CN100591141C - 透镜阵列结构和显示设备 - Google Patents

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Abstract

一种透镜阵列结构，包括两个顺序排列的双折射透镜阵列，两者能够操作，以将一偏振的入射光导入相应定向分布，并且对垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上没有影响。透镜阵列相对取向，从而通过相应的双折射透镜阵列之一，两个垂直偏振成分的入射光导入定向分布，并且不受双折射的另一个的影响。因此偏振的控制允许在两个透镜阵列的作用之间的转换。为了让转换成两个透镜阵列没有影响的第三模式，透镜阵列之一可以是有源的。透镜结构可以在显示设备中采用，以提供可转换的定向显示器。

Description

透镜阵列结构和显示设备
技术领域
本发明涉及自动立体显示装置。这种设备可以用于可切换的二维(2D)/三维(3D)自动立体显示装置；可切换的高亮度反射显示系统；多用户显示系统；或定向照明系统。这种系统可以用于计算机监示器、通讯手持装置、数字照相机、膝上型和桌上型计算机、游戏装置、自动和其它移动显示应用。
背景技术
正常人的视觉是立体的，即，每只眼睛看稍微不同范围的图像。大脑合并两个图像(称为立体对)，以给出深度感。三维立体器显示重放分离的图像(通常是平面的)给每只眼睛，这些分离的图像对应于观看实际范围场景所看到的景象。大脑再次合并立体对，以给出图像的视在深度。
图1a示出在显示平面1中的显示表面的平面图。右眼2看显示平面上的右眼同名像点3和左眼4观看显示平面上的左眼同名点5，以产生用户感觉到在屏幕平面后面的视在像点6。
图1b示出在显示平面1中的显示表面的平面图。右眼2观看显示平面上的右眼同名像点7和左眼4看显示平面上的左眼同名像点8，以产生在屏幕前面的视在像点9。
图1c示出左眼图像10和右眼图像11的细节。左眼图像10中的同名点5位于参考线12上。右眼图像11中的相应同名点3相对参考线12在不同的相对位置3。点3与参考线12的间距13称为视差，在这种情况下，对于位于屏幕平面后面的点来说是正视差。
对于在场景中的综合点，在立体对的每个图像中有相应点，如图1a所示。这些点称为同名点。在两个图像之间的同名点的相对间距称为视差；零视差的点对应于在显示器的深度平面的点。图1b示出在显示器后面出现不交叉视差的点，图1c示出在显示器前面出现交叉视差的点。同名点间距的大小、到观察者的距离，和观察者两眼之间的距离得出在显示器上看到的深度量。
立体型显示器在现有技术中是公知的，并且涉及用户使用某种观看辅助工具、以基本上分离的视图送到左眼和右眼的显示器。例如，观看辅助工具可以是图像被彩色编码(例如，红和绿)的彩色滤光片；图像在垂直偏振状态解码的偏振玻璃；或视图被解码成与玻璃光阀(shutter)的开启同步的临时图像顺序的光阀玻璃。
自动立体显示器不用观察者使用观看辅助工具。在自动立体显示器中，每个视图可以从有限的空间区域看见，如图2所示。
图2a示出具有附加视差光学组件17的显示装置16。显示装置产生右眼图像18，用于右眼信道。视差光学组件17沿箭头19所示的方向引导光，以在显示器前面的区域产生右眼视窗20。观察者将他们的右眼22放在窗口20的位置。示出左眼视窗24的位置，用于参考。视窗20也可以称为垂直延伸光瞳。
图2b示出左眼光学系统。显示装置16产生左眼图像26，用于左眼信道。视差光学组件17沿箭头28的方向引导光，以在显示器前面的区域产生左眼视窗30。观察者将他们的左眼32放在窗口30的位置。示出右眼视窗20的位置是用于参考。
系统包括显示器和光学操纵机构。来自左图像26的光被送到显示器前面的有限区域，称作视窗30。如果眼睛32放在视窗30的位置，那么观察者在整个显示器16上看见正确的图像26。类似地，光学系统将用于右图像18的光送到分离窗口20。如果观察者将他们的右眼22放在这个窗口，那么在整个显示器上看见右眼图像。通常，来自任一图像的光被认为光学指向(即，引导)到相应的定向分布。
图3示出在窗口平面42中产生左眼视窗36、37、38和右眼视窗39、40、41的显示平面34中的显示装置16、17的平面图。视窗平面与显示器的间距称为标称视距43。在相对显示器中心位置的窗口37、40是在第零个波瓣44。第零个波瓣44右侧的窗口36、39是在+1波瓣46，而第零个波瓣44左侧的窗口38、41是在-1波瓣。
显示器的视窗平面(viewing window plane)表示与显示器相距的一距离，在该距离处横向观看自由度是最大的。对于离开窗口平面的点，具有钻石形的自动立体观看区，如图3的平面图所示。从图中可以看出，来自显示器上每个点的光以有限宽度的锥形传送到视窗。锥形的宽度可以限定为角度宽度。
如果眼睛放在一对视区的每一个，诸如37、40，那么在整个显示区将看到自动立体图像。对于第一级，显示器的纵向观看自由度由这些视区的长度来确定。
图4中示在显示器的窗口平面上的光强50(构成光的定向分布的一种有形形式)相对理想化的窗口的位置51的变化。右眼窗口位置光强分布52对应于图3中的窗口41，光强分布53对应于窗口37，光强分布54对应于窗口40，和光强分布55对应于窗口36。
图5示意性地示出更实际窗口的光强分布与位置关系。右眼窗口位置光强分布56对应于图3中的窗口41，光强分布57对应于窗口37，光强分布对应于窗口40和光强分布59对应于窗口36。
图像间隔的质量、显示器的横向观看自由度范围和纵向横向观看自由度范围取决于窗口质量，如图4所示。图4示出理想视窗，而图5是可以从显示器输出的实际视窗的示意图。由于不合适的窗口性能，会出现多个假象。当来自右眼的图像被左眼看见时，出现串扰(cross talk)，反之亦然。这是可导致用户视觉疲劳的明显3D图像退化机理。此外，很差的窗口质量导致观察者的观看自由度降低。光学系统设计成优化视窗的性能。
视差元件可以是视差屏障，其包括不透明区与透射区交替的阵列。视差屏障依靠阻挡来自显示区的光，从而降低亮度和装置效率，一般为原始显示亮度的大约20％-40％。由于屏障的子像素对准公差相对显示器的像素结构的要求，视差屏障不容易去除和代替，以便优化显示器的观看自由度。2D模式是一半分辨率。
在本领域公知用于立体显示、代替视场屏障的另一种视差光学元件微透镜屏幕(lenticular screen)，其是柱面微透镜垂直延伸的阵列。
图6示出利用微透镜屏幕的现有技术显示装置的典型结构。背光60产生光输出62，其入射到LCD输入偏振器64上。光透过TFT LCD衬底66并入射到在LCD像素平面67上、行和列排列的重复像素阵列上。红色像素68、71、74，绿色像素69、72、75，和蓝色像素70、73各包括单独可控制液晶层，并且用叫作黑色掩模(black mask)76的不透明掩模区隔开。每个像素包括透射区或像素孔径78。通过像素的光用LCD像素平面67中的液晶材料调制相位，并且用位于LCD彩色滤光片衬底上的彩色滤光片80调制颜色。然后，光通过在其后面设置微透镜屏幕衬底94的输出偏振器82和在微透镜屏幕衬底94表面上形成的微透镜屏幕96。至于视差屏障，微透镜屏幕96用于将来自交替像素69、71、73、75的光照射到右眼，如用来自像素69的光线88表示，将来自中间列68、70、72、74的光照射到左眼，如用来自像素68的光线90表示。观察者看见来自照明对微透镜屏幕96的单个透镜(lenticular)98孔径的潜在像素的光。用捕获光线100表示捕获光锥形的范围。
在上面的布置中，LCD像素平面起空间光调制器(SLM)的作用。作为在本文件中使用的术语空间光调制器或SLM包括“光阀(light vlave)”装置诸如液晶显示器和发射装置诸如电致发光显示器和LED显示器。
柱镜显示器(lenticular display)在Tbkoshi的“Three Dimensional ImagingTechniques(三维成像技术)(Academic Press，1976)”中描述。一种利用空间光调制器的柱镜显示器在US-4,959,641中描述。US-4,959,641的发明描述了在空气中的非转换柱镜元件。
利用相对显示器的像素列倾斜的柱面透镜的柱镜显示器在SPIEproceedings的Vol.2653，1996，32-39页公开的“Multiview 3D-LCD”中描述。
上述平板显示器的观看自由度由显示器的窗口结构限定。
通过测量观察者的位置并相应地移动视差元件来提高观看自由度的显示器EP 0829743中描述。这种观察者测量设备和机械驱动既昂贵又复杂。
例如，在EP 0721131中描述了这样一种显示器，其中窗口光学结构不改变(例如，固定视差光学元件显示器)并相应于观察者的测量位置转换图像数据，使得观察者保持基本无畸变的图像。
2D-3D可转换显示器
如上所述，利用视差光学元件产生空间多路3D的显示器将每个图像的分辨率限制成最多是全显示分辨率的一半。在许多应用中，显示器被设计为小部分时间用于3D模式，并且要求具有全分辨率无假象2D模式。
一种消除视差光学元件影响的显示器披露在“Devolopments inAutostereoscopic Technology at Dimension Technologies Inc.(立体技术在空间技术公司的发展)(Proc.SPIE，vol.1915，Stereoscopic Displays andApplications IV(1993)，pp177-186，1993)”中。在这种情况下，可转换散光元件放在用于形成光线的光学系统中。这种可转换散光体例如可以是聚合散光液晶型的，其中根据在材料上所施加的电压的施加，分子排列在散射和非散射模式之间转换。在3D模式，散光体是透明的并且形成光线，以产生后视差屏障效果。在2D模式，散光体散射并且光线被淡白(wash out)，产生均匀光源的效果。这样，显示器的输出基本上是朗伯型(Lambertian)并且窗口被淡白。那么，观察者看见作为全分辨率2D显示的显示器。这种显示器在3D模式产生菲涅耳衍射假象，以及在增加显示串扰的散光体透明状态产生不必要的残余散射。因此，这种显示器可能显示较高水平的可视应变(visual strain)。
在EP-A-0,833,183公开的另一种可转换2D-3D显示器中，第二LCD放在显示器前面用作视差光学元件。在第一模式，视差LCD是透明的，从而没有形成窗口并且看见2D图像。在第二模式，装置被转换成形成视差屏障的缝隙。那么产生输出窗口并且图像看起来象3D。由于使用两个LCD元件，这种显示器增加成本和复杂性，也降低亮度或增加功耗。如果用在反射模式3D显示系统中，视差屏障导致非常低的亮度，由于通过视差屏障在遮挡区和不在遮挡区的光衰减，视差屏障导致非常低的亮度。
在EP-A-0,829,744公开的另一种可转换2D-3D显示器中，视差屏障包括半波延迟元件的构图阵列(pattemed array)。延迟元件的图形对应于屏障缝隙和视差屏障元件中的吸收区的图形。在3D操作模式，偏振器加到显示器中，以分析构图延迟器的缝隙。这样，形成吸收视差屏障。在2D操作模式，当没有包含在2D操作模式的任何偏振特性时，彻底去除偏振器。因此，显示器的输出是全分辨率和全亮度。一个缺点是这种显示器使用视差屏障技术，因此，在3D操作模式也许限制20-30％的亮度。同样，显示器具有被屏障孔径的衍射限制的观看自由度和串扰。
已知提供电可转换双折射透镜用于定向地转换光。已知使用这种透镜来转换在2D操作模式和3D操作模式之间的显示器。
例如，电可转换双折射液晶微透镜在下述文献中得到描述：Electrodedesigns for tuneable microlenses(用于可调微透镜的电极设计)，pp48-58，L.G.Commander et al，European Optical Topical Meetings Digest Series：13，15-16May 1997。
在US-6,069,650和WO-98/21620中公开的另一种可转换2D-3D显示器中，包括填充液晶材料的微透镜屏幕的可转换微透镜用于改变微透镜屏幕的光功率。US-6,069,650和WO-98/21620教导在微透镜屏幕中电光材料的使用，电光材料的折射率通过在第一值和第二值之间电位的选择施加是可转化的，第一值具有柱镜装置(lenticular means)的光输出定向作用，第二值没有光输出定向作用。
包括液晶菲涅耳透镜的3D显示器在下述文献中得到描述：3D DisplaySystem with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens(具有双频液晶变焦透镜的3D显示系统)，S.Suyama et al，SID 97DIGEST pp273-276。
在WO-03/015,424中公开的另一种可转换2D-3D显示器中，通过控制通过透镜并到达观察者的光的偏振，无源双折射微透镜在2D-3D模式之间转换。从该参考文献中还知道使用无源双折射透镜中的扭转，以便旋转输入偏振，使得双折射微透镜几何轴平行于在透镜表面的双折射材料轴。在WO-03/015,424中公开的显示装置之一在图7的平面图中示出，并且布置如下。
背光102产生LCD输入偏振器106的照明104。光通过薄膜晶体管(TFT)衬底108并入射到包括单独可控制相位调制像素112-126的像素层110上。像素排列成行和列，并且包括像素孔径128，还有分开的黑色掩模(blackmask)130。然后，光通过LCD反衬底132和形成双折射微透镜阵列138的透镜载体衬底136。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的排列双折射材料。然后，双折射透镜的输出通过透镜衬底144和偏振变化装置146。
透镜阵列的每个双折射透镜是柱面；透镜阵列138是微透镜屏幕并且透镜的几何轴离开页面(page)。在该示例中的透镜间距布置成基本上是显示器像素间距的两倍，从而形成双视图自动立体显示器。
在第一操作模式，偏振变化装置146设定成透光，偏振状态平行于微透镜阵列的双折射材料的正常轴。材料(诸如液晶材料)的正常折射率基本上与各向同性微结构140的折射率匹配。因此，透镜没有光学作用，并且基本上不改变显示器输出的定向分布。在这个模式，观察者用每个眼睛看见显示器的所有像素112-126，并且形成2D图像。
在第二操作模式，偏振变化装置146设定成透光，偏振状态平行于微透镜阵列的双折射材料的非常轴(extraordinary axis)。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，并且改变显示器输出的定向分布。作为本领域的公知常识，可以设定这种定向分布，从而正确位于显示器前面的观察者，在他们的左眼中看见对应于来自左图像像素112、116、120、124光的左图像，和在他们的右眼看见对应于右图像像素114、118、122、126的右图像。这样，可以形成可转换2D-3D自动立体显示器。
透镜阵列特别适于自动立体显示器，因为它们结合了高光学效率、小光点尺寸的性能和利用公知光刻处理技术的加工能力。
还已知提供电可转换双折射透镜，用于定向地转换光。已知使用这种透镜来转换在2D操作模式和3D操作模式之间的显示器。
在3D自动立体显示器中，透镜阵列(或微透镜屏幕)可以用于将光导入构成合适视窗的定向分布。这种透镜阵列也可以用于将光导入另一定向分布。这种定向分布的实例在WO-98/21620中公开并且包括光导入标称观看平面中的宽水平窗口的加强亮度分布。在窗口，观察者看见与面板垂直孔径比成比例的亮度增加。在视窗外，观察者看见像素之间的间隙，并且显示器具有降低的亮度。
发明内容
本发明的目的是提供可转换定向的显示器，其中可获得至少两个定向操作模式。
根据本发明提供透镜阵列结构，其包括顺序排列的第一双折射透镜阵列和第二双折射透镜阵列，其中
第一双折射透镜阵列和第二双折射透镜阵列都能够操作，以将一偏振的入射光导入相应定向分布，并且对垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上没有影响，和
第一双折射透镜阵列和第二双折射透镜阵列相对取向，从而第一偏振成分的入射光被第一双折射透镜阵列导入定向分布，并且不受第二双折射透镜阵列的影响，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双折射透镜阵列的影响，并被第二双折射透镜阵列导入预定定向分布。
因此，入射光根据它的偏振导入第一和第二双折射透镜阵列的任一个的定向分布。这样允许通过控制通过其的光的偏振，改变透镜阵列结构的作用。
透镜阵列结构可以结合到这样的显示设备中，其也包括设置成控制通过显示器的光偏振的空间光调制器和可转换偏振控制装置，以从显示装置输出对应于所述第一偏振成分或所述第二偏振成分的任一个选择的偏振成分的光。显示装置用两种模式可操作，其中根据从显示装置输出的光是对应于入射到透镜阵列结构的第一偏振成分还是对应于第二偏振成分的偏振成分，输出光被导入不同定向分布。通过偏振控制装置的转换产生两种模式之间的转换。
第一和第二双折射透镜阵列导向光的定向分布可以是以下的任何两种：
自动立体横向分布；
自动立体纵向分布；
双视图自动立体分布；
多视图自动立体分布；
倾斜透镜自动立体分布；
加强亮度分布；或
多视图分布。
透镜阵列可以是无源的(passive)。在这种情况下，透镜阵列结构对应于对第一和第二偏振成分的作用，具有两种可能的操作模式。
另外，一个或两个透镜阵列可以是在第一模式和第二模式之间可转换的有源(active)透镜阵列，在所述第一模式中，所述有源透镜阵列将一偏振的入射光导入相应定向分布，并且对垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上没有作用，在所述第二模式中所述有源透镜阵列基本上没有光学作用。通过使用第一模式的有源透镜阵列，透镜阵列结构具有两种操作模式，在这两种操作模式中，根据如上所述的偏振控制实现不同的定向分布。通过使用在第二操作模式的有源透镜阵列，透镜阵列结构具有第三操作模式，其中透镜阵列结构根本没有光学作用。这种有源透镜阵列可以结合到上述显示设备中，只是另外具有设置成控制所述至少一个有源透镜阵列的转换的控制电路。因此，显示设备具有“非定向模式”，其中基本上没有透镜阵列的输入照明的变化。
这种装置可以用于：
自动立体显示装置，其在第一操作模式可以方便地提供用裸眼观看的移动全色3D立体图像，在第二操作模式提供全分辨率2D图像；
可转换高亮度透反射和反射显示系统，其在第一模式可以基本上显示非定向亮度性能，和在第二模式可以基本上显示定向亮度性能；或
多视图显示装置，其可以方便的提供一个2D图像(可以是移动全色)给一位观察者，和在一个操作模式提供至少第二不同2D图像给至少第二观察者，在第二操作模式提供所有观察者看见的单个全分辨率2D图像。
根据本发明的另一种形式，提供定向显示设备，包括：
第一双折射透镜阵列；
第二双折射透镜阵列；
具有偏振输出的空间光调制器；
至少一个折射面相位台阶转换装置，其设置成控制在第一或第二透镜表面的相位台阶，设置成通过显示设备可以产生至少两个定向模式。
期望透镜阵列是柱面。
期望每个透镜阵列包括各项同性材料和双折射材料。
一种可能性是，各向同性材料的折射率与双折射率材料的折射率之一基本上相同和基本上相等。
另一种可能性是，各向同性材料之一的折射率与双折射材料的正常折射率基本上相同，另一种各向同性材料的折射率与双折射材料的非常折射率基本上相同。
可转换装置包括可转换偏振旋转器，其可以位于空间光调制器输出偏振器和透镜阵列之间。
一个或两个透镜可以是有源的，在这种情况下，转换装置可以包括在透镜(包括有源透镜)上的可转换电场；
可转换装置可以是可转换偏振旋转器和在透镜上的可转换电场的组合。
附图说明
现在仅通过实例，参照附图来描述本发明的实施例，其中：
图1a示出屏幕平面后面的物体在3D显示器中的视在深度的产生；
图1b示出屏幕平面前面的物体在3D显示器中的视在深度的产生；
图1c示出在图像立体对的每个图像中，对应同名点的位置；
图2a示意性地示出在自动立体3D显示器前面的右眼视窗的形成；
图2b示意性地示出在自动立体3D显示器前面的左眼视窗的形成；
图3示出从3D显示器的输出锥形形成视区的平面图；
图4示出自动立体显示器的理想窗口图形；
图5示出来自自动立体3D显示器的视窗输出图形的示意图；
图6示出微透镜屏幕显示器的结构；
图7示出现有技术的偏振驱动微透镜显示器；
图8示出现有技术的偏振驱动微透镜显示器；
图9示出现有技术的偏振驱动微透镜显示器；
图10示出现有技术的偏振驱动微透镜显示器；
图11示出现有技术的偏振驱动微透镜显示器；
图12示出具有垂直和水平方向性的单方向模式可转换显示器的实例；
图13图示在纵向和横向使用的纵向板和横向板；
图14示出本发明的实施例，包括具有正交透镜的可转换方向显示器；
图15示出利用图14结构的显示器结构；
图16示出对于图15部分的可替换取向方向；
图17示出制造图15的透镜结构的一种方法；
图18示出本发明的实施例，其中利用单有源透镜形成非定向模式和两个不同定向模式；
图19示出在图18的显示器中的非定向模式的形成；
图20示出结合图18透镜的显示器的结构；
图21示出本发明的实施例，其中利用一对有源透镜形成非定向模式和两个不同定向模式；
图22示出本发明的实施例，其中通过控制入射偏振状态来实现两个方向模式；和
图23示出本发明的实施例，其中通过控制在单元上的电场来实现两个方向模式。
具体实施方式
为了简明起见，一些不同实施例采用给出共同附图标记的共同元件，从而不再重复描述。而且，每个实施例的元件描述同样应用其它实施例的相同元件，和具有相应作用、已作必要修改的元件。同样，为了清楚起见，图示显示器实施例的附图仅仅示出部分显示器。事实上，在显示器的整个面积上重复该结构。
在该说明书中，双折射材料的光轴方向(导向器方向或非常轴方向)称为双折射光轴。不应该与通常用几何光学定义的透镜光轴混淆。
柱面透镜指其边缘(其具有曲率半径并且可以具有其它非球面成分)沿第一线性方向延伸(swept)的透镜。微透镜几何轴定义为沿第一线性方向的透镜中心的线，即，平行于边缘延伸的方向。在此使用的术语“柱面”在本领域具有其正常意义，并且不仅包括严格的球面透镜形状，还包括非球面透镜形状。
在2D-3D型显示器中，微透镜几何轴是垂直的，从而平行于显示器像素列或与显示器像素列有小角度。在此描述的亮度加强显示器中，透镜几何轴是水平的，使它平行于显示器像素行。
双视图自动立体3D显示器的透镜阵列的透镜间距基本上等于要使用透镜阵列的空间光调制器的像素间距的两倍。事实上，透镜阵列中的透镜间距稍微小于空间光调制器的像素间距的两倍，以通常已知的“视点校正”将光导向视窗。透镜的曲率基本上设定成在窗口平面形成LCD像素的图像。当透镜从像素将光聚集成锥形，并且将光分布到窗口时，透镜阵列提供入射光的全亮度。
现有技术的定向显示器，诸如那些结合柱面透镜、长槽阵列或全息行的显示器，仅在单方向中产生视差。这方便地用于降低在定向模式由光学元件带来的分辨率损失。但是，定向模式的显示取向被光学元件轴结构的几何形状固定，所以，显示器仅可用于纵向模式或横向模式之一。
在诸如移动电话和照相机的装置中，经常期望旋转显示器，以最适合应用，例如，在菜单界面和游戏应用中。这种功能不能在标准定向显示器实现。
此外，通常期望在第一非定向模式和第二定向模式之间转换定向功能性，在第一非定向模式中，面板的工作情况基本上与基板的相同，而在第二定向模式中，面板的工作情况是定向显示，例如，自动立体显示。
这些实施例单独地或以任何组合可以实现以下优点：
定向显示装置的多操作模式可以具有独立的性能；
可以构成非定向模式；
显示器基本上具有基础显示(base display)的全亮度；
可以使用标准材料和处理技术；
低成本；
与脱架平板显示器兼容；和/或
在定向模式的高显示性能。
图8-11示出应用根据本发明透镜阵列结构的显示设备。这些显示设备与图7所示的相似，上述显示设备变化如下。背光和输入偏振器没有示出。
在图8的显示设备中，图7的偏振器146用电控制的偏振开关代替，该偏振开关包括夹住液晶层160的附加ITO层158和158、输出衬底164和输出偏振器166。电信号控制器162提供在ITO电极之间的电场的转换，以让液晶材料160转换。这样提供透过输出偏振器166的偏振状态控制和透镜的功能，如上所述。
图9示出与图8相似概念的装置，只是偏振器154放在反衬底132上，并且ITO电极对准层(ITO electrodes alignment layer)158和LC层160放在透镜142和偏振器154之间。这种结构允许具有全图像对比度和亮度的透镜的转换。
图10示出可替换结构，其中电极、液晶开关174和液晶开关160以与液晶透镜接触的方式放置，液晶透镜可以是固态液晶透镜。ITO电极172结合在透镜一侧。
图11示出图10显示器的可替换结构，其中自动立体显示器的双视图像素列用加强亮度显示器的孔径来代替。
在图12中图示不是根据本发明的概念设备，但是，其可以在非定向模式和定向模式之间转换，并且允许在纵向和横向取向的定向操作，对于偏振驱动微透镜显示器的情况，结构和操作与图8所示的相似。LCD面板输出衬底200具有线性输出偏振器202。输出偏振状态入射到透镜阵列，透镜阵列包括夹在具有取向方向206的反衬底204和具有取向方向210的表面凸透镜208之间的双折射材料(未示出)。输出光通过液晶光阀(shutter)，其包括相对夹住液晶层(未示出)的取向方向216、218的ITO电极212、214。然后，光通过具有偏振透射方向222的最后输出偏振器220。
这种显示器的透镜阵列208是非柱面的。透镜可以排列成例如基本上在第一方向具有两列像素的间距，和在第二方向具有两行像素的间距。因此，原则上显示器可以用横向操作模式和纵向操作模式显示自动立体显示。在这个实例中，面板可以取向为例如具有红色像素、绿色像素和蓝色像素垂直列的横向面板。为了在两种模式之间转换，在面板上的左眼和右眼数据对于横向操作可以是相邻列，对于纵向操作可以是相邻行。
不利地，表面凸透镜具有单一最大深度，其对于两水平透镜轴和两垂直透镜轴是相同的。但是，一般当透镜是非正方形时，水平方向和垂直方向的曲率半径明显不同。因此，透镜焦距在两个取向不同。但是，像素平面离透镜表面是单一固定的距离，从而装置仅可以对一个取向的最佳操作聚焦，或者设定在对于两者的折衷焦距。这意味着至少在一个模式，形成的窗口具有不满意的质量。此外，在定向操作模式，显示器提供在水平轴像素和垂直轴像素之间的间隙成像，从而显示器相对轴倾斜时，图像出现闪烁。此外，显示器在水平方向和垂直方向显示有限的分辨率。
更不利地，难以保持在透镜阵列表面的双折射材料的高性能排列。
因此，非柱面透镜可以用于在定向显示和非定向显示之间转换，非定向转换可以用于纵向取向和横向取向。但是，这种显示器存在包括上述的许多缺点。
在下列示意图中，符号用于图示在表面的双折射材料的取向、或在页面的平面中、或在页面的平面外的双折射材料的取向，应该理解取向可以从图示取向偏离很小的量，因为在表面的双折射材料的预倾角是本领域的公知常识。
本发明的空间光调制器可以是透射显示器、反射显示器、透反射显示器或发射显示器(诸如有机电致发光显示器)或组合。在非偏振显示器的情况下，可以使用附加偏振器和波片层。
图13阐明横向板和纵向板的描述。在图13a中，横向板300具有红色像素列302、绿色像素列304和蓝色像素列306。当旋转到纵向模式，如图13b所示，像素列也旋转。图13c示出具有红色像素列310、绿色像素列312和蓝色像素列314的纵向板308。图13d示出用于横向使用旋转的纵向板。
基于图7-11所示或在WO-03/015,424公开的任何显示设备，并且用具有下列排列的任何一个的透镜阵列结构代替透镜阵列，可以形成本发明的实施例。因此，在WO-03/015,424(其在此并入作为参考)公开的显示设备的各种特征同样应用到本申请中。
不可转换到非定向模式的可转换透镜阵列结构仅仅具有图14所示的两个定向模式。在所示的实例中，透镜包括各向同性表面凹凸层(isotropicsurface relief layer)224、双折射材料226、对于双折射材料具有取向功能的层228、对于双折射材料具有取向功能的第二层230、第二双折射材料232和第二各向同性表面凹凸层234。在每个表面的取向方向236-242被标记。取向方向238、240可以与取向方向236、242相互垂直，或者平行。
双折射材料的正常折射率设定为基本上与各向同性材料折射率相同。柱面透镜阵列224的透镜设定成水平，间距基本上是显示像素行间距(未示出)的两倍。柱面透镜阵列234的透镜设定成垂直，间距基本上是显示列间距的两倍。在透镜224上的双折射材料光轴的取向方向230设定成平行于透镜几何轴，反平行取向方向238设定在透镜反衬底228上。对准层(alignment layer)228和230可以位于诸如玻璃微片(Microsheet)的薄衬底(未示出)的两侧，。在表面230上的双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，第一线性偏振状态244入射到透镜上。偏振状态平行于双折射材料226的非常轴，从而在该表面出现折射率台阶并且产生透镜功能。光通过对准层228并且入射到第二透镜232的材料上。在这种情况下，偏振状态经历第二双折射材料的正常折射率，其与各向同性材料的折射率匹配，从而第二透镜234表面没有产生功能。对于垂直偏振状态246，光匹配第一透镜的折射率，并且在第二透镜上产生透镜功能。
因此，由于改变通过透镜并到达观察者的偏振状态，可以分析两个不同的透镜功能。这种透镜可以用于构成可以在自动立体3D操作的纵向模式和横向模式之间转换的显示器。
显示器的操作与上述的相似。
另外，透镜之一可以是横向自动立体3D显示透镜，而另一透镜是亮度增强显示透镜。
另外，透镜之一可以是双视图自动立体显示，而另一透镜是利用倾斜透镜的多视图自动立体显示。在这种情况下，两面板的取向例如可以是横向。
因此，可以产生定向显示模式的任两个的组合。
透镜阵列的每一个的各向同性和双折射元件的取向可以根据曲率和折射率组来设置，从而在像素平面形成焦点。根据界面任一侧的材料折射率，每个表面的曲率相对系统中的光传播方向可以是正或负。应该指出，一个透镜的焦距必须与另一个相差基本上等于衬底厚度的量。有利地，可以选择离像素平面较远的透镜成为用于操作模式成像最大横向透镜间距的透镜，使得透镜倾斜最小化。另外，可以选择离像素平面较远的透镜成为用于操作模式成像最大横向透镜间距的透镜，使得视距名义上与两个透镜相同。
例如，也可以构成在功能上与图14所述透镜相似的透镜阵列结构，如图15的横截面图所示。例如，来自TFT-LCD 102、106、108、110、132的背光的光通过具有对准层方向(alignment layer direction)248的透镜反衬底247，到达双折射材料249和具有表面取向方向(surface alignment direction)250的各向同性透镜252。透镜252用于将来自像素平面110的像素成像到输出窗口。各向同性材料附在任意薄衬底254诸如微片(Microsheet)上。该层254的厚度可以调整，以优化各个透镜离像素平面的间距。例如，横向模式3D透镜要求短间距，而纵向模式3D要求长间距。
第二透镜256具有例如相对第一透镜252的轴可旋转的轴，并且可以具有不同的曲率半径。当透镜旋转时，似乎没有在这个横截面中的曲率。光通过第二双折射材料259，其具有取向方向258和在相反表面的对准层260。此外，取向方向258和260垂直。在两个定向模式之间转换的显示器的操作如上所述。
图16示出图15的部分结构，但取向方向260被调整到与LCD输出偏振匹配。由于双折射以及双折射材料的导向，在双折射材料249中发生线性偏振方向的旋转。例如，LCD的输出偏振方向相对面板平面图中的垂直方向成45度。那么，取向方向260与透镜252的轴成45度。其余取向方向与前面所述的相同。
在各种情况下，在两部分透镜之间的取向方向是垂直的，所以，透镜可以显示独立的特性。
例如，可以制造图15所示的透镜阵列结构，如图17所示。在图17a中，衬底247具有对准层，其例如可以是被研磨的(rubbed)聚酰亚胺对准层、光对准层或衍射对准层。可固化双折射材料层249诸如从Merck可以买到的RM257施加到衬底247的表面，并且包括具有对准层264的表面凹凸层的模压工具262(其可以是衍射对准层)施加到材料249的表面，以形成具有合适材料取向方向的透镜。紫外光源(未示出)施加到材料上，从而固化该结构。
在图17b中，各向同性材料诸如UV可固化聚合物被施加到第一透镜阵列的顶面，并且被用具有第二表面凹凸和对准层结构268的工具266模压。同样，材料被UV固化。另外，在例如涂敷随后会被研磨的聚酰亚胺层的工序之后，可以施加对准层。最后，通过加上具有对准层270的外衬底144并用双折射材料诸如液晶或固化液晶材料填充间隙来组合该结构。如果用图17a和17b所述的方式使用具有对准层的压模工具(未示出)，衬底144可以省略。
为了制造图14所示的结构，非复制对准层(non-replicated alignmentlayer)可以使用在复制各向同性表面(replicated isotropic surface)224和234上。具有对准层的诸如玻璃微片层的层可以通过间隔物夹在透镜表面之间，并且间隙可利用可以是UV可固化液晶材料的合适双折射材料来填充。
在这些结构中，第一和第二双折射层以及第一和第二各向同性层可以是不同的材料，以便分别优化系统的设计。
图22示出另一透镜阵列结构。它不同于图14所示的透镜阵列结构，其中没有衬底228和230，各向同性透镜衬底之一例如290由这样的材料构成，即一般是折射率基本上与双折射材料226的非常折射率相同的塑料材料。双折射材料288用于填充两个透镜表面224、290之间的间隙。另一透镜衬底224由折射率基本上与双折射材料226的正常折射率相同的塑料材料构成。双折射材料288占据被透镜表面上的取向方向236和242控制的取向，即，扭转结构(twisted configration)。如箭头244所示偏振的光进入装置并经历透镜224，因为从透镜到双折射材料226具有折射率台阶(step)用于该偏振。然后，光旋转通过双折射材料，并且当光出现在透镜衬底290的界面时，它不经历折射率台阶，因为290由折射率基本上与双折射材料226的非常折射率相同的材料制成。相反，当进入装置的光沿镜头246指示的方向偏振时，在元件224上没有经历折射率台阶，但是，光仍然被双折射材料226旋转并且照射到垂直于方向242偏振的透镜衬底290上，因此在该界面不经历折射率台阶。从而通过在WO-03/015,424中所述的偏振开关选择来自装置的偏振输出，可以选择任一透镜224或290的光学功能。
图23的实施例不同于图22的实施例，其中例如在每个衬底224和290上提供透明电极292、294。这种电极例如可以是施加到各个衬底任一表面的ITO涂层，从而能够在上折射材料226形成电场。提供可转换电驱动器298并与电极292、294接触。在不转换状态的操作中，具有偏振244的光经历第一透镜功能，仅仅通过单元导向没有经历透镜功能的折射率匹配装置的第二透镜。在转换模式，双折射材料288的分子垂直于衬底排列，从而对于偏振状态244，第一透镜折射率匹配，而第二透镜在界面经历折射率台阶，从而严生透镜功能。
到此为止所述的结构允许在两个定向操作模式转换。经常期望显示器实质上具有第三非定向模式。实现这个目的的一种透镜阵列结构在图18中所示。该装置构成与图14所示装置相似的结构，包括两个外表面凹凸结构。第二透镜是包括可转换向列液晶材料、电极272和274、在单元上按要求施加电场的可转换电驱动器276的有源透镜。
在第一操作模式，没有电场施加到第二透镜单元上，从而装置如图14所述地操作，两个透镜结构的最终输出偏振选择控制具有光学功能。液晶材料的取向方向240、242基本上相同。
为了形成非定向模式，该装置构成如图19所示。偏振状态246通过第一透镜，这没有光学作用。通过驱动器276在单元上施加电场，使得液晶导向器的取向方向240、242基本上垂直于透镜表面排列。因此，偏振状态经历在表面凹凸结构上的液晶材料的正常折射率，从而该装置折射率匹配并且没有光学功能。因此，形成非定向模式。
在图20的横截面图中示出一示例装置结构，其与图15相似，但插入了电极272、274和驱动电路276，并且液晶材料259例如是可转换向列液晶。双折射材料249例如可以是固化液晶。未转换液晶排列258、260可以是同类，而所转换状态排列280、278可以是同类。
在图21中示出可替换结构，其中使用单个输入偏振状态，并且两个透镜包括有源透镜，因而结合附加电极282、284和驱动电路286。在非定向模式，驱动两个透镜，使得导向器垂直于表面并且入射偏振状态折射率与两个透镜匹配。为了驱动第一透镜，驱动器286关闭，由于取向方向236，在第一折射面上具有折射率台阶。不利地，取向方向垂直于透镜几何轴，从而在单元中存在旋转位移。
在第三模式，其中第二透镜功能被激活，那么驱动器286被驱动，驱动器276不驱动。为了同时驱动两个透镜，两个透镜关闭，从而在两个表面存在折射率台阶。
有源和无源透镜的相对位置可以倒置，以便优化装置性能。
在单个有源透镜结构的偏振开关单元可以放在面板输出偏振器和透镜单元之间，例如，与图9的结构相似。
这样，可以形成基本上在非定向模式和两个不同定向模式之间转换的显示器。定向模式可以是自动立体横向模式、自动立体纵向模式、双视图自动立体模式、多视图自动立体模式、倾斜透镜自动立体模式、加强亮度模式或多视图模式的组合。
在本发明实施例中的双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)，以便形成本领域公知的液晶凝胶或聚合向列组合物。LC凝胶可以被聚合，与前面所述的可固化液晶材料相似。有利地，LC凝胶可以帮助稳定向列LC的机械性能，例如使它对机械压力更稳固。LC凝胶用于本发明的有源设备或无源设备，与纯液晶的情况相比，在LC凝胶中可以增加驱动电压。在具有液晶的有源透镜设备中，LC凝胶或可固化液晶操作不需要驱动电压。

Claims (12)

1.一种透镜阵列结构，包括顺序排列的第一双折射透镜阵列和第二双折射透镜阵列，其中，
所述第一双折射透镜阵列和所述第二双折射透镜阵列能够操作，以将一偏振的入射光导入相应定向分布，并且对垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上没有作用，
所述第一双折射透镜阵列和所述第二双折射透镜阵列相对取向，从而第一偏振成分的入射光被所述第一双折射透镜阵列导入一定向分布，并且不受所述第二双折射透镜阵列的影响，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双折射透镜阵列的影响，并被所述第二双折射透镜阵列导入一预定定向分布，和
至少所述第一双折射透镜阵列和所述第二双折射透镜阵列之一是在第一模式和第二模式之间可切换的有源透镜阵列，在所述第一模式中，所述有源透镜阵列将一偏振的入射光导入相应定向分布，并且对垂直于所述一偏振的偏振入射光基本上没有作用，在所述第二模式中所述有源透镜阵列基本上没有光学作用。
2.一种如权利要求1所述的透镜阵列结构，其中，所述第一双折射透镜阵列和所述第二双折射透镜阵列是柱面透镜阵列。
3.一种如权利要求1或2所述的透镜阵列结构，其中，所述第一双折射透镜阵列和所述第二双折射透镜阵列各包括在其间具有曲面的双折射材料和各向同性材料。
4.一种如权利要求3所述的透镜阵列结构，其中，所述第一和第二双折射透镜阵列的双折射材料具有相同的正常折射率和非常折射率，所述第一和第二双折射透镜阵列的双折射材料的正常轴分别沿对应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双折射透镜阵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双折射透镜阵列的双折射材料的正常折射率和非常折射率之一。
5.一种如权利要求3所述的透镜阵列结构，其中，所述第一和第二双折射透镜阵列的双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双折射透镜阵列之一的各向同性材料的折射率等于双折射材料的正常折射率，并且所述第一和第二双折射透镜阵列的另一个的各向同性材料的折射率等于双折射材料的非常折射率。
6.一种如权利要求5所述的透镜阵列结构，其中，所述第一双折射透镜阵列和所述第二双折射透镜阵列包括共同的双折射材料。
7.一种如权利要求3所述的透镜阵列结构，其中，
所述第一和第二双折射透镜阵列的双折射材料的正常轴分别沿对应于所述第一偏振成分和所述第二偏振成分的方向取向，
所述第一双折射透镜阵列的各向同性材料具有等于所述第一双折射透镜阵列的双折射材料的正常折射率和非常折射率之一的折射率；和
所述第二双折射透镜阵列的各向同性材料具有等于所述第二双折射透镜阵列的双折射材料的正常折射率和非常折射率之一的相同折射率。
8.一种显示设备，包括：
空间光调制器；
如权利要求1所述的透镜阵列结构；
可转换偏振控制装置，设置成控制通过显示器的光的偏振，以从显示装置选择性地输出与所述第一偏振成分或所述第二偏振成分对应的偏振成分的光；和
控制电路，设置成控制至少一个有源透镜阵列的转换。
9.一种如权利要求8所述的显示设备，其中，所述可转换偏振控制装置包括可转换偏振器，其设置成选择性地通过具有与所述第一偏振成分或所述第二偏振成分对应的偏振成分的光。
10.一种如权利要求8所述的显示设备，其中，所述可转换偏振控制装置包括可转换偏振旋转器。
11.一种如权利要求10所述的显示设备，其中，所述空间光调制器设置成基本上输出偏振光，所述可转换偏振旋转器设置在所述空间光调制器和所述透镜阵列结构之间。
12.一种如权利要求10所述的显示设备，其中，所述空间光调制器设置成基本上输出偏振光，所述显示设备还包括设置在所述可转换偏振旋转器的输出侧上的线性偏振器。
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