专利名称：可切换显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于图像显示的设备。
这种设备可用在自动立体(autostereoscopic)三维显示器、可切换二维(2D)/三维(3D)自动立体显示器或者可切换高亮度显示系统中。这些系统可在计算机监视器、通信手机、数字相机、笔记本和台式计算机、游戏设备、自动或者其他移动显示设备应用以及远程通信切换应用中使用。
使用微光(micro-optic)部件以提高功能性的显示系统包括液晶显示器(LCD)放映机、自动立体3D显示器和亮度提高反射显示器。
在每个系统中，微光部件，例如微透镜阵列与空间光调制器部件的至少一个像素对齐。在
图1中以平面视图的方式显示了合理的系统。背光2产生LCD输入偏振器6的光照4。光经过薄膜晶体管(TFT)基板8并且入射在包括可单独控制的调相像素12-26的像素层10上。像素以行和列排列并且包括像素孔径28和独立的黑色掩模30。然后光经过LCD反基板(countersubstrate)32和透镜载体基板36，在透镜载体基板36的上面形成有双折射微透镜阵列38。双折射微透镜阵列38包括各向同性透镜微结构40和具有光轴方向42的取向的(aligned)双折射材料。然后双折射透镜的输出经过透镜层44和偏振改变装置46。
透镜阵列的每个双折射透镜都是圆柱形的；透镜阵列38是双凸透镜状屏幕并且透镜的几何轴在页面的范围之外。在该例子中的透镜的节距(pitch)被设置为基本上是显示器的像素的节距的两倍，从而双视角自动立体显示器产生了。
在操作的第一模式中，偏振改变装置46被配置为透射与微透镜阵列的双折射材料的寻常轴平行的偏振状态的光。所述材料(如液晶材料)的寻常折射率基本上与各向同性微结构40的折射率相匹配。因此，透镜没有光学效应并且显示器输出的方向分布也基本上不改变。在这种模式中，观察者将用每只眼睛观看显示器的像素12-26，并且将生成2D图像。
在操作的第二模式中，偏振改变装置46被配置为透射与微透镜阵列的双折射透镜阵列的异常轴平行的偏振状态的光。所述材料(如液晶材料)的异常折射率与各向同性微结构40的折射率不同，因此，透镜具有光学效应并且显示器输出的方向分布也发生改变。这种方向分布可被设置为在本领域中公知的，从而正确地位于显示器前方的观察者左眼将看到与来自左图像像素12、16、20、24的光对应的左图像，右眼将看到与右图像像素14、18、22、26对应的右图像。按照这种方法，可生产将2D切换到3D的自动立体显示器。
透镜阵列特别适合于自动立体显示器，这是因为它们将高效率、小光点尺寸的功能性和能够使用公知的平版处理技术来被制造的能力相结合。
建议提供电可切换双折射透镜，目的是定向切换光，例如在2D操作模式和3D操作模式间切换显示器。
在European Optical Society Topical Meetings Digest Series13，15-16 May1997 L.G.Commander et al“Electrode designs for tuneable microlenses”第48到58页描述了电可切换双折射液晶微透镜。
在US-6069650和WO-98/21620中公开的另一种类型的可切换2D-3D显示器中，包括充满液晶材料的双凸透镜状屏幕的可切换微透镜用于改变双凸透镜状屏幕的光学能量。
公知的有机场致发光显示器可在像素的发射部分的前面或者后面使用反射电极。像素孔径被分成发射部分和间隙(gap)部分，包括发射像素孔径。例如，发射区域的垂直孔径比可被行电极中的间隙所需的宽度限制。场致发光显示器也可使用与用在LCD显示器中的有源矩阵底板相似的有源矩阵底板。结果又是孔径比(发射区/整个像素区)的减小。因此，如在WO-03/015424中所描述的，这种面板很适合于亮度提高。在这种亮度提高中，使用微透镜阵列以将所述像素的图像传递到光瞳中，或者传递到名义观察平面的‘窗口’中。在该窗口中，观察者将看到亮度与面板的垂直孔径比成比例地增加。在观察窗口外，观察者将看到像素和显示器之间的间隙，并且显示器已降低了亮度。
发射显示器，如包括聚合体的无机和有机场致发光显示器，以及小分子有机场致发光显示器，通常产生非偏振光学输出。但是，方向分布光学切换系统可依靠偏振切换以使显示器能在第一模式和第二模式之间重新配置，例如第一模式可为Lambertian，第二模式可为自动立体3D窗口。因此，当非偏振显示器与偏振方向分布光学切换系统结合时，该非偏振显示器将显示偏振损失。
在本领域中公知的是使用圆偏振器以避免来自这些电极层的反射，在这些电极层中，发射基本上是随机偏振的。圆偏振器用于取消来自电极的外部光的反射，并且通常包括线偏振器和四分之一波片。例如，可期望将这种圆偏振器应用到具有能够改变输出光的方向分布的透镜的显示装置中以产生3D自动立体效果或者提高的亮度效果。但是，在透镜是用于允许由依靠经过显示器的光的偏振来操作的透镜做出的改变的切换的双折射透镜的情况下，怎样去操作也依靠光的偏振的圆偏振器并不是不证自明的。
在根据本发明第一方面的一个形式中，提供了一种显示设备，包括发射空间光调制器，包括有机场致发光材料的像素阵列，每个像素被布置为输出基本上偏振的光；可切换偏振器，其在第一偏振模式和第二偏振模式之间可切换，其中在第一偏振模式和第二偏振模式中偏振器使各个偏振分量的光穿过；双折射透镜，被安置为从空间光调制器接收光，被布置为将第一偏振分量的光引入第一方向分布和将第二偏振分量的光引入与第一方向分布不同的第二方向分布，该双折射透镜和可切换偏振器被串联地布置。
来自空间光调制器的偏振的光穿过可切换偏振器和双折射透镜(无论按照什么次序)。偏振器的模式有效地选择与第一偏振分量或者第二偏振分量中的一个或者另一个相对应的光，以将该光从显示装置输出。因此，偏振器的模式的切换引起从显示装置输出的光在第一和第二方向分布之间切换。
在许多实施的实施例中，双折射透镜基本上对第二偏振分量的光不具有效应，从而第二方向分布与输入到双折射透镜的光的方向分布相同。这允许装置在以下两种模式之间切换在一种模式中，双折射透镜不具有效应，在另一种模式中，双折射透镜改变了显示装置的方向分布。
因此，本发明的第一方面是通过将偏振发射显示器的输出偏振与方向分布光学切换系统的输入偏振状态对齐，来提供发射显示器中的高光学效率。该偏振取向可通过显示器的发射像素中的发射材料的单轴取向的发色团来实现。偏振输出的主轴的取向(alignment)方向可被设置为与双折射透镜中的双折射材料的取向方向相协调。
按照这种方法，可实现高效发射方向分布光学切换显示器。这种显示器具有胜过LCD的额外的优点，例如不需要背光，因此可被制造得更薄更轻，这对于移动应用是非常重要的。
在根据本发明的第一方面的另一形式中，提供了一种光学设备，包括发射显示光方向切换设备，包括发射空间光调制器，其包括发射像素区域阵列，每个发射像素区域具有基本上偏振的光学输出；可切换偏振器，在使第一偏振分量的光穿过的第一偏振模式和使第二偏振分量的光穿过的第二偏振模式之间可切换；和双折射的双折射透镜，从而在操作中双折射透镜将第一偏振分量基本上引入第一方向分布，将第二偏振分量基本上引入与第一方向分布不同的第二方向分布；可切换偏振器和双折射透镜被串联地安置并且被这样布置，当包括或者可分解为第一偏振分量和第二偏振分量的输入光被输入到装置时，当可切换偏振器被设置为第一偏振模式时，由该装置输出的光基本上是第一偏振分量并且基本上被引入第一方向分布，而当偏振器被设置为第二偏振模式时，由该装置输出的光基本上是第二偏振分量并且基本上被引入第二方向分布。
最好，呈现一个或多个下述可选择的特征。
发射材料可以是聚合体场致发光材料或者小分子场致发光材料。
基本上偏振的输出可以是线偏振；对于所有的像素基本上是相同的方向；通过单轴取向的发色团实现；和/或与双折射透镜的几何光轴平行地对齐。
可使用清除偏振器。其可位于发射显示器的像素和其它光学组件之间。清除偏振器可具有基本上与发射显示器的输出偏振的主轴平行的透射轴。
根据本发明第一方面的显示设备可包括在WO-03/015424中公开的显示设备的任何特征，WO-03/015424包括与此，以资参考，该显示设备包括WO-03/015424的权利要求中的所有特征，其改变为该显示设备具有包括被布置为每个输出基本上偏振的光的有机场致材料的像素阵列的发射空间光调制器。在WO-03/015424中公开的显示设备的优点等同地应用到本发明。
在根据本发明第二方面的一个形式中，提供了一种显示设备，包括发射空间光调制器，包括像素阵列，每个像素被布置为输出基本上随机偏振的光；双折射透镜，被安置为空间光调制器接收光，被布置为在显示设备的操作的第一模式中将第一偏振分量的光引入第一方向分布，并且显示设备的操作的第二模式中将第二偏振分量的光引入与第一方向分布不同的第二方向分布；四分之一波片，和线偏振器，其中，四分之一波片被布置在空间光调制器和双折射透镜之间，四分之一波片被布置在与线偏振器相对的双折射透镜的一侧。
结合了线偏振器的四分之一波片用作圆偏振器以按照以上提到的公知的方式来减少反射。这种效果在具有双折射透镜的显示设备中实现，双折射透镜允许输出光的方向分布被改变，这种改变为切换。本发明人认识到圆偏振器的元素位置，即在双折射透镜的相对侧的四分之一波片和线偏振器，在双折射透镜的两个操作模式中仍然允许双折射透镜的效应合适的切换和圆偏振器的合适操作，尽管两种效应是依赖于偏振的。
而且，这些元素的位置达到了如下重要的优点第一，与将圆偏振器作为整体布置在空间光调制器和双折射透镜之间的概念上的可能性相比，只有四分之一波片可以位于其间。结果，空间光调制器和双折射透镜之间的距离可被最小化。这是重要的优点。例如在提供了提高的亮度效果的透镜的情况下，因为显示器的观看自由度由透镜和像素平面间的间距和显示器的像素的垂直范围确定，所以由本发明实现的间距的最小化在方向模式中最优化显示器的观看自由度。相反地，在标准2D显示器中最小化这个距离并不提高观看自由度。
另一个优点与损失相关。非偏振发射显示器比偏振发射显示器更廉价并且容易制造。但是，当与非偏振发射显示器结合使用时，使用双折射透镜以提供方向分布的可切换改变，减少了50％的名义输出，这是由于偏振控制的效果。类似地，圆偏振器的线偏振器当在没有双折射透镜的情况下与非偏振发射显示器一起使用时，减少50％的名义输出。但是，本发明的第一方面的布置允许圆偏振器和可切换的双折射透镜被实现为总损失为仅仅50％，即圆偏振器和可切换的双折射透镜的单独损失并不累计。这是重要的优点，它允许两个特征的合并，而没有相应地增加损失。
在根据本发明的第二方面的另一形式中，提供了一种发射方向显示器，包括
包括像素阵列的基本上随机偏振输出发射空间光调制器；无源双折射透镜；偏振旋转装置；四分之一波片；线偏振器；其中，四分之一波片位于像素阵列和无源双折射透镜之间。
在根据本发明的第二方面的另一形式中，提供了一种发射定向显示器，包括包括像素阵列的基本上随机偏振的输出发射空间光调制器；有源双折射透镜；四分之一波片；线偏振器；其中，四分之一波片位于像素阵列和有源双折射透镜之间。
最好，呈现一个或多个下述可选择的特征。
发射材料可为聚合体场致发光材料或者小分子场致发光材料。
透镜的几何光轴可与空间光调制器的像素对齐。
像素可按照行和列排列。
根据本发明的第二方面的双折射透镜和针对其的切换布置可包括在WO-03/015424中公布的显示设备的对应部件的任何特征，包括WO-03/015424的权利要求中的特征，WO-03/015424包括于此，以资参考。
根据本发明的两方面，透镜阵列可用于在一个或者两个模式中改变显示装置的方向分布，达到各种不同的效果，包括但并不限于提供3D自动立体显示；提高的亮度；或者多用户显示系统。
因此，这种装置可用于自动立体显示装置，该装置可方便地在一种操作模式下提供可被裸眼观察到的全彩色3D自动立体显示图像，在第二种操作模式下提供全分辨率2D图像；可切换、高亮显示系统，该系统在第一模式下可展现基本上非方向性的亮度性能，在第二模式下可展现基本上方向性的亮度性能；或者多观察者显示装置，该装置可方便地在操作的一种模式下将一幅运动全彩色2D图像提供给一个观察者，并且将至少第二不同的2D图像提供给至少第二观察者，以及在操作的第二模式下，所有的观察者看到全分辨率2D图像。
有利的是，通过将提高的亮度性能应用到有机场致发光显示器中，可延长显示器的寿命。针对显示器的像素的减少的电驱动负载，亮度提高可用于实现想要的亮度等级。像素的电驱动负载的减少可用于延长在显示器中使用的材料的寿命。
在下文中描述的本发明的实施例可提供如下单独的或者结合的优点；使用发射显示器的可切换方向显示设备可被构造为具有高光学效率；该设备允许在高分辨率、高亮度2D模式和高亮度3D模式之间有效地进行切换；该设备允许在标准亮度2D模式和提高亮度2D模式之间有效地进行切换，有效地增加显示器的光学孔径；该设备可以以低成本制造；可最优化3D模式的光学串扰；发射显示器的使用允许制造成薄装置而不使用背光部件；所述部件可使用公知的技术被制造；所述显示器可在广范围的操作环境中操作。
将参考附图，只通过例子来描述本发明的实施例，其中图1显示一种类型的使用液晶显示器的可切换2D-3D自动立体显示设备；图2显示另一种类型的使用偏振发射显示器的可切换2D-3D自动立体显示设备；图3显示另一种类型的使用偏振发射显示器的可切换2D-3D自动立体显示设备；图4显示另一种类型的使用偏振发射显示器的可切换2D-3D自动立体显示设备；图5显示一种类型的使用偏振发射显示器的可切换的亮度提高的显示设备；图6显示包括四分之一波片以消除来自随机偏振发射0EL显示器中的电极的前反射的设备；图7显示用于OEL面板结构以允许短观看距离同时保持结构稳定性的处理；图8显示将有源双折射透镜和四分之一波片合并的显示器；图9显示图6的实施例中的四分之一波片的光轴的排列；在下文中描述的各种实施例共享一些公共的图。简而言之，公共的图和公共的标号将被使用，并且其描述对每一个实施例不再重复。
图2显示本发明的第一实施例。像素50的阵列在显示器基板48上形成以组成空间光调制器。基板48可包括一系列寻址薄膜晶体管和电极的阵列，从而每个像素可使用电信号被独立地寻址。该薄膜晶体管可以是无机的或者可以用有机材料来实施。另一方面，像素可通过有源寻址方案来被寻址，在该有源寻址方案中寻址晶体管不需要存在于像素上。
像素50中的每个包括发射区域，其中包括发色团的发射材料是单轴排列的，从而发射的偏振对于整个像素基本上是线性的并且基本上在相同的方向上。最好，每个像素被安排为具有基本上相同的偏振方向。
像素50的发射材料可为任何有机场致发光材料，例如聚合体场致发光材料或者小分子场致发光材料。所述发射材料可被安排为通过使用任何合适的技术排列发射材料的分子来生成偏振发射。例如，发射材料可以是在以下文章中所公开的材料，该文章是Adv.Mater.2000，12，No.13，7月5日，第971页，“Ploarized Electroluminescence from an Anisotropic Nematic Network ona Non-contact Photoalignment Layer”，A.E.A.Contoret、S.R.Farrar、P.O.Jackson、S.M.Khan、L.May、M.O’Neill、J.E.Nicholls、S.M.Kelly和G.J.Richards，所述文章阐述了可在粒子系统中达到11∶1的偏振效率。
另一个盖基板52附于像素上。该基板52可将阻挡层和对比度提高黑色掩膜层合并。
可选偏振器54可附于基板52。另一方面，偏振材料可结合在像素平面或者结合接近于像素平面，例如在基板52的内表面。
例如，一种公知的偏振有机场致发光显示器具有11∶1的偏振率。与结合了清除(clean-up)偏振器的非偏振光源的45％相比，与偏振效率45％的一般偏振器相结合，光源的全部通量将为82.5％。
可选基板56附于偏振器54上，并且具有在其表面形成的双折射微透镜。所述双折射微透镜结合了表面浮雕(relief)结构，如双凸透镜状表面浮雕结构。表面浮雕结构可形成在双折射材料和各向同性材料的界面上。双折射微透镜将具有取向方向42的双折射材料与各向同性材料40结合。例如，双折射微透镜包括夹在基板56上的均匀取向层和各向同性材料的表面之间的取向的液晶材料，如向列型液晶。也可使用垂直取向层。双折射材料可为UV处理的液晶材料，例如活性液晶原(mesogen)液晶。在双折射透镜的两个表面上的液晶材料的相关取向可以是平行的、反平行的或者可在两个表面间存在扭曲，从而在碰到表面浮雕结构之前入射偏振在双折射透镜中旋转。各向同性材料的折射率和色散基本上与双折射材料的折射率其中一个和色散相同。在本发明中应用的双折射材料的实施例在WO-03/015,424中被描述，WO-03/015,424包含于此，以资参考。
下列的双折射微透镜中，偏振开关单元形成在基板41上。该开关用于切换透射通过最终线性输出偏振器66的偏振，并且可包括夹在透明ITO电极和取向层58之间的向列液晶材料60层。为了切换来自开关单元的输出偏振，将电压62施加在液晶单元两端。
图2的设备以以下方式操作。发射显示器产生基本上是线偏振的输出偏振。来自偏振发射像素阵列50的输出偏振被线偏振器54消除，该线偏振器54具有与发射材料的偏振方向的主轴相平行的透射方向。这种偏振状态被取向为与双折射透镜42中的液晶材料的取向成45度，从而它可被透镜分解为两个正交的分量。在第一状态下的偏振切换材料60被取向，从而透射通过输出偏振器66的偏振状态与双折射透镜42中的液晶材料的正常折射率平行。该折射率基本上与各向同性材料40的折射率相匹配，因此虽然可能存在达到不可能获得精确的折射率匹配的程度的少量残留的光学效应，但是基本上没有透镜效应。然后，显示器具有基本上与来自像素平面的光学输出相同的方向分布。
在第二模式中，开关62调节材料60从而通过偏振器66的透射的偏振造成双折射材料42的异常折射率，并且因此在透镜表面的各项同性材料上存在率差(index step)，并且该透镜具有光学功能。这引起了光学输出的方向分布的改变。透镜被设置为在窗口平面上产生像素平面的图像。
在本说明书中，双折射材料的光轴的方向(主导方向，或者异常轴方向)将被称作双折射光轴。这不能同在几何光学中按照惯例定义的透镜的光轴相混淆。
透镜中的液晶的取向可被设置为平行穿过所述单元的厚度。透镜表面的取向可与柱面透镜的几何透镜轴平行。另一方面，双折射光轴将被布置为旋转穿过所述单元，从而发射显示器的偏振取向方向以及消除偏振器处于与几何透镜轴不同的角度。这对于，例如在偏振发射装置的生产中放宽制造公差，或者如果由于偏振发射条件而存在视角的限制则改善装置的视角是有利的。
透镜沿列向布置，其节距基本上(但并不准确地)是显示器的像素的列节距的两倍。如果用户将他们的眼睛放到窗口平面中，则可看到面板的像素的交替列，并且可观察到立体图像。所述光学输出在WO-03/015424中被描述。
另一方面，透镜可被布置为柱面透镜的行向，其节距基本上(但并不准确地)等于显示器行节距。如果在垂直方向上像素的孔径比小于100％，则在操作的方向模式中，由于透镜从像素的中心聚焦，所以透镜将产生这样的区域，显示器从该区域中将具有被较低亮度的区域分离的较高亮度。
图2的设备具有名义上的50％的亮度，这是因为输入到透镜的偏振状态被分解为分别与双折射微透镜的双折射光轴平行和正交的两个正交的分量。
在图3中表示了可显示操作的全亮度模式的设备。与图2相比，偏振开关和双折射微透镜阵列的位置被颠倒。来自偏振发射显示器和消除偏振器54的输出偏振入射到偏振开关机构60、58、62上。在第一模式中，没有发生偏振切换，从而入射到双折射透镜阵列42上的偏振与在透镜表面的折射率的寻常分量平行，并且由于折射率与各项同性材料40相匹配，所以基本上看不到透镜。光穿过可包括例如反反射膜的最终基板68。因此，光具有与发射面板基本上相同的方向分布。
在操作的第二模式中，偏振开关将来自面板的偏振进行旋转，从而该偏振与双折射微透镜的双折射光轴平行，并且该透镜具有光学功能。
在这种构造中，所有的光能经过正确的透镜轴，因此在系统中基本上没有损失(loss)。
由于附加层的厚度，所以这种构造具有增加的观看距离。所述厚度可通过移除基板64并且使用处理过的用于双折射透镜的液晶材料来减小，如图4中所示。可选基板70形成在偏振器54上，ITO和取向层58形成在该可选基板的相反表面上。双折射微透镜和各项同性材料可形成在具有ITO涂层的基板68上。双折射微透镜阵列42可使用UV处理过的材料来制造，如活性液晶原，并且取向层74可形成在其表面上。可切换的偏振调制材料，如向列液晶材料60，可夹在微透镜取向层42和ITO和取向层58之间。另一方面，ITO涂层72可形成在UV处理过的双折射微透镜42的与取向层74结合的表面上。电压通过电源62施加到ITO涂层。
通过这种方式，透镜和像素平面之间的间隔将减小。这对于具有小的像素大小的装置是非常有利的。基板70也可被移除，从而层58形成在，例如偏振器54上。
图5显示了使用偏振发射显示的可切换提高亮度显示设备。
如图5中所示，在像素平面50中的偏振发射像素可包括发射区域80和发射像素之间的间隙82。间隙区域可包括，例如电极或者寻址晶体管。透镜可被布置为相对于显示器的行向。透镜的节距被设为基本上与像素的行向节距相等。显示器的元素的剩余部分可按如图4所示构造和操作。在操作的第一模式中，透镜被构造为不具有光学功能，从而来自发射区域的光基本上不通过柱面透镜阵列的透镜来改变。在操作的第二模式中，透镜被构造为具有光学功能，从而每个像素通过各个透镜成像到距显示器额定距离的窗口平面。如果观察者将他们的眼睛放在窗口平面的像素的图像上，则显示器具有与未经改变的显示器相比的增加的亮度。如果观察者将他们的眼睛放在图像间的间隙的位置，则显示器与未经改变的显示器相比具有降低的亮度。通过这种方式，在像素的孔径比在第一方向上小于100％的情况下，显示器亮度可被有利地提高。
本发明第一方面的另一个实施例可被形成为WO-03/015424中所公开的显示设备，WO-03/015424被包括于此以资参考，但是在其中所公开的空间光调制器用发射空间光调制器来替换，发射空间光调制器包括每个被设置为输出基本上偏振的光的有机场致发光材料的像素的阵列，如上所述。因此，除了替换空间光调制器之外，WO-03/015424的公开同等地应用到本发明中。
图6显示具有非偏振显示的亮度提高显示设备的横截面。
该显示设备包括在显示器基板48上形成的像素50的阵列，以组成空间光调制器，该空间光调制器除了其基本上输出随机偏振的光之外，具有与上述发射显示装置中相同的结构和布置。因此，像素50的发射材料可为任何有机场致发光材料，例如聚合体场致发光材料或者小分子场致发光材料。另一方面，像素50的阵列和基板48可被任何其它类型的包括布置为输出随机偏振的光的像素阵列的发射空间光调制器替代。
像素50的阵列具有小于100％的垂直孔径比，并且向四分之一波片84发射光。当光基本上随机偏振时，具有基本上相同强度的第一和第二分解的线分量入射到透镜阵列42上。与双折射材料的光轴平行的第一分解的线偏振分量可在透镜表面造成相位跳跃(phase step)，因此来自像素孔径的光直接朝向在名义观看位置上的窗口。与双折射材料的光轴正交的分解的分量在折射表面造成率匹配，因此基本上不产生透镜功能。然后光穿过可切换偏振旋转器58-62。在关闭状态下，第一分解的线偏振状态被旋转并且被输出偏振器66消除，而第二分解的线偏振状态被旋转并透射穿过输出偏振器66。当将电场施加到层60上时，该状态并未被旋转，所以第一偏振状态被透射而第二状态被吸收。因此，显示器以传统模式操作。
在操作的第一模式中，从显示器前面的外部光源86入射的光被偏振器66偏振，并且由旋转器58-62旋转，从而在透镜42、40上没有造成相位跳跃。然后光穿过波片84而变成圆偏振状态。图9更加详细地显示四分之一波片的光轴的取向与双折射透镜的光轴的取向的协同。为了操作的简单，来自外部光源86的光的光路被展开，并且对于图6的设备的定向模式而被显示。来自光源86的入射光具有来自于具有偏振透射方向92的偏振器66的偏振方向93。光经过偏振开关(未示出)从而偏振状态94穿过基板41。偏振状态97入射在双折射透镜42的双折射光轴上。在该例子中，双折射透镜的取向是反平行的，从而基板56上的取向方向98被产生，并且基板56中的偏振方向99被产生。四分之一波片84的光轴方向100被设为与方向98成45度，在最接近四分之一波片的双折射透镜表面形成双折射材料的取向。四分之一波片产生基本上圆偏振状态101。光以圆偏振状态102从像素平面50反射，并且造成四分之一波片轴100给出偏振状态输出104。因此，四分之一波片用于在反射路径上输出与方向99成90度的偏振状态。这种偏振状态106、108与透镜的双折射光轴方向96、98正交。在偏振开关中，偏振状态未被旋转，所以偏振状态110穿过基板64并且入射在将其基本吸收的偏振器66上。
在来自像素平面50的电极的反射中，出现了相移。然后光从后面穿过波片84以产生与输入正交的线偏振，从而在透镜表面上造成相位跳跃。偏振状态再次被旋转器58-62旋转并且被输入偏振器66消除。在切换状态中，相同的相移出现在反射器中，所以反射再次被四分之一波片和偏振器组合取消。因此，来自于反射器的前反射被取消，同时保持了切换亮度提高或自动立体显示功能。
这种外部偏振实施例具有在外部环境光中透镜的可见度降低的优点。入射在显示其前部的外部光源穿过输入偏振器，在透镜和具有相位跳跃的其它表面(例如从反射涂层，如ITO)上进行菲涅耳反射，然后从输出偏振器的后面穿过。因此，外部偏振器吸收一定比例的在每个方向上传播的光，因此减少了透镜的反射，这有利地增加了显示器对比度。
在提高亮度模式下的显示器的观看自由度或者在3D模式下的名义观看距离由像素和透镜平面间的距离来确定。希望最小化在这两个表面之间的附加层的厚度。四分之一波片84可为薄的波片，例如涂层的、取向的可处理液晶层。这种材料的一个例子是可从Merck Ltd.得到的RM257，其可在合适的取向层被取向之后被UV处理。该层通常的厚度将小于两微米。多层可增加四分之一波片的光谱功效，这在本领域中是公知的。
例如，基板56可为薄玻璃微片(Schott A.G.)或者使用通过在透镜42中的处理的液晶材料来被去除。为了保证封装层反基板52的结构稳定性，OEL装置可在适当的位置与透镜装配在一起。
这种装配处理在图7中被描述。在具有ITO层58的基板41一侧具有在第二表面上通过公知方法，如UV铸造或者压花(embossing)形成的各向同性透镜结构40。该表面可涂上取向层，如聚酰亚胺，或者可具有形成在其上的衍射取向层结构。该衍射层结构可由对表面浮雕结构压花的控制工具形成，从而需要单独的压花步骤。
图7b显示形成在透镜40的表面上的可处理液晶材料层42。透镜表面的取向由各向同性透镜上的取向层固定。相反表面的取向可通过第二基板(未示出)上的取向层，通过平面薄垫片(plane shim)上的衍射结构来固定，或者可为液晶材料的放松的取向状态(即在材料中没有固定的取向)。如果使用第二基板，第二基板在透镜固化之后可被移除以使得装置的整个厚度减小。
图7c显示波片的附着。该波片可为涂层的波片，如可处理液晶聚合体，或者可为薄片层。另一方面，该层可被附到显示器反基板52上。
图7d显示到显示器反基板52上的附着。这块合成的反基板然后附到OEL发射基板上以提供如图7e中所示的封装。在滤色器被固定到反基板的情况下，这将被应用到平面玻璃52上或者应用到组装的合成基板上。
图7f显示了开关单元到组装的装置的最终固定。
在本发明的另一个实施例中，偏振旋转器和无源双折射透镜可被有源透镜所替代，有源透镜的横截面在图8中所示。发射像素平面50将光线传递穿过四分之一波片84并且射到包括透明电极92、94和液晶层88的有源透镜上。表面浮雕透镜90具有基本上与液晶层88的寻常折射率相等的折射率。在第一模式中，没有场施加到单元上，并且透镜被取向，从而在透镜表面存在相位跳跃，给出了透镜功能。透镜被布置以产生观看窗口。在第二模式中，场被施加到电极92、94之间，从而液晶材料88重新取向，并且在透镜表面发生折射率匹配。如前所述，从周围光源入射的光由于四分之一波片84和偏振器66的结合而造成取消功能。
权利要求
1.一种显示设备，包括发射空间光调制器，包括像素阵列，每个像素被布置为输出基本上随机偏振的光；双折射透镜，被安置为空间光调制器接收光，被布置为在显示设备的操作的第一模式中将第一偏振分量的光引入第一方向分布，并且显示设备的操作的第二模式中将第二偏振分量的光引入与第一方向分布不同的第二方向分布；四分之一波片；和线偏振器，其中，四分之一波片被布置在空间光调制器和双折射透镜之间，线偏振器被布置在与四分之一波片相对的双折射透镜的一侧。
2.如权利要求1所述的显示设备，其中，双折射透镜是无源双折射透镜，其被布置为将第一偏振分量的光引入所述第一方向分布中并且将第二偏振分量的光引入所述第二方向分布中，并且所述显示设备还包括可切换偏振旋转器，其布置在双折射透镜和线偏振器之间，该可切换偏振旋转器在第一模式和第二模式之间可切换，其中，在第一模式中，所述第一偏振分量的入射光带有允许其穿过线偏振器的偏振被输出，在第二模式中，所述第二偏振分量的入射光带有允许其穿过线偏振器的偏振被输出。
3.如权利要求1所述的显示设备，其中，双折射透镜是在第一模式和第二模式之间可切换的有源双折射透镜，其中，在第一模式中，具有允许其穿过线偏振器的偏振的光被引入所述第一方向分布，在第二模式中，具有允许其穿过线偏振器的偏振的光被引入所述第二方向分布。
4.如前面的权利要求中的任一项所述的显示设备，其中，所述空间光调制器的像素包含有机场致发光材料。
5.如前面的权利要求中的任一项所述的显示设备，其中，波片的光轴被取向为基本上与在最靠近波片的透镜的表面上的透镜的双折射光轴双折射材料的取向成45度。
6.一种显示设备，包括发射空间光调制器，包括有机场致发光材料的像素阵列，每个像素被布置为输出基本上偏振的光；可切换偏振器，其在第一偏振模式和第二偏振模式之间可切换，其中在第一偏振模式和第二偏振模式中偏振器使各个偏振分量的光穿过；双折射透镜，被安置为从空间光调制器接收光，被布置为将第一偏振分量的光引入第一方向分布和将第二偏振分量的光引入与第一方向分布不同的第二方向分布，该双折射透镜和可切换偏振器被串联地布置。
7.如前面的权利要求中的任一项所述的显示设备，其中，第二方向分布与输入分布相同，从而双折射透镜基本上不具有光学效应。
全文摘要
在一方面，一种显示设备包括发射空间光调制器，包括有机场致发光材料的像素阵列，每个像素被布置为输出基本上偏振的光；可切换偏振器，其在第一偏振模式和第二偏振模式之间进行切换，其中在第一偏振模式和第二偏振模式中偏振器使各个偏振分量的光穿过；和双折射透镜，被安置为从空间光调制器接收光，该双折射透镜被布置为将第一偏振分量的光引入第一方向分布和将第二偏振分量的光引入与第一方向分布不同的第二方向分布，双折射透镜和可切换偏振器串联地布置。在另一方面，一种显示设备包括发射空间光调制器，包括像素阵列，每个像素被布置为输出基本上随机偏振的光；双折射透镜，被安置为空间光调制器接收光，被布置为在显示设备的操作的第一模式中将第一偏振分量的光引入第一方向分布，并且显示设备的操作的第二模式中将第二偏振分量的光引入与第一方向分布不同的第二方向分布；四分之一波片；和线偏振器。四分之一波片被布置在空间光调制器和双折射透镜之间，线偏振器被布置在与四分之一波片相对的双折射透镜的一侧。
文档编号H04N13/00GK1748169SQ200480003658
公开日2006年3月15日 申请日期2004年2月4日 优先权日2003年2月5日
发明者伍德盖特·格雷厄姆·约翰, 哈罗德·乔纳森 申请人:奥奎帝有限公司