專利名稱：透鏡陣列結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動立體顯示裝置。這種設備可以用于可切換的二維(2D)/三維(3D)自動立體顯示裝置；可切換的高亮度反射顯示系統(tǒng)；多用戶顯示系統(tǒng)；或定向照明系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以用于計算機監(jiān)示器、通訊手持裝置、數(shù)字照相機、膝上型和桌上型計算機、游戲裝置、自動和其它移動顯示應用。
背景技術：
正常人的視覺是立體的，即，每只眼睛看稍微不同范圍的圖像。大腦合并兩個圖像(稱為立體對)，以給出深度感。三維立體器顯示重放分離的圖像(通常是平面的)給每只眼睛，這些分離的圖像對應于觀看實際范圍場景所看到的景象。大腦再次合并立體對，以給出圖像的視在深度。
圖1a示出在顯示平面1中的顯示表面的平面圖。右眼2看顯示平面上的右眼同名像點3和左眼4觀看顯示平面上的左眼同名點5，以產(chǎn)生用戶感覺到在屏幕平面后面的視在像點6。
圖1b示出在顯示平面1中的顯示表面的平面圖。右眼2觀看顯示平面上的右眼同名像點7和左眼4看顯示平面上的左眼同名像點8，以產(chǎn)生在屏幕前面的視在像點9。
圖1c示出左眼圖像10和右眼圖像11的細節(jié)。左眼圖像10中的同名點5位于參考線12上。右眼圖像11中的相應同名點3相對參考線12在不同的相對位置3。點3與參考線12的間距13稱為視差，在這種情況下，對于位于屏幕平面后面的點來說是正視差。
對于在場景中的綜合點，在立體對的每個圖像中有相應點，如圖1a所示。這些點稱為同名點。在兩個圖像之間的同名點的相對間距稱為視差；零視差的點對應于在顯示器的深度平面的點。圖1b示出在顯示器后面出現(xiàn)不交叉視差的點，圖1c示出在顯示器前面出現(xiàn)交叉視差的點。同名點間距的大小、到觀察者的距離，和觀察者兩眼之間的距離得出在顯示器上看到的深度量。
立體型顯示器在現(xiàn)有技術中是公知的，并且涉及用戶使用某種觀看輔助工具、以基本上分離的視圖送到左眼和右眼的顯示器。例如，觀看輔助工具可以是圖像被彩色編碼(例如，紅和綠)的彩色濾光片；圖像在垂直偏振狀態(tài)解碼的偏振玻璃；或視圖被解碼成與玻璃光閥(shutter)的開啟同步的臨時圖像順序的光閥玻璃。
自動立體顯示器不用觀察者使用觀看輔助工具。在自動立體顯示器中，每個視圖可以從有限的空間區(qū)域看見，如圖2所示。
圖2a示出具有附加視差光學組件17的顯示裝置16。顯示裝置產(chǎn)生右眼圖像18，用于右眼信道。視差光學組件17沿箭頭19所示的方向引導光，以在顯示器前面的區(qū)域產(chǎn)生右眼視窗20。觀察者將他們的右眼22放在窗口20的位置。示出左眼視窗24的位置，用于參考。視窗20也可以稱為垂直延伸光瞳。
圖2b示出左眼光學系統(tǒng)。顯示裝置16產(chǎn)生左眼圖像26，用于左眼信道。視差光學組件17沿箭頭28的方向引導光，以在顯示器前面的區(qū)域產(chǎn)生左眼視窗30。觀察者將他們的左眼32放在窗口30的位置。示出右眼視窗20的位置是用于參考。
系統(tǒng)包括顯示器和光學操縱機構。來自左圖像26的光被送到顯示器前面的有限區(qū)域，稱作視窗30。如果眼睛32放在視窗30的位置，那么觀察者在整個顯示器16上看見正確的圖像26。類似地，光學系統(tǒng)將用于右圖像18的光送到分離窗口20。如果觀察者將他們的右眼22放在這個窗口，那么在整個顯示器上看見右眼圖像。通常，來自任一圖像的光被認為光學指向(即，引導)到相應的定向分布。
圖3示出在窗口平面42中產(chǎn)生左眼視窗36、37、38和右眼視窗39、40、41的顯示平面34中的顯示裝置16、17的平面圖。視窗平面與顯示器的間距稱為標稱視距43。在相對顯示器中心位置的窗口37、40是在第零個波瓣44。第零個波瓣44右側的窗口36、39是在+1波瓣46，而第零個波瓣44左側的窗口38、41是在-1波瓣。
顯示器的視窗平面(viewing window plane)表示與顯示器相距的一距離，在該距離處橫向觀看自由度是最大的。對于離開窗口平面的點，具有鉆石形的自動立體觀看區(qū)，如圖3的平面圖所示。從圖中可以看出，來自顯示器上每個點的光以有限寬度的錐形傳送到視窗。錐形的寬度可以限定為角度寬度。
如果眼睛放在一對視區(qū)的每一個，諸如37、40，那么在整個顯示區(qū)將看到自動立體圖像。對于第一級，顯示器的縱向觀看自由度由這些視區(qū)的長度來確定。
圖4中示在顯示器的窗口平面上的光強50(構成光的定向分布的一種有形形式)相對理想化的窗口的位置51的變化。右眼窗口位置光強分布52對應于圖3中的窗口41，光強分布53對應于窗口37，光強分布54對應于窗口40，和光強分布55對應于窗口36。
圖5示意性地示出更實際窗口的光強分布與位置關系。右眼窗口位置光強分布56對應于圖3中的窗口41，光強分布57對應于窗口37，光強分布對應于窗口40和光強分布59對應于窗口36。
圖像間隔的質量、顯示器的橫向觀看自由度范圍和縱向橫向觀看自由度范圍取決于窗口質量，如圖4所示。圖4示出理想視窗，而圖5是可以從顯示器輸出的實際視窗的示意圖。由于不合適的窗口性能，會出現(xiàn)多個假象。當來自右眼的圖像被左眼看見時，出現(xiàn)串擾(cross talk)，反之亦然。這是可導致用戶視覺疲勞的明顯3D圖像退化機理。此外，很差的窗口質量導致觀察者的觀看自由度降低。光學系統(tǒng)設計成優(yōu)化視窗的性能。
視差元件可以是視差屏障，其包括不透明區(qū)與透射區(qū)交替的陣列。視差屏障依靠阻擋來自顯示區(qū)的光，從而降低亮度和裝置效率，一般為原始顯示亮度的大約20％-40％。由于屏障的子像素對準公差相對顯示器的像素結構的要求，視差屏障不容易去除和代替，以便優(yōu)化顯示器的觀看自由度。2D模式是一半分辨率。
在本領域公知用于立體顯示、代替視場屏障的另一種視差光學元件微透鏡屏幕(lenticular screen)，其是柱面微透鏡垂直延伸的陣列。
圖6示出利用微透鏡屏幕的現(xiàn)有技術顯示裝置的典型結構。背光60產(chǎn)生光輸出62，其入射到LCD輸入偏振器64上。光透過TFT LCD襯底66并入射到在LCD像素平面67上、行和列排列的重復像素陣列上。紅色像素68、71、74，綠色像素69、72、75，和藍色像素70、73各包括單獨可控制液晶層，并且用叫作黑色掩模(black mask)76的不透明掩模區(qū)隔開。每個像素包括透射區(qū)或像素孔徑78。通過像素的光用LCD像素平面67中的液晶材料調制相位，并且用位于LCD彩色濾光片襯底上的彩色濾光片80調制顏色。然后，光通過在其后面設置微透鏡屏幕襯底94的輸出偏振器82和在微透鏡屏幕襯底94表面上形成的微透鏡屏幕96。至于視差屏障，微透鏡屏幕96用于將來自交替像素69、71、73、75的光照射到右眼，如用來自像素69的光線88表示，將來自中間列68、70、72、74的光照射到左眼，如用來自像素68的光線90表示。觀察者看見來自照明對微透鏡屏幕96的單個透鏡(lenticular)98孔徑的潛在像素的光。用捕獲光線100表示捕獲光錐形的范圍。
在上面的布置中，LCD像素平面起空間光調制器(SLM)的作用。作為在本文件中使用的術語空間光調制器或SLM包括“光閥(light vlave)”裝置諸如液晶顯示器和發(fā)射裝置諸如電致發(fā)光顯示器和LED顯示器。
柱鏡顯示器(lenticular display)在Tokoshi的“Three Dimensional ImagingTechniques(三維成像技術)(Academic Press，1976)”中描述。一種利用空間光調制器的柱鏡顯示器在US-4,959,641中描述。US-4,959,641的發(fā)明描述了在空氣中的非轉換柱鏡元件。
利用相對顯示器的像素列傾斜的柱面透鏡的柱鏡顯示器在SPIEproceedings的Vol.2653，1996，32-39頁公開的“Multiview 3D-LCD”中描述。
上述平板顯示器的觀看自由度由顯示器的窗口結構限定。
通過測量觀察者的位置并相應地移動視差元件來提高觀看自由度的顯示器EP 0 829 743中描述。這種觀察者測量設備和機械驅動既昂貴又復雜。
例如，在EP 0721131中描述了這樣一種顯示器，其中窗口光學結構不改變(例如，固定視差光學元件顯示器)并相應于觀察者的測量位置轉換圖像數(shù)據(jù)，使得觀察者保持基本無畸變的圖像。
2D-3D可轉換顯示器如上所述，利用視差光學元件產(chǎn)生空間多路3D的顯示器將每個圖像的分辨率限制成最多是全顯示分辨率的一半。在許多應用中，顯示器被設計為小部分時間用于3D模式，并且要求具有全分辨率無假象2D模式。
一種消除視差光學元件影響的顯示器披露在“Devolopments inAutostereoscopic Technology at Dimension Technologies Inc.(立體技術在空間技術公司的發(fā)展)(Proc.SPIE，vol.1915，Stereoscopic Displays andApplications IV(1993)，pp177-186，1993)”中。在這種情況下，可轉換散光元件放在用于形成光線的光學系統(tǒng)中。這種可轉換散光體例如可以是聚合散光液晶型的，其中根據(jù)在材料上所施加的電壓的施加，分子排列在散射和非散射模式之間轉換。在3D模式，散光體是透明的并且形成光線，以產(chǎn)生后視差屏障效果。在2D模式，散光體散射并且光線被淡白(wash out)，產(chǎn)生均勻光源的效果。這樣，顯示器的輸出基本上是朗伯型(Lambertian)并且窗口被淡白。那么，觀察者看見作為全分辨率2D顯示的顯示器。這種顯示器在3D模式產(chǎn)生菲涅耳衍射假象，以及在增加顯示串擾的散光體透明狀態(tài)產(chǎn)生不必要的殘余散射。因此，這種顯示器可能顯示較高水平的可視應變(visual strain)。
在EP-A-0,833,183公開的另一種可轉換2D-3D顯示器中，第二LCD放在顯示器前面用作視差光學元件。在第一模式，視差LCD是透明的，從而沒有形成窗口并且看見2D圖像。在第二模式，裝置被轉換成形成視差屏障的縫隙。那么產(chǎn)生輸出窗口并且圖像看起來象3D。由于使用兩個LCD元件，這種顯示器增加成本和復雜性，也降低亮度或增加功耗。如果用在反射模式3D顯示系統(tǒng)中，視差屏障導致非常低的亮度，由于通過視差屏障在遮擋區(qū)和不在遮擋區(qū)的光衰減，視差屏障導致非常低的亮度。
在EP-A-0,829,744公開的另一種可轉換2D-3D顯示器中，視差屏障包括半波延遲元件的構圖陣列(patterned array)。延遲元件的圖形對應于屏障縫隙和視差屏障元件中的吸收區(qū)的圖形。在3D操作模式，偏振器加到顯示器中，以分析構圖延遲器的縫隙。這樣，形成吸收視差屏障。在2D操作模式，當沒有包含在2D操作模式的任何偏振特性時，徹底去除偏振器。因此，顯示器的輸出是全分辨率和全亮度。一個缺點是這種顯示器使用視差屏障技術，因此，在3D操作模式也許限制20-30％的亮度。同樣，顯示器具有被屏障孔徑的衍射限制的觀看自由度和串擾。
已知提供電可轉換雙折射透鏡用于定向地轉換光。已知使用這種透鏡來轉換在2D操作模式和3D操作模式之間的顯示器。
例如，電可轉換雙折射液晶微透鏡在下述文獻中得到描述Electrodedesigns for tuneable microlenses(用于可調微透鏡的電極設計)，pp48-58，L.G.Commander et al，European Optical Topical Meetings Digest Series13，15-16May 1997。
在US-6,069,650和WO-98/21620中公開的另一種可轉換2D-3D顯示器中，包括填充液晶材料的微透鏡屏幕的可轉換微透鏡用于改變微透鏡屏幕的光功率。US-6,069,650和WO-98/21620教導在微透鏡屏幕中電光材料的使用，電光材料的折射率通過在第一值和第二值之間電位的選擇施加是可轉化的，第一值具有柱鏡裝置(lenticular means)的光輸出定向作用，第二值沒有光輸出定向作用。
包括液晶菲涅耳透鏡的3D顯示器在下述文獻中得到描述3D DisplaySystem with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens(具有雙頻液晶變焦透鏡的3D顯示系統(tǒng))，S.Suyama et al，SID 97DIGEST pp273-276。
在WO-03/015,424中公開的另一種可轉換2D-3D顯示器中，通過控制通過透鏡并到達觀察者的光的偏振，無源雙折射微透鏡在2D-3D模式之間轉換。從該參考文獻中還知道使用無源雙折射透鏡中的扭轉，以便旋轉輸入偏振，使得雙折射微透鏡幾何軸平行于在透鏡表面的雙折射材料軸。在WO-03/015,424中公開的顯示裝置之一在圖7的平面圖中示出，并且布置如下。
背光102產(chǎn)生LCD輸入偏振器106的照明104。光通過薄膜晶體管(TFT)襯底108并入射到包括單獨可控制相位調制像素112-126的像素層110上。像素排列成行和列，并且包括像素孔徑128，還有分開的黑色掩模(blackmask)130。然后，光通過LCD反襯底132和形成雙折射微透鏡陣列138的透鏡載體襯底136。雙折射微透鏡陣列138包括各向同性透鏡微結構140和具有光軸方向142的排列雙折射材料。然后，雙折射透鏡的輸出通過透鏡襯底144和偏振變化裝置146。
透鏡陣列的每個雙折射透鏡是柱面；透鏡陣列138是微透鏡屏幕并且透鏡的幾何軸離開頁面(page)。在該示例中的透鏡間距布置成基本上是顯示器像素間距的兩倍，從而形成雙視圖自動立體顯示器。
在第一操作模式，偏振變化裝置146設定成透光，偏振狀態(tài)平行于微透鏡陣列的雙折射材料的正常軸。材料(諸如液晶材料)的正常折射率基本上與各向同性微結構140的折射率匹配。因此，透鏡沒有光學作用，并且基本上不改變顯示器輸出的定向分布。在這個模式，觀察者用每個眼睛看見顯示器的所有像素112-126，并且形成2D圖像。
在第二操作模式，偏振變化裝置146設定成透光，偏振狀態(tài)平行于微透鏡陣列的雙折射材料的非常軸(extraordinary axis)。材料(諸如液晶材料)的非常折射率不同于各向同性微結構140的折射率。因此，透鏡具有光學作用，并且改變顯示器輸出的定向分布。作為本領域的公知常識，可以設定這種定向分布，從而正確位于顯示器前面的觀察者，在他們的左眼中看見對應于來自左圖像像素112、116、120、124光的左圖像，和在他們的右眼看見對應于右圖像像素114、118、122、126的右圖像。這樣，可以形成可轉換2D-3D自動立體顯示器。
透鏡陣列特別適于自動立體顯示器，因為它們結合了高光學效率、小光點尺寸的性能和利用公知光刻處理技術的加工能力。
還已知提供電可轉換雙折射透鏡，用于定向地轉換光。已知使用這種透鏡來轉換在2D操作模式和3D操作模式之間的顯示器。
在3D自動立體顯示器中，透鏡陣列(或微透鏡屏幕)可以用于將光導入構成合適視窗的定向分布。這種透鏡陣列也可以用于將光導入另一定向分布。這種定向分布的實例在WO-98/21620中公開并且包括光導入標稱觀看平面中的寬水平窗口的加強亮度分布。在窗口，觀察者看見與面板垂直孔徑比成比例的亮度增加。在視窗外，觀察者看見像素之間的間隙，并且顯示器具有降低的亮度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供可轉換定向的顯示器，其中可獲得至少兩個定向操作模式。
根據(jù)本發(fā)明提供透鏡陣列結構，其包括順序排列的第一雙折射透鏡陣列和第二雙折射透鏡陣列，其中第一雙折射透鏡陣列和第二雙折射透鏡陣列都能夠操作，以將一偏振的入射光導入相應定向分布，并且對垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上沒有影響，和第一雙折射透鏡陣列和第二雙折射透鏡陣列相對取向，從而第一偏振成分的入射光被第一雙折射透鏡陣列導入定向分布，并且不受第二雙折射透鏡陣列的影響，而沿垂直于所述第一偏振成分偏振的第二偏振成分的入射光不受第一雙折射透鏡陣列的影響，并被第二雙折射透鏡陣列導入預定定向分布。
因此，入射光根據(jù)它的偏振導入第一和第二雙折射透鏡陣列的任一個的定向分布。這樣允許通過控制通過其的光的偏振，改變透鏡陣列結構的作用。
透鏡陣列結構可以結合到這樣的顯示設備中，其也包括設置成控制通過顯示器的光偏振的空間光調制器和可轉換偏振控制裝置，以從顯示裝置輸出對應于所述第一偏振成分或所述第二偏振成分的任一個選擇的偏振成分的光。顯示裝置用兩種模式可操作，其中根據(jù)從顯示裝置輸出的光是對應于入射到透鏡陣列結構的第一偏振成分還是對應于第二偏振成分的偏振成分，輸出光被導入不同定向分布。通過偏振控制裝置的轉換產(chǎn)生兩種模式之間的轉換。
第一和第二雙折射透鏡陣列導向光的定向分布可以是以下的任何兩種自動立體橫向分布；自動立體縱向分布；雙視圖自動立體分布；多視圖自動立體分布；傾斜透鏡自動立體分布；加強亮度分布；或多視圖分布。
透鏡陣列可以是無源的(passive)。在這種情況下，透鏡陣列結構對應于對第一和第二偏振成分的作用，具有兩種可能的操作模式。
另外，一個或兩個透鏡陣列可以是在第一模式和第二模式之間可轉換的有源(active)透鏡陣列，在所述第一模式中，所述有源透鏡陣列將一偏振的入射光導入相應定向分布，并且對垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上沒有作用，在所述第二模式中所述有源透鏡陣列基本上沒有光學作用。通過使用第一模式的有源透鏡陣列，透鏡陣列結構具有兩種操作模式，在這兩種操作模式中，根據(jù)如上所述的偏振控制實現(xiàn)不同的定向分布。通過使用在第二操作模式的有源透鏡陣列，透鏡陣列結構具有第三操作模式，其中透鏡陣列結構根本沒有光學作用。這種有源透鏡陣列可以結合到上述顯示設備中，只是另外具有設置成控制所述至少一個有源透鏡陣列的轉換的控制電路。因此，顯示設備具有“非定向模式”，其中基本上沒有透鏡陣列的輸入照明的變化。
這種裝置可以用于自動立體顯示裝置，其在第一操作模式可以方便地提供用裸眼觀看的移動全色3D立體圖像，在第二操作模式提供全分辨率2D圖像；可轉換高亮度透反射和反射顯示系統(tǒng)，其在第一模式可以基本上顯示非定向亮度性能，和在第二模式可以基本上顯示定向亮度性能；或多視圖顯示裝置，其可以方便的提供一個2D圖像(可以是移動全色)給一位觀察者，和在一個操作模式提供至少第二不同2D圖像給至少第二觀察者，在第二操作模式提供所有觀察者看見的單個全分辨率2D圖像。
根據(jù)本發(fā)明的另一種形式，提供定向顯示設備，包括第一雙折射透鏡陣列；第二雙折射透鏡陣列；具有偏振輸出的空間光調制器；至少一個折射面相位臺階轉換裝置，其設置成控制在第一或第二透鏡表面的相位臺階，設置成通過顯示設備可以產(chǎn)生至少兩個定向模式。
期望透鏡陣列是柱面。
期望每個透鏡陣列包括各項同性材料和雙折射材料。
一種可能性是，各向同性材料的折射率與雙折射率材料的折射率之一基本上相同和基本上相等。
另一種可能性是，各向同性材料之一的折射率與雙折射材料的正常折射率基本上相同，另一種各向同性材料的折射率與雙折射材料的非常折射率基本上相同。
可轉換裝置包括可轉換偏振旋轉器，其可以位于空間光調制器輸出偏振器和透鏡陣列之間。
一個或兩個透鏡可以是有源的，在這種情況下，轉換裝置可以包括在透鏡(包括有源透鏡)上的可轉換電場；可轉換裝置可以是可轉換偏振旋轉器和在透鏡上的可轉換電場的組合。


現(xiàn)在僅通過實例，參照附圖來描述本發(fā)明的實施例，其中圖1a示出屏幕平面后面的物體在3D顯示器中的視在深度的產(chǎn)生；圖1b示出屏幕平面前面的物體在3D顯示器中的視在深度的產(chǎn)生；圖1c示出在圖像立體對的每個圖像中，對應同名點的位置；圖2a示意性地示出在自動立體3D顯示器前面的右眼視窗的形成；
圖2b示意性地示出在自動立體3D顯示器前面的左眼視窗的形成；圖3示出從3D顯示器的輸出錐形形成視區(qū)的平面圖；圖4示出自動立體顯示器的理想窗口圖形；圖5示出來自自動立體3D顯示器的視窗輸出圖形的示意圖；圖6示出微透鏡屏幕顯示器的結構；圖7示出現(xiàn)有技術的偏振驅動微透鏡顯示器；圖8示出現(xiàn)有技術的偏振驅動微透鏡顯示器；圖9示出現(xiàn)有技術的偏振驅動微透鏡顯示器；圖10示出現(xiàn)有技術的偏振驅動微透鏡顯示器；圖11示出現(xiàn)有技術的偏振驅動微透鏡顯示器；圖12示出具有垂直和水平方向性的單方向模式可轉換顯示器的實例；圖13圖示在縱向和橫向使用的縱向板和橫向板；圖14示出本發(fā)明的實施例，包括具有正交透鏡的可轉換方向顯示器；圖15示出利用圖14結構的顯示器結構；圖16示出對于圖15部分的可替換取向方向；圖17示出制造圖15的透鏡結構的一種方法；圖18示出本發(fā)明的實施例，其中利用單有源透鏡形成非定向模式和兩個不同定向模式；圖19示出在圖18的顯示器中的非定向模式的形成；圖20示出結合圖18透鏡的顯示器的結構；圖21示出本發(fā)明的實施例，其中利用一對有源透鏡形成非定向模式和兩個不同定向模式；圖22示出本發(fā)明的實施例，其中通過控制入射偏振狀態(tài)來實現(xiàn)兩個方向模式；和圖23示出本發(fā)明的實施例，其中通過控制在單元上的電場來實現(xiàn)兩個方向模式。
具體實施例方式
為了簡明起見，一些不同實施例采用給出共同附圖標記的共同元件，從而不再重復描述。而且，每個實施例的元件描述同樣應用其它實施例的相同元件，和具有相應作用、已作必要修改的元件。同樣，為了清楚起見，圖示顯示器實施例的附圖僅僅示出部分顯示器。事實上，在顯示器的整個面積上重復該結構。
在該說明書中，雙折射材料的光軸方向(導向器方向或非常軸方向)稱為雙折射光軸。不應該與通常用幾何光學定義的透鏡光軸混淆。
柱面透鏡指其邊緣(其具有曲率半徑并且可以具有其它非球面成分)沿第一線性方向延伸(swept)的透鏡。微透鏡幾何軸定義為沿第一線性方向的透鏡中心的線，即，平行于邊緣延伸的方向。在此使用的術語“柱面”在本領域具有其正常意義，并且不僅包括嚴格的球面透鏡形狀，還包括非球面透鏡形狀。
在2D-3D型顯示器中，微透鏡幾何軸是垂直的，從而平行于顯示器像素列或與顯示器像素列有小角度。在此描述的亮度加強顯示器中，透鏡幾何軸是水平的，使它平行于顯示器像素行。
雙視圖自動立體3D顯示器的透鏡陣列的透鏡間距基本上等于要使用透鏡陣列的空間光調制器的像素間距的兩倍。事實上，透鏡陣列中的透鏡間距稍微小于空間光調制器的像素間距的兩倍，以通常已知的“視點校正”將光導向視窗。透鏡的曲率基本上設定成在窗口平面形成LCD像素的圖像。當透鏡從像素將光聚集成錐形，并且將光分布到窗口時，透鏡陣列提供入射光的全亮度。
現(xiàn)有技術的定向顯示器，諸如那些結合柱面透鏡、長槽陣列或全息行的顯示器，僅在單方向中產(chǎn)生視差。這方便地用于降低在定向模式由光學元件帶來的分辨率損失。但是，定向模式的顯示取向被光學元件軸結構的幾何形狀固定，所以，顯示器僅可用于縱向模式或橫向模式之一。
在諸如移動電話和照相機的裝置中，經(jīng)常期望旋轉顯示器，以最適合應用，例如，在菜單界面和游戲應用中。這種功能不能在標準定向顯示器實現(xiàn)。
此外，通常期望在第一非定向模式和第二定向模式之間轉換定向功能性，在第一非定向模式中，面板的工作情況基本上與基板的相同，而在第二定向模式中，面板的工作情況是定向顯示，例如，自動立體顯示。
這些實施例單獨地或以任何組合可以實現(xiàn)以下優(yōu)點定向顯示裝置的多操作模式可以具有獨立的性能；可以構成非定向模式；顯示器基本上具有基礎顯示(base display)的全亮度；
可以使用標準材料和處理技術；低成本；與脫架平板顯示器兼容；和/或在定向模式的高顯示性能。
圖8-11示出應用根據(jù)本發(fā)明透鏡陣列結構的顯示設備。這些顯示設備與圖7所示的相似，上述顯示設備變化如下。背光和輸入偏振器沒有示出。
在圖8的顯示設備中，圖7的偏振器146用電控制的偏振開關代替，該偏振開關包括夾住液晶層160的附加ITO層158和158、輸出襯底164和輸出偏振器166。電信號控制器162提供在ITO電極之間的電場的轉換，以讓液晶材料160轉換。這樣提供透過輸出偏振器166的偏振狀態(tài)控制和透鏡的功能，如上所述。
圖9示出與圖8相似概念的裝置，只是偏振器154放在反襯底132上，并且ITO電極對準層(ITO electrodes alignment layer)158和LC層160放在透鏡142和偏振器154之間。這種結構允許具有全圖像對比度和亮度的透鏡的轉換。
圖10示出可替換結構，其中電極、液晶開關174和液晶開關160以與液晶透鏡接觸的方式放置，液晶透鏡可以是固態(tài)液晶透鏡。ITO電極172結合在透鏡一側。
圖11示出圖10顯示器的可替換結構，其中自動立體顯示器的雙視圖像素列用加強亮度顯示器的孔徑來代替。
在圖12中圖示不是根據(jù)本發(fā)明的概念設備，但是，其可以在非定向模式和定向模式之間轉換，并且允許在縱向和橫向取向的定向操作，對于偏振驅動微透鏡顯示器的情況，結構和操作與圖8所示的相似。LCD面板輸出襯底200具有線性輸出偏振器202。輸出偏振狀態(tài)入射到透鏡陣列，透鏡陣列包括夾在具有取向方向206的反襯底204和具有取向方向210的表面凸透鏡208之間的雙折射材料(未示出)。輸出光通過液晶光閥(shutter)，其包括相對夾住液晶層(未示出)的取向方向216、218的ITO電極212、214。然后，光通過具有偏振透射方向222的最后輸出偏振器220。
這種顯示器的透鏡陣列208是非柱面的。透鏡可以排列成例如基本上在第一方向具有兩列像素的間距，和在第二方向具有兩行像素的間距。因此，原則上顯示器可以用橫向操作模式和縱向操作模式顯示自動立體顯示。在這個實例中，面板可以取向為例如具有紅色像素、綠色像素和藍色像素垂直列的橫向面板。為了在兩種模式之間轉換，在面板上的左眼和右眼數(shù)據(jù)對于橫向操作可以是相鄰列，對于縱向操作可以是相鄰行。
不利地，表面凸透鏡具有單一最大深度，其對于兩水平透鏡軸和兩垂直透鏡軸是相同的。但是，一般當透鏡是非正方形時，水平方向和垂直方向的曲率半徑明顯不同。因此，透鏡焦距在兩個取向不同。但是，像素平面離透鏡表面是單一固定的距離，從而裝置僅可以對一個取向的最佳操作聚焦，或者設定在對于兩者的折衷焦距。這意味著至少在一個模式，形成的窗口具有不滿意的質量。此外，在定向操作模式，顯示器提供在水平軸像素和垂直軸像素之間的間隙成像，從而顯示器相對軸傾斜時，圖像出現(xiàn)閃爍。此外，顯示器在水平方向和垂直方向顯示有限的分辨率。
更不利地，難以保持在透鏡陣列表面的雙折射材料的高性能排列。
因此，非柱面透鏡可以用于在定向顯示和非定向顯示之間轉換，非定向轉換可以用于縱向取向和橫向取向。但是，這種顯示器存在包括上述的許多缺點。
在下列示意圖中，符號用于圖示在表面的雙折射材料的取向、或在頁面的平面中、或在頁面的平面外的雙折射材料的取向，應該理解取向可以從圖示取向偏離很小的量，因為在表面的雙折射材料的預傾角是本領域的公知常識。
本發(fā)明的空間光調制器可以是透射顯示器、反射顯示器、透反射顯示器或發(fā)射顯示器(諸如有機電致發(fā)光顯示器)或組合。在非偏振顯示器的情況下，可以使用附加偏振器和波片層。
圖13闡明橫向板和縱向板的描述。在圖13a中，橫向板300具有紅色像素列302、綠色像素列304和藍色像素列306。當旋轉到縱向模式，如圖13b所示，像素列也旋轉。圖13c示出具有紅色像素列310、綠色像素列312和藍色像素列314的縱向板308。圖13d示出用于橫向使用旋轉的縱向板。
基于圖7-11所示或在WO-03/015,424公開的任何顯示設備，并且用具有下列排列的任何一個的透鏡陣列結構代替透鏡陣列，可以形成本發(fā)明的實施例。因此，在WO-03/015,424(其在此并入作為參考)公開的顯示設備的各種特征同樣應用到本申請中。
不可轉換到非定向模式的可轉換透鏡陣列結構僅僅具有圖14所示的兩個定向模式。在所示的實例中，透鏡包括各向同性表面凹凸層(isotropicsurface relief layer)224、雙折射材料226、對于雙折射材料具有取向功能的層228、對于雙折射材料具有取向功能的第二層230、第二雙折射材料232和第二各向同性表面凹凸層234。在每個表面的取向方向236-242被標記。取向方向238、240可以與取向方向236、242相互垂直，或者平行。
雙折射材料的正常折射率設定為基本上與各向同性材料折射率相同。柱面透鏡陣列224的透鏡設定成水平，間距基本上是顯示像素行間距(未示出)的兩倍。柱面透鏡陣列234的透鏡設定成垂直，間距基本上是顯示列間距的兩倍。在透鏡224上的雙折射材料光軸的取向方向230設定成平行于透鏡幾何軸，反平行取向方向238設定在透鏡反襯底228上。對準層(alignment layer)228和230可以位于諸如玻璃微片(Microsheet)的薄襯底(未示出)的兩側，。在表面230上的雙折射材料的取向方向240垂直于取向方向238并反平行于取向方向242。
在操作中，第一線性偏振狀態(tài)244入射到透鏡上。偏振狀態(tài)平行于雙折射材料226的非常軸，從而在該表面出現(xiàn)折射率臺階并且產(chǎn)生透鏡功能。光通過對準層228并且入射到第二透鏡232的材料上。在這種情況下，偏振狀態(tài)經(jīng)歷第二雙折射材料的正常折射率，其與各向同性材料的折射率匹配，從而第二透鏡234表面沒有產(chǎn)生功能。對于垂直偏振狀態(tài)246，光匹配第一透鏡的折射率，并且在第二透鏡上產(chǎn)生透鏡功能。
因此，由于改變通過透鏡并到達觀察者的偏振狀態(tài)，可以分析兩個不同的透鏡功能。這種透鏡可以用于構成可以在自動立體3D操作的縱向模式和橫向模式之間轉換的顯示器。
顯示器的操作與上述的相似。
另外，透鏡之一可以是橫向自動立體3D顯示透鏡，而另一透鏡是亮度增強顯示透鏡。
另外，透鏡之一可以是雙視圖自動立體顯示，而另一透鏡是利用傾斜透鏡的多視圖自動立體顯示。在這種情況下，兩面板的取向例如可以是橫向。
因此，可以產(chǎn)生定向顯示模式的任兩個的組合。
透鏡陣列的每一個的各向同性和雙折射元件的取向可以根據(jù)曲率和折射率組來設置，從而在像素平面形成焦點。根據(jù)界面任一側的材料折射率，每個表面的曲率相對系統(tǒng)中的光傳播方向可以是正或負。應該指出，一個透鏡的焦距必須與另一個相差基本上等于襯底厚度的量。有利地，可以選擇離像素平面較遠的透鏡成為用于操作模式成像最大橫向透鏡間距的透鏡，使得透鏡傾斜最小化。另外，可以選擇離像素平面較遠的透鏡成為用于操作模式成像最大橫向透鏡間距的透鏡，使得視距名義上與兩個透鏡相同。
例如，也可以構成在功能上與圖14所述透鏡相似的透鏡陣列結構，如圖15的橫截面圖所示。例如，來自TFT-LCD 102、106、108、110、132的背光的光通過具有對準層方向(alignment layer direction)248的透鏡反襯底247，到達雙折射材料249和具有表面取向方向(surface alignment direction)250的各向同性透鏡252。透鏡252用于將來自像素平面110的像素成像到輸出窗口。各向同性材料附在任意薄襯底254諸如微片(Microsheet)上。該層254的厚度可以調整，以優(yōu)化各個透鏡離像素平面的間距。例如，橫向模式3D透鏡要求短間距，而縱向模式3D要求長間距。
第二透鏡256具有例如相對第一透鏡252的軸可旋轉的軸，并且可以具有不同的曲率半徑。當透鏡旋轉時，似乎沒有在這個橫截面中的曲率。光通過第二雙折射材料259，其具有取向方向258和在相反表面的對準層260。此外，取向方向258和260垂直。在兩個定向模式之間轉換的顯示器的操作如上所述。
圖16示出圖15的部分結構，但取向方向260被調整到與LCD輸出偏振匹配。由于雙折射以及雙折射材料的導向，在雙折射材料249中發(fā)生線性偏振方向的旋轉。例如，LCD的輸出偏振方向相對面板平面圖中的垂直方向成45度。那么，取向方向260與透鏡252的軸成45度。其余取向方向與前面所述的相同。
在各種情況下，在兩部分透鏡之間的取向方向是垂直的，所以，透鏡可以顯示獨立的特性。
例如，可以制造圖15所示的透鏡陣列結構，如圖17所示。在圖17a中，襯底247具有對準層，其例如可以是被研磨的(rubbed)聚酰亞胺對準層、光對準層或衍射對準層。可固化雙折射材料層249諸如從Merck可以買到的RM257施加到襯底247的表面，并且包括具有對準層264的表面凹凸層的模壓工具262(其可以是衍射對準層)施加到材料249的表面，以形成具有合適材料取向方向的透鏡。紫外光源(未示出)施加到材料上，從而固化該結構。
在圖17b中，各向同性材料諸如UV可固化聚合物被施加到第一透鏡陣列的頂面，并且被用具有第二表面凹凸和對準層結構268的工具266模壓。同樣，材料被UV固化。另外，在例如涂敷隨后會被研磨的聚酰亞胺層的工序之后，可以施加對準層。最后，通過加上具有對準層270的外襯底144并用雙折射材料諸如液晶或固化液晶材料填充間隙來組合該結構。如果用圖17a和17b所述的方式使用具有對準層的壓模工具(未示出)，襯底144可以省略。
為了制造圖14所示的結構，非復制對準層(non-replicated alignmentlayer)可以使用在復制各向同性表面(replicated isotropic surface)224和234上。具有對準層的諸如玻璃微片層的層可以通過間隔物夾在透鏡表面之間，并且間隙可利用可以是UV可固化液晶材料的合適雙折射材料來填充。
在這些結構中，第一和第二雙折射層以及第一和第二各向同性層可以是不同的材料，以便分別優(yōu)化系統(tǒng)的設計。
圖22示出另一透鏡陣列結構。它不同于圖14所示的透鏡陣列結構，其中沒有襯底228和230，各向同性透鏡襯底之一例如290由這樣的材料構成，即一般是折射率基本上與雙折射材料226的非常折射率相同的塑料材料。雙折射材料288用于填充兩個透鏡表面224、290之間的間隙。另一透鏡襯底224由折射率基本上與雙折射材料226的正常折射率相同的塑料材料構成。雙折射材料288占據(jù)被透鏡表面上的取向方向236和242控制的取向，即，扭轉結構(twisted configration)。如箭頭244所示偏振的光進入裝置并經(jīng)歷透鏡224，因為從透鏡到雙折射材料226具有折射率臺階(step)用于該偏振。然后，光旋轉通過雙折射材料，并且當光出現(xiàn)在透鏡襯底290的界面時，它不經(jīng)歷折射率臺階，因為290由折射率基本上與雙折射材料226的非常折射率相同的材料制成。相反，當進入裝置的光沿鏡頭246指示的方向偏振時，在元件224上沒有經(jīng)歷折射率臺階，但是，光仍然被雙折射材料226旋轉并且照射到垂直于方向242偏振的透鏡襯底290上，因此在該界面不經(jīng)歷折射率臺階。從而通過在WO-03/015,424中所述的偏振開關選擇來自裝置的偏振輸出，可以選擇任一透鏡224或290的光學功能。
圖23的實施例不同于圖22的實施例，其中例如在每個襯底224和290上提供透明電極292、294。這種電極例如可以是施加到各個襯底任一表面的ITO涂層，從而能夠在上折射材料226形成電場。提供可轉換電驅動器298并與電極292、294接觸。在不轉換狀態(tài)的操作中，具有偏振244的光經(jīng)歷第一透鏡功能，僅僅通過單元導向沒有經(jīng)歷透鏡功能的折射率匹配裝置的第二透鏡。在轉換模式，雙折射材料288的分子垂直于襯底排列，從而對于偏振狀態(tài)244，第一透鏡折射率匹配，而第二透鏡在界面經(jīng)歷折射率臺階，從而產(chǎn)生透鏡功能。
到此為止所述的結構允許在兩個定向操作模式轉換。經(jīng)常期望顯示器實質上具有第三非定向模式。實現(xiàn)這個目的的一種透鏡陣列結構在圖18中所示。該裝置構成與圖14所示裝置相似的結構，包括兩個外表面凹凸結構。第二透鏡是包括可轉換向列液晶材料、電極272和274、在單元上按要求施加電場的可轉換電驅動器276的有源透鏡。
在第一操作模式，沒有電場施加到第二透鏡單元上，從而裝置如圖14所述地操作，兩個透鏡結構的最終輸出偏振選擇控制具有光學功能。液晶材料的取向方向240、242基本上相同。
為了形成非定向模式，該裝置構成如圖19所示。偏振狀態(tài)246通過第一透鏡，這沒有光學作用。通過驅動器276在單元上施加電場，使得液晶導向器的取向方向240、242基本上垂直于透鏡表面排列。因此，偏振狀態(tài)經(jīng)歷在表面凹凸結構上的液晶材料的正常折射率，從而該裝置折射率匹配并且沒有光學功能。因此，形成非定向模式。
在圖20的橫截面圖中示出一示例裝置結構，其與圖15相似，但插入了電極272、274和驅動電路276，并且液晶材料259例如是可轉換向列液晶。雙折射材料249例如可以是固化液晶。未轉換液晶排列258、260可以是同類，而所轉換狀態(tài)排列280、278可以是同類。
在圖21中示出可替換結構，其中使用單個輸入偏振狀態(tài)，并且兩個透鏡包括有源透鏡，因而結合附加電極282、284和驅動電路286。在非定向模式，驅動兩個透鏡，使得導向器垂直于表面并且入射偏振狀態(tài)折射率與兩個透鏡匹配。為了驅動第一透鏡，驅動器286關閉，由于取向方向236，在第一折射面上具有折射率臺階。不利地，取向方向垂直于透鏡幾何軸，從而在單元中存在旋轉位移。
在第三模式，其中第二透鏡功能被激活，那么驅動器286被驅動，驅動器276不驅動。為了同時驅動兩個透鏡，兩個透鏡關閉，從而在兩個表面存在折射率臺階。
有源和無源透鏡的相對位置可以倒置，以便優(yōu)化裝置性能。
在單個有源透鏡結構的偏振開關單元可以放在面板輸出偏振器和透鏡單元之間，例如，與圖9的結構相似。
這樣，可以形成基本上在非定向模式和兩個不同定向模式之間轉換的顯示器。定向模式可以是自動立體橫向模式、自動立體縱向模式、雙視圖自動立體模式、多視圖自動立體模式、傾斜透鏡自動立體模式、加強亮度模式或多視圖模式的組合。
在本發(fā)明實施例中的雙折射向列液晶材料包含一定百分比的可固化液晶材料，例如，RM257(Merck公司)，以便形成本領域公知的液晶凝膠或聚合向列組合物。LC凝膠可以被聚合，與前面所述的可固化液晶材料相似。有利地，LC凝膠可以幫助穩(wěn)定向列LC的機械性能，例如使它對機械壓力更穩(wěn)固。LC凝膠用于本發(fā)明的有源設備或無源設備，與純液晶的情況相比，在LC凝膠中可以增加驅動電壓。在具有液晶的有源透鏡設備中，LC凝膠或可固化液晶操作不需要驅動電壓。
權利要求
1.一種透鏡陣列結構，包括順序排列的第一雙折射透鏡陣列和第二雙折射透鏡陣列，其中，所述第一雙折射透鏡陣列和所述第二雙折射透鏡陣列能夠操作，以將一偏振的入射光導入相應定向分布，并且對垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上沒有作用，和所述第一雙折射透鏡陣列和所述第二雙折射透鏡陣列相對取向，從而第一偏振成分的入射光被所述第一雙折射透鏡陣列導入一定向分布，并且不受所述第二雙折射透鏡陣列的影響，而沿垂直于所述第一偏振成分偏振的第二偏振成分的入射光不受第一雙折射透鏡陣列的影響，并被所述第二雙折射透鏡陣列導入一預定定向分布。
2.一種如權利要求1所述的透鏡陣列結構，其中，所述第一雙折射透鏡陣列和所述第二雙折射透鏡陣列是柱面透鏡陣列。
3.一種如權利要求1或2所述的透鏡陣列結構，其中，所述第一雙折射透鏡陣列和所述第二雙折射透鏡陣列各包括在其間具有曲面的雙折射材料和各向同性材料。
4.一種如權利要求3所述的透鏡陣列結構，其中，所述第一和第二雙折射透鏡陣列的雙折射材料具有相同的正常折射率和非常折射率，所述第一和第二雙折射透鏡陣列的雙折射材料的正常軸分別沿對應于所述第一偏振成分和所述第二偏振成分的方向取向，并且所述第一和第二雙折射透鏡陣列的各向同性材料具有相同的折射率，其等于所述第一和第二雙折射透鏡陣列的雙折射材料的正常折射率和非常折射率之一。
5.一種如權利要求3所述的透鏡陣列結構，其中，所述第一和第二雙折射透鏡陣列的雙折射材料具有相同的正常折射率和非常折射率，并且所述第一和第二雙折射透鏡陣列之一的各向同性材料的折射率等于雙折射材料的正常折射率，并且所述第一和第二雙折射透鏡陣列的另一個的折射率等于雙折射材料的非常折射率。
6.一種如權利要求5所述的透鏡陣列結構，其中，所述第一雙折射透鏡陣列和所述第二雙折射透鏡陣列包括共同的雙折射材料。
7.一種如權利要求3所述的透鏡陣列結構，其中，所述第一和第二雙折射透鏡陣列的雙折射材料的正常軸分別沿對應于所述第一偏振成分和所述第二偏振成分的方向取向，所述第一各向同性材料具有等于所述第一雙折射材料的正常折射率和非常折射率之一的折射率；和所述第二各向同性材料具有等于所述第二雙折射材料的正常折射率和非常折射率之一的相同折射率。
8.一種如前述權利要求任一項所述的透鏡陣列結構，其中，所述第一雙折射透鏡陣列和所述第二雙折射透鏡陣列是無源透鏡陣列。
9.一種如權利要求1-7任一項所述的透鏡陣列結構，其中，至少所述第一雙折射透鏡陣列和所述第二雙折射透鏡陣列之一是在第一模式和第二模式之間可切換的有源透鏡陣列，在所述第一模式中，所述有源透鏡陣列將一偏振的入射光導入相應定向分布，并且對垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上沒有作用，在所述第二模式中所述有源透鏡陣列基本上沒有光學作用。
10.一種顯示設備，包括空間光調制器；如權利要求1-8任一項所述的透鏡陣列結構；和可轉換偏振控制裝置，設置成控制通過顯示器的光的偏振，以從顯示裝置選擇性地輸出與所述第一偏振成分或所述第二偏振成分對應的偏振成分的光。
11.一種顯示設備，包括空間光調制器；如權利要求9所述的透鏡陣列結構；可轉換偏振控制裝置，設置成控制通過顯示器的光的偏振，以從顯示裝置選擇性地輸出與所述第一偏振成分或所述第二偏振成分對應的偏振成分的光；和控制電路，設置成控制至少一個有源透鏡陣列的轉換。
12.一種如權利要求11所述的顯示設備，其中，所述可轉換偏振控制裝置包括可轉換偏振器，其設置成選擇性地通過具有與所述第一偏振成分或所述第二偏振成分對應的偏振成分的光。
13.一種如權利要求11所述的顯示設備，其中，所述可轉換能偏振控制裝置包括可轉換偏振旋轉器。
14.一種如權利要求13所述的顯示設備，其中，所述空間光調制器設置成基本上輸出偏振光，所述偏振旋轉器設置在所述空間光調制器和所述透鏡陣列結構之間。
15.一種如權利要求13所述的顯示設備，其中，所述空間光調制器設置成基本上輸出偏振光，所述顯示設備還包括設置在所述可轉換偏振旋轉器的輸出側上的線性偏振器。
全文摘要
一種透鏡陣列結構，包括兩個順序排列的雙折射透鏡陣列，兩者能夠操作，以將一偏振的入射光導入相應定向分布，并且對垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上沒有影響。透鏡陣列相對取向，從而通過相應的雙折射透鏡陣列之一，兩個垂直偏振成分的入射光導入定向分布，并且不受雙折射的另一個的影響。因此偏振的控制允許在兩個透鏡陣列的作用之間的轉換。為了讓轉換成兩個透鏡陣列沒有影響的第三模式，透鏡陣列之一可以是有源的。透鏡結構可以在顯示設備中采用，以提供可轉換的定向顯示器。
文檔編號G02B27/22GK1836453SQ200480023488
公開日2006年9月20日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權日2003年7月10日
發(fā)明者格雷厄姆·J·伍德蓋特, 喬納森·哈羅爾德 申請人:奧奎蒂有限公司