CN103403606B - 可切换成像光学设备和显示器 - Google Patents

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Abstract

可切换成像设备（1）具有设备执行成像功能的操作的第一模式和与第一模式不同的操作的第二模式，例如非成像模式。在操作的第一模式中，该设备包括执行透镜作用的至少一个第一区域和至少部分吸收穿过第二区域或者每个第二区域的光的至少一个第二区域。可切换成像设备（1）可以布置在穿过图像显示面板（4）的光的路径中。通过将该可切换成像设备控制在其第一模式或者第二模式，提供可以在诸如自动立体化3D显示模式的定向显示模式或者2-D显示模式工作的显示器。

Description

可切换成像光学设备和显示器
技术领域
本发明涉及在自动立体化(无眼镜)3D显示器和其它多视图显示器中使用的可切换成像光学装置。
背景技术
许多年来，人们一直尝试创建更好的自动立体化3D显示，本发明提供在该领域中的进一步进展。自动立体化显示是在用户不需要佩戴眼镜的情况下给予立体化深度的显示。这通过向每只眼睛投射不同的图像来实现。自动立体化3D显示(下文中称为3D显示)可以通过使用诸如视差栅栏(parallaxbarrier)或者双凸透镜(lenticularlenses)的视差光学技术来实现。
在来自日本德岛大学的论文(“OptimumparametersandviewingareasofstereoscopicfullcolourLEDdisplayusingparallaxbarrier”,HirotsuguYamamotoetal.,IEICEtranselectron,volE83-cno10Oct2000)中详细描述了用于观看3D图像的视差栅栏技术的设计和操作。
图1a和1b示出了结合用于创建3D显示的图像显示器使用的视差栅栏技术的基本设计和操作。针对左眼和右眼的图像在该图像显示器的像素的交替列上交织。视差栅栏中的缝隙使得观看者能够从他们的左眼的位置仅看到左图像像素，并且从他们的右眼的位置仅看到右图像像素。
使用双凸透镜可以实现与图1a和1b所示相同的自动立体化3D效果。每个透镜基本等同于视差栅栏缝隙。图2a和2b示出了由双凸透镜和图像显示器构成的传统3D系统。
该透镜将图像显示器的适当像素对观看者的眼睛成像。如图2a和2b所示，来自左图像像素的光被导向查看者的左眼，来自右图像像素的光被导向查看者的右眼。一般将透镜的焦距设计为近似等于透镜像素分离距离(即透镜的焦距近似在像素的平面处)。
如US7813042B2所描述的，双凸透镜还可以具有位于透镜之间的光阻隔材料。光阻隔材料减少了来自透镜之间的光泄漏，因此改善了3D图像的质量。
在图1a和1b以及图2a和2b中示出的技术可以被配置为提供高质量3D模式。然而，许多应用还要求显示器在高质量2D模式下工作。使用在图1a至2b中示出的技术将产生具有图像显示的原始分辨率的一半的2D图像，这是非常不希望的。为了使图像显示器在2D模式下示出具有100%原始分辨率的图像，视差光学装置(视差栅栏或者双凸透镜)必须在基本不提供成像功能的第一模式(2D模式)到提供成像功能的操作的第二模式(3D模式)之间可切换。
在US7813042B2中公开了可切换视差栅栏技术的示例。然而，可切换视差栅栏技术具有视差栅栏在3D模式下吸收光、使透射率降低～65%的缺点。由于2D模式和3D模式具有显著不同的亮度，因此该低效率的光使用率是主要缺点。可以以增加电力消耗为代价来实现增强3D模式的亮度，这是非常不希望的，尤其对于移动产品。
在Commander等的论文(EOSTopicalDigestMeetings,MicrolensArrays,vol.5(1995),pp72-76)中公开了基于与液晶接触的物理透镜的可切换透镜技术的示例。
US6069650公开了一种与可切换透镜(与液晶接触的物理透镜)结合使用的图像显示器，用于创建在3D模式和2D模式之间可切换的显示系统。这种可切换透镜系统的优点是3D模式具有与2D模式近似相同的亮度。这种技术的第一个缺点是与可切换视差栅栏相比，可切换透镜的制造更复杂并且昂贵。这种技术的第二个缺点是2D模式图像质量劣化。因为液晶的折射率根据温度和波长以与透镜材料的折射率不准确匹配的方式变化，因此发生这种图像劣化。因此，产生导致可观察到的亮度不均匀的残留透镜效应。
WO05101855A1描述了使用可以与图像显示器结合使用的电润湿（electro-wetting）透镜，来实现可以在2D模式和3D模式之间切换的3D显示。这种系统的缺点是电润湿透镜的制造复杂并且昂贵。
液晶透镜(LC透镜)是使用传统液晶显示器(LCD)制造工艺的可切换透镜。US2007/0296911A1、US07375784和Takagi等的“30.3AutostereoscopicPartial2-D/3-DSwitchableDisplay”(SIDDIGEST2010pp436)公开了使用LC透镜的3D显示系统。上面描述的LC透镜技术具有因为LC透镜的3D串扰的程度劣于可切换视差栅栏技术，因此3D模式的质量不高的缺点。
在US2008/0266387A1中公开了一种电极结构，其使得能够由单个LC层在第一取向上经由LCGRIN透镜实现第一3D模式，并且在第二取向上经由LCDGRIN透镜实现第二3D模式，其中，第一和第二取向正交。
在US2009/0244682、US2010/0026920、GB2455614和US2011/0032438中也提出了使用LC透镜。US2011/0032438提出了在LC透镜中出现中断的区域处设置光阻隔构件。
发明内容
本发明的第一方面提供一种可切换成像光学设备，所述成像光学设备具有对偏振的入射光进行方向转换的操作的第一模式和与所述第一模式不同的对偏振的入射光不进行方向转换的操作的第二模式；其中，所述成像光学设备具备：第一基板，其入射从偏振光源向第一方向照射的光，并且具有第一电极层和配置为使液晶材料在所述第一方向上取向的第一液晶取向层；所述液晶材料；第二基板，其具有第二电极层和配置为使所述液晶材料在与第一方向不同的第二方向上取向的第二液晶取向层；以及偏振元件，其具有所述第二方向的透射轴，在所述操作的第一模式中，所述液晶材料具备执行透镜作用的至少一个第一区域和与所述第一区域不同的至少一个第二区域，所述偏振光源和所述偏振元件与所述第二区域协作，以至少部分吸收穿过所述第二区域的光而形成视差栅栏。第一模式可以是定向显示模式，例如自动立体化3-D显示模式。
实际上当光通过真实偏振器时，固有地出现一些小程度的光吸收是当然的情况。为了避免疑问，应当理解，在第一模式下，偏振器对通过电光层的第二区域的光的吸收大于该固有吸收。与对通过第一区域的光相比，偏振器对通过第二区域的光具有更大的吸收。
本发明的第二方面提供一种可切换光学设备，其包括液晶层，在所述设备的一个工作模式中，所述液晶层具有块扭曲液晶取向；其中，通过跨所述液晶层施加非零电压，所述液晶层的至少一个第一区域可切换为在所述设备的第二工作模式中，具有与所述扭曲液晶取向不同的第二液晶取向，由此在所述液晶层中限定GRIN透镜。
本发明的第三方面提供一种显示器，包括图像显示面板和第一或者第二方面的可切换成像设备，所述可切换成像设备布置在穿过所述图像显示面板之后的光的路径中，即布置在图像显示面板和观察者之间。这通过将可切换成像设备控制在其第一模式或者第二模式，提供可以在诸如自动立体化3D显示模式的定向显示模式或者2-D显示模式工作的显示器。
本发明的一方面包括形成可切换成像光学设备的液晶胞元。可切换成像光学设备可以与图像显示器、例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器等结合使用，以获得具有至少两种工作模式的显示系统。在操作的第一模式(2D模式)中，光学元件不执行成像功能，由此使得能够在图像显示器上观看传统的高质量的2D图像。在操作的第二模式(3D模式)中，成像光学元件执行成像功能，使得能够在图像显示器上观看高质量的自动立体化3D图像。经由对液晶层施加电场，来实现2D模式和3D模式之间的切换。在3D模式中，光学元件形成GRIN透镜的阵列和视差栅栏的阵列。视差栅栏区域对光的透射进行衰减。GRIN透镜和视差栅栏的组合将来自图像显示器的像素的光对用户的眼睛进行成像。因此，用户能够在图像显示器上观看高质量的3D图像。
可切换成像光学设备将液晶视差栅栏技术的正面特征(低制造成本、2D模式中的高图像质量和3D模式中的低3D串扰)与可切换透镜系统的正面特征(3D模式中的高亮度)组合。因此，实现了供在3D和多视图应用中使用的高级可切换成像光学设备。由于可以改变视差栅栏与GRIN透镜的比例，并且针对任意给定应用进行定制，因此该可切换成像光学设备具有很大的设计灵活性。
为了实现前述和相关目标，本发明包括下文中全面描述并且在权利要求中特别指出的特征。下面的描述和附图详细叙述了本发明的特定说明性实施例。然而，这些实施例仅仅指示可以利用本发明的原理的多种方式中的几种。当结合附图考虑时，从以下对本发明的详细描述，本发明的其它目的、优点和新颖特征将变得明显。
附图说明
在附图中，相似的附图标记指示相似的部分或者特征。
图1a和1b：现有技术。
图2a和2b：现有技术。
图3a：可切换成像光学装置的第一基板的平面图。
图3b：可切换成像光学装置的第一基板的侧视图。
图4a：可切换成像光学装置的第二基板的平面图。
图4b：可切换成像光学装置的第二基板的侧视图。
图5a：可切换成像光学装置的平面图。
图5b：可切换成像光学装置的侧视图。
图6：可切换成像光学装置和图像显示器。
图7：可切换成像光学装置和图像显示器。
图8：可切换成像光学装置驱动方案1。
图9：可切换成像光学装置驱动方案2。
图10：驱动方案1的相对于视角的辉度的图示。
图11：驱动方案1的相对于视角的3D串扰的图示。
图12：驱动方案2的相对于视角的辉度的图示。
图13：驱动方案2的相对于视角的3D串扰的图示。
图14：驱动方案1和驱动方案2的相对于视角的3D串扰的图示。
图15a：4V处的模型化可切换成像光学装置。
图15b：6V处的模型化可切换成像光学装置。
图16：GRIN透镜焦点和视差栅栏的显微图。
图17：可切换成像光学装置的平面图。
图18：可切换成像光学装置的平面图。
图19：可切换成像光学装置的平面图。
图20a：可切换成像光学装置的平面图1。
图20b：可切换成像光学装置的平面图2。
图21a：可切换成像光学装置的第二基板的平面图。
图21b：可切换成像光学装置的第二基板的侧视图。
图22a：可切换成像光学装置的平面图。
图22b：可切换成像光学装置的侧视图。
图23：可切换成像光学装置驱动方案。
图24a：可切换成像光学装置的平面图。
图24b：可切换成像光学装置的侧视图。
图25a：人像(竖直)取向的图像显示器。
图25b：风景(水平)取向的图像显示器。
图26a：第一取向的可切换成像光学装置驱动方案。
图26b：第二取向的可切换成像光学装置驱动方案。
图27a：可切换成像光学装置的平面图。
图27b：可切换成像光学装置的侧视图。
图28a：第一取向的可切换成像光学装置驱动方案。
图28b：第二取向的可切换成像光学装置驱动方案。
图29：相对于电极结构的边缘密封定位。
图30a：相对于电极结构的液晶间隔物的定位。
图30b：相对于电极结构的液晶间隔物的定位。
图31a：使用不倾斜可切换成像光学元件和对其子像素的寻址的多视图显示。
图31b：使用不倾斜可切换成像光学元件和对其子像素的寻址的多视图显示。
图31c：使用倾斜可切换成像光学元件和对其子像素的寻址的多视图显示。
图31d：使用倾斜可切换成像光学元件和对其子像素的寻址的多视图显示。
图32a：可切换成像的侧视图。
图32b：可切换成像的侧视图。
图33a：可切换成像的侧视图。
图33b：可切换成像的侧视图。
附图标记说明
1可切换成像光学设备
2液晶层
4图像显示器
5偏振器
6胶合层
7偏振器
8a3D模式下的2D-3D可切换显示设备
8b3D模式下的2D-3D可切换显示设备
9a左眼
9b右眼
11由电极层和取向层构成的第一基板
11b由电极层和取向层构成的第一基板
12由电极层和取向层构成的第二基板
21透镜阵列
21b物理透镜的图片
21c物理透镜的图片
22视差栅栏阵列
23图案化电极下面的液晶区域
24视差栅栏区域的功能形式(横向范围和亮度)
25GRIN透镜焦点的显微图
26视差栅栏的显微图
41图像显示器的第一基板
42图像显示器的第二基板
43图像显示器的像素
50液晶胞元边缘密封
51液晶胞元间隔物
111第一基板
112、112a、112b关于第一基板的电极层
113关于第一基板的取向层
121第二基板
122、122a、122b关于第二基板的电极层
1221a关于第二基板的第一电极层
123关于第二基板的取向层
124空间范围图像显示器
1221关于第二基板的电极的宽度
1222关于第二基板的电极的间距
1221b关于第二基板的电极的宽度
DS1第一电驱动方案
DS2第二电驱动方案
L1作为x的函数的辉度响应
L2作为x的函数的辉度响应
具体实施方式
参考图3a和3b、图4a和4b以及图5a和5b，制作包括液晶胞元的可切换成像光学设备1。参考图6和图7，然后，将可切换成像光学设备1与图像显示器4组合，以产生2D-3D可切换显示系统。
现在，参考图3a和3b、图4a和4b以及图5a和5b，描述可切换成像光学设备1的制作。分别用透明电极112、122，例如氧化铟锡(ITO)，涂覆第一基板111(在图3a中面朝上地示出)和第二基板121(在图4a中面朝上地示出)。如图4a所示，以预定方式将第二基板121的电极层122图案化。图4a中的虚线124示出了图像显示器4的像素化区域的近似空间范围。对于每个图像具有1个像素的2视图3D显示系统，电极的间距1222Pe被布置为图像显示器4的像素间距的大约两倍。为了针对视点进行校正，准确的电极间距1222Pe被布置为等于(2×Pi)/(1+s/e)，其中，Pi是图像显示器4的像素间距，s是图像显示器像素43和液晶层2之间的距离，e是眼分离距离(一般为65mm)。电极的宽度1221可以在电极间距1222的1%和65%之间。作为通用规则，发现将电极的宽度1221设置为与液晶层2厚度d相称产生良好的3D性能，并且为后续优化提供了基础。然后，分别用标准液晶取向层113、123，例如PI2555(DowCorning)，涂覆具有电极112的第一基板111和具有电极122的第二基板121。然后，以标准方式对取向层进行烘干和摩擦，以得到液晶材料的均匀平面取向。图3a示出了具有基本未图案化的电极和已摩擦的取向层(上面的取向层)以及用箭头示出的摩擦方向的第一基板。图4b示出了具有已图案化的电极和已摩擦的取向层(上面的取向层)以及用单箭头示出的摩擦方向的第二基板。参考图5a和5b，然后，将第一基板11(上面的取向层)和第二基板12(下面的取向层)彼此面对地间隔开预定距离，并且各取向层摩擦方向以90°彼此定向。注意，因为现在作为下面的层示出了取向层，因此第二基板12的摩擦方向在垂直平面上是镜像的，因此当从上方看时，摩擦方向现在作为而出现。然后，将第一基板11和第二基板12间隔开预定距离d并胶合在一起(Norland光学粘合剂91)以形成胞元，然后将液晶材料2注入胞元中。可以根据公式d=W2/(8×f×Δn)得出液晶层2的厚度d的第一近似值，其中，W是透镜宽度(对于该示例W≡Pe)，f是透镜在空气中的焦距，并且Δn是液晶材料的双折射率。透镜的焦距被布置为近似在图像显示器43的像素的平面处。该液晶材料是液晶和例如MDA-03-272A(Merck)的手性掺杂剂和例如R811(Merck)的手性掺杂剂的混合物。获得的液晶混合物的手性间距通常明显大于(～x20)液晶胞元的厚度。当不对电极112、122施加电压时，手性掺杂的液晶混合物以标准方式与已摩擦的取向层协作，以形成从第一基板11到第二基板12扭曲90°的均匀液晶结构。可选地，可以不使用手性掺杂剂而使用第一基板11和引入可感知表面预倾角(>～2°)的第二基板12上的液晶取向层，来实现从第一基板11到第二基板12扭曲90°的均匀液晶结构。这完成了可切换成像光学设备1的制作。
参考图6，将可切换成像光学设备1与图像显示器4组合，以实现第一可切换2D-3D显示系统8a。由下基板41、像素层43、上基板42和用于控制偏振的膜5构成的图像显示器4被布置为使得从图像显示器4输出的光线性地偏振，并且与可切换成像光学设备1的下面的基板的摩擦方向平行地定向。可切换成像光学设备1的下面的基板(即最靠近图像显示器4的基板)可以是第一基板11或者第二基板12。用于控制偏振的膜5可以是固有的或者外来的，用于操作图像显示器4。然后，使用光胶6，例如Norland光学粘合剂65，将可切换成像光学设备1粘附到图像显示器4，以形成2D-3D可切换显示系统。对于2视图3D显示系统，根据公式s=(Vd.Pi.n)/e布置图像显示器的像素和可切换成像光学设备的液晶层之间的距离s，其中，Vd是显示系统的希望的观看距离，Pi是图像面板4上的像素的间距，e是眼分离距离(一般e～65mm)，并且n是图像显示器4的像素和可切换成像光学设备1的液晶层2之间的材料的平均折射率(一般n～1.52)。对于自动立体化3D图像的观看，图像面板4使针对左眼和右眼的像素信息在交替的像素上交织。可切换成像光学设备1相对于图像显示器4的横向位置被布置为使得轴上用户用他们的右眼9a接收右眼像素信息R，并且用他们的左眼9b接收左眼像素信息L。
参考图7，将可切换成像光学设备1与图像显示器4组合，以实现第二可切换2D-3D显示系统8b。除了对可切换2D-3D显示系统8b(图7)粘附的线性偏振器7的增加之外，可切换2D-3D显示系统8a和8b相同。线性偏振器7被粘附到可切换成像光学设备1的最外的基板(距图像显示器4最远的基板)，使得线性偏振器7的透射轴相对于线性偏振元件5的透射轴以90°取向。因此，偏振元件5和7交叉；因此，需要可切换成像光学设备1转换或者旋转通过其的光的偏振状态，以使光射出偏振器7。这完成了可切换2D-3D显示系统8a和8b的制作。
参考图8，提出了可切换成像光学设备1的第一驱动方案DS1。在第一电极112和第二电极层122之间的电势差为零的情况下，可切换成像光学设备1不执行成像功能，因此显示系统8a和8b使得能够观看具有图像显示器4的完全原始分辨率的2D图像。实际上，这通过对第一电极112和第二电极122两者施加0伏来实现。为了使得能够在显示系统8a和8b上观看3D图像，3D图像内容必须寻址到图像显示器4，并且可切换成像光学设备1必须被切换为执行成像功能。经由在第一电极112和第二电极122之间施加V1伏的电势差，来激活成像功能，其中，V1是均方根(rms)电压。一般来说，V1一般在2V和15V之间，优选值为大约3-7V。可以对电压V1进行调整，以在现场优化给定显示系统8a和8b的3D性能。与根据标准液晶驱动方案相同，为了防止图像残留，在保持施加的电压的幅值的同时改变施加的电压的极性(在25Hz和1000Hz之间)是有利的。
参考图9，提出了可切换成像光学设备1的第二驱动方案DS2。经由在时间T1内在第一电极112和第二电极122之间施加V2伏的电势差之后，在第一电极112和第二电极122之间施加V1伏的电势差，来激活成像功能。电压V1和V2是rms电压。一般来说，V2在10V和80V之间，优选值为大约50V。一般来说，T1在0.2秒和6秒之间，优选值为大约2秒。一般来说，V1在2V和15V之间，优选值为大约4-7V。可以对电压V1进行调整，以在现场优化给定显示系统8a和8b的3D性能。在时间T1期间，使新的液晶结构成核。成核的LC结构在V1伏极其稳定。为了防止图像残留，与根据标准液晶驱动方案相同，在保持施加的电压的幅值的同时改变施加的电压的极性(在25Hz和1000Hz之间)是有利的。
显微分析揭示了当在来自电极边缘的边缘电场附近出现液晶胞元间隙梯度时，可能形成不希望的液晶结构。边缘密封(胶线)的图案化和/或液晶胞元间隔物的图案化可以防止在来自电极边缘的边缘电场附近出现的液晶胞元间隙梯度。
为了防止不希望的液晶结构的形成，任选地，可以将边缘密封(胶线)定位为远离来自电极122的边缘的边缘电场的附近。参考图29，可以将边缘密封50(虚线)定位为在电极122顶部并且远离电极122的边缘。可选地，可以不将边缘密封(50)定位为在电极122顶部并且远离电极122的边缘，例如在基板边界(图29中的实线)附近。
另外或者可选地，为了防止不希望的液晶结构的形成，可以任选地将液晶胞元间隔物定位为在远离来自电极122的边缘的边缘电场的附近。参考图30a和图30b，液晶胞元间隔物51可以被定位为远离电极122的边缘。液晶胞元间隔物51可以被定位在电极指之间(图30a)，和/或液晶胞元间隔物51可以被定位在电极指顶部(图30b)。可以使用光刻技术将液晶胞元间隔物图案化。液晶胞元间隔物的形状可以是圆形、圆柱形、矩形等。液晶胞元间隔物的形状可以是规则和/或不规则的。间隔物的分布可以是均匀或者不均匀的。液晶胞元间隔物的密度分布应当足够高，以确保可靠、均匀的胞元间隙。液晶胞元间隔物的密度分布应当足够低，以确保仍然获得良好质量的光学元件的成像。液晶胞元间隔物的面积密度可以在10%到0.01%的范围内。
使用下面的参数构造并驱动下面的可切换2D-3D显示系统：液晶厚度d=20μm、液晶双折射率Δn=0.20、液晶的手性间距=400μm、电极宽度1221=16μm、电极间距Pe=206.686μm、像素间距Pi=103.5μm、第一基板(上面的取向层)的摩擦方向第二基板(上面的取向层)的摩擦方向s=950μm、V1=5V、V2=50V、T1=3s。在图10、图11、图12、图13和图14中示出了记录Vd～400mm处的光学响应的图示。
参考图6、图7和图8，在图10中示出了使用驱动方案1(DS1)驱动的显示系统8a(圆形)和8b(方形)的依赖于角度的亮度。在图像显示器4上显示的图像包含接通的左眼像素和关断的右眼像素。在-4°和-5°之间，根据图10算出显示系统8b(方形)的峰亮度比显示系统8a(圆形)暗大约～7%。因此，在3D模式亮度方面，在使用驱动方案1(DS1)的显示系统8a(圆形)和8b(方形)之间存在很小的差。
在图11中示出了使用驱动方案1(DS1)驱动的显示系统8a(圆形)和8b(方形)的自归一化的3D串扰的图示。图11从图10得出，其示出了右眼看到的左眼信息的量(3D串扰)。在3°和6.5°之间，从图11很清楚，显示系统8b(方形)的3D串扰比显示系统8a(圆形)低。因此，显示系统8b(方形)展示比显示系统8a(圆形)更好质量的3D模式。
参考图6、图7和图9，在图12中示出了使用驱动方案2(DS2)驱动的显示系统8a(三角形)和8b(菱形)的依赖于角度的亮度。在图像显示器4上显示的图像包含接通的左眼像素和关断的右眼像素。在-4°和-5°之间，根据图10算出显示系统8b(菱形)的峰亮度比显示系统8a(三角形)暗大约～7%。因此，在3D模式亮度方面，在使用驱动方案2(DS2)的显示系统8a(三角形)和8b(菱形)之间存在很小的差。
在图13中示出了使用驱动方案2(DS2)驱动的显示系统8a(三角形)和8b(菱形)的自归一化的3D串扰的图示。图13从图12得出，其示出了右眼看到的左眼信息的量(3D串扰)。在3°和6.5°之间，从图13很清楚，显示系统8b(菱形)的3D串扰比显示系统8a(三角形)低。因此，显示系统8b(菱形)展示比显示系统8a(三角形)更好质量的3D模式。
为了完整，在图14中示出了使用驱动方案1DS1(方形)和驱动方案2DS2(菱形)驱动的显示系统8b的自归一化3D串扰的图示。在3°和6.5°之间，从图14很清楚，驱动方案2(菱形)的3D串扰比驱动方案1(方形)低得多。因此，当使用驱动方案2(DS2)驱动时，显示系统8b展示更好质量的3D模式。然而，驱动方案1具有实现起来比驱动方案2更简单并且更便宜的优点。驱动方案1还具有切换到3D模式比驱动方案2更快的优点。完全可以想到，对诸如驱动电压、胞元厚度、电极宽度、摩擦状况、LC材料等的LC胞元参数的进一步优化，将使得能够使用驱动方案1和驱动方案2实现类似的3D性能。
参考图15a，可切换光学成像设备1的液晶层2被模型化。电极122的宽度是20μm，液晶层的厚度是20μm，液晶层的双折射率(Δn)是0.20。液晶的表面取向方面与在图5中描绘的相同。电极112被设置到0V，并且电极122被设置到4V(即V1=4V)。位于电极122下方的液晶区域23基本垂直地取向并且平行于由电极122、112产生的电场线。由于如在图7中描绘的交叉偏振器的取向(偏振器轴与表面液晶取向方向对准)，产生的液晶层2的轴上光透射率L1在电极122的空间位置示出了透射率22的跌落。因此，可切换光学成像设备1产生吸收光的可切换视差栅栏。如L1所示，视差栅栏吸收的光的量在x方向上改变。图案化电极122之间的液晶分子的倾角θ随着x改变，因此还实现了渐变折射率(GRIN)透镜结构。GRIN透镜的边缘位于电极122的下面，并且GRIN透镜结构的中间位于电极122之间。可切换光学成像设备1的成像性质是可切换视差栅栏区域和可切换GRIN透镜区域的函数。通过去除最上面的偏振器7，由于不存在吸收从可切换光学成像设备1射出的光的偏振器，因此也去除了可切换光学成像设备1的视差栅栏部分。参考图6，可切换光学成像设备1仅作为可切换GRIN透镜工作。参考图7，可切换光学成像设备1作为可切换GRIN透镜和可切换视差栅栏工作。参考图11和图13，显示系统8b的3D串扰优于显示系统8a，因此虽然可切换光学成像设备1的特征是任选的，但是可切换视差栅栏是理想的。
除了电极122上的电压增大到6V(即V1=6V)之外，图15b描绘了与图15a所示相同的光学部件的布置。电压的增大导致更多液晶分子在电极122下方垂直地取向23，这通过增大视差栅栏区域24的横向范围而改变了轴上透射函数L2的细节。电压的增大还改变了位于电极122之间的液晶分子的倾斜函数形式，这继而也改变了GRIN透镜区域的成像性质。因此，证明了通过改变电压V1，可以控制由视差栅栏的第一空间区域和GRIN透镜的第二空间区域支配的可切换光学成像设备1的成像性质，因此针对给定显示系统8a和8b对成像性质进行优化。通过研究图15a和15b，直观地看到，通过改变电极122的宽度，还将改变视差栅栏区域的横向范围。电极122的宽度的增大对应于视差栅栏区域22、24的横向范围的增大。电极122的宽度还影响可切换光学成像设备1的成像性质，因此可以针对给定显示系统8a和8b对成像性质进行优化。
图16从顶部到底部描绘了可切换光学成像设备1的液晶层2的模型化、透镜阵列21和视差栅栏阵列22、GRIN透镜焦点25的显微图以及视差栅栏26的显微图。对象2、21和22横向取向(相同的x位置)，使得液晶层2的模型化能够与对透镜21和视差栅栏的描绘一致。对象2、25和26也横向取向(相同的x位置)，使得液晶层2的模型化能够与透镜焦点25和视差栅栏26的显微图一致。施加的电场使电极122下面的液晶基本垂直地取向，并且显微图26示出了产生的视差栅栏的宽度。该显微图示出了GRIN透镜的焦点位置出现在视差栅栏区域之间。为了帮助对可切换光学成像设备1的操作的理解，示出了透镜阵列21和视差栅栏阵列22的示意表示。
注意，在图16中以仅仅彼此接触的方式示出了两个GRIN透镜。两个相邻的GRIN透镜是否彼此接触取决于电极122的宽度，如果电极122较宽，相邻的GRIN透镜彼此不接触，从而在相邻的GRIN透镜之间存在间隙。然而，因为光衰减区域与相邻的GRIN透镜之间的间隙一致，因此在相邻的GRIN透镜之间存在间隙不影响光学性能，由此防止光串扰。(假设所有电极122仍然具有彼此相同的宽度，增大电极122的宽度不影响GRIN透镜的顶点的位置。)
参考图5a和5b，存在无穷数量的方式可以定向第一基板11(上面的取向层)和第二基板12(下面的取向层)，使得第一基板11和第二基板12的取向层摩擦方向(用箭头示出)可以以90°彼此定向。图17、图18和图19示出了当组装到液晶胞元中时，各自使第一基板11的摩擦方向相对于第二基板12以90°取向的另外3个配置。针对图17、图18和图19描述的摩擦方向与当从上方看时的组装的可切换成像光学设备1有关。图17示出了基板11上的的摩擦方向和基板12上的的摩擦方向。图18示出了基板11上的的摩擦方向和基板12上的的摩擦方向。图19示出了基板11上的的摩擦方向和基板12上的的摩擦方向。将进入可切换光学成像设备1的光的偏振状态布置为线性偏振并且在与遇到的第一个基板(即最靠近图像显示器4的基板)上的摩擦方向平行的方向上是理想的。来自图像显示器4的光遇到的第一个基板可以是可切换光学成像设备1的第一基板11或者第二基板12。可以将线性偏振器7粘附到基板1的外面，使得透射轴与来自偏振元件5的光的透射轴垂直(交叉)。发现通过图18描述的摩擦状况使得可切换成像光学设备1在低光学3D串扰、低切换电压以及快速2D→3D切换和快速3D→2D切换方面产生特别良好的性能。通过图18描述的摩擦状况产生平行于条形电极122的位于液晶层的中心(即在d/2处)的液晶分子的分子取向。在跨液晶层施加零电势差的情况下，摩擦状况可以单独限定扭曲结构的旋向性。可选地，可以向液晶材料添加手性掺杂剂，其进一步与摩擦状况协作，以限定扭曲结构的旋向性。参考图18，应当使用右手手性掺杂剂，例如R811(Merck)，从而右手手性掺杂剂与摩擦状况协作。通过图18描述的摩擦状况使得可切换成像光学设备1能够使用如通过图8描述的驱动方案1(DS1)以一般在2V和15V之间，优选大约2-5V的值的V1以低3D串扰切换到3D模式。使用驱动方案1(DS1)来实现低串扰性能优于使用驱动方案2(DS2)。
参考图5a和5b，存在无穷数量的方式可以摩擦并定向第一基板11(上面的取向层)和第二基板12(下面的取向层)，使得第一基板11和第二基板12的取向层摩擦方向(用箭头示出)可以以90°的角度彼此定向。此外，虽然图5a示出了以90°的角度彼此定向的第一基板11和第二基板12的取向层摩擦方向，但是本发明不限于此，第一基板11和第二基板12的取向层摩擦方向可以以小于90°的角度彼此定向。存在无穷数量的方式可以摩擦并定向第一基板11(上面的取向层)和第二基板12(下面的取向层)，使得第一基板11和第二基板12的取向层摩擦方向可以以小于90°的角度彼此定向。使用小于90°的第一基板11(上面的取向层)和第二基板12(下面的取向层)之间的摩擦角度，例如85°或80°，将偏置液晶扭曲的旋向性。如果使用小于90°的第一基板11和第二基板之间的摩擦角度，则优选确保任意液晶预倾角和/或任意液晶手性掺杂剂与由液晶扭曲角度提供的偏置旋向性协作。使用使得液晶扭曲角度能够在范围内的摩擦角度，有助于防止形成不希望的液晶结构。在射出偏振器7的透射轴的取向优选被布置为与上面的基板上的摩擦方向基本平行地定向的同时，入射到LC层2上的线性偏振光的取向优选被布置为与下面的基板11上的摩擦方向基本平行地取向。
现在，参考图3a和3b、图21a和21b以及图22a和22b，描述根据本发明的另一实施例的可切换成像光学设备1b的制作。可切换成像光学设备1b由如在图3a和3b中示出并且先前描述的第一基板11以及如在图21a和21b中示出的第二基板12b构成。第二基板12b由具有宽度1221a的第一电极122a和具有宽度1221b的第二电极122b构成。第一电极122a和第二电极122b相互交错，并且在电学性质彼此不同。图21a中的虚线124示出了图像显示器4的像素化区域的近似空间范围。作为通用规则，发现将第二电极的宽度1221b设置为与液晶层2厚度d相称产生良好的3D性能，并且为后续优化提供了基础。作为通用规则，将区域124内的第一电极122a和第二电极122b之间的间隙1221c布置为与液晶层2的厚度d相称，并且为后续优化提供了基础。基板12b的所有其它特征(取向层、摩擦状况等)与先前描述了细节的如图4a和4b所示的第二基板12相同。在图22中示出了可切换成像光学设备1b的后续构造。根据先前描述的制作过程，第一基板11(上面的取向层113)和第二基板12b(上面的取向层123)以预定距离d间隔开，其中，取向层彼此面对并且胶合，使得各自的摩擦方向以90°彼此定向。根据先前描述的制作过程，然后，将液晶材料注入到产生的胞元中，并且将可切换成像光学设备1b粘附到图像显示器4，以产生分别如图6或图7所示的可切换2D-3D显示系统8a和8b。现在，参考图23描述2D模式和3D模式之间的切换。在时间Ton，可切换光学成像设备1b从非成像状态(2D模式)转变为成像状态(3D模式)。在时间Ton，对电极122a施加电压V122a，对电极122b施加电压V122b，并且对电极112施加电压V112。将电极122a(基板12b)和电极112(基板11)之间的电势差设置为在液晶的切换阈值(VTH)以下。切换阈值一般在1和2伏之间。可以将电极122a(基板12b)和电极112(基板11)之间的电势差设置为零伏。可选地，可以不设置电极122a上的电压，而允许其具有浮动值。可以在范围2V至40V内调整电极122b(基板12b)和电极112(基板11)之间的电势差，以优化性能，优选值为大约5V。参考图23，例如，可以通过对电极122a施加800mV、对电极122b施加5V并且对电极112施加0V，来激活可切换光学成像设备1b的成像功能。与根据标准液晶驱动方案相同，为了防止图像残留，在保持施加的电压的幅值的同时，以在25Hz和1000Hz之间的频率改变施加的电压的极性是有利的。如果对电极122a和电极122b施加极性交替的电压，则可以对122a和电极122b施加的电压同相是有利的。
图21a和21b的设备也是在第一成像模式下可选择性地操作，在第一成像模式中，该设备包括至少一个进行透镜作用的区域和至少一个至少部分地衰减通过该第二区域或每个第二区域的光的区域，优选包括多个进行透镜作用的区域和多个至少部分地衰减光的区域，以限定视差栅栏。对于图23的驱动方案，将光衰减区域限定在薄电极122b下方，并且GRIN透镜的顶点在宽电极122a下方。与在图5a和5b的实施例中相同，相邻GRIN透镜的边缘是否彼此相遇，取决于薄电极122b的宽度。
现在，参考图21a和21b、图24a和24b、图25a和25b以及图26a和26b，描述根据本发明的另一实施例的可切换成像光学设备1c的制作。可切换成像光学设备1c选择性地在其主要在第一取向上进行透镜和视差栅栏作用的第一成像模式下和在其主要在第二取向上进行透镜和视差栅栏作用的第二成像模式下以及在针对任何取向不进行成像或基本不进行成像的模式下可操作。可以将第一取向和第二取向布置为彼此正交。因此，可以实现可切换2D-3D显示系统，由此显示系统可在2D模式、第一3D模式和第二3D模式之间切换。参见图25a，在第一3D模式下，当图像显示器4处于人像(竖直)取向时，观看3D图像。参见图25b，在第二3D模式下，当图像显示器4处于风景(水平)取向时，观看3D图像。先前参考图21a和21b描述了关于可切换成像光学设备1c的基板12b的制作。参考图24a和24b，基板11b的细节(电极布置、取向层、摩擦方向)与基板12b相同。参考图24a和24b，示出了由基板11b(上面的取向层)和基板12b(上面的取向层)形成的可切换成像光学设备1c，并且制作过程与先前所描述的相同。使用如先前所描述的制作过程，实现光学可切换成像光学设备1c与图像显示器4的后续集成，以形成可切换2D-3D显示系统(8a和8b)。现在，参考图26a和26b描述2D模式和3D模式之间的切换。在时间Ton，可切换光学成像设备1c从非成像状态(2D模式)转变为成像状态(3D模式)。由图26a中的驱动方案示出了2D模式和第一取向的3D模式(例如人像3D模式)之间的切换。在时间Ton，对电极122a施加电压V122a，对电极122b施加电压V122b，对电极112a施加电压V112a，并且对电极112b施加电压V112b。电极112a和112b之间的电势差是零伏(使得电极112a和112b形成伪平面电极，也就是说，电极112a和112b一起作为在设备的整个有源区域上延伸的单个电极有效地起作用)。将电极122a(基板12b)与电极112a和112b(基板11b)之间的电势差设置为在液晶的切换阈值(VTH)以下。切换阈值一般在1和2伏之间，因此发现大约800mV的电极122a(基板12b)与电极112a和112b(基板11b)之间的电势差给出良好的性能。可以在范围3V至40V内调整电极122b(基板12b)与电极112a和112b(基板11b)之间的电势差，以优化性能，优选值为大约5V。参考图26a，因此，可以通过对电极122a施加800mV、对电极122b施加5V、对电极112a施加0V并且对电极112b施加0V，来激活可切换光学成像设备1c的成像功能。与根据标准液晶驱动方案相同，为了防止图像残留，在保持施加的电压的幅值的同时，改变施加的电压的极性(在25Hz和1000Hz之间)是有利的。如果针对人像取向的3D模式对电极122a和电极122b施加极性交替的电压，则可以对122a和电极122b施加的电压同相是有利的。这结束了如图26a中的驱动方案所示的2D模式和第一取向的3D模式(例如人像3D模式)之间的切换。由图26b中的驱动方案示出了2D模式和第二取向的3D模式(例如风景3D模式)之间的切换。在时间Ton，对电极122a施加电压V122a，对电极122b施加电压V122b，对电极112a施加电压V112a，并且对电极112b施加电压V112b。电极122a和电极122b之间的电势差是零伏(使得电极122a和122b形成伪平面电极，也就是说，它们一起作为在设备的整个有源区域上延伸的单个电极有效地起作用)。将电极112a(基板11b)与电极122a和122b(基板12b)之间的电势差设置为在液晶的切换阈值(VTH)以下。切换阈值一般在1和2伏之间，因此发现大约800mV的电极112a(基板11b)与电极122a和122b(基板12b)之间的电势差给出良好的性能。可以在范围3V至40V内调整电极112b(基板11b)与电极122a和122b(基板12b)之间的电势差，以优化性能，优选值为大约5V。参考图26b，因此，可以通过对电极112a施加800mV、对电极112b施加5V、对电极122a施加0V并且对电极122b施加0V，来激活可切换光学成像设备1c的成像功能。与根据标准液晶驱动方案相同，为了防止图像残留，在保持施加的电压的幅值的同时，改变施加的电压的极性(在25Hz和1000Hz之间)是有利的。如果针对风景取向的3D模式对电极112a和电极112b施加极性交替的电压，则可以对112a和电极112b施加的电压同相是有利的。这结束了如图26b中的驱动方案所示的2D模式和第二取向的3D模式(例如风景3D模式)之间的切换。
可选地，还可以通过使用如图4a和4b所示的上面的基板和如图4a和4b所示的下面的基板，来实现如先前所描述的可切换成像光学设备1c。可以利用驱动方案1(DS1)或者驱动方案2(DS2)，来获得第一取向(例如人像取向)的成像模式和第二取向(例如风景取向)的成像模式。
现在，参考图21a和21b、图25a和25b、图27a和27b以及图28a和28b，描述根据本发明的另一实施例的可切换成像光学设备1d的制作。可切换成像光学设备1d选择性地在其主要在第一取向上进行视差栅栏作用的第一成像模式下和在其主要在第二取向上进行透镜作用和视差栅栏作用的第二成像模式下以及在针对任何取向不进行成像或基本不进行成像的模式下可操作。可以将第一取向和第二取向布置为彼此正交。因此，可以实现可切换2D-3D显示系统，由此显示系统可在2D模式、第一3D模式和第二3D模式之间切换。在第一3D模式下，当图像显示器4处于人像(竖直)取向时，观看3D图像。在第二3D模式下，当图像显示器4处于风景(水平)取向时，观看3D图像。如果当可切换成像光学设备1d主要进行视差栅栏作用时，实现风景(水平)取向的3D模式，则当可切换成像光学设备1d主要进行透镜作用时，实现人像(竖直)取向的3D模式。如果当可切换成像光学设备1d主要进行透镜作用时，实现风景(水平)取向的3D模式，则当可切换成像光学设备1d主要进行视差栅栏作用时，实现人像(竖直)取向的3D模式。如果图像显示器4由标准布置的彩色子像素构成，使得在人像(竖直)取向上，子像素的任意给定行循环前进通过红色、绿色、蓝色、红色等，并且给定列的子像素具有单个颜色，则由于颜色伪像被最小化，因此优选可切换成像光学设备1d主要进行视差栅栏作用，以获得人像(竖直)取向的3D模式。先前参考图21a和21b描述了关于主要进行透镜作用的可切换成像光学设备1d的基板11b的制作，基板11与基板12b实质上相同。参考图27a和27b，关于主要进行视差栅栏作用的可切换成像光学设备1d的基板12c的制作，由具有宽度1221d的第一电极122d和具有宽度1221e的第二电极122e构成。电极122d和122e相互交错并且不同。电极宽度122e与122d的比(即1221e/1221d)一般在1到3的范围内。电极122d和122e之间的间隙1221c遵守与先前所讨论的相同的设计限制。参考图27a和27b，示出了由基板11b(上面的取向层)和基板12c(上面的取向层)形成的可切换成像光学设备1d，并且制作过程与先前所描述的相同。使用如先前所描述的制作过程，实现光学可切换成像光学设备1d与图像显示器4的后续集成，以形成可切换2D-3D显示系统(8a和8b)。现在，参考图28a和28b描述2D模式和3D模式之间的切换。在时间Ton，可切换光学成像设备1d从非成像状态(2D模式)转变为成像状态(3D模式)。由图28a中的驱动方案示出了2D模式和第一取向的3D模式(例如人像3D模式)之间的切换。在时间Ton，对电极122d施加电压V122d，对电极122e施加电压V122e，对电极112a施加电压V112a，并且对电极112b施加电压V112b。电极112a和电极112b之间的电势差是零伏。电极122d与电极112a(和电极112b)之间的电势差是零伏。电极122e与电极112a和112b之间的电势差在范围2V至40V内。参考图28a，因此，可以通过例如对电极122e施加20V、对电极122d施加0V、对电极112a施加0V并且对电极112b施加0V，来激活可切换光学成像设备1d的成像功能。与根据标准液晶驱动方案相同，为了防止图像残留，在保持施加的电压的幅值的同时，改变施加的电压的极性(在25Hz和1000Hz之间)是有利的。这结束了如图28a中的驱动方案所示的2D模式和第一取向的3D模式(例如人像3D模式)之间的切换。由图28b中的驱动方案示出了2D模式和第二取向的3D模式(例如风景3D模式)之间的切换。在时间Ton，对电极112a施加电压V112a，对电极112b施加电压V112b，对电极122d施加电压V122d，并且对电极122e施加电压V122e。电极122d和122e之间的电势差是零伏。将电极112a与电极122d和122c(基板12c)之间的电势差设置为在液晶的切换阈值(VTH)以下。切换阈值一般在1和2伏之间。可以将电极112a(基板11b)与电极122d和122e(基板12c)之间的电势差设置为零伏。可选地，可以不设置电极122a上的电压，而允许其具有浮动值。可以在范围2V至40V内调整电极112b(基板11b)与电极122d和122e(基板12c)之间的电势差，以优化性能，优选值为大约5V。参考图28b，例如，可以通过对电极112a施加800mV、对电极112b施加5V、对电极122d施加0V并且对电极122e施加0V，来激活可切换光学成像设备1d的成像功能。与根据标准液晶驱动方案相同，为了防止图像残留，在保持施加的电压的幅值的同时，改变施加的电压的极性(在25Hz和1000Hz之间)是有利的。这结束了如图28b中的驱动方案所示的2D模式和第二取向的3D模式(例如风景3D模式)之间的切换。
参考图9，希望液晶成核时间T1尽可能短，以方便在可切换成像光学设备1的非成像功能和成像功能之间进行快速切换。参考图9，还希望成核电压V2尽可能低。在以前的文献中已经描述了多种成核方案，因此这里仅简要地进行描述。可以利用层113和123上的图案化表面取向来对成核时间T1和电压V2进行优化。第一示例；可以将层113和/或层123图案化，以引入平面液晶取向(低液晶预倾角)和垂直液晶取向(高液晶预倾角)两者，这称为图案化天顶取向（patternedzenithalalignment）。第二示例；可以将层113和/或层123图案化，以针对至少2个不同的方向引入图案化平面取向(即图案化方位取向(patternedazimuthalignment))。在图20a(平面图1)和图20b(平面图2)中示出了图案化方位取向的具体示例，其中，已将第一基板11(上面的取向层)和第二基板12(下面的取向层)的表面取向图案化，图案化的间距等于基板12上的电极间距的一半(如虚线所示)。第一基板11上的两个图案化摩擦方向是在和第二基板12上的两个图案化摩擦方向是在和还在图20中示出了第一基板11和第二基板12的横向取向，使得和形成第一液晶取向区域，并且和形成第二液晶取向区域。当进行图案化表面取向处理时，不向液晶材料中添加手性掺杂剂可能是理想的。
参考图9，可以通过将液晶层2的厚度图案化来对成核时间T1和电压V2进行优化。可以利用聚合物网络来对成核时间T1和电压V2进行优化。例如，以低浓度(～1%-5%)向液晶2中添加活性液晶元(reactivemesogen)(RM84，Merck)。在V2处在T1内进行液晶成核。在初始成核时间段T1之后，用UV光对液晶和活性液晶元混合物进行曝光，并且在液晶层内形成聚合物网络。然后，以减小的T1和/或V2的值实现后续成核。
减小T1和V2的另一种方法是选择具有较高Δε的液晶材料，并且使液晶层的厚度d最小。
参考图6和图7，迄今为止描述的实施例涉及2视图显示系统。在2视图显示系统中，光学设备向位于光学远场的用户对2个不同的图像进行成像。通常，在前述实施例中描述的可切换成像光学设备1可以被设计为为了向位于光学远场的用户对n个图像进行成像的多视图显示系统而工作。
参考图6、图7、图25a、图25a，迄今为止描述的实施例涉及由透镜21和视差栅栏22部件构成的可切换成像光学设备1，其中，如图31a或者图31b所示，透镜21和视差栅栏22部件与图像显示器4的像素43的行或者列基本平行地取向。如果透镜21和视差栅栏22部件与图像显示器4的像素43的列基本平行地取向，则在基本与像素43的列垂直并且与像素43的行平行的平面中的像素上执行成像功能。为了观看诸如3D的多视图图像，用户的眼睛必须基本被定位在基本与像素43的列垂直并且基本与像素的行平行的平面内。
参考图31b，由透镜21和视差栅栏22部件构成的可切换成像光学设备1与图像显示器4的像素43的列基本对齐。光学元件的空间范围由虚线指示。对图像显示器4的像素43分配了上面的附标R、G或B，以指示子像素的颜色(R=红色、G=绿色、B=蓝色)，并且对像素43分配了下面的附标L或R，以分别指示是向左眼还是右眼对子像素进行成像。具有风景取向的图像显示器4(如图25b所示)可以具有包含相同颜色的子像素的像素的行(如图31b所示)和包含循环布置的彩色子像素(例如红色、绿色和蓝色)的子像素的列(如图31b所示)。如图31b所示的针对像素43的可切换成像光学设备1的布置，示出了向基本与列垂直并且与行平行的观看平面中的所有角度对所有彩色子像素进行成像。因此，在用户的眼睛被定位在用于查看多视图图像的平面中的情况下，用户将因此与观看角度无关地看到每种颜色的子像素。由此，图31b使得能够进行良好质量的多视图显示。
参考图31a，由透镜21和视差栅栏22部件构成的可切换成像光学设备1与图像显示器4的像素43的列基本对齐。光学元件的空间范围由虚线指示。对图像显示器4的像素43分配了上面的附标R、G或B，以指示子像素的颜色(R=红色、G=绿色、B=蓝色)，并且对像素43分配了下面的附标L或R，以分别指示是向左眼还是右眼对子像素进行成像。具有人像取向的图像显示器4(如图25a所示)可以具有包含循环布置的彩色子像素(例如红色、绿色和蓝色)的像素的行(如图31a所示)和相同颜色的子像素的列(如图31a所示)。如图31a所示的针对像素43的可切换成像光学设备1的布置，示出了向基本与列垂直并且与行平行的观看平面中的特定角度对特定彩色子像素进行成像。因此，在用户的眼睛被定位在用于查看多视图图像的平面中的情况下，用户将因此在特定观看角度看到特定颜色的子像素颜色。产生的多视图显示因此可能展示依赖于角度的彩色伪像，并且因此不能进行良好质量的多视图显示。为了减轻所描述的彩色伪像问题，可以以相对于行和列的倾斜角度定向由透镜21和视差栅栏22部件构成的可切换成像光学设备1，从而透镜21和视差栅栏22部件基本不再与行/列平行/垂直地取向。
参考图31c，由透镜21和视差栅栏22部件构成的可切换成像光学设备1以相对于图像显示器4的像素43的列大约20°的角度(假设白色像素为方形)对齐。(陈述白色像素为“方形”，意为合成构成白色像素的子像素(例如RGB显示器的红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素)以给出方形的白色像素。)根据透镜阵列21和视差栅栏阵列22水平横穿白色像素的1/3，并且同时垂直横穿整个白色像素的事实，得出取向角度。因此，透镜21和视差栅栏22部件的取向角度基本是tan-1(1/3)。可切换成像光学设备1的间距基本覆盖5个子像素。与寻址到子像素的图像数据(子像素=左眼图像数据或子像素=右眼图像数据或子像素=OFF)耦合的如图31c所示的相对于像素43的可切换成像光学设备1的布置，示出了在用户的眼睛被定位在用于查看多视图图像的平面中的情况下，用户将因此与观看角度无关地看到每种颜色的子像素。由此，图31c减轻了前述彩色伪像问题，使得能够进行良好质量的多视图显示。
参考图31d，由透镜21和视差栅栏22部件构成的可切换成像光学设备1以相对于图像显示器4的像素43的列大约12°的角度(假设白色像素为方形)对齐。根据透镜阵列21和视差栅栏阵列22水平横穿白色像素的2/3，并且同时垂直横穿3个白色像素的事实，得出取向角度。因此，透镜21和视差栅栏22部件的取向角度基本是tan-1(2/9)。可切换成像光学设备1的间距基本覆盖5个子像素。与寻址到子像素的图像数据(子像素=左眼图像数据或子像素=右眼图像数据或子像素=OFF)耦合的如图31d所示的相对于像素43的可切换成像光学设备1的布置，示出了在用户的眼睛被定位在用于查看多视图图像的平面中的情况下，用户将因此与观看角度无关地看到每种颜色的子像素。由此，图31d减轻了前述彩色伪像问题，使得能够进行良好质量的多视图显示。
参考图32a和图32b，由具有未图案化电极112(为了清楚省略取向层)的第一基板11和具有图案化电极122(为了清楚省略取向层)的第二基板12构成的可切换成像光学设备1创建透镜区域和视差栅栏区域。透镜区域的宽度近似与连续的电极122之间的间隙相称，并且基本位于电极122之间。视差栅栏区域的宽度近似与电极122的宽度相称，并且基本位于电极122下方。透镜区域和视差栅栏区域可以是不同的，或者可以重叠。参考图32a和图32b，对透镜区域的宽度(LW1或者LW2)和视差栅栏区域的宽度(BW1或者BW2)的控制基本由电极122的预定宽度来确定。图32a示出了相对于透镜区域的宽度具有窄宽度视差栅栏区域(LW1>>BW1或者LW1>BW1)的可切换成像光学设备1。图32b示出了具有相称宽度的视差栅栏区域和透镜区域(LW2～BW2)的可切换成像光学设备1。对于给定图像显示器4和多视图应用，图32a和图32b所示的设计存在各种优点和缺点。由于图32a中的视差栅栏的横向范围比图32b中的视差栅栏的横向范围小，因此图32a所示的设计优于图32b的优点在于诸如自动立体化3D图像的多视图图像将更亮。图32b所示的设计优于图32a的优点在于，液晶层厚度d2小于液晶层厚度d1(通常，可以根据公式d=W2/(8×f×Δn)得到液晶层2的厚度d的第一近似值)，其中，W是透镜宽度，f是透镜在空气中的焦距，并且Δn是液晶材料的双折射率—透镜的焦距被布置为近似在图像显示器的像素的平面处。因此，由于可以改变视差栅栏22与GRIN透镜21比率的比例，并且针对任意给定应用进行定制，因此可切换成像光学设备1具有很大的设计灵活性。
参考图33a和图33b，由具有未图案化电极112(为了清楚省略取向层)的第一基板11和具有图案化电极122(为了清楚省略取向层)的第二基板12构成的可切换成像光学设备1创建透镜区域和视差栅栏区域。透镜区域的宽度近似与连续的电极122之间的间隙相称，并且基本位于电极122之间。视差栅栏区域的宽度近似与电极122的宽度相称，并且基本位于电极122下方。透镜区域和视差栅栏区域可以是不同的，或者可以重叠。参考图33a和图33b，对透镜区域的宽度(LW3或者LW4)和视差栅栏区域的宽度(BW3或者BW4)的控制基本由电极122的预定宽度来确定。图33b示出了相对于透镜区域的宽度具有窄宽度视差栅栏区域(LW4>>BW4或者LW4>BW4)的可切换成像光学设备1。图33a示出了具有相称宽度的视差栅栏区域和透镜区域(LW3～BW3)的可切换成像光学设备1。当在电极122和电极112之间施加电压时，在电极122正下方的区域中的LC分子(未示出)被重新定向，以与电场对齐，并且与偏振元件(未示出)结合来限定视差栅栏区域。当跨电极122和电极112施加电压时，连续的电极122之间的区域中的LC分子(但是不在电极122正下方)被边缘电场重新定向，并且限定GRIN透镜区域。透镜区域中的LC分子的重新定向对于靠近电极122附近的LC分子最明显。图16中的LC模型化也示出了该效果。对于给定LC层厚度d3和透镜区域宽度LW3，边缘电场可以重新定向至少在从透镜区域的边缘到透镜区域的中心的一些范围的LC分子。由于由物理透镜形状21b近似LC透镜成像，因此该LC分子的重新定向由表示LCGRIN透镜的成像功能的图33a中的物理平面凸透镜21b的图片来表示。对于给定LC层厚度d3和透镜区域宽度LW4，边缘电场可以重新定向靠近电极122附近的LC分子，但是不重新定向透镜区域中心的LC分子。由于由图33a所示的物理透镜形状21c近似LC透镜成像，因此该LC分子的重新定向由图33a中的透镜21c的图片来表示。图33b的透镜形状21c具有在电极122附近的曲线区域和在透镜中心的非曲线区域。通过将LC层的厚度d3增大适当量，和/或通过增大电极122和112之间的电压，可以将图33b的透镜形状21c变换为透镜形状21b。对于给定成像应用，通常使LC层厚度2d3最小是理想的。因此，可以选择电极122的宽度，以在使LC层厚度2d3最小的同时，实现希望的成像效果。LC透镜可以具有与21b或21c类似或者在21b和21c之间某处的等同物理透镜形状。因此，由于可以改变视差栅栏22与GRIN透镜21比率的比例和GRIN透镜形状的物理等同，并且针对任意给定应用进行定制，因此可切换成像光学设备1具有很大的设计灵活性。
参考图4a和图5a，可以使用用作液晶胞元的基板的一个基板上的单个图案化电极122来形成可切换成像光学设备1。参考图21a和图22a，可以使用用作液晶胞元的基板的一个基板上的两个图案化电极1221a、1221b来形成可切换成像光学设备1。参考图24a，可以使用用作液晶胞元的基板的第一基板11b上的第一对图案化电极112b、112b和用作液晶胞元的基板的第二基板12b上的第二对图案化电极122a、122b来形成可切换成像光学设备1。液晶透镜技术领域的技术人员应当理解，可以在用作液晶胞元的基板的单个基板或者两个基板上利用多个独立可寻址的电极，以形成标准液晶GRIN透镜。因此，液晶透镜技术领域的技术人员应当理解，可以使用多个独立可寻址的电极，来形成由透镜21和视差栅栏22部件两者构成的新型可切换成像光学设备1。
虽然针对特定实施例示出并且描述了本发明，但是在阅读并且理解本说明书和附图后，本领域其它技术人员容易想到等同变化和变形。特别对于由上述元件(部件、组件、器件、成分等)执行的各种功能，即使在结构上不等同于所公开的执行本发明的这里的示例性实施例中的功能的结构，除非另外指出，否则用来描述这些元件的术语(包括称谓“意为”)也旨在对应于执行所描述的元件的指定功能(即在功能上等同)的任意元件。另外，虽然上面仅针对几个实施例中的一个或更多个描述了本发明的特定特征，但是如对于任意给定或者特定应用希望或者有利的，可以将该特征与其它实施例中的一个或更多个其它特征组合。
例如，在上述实施例中，旨在切换设备的整个有源区域。然而，本发明不限于此，而能够彼此独立地切换本发明的成像设备的不同空间区域。利用直接寻址、无源寻址或者有源寻址的图案化电极的使用是在图像显示器中使用的标准寻址方案，从而可以彼此独立地切换图像显示器的不同空间区域。图像显示器4的最小独立可寻址区域是子像素。这种寻址技术可以应用于本发明的可切换成像设备，以使得能够与设备的其它空间区域独立地切换设备的空间区域。因此，经由使用诸如图案化电极、无源寻址或者有源寻址的标准寻址方案，本发明的可切换成像光学设备可以被配置为具有可以被切换到成像模式的至少第一区域和可以与第一区域独立地被切换到非成像模式的至少第二区域。因此，可以实现2D-3D可切换显示设备，其中，设备的至少第一区域可以产生高质量的2D图像，同时设备的至少第二区域可以产生高质量的3D图像。具有大约270°的扭曲角度的可切换成像光学设备特别适合于经由标准无源寻址方案进行切换的区域。
在所述操作的第一模式中，所述设备可以包括多个第二区域，并且所述偏振元件可以与所述第二区域协作，以至少部分吸收通过每个第二区域的光，由此限定视差栅栏。这防止光学串扰，并且与透镜作用组合提供良好的定向显示模式。
在所述操作的第一模式中，所述第一区域或者每个第一区域可以包括GRIN透镜。
所述操作的第二模式可以是非成像模式，例如2-D显示模式。在非成像模式中，在设备中不限定透镜区域或者视差栅栏区域。
在所述第一模式中，所述第一区域或者至少一个第一区域可以与所述第二区域或者所述至少一个第二区域重叠。可选地，在所述第一模式中，所述第一区域或者每个第一区域可以与所述第二区域或者每个第二区域不重叠。
所述设备可以在所述第一模式和所述第二模式之间进行电切换。
所述电光层可以包括液晶材料。
第二区域或者每个第二区域可以通过布置为使射出第二区域的光具有与射出偏振器的透射轴基本不对齐的偏振面(或者主偏振面)，至少部分衰减穿过第二区域/每个第二区域的光。(“主偏振面”是指离开电光层的光是椭圆偏振，而不是线性偏振的情况；在这种情况下，光具有主偏振面和次偏振面两者，并且是射出第二区域的光的主偏振面应当与射出偏振器的透射轴基本不对齐。)
设备的操作需要入射到电光层上的光基本是平面偏振的，并且优选完全是平面偏振的。入射到电光层上的平面偏振光被布置为与第一基板的液晶取向方向基本平行地定向，并且优选完全平行地定向。为了确保这种情况，设备可以包括布置在到电光层的光的路径中的另一偏振器，使得电光层布置在形成输入偏振器和射出偏振器的两个偏振器之间(虽然在用基本线性偏振的光照射设备的情况下，设置输入偏振器原则上可能不是必须的)。输入偏振器(如果有)必须被布置为向电光层提供线性偏振光—然而，输入偏振器不一定是线性偏振器，例如其可以是圆偏振器。作为示例，在用来自用圆偏振器覆盖的图像显示面板的光照射设备的情况下，射出上面的圆偏振器(接合设备的圆偏振器)的光是线性偏振的。如果需要，还可以在显示器和电光层之间设置半波延迟器，以使射出上面的圆偏振器的线性偏振光旋转到针对设备的正确操作的适当角度，即与第一基板上的液晶取向方向平行。作为另一示例，在用来自用线性偏振器覆盖的图像显示面板的光照射设备的情况下，还可以在显示器和电光层之间设置半波延迟器，以使射出上面的线性偏振器的线性偏振光旋转到针对设备的正确操作的适当角度，即与第一基板上的液晶取向方向平行。
所述电光层可以布置在第一电极层和第二电极层之间，所述第一电极层包括平面电极层，并且所述第二电极层包括在第一方向上延伸并且在与所述第一方向相交的第二方向上间隔开的多个第二电极，其中，每个第二电极基本对应于所述设备的各自的第二区域。
所述第二电极层还可以包括在所述第一方向上延伸并且在所述第二方向上间隔开的多个第三电极，所述第二电极与所述第三电极相互交错。
当所述第一电极层和所述第二电极层跨所述电光层不施加电压时，所述设备可以处于所述第二模式。
可选地，所述电光层可以布置在第一电极层和第二电极层之间，所述第一电极层包括在第一方向上延伸并且在与所述第一方向相交的第二方向上间隔开的多个第一电极，并且所述第二电极层包括在所述第二方向上延伸并且在所述第一方向上间隔开的多个第二电极。这提供了附加地可以在作为另一成像模式的第三模式(与第一模式不同)下工作的可切换成像设备。例如，设备可以在第一和第三模式中沿着不同的方向进行成像。
所述第一电极层还可以包括在所述第一方向上延伸的多个第三电极，所述第三电极与所述第一电极相互交错。
所述第二电极层还可以包括在所述第二方向上延伸的多个第四电极，所述第四电极与所述第二电极相互交错。
电光层可以布置在第一电极层和第二电极层之间，第二电极层包括在第一方面上延伸并且在第二方向上间隔开的多个第二电极和第三电极，第二电极与第三电极相互交错。
可选地，电光层可以布置在第一电极层和第二电极层之间，第一电极层包括在第二方向上延伸并且在与第二方向交叉的第一方向上间隔开的多个第一电极和第四电极，第一电极与第四电极相互交错，并且第二电极层包括在第一方向上延伸并且在第二方向上间隔开的多个第二电极和第三电极，第二电极与第三电极相互交错。这提供了附加地可以在作为另一成像模式的第三模式(与第一模式不同)下工作的可切换成像设备。例如，设备可以在第一和第三模式中沿着不同的方向进行成像。
当所述设备处于所述第二模式时，所述液晶层可以具有扭曲取向。在一个有利实施例中，射出偏振器使其透射轴与入射到电光层的线性偏振光的偏振面成(例如如果有输入线性偏振器，与输入线性偏振器的透射轴成地定向。如果液晶层具有跨液晶层的扭曲角是的扭曲取向，使得当设备处于第二模式时，液晶层使线性偏振光的偏振面近似旋转角度则光通过液晶层时的偏振面的旋转意味着射出液晶层的光的偏振面与射出偏振器的透射轴对齐，从而设备在其整个面积上是最大透射的，这给出非成像模式。将设备切换为成像模式的效果，是在光通过液晶层时，通过液晶层的第二区域的光不再使其偏振面旋转从而射出液晶层的第二区域的光的偏振面(或者主偏振面)与射出偏振器的透射轴基本不对齐，并且限定光衰减区域。
优选设备被布置为当其处于第二模式时，射出液晶层的光的偏振面(或者主偏振面)与射出偏振器的透射轴对齐，从而设备在其整个面积上是最大透射的，并且在成像模式下，射出液晶层的第二区域的光使其偏振面(或者主偏振面)基本与射出偏振器的透射轴正交—从而在成像模式下，设备在液晶层的第二区域中是最大光衰减的。作为实现这的一种方式，所述液晶层的所述扭曲取向可以具有大约90°(或者90°+n×180°，其中，n=0、1、2等)的扭曲角。如果n>0，则必须使用手性掺杂剂来实现希望的扭曲角。如果在光通过液晶层，并且射出偏振器使其透射轴与入射到电光层上的线性偏振光的偏振面成90°地定向时，液晶层的扭曲状态使线性偏振光的偏振面旋转角度90°(或者90°+n×180°)，则如果将设备切换到第一模式的效果是液晶层的该第二区域/第二区域中的液晶被切换到其不使光的偏振面(或者主偏振面)明显旋转的状态，则这意味着射出液晶层的光的偏振面(或者主偏振面)基本与射出偏振器的透射轴正交，并且实现光衰减作用。
此外，输入偏振器(如果有)可以被布置为用偏振面与设备的下基板上的摩擦方向基本平行地取向的线性偏振光照射设备。
此外，射出偏振器可以被布置为透射轴与设备的上基板上的摩擦方向基本平行地取向。
在当设备处于所述第一模式时，在第二区域中扭曲状态被压缩到液晶层的中心时，在远离液晶层的表面并且位于每个第二电极下方的液晶层的块中，所述液晶层可以具有基本垂直取向的状态。
所述设备可以具有第一电极112和第二电极122的阵列，所述液晶层布置在所述第一电极和所述第二电极之间，在跨所述液晶层施加非零电压时，第二电极限定第一GRIN透镜的边缘和与所述第一GRIN透镜相邻的第二GRIN透镜的边缘。例如，在示出限定第一GRIN透镜的右边缘和第二GRIN透镜的左边缘的电极的图16中示出了这一点。(优选第二电极的阵列比显示器的有源区域宽，从而在第二电极的阵列的边缘出现的任何边缘效应都在显示器的有源区域外部，因此不影响显示器的光学质量。)
在当设备处于所述第一模式时，在第二区域中扭曲状态被压缩到液晶层的中心时，在远离液晶层的表面并且位于每个第二电极下面的液晶层的块中，所述第二LC取向可以是基本垂直的LC取向状态。
所述液晶层可以布置在第一和第二取向层之间，所述第一取向层的取向方向与所述第二取向层的取向方向交叉，由此在跨所述液晶层没有施加的电压的情况下，限定扭曲液晶取向。
所述扭曲液晶取向可以是基本90°的扭曲取向。
所述设备可以具有第一电极和第二电极的阵列，所述液晶层布置在所述第一电极和所述第二电极之间，每个第二电极限定液晶层的各自的第二区域。此外，每个第二电极还至少部分限定液晶层的各自的第一区域。例如，在图16的实施例中，第二电极122负责形成视差栅栏和透镜阵列。在第二电极122中的一个下方的液晶层的区域形成视差栅栏的非透射(或者低透射)区域，但是来自两个相邻的第二电极122的边缘场在两个第二电极122之间形成GRIN透镜。
第一或者第二方面的设备可以包括多个独立可寻址区域，每个区域可与其它区域独立地在所述操作的第一模式和所述操作的第二模式之间切换。这使得能够例如在设备的至少第二区域产生高质量的3D图像(通过切换到成像模式)的同时，设备的至少第一区域产生高质量的2D图像(通过切换到非成像模式)。
工业上的可利用性
2D-3D可切换显示系统适用于移动电话、手持游戏控制台、便携式PC、相框和多视图电视。

Claims (24)

1.一种可切换成像光学设备，所述成像光学设备具有对偏振的入射光进行方向转换的操作的第一模式和与所述第一模式不同的对偏振的入射光不进行方向转换的操作的第二模式；
其中，所述成像光学设备具备：
第一基板，其入射从偏振光源向第一方向照射的光，并且具有第一电极层和配置为使液晶材料在所述第一方向上取向的第一液晶取向层；
所述液晶材料；
第二基板，其具有第二电极层和配置为使所述液晶材料在与第一方向不同的第二方向上取向的第二液晶取向层；以及
偏振元件，其具有所述第二方向的透射轴，
在所述操作的第一模式中，所述液晶材料具备执行透镜作用的至少一个第一区域和与所述第一区域不同的至少一个第二区域，所述偏振光源和所述偏振元件与所述第二区域协作，以至少部分吸收穿过所述第二区域的光而形成视差栅栏。
2.根据权利要求1所述的成像光学设备，其中，在所述操作的第一模式中能观看自动立体化图像，在所述操作的第二模式中能观看2D图像。
3.根据权利要求1所述的成像光学设备，其中，在所述操作的第一模式中，所述成像光学设备包括多个第二区域，以及其中，所述偏振元件与所述第二区域协作，以至少部分吸收穿过每个第二区域的光，由此限定视差栅栏。
4.根据权利要求2所述的成像光学设备，其中，在所述操作的第一模式中，所述成像光学设备包括多个第二区域，以及其中，所述偏振元件与所述第二区域协作，以至少部分吸收穿过每个第二区域的光，由此限定视差栅栏。
5.根据权利要求1所述的成像光学设备，其中，在所述操作的第一模式中，每个第一区域包括GRIN透镜。
6.根据权利要求2所述的成像光学设备，其中，在所述操作的第一模式中，每个第一区域包括GRIN透镜。
7.根据权利要求3所述的成像光学设备，其中，在所述操作的第一模式中，每个第一区域包括GRIN透镜。
8.根据权利要求4所述的成像光学设备，其中，在所述操作的第一模式中，每个第一区域包括GRIN透镜。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的成像光学设备，其中，在所述第一模式中，至少一个第一区域与所述至少一个第二区域部分地重叠。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的成像光学设备，其中，在所述第一模式中，每个第一区域与每个第二区域不重叠。
11.根据权利要求1至8中的任一项所述的成像光学设备，所述成像光学设备可在所述第一模式和所述第二模式之间进行电切换。
12.根据权利要求1至8中的任一项所述的成像光学设备，其中，所述液晶材料布置在所述第一电极层和所述第二电极层之间，所述第一电极层包括平面电极层，并且所述第二电极层包括在第一方向上延伸并且在与所述第一方向相交的第二方向上间隔开的多个第二电极，其中，每个第二电极对应于所述成像光学设备的一个第二区域。
13.根据权利要求12所述的成像光学设备，其中，所述第二电极层还包括在所述第一方向上延伸并且在所述第二方向上间隔开的多个第三电极，所述第二电极与所述第三电极相互交错。
14.根据权利要求12所述的成像光学设备，其中，当所述第一电极层和所述第二电极层跨所述液晶材料不施加电压时，所述成像光学设备处于所述第二模式。
15.根据权利要求13所述的成像光学设备，其中，当所述第一电极层和所述第二电极层跨所述液晶材料不施加电压时，所述成像光学设备处于所述第二模式。
16.根据权利要求1至8中的任一项所述的成像光学设备，其中，所述液晶材料布置在所述第一电极层和所述第二电极层之间，所述第一电极层包括在第一方向上延伸并且在与所述第一方向相交的第二方向上间隔开的多个第一电极，并且所述第二电极层包括在所述第二方向上延伸并且在所述第一方向上间隔开的多个第二电极。
17.根据权利要求16所述的成像光学设备，其中，所述第一电极层还包括在所述第一方向上延伸的多个第三电极，所述第三电极与所述第一电极相互交错。
18.根据权利要求16所述的成像光学设备，其中，所述第二电极层还包括在所述第二方向上延伸的多个第四电极，所述第四电极与所述第二电极相互交错。
19.根据权利要求17所述的成像光学设备，其中，所述第二电极层还包括在所述第二方向上延伸的多个第四电极，所述第四电极与所述第二电极相互交错。
20.根据权利要求11所述的成像光学设备，其中，当所述成像光学设备处于所述第二模式时，所述液晶材料具有扭曲取向。
21.根据权利要求20所述的成像光学设备，其中，所述液晶材料的所述扭曲取向具有大约90°的扭曲角。
22.根据权利要求20所述的成像光学设备，其中，在所述第一模式中，所述液晶材料在所述第二区域中具有基本垂直取向的状态。
23.根据权利要求21所述的成像光学设备，其中，在所述第一模式中，所述液晶材料在所述第二区域中具有基本垂直取向的状态。
24.一种显示器，包括图像显示面板和根据权利要求1至23中的任一项所述的可切换成像光学设备，所述可切换成像光学设备布置在穿过所述图像显示面板之后的光的路径中。
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