定向显示装置的制作方法

专利名称：定向显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及定向显示装置及其制造。
背景技术：
这种装置可以是可切换的二维(2D)/三维(3D)自动立体显示装置；可切换高亮度反射型显示系统；或多用户显示系统。这种系统可用于计算机监视器、电信手持机、数字照相机、膝上型和台式计算机、游戏装置、汽车和其他移动显示应用。
正常人类视觉为立体的，即每只眼睛看到略微不同的世界图像。大脑合并这两幅图像(称为立体对)来给出深度感觉。三维立体显示器将独立的、一般为平面的图像(对应于观看真实世界景象将看到的图像)重放到每只眼睛。大脑再次合并该立体对以给出图像中的深度外观。
图1a以平面图示出了显示面1中的显示表面。右眼2看到显示面上的右眼同源像点(homologous point)3，左眼4看到显示面上的左眼同源像点5，而生成由用户所感知的屏幕面后面的外观图像点(apparent imagepoint)6。
图1b以平面图示出了显示面1上的显示表面。右眼2看到显示面上的右眼同源像点7，左眼4看到显示面上的左眼同源点8，而生成在屏幕面前面的外观图像点9。
图1c示出了左眼图像10和右眼图像11的外观。左眼图像10中的同源点5位于基准线12上。右眼图像11中的相应同源点3位于与基准线12不同的相对位置3处。点3距基准线12的间距13称为像差(disparity)，并且在这种情况下是位于屏幕面后面的点的正像差。
对于景象中的一般的点来说，在如图1a所示的立体对的各图像中存在对应的点。这些点称为同源点。两幅图像之间的同源点的相对间距称为像差；具有零像差的点对应于在显示器的深度平面上的点。图1b示出具有非交叉像差的点出现在显示器后面，而图1c示出具有交叉像差的点出现在显示器前面。同源点的间距幅值、距观察者的距离、以及观察者两眼间距给出了在显示器上感知的深度量。
立体式显示器在现有技术中是众所周知的，立体式显示器指这样的显示器，其中用户戴有某种观看辅助设备以将发送到左眼和右眼的视图基本上分离开。例如，观看辅助设备可以是滤色器，其中图像是彩色编码的(例如红色和绿色)；偏振镜，其中以正交偏振态对图像进行编码；或者快门镜，其中与镜的快门打开同步地将视图编码为时间序列图像。
自动立体显示器不需要观察者戴有观看辅助设备而进行操作。在自动立体显示器中，如图2所示，从空间上受到限制的区域可以看到各视图。
图2a示出了具有附带视差(parallax)光学元件17的显示设备16。该显示设备为右眼通道生成右眼图像18。视差光学元件17沿箭头19所示的方向引导光，以在显示器前面的区域中生成右眼视窗20。观察者将其右眼22放在窗20的位置处。示出左眼视窗24的位置用作参考。视窗20也可称为垂直延伸的光瞳。
图2b示出了左眼光学系统。显示设备16为左眼通道生成左眼图像26。视差光学元件17沿箭头28所示方向引导光，以在显示器前面的区域内生成左眼视窗30。观察者将左眼32放在窗30的位置处。示出了右眼视窗20的位置用作参考。
该系统包括显示器和导光机构。将来自左图像26的光发送到显示器前面的称为视窗30的受限区。如果眼睛32放在视窗30的位置处，则观察者在整个显示器16上看到适当的图像26。类似地光学系统将希望用于右图像18的光发送到单独的窗20。如果观察者将其右眼22放在该窗上，则在整个显示器上将看到右眼图像。通常，来自任一图像的光都可以看作已经光学导入(即引入)各自的定向分布中。
图3以平面图在显示面34上示出了显示设备16、17，显示设备16、17在窗平面42上产生左眼视窗36、37、38和右眼视窗39、40、41。窗平面距显示器的间距称为标称观看距离43。相对显示器在中央位置的窗37、40处于第零波瓣44中。在第零波瓣44右侧的窗36、39位于+1波瓣46中，而第零波瓣左侧的窗38、41位于-1波瓣48中。
显示器的视窗平面表示距显示器的距离，在视窗平面处横向观看自由度最大。如图3中平面图所示，对于离开窗平面的点，存在菱形自动立体观看区。如图所示，来自显示器上各点的光以宽度有限的圆锥照射到视窗上。圆锥的宽度被定义为角宽度。
如果眼睛位于的一对观看区(诸如37、40)中的一个中，则在显示器的整个区域内将看到自动立体图像。最重要的是(to a first order)，显示器的纵向观看自由度由这些观看区的长度来确定。
图4a中示出了显示器的窗平面上的强度50对于理想窗的位置51的变化(构成一种实际形式的光的定向分布)。右眼窗位置强度分布52对应于图3中的窗41，而强度分布53对应于窗37，强度分布54对应于窗40，而强度分布55对应于窗36。
图4b示意性地示出了强度随更实际的窗的位置的分布。右眼窗位置强度分布56对应于图3中的窗41，而强度分布57对应于窗37，强度分布58对应于窗40，而强度分布59对应于窗36。
如图4中所示，图像分离的质量以及显示器横向和纵向观看自由度的程度由窗的质量来确定。图4a示出了理想视窗，而图4b是可能从显示器输出的实际视窗的示意图。由于窗性能的不适宜可能会出现几个假像。当左眼看到来自右眼图像的光时会发生串扰，反之亦然。这是重要的三维图像劣化机理，其会导致用户的视疲劳。另外，较差的窗质量会导致观察者的观看自由度的减少。对光学系统进行了设计以使视窗的性能最优化。
视差元件可以是包括相交替的不透光区和透光区的阵列的视差栅。视差栅需要阻挡来自显示器区域的光，结果降低了亮度和设备效率，一般降低到初始显示亮度的大约20-40％。由于为了使显示器的观看自由度最优而对栅相对于显示器的像素结构的子像素对准公差的要求，因此去除和更换视差栅并不容易。二维模型是一半分辨率的。
本领域公知的在立体显示中使用的替代视差栅的另一种视差光学器件为透镜屏(lenticular screen)，该透镜屏是垂直延伸的柱状微透镜阵列。
由于透镜阵列组合了以下功能效率高、光斑小并能够利用公知的光刻工艺技术进行制造，因此其特别适用于自动立体显示器。
图5示出了采用透镜屏的现有技术显示设备的典型结构。背光60产生入射到LCD输入起偏器64上的光输出62。该光透过TFT LCD基板66，并入射到在LCD像素平面67上成行成列排列的重复的像素阵列中。红色像素68、71、73，绿色像素69、72、75以及蓝色像素70、73中的每一个都包括单独可控的液晶层并且由称为黑掩模(black mask)76的不透光的掩模区域分离开。每个像素包括透光区或像素孔78。由LCD像素平面74上的液晶材料对穿过像素的光进行相位调制，并且由位于LCD滤色基板80上的滤色器对穿过像素的光进行颜色调制。然后光穿过输出起偏器82，在该输出起偏器82后设置有透镜屏基板94和形成在该透镜屏基板92表面上的透镜屏96。对于视差栅，如来自像素69的光线88所示出的，透镜屏94用来将来自交替像素列69、71、73、75的光导入右眼，并且如来自像素68的光线90所示出的，将来自中间列68、70、72、74的光导入左眼。观察者看到发自基础像素的光，该光照亮了单个透镜(透镜屏96中的98)的孔。由被捕获的光线100示出被捕获的光锥的范围。
在上述配置中，LCD像素平面用作空间光调制器(SLM)。如在本文档中使用的，术语空间光调制器或SLM既包括诸如液晶显示器的“光阀”设备，也包括诸如电致发光显示器和发光二极管(LED)显示器的发射设备。
在1976年T.Okoshi的“Three Dimensional Imaging Techniques”(Academic Press)中描述了透镜显示器。US4 959 641中描述了一种利用空间光调制器的透镜显示器。该发明’641描述了空气中的非切换透镜元件。
由于在透镜96处或其附近的反射和散射劣化了图像的对比度，这种显示器具有不理想的透镜表面能见度。反射例如是由于菲涅尔反射(Fresnel reflection)所导致的。
在1996年SPIE Proceedings第2653卷第32到39页发表的”Multiview3D-LCD”中描述了一种利用相对显示器的像素列倾斜的柱透镜的透镜显示器。
如上所述，利用视差光学器件来生成空间多路三维显示将各图像的分辨率限制到最多全显示分辨率的一半。在很多应用中，打算将显示器在三维模式中使用一段时间，并要求显示器具有全分辨率的无假像二维模式。
在1993年Proc.SPIE第1915卷Stereoscopic Displays andApplications IV(1993)第177-186页的”Developments in AutostereoscopicTechnology at Dimension Technologies Inc.”中描述了一种去除了视差光学器件的作用的显示器。在该情况下，可切换漫射器元件置于用于形成光线的光学系统中。这种可切换漫射器例如可以是聚合体分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal)型的，其中对于在材料上施加电压的应用，分子排列在散射和非散射模式之间切换。在三维模式下，漫射器透明的，生成的光线产生了后视差栅效果。在二维模式下，漫射器是散射的，光线被散开(wash out)，产生均匀光源的效果。由此，显示器的输出基本上是朗伯型(Lambertian)的，而窗被散开。因而观察者将看到作为全分辨率二维显示器的显示器。这种显示器在三维模式下会存在菲涅尔衍射假像，并且在漫射器透明的状态下会存在不希望的残余散射，这将增大显示串扰。因此，这种显示可能会造成更高程度的视疲劳。
在EP-A-0,833,183中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，第二LCD置于显示器前面用作视差光学器件。在第一模式中，视差LCD是透明的，从而不产生窗而看到二维的图像。在第二模式中，对设备进行切换以产生视差栅狭缝。然后产生输出窗，并且图像显示为三维的。由于使用两个LCD元件，这种显示器增加了成本和复杂度，并且亮度降低或功耗增加。如果用于反射模式三维显示系统，由于显示器内外光路上的视差栅的阻挡区对光的衰减，视差栅会导致亮度很差。
在EP-A-0,829,744中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，视差栅包括经构图的半波延迟元件阵列。延迟元件的图案对应于栅狭缝的图案以及视差栅元件上的吸收区。在三维模式操作中，将起偏器加入显示器中来解析经构图的延迟器的狭缝。由此，产生吸收视差栅。在二维模式操作中，由于在二维模式操作中不包含任何偏振特性，所以完全去除起偏器。因此显示器输出是全分辨率且是全亮度的。一个缺点是这种显示器采用视差栅技术，因此在三维模式操作中限于可能的20-30％的亮度。另外，显示器将具有观看自由度以及由栅孔的衍射所限制的串扰。
为了定向地切换光，而提供电切换双折射透镜是已知的。利用这种透镜在二维模式操作和三维模式操作之间切换显示器是已知的。
例如，在1997年5月15-16日欧洲光学学会(European OpticalSociety)Topical Meeting Digest Series13第48-58页中的L.G.Commander等人的“Electrode designs for tuneable microlenses”中描述了电可切换双折射液晶微透镜。
在US-6,069,650和WO-98/21620中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，可切换微透镜包括充满液晶材料的透镜屏，该可切换微透镜用来改变透镜屏的光功率。US-6,069,650和WO-98/21620教导了在透镜屏中采用电光材料，通过在第一值(由该第一值提供对透镜装置的光输出导向操作)和第二值(由该第二值去除光输出导向操作)之间选择地施加电势差来切换电光材料的折射率。
SID 97 DIGEST第273-276页中的S.Suyama等的“3D Display Systemwith Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens”中描述了一种包括液晶菲涅尔透镜的三维显示器。
在WO-03/015,424中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，通过对穿过透镜并到达观察者处的光的偏振进行控制，而在二维和三维模式之间切换无源双折射微透镜。根据该参考文献还了解到，为了旋转输入偏振，使用在该无源双折射透镜中的扭转(twist)，从而使双折射微透镜几何轴平行于透镜表面的双折射材料轴。图6以平面图示出了WO-03/015,424中公开的显示设备之一，该设备配置如下。
背光102产生LCD输入起偏器106的照明104。光穿过薄膜晶体管(TFT)基板108，并入射到包括可分开控制的相位调制像素112-126的像素层110上。像素成行成列地排列，并包括像素孔128和分隔黑掩模130。随后光穿过LCD相对基板(counter substrate)132和透镜承载基板136，双折射微透镜阵列138形成在透镜承载基板136上。双折射微透镜阵列138包括各向同性透镜微结构140和具有光轴方向142的经配向的双折射材料。然后双折射透镜的输出穿过透镜基板144和偏振改变设备146。
透镜阵列中的每个双折射透镜都是柱状的；透镜阵列138是透镜屏并且透镜的几何轴在页面外。本示例中透镜的间距被设置为基本是显示器像素间距的两倍，从而产生了两视图自动立体显示器。
在第一模式操作下，偏振改变设备146被构造为发射具有平行于微透镜阵列的双折射材料的寻常轴的偏振态的光。该材料(诸如液晶材料)的寻常折射率基本与各向同性微结构140的折射率匹配。因此透镜不具有光学作用，并且显示器输出的定向分布基本没有变化。在这种模式下，观察者每只眼睛都将看到显示器的全部像素112-126，并将产生二维图像。
在第二模式操作下，偏振改变设备146被构造为发射具有平行于双折射微透镜阵列的非常轴的偏振态的光。该材料(诸如液晶材料)的非常折射率不同于各向同性微结构140的折射率。因此透镜具有光学作用，并且显示器输出的定向分布存在变化。可以如本领域中所众所周知地那样设置定向分布，使得正确位于显示器前面的观察者将用左眼看到对应于来自左图像像素112、116、120、124的光的左图像，而用右眼将看到对应于右图像像素114、118、122、126的右图像。这样，可产生可切换二维到三维的自动立体显示器。
在三维自动立体显示器中，透镜阵列(透镜屏)可以用来把光导入包括适当视窗的定向分布中。这种透镜阵列还可用来把光导入其他定向分布。WO-03/015,424中公开了这种定向分布的示例，并且示例包括增强了亮度的分布，其中光被导入标称观看平面上的宽水平窗。在该窗中，观察者将看到亮度的增加与面板的垂直孔径比成比例。在视窗之外，观察者将看到像素间间隙，并且显示器亮度降低。

发明内容
本发明的第一方面涉及具有双折射透镜的透镜阵列结构，双折射透镜能够将光导入例如WO-03/015,424中所公开的类型的定向分布中。作为其双折射的结果，通过控制穿过透镜的光的偏振可以切换透镜作用。
根据本发明第一方面，提供了一种定向显示装置的透镜结构，该透镜结构包括双折射透镜，能够将具有给定偏振的光导入定向分布中，所述双折射透镜包括具有折射结构的界面的固体第一双折射材料和各向同性材料；以及第二双折射材料，设置在双折射透镜的第一双折射材料附近，其中所述第一双折射材料和第二双折射材料之间的界面具有对第一双折射材料和第二双折射材料提供配向的配向微结构。
在这种透镜结构中，第二双折射层可以提供很多效果。例如，可以切换第二双折射材料来控制穿过透镜结构的光的偏振，第二双折射材料例如是可切换的液晶层，该液晶层能够旋转穿过其的光的偏振。在这种情况下，第二双折射层可用来控制透镜的作用。
因此双折射透镜用作第二双折射材料的基板，而无需提供任何中间基板。这具有降低了成本和设备厚度两方面的优势。当用于显示装置中时，透镜距像素平面的间距确定了特定像素尺寸的标称观看距离。设备厚度的减小使得在使用标准公知基板厚度的显示设备时允许更短的显示器观看距离。在第二双折射材料设置在透镜和像素平面之间时，避免任何中间基板可减少很多种显示装置中所必要的间距以最优化显示性能。例如，在第二双折射材料控制光的偏振以切换透镜作用的情况下，将第二双折射材料置于透镜和像素平面之间可以最优化显示对比度和亮度。
此外，将第二双折射材料设置在双折射透镜的第一双折射材料附近使得单配向微结构可以形成在第一双折射材料和第二双折射材料之间的界面上，以为第一和第二双折射层提供配向。该配向微结构可用于在固化期间固定对第一双折射材料的配向。经固化的双折射材料位于第二双折射材料附近。因此第二双折射材料也与对第二双折射材料提供配向的配向微结构相接触。因此有利地的是，该配向微结构具有公用的功能。无需另外的配向层处理步骤用于对第二双折射材料进行配向。因此，透镜结构的成本和复杂性降低了。
配向微结构是具有用于对液晶层进行配向的特征的结构。这种结构通常具有50μm或更低量级的尺寸特征。适当的结构包括(但并未排他性地)第一双折射材料的表面或界面的表面凹凸(relief)；第一双折射材料的表面或界面处的电磁结构，例如结构偶极子场；附加层，例如用来提供结构偶极子场；或这些种不同类型的微结构的组合。例如通过对表面进行浮雕、铸造或浇铸来形成表面凹凸配向微结构。例如通过使用例如摩擦布对层(诸如例如聚酰亚胺的聚合层)进行摩擦，可以形成附加层的形式的配向微结构；或者通过令聚合材料暴露到偏振光来形成光配向层。
在聚酰亚胺层的情况下，聚酰亚胺层厚可以足够小，使得在聚酰亚胺已从牺牲表面上移除之后，通过摩擦在一个表面上设置偶极子场，在相对表面上产生效果。这提供了如下详述的未料到的优点。
另外的优点是该透镜结构可以常规地接合至显示设备，并且随后填充第二双折射材料。使用具有配向结构的固体透镜使得组装要求的处理的成本最小。
第一双折射材料可以是液晶材料，优选地为可固化液晶材料，更优选地为可UV固化液晶材料。
为了降低制造成本，第一双折射材料和双折射透镜的各项同性材料之间的所述界面也可以具有对第一双折射材料提供配向的配向微结构。
第一双折射材料可以具有从其突起的至少一个间隔体，用来间隔第二双折射材料的厚度。在形成配向微结构的同一步骤中很容易制造这种间隔体。因此该特征避免要求包括分隔开的间隔体，要求包括分隔开的间隔体会增加制造复杂性和成本。
在根据本发明第一方面的另一形式中，提供了一种定向显示装置用双折射透镜，该透镜包括第一各向同性材料；第一双折射材料，其可以为可UV固化的，第一各向同性材料和第一双折射材料之间的第一界面包括折射结构，其中折射结构为透镜结构；第二双折射材料，第一双折射材料与第二双折射材料之间的第二微结构界面包括衍射配向结构，该衍射配向结构设置为沿平行于衍射配向结构的沟槽的第一方向对第一双折射材料提供配向；以及沿平行于衍射配向结构的沟槽的第二方向对第二双折射材料提供配向。
在第一界面处可设置有另外的衍射配向结构，该衍射配向结构设置为沿平行于衍射光栅结构的沟槽的第一方向对第一双折射材料提供配向。
第二双折射材料可以包括可切换液晶层，该液晶层设置为提供对输入线偏振态的旋转。
本发明的第二方面涉及双折射透镜的结构，该类双折射透镜的结构例如为用于改变在上述定向显示装置中的光的定向分布。在这种透镜中，可以有对来自透镜的双折射材料与各向同性材料之间的界面的光的漫反射。这种反射是不利的。例如，在显示装置中，对来自该界面的外部光的反射会降低观察图像的对比度。
根据本发明的第二方面，提供了一种双折射透镜，该双折射透镜包括具有界面的双折射材料和各向同性材料，该界面具有折射结构和对所述双折射材料提供配向的表面凹凸配向微结构，其中各向同性材料的折射率与双折射材料的非常折射率基本相等。
结果，可以使用配向结构及其配向作用来减少界面处的反射量。由于选择各向同性材料以具有与双折射材料的非常折射率基本相等的折射率，所以这是可能的。这是因为双折射材料的非常轴是沿着配向方向的。当具有垂直于配向方向的偏振分量的光穿过透镜时，在界面处存在折射率阶梯，但是降低了漫反射的程度。这可以通过在弯曲表面处的类似于“蛾眼”的效应来获得，在弯曲表面中，由于微结构的特征的子波长本质可以明白折射率的逐渐变化。
当具有平行于配向方向的偏振分量的光穿过透镜时，除了由于界面中的任何缺陷外，在界面处没有折射率阶梯，所以也没有漫反射。这样仅对一个偏振态(其看到折射率阶梯)要求防反射功能，所以衍射光栅可有利地具有仅对准该偏振态的结构，即为线性光栅。由于结构简单，很容易精确控制并制造直线光栅。因此线性光栅具有更高的性能。
相反，如果各向同性材料的折射率等于双折射材料的寻常折射率，则经过界面处的折射率阶梯的光将是平行于配向方向的偏振分量的光。由于配向微结构对该偏振光几乎没有影响，因此将存在漫反射，所以界面将呈现为光波长量级的平表面。
如此利用一同提供配向特性和防反射特性的微结构，可以附加成本最小地提高设备性能，而无需在系统中增加层。
配向微结构为具有用于配向液晶层的特征的结构。这种结构典型地具有50μm或更低的量级的尺寸特征。通常，合适的结构包括表面或界面的表面凹凸；电磁结构，诸如结构偶极子场；或附加层，例如提供结构偶极子场，但是根据本发明的第二方面，为了提供防反射功能，配向微结构将包括表面凹凸。例如可通过对表面进行浮雕、铸造或浇铸来形成这种表面凹凸。
优选地，在双折射材料的与各向同性材料相对侧上的表面具有配向微结构，该配向微结构提供所述双折射材料的配向，该配向相对给定偏振分量的方向与前述配向微结构在所述双折射材料与各向同性材料之间的界面处提供的相对给定偏振分量的配向相同。有利地，这以最低的附加成本进一步减少了系统中的反射。
双折射材料的与各向同性材料相对侧的表面可以是平面界面或第二双折射透镜界面以提供双凸透镜。双凸透镜有利地允许有更短的透镜反向工作距离，因此允许单元更薄，减少了材料消耗并降低了成本。另外双凸透镜还使得减少了透镜的色差，有利地提高了窗质量。
有利地，表面凹凸配向微结构可以具有尺寸为可见光波长量级或更小的尺寸特征。这种特征的尺寸使得防反射特性最大化，这是因为这些特征沿界面处传播方向提供了折射率变化的有效梯度，而不是阶梯变化。
对于在定向显示装置中的使用，双折射透镜可以是透镜阵列，其中双折射材料与各向同性材料之间的所述界面的折射结构可被构形为将具有平行于双折射材料的寻常轴的偏振分量的光导入定向分布。
本发明的第三方面涉及具有双折射透镜的透镜阵列的结构，该双折射透镜能够将光导入定向分布，该透镜阵列例如为WO-03/015,424中公开的类型。由于双折射，通过对穿过透镜的光的偏振进行控制，可以切换透镜的作用。
根据本发明第三方面，提供了一种定向显示装置用透镜结构，该透镜结构包括双折射透镜阵列，能够将具有给定偏振的光导入定向分布；可切换液晶层，能够使穿过其的光的偏振发生旋转；一对电极，用来施加电场以切换液晶层，电极设置为在两电极之间具有双折射透镜阵列和可切换液晶层，双折射透镜阵列的材料具有并入其中的导电材料。
因此，双折射透镜用作液晶层的基板，而无需提供任何中间基板。这同时提供了降低成本和设备厚度两方面的优点。当用于显示装置中时，透镜距像素平面的间距确定了特定像素尺寸的标称观看距离。设备厚度的降低使得在采用标准公知基板厚度的显示设备时，显示器的观看距离更短。避免任何中间基板可以减小该间距使得当液晶层位于透镜和像素平面之间时的显示性能最优，以优化显示对比度和亮度。
因为对透明电极的处理要求，将电极置于双折射透镜和液晶层外面是有利的，这意味着可以在结构中其他层进行处理之前将透明电极淀积在玻璃基板上。有利地，透镜厚度沿表面标称恒定，从而使得在可切换液晶层上的场降(drop)标称恒定。这种配置意味着电极不需要直接应用到透镜与液晶层之间的界面，直接应用到透镜与液晶层之间的界面会由于允许的受限处理温度，产生性能较差的电极层。
如果场降不但出现在开关上，还出现在透镜上，则需要对开关施加不希望增加的电压。将透明电极应用到双折射透镜与液晶层之间的界面可能是不利的，这是因为由于处理温度的限制而使得层的性能受限。有利地，该实施例通过将导电材料并入透镜的聚合矩阵来克服这些限制。
可以将导电电极加入基板上，在该基板上安装有导电透镜材料来提高可切换透镜的电切换性能。该导电电极可以是透明的，例如铟锡氧化物。导电电极也可以采取导电(低欧姆)母线的形式，其可以用作可见区外的高导电材料板。


下面将参照附图，仅通过示例说明本发明的实施例。
图1a示出了在屏幕面后面，物体的三维显示中表观深度的产生；图1b示出了在屏幕面前面，物体的三维显示中的表观深度的产生；图1c示出了在图像立体对的各图像中对应同源点的位置；图2a示意性地示出了在自动立体三维显示器前面右眼视窗的形成；图2b示意性地示出了在自动立体三维显示器前面左眼视窗的形成；图3以平面图示出了根据三维显示器的输出锥产生的观看区；图4a示出了自动立体显示器的理想窗轮廓；图4b示出了来自自动立体三维显示器的视窗的输出轮廓的示意图；图5示出了透镜屏显示器的结构；图6示出了现有技术偏振启动型微透镜显示器；图7示出了偏振启动型微透镜显示器；图8示出了偏振启动型微透镜显示器；图9示出了本发明的双折射透镜和偏振旋转器以及用于透镜和液晶单元的衍射配向微结构；图10示出了图9中的具有集成在液晶材料上的间隔元件的装置；图11示出了在图9的装置中使用又一衍射配向微结构；图12示出了图9中的具有反转透镜结构的装置；图13a示出了具有衍射配向微结构的各向同性表面凹凸结构(reliefstructure)的形成；图13b示出了在图13a的结构上形成双折射透镜；图13c示出了将另外的基板接合至图13a的基板上并充满双折射材料；图13d示出了除了图13a的结构外，还使用具有衍射配向微结构的衬垫；图13e示出了在图13d的步骤之后产生的透镜结构；图13f示出了利用图13e的结构形成图9的结构；图14a示出了各向同性透镜结构的形成；图14b示出了使用间隔球来分隔双折射透镜的基板；图14c示出了使用集成的间隔元件来分隔双折射透镜的基板；图15a示出了利用具有液晶材料的重复的工具形成双凸液晶透镜；图15b示出了由图15a中的处理形成的双凸透镜；图15c示出了将图15b的双凸液晶透镜接合至显示器基板；图15d示出了利用非衍射配向微结构形成双凸双折射透镜；图16示出了用来重复的液晶聚合结构的装置；图17示出了对透镜界面处的外界光的反射；图18示出了具有防反射特性的衍射配向微结构；图19示出了对于图18的正交偏振态的输出；图20a示出了各向同性透镜结构的形成；图20b示出了具有牺牲基板的可固化液晶层的形成；图20c示出了在除去牺牲基板后，并入了聚酰亚胺配向微结构的经固化双折射透镜；图20d示出了使用具有聚酰亚胺配向微结构的经固化的双折射透镜的开关单元和平面基板的组装；以及图20e示出了并入了配向微结构的经固化的双折射透镜和开关单元，该配向微结构通过一聚酰亚胺层形成在经固化的双折射材料中，该聚酰亚胺层已经与牺牲基板一起被去除。
具体实施例方式
一些不同实施例采用共同的元件，为简化起见，将对这些共同元件给出共同参考标号并将不再重复对其的说明。此外，对各实施例中的元件的说明等价地应用到其他实施例中的相同元件，并且应用于经过必要的修改具有对应效果的元件。另外，为清晰起见，例示显示器的实施例的图仅示出显示器的一部分。实际上，可以在显示器的整个区域内重复该结构。
在该说明书中，双折射材料的光轴方向(指向矢方向(directordirection)，或非常轴方向)将称为双折射光轴。不应当将其与透镜的光轴相混淆，透镜的光轴是以几何光学的常见方式来定义的。
柱透镜描述了一种这样的透镜，其中边缘(其具有曲率半径并可能具有其他的非球面部件)沿第一线性方向延伸。几何微透镜轴定义为沿第一线性方向上的透镜中心的直线，即，平行于所述边缘的延伸方向。这里采用的术语“柱状”具有本领域中的一般意义，并且该术语不仅包括严格的球面透镜形状，而且还包括非球面透镜形状。
在二维-三维型显示器中，几何微透镜轴是垂直的，从而其平行于显示器像素列或与之成微小的角度。在本文如上所述的亮度增强型显示器中，几何微透镜轴是水平的，从而其平行于显示器的像素行。
对于两视图显示器，透镜阵列中的透镜间距基本等于空间光调制器(该空间光调制器使用所述透镜阵列)的像素间距的两倍。实际上，在透镜阵列中的透镜间距略小于空间光调制器的像素间距的两倍，而以通常公知为“视点校正”的方式将光导入视窗。透镜的曲率基本设置为在窗平面上产生LCD像素的图像。因为透镜收集来自像素的圆锥内的光，并将其分散到窗上，所以透镜阵列提供了全亮度的入射光。
这里，术语“衍射配向微结构”指表面凹凸微结构，即以表面或界面的表面凹凸的形式来对双折射材料提供配向的微结构。由于这些结构通常采用间距方式(pitch regime)，因而间距尺寸与衍射光栅中采用的相类似，并且配向微结构可以由用于衍射结构的公知技术(诸如干涉效应或划线)来形成。然而，在这些实施例中衍射特性并非微结构的主要功能。
图7示出了定向显示装置，其为WO-03/015,424中描述的并在图6中示出的定向显示装置的变型。背光和输入起偏器未示出。图7的起偏器146由可切换液晶层160和输出起偏器154取代，可切换液晶层160与液晶透镜142(其可以为固体液晶透镜(solid liquid crystal len))相接触地设置。液晶层160能够旋转穿过其的光的偏振。为了对液晶层160进行切换，设置了ITO电极层158和172，夹住液晶层160和透镜142两者。图6的基板136和144分别由基板170和168取代。
电信号控制器162允许切换ITO电极层158和172上的电场以使液晶层160切换。这使得可以以如WO-03/015,424中描述的方式相同的方式(在此通过引用将其并入)控制穿过输出起偏器166传送的偏振态，并且由此控制透镜的功能。透镜142设置为将具有第一偏振分量的光导入定向分布，但基本不影响具有垂直于第一偏振分量的第二偏振分量的光。在一个操作模式下，切换液晶层160以使得第一偏振分量穿过透镜142，并且在另一操作模式下，切换液晶层160使得第二偏振分量穿过透镜142。由此对液晶层160的切换控制了透镜142是否有作用，并且允许对显示装置的输出的定向分布进行切换。
输出起偏器154位于相对基板132上。输出起偏器154与透镜142和空间光调制器之间设置的液晶层160相结合，使得允许在两个定向模式下以有全图像对比度和亮度对透镜142进行切换。
图8示出了图7中的显示器的另选结构，其中自动立体显示器的两视图像素列由亮度增强型显示器的孔取代。在这种情况下，像素孔180被间隙区182分隔开。透镜阵列用来将像素180成像到窗平面上。窗中的观察者将在显示器上看到亮度增强了的图像，并且在窗外的区域中看到的亮度降低。
共同未审的英国专利申请GB0302659.8中和国际专利申请PCT/GB04/000366中描述了图7和图8中示出的集成透镜单元和偏振开关设备，在此通过引用将其并入。这里将公开应用于本实施例的进一步的细节。
下面参照图9说明透镜142和液晶层160的具体结构。在以下说明中，由各向同性材料202的层和双折射透镜材料214的层的组合形成透镜142，而基板168、电极层172、液晶层160、电极层158以及基板170分别对应于基板200、电极层238、液晶层242、电极层246和基板244。
基板200可在表面上具有ITO层238，各向同性透镜202位于该ITO层238上。在该示例中，在该透镜表面和加入有第二衍射配向微结构240的经固化的LC层中形成衍射配向微结构212。
有利地，该重复配向微结构240有两个功能。在第一功能中，在对透镜材料214进行配向和固化期间，该重复配向微结构240对经固化的LC材料进行适当配向。另外，微结构240将用来对第二液晶材料层242进行配向，第二液晶材料层242夹在微结构240与具有ITO层246和配向层248的透镜相对基板244之间。由此，可以有利地避免对透镜214的后续处理，降低了系统的成本并消除了对另外的基板层和其他的配向层的需要。
ITO层246、238上施加LC层上的电场，并且确定了旋转单元242中的液晶的配向。另选地，为了降低所需电场，ITO电极238可以置于微结构240上。然而，由于对透明电极的处理要求，因此将图9中的电极层238、246置于双折射透镜214和可切换液晶层242外面是有利的，这意味着可以在对结构中的其他层进行处理之前将透明电极淀积在玻璃基板244、200上。这意味着它们可以使用更高性能的电极。有利地，透镜214和各向同性层202的厚度沿整个表面标称恒定，从而使得在切换层242上下降恒定场。这样的配置意味着电极不需要被直接应用到微结构240上，电极直接应用到微结构240上会由于允许的处理温度受限，而产生性能较差的电极层。此外，将透明电极应用到透镜表面214上可能是不利的，因为层的性能会由于处理温度的限制而受限。
如果透镜142和开关之间有场降，则需要增加施加到开关上的电压，这是不希望的，因为这可能会使切换电路中还需要那些已经用于寻址显示面板的电子器件以外的电子器件。为了减少该问题，透镜材料214可以并入另外的导电材料，从而透镜形成用于寻址液晶层242的电极元件。该材料可以是并入透镜结构中的聚合矩阵的导电聚合物。因为透镜更靠近偏振旋转单元242，所以有利的是，该单元需要更低的电压驱动器。
图10示出了图9所示的本发明的又一实施例，其中间隔柱250被并入重复微结构240中，来提供对单元242的分隔，从而不需要在限定偏振旋转单元的间隙中使用另外的间隔球处理步骤，由此降低了成本。间隔柱例如可以通过将材料从反转偏振控制重复工具(inverse polaritymaster replication tool)中有选择地移除而形成。这种集成间隔柱250可以形成在双折射透镜的平面表面上，从而形成偏振旋转单元的间隔体。这避免了在设备的结构中需要另外的间隔体，并由此可以更便宜地进行制造。
图11示出了在偏振旋转单元的相对基板244的各向同性材料中的平面基板上使用第二重复配向微结构252。
图12示出了透镜材料和曲率也可被反转以获得相似的聚焦效果。在这种情况下，配向层206被插入基板200上的ITO层238的顶部。
在所描述的各实施例中，可以用淀积在各向同性材料202上的常规配向层来取代微结构212。
在透镜材料214为可固化液晶材料的情况下，在固化期间，使用衍射配向微结构240来固定对透镜214中的液晶材料的配向。透镜的经固化的基本为平面的表面由此包括表面凹凸衍射配向微结构240。该表面凹凸衍射配向微结构240与第二液晶层242相接触。衍射配向微结构240用于对材料242提供配向。
因此有利地，基本为平面的微结构240具有在固化期间对透镜214的液晶材料进行配向和在操作期间对开关的液晶材料242进行配向的公共功能。不需要另外的配向层处理步骤。由此降低了设备的成本和复杂度。因为不需要透镜与开关层之间的中间基板，所以还可以减小透镜表面212距设备的像素平面(未示出)的间距。设备厚度的减小是特别有利的，因为在使用标准公知基板厚度的显示设备时，这允许更短的显示器观看距离。透镜的第一界面可以是与各向同性材料的折射界面。为了降低制造成本，该界面也可以包括衍射配向结构。
另一优点在于透镜单元结构可以常规地接合至显示设备，并且随后填充偏振开关单元材料。使用具有衍射配向结构的固体液晶透镜可以最小化组装开关单元所需的处理成本。
图9的结构例如可以形成为如图13中所示。如图13a所示，透镜基板200具有形成在其表面上的各向同性材料202。形成包括折射和衍射特征的微结构212。如图13b所示，折射特征用于限定透镜的折射性能，而衍射特征至少具有为应用于该表面的双折射材料214提供配向的功能。材料214例如可以是常规的液晶材料或可以是可UV固化液晶材料。如果没有配向层应用于该表面，则对第二界面215处的双折射材料的配向例如可以是垂直(homeotropic)的。图13b中的透镜可以具有接合至该表面的配向层(未示出)，从而其形成偏振旋转器光开关的一个基板。然而，这种元件需要对这种附加层进行处理，这将增加元件的成本。
例如可以形成如图13c中示出的透镜结构，其中薄基板204具有形成在其表面上的配向材料，并且用于对透镜设备的相对基板进行配向。
在本发明的集成偏振旋转器中，如图13d所示，重复衬垫(replicationshim)215用于形成透镜的第二表面。双折射材料214是可UV固化的，并且被引入衬垫和表面212之间。衬垫215具有形成在其表面上的经适当配向的衍射配向微结构，该衍射配向微结构用来对双折射材料214进行配向。衬垫215上的衍射配向微结构可以设置为对透镜中的双折射材料提供旋转。在UV固化之后，去掉(release)衬垫215从而生成如图13e所示的单元。衬垫215上的微结构在双折射材料214上留下微结构240。如前所述，间隔体也可以被并入衬垫215中，来提供双折射材料柱以分隔旋转单元间隙。
现在如图13f所示介绍第二基板244。基板244可以包括显示设备的相对基板，或者例如可以是起偏器或波片(waveplate)。该基板例如并入ITO电极246和配向层248。配向层248也可以并入有衍射配向层。双折射透镜与配向层248之间的间隙例如被可切换的液晶所充满。液晶将具有并入在透镜单元中的衍射配向结构240所提供的配向。
如图14所示，例如可按如下方式来制造WO-03/015,424中描述的图7中的无源双折射透镜。在图14a中，第一基板200具有形成在其表面上的各向同性透镜结构202。基板200可以是具有与显示设备的相对基板132基本相同的热膨胀系数的玻璃基板。由此，在显示器的热变化期间使透镜与像素图案之间的间距变化最小。各向同性材料202例如可以是，但并不限于例如由UV铸造形成的经UV固化的聚合材料。这种材料例如可以是可从Norland Optical Products获得的NOA71。也使将透镜接合至各基板的应力最小。这允许生产更平的元件，这将有利地生产更高质量的视窗。
在图14b中，将配向层206应用于各向同性透镜结构202和第二基板204的表面。配向层例如可以是经摩擦的聚酰亚胺层。配向层材料可以是诸如可从Nissan Chemicals获得的RN-1340之类的低温配向层材料。这种材料可以在该经UV固化的聚合材料的处理方式范围内的温度被固化。
为了提供透镜尖端与透镜相对基板204之间的间隔，光学间隔体208可以集成到透镜单元中。间隔体208可以包括间隔球、间隔光纤，或者可以为例如如图14c所示的集成进重复透镜结构的集成间隔体210。在集成间隔体元件的情况下，通过在形成正确的偏振衬垫之前有选择地将材料从反转偏振控制工具中去除，来在用于重复该透镜的重复工具的控制下形成间隔体。可以将间隔体的高度设置为确保存在通过透镜尖端区中的双折射材料的引导(guiding)。例如，间隔体高度可以在2-10μm之间。这种引导使得显示设备的输出偏振与透镜表面处的配向方向相匹配，优选地平行于几何微透镜轴。间隔体优选地可以为柱，以最小化可见度。
另选地，间隔体可以形成在透镜相对基板204、206上，并且使透镜与间隔体相接触。
WO-03/015,424中的双折射透镜可能要求旋转在透镜尖端区内的偏振态。如果距面表面的间隙不够大，例如为5μm，则偏振态不能被充分地很好引导，而且尖端区中的区域将不能以理想形式发挥作用。这将造成显示串扰的增加或者降低显示器的亮度或对比度。如上设置的间隔体减少了这些劣化效果并且消除了在设备的结构中对另外的间隔体的需要，由此可以更便宜地进行制造。
下面将说明优化液晶透镜结构的方法。
在本发明的又一方面中，设定经UV固化的LC的固化温度以优化像素平面上的光斑形状和色差。
配向微结构206或212、240之间的间隙可以充满双折射材料，诸如液晶材料。双折射材料可以是诸如Merck的RM257的可UV固化液晶，其在增加的温度固化。可以设定固化温度使得双折射材料的寻常折射率与各向同性材料202的折射率基本匹配。另选地，可以设定固化温度，从而双折射材料的非常折射率为与曲率半径结合，获得透镜距像素平面的希望反向工作距离。在后一种情况下，要求双折射材料的寻常折射率保持与各向同性材料基本相同，但由于二维模式中生成的条纹的能见度可能足够小而可以容许有小差异。
由于双折射材料和各向同性材料的散射，在像素平面上形成的光斑将具有色差。理想地使像素平面上的横向色差最小，从而使得窗边界处的切换性能是消色差的。然而，可能保留一些造成窗边界着色的残余横向色差。该着色可以用来帮助用户发现最优窗位置。通过选择透镜中的半径、间距以及材料，可以选择边界的色彩。
在本发明的另一方面中，将一个或更多个衍射配向微结构240或212，优选地将衍射配向微结构240本身，设置为补偿由各向同性材料202与透镜材料214之间的微结构240的折射结构产生的色差。
由于各向同性和双折射材料的散射差异，将造成这种透镜的色差。色差将用来为来自透镜的各波长产生不同的光斑尺寸。为了使显示器的窗质量最大化，光斑尺寸应在频谱上尽可能均匀，所以窗边界没有被着色。如果选择衍射结构来对透镜边界处的液晶材料进行配向，则通过设定光栅间距来引入对色差的某些校正，以为不同入射色彩产生焦距变化。由此，这种配置将增加显示器的视窗的质量，同时不会增加系统的成本，而且不需要附加层。
在本发明的又一方面中，通过对液晶材料的固化来密封透镜单元，这有利地优化了单元平面度和窗质量。
透镜的平面度确定了整个显示器表面上的窗轮廓的质量。基板204例如可以是厚度为50-150μm的玻璃微片，以使得透镜距像素平面的间距最小。另选地，可以采用塑性或复合材料。在透镜单元的组装期间，可能存在透镜设备的扭曲，使得平面度下降。通过减小材料202的基层的厚度来减小这种影响，从而使由各向同性聚合物的收缩造成的应变最小。类似地，可以应用低收缩粘胶密封该具有最小平面度扭曲的单元。如果使用可UV固化的聚合物，则单元可以不需要额外的密封，这减少了透镜扭曲的机会，并由此增加了窗均匀性。
通过移除微片层，希望可以减小透镜表面距像素平面的间距。利用可UV固化液晶聚合物，基板204(或另选地，基板200)例如可以为由诸如具有可选的去除层(release layer)的由镍或铜的材料制成的平面衬垫，使得可以在固化之后被去除。这种方法可以用于图9所示的配置中，或另选地，例如图13e所示的结构可直接接合至如图6中示出的配置中的面板，在图6示出的情况下例如可以省略层136。
在本发明的又一方面中，衍射配向层被并入重复工具以有利地降低透镜制造工艺的成本。
为了避免对涂覆的需要，可以通过衍射配向微结构来形成配向微结构。这对于经固化的聚合层是尤为有用的，衍射配向可以形成在单个重复衬垫上。如图13a所示，在各向同性聚合物202中形成折射-衍射表面。如图13b所示，可UV固化液晶聚合层214可以加入到衍射表面212中。液晶聚合物采用衍射层处的配向，并且例如在对面基板处形成垂直配向。另选地，如图13c所示，可以采用具有配向层206的微片204。配向层206例如可以为经摩擦的聚酰亚胺，或光配向层或者可以为经浮雕的各向同性聚合物。
例如可以以具有衍射配向结构的平衬垫来取代微片204。液晶聚合物在衬垫上被固化并且采用衍射配向结构，在这之后，去除衬垫以产生具有适当取向的自由站立液晶层。通过使用各向同性粘胶，可将该层接合至适当基板。
在本发明的又一方面中，在双折射材料上形成双凸透镜以有利地允许更短的透镜反向工作距离。双凸透镜可以包括至少一个衍射配向层。
有利地，衬垫可能具有另外的表面曲率以及衍射配向，从而生成了例如图15中示出的双凸透镜结构。在图15a中，如图13a所示地形成各向同性透镜结构。可UV固化LC材料214被引入包括衍射配向图案和可选的透镜微结构的衬垫216与各向同性材料202之间。衬垫可以是反射型的，从而衬垫相对透镜202的结构的配向可以通过光配向来获得，例如通过对莫尔图案进行成像，莫尔图案是通过第一透镜202进行照明并收集反射光而生成的。在去除衬垫216时，如图15b所示可以产生双凸配向双折射透镜218。如图15c所示，例如通过例如具有与双折射材料的寻常折射率基本相同的折射率的各向同性材料220，可以将透镜接合至显示相对基板132。
双凸透镜对于高分辨率系统、或者具有大量视图的系统尤为重要，在这种系统中，为了获得希望的焦距，对于可用材料来说，透镜曲率不能做得足够小。另外，可以选择两个表面的曲率以及两个各向同性层202、220以及双折射层214的材料选择，以使得像素平面上的横向色差最小。特别地，材料202和220可以具有不同的折射率和散射。
例如图15d所示，双凸透镜可以另选地被形成在两个表面凹凸的表面之间。
图16示出了生成本发明该方面的各重复经固化表面的装置的一个示例。衬垫216环绕鼓222，并且包括适当光堆(optical stack)232的基板沿方向226在转动的鼓下面穿过。一池可固化液晶材料214被送至基板232上部并且由UV灯224固化。由光检测工具228来检查经固化的基板230，这确定已经获得了工具216相对基板232的正确对准。误差信号被发送至定位控制器234，该定位控制器234利用机械位置致动器236对工具216或基板232进行控制，来对位置误差进行校正。
在上述本发明实施例中使用衍射配向微结构避免了需要附加配向层来对形成透镜的双折射材料进行配向。可以仅以双折射材料形成衍射微结构。当仅以双折射材料形成微结构时，因为透镜结构不必以各向同性材料来重复，因此不必很好地控制各向同性材料的去除特性。这使得有更多的材料选择来满足折射率匹配条件。例如，各向同性材料可以是凝胶材料。常规地可以产生具有更短反向工作距离(back working distance)的双凸透镜，并因此可以将其用于更高分辨率的面板，并且生成更多的视窗。各向同性材料的组合可以用于优化透镜的散射特性，从而提高色差性能。双凸透镜可以形成在单个基板上，并且也更容易控制制造，而且不需要另外的薄基板。
表面反射减小在操作中，常规透镜阵列通常具有由菲涅尔反射系数限定的表面反射率。根据材料选择，空气中透镜表面反射率约为4％，然而典型双折射透镜反射率约为0.5％。然而，如图17所示，在明亮照明的环境中，即使很小的透镜反射率也可能由于表面轮廓造成的漫射而成为干扰。外部光源254照亮除了采用非衍射配向结构外与图13中示出的设备类似的设备的前表面。由透镜上的平表面产生镜面反射256，而透镜表面产生来自透镜表面的反射光线锥258。当由透镜聚焦的光从平表面反射时，产生漫射光锥260。
这可能造成外部光源的镜像的一些漫射并且由此可能在明亮照明的环境中被转移到用户处。这可能特别涉及工作在增强反射模式下的显示器，这些显示器与外部光源一起操作。在正常操作下，用户习惯例如通过倾斜显示器来将镜面反射从它们的视场移出。在二维(或非增强反射)模式操作中，透镜与各向同性材料折射率基本匹配，并由此在透镜表面处没有折射率阶梯。因此在二维模式中没有菲涅尔反射。然而，在三维模式下，透镜却具有在一个偏振态下的折射率阶梯，并由此发生菲涅尔反射。这造成在扇形方向中的光源的漫射像，该漫射像不同于镜面的，并且对于观察者来说更难在操作中避免。
图18示出了衍射配向微结构也可以并入有防反射效果。沿方向264传播的、具有偏振方向262的输入光线入射到衍射微结构272上，衍射微结构272在双折射材料266(其具有平行于线性衍射结构的双折射光轴方向268)与各向同性材料270之间的边界处，具有延伸到纸面外的沟槽。由于微结构272处的相阶，因此将有反射光束274。然而，由于衍射结构的相对尺寸与光波长不相上下，所以按与蛾眼效应(moth-eye effect)相似的方式可以在微结构272处看到降低的反射率。
因此，一维蛾眼效应可以被并入，并且特别具有优势，这可能是与形成衍射配向所需的结构相同的结构。为了使该结构操作在透镜模式操作下，偏振态必须位于入射平面内，并且因此液晶材料的寻常折射率应不同于各向同性材料的折射率，而非常折射率应与各向同性材料的折射率匹配。
由此，衍射配向特征还可以并有用于光动力操作模式(例如，三维或增强反射率)下操作的防反射特征。防反射特征可以出现在光动力表面处，或者双折射透镜的平表面处。
在第二操作模式下，如图19所示，入射偏振态与光栅正交，并由此看不到光栅。因此，不存在防反射特性。然而，由于表面是折射率匹配的，因此不要求防反射特性。
衍射光栅可以具有足够小的间距，从而由于高偏斜角，没有由光栅产生可见衍射图案。
这样，无需后续的表面处理，可以在单个重复的步骤中制造具有防反射特性的无源双折射透镜元件。这有利地降低了成本并增加了处理的产量。在明亮照明的环境中，衍射配向防反射特性以最小成本降低了透镜能见度。
在上述实施例中，第一双折射材料与第二双折射材料之间的配向微结构为衍射微结构，但其可以具有另选形式，例如为附加层，诸如经摩擦的聚酰亚胺层或其他聚合物层；或者形成在第一双折射材料表面上的结构偶极子场；或者不同类型微结构的任意组合。在这种情况下，通过摩擦布的作用，配向微结构可以包括形成在聚酰亚胺表面上的表面凹凸；或者由微结构再配向的聚酰亚胺偶极子造成的微结构偶极子场；或者微结构表面凹凸和微结构偶极子场的组合。
图20例示了一个实施例的制造，在该实施例中，第一双折射材料与第二双折射材料之间的配向微结构为经摩擦的聚酰亚胺层。首先，如图20a所示，利用镍衬垫，各向同性透镜阵列202形成在玻璃基板200上的经UV固化的NOA71上。RN-1340聚酰亚胺配向层300被旋涂在透镜202表面上，并被烘干。利用摩擦布，摩擦经聚酰亚胺涂覆的各向同性透镜表面202、300。还利用RN-1340的聚酰亚胺层302旋涂牺牲平面玻璃基板304，并且对其进行摩擦以形成配向微结构。
利用两个基板200、202、300和302、304，如图20b所示组装液晶单元并且在85℃的温度下将液晶单元充满RM257，214。液晶材料在UV光下被固化，从而形成固体双折射透镜元件。如图20c所示，随后通过在牺牲基板304与固体透镜元件之间施加机械力，将牺牲平面基板304与透镜分离开。聚酰亚胺层302保持与经固化的液晶材料214接合。
玻璃基板308具有形成在其表面上的经摩擦的聚酰亚胺配向层306。如图20d所示，液晶单元形成在分开的透镜元件的聚酰亚胺表面302与玻璃基板308的经摩擦的聚酰亚胺配向层306之间。该单元充满诸如Merck的E7的向列相液晶材料242。该单元展示了向列相材料的配向。以这种方式，用来形成透镜元件的配向微结构302也用于对开关单元元件进行配向。
将配向层从牺牲基板移除之后，聚酰亚胺配向层306也被摩擦。这种摩擦可能有利地改变了微结构配向的配向特性，由此改善了对向列相材料的配向。与增加又一旋涂聚酰亚胺层相比，对配向层的摩擦是相对低成本的处理。
在操作中，将采用其他的ITO层，使得电场可被施加到向列相材料上。因此这使得可以采用常规配向层材料，利用对向列相开关单元进行配向的普通程序，形成经固化的双折射材料的透镜。这提供了采用聚酰亚胺配向层的易于理解的特性来对两个液晶层进行配向的预料外的组合优势；双折射透镜在形成之后不必再进行处理，这降低了成本；不需要另外的配向基板，使得开关单元可以常规地形成为靠近双折射透镜，这减小了标称显示器观看距离、设备厚度及重量。
在另一示例中，配向微结构可以包括经固化的液晶聚合物的微结构表面，其中利用摩擦聚酰亚胺层实现配向。由此双折射材料分子具有微结构，该微结构可以为微结构表面凹凸，或者微结构偶极子配向。作为其的一个示例，参照图20如上形成固化液晶透镜，但需要进行如下修改。对于图20b，在将透镜200、202、300、214与牺牲基板304分离开时，聚酰亚胺材料302和平面基板304被移除，因此如图20e所示，将向列相单元与组成了单元的一侧的固化液晶材料214组装起来。聚酰亚胺材料302使经固化的液晶材料204的露出表面具有偶极子场形式的配向微结构。该配向微结构用来对向列相开关单元中的液晶材料242进行配向。
在又一实施例中，利用经光配向的聚合物可以形成微结构配向。利用与上述方法相似的方法可以进行设备组装。
可选地，双折射材料可以设置有其他的诸如经摩擦的聚酰亚胺、重复的表面凹凸或经光配向的层之类的微结构配向层来满足配向方向和对开关单元的预倾斜要求。
对于上述全部实施例，如现有技术中所公知的，可以采用倾斜透镜来增加由显示器产生的视窗数量。有利地，可以设定显示器的输出偏振以与透镜的倾斜相同。这导致透镜不必旋转来自显示器的输出偏振态。因此，由于在透镜尖端区不需要对偏振态进行引导，因而有利地减小了透镜厚度。
本发明特别有利于高分辨率可切换的二维/三维显示设备。首先，开关元件优选地位于像素平面与透镜元件之间，使得增加设备对比度。工作在风景模式下基于具有25μm×75μm像素间距的面板的可切换两视图透镜显示器具有间距基本为150μm的透镜。对于65mm窗宽度，为了获得400mm的标称观看距离，需要700μm的透镜距面板总间距。典型的LCD具有500μm的相对基板玻璃厚度，从而要求透镜组件的基板厚度为200μm。如果要求结构具有另外的基板，则将难以实现这种总透镜基板厚度。因此，本发明的结构有利地使得薄设备被构造为满足高分辨率显示面板的观看距离要求。
权利要求
1.一种定向显示装置用透镜结构，该透镜结构包括双折射透镜阵列，能够将具有给定偏振的光导入定向分布中，该双折射透镜包括具有折射结构的界面的固体第一双折射材料和各向同性材料；第二双折射材料，置于双折射透镜的第一双折射材料附近，其中第一双折射材料与第二双折射材料之间的界面具有配向微结构，该配向微结构对第一双折射材料和第二双折射材料提供配向。
2.根据权利要求1所述的透镜结构，其中所述第二双折射材料是可切换的，以对穿过该透镜结构的光的偏振进行控制。
3.根据权利要求2所述的透镜结构，其中所述第二双折射材料是能够对穿过其的光的偏振进行旋转的可切换液晶层。
4.根据前述任一权利要求所述的透镜结构，其中所述折射结构是沿一个方向均匀的，并且第一双折射材料与第二双折射材料之间的界面处的所述配向微结构在第一双折射材料与各向同性材料之间的所述界面处提供了对在沿所述一个方向偏振的偏振分量的偏振方向上的配向。
5.根据前述任一权利要求所述的透镜结构，其中第一双折射材料与双折射透镜的各向同性材料之间的所述界面具有对第一双折射材料提供配向的配向微结构。
6.根据权利要求5所述的透镜结构，其中所述折射结构沿一个方向是均匀的，并且在第一双折射材料与双折射透镜的各向同性材料之间的界面处的所述配向微结构提供沿所述一个方向的配向。
7.根据前述任一权利要求所述的透镜结构，其中第一双折射材料具有至少一个集成形成的间隔体，用来间隔第二双折射材料的厚度。
8.根据前述任一权利要求所述的透镜结构，其中第一双折射材料和第二双折射材料之间的所述配向微结构为表面凹凸微结构。
9.根据权利要求1到7中的任一所述的透镜结构，其中第一双折射材料与第二双折射材料之间的所述配向微结构为经摩擦的聚酰亚胺层。
10.一种定向显示设备，包括空间光调制器，包括像素阵列；以及根据前述任一权利要求所述的透镜结构，设置为接收来自空间光调制器的像素的光。
11.一种双折射透镜，包括具有界面的双折射材料和各向同性材料，该界面具有折射结构和对双折射材料提供配向的表面凹凸配向微结构，其中所述各向同性材料的折射率与双折射材料的异常折射率基本相等。
12.根据权利要求11所述的双折射透镜，其中在双折射材料的与各向同性材料相对侧上的表面具有配向微结构，该配向微结构提供所述双折射材料的配向，该配向相对给定偏振分量的方向与所述配向微结构在所述双折射材料与各向同性材料之间的界面处提供的相对给定偏振分量的配向相同。
13.根据权利要求11或12所述的双折射透镜，其中所述配向微结构具有可见光波长量级或更小的尺寸特征。
14.根据权利要求11到13中任一所述的双折射透镜，其中所述双折射透镜为透镜阵列。
15.根据权利要求14所述的双折射透镜，其中双折射材料与各向同性材料之间的所述界面的所述折射结构被构形为将具有平行于双折射材料的寻常轴的偏振分量的光导入定向分布。
16.一种定向显示设备，包括空间光调制器，包括像素阵列；以及根据权利要求15所述的双折射透镜，设置为接收来自空间光调制器的像素的光；以及偏振控制配置，设置为控制穿过设备的光的偏振，而在与双折射透镜处的平行于双折射材料的寻常轴和非常轴的偏振分量相对应的偏振分量之间切换输出光。
17.一种定向显示装置用透镜结构，该透镜结构包括双折射透镜阵列，能够将具有给定偏振的光导入定向分布；可切换液晶层，能够旋转穿过其的光的偏振；一对电极，用来将电场施加到液晶层上以开关液晶层，该对电极设置为其间设置有所述双折射透镜阵列和可切换液晶层，双折射透镜阵列材料具有并入其中的导电材料。
18.根据权利要求16的透镜结构，其中导电材料为导电聚合物。
全文摘要
一种双折射透镜结构，包括双折射透镜阵列，能够将具有给定偏振的光导入定向分布中，该双折射透镜包括具有折射结构的界面的固体双折射材料和各向同性材料。将能够旋转穿过其的光的偏振的可切换液晶层设置在第一双折射材料附近。双折射材料与液晶层之间的界面具有配向微结构，该配向微结构提供对双折射材料和液晶层的配向。用来施加电场以切换液晶的一对电极在其之间设置有透镜阵列和可切换液晶层，并且导电材料并入透镜阵列中以减小透镜阵列上的电压降。为了减少反射，双折射材料与各向同性材料之间的界面存在具有配向微结构的界面，该配向微结构对双折射材料提供配向，并且各向同性材料的折射率基本等于双折射材料的非常折射率。
文档编号G02F1/1333GK1823292SQ200480019843
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月9日 优先权日2003年7月10日
发明者格雷厄姆·约翰·伍德盖特, 乔纳森·哈罗德 申请人:奥库提有限公司