CN101675379B - 光束成形设备 - Google Patents

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Abstract

一种光束成形设备(1；31)，其包括第一光学透明衬底(3；33)和第二光学透明衬底(4；37)，夹在这两个光学透明衬底之间的液晶层(2；36)，以及设置在液晶层(2；36)面向第一衬底(3；34)一侧的第一电极(5；34)和第二电极(6；35)。光束成形设备(1；31)在光束成形状态之间是可控制的，每一种光束成形状态都允许光沿着垂直于该光束成形设备的方向透过该光束成形设备。该光束成形设备(1；31)按照在第一电极(5；34)和第二电极(6；35)两端施加电压(V)产生电场的方式来配置，所述电场具有在电极(5，6；34；35)的邻近部分之间的一段中基本上平行于液晶层(2；36)的部分并且基本上从第一衬底(3；34)延伸到第二衬底(4；35)。按照这种方式，可以获得横跨短距离的相对较高的折射率梯度，其能够实现非常有效的光束成形。在所谓的面内配置中，通过利用在液晶层一侧提供的电极能够实现电场。该设备可以用在自动立体显示设备中，用以在2D和3D模式之间切换。

Description

光束成形设备
技术领域
本发明涉及一种光束成形设备，其在光束成形状态之间是可控制的，每种状态都允许光沿着与该光束成形设备相垂直的方向通过该光束成形设备。
背景技术
有源光束成形对于从一般照明到特殊照明应用的各种应用都是有用的，如视频动画(video flash)，其中将照相机的变焦功能与有源光学元件的光束宽度控制功能结合。液晶光学系统看来似乎适合于这一个目的。通过向液晶盒(cell)中的液晶分子施加电场，能够控制液晶盒中液晶分子的排列取向。液晶分子的这种重新取向产生折射率梯度，这导致正在通过该液晶盒的光线的重定向。因此，能够在以电学方式控制光束的方向和/或形状。
光束成形设备的一种特别感兴趣的应用是在自动立体显示设备的领域中，该自动立体显示设备包括显示面板和成像装置，显示面板具有用于进行显示的显示像素阵列，该成像装置用于将不同的视图引导到不同的空间位置。将彼此平行延伸且叠加在该显示像素阵列上而提供的细长微透镜元件的阵列用作成像装置是众所周知的，通过这些微透镜元件来观察这些显示像素。
在例如使每个微透镜都与两列显示像素相关联的设置中，每一列中的显示像素都提供各自的二维子图像的垂直部分。微透镜板将这两个部分以及相应部分从与其他微透镜相关联的显示像素列引导到位于该板前面的用户的左眼和右眼，这样用户便观察到单个立体图像。微透镜元件的板从而提供光输出引导功能。
在其他设置中，每个微透镜都与在行方向上的一组四个或更多个相邻显示像素相关联。每一组中的显示像素的对应列适当地设置成提供来自各自的二维子图像的垂直部分。当用户的头从左移向右移动时，感觉出一系列连续的不同的立体视图，形成例如环顾的印象。
上述设备提供了一种有效的三维显示器。但是要理解，为了提供立体视图，必须牺牲该设备的水平分辨率。对于某些应用(例如用于从近距离观看的对小文本符号的显示)来说，牺牲分辨率是不能接受的。为此，已经提议提供一种显示设备，其可在二维模式和三维(立体)模式之间切换。
实现这种显示设备的一种方式是提供电学上可切换的微透镜阵列。在二维模式中，可切换设备的微透镜元件在“穿过”模式下工作，即，这些微透镜元件按照与光学透明材料的平板相同方式而起作用。最终的显示具有高分辨率，该高分辨率等于该显示面板的固有分辨率，其适合于从近的观察距离显示小的文本符号。二维显示模式当然不能提供立体图像。
在三维模式中，如上面所述，可切换设备的微透镜元件提供光输出引导功能。最终的显示能够提供立体图像，但是具有上面提及的不可避免的分辨率损失。
为了提供可切换的显示模式，可以将可切换设备的微透镜元件形成为电光材料的光束成形装置，所述电光材料如液晶材料，其具有可在两个值之间切换的折射率。然后通过向在这些微透镜元件上面和下面提供的平面电极施加适当的电势来使该设备在模式之间切换。电势相对于相邻光学透明层的折射率改变了微透镜元件的折射率。
对可切换设备的结构和操作的更详细的描述可以在美国专利US6069650中得到。
已知的将可切换的液晶材料用于可切换的2D/3D显示器采用复制技术来形成透镜形状，透镜形状然后充满液晶材料。这个过程和与LCD制造工艺相关的其他工艺布骤不相容，因此明显增加了生产该显示设备的成本。
液晶光学系统的更一般的例子在JP 07-043656中公开，其中将光束耦合器设置成使光束对准选定的光纤并且设置成调整束斑尺寸。在该耦合器中，液晶层提供在透明衬底之间。向衬底之一提供接地平面，并向另一个衬底提供许多可单独控制的电极。通过改变这些电极相对于接地平面的电势，透过该耦合器的光束被对准以撞击选定的光纤。
尽管能够使光束偏转一段短距离，但是在JP07-043656中公开的设备看来似乎不适于更宏观的光束成形应用，在这个应用中通常期望大的光束发散和/或会聚。
发明内容
鉴于上面提及的和其他现有技术的缺陷，本发明总的目的是提供一种改进的光束成形设备，特别是一种能够使光束更有效地发散和/或会聚的光束成形设备。
根据本发明，通过一种光束成形设备来实现这些和其他目的，该光束成形设备包括第一和第二光学透明衬底、夹在这两个光学透明衬底中间的液晶层，以及设置在液晶层面向第一衬底的那一侧上的第一和第二电极，其中该光束成形设备在光束成形状态之间是可控制的，每种状态都允许光在垂直于该液晶层的方向上透过该光束成形设备，其中对该光束成形设备进行配置，使得在第一和第二电极两端施加电压产生电场，该电场包括在电极的邻近部分之间的一段中基本上平行于液晶层的部分并且基本上从第一衬底延伸到第二衬底。
该液晶层可以包括任一种类的液晶分子并且可以处于其任一相位。然而，向列相由于其相比于其他液晶相(例如近晶相)具有相对较低的粘性因而是优选的。按照这种方式能够获得较短的切换时间。该液晶层可以进一步包括液晶合成物，其包含聚合物。
“光学透明的”介质应当理解为使光(电磁辐射，其包括可见光谱、红外光和紫外光)至少部分地透射的介质。
该光学透明的衬底可以是刚性的或者是柔性的，并且例如可以用玻璃或适当的塑性材料制成，所述塑性材料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
这些电极或者可以形成在衬底的表面上或者可以嵌入在衬底中。这些电极可以用任何导电性材料来形成，但是优选用光学透明的传导材料来形成，如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。
众所周知，根据非均匀光学材料的理论，遇到折射率梯度的光线将会转向具有较高折射率的区域。在液晶层中，通过施加电场使该液晶层中包括的液晶分子重新取向，能够控制折射率并由此控制光线的弯曲。
本发明是基于以下认识，即通过在液晶层中形成电场能够实现较大的折射率梯度以及由此实现更有效的光束成形，所述电场在位于相邻电极之间的区域中基本上平行于液晶层并且基本上延伸贯穿衬底之间的液晶(LC)层。由于液晶分子倾向于遵循电场线，因此能在电极的邻近部分之间实现液晶分子的取向的逐渐过渡，例如从在第一电极的附近垂直于LC层到在第一和第二电极之间平行于LC层再到在第二电极附近垂直于LC层。按照这种方式，能够在短距离两端获得相对较高的折射率梯度，这能够实现非常有效的光束成形。
本发明的发明人进一步发现，在所谓的面内构型中，通过利用在LC层的一侧上提供的电极能够实现这种有利的电场。
已经发现，利用这种配置能够实现非常有效的光束发散/会聚。例如，实验表明，可以使准直光束以大于60°的角度发散，这远大于通过现有技术的装置能够实现的角度。
另外，通过本发明能够实现更有效的光通过量，因为不再需要根据现有技术的在第二衬底上的电极。由于与连续的透明电极层相关联的反射损失在500nm波长处通常约为5％，因此利用根据本发明的构型相应地损失了更少的光。
第一电极可以有利地包括第一组基本上平行的第一电极导体线(conductor line)，第二电极包括第一组基本上平行的第二电极导体线，第一和第二电极设置为形成至少一个导体对，所述导体对包括邻近的第一和第二电极导体线。
这些导体线可以具有任何形状，即弯曲的、直的、波状的等等。
通过该电极构型，能够实现大的协同操作的光束成形区，由此实现相对较宽的光束的光束成形。根据一个实施例，第一和第二电极中的每一个都可以是梳形的，并且这些梳形的第一和第二电极的“齿”交错，使得形成平行延伸的许多导体对。
此外，第一电极可以进一步包括第二组基本上平行的第一电极导体线，第二电极可以进一步包括第二组基本上平行的第二电极导体线，第一和第二电极设置为使得形成至少一个导体对，该导体对包括相邻的第一和第二电极导体线。
通过提供附加的一组彼此基本上平行的导体线，能够有利地提供在不止一个方向上的同时的光束成形。
为此目的，可以将第二组导体线设置为相对于第一组导体线成一定角度。
由于穿过LC层的光束所经历的折射率一般是与偏振有关的，因此通常仅仅使穿过光束成形设备的非偏振光线的一个偏振分量弯曲。通过按照使LC分子在光束成形设备的不同部分中在不同重新取向平面内进行重新取向的方式来配置该第一和第二电极，能够使入射的非偏振光线的不同偏振分量在该光束成形设备的不同部分中发生弯曲。
另外，提供彼此成一定角度的不同组的导体线使得光束能够成形为由这样的组的数量以及它们在平行于LC层的平面内的取向确定的几何形状。
此外，不同导体线的宽度可以是不同的，并且除了上面提及的第一和第二电极之外，可以在LC层面向第一衬底的那一侧上提供其他电极。
而且，该光束成形设备可以包括设置在液晶层上相对于第一和第二电极而言位于相反一侧的第三电极和第四电极，第三电极具有至少一条第三电极导体线，第四电极具有至少一条第四电极导体线。
通过提供这样的附加的电极，LC分子能够按照更复杂的重新取向图案而进行重新取向，由此能够实现基本上与偏振无关的和/或对称的光束成形。
根据一个实施例，可以将第三和第四电极设置为使第三和第四电极导体线中的每一条基本上都与所述第一和第二电极导体线中对应的一条相垂直。
根据一个实施例，当该液晶层不受电场影响时可以发生垂直排列(homeotropically aligned)。
当液晶层发生垂直排列时，这些液晶分子设置成垂直于该液晶层，从而使分子末端面向衬底，所述衬底将该液晶层夹在中间。
利用这种排列，能够控制这些液晶分子使其没有任何异常地沿着任何方向进行重新取向。根据可替换的实施例，在没有电场作用于液晶层中包括的液晶(LC)分子的情况下，该液晶层中包括的液晶(LC)分子可以按照使每个LC分子的长轴基本上平行于最接近的衬底的方式来排列。而且，为了防止在电极两端施加电压时出现不需要的扭转，可以使LC分子在平行于最接近的衬底的平面内进行取向，从而使每个LC分子的长轴基本上垂直于相邻的导体线对。
在这种情况下，当施加电场时，LC分子倾斜但不发生扭转。通过这种初始取向的状态，能够在施加电场时控制线偏振光束中的所有光。当引入了扭转时，情况便不是这样。
这种平面排列例如可以通过所谓的摩擦技术或者通过光控排列(photo-alignment)来实现。在多个区域具有各种电极图案或者具有弯曲电极的情况下，通常在制造过程中应当对这些区域进行单独地处理以产生所希望的平面排列。
而且，根据本发明的第一和第二光束成形设备可以有利地设置在层叠结构中以形成光束成形装置。
按照这种方式，能够利用组成的光束成形设备的光束成形特性来提供改进的光束成形。在这样的光束成形装置中的第一和第二光束成形设备可以相对于彼此进行取向，使得第一光束成形设备中包括的第一和第二电极的至少一部分与第二光束成形设备中包括的第一和第二电极的相应部分垂直。
因此，能够利用要成形的入射光束的两个偏振方向来实现基本上对称的光束发散。
而且，该光束成形装置可以包括另一个光学构件，其适合于改变穿过该光束成形装置的光束的偏振态。
这种另外的光学构件例如可以是旋转器，其用于改变在通过第一光束成形设备之后并在通过第二光束成形设备之前的光的偏振态。因此，尽管LC层按照与偏振有关的方式作用于光束，但是也能够实现与偏振无关的光束成形。例如可以提供以所谓的延迟板或液晶材料为形式的旋转器，所述液晶材料如液晶聚合物。为了将线偏振光旋转90°，可以利用所谓的半波片或扭转向列相构型的LC材料。
而且，根据本发明的光束成形设备可以有利地包括在照明设备中，该照明设备进一步包括光源，如发光二极管或半导体激光器，其按照使该光源发射的光束穿过该光束成形设备的方式而设置。
特别是，这样的照明设备可以有利地包括上面讨论的光束成形装置。
该光束成形设备可以进一步包括在电极和液晶层之间的层。其能够用于改变光束成形(即透镜)特性，例如改变对于结构的给定厚度的透镜光学能力(lens power)。如果在电极导线的邻近部分之间的距离是p，层的厚度是dsolid，接触液晶层的衬底的电容率是εsub，并且平行于非常轴的液晶材料的电容率分量是εLC，那么该设计可以使0.7＜a1＜12，其中a1＝εLC×dsolid/p。这限定了与导线间距和液晶材料的电容率有关的该层的所希望的厚度。该设计也可以使0.9＜a2＜3.6，其中a2＝εLC/εsub。
可以在液晶层相对于这些电极的相反一侧提供导体层，该导体层可以具有或不具有第二绝缘体层。其能够用于在光束成形设备中成形电场。该导体层可以具有任何所希望的形状。其例如可以是未构图的层，其在形成LC层的部分的整个透镜上延伸。
如果存在第二绝缘体层，那么该第二绝缘体层可以具有厚度dground，其中0.9＜b1＜14.4并且0.4＜b2＜6.4，其中b1＝εLC×dsolid/p并且b2＝εLC×dground/p。这限定了这些电极和液晶层之间的层的厚度，以及相对侧上的绝缘体层的厚度，它们都与导线间距和液晶材料的电容率有关。
控制装置可以向导体层施加可变电压。例如，其能够向第一电极施加第一交流电压并向第二电极施加第二交流电压，第一和第二交流电压反相但具有相同频率，该可变电压具有不同相位或具有更高频率。这样，该导体层用于改变在LC层中的电场，并且这能够用于调谐光束成形光学性能(而不仅仅具有接通或断开控制)。
可替换的是，可以向该导体层施加直流电压，因此第一和第二交流电压中的每一个都可以包括第一和第二叠加分量，第一和第二电压的第一分量反相但具有相同频率，第二分量相同但具有不同相位或具有更高频率。
可以在电极区域中提供不透明层，且其与光束成形作用最小的区域对准。其优点在于能够避免在透镜化模式(lensing mode)下驱动该设备时在第一和第二电极处及其附近出现的透镜像差。这提供了改进的光束。该不透明层可以是不透明材料的形式，所述不透明材料是永久地不透明的。可替换的是，该不透明层可以具有可切换的不透明性，即在设备的透镜化模式下驱动该设备时该不透明层可以变成实际上不透明的，而当没有在透镜化模式下驱动该设备时该不透明层并非不透明的。在这种情况下，光通过量在非透镜化模式中是最佳的。
具有这样的可切换的不透明层的设备可以包括分析器，其位于液晶层的与第一和第二电极相反的一侧，该分析器配置成使得在该设备的透镜化模式中在这些电极的位置处穿过该设备的光至少部分地被该分析器阻挡，而在基本上远离这些电极的透镜化位置处穿过该设备的光不会被该分析器阻挡。因而，例如在该设备内，在第一或第二电极附近和上方，当在透镜化模式中操作该设备时，LC指向器将主要垂直于该设备或衬底层而排列。因此，当偏振光(例如线偏振光)在透镜化模式中穿过该设备时，在这些位置处偏振将不会发生变化。同时，在LC层中离电极更远的位置处以及由电极场线提供透镜作用的位置处，LC材料的指向器将基本上更加平行于衬底而排列。因此，可以关于穿过该设备的光的偏振对该光进行改变，以使其能够通过该分析器。优选的是，分析器取向和LC排列的建立使得在非透镜化模式中所有的光都被允许穿过该设备，包括分析器。
这些修改中的一些对于自动立体显示设备是特别感兴趣的，其中有固定的所希望的焦距和固定的所希望的电极导线间隔，从而形成所希望的透镜尺寸。
因此，本发明还提供一种可切换的自动立体显示设备，其包括：
显示面板，其具有用于进行显示的显示像素元素的阵列，该显示像素元素以成行和成列的方式布置；以及
成像装置，其将来自不同像素元素的输出引导到不同的空间位置，从而能够观看立体图像，其设置成同时引导针对观众双眼的显示像素输出，
其中该成像装置可以通过电学方式在2D模式和3D模式之间切换，并且包括本发明的光束成形设备。
该显示面板可以包括可单独寻址的发射的、透射的、折射的或衍射的显示像素的阵列。该显示面板优选是液晶显示面板或者发光二极管板。
本发明还提供一种控制光束成形设备的方法，该光束成形设备包括第一和第二光学透明衬底、夹在这两个衬底之间的液晶层，以及设置在所述液晶层面向所述第一衬底的那一侧上的第一和第二电极，其中该方法包括：
控制该光束成形设备在光束成形状态之间，每个状态都通过在所述第一和第二电极两端施加电压由此生成电场来允许光沿着垂直于所述光束成形设备的方向穿过所述光束成形设备，所述电场包括在所述电极的邻近部分之间的一段中基本上平行于所述液晶层的部分并且基本上从所述第一衬底延伸到所述第二衬底。
该光束成形设备可以进一步包括位于液晶层的与所述电极相反一侧上的导体层，该方法进一步包括向第一电极施加第一交流电压并向第二电极施加第二交流电压。可以向该导体层施加可变电压，并且其中第一和第二交流电压反相但具有相同频率，该可变电压具有不同的相位或具有更高频率。可替换的是，可以向导体层施加直流电压，并且第一和第二交流电压中的每一个都包括第一和第二叠加分量，第一和第二电压的第一分量反相但具有相同频率，第二分量相同并具有不同的相位或具有更高的频率。
该方法对于控制自动立体显示设备的透镜的透镜功能是特别感兴趣的。
附图说明
现在参考附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，附图示出了本发明当前优选的实施例，在附图中：
图1a是根据本发明实施例的示范性光束成形设备的透视图；
图1b是在电极两端没有施加电压时沿图1a的线A-A’得到图1a中的光束成形设备的横截面视图；
图1c是在电极两端施加电压V时沿图1a的线A-A’得到图1a中的光束成形设备的横截面视图；
图2是第一光束成形装置的横截面视图，其中延迟板夹在两个光束成形设备之间；
图3是第二光束成形装置的透视图，其包括以层叠结构布置的两个光束成形设备，其具有互补的电极；
图4是示意性地示出根据本发明实施例的另一个示范性光束成形设备的分解图；
图5a-b示出了各种示范性的电极构型；以及
图6a-d是说明在根据本发明实施例的光束成形设备上进行的实验的示意图。
图7示出了已知的自动立体显示设备；
图8和9用于说明已知的可切换的自动立体显示设备可以怎样起作用；
图10示出了用于自动立体显示设备的期望的透镜功能；
图11用于解释在为自动立体显示设备的透镜元件选择尺寸中的问题；
图12和13示出了用于图11的两个透镜构型的透镜性质；
图14示出了特别用于自动立体显示设备中的本发明的光束成形装置的第一个例子；
图15示出了特别用于自动立体显示设备中的本发明的光束成形装置的第二个例子；
图16和17分别示出了图14和15的两个透镜构型的透镜性质；
图18是本发明的光束成形装置的第三个例子，其使用了附加的电极层；
图19和20示出了图18的装置中附加的电极层可以怎样用于改变电场；
图21用于解释用于控制透镜性质的本发明的控制方法；以及
图22示出了针对参考图21解释的方法的不同控制设置的透镜特性。
图23a-23c示出了根据本发明的3D显示器。
具体实施方式
在下面的描述中，参考具有垂直排列的液晶层的光束成形设备来描述本发明-当没有向电极施加电压时，包括在该LC层中的液晶(LC)分子垂直于衬底进行取向。应当注意，这决不是限制本发明的范围，本发明同样可适用于其中液晶层按照任何其他方式排列的光束成形设备，例如平面取向，其中LC分子在与衬底平行的平面中进行取向。在这种取向中，LC分子可以平行于电极或垂直于电极而排列，或者具有混合取向，其中LC分子在邻近第一衬底的位置具有第一取向，而在邻近第二衬底的位置具有第二取向，该第二取向与第一取向正交。
而且，为了不因与本发明不直接相关的细节而混淆了本发明，因此对于本领域技术人员来说已知的其他层没有在附图中绘出并且这里也不对其进行详细描述，所述其他层如用于排列LC分子等的排列层等。
应当注意，附图没有按比例绘制。但是，为了提供适当的尺寸，可以假定电极中的导体线的宽度通常是在1μm至20μm的范围内。而且，这些导体线通常隔开10μm至100μm，并且LC层的厚度一般是在5μm和50μm之间。
在一个方面，本发明总的涉及适合于许多不同应用的光束成形设备，在另一个方面，本发明更具体地涉及附加特征，这些附加特征使所述光束成形设备特别适用于2D/3D可切换的显示设备。首先描述该光束成形设备的一般概念和设计，随后说明与2D/3D显示领域特别相关的附加特征(尽管这些附加特征也具有更一般的应用)。
图1a-1c示意性地示出了根据本发明实施例的示范性的光束成形设备。
在图1a中，示出了光束成形设备1，其包括夹在第一透明衬底3和第二透明衬底4中间的垂直排列的液晶(LC)层2。在第一衬底3上，面向LC层2，提供梳形的第一透明电极5和第二透明电极6。通过在这些电极5、6上施加电压V，能够使入射在该光束成形设备上的准直光束7发散，如图1a中示意性示出的。
图1b是沿着图1a中的线A-A’而得到的横截面视图，图1b示意性地示出在电极5、6两端没有施加电压的情况。由于没有施加电压，因此没有形成电场，因而LC分子具有由排列层(未示出)强加于其上的取向。在图1b所示的情况中，LC分子垂直地排列，入射光束7的形状在穿过该光束成形设备1后不发生变化，这里用三条平行光线11a-c来代表入射光束7。
参考图1c，该图示意性地示出了在电极5、6两端施加电压V的情况，现在更详细地描述图1a中的光束成形设备所使用的光束成形机制。
如图1c中示意性示出的，LC层2中包括的液晶(LC)分子10a-c与电极5、6之间的电场线对准。由于这种重新取向，形成了LC层2的具有不同折射率的多个区域。在图1c中示出的示范性情况下，沿着(局部)垂直于光束成形设备1的方向而撞击到光束成形设备1的光束7所经受的折射率在寻常折射率no和非常折射率ne之间变化，该寻常折射率no由垂直于LC层2取向的LC分子10a而引起，该非常折射率ne由平行于LC层2取向的LC分子10c而引起。在光束成形设备1的具有“垂直的”LC分子10a的部分和具有“平行的”LC分子10c的部分之间撞击到光束成形设备1的光将经受中间折射率。
在图1c中，三条光线12a、b、c代表非偏振光中具有与LC分子的长轴相垂直的偏振方向的线偏振分量(寻常光线)，这三条光线穿过光束成形设备1而实际上不经受折射率梯度。因此这些光线12a-c在穿过LC层2的过程中其方向均不会明显改变。
另一方面，代表在这些分子的长轴的平面内偏振的光的其他偏振分量，光线13a、b、c(非常光线)经受折射率梯度，因此发生折射，如图1c中示意性表明的。
因此，非偏振光束7中最多50％的光可由图1a-c中的光束成形设备1来控制。在下文中，参考图2-4描述能够控制非偏振光束中基本上所有光的三种示范性光束成形设备/装置。
参考图2来描述第一示范性光束成形装置20，图2是示出了以层叠结构布置的如结合图1a-c描述的第一光束成形设备21和第二光束成形设备22并且延迟板23夹在两个光束成形设备中间的横截面视图。
非偏振光的三条光线24a-c将再次行进通过光束成形装置20。如结合图1b所描述的，非常光线将受第一光束成形设备21的影响，而寻常光线将不受影响地穿过该光束成形设备21。由于该寻常光线经过延迟板23，因此其偏振方向旋转90°，这里提供的延迟板23以所谓的半波片或扭转向列相构型的LC聚合物为形式。
因此，当先前未受影响的分量25a-c进入第二光束成形设备22时，所述分量25a-c在与第二光束成形设备22的LC分子27的长轴相同的平面内偏振，并且将按照与其他偏振分量26a、c穿过第一光束成形设备21时相同的方式发生偏转。
由此，如图2中示意性示出的，光束成形装置20能够控制穿过光束成形装置20的所有非偏振光。
在上面的例子中，描述了具有正介电各向异性的LC分子的性质。但是应当注意也可以使用具有负介电各向异性的LC分子。在这种情况下，光线24a-c将沿着相比于上面描述的相反的方向发生折射。
应当注意，在目前说明的例子中，为了简化说明，已经忽略了在衬底和LC层之间的界面处的折射。
参考图3，现在将要描述第二示范性的光束成形装置30。
在图3中，示出了层叠结构中的第一光束成形设备31和第二光束成形设备32。按照层叠结构从底部至顶部的顺序，第一光束成形设备31具有第一衬底33、在第一衬底33上提供第一电极34和第二电极35；LC层36和第二衬底37。在目前说明的实施例中，第一光束成形设备31的第二衬底37也是第二光束成形设备32的第一衬底。显然，该公共衬底37能够可替换地提供为两个单独的衬底。第二光束成形设备32还具有LC层38和第二衬底39，该第二衬底39设有第一电极40和第二电极41。
如能够在图3中看到的，光束成形装置30的每个电极34、35、40、41都分别具有两组导体线，即42a-b、43a-b、44a-b、45a-b。在42a-b、43a-b、44a-b、45a-b的每一组中，导体线基本上彼此平行，而两组42a-b、43a-b、44a-b、45a-b相对于彼此成大约45°角。
而且，光束成形设备31、32相对于彼此按照使第一光束成形设备31的电极34、35与第二光束成形设备32的电极40、41相垂直的方式来设置。
通过该光束成形装置30，入射的准直光束能够对称地成形并且利用该入射光的两个偏振分量。最后，参考图4，将描述第三示范性的光束成形设备/装置50，其包括夹在第一光学透明衬底3和第二光学透明衬底4中间的LC层2。在衬底3、4的每一个上，在衬底3、4面向LC层2的那一侧55、56上提供梳形的第一电极51、52和梳形的第二电极53、54。
如图4中所示，第一衬底3上的电极51、53基本上垂直于第二衬底4上的电极52、54。通过该构型，能够实现LC层中LC分子的三维重新取向，这能够实现与偏振无关的光束成形。除了图1a和图3中所示的电极构型之外，许多其他的电极构型也是可能的，并且可能是有利的，这取决于特殊应用。图5a-b中示意性地示出了几个这样的附加电极构型的例子。
在图5a中示出了具有两个电极的各种面内构型，其中这些导体线相对于彼此具有不同的方向，其不是笔直的，等。
在图5b中示意性地示出了两个具有三个面内电极的构型的例子。
应当注意，图5a-b中所示的变化仅代表例子，许多其他变化对于相关领域的技术人员来说是显而易见的。
本领域技术人员认识到本发明决不限于这些优选实施例。例如，通过施加频率大于100Hz的交流电压可以有利地获得在电极两端施加的电场以便克服充电效应。也可以使用与有源矩阵寻址结合的奇异盒(pixilated cell)。
实验
参考图6a-d，这些图说明了根据本发明实施例的光束成形设备的实验安排(setup)中的光束发散相对于各种参数怎样发生变化，现在将提供对所进行的一些实验的简要描述。
在所有的图中，都已经将强度归一化以便说明角分布。而且，表示仅仅轻微发散的光束的曲线已经被省略，以提高更加发散的光束的可辨别能力。
作为所施加电压的函数的光束发散
在图6a中，示出了关于施加至电极的电压的穿过准直的偏振光束的光束成形设备之后的光的角分布。
产生图6a中的图表的实验中所用的盒(cell)的特性如下：
电极宽度：4μm
电极之间的空隙：10m
盒间隙：18μm
液晶材料：BL009
排列层聚酰亚胺：Nissan 1211，垂直地排列(无摩擦)
利用这个盒的构型，在电极两端施加的交流电压在0Vrms和50Vrms之间变化。
当在电极两端施加0Vrms时，光束不发散，如图6a中的曲线61所示。当逐渐增大电压时，光束越来越发散。当施加5Vrms时，光如曲线62所示那样发散。曲线63是由施加10Vrms而引起的，曲线64是由施加15Vrms而引起的，曲线65和66分别对应于20Vrms和50Vrms的电压。
作为电极之间空隙的函数的光束发散
在图6b中，示出了关于电极之间的距离的穿过准直的偏振光束的光束成形设备之后的光的角分布。
产生图6b中的图表的实验中所用的盒的特性如下：
电极宽度：4μm
盒间隙：18μm
液晶材料：BL009
排列层聚酰亚胺：Nissan 1211，垂直地排列(无摩擦)
施加的电压：50Vrms
利用该盒的构型，电极两端的空隙在10μm和30μm之间变化。
对于在电极两端施加的给定电压，电极之间的较短距离会引起较高的电场。较高的电场导致液晶分子在液晶层中的更有效的重定向，因此导致更有效的光束成形。
最短的距离10μm导致最大的发散，如能够从图6b中看到的，其中该距离对应于曲线71。当距离增大至15μm时，光束发散也减小以具有由图6b中的曲线72所代表的角分布。随着距离进一步增大到20μm，获得曲线73，图6b中最后的两条曲线74、75分别是由25μm和30μm的电极之间的距离所引起的。
作为电极宽度的函数的光束发散
在图6c中，示出了关于电极宽度的穿过准直的偏振光束的光束成形设备之后的光的角分布。
产生图6c中的图表的实验中所用的盒的特性如下：
电极之间的空隙：12μm
盒间隙：18μm
液晶材料：BL009
排列层聚酰亚胺：Nissan 1211，垂直地排列(无摩擦)
施加的电压：50Vrms
利用该盒的构型，电极宽度在4μm和8μm之间变化。
在图6c中，曲线81对应于4μm的电极宽度，曲线82对应于6μm的电极宽度，曲线83对应于8μm的电极宽度。
作为盒间隙的函数的光束发散
在图6d中，示出了关于盒间隙的穿过准直的偏振光束的光束成形设备之后的光的角分布。
产生图6d中的图表的实验中所用的盒的特性如下：
电极宽度：4μm
电极之间的空隙：20μm
液晶材料：BL009
排列层聚酰亚胺：Nissan 1211，垂直地排列(无摩擦)
施加的电压：50Vrms
利用该盒的构型，盒间隙在12μm和27μm之间变化。
具有较大的盒间隙，要成形的光束的每条光线都通过液晶层而行进较长的距离，因此能够更大程度地发生偏转。最小的盒间隙12μm导致最小的发散，如能够在图6d中看到的，其中该盒间隙对应于曲线91。当该盒间隙增大到18μm时，光束发散也增大从而具有图6d中的曲线92所代表的角分布。随着该盒间隙进一步增大到27μm，得到曲线93。
如上面所提及的，依照本发明的原理设计的光束成形设备能够具有在2D/3D可切换的显示器领域中的特殊应用。
图7是已知的直视自动立体显示设备100的示意性透视图。该已知设备100包括有源矩阵型液晶显示面板103，该液晶显示面板起到空间光调制器的作用以进行显示。
显示面板103具有成行和成列方式排列的显示像素105的正交阵列。为了清楚起见，在该图中仅仅示出了少量显示像素105。实际上，显示面板3可以包括大约一千行和几千列的显示像素105。
液晶显示面板103的结构完全是常规的。特别是，板103包括一对彼此隔开的透明玻璃衬底，在这两个透明玻璃衬底之间提供排列的扭转向列相液晶材料或其他液晶材料。这些衬底在其面对的表面上载有透明的氧化铟锡(ITO)电极的图案。偏振层也提供在衬底的外表面上。
每个显示像素105都能够包括位于衬底上的反向电极，和插在其间的液晶材料。显示像素105的形状和布局由电极的形状和布局来确定。显示像素105有规则地彼此隔开一定间隙。
每个显示像素105都与开关元件相关联，如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD)。通过向开关元件提供寻址信号来操作这些显示像素以进行显示，适当的寻址方案对于本领域技术人员将是已知的。
光源107照亮显示面板103，该光源在这种情况下包括平面背光源，其在显示像素阵列的区域上延伸。来自光源107的光被引导通过显示面板103，各个显示像素105被驱动以对光进行调制并进行显示。
显示设备100还包括微透镜板109，其设置在显示面板103的显示侧上，所述显示面板103执行视图形成功能。微透镜板109包括一行微透镜元件111，其彼此平行地延伸，为了清楚起见仅仅以夸大的尺寸示出了一个微透镜元件。
微透镜元件111呈凸的柱面透镜的形式，其充当光输出引导装置以便将来自显示面板103的不同图像或视图提供给位于显示设备100前面的用户的双眼。
图1中示出的自动立体显示设备100能够沿不同的方向提供几个不同的透视图。特别是，每个微透镜元件111都覆在每一行中的一小组显示像素105的上面。微透镜元件111沿着不同方向投射组中的每个显示像素105，以便形成几个不同的视图。当用户的头从左向右移动时，他/她的双眼将依次接收几个视图中的不同视图。
如上面所提及的，已经建议提供在电学上可切换的透镜元件。这使得该显示器能够在2D和3D模式之间切换。
图8和9示意性地示出能够在图1所示设备中采用的在电学上可切换的微透镜元件115的阵列。该阵列包括一对透明玻璃衬底119、121，在其面对的表面上提供由氧化铟锡(ITO)形成的透明电极123、125。利用复制技术形成的倒转的透镜结构127提供在衬底119、121之间并邻近上面的衬底119。在衬底119、121之间并邻近下面的衬底121处提供液晶材料129。
倒转的透镜结构127致使液晶材料129采取平行伸长的微透镜形状，其在倒转的透镜结构127和下衬底121之间，如图2和3中横截面所示。还可以向接触液晶材料的倒转的透镜结构127和下衬底121的表面提供取向层(未示出)，用以使液晶材料进行取向。
图8示出当没有向电极123、125施加电势的阵列。在这种情况下，液晶材料129对于特定偏振的光的折射率本质上高于倒转的透镜阵列127的折射率，因此微透镜形状提供了光输出引导功能，即如所示的透镜作用。
图9示出了当向电极123、125施加大约50至100伏的交流电势时的阵列。在这种状态下，液晶材料49对于特定偏振的光的折射率基本上与相反的透镜阵列127的折射率相同，因此如图所示微透镜形状的光输出引导功能被取消。因此，在这种状态下，该阵列有效地在“穿过”模式下作用。
本领域技术人员将理解必须将光偏振装置连同上述阵列一起使用，因为液晶材料是双折射的，折射率切换仅仅适用于特定偏振的光。光偏振装置可以被提供作为该设备的成像装置或显示面板的一部分。
适合于用在图7中所示显示设备中的可切换的微透镜元件阵列的结构和操作的进一步细节可以在美国专利US6069650中找到。
图10示出如上所述的微透镜型成像装置的操作原理，并且示出背光源130、显示设备134(例如LCD)和微透镜阵列138，所述显示设备。
图8和9中所示的设备的制造使用了复制微透镜，其需要在生产设施中不标准的装备。因此，使用如上所述的具有横向受控的渐变折射率透镜功能的光束成形设备简化了制造工艺。
图1c示出了由于利用如图1a中所示的交错的导线所引起的LC层中的电场分布。施外的电压是交流电，以抵消充电效应。施加的电压选择为足够高以使LC沿场的方向排列。对于直接的设计来说，为了达到最好的透镜作用，LC层厚度与电极间宽度之间存在最佳的比率(近似1：1.5)。但是，为了针对所希望数量的视图而覆盖一定数量的像素，所需的透镜宽度以及所希望的LC层的厚度(为了获得所希望的焦深)经常但不一定总是妨碍或排除使用这种基本设计。较厚的LC层导致具有较短焦距的透镜。主要问题在于，相对于电极间距，必须将LC层选择成比使透镜特性达到最优的厚度更薄。
图11a示意性地示出厚度与电极间距之间的所希望的比率，图11b示出了当利用优选的LC层厚度来提供所希望的焦距以及通常所希望的电极间距时结构中的电场分布。这些厚度和电极间距的值在透镜作用时产生很强的像差。通过减小图11b中的LC层的厚度获得所希望的焦距，用光学均匀材料来代替光学不均匀的材料，这产生透镜像差。
图12示出针对图11a的所希望的比率的透镜特性(图12a示出折射率n对距离x，图12b示出折射率梯度(“角度”)对距离x)。厚度是100μm，电极间距是166μm。
图13示出针对图11b的厚度减小后的透镜设计的透镜特性(图13a再次示出折射率n对距离x，图13b示出折射率梯度(“角度”)对距离x)。厚度是40μm，电极间距是166μm。利用解析模型来计算图12和13。如图13中所示的角分布不仅缺乏所希望的强度(并且在边缘太强了)，而且在中心同样具有很强的像差(在理想情况下，角分布应当是直线)。
因此，通常存在一个问题，如果使用厚的LC那么透镜的焦距太短，或者如果使用薄的LC层那么透镜中心的像差太强。
因此，做出一种修改，通过利用对LC层中产生的电场有影响的一层或两层材料改进上面的基本设计来将焦距增大到可接受的程度和/或将这些像差减小到可接受的程度。
图14示出第一种修改，其中液晶层在导线结构附近的那部分被一层固体透明材料取代。
因此，图14的结构包括附加层140、LC层142和上覆的LCD的玻璃层144。
这个层140对光的方向没有直接影响，因为入射光束垂直于被取代的层而行进，并且在该层中不存在折射率梯度。但是，层140确实对LC层中的电场分布有影响，其间接地影响穿过该透镜的光。
这个效果的大小(和透镜的焦距)取决于固体层140的厚度、LC层142的厚度、固体层的电容率和LC的平行电容率。
图14示出了限定透镜形状的电场线145和通过该结构的光学路径146。
另一种修改利用接触透明导体的透明材料150的附加层，从而通过有效地压缩(compress)电场来减小透镜厚度(因此增大了其焦距)，所述透明导体如氧化铟锡(ITO)，如图15中所示。接地层150的影响在于给电场强加了多个条件，这些条件对于LC层中所需的场分布是有益的。两层140和150选择为使可切换的LC层142位于所需的区域中以实现透镜切换功能。这些层的厚度取决于每种材料的电容率和所希望的焦距。尽管如上所述，本领域技术人员也将理解在可替换的实施例中，例如参考图18描述的可替换的实施例，根据需要和设计可以省略层140和/或150。
在上述修改中，可以将这些透镜制造成较弱并且具有小的球面像差。这些透镜能够被设计为具有与从透镜到像素的光程长度相匹配的焦距。
图16和17示出实际的具有9个视图的10cm显示器的两种设计的透镜特性。图16基于图14的装置，图17基于图15的装置。所标绘的变量对应于图12和13中的变量。焦距等于不同层的光学厚度，该焦距在玻璃中是1342μm(615μm厚的显示器玻璃板，27μm厚的聚合物层，以及700μm厚的透镜阵列本身的玻璃板)。对于这种9个视图的显示器来说，像素间距是37.5μm，透镜间距是166.36μm。对于图16的例子来说，LC层厚度是13μm，附加层140的厚度是100μm。对于图17的例子来说，LC层厚度是12μm，附加层140的厚度是61μm，在ITO接地面上的层150的厚度是27μm。
如能够看到的，这两种设计的角分布的形状可与图12中所示的分布的形状类似。因此，获得了具有所希望的焦距的透镜设计同时保持像差在可接受的水平。
对于图14中所示的具有单个附加层的设计来说，主要变量是导线之间的距离p、固体材料的层140的厚度dsolid、接触LC的玻璃的电容率εglass，平行于非常轴的LC材料的电容率分量εLC。
根据这些变量之间的比率来改进透镜功能。这些主要比率是：
a1＝εLC×dsolid/p以及
a2＝εLC/εglass
在用于图16的计算中，a1＝3.0，以及a2＝1.8。
LC层的厚度dLC取决于所希望的焦距f，寻常折射率和非常折射率之差(Δn＝ne-no)和设计的几何形状，dLC～p2/(f×Δn)，并且范围为从大约5μm至100μm。
变量a1的优选范围是0.7＜a1＜12，更优选的是1.5＜a1＜6，更优选的是2.5＜a1＜4。
变量a2的优选范围是0.9＜a2＜3.6。
对于图17中所示的利用两个附加层的设计来说，主要变量是导线之间的距离p、在导线结构附近的固体材料层的厚度dw、在接地ITO层附近的固体材料层的厚度dground和LC材料的电容率的平行分量εLC。主要比率是：
b1＝εLC×dw/p以及
b2＝εLC×dground/p。
在用于图17的计算中，b1＝3.6，b2＝1.6。
层LC的厚度dLC再次取决于所希望的焦距f、寻常折射率和非常折射率之差以及设计的几何形状，并且范围再次为从大约5μm至100μm。
这些变量的优选范围是：
0.9＜b1＜14.4且0.4＜b2＜6.4，或者更优选的是
0.9＜b1＜14.4且0.8＜b2＜3.2，或者更优选的是
1.8＜b1＜7.2且0.4＜b2＜6.4，或者更优选的是
1.8＜b1＜7.2且0.8＜b2＜3.2。
上面的例子示出了在两种不同的模式之间的切换，例如用于自动立体显示设备的例子的2D和3D操作模式之间的切换。但是，能够改变透镜的光焦度也是有利的。改变透镜光焦度的一种方式是使施加于叉指结构(fork structure)的电压降低到阈值之下，其中电场的方向不再支配液晶分子的性能。于是作为与周围分子的相互作用的结果，与力形成了平衡。这一方法的缺点在于其取决于LC的性能，并且该性能随温度而改变。而且，透镜特性的变化不容易预测。
下面描述的设备的另一种修改通过影响LC层中的场的方向来改变透镜光焦度。这种修改使用了导电板(conducting plate)，如图15中的层150(但是不需要层140)，并且向该导电板施加交流电以便改变电场并因此改变了透镜的光焦度。可以在电极叉指装置和导电板之间提供附加的绝缘层，如在上面的例子中的情况。
图18示出了LC层和ITO层的基本结构。图中未示出ITO层的厚度，并且将其用线表示。电场线在电势之前被施加至导电板。向叉指结构和板150提供交流电。当将交流电施加于导电板时，电场开始在图19中所示的两种情况之间快速地切换。如果将施加的电压的频率选择得相比液晶的弛豫时间足够高(f＜＜1/τLC)，那么LC分子将在两个不同电场E1、E2之间排列，如图20中所示。
根据施加于叉指的电压、施加于板的电压以及LC层相对于板和叉指的位置，可以显著地改变透镜效果。图21中示出了实现可变的透镜效果的一些不同方式。
在图21中，上面的三个曲线图是基于使用在两个叉指上的具有基频f的反向的电压Vfork，1和Vfork，2。通过向导电板施加电压Vplate来修改针对这种情况的电场，所述电压Vplate或者相比叉指信号具有相移(信号210)，或者是具有频率fplate的同相信号，该频率是基频f的两倍的频率(信号212)，或者是比基频大得多的频率(信号214)。这三种可能性顺次在图21中示出。
图21的下面三个曲线图中示出的可替换的实施例通过向两个叉指上的信号增加调制而保持Vplate等于0。当每个叉指电压和板电压之差相同时，获得相同的透镜效果。在这种情况下，每个叉指信号都在其上叠加附加信号，该附加信号相对于叉指信号具有相移，或者是具有频率fplate的同相信号，该频率fplate是基频f的两倍或者远大于基频。
图22示出对于板上施加的电压Vplate的不同振幅的透镜角分布的不同轮廓。用于分析的样本的设计和规格是电极间距为166μm、LC层厚度为70μm，以及如在图15中的附加层140的厚度为82μm。
该板上的电压以1kHz来施加。用于叉指电极的电源是基于Vfork＝50V，频率ffork＝100Hz。在每次测量的中间的线性部分表示焦距。针对0V；7.5V；15V和30V的情况的焦距分别大约是140μm；85μm；190μm和1330μm。
如能够看到的，透镜效果的变化量取决于施加的电压的振幅。
在这之前，已经结合导体层驱动了第一和第二电极，从而获得了对称的透镜效果。因此，例如参考图18，分别向第一和第二电极提供反向且相等的电压V1＝-V2，而将导体ITO层150的电压V3保持为0V。方便的是，对于不对称的透镜作用，V3不等于0V。这样的电压方案提供了不对称的场线分布和相应的不对称的透镜作用，即不光有透镜作用，而且还有光束偏转。
图23a、23b和23c中示出了光束偏转和在3D自动立体显示器领域中的一种可能的应用。光束成形设备是自动立体显示器170的一部分。该显示器包括标准的LC板172，其包括偏振器176、像素板178以及由玻璃衬底182支持的分析器180。背光源(未示出)存在于偏振器176之下。LCD显示器与根据本发明的光束成形设备174结合，当在透镜化模式中使用时，该光束成形设备用作微透镜阵列。在这种情况下，光束成形设备包括在衬底198上的第一电极184和第二电极186。在其之上是第一绝缘层188、薄的LC层190、第二绝缘层192、透明导电层194和适当透明材料的衬底196。在衬底198上缠绕第一电极和第二电极的图案如1a中所示。衬底196上的电极是未结构化的电极，其优选覆盖整个衬底。层188和192是任选的，且其可以提供之前描述的用于优化透镜形状的功能。示出了5个视图的系统，即在微透镜的每个透镜下面有5个子像素，如像素202、203和204，每个子像素对应于不同的视图。图23a、23b和23c中相同的部件具有相同的附图标记。
在显示器的规则的3D操作过程中，向第一电极施加电压V1，向第二电极施加电压V2，V2等于-V1，并且向导电层施加电压V3，V3＝0V，从而使源于邻近像素200、202和204的光沿不同方向发送，即按照如图23a中所示的对称的方式送入不同的视图，所述邻近像素全都位于在两个邻近的第一和第二电极指(electrode finger)之间存在的一个柱面透镜单元之下。
可替换的是，当V3≠0时，打破了场线的对称性因此也打破了相关联的透镜的对称性。这些场线将使其重新排列成除了透镜作用之外光束偏转也成为结果：每个视图都将稍微发生偏转，如图23b和23c中所描绘的。这些偏转的方向改变了一个个透镜的符号。当电压V3的符号改变时，该方向也改变了符号。一般来说，当V3不等于正好在邻近的第一和第二电极上施加的电压之间的值时得到该效果。
通过在随后的图像帧中使V3在ΔV和-ΔV之间交替，各个视图将一个帧一个帧地从左到右倾斜，反之亦然。这相当于说实际上微透镜按照虚拟的方式从左向右移动，反之亦然。目前考虑中央视图206(即沿垂直于显示器的方向的视图)：在每个透镜下面，利用将V3在ΔV和-ΔV之间交替的方法，具有不同颜色的两个不同的子像素200或204将对中央视图做出贡献，而非仅仅一个子像素对其做出贡献：当V3＝ΔV时(图23b)一个子像素做出贡献，当V3＝-ΔV时(图23c)另一个子像素做出贡献。这样，按照时间连续的方式，在3D操作模式中每个视图的分辨率成为双倍的。例如，如果帧频是100Hz，那么微透镜能够在两个位置之间交替：这两个位置在每隔1/100秒之后切换。按照这种方式，每视图的分辨率能够是双倍的。
代替使每视图的分辨率成为双倍，也可以当利用电压的对称构型时使每视图的分辨率成为三倍。在这种情况下，在图23中，像素202提供中心视图。
对帧频的要求并不是非常高。例如，以因数2来时分复用以便使每视图的分辨率成为双倍不一定意味着必须使帧频成为双倍。在帧频为50Hz的情况下，仅仅在25Hz的帧频处对视图形成元件的两个位置中的每一个生成图像。因为针对两个位置生成的图像非常相似，所以在观众的感觉中，感觉到的帧频仍然是50Hz而不是25Hz。
在移动微透镜时，应当相应地适应每个视图的图像内容。
粗略地按照与使每个视图的分辨率成为双倍的相同的方式，也可以通过使这些视图倾斜而使视图的数量成为双倍，从而在原始视图中间产生新的视图。
与现有的微透镜相比，这种在显示器上形成微透镜的GRIN光束成形设备存在一个缺点，由于透镜边缘处相对不起作用的区域，将会减小3D模式中的显示器可能的对比度。通过使用不存在透镜效果的不透明材料(在透镜之间的线)可以保持该对比度。事实上，一般对于光束成形设备来说，在LC区域中位于电极位置处的透镜的像差将使光束不太理想。源于透镜的非理想部分的光可以被不透明层遮住。这一不透明层可以是在任一个衬底上的印刷层，或者是通过任何适当的技术淀积的图案。
可替换的是，提供具有可切换的不透明性的层。在一个实施例中，在上面所描述的任一种修改中存在分析器。该分析器位于LC层的与第一电极和第二电极相反的一侧处并且是线偏振的。在设备的非透镜化模式中，LC材料指向器平行于该设备的衬底而排列，但是在LC层的任一侧相对于彼此垂直。通过沿着适当的垂直方向摩擦的聚酰亚胺排列层可以实现后一种类型的取向。因此，在LC层中，当沿着垂直于衬底的方向行进通过LC层时，指向器从一个取向逐渐旋转到在LC层的另一侧的垂直取向。然后，取向或者旋转该分析器，使得当该设备处于其非透镜化模式时允许线偏振光通过该分析器，所述线偏振光在进入LC层时的偏振在行进通过该LC层之后经由逐渐的LC指向器旋转而发生旋转，在该分析器一侧离开所述设备。在透镜化模式下驱动该设备时，在电极的位置及其附近，这些指向器将基本上偏离平行并且更大程度地垂直于衬底而排列，并且将失去其逐渐的螺旋状的排列。于是该LC层在这些位置处也失去其偏振旋转性质，从而使从该LC层射出的光现在在这些位置处被分析器阻挡。因此，在透镜化模式下驱动该设备使该分析器层对于行进通过该设备的光是局部不透明的。这些位置涉及像差最大的位置，即电极附近。
所描述的装置对于发射偏振光的像素面板装置上的微透镜中的应用是特别有吸引力的，如LCD显示器。本领域技术人员因此能够布置该设备的LC材料和分析器旋转，从而获得将要实现的效果。
在上面的例子中，已经解释了利用两层来改变透镜特性。该结构可以具有这些层中的一层或两层，在该结构中也可以存在上面没有提及的其他层。下层(140)用于减小透镜光焦度，上层用于压缩电场。这些方法能够独立地使用以获得透镜特性的所希望的变化。
第一和第二固体绝缘体层可以是光致抗蚀剂。可替换的是，绝缘体层可以包括叠层和PET箔层或其他有机/聚合层。
各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。
总之，一种光束成形设备(1；31)，其包括第一光学透明衬底(3；33)和第二光学透明衬底(4；37)，夹在这两个光学透明衬底之间的液晶层(2；36)，以及设置在液晶层(2；36)面向第一衬底(3；34)一侧的第一电极(5；34)和第二电极(6；35)。光束成形设备(1；31)在光束成形状态之间是可控制的，每一种光束成形状态都允许光沿着垂直于该光束成形设备的方向透过该光束成形设备。该光束成形设备(1；31)按照在第一电极(5；34)和第二电极(6；35)两端施加电压(V)产生电场的方式来配置，所述电场具有在电极(5，6；34；35)的邻近部分之间的一段中基本上平行于液晶层(2；36)的部分并且基本上从第一衬底(3；34)延伸到第二衬底(4；35)。按照这种方式，可以获得横跨短距离的相对较高的折射率梯度，其能够实现非常有效的光束成形。在所谓的面内配置中，通过利用在液晶层一侧提供的电极能够实现电场。该设备可以用在自动立体显示设备中，用以在2D和3D模式之间切换。
应当注意，上面提及的修改和实施例是说明本发明而非限制本发明，本领域技术人员能够在不背离随附的权利要求的范围的情况下设计许多可替换的实施例。在权利要求中，括号内的任何附图标记不应当解释为限制该权利要求。词“包括”不排除还存在除了权利要求中列出的元件或步骤之外的其他元件或步骤。元件前面的词“一”或“一种”不排除存在多个这样的元件。在列举了几个装置的设备权利要求中，这些装置的几个可以用一个且同一个硬件来体现。在彼此不同的从属权利要求中列举的某些措施这个起码事实不表示不能有利地使用这些措施的结合。

Claims (24)

1.一种光束成形设备(1；31)，其包括第一光学透明衬底(3；33)和第二光学透明衬底(4；37)、夹在这两个光学透明衬底中间的液晶层(2；36)，以及设置在所述液晶层(2；36)面向所述第一衬底(3；34)的那一侧上的第一电极(5；34)和第二电极(6；35)，其中所述光束成形设备(1；31)是可控制的，使得允许光在垂直于该光束成形设备的方向上穿过所述光束成形设备，其特征在于所述第一电极和第二电极处于面内构型中，还在于按照在所述第一电极(5；34)和第二电极(6；35)两端施加电压(V)来产生面内电场的方式对所述光束成形设备(1；31)进行配置，其中所述电极(5，6；34；35)的邻近部分之间的电场段基本上平行于所述液晶层(2；36)，并且其中所述段中的平行场基本上贯穿所述液晶层从所述第一衬底(3；34)延伸到所述第二衬底(4；35)。
2.根据权利要求1所述的光束成形设备(1；31)，其中所述第一电极(5；34)包括第一组(42a)基本上平行的第一电极导体线，所述第二电极(6；35)包括第一组(42b)基本上平行的第二电极导体线，所述第一和第二电极(5，6；34，35)设置为形成至少一个导体对，该导体对包括邻近的第一和第二电极导体线。
3.根据权利要求2所述的光束成形设备(31)，其中所述第一电极(34)进一步包括第二组(43a)基本上平行的第一电极导体线，所述第二电极(35)包括第二组(43b)基本上平行的第二电极导体线，所述第一和第二电极设置为使得形成至少一个包括邻近的第一和第二电极导体线的导体对，其中所述第二组(43a，b)导体线设置为相对于所述第一组(42a，b)导体线成一定角度。
4.根据权利要求2或3所述的光束成形设备(50)，进一步包括设置在所述液晶层(2)与所述第一电极(51)和第二电极(53)相反的那一侧上的第三电极(52)和第四电极(54)，所述第三电极具有至少一条第三电极导体线，所述第四电极具有至少一条第四电极导体线，其中将所述第三电极(52)和第四电极(54)设置为使所述第三和第四电极导体线中的每一条基本上都与所述第一电极(51)和第二电极(53)导体线中对应的一条相垂直。
5.根据权利要求1，2或3所述的光束成形设备(1)，其中当所述液晶层(2)不受电场影响时可以被垂直排列。
6.根据权利要求1，2或3所述的光束成形设备(1)，其中所述液晶层(2)具有平面单轴排列，使得当所述液晶层中包括的液晶分子受电场影响时，所述液晶分子垂直于相邻的导体线。
7.一种光束成形装置(20；30)，其包括根据前面任一项权利要求的第一光束成形设备(21；31)和第二光束成形设备(22；32)，所述第一光束成形设备和第二光束成形设备设置在层叠结构中，其中所述第一光束成形设备(31)和第二光束成形设备(32)相对于彼此进行取向，从而使所述第一光束成形设备(31)中包括的第一电极(34)和第二电极(35)的至少一部分与所述第二光束成形设备(32)中包括的第一电极(40)和第二电极(41)的相应部分垂直。
8.根据权利要求7所述的光束成形装置(20)，其进一步包括夹在所述第一和第二光束成形设备之间的光学构件(23)，其适合于改变穿过所述光束成形装置(20)的光束的偏振态。
9.一种照明设备，其包括根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的光束成形设备，以及光源，其按照使所述光源发射的光束穿过所述光束成形设备的方式而设置。
10.根据权利要求9所述的照明设备，其中所述光源是发光二极管。
11.根据权利要求9所述的照明设备，其中所述光源是半导体激光器。
12.如权利要求1或2所述的设备，其中该光束成形设备进一步包括在第一、第二电极与液晶层之间的固体层，其中所述电极的导线的邻近部分之间的距离是p，所述固体层的厚度是dsolid，接触所述液晶层的衬底的电容率是εsub，并且平行于非常轴的液晶材料的电容率分量是εLC，
其中：
0.7＜a1＜12，其中a1＝εLC×dsolid/p，和/或
0.9＜a2＜3.6，其中a2＝εLC/εsub。
13.如权利要求12所述的设备，进一步包括液晶层与第一和第二电极相反的那一侧上的导体层。
14.如权利要求13所述的设备，进一步包括设在电极和导体层之间的第二绝缘体层，该第二绝缘体层具有厚度dground，其中：
0.9＜b1＜14.4且0.4＜b2＜6.4，其中b1＝εLC×dsolid/P且b2＝εLC×dground/p。
15.如权利要求13所述的设备，进一步包括控制装置，其用于向导体层施加可变电压，该控制装置适合于：向所述第一电极施加第一交流电压；以及向所述第二电极施加第二交流电压，其中所述第一和第二交流电压反相但具有相同频率，并且其中该可变电压具有不同相位或具有更高频率。
16.如权利要求13所述的设备，进一步包括控制装置，其用于向所述导体层施加直流电压，并且其中该控制装置适合于：向第一电极施加第一交流电压；以及向第二电极施加第二交流电压，其中第一和第二交流电压中的每一个都包括第一和第二叠加分量，第一和第二电压的第一分量反相但具有相同频率，第二分量相同但具有不同相位或具有更高频率。
17.如权利要求1或2所述的设备，进一步包括在电极区域中的不透明层，并与光束成形效果最小的区域对准，该不透明层至少当在透镜化模式下驱动该设备时是不透明的。
18.如权利要求17所述的设备，其包括分析器，该分析器位于液晶层与第一和第二电极相反的一侧上，该分析器配置成使得在该设备的透镜化模式中，行进通过该设备并且在分析器处于电极位置的那一侧处离开LC层的光至少部分地被该分析器阻挡。
19.一种可切换的自动立体显示设备，其包括：
显示面板，其具有用于进行显示的显示像素元素的阵列，该显示像素元素以成行和成列的方式布置；以及
成像装置，其将来自不同像素元素的输出引导到不同的空间位置，从而能够观看立体图像，其设置成同时引导进入观众双眼的显示像素输出，
其中该成像装置在电学上可在2D模式和3D模式之间切换，并且包括如权利要求1、2或16至18所述的光束成形设备。
20.一种控制光束成形设备(1；31)的方法，该光束成形设备包括第一光学透明衬底(3；33)和第二光学透明衬底(4；37)、夹在这两个衬底之间的液晶层(2；36)，以及设置在所述液晶层(2；36)面向所述第一衬底(3；34)的那一侧上的第一电极(5；34)和第二电极(6；35)，其中该方法包括以下步骤：
控制该光束成形设备以通过在所述第一电极(5；34)和第二电极(6；35)两端施加电压(V)由此生成面内电场来允许光沿着垂直于所述光束成形设备的方向穿过所述光束成形设备，其中所述电极(5，6；34；35)的邻近部分之间的所述电场段基本上平行于所述液晶层(2；36)，并且其中所述段中的场基本上贯穿所述液晶层从所述第一衬底(3；34)延伸到所述第二衬底(4；35)。
21.如权利要求20所述的方法，其中该光束成形设备进一步包括位于液晶层与电极相反一侧上的导体层，该方法进一步包括向所述第一电极施加第一交流电压并向所述第二电极施加第二交流电压。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括向该导体层施加可变电压，并且其中第一和第二交流电压反相但具有相同频率，其中该可变电压具有不同的相位或具有更高频率。
23.如权利要求21所述的方法，进一步包括向该导体层施加直流电压，并且其中第一和第二交流电压中的每一个都包括第一和第二叠加分量，第一和第二电压的第一分量反相但具有相同频率，第二分量相同但具有不同的相位或具有更高频率。
24.如权利要求20至23中任一项权利要求所述的方法，其用于控制如权利要求19所述的自动立体显示设备。
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