技术领域
本发明涉及视觉显示器技术。特别地，本发明涉及设计用于使视觉显示器装置适于无眼镜三维观看的透镜阵列。
背景
使用在移动装置显示器顶部上的塑料膜上的光学元件的当前的无眼镜三维(3D)显示技术通常利用两种类型的光学元件技术中的一种：视差屏障技术或柱状透镜阵列技术(lenticular lens array technology)。柱状透镜阵列技术在更高的透光率方面具有优于视差屏障技术的优点。
然而，利用柱状透镜阵列技术的当前可用的3D膜展现膜上的可视表面粗糙度。当膜在使用，同时显示器在二维(2D)模式中操作时，该粗糙度转化成具有粗糙粒度并缺乏清晰轮廓的低劣质量显示图像。当在3D模式中操作时，膜上的可视粗糙度产生观看者可感知的伪像，诸如导致观看区之间显著过渡的混合图像(串扰)和波纹状伪像。该粗糙度的原因是由于两个因素：所制造透镜的大透镜宽度和表面粗糙度。在现有3D膜中的通常的柱状透镜的宽度是大的，其中微米大小的尺寸范围是约300μm至600μm。该大小是由于现有制造工具诸如传统研磨技术的加工精度上的限制。所制造透镜的表面轮廓上的粗糙度还由于当前加工技术诸如机械研磨和激光写入的产生高度表面粗糙度的内在性。
产生小尺寸平滑柱状透镜的制造柱状透镜阵列的可替换方法使用热抗蚀剂回流法。在该方法中，首先执行传统光刻(已知其能够实现低至光学衍射极限(约250nm)的特征宽度)以在衬底上制造光栅抗蚀剂结构。然后，通过受控热抗蚀剂回流工艺，在光栅结构的熔融聚合物重新成形为减小的表面积的柱状透镜轮廓结构时，可形成柱状透镜阵列。同时，回流工艺帮助使柱状透镜轮廓的任何表面粗糙度平滑化。
不幸地，在柱状透镜制造中存在上述抗蚀剂回流法的限制。存在约1/23或0.04的最小高宽比(高度(H)/宽度(W))，在该最小高宽比之下，当使用该方法时已回流的透镜轮廓在中间变形(根据Nussbaum P，Volke R，Herzig H P，Eisner M和Haselbeck S 1997Pure And Applied Optics 6617)。在通过传统热抗蚀剂回流工艺制造后，在透镜最小高宽比上的该限制导致缩短的透镜焦距，由此导致由焦平面与图像源的错位引起的模糊、不清晰的图像。
因为该限制，由于柱状透镜阵列在LCD图像源的失焦平面，因此在3D膜上制造的柱状透镜阵列不能用于实现清晰3D成像。柱状透镜阵列需要最优焦距以实现良好3D成像。
因此，需要具有低宽度尺寸(优选地低于现有膜制造技术的当前的300μm宽度分辨率)并具有超平滑表面的柱状透镜阵列3D膜，以使得能够实现在显示器2D模式和3D模式中的良好质量显示图像的可视化，以及低高宽比柱状透镜结构，从而允许将图像与其配对图像源聚焦的足够焦距。
技术实现要素：
本发明克服现有3D膜粗糙膜表面中的问题，并克服现有热抗蚀剂回流法的限制，该限制仅可实现约0.04的最小高宽比柱状透镜结构。
为提供平滑膜表面柱状透镜阵列，通过设计，本发明采用具有小于300μm透镜宽度的小宽度尺寸双凸结构，并采用光刻和热抗蚀剂回流技术，以实现具有小透镜宽度尺寸与超平滑表面轮廓的柱状透镜结构。
为实现减小的最小高宽比的柱状透镜结构，本发明通过部分地填充使用热纳米压印的变型(在下面参考图5A到图5H进一步详细描述)以制造具有低于0.04的最小高宽比的柱状透镜结构。根据本实施方式，操作热纳米压印制造工艺的工艺温度接近或低于柱状透镜结构的热塑性聚合物的玻璃转化温度(Tg)，该聚合物的高粘度允许控制聚合物到模具空腔的部分地填充，由此控制模具的最终热压印的反向图案的高度。
根据本发明的一方面，提供一种形成具有柱状透镜阵列的膜的方法，该方法包括提供衬底；提供模具，所述模具具有在衬底上形成柱状透镜阵列的多个纳米尺度到微米尺度的空腔；使模具接触衬底；以及通过允许衬底的部分将多个空腔部分地填充来形成柱状透镜阵列。
本申请还包括以下内容：
1)一种形成具有柱状透镜阵列的膜的方法，所述方法包括：
提供衬底；
提供模具，所述模具具有在所述衬底上形成所述柱状透镜阵列的多个纳米尺度到微米尺度的空腔；
使所述模具接触所述衬底；以及
通过允许所述衬底的部分将所述多个空腔部分地填充来形成所述柱状透镜阵列。
2)根据1)所述的方法，其中通过控制所述衬底的部分将所述多个空腔部分地填充的程度，来调整所述柱状透镜阵列中的每个透镜的高宽比。
3)根据2)所述的方法，还包括改变形成所述柱状透镜阵列的持续时间，以控制所述衬底的部分将所述多个空腔部分地填充的程度。
4)根据2)或3)所述的方法，其中每个透镜的所述高宽比小于或等于0.04。
5)根据1)-4)中任一项所述的方法，其中所述柱状透镜阵列中的每个透镜具有对称剖面轮廓。
6)根据5)所述的方法，其中每个透镜是绕纵轴大体对称的，所述纵轴沿中心延伸并与相应透镜的基底交叉。
7)根据1)-6)中任一项所述的方法，其中形成所述柱状透镜阵列在低于或高于所述衬底的玻璃转化温度约10°的范围发生。
8)根据7)所述的方法，其中形成所述柱状透镜阵列在约10巴到60巴的压力发生。
9)根据1)-8)中任一项所述的方法，其中所述模具包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
10)一种由根据1)-9)中任一项所述的方法制造的膜，所述膜包括柱状透镜阵列，其中每个透镜具有小于300μm的宽度。
11)根据10)所述的膜，其中每个透镜具有小于或等于0.04的高宽比。
12)根据10)或11)所述的膜，其中每个透镜具有平滑表面。
13)根据10)至12)所述的膜，其中所述柱状透镜阵列设置在由柔性材料制造的衬底上。
14)根据13)所述的膜，其中所述衬底包含以下材料中的任一种或多种：塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚乙烯。
15)一种配置成用于二维和三维内容的显示器，所述显示器包括根据10)至14)中任一项所述的膜，所述膜用于三维内容的无眼镜三维观看。
附图说明
本发明的示例性实施方式仅以举例的方式从以下书面描述并连同附图对本领域技术人员更好理解和更容易明显。附图不必按比例绘制，相反地一般着重图解本发明的原理，在附图中：
图1示出用于观看无眼镜3D显示器的一般柱状透镜阵列技术的顶部、左侧、正面透视图。
图2示出安装在移动装置上的图像源上方的具有柱状透镜阵列的3D膜的传统实施。
图3A示出用于制造具有根据本发明的第一实施方式构建的柱状透镜阵列的膜的方法，并且图3B示出根据本发明的实施方式示出通过热纳米压印工艺基于时间部分地填充模具空腔的图示。
图4示出图表，其描绘当通过根据图3A和图3B的部分地填充来采用热纳米压印时，模具材料的选择怎样影响所制造的柱状透镜轮廓的对称性。
图5A到图5H根据本实施方式示出用于制造平滑表面和低高宽比柱状透镜阵列的工艺步骤。
图6示出根据本实施方式的制造步骤在柔性塑料聚碳酸酯膜上制造的3D膜。
图7A到图7C示出在2D显示模式中显示的移动显示装置，其中图7A描绘无任何3D膜的移动显示装置，图7B描绘具有传统3D膜的移动显示器，并且图7C描绘具有根据本实施方式的制造步骤制造的3D膜的移动显示装置。
图8A和图8B示出所制造的柱状透镜阵列的显微镜图像，其中图8A描绘根据本实施方式的制造步骤制造的柱状透镜阵列的显微镜图像，并且图8B描绘根据传统激光写入技术制造的柱状透镜阵列的显微镜图像。
图9A和图9B示出在3D操作模式中显示的移动装置的顶部上的3D膜，其中图9A描绘通过根据本实施方式制造的柱状透镜显示的移动装置，并且图9B描绘通过根据传统制造技术制造的柱状透镜显示的移动装置。定义
以下为遍及在本文中公开的本发明的各种实施方式使用的表述提供样本的但非详尽的定义。
术语“膜”可以指薄层，由于在该薄层内存在的光学元件，因此该薄层调节透射通过的光。
短语“柱状透镜阵列”可以指布置在特定图案中的多个透镜，透镜和它们的特定布置经设计以使当从稍微不同的角度观看时，可见不同图像。通过柱状透镜阵列看到的图像被给予深度的错觉，或在从不同角度观看图像时显得改变或移动。
单词“衬底”可以指由任何透明材料诸如塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚乙烯或玻璃制造的为柱状透镜阵列用作基底的结构。
短语“空腔”可以指在用来促进柱状透镜阵列在衬底上形成的模具表面上形成的图案。空腔中的每个可以是在模具表面上提供孔洞的凹陷，柱状透镜阵列的透镜在该孔洞内形成。空腔还确定大小以适应形成具有纳米到微米大小宽度诸如在50nm到300μm之间的透镜，该透镜进一步具有小于或等于0.04的高宽比。
术语“高宽比”可以指每个透镜的高度和宽度之比。
短语“衬底的部分”指代当模具与衬底接触时由模具的微尺度空腔包围的衬底部分。
短语“部分地填充”可以指柱状透镜阵列的每个透镜在由多个空腔中的每个提供的空间内形成，以使每个透镜不与相应空腔的侧壁接触，并且该空间不完全填充。
详细描述
在以下描述中，参考附图描述本发明的各种实施方式，其中类似参考字符通常遍及不同视图指代相同部分。
参考图1，示出在显示器102上方的柱状透镜结构100。显示器102分成单独图像(L、R)以便由左眼(L)和右眼(R)观看。柱状透镜阵列结构100充当放大透镜的阵列，其在放置在显示装置(例如液晶显示器)表面上时，控制从由软件控制的每个像素发射的光的方向，以使当从不同角度观看时，放大不同图像以给出关于软件编码像素的深度错觉。这样，观看者看到3D图像。
图2中示出具有与图像源206配对的柱状透镜阵列200的膜204的典型实施方式的侧平面视图，该图像源206通过移动装置210的玻璃/塑料屏幕208看到。在该传统实施方式中，存在从透镜阵列200到图像源206的最优焦距212。该最优焦距212是由于玻璃/塑料屏幕208相对于图像源的气隙与厚度引起的透镜阵列200设计参数。然而，由于使用传统热抗蚀剂回流法制造的透镜阵列200最小高宽比的极限(0.04)，这导致透镜的缩短焦距，由与图像源的失焦平面引起模糊/不清晰图像(如图9B所示)。使用根据本发明的实施方式的方法制造的柱状透镜的高宽比减小使得此类柱状透镜具有提高图像源206的观看清晰度(如图9A所示)的最优焦距。
根据本发明的本实施方式，柱状透镜阵列结构在膜上制造并用于视觉显示器的三维观看。本发明的本实施方式通过传统热纳米压印的变型实现对称轮廓和减小的最小高宽比，该变型部分地填充被制造的模具的空腔。该模具允许制造用于执行无眼镜3D观看的具有柱状透镜阵列的3D膜。该独特柱状透镜阵列结构包括在塑料衬底(例如，聚碳酸酯(PC)膜)上制造的小透镜宽度尺寸结构与超平滑表面和低高宽比(<0.04)柱状透镜结构。当在2D模式中的显示器上使用3D膜时所得的3D膜允许用户清楚观看3D图像，不使现有2D显示图像的质量折衷。
图3A示出形成具有根据本发明的第一实施方式构建的柱状透镜阵列的膜的方法的流程图300。
在步骤302中提供衬底。在步骤304中提供模具，其具有在衬底上形成柱状透镜阵列的多个纳米尺度到微米尺度的空腔。在步骤306中使模具接触衬底。在步骤308中通过允许衬底的部分将多个空腔部分地填充来形成柱状透镜阵列。
模具空腔的尺寸由光学衍射极限确定。使用UV光刻实现250nm的尺寸。如果采用更高分辨率的光刻例如电子束光刻，则模具空腔的尺寸可从250nm减小至约50nm。
步骤308可使用机械工艺诸如热纳米压印执行。然而，步骤308中使用的热纳米压印从如下的传统热纳米压印工艺变化。在传统热纳米压印工艺(未示出)中，使衬底材料处于比其玻璃转化温度更高的温度，使得衬底将要处于低粘度并完全填充模具空腔。另一方面，在图3A所示的实施方式中，来自传统热纳米压印制造的变型如下。使衬底(其可由例如聚合物材料制成)处于其玻璃转化温度附近，以使例如形成柱状透镜阵列在低于或高于衬底的玻璃转化温度约10°的范围内发生。这使得衬底将要处于高粘度。聚合物的高粘度允许控制，该控制可实现将聚合物部分地填充到模具空腔中。可通过控制衬底的部分贯穿时期t在固定压力将多个空腔部分地填充的程度，来调整柱状透镜阵列中的每个透镜的高宽比。例如，形成柱状透镜阵列可在约10巴到60巴的压力发生。此类控制在图3B中描绘。
参考图3B，描绘了根据本发明的实施方式的热纳米压印制造的一方面。图3B示出具有柱状透镜阵列的三个不同衬底312(尽管仅示出一个透镜318)。如上描述，形成柱状透镜阵列可低于衬底312玻璃转化温度或大约该玻璃转化温度发生。在每个衬底312中，通过贯穿不同时间t1、t2和t3部分地填充多个空腔316以形成不同高度h1、h2和h3，来制造透镜318。通过具有多个纳米尺度到微米尺度的空腔316(尽管仅示出一个空腔)的模具314促进制造柱状透镜阵列。衬底312由图3A的步骤302制造。提供具有多个纳米尺度到微米尺度的空腔316的模具314并使其接触衬底312，如在图3A的步骤304和306中描述的。可发生在衬底上形成柱状透镜阵列的一组示例性条件是处于150℃的温度和30巴的压力，例如当聚碳酸酯材料用于衬底312时。
图3B示出通过改变形成柱状透镜阵列的持续时间t以控制衬底312的部分将多个空腔316部分地填充的程度，从而在衬底312上形成柱状透镜阵列的透镜318。如由示意图示出，改变加热的定时t同时用模具压印允许人们通过在模具314的空腔316中部分地填充聚合物来调节压印图案的高度h。更长的加热持续时间(t3>t2>t1)产生更大的透镜318高度(h3>h2>h1)。这允许确定纳米压印结构的高宽比的定时。根据本发明的各种实施方式，每个透镜318的高宽比可小于或等于0.04。
柱状透镜阵列的每个透镜318具有对称剖面轮廓。每个透镜318是绕纵轴大体对称的，该纵轴沿中心延伸并与相应透镜的基底交叉。
另外，参考图4，通过部分填充方法用于热纳米压印的模具材料的选择影响所制造的透镜结构的对称轮廓。在图4中，可通过使用例如但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)型模具实现对称透镜轮廓。另一方面，镍模具产生具有对3D膜的有害效果的不对称透镜轮廓，因为其影响用于3D成像的焦平面。
因此，使用关于图3A描述的方法制造柱状透镜阵列实现对称轮廓和减小的最小高宽比，由此制造用于实施无眼镜3D观看的具有柱状透镜阵列的3D膜。参考图5A到图5H，公开了用于根据关于图3A描述的方法制造塑料3D膜的方法。
图5A描绘旋涂到晶片502上的普通性正光致抗蚀剂的层504，该晶片502用硫酸和过氧化氢清洁并用HMDS(六甲基二硅氮烷)预处理。涂覆抗蚀剂的晶片506放置在热板上用于在约110-120℃实行持续180秒到300秒的软烘烤工艺。然后移除晶片506以冷却至室温。
参考图5B，执行紫外(UV)光刻510以将光掩模(图案掩模)508上的矩形光栅阵列设计转刻到涂覆抗蚀剂的晶片506上。该涂覆抗蚀剂的晶片506稍后用作模板，从该模板铸造模具以创造根据本发明的柱状透镜阵列(诸如图3A所示的那些)。UV曝光剂量可以范围从340mJ/cm2到450mJ/cm2，取决于抗蚀剂504的厚度和类型与UV曝光的持续时间。
参考图5C，在用氮气干燥前，使用普通正显影剂执行抗蚀剂显影，之后是DI水洗。这在晶片502上形成光栅抗蚀剂结构512。参考图5D，在热板上在范围从150℃至170℃的温度持续从5分钟至30分钟实行热抗蚀剂回流，以形成具有等于或大于0.04的高宽比(H/W)的柱状透镜阵列514。在该步骤制造的柱状透镜阵列514是用来形成用于随后步骤的软模具的主模具。
参考图5E，主模具514涂覆有一层防静摩擦单层(FTDS，(1H,1H,2H,2H)-全氟癸基三氯硅烷)。在形成由主模具514制造的具有反向柱状透镜阵列图案的PDMS软模具314之前，PDMS(具有10:1的基底-固化剂比)旋涂(未示出)到另一清洁晶片516上，该晶片516已被氧等离子体处理用于粘合促进。如图5F所示，使涂覆PDMS的晶片518与主模具514紧密接触，借此利用纳米压印机系统(诸如Obducat)在涂覆PDMS的晶片518上施加40巴的压力持续120秒，来制造PDMS软模具314。这之后是在100℃的固化温度在40巴持续120秒。随后，涂覆PDMS的晶片518在40巴经受80℃固化温度，持续120秒，之后是在脱模(未示出)之前在40巴经受50℃固化温度，持续120秒。然后将涂覆PDMS的晶片518放置在烤箱中并在70℃固化持续另一个4小时，以确保PDMS软模具314完全固化。
参考图5G，已固化PDMS软模具314涂覆有一层防静摩擦单层(FTDS，(1H,1H,2H,2H)-全氟癸基三氯硅烷)。然后使用PDMS软模具314在聚碳酸酯(PC)的衬底312上执行使用部分填充步骤(如图3B所示并参考图3B描述且因此不进一步阐述)的根据本发明的实施方式的热压印(参见图5H)。其他材料诸如塑料、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯也可用于衬底312，由此向衬底312提供柔软属性。根据本实施方式为聚碳酸酯片获得柱状透镜阵列的最优化条件包括在30巴在150℃的工艺温度持续300秒，之后是在35℃脱模，该柱状透镜阵列具有每个均具有≤0.04的高宽比的多个透镜318。
使用图5A到图5G所示的工艺，每个透镜318可具有小于300μm的宽度。参考图3B，可使用UV光刻实现250nm的尺寸。如果采用更高分辨率的光刻例如电子束光刻(未示出)，则模具空腔的尺寸可从250nm减至约50nm。
如可见，根据关于图5A到图5G描述的实施方式的加工实现比通过传统技术例如激光写入技术制造的典型柱状透镜阵列结构更平滑的表面。此外，根据本发明的实施方式，加工可将由传统回流方法制造的柱状透镜阵列结构的处于0.04的高宽比极限(高度/宽度)向下延伸。另外，根据关于图5A到图5G描述的实施方式的在塑料聚碳酸酯片600上制造的3D膜是高度柔性的，如图6所示。
参考图7A到图7B，示出了使用根据关于图5A到图5G描述的实施方式制造的柱状透镜阵列膜的移动显示器730的改善的观看。图7A示出在正常2D模式中操作的无任何3D膜的移动装置显示器730。图7B示出在2D模式中操作的具有传统3D膜的移动装置显示器730。图7C示出在2D模式中操作的具有根据本实施方式的3D膜的移动装置显示器730。如可见，根据本实施方式的3D膜的平滑度不使2D模式显示的质量失真。相反，传统3D膜示出可见的粗糙膜表面，其使正常2D模式显示图像失真。
膜的显微镜成像也示出根据关于图5A到图5G描述的实施方式制造的膜相比于传统3D膜的更平滑表面。图8A描绘根据本实施方式的3D膜的显微镜图像，而图8B描绘图7B中使用的传统膜的显微镜图像。为比较表面粗糙度，图8A中透镜的宽度被制造成与图8B中的透镜相似的宽度，其中两个透镜宽度都是约300μm。传统3D膜通过传统激光写入技术制造，并示出在图8B的视图中及其进一步放大插入视图830中看到的在显微镜下粗糙的表面。然而，应认识到图8A的透镜宽度可被制作成低于300μm，如上关于图5A到图5G描述的。
图9A示出在3D模式中操作的移动显示装置上，使用根据关于图5A到图5G描述的实施方式制造的柱状透镜阵列3D膜可见的清晰3D图像。根据本实施方式的3D膜由使用关于图5A到图5G描述的制造方法制造的具有低高宽比(<0.04)的柱状透镜阵列组成。相反，参考图9B，具有相同但处于0.04的高宽比(现有制造措施的高宽比极限)的柱状透镜阵列的3D膜在以3D模式操作的移动显示装置上显示模糊图像。
根据图7C和图9A，经配置生成二维(2D)内容和三维(3D)内容的显示器可包括根据本发明的实施方式构建的膜。这使得能够实现通过三维(3D)内容的相同显示器看到的无眼镜三维(3D)观看。因此，可见根据关于图5A到图5G描述的实施方式的制造实现了柱状透镜型3D膜，其具有小透镜宽度、超平滑表面和低高宽比透镜结构以允许清晰3D成像，无需在2D显示操作期间在显示器上使用时使现有2D显示图像的质量折衷。小透镜宽度(即，<300μm的透镜宽度)和超平滑表面的特征通过采用根据本实施方式的光刻和热抗蚀剂回流方法实现。根据本实施方式通过部分填充使用热纳米压印来实现低于0.04的低高宽比的特征。另外，根据本实施方式，利用PDMS模具材料以便产生对称透镜轮廓。
本领域技术人员应认识到可对如在实施方式中所示的本发明做出众多变型和/或修改，而不背离如宽泛地描述的本发明的精神或范围。因此，实施方式在所有方面中被认为是说明性的并且不是限制性的。