專利名稱：光束成形設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束成形設(shè)備，其在光束成形狀態(tài)之間是可控制的，每種狀態(tài)都允許光沿著與該光束成形設(shè)備相垂直的方向通過該光束成形設(shè)備。

背景技術(shù)：
有源光束成形對(duì)于從一般照明到特殊照明應(yīng)用的各種應(yīng)用都是有用的，如視頻動(dòng)畫(video flash)，其中將照相機(jī)的變焦功能與有源光學(xué)元件的光束寬度控制功能結(jié)合。液晶光學(xué)系統(tǒng)看來似乎適合于這一個(gè)目的。通過向液晶盒(cell)中的液晶分子施加電場(chǎng)，能夠控制液晶盒中液晶分子的排列取向。液晶分子的這種重新取向產(chǎn)生折射率梯度，這導(dǎo)致正在通過該液晶盒的光線的重定向。因此，能夠在以電學(xué)方式控制光束的方向和/或形狀。
光束成形設(shè)備的一種特別感興趣的應(yīng)用是在自動(dòng)立體顯示設(shè)備的領(lǐng)域中，該自動(dòng)立體顯示設(shè)備包括顯示面板和成像裝置，顯示面板具有用于進(jìn)行顯示的顯示像素陣列，該成像裝置用于將不同的視圖引導(dǎo)到不同的空間位置。將彼此平行延伸且疊加在該顯示像素陣列上而提供的細(xì)長(zhǎng)微透鏡元件的陣列用作成像裝置是眾所周知的，通過這些微透鏡元件來觀察這些顯示像素。
在例如使每個(gè)微透鏡都與兩列顯示像素相關(guān)聯(lián)的設(shè)置中，每一列中的顯示像素都提供各自的二維子圖像的垂直部分。微透鏡板將這兩個(gè)部分以及相應(yīng)部分從與其他微透鏡相關(guān)聯(lián)的顯示像素列引導(dǎo)到位于該板前面的用戶的左眼和右眼，這樣用戶便觀察到單個(gè)立體圖像。微透鏡元件的板從而提供光輸出引導(dǎo)功能。
在其他設(shè)置中，每個(gè)微透鏡都與在行方向上的一組四個(gè)或更多個(gè)相鄰顯示像素相關(guān)聯(lián)。每一組中的顯示像素的對(duì)應(yīng)列適當(dāng)?shù)卦O(shè)置成提供來自各自的二維子圖像的垂直部分。當(dāng)用戶的頭從左移向右移動(dòng)時(shí)，感覺出一系列連續(xù)的不同的立體視圖，形成例如環(huán)顧的印象。
上述設(shè)備提供了一種有效的三維顯示器。但是要理解，為了提供立體視圖，必須犧牲該設(shè)備的水平分辨率。對(duì)于某些應(yīng)用(例如用于從近距離觀看的對(duì)小文本符號(hào)的顯示)來說，犧牲分辨率是不能接受的。為此，已經(jīng)提議提供一種顯示設(shè)備，其可在二維模式和三維(立體)模式之間切換。
實(shí)現(xiàn)這種顯示設(shè)備的一種方式是提供電學(xué)上可切換的微透鏡陣列。在二維模式中，可切換設(shè)備的微透鏡元件在“穿過”模式下工作，即，這些微透鏡元件按照與光學(xué)透明材料的平板相同方式而起作用。最終的顯示具有高分辨率，該高分辨率等于該顯示面板的固有分辨率，其適合于從近的觀察距離顯示小的文本符號(hào)。二維顯示模式當(dāng)然不能提供立體圖像。
在三維模式中，如上面所述，可切換設(shè)備的微透鏡元件提供光輸出引導(dǎo)功能。最終的顯示能夠提供立體圖像，但是具有上面提及的不可避免的分辨率損失。
為了提供可切換的顯示模式，可以將可切換設(shè)備的微透鏡元件形成為電光材料的光束成形裝置，所述電光材料如液晶材料，其具有可在兩個(gè)值之間切換的折射率。然后通過向在這些微透鏡元件上面和下面提供的平面電極施加適當(dāng)?shù)碾妱?shì)來使該設(shè)備在模式之間切換。電勢(shì)相對(duì)于相鄰光學(xué)透明層的折射率改變了微透鏡元件的折射率。
對(duì)可切換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作的更詳細(xì)的描述可以在美國(guó)專利US6069650中得到。
已知的將可切換的液晶材料用于可切換的2D/3D顯示器采用復(fù)制技術(shù)來形成透鏡形狀，透鏡形狀然后充滿液晶材料。這個(gè)過程和與LCD制造工藝相關(guān)的其他工藝布驟不相容，因此明顯增加了生產(chǎn)該顯示設(shè)備的成本。
液晶光學(xué)系統(tǒng)的更一般的例子在JP 07-043656中公開，其中將光束耦合器設(shè)置成使光束對(duì)準(zhǔn)選定的光纖并且設(shè)置成調(diào)整束斑尺寸。在該耦合器中，液晶層提供在透明襯底之間。向襯底之一提供接地平面，并向另一個(gè)襯底提供許多可單獨(dú)控制的電極。通過改變這些電極相對(duì)于接地平面的電勢(shì)，透過該耦合器的光束被對(duì)準(zhǔn)以撞擊選定的光纖。
盡管能夠使光束偏轉(zhuǎn)一段短距離，但是在JP07-043656中公開的設(shè)備看來似乎不適于更宏觀的光束成形應(yīng)用，在這個(gè)應(yīng)用中通常期望大的光束發(fā)散和/或會(huì)聚。


發(fā)明內(nèi)容
鑒于上面提及的和其他現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明總的目的是提供一種改進(jìn)的光束成形設(shè)備，特別是一種能夠使光束更有效地發(fā)散和/或會(huì)聚的光束成形設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，通過一種光束成形設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這些和其他目的，該光束成形設(shè)備包括第一和第二光學(xué)透明襯底、夾在這兩個(gè)光學(xué)透明襯底中間的液晶層，以及設(shè)置在液晶層面向第一襯底的那一側(cè)上的第一和第二電極，其中該光束成形設(shè)備在光束成形狀態(tài)之間是可控制的，每種狀態(tài)都允許光在垂直于該液晶層的方向上透過該光束成形設(shè)備，其中對(duì)該光束成形設(shè)備進(jìn)行配置，使得在第一和第二電極兩端施加電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)包括在電極的鄰近部分之間的一段中基本上平行于液晶層的部分并且基本上從第一襯底延伸到第二襯底。
該液晶層可以包括任一種類的液晶分子并且可以處于其任一相位。然而，向列相由于其相比于其他液晶相(例如近晶相)具有相對(duì)較低的粘性因而是優(yōu)選的。按照這種方式能夠獲得較短的切換時(shí)間。該液晶層可以進(jìn)一步包括液晶合成物，其包含聚合物。
“光學(xué)透明的”介質(zhì)應(yīng)當(dāng)理解為使光(電磁輻射，其包括可見光譜、紅外光和紫外光)至少部分地透射的介質(zhì)。
該光學(xué)透明的襯底可以是剛性的或者是柔性的，并且例如可以用玻璃或適當(dāng)?shù)乃苄圆牧现瞥?，所述塑性材料如聚甲基丙烯酸甲?PMMA)。
這些電極或者可以形成在襯底的表面上或者可以嵌入在襯底中。這些電極可以用任何導(dǎo)電性材料來形成，但是優(yōu)選用光學(xué)透明的傳導(dǎo)材料來形成，如氧化銦錫(ITO)或氧化銦鋅(IZO)。
眾所周知，根據(jù)非均勻光學(xué)材料的理論，遇到折射率梯度的光線將會(huì)轉(zhuǎn)向具有較高折射率的區(qū)域。在液晶層中，通過施加電場(chǎng)使該液晶層中包括的液晶分子重新取向，能夠控制折射率并由此控制光線的彎曲。
本發(fā)明是基于以下認(rèn)識(shí)，即通過在液晶層中形成電場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的折射率梯度以及由此實(shí)現(xiàn)更有效的光束成形，所述電場(chǎng)在位于相鄰電極之間的區(qū)域中基本上平行于液晶層并且基本上延伸貫穿襯底之間的液晶(LC)層。由于液晶分子傾向于遵循電場(chǎng)線，因此能在電極的鄰近部分之間實(shí)現(xiàn)液晶分子的取向的逐漸過渡，例如從在第一電極的附近垂直于LC層到在第一和第二電極之間平行于LC層再到在第二電極附近垂直于LC層。按照這種方式，能夠在短距離兩端獲得相對(duì)較高的折射率梯度，這能夠?qū)崿F(xiàn)非常有效的光束成形。
本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在所謂的面內(nèi)構(gòu)型中，通過利用在LC層的一側(cè)上提供的電極能夠?qū)崿F(xiàn)這種有利的電場(chǎng)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用這種配置能夠?qū)崿F(xiàn)非常有效的光束發(fā)散/會(huì)聚。例如，實(shí)驗(yàn)表明，可以使準(zhǔn)直光束以大于60°的角度發(fā)散，這遠(yuǎn)大于通過現(xiàn)有技術(shù)的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的角度。
另外，通過本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的光通過量，因?yàn)椴辉傩枰鶕?jù)現(xiàn)有技術(shù)的在第二襯底上的電極。由于與連續(xù)的透明電極層相關(guān)聯(lián)的反射損失在500nm波長(zhǎng)處通常約為5％，因此利用根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)型相應(yīng)地?fù)p失了更少的光。
第一電極可以有利地包括第一組基本上平行的第一電極導(dǎo)體線(conductor line)，第二電極包括第一組基本上平行的第二電極導(dǎo)體線，第一和第二電極設(shè)置為形成至少一個(gè)導(dǎo)體對(duì)，所述導(dǎo)體對(duì)包括鄰近的第一和第二電極導(dǎo)體線。
這些導(dǎo)體線可以具有任何形狀，即彎曲的、直的、波狀的等等。
通過該電極構(gòu)型，能夠?qū)崿F(xiàn)大的協(xié)同操作的光束成形區(qū)，由此實(shí)現(xiàn)相對(duì)較寬的光束的光束成形。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二電極中的每一個(gè)都可以是梳形的，并且這些梳形的第一和第二電極的“齒”交錯(cuò)，使得形成平行延伸的許多導(dǎo)體對(duì)。
此外，第一電極可以進(jìn)一步包括第二組基本上平行的第一電極導(dǎo)體線，第二電極可以進(jìn)一步包括第二組基本上平行的第二電極導(dǎo)體線，第一和第二電極設(shè)置為使得形成至少一個(gè)導(dǎo)體對(duì)，該導(dǎo)體對(duì)包括相鄰的第一和第二電極導(dǎo)體線。
通過提供附加的一組彼此基本上平行的導(dǎo)體線，能夠有利地提供在不止一個(gè)方向上的同時(shí)的光束成形。
為此目的，可以將第二組導(dǎo)體線設(shè)置為相對(duì)于第一組導(dǎo)體線成一定角度。
由于穿過LC層的光束所經(jīng)歷的折射率一般是與偏振有關(guān)的，因此通常僅僅使穿過光束成形設(shè)備的非偏振光線的一個(gè)偏振分量彎曲。通過按照使LC分子在光束成形設(shè)備的不同部分中在不同重新取向平面內(nèi)進(jìn)行重新取向的方式來配置該第一和第二電極，能夠使入射的非偏振光線的不同偏振分量在該光束成形設(shè)備的不同部分中發(fā)生彎曲。
另外，提供彼此成一定角度的不同組的導(dǎo)體線使得光束能夠成形為由這樣的組的數(shù)量以及它們?cè)谄叫杏贚C層的平面內(nèi)的取向確定的幾何形狀。
此外，不同導(dǎo)體線的寬度可以是不同的，并且除了上面提及的第一和第二電極之外，可以在LC層面向第一襯底的那一側(cè)上提供其他電極。
而且，該光束成形設(shè)備可以包括設(shè)置在液晶層上相對(duì)于第一和第二電極而言位于相反一側(cè)的第三電極和第四電極，第三電極具有至少一條第三電極導(dǎo)體線，第四電極具有至少一條第四電極導(dǎo)體線。
通過提供這樣的附加的電極，LC分子能夠按照更復(fù)雜的重新取向圖案而進(jìn)行重新取向，由此能夠?qū)崿F(xiàn)基本上與偏振無關(guān)的和/或?qū)ΨQ的光束成形。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以將第三和第四電極設(shè)置為使第三和第四電極導(dǎo)體線中的每一條基本上都與所述第一和第二電極導(dǎo)體線中對(duì)應(yīng)的一條相垂直。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)該液晶層不受電場(chǎng)影響時(shí)可以發(fā)生垂直排列(homeotropically aligned)。
當(dāng)液晶層發(fā)生垂直排列時(shí)，這些液晶分子設(shè)置成垂直于該液晶層，從而使分子末端面向襯底，所述襯底將該液晶層夾在中間。
利用這種排列，能夠控制這些液晶分子使其沒有任何異常地沿著任何方向進(jìn)行重新取向。根據(jù)可替換的實(shí)施例，在沒有電場(chǎng)作用于液晶層中包括的液晶(LC)分子的情況下，該液晶層中包括的液晶(LC)分子可以按照使每個(gè)LC分子的長(zhǎng)軸基本上平行于最接近的襯底的方式來排列。而且，為了防止在電極兩端施加電壓時(shí)出現(xiàn)不需要的扭轉(zhuǎn)，可以使LC分子在平行于最接近的襯底的平面內(nèi)進(jìn)行取向，從而使每個(gè)LC分子的長(zhǎng)軸基本上垂直于相鄰的導(dǎo)體線對(duì)。
在這種情況下，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，LC分子傾斜但不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。通過這種初始取向的狀態(tài)，能夠在施加電場(chǎng)時(shí)控制線偏振光束中的所有光。當(dāng)引入了扭轉(zhuǎn)時(shí)，情況便不是這樣。
這種平面排列例如可以通過所謂的摩擦技術(shù)或者通過光控排列(photo-alignment)來實(shí)現(xiàn)。在多個(gè)區(qū)域具有各種電極圖案或者具有彎曲電極的情況下，通常在制造過程中應(yīng)當(dāng)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)地處理以產(chǎn)生所希望的平面排列。
而且，根據(jù)本發(fā)明的第一和第二光束成形設(shè)備可以有利地設(shè)置在層疊結(jié)構(gòu)中以形成光束成形裝置。
按照這種方式，能夠利用組成的光束成形設(shè)備的光束成形特性來提供改進(jìn)的光束成形。在這樣的光束成形裝置中的第一和第二光束成形設(shè)備可以相對(duì)于彼此進(jìn)行取向，使得第一光束成形設(shè)備中包括的第一和第二電極的至少一部分與第二光束成形設(shè)備中包括的第一和第二電極的相應(yīng)部分垂直。
因此，能夠利用要成形的入射光束的兩個(gè)偏振方向來實(shí)現(xiàn)基本上對(duì)稱的光束發(fā)散。
而且，該光束成形裝置可以包括另一個(gè)光學(xué)構(gòu)件，其適合于改變穿過該光束成形裝置的光束的偏振態(tài)。
這種另外的光學(xué)構(gòu)件例如可以是旋轉(zhuǎn)器，其用于改變?cè)谕ㄟ^第一光束成形設(shè)備之后并在通過第二光束成形設(shè)備之前的光的偏振態(tài)。因此，盡管LC層按照與偏振有關(guān)的方式作用于光束，但是也能夠?qū)崿F(xiàn)與偏振無關(guān)的光束成形。例如可以提供以所謂的延遲板或液晶材料為形式的旋轉(zhuǎn)器，所述液晶材料如液晶聚合物。為了將線偏振光旋轉(zhuǎn)90°，可以利用所謂的半波片或扭轉(zhuǎn)向列相構(gòu)型的LC材料。
而且，根據(jù)本發(fā)明的光束成形設(shè)備可以有利地包括在照明設(shè)備中，該照明設(shè)備進(jìn)一步包括光源，如發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，其按照使該光源發(fā)射的光束穿過該光束成形設(shè)備的方式而設(shè)置。
特別是，這樣的照明設(shè)備可以有利地包括上面討論的光束成形裝置。
該光束成形設(shè)備可以進(jìn)一步包括在電極和液晶層之間的層。其能夠用于改變光束成形(即透鏡)特性，例如改變對(duì)于結(jié)構(gòu)的給定厚度的透鏡光學(xué)能力(lens power)。如果在電極導(dǎo)線的鄰近部分之間的距離是p，層的厚度是dsolid，接觸液晶層的襯底的電容率是εsub，并且平行于非常軸的液晶材料的電容率分量是εLC，那么該設(shè)計(jì)可以使0.7＜a1＜12，其中a1＝εLC×dsolid/p。這限定了與導(dǎo)線間距和液晶材料的電容率有關(guān)的該層的所希望的厚度。該設(shè)計(jì)也可以使0.9＜a2＜3.6，其中a2＝εLC/εsub。
可以在液晶層相對(duì)于這些電極的相反一側(cè)提供導(dǎo)體層，該導(dǎo)體層可以具有或不具有第二絕緣體層。其能夠用于在光束成形設(shè)備中成形電場(chǎng)。該導(dǎo)體層可以具有任何所希望的形狀。其例如可以是未構(gòu)圖的層，其在形成LC層的部分的整個(gè)透鏡上延伸。
如果存在第二絕緣體層，那么該第二絕緣體層可以具有厚度dground，其中0.9＜b1＜14.4并且0.4＜b2＜6.4，其中b1＝εLC×dsolid/p并且b2＝εLC×dground/p。這限定了這些電極和液晶層之間的層的厚度，以及相對(duì)側(cè)上的絕緣體層的厚度，它們都與導(dǎo)線間距和液晶材料的電容率有關(guān)。
控制裝置可以向?qū)w層施加可變電壓。例如，其能夠向第一電極施加第一交流電壓并向第二電極施加第二交流電壓，第一和第二交流電壓反相但具有相同頻率，該可變電壓具有不同相位或具有更高頻率。這樣，該導(dǎo)體層用于改變?cè)贚C層中的電場(chǎng)，并且這能夠用于調(diào)諧光束成形光學(xué)性能(而不僅僅具有接通或斷開控制)。
可替換的是，可以向該導(dǎo)體層施加直流電壓，因此第一和第二交流電壓中的每一個(gè)都可以包括第一和第二疊加分量，第一和第二電壓的第一分量反相但具有相同頻率，第二分量相同但具有不同相位或具有更高頻率。
可以在電極區(qū)域中提供不透明層，且其與光束成形作用最小的區(qū)域?qū)?zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠避免在透鏡化模式(lensing mode)下驅(qū)動(dòng)該設(shè)備時(shí)在第一和第二電極處及其附近出現(xiàn)的透鏡像差。這提供了改進(jìn)的光束。該不透明層可以是不透明材料的形式，所述不透明材料是永久地不透明的?？商鎿Q的是，該不透明層可以具有可切換的不透明性，即在設(shè)備的透鏡化模式下驅(qū)動(dòng)該設(shè)備時(shí)該不透明層可以變成實(shí)際上不透明的，而當(dāng)沒有在透鏡化模式下驅(qū)動(dòng)該設(shè)備時(shí)該不透明層并非不透明的。在這種情況下，光通過量在非透鏡化模式中是最佳的。
具有這樣的可切換的不透明層的設(shè)備可以包括分析器，其位于液晶層的與第一和第二電極相反的一側(cè)，該分析器配置成使得在該設(shè)備的透鏡化模式中在這些電極的位置處穿過該設(shè)備的光至少部分地被該分析器阻擋，而在基本上遠(yuǎn)離這些電極的透鏡化位置處穿過該設(shè)備的光不會(huì)被該分析器阻擋。因而，例如在該設(shè)備內(nèi)，在第一或第二電極附近和上方，當(dāng)在透鏡化模式中操作該設(shè)備時(shí)，LC指向器將主要垂直于該設(shè)備或襯底層而排列。因此，當(dāng)偏振光(例如線偏振光)在透鏡化模式中穿過該設(shè)備時(shí)，在這些位置處偏振將不會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，在LC層中離電極更遠(yuǎn)的位置處以及由電極場(chǎng)線提供透鏡作用的位置處，LC材料的指向器將基本上更加平行于襯底而排列。因此，可以關(guān)于穿過該設(shè)備的光的偏振對(duì)該光進(jìn)行改變，以使其能夠通過該分析器。優(yōu)選的是，分析器取向和LC排列的建立使得在非透鏡化模式中所有的光都被允許穿過該設(shè)備，包括分析器。
這些修改中的一些對(duì)于自動(dòng)立體顯示設(shè)備是特別感興趣的，其中有固定的所希望的焦距和固定的所希望的電極導(dǎo)線間隔，從而形成所希望的透鏡尺寸。
因此，本發(fā)明還提供一種可切換的自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其包括 顯示面板，其具有用于進(jìn)行顯示的顯示像素元素的陣列，該顯示像素元素以成行和成列的方式布置；以及 成像裝置，其將來自不同像素元素的輸出引導(dǎo)到不同的空間位置，從而能夠觀看立體圖像，其設(shè)置成同時(shí)引導(dǎo)針對(duì)觀眾雙眼的顯示像素輸出， 其中該成像裝置可以通過電學(xué)方式在2D模式和3D模式之間切換，并且包括本發(fā)明的光束成形設(shè)備。
該顯示面板可以包括可單獨(dú)尋址的發(fā)射的、透射的、折射的或衍射的顯示像素的陣列。該顯示面板優(yōu)選是液晶顯示面板或者發(fā)光二極管板。
本發(fā)明還提供一種控制光束成形設(shè)備的方法，該光束成形設(shè)備包括第一和第二光學(xué)透明襯底、夾在這兩個(gè)襯底之間的液晶層，以及設(shè)置在所述液晶層面向所述第一襯底的那一側(cè)上的第一和第二電極，其中該方法包括 控制該光束成形設(shè)備在光束成形狀態(tài)之間，每個(gè)狀態(tài)都通過在所述第一和第二電極兩端施加電壓由此生成電場(chǎng)來允許光沿著垂直于所述光束成形設(shè)備的方向穿過所述光束成形設(shè)備，所述電場(chǎng)包括在所述電極的鄰近部分之間的一段中基本上平行于所述液晶層的部分并且基本上從所述第一襯底延伸到所述第二襯底。
該光束成形設(shè)備可以進(jìn)一步包括位于液晶層的與所述電極相反一側(cè)上的導(dǎo)體層，該方法進(jìn)一步包括向第一電極施加第一交流電壓并向第二電極施加第二交流電壓?？梢韵蛟搶?dǎo)體層施加可變電壓，并且其中第一和第二交流電壓反相但具有相同頻率，該可變電壓具有不同的相位或具有更高頻率?？商鎿Q的是，可以向?qū)w層施加直流電壓，并且第一和第二交流電壓中的每一個(gè)都包括第一和第二疊加分量，第一和第二電壓的第一分量反相但具有相同頻率，第二分量相同并具有不同的相位或具有更高的頻率。
該方法對(duì)于控制自動(dòng)立體顯示設(shè)備的透鏡的透鏡功能是特別感興趣的。



現(xiàn)在參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其他方面，附圖示出了本發(fā)明當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例，在附圖中 圖1a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示范性光束成形設(shè)備的透視圖； 圖1b是在電極兩端沒有施加電壓時(shí)沿圖1a的線A-A’得到圖1a中的光束成形設(shè)備的橫截面視圖； 圖1c是在電極兩端施加電壓V時(shí)沿圖1a的線A-A’得到圖1a中的光束成形設(shè)備的橫截面視圖； 圖2是第一光束成形裝置的橫截面視圖，其中延遲板夾在兩個(gè)光束成形設(shè)備之間； 圖3是第二光束成形裝置的透視圖，其包括以層疊結(jié)構(gòu)布置的兩個(gè)光束成形設(shè)備，其具有互補(bǔ)的電極； 圖4是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個(gè)示范性光束成形設(shè)備的分解圖； 圖5a-b示出了各種示范性的電極構(gòu)型；以及 圖6a-d是說明在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光束成形設(shè)備上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的示意圖。
圖7示出了已知的自動(dòng)立體顯示設(shè)備； 圖8和9用于說明已知的可切換的自動(dòng)立體顯示設(shè)備可以怎樣起作用； 圖10示出了用于自動(dòng)立體顯示設(shè)備的期望的透鏡功能； 圖11用于解釋在為自動(dòng)立體顯示設(shè)備的透鏡元件選擇尺寸中的問題； 圖12和13示出了用于圖11的兩個(gè)透鏡構(gòu)型的透鏡性質(zhì)； 圖14示出了特別用于自動(dòng)立體顯示設(shè)備中的本發(fā)明的光束成形裝置的第一個(gè)例子； 圖15示出了特別用于自動(dòng)立體顯示設(shè)備中的本發(fā)明的光束成形裝置的第二個(gè)例子； 圖16和17分別示出了圖14和15的兩個(gè)透鏡構(gòu)型的透鏡性質(zhì)； 圖18是本發(fā)明的光束成形裝置的第三個(gè)例子，其使用了附加的電極層； 圖19和20示出了圖18的裝置中附加的電極層可以怎樣用于改變電場(chǎng)； 圖21用于解釋用于控制透鏡性質(zhì)的本發(fā)明的控制方法；以及 圖22示出了針對(duì)參考圖21解釋的方法的不同控制設(shè)置的透鏡特性。
圖23a-23c示出了根據(jù)本發(fā)明的3D顯示器。

具體實(shí)施例方式 在下面的描述中，參考具有垂直排列的液晶層的光束成形設(shè)備來描述本發(fā)明-當(dāng)沒有向電極施加電壓時(shí)，包括在該LC層中的液晶(LC)分子垂直于襯底進(jìn)行取向。應(yīng)當(dāng)注意，這決不是限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明同樣可適用于其中液晶層按照任何其他方式排列的光束成形設(shè)備，例如平面取向，其中LC分子在與襯底平行的平面中進(jìn)行取向。在這種取向中，LC分子可以平行于電極或垂直于電極而排列，或者具有混合取向，其中LC分子在鄰近第一襯底的位置具有第一取向，而在鄰近第二襯底的位置具有第二取向，該第二取向與第一取向正交。
而且，為了不因與本發(fā)明不直接相關(guān)的細(xì)節(jié)而混淆了本發(fā)明，因此對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說已知的其他層沒有在附圖中繪出并且這里也不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述，所述其他層如用于排列LC分子等的排列層等。
應(yīng)當(dāng)注意，附圖沒有按比例繪制。但是，為了提供適當(dāng)?shù)某叽?，可以假定電極中的導(dǎo)體線的寬度通常是在1μm至20μm的范圍內(nèi)。而且，這些導(dǎo)體線通常隔開10μm至100μm，并且LC層的厚度一般是在5μm和50μm之間。
在一個(gè)方面，本發(fā)明總的涉及適合于許多不同應(yīng)用的光束成形設(shè)備，在另一個(gè)方面，本發(fā)明更具體地涉及附加特征，這些附加特征使所述光束成形設(shè)備特別適用于2D/3D可切換的顯示設(shè)備。首先描述該光束成形設(shè)備的一般概念和設(shè)計(jì)，隨后說明與2D/3D顯示領(lǐng)域特別相關(guān)的附加特征(盡管這些附加特征也具有更一般的應(yīng)用)。
圖1a-1c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示范性的光束成形設(shè)備。
在圖1a中，示出了光束成形設(shè)備1，其包括夾在第一透明襯底3和第二透明襯底4中間的垂直排列的液晶(LC)層2。在第一襯底3上，面向LC層2，提供梳形的第一透明電極5和第二透明電極6。通過在這些電極5、6上施加電壓V，能夠使入射在該光束成形設(shè)備上的準(zhǔn)直光束7發(fā)散，如圖1a中示意性示出的。
圖1b是沿著圖1a中的線A-A’而得到的橫截面視圖，圖1b示意性地示出在電極5、6兩端沒有施加電壓的情況。由于沒有施加電壓，因此沒有形成電場(chǎng)，因而LC分子具有由排列層(未示出)強(qiáng)加于其上的取向。在圖1b所示的情況中，LC分子垂直地排列，入射光束7的形狀在穿過該光束成形設(shè)備1后不發(fā)生變化，這里用三條平行光線11a-c來代表入射光束7。
參考圖1c，該圖示意性地示出了在電極5、6兩端施加電壓V的情況，現(xiàn)在更詳細(xì)地描述圖1a中的光束成形設(shè)備所使用的光束成形機(jī)制。
如圖1c中示意性示出的，LC層2中包括的液晶(LC)分子10a-c與電極5、6之間的電場(chǎng)線對(duì)準(zhǔn)。由于這種重新取向，形成了LC層2的具有不同折射率的多個(gè)區(qū)域。在圖1c中示出的示范性情況下，沿著(局部)垂直于光束成形設(shè)備1的方向而撞擊到光束成形設(shè)備1的光束7所經(jīng)受的折射率在尋常折射率no和非常折射率ne之間變化，該尋常折射率no由垂直于LC層2取向的LC分子10a而引起，該非常折射率ne由平行于LC層2取向的LC分子10c而引起。在光束成形設(shè)備1的具有“垂直的”LC分子10a的部分和具有“平行的”LC分子10c的部分之間撞擊到光束成形設(shè)備1的光將經(jīng)受中間折射率。
在圖1c中，三條光線12a、b、c代表非偏振光中具有與LC分子的長(zhǎng)軸相垂直的偏振方向的線偏振分量(尋常光線)，這三條光線穿過光束成形設(shè)備1而實(shí)際上不經(jīng)受折射率梯度。因此這些光線12a-c在穿過LC層2的過程中其方向均不會(huì)明顯改變。
另一方面，代表在這些分子的長(zhǎng)軸的平面內(nèi)偏振的光的其他偏振分量，光線13a、b、c(非常光線)經(jīng)受折射率梯度，因此發(fā)生折射，如圖1c中示意性表明的。
因此，非偏振光束7中最多50％的光可由圖1a-c中的光束成形設(shè)備1來控制。在下文中，參考圖2-4描述能夠控制非偏振光束中基本上所有光的三種示范性光束成形設(shè)備/裝置。
參考圖2來描述第一示范性光束成形裝置20，圖2是示出了以層疊結(jié)構(gòu)布置的如結(jié)合圖1a-c描述的第一光束成形設(shè)備21和第二光束成形設(shè)備22并且延遲板23夾在兩個(gè)光束成形設(shè)備中間的橫截面視圖。
非偏振光的三條光線24a-c將再次行進(jìn)通過光束成形裝置20。如結(jié)合圖1b所描述的，非常光線將受第一光束成形設(shè)備21的影響，而尋常光線將不受影響地穿過該光束成形設(shè)備21。由于該尋常光線經(jīng)過延遲板23，因此其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，這里提供的延遲板23以所謂的半波片或扭轉(zhuǎn)向列相構(gòu)型的LC聚合物為形式。
因此，當(dāng)先前未受影響的分量25a-c進(jìn)入第二光束成形設(shè)備22時(shí)，所述分量25a-c在與第二光束成形設(shè)備22的LC分子27的長(zhǎng)軸相同的平面內(nèi)偏振，并且將按照與其他偏振分量26a、c穿過第一光束成形設(shè)備21時(shí)相同的方式發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
由此，如圖2中示意性示出的，光束成形裝置20能夠控制穿過光束成形裝置20的所有非偏振光。
在上面的例子中，描述了具有正介電各向異性的LC分子的性質(zhì)。但是應(yīng)當(dāng)注意也可以使用具有負(fù)介電各向異性的LC分子。在這種情況下，光線24a-c將沿著相比于上面描述的相反的方向發(fā)生折射。
應(yīng)當(dāng)注意，在目前說明的例子中，為了簡(jiǎn)化說明，已經(jīng)忽略了在襯底和LC層之間的界面處的折射。
參考圖3，現(xiàn)在將要描述第二示范性的光束成形裝置30。
在圖3中，示出了層疊結(jié)構(gòu)中的第一光束成形設(shè)備31和第二光束成形設(shè)備32。按照層疊結(jié)構(gòu)從底部至頂部的順序，第一光束成形設(shè)備31具有第一襯底33、在第一襯底33上提供第一電極34和第二電極35；LC層36和第二襯底37。在目前說明的實(shí)施例中，第一光束成形設(shè)備31的第二襯底37也是第二光束成形設(shè)備32的第一襯底。顯然，該公共襯底37能夠可替換地提供為兩個(gè)單獨(dú)的襯底。第二光束成形設(shè)備32還具有LC層38和第二襯底39，該第二襯底39設(shè)有第一電極40和第二電極41。
如能夠在圖3中看到的，光束成形裝置30的每個(gè)電極34、35、40、41都分別具有兩組導(dǎo)體線，即42a-b、43a-b、44a-b、45a-b。在42a-b、43a-b、44a-b、45a-b的每一組中，導(dǎo)體線基本上彼此平行，而兩組42a-b、43a-b、44a-b、45a-b相對(duì)于彼此成大約45°角。
而且，光束成形設(shè)備31、32相對(duì)于彼此按照使第一光束成形設(shè)備31的電極34、35與第二光束成形設(shè)備32的電極40、41相垂直的方式來設(shè)置。
通過該光束成形裝置30，入射的準(zhǔn)直光束能夠?qū)ΨQ地成形并且利用該入射光的兩個(gè)偏振分量。最后，參考圖4，將描述第三示范性的光束成形設(shè)備/裝置50，其包括夾在第一光學(xué)透明襯底3和第二光學(xué)透明襯底4中間的LC層2。在襯底3、4的每一個(gè)上，在襯底3、4面向LC層2的那一側(cè)55、56上提供梳形的第一電極51、52和梳形的第二電極53、54。
如圖4中所示，第一襯底3上的電極51、53基本上垂直于第二襯底4上的電極52、54。通過該構(gòu)型，能夠?qū)崿F(xiàn)LC層中LC分子的三維重新取向，這能夠?qū)崿F(xiàn)與偏振無關(guān)的光束成形。除了圖1a和圖3中所示的電極構(gòu)型之外，許多其他的電極構(gòu)型也是可能的，并且可能是有利的，這取決于特殊應(yīng)用。圖5a-b中示意性地示出了幾個(gè)這樣的附加電極構(gòu)型的例子。
在圖5a中示出了具有兩個(gè)電極的各種面內(nèi)構(gòu)型，其中這些導(dǎo)體線相對(duì)于彼此具有不同的方向，其不是筆直的，等。
在圖5b中示意性地示出了兩個(gè)具有三個(gè)面內(nèi)電極的構(gòu)型的例子。
應(yīng)當(dāng)注意，圖5a-b中所示的變化僅代表例子，許多其他變化對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到本發(fā)明決不限于這些優(yōu)選實(shí)施例。例如，通過施加頻率大于100Hz的交流電壓可以有利地獲得在電極兩端施加的電場(chǎng)以便克服充電效應(yīng)。也可以使用與有源矩陣尋址結(jié)合的奇異盒(pixilated cell)。
實(shí)驗(yàn) 參考圖6a-d，這些圖說明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光束成形設(shè)備的實(shí)驗(yàn)安排(setup)中的光束發(fā)散相對(duì)于各種參數(shù)怎樣發(fā)生變化，現(xiàn)在將提供對(duì)所進(jìn)行的一些實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)要描述。
在所有的圖中，都已經(jīng)將強(qiáng)度歸一化以便說明角分布。而且，表示僅僅輕微發(fā)散的光束的曲線已經(jīng)被省略，以提高更加發(fā)散的光束的可辨別能力。
作為所施加電壓的函數(shù)的光束發(fā)散 在圖6a中，示出了關(guān)于施加至電極的電壓的穿過準(zhǔn)直的偏振光束的光束成形設(shè)備之后的光的角分布。
產(chǎn)生圖6a中的圖表的實(shí)驗(yàn)中所用的盒(cell)的特性如下 電極寬度4μm 電極之間的空隙10m 盒間隙18μm 液晶材料BL009 排列層聚酰亞胺Nissan 1211，垂直地排列(無摩擦) 利用這個(gè)盒的構(gòu)型，在電極兩端施加的交流電壓在0Vrms和50Vrms之間變化。
當(dāng)在電極兩端施加0Vrms時(shí)，光束不發(fā)散，如圖6a中的曲線61所示。當(dāng)逐漸增大電壓時(shí)，光束越來越發(fā)散。當(dāng)施加5Vrms時(shí)，光如曲線62所示那樣發(fā)散。曲線63是由施加10Vrms而引起的，曲線64是由施加15Vrms而引起的，曲線65和66分別對(duì)應(yīng)于20Vrms和50Vrms的電壓。
作為電極之間空隙的函數(shù)的光束發(fā)散 在圖6b中，示出了關(guān)于電極之間的距離的穿過準(zhǔn)直的偏振光束的光束成形設(shè)備之后的光的角分布。
產(chǎn)生圖6b中的圖表的實(shí)驗(yàn)中所用的盒的特性如下 電極寬度4μm 盒間隙18μm 液晶材料BL009 排列層聚酰亞胺Nissan 1211，垂直地排列(無摩擦) 施加的電壓50Vrms 利用該盒的構(gòu)型，電極兩端的空隙在10μm和30μm之間變化。
對(duì)于在電極兩端施加的給定電壓，電極之間的較短距離會(huì)引起較高的電場(chǎng)。較高的電場(chǎng)導(dǎo)致液晶分子在液晶層中的更有效的重定向，因此導(dǎo)致更有效的光束成形。
最短的距離10μm導(dǎo)致最大的發(fā)散，如能夠從圖6b中看到的，其中該距離對(duì)應(yīng)于曲線71。當(dāng)距離增大至15μm時(shí)，光束發(fā)散也減小以具有由圖6b中的曲線72所代表的角分布。隨著距離進(jìn)一步增大到20μm，獲得曲線73，圖6b中最后的兩條曲線74、75分別是由25μm和30μm的電極之間的距離所引起的。
作為電極寬度的函數(shù)的光束發(fā)散 在圖6c中，示出了關(guān)于電極寬度的穿過準(zhǔn)直的偏振光束的光束成形設(shè)備之后的光的角分布。
產(chǎn)生圖6c中的圖表的實(shí)驗(yàn)中所用的盒的特性如下 電極之間的空隙12μm 盒間隙18μm 液晶材料BL009 排列層聚酰亞胺Nissan 1211，垂直地排列(無摩擦) 施加的電壓50Vrms 利用該盒的構(gòu)型，電極寬度在4μm和8μm之間變化。
在圖6c中，曲線81對(duì)應(yīng)于4μm的電極寬度，曲線82對(duì)應(yīng)于6μm的電極寬度，曲線83對(duì)應(yīng)于8μm的電極寬度。
作為盒間隙的函數(shù)的光束發(fā)散 在圖6d中，示出了關(guān)于盒間隙的穿過準(zhǔn)直的偏振光束的光束成形設(shè)備之后的光的角分布。
產(chǎn)生圖6d中的圖表的實(shí)驗(yàn)中所用的盒的特性如下 電極寬度4μm 電極之間的空隙20μm 液晶材料BL009 排列層聚酰亞胺Nissan 1211，垂直地排列(無摩擦) 施加的電壓50Vrms 利用該盒的構(gòu)型，盒間隙在12μm和27μm之間變化。
具有較大的盒間隙，要成形的光束的每條光線都通過液晶層而行進(jìn)較長(zhǎng)的距離，因此能夠更大程度地發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最小的盒間隙12μm導(dǎo)致最小的發(fā)散，如能夠在圖6d中看到的，其中該盒間隙對(duì)應(yīng)于曲線91。當(dāng)該盒間隙增大到18μm時(shí)，光束發(fā)散也增大從而具有圖6d中的曲線92所代表的角分布。隨著該盒間隙進(jìn)一步增大到27μm，得到曲線93。
如上面所提及的，依照本發(fā)明的原理設(shè)計(jì)的光束成形設(shè)備能夠具有在2D/3D可切換的顯示器領(lǐng)域中的特殊應(yīng)用。
圖7是已知的直視自動(dòng)立體顯示設(shè)備100的示意性透視圖。該已知設(shè)備100包括有源矩陣型液晶顯示面板103，該液晶顯示面板起到空間光調(diào)制器的作用以進(jìn)行顯示。
顯示面板103具有成行和成列方式排列的顯示像素105的正交陣列。為了清楚起見，在該圖中僅僅示出了少量顯示像素105。實(shí)際上，顯示面板3可以包括大約一千行和幾千列的顯示像素105。
液晶顯示面板103的結(jié)構(gòu)完全是常規(guī)的。特別是，板103包括一對(duì)彼此隔開的透明玻璃襯底，在這兩個(gè)透明玻璃襯底之間提供排列的扭轉(zhuǎn)向列相液晶材料或其他液晶材料。這些襯底在其面對(duì)的表面上載有透明的氧化銦錫(ITO)電極的圖案。偏振層也提供在襯底的外表面上。
每個(gè)顯示像素105都能夠包括位于襯底上的反向電極，和插在其間的液晶材料。顯示像素105的形狀和布局由電極的形狀和布局來確定。顯示像素105有規(guī)則地彼此隔開一定間隙。
每個(gè)顯示像素105都與開關(guān)元件相關(guān)聯(lián)，如薄膜晶體管(TFT)或薄膜二極管(TFD)。通過向開關(guān)元件提供尋址信號(hào)來操作這些顯示像素以進(jìn)行顯示，適當(dāng)?shù)膶ぶ贩桨笇?duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是已知的。
光源107照亮顯示面板103，該光源在這種情況下包括平面背光源，其在顯示像素陣列的區(qū)域上延伸。來自光源107的光被引導(dǎo)通過顯示面板103，各個(gè)顯示像素105被驅(qū)動(dòng)以對(duì)光進(jìn)行調(diào)制并進(jìn)行顯示。
顯示設(shè)備100還包括微透鏡板109，其設(shè)置在顯示面板103的顯示側(cè)上，所述顯示面板103執(zhí)行視圖形成功能。微透鏡板109包括一行微透鏡元件111，其彼此平行地延伸，為了清楚起見僅僅以夸大的尺寸示出了一個(gè)微透鏡元件。
微透鏡元件111呈凸的柱面透鏡的形式，其充當(dāng)光輸出引導(dǎo)裝置以便將來自顯示面板103的不同圖像或視圖提供給位于顯示設(shè)備100前面的用戶的雙眼。
圖1中示出的自動(dòng)立體顯示設(shè)備100能夠沿不同的方向提供幾個(gè)不同的透視圖。特別是，每個(gè)微透鏡元件111都覆在每一行中的一小組顯示像素105的上面。微透鏡元件111沿著不同方向投射組中的每個(gè)顯示像素105，以便形成幾個(gè)不同的視圖。當(dāng)用戶的頭從左向右移動(dòng)時(shí)，他/她的雙眼將依次接收幾個(gè)視圖中的不同視圖。
如上面所提及的，已經(jīng)建議提供在電學(xué)上可切換的透鏡元件。這使得該顯示器能夠在2D和3D模式之間切換。
圖8和9示意性地示出能夠在圖1所示設(shè)備中采用的在電學(xué)上可切換的微透鏡元件115的陣列。該陣列包括一對(duì)透明玻璃襯底119、121，在其面對(duì)的表面上提供由氧化銦錫(ITO)形成的透明電極123、125。利用復(fù)制技術(shù)形成的倒轉(zhuǎn)的透鏡結(jié)構(gòu)127提供在襯底119、121之間并鄰近上面的襯底119。在襯底119、121之間并鄰近下面的襯底121處提供液晶材料129。
倒轉(zhuǎn)的透鏡結(jié)構(gòu)127致使液晶材料129采取平行伸長(zhǎng)的微透鏡形狀，其在倒轉(zhuǎn)的透鏡結(jié)構(gòu)127和下襯底121之間，如圖2和3中橫截面所示。還可以向接觸液晶材料的倒轉(zhuǎn)的透鏡結(jié)構(gòu)127和下襯底121的表面提供取向?qū)?未示出)，用以使液晶材料進(jìn)行取向。
圖8示出當(dāng)沒有向電極123、125施加電勢(shì)的陣列。在這種情況下，液晶材料129對(duì)于特定偏振的光的折射率本質(zhì)上高于倒轉(zhuǎn)的透鏡陣列127的折射率，因此微透鏡形狀提供了光輸出引導(dǎo)功能，即如所示的透鏡作用。
圖9示出了當(dāng)向電極123、125施加大約50至100伏的交流電勢(shì)時(shí)的陣列。在這種狀態(tài)下，液晶材料49對(duì)于特定偏振的光的折射率基本上與相反的透鏡陣列127的折射率相同，因此如圖所示微透鏡形狀的光輸出引導(dǎo)功能被取消。因此，在這種狀態(tài)下，該陣列有效地在“穿過”模式下作用。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解必須將光偏振裝置連同上述陣列一起使用，因?yàn)橐壕Р牧鲜请p折射的，折射率切換僅僅適用于特定偏振的光。光偏振裝置可以被提供作為該設(shè)備的成像裝置或顯示面板的一部分。
適合于用在圖7中所示顯示設(shè)備中的可切換的微透鏡元件陣列的結(jié)構(gòu)和操作的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以在美國(guó)專利US6069650中找到。
圖10示出如上所述的微透鏡型成像裝置的操作原理，并且示出背光源130、顯示設(shè)備134(例如LCD)和微透鏡陣列138，所述顯示設(shè)備。
圖8和9中所示的設(shè)備的制造使用了復(fù)制微透鏡，其需要在生產(chǎn)設(shè)施中不標(biāo)準(zhǔn)的裝備。因此，使用如上所述的具有橫向受控的漸變折射率透鏡功能的光束成形設(shè)備簡(jiǎn)化了制造工藝。
圖1c示出了由于利用如圖1a中所示的交錯(cuò)的導(dǎo)線所引起的LC層中的電場(chǎng)分布。施外的電壓是交流電，以抵消充電效應(yīng)。施加的電壓選擇為足夠高以使LC沿場(chǎng)的方向排列。對(duì)于直接的設(shè)計(jì)來說，為了達(dá)到最好的透鏡作用，LC層厚度與電極間寬度之間存在最佳的比率(近似1∶1.5)。但是，為了針對(duì)所希望數(shù)量的視圖而覆蓋一定數(shù)量的像素，所需的透鏡寬度以及所希望的LC層的厚度(為了獲得所希望的焦深)經(jīng)常但不一定總是妨礙或排除使用這種基本設(shè)計(jì)。較厚的LC層導(dǎo)致具有較短焦距的透鏡。主要問題在于，相對(duì)于電極間距，必須將LC層選擇成比使透鏡特性達(dá)到最優(yōu)的厚度更薄。
圖11a示意性地示出厚度與電極間距之間的所希望的比率，圖11b示出了當(dāng)利用優(yōu)選的LC層厚度來提供所希望的焦距以及通常所希望的電極間距時(shí)結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布。這些厚度和電極間距的值在透鏡作用時(shí)產(chǎn)生很強(qiáng)的像差。通過減小圖11b中的LC層的厚度獲得所希望的焦距，用光學(xué)均勻材料來代替光學(xué)不均勻的材料，這產(chǎn)生透鏡像差。
圖12示出針對(duì)圖11a的所希望的比率的透鏡特性(圖12a示出折射率n對(duì)距離x，圖12b示出折射率梯度(“角度”)對(duì)距離x)。厚度是100μm，電極間距是166μm。
圖13示出針對(duì)圖11b的厚度減小后的透鏡設(shè)計(jì)的透鏡特性(圖13a再次示出折射率n對(duì)距離x，圖13b示出折射率梯度(“角度”)對(duì)距離x)。厚度是40μm，電極間距是166μm。利用解析模型來計(jì)算圖12和13。如圖13中所示的角分布不僅缺乏所希望的強(qiáng)度(并且在邊緣太強(qiáng)了)，而且在中心同樣具有很強(qiáng)的像差(在理想情況下，角分布應(yīng)當(dāng)是直線)。
因此，通常存在一個(gè)問題，如果使用厚的LC那么透鏡的焦距太短，或者如果使用薄的LC層那么透鏡中心的像差太強(qiáng)。
因此，做出一種修改，通過利用對(duì)LC層中產(chǎn)生的電場(chǎng)有影響的一層或兩層材料改進(jìn)上面的基本設(shè)計(jì)來將焦距增大到可接受的程度和/或?qū)⑦@些像差減小到可接受的程度。
圖14示出第一種修改，其中液晶層在導(dǎo)線結(jié)構(gòu)附近的那部分被一層固體透明材料取代。
因此，圖14的結(jié)構(gòu)包括附加層140、LC層142和上覆的LCD的玻璃層144。
這個(gè)層140對(duì)光的方向沒有直接影響，因?yàn)槿肷涔馐怪庇诒蝗〈膶佣羞M(jìn)，并且在該層中不存在折射率梯度。但是，層140確實(shí)對(duì)LC層中的電場(chǎng)分布有影響，其間接地影響穿過該透鏡的光。
這個(gè)效果的大小(和透鏡的焦距)取決于固體層140的厚度、LC層142的厚度、固體層的電容率和LC的平行電容率。
圖14示出了限定透鏡形狀的電場(chǎng)線145和通過該結(jié)構(gòu)的光學(xué)路徑146。
另一種修改利用接觸透明導(dǎo)體的透明材料150的附加層，從而通過有效地壓縮(compress)電場(chǎng)來減小透鏡厚度(因此增大了其焦距)，所述透明導(dǎo)體如氧化銦錫(ITO)，如圖15中所示。接地層150的影響在于給電場(chǎng)強(qiáng)加了多個(gè)條件，這些條件對(duì)于LC層中所需的場(chǎng)分布是有益的。兩層140和150選擇為使可切換的LC層142位于所需的區(qū)域中以實(shí)現(xiàn)透鏡切換功能。這些層的厚度取決于每種材料的電容率和所希望的焦距。盡管如上所述，本領(lǐng)域技術(shù)人員也將理解在可替換的實(shí)施例中，例如參考圖18描述的可替換的實(shí)施例，根據(jù)需要和設(shè)計(jì)可以省略層140和/或150。
在上述修改中，可以將這些透鏡制造成較弱并且具有小的球面像差。這些透鏡能夠被設(shè)計(jì)為具有與從透鏡到像素的光程長(zhǎng)度相匹配的焦距。
圖16和17示出實(shí)際的具有9個(gè)視圖的10cm顯示器的兩種設(shè)計(jì)的透鏡特性。圖16基于圖14的裝置，圖17基于圖15的裝置。所標(biāo)繪的變量對(duì)應(yīng)于圖12和13中的變量。焦距等于不同層的光學(xué)厚度，該焦距在玻璃中是1342μm(615μm厚的顯示器玻璃板，27μm厚的聚合物層，以及700μm厚的透鏡陣列本身的玻璃板)。對(duì)于這種9個(gè)視圖的顯示器來說，像素間距是37.5μm，透鏡間距是166.36μm。對(duì)于圖16的例子來說，LC層厚度是13μm，附加層140的厚度是100μm。對(duì)于圖17的例子來說，LC層厚度是12μm，附加層140的厚度是61μm，在ITO接地面上的層150的厚度是27μm。
如能夠看到的，這兩種設(shè)計(jì)的角分布的形狀可與圖12中所示的分布的形狀類似。因此，獲得了具有所希望的焦距的透鏡設(shè)計(jì)同時(shí)保持像差在可接受的水平。
對(duì)于圖14中所示的具有單個(gè)附加層的設(shè)計(jì)來說，主要變量是導(dǎo)線之間的距離p、固體材料的層140的厚度dsolid、接觸LC的玻璃的電容率εglass，平行于非常軸的LC材料的電容率分量εLC。
根據(jù)這些變量之間的比率來改進(jìn)透鏡功能。這些主要比率是 a1＝εLC×dsolid/p以及 a2＝εLC/εglass 在用于圖16的計(jì)算中，a1＝3.0，以及a2＝1.8。
LC層的厚度dLC取決于所希望的焦距f，尋常折射率和非常折射率之差(Δn＝ne-no)和設(shè)計(jì)的幾何形狀，dLC～p2/(f×Δn)，并且范圍為從大約5μm至100μm。
變量a1的優(yōu)選范圍是0.7＜a1＜12，更優(yōu)選的是1.5＜a1＜6，更優(yōu)選的是2.5＜a1＜4。
變量a2的優(yōu)選范圍是0.9＜a2＜3.6。
對(duì)于圖17中所示的利用兩個(gè)附加層的設(shè)計(jì)來說，主要變量是導(dǎo)線之間的距離p、在導(dǎo)線結(jié)構(gòu)附近的固體材料層的厚度dw、在接地ITO層附近的固體材料層的厚度dground和LC材料的電容率的平行分量εLC。主要比率是 b1＝εLC×dw/p以及 b2＝εLC×dground/p。
在用于圖17的計(jì)算中，b1＝3.6，b2＝1.6。
層LC的厚度dLC再次取決于所希望的焦距f、尋常折射率和非常折射率之差以及設(shè)計(jì)的幾何形狀，并且范圍再次為從大約5μm至100μm。
這些變量的優(yōu)選范圍是 0.9＜b1＜14.4且0.4＜b2＜6.4，或者更優(yōu)選的是 0.9＜b1＜14.4且0.8＜b2＜3.2，或者更優(yōu)選的是 1.8＜b1＜7.2且0.4＜b2＜6.4，或者更優(yōu)選的是 1.8＜b1＜7.2且0.8＜b2＜3.2。
上面的例子示出了在兩種不同的模式之間的切換，例如用于自動(dòng)立體顯示設(shè)備的例子的2D和3D操作模式之間的切換。但是，能夠改變透鏡的光焦度也是有利的。改變透鏡光焦度的一種方式是使施加于叉指結(jié)構(gòu)(fork structure)的電壓降低到閾值之下，其中電場(chǎng)的方向不再支配液晶分子的性能。于是作為與周圍分子的相互作用的結(jié)果，與力形成了平衡。這一方法的缺點(diǎn)在于其取決于LC的性能，并且該性能隨溫度而改變。而且，透鏡特性的變化不容易預(yù)測(cè)。
下面描述的設(shè)備的另一種修改通過影響LC層中的場(chǎng)的方向來改變透鏡光焦度。這種修改使用了導(dǎo)電板(conducting plate)，如圖15中的層150(但是不需要層140)，并且向該導(dǎo)電板施加交流電以便改變電場(chǎng)并因此改變了透鏡的光焦度。可以在電極叉指裝置和導(dǎo)電板之間提供附加的絕緣層，如在上面的例子中的情況。
圖18示出了LC層和ITO層的基本結(jié)構(gòu)。圖中未示出ITO層的厚度，并且將其用線表示。電場(chǎng)線在電勢(shì)之前被施加至導(dǎo)電板。向叉指結(jié)構(gòu)和板150提供交流電。當(dāng)將交流電施加于導(dǎo)電板時(shí)，電場(chǎng)開始在圖19中所示的兩種情況之間快速地切換。如果將施加的電壓的頻率選擇得相比液晶的弛豫時(shí)間足夠高(f＜＜1/τLC)，那么LC分子將在兩個(gè)不同電場(chǎng)E1、E2之間排列，如圖20中所示。
根據(jù)施加于叉指的電壓、施加于板的電壓以及LC層相對(duì)于板和叉指的位置，可以顯著地改變透鏡效果。圖21中示出了實(shí)現(xiàn)可變的透鏡效果的一些不同方式。
在圖21中，上面的三個(gè)曲線圖是基于使用在兩個(gè)叉指上的具有基頻f的反向的電壓Vfork，1和Vfork，2。通過向?qū)щ姲迨┘与妷篤plate來修改針對(duì)這種情況的電場(chǎng)，所述電壓Vplate或者相比叉指信號(hào)具有相移(信號(hào)210)，或者是具有頻率fplate的同相信號(hào)，該頻率是基頻f的兩倍的頻率(信號(hào)212)，或者是比基頻大得多的頻率(信號(hào)214)。這三種可能性順次在圖21中示出。
圖21的下面三個(gè)曲線圖中示出的可替換的實(shí)施例通過向兩個(gè)叉指上的信號(hào)增加調(diào)制而保持Vplate等于0。當(dāng)每個(gè)叉指電壓和板電壓之差相同時(shí)，獲得相同的透鏡效果。在這種情況下，每個(gè)叉指信號(hào)都在其上疊加附加信號(hào)，該附加信號(hào)相對(duì)于叉指信號(hào)具有相移，或者是具有頻率fplate的同相信號(hào)，該頻率fplate是基頻f的兩倍或者遠(yuǎn)大于基頻。
圖22示出對(duì)于板上施加的電壓Vplate的不同振幅的透鏡角分布的不同輪廓。用于分析的樣本的設(shè)計(jì)和規(guī)格是電極間距為166μm、LC層厚度為70μm，以及如在圖15中的附加層140的厚度為82μm。
該板上的電壓以1kHz來施加。用于叉指電極的電源是基于Vfork＝50V，頻率ffork＝100Hz。在每次測(cè)量的中間的線性部分表示焦距。針對(duì)0V；7.5V；15V和30V的情況的焦距分別大約是140μm；85μm；190μm和1330μm。
如能夠看到的，透鏡效果的變化量取決于施加的電壓的振幅。
在這之前，已經(jīng)結(jié)合導(dǎo)體層驅(qū)動(dòng)了第一和第二電極，從而獲得了對(duì)稱的透鏡效果。因此，例如參考圖18，分別向第一和第二電極提供反向且相等的電壓V1＝-V2，而將導(dǎo)體ITO層150的電壓V3保持為0V。方便的是，對(duì)于不對(duì)稱的透鏡作用，V3不等于0V。這樣的電壓方案提供了不對(duì)稱的場(chǎng)線分布和相應(yīng)的不對(duì)稱的透鏡作用，即不光有透鏡作用，而且還有光束偏轉(zhuǎn)。
圖23a、23b和23c中示出了光束偏轉(zhuǎn)和在3D自動(dòng)立體顯示器領(lǐng)域中的一種可能的應(yīng)用。光束成形設(shè)備是自動(dòng)立體顯示器170的一部分。該顯示器包括標(biāo)準(zhǔn)的LC板172，其包括偏振器176、像素板178以及由玻璃襯底182支持的分析器180。背光源(未示出)存在于偏振器176之下。LCD顯示器與根據(jù)本發(fā)明的光束成形設(shè)備174結(jié)合，當(dāng)在透鏡化模式中使用時(shí)，該光束成形設(shè)備用作微透鏡陣列。在這種情況下，光束成形設(shè)備包括在襯底198上的第一電極184和第二電極186。在其之上是第一絕緣層188、薄的LC層190、第二絕緣層192、透明導(dǎo)電層194和適當(dāng)透明材料的襯底196。在襯底198上纏繞第一電極和第二電極的圖案如1a中所示。襯底196上的電極是未結(jié)構(gòu)化的電極，其優(yōu)選覆蓋整個(gè)襯底。層188和192是任選的，且其可以提供之前描述的用于優(yōu)化透鏡形狀的功能。示出了5個(gè)視圖的系統(tǒng)，即在微透鏡的每個(gè)透鏡下面有5個(gè)子像素，如像素202、203和204，每個(gè)子像素對(duì)應(yīng)于不同的視圖。圖23a、23b和23c中相同的部件具有相同的附圖標(biāo)記。
在顯示器的規(guī)則的3D操作過程中，向第一電極施加電壓V1，向第二電極施加電壓V2，V2等于-V1，并且向?qū)щ妼邮┘与妷篤3，V3＝0V，從而使源于鄰近像素200、202和204的光沿不同方向發(fā)送，即按照如圖23a中所示的對(duì)稱的方式送入不同的視圖，所述鄰近像素全都位于在兩個(gè)鄰近的第一和第二電極指(electrode finger)之間存在的一個(gè)柱面透鏡單元之下。
可替換的是，當(dāng)V3≠0時(shí)，打破了場(chǎng)線的對(duì)稱性因此也打破了相關(guān)聯(lián)的透鏡的對(duì)稱性。這些場(chǎng)線將使其重新排列成除了透鏡作用之外光束偏轉(zhuǎn)也成為結(jié)果每個(gè)視圖都將稍微發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖23b和23c中所描繪的。這些偏轉(zhuǎn)的方向改變了一個(gè)個(gè)透鏡的符號(hào)。當(dāng)電壓V3的符號(hào)改變時(shí)，該方向也改變了符號(hào)。一般來說，當(dāng)V3不等于正好在鄰近的第一和第二電極上施加的電壓之間的值時(shí)得到該效果。
通過在隨后的圖像幀中使V3在ΔV和-ΔV之間交替，各個(gè)視圖將一個(gè)幀一個(gè)幀地從左到右傾斜，反之亦然。這相當(dāng)于說實(shí)際上微透鏡按照虛擬的方式從左向右移動(dòng)，反之亦然。目前考慮中央視圖206(即沿垂直于顯示器的方向的視圖)在每個(gè)透鏡下面，利用將V3在ΔV和-ΔV之間交替的方法，具有不同顏色的兩個(gè)不同的子像素200或204將對(duì)中央視圖做出貢獻(xiàn)，而非僅僅一個(gè)子像素對(duì)其做出貢獻(xiàn)當(dāng)V3＝ΔV時(shí)(圖23b)一個(gè)子像素做出貢獻(xiàn)，當(dāng)V3＝-ΔV時(shí)(圖23c)另一個(gè)子像素做出貢獻(xiàn)。這樣，按照時(shí)間連續(xù)的方式，在3D操作模式中每個(gè)視圖的分辨率成為雙倍的。例如，如果幀頻是100Hz，那么微透鏡能夠在兩個(gè)位置之間交替這兩個(gè)位置在每隔1/100秒之后切換。按照這種方式，每視圖的分辨率能夠是雙倍的。
代替使每視圖的分辨率成為雙倍，也可以當(dāng)利用電壓的對(duì)稱構(gòu)型時(shí)使每視圖的分辨率成為三倍。在這種情況下，在圖23中，像素202提供中心視圖。
對(duì)幀頻的要求并不是非常高。例如，以因數(shù)2來時(shí)分復(fù)用以便使每視圖的分辨率成為雙倍不一定意味著必須使幀頻成為雙倍。在幀頻為50Hz的情況下，僅僅在25Hz的幀頻處對(duì)視圖形成元件的兩個(gè)位置中的每一個(gè)生成圖像。因?yàn)獒槍?duì)兩個(gè)位置生成的圖像非常相似，所以在觀眾的感覺中，感覺到的幀頻仍然是50Hz而不是25Hz。
在移動(dòng)微透鏡時(shí)，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地適應(yīng)每個(gè)視圖的圖像內(nèi)容。
粗略地按照與使每個(gè)視圖的分辨率成為雙倍的相同的方式，也可以通過使這些視圖傾斜而使視圖的數(shù)量成為雙倍，從而在原始視圖中間產(chǎn)生新的視圖。
與現(xiàn)有的微透鏡相比，這種在顯示器上形成微透鏡的GRIN光束成形設(shè)備存在一個(gè)缺點(diǎn)，由于透鏡邊緣處相對(duì)不起作用的區(qū)域，將會(huì)減小3D模式中的顯示器可能的對(duì)比度。通過使用不存在透鏡效果的不透明材料(在透鏡之間的線)可以保持該對(duì)比度。事實(shí)上，一般對(duì)于光束成形設(shè)備來說，在LC區(qū)域中位于電極位置處的透鏡的像差將使光束不太理想。源于透鏡的非理想部分的光可以被不透明層遮住。這一不透明層可以是在任一個(gè)襯底上的印刷層，或者是通過任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)淀積的圖案。
可替換的是，提供具有可切換的不透明性的層。在一個(gè)實(shí)施例中，在上面所描述的任一種修改中存在分析器。該分析器位于LC層的與第一電極和第二電極相反的一側(cè)處并且是線偏振的。在設(shè)備的非透鏡化模式中，LC材料指向器平行于該設(shè)備的襯底而排列，但是在LC層的任一側(cè)相對(duì)于彼此垂直。通過沿著適當(dāng)?shù)拇怪狈较蚰Σ恋木埘啺放帕袑涌梢詫?shí)現(xiàn)后一種類型的取向。因此，在LC層中，當(dāng)沿著垂直于襯底的方向行進(jìn)通過LC層時(shí)，指向器從一個(gè)取向逐漸旋轉(zhuǎn)到在LC層的另一側(cè)的垂直取向。然后，取向或者旋轉(zhuǎn)該分析器，使得當(dāng)該設(shè)備處于其非透鏡化模式時(shí)允許線偏振光通過該分析器，所述線偏振光在進(jìn)入LC層時(shí)的偏振在行進(jìn)通過該LC層之后經(jīng)由逐漸的LC指向器旋轉(zhuǎn)而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在該分析器一側(cè)離開所述設(shè)備。在透鏡化模式下驅(qū)動(dòng)該設(shè)備時(shí)，在電極的位置及其附近，這些指向器將基本上偏離平行并且更大程度地垂直于襯底而排列，并且將失去其逐漸的螺旋狀的排列。于是該LC層在這些位置處也失去其偏振旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，從而使從該LC層射出的光現(xiàn)在在這些位置處被分析器阻擋。因此，在透鏡化模式下驅(qū)動(dòng)該設(shè)備使該分析器層對(duì)于行進(jìn)通過該設(shè)備的光是局部不透明的。這些位置涉及像差最大的位置，即電極附近。
所描述的裝置對(duì)于發(fā)射偏振光的像素面板裝置上的微透鏡中的應(yīng)用是特別有吸引力的，如LCD顯示器。本領(lǐng)域技術(shù)人員因此能夠布置該設(shè)備的LC材料和分析器旋轉(zhuǎn)，從而獲得將要實(shí)現(xiàn)的效果。
在上面的例子中，已經(jīng)解釋了利用兩層來改變透鏡特性。該結(jié)構(gòu)可以具有這些層中的一層或兩層，在該結(jié)構(gòu)中也可以存在上面沒有提及的其他層。下層(140)用于減小透鏡光焦度，上層用于壓縮電場(chǎng)。這些方法能夠獨(dú)立地使用以獲得透鏡特性的所希望的變化。
第一和第二固體絕緣體層可以是光致抗蝕劑。可替換的是，絕緣體層可以包括疊層和PET箔層或其他有機(jī)/聚合層。
各種修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。
總之，一種光束成形設(shè)備(1；31)，其包括第一光學(xué)透明襯底(3；33)和第二光學(xué)透明襯底(4；37)，夾在這兩個(gè)光學(xué)透明襯底之間的液晶層(2；36)，以及設(shè)置在液晶層(2；36)面向第一襯底(3；34)一側(cè)的第一電極(5；34)和第二電極(6；35)。光束成形設(shè)備(1；31)在光束成形狀態(tài)之間是可控制的，每一種光束成形狀態(tài)都允許光沿著垂直于該光束成形設(shè)備的方向透過該光束成形設(shè)備。該光束成形設(shè)備(1；31)按照在第一電極(5；34)和第二電極(6；35)兩端施加電壓(V)產(chǎn)生電場(chǎng)的方式來配置，所述電場(chǎng)具有在電極(5，6；34；35)的鄰近部分之間的一段中基本上平行于液晶層(2；36)的部分并且基本上從第一襯底(3；34)延伸到第二襯底(4；35)。按照這種方式，可以獲得橫跨短距離的相對(duì)較高的折射率梯度，其能夠?qū)崿F(xiàn)非常有效的光束成形。在所謂的面內(nèi)配置中，通過利用在液晶層一側(cè)提供的電極能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)。該設(shè)備可以用在自動(dòng)立體顯示設(shè)備中，用以在2D和3D模式之間切換。
應(yīng)當(dāng)注意，上面提及的修改和實(shí)施例是說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在不背離隨附的權(quán)利要求的范圍的情況下設(shè)計(jì)許多可替換的實(shí)施例。在權(quán)利要求中，括號(hào)內(nèi)的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)解釋為限制該權(quán)利要求。詞“包括”不排除還存在除了權(quán)利要求中列出的元件或步驟之外的其他元件或步驟。元件前面的詞“一”或“一種”不排除存在多個(gè)這樣的元件。在列舉了幾個(gè)裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置的幾個(gè)可以用一個(gè)且同一個(gè)硬件來體現(xiàn)。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中列舉的某些措施這個(gè)起碼事實(shí)不表示不能有利地使用這些措施的結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種光束成形設(shè)備(1；31)，其包括第一光學(xué)透明襯底(3；33)和第二光學(xué)透明襯底(4；37)、夾在這兩個(gè)光學(xué)透明襯底中間的液晶層(2；36)，以及設(shè)置在所述液晶層(2；36)面向所述第一襯底(3；34)的那一側(cè)上的第一電極(5；34)和第二電極(6；35)，其中所述光束成形設(shè)備(1；31)在光束成形狀態(tài)之間是可控制的，每種狀態(tài)都允許光在垂直于該光束成形設(shè)備的方向上穿過所述光束成形設(shè)備，其特征在于按照在所述第一電極(5；34)和第二電極(6；35)兩端施加電壓(V)來產(chǎn)生電場(chǎng)的方式對(duì)所述光束成形設(shè)備(1；31)進(jìn)行配置，該電場(chǎng)包括在所述電極(5，6；34；35)的鄰近部分之間的一段中基本上平行于所述液晶層(2；36)的部分并且基本上從所述第一襯底(3；34)延伸到所述第二襯底(4；35)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束成形設(shè)備(1；31)，其中所述第一電極(5；34)包括第一組(42a)基本上平行的第一電極導(dǎo)體線，所述第二電極(6；35)包括第一組(42b)基本上平行的第二電極導(dǎo)體線，所述第一和第二電極(5，6；34，35)設(shè)置為形成至少一個(gè)導(dǎo)體對(duì)，該導(dǎo)體對(duì)包括鄰近的第一和第二電極導(dǎo)體線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光束成形設(shè)備(31)，其中所述第一電極(34)進(jìn)一步包括第二組(43a)基本上平行的第一電極導(dǎo)體線，所述第二電極(35)包括第二組(43b)基本上平行的第二電極導(dǎo)體線，所述第一和第二電極設(shè)置為形成至少一個(gè)導(dǎo)體對(duì)，該導(dǎo)體對(duì)包括鄰近的第一和第二電極導(dǎo)體線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光束成形設(shè)備(31)，其中將所述第二組(43a，b)導(dǎo)體線設(shè)置為相對(duì)于所述第一組(42a，b)導(dǎo)體線成一定角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光束成形設(shè)備(50)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述液晶層(2)與所述第一電極(51)和第二電極(53)相反的那一側(cè)上的第三電極(52)和第四電極(54)，所述第三電極具有至少一條第三電極導(dǎo)體線，所述第四電極具有至少一條第四電極導(dǎo)體線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光束成形設(shè)備(50)，其中將所述第三電極(52)和第四電極(54)設(shè)置為使所述第三和第四電極導(dǎo)體線中的每一條基本上都與所述第一電極(51)和第二電極(53)導(dǎo)體線中對(duì)應(yīng)的一條相垂直。
7.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光束成形設(shè)備(1)，其中當(dāng)所述液晶層(2)不受電場(chǎng)影響時(shí)可以被垂直排列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光束成形設(shè)備(1)，其中所述液晶層(2)具有平面單軸排列，使得當(dāng)所述液晶層中包括的液晶分子受電場(chǎng)影響時(shí)，所述液晶分子垂直于相鄰的導(dǎo)體線。
9.一種光束成形裝置(20；30)，其包括根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的第一光束成形設(shè)備(21；31)和第二光束成形設(shè)備(22；32)，所述第一光束成形設(shè)備和第二光束成形設(shè)備設(shè)置在層疊結(jié)構(gòu)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光束成形裝置(30)，其中所述第一光束成形設(shè)備(31)和第二光束成形設(shè)備(32)相對(duì)于彼此進(jìn)行取向，從而使所述第一光束成形設(shè)備(31)中包括的第一電極(34)和第二電極(35)的至少一部分與所述第二光束成形設(shè)備(32)中包括的第一電極(40)和第二電極(41)的相應(yīng)部分垂直。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的光束成形裝置(20)，其包括另一個(gè)光學(xué)構(gòu)件(23)，其適合于改變穿過所述光束成形裝置(20)的光束的偏振態(tài)。
12.一種照明設(shè)備，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光束成形設(shè)備，以及光源，所述光源例如發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，其按照使所述光源發(fā)射的光束穿過所述光束成形設(shè)備的方式而設(shè)置。
13.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中該光束成形設(shè)備進(jìn)一步包括在第一、第二電極與液晶層之間的層。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述電極導(dǎo)線的鄰近部分之間的距離是p，層的厚度是dsolid，接觸所述液晶層的襯底的電容率是εsub，并且平行于非常軸的液晶材料的電容率分量是εLC，
其中
0.7＜a1＜12，其中a1＝εLC×dsolid/P。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中0.9＜a2＜3.6，其中a2＝εLC/εsub。
16.如權(quán)利要求1、2、14或15所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括液晶層與第一和第二電極相反的那一側(cè)上的導(dǎo)體層。
17.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括液晶層與電極相反的那一側(cè)上的第二絕緣體層，該第二絕緣體層具有厚度dground，其中
0.9＜b1＜14.4且0.4＜b2＜6.4，其中b1＝εLC×dsolid/p且b2＝εLC×dground/P。
18.如權(quán)利要求16或17所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括控制裝置，其用于向?qū)w層施加可變電壓。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中該控制裝置適合于向所述第一電極施加第一交流電壓；以及向所述第二電極施加第二交流電壓。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述第一和第二交流電壓反相但具有相同頻率，并且其中該可變電壓具有不同相位或具有更高頻率。
21.如權(quán)利要求16或17所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括控制裝置，其用于向所述導(dǎo)體層施加直流電壓，并且其中該控制裝置適合于向第一電極施加第一交流電壓；以及向第二電極施加第二交流電壓。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中第一和第二交流電壓中的每一個(gè)都包括第一和第二疊加分量，第一和第二電壓的第一分量反相但具有相同頻率，第二分量相同但具有不同相位或具有更高頻率。
23.如權(quán)利要求1、2、14至22中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括在電極區(qū)域中的不透明層，并與光束成形效果最小的區(qū)域?qū)?zhǔn)，該不透明層至少當(dāng)在透鏡化模式下驅(qū)動(dòng)該設(shè)備時(shí)是不透明的。
24.如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其包括分析器，該分析器位于液晶層與第一和第二電極相反的一側(cè)上，該分析器配置成使得在該設(shè)備的透鏡化模式中，行進(jìn)通過該設(shè)備并且在分析器處于電極位置的那一側(cè)處離開LC層的光至少部分地被該分析器阻擋。
25.一種可切換的自動(dòng)立體顯示設(shè)備，其包括
顯示面板，其具有用于進(jìn)行顯示的顯示像素元素的陣列，該顯示像素元素以成行和成列的方式布置；以及
成像裝置，其將來自不同像素元素的輸出引導(dǎo)到不同的空間位置，從而能夠觀看立體圖像，其設(shè)置成同時(shí)引導(dǎo)進(jìn)入觀眾雙眼的顯示像素輸出，
其中該成像裝置在電學(xué)上可在2D模式和3D模式之間切換，并且包括如權(quán)利要求1、2或14至22所述的光束成形設(shè)備。
26.一種控制光束成形設(shè)備(1；31)的方法，該光束成形設(shè)備包括第一光學(xué)透明襯底(3；33)和第二光學(xué)透明襯底(4；37)、夾在這兩個(gè)襯底之間的液晶層(2；36)，以及設(shè)置在所述液晶層(2；36)面向所述第一襯底(3；34)的那一側(cè)上的第一電極(5；34)和第二電極(6；35)，其中該方法包括以下步驟
控制該光束成形設(shè)備在光束成形狀態(tài)之間，每個(gè)狀態(tài)都通過在所述第一電極(5；34)和第二電極(6；35)兩端施加電壓(V)由此生成電場(chǎng)來允許光沿著垂直于所述光束成形設(shè)備的方向穿過所述光束成形設(shè)備，所述電場(chǎng)包括在所述電極(5，6；34；35)的鄰近部分之間的一段中基本上平行于所述液晶層(2；36)的部分并且基本上從所述第一襯底(3；34)延伸到所述第二襯底(4；35)。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中該光束成形設(shè)備進(jìn)一步包括位于液晶層與電極相反一側(cè)上的導(dǎo)體層，該方法進(jìn)一步包括向所述第一電極施加第一交流電壓并向所述第二電極施加第二交流電壓。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包括向該導(dǎo)體層施加可變電壓，并且其中第一和第二交流電壓反相但具有相同頻率，其中該可變電壓具有不同的相位或具有更高頻率。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包括向該導(dǎo)體層施加直流電壓，并且其中第一和第二交流電壓中的每一個(gè)都包括第一和第二疊加分量，第一和第二電壓的第一分量反相但具有相同頻率，第二分量相同但具有不同的相位或具有更高頻率。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中該光束成形設(shè)備進(jìn)一步包括位于該液晶層與電極相反一側(cè)上的導(dǎo)體層，并且該方法進(jìn)一步包括在一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)向該導(dǎo)體層施加電壓，該電壓不同于向鄰近的第一和第二電極施加的平均電壓。
31.如權(quán)利要求26至30中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其用于控制自動(dòng)立體顯示設(shè)備的透鏡的透鏡功能。
全文摘要
一種光束成形設(shè)備(1；31)，其包括第一光學(xué)透明襯底(3；33)和第二光學(xué)透明襯底(4；37)，夾在這兩個(gè)光學(xué)透明襯底之間的液晶層(2；36)，以及設(shè)置在液晶層(2；36)面向第一襯底(3；34)一側(cè)的第一電極(5；34)和第二電極(6；35)。光束成形設(shè)備(1；31)在光束成形狀態(tài)之間是可控制的，每一種光束成形狀態(tài)都允許光沿著垂直于該光束成形設(shè)備的方向透過該光束成形設(shè)備。該光束成形設(shè)備(1；31)按照在第一電極(5；34)和第二電極(6；35)兩端施加電壓(V)產(chǎn)生電場(chǎng)的方式來配置，所述電場(chǎng)具有在電極(5，6；34；35)的鄰近部分之間的一段中基本上平行于液晶層(2；36)的部分并且基本上從第一襯底(3；34)延伸到第二襯底(4；35)。按照這種方式，可以獲得橫跨短距離的相對(duì)較高的折射率梯度，其能夠?qū)崿F(xiàn)非常有效的光束成形。在所謂的面內(nèi)配置中，通過利用在液晶層一側(cè)提供的電極能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)。該設(shè)備可以用在自動(dòng)立體顯示設(shè)備中，用以在2D和3D模式之間切換。
文檔編號(hào)G02F1/1343GK101675379SQ200880012592
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2008年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月17日
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