CN101258427A - 用于自动立体显示装置的透镜设备以及产生该设备的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产自动立体显示装置的透镜设备的方法包括：提供衬底，所述衬底具有形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面；以及在衬底表面上提供光学双折射材料与聚合物前体的光学层混合物。将该光学层暴露于用于使聚合物前体聚合以至少具有聚合物表层的激源，从而封装在聚合材料与该表面之间的材料以定义透镜元件。该方法可允许简化的聚合处理以形成单个层，并完成期望透镜阵列形状的LC单元形成。

Description

用于自动立体显示装置的透镜设备以及产生该设备的方法
本发明涉及一种用于自动立体显示装置的透镜设备。该显示装置包括用于提供由像素的行和列组成的显示输出的图像显示设备，并且该透镜设备包括用于沿相互不同的方向对来自相应像素组的输出进行引导的透镜元件阵列，以便可感知到立体图像。
这个类型已知的自动立体显示装置包括矩阵LC(液晶)显示面板，其具有像素(显示元件)行和列并且用作空间光调制器来对从光源引导通过其的光进行调制。显示面板可以是其他显示应用中所使用的类型，例如用于以二维形式呈现显示信息的计算机显示屏。
例如以聚合材料的模压片或机加工片形式的透镜片覆盖显示面板的输出侧，其中该透镜片的包括(半)柱面透镜元件在内的透镜元件沿列方向延伸，每个透镜元件与包括两个或多个显示元件相邻列的相应组相关并且与这些显示元件列平行地延伸。
在其中每个微透镜都与两列显示元件相关的排列中，驱动显示面板以显示包括有垂直交插的两个2D子图像的合成图像，其中交替的显示元件列显示这两个图像，并且每列中的显示元件提供相应2D(子)图像的垂直切片。透镜片将这两个切片以及来自与其他微透镜相关的显示元件列的对应切片分别引导至位于透镜片前面的观察者的左眼和右眼，以便利用具有适当双目视差的子图像，观察者可感知到单个立体图像。
在其他多视图的排列中，每个微透镜与包括沿行方向的多于两个相邻显示元件的组相关，并且对每个组中的显示元件的对应列进行适当地排列以提供来自相应2D(子)图像的垂直切片。当观察者的头移动时，可感知到一系列连续的不同立体视图以创建例如环顾印象。鉴于透镜元件必需要准确地与显示像素对齐，传统的是以永久固定方式将透镜屏幕安装在显示面板上，以便固定透镜元件相对于像素阵列的位置。
WO 98/21620公开了透镜排列是可控制的以便可导通与断开透镜元件的透镜作用这样的改进。
在″导通″设置中，透镜元件起传统排列的作用。在″断开″设置中，透镜元件的作用如同它们仅仅形成了简单的透明材料片。因此，利用处于断开设置的透镜元件，并且利用被驱动为呈现2D图像的置于下面的显示面板的像素，观察者的两个眼睛可看得见该2D图像，并且通过利用面板中的全部可用像素列，观察者会看到下述2D图像，即与对于每个立体视图而言所获得的水平分辨率相比，所述2D图像的水平分辨率显著地增大了。
按照这种方式来切换透镜元件的能力可使显示装置不但用于提供立体图像，而且还用于在期望时根据例如文本显示的需要提供更高分辨率的2D图像。
通过根据下述电光材料形成透镜元件可实现在设置之间进行切换的能力，所述电光材料的折射率可由电势的选择性应用来改变。将该材料填充在用于定义期望透镜形状的相对电极之间。可使用通常是向列液晶的液晶材料，并利用于透镜阵列外围周围提供的封装件来保持该材料。还提供了适当的定向层。
当没有将电势施加到该材料两端时，液晶材料这样定向以便其沿观察方向的折射率不同于(尤其是高于)衬底/电极所使用的材料的折射率，并且以致当将预定电势施加到该电极上时，液晶这样定向以便改变其沿观察方向的折射率并且该折射率基本上与衬底/电极的折射率相匹配。
按照这种方式，可有效地导通并断开透镜元件的透镜作用。
图1给出了已知的设计概念。在图1中，自上而下的叠层包含涂有ITO 12的玻璃片10。在ITO侧，已利用复制技术施加了负透镜状结构14。该结构已涂有(摩擦过的)聚酰亚胺16以用于LC分子排列。在负透镜状结构内部存在LC材料18。利用具有ITO电极层22并且涂有经摩擦的聚酰亚胺层24的下部玻璃板20来密封包含LC材料18的区域。这两个ITO层12，22用于对LC材料进行控制。
透镜设备包括凸柱镜形式的并置平行透镜元件阵列。下侧是平的，而上侧包括由透镜元件的型线所确定轮廓表面(凸形肋)。
在图1的左边，图1给出了处于″导通″情形的光学效果，并且在图1的右边，图1给出了处于″断开″情形的光学效果。在″导通″3D模式下，可见透镜聚焦(示意性示出)具有效果。借助于透镜元件的透镜作用，沿相互不同的方向引导与该透镜相关的不同像素的图像朝着观察者眼睛，以便观察者可在每个眼睛看见不同的像素列。透镜元件的透镜作用形成了靠近眼睛位置的相邻像素列的图像。在″断开″2D模式下，除去了透镜作用，并且观察者利用每个眼睛看见所有像素的图像。
图2给出了图1所示结构的传统制造技术。该制造技术包括同样还在例如STN-LCD制造过程中使用的传统制造步骤。
如图2所示，独立地利用在承载复制透镜模式的衬底上形成封装件，已经利用清洁、聚酰亚胺印刷、烘焙、和摩擦处理来对两个玻璃衬底进行处理。然而，处理步骤在细节上稍有不同并且同样可将封装件施加到相对衬底上。如图2的下部所示，使用传统的单元填充在两个衬底之间形成LC材料。如所示，该单元形成包括耦合、抽吸(pamping)、填充、引线焊接、以及提供防反射涂层。
存在与这些传统处理相关的多个问题，并且这对于形成透镜状LC层呈现出特别困难。
作为透镜元件的不准确压印或者不准确弯曲的结果，在防止在透镜层中提供过多LC材料方面也存在困难。反之由于太低的真空而使透镜层中的LC材料不充足。填充问题会导致LC材料中包含气泡或真空空隙。对于大型的可切换透镜设备而言，该处理还会导致很长的填充时间(例如几小时左右)。制造设备还很昂贵，并且需要高级的清洁室机构。
除了由制造要求引起的问题之外，设计本身也具有一些缺点。取决于玻璃的厚度，需要两个涂有ITO的玻璃片会使得可切换透镜层距显示面板的最小距离上升。对于大尺寸的面板而言，所使用的标准玻璃通常具有700μm的厚度，并且对于小尺寸的面板而言，玻璃厚度典型地是400μm。其结果是，可切换透镜层与置于下面的显示面板之间的距离无法降低到相应限制之外，这控制了3D面板的性能。
最小透镜间隔还限制了光学器件的设计自由度。另外，因为可切换透镜排列的附加厚度，相对于置于下面的显示面板而言，可切换透镜排列的重量是显著的。
根据本发明，提供了一种用于生产自动立体显示装置的透镜设备的方法，该透镜设备包括透镜元件阵列，该方法包括：
提供衬底，所述衬底具有形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面；
在衬底表面上提供光学双折射的材料与聚合物前体的光学层混合物；以及
使光学层暴露于用于使聚合物前体聚合以至少形成聚合物表层的激源，从而封装透镜元件阵列。
该方法允许进行简单的聚合处理来形成单个层，以完成期望透镜阵列形状的LC单元形成。其即不需要掩模暴露步骤作为聚合处理一部分，也不用任何需要使用化学起作用的物质。聚合物表层因此基本上是平的并且基本上是等厚度的。
透镜元件优选包括封装在聚合材料与衬底表面之间的非聚合光学双折射材料，其优选为电光材料。非聚合材料然后是电可切换的，以定义可切换透镜元件。
通过诸如旋涂或狭缝涂之类的涂层技术或者通过印刷、刮刀涂层、或者其他技术可提供光学层混合物。电光材料包括液晶材料。
使光学层暴露于激源的步骤可包括使光学层暴露于UV辐射。
该方法可进一步包括通过下述步骤来制造具有其形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面的衬底，所述步骤即：
提供玻璃衬底；
在玻璃衬底上提供透明导电层；以及
提供复制层，其具有形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面以作为其上表面。
透明导电层(例如ITO)用作可切换透镜设备的控制电极之一。
制造具有其形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面的衬底还进一步包括：
在该表面上提供聚酰亚胺层；以及
对聚酰亚胺层进行烘焙和摩擦。
可将透明导电层(例如I TO)施加到不连续的聚合物表层上，以定义可切换透镜设备的第二控制电极。
本发明还提供了一种用于自动立体显示装置的透镜设备，该透镜设备包括：
由光学双折射材料与聚合物前体的混合物形成的透镜元件阵列，该透镜元件阵列在衬底与聚合物顶层之间延伸，所述衬底具有其形状与弯曲的透镜元件表面相对应的上表面，所述聚合物顶层通过使混合物的聚合物前体的一部分聚合而形成。
再次，聚合物表层可以基本上是平的并且基本上是等厚度的。
本发明还提供了一种自动立体显示设备，包括：
显示设备，用于提供要转换为立体图像的2维输出图像或多个2维输出图像；以及
本发明的可切换透镜设备。
现在参考附图通过举例对本发明的实施例进行描述，其中：
图1给出了可切换双凸透镜排列的已知设计；
图2给出了用于生产图1的透镜排列的已知制造方法；
图3给出了用于生产本发明的透镜排列的制造方法，并且给出了本发明的透镜排列；
图4给出了本发明的显示设备。
应该理解的是，附图仅仅是示意性的并且不是按比例绘制的。尤其是，某些尺寸已经被放大了，同时其他已经被缩小了。在整个附图中使用相同的参考数字来表示相同或相似部分。
本发明提供了一种在自动立体显示设备中使用的可切换透镜设备的制造处理，并且所述可切换透镜设备使用无需真空填充处理而形成的液晶材料。代之以，可以使用印刷或旋涂(或相似)方法用于液晶单元形成。
申请人已开发了在一般液晶显示器制造环境中的基本技术，并且现在对该新技术进行简要的论述。EP1065553A1对该技术进行了更详细的描述。
迄今对所提议技术的使用是用于形成分层(即分段)的光调制层。
将聚合体前体与液晶(LC)材料的混合物的层沉积在承载定向层的透明衬底上，在此之后在光刻步骤中使混合物暴露于UV光。在该步骤中，聚合体前体聚合以在LCD的期望像素之间形成侧壁。随后，将剩余的混合物暴露于UV光。这触发了相位分离，在该相位分离中使聚合物前体聚合以在LC材料的顶部形成连续的顶层。其结果是，在聚合物顶层、聚合体侧壁、以及衬底之间截留了(trapped)LC材料，由此在衬底上形成了多个LC填充的聚合物囊。该聚合物顶层用作第二衬底。
该处理允许通过涂层处理施加聚合体前体与液晶(LC)的混合物层，这可使制造处理简单化并且降低了制造处理的成本。还可使第二衬底能够比传统玻璃衬底更薄。聚合处理为每个液晶像素形成了空腔，以便提供像素排列并且在适当的位置截留了每个像素的液晶本体。
该方法的缺点是需要若干光刻步骤以形成分离的LC像素，并且掩模的开发和生产是昂贵的。尤其是需要这些光刻步骤以定义每个像素的聚合侧壁。此外，该处理需要不同波长和强度的多个不同的UV暴露步骤，以便定义穿透过混合物整个深度的侧壁以及聚合材料的顶部浅表层。
申请人还在WO 2005/015295中提出了需要单个暴露步骤的替代处理。在该处理中，使用压印处理用于有选择地在衬底上沉积有化学功能的物质。这向衬底的一部分给出了对混合物中的聚合材料的高亲合性(尤其是对局部聚合材料的高亲合性)。在单个UV照射步骤中，高亲合性区域会导致聚合集中在该混合物的这些区域上。当混合物进行局部聚合时，非聚合的液体趋向于集中在高亲合性区域之间的空间处，由此定义了液晶单元，而混合物的聚合部分集中在顶面(照射强度最大)以及高亲合性区域上，由此定义了侧壁。
该处理可简化UV照射处理，但是仍需要对用于沉积功能化物质的压印进行准确排列。
已对作为上面概述的技术的基础的概念和技术进行了改进以提供用于制造自动立体显示设备的透镜设备的处理。现在参考图3对本发明的处理进行描述。
该透镜设备包括单个ITO玻璃衬底，该玻璃衬底具有用于定义透镜表面形状的复制透镜模板32。玻璃衬底(位于复制之下)涂有ITO电极层33。再次，在清洁之后，执行聚酰亚胺印刷、烘焙、以及摩擦以定义LC取向层。可以通过印刷、旋涂、或者其他标准处理步骤来提供聚亚胺。
因此可使用来自LCD产业的标准处理步骤来定义准备用于印刷处理的衬底34。
此后使用可涂刷的/可印刷的LC处理36来创建填充了LC材料的透镜元件。
该处理包括利用LC材料、单体、以及其他组分的混合物38来涂层衬底。可利用刮刀40来执行该涂层，虽然也可使用其他涂层技术。
当混合物暴露于UV光42时，单体转化为聚合物，这会导致聚合物相与LC材料的分离。这创建了两层，即包含LC材料的下面一层44以及包含聚合物的上面一层46，其中上面一层的厚度为(大约)15μm。
由此创建包含LC材料的透镜状结构。
此后例如通过施加下述ITO箔片49来形成对电极，所述ITO箔片49被施加到聚合物膜的顶部。这适用于独立的版本。然而，当在显示器的顶部使用可切换透镜时，可将ITO集成到偏振器结构中。其他选项和/或设计也是可能的。
可按照与现有可切换透镜设备技术相同的方式并且按照与此相同的应用来使用结果产生的结构。如所示，将该结构送至装配工厂以将其与置于下面的显示设备装配在一起。
由于包括有准确可控的涂层处理的简单填充处理，因此该处理可防止在透镜层中使用过量的LC材料。避免了包括需要的处理时间在内的、与真空的使用相关的问题，并且可很容易使LC混合物无泡。
该处理能够降低诸如对齐、耦合、抽吸(pamping)、以及填充之类的昂贵处理步骤的数目。这些步骤中的一些由涂层步骤和暴露步骤所替代。这还能够放宽处理设备的条件(净化室要求)。
可以利用聚合物层与显示设备输出面相对来使透镜设备与置于下面的显示器相对放置。该聚合物层具有15μm区域中的厚度，并且这使得能够改善光学性能。单个玻璃衬底的使用使得能够降低总重量和厚度。
LC层厚度可用作设计参数。通过改变混合物中的LC材料量，可为叠层创建几种设计。实质上存在三个选项：
(i)使聚合物层与复制结构不接触。在这种情况下，当处于机械负荷下时，LC材料可自由地流过涂刷的可切换透镜。
(ii)仅使聚合物层与复制结构接触。在这种情况下，聚合物层密封复制结构的每个透镜元件。
(iii)聚合物层密封复制结构的每个透镜元件并且部分地延伸到透镜元件空腔之内。在这种情况下，在整个透镜阵列上的复制结构与聚合物膜之间存在机械夹具(mechanical fixture)。其结果是，叠层在机械上变得更稳定。
通过对单体与LC材料的混合物的量和/或成分以及聚合处理条件进行调节，可以选择该三种设计可能性。
如上所述，存在使用单个玻璃片的优点。然而，即使当保持两个玻璃片时，本发明也可提供优点。在这种情况下，在施加了单体与LC材料的混合物之后，使涂有第二ITO的玻璃片与混合物相耦合。此后对着色的可切换透镜施加基于UV的聚合的处理流程，并结果产生相分离。按照这样的方式，利用聚合物使包含第二ITO的玻璃片与叠层的下部机械地耦合。其结果是，可获得与参考图2所描述的、包含可切换透镜的传统LC液体相似的设计。然而，仍可避免真空填充技术。
图4给出了在传统2维显示设备的表面上形成的本发明的透镜设备。例如显示设备52可以是具有背光50的传统有源矩阵液晶显示设备。透镜设备示为54。如本领域普通技术人员显然可知的那样，可按照不同的方式实现将设备54安装到显示设备的前表面上。
用于提供立体图像的显示驱动技术与传统可切换透镜排列的一样，并且也为本领域普通技术人员所熟知。
上述描述仅涉及到可切换透镜设备的一个详细示例。对该设计进行修改当然是可能的。例如，显示器可以是部分可切换的。这需要分段电极，并且此后这可使显示器的一部分按照2D模式(具有较高分辨率)进行操作并且使显示器的一部分按照3D模式(具有较低分辨率)进行操作。
在上面的示例中，电压的施加会引起2D模式，并且3D模式是不施加电压的缺省模式。当然有可能改变该设计以便将电压施加到透镜设备可创建3D模式。这需要不同类型的LC材料，尤其是需要垂直定向的负折射率变化材料。
上述示例给出了负的(凹形)复制结构。然而，同样可使用正的(凸形)结构。
可将基于着色LC材料的可切换透镜设备直接施加到置于下面的显示设备的滤色器板上，而不是施加到单独的玻璃板上。作为着色透镜设备的厚度降低的结果，有可能层叠若干个透镜(每一个仅具有一个玻璃衬底)，因此创建了多焦点双凸透镜设备。
在上述实施例中，透镜设备具有延伸的圆柱形透镜元件阵列。应该理解的是，透镜片可代之以包括球面微透镜元件阵列作为代替，这样的球面透镜元件透镜片早已在自动立体显示装置领域中是所熟知的。
此外，如EP-A-O 791847中所述，透镜元件不必与像素列相平行地延伸，而是代之以可相对于像素列稍微倾斜。
在上面所给出的示例中，通过UV辐射来诱发用于向LC层提供顶部封装件的材料的相分离。然而，还有可能使用溶剂或温度诱发相分离的材料。
也如上所述，聚合分层相分离的合成物以及生产这种材料的方法已为本领域所熟知。参考US 6,486,932、WO 02/42832、WO 02/48281、WO 02/48282、以及WO 02/48783。
举例来说，适当的合成物(也在2004年12/4日，The Journal ofthe SID，Joost Vogels等人的文章″Robust flexible LCDs withpaintable technology″中公开)如下：
-50重量百分比(wt％)的液晶混合物，例如Merck所销售的混合物E7；
-44.5重量百分数(wt％)的光可聚合性甲基丙烯酸异丁酯(isobornylmenthacrylate)(Sartomer所供应)；
-4.5重量百分数(wt％)的对称二苯代乙烯二甲基丙烯酸酯染料(stilbene dimethacrylate)：
Figure A20068003288200121
在PCT专利申请WO 02/42382中已公开了此合成，并且因此通过参考而在此并入，其中两个丙烯酸盐是聚合物前体；以及
-0.5重量百分数(wt％)的安息香双甲醚(benzildimethylketal)，其由Ciba-Geigy以商标lrgacure 651进行销售。
对材料进行UV暴露以提供聚合例如可涉及使层在40℃处暴露于光强大约为0.1mW/cm2的UV光30分钟。
包含在电磁波谱的UV区域中强烈吸收的色团的化合物(即上述示例中的对称二苯代乙烯二甲基丙烯酸酯染料)会造成UV强度穿过层的期望梯度。与聚合物前体和电光材料的其他组分一样，该效果可以由液体中其他组分的UV吸收所放大。因此，在面对UV源的表面处显著地发生了聚合反应。
当使用用于触发聚合反应的其他激源时，必须注意到在表面上显著地发生了聚合反应。
上述示例提供了光学上可切换透镜元件。提供用于自动立体显示器的可切换透镜排列的替代方式是具有不可切换透镜元件，但是该不可切换透镜元件对不同光偏振具有不同响应。此后偏振开关排列对透镜设备的状态进行控制。该偏振开关可以实现为与透镜排列串联的可切换LC设备。在WO 04/070451中详细地描述了该方法，并且上述方法可用于例如通过提供LC材料混合物的完全聚合来形成透镜排列。
因此，显而易见的是上述实施例对本发明进行了说明，而并非对本发明做出限制，并且对于本领域普通技术人员来说，在不脱离随后权利要求范围的情况下可设计出许多替代的实施例。

Claims (21)

1、一种用于生产自动立体显示装置的透镜设备的方法，该透镜设备包括透镜元件阵列，该方法包括：
提供衬底，所述衬底具有形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面；
在所述衬底表面上提供光学双折射材料与聚合物前体的光学层混合物；以及
将所述光学层暴露于用于使聚合物前体聚合的激源，以至少形成聚合物表层，从而封装透镜元件阵列。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述透镜元件包括封装在聚合材料与衬底表面之间的非聚合的电光材料。
3、如权利要求1或2所述的方法，其中所述聚合物表层基本上是平的并且基本上是等厚度的。
4、如任何一个先前权利要求所述的方法，其中通过涂层处理提供光学层混合物。
5、如权利要求1-3中任一个所述的方法，其中通过印刷处理提供光学层混合物。
6、如权利要求5所述的方法，其中利用刮刀来施加光学层混合物。
7、如任何一个先前权利要求所述的方法，其中所述光学双折射材料包括液晶材料。
8、如任何一个先前权利要求所述的方法，其中将所述光学层暴露于激源包括：将所述光学层暴露于UV辐射。
9、如任何一个先前权利要求所述的方法，还包括通过下述步骤来制造具有形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面的衬底，所述步骤即：
提供玻璃衬底；
在玻璃衬底上提供透明导电层；以及
提供复制层，其具有形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面作为其上表面。
10、如权利要求9所述的方法，其中制造具有形状与透镜元件阵列的期望表面轮廓相对应的表面的衬底还包括：
在所述表面上提供聚酰亚胺层；以及
对聚酰亚胺层进行烘焙和摩擦。
11、如任何一个先前权利要求所述的方法，还包括将透明导电层施加到不连续的聚合物表层上。
12、如权利要求11所述的方法，其中所述透明导电层包括ITO。
13、一种用于自动立体显示装置的透镜设备，该透镜设备包括：
由光学双折射材料与聚合物前体的混合物形成的透镜元件阵列，该透镜元件阵列在衬底与聚合物顶层之间延伸，其中所述衬底具有其形状与弯曲的透镜元件表面相对应的上表面，以及所述聚合物顶层通过由所述混合物中的聚合物前体的一部分聚合而形成。
14、如权利要求13所述的设备，其中所述透镜元件包括封装在所述聚合物顶层与衬底表面之间的非聚合的电光光学双折射材料，并且所述透镜元件是电可切换的。
15、如权利要求13或14所述的设备，其中聚合物顶层基本上是平的并且基本上是等厚度的。
16、如权利要求13至15任何一个所述的设备，其中光学双折射材料包括液晶材料。
17、如权利要求13至16任何一个所述的设备，其中衬底的上表面具有摩擦过的聚酰亚胺层。
18、如权利要求13至18任何一个所述的设备，其中在所述聚合物表层上提供了透明导电层。
19、如权利要求18所述的设备，其中所述透明导电层包括I TO。
20、如权利要求13所述的设备，其中所述透镜元件包括聚合的光学双折射材料，并且其中该设备还包括偏振切换排列。
21、一种自动立体显示设备，该自动立体显示设备包括：
显示设备，用于提供要转换为立体图像的2维输出图像或多个2维输出图像；以及
如权利要求13至20中的任何一个所述的透镜设备。
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