fù)雜性。使用溝槽微結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)齊液晶在本領(lǐng)域中是眾所周知的。
把衍射結(jié)構(gòu)添加到微透鏡陣列中在本領(lǐng)域中也是眾所周知的，例如，S.Traut，H.P.Herzig“Holographically recorded gratings onmicrolenses for a miniaturized spectrometer array”，Opt.Eng.vol39(1)290-298(Janaury 2000)。這種結(jié)構(gòu)可以用于微透鏡表面上的雙折射材料的對(duì)齊。
可以使用以下這種技術(shù)在透鏡表面上形成微結(jié)構(gòu)配向?qū)?，在該技術(shù)中，在微透鏡表面上涂覆光阻材料，記錄衍射結(jié)構(gòu)，并且隨后生成鎳薄片以產(chǎn)生復(fù)制原版。這具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，即，不需要單獨(dú)的配向?qū)?。該衍射結(jié)構(gòu)理想地具有可見(jiàn)光波長(zhǎng)或更小的間距，以避免在最終圖像上出現(xiàn)衍射假像。
也可以使用本領(lǐng)域中眾所周知的適當(dāng)暴露在偏振和非偏振光中的光配向?qū)觼?lái)產(chǎn)生配向?qū)臃较蚝皖A(yù)傾斜性能。
圖18a顯示了兩個(gè)同源配向?qū)?例如通過(guò)摩擦形成)的應(yīng)用。在制造過(guò)程中，希望在完成顯示板的制造之后，或在LCD背板相對(duì)側(cè)的濾色器的制造之后安裝光學(xué)元件。為了使該元件的視角性能最佳，配向?qū)涌梢云叫谢蚰嫫叫小?br> 圖18b顯示了與圖18a相同的結(jié)構(gòu)，但具有同型(homeotropic)配向?qū)?02和同源(homogenous)配向?qū)?04。配向?qū)?02的雙折射分子210基本垂直于表面，而配向?qū)?04的雙折射分子212基本平行于表面。
圖19b示意性地顯示了與圖18b相同的配向?qū)臃较?。微透鏡背板配向?qū)?02具有同型對(duì)齊方向214，而微透鏡基板配向?qū)?04具有同源對(duì)齊方向216。
從圖18b和19b可見(jiàn)，背板上的配向?qū)涌捎芍T如同型配向?qū)拥姆悄Σ僚湎驅(qū)哟?。在這種情況下，液晶的對(duì)齊基本垂直于背板。復(fù)制微結(jié)構(gòu)具有帶有預(yù)傾斜的同源配向?qū)?，以使液晶分子基本平行于?fù)制表面對(duì)齊。由于透鏡的大部分能量在彎曲表面中，所以這種對(duì)齊技術(shù)可以提供與圖18a的設(shè)備相似的光學(xué)性能，并希望折射率輪廓在整個(gè)透鏡表面上具有某些變化。應(yīng)該小心以保證光軸保持基本平行于所需的輸出偏振，以避免不希望的來(lái)自透鏡的導(dǎo)致液晶模式特性惡化的相位雙折射效應(yīng)。
圖18c顯示了使用電場(chǎng)218來(lái)對(duì)齊雙折射分子雙折射光軸的方向220。省略了前面實(shí)施例中所描述的配向?qū)印?br> 圖18d顯示了使用在微透鏡背板142上的同源配向?qū)?02和電場(chǎng)218的組合來(lái)對(duì)齊雙折射分子。
可選地，對(duì)齊機(jī)構(gòu)可以通過(guò)在聚合物網(wǎng)絡(luò)的固化之前，并且在至少一部分聚合物網(wǎng)絡(luò)的固化過(guò)程中在整個(gè)設(shè)備上施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，由于沒(méi)有其它配向?qū)樱钥梢钥蛇x地省略一個(gè)或兩個(gè)配向?qū)?，如圖18c所示，并且由于單個(gè)附加的同源配向?qū)游挥谒镜钠矫婊迳匣驈?fù)制微結(jié)構(gòu)上，所以可以可選地省略一個(gè)或兩個(gè)配向?qū)?，如圖18d所示?？梢酝ㄟ^(guò)外部電極將電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)施加給不是最終設(shè)備的一部分的結(jié)構(gòu)。注意，電場(chǎng)的方向是沿著而不是穿過(guò)正介電各向異性材料的單元。對(duì)于負(fù)介電各向異性材料，可以穿過(guò)該單元施加電場(chǎng)。
圖20a顯示了其中將配向?qū)?02直接置于顯示器的輸出偏振器82上的構(gòu)造。微透鏡背板142已經(jīng)被有效地去除了?？梢匀缟纤鲂纬苫蚴÷耘湎?qū)?02和204。這種構(gòu)造有利于減小顯示器的觀察距離。
圖20b顯示了其中將透鏡微結(jié)構(gòu)134的光學(xué)表面的取向反轉(zhuǎn)的構(gòu)造。在這種情況下，各向同性聚合物材料134將具有與更高的液晶材料的尋常和非尋常折射率相匹配的折射率，一般為非尋常折射率。
圖21顯示了其中將在各向同性微結(jié)構(gòu)134中形成的正透鏡(其折射率與雙折射材料138的非尋常折射率匹配)置于偏振器82上的另一種構(gòu)造。
圖22顯示了在偏振器表面82上的各向同性微結(jié)構(gòu)134中形成的負(fù)聚合物透鏡的相同情況，其中，該各向同性材料的折射率與雙折射材料138的尋常折射率相匹配。
在所描述的所有結(jié)構(gòu)中都可以使用與所需的其它配向?qū)酉嘟Y(jié)合用于對(duì)齊雙折射材料的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
在任何一個(gè)以上實(shí)施例中，配向?qū)涌梢允枪馀湎驅(qū)踊騼A斜蒸鍍的氧化硅或其它眾所周知的配向?qū)印?br> 一般而言，透鏡和平面基板之間的空間可以用來(lái)設(shè)置兩個(gè)層之間的間距，并隨后用液晶材料填充。這不需要使用如許多傳統(tǒng)LC單元中所需要的其它隔離材料。確切地說(shuō)，可以允許該透鏡接觸平面基板222或偏振器82。
上述實(shí)施例不使用標(biāo)準(zhǔn)高溫聚酰亞胺作為基板上的配向?qū)樱?，如圖18b、18c和18d所示的那些實(shí)施例，具有能夠在低溫下進(jìn)行處理的優(yōu)點(diǎn)，這增加了可以使用的透鏡材料的范圍。非摩擦配向?qū)拥牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)在于避免了由于微透鏡是非平面的而使摩擦容易發(fā)生變化。
另選地，可以使用低溫配向?qū)硬牧?，例如，?lái)自Nissan ChemicalIndustries Ltd.公司的材料。
透鏡的成像特性可根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和本領(lǐng)域中眾所周知的3D顯示器的柱鏡狀屏幕的需求來(lái)對(duì)柱面雙折射透鏡進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。
空間光調(diào)制器上述實(shí)施例可在除LCD以外的發(fā)射式顯示器的范圍內(nèi)實(shí)施，例如電致發(fā)光顯示器或等離子顯示器。在大多數(shù)情況下，顯示器的輸出需要安裝偏振器，接著是雙折射微透鏡和光方向切換設(shè)備的檢偏偏振器。
如果發(fā)射技術(shù)在本質(zhì)上是偏振的，那么就有可能省略偏振器或使用高透射效率的凈化(clean-up)偏振器。
本發(fā)明還可應(yīng)用于反射式和透反射式顯示器，例如液晶顯示器。
雙偏振器的雙折射微透鏡顯示器的局限上述實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)(與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備相比)是避免了對(duì)雙折射透鏡進(jìn)行切換的需要，然而它還具有如下的特定特征，這些特征在某些情況下可能就是缺點(diǎn)。
本發(fā)明的上述實(shí)施例提供了可切換的柱面透鏡顯示器，其中，在標(biāo)稱情況下，二維和三維模式中的亮度分別只有未改進(jìn)顯示器亮度的50％，通常為40-45％。
此外，這種顯示器的標(biāo)稱可視距離取決于液晶顯示層和視差光學(xué)元件之間的間隔。
舉個(gè)說(shuō)明性的例子，在小型手持式顯示器中，大約400mm的可視距離通常是比較理想的。例如，4.7”VGA帶狀像素構(gòu)造顯示器(640X3水平X480垂直彩色像素)具有水平方向50mm，高度方向150mm的彩色子像素間距。典型的3D顯示器需要大小為65mm(相當(dāng)于人類兩眼的標(biāo)稱間隔)的窗口。在這種情況下，如果采用0.5mm厚的背板，那么像素平面和色差鏡片(其折射率為1.5)的孔徑之間的間隔將產(chǎn)生430mm的可視距離。
在這種裝置中，像素平面和雙折射微透鏡的光學(xué)孔徑之間的間隔必須包括偏振器的厚度和LCD背板的厚度。這樣，對(duì)于厚度為0.2mm的偏振器，就要求LCD背板的厚度為0.3mm。標(biāo)準(zhǔn)的背板厚度為1.1mm和0.7mm，也可能為0.5mm。這樣，對(duì)于小型顯示器，背板玻璃很可能因?yàn)樘《鵁o(wú)法使用現(xiàn)有的許多生產(chǎn)材料。然而，在將來(lái)，較薄的玻璃或合適的塑料基板會(huì)變得更加商品化。此外，其它可使用的允許很小間隔的基板為如在LCD投影儀領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)的，它集成了允許像素平面和微透鏡光學(xué)孔徑之間的間隔約為50mm的微透鏡。在處理配向?qū)雍桶惭b到LCD上之前采用玻璃和復(fù)制光聚合物來(lái)制造背板，這樣背板必須能夠承受處理溫度。然而，由于在批量制造中使用的偏振器不夠穩(wěn)定，所以甚至是該技術(shù)也不總是能應(yīng)用于具有薄背板的本發(fā)明的以上實(shí)施例。該最后方面的問(wèn)題可以通過(guò)以下實(shí)施例來(lái)解決。
“單輸出偏振器”實(shí)施例現(xiàn)將描述其它實(shí)施例，在這些實(shí)施例中，消除了上述局限性。這些其它實(shí)施例使得對(duì)于二維和三維模式顯示器的標(biāo)稱亮度為基礎(chǔ)顯示板亮度的100％。此外，這些實(shí)施例的設(shè)備使用眾所周知的制造過(guò)程來(lái)提供較短的可視距離。實(shí)質(zhì)上，雙折射微透鏡陣列位于LCD的背板內(nèi)或作為其附件，即位于相位調(diào)制層(即液晶層)和單個(gè)檢偏偏振器之間。這樣，實(shí)際上，基礎(chǔ)顯示器的輸出(檢偏)偏振器和光方向切換設(shè)備的輸出(檢偏)偏振器的作用是共享的。
圖23顯示了顯示器的一種這樣的實(shí)施例，包括產(chǎn)生入射到LCD輸入偏振器64上的光輸出62的背光燈60、LCD TFT基板66、包括按照列和行布置的像素陣列構(gòu)成的LCD像素平面67、接著是LCD背板80、雙折射透鏡陣列138，接著是各向同性透鏡微結(jié)構(gòu)134，接著是透鏡基板132。以上部件可組合為定向顯示設(shè)備236。偏振修正設(shè)備146位于定向顯示設(shè)備236之后。與上述“雙輸出偏振器”實(shí)施例相比，省略了LCD輸出偏振器82。
沿著傳播方向238顯示了二維模式中的顯示器的操作的一個(gè)說(shuō)明性構(gòu)造。偏振修正設(shè)備146透射水平線偏振光，并抑制垂直偏振光。LCD輸入偏振240位于90度位置，并通過(guò)扭轉(zhuǎn)向列層由像素孔徑78中的液晶材料的ON狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)到水平偏振(0度角)242，由此來(lái)提供常白(NW)模式。在NW模式ON狀態(tài)中，液晶層上沒(méi)有施加電壓。施加電壓以將輸出切換到OFF狀態(tài)或中間狀態(tài)。雙折射微透鏡138在該偏振中是折射率匹配的，所以不會(huì)給照明帶來(lái)方向性。偏振修正設(shè)備146的輸出為水平線偏振244。
圖24顯示了沿傳播方向238的顯示器的三維操作的構(gòu)造。在這種情況下，對(duì)偏振修正設(shè)備146進(jìn)行設(shè)置，以透射垂直線偏振光，并抑制水平偏振光。LCD輸入偏振240位于90度位置，并通過(guò)扭轉(zhuǎn)向列層由液晶材料的ON狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)到水平偏振(0度角)242，由此來(lái)提供常黑(NB)模式。在NB模式ON狀態(tài)中，對(duì)液晶層施加電壓。施加降低的電壓以將輸出切換到OFF狀態(tài)或中間狀態(tài)。雙折射微透鏡138對(duì)入射到雙折射微透鏡138上的偏振狀態(tài)246產(chǎn)生方向性。在這種情況下，對(duì)偏振修正設(shè)備146進(jìn)行設(shè)置，以透射垂直線偏振狀態(tài)248，從而三維模式照明結(jié)構(gòu)是透射性的。
圖25示意性地顯示了二維模式中該實(shí)施例的操作。在大部分標(biāo)準(zhǔn)TFTTN-LCD中，以-45度的最大透射方向250配置輸入偏振器64，以使用-45度的線偏振狀態(tài)來(lái)照明相位調(diào)制層。對(duì)于NW模式ON狀態(tài)(零電壓操作)，將LC層之后的背板80內(nèi)的輸出偏振器252旋轉(zhuǎn)90度到+45度位置。將該偏振狀態(tài)入射到雙折射微透鏡138上，其光軸254為-45度。使用+45度的偏振光的透射方向256對(duì)輸出線偏振器258進(jìn)行定向，從而二維模式照明結(jié)構(gòu)是透射性的。
盡管可使用其它的相位調(diào)制LC效果，但在圖25中顯示了該設(shè)備的操作，采用TFT TN-LCD用于說(shuō)明性目的。在這種情況下，通過(guò)以顯示器輸入偏振器開(kāi)始，可最好地理解顯示器的操作，顯示器輸入偏振器以-45度的線偏振狀態(tài)照明相位調(diào)制層。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的常白TFT TN-LCD，顯示器的零電壓操作產(chǎn)生該偏振狀態(tài)的標(biāo)稱90度旋轉(zhuǎn)(盡管在該偏振狀態(tài)中通常都存在某些橢圓率)，然后將該偏振狀態(tài)入射到+45度定向的輸出偏振器上，并由此透射。當(dāng)將增大的電壓施加給LCD的像素時(shí)，對(duì)相位調(diào)制層的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)以使入射偏振的旋轉(zhuǎn)量遞減，直到電壓足夠大時(shí)，光的偏振基本不再旋轉(zhuǎn)，這樣就可以在輸出偏振器(它與輸入偏振器正交)抑制該光的偏振。
在該實(shí)施例的顯示器中，對(duì)雙折射微透鏡進(jìn)行定向，以使它們的雙折射光軸方向平行于顯示器的偏振軸對(duì)齊，在這種情況下為-45度。
對(duì)于ON狀態(tài)，投射到雙折射微透鏡上的光的偏振狀態(tài)為透鏡沒(méi)有光學(xué)作用的偏振狀態(tài)。這是因?yàn)殡p折射材料的尋常軸是與聚合物材料匹配的折射率。然后，偏振狀態(tài)通過(guò)+45度的輸出偏振器投射，就像標(biāo)準(zhǔn)的LCD那樣。
被分解以構(gòu)成OFF強(qiáng)度級(jí)別的偏振狀態(tài)分量不會(huì)由相位調(diào)制層旋轉(zhuǎn)。這樣，出現(xiàn)的偏振將經(jīng)受透鏡功能。然而，對(duì)輸出偏振器進(jìn)行定向，以抑制該光，以使在最終的顯示器輸出中透鏡功能是不可見(jiàn)的。這樣，為處于該模式的標(biāo)準(zhǔn)顯示器構(gòu)造添加雙折射元件和偏振修正設(shè)備基本上不會(huì)改變顯示器的亮度和切換特性。
圖26示意性地顯示了三維模式中該實(shí)施例的操作。以-45度的最大透射方向250設(shè)置輸入偏振器64。對(duì)于NB模式ON狀態(tài)，在LC層之后的背板80中的輸出偏振方向253是不旋轉(zhuǎn)的。將該偏振狀態(tài)入射到雙折射微透鏡陣列138上，雙折射微透鏡陣列的光軸254為-45度。使用-45度的偏振光透射方向260定向輸出線偏振器258，以透射三維模式照明結(jié)構(gòu)(方向分布)。偏振鏡258可繞著水平軸262或垂直軸264旋轉(zhuǎn)。
這樣，對(duì)上圖進(jìn)行總結(jié)，將輸出偏振器調(diào)節(jié)到-45度，平行于輸入偏振器和雙折射微透鏡陣列的雙折射光軸。這使得可以對(duì)偏振器進(jìn)行重新設(shè)置，例如，通過(guò)將其移走、繞著水平或垂直軸旋轉(zhuǎn)及將其更換。由于其偏振為45度，所以無(wú)需另外的旋轉(zhuǎn)功能設(shè)備(例如波片)以實(shí)現(xiàn)正確的偏振狀態(tài)。
如在別處所述，另選地，還可對(duì)透鏡光軸的定向進(jìn)行設(shè)置，以使微透鏡背板的對(duì)齊方向?yàn)?45度，而在微結(jié)構(gòu)表面的對(duì)齊方向?yàn)?度，即平行于幾何微透鏡軸。在該實(shí)施例中，輸出偏振258具有最大透射方向260，最大投射方向平行或垂直于透鏡138的雙折射光軸。
當(dāng)沒(méi)有對(duì)象素施加場(chǎng)時(shí)，將偏振標(biāo)稱地旋轉(zhuǎn)到+45度，這樣使雙折射投透鏡折射率與聚合物材料匹配。輸出偏振器抑制該偏振狀態(tài)。因此，在三維模式中顯示器變?yōu)槌：?NB)顯示器。通過(guò)對(duì)像素施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的ON狀態(tài)。這導(dǎo)致輸入偏振的相位調(diào)制，并生成-45度的偏振分量。然后，這就具有了雙折射微透鏡的功能，并生成窗口。然后將該偏振狀態(tài)通過(guò)輸出偏振器透射。
這樣，對(duì)于二維和三維模式，該構(gòu)造均能夠?qū)崿F(xiàn)全亮度的圖像。使用無(wú)源雙折射微透鏡意味著在透鏡中沒(méi)有因切換引起的旋轉(zhuǎn)位移，而且設(shè)備的制造比切換雙折射微透鏡更廉價(jià)和更簡(jiǎn)單。此外，與處于(未固化的)向列相位的液晶材料相比，透鏡在設(shè)備的工作溫度中的變化更穩(wěn)定。
無(wú)源雙折射透鏡在機(jī)械上也比切換雙折射微透鏡更穩(wěn)定，例如通過(guò)使用可選擇固化的液晶材料。這就意味著如果對(duì)顯示器施加壓力，例如如果構(gòu)造并用作為觸摸屏顯示設(shè)備，那么該實(shí)施例就不會(huì)受由壓力引起的液晶流或雙折射性能變化的影響。
該透鏡的優(yōu)點(diǎn)是它沒(méi)有淀積在彎曲表面上的部分反射導(dǎo)電涂層，因此由于透鏡表面的反射而顯示出低色散。
此外，在微透鏡和顯示器的像素平面之間沒(méi)有偏振器。因此，微透鏡可位于顯示器的背板內(nèi)，這樣，可縮短透鏡和像素平面之間的間隔。這可實(shí)現(xiàn)較短的可視距離。因此，對(duì)于小型顯示器，該實(shí)施例特別有用，例如在手持式顯示器，其中較短的可視距離是比較理想的。例如，4.7”VGA帶狀顯示板具有50mm的像素間隔，對(duì)于0.5mm厚的背板可產(chǎn)生430mm的可視距離。
可以在裝配LCD之前制造LCD背板，包括雙折射微透鏡陣列。這種工藝對(duì)于LCD投影系統(tǒng)的不同應(yīng)用的非雙折射微透鏡陣列的裝配是已知的。如果使用能夠保持LCD裝配所需的溫度和化學(xué)一致性的材料，可以在裝配之前加入雙折射材料，或者另選地，在裝配之后進(jìn)行填充。由于在部件安裝過(guò)程中，在背板中不需要偏振器，所以通常簡(jiǎn)化了制造。
圖27a顯示了用在該實(shí)施例中的雙折射層的任意一側(cè)上使用的配向?qū)拥哪Σ?或定向)方向的示例。微透鏡背板配向?qū)?02具有均一的對(duì)齊方向268，且微結(jié)構(gòu)表面204具有逆平行的同源對(duì)齊270。
圖27b顯示了可在該實(shí)施例中使用的另選配向?qū)印Ｍ团湎驅(qū)?76可用在微透鏡背板202上，以免除設(shè)備的微透鏡背板上的摩擦步驟，該設(shè)備可以是LCD背板80。同源對(duì)齊276用在微結(jié)構(gòu)表面配向?qū)?04上。
圖28a顯示了另外一個(gè)“單輸出偏振器”實(shí)施例，其中，對(duì)ON狀態(tài)的輸出偏振進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使雙折射微透鏡陣列的雙折射光軸平行于透鏡陣列的柱面鏡的幾何微透鏡軸。這可便于生成平行于顯示器柱狀顯微透鏡的幾何顯微透鏡軸布置層。可以方便地產(chǎn)生與顯示器地柱面透鏡的幾何微透鏡軸平行的配向?qū)??？赏ㄟ^(guò)采用像素平面和透鏡陣列之間的合適的偏振旋轉(zhuǎn)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，可由半波片或TN導(dǎo)向元件來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)功能。更詳細(xì)地說(shuō)，圖28a顯示了本發(fā)明的顯示器中的元件功能的示意圖，其中半波片278插入在LCD像素平面67和雙折射微透鏡陣列138之間。其透射軸250被設(shè)置為與垂直方向成-45度的LCD輸入偏振器64在LC層之后，處于NW ON狀態(tài)的LC層以45度偏振狀態(tài)方向252照明LCD背板80。設(shè)置半波片278，使其具有67.5度的雙折射光軸方向280。其后是具有與垂直方向成0度角的雙折射光軸方向282的雙折射微透鏡陣列138，以及具有與垂直方向成90度角的透射軸方向284的線性輸出偏振器258。
另選地，例如對(duì)2D工作模式，如圖28b所示的，在雙折射透鏡138中可存在雙折射材料的扭曲。其透射軸250設(shè)置為與垂直方向成-45度角的LCD輸入偏振器64在LC層之后，處于NW ON狀態(tài)的該LC層以+45度偏振狀態(tài)方向252照明LCD背板80。微透鏡背板配向?qū)?02具有45度的對(duì)齊方向253。對(duì)于二維模式，其后是具有與垂直方向成0度角的雙折射光軸方向282的微結(jié)構(gòu)表面配向?qū)?04，以及具有與垂直方向成90度角的透射軸方向284的線性輸出偏振器258。在三維模式中，偏振器被旋轉(zhuǎn)90度，且TFT-TN顯示器被設(shè)置為NB模式。
圖29顯示了另外一個(gè)“單輸出偏振器”實(shí)施例，除了這里由可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器176(例如半波片)和(線性)偏振器184形成的偏振修正設(shè)備146，該實(shí)施例與圖24所示的實(shí)施例相同。它們可以任何合適的方式進(jìn)行物理安裝，這里它們?cè)陔姌O基板180的任意一側(cè)上形成，如圖29所示。電極基板180在一個(gè)表面上承載有可切換旋轉(zhuǎn)器176的一個(gè)透明電極178?？汕袚Q旋轉(zhuǎn)器176的第二透明電極178承載在透鏡基板132的外表面上。偏振器184位于電極基板180的另外一個(gè)表面上。為了對(duì)齊可切換波片176的液晶材料，可將合適的對(duì)齊材料(未示出)置于電極178的表面上。
這樣，在該實(shí)施例中，如圖29所示，90度偏振旋轉(zhuǎn)器，例如可切換波片，可用于使二維和三維工作模式之間能進(jìn)行電切換。在二維工作模式中，可切換波片具有與輸出偏振器透射軸平行對(duì)齊的雙折射光軸，以使輸出偏振不會(huì)受到影響。在三維模式中，將波片定向?yàn)榕c輸出偏振器成45度角，以使具有微透鏡功能的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90度角，且由輸出偏振器透射。如上所述，在二維模式中顯示器工作在常白模式，在三維模式中工作在常黑模式?？汕袚Q波片還可與另外的無(wú)源波片組合，以提供Pancharatnam型寬帶構(gòu)造。
另選地，可切換波片可由導(dǎo)向模式偏振旋轉(zhuǎn)器替換，如本領(lǐng)域中眾所周知的。
除了以上“單輸出偏振器”實(shí)施例的上述優(yōu)點(diǎn)之外，它們具有一個(gè)共同的特征，也就是在二維模式中它們工作在常白模式，而在三維模式中它們工作在常黑模式。另選地，可將三維模式設(shè)置常白模式，將二維模式設(shè)置為常黑模式。
一般來(lái)說(shuō)，大部分的TFT-TN顯示器工作在常白模式。在顯示器構(gòu)造和工作中，這對(duì)可視角度和亮度均勻性都是有好處的。對(duì)于該LC效果，常黑模式一般具有比常白模式更小的視角特性和更差的均勻性。
現(xiàn)將描述另一個(gè)實(shí)施例(下文中稱為“雙常白”實(shí)施例)，它使得二維和三維模式都可以實(shí)施為常白模式。
第一“雙常白”實(shí)施例如圖30a所示。除了在LCD輸入偏振器64和LCDTFT基板66之間設(shè)置了另外一個(gè)可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器290之外，該實(shí)施例與圖29所示實(shí)施例相同。這可以任何合適的方式進(jìn)行物理安裝，這里通過(guò)設(shè)置在LCD TFT基板66的外表面上的可切換旋轉(zhuǎn)器290的第一透明電極288、及設(shè)置在LCD輸入偏振器64和LCD TFT基板66之間的附加電極基板286、在一個(gè)表面上承載第二旋轉(zhuǎn)器透明電極288，在另一個(gè)表面上承載LCD輸入偏振器64的附加電極基板286。
第二“雙常白”實(shí)施例如圖30b所示，除了包括可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器176、透明電極178、電極基板180和偏振器184的偏振裝置由單個(gè)偏振器184替換之外，該實(shí)施例與如圖30a所示的第一“雙常白”實(shí)施例相同。這樣，在總體上，圖30b的第二“雙常白”實(shí)施例包括單個(gè)偏振器定向顯示設(shè)備236，其中具有夾在電極層之間的第二可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器層290的電極基板286和一對(duì)透明電極288安裝在LCD輸入偏振器164和LCDTFT基板66之間。在雙折射微透鏡138之后是透鏡基板，其后是偏振修正設(shè)備146，在該實(shí)施例中，該偏振修正設(shè)備為偏振器186。
這樣，圖30a和30b各顯示了其中對(duì)于二維和三維模式其工作模式均為常白的顯示器。對(duì)于該LC效果，常白操作將允許比常黑操作模式更高的對(duì)比度和更出眾的視角性能。在這種情況下，對(duì)于三維模式，將輸入偏振由輸入可切換波片旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)地，對(duì)于常白操作，將輸出偏振對(duì)齊。
輸出偏振器可以是如圖30a所示的有源設(shè)備或如圖30b所示的無(wú)源設(shè)備，在圖30b中去除了有源偏振旋轉(zhuǎn)器設(shè)備，代之以偏振器292，對(duì)其進(jìn)行機(jī)械上的重新配置，以在多個(gè)模式之間與輸入可切換波片同步地進(jìn)行切換。
圖31a顯示了圖30a的顯示器在二維模式下的操作。將LCD輸入偏振器的透射軸方向250設(shè)置為-45度?？汕袚Q半波片290的光軸方向293與輸入偏振方向250對(duì)齊，所以對(duì)它沒(méi)有影響。在NW模式ON狀態(tài)，像素平面67上的LC層將偏振旋轉(zhuǎn)90度，以產(chǎn)生LCD背板80中的45度偏振方向294。將雙折射微透鏡138的雙折射光軸方向296設(shè)置為-45度，以使入射偏振狀態(tài)的折射率與各向同性材料匹配，且不產(chǎn)生透鏡效應(yīng)?？汕袚Q波片176具有以45度角對(duì)齊的雙折射光軸方向298，所以仍然沒(méi)有對(duì)偏振產(chǎn)生影響。輸出偏振器184具有以45度對(duì)齊的透射軸方向300，以透射二維偏振光。
圖31b顯示了圖30a的顯示器在三維模式下的操作。第一可切換波片光軸方向293與輸入偏振方向250成45度角，以使偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90度為+45度。處于NW模式ON狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)向列單元將輸入偏振旋轉(zhuǎn)90度，以產(chǎn)生-45度地偏振狀態(tài)，該偏振狀態(tài)以-45度的光軸方向296入射到雙折射微透鏡138上。這樣就產(chǎn)生了透鏡功能。通過(guò)第二波片176以0度的雙折射光軸方向298旋轉(zhuǎn)該光，以使該光以-45度的偏振方向300通過(guò)最終輸出偏振器184投射。
圖30b的顯示器的操作是相同的。
圖32a顯示了另外一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，二維和三維工作模式均處于NW模式。背光64照明LCD輸入偏振器64，LCD輸入偏振器在LCD TFT基板66上產(chǎn)生基本線性的偏振光。該光的偏振由LCD像素平面67上的各個(gè)像素來(lái)調(diào)制，并且該光通過(guò)LCD背板80投射到輸出偏振器184。安裝電極基板180。透明電極178夾住可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器176。在偏振旋轉(zhuǎn)器176的輸出端形成雙折射透鏡138，由雙折射材料構(gòu)成，其折射率之一與各項(xiàng)同性透鏡微結(jié)構(gòu)134的反射率基本匹配。各向同性透鏡微結(jié)構(gòu)安裝在透鏡基板132上。
在操作中，液晶顯示設(shè)備60、64、66、67、80、184以傳統(tǒng)的常白工作模式進(jìn)行工作。偏振器64、184可另外集成廣角可視膜，如本領(lǐng)域中眾所周知的。
圖32b中顯示了二維模式中設(shè)備的操作方法。LCD輸出偏振器184產(chǎn)生與垂直方向成+45度角的線偏振狀態(tài)295。它以與垂直方向成45度角的光軸方向297入射到可切換波片176上。這樣，波片176不會(huì)對(duì)偏振狀態(tài)產(chǎn)生影響，該偏振狀態(tài)以45度的雙折射光軸方向299入射到雙折射透鏡138上。偏振狀態(tài)具有透鏡的尋常折射率，該折射率與透鏡基板的各向同性材料匹配，這樣就不具備透鏡功能。
如圖32c所示，在三維工作模式中，波片176具有平行于垂直方向的光軸方向297，這樣導(dǎo)致輸入偏振旋轉(zhuǎn)90度。這樣，入射到雙折射透鏡陣列138上的偏振就平行于雙折射材料的非尋常軸，并且產(chǎn)生透鏡效果。這樣，就在該工作模式中產(chǎn)生了可視窗口。
如別處所述，可切換波片176可更換為其它已知類型的偏振旋轉(zhuǎn)元件。此外，雙折射透鏡138可進(jìn)行扭曲，以使微結(jié)構(gòu)表面上雙折射材料的對(duì)齊平行于透鏡軸。
這種配置的優(yōu)點(diǎn)是，它能夠產(chǎn)生全亮度的二維—三維可切換顯示器，其中這兩種工作模式均為常白。然而，像素層和透鏡孔徑之間的大量部件意味著該顯示器的可視距離很可能相對(duì)較長(zhǎng)，這在大多數(shù)應(yīng)用中是不希望的。另選地，可在其構(gòu)造中采用較薄的材料層。例如，微片玻璃或聚合物膜。此外，還需要能夠承受LC基板處理溫度的偏振器元件。
反射式“單偏振器”雙折射微透鏡顯示器上述實(shí)施例均包括透射式或發(fā)射式顯示器。現(xiàn)將描述另一個(gè)實(shí)施例(下文中稱為“反射式實(shí)施例”)，在該實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)了一種反射式顯示器。圖33a顯示了第一反射式實(shí)施例。這也適用于透反射式顯示器，其中具有顯示器的透射部分和反射部分。
如圖33a所示，該第一反射實(shí)施例包括LCD TFT基板66，其后是包括具有可切換LC層的反射鏡陣列的LCD透射式像素平面302，各個(gè)可切換LC層形成反射式像素孔徑304。LCD背板80位于像素平面上方，其后的波片棧306通常在這種反射式顯示器中使用，以調(diào)節(jié)顯示器的偏振特性。微透鏡背板142位于波片棧上方，同時(shí)雙折射微透鏡陣列138位于其外表面上，與各向同性透鏡微結(jié)構(gòu)134相關(guān)聯(lián)。透鏡基板用于支撐層134。在該實(shí)施例中包括線偏振器308的偏振修正設(shè)備146位于顯示器系統(tǒng)的輸出端。
圖33b顯示了該實(shí)施例在二維工作模式下的操作。線偏振器308具有90度的透射軸方向310。該光入射到雙折射微透鏡138的尋常折射率上，其具有0度的雙折射光軸方向312。該光穿過(guò)波片棧306，并落在反射式像素平面302上。該光被反射，但被顯示為通過(guò)層302透射，為的是能夠解釋清楚(即顯示為“展開(kāi)的”，即順序顯示輸入和輸出路徑，如通常在本領(lǐng)域的)。該光穿過(guò)波片棧306、雙折射微透鏡138和偏振器308。當(dāng)該光入射到折射率匹配的透鏡138上時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生方向性，且顯示器為二維顯示器，即輸出照明經(jīng)歷雙折射材料的尋常軸，這樣就不經(jīng)歷透鏡的作用，然后由偏振器透射。這樣就可看到全亮度和全分辨率的圖像。
圖33c顯示了該實(shí)施例在三維工作模式下的操作。與其二維模式下的旋轉(zhuǎn)對(duì)齊相比，線偏振器308旋轉(zhuǎn)了90度，以使其具有0度的透射軸方向310。該光入射在雙折射顯微透鏡138的非尋常折射率上，其具有0度的雙折射光軸方向312。該光穿過(guò)波片棧306，并落在反射式像素層302上。該光被反射，但被顯示為通過(guò)層302透射，為的是能夠解釋清楚(即顯示為展開(kāi)的)。該光穿過(guò)波片棧306、雙折射微透鏡138和偏振器308。當(dāng)該光入射到非折射率匹配的透鏡138上時(shí)，產(chǎn)生三維方向性，且顯示器為三維顯示器。
這還意味著當(dāng)入射偏振平行于未與聚合物微結(jié)構(gòu)折射率匹配的非尋常折射率時(shí)，該入射光將通過(guò)微透鏡陣列功能在像素平面上成像。這樣外部光源將成像到顯示器的像素上。
如果如圖33d所示根據(jù)光源正確定向，那么這還可用于提高顯示器的亮度。圖33d顯示了在三維工作模式中，外部光源314將由雙折射透鏡陣列138聚焦，以在像素平面反射器302上形成圖像316。然后，該光被反射，以在觀察窗口37、40的區(qū)域內(nèi)形成光源的圖像318。
環(huán)境光源將在像素平面上成像，并向觀察者窗口平面散射。如果顯示器定位正確，那么對(duì)于限定的光源，這可以用于提高顯示器的亮度。
總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)本實(shí)施例的顯示器能夠在二維和三維工作模式下顯示全亮度，這對(duì)于低功耗顯示系統(tǒng)和對(duì)于在環(huán)境光中工作的顯示器尤其有利。
通過(guò)相應(yīng)地改變雙折射光軸和偏振修正設(shè)備軸，可將本實(shí)施例應(yīng)用于不同的基本LCD偏振結(jié)構(gòu)。
圖33e顯示了第二反射實(shí)施例，其中可切換偏振器是可電切換的。除了這里的偏振修正設(shè)備146由可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器176(例如半波片和(線性)偏振器184)構(gòu)成之外，該實(shí)施例與圖33a所示的實(shí)施例相同。這些部件可以以任何合適的方式進(jìn)行物理安裝，這里它們位于電極基板180的任意一側(cè)，如圖33e所示。電極基板180在其一個(gè)表面上承載可切換旋轉(zhuǎn)器176的一個(gè)透明電極178。可切換旋轉(zhuǎn)器176的第二透明電極178承載在透鏡基板132的外表面上。偏振器184位于電極基板180的另一表面上。
圖33f顯示了圖33e的設(shè)備在二維模式下的操作。偏振器184具有與垂直方向成90度角的線偏振透射方向320，它以90度的雙折射光軸方向322入射到可切換偏振旋轉(zhuǎn)器176上，因此不會(huì)發(fā)生偏振旋轉(zhuǎn)。該光以0度的雙折射光軸方向324入射到雙折射微透鏡138上，因此入射偏振折射率匹配，并且不經(jīng)受透鏡功能。該光穿過(guò)波片棧306，并在像素平面302上被反射回去穿過(guò)波片棧306(在圖33f中顯示為展開(kāi)的)。將通過(guò)最終偏振器184輸出的偏振具有雙折射微透鏡的尋常軸方向，且平行于可切換偏振旋轉(zhuǎn)器176的光軸方向322，最終通過(guò)偏振器184透射。因此，總的來(lái)說(shuō)，在二維工作模式中，90度偏振輸入不會(huì)被可切換波片旋轉(zhuǎn)，且透鏡是折射率匹配的，因此不會(huì)產(chǎn)生定向輸出。
圖33g顯示了圖33e的設(shè)備在三維模式下的操作。偏振器184具有90度的線偏振透射方向320，它以45度的雙折射光軸方向322入射到可切換偏振旋轉(zhuǎn)器176上，因此會(huì)發(fā)生90度的偏振旋轉(zhuǎn)，并且來(lái)自旋轉(zhuǎn)器的輸出偏振與垂直方向成0度。該光以0度的雙折射光軸方向324入射到雙折射微透鏡138上，這樣入射偏振的折射率不匹配，并產(chǎn)生透鏡功能。該光穿過(guò)波片棧306，在像素平面302上被反射回去穿過(guò)波片棧306。將通過(guò)最終偏振器184輸出的偏振具有雙折射微透鏡138的非尋常軸方向。該偏振狀態(tài)與可切換偏振旋轉(zhuǎn)器176的光軸方向322成45度角，因此會(huì)被旋轉(zhuǎn)90度，以平行于偏振器184的透射軸方向320，所以被透射。這樣，總而言之，在三維工作模式下，輸出偏振被旋轉(zhuǎn)90度，并且輸出偏振以0度角入射到微透鏡上，使得透鏡功能起作用。
另選地，以上實(shí)施例還可在透反射式顯示器中實(shí)施。圖45顯示了透反射式顯示器的示例像素的細(xì)節(jié)。所示紅色像素326、藍(lán)色像素328和綠色像素330由小間隙332間隔開(kāi)。各個(gè)像素包括設(shè)置用來(lái)反射來(lái)自顯示器前面的光的反射區(qū)域336、設(shè)置用來(lái)透射來(lái)自背光的光的孔徑區(qū)域462(即開(kāi)放像素孔徑)。
在透反射式顯示器中，顯示器以反射和透射兩種模式進(jìn)行工作。像素一般是反射式的，至少具有一個(gè)孔或者是部分透射的，以使來(lái)自背光的光能夠到達(dá)用戶。這樣顯示器就能夠范圍廣泛的光照條件下工作。這對(duì)于某些應(yīng)用特別有用，例如其中光照條件由明亮的陽(yáng)光照明到黑暗的室內(nèi)和夜晚場(chǎng)景變化的汽車應(yīng)用和照相機(jī)。自動(dòng)立體顯示器可能需要在相似條件工作。
在三維或多用戶工作模式下，需要觀察窗口在透射和反射模式下均相同。這樣，可以使透射孔具有與反射像素基本相同的寬度，例如如圖45所示。然后，這些窗口的輸出在反射和透射工作模式下具有基本相同的輪廓。
在透反射式顯示器中，由于顯示器的構(gòu)造需求，反射和透射平面可稍有不同。然而，在間隔上的差異通常與微透鏡的聚焦深度呈足夠小的比例。
常黑模式下的灰度響應(yīng)校正在上述某些實(shí)施例中，常黑模式用于三維工作模式。這可能會(huì)涉及不同顏色之間缺乏灰度均勻性的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題可以如下解決。
圖34a顯示了對(duì)于常白顯示器TFT TN-LCD的示意性像素響應(yīng)342，在輸入電壓340下每種顏色338的歸一化透射比的曲線圖。在低電壓下，該設(shè)備具有最大的透射比，這樣該設(shè)備就處于常白(NW)模式。
如圖34b所示，可以將其與常黑模式的示意性灰度響應(yīng)進(jìn)行比較。圖34b顯示了對(duì)于紅色波長(zhǎng)346、綠色波長(zhǎng)348和藍(lán)色波長(zhǎng)350的常黑(NB)TN-LCD像素，在輸入電壓340下的輸出灰度級(jí)344的曲線圖。
在這種情況下，三種顏色具有不同的反應(yīng)，特別是在低灰度時(shí)。
以下的描述假設(shè)對(duì)TN單元進(jìn)行設(shè)計(jì)使其具有與紅色和綠色通道之間的調(diào)諧波長(zhǎng)(例如在該波長(zhǎng)上雙折射率和物理厚度的乘積為該波長(zhǎng)的一半)相同的光學(xué)厚度。對(duì)于紅色通道，該單元設(shè)計(jì)意味著在未驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，阻滯太小而無(wú)法提供完全的旋轉(zhuǎn)輸出，這樣紅色對(duì)比度有限。對(duì)于綠色通道的未驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，單元的阻滯太大，這樣可通過(guò)提高電壓來(lái)減小單元的阻滯，這樣綠色就通過(guò)最小的阻滯，藍(lán)色通道也類似。當(dāng)單元被驅(qū)動(dòng)到ON狀態(tài)時(shí)，三個(gè)通道的標(biāo)稱透射比是相同的。對(duì)于常黑操作，可通過(guò)調(diào)節(jié)OFF狀態(tài)的輸出偏振器的定向及采用灰度校正方案轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)優(yōu)化紅色通道的輸出對(duì)比度?？赏ㄟ^(guò)采用灰度校正方案轉(zhuǎn)換和偏置信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)綠色和藍(lán)色通道的輸出。
可采用顏色校正算法來(lái)優(yōu)化該模式下顯示器的顏色性能。如圖35所示。通過(guò)灰度校正單元354處理圖像數(shù)據(jù)輸入352，以基于通過(guò)偏振修正設(shè)備146的設(shè)置所限定的設(shè)備的操作模式給出合適的最終灰度響應(yīng)。將適當(dāng)校正之后的數(shù)據(jù)信號(hào)358發(fā)送到顯示器360?？稍谟布蜍浖羞M(jìn)行灰度校正單元356的實(shí)施，或在二者之間分配。
對(duì)于所需的對(duì)比度變化，必須使用關(guān)閉軸視角對(duì)顯示器進(jìn)行優(yōu)化。透鏡的雙折射光軸方向應(yīng)該與輸出檢偏器緊密匹配，以使雙折射微透鏡的可變厚度波片的影響最小。
還要注意的是，雖然在上述某些實(shí)施例中，二維模式工作于常白模式下，而三維模式工作于常黑模式下，但可通過(guò)改變輸出偏振器和微透鏡組的相對(duì)取向來(lái)使其相反(即二維模式工作于常黑模式下，而三維模式工作于常白模式下)。
本發(fā)明可采用使用TN效應(yīng)之外的其它效應(yīng)的基礎(chǔ)顯示板，在這種情況下，可對(duì)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以優(yōu)化取決于輸出偏振和該效應(yīng)的視覺(jué)特性的性能。
觀察者跟蹤和觀察者定位在上述所有實(shí)施例中，可通過(guò)設(shè)置使微透鏡陣列與來(lái)自用于測(cè)量觀察者位置的探測(cè)器的信號(hào)同步地移動(dòng)來(lái)實(shí)施觀察者跟蹤。通過(guò)這種方式，觀察者可從范圍廣泛的觀看位置連續(xù)看到三維圖像。對(duì)于采用水平視差的顯示器，只能在單獨(dú)的水平軸移動(dòng)。
在不具備觀察者跟蹤傳感器的系統(tǒng)中，可使用能夠告訴用戶是否在最佳觀看位置的指示器或“最佳位置”。當(dāng)用戶位于正確(無(wú)畸變)的最佳位置時(shí)，他們可用左眼看到左側(cè)的圖像，用右眼看到右側(cè)的圖像。當(dāng)他們移到不正確(畸變)的位置時(shí)，圖像被交換，用戶一般都會(huì)感受到視覺(jué)疲勞。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以將最佳位置指示器366設(shè)置為獨(dú)立于顯示器的設(shè)備(即，它不使用任何SLM像素)。
最佳位置指示器可以與可切換二維—三維顯示器的光學(xué)輸出兼容。
圖36顯示了最佳位置指示器的一般操作。對(duì)三維顯示器進(jìn)行設(shè)置，使其在顯示器的窗口平面42中產(chǎn)生右眼窗口362和左眼窗口364。其右眼374位于右眼窗口362且左眼376位于左眼窗口364的觀察者可看到整個(gè)顯示器上的圖像。對(duì)指示器366進(jìn)行設(shè)置，以在與顯示器窗口平面42一致的最佳位置窗口平面368(但為了解釋的目的，在圖36中單獨(dú)顯示)產(chǎn)生一系列重復(fù)的窗口。最佳位置窗口平面368包括重復(fù)的黑色窗口陣列370和彩色窗口陣列372。各個(gè)窗口370和372的寬度基本上為顯示窗口362和364的寬度的兩倍。
指示器和顯示器圖像可以容納在相同的顯示器外殼之內(nèi)。當(dāng)對(duì)三維觀察進(jìn)行定向時(shí)，指示器可位于顯示器的上方或下方。
圖37顯示了使用來(lái)自LCD背光的光照明指示器部分的后部。更具體地說(shuō)，圖37b顯示了最佳位置指示器366的這種照射方法，其中通過(guò)反射器386和光導(dǎo)向器384收集來(lái)自冷陰極熒光管382的光，用于顯示器380的照明，背光系統(tǒng)也被用于照明最佳位置指示器366。另選地，可將背光導(dǎo)向器384擴(kuò)展到最佳位置指示器366下面的區(qū)域。
以下為包括最佳位置指示器的其它實(shí)施例。
對(duì)視差光學(xué)元件進(jìn)行設(shè)置，以將光源和掩模陣列成像于與三維顯示器的窗口平面在同一位置的平面上。當(dāng)觀察者位于顯示器的非畸變位置時(shí)，指示器呈黑色，而處于畸變位置時(shí)，指示器呈彩色，例如紅色。用于最佳位置指示的視差光學(xué)元件與用于圖像顯示的視差光學(xué)元件是獨(dú)立，這樣作的好處是可使顯示器的整個(gè)圖像區(qū)域用于三維顯示。例如，用于最佳位置指示的視差光學(xué)元件可以是柱鏡狀屏幕、全息或視差遮光板。
圖38顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中用于該指示器的視差光學(xué)元件包括柱鏡狀屏幕和掩模，對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，以使來(lái)自其它透鏡的光變暗。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)背光388進(jìn)行設(shè)置，以產(chǎn)生基本散射的照明390，它照明窗口生成掩模392。由高折射率材料398和低折射率材料400微結(jié)構(gòu)化材料構(gòu)成的間隔材料394使窗口生成掩模392與透鏡陣列396相分離。對(duì)安裝在基板404上的透鏡阻擋掩模402進(jìn)行設(shè)置，以阻擋來(lái)自透鏡陣列396的其它透鏡的光。透鏡內(nèi)填充有非雙折射聚合材料，該非雙折射聚合材料具有與用在顯示器成像部分的雙折射微透鏡陣列中的雙折射材料的非尋常反射率基本相同的反射率和散射特性。這樣，該透鏡具有與用于顯示器的透鏡基本相同的光學(xué)性能，但其不需要任何偏振器。透鏡阻擋掩模基本上位于透鏡光學(xué)孔徑平面上，并可位于像素平面和透鏡之間，或透鏡和觀察者之間(如圖所示)。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，如圖39所示，如用在顯示器成像部分中一樣，可以將相同的雙折射視差光學(xué)元件用在最佳位置指示器中，使用另外的掩模402來(lái)屏蔽中間的透鏡和適當(dāng)?shù)钠衿?06，以產(chǎn)生視差光學(xué)元件功能。更詳細(xì)地說(shuō)，對(duì)背光388進(jìn)行設(shè)置，以產(chǎn)生基本散射的照明390，它照明偏振器406和窗口生成掩模392。間隔材料394使窗口生成掩模392與雙折射透鏡陣列138及各向同性透鏡微結(jié)構(gòu)相分離。對(duì)安裝在基板404上的透鏡阻擋掩模402進(jìn)行設(shè)置，以阻擋來(lái)自透鏡陣列138的其它透鏡的光。另選地，指示器可包括圖像顯示微透鏡陣列的掩模屏蔽替代微透鏡，并具有包含顯示數(shù)據(jù)的像素，以生成合適的窗口結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，背光可以是諸如LED的窄帶光源或電致發(fā)光顯示器，這樣可使指示器的可視性最大，而且系統(tǒng)中的光可得到有效利用?？蛇x地，來(lái)自現(xiàn)有背光的光可用于省略了偏振器、像素孔徑和透明電極材料(例如ITO)的情況中?？稍陲@示器的二維操作期間關(guān)閉指示器照明。
上述實(shí)施例提到了自動(dòng)立體三維顯示器，其中可產(chǎn)生其大概尺寸為平均兩眼間距的可視窗口。該顯示器生成立體對(duì)，位置正確的觀看者可看到具有景深的圖像。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于在二維和三維之間切換，而是本發(fā)明可以在其中將任何光輸出從一個(gè)位置或方向分布切換到另一個(gè)位置或方向分布的應(yīng)用中實(shí)施。
所謂的多用戶顯示器就是這種應(yīng)用的一個(gè)例子，這里等同于上述的三維模式，需要將不同的圖像顯示給不同的觀察者(利用各個(gè)用戶相對(duì)于顯示器的不同位置)。此外，將相同的圖像顯示給所有的用戶等同于上述的二維模式。
圖40中顯示了第一多用戶實(shí)施例。圖40以平面視圖顯示了可產(chǎn)生觀察窗口408、410、412和414的雙折射微透鏡顯示器406，例如，它可用在汽車的儀表板上。對(duì)窗口尺寸進(jìn)行配置，使其大于觀察者兩眼之間的間距。駕駛員使其右眼416位于窗口408內(nèi)，使其左眼418位于相同的窗口408內(nèi)。類似地，乘客使其左眼422和右眼420位于單個(gè)窗口414內(nèi)。對(duì)于雙畫面顯示器，窗口408和412包含相同的信息，窗口410和414包含相同的信息。對(duì)于像差設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以方便地使窗口410和412位于顯示器的乘客和駕駛員之間。如果輸入了第一圖像426和第二圖像428，那么例如，圖像信號(hào)交織器424將把圖像426放在顯示器的偶數(shù)列，把圖像428放在顯示器的奇數(shù)列。顯示器的光學(xué)元件把圖像426導(dǎo)向窗口中408的駕駛員，把圖像428導(dǎo)向窗口414中的乘客。該顯示器以在與上述二維—三維顯示器相同的方式工作，但實(shí)際上觀察窗口更大了，這樣不同的觀察者可位于不同的窗口內(nèi)。這樣的顯示器適合于車載應(yīng)用，例如車載或機(jī)載娛樂(lè)、導(dǎo)航和信息系統(tǒng)。
該顯示器可顯示兩個(gè)同時(shí)的圖像頻道，例如電視和導(dǎo)航。對(duì)窗口進(jìn)行配置，以使從駕駛員的位置只能看到導(dǎo)航頻道。乘客或乘客們可看到電視頻道。同一顯示器可進(jìn)行電設(shè)置，使其用于右側(cè)駕駛或左側(cè)駕駛配置。當(dāng)車輛停止時(shí)，可將娛樂(lè)頻道電切換給所有的觀察者。
該顯示器包括如以上任何一個(gè)實(shí)施例中所述的無(wú)源微透鏡構(gòu)造，第一工作模式相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的二維顯示器，即，相同的圖像顯示在所有的觀察窗口中，即，所有的乘客在顯示器表面上看到的是相同的圖像。
在第二工作模式中，使用輸出窗口陣列來(lái)設(shè)置顯示器，其中至少包含兩組不同的圖像。
圖41示意性地顯示了圖40的顯示器的窗口配置。對(duì)理想化的窗口繪制了亮度430與位置432的關(guān)系。駕駛員的眼睛416、418位于窗口408內(nèi)，在那里他們可以看到圖像426。乘客的眼睛420、422位于另一個(gè)窗口內(nèi)，在那里可看到圖像428。觀察者不必位于顯示器的相鄰窗口內(nèi)。
例如，需要在距離顯示器1000mm的位置具有250mm寬的觀察窗口時(shí)，考慮具有50微米像素間距的4.7”VGA顯示器，微透鏡和像素平面的背板間隔約為0.3mm。因此，對(duì)于上述內(nèi)置微透鏡配置這是合適的，其中制造時(shí)可采用復(fù)合背板。
以與上述二維—三維實(shí)施例相同的方法，數(shù)據(jù)在整個(gè)顯示器的列中交錯(cuò)。在所示示例中，偶數(shù)列顯示圖像1的數(shù)據(jù)，而奇數(shù)列顯示圖像2的數(shù)據(jù)。
在一種工作模式中，以下情形是比較理想的，不允許車輛駕駛員看到娛樂(lè)圖像，即使他移動(dòng)頭部的位置?？墒褂靡粋€(gè)附加的傳感器，以使得如果駕駛員試圖移到了不正確的觀察位置中，那么顯示器會(huì)關(guān)閉。
在多用戶顯示器的另一個(gè)實(shí)施例中，可以如圖42所示配置交通信號(hào)燈顯示系統(tǒng)。圖42以平面視圖顯示了本發(fā)明的可產(chǎn)生觀察窗口434、436、438和440的雙折射微透鏡顯示器406，例如，它可用在車道信號(hào)系統(tǒng)中。對(duì)窗口尺寸進(jìn)行設(shè)置，使其大于觀察者兩眼之間的間隔。一個(gè)車道中的駕駛員使其右眼442位于窗口434內(nèi)，使其左眼444位于窗口434內(nèi)。類似地，另一個(gè)車道中的駕駛員使其左眼448和右眼446位于窗口440內(nèi)。如果輸入了第一圖像450和第二圖像454，那么圖像信號(hào)交錯(cuò)器424將把組合交錯(cuò)的圖像放在顯示器406上，以使正確的圖像發(fā)送到正確的方向。顯示器的光學(xué)元件把圖像450指向窗口440中的駕駛員，把圖像454指向窗口434中的乘客，例如為不同的車道發(fā)出不同的指令。在其它時(shí)間，通過(guò)切換到非定向輸出模式(等同于二維—三維實(shí)施例中的二維模式)，顯示器將為兩個(gè)車道顯示相同的指令。
還可對(duì)顯示器進(jìn)行配置，使其在不同的窗口顯示不同的數(shù)據(jù)，目的是吸引路過(guò)該顯示器的用戶的注意力。例如，這種顯示器可應(yīng)用于信息亭、自動(dòng)售貨機(jī)和公共顯示信息系統(tǒng)。
雙折射微透鏡顯示器406可由任何集成了根據(jù)本發(fā)明的光定向切換設(shè)備的適當(dāng)顯示器構(gòu)成，即，例如空間光調(diào)制器可以為L(zhǎng)ED顯示器。在一種工作模式中，信號(hào)為所有觀察者顯示相同的圖像，而在第二種工作模式中，在一條車道上的觀察者只能看到來(lái)自有限范圍的方向內(nèi)的信號(hào)。例如，可應(yīng)用這一點(diǎn)以使只有靠近該光的用戶才能接受他們的指令。
可切換透反射式顯示系統(tǒng)在另外的實(shí)施例中，本發(fā)明的光定向分布切換設(shè)備可用作為用于透反射式或反射式顯示器的亮度增強(qiáng)輔助裝置。
再參照?qǐng)D33d，光源314可通過(guò)透鏡陣列138在三維顯示器的像素反射器平面302上成像，以提高觀察窗口37、40上三維圖像的亮度。
圖43顯示了第一可切換亮度輔助裝置實(shí)施例的透反射式顯示器的側(cè)畫面。背光燈60對(duì)LCD輸入偏振器64進(jìn)行照明，該偏振器64后面是LCD TFT基板66和透反射式像素平面468。設(shè)置了LCD背板80，其后是雙折射微透鏡陣列138、各項(xiàng)同性透鏡微結(jié)構(gòu)134、透鏡基板132和包括線偏振器466及可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器176的偏振修正設(shè)備。
對(duì)該透反射式顯示器進(jìn)行設(shè)置，以對(duì)透射和反射的光進(jìn)行調(diào)制。
圖44顯示了具有增強(qiáng)亮度模式的二維透反射式顯示系統(tǒng)的一個(gè)像素配置。將像素設(shè)置為通過(guò)垂直像素間隙332和水平像素間隙333分隔的多列紅色像素326、藍(lán)色像素328和綠色像素330。在該示例中使用像素反射器460的剩余區(qū)域?qū)⑼该飨袼乜讖椒譃閮蓚€(gè)區(qū)域456、458。這樣，各個(gè)像素包括具有孔的反射式電極，在該孔中可透射來(lái)自背光的光。
圖45顯示了一個(gè)其它的像素配置，其中反射式和透射式區(qū)域的設(shè)置是變化的，使用單個(gè)像素孔徑462基本覆蓋像素326的一半，其剩余部分為反射式像素孔徑336。
顯示器的雙折射微透鏡結(jié)構(gòu)以與圖33e所述相似的方式工作。然而，在本實(shí)施例中，透鏡按行布置，而不是按列布置，以使每只眼睛可以看到顯示器上圖像亮度相同的相同圖像。透鏡的間距基本上等于像素行的間距。
在本實(shí)施例中由顯示器生成的窗口不是為了為觀察者提供三維圖像，而是顯示亮度增強(qiáng)的區(qū)域，如現(xiàn)在所述。
圖46顯示了位于具有透反射式像素結(jié)構(gòu)333、460、456、458的反射式背板之上的雙折射透鏡陣列138。來(lái)自外部光源468的光通過(guò)透鏡138聚焦于背板的反射部分，又從背板向觀察者472散射回去。來(lái)自背光的光透過(guò)像素的透射區(qū)域456、458，并且也向觀察者聚焦。
在第一工作模式中，對(duì)偏振修正設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，使透鏡不具備屈光力，這樣該設(shè)備如標(biāo)準(zhǔn)的透反射式顯示器一樣工作。在第二工作模式中，對(duì)偏振修正設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，使透鏡具備屈光力，將外部光源作為一圖像陣列成像于像素平面的反射部分，如圖46所示。像素平面的反射部分基本上位于外部光源的圖像陣列的圖像平面內(nèi)，盡管存在一些相對(duì)位移使圖像散焦，以來(lái)增加反射部分上的圖像的光點(diǎn)的尺寸。
光被反射器散射，一部分光入射到微透鏡上，雖然其顯示為不同于輸入透鏡的微透鏡，但也可以是相同的透鏡。透鏡聚集來(lái)自像素的光，并將其向觀察者傳播，以提供亮度增強(qiáng)的圖像。透鏡陣列中的各個(gè)透鏡產(chǎn)生基本上相同的來(lái)自圖像陣列中各圖像的定向分布。該定向分布限定了可視區(qū)域。然而，實(shí)際上，在來(lái)自圖像陣列中的各個(gè)圖像的光的定向分布中可存在小的差別。這至少是由于以下原因—圖像相對(duì)于各輸出透鏡光軸的相對(duì)位置在整個(gè)顯示器上可能是變化的，例如，按照需要產(chǎn)生觀察窗口。例如，這可能是由其中圖像陣列的間距與透鏡陣列的間距稍有不同的外部光源的位置太近而導(dǎo)致的。
—透鏡的異常特性隨著光點(diǎn)相對(duì)于微透鏡陣列的光軸的相對(duì)位置而變化。
—對(duì)于不同的圖像，由反射器反射的光的角度分布可能會(huì)不同(例如，在隨機(jī)散射器基本上位于該圖像上的情況下)。
如下文更詳細(xì)的描述，成像于觀察者的所需的光的方向471不同于來(lái)自顯示器平面的光的鏡面反射的方向469，這樣的好處是，來(lái)自設(shè)備平面的光的鏡面反射不會(huì)降低顯示器的對(duì)比度。
透鏡還可用于有效地聚集來(lái)自像素透射部分的光，并將其以增強(qiáng)的亮度向觀察者傳播。
該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，可通過(guò)透鏡的聚焦作用來(lái)提高顯示器的亮度，盡管亮度增強(qiáng)的區(qū)域在范圍上是有限的，需要用戶適當(dāng)?shù)囟ㄏ蝻@示器。如果環(huán)境光不合適，那么用戶可選擇以其傳統(tǒng)的廣角工作模式來(lái)使用顯示器。這對(duì)于設(shè)置為高亮度低功耗模式的手持式電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)特別有效。亮度增強(qiáng)是全色的，因此該設(shè)備可用于全色和單色顯示器。
有可能需要顯示器永久地工作在單一亮度增強(qiáng)工作模式下，其中不需要切換透鏡。在這種情況下，透鏡可以是無(wú)源的，并且不要求是雙折射的。另選地，如前所述，在本發(fā)明中可以使用有源雙折射透鏡來(lái)替代根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的無(wú)源雙折射透鏡和偏振修正設(shè)備。例如，有源雙折射透鏡包括可切換液晶層和夾在微結(jié)構(gòu)透鏡表面和平面基板之間的相關(guān)切換電極，并具有上述缺陷。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，反射層可位于以反射式設(shè)置的方式工作的透射式顯示器的后部，如圖49所示。外部光源500照明顯示器的前部，在顯示器的前面包括可切換偏振器502和雙折射微透鏡陣列138，其處于第一工作模式，用于聚焦通過(guò)顯示器的光。透鏡陣列中各個(gè)單獨(dú)的透鏡包括成像光學(xué)孔徑541。
來(lái)自第一透鏡的孔541的光透過(guò)LCD基板504，相位調(diào)制LC層506包括像素孔徑區(qū)域508和像素間隙區(qū)域510。然后，該光透過(guò)第二LCD基板512和后偏振器514，落在安裝在基板520上的構(gòu)圖偏轉(zhuǎn)反射層516上。構(gòu)圖偏轉(zhuǎn)反射層516包括反射區(qū)域518和孔區(qū)域519。反射區(qū)域518的間距基本上與透鏡138的間距相同。
透過(guò)孔區(qū)域519的來(lái)自環(huán)境光源500的光入射到背光單元522上，對(duì)背光單元522進(jìn)行設(shè)置，以反射來(lái)自該輸入的光。在透反射式顯示器中，背光單元522還通過(guò)附加光源(未示出)來(lái)提供來(lái)自顯示器后部的照明。
從背光入射的光線524通過(guò)孔區(qū)域519透射，而入射在反射區(qū)域518上的光526將向著背光單元重定向，在背光單元中它可以再循環(huán)。
在第一工作模式中，外部光源基本上由透鏡138作為圖像陣列聚焦到基本上位于該圖像陣列的圖像平面上的偏轉(zhuǎn)反射器區(qū)域518上。例如，這些區(qū)域可包括散射反射器，例如粗糙的金屬化表面，以提供光源的偏轉(zhuǎn)。特別地，該偏轉(zhuǎn)器只提供水平偏轉(zhuǎn)特性，而透鏡提供垂直方向的散射。這樣，偏轉(zhuǎn)反射器518就具有了以下的功能，將來(lái)自第一透鏡孔徑541的光偏轉(zhuǎn)到第二透鏡孔徑543，該第二透鏡孔徑543不同于第一透鏡孔徑541在其上形成由平面反射器沿著圖像平面擴(kuò)展而成像的圖像的透鏡孔徑。這將在下文中參照?qǐng)D51a和51b進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
這樣，從偏轉(zhuǎn)反射區(qū)域反射的光528由相鄰的透鏡孔徑543捕捉，并向位于顯示器前面的錐體中的觀察者530成像。將外部光源的各個(gè)圖像通過(guò)相應(yīng)的第二透鏡孔徑543導(dǎo)向到基本相同的定向分布。方向528與鏡面反射方向529相分離，以便提高顯示器的對(duì)比度。
因此，偏轉(zhuǎn)反射器518用于將來(lái)自第一孔的光導(dǎo)向到透鏡陣列的第二孔。在圖49和50所示的取向中，第一和第二透鏡孔徑541和543是該陣列的不同透鏡，但不是對(duì)環(huán)境光源500的所有位置都是這種情況。對(duì)于某些環(huán)境光源位置，對(duì)于同一透鏡的不同部分(即不同的透鏡孔徑)可以產(chǎn)生本發(fā)明的增強(qiáng)亮度。例如，可將顯示器設(shè)置為柱面透鏡陣列138，其中柱面透鏡的幾何微透鏡軸是水平的。在標(biāo)準(zhǔn)工作模式中，光源500將位于顯示器的上方，以使通過(guò)第一孔541進(jìn)入的光由第二透鏡543反射并成像到輸出定向分布，如圖49所示。在這種情況下，很明顯，各圖像通過(guò)不同于形成各圖像的透鏡的透鏡反射。另選地，光源500可位于顯示器的一側(cè)，但位于柱面透鏡陣列138的光軸上。然后，透鏡陣列138將光源500成像到基本上位于反射器平面上的第一圖像陣列上。然后，相同的透鏡會(huì)聚來(lái)自反射器的光，并產(chǎn)生具有亮度增強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)的輸出定向分布。然而，通過(guò)使用光偏轉(zhuǎn)反射器，各個(gè)相應(yīng)的圖像的有限區(qū)域?qū)⒈环瓷涞酵哥R的一個(gè)區(qū)域(即透鏡孔徑)，該透鏡區(qū)域不同于下面的透鏡部分(即透鏡孔徑)，由平面反射器沿圖像平面擴(kuò)展而將形成圖像有限部分的透鏡部分(即透鏡孔徑)反射到該透鏡部分上。因此，最好認(rèn)為偏轉(zhuǎn)反射器518是移動(dòng)和改變透鏡孔徑，光通過(guò)該透鏡孔徑導(dǎo)向，而不是移動(dòng)和改變透鏡。這適用于這里所述的所有實(shí)施例。
優(yōu)選地，透鏡陣列138為連續(xù)表面起伏無(wú)倒角透鏡。使用無(wú)倒角透鏡的可能性使得在免受不希望的圖像缺陷和光損失影響的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)亮度和對(duì)比度增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
與孔區(qū)域519的寬度相比，可以增加偏轉(zhuǎn)反射器區(qū)域518的寬度，以在增強(qiáng)反射模式下提高顯示器的觀察自由度，或減小其寬度，以在背光模式下提高顯示器的觀察自由度。
通過(guò)這種方式，可以使用外部光源有效地照明顯示器，并從觀察位置的范圍提供更高亮度的工作模式。本實(shí)施例的特殊優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需改變顯示設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；可將亮度增強(qiáng)元件添加到顯示器的外表面上。對(duì)于基礎(chǔ)LCD顯示板，可通過(guò)使對(duì)現(xiàn)有制造方法的改變最小來(lái)降低系統(tǒng)的成本。
例如，在第一模式中，顯示器可以以常黑設(shè)置工作，在第二模式中，顯示器可以以常白設(shè)置工作。按行來(lái)布置透鏡138，并通過(guò)相對(duì)于水平軸傾斜顯示器來(lái)設(shè)置最優(yōu)亮度。
在第二工作模式中，如別處所述，可去除透鏡的光學(xué)效果，例如，重新配置偏振器502。這將用于去除雙折射透鏡138的效果。在這種情況下，顯示器將具有基本一致的觀察區(qū)域，與第一模式的最佳觀察位置相比，其亮度降低了。另選地，可由具有固定焦距的透鏡替代透鏡138和可切換偏振器502，以使顯示器永久地以聚焦設(shè)置工作。
很明顯，本實(shí)施例的無(wú)源雙折透鏡和切換偏振器可由非切換透鏡和有源切換透鏡替代。這適用于這里所述的實(shí)施例。
圖50顯示了一另選的亮度增強(qiáng)顯示系統(tǒng)，其中，與圖49所示實(shí)施例不同的是，所有的附加元件均位于顯示器的后部。在這種情況下，顯示器為透射式顯示器，包括前偏振器532、相位調(diào)制像素層534和后偏振器536。在第一工作模式中，來(lái)自環(huán)境光源500的光穿過(guò)顯示器，在顯示器的后偏振器536上進(jìn)行偏振。對(duì)可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器，例如半波片進(jìn)行設(shè)置，以對(duì)落在雙折射透鏡陣列138上的光的偏振進(jìn)行定向，以使它們具有聚焦作用。然后，將該光聚焦到構(gòu)圖偏轉(zhuǎn)反射器516上，該構(gòu)圖偏轉(zhuǎn)反射器516形成在基板520上，包括反射區(qū)域518和孔區(qū)域519。將從偏轉(zhuǎn)反射器518反射到第二孔543的來(lái)自第一孔518的光向觀察者眼睛530所在的顯示器觀察區(qū)域成像。如上所述重新產(chǎn)生亮度增加的區(qū)域。
在第二工作模式下，對(duì)可切換偏振旋轉(zhuǎn)器538進(jìn)行設(shè)置，以對(duì)落在透鏡138上的輸出偏振方向進(jìn)行設(shè)置，以使透鏡基本上沒(méi)有聚焦作用。然后，該光落在構(gòu)圖反射元件516上。將反射該光的一部分，而剩余的部分將透射到背光中，在那里被散射并再反射?？梢詫⒎瓷湓?18的整數(shù)個(gè)間距設(shè)置為基本與顯示器像素的垂直間距相同，以避免該工作模式下的波紋效應(yīng)。
對(duì)偏轉(zhuǎn)反射器相對(duì)于透鏡的相對(duì)位置進(jìn)行設(shè)置，以將反射器518的輸出和光源529在設(shè)備的平面表面上的鏡面反射相分離。優(yōu)選地，可以與許多不同的顯示板像素間距一起使用這種元件。
可以通過(guò)使用固定焦距透鏡替代可切換旋轉(zhuǎn)器538和雙折射透鏡138來(lái)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。在這種情況下，反射器的間距無(wú)需基于顯示板像素的垂直間距，以避免波紋效應(yīng)。
優(yōu)選地，可將附加元件作為顯示器的獨(dú)立元件進(jìn)行組裝，減少組裝時(shí)間，并因此降低顯示器的成本。作為特殊的優(yōu)點(diǎn)，這種元件可以與許多不同的顯示板設(shè)計(jì)一起使用，用于降低投資和減少非重復(fù)的工程費(fèi)用。
圖51a還顯示了本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)反射器的作用。對(duì)透鏡陣列540進(jìn)行設(shè)置，以通過(guò)包括圖像數(shù)據(jù)像素的顯示板539對(duì)環(huán)境光源500進(jìn)行成像。由第一透鏡孔徑541對(duì)該光進(jìn)行成像，并聚焦到偏轉(zhuǎn)反射元件上，該偏轉(zhuǎn)反射元件例如可以包括散射器542和構(gòu)圖平面反射器544。例如通過(guò)錐體546顯示單一輸入光線547的來(lái)自反射器的反射光分布。
這樣，將來(lái)自偏轉(zhuǎn)反射器542、544的光導(dǎo)向第二透鏡孔徑543。第二透鏡孔徑可以是單獨(dú)的透鏡或同一透鏡的一部分。在第二透鏡孔徑上，基本校準(zhǔn)來(lái)自偏轉(zhuǎn)反射器的光，并將其導(dǎo)向觀察者530。
圖51b顯示了與本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)反射器相比，平面反射器的作用?？?41上的透鏡將來(lái)自光源500的光聚焦到反射平面上。例如，由于在具有透鏡基板的散射器54的邊界處的平面菲涅耳反射而形成的平面反射器將光線547反射到光線549，相關(guān)的光輸入光錐體由孔545處的透鏡校準(zhǔn)。然而，來(lái)自平面反射器的輸出光549的方向平行于來(lái)自系統(tǒng)的其它平面表面的鏡面反射529的方向，例如，如所標(biāo)記的。因此，如果沒(méi)有偏轉(zhuǎn)反射器的作用，那么系統(tǒng)將以鏡面方向?qū)膺M(jìn)行導(dǎo)向。因此，將所需的調(diào)制光添加到鏡面反射，并且圖像的對(duì)比度將會(huì)降低。此外，在正交(位于頁(yè)面之外)方向，將沒(méi)有任何方向性被反射器施加到光錐體上，這樣，在該方向上的照明范圍是有限的。這樣，偏轉(zhuǎn)反射器可用于提高顯示器在平行于柱面微透鏡的幾何透鏡軸的方向上的觀察自由度。
另選地，可以使用在第二個(gè)方向上具有屈光力的透鏡來(lái)提高顯示器的觀察自由度。
圖51c顯示了構(gòu)圖偏轉(zhuǎn)反射器的使用，例如可以由具有構(gòu)圖金屬化結(jié)構(gòu)552的粗糙表面來(lái)形成該偏轉(zhuǎn)反射器。另選地，該偏轉(zhuǎn)反射器的表面可以具有至少一個(gè)微間距微透鏡陣列的形式。該偏轉(zhuǎn)反射器可由全息元件單獨(dú)構(gòu)成或結(jié)合折射光學(xué)元件一起構(gòu)成。
圖51d顯示了一種另選構(gòu)造，其中在構(gòu)圖金屬化傾斜表面552上形成該偏轉(zhuǎn)反射器，以將光錐體導(dǎo)向觀察者，并遠(yuǎn)離顯示器其余平面表面的鏡面反射方向。這種構(gòu)造可通過(guò)減小為充滿必須的透鏡孔徑所需的輸出散射錐體556的尺寸來(lái)有利地提高顯示器的亮度。一般來(lái)說(shuō)，希望光源相對(duì)于用戶的位置位于顯示器的上方，所以可以匹配偏轉(zhuǎn)的定向以滿足用戶的幾何位置。構(gòu)圖偏轉(zhuǎn)反射器554還可以由各構(gòu)圖區(qū)域內(nèi)的微棱鏡陣列構(gòu)成，以有利地降低棱鏡的高度，并放寬制造容差。
反射器元件544可設(shè)置為偏振敏感反射膜(例如，3M公司的DBEF)的構(gòu)圖層。
圖52顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中通過(guò)環(huán)境光源(未示出)對(duì)透射空間光調(diào)制器進(jìn)行照明，該透射空間光調(diào)制器包括前偏振器532、相位調(diào)制像素層534和后偏振器536。入射光線558由透射式顯示器532、534、536調(diào)制，并以偏振方向560進(jìn)行偏振。在第一工作模式中，對(duì)可切換偏振旋轉(zhuǎn)器561進(jìn)行設(shè)置，以旋轉(zhuǎn)偏振方向560，以使偏振狀態(tài)562平行于無(wú)源雙折射透鏡陣列138的非尋常折射率。這樣，透鏡就具有了聚焦作用，并用于在包括散射器564和偏振敏感反射膜片566的反射元件的平面上充分地產(chǎn)生光源的圖像。例如，膜566可以是3M公司的DBEF。從膜566反射的光被散射成錐體568，以使一些光被導(dǎo)向遠(yuǎn)離鏡面反射的方向。偏振反射光由透鏡138校準(zhǔn)，并通過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)器561透射，以使偏振狀態(tài)570平行于后顯示器偏振器536的透射方向。然后，將該光例如沿光線571導(dǎo)向觀察者。
透反射式顯示系統(tǒng)還包括光源572和光導(dǎo)管574。通過(guò)膜566以偏振方向576對(duì)來(lái)自光源572的光577進(jìn)行偏振，并入射到與其透射方向正交的顯示器的后偏振器536上，并且由此被吸收。
圖53描述了第二工作模式。對(duì)可切換偏振旋轉(zhuǎn)器561進(jìn)行設(shè)置，以使輸出偏振狀態(tài)578平行于雙折射透鏡138的尋常折射率，并在基本沒(méi)有聚焦作用的情況下透射。該光穿過(guò)散射器564和偏振反射膜566，在此入射到光導(dǎo)管574上。該光線由光導(dǎo)管反射，并以偏振狀態(tài)透射回顯示器的后偏振器536，在此傳輸給觀察者。
來(lái)自光源572的光577由光導(dǎo)管574通過(guò)膜566向顯示器導(dǎo)向，在顯示器處由偏振器536透射。
通過(guò)這種方式，可設(shè)置可切換高亮度反射式顯示器。優(yōu)選地，反射元件可以是連續(xù)層，而不是構(gòu)圖層，這可降低構(gòu)圖反射層的制造和對(duì)齊成本。
為了減小系統(tǒng)的厚度，可切換偏振旋轉(zhuǎn)器561可位于透鏡138和反射器566之間。偏振旋轉(zhuǎn)器可以是電子偏振旋轉(zhuǎn)器開(kāi)關(guān)，例如相位調(diào)制液晶層。
在圖52的構(gòu)造中，其中，顯示器處于增強(qiáng)亮度模式，在顯示器的輸入偏振器處消除來(lái)自背光的光?？梢粤硗馐褂迷撃Ｊ降谋彻猓鐖D54所示。將來(lái)自偏振器536的偏振光入射到可切換偏振旋轉(zhuǎn)器561上。將偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，并入射到雙折射微透鏡138的非尋常折射率上。然后，將該光聚焦到包括散射器564和反射鏡元件580的反射器上。然后，在錐體內(nèi)向透鏡陣列將該光反射回去，在該透鏡陣列對(duì)該光進(jìn)行重新校準(zhǔn)，例如，沿光線571通過(guò)顯示板536、534、532將該光導(dǎo)向顯示器的觀察區(qū)域。
從散射反射器564、580反射來(lái)自背光光源572的光線582，并通過(guò)透鏡陣列138和偏振旋轉(zhuǎn)器561。然后，將該光入射到偏振器536上，在偏振器536處透射一線偏振狀態(tài)。通過(guò)如上所述切換可切換偏振旋轉(zhuǎn)器561，使顯示器工作于第二模式，而基本不需要改變定向分布。如在所有上述實(shí)施例中，可切換偏振旋轉(zhuǎn)器561和透鏡138可由電可切換透鏡或固定焦距透鏡替代。
光纖切換系統(tǒng)在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以將本發(fā)明的光線方向切換設(shè)備用作為光纖切換元件，例如，如圖47所示進(jìn)行設(shè)置。光纖474輸出光錐體476，該光錐體476入射到光方向切換設(shè)備上。在該示例中，該光方向切換設(shè)備包括具有0度雙折射光軸的雙折射微透鏡478、其后是具有90度光軸的半波片開(kāi)關(guān)478和具有90度透射軸的偏振器480。輸出光纖482位于雙折射微透鏡478的焦點(diǎn)上。圖47顯示的是OFF設(shè)置，其中來(lái)自偏振器480的輸出的光錐體484遠(yuǎn)離輸出光纖482的光接收錐體發(fā)散。
將來(lái)自輸入光纖的照明入射到雙折射微透鏡上。將未偏振的輸出光分解為兩個(gè)偏振。一個(gè)偏振狀態(tài)由微透鏡成像到輸出光纖上。將該光入射到對(duì)齊的半波片上，因此不旋轉(zhuǎn)，接著，由偏振器吸收。因此，被聚焦的光不會(huì)到達(dá)輸出光纖。
圖48顯示了該設(shè)備在ON狀態(tài)的構(gòu)造。將來(lái)自雙折射透鏡478的光的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，因此聚焦于輸出光纖482上的光錐體486通過(guò)輸出偏振器480透射，并進(jìn)入輸出光纖的接收錐體。
在正交偏振狀態(tài)，透鏡的折射率匹配意味著沒(méi)有聚焦，光線基本上避開(kāi)了光纖元件的孔。
當(dāng)切換波片以旋轉(zhuǎn)輸出偏振狀態(tài)時(shí)，被聚焦的光到達(dá)光纖的輸出孔，而發(fā)散的光被吸收。
因此，該系統(tǒng)能夠切換光纖的輸出。與傳統(tǒng)的光纖切換相比，這樣的系統(tǒng)可減少元件的數(shù)量，而且是雙向的。
應(yīng)該理解，上述實(shí)施例只是示例性的，本發(fā)明可在任何設(shè)備、器件、系統(tǒng)或裝置等中實(shí)施，以在不同定向分布之間切換光。
例如，本發(fā)明中所述實(shí)施例一般指的是第一或第二模式之一，其中，輸出定向分布與輸入定向分布基本一致。例如，可通過(guò)將雙折射材料的尋常折射率設(shè)置為與用于形成微結(jié)構(gòu)表面的各向同性材料的折射率基本相同來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，第一和第二模式均可設(shè)置未改變輸入定向分布。例如，可通過(guò)將雙折射材料的非尋常和尋常折射率設(shè)置為不同于相鄰材料的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，例如用于形成微結(jié)構(gòu)表面的各向同性材料或空氣(如果沒(méi)有各向同性材料)。然后，第一和第二輸出定向分布彼此互不相同，且不同于輸入定向分布。
權(quán)利要求
1.一種光方向切換設(shè)備，其包括可切換偏振器，其可以在通過(guò)第一偏振分量的光的第一偏振模式和通過(guò)第二偏振分量的光的第二偏振模式之間進(jìn)行切換；以及雙折射的雙折射透鏡，在操作中，該雙折射透鏡將第一偏振分量的光基本上導(dǎo)入第一定向分布，而將第二偏振分量的光基本導(dǎo)入不同于第一定向分布的第二定向分布；串聯(lián)放置該可切換偏振器和雙折射透鏡，并對(duì)它們進(jìn)行設(shè)置，以使得當(dāng)將包含或可分解為第一和第二偏振分量的輸入光輸入該設(shè)備時(shí)，在該可切換偏振器被設(shè)置為第一偏振模式時(shí)，該設(shè)備輸出的光基本上為第一偏振分量并基本上被導(dǎo)入第一定向分布，而在該偏振器被設(shè)置為第二偏振模式時(shí)，該設(shè)備輸出的光基本上為第二偏振分量并基本上被導(dǎo)入第二定向分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光方向切換設(shè)備，其被設(shè)置為使得輸入光在可切換偏振器之前通過(guò)雙折射透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光方向切換設(shè)備，其被設(shè)置為使得輸入光在雙折射透鏡之前通過(guò)可切換偏振器。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，對(duì)該雙折射透鏡的雙折射進(jìn)行設(shè)置，以使對(duì)于第一或第二偏振分量之一該雙折射透鏡基本不具有光學(xué)作用，從而相應(yīng)的第一或第二定向分布與輸入定向分布基本相同。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，該可切換偏振器可以機(jī)械地在第一和第二偏振模式之間切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光方向切換設(shè)備，其中，該可切換偏振器包括用于第一偏振模式的第一偏振器和用于第二偏振模式的第二偏振器，并且對(duì)該設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使該設(shè)備的用戶可以將第一和第二偏振器互換，以提供偏振模式的切換。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光方向切換設(shè)備，其中，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，使該可切換偏振器相對(duì)于該雙折射透鏡以第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊在一位置和平面中進(jìn)行定位以提供第一偏振模式，并相對(duì)于該雙折射透鏡以第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊在相同位置和平面中定位以提供第二偏振模式，使得該可切換偏振器可以在第一和第二偏振模式之間進(jìn)行切換。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光方向切換設(shè)備，其中，該可切換偏振器是線偏振器，并且在可切換偏振器的主平面中該第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊基本上與第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊成90度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光方向切換設(shè)備，其中，對(duì)該可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以使得可以通過(guò)繞位于該可切換偏振器的主平面中的軸將該可切換偏振器旋從該第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊旋轉(zhuǎn)180度來(lái)獲得該第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光方向切換設(shè)備，其中，該可切換偏振器包含與90度偏振旋轉(zhuǎn)器串聯(lián)的線偏振器，使得在第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊中，穿過(guò)該設(shè)備的光在90度偏振旋轉(zhuǎn)器之前穿過(guò)線偏振器，從而提供第一偏振模式，而在第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊中，穿過(guò)該設(shè)備的光在線偏振器之前穿過(guò)90度偏振旋轉(zhuǎn)器，從而提供第二偏振模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，該可切換偏振器可以在第一和第二偏振模式之間進(jìn)行電切換。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光方向切換設(shè)備，其中，該電可切換偏振器包括固定線偏振器和可切換波片或可切換偏振旋轉(zhuǎn)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光方向切換設(shè)備，其中，該電可切換偏振器是分段的，使得可以在第一和第二偏振模式之間選擇性地切換這些分段。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光方向切換設(shè)備，其中，該電可切換偏振器包括其間具有間隙的分段電極，并且對(duì)于第一和第二偏振模式之一，將電可切換偏振器的偏振調(diào)制材料以與這些分段相同的方式在這些間隙中對(duì)齊。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光方向切換設(shè)備，其中，該電可切換偏振器包括其間具有間隙的電極分段，并且這些間隙足夠小，以至于邊緣場(chǎng)可以切換這些間隙中的偏振調(diào)制材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光方向切換設(shè)備，其中，該偏振調(diào)制材料在切換狀態(tài)之間具有明確的閾值。
17.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，該雙折射透鏡包括微透鏡陣列。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光方向切換設(shè)備，其中，該微透鏡是柱面的，從而該雙折射透鏡是柱鏡狀屏幕。
19.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，該雙折射透鏡包括透鏡基板、平面基板和夾在該透鏡基板和該平面基板之間的雙折射材料；并且該透鏡基板的材料的折射率和/或色散分別與雙折射材料的折射率和/或色散的至少一種基本相同。
20.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，該雙折射透鏡包括通過(guò)對(duì)齊手段對(duì)齊的雙折射材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光方向切換設(shè)備，其中，通過(guò)下述一種或多種工藝來(lái)提供該對(duì)齊手段(i) 使用配向?qū)樱?ii) 使用電場(chǎng)；(iii) 使用磁場(chǎng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的光方向切換設(shè)備，其中，該對(duì)齊手段包括通過(guò)下述一種或多種工藝提供的至少一個(gè)配向?qū)?i) 摩擦聚合物層；(ii) 光配向?qū)樱?iii) 微溝槽表面
23.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，該雙折射透鏡的雙折射材料包括液晶。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的光方向切換設(shè)備，其中，該雙折射透鏡所包含的液晶包括固化聚合物網(wǎng)絡(luò)。
25.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，第一或第二偏振分量中只有一種分量的光大致在窗口平面中形成實(shí)像。
26.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，對(duì)該光方向切換設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，以切換平面圖像，并且對(duì)該可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以在該平面圖像區(qū)域中一致地切換到第一偏振模式或第二偏振模式。
27.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，其中，該雙折射透鏡包括透鏡基板、平面基板和夾在該透鏡基板和該平面基板之間的液晶層；并且在透鏡基板處的液晶的對(duì)齊和平面基板處的液晶的對(duì)齊之間，該液晶層相對(duì)扭曲對(duì)齊。
28.根據(jù)從屬于權(quán)利要求18的權(quán)利要求27所述的光方向切換設(shè)備，其中，透鏡基板處的液晶基本上平行于柱面微透鏡的幾何微透鏡軸而對(duì)齊。
29.一種可以在二維模式和三維自動(dòng)立體模式之間切換的顯示設(shè)備，其包括根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的用于在二維模式和三維模式之間切換的光方向切換設(shè)備。
30.一種多用戶顯示系統(tǒng)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1到27中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，用于在第一和第二顯示模式之間進(jìn)行切換，以使得在第一顯示模式下，可以向位于由第一定向分布形成的不同觀察窗口處的不同觀察者顯示不同的圖像，而在第二顯示模式下，可以向不同的觀察者顯示相同的圖像。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的多用戶顯示系統(tǒng)，還包括用于檢測(cè)給定用戶的位置或移動(dòng)的傳感器，以使得可以控制該顯示系統(tǒng)，從而可以防止該給定用戶在不為該給定用戶使用的觀察窗口中觀察圖像。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的多用戶顯示系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以用于車輛，以使得在第一顯示模式下，向車輛駕駛員顯示的圖像與乘客不同。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的多用戶顯示系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以用于交通控制顯示系統(tǒng)，以使得在第一顯示模式下，向位于不同車道上的駕駛員顯示不同的圖像。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的多用戶顯示系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以用于交通控制顯示系統(tǒng)，以使得在第一顯示模式下，向離該交通控制顯示系統(tǒng)不同距離的駕駛員顯示不同的圖像。
35.一種包括亮度增強(qiáng)器的透反射式顯示設(shè)備，該亮度增強(qiáng)器包括根據(jù)權(quán)利要求1到28中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，用于在第一亮度模式和第二亮度模式之間進(jìn)行切換，配置為在第一亮度模式下，根據(jù)第一定向分布把外部光導(dǎo)向該透反射式顯示設(shè)備的像素的反射部分。
36.一種包括亮度增強(qiáng)器的反射式顯示設(shè)備，該亮度增強(qiáng)器包括根據(jù)權(quán)利要求1到28中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備，用于在第一亮度模式和第二亮度模式之間進(jìn)行切換，配置為在第一亮度模式下，根據(jù)第一定向分布把外部光導(dǎo)向該反射式顯示設(shè)備的像素。
37.一種光纖切換設(shè)備，其包括根據(jù)權(quán)利要求1到28中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的光纖切換設(shè)備，還包括第一光纖和第二光纖，配置為第二光纖的一端基本上位于光方向切換設(shè)備的雙折射透鏡的焦點(diǎn)處，從而在關(guān)閉配置中，將來(lái)自第一光纖的光引導(dǎo)遠(yuǎn)離第二光纖光俘獲錐。
39.根據(jù)權(quán)利要求1到28中任何一項(xiàng)所述的光方向切換設(shè)備的用途，以在下列設(shè)備組中的任何一個(gè)中可切換地提供光的多個(gè)定向分布(i)可在二維模式和三維自動(dòng)立體模式之間進(jìn)行切換的顯示設(shè)備；(ii)多用戶顯示系統(tǒng)；(iii)其中光方向切換設(shè)備提供可切換亮度增強(qiáng)的透反射式顯示設(shè)備；(iv)其中光方向切換設(shè)備提供可切換亮度增強(qiáng)的反射式顯示設(shè)備；(v)光纖切換設(shè)備
40.一種切換光方向的方法，其包括將光輸入包括串聯(lián)設(shè)置的可切換偏振器和雙折射透鏡的光方向切換設(shè)備；以及在通過(guò)第一偏振分量的光的第一偏振模式和通過(guò)第二偏振分量的光的第二偏振模式之間進(jìn)行切換可切換偏振器，以使得在可切換偏振器被設(shè)置在第一偏振模式時(shí)，該設(shè)備以第一定向分布輸出該光，而在該偏振器被設(shè)置在第二偏振模式時(shí)，該設(shè)備以不同于第一定向分布的第二定向分布輸出該光。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中，執(zhí)行將光輸入光方向切換設(shè)備的步驟，使得該光在可切換偏振器之前通過(guò)雙折射透鏡。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中，執(zhí)行將光輸入光方向切換設(shè)備的步驟，使得該光在雙折射透鏡之前通過(guò)可切換偏振器。
43.根據(jù)權(quán)利要求40到42中任何一項(xiàng)所述的方法，還包括對(duì)雙折射透鏡的雙折射進(jìn)行設(shè)置，以使得對(duì)于第一或第二偏振分量之一，該雙折射透鏡基本上沒(méi)有光學(xué)作用，從而相應(yīng)的第一或第二定向分布與輸入定向分布基本上相同。
44.根據(jù)權(quán)利要求40到43中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，在第一和第二偏振模式之間機(jī)械地切換該可切換偏振器。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，該可切換偏振器包括用于第一偏振模式的第一偏振器和用于第二偏振模式的第二偏振器，在第一和第二偏振模式之間切換該可切換偏振器的步驟包括互換第一和第二偏振器。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，在第一和第二偏振模式之間切換該可切換偏振器的步驟包括使該可切換偏振器相對(duì)于該雙折射透鏡以第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊在一位置和平面中進(jìn)行定位以提供第一偏振模式，并相對(duì)于該雙折射透鏡以第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊在相同位置和平面中定位以提供第二偏振模式。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中，該可切換偏振器是線偏振器，并且在可切換偏振器的主平面中，第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊與第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊大致成90度。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中，對(duì)該可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以通過(guò)繞位于可切換偏振器的主平面中的軸將可切換偏振器從第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊旋轉(zhuǎn)180度來(lái)實(shí)現(xiàn)第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中，該可切換偏振器包括與90度偏振旋轉(zhuǎn)器串聯(lián)的線偏振器，使得在第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊中，穿過(guò)該設(shè)備的光在該90度偏振旋轉(zhuǎn)器之前通過(guò)線偏振器，從而提供第一偏振模式，而在第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊中，穿過(guò)該設(shè)備的光在線偏振器之前通過(guò)90度偏振旋轉(zhuǎn)器，從而提供第二偏振模式。
50.根據(jù)權(quán)利要求40到43中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，該可切換偏振器在第一和第二偏振模式之間電切換。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中，該電可切換偏振器包括固定線偏振器和可切換波片或可切換偏振旋轉(zhuǎn)器。
52.根據(jù)權(quán)利要求50或51所述的方法，其中，該電可切換偏振器是分段的，該方法還包括在第一和第二偏振模式之間選擇性地切換這些分段。
53.根據(jù)權(quán)利要求40到52中任何一項(xiàng)所述的方法，其包括切換該可切換偏振器，以使得第一或第二偏振分量中只有一個(gè)分量的光大致在窗口平面中形成實(shí)像。
54.根據(jù)權(quán)利要求40到52中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，被定向切換的光包括平面圖像；并且切換該可切換偏振器的步驟包括在平面圖像的區(qū)域上一致地切換該可切換偏振器。
55.一種定向顯示設(shè)備，其包括包括像素陣列的空間光調(diào)制器；與該像素陣列對(duì)齊的雙折射透鏡陣列；可在通過(guò)第一偏振分量的光的第一偏振模式和通過(guò)第二偏振分量的光的第二偏振模式之間進(jìn)行切換的可切換偏振器；雙折射的雙折射微透鏡，在工作時(shí)，該雙折射微透鏡將第一偏振分量的光基本上導(dǎo)入第一定向分布，并把第二偏振分量的光基本上導(dǎo)入不同于第一定向分布的第二定向分布；上述像素陣列、雙折射透鏡陣列和可切換偏振器串連設(shè)置，并配置為在工作時(shí)，從空間光調(diào)制器輸出的光由雙折射透鏡導(dǎo)向，并由可切換偏振器選擇性地吸收，以從該定向顯示設(shè)備提供定向調(diào)制的輸出光，當(dāng)可切換偏振器被設(shè)置為第一偏振模式時(shí)，該定向調(diào)制輸出光具有第一定向分布，而當(dāng)可切換偏振器被設(shè)置為第二偏振模式時(shí)，該定向調(diào)制的輸出光具有不同于第一定向分布的第二定向分布。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的定向顯示設(shè)備，其中，該空間光調(diào)制器包括輸出檢偏偏振器，以使得從該空間光調(diào)制器輸出的光基本上以第一線偏振方向線偏振。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的定向顯示設(shè)備，其中，雙折射透鏡的雙折射設(shè)置為各個(gè)微透鏡的雙折射光軸與第一線偏振方向基本上成45度；以及對(duì)可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以使得第一偏振分量基本上平行于各個(gè)微透鏡的雙折射光軸，并且第二偏振分量與各個(gè)微透鏡的雙折射光軸大致成90度；因此，第一定向分布包括基本上由雙折射微透鏡的透鏡功能提供的分布，而第二定向分布包括基本上沒(méi)有任何雙折射微透鏡的透鏡功能而提供的分布。
58.根據(jù)權(quán)利要求55所述的定向顯示設(shè)備，其中，空間光調(diào)制器提供了相位調(diào)制輸出，并且對(duì)可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以除了提供在第一和第二偏振模式之間的切換以外，還提供相位調(diào)制輸出的輸出偏振檢偏。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的定向顯示設(shè)備，其包括液晶顯示器，該液晶顯示器包括在第一和第二液晶顯示基板之間形成的像素陣列；在第一液晶顯示基板的外表面提供的輸入偏振器；在第二液晶顯示基板的外表面和所述可切換偏振器之間提供的所述雙折射微透鏡陣列。
60.根據(jù)權(quán)利要求58或59所述的定向顯示設(shè)備，其中，所述空間光調(diào)制器是液晶器件，并且對(duì)該定向顯示設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，以提供用于第一或第二定向分布的常黑模式；還包括在常黑模式下用于不同顯示顏色的灰度修正裝置。
61.根據(jù)權(quán)利要求58或59所述的定向顯示設(shè)備，其中，所述空間光調(diào)制器是液晶器件，并且對(duì)該定向顯示設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，以為第一定向分布和第二定向分布提供常白模式。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的定向顯示設(shè)備，其中，通過(guò)設(shè)置在空間光調(diào)制器的輸入偏振器和空間光調(diào)制器的像素陣列之間的可切換90度偏振旋轉(zhuǎn)器來(lái)提供用于第一和第二定向分布的常白模式。
63.根據(jù)權(quán)利要求55所述的定向顯示設(shè)備，其中，像素陣列包括基本位于像素平面中的反射器，以提供反射式或透反射式定向顯示設(shè)備。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的定向顯示設(shè)備，其設(shè)置為使得一個(gè)或多個(gè)外部光源被雙折射微透鏡陣列聚焦，以對(duì)于一個(gè)定向分布大致在像素平面反射器處形成圖像。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的定向顯示設(shè)備，其設(shè)置為作為反射式定向顯示設(shè)備工作，還設(shè)置為提供標(biāo)準(zhǔn)亮度模式，在該模式下雙折射微透鏡不對(duì)外部光源進(jìn)行任何成像；以及亮度增強(qiáng)模式，在該模式下將外部光源成像到像素上。
66.根據(jù)權(quán)利要求64所述的定向顯示設(shè)備，其設(shè)置為作為透反射式定向顯示設(shè)備工作，還設(shè)置為提供標(biāo)準(zhǔn)亮度模式，在該模式下雙折射微透鏡基本上不對(duì)外部光源進(jìn)行任何成像，并且雙折射微透鏡基本上不對(duì)像素的透射部分進(jìn)行任何成像；以及亮度增強(qiáng)模式，在該模式下將外部光源成像到像素的反射部分上，或者以修正的定向分布對(duì)像素的透射部分進(jìn)行成像。
67.根據(jù)權(quán)利要求55到66中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，還包括最佳位置指示器。
68.根據(jù)權(quán)利要求67所述的定向顯示設(shè)備，其中，該最佳位置指示器和顯示區(qū)域彼此分離，并被設(shè)置為接收來(lái)自公共背光裝置的輸入光。
69.根據(jù)權(quán)利要求67或68所述的定向顯示設(shè)備，其中，該最佳位置指示器還包括另一個(gè)微透鏡陣列和經(jīng)過(guò)對(duì)齊以遮擋來(lái)自該另一個(gè)微透鏡陣列中相隔的微透鏡的光的掩膜。
70.根據(jù)權(quán)利要求67或68所述的定向顯示設(shè)備，其中，該最佳位置指示器使用所述雙折射微透鏡陣列，并且還包括用于遮擋該陣列中相隔的微透鏡的光的掩膜。
71.根據(jù)權(quán)利要求55所述的定向顯示設(shè)備，其設(shè)置為使得光在可切換偏振器之前通過(guò)雙折射微透鏡陣列。
72.根據(jù)權(quán)利要求55所述的定向顯示設(shè)備，其設(shè)置為使得光在雙折射微透鏡陣列之前通過(guò)可切換偏振器。
73.根據(jù)權(quán)利要求55到72中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，所述雙折射微透鏡的雙折射設(shè)置為使得對(duì)于第一或第二偏振分量之一，該雙折射微透鏡基本沒(méi)有光學(xué)作用，從而相應(yīng)的第一或第二定向分布與輸入定向分布基本相同。
74.根據(jù)權(quán)利要求55到73中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，該可切換偏振器可以在第一和第二偏振狀態(tài)之間機(jī)械地切換。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的定向顯示設(shè)備，其中，該可切換偏振器包括用于第一偏振模式的第一偏振器和用于第二偏振模式的第二偏振器，并且對(duì)該設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得該設(shè)備的用戶可以將第一和第二偏振器互換，以提供偏振模式的切換。
76.根據(jù)權(quán)利要求74所述的定向顯示設(shè)備，其中，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，使該可切換偏振器相對(duì)于該雙折射透鏡以第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊在一位置和平面中進(jìn)行定位以提供第一偏振模式，并相對(duì)于該雙折射透鏡以第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊在相同位置和平面中定位以提供第二偏振模式，使得該可切換偏振器可以在第一和第二偏振模式之間進(jìn)行切換。
77.根據(jù)權(quán)利要求76所述的定向顯示設(shè)備，其中，該可切換偏振器是線偏振器，并且在該可切換偏振器的主平面中第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊與第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊成90度。
78.根據(jù)權(quán)利要求76所述的定向顯示設(shè)備，其中，對(duì)可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以使得通過(guò)繞位于可切換偏振器的主平面中的軸將可切換偏振器從第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊旋轉(zhuǎn)180度來(lái)實(shí)現(xiàn)第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊。
79.根據(jù)權(quán)利要求78所述的定向顯示設(shè)備，其中，該可切換偏振器包括與90度偏振旋轉(zhuǎn)器串聯(lián)的線偏振器，使得在第一旋轉(zhuǎn)對(duì)齊中，穿過(guò)該設(shè)備的光在90度偏振旋轉(zhuǎn)器之前通過(guò)線偏振器，從而提供第一偏振模式，而在第二旋轉(zhuǎn)對(duì)齊中，穿過(guò)該設(shè)備的光在線偏振器之前通過(guò)90度偏振旋轉(zhuǎn)器，從而提供第二偏振模式。
80.根據(jù)權(quán)利要求55到73中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，該可切換偏振器可以在第一和第二偏振模式之間進(jìn)行電切換。
81.根據(jù)權(quán)利要求80所述的定向顯示設(shè)備，其中，該電可切換偏振器包括固定線偏振器和可切換波片或可切換偏振旋轉(zhuǎn)器。
82.根據(jù)權(quán)利要求80或81所述的定向顯示設(shè)備，其中，該電可切換偏振器是分段的，可以選擇性地在第一和第二偏振模式之間對(duì)這些分段進(jìn)行切換。
83.根據(jù)權(quán)利要求82所述的定向顯示設(shè)備，其中，該電切換偏振器包括其間具有間隙的分段電極，并且對(duì)于第一和第二偏振模式之一，電可切換偏振器的偏振調(diào)制材料以與這些分段相同的方式在間隙中對(duì)齊。
84.根據(jù)權(quán)利要求82所述的定向顯示設(shè)備，其中，該電可切換偏振器包括其間具有間隙的電極分段，并且這些間隙足夠小，從而邊緣場(chǎng)切換這些間隙中的偏振調(diào)制材料。
85.根據(jù)權(quán)利要求84所述的定向顯示設(shè)備，其中，該偏振調(diào)制材料在切換狀態(tài)之間具有明確的閾值。
86.根據(jù)權(quán)利要求55到85中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，所述微透鏡是柱面的，使得雙折射透鏡陣列成為柱鏡狀屏幕。
87.根據(jù)權(quán)利要求55到86中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，雙折射微透鏡陣列包括透鏡基板、平面基板和夾在該透鏡基板和該平面基板之間的雙折射材料；并且透鏡基板材料的折射率和/或色散分別與該雙折射材料的至少一種折射率和/或色散中基本相同。
88.根據(jù)權(quán)利要求55到87中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，該雙折射微透鏡包括通過(guò)對(duì)齊手段對(duì)齊的雙折射材料。
89.根據(jù)權(quán)利要求88所述的定向顯示設(shè)備，其中，通過(guò)下述一種或多種工藝來(lái)提供所述對(duì)齊手段(i)使用配向?qū)樱?ii)使用電場(chǎng)；(iii)使用磁場(chǎng)
90.根據(jù)權(quán)利要求88或80所述的定向顯示設(shè)備，其中，該對(duì)齊手段包括通過(guò)下述一種或多種工藝提供的至少一個(gè)配向?qū)?i)摩擦聚合物層；(ii)光配向?qū)樱?iii)具有微溝槽的表面
91.根據(jù)權(quán)利要求55到90中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，雙折射微透鏡的雙折射材料包括液晶。
92.根據(jù)權(quán)利要求91所述的定向顯示設(shè)備，其中，雙折射微透鏡所包含的液晶包括固化聚合物網(wǎng)絡(luò)。
93.根據(jù)權(quán)利要求55到92中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其設(shè)置為使得通過(guò)對(duì)第一偏振模式下的光輸出具有光學(xué)作用的雙折射微透鏡的性能，第一定向分布提供在觀察平面中形成多個(gè)觀察窗口的輸出光，其中，來(lái)自第一組像素的光位于一個(gè)觀察窗口中，而來(lái)自第二組像素的光位于另一個(gè)觀察窗口中，該第二組像素包括其余的像素，使得可以分別使用第一組像素和第二組像素形成不同的圖像，從而在不同的觀察窗口中提供不同的圖像；以及通過(guò)在第二偏振模式下對(duì)光輸出不具有光學(xué)作用的雙折射微透鏡的性能，第二定向分布不提供分離的觀察窗口。
94.根據(jù)權(quán)利要求93所述的定向顯示設(shè)備，其中，將觀察平面中的觀察窗口設(shè)置為使得可以在第一偏振模式下向觀察者的不同的眼睛提供不同的圖像，從而提供自動(dòng)立體3D圖像，由此提供可在2D模式和自動(dòng)立體3D模式之間進(jìn)行切換的設(shè)備。
95.根據(jù)權(quán)利要求93所述的定向顯示設(shè)備，其中，將觀察平面中的觀察窗口設(shè)置為使得可以在第一偏振模式下向不同的觀察者提供不同的圖像；從而提供可以在向不同用戶顯示不同圖像的模式和向不同用戶顯示同一圖像的模式之間進(jìn)行切換的設(shè)備。
96.根據(jù)權(quán)利要求95所述的定向顯示設(shè)備，其中，還包括用于檢測(cè)給定用戶的位置或移動(dòng)的傳感器，以使得可以控制顯示系統(tǒng)，從而可以防止該給定用戶在不為該給定用戶使用的觀察窗口中觀察圖像。
97.根據(jù)權(quán)利要求95或96所述的定向顯示設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以適用于車輛，以使得在向不同用戶顯示不同圖像的模式下，向車輛駕駛員顯示的圖像與乘客不同。
98.根據(jù)權(quán)利要求95所述的定向顯示設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以適用于交通控制顯示系統(tǒng)，以使得在向不同用戶顯示不同圖像的模式下，可以向位于不同車道中的駕駛員顯示不同的圖像。
99.根據(jù)權(quán)利要求95所述的定向顯示設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以適用于交通控制顯示系統(tǒng)，以使得在向不同用戶顯示不同圖像的模式下，可以向離該交通控制顯示系統(tǒng)不同距離的駕駛員顯示不同的圖像。
100.根據(jù)權(quán)利要求55到99中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，第一或第二偏振分量中只有一個(gè)分量的光大致在窗口平面中形成實(shí)像。
101.根據(jù)權(quán)利要求55到100中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，對(duì)該可切換偏振器進(jìn)行設(shè)置，以在對(duì)應(yīng)于兩個(gè)或多個(gè)像素的區(qū)域中一致地切換。
102.根據(jù)權(quán)利要求55到101中任何一項(xiàng)所述的定向顯示設(shè)備，其中，該雙折射透鏡包含透鏡基板、平面基板和夾在該透鏡基板和該平面基板之間的液晶層；并且該液晶層經(jīng)過(guò)對(duì)齊，在透鏡基板處的液晶的對(duì)齊和平面基板處的液晶的對(duì)齊之間存在相對(duì)扭曲。
103.根據(jù)權(quán)利要求102所述的定向顯示設(shè)備，其中，該相對(duì)扭曲使得空間光調(diào)制器的輸出偏振與平面基板處的液晶的配向?qū)R。
104.根據(jù)從屬于權(quán)利要求80的權(quán)利要求102或103所述的定向顯示設(shè)備，其中，透鏡基板處的液晶基本上平行對(duì)齊于柱面微透鏡的幾何微透鏡軸而對(duì)準(zhǔn)。
105.一種直接觀察反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其包括能夠在成像平面中形成外部光源的圖像陣列的透鏡陣列；反射器裝置，基本位于所述成像平面中，以反射所述圖像陣列，對(duì)該反射器裝置和透鏡陣列進(jìn)行設(shè)置，以使所述圖像陣列由所述反射器裝置通過(guò)該透鏡陣列反射，以將各圖像的光導(dǎo)入基本上相同的定向分布；以及圖像顯示設(shè)備，其具有設(shè)置用來(lái)對(duì)反射圖像的光進(jìn)行調(diào)制的像素陣列，其中，該反射器裝置是光偏轉(zhuǎn)反射器，使得圖像的各個(gè)相應(yīng)有限部分通過(guò)一透鏡孔徑反射，該透鏡孔徑不同于形成圖像的相應(yīng)有限部分的透鏡孔徑由沿成像平面延伸的平面反射器所成像在的透鏡孔徑。
106.根據(jù)權(quán)利要求105所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，對(duì)該反射器裝置和該透鏡陣列進(jìn)行設(shè)置，以使圖像的各相應(yīng)有限部分通過(guò)與形成該圖像的該相應(yīng)有限部分的透鏡孔徑不同的透鏡孔徑反射。
107.根據(jù)權(quán)利要求105或106所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該光偏轉(zhuǎn)反射器裝置包括平面反射器；以及接近該反射器的散射器。
108.根據(jù)權(quán)利要求105或106所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該光偏轉(zhuǎn)反射器裝置包括提供散射反射的反射器。
109.根據(jù)權(quán)利要求105或106所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該光偏轉(zhuǎn)反射器裝置是全息圖。
110.根據(jù)權(quán)利要求105或106所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該光偏轉(zhuǎn)反射器裝置具有相對(duì)于以一定角度延伸到成像平面的各圖像成一定角度的反射表面。
111.根據(jù)權(quán)利要求105到110中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該光偏轉(zhuǎn)反射器裝置包括一組獨(dú)立的反射器，其中各個(gè)反射器分別反射一個(gè)所述圖像。
112.根據(jù)權(quán)利要求111所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該組獨(dú)立的反射器的間距與透鏡陣列的間距基本相同。
113.根據(jù)權(quán)利要求111或112所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該組獨(dú)立的反射器的間距與圖像顯示器的像素的間距基本相同。
114.根據(jù)權(quán)利要求111或112所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該組獨(dú)立的反射器的間距基本上等于圖像顯示器的像素的間距除以一個(gè)大于1的整數(shù)。
115.根據(jù)權(quán)利要求105到114中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該反射器裝置構(gòu)成該圖像顯示設(shè)備的各個(gè)像素的至少一部分。
116.根據(jù)權(quán)利要求105到114中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該透鏡陣列和反射器裝置相對(duì)于預(yù)定的觀察方向位于該圖像顯示設(shè)備的后面。
117.根據(jù)權(quán)利要求105到114中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該透鏡陣列相對(duì)于預(yù)定的觀察方向位于該圖像顯示設(shè)備的前面，并且該反射器裝置位于該圖像顯示設(shè)備的后面。
118.根據(jù)權(quán)利要求105到117中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該陣列中的透鏡是柱面的。
119.根據(jù)權(quán)利要求118所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該透鏡相對(duì)于顯示器的預(yù)定觀察方向沿著水平方向延伸。
120.根據(jù)權(quán)利要求105到119中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該圖像顯示設(shè)備是下述之一可在反射模式中工作的透射式顯示器；反射式顯示器；或透反射式顯示器。
121.根據(jù)權(quán)利要求105到120中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該透鏡是無(wú)源透鏡。
122.根據(jù)權(quán)利要求105到121中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，對(duì)該光學(xué)顯示設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，以使得其能夠在其中透鏡陣列在成像平面上形成外部光源的圖像陣列的第一模式和其中透鏡基本上沒(méi)有光學(xué)作用的第二模式之間進(jìn)行切換。
123.根據(jù)權(quán)利要求122所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該光學(xué)顯示設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求1到28中任何一項(xiàng)所述的光切換設(shè)備、由雙折射透鏡形成的透鏡陣列。
124.根據(jù)權(quán)利要求122或123所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該透鏡由雙折射材料構(gòu)成。
125.根據(jù)權(quán)利要求124所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該反射器裝置是偏振敏感的，以主要反射在該反射器裝置的偏振方向上偏振的光，并透射在垂直于所述偏振方向的方向上偏振的光，該光學(xué)顯示設(shè)備還包括設(shè)置在上述反射器裝置之后的另一個(gè)反射器裝置。
126.根據(jù)權(quán)利要求125所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，反射器裝置的偏振方向與透鏡的雙折射材料的尋常軸和非尋常軸之一對(duì)齊。
127.根據(jù)權(quán)利要求124到126中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，在該透鏡的彎曲表面上設(shè)置有折射率等于雙折射材料的尋常折射率或非尋常折射率之一的層，以使該透鏡對(duì)于在該雙折射材料的尋常軸和非尋常軸中相應(yīng)的一個(gè)方向上偏振的光基本上沒(méi)有光學(xué)作用。
128.根據(jù)權(quán)利要求124到127中任何一項(xiàng)所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，還包括與該透鏡陣列串聯(lián)的可切換偏振器，其可在其中透射沿雙折射材料的尋常軸方向偏振的光的第一狀態(tài)和其中透射沿雙折射材料的非尋常軸方向偏振的光的第二狀態(tài)之間進(jìn)行切換。
129.根據(jù)權(quán)利要求122所述的反射式光學(xué)顯示設(shè)備，其中，該透鏡是有源雙折射透鏡。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種光方向切換設(shè)備及方法。該光方向切換設(shè)備包括無(wú)源雙折射透鏡(138)，如雙折射柱鏡狀屏幕；以及可切換偏振器(146)。通過(guò)切換偏振器(146)，可以提供輸出光的不同定向分布。該光方向切換設(shè)備可與諸如液晶顯示設(shè)備的顯示設(shè)備一起使用，或集成到其中，以提供可以在二維模式和自動(dòng)立體三維模式之間進(jìn)行切換的顯示設(shè)備，或者提供其中向不同觀察者顯示不同圖像的多用戶顯示設(shè)備。該光方向切換設(shè)備也可以用來(lái)提供可切換的亮度增強(qiáng)的反射式或透反射式顯示設(shè)備。該光方向切換設(shè)備還可以用來(lái)提供光纖切換設(shè)備。該可切換偏振器可機(jī)械切換或電切換。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1539095SQ02815418
公開(kāi)日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月6日
發(fā)明者格雷厄姆·約翰·伍德蓋特, 格雷厄姆 約翰 伍德蓋特, 哈羅德, 喬納森·哈羅德 申請(qǐng)人:奧庫(kù)提有限公司