CN112602011A - 用于可切换定向显示器的光学堆叠 - Google Patents

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Abstract

一种隐私显示器包括空间光调制器和补偿可切换客体‑主体液晶延迟器，所述补偿可切换客体‑主体液晶延迟器布置在与所述空间光调制器串联布置的第一偏振器与第二偏振器之间。在隐私操作模式下，来自所述空间光调制器的轴上光被无损耗地引导，而离轴光具有降低的亮度。所述显示器对离轴窥探者的可见性通过在宽极场上的亮度降低来降低。在广角操作模式下，调节可切换液晶延迟，使得离轴亮度基本上未被修改。

Description

用于可切换定向显示器的光学堆叠
技术领域
本公开总体上涉及来自光调制装置的照明，并且更具体地涉及用于提供对包含隐私显示器的显示器中使用的照明的控制的可切换光学堆叠。
背景技术
隐私显示器向主要用户(通常位于轴上定位)提供图像可见性，并且向窥探者(通常位于离轴定位)减少图像内容的可见性。可以通过微百叶窗光学膜来提供隐私功能，所述微百叶窗光学膜在轴上方向上从显示器透射一些光，而在离轴定位上透射低亮度。然而，此类膜对于正面照明具有高损耗，并且由于与空间光调制器的像素跳动，微百叶窗可能引起莫尔伪影(Moiréartefacts)。微百叶窗的间距可能需要选择面板分辨率，从而增加库存和成本。
可以通过控制离轴光学输出来提供可切换隐私显示器。
可以借助于亮度降低，例如借助于用于液晶显示器(LCD)空间光调制器的可切换背光来提供控制。显示器背光通常采用波导和边缘发射源。某些成像定向背光具有将照明引导穿过显示面板到观察窗中的另外的能力。可以在多个源与相应窗口图像之间形成成像系统。成像定向背光的一个实例是可以采用折叠光学系统的光学阀，并且因此也可以是折叠成像定向背光的实例。光可以在一个方向上基本上没有损耗地传播通过光学阀，而反向传播的光可以通过反射倾斜的小平面(facet)而被提取，如美国专利第9,519,153号中所述，所述美国专利通过引用整体并入本文。
可以进一步通过对比度降低来提供对离轴隐私的控制，例如通过在平面内切换LCD中调整液晶偏置倾斜。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种显示装置，其包括：空间光调制器，所述空间光调制器包括可寻址像素层；显示偏振器，所述显示偏振器布置在所述空间光调制器的一侧上；所述显示偏振器是线性偏振器；以及客体-主体液晶延迟器，所述客体-主体液晶延迟器包括包含客体材料和主体材料的液晶层；其中所述客体材料是各向异性材料并且所述主体材料是液晶材料；所述客体-主体液晶延迟器与所述显示偏振器一起布置在所述空间光调制器的同一侧上，其中所述显示偏振器布置在所述客体-主体液晶延迟器与所述空间光调制器之间；其中在所述主体材料的至少一状态下，所述客体-主体液晶延迟器的光轴具有垂直于所述客体-液晶延迟器的平面的对准分量。有利地，显示器可以设置有隐私功能。
各向异性材料可以是各向异性吸收体。各向异性吸收体可以是二色性染料或多色性染料，并且所述各向异性材料可以是二色性染料或多色性染料。有利地，可以提供低杂散光显示器，并且可以降低隐私显示器的离轴亮度。
各向异性材料可以包括金属纳米材料，如银纳米线。金属纳米材料可以包括透明的电绝缘表面层。绝缘表面层可以是涂层，或可以化学地形成，如透明氧化物。有利地，离轴环境光可以被反射以向离轴观察者提供减小的图像对比度并增加隐私效果。在背光中，离轴光可以再循环到背光中，从而提高效率。
按体积计，客体材料可以占主体材料的小于3％，优选地小于2％并且最优选地小于1％。可替代地，按重量计，客体材料可以占主体材料的小于3％，优选地小于2％并且最优选地小于1％。有利地，当客体材料是固体时，可以更方便地测量相对比例。所述客体材料可以包括正二色性染料材料或正多色性染料材料，并且所述客体-主体液晶层的光轴在所述客体-主体液晶层的平面中具有正交于所述显示偏振器的电矢量透射方向的对准分量。在主体材料的至少一种状态下的客体-主体液体延迟器在操作模式下的轴上消光系数可以为至少60％，优选地至少80％并且最优选地至少90％。
所述显示装置可以进一步包括至少一个无源延迟器，所述至少一个无源延迟器布置在所述显示偏振器与所述客体-主体液晶延迟器之间。有利地，可以减小隐私显示器的视场。
客体材料可以包括被固化的液晶材料。有利地，可以降低成本和厚度。
所述显示装置可以进一步包括另外的偏振器，所述另外的偏振器是线性偏振器并且与所述显示偏振器一起布置在所述空间光调制器的同一侧上，其中所述客体-主体液晶延迟器布置在所述显示偏振器与所述另外的偏振器之间。显示偏振器和另外的偏振器具有平行的电矢量透射方向。所述显示装置可以进一步包括至少一个无源延迟器，所述至少一个无源延迟器布置在所述客体-主体液晶层与另外的偏振器之间。有利地，可以减小隐私显示器的视场。
所述客体-主体液晶延迟器可以包括可切换液晶延迟器，所述可切换液晶延迟器进一步包括被布置成施加电压的透明电极，所述电压能够在至少两种状态之间切换主体材料，在所述至少两种状态中的一种状态下，所述客体-主体液晶延迟器的光轴具有垂直于所述客体-主体液晶延迟器的平面的对准分量。电极可以位于液晶层的层的相对侧上。所述显示装置可以进一步包括控制系统，所述控制系统被布置成控制跨至少一个可切换液晶延迟器的所述电极施加的所述电压。
可切换液晶延迟器可以包括两个表面对准层，所述两个表面对准层被安置成邻近层液晶材料且位于其相对侧上，并且所述两个表面对准层各自被布置成在邻近液晶材料中提供垂面对准。通过施加电场，有利地，显示器可以在低杂散光显示模式(例如，隐私模式)与广角模式之间切换，以供多个显示用户使用，并且可以提高图像均匀性。在这种情况下，可能存在以下特征。
主体材料可以是具有负介电各向异性的液晶材料。
液晶层对于波长为550nm的光的延迟可以处于500nm到1000nm的范围内，优选地处于600nm到900nm的范围内并且最优选地处于700nm到850nm的范围内。
所述至少一个无源延迟器可以包括具有垂直于延迟器的平面的光轴的延迟器，所述至少一个无源延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于-300nm到-900nm的范围内，优选地处于-450nm到-800nm的范围并且最优选地处于-500nm到-725nm的范围。可替代地，所述至少一个无源延迟器可以包括一对延迟器，所述一对延迟器在延迟器的平面中具有交叉的光轴，所述一对延迟器中的每个延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于300nm到800nm的范围内，优选地处于500nm到700nm的范围内并且最优选地处于550nm到675nm的范围内。有利地，可以在广角操作模式下提供低电压操作，从而降低功耗。
可切换液晶延迟器可以包括两个表面对准层，所述两个表面对准层被安置成邻近液晶材料的层且位于其相对侧上，并且所述两个表面对准层各自被布置成在邻近液晶材料中提供沿面对准。在这种情况下，可能存在以下特征。
可切换液晶延迟器的液晶材料的层可以包括具有正介电各向异性的液晶材料。
液晶材料的层对于波长为550nm的光的延迟可以处于500nm到1000nm的范围内，优选地处于600nm到850nm的范围内并且最优选地处于700nm到800nm的范围内。
所述至少一个无源补偿延迟器可以包括具有垂直于延迟器的平面的光轴的延迟器，所述至少一个无源延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于-300nm到-700nm的范围内，优选地处于-350nm到-600nm的范围内并且最优选地处于-400nm到-500nm的范围内。可替代地，所述至少一个无源补偿延迟器可以包括一对延迟器，所述一对延迟器在延迟器的平面中具有交叉的光轴，所述一对延迟器中的每个延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于300nm到800nm的范围内，优选地处于350nm到650nm的范围内并且最优选地处于450nm到550nm的范围内。有利地，可以减小材料流的可见性。
可切换液晶延迟器可以包括两个表面对准层，所述两个表面对准层被安置成邻近液晶材料的层且位于其相对侧上，所述表面对准层中的一个表面对准层被布置成在邻近液晶材料中提供垂面对准，并且所述表面对准层中的另一个表面对准层被布置成在邻近液晶材料中提供沿面对准。在这种情况下，可能存在以下特征。
表面对准层可以被布置成在液晶材料的层与补偿延迟器之间提供沿面对准。
液晶材料的层对于波长为550nm的光的延迟可以处于700nm到2000nm的范围内，优选地处于1000nm到1500nm的范围内，并且最优选地处于1200nm到1500nm的范围内。
所述至少一个无源补偿延迟器可以包括具有垂直于延迟器的平面的光轴的延迟器，所述至少一个无源延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于-400nm到-1800nm的范围内，优选地处于-700nm到-1500nm的范围内并且最优选地处于-900nm到-1300nm的范围内。可替代地，所述至少一个无源补偿延迟器可以包括一对延迟器，所述一对延迟器在延迟器的平面中具有交叉的光轴，所述一对延迟器中的每个延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于400nm到1800nm的范围内，优选地处于700nm到1500nm的范围内并且最优选地处于900nm到1300nm的范围内。
每个对准层可以具有预倾斜，所述预倾斜在液晶层的平面中具有平行于或反平行于或正交于显示偏振器的电矢量透射方向的分量的预倾斜方向。所述显示装置可以进一步包括：另外的偏振器，所述另外的偏振器与所述显示偏振器一起布置在所述空间光调制器的同一侧上；以及多个延迟器，所述多个延迟器布置在所述另外的偏振器与所述显示偏振器之间，其中所述多个延迟器包括：可切换液晶延迟器，所述可切换液晶延迟器包括液晶材料的层；以及至少一个无源补偿延迟器。
所述至少一个无源延迟器可以被布置成沿着沿与所述至少一个无源补偿延迟器的平面的法线的轴，不向由所述多个延迟器的输入侧上的显示偏振器和另外的偏振器中的一个偏振器穿过的光的偏振分量引入相移。所述至少一个无源延迟器可以被布置成沿着倾斜于与所述至少一个无源补偿延迟器的平面的法线的轴，向由所述多个延迟器的输入侧上的显示偏振器和另外的偏振器中的一个偏振器穿过的光的偏振分量引入相移。
所述客体-主体液晶延迟器可以被布置成沿着沿与所述客体-主体液晶延迟器的平面的法线的轴，不向由所述多个延迟器的输入侧上的显示偏振器和另外的偏振器中的一个偏振器穿过的光的偏振分量引入相移。
客体-主体液晶延迟器可以被布置成在客体-主体液晶延迟器的至少一状态下，沿着倾斜于可切换液晶延迟器的平面的法线的轴，向所述多个延迟器的输入侧上的显示偏振器和另外的偏振器中的一个偏振器穿过的光的偏振分量引入相移。
客体-主体液晶延迟器可以被布置成不影响沿着沿与客体-主体液晶延迟器的平面的法线的轴穿过显示偏振器和客体-主体液晶延迟器的光的亮度。客体-主体液晶延迟器可以被布置成沿着倾斜于与延迟器的平面的法线的轴降低穿过显示偏振器和客体-主体液晶延迟器的光的亮度。
显示装置可以进一步包括至少一个另外的延迟器和进一步另外的偏振器，其中所述至少一个另外的延迟器布置在首先提到的另外的偏振器与进一步另外的偏振器之间。
显示装置可以进一步包括背光，所述背光被布置成输出光，其中所述空间光调制器是被布置成从所述背光接收输出的光的透射空间光调制器。
所述背光可以在与所述空间光调制器的法线成大于45度的极角下提供亮度，所述亮度是沿着所述空间光调制器的法线的亮度的至多33％，优选地沿着所述空间光调制器的法线的亮度的至多20％并且最优选地沿着所述空间光调制器的法线的亮度的至多10％。有利地，在隐私模式下可以看到低亮度的离轴图像。
所述背光可以包括：光源阵列；定向波导，所述定向波导包括：输入端，所述输入端沿着所述定向波导的一侧在侧向方向上延伸，所述光源沿着所述输入端安置并且被布置成将输入光输入到所述波导中；以及相对的第一引导表面和第二引导表面，所述相对的第一引导表面和第二引导表面从所述输入端跨所述定向波导延伸，用于沿着所述波导引导在所述输入端处的光输入，所述波导被布置成使被引导穿过所述定向波导的输入光偏转以穿过所述第一引导表面出射。背光可以进一步包括光转向薄膜，并且定向波导是准直波导。准直波导可以包括：(i)多个细长透镜元件；以及(ii)多个倾斜光提取特征，其中所述多个细长透镜元件和所述多个倾斜光提取特征被朝向成使引导穿过所述定向波导的输入光偏转以穿过所述第一导向表面出射。
定向波导可以是被布置成在侧向方向上对光源进行成像的成像波导，使得来自光源的输出光在根据光源的输入定位分布的输出方向上被引导到相应光学窗口中。
成像波导可以包括用于沿着成像波导反射回输入光的反射端，其中所述第二引导表面被布置成使反射输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光，所述第二引导表面包括光提取特征以及位于所述光提取特征之间的中间区域，所述光提取特征被朝向成使所述反射输入光偏转穿过所述第一引导表面作为输出光并且所述中间区域被布置成引导光穿过所述波导而不提取所述光；并且所述反射端在所述侧向方向上具有正光学功率，所述侧向方向在所述波导的在所述第一引导表面与所述第二引导表面之间延伸的侧面之间延伸。
所述显示偏振器可以是输入显示偏振器，所述输入显示偏振器布置在所述空间光调制器的在所述背光与所述空间光调制器之间的输入侧上，并且所述客体-主体液晶延迟器可以布置在所述输入显示偏振器与所述背光之间。另外的偏振器可以是反射偏振器。显示装置可以进一步包括布置在空间光调制器的输出侧上的输出偏振器。
显示偏振器可以是布置在空间光调制器的输出侧上的输出偏振器。显示装置可以进一步包括布置在空间光调制器的输入侧上的输入偏振器。显示装置可以进一步包括进一步另外的偏振器，所述进一步另外的偏振器布置在空间光调制器的输入侧上；以及至少一个另外的延迟器，所述至少一个另外的延迟器布置在所述至少一个进一步另外的偏振器与所述输入偏振器之间。
空间光调制器可以包括发射空间光调制器，所述发射空间光调制器被布置成输出光，并且所述显示偏振器可以是布置在所述发射空间光调制器的输出侧上的输出显示偏振器。
显示装置可以进一步包括至少一个另外的延迟器和进一步另外的偏振器，其中所述至少一个另外的延迟器可以布置在首先提到的另外的偏振器与进一步另外的偏振器之间。
以上关于本公开的第一方面所阐述的各个特征和替代方案可以类似地应用于本公开的第二方面。
本公开的实施例可以在各种光学系统中使用。所述实施例可以包含或与多种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、自含式投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电气和/或光学装置一起使用。本公开的各个方面实际上可以与以下设备一起使用：与光学装置和电气装置、光学系统、呈现系统有关的任何设备或可以含有任何类型的光学系统的任何设备。因此，本公开的实施例可以在光学系统、在视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围等以及在多种计算环境中采用。
在详细地进行所公开的实施例之前，应当理解的是，由于本公开能够用于其它实施例，因此本公开在其应用或创建上不限于所示出的特定布置的细节。而且，可以以不同的组合和布置来阐述本公开的方面，以限定其自身独特的实施例。而且，本文使用的术语是出于描述的目的，而非限制。
通过阅读本公开的全部内容，本公开的这些和其它优点和特征对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
在附图中通过举例的方式来展示实施例，其中相似的附图标记指示类似的部分，并且在附图中：
图1A是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括前可切换客体-主体液晶延迟器和另外的偏振器；
图1B是以前视图展示了图1A的光学堆叠中的光学层的对准的示意图；
图1C是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括发射空间光调制器以及布置在发射空间光调制器的输出侧上的可切换客体-主体液晶延迟器；
图1D是以侧视透视图展示了视角控制光学元件的示意图，所述视角控制光学元件包括无源客体-主体液晶延迟器、可切换客体-主体液晶延迟器和控制偏振器；
图1E是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括前可切换客体-主体液晶延迟器；
图1F是以前视图展示了图1E的光学堆叠中的光学层的对准的示意图；
图2A是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括背光、后可切换客体-主体液晶延迟器和透射空间光调制器；
图2B是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括背光、后无源客体-主体液晶延迟器和透射空间光调制器；
图2C是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括背光、后可切换客体-主体液晶延迟器和透射空间光调制器，其中另外的偏振器包括线性吸收偏振器；
图3A是以侧视透视图展示了在隐私操作模式下的可切换客体-主体液晶延迟器的示意图；
图3B是展示了图3A中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；
图3C是展示了随着二色性染料浓度的变化，图3A中的透射光线的输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图；
图3D是展示了随着二色性染料浓度的变化，图3A中的透射光线的归一化输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图；
图3E是以侧视透视图展示了在广角操作模式下的可切换客体-主体液晶延迟器的示意图；
图3F是展示了图3E中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图3G是以侧视图展示了用于形成无源客体-主体液晶延迟器的方法的示意图；
图3H是以侧视图展示了无源客体-主体液晶延迟器的示意图，其中客体材料包括银纳米线；
图3I是以透视侧视图展示了包括无源客体-主体液晶延迟器的显示器的示意图，其中客体材料包括银纳米线和另外的偏振器；
图4A是以侧视透视图展示了在隐私操作模式下的可切换客体-主体液晶延迟器和另外的偏振器；
图4B是展示了在没有客体二色性染料材料的情况下，图4A中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；
图4C是展示了在第一浓度的客体二色性染料材料的情况下，图4A中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；
图4D是展示了在第二浓度的客体二色性染料材料的情况下，图4A中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；
图4E是展示了随着二色性染料浓度的变化，图4A中的透射光线的输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图；
图4F是展示了随着二色性染料浓度的变化，图4A中的透射光线的归一化输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图；
图4G是以透视侧视图展示了在广角操作模式下的包括负C板的可切换补偿延迟器的布置的示意图；
图4H是展示了液晶指向矢角相对于通过可切换液晶延迟器单元的分数位置的曲线图的示意图；
图4I是以侧视图展示了在广角操作模式下来自空间光调制器的输出光穿过图4G的光学堆叠的传播的示意图；
图4J是展示了图4I中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图5A是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下包括负C板的可切换补偿客体-主体液晶延迟器的布置的示意图；
图5B是以侧视图展示了在隐私操作模式下来自空间光调制器的输出光穿过图5A的光学堆叠的传播的示意图；
图5C是展示了在没有客体二色性染料材料的情况下，图5B中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；
图5D是展示了在第一浓度的客体二色性染料材料的情况下，图5B中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；
图5E是说明具有第二浓度的客体二色性染料材料的图5B中的透射光线的输出透射随极性方向的模拟变化的示意图；
图6A是以前透视图展示了对在隐私模式下操作的显示器的透射输出光的观察的示意图；
图6B是以前透视图展示了在隐私模式下操作的图1A-1C的显示器的外观的示意图；
图6C以侧视图展示了针对娱乐操作模式和共享操作模式两者的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图6D是以俯视图展示了在娱乐操作模式下的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图6E是俯视图展示了在共享操作模式下的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图6F是以俯视图展示了针对夜间和日间操作模式两者的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图6G是以侧视图展示了在夜间操作模式下的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图6H是以侧视图展示了在日间操作模式下的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图7A、图7B、图7C和图7D是展示了对于不同驱动电压，输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图8A是以透视侧视图展示了在广角操作模式下的可切换补偿延迟器的布置，所述可切换补偿延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器和垂面地对准的可切换液晶延迟器；
图8B是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换补偿延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器和垂面地对准的可切换液晶延迟器；
图9A是展示了在广角操作模式下图8A中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图9B是展示了在隐私操作模式下图8B中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图10A和图10B是分别以透视侧视图展示了在广角操作模式和隐私操作模式下包括沿面地对准的可切换液晶延迟器和无源负C板延迟器的可切换补偿延迟器的布置的示意图；
图10C是展示了对于不同的所施加电压，通过图10A的可切换液晶延迟器单元的液晶指向矢角度相对于分数位置的曲线图的示意图；
图11A、图11B和图11C是展示了在隐私模式下以及分别用于两种不同广角模式寻址驱动电压，包括沿面地对准的液晶单元和负C板的可切换补偿延迟器的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图12是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换补偿延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器和沿面地对准的可切换液晶延迟器；
图13、图14和图15是展示了在隐私模式和用于不同驱动电压的广角模式下，包括沿面地对准的液晶单元和交叉的A板的可切换补偿延迟器的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图16A和图16B是以侧视图展示了显示器的一部分的示意图，所述显示器包括可切换补偿延迟器和光学结合层；
图17是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换补偿延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器和沿面地对准的可切换液晶延迟器，进一步包括无源旋转延迟器；
图18是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换延迟器包括沿面地且垂面地对准的可切换液晶延迟器和无源负C板延迟器；
图19是展示了在隐私操作模式下图18中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图20是展示了在广角操作模式下图18中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图21是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换补偿延迟器包括布置在输出偏振器与另外的偏振器之间的负C板无源补偿延迟器和垂面地对准的可切换液晶延迟器；以及在隐私操作模式下，布置在首先提到的另外的偏振器与进一步另外的偏振器之间的负C板无源补偿延迟器和垂面地对准的可切换液晶延迟器；
图22是以侧视透视图展示了视角控制光学元件的示意图，所述视角控制光学元件包括第一无源补偿延迟器、第一可切换液晶延迟器、第一控制偏振器、第二无源补偿延迟器、第二可切换液晶延迟器和第二控制偏振器；
图23A是以俯视图展示了针对日间和/或共享操作模式的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图23B是以侧视图展示了针对日间和/或共享操作模式的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图24A是以俯视图展示了针对夜间和/或娱乐操作模式的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图24B以侧视图展示了针对夜间和/或娱乐操作模式的具有布置在车辆座舱内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图；
图25A是以前透视图展示了定向背光的示意图；
图25B是以前透视图展示了非定向背光的示意图；
图26是展示了具有不同视场的显示器的侧向视角随着亮度的变化的示意图；
图27A是以侧视图展示了包括成像波导和可切换液晶延迟器的可切换定向显示设备的示意图；
图27B是以后透视图展示了成像波导在窄角操作模式下的操作的示意图；
图27C是展示了当在没有可切换液晶延迟器的显示设备中使用时图27B的输出的视场亮度图的示意图；
图28A是以侧视图展示了可切换定向显示设备的示意图，所述可切换定向显示设备包括在隐私操作模式下操作的可切换准直波导和可切换液晶延迟器；
图28B是以俯视图展示了准直波导的输出的示意图；
图28C是展示了图28A的显示设备的等亮度视场极性坐标图的示意图；
图29A以透视图展示了离轴光对延迟器层的照明的示意图；
图29B是以透视图展示了处于0度的第一线性偏振态的离轴光对延迟器层的照明的示意图；
图29C是以透视图展示了处于90度的第一线性偏振态的离轴光对延迟器层的照明的示意图；
图29D以透视图展示了处于45度的第一线性偏振态的离轴光对延迟器层的照明的图；
图30A是以透视图展示了具有正仰角的离轴偏振光对C板延迟器的照明的示意图；
图30B是以透视图展示了具有负侧向角的离轴偏振光对C板延迟器的照明的示意图；
图30C是以透视图展示了具有正仰角和负侧向角的离轴偏振光对C板延迟器的照明的示意图；
图30D是以透视图展示了具有正仰角和正侧向角的离轴偏振光对C板延迟器的照明的示意图；
图30E是展示了在图30A-D中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；
图31A是以透视图展示了具有正仰角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图；
图31B是以透视图展示了具有负侧向角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图；
图31C是以透视图展示了具有正仰角和负侧向角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图；
图31D是以透视图展示了具有正仰角和正侧向角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图；并且
图31E是展示了在图31A-D中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图。
具体实施方式
现在将描述用于本公开的目的的与光学延迟器有关的术语。
在包括单轴双折射材料的层中，存在控制光学各向异性的方向，而垂直于此方向(或与其成给定角度)的所有方向在光学上是等效的。
光轴是指非偏振光线在光线没有经历双折射的单轴双折射材料中的传播方向。对于在正交于光轴的方向上传播的光，当具有平行于慢轴的电矢量方向的线性偏振光以最低速度传播时，光轴是慢轴。慢轴方向是在设计波长处具有最高折射率的方向。类似地，快轴方向是在设计波长处具有最低折射率的方向。
对于正光学各向异性单轴双折射材料，慢轴方向是双折射材料的非寻常轴。对于负光学各向异性单轴双折射材料，快轴方向是双折射材料的非寻常轴。
术语半波长和四分之一波长是指用于通常可以介于λ0 450nm与570nm之间的设计波长的延迟器的操作。在本说明性实施例中，除非另外指明，否则提供针对550nm波长的示例性延迟值。
延迟器在入射在其上的光波的两个垂直偏振分量之间提供相移，并且其特征在于其赋予在两个偏振分量上的相对相位Γ的量；所述相对相位与双折射Δn和延迟器的厚度d有关：
Γ＝2.π.Δn.d/λ0 等式1
在等式1，Δn被定义为非寻常折射率与寻常折射率之间的差值，即
Δn＝ne-no 等式2
对于半波延迟器，选择d、Δn与λ0之间的关系以使偏振分量之间的相移为Γ＝π。对于四分之一波延迟器，选择d、Δn与λ0之间的关系以使偏振分量之间的相移为Γ＝π/2。
本文的术语半波延迟器通常是指垂直于延迟器且垂直于空间光调制器传播的光。
在本公开中，“A板”是指利用其光轴平行于层的平面的双折射材料层的光学延迟器。延迟器的平面是指延迟器的慢轴在平面，即x-y平面中延伸。
“正A板”是指正双折射A板，即具有正Δn的A板。
在本公开中，“C板”是指利用其光轴垂直于层的平面的双折射材料层的光学延迟器。“正C板”是指正双折射C板，即具有正Δn的C板。“负C板”是指负双折射C板，即具有负Δn的C板。
在本公开中，“O板”是指利用双折射材料层的光学延迟器，所述双折射材料层的光轴具有平行于层的平面的分量和垂直于层的平面的分量。“正O板”是指正双折射O板，即具有正Δn的O板。
可以提供消色差延迟器，其中延迟器的材料提供有延迟Δn.d，所述延迟随波长变化λ为
Δn.d/λ＝κ 等式3
其中κ基本上是常数。
合适的材料的实例包含来自帝人薄膜(Teijin Films)的改性聚碳酸酯。在本实施例中可以提供消色差延迟器，以有利地最小化具有低亮度降低的极角观察方向与具有增加的亮度降低的极角观察方向之间的颜色变化，如下文将描述的。
现在将描述在本公开中使用的与延迟器和液晶有关的各个其它术语。
液晶单元具有由Δn.给出的延迟，其中Δn是液晶单元中液晶材料的双折射并且d是液晶单元的厚度，与液晶单元中液晶材料的对准无关。
沿面对准是指可切换液晶显示器中液晶的对准，其中分子基本上平行于基板而对准。沿面对准有时被称为平面对准。沿面对准通常可以提供有小的预倾斜，如2度，使得液晶单元的对准层的表面上的分子稍微倾斜，如下文将描述的。布置预倾斜以使单元切换中的简并性最小化。
在本公开中，在液晶朝向的上下文中，状态是指液晶指向矢在特定施加电压，即电压施加状态下的朝向。状态可以是零电压施加状态。
在本公开中，垂面对准是棒状液晶分子基本上垂直于基板而对准的状态。在盘状液晶中，垂面对准被定义为由盘状液晶分子形成的柱结构的轴垂直于表面而对准的状态。在垂面对准中，预倾斜是接近对准层并且通常接近90度并且例如可以是88度的分子的倾斜角。
具有正介电各向异性的液晶分子通过施加电场从沿面对准(如A板延迟器朝向)切换为垂面对准(如C板或O板延迟器朝向)。
具有负介电各向异性的液晶分子通过施加电场从垂面对准(如C板或O板延迟器朝向)切换为沿面对准(如A板延迟器朝向)。
杆状分子具有正双折射，使得ne>no，如等式2所描述的。盘状分子具有负双折射，使得ne<no。
如A板、正O板和正C板等正延迟器通常可以由拉伸的薄膜或棒状液晶分子提供。如负C板等负延迟器可以由拉伸的薄膜或盘状液晶分子提供。
平行的液晶单元对准是指沿面对准层平行或更典型地反平行的对准方向。在预倾斜的垂面对准的情况下，对准层可以具有基本上平行或反平行的分量。混合对准的液晶单元可以具有一个沿面对准层和一个垂面对准层。扭曲的液晶单元可以由不具有平行的对准(例如，彼此被朝向成90度)的对准层提供。
二色性材料对于在不同方向上偏振的光具有不同的吸收系数。多色性材料根据光线的入射方向或其偏振平面而不同地吸收不同波长的光，这通常导致根据观察方向出现不同颜色。
客体-主体液晶材料包括液晶主体材料和客体材料，其包括各向异性吸收染料。液晶主体材料具有表示分子在任何点的邻域中的优选朝向的方向的指向矢方向。通过与本实施例相比较，在标准类型的客体主体显示器中，线性偏振输入光被与偏振器透射方向沿面地对准的染料分子吸收，从而导致对面向正面(head-on)观察者的黑色显示状态。当电场施加到客体主体液晶单元时，液晶主体重朝向使染料客体与其重朝向，使得其平行于施加电场，并且因此输入的偏振光基本上无衰减地通过，从而导致对面向正面观察者的白色显示状态。在这两种情况下，离轴观察者看到与面向正面观察者相同的显示状态。
这与本说明书中使用的客体主体配置完全不同，其中客体-主体系统的面向正面显示器亮度状态通过施加电场而基本上保持不变，并且仅离轴观察性质发生改变。
当液晶主体如上所述重朝向时，由于液晶分子的光学各向异性而导致赋予输入光的延迟发生变化。在本文所述的客体主体系统的一些(但不是全部)实施例中，主要操作效果是光吸收染料分子的重朝向，并且延迟效果可以是小的，使得仅可忽略的延迟被赋予可见波长中的输入光。这意味着可以使用具有低光学各向异性的液晶主体材料。
在正二色性和多色性客体-主体材料中，二色性材料的主要吸收轴与液晶主体指向矢方向对准。在负二色性和多色性客体-主体材料中，主要吸收轴垂直于液晶主体指向矢方向而对准。
本说明书通常是指正二色性染料材料，然而如将进一步描述的，在本实施例中也可以使用多色性和负二色性以及多色性材料。
有序参数用于描述液晶的有序，并且对于向列相中的液晶，通常小于0.8，其中有序参数1用于液晶分子的完美对准布置，并且有序参数0用于各向同性布置。
透射空间光调制器可以进一步包括在输入显示偏振器与输出显示偏振器之间的延迟器，例如，如美国专利第8,237,876号中所公开的，所述美国专利通过引用整体并入本文。这种延迟器(未示出)处于与本实施例的无源延迟器不同的位置。这种延迟器补偿离轴观察位置的对比度下降，这对本实施例的离轴观察定位的亮度降低产生不同的效果。
在美国专利第7,067,985号中进一步描述了设置在显示偏振器与OLED显示发射层之间的光学隔离延迟器。光学隔离延迟器处于与本实施例的无源延迟器不同的位置。隔离延迟器减少来自OLED显示发射层的环境光的正面反射，这对于本实施例的离轴观察定位的发射光的亮度降低是不同的效果。
现在将描述各种可切换显示装置的结构和操作。在本说明书中，共同的元件具有共同的附图标记。注意，与任何元件有关的公开适用于其中提供相同或对应元件的每个装置。因此，为了简洁起见，不再重复这种公开。
图1A是以侧视透视图展示了显示装置的光学堆叠的示意图。
显示装置100包括空间光调制器48，所述空间光调制器包括至少一个显示偏振器，即输出偏振器218。输出偏振器218是线性偏振器。背光20被布置成输出光，并且空间光调制器48包括被布置成从背光20接收输出光的透射空间光调制器48。如将在本文中描述的，显示装置100被布置成输出具有角亮度性质的光400。
在本公开中，空间光调制器48可以包括液晶显示器，所述液晶显示器包括基板212、216以及具有红色、绿色和蓝色像素220、222、224的液晶层214。空间光调制器48在其相对侧上具有输入显示偏振器210和输出显示偏振器218。输出显示偏振器218被布置成向来自空间光调制器48的像素220、222、224的光提供高消光比。输入显示偏振器210和输出显示偏振器218各自均是线性偏振器。典型的偏振器210、218可以是线性吸收偏振器，如在TAC层之间的基于拉伸的PVA碘的偏振器。
任选地，可以在二色性输入显示偏振器210与背光210之间设置反射偏振器208，以提供再循环光并提高显示效率。有利地，可以增加效率。
背光20可以包括输入光源15、波导1、后反射器3以及包括漫射器、光转向薄膜和其它已知的光学背光结构的光学堆叠5。可以在光学堆叠5中提供可以包括例如可以包括非对称表面起伏特征的非对称漫射器，其中可以提供与侧向方向相比在仰角方向上增加的漫射。有利地，可以增加图像均匀性。
在本实施例中，如将在下文的图26A到28C中描述的，背光20可以被布置成提供与面向正面亮度相比对于离轴观察定位具有降低的亮度的角光分布。背光20可以进一步包括可切换背光，所述可切换背光被布置成切换输出角亮度分布，以便在隐私操作模式下提供降低的离轴亮度并且在广角操作模式下提供较高的离轴亮度。这种切换背光20可以与本实施例的可切换客体-主体延迟器300协作。
另外的偏振器318布置在空间光调制器48的与显示输出偏振器218相同的输出侧上。另外的偏振器是线性偏振器，并且可以是线性吸收偏振器。
显示偏振器218和另外的偏振器318具有平行的电矢量透射方向219、319。如下所述，这种平行对准为中央观察位置提供高透射。
在本文中统称为可切换客体-主体延迟器300的多个延迟器布置在另外的偏振器318与显示偏振器218之间，并且包括：(i)可切换客体-主体液晶延迟器301，其包括液晶层314，所述液晶层包括布置在显示偏振器218与另外的偏振器318之间的客体材料和主体材料；(ii)无源补偿延迟器330。
因此，至少一个无源延迟器330布置在显示偏振器218与客体-主体液晶延迟器301之间。
图1B是以前视图展示了图1A的光学堆叠中的光学层的对准的示意图。空间光调制器48的输入显示偏振器210处的输入电矢量透射方向211提供输入偏振分量，所述输入偏振分量可以由液晶层214变换以提供由输出显示偏振器218的电矢量透射方向219确定的输出偏振分量。无源补偿延迟器330可以包括具有盘状双折射材料430的延迟层，而可切换客体-主体液晶延迟器301可以包括液晶材料。
可切换客体-主体延迟器300包括可切换客体-主体液晶延迟器301，其包括可切换客体-主体液晶层314、基板312、316以及布置在另外的偏振器318与显示偏振器218之间的无源补偿延迟器330。
基板312、316可以是玻璃基板或聚合物基板，例如聚酰亚胺基板。可以提供可以方便地设置有透明电极的柔性基板。有利地，可以提供弯曲、弯折和可折叠的显示器。
显示装置100进一步包括控制系统352，所述控制系统被布置成控制由电压驱动器350跨可切换客体-主体液晶延迟器301的电极施加的电压。
可能期望提供发射显示器的减少的杂散光或隐私控制。
图1C是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括发射空间光调制器48以及布置在发射空间光调制器48的输出侧上的可切换客体-主体延迟器300。
空间光调制器48可以可替代地由通过发射提供输出光400的其它显示器类型提供，如有机LED显示器(OLED)，其具有输出显示偏振器218、基板512、516和光发射层514。输出偏振器218可以借助于插入在输出显示偏振器218与OLED像素平面之间的多个延迟器518之一来提供从OLED像素平面反射的光的亮度的降低。所述一个或多个延迟器518可以是四分之一波片并且与本公开的补偿延迟器330不同。
在图1C的实施例中，空间光调制器48因此包括发射空间光调制器，并且显示偏振器是输出显示偏振器218。
否则，如上所述，图1C的定向显示装置与图1A的定向显示装置相同。
现在将描述应用于显示装置的视角控制光学元件260。视角控制光学元件260可以添加到包括显示偏振器210、218的空间光调制器，以实现可切换视场特性。
图1D是以侧视透视图展示了应用于显示装置的视角控制光学元件260的示意图，所述显示装置包括无源补偿延迟器330、可切换客体-主体液晶延迟器301和控制偏振器250。
在使用中，视角控制光学元件260可以由用户附接，或可以工厂装配到偏振输出空间光调制器48。视角控制光学元件260可以被提供为用于弯曲和弯折显示器的柔性膜。可替代地，视角控制光学元件260可以设置在如玻璃基板等刚性基板上。
有利地，可以提供不需要与面板像素分辨率相匹配以避免莫尔伪影的后市隐私控制元件和/或杂散光控制元件。可以进一步提供视角控制光学元件260以用于工厂装配到空间光调制器48。
通过将图1D的视角控制光学元件260附接到现有显示装置，可以形成如图1A-C中的任一个所示的显示装置。
图1A-D的实施例为从空间光调制器48输出的光400提供极性亮度控制。即，可切换客体-主体延迟器300(包括可切换客体-主体液晶延迟器301和无源补偿延迟器330)不影响沿着可切换客体-主体延迟器300的平面的法线的轴穿过输入显示偏振器210、可切换客体-主体延迟器300和另外的偏振器318的光的亮度，但是可切换客体-主体延迟器300至少在补偿可切换延迟器300的可切换状态之一中确实降低了沿着倾斜于可切换客体-主体延迟器300的平面的法线的轴从其中穿过的光的亮度。下文参考图29A-31E更详细地描述了导致这种效果的原理，并且由存在或不存在由可切换客体-主体液晶延迟器301和无源补偿延迟器330对沿着相对于可切换客体-主体液晶延迟器301和无源补偿延迟器330的液晶材料成不同角度的轴的光引入的相移引起。在下文描述的所有装置中均实现了类似的效果。
此外，除了可切换客体-主体液晶延迟器301之外，无源补偿延迟器330的提供改进了性能，如将参考一些具体显示装置并且通过与参考图19A-E所描述的一些比较实例进行比较来更详细地描述。
可能期望减小显示设备的厚度并增加其效率。
图1E是以侧视透视图展示了定向显示装置100的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括前可切换客体-主体液晶延迟器301；并且图1F是以前视图展示了图1E的光学堆叠中的光学层的对准的示意图。
显示装置包括空间光调制器48，所述空间光调制器包括可寻址像素220、222、224的层214；显示偏振器218，所述显示偏振器布置在空间光调制器48的输出侧上；客体-主体液晶延迟器301，所述客体-主体液晶延迟器包括液晶层，所述液晶层包括客体材料414B和主体材料414A。
显示偏振器218布置在客体-主体液晶延迟器301与可寻址像素层214之间。
在图1A的实施例中，无源补偿延迟器330被布置成提供对客体-主体液晶延迟器301上的入射偏振态的控制。通过比较，图1E展示了可以省略延迟器330。进一步地，与图1A的布置相比，消除了另外的偏振器318。有利地，可以减小厚度和成本。
可能期望减少空间光调制器48与观察者之间的光学层的数量。现在将描述其中多个延迟器300布置在空间光调制器48的输入侧上的布置。
图2A是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括背光20、可切换后客体-主体延迟器301、透射空间光调制器48，其中另外的偏振器318包括反射偏振器。
显示装置100包括空间光调制器48；布置在空间光调制器48的输入侧上的输入显示偏振器210。可切换后客体-主体延迟器301也布置在空间光调制器48的输入侧上，输入显示偏振器210位于可切换后客体-主体延迟器300与空间光调制器48之间。
另外的偏振器318与显示偏振器210一起布置在空间光调制器48的同一侧上，其中客体-主体液晶延迟器301位于输入显示偏振器210与另外的偏振器318之间。另外的偏振器318是与背光20协作操作以实现提高的效率的反射偏振器。
多个延迟器300布置在反射另外的偏振器318与显示偏振器210之间。对于图1A，多个延迟器300包括：可切换客体-主体液晶延迟器301，所述可切换客体-主体液晶延迟器包括布置在显示偏振器210与反射另外的偏振器318之间的液晶材料层314；以及无源补偿延迟器330。因此，反射另外的偏振器318布置在输入显示偏振器210的输入侧上，在输入显示偏振器210与背光20之间，并且多个延迟器300布置在反射另外的偏振器318与输入显示偏振器210之间。
反射另外的偏振器318的电矢量透射方向319平行于输入偏振器210的电矢量透射方向211，以实现如将在下文所述的可切换定向性质。
在替代性实施例中，另外的偏振器318可以包括反射偏振器和线性吸收偏振器两者，或可以包括仅线性吸收偏振器。
反射另外的偏振器318可以例如是多层薄膜，如来自3M公司的DBEFTM，或可以是线栅偏振器。有利地，由于来自偏振器372的偏振反射的光再循环，可以提高显示效率。与使用线性吸收偏振器和反射偏振器两者作为另外的偏振器318相比，可以降低另外的成本和厚度。
与图1A的布置相比，由于像素220、222、224与观察者之间的层数减少，图2A可以提供改进的屏幕前图像对比度(front of screen image contrast)。
可能期望提供具有固定隐私操作模式的显示器。
图2B是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括背光20、后无源客体-主体液晶延迟器340和透射空间光调制器48。
图2C是以侧视透视图展示了定向显示装置的光学堆叠的示意图，所述定向显示装置包括背光20、后可切换客体-主体延迟器300和透射空间光调制器48，其中另外的偏振器318包括线性吸收偏振器。与图2A的反射另外的偏振器318相比，二色性另外的偏振器318不将高角度光再循环到背光中，并且因此与图2A的布置相比可以降低离轴亮度。有利地，提高了隐私性能。
现在将参考图3A所示的客体-主体液晶延迟器301来描述客体-主体液晶延迟器301的操作。客体-主体液晶延迟器301具有与上述相同的结构，但是在此实例中，客体-主体延迟器301布置在空间光调制器48的输出侧上，输出显示偏振器218位于客体-主体延迟器301与空间光调制器48之间。通常，客体-主体延迟器301可以位于空间光调制器48的任一侧上，并且如下所述提供同一操作。
图3A是以侧视透视图展示了在具有第一驱动电压V1的隐私操作模式下的可切换客体-主体液晶延迟器301的示意图；图3B是展示了图3A中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；图3C是展示了随着二色性染料浓度的变化，图3A中的透射光线的输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图；并且图3D是展示了随着二色性染料浓度的变化，图3A中的透射光线的归一化输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图，其中参数在表1中描述。
Figure BDA0002952088880000261
表1
在图3A和下文的其它示意图中，为了清楚起见，省略了光学堆叠的一些层。例如，可切换客体-主体液晶延迟器301被示出为省略了基板312、316。
客体-主体液晶延迟器301包括作为各向异性吸收体的客体材料414B和作为液晶材料的主体材料414A。客体材料414B可以是二色性染料或多色性染料，并且通常可以是正二色性染料，其具有平行于二色性客体材料414B的长轴的偏振态的吸收。
当施加电压V1时，二色性染料通过对准的液晶材料414A来朝向，使得在如图3A所示的材料的至少一种状态中，客体-主体液晶延迟器301的光轴方向具有垂直于延迟器301的平面的对准分量。
在操作中，在x-z平面421中传播的光线420具有由显示偏振器218赋予的线性偏振分量。这种偏振分量以与分子714的吸收轴正交的朝向入射在客体材料414B的分子714上。因此，仰角方向上的光线420基本上被透射。
通过比较，在y-z平面423中传播的光线422具有平行于二色性染料分子714的吸收轴的偏振分量，并且因此经历一些吸收。因此，侧向方向上的光线420基本上被透射。
图3C和图3D展示了随着客体-主体浓度的增加，由于液晶分子的有序参数限制了可以实现的吸收二色性染料分子与偏振器218的对准，面向正面亮度降低。
有利地，可以实现降低的离轴亮度，从而提供增加的隐私性能。
客体-主体材料的期望范围已经通过模拟延迟器堆叠和使用显示光学堆叠的实验建立。
为了实现所期望的离轴亮度降低，同时使吸收最小化，客体材料的体积可以占主体材料的体积的小于3％，优选地小于2％并且最优选地小于1％。可替代地，为了实现所期望的离轴亮度降低，同时使吸收最小化，客体材料的重量可以占主体材料的重量的小于3％，优选地小于2％并且最优选地小于1％。有利地，降低客体浓度在垂直于延迟器301的方向上提供增加的效率，同时提供了一些离轴亮度降低。
客体-主体液晶延迟器301的轴上消光系数可以通过将延迟器301与线性吸收偏振器对准来确定，所述线性吸收偏振器具有(i)垂直于且(ii)平行于延迟器301的吸收轴的电矢量透射方向。消光系数是垂直和平行朝向的测量值之比。客体-主体液体延迟器301在至少一种操作状态下的轴上消光系数为至少60％，优选地至少80％并且最优选地至少90％。
图3E是以侧视透视图展示了在具有第二驱动电压V2的广角操作模式下的可切换客体-主体液晶延迟器的示意图；图3F是展示了图3E中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图。
所述客体材料包括正二色性材料或正多色性材料，并且所述客体-主体液晶层的光轴在所述客体-主体液晶层的平面中具有正交于所述显示偏振器的电矢量透射方向的对准分量。因此，主体材料414B的透射轴与线性吸收偏振器218的透射轴对准。输入光的视场基本上未被二色性客体材料414B修改。有利地，可以提供广角模式。
可能期望提供无源客体-主体液晶延迟器340。
图3G是以侧视图展示了无源客体-主体液晶延迟器的示意图。客体-主体液晶延迟器是固化的液晶层。
这种延迟器可以在第一步骤中通过在基板344的表面上提供垂面对准层342来提供。基板344是透明基板，所述透明基板可以是双折射基板以提供补偿延迟器330，或可以是类似于例如图2A所展示的反射另外的偏振器318。
在第二步骤中，通过旋涂、狭缝涂覆或其它已知的涂覆方法在垂面对准层342上提供客体-主体液晶材料414A、414B。上表面可以通过例如表面张力与空气的垂面对准进行自对准。液晶材料414A可以由如反应性介晶等可固化液晶材料提供。
在第三步骤中，提供UV光源345以照亮客体-主体液晶材料414A、414B，从而在液晶分子414A之间提供交联键346。
此类元件340也可以结合在本文描述的其它实施例中，以提供对离轴亮度降低的贡献。有利地，低成本的无源视角控制元件可以设置有低厚度，并且可以增加离轴杂散光减少。
图3H是以侧视图展示了无源客体-主体液晶延迟器的示意图，其中客体材料414B包括银纳米线。对所描述的吸收二色性材料而言可替代地或另外地，各向异性材料414B可以包括金属纳米材料，所述金属纳米材料可以是纳米线、纳米棒、纳米片或其它纳米级各向异性颗粒。
与其它地方描述的吸收二色性材料相比，纳米颗粒可以以类似于线栅偏振器的方式提供一些偏振相关的反射性质，但是其中垂面对准由液晶对准引入。具体地，层的复折射率可以为第一偏振分量480提供体镜面反射器的效果，并且透射正交偏振分量482。对于两个偏振分量480、482两者，轴上入射光线400可以由客体-主体液晶材料414A、414B透射，但是对于偏振分量480，离轴光线401可以被反射。
金属纳米线414B可以进一步包括电绝缘且光学透明的层474，所述电绝缘且光学透明的层防止电极413、415之间的电路径。这可以通过化学处理或加工来实现，使得光学透明的电绝缘涂层或层474存在于纳米线的全部或仅仅端部部分上。化学处理或加工可以例如包括纳米线的氧化，所述纳米线可以是铝。这实现了来自金属纳米线的离轴反射，而在液晶材料414内基本上没有DC导电路径。
图3I是以透视侧视图展示了显示器的示意图，所述显示器包括无源客体-主体液晶延迟器340，其中客体材料414B包括银纳米线；以及另外的偏振器318，其中客体-主体液晶延迟器340位于输出显示偏振器218与另外的偏振器318之间。无源客体-主体液晶延迟器340的基板344可以进一步包括无源延迟器330，以便在如本文其它地方描述的增加的视场上降低离轴亮度。
在操作中，来自空间光调制器48的光线400被透射，而离轴光线具有修改的偏振态并且被用于离轴位置的另外的偏振器318吸收。进一步地，银纳米线提供来自环境光源604的光线401的反射。
环境反射增加了如由观察者看到的图像的所感知背景水平，并且因此降低所感知图像对比度。有利地，增加了隐私性能。
返回到图2B的描述，无源客体-主体延迟器340可以可替代地被提供为图3H的类型。被反射到背光中的光线401可以被再循环而不是被吸收。有利地，除了来自背光20的光线的一些准直之外，还可以获得增加的效率。
期望在实现高轴上透射的同时增加离轴亮度降低。
图4A是以侧视透视图展示了在隐私操作模式下的可切换客体-主体液晶延迟器301和另外的偏振器318。与图3A相比，另外的偏振器318提供增加的离轴吸收并改变输出透射分布的性质。
图4B是展示了在没有客体二色性染料材料的情况下，图4A中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图。为了方便起见，另外的偏振器318的吸收尚未包含在本附图中。
图4C是展示了在第一浓度的客体二色性染料材料的情况下，图4A中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；图4D是展示了在第二浓度的客体二色性染料材料的情况下，图4A中的透射光线的输出透射随着极性方向的模拟变化的示意图；图4E是展示了随着二色性染料浓度的变化，图4A中的透射光线的输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图；并且图4F是展示了随着二色性染料浓度的变化，图4A中的透射光线的归一化输出透射随着零仰角处的侧向角的模拟变化的示意图，其中参数在表2中描述。
Figure BDA0002952088880000301
表2
与图4B的输出相比，二色性染料414B有利地降低“靶心(bulls-eye)”结构的可见性并且增加维持隐私性能的角视场。进一步地，与图3A的布置相比，离轴透射被进一步减小。
期望在维持广角操作的同时在隐私操作模式下进一步降低显示器的离轴可见性。现在将进一步描述图1A的显示器在表示第一状态的广角模式下的操作，其中提供了另外的补偿延迟器330。
图4G是以透视侧视图展示了可切换客体-主体延迟器300在广角操作模式下的布置的示意图。
可切换客体-主体液晶延迟器301包括两个表面对准层，所述两个表面对准层在其相对侧上安置成邻近液晶材料414并且被布置成在邻近液晶材料414处提供垂面对准。如上所述，液晶材料414可以设置有与水平面成例如88度的预倾斜，以去除液晶材料414对准的简并性。
无源补偿延迟器330包括具有光轴的负C板延迟器，所述光轴是垂直于延迟器的平面的快轴。因此，C板延迟器的材料430可以具有负介电各向异性。C板可以包括透明的双折射材料，例如：聚碳酸酯或反应性介晶，其被浇铸到提供垂面对准的基板上；ZeonexTM环烯烃聚合物(COP)；盘状聚合物；以及Nitto Denko双拉伸聚碳酸酯。
在美国专利公开号2019-0086706中展示了未结合染料材料414B的此类布置，所述美国专利通过引用整体并入本文。
由于主体液晶材料414A的本体延迟性质，本实施例实现了基本上类似的离轴亮度降低。进一步地，在此类实施例中提供了由于对准的客体染料材料414B引起的离轴亮度降低。有利地，可以进一步降低离轴亮度。
图4H是展示了通过可切换液晶延迟器单元的液晶指向矢角407相对于分数位置440的曲线图的示意图，其中分数位置440在表面对准层409处的位置的0与表面对准层411处的位置的1之间变化。
对于如图4G所展示的未施加电压的竖直对准状态，液晶指向矢穿过如倾斜分布442所指示的单元的厚度处于88度的倾斜407。层314的倾斜分布可以与分布442相同。补偿延迟器330可以为可切换客体-主体液晶延迟器301的预倾斜方向提供校正。补偿延迟器330可以可替代地具有90度的均匀倾斜角度，与液晶层的预倾斜的这种差异仅提供离轴观察性质的小差异。
因此，当未施加电压时，补偿延迟器330的离轴延迟基本上等于并且与可切换客体-主体液晶延迟器301的离轴延迟相反。
图4I是以侧视图展示了在广角操作模式下来自空间光调制器48的输出光穿过图1A的光学堆叠的传播的示意图；并且图4J是展示了在广角操作模式下图4I中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图。
理想的补偿可切换延迟器300包括补偿延迟器330与可变的可切换客体-主体液晶延迟器301的组合，其中补偿延迟器330的介电常数、各向异性和各向异性的分散具有与层314的介电常数、各向异性和各向异性的分散相等和相反的介电常数、各向异性和各向异性的分散。无源补偿延迟器330的延迟与可切换客体-主体液晶延迟器301的延迟相等且相反。
这种理想的补偿可切换延迟器实现了在液晶材料414的层314的第一广角状态下对所有极角的透射光的补偿；并且在可切换客体-主体液晶延迟器301的第二隐私状态下在侧向方向上的窄视场。
进一步地，补偿延迟器330的光轴方向与广角状态下的客体-主体液晶延迟器301的光轴方向相同。这种补偿延迟器330抵消了液晶延迟器对所有视角的延迟并且提供了理想的广角观察状态，而对所有观察方向无亮度损耗。
现在将描述用于非理想材料选择的广角透射极性分布。
本公开的说明性实施例展示了补偿延迟器330，由于延迟器330、301所特有的材料性质的小差异，所述补偿延迟器可能不能精确地补偿可切换客体-主体液晶延迟器301的延迟。然而，有利地，此类偏差是小的，并且高性能广角状态和窄角状态可以用可能接近理想性能的此类偏差来实现。
因此，当可切换客体-主体液晶延迟器301处于所述两种状态中的第一状态时，可切换客体-主体液晶延迟器300不提供偏振分量360、361的整体变换，从而输出垂直于可切换延迟器的平面或与垂直于可切换延迟器的平面成锐角的穿过其的光线400，例如用于光线402。
偏振分量362基本上与偏振分量360相同，并且偏振分量364基本上与偏振分量361相同。因此，图4J的角透射分布跨宽的极性区域基本上是均匀透射的。
换句话说，当液晶材料414的层处于所述两种朝向状态中的第一朝向状态时，多个延迟器330、301向垂直于延迟器的平面或与垂直于延迟器330、301的平面成锐角从其中穿过的光不提供整体延迟。
有利的是，在第一状态下，显示亮度随着视角的变化基本上未被修改。多个用户可以方便地从宽范围的视角观看显示器。
进一步地，由于客体二色性材料414B的作用，图3F的广角分布设置有这种布置。因此，广角模式性能可以基本上不被二色性材料414B修改。有利地，可以提供可以从大视场观察的显示器。
现在将描述客体-主体延迟器300和另外的偏振器318在窄角模式下的操作，例如用于隐私操作模式。
图5A是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的延迟器300的布置的示意图，所述延迟器包括在隐私操作模式下的负C板无源补偿延迟器330和垂面对准的可切换客体-主体液晶延迟器301。
客体-主体液晶延迟器301进一步包括透明电极413、415，如ITO电极，其布置在可切换客体-主体液晶延迟器301的相对侧上。电极413、415通过调节由电极413、415施加到客体-主体液晶延迟器301的电压来控制可切换客体-主体液晶延迟器301。所施加电压能够在至少两种状态之间切换主体材料，在所述至少两种状态中的一种状态下客体-主体液晶延迟器的光轴具有垂直于客体-主体液晶延迟器301的平面的对准分量。
控制系统352被布置成控制由电压驱动器350跨可切换客体-主体液晶延迟器301的电极413、415施加的电压。
返回图4H，当施加电压时，为可切换客体-主体液晶延迟器301提供张开的倾斜分布444，从而使得液晶材料414的层314的延迟被修改。
最佳隐私性能的方向可以响应于观察者定位通过控制驱动电压来调节。在另一种用途中或例如在机动车辆环境中，当乘客或驾驶员可能希望借助于中间电压水平在没有完全遮挡的情况下的显示图像的一些可见性时，向离轴观察者提供受控的亮度。
图5B是以侧视图展示了在隐私操作模式下来自空间光调制器48的输出光穿过图1A的光学堆叠的传播，其中可切换客体-主体液晶延迟器301是借助于施加电压来朝向的。
在本实施例中，补偿可切换液晶延迟器330可以与显示偏振器210、218、316和另外的偏振器318组合地被配置成具有降低从显示装置以与光轴(离轴)成锐角输出的光的亮度的效果，即与不存在延迟器相比。补偿可切换液晶延迟器330还可以与显示偏振器210、218、316和另外的偏振器318组合地被配置成具有不降低从显示装置沿着光轴(轴上)输出的光的亮度的效果，即与不存在延迟器相比。
来自输出显示偏振器218的偏振分量360由输出显示偏振器218透射并且入射在可切换客体-主体延迟器300上。轴上光具有从分量360未修改的偏振分量362，而离轴光具有由可切换客体-主体延迟器300的延迟器变换的偏振分量364。至少，偏振分量361被转换成线性偏振分量364并且被另外的偏振器318吸收。更一般地，偏振分量361被转换成椭圆偏振分量，其被另外的偏振器318部分地吸收。
因此，当延迟器可切换客体-主体液晶延迟器301处于所述两种朝向状态的第二朝向状态时，多个延迟器301、330对沿着垂直于延迟器的平面的轴从其中穿过的光不提供整体延迟，但是对于与延迟器301、330的平面的垂线成锐角的一些极角363，对从其中穿过的光提供非零的整体延迟。
换句话说，当可切换客体-主体液晶延迟器301处于所述两种状态中的第二状态时，可切换补偿延迟器330不提供偏振分量360的整体变换以输出沿着垂直于可切换延迟器301的平面的轴从其中穿过的光线400，但是对于与延迟器301、330的平面的垂线成锐角的一些极角，向从其中穿过的光线402提供偏振分量361的整体变换。
将描述用于窄角操作的说明性材料系统。
图5C、图5D和图5E是展示了图5B中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图，其中参数在表3中描述。
Figure BDA0002952088880000351
表3
在本实施例中，已经借助于延迟器堆叠的模拟和具有显示光学堆叠的实验来建立延迟和电压的期望范围。
可切换液晶延迟器300包括：第一表面对准层409，所述第一表面对准层安置在液晶材料414的层的第一侧上；以及第二表面对准层411，所述第二表面对准层安置在液晶材料414的层的与第一侧相对的第二侧上；其中第一表面对准层409是垂面对准层并且第二表面对准层411是垂面对准层，其中液晶材料的层对波长为550nm的光的延迟介于500nm与1000nm之间，优选地介于600nm与900nm之间并且最优选地介于700nm与850nm之间。
当无源补偿延迟器330包括具有垂直于延迟器的平面的光轴的延迟器时，无源延迟器对于波长为550nm的光的延迟介于-300nm与-900nm之间，优选地介于-450nm与-800nm之间并且最优选地介于-500nm与-725nm之间。
与图4B的输出相比，图5C所展示的光透射的极性分布修改了从下面的空间光调制器48以及在适用的情况下背光20输出的亮度的极性分布。
现在考虑添加客体二色性染料材料414B，与图4C的输出相比，图5D的分布在更宽的视场上提供增加的亮度降低。
有利地，可以进一步降低离轴亮度。提供了一种隐私显示器，所述隐私显示器对离轴窥探者具有低亮度，同时对于轴上观察者维持高亮度。提供大的极性区域，在所述大的极性区域上，显示器对离轴窥探者的亮度降低。进一步地，在隐私操作模式下，对于主显示用户，轴上亮度基本上不受影响。
跨电极施加的电压对于第一朝向状态为零，并且对于第二朝向状态为非零。有利地，宽操作模式可以不具有另外的功耗，并且用于驱动可切换客体-主体液晶延迟器301的故障模式是用于广角模式。
在下文描述的包括客体-主体液晶延迟器的另外的示例性实施例中，这种客体材料可以用于进一步降低隐私模式下的离轴亮度，同时对广角操作模式的影响较小。除非另有说明，否则以下视场分布是针对未添加的客体材料414B提供的，然而如上文所展示的关于添加另外的偏振器318、补偿延迟器330和客体材料414B的浓度变化的趋势适用于提供降低的离轴亮度。
现在将进一步描述图1A的显示器的隐私模式操作。
图6A是以前透视图展示了对在隐私模式下操作的显示器的透射输出光的观察的示意图。显示装置100可以设置有白色区域603和黑色区域601。如果可以感知到观察区域601、603之间的亮度差，则窥探者可以观察显示器上的图像。在操作中，主用户45通过光线400观察到可以是定向显示器的光学窗口的观看位置26的全亮度图像。窥探者47在观看位置27中观察到降低的亮度光线402，所述观看位置可以是定向显示器的光学窗口。区域26、27进一步表示图5C的轴上和离轴区域。
图6B是以前透视图展示了在具有如图5C所展示的亮度变化的隐私模式1下操作的图1A的显示器的外观的示意图。因此，上观看象限530、532、下观看象限534、536和侧向观看位置526、528提供降低的亮度，而上/下中央观看区域522、520和面向正面观看提供高得多的亮度。
可能期望在机动车辆中提供可控显示照明。
图6C是以侧视图展示了针对娱乐操作模式和共享操作模式两者的具有布置在机动车辆600的车辆座舱602内的可切换定向显示器100的机动车辆的示意图。光锥610(例如，表示亮度大于峰值亮度的50％的光锥)可以由显示器100在仰角方向上的亮度分布提供，并且不可切换。
图6D以俯视图展示了在娱乐操作模式下的并且以与隐私显示器类似的方式操作的具有布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器100的机动车辆的示意图。光锥612提供有窄的角度范围，使得乘客606可以看到显示器100，而驾驶员604可能看不到显示器100上的图像。有利地，可以向乘客606显示娱乐图像而不会分散驾驶员604的注意力。
图6E以俯视图展示了在共享操作模式下的具有布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器100的机动车辆的示意图。光锥614提供有宽角度范围，使得例如当显示器不运动时或当提供非干扰性图像时，所有乘员都可以感知显示器100上的图像。
图6F是以俯视图展示了针对夜间和日间操作模式两者的具有布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器100的机动车辆的示意图。与图6C-E的布置相比，光学输出被旋转，使得显示器仰角方向沿着驾驶员604和乘客606位置之间的轴。光锥620照亮驾驶员604和乘客606两者。
图6G是以侧视图展示了在夜间操作模式下的具有布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器100的机动车辆的示意图。因此，显示器可以提供窄角度输出光锥622。可以有利地显著减少照亮车辆座舱602的内表面和乘员并且使驾驶员604注意力分散的杂散光。驾驶员604和乘客606两者均可以有利地能够观察所显示图像。
图6H是以侧视图展示了在日间操作模式下的具有布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器100的机动车辆的示意图。因此，显示器可以提供窄角度输出光锥624。有利地，所有座舱602的乘员均可以方便地观察显示器。
图6C-H的显示器100可以布置在其它车辆座舱位置，如驾驶员仪表显示器、中央控制台显示器和座椅靠背显示器。
图7A-D是展示了对于以0.1V增量从2.05V到2.35V的四个不同驱动电压，输出透射随着极性方向的变化的示意图。因此，所施加电压可以在隐私操作模式下提供对亮度视场最小值位置的控制。进一步地，可以将亮度最小值控制在零或更小的高度与极性分布的上象限中的高度之间。
返回本实施例的讨论，现在将描述补偿可切换延迟器300的另外的布置。
图8A是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换延迟器的布置的示意图，所述可切换延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器308A、308B和垂面对准的可切换客体-主体液晶延迟器301；并且图8B是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换补偿延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器和垂面对准的可切换液晶延迟器。
与图4G和图5A的布置相比，补偿延迟器330可以可替代地包括一对延迟器308A、308B，所述一对延迟器在延迟器的平面中具有交叉的光轴。补偿延迟器330因此包括一对延迟器308A、308B，所述一对延迟器各自包括单个A板。
所述一对延迟器308A、308B各自包括多个A板，其相应光轴309A、309B以彼此不同的角度进行对准。所述一对延迟器具有光轴309A、309B，所述光轴各自相对于电矢量透射方向以45°延伸，所述电矢量透射方向在另外的偏振器318布置在输入显示偏振器210的输入侧上的情况下平行于输入显示偏振器的电矢量透射方向211，或在另外的偏振器318布置在输入显示偏振器218的输出侧上的情况下平行于输出显示偏振器218的电矢量透射方向219。
图9A是展示了在广角操作模式下图8A中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图；并且图9B是展示了在由表4的说明性实施例提供的隐私操作模式下图8B中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图。
Figure BDA0002952088880000391
表4
当无源补偿延迟器330包括一对延迟器时，所述一对延迟器在延迟器的平面中具有交叉的光轴，所述一对延迟器中的每个延迟器对于波长为550nm的光的延迟介于300nm与800nm之间，优选地介于500nm与700nm之间并且最优选地介于550nm与675nm之间。
有利地，与图4G和图5A的C板延迟器相比，可以以更低成本更方便地制造A板。进一步地，可以为广角操作模式提供零电压状态，以使广角操作期间的功耗最小化。
在本实施例中，“交叉”是指在延迟器的平面中两个延迟器的光轴之间成大致上90°的角度。为了降低延迟器材料的成本，期望提供例如由于在薄膜制造期间的拉伸误差而具有延迟器朝向的一些变化的材料。延迟器朝向偏离优选方向的变化可以降低面向正面亮度并且增加最小透射。优选地，角度310A为至少35°且至多55°，更优选地至少40°且至多50°并且最优选地至少42.5°且至多47.5°。优选地，角度310B为至少125°且至多145°，更优选地至少130°且至多135°并且最优选地至少132.5°且至多137.5°。
在机械变形期间，如当触摸显示器时，图9A-9B的垂面对准的液晶延迟器301可能具有不期望的长恢复时间，从而产生可见的未对准伪影。期望在机械变形之后提供快速的恢复时间。
图10A-10B是以透视侧视图分别展示了在广角和隐私操作模式下的可切换延迟器的布置的示意图，所述可切换延迟器包括沿面地对准的可切换液晶延迟器，其包括具有正介电各向异性的液晶材料414以及分别用于第一驱动电压和第二驱动电压的无源负C板延迟器330。
可切换液晶延迟器进一步包括表面对准层431、433，所述表面对准层被安置成邻近液晶材料414的层，并且所述表面对准层各自被布置成在邻近液晶材料中提供沿面对准。换句话说，可切换液晶延迟器包括两个表面对准层431、433，所述两个表面对准层被安置成邻近液晶材料414的层且位于其相对侧上，并且所述两个表面对准层各自被布置成在邻近液晶材料414中提供沿面对准。
图10C是展示了对于各种不同的所施加电压，通过图10A的可切换客体-主体液晶延迟器301的液晶指向矢角度407相对于分数位置440的曲线图。图10C与图4H不同，其中预倾斜角是小的并且随着所施加电压而增加。轮廓441展示了液晶材料414针对0V所施加电压的倾斜角，倾斜分布443展示了针对2.5V的指向矢朝向，并且倾斜分布445展示了针对5V的指向矢朝向。因此，液晶层通常在期望的切换状态下张开，并且由补偿延迟器330补偿。将电压增加到高于2.5V到10V渐进地减小其中存在张开的延迟器301的厚度，并且有利地增加使透射最大化的极性视场。
与垂直于延迟器的平面的方向相比，液晶倾斜的分辨分量419a、419b基本上高于图5A的分量417a、417b。
与例如图8A的布置相比，增加的分辨分量419a、419b的幅值可以在机械变形之后提供增加的恢复力。可以有利地降低对如在触摸显示器期间的机械变形的敏感性。
对于可接受的广角视场，操作电压可以降低到10V以下，从而降低功耗；并且降低电驱动的成本和复杂性。
图11A-11C是展示了可切换补偿延迟器的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图，所述可切换补偿延迟器包括沿面地对准的客体-主体液晶延迟器301和无源负C板补偿延迟器330，类似于图10A和10B的包括表5所展示的实施例的显示装置，在隐私模式和用于不同驱动电压的两种不同广角模式下。
Figure BDA0002952088880000411
表5
表6中进一步描述了包括在两个基板上的沿面对准层431、433的有源LC延迟器301和无源负C板补偿延迟器330的光学延迟的期望范围。
有源LC层延迟/nm 最小负C板延迟/nm 典型的负C板延迟/nm 最大负C板延迟/nm
600 -300 -400 -500
750 -350 -450 -600
900 -400 -500 -700
表6
因此，可切换液晶延迟器300包括：第一表面对准层431，所述第一表面对准层安置在液晶材料414的层的第一侧上；以及第二表面对准层433，所述第二表面对准层安置在液晶材料414的层的与第一侧相对的第二侧上；其中第一表面对准层409是沿面对准层并且第二表面对准层是沿面对准层；其中液晶材料的层对波长为550nm的光的延迟处于500nm到1000nm的范围内，优选地处于600nm到850nm的范围内并且最优选地处于700nm到800nm的范围内。因此，当第一对准层和第二对准层各自是沿面对准层时并且当无源补偿延迟器330包括具有垂直于延迟器的平面的光轴的延迟器时，无源延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于-300nm到-700nm的范围内，优选地处于-350nm到-600nm的范围内并且最优选地处于-400nm到-500nm的范围内。
有利地，可以通过在宽极性区域上的亮度降低和隐私水平增加来提供离轴隐私。与垂面对准相比，可以提高对由于层314中的液晶材料的流动引起的视觉伪影的另外抵抗力。
现在将描述图10A的光学结构和驱动的各种其它配置。
5V下的操作提供了较低功耗和较低成本的电子装置，同时在广角模式下实现可接受的亮度滚降。广角模式下的视场可以通过操作10V进一步扩展。
图12是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换补偿延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器308A、308B和沿面地对准的可切换客体-主体液晶延迟器301；并且图13-15是展示了可切换补偿延迟器301的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图，所述可切换补偿延迟器包括包含表7所展示的相应实施例的沿面地对准的液晶材料414和无源交叉的A板延迟器308A、308B，在隐私模式和用于各种不同电压的广角模式下。
Figure BDA0002952088880000421
表7
表8中进一步描述了包括在两个基板上的沿面对准层409、411的有源LC延迟器301和交叉的正A板延迟器308A、308B的光学延迟的期望范围。
有源LC层延迟/nm 最小正A板延迟/nm 典型的正A板延迟/nm 最大正A板延迟/nm
600 +300 +400 +600
750 +350 +500 +700
900 +400 +600 +800
表8
因此，当：第一对准层和第二对准层各自是沿面对准层时；液晶材料的层对于波长为550nm的光的延迟处于500nm到1000nm的范围内，优选地处于600nm到850nm的范围内并且最优选地处于700nm到800nm的范围内；并且无源补偿延迟器330包括在延迟器的平面中具有交叉的光轴，然后所述一对延迟器中的每个延迟器对于波长为550nm的光的延迟介于300nm与800nm之间，优选地介于350nm与650nm之间并且最优选地介于450nm与550nm之间。
另外的交叉A板可以由低成本材料方便地提供。
通过说明的方式，现在将描述图12的光学结构和驱动的各种其它示例实施例。图14和图15进一步展示了通过调节寻址电压和延迟，可以有利地实现不同的广角视场。
现在将进一步描述光学堆叠结构的布置。
图16A和图16B是以侧视图展示了显示器的一部分的示意图，所述显示器包括可切换补偿延迟器和光学结合层380。可以向层压薄膜和基板提供光学结合层380，从而在隐私模式下在高视角下实现增加的效率和降低的亮度。进一步地，气隙384可以设置在空间光调制器48与可切换客体-主体延迟器301之间，在这种情况下所述可切换客体-主体延迟器布置在空间光调制器48的输入侧上。为了减少两个表面在气隙384处的润湿，可以向可切换客体-主体延迟器300或空间光调制器48中的至少一个提供抗润湿表面382。
如图16A所展示的，无源补偿延迟器330可以设置在可切换液晶层301与空间光调制器48之间，或如图16B所展示的，可以设置在另外的偏振器318与可切换客体-主体液晶延迟器301之间。在两个系统中提供了基本上相同的光学性能。
图16A展示了光学层结合到基板312、316的外侧。有利地，可以减少由于层压期间储存的应力而导致的基板312、316从附接层的弯曲，并且维持显示器平坦度。
类似地，可以布置客体-主体延迟器300，其中输出偏振器218是显示偏振器。与其中可切换补偿延迟器301布置在空间光调制器48后面的布置相比，可以由空间光调制器48提供的散射(例如，来自像素220、222、224处的相位结构的散射)不会使输出亮度分布降级。
可能期望向另外的偏振器提供与显示偏振器的电矢量透射方向不同的电矢量透射方向。
图17是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换补偿延迟器的布置的示意图，所述可切换补偿延迟器包括交叉的A板无源补偿延迟器308A、308B和沿面地对准的可切换客体-主体液晶延迟器301，如上所述，但是进一步包括无源旋转延迟器460。
显示偏振器218可以设置有电矢量透射方向219，所述电矢量透射方向在扭曲向列LCD显示器的情况下可以例如成45度的角度317。另外的偏振器318可以被布置成向用户提供竖直偏振光，所述用户可以佩戴通常透射竖直偏振光的偏振太阳镜。
无源旋转延迟器460与本实施例的补偿延迟器330不同，并且现在将描述其操作。
无源旋转延迟器460可以包括双折射材料462并且是半波片，例如在波长为550nm处具有275nm的延迟。
无源旋转延迟器460具有快轴朝向464，所述快轴朝向以与另外的偏振器318的电矢量透射方向319可能成22.5度的角度466倾斜。因此，无源旋转延迟器460旋转来自输出偏振器218的偏振，使得入射到补偿延迟器308B上的光的偏振方向平行于方向319。
无源旋转延迟器460通过提供来自显示偏振器218的偏振分量的角旋转来修改轴上偏振态。相比之下，补偿延迟器308A、308B一起不修改轴上偏振态。
进一步地，无源旋转延迟器460提供可以基本上独立于视角的偏振旋转。相比之下，补偿延迟器308A、308B提供了输出亮度随着视角的实质性修改。
有利地，显示器可以设置有与显示偏振器偏振方向219不同的输出偏振方向319，例如以提供偏振太阳镜的观看。
在替代性实施例中，与延迟器308A的延迟相比，可以省略单独的延迟器460，并且增加图11A的延迟器308B的延迟以提供另外的半波旋转。为了继续说明性实施例，延迟器308B在550nm的波长处的延迟可以比延迟器308A的延迟大275nm。有利地，可以减少层的数量、复杂性和成本。
现在将描述包括沿面对准层和垂面对准层两者的混合对准结构。
图18是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换延迟器的布置的示意图，所述可切换延迟器包括包含液晶材料423的沿面地且垂面地对准的可切换客体-主体液晶延迟器301和无源负C板延迟器330。
图19-20是展示了分别在广角操作模式和隐私操作模式下，图18中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图，并且是由表9的布置提供的。
Figure BDA0002952088880000451
表9
混合对准的可切换客体-主体液晶延迟器301具有可变的倾斜，使得对于给定材料和单元厚度选择，提供了降低的有效双折射。因此，与对准层相同的布置相比，必须调节延迟器设计以补偿。可切换液晶延迟器330包括第一表面对准层441和第二表面对准层443，所述第一表面对准层安置在液晶材料423的层的第一侧上，所述第二表面对准层安置在液晶材料423的层的与第一侧相对的第二侧上。第一表面对准层441是被布置成在邻近液晶材料423中提供垂面对准的垂面对准层，并且第二表面对准层443是被布置成在邻近液晶材料423中提供沿面对准的沿面对准层。
进一步地，延迟器的最佳设计与无源补偿延迟器330相对于垂面对准层和沿面对准层的相对位置有关。
当被布置成提供沿面对准的表面对准层443位于液晶材料423的层与补偿延迟器330之间时，液晶材料423的层对于波长为550nm的光的延迟处于500nm到1800nm的范围内，优选地处于700nm到1500nm的范围内并且最优选地处于900nm到1350nm的范围内。当被布置成提供沿面对准的表面对准层443位于液晶材料423的层与补偿延迟器330之间时，无源补偿延迟器可以包括具有垂直于延迟器的平面的光轴的延迟器330，如图18所示，无源延迟器330对于波长为550nm的光的延迟处于-300nm到-1600nm的范围内，优选地处于-500nm到-1300nm的范围内并且最优选地处于-700nm到-1150nm的范围内；或可替代地，无源补偿延迟器可以包括一对延迟器(未示出)，所述一对延迟器在延迟器的平面中具有交叉的光轴，所述一对延迟器中的每个延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于400nm到1600nm的范围内，优选地处于600nm到1400nm的范围内并且最优选地处于800nm到1300nm的范围内。
当被布置成提供垂面对准的表面对准层441位于液晶材料423的层与补偿延迟器330之间时，液晶材料423的层对于波长为550nm的光的延迟处于700nm到2000nm的范围内，优选地处于1000nm到1700nm的范围内并且最优选地处于1200nm到1500nm的范围内。当被布置成提供垂面对准的表面对准层441位于液晶材料423的层与补偿延迟器330之间时，无源补偿延迟器可以包括具有垂直于延迟器的平面的光轴的延迟器330，如图18所示，无源延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于-400nm到-1800nm的范围内，优选地处于-700nm到-1500nm的范围内并且最优选地处于-900nm到-1300nm的范围内；或可替代地，无源补偿延迟器可以包括一对延迟器(未示出)，所述一对延迟器在延迟器的平面中具有交叉的光轴，所述一对延迟器中的每个延迟器对于波长为550nm的光的延迟处于400nm到1800nm的范围内，优选地处于700nm到1500nm的范围内并且最优选地处于900nm到1300nm的范围内。
与图5A的布置相比，当按压液晶延迟器时，隐私操作模式可以有利地实现对材料流动外观的增强的弹性。
可能期望提供对离轴隐私视场的进一步控制。
图21是以透视侧视图展示了在隐私操作模式下的可切换延迟器的布置的示意图，所述可切换延迟器包括：可切换客体-主体延迟器301(在这种情况下，垂面地对准的可切换客体-主体液晶延迟器301，但这仅仅是实例并且可以由本文公开的客体-主体液晶延迟器的任何其它布置替代)，所述可切换客体-主体延迟器布置在空间光调制器48(图21中未示出)的输出侧上、在另外的偏振器318的输出处；以及可切换透射延迟器305(在这种情况下，负C板无源补偿延迟器330和垂面地对准的可切换透明液晶延迟器303，但是这仅仅是实例并且可以由本文公开的多个延迟器的任何其它布置替代)，所述可切换透射延迟器布置在显示偏振器218与具有电矢量透射方向319的另外的偏振器318之间。
为了本公开的目的，不是由客体-主体液晶提供的液晶延迟器被称为透明液晶延迟器，因为在液晶层内基本上不存在光吸收。
作为替代方案，另外的偏振器318可以布置在输入显示偏振器210的输入侧上，在这种情况下，另外的偏振器318可以布置在输入显示偏振器210的在输入偏振器210与背光20之间的输入侧上，并且可切换客体-主体液晶延迟器301可以布置在另外的偏振器318与背光20之间。作为另外的替代方案，延迟器301、305可以布置在空间光调制器48的相对侧上。
在这些替代方案的每个替代方案中，延迟器301、305(和/或如果结合的话，无源客体-主体液晶延迟器340)中的每一个则具有类似于上述装置中的对应结构的效果。
可切换客体-主体液晶延迟器301的对准层的预倾斜方向307A、309A可以在液晶层的平面中具有平行于或反平行于或正交于可切换透明液晶延迟器303的对准层307B、309B的预倾斜方向而对准的分量。在宽操作模式下，可切换客体-主体液晶延迟器301和可切换透明液晶延迟器303两者均被驱动以提供宽视角。在隐私操作模式下，可切换液晶延迟器301、303可以协作以有利地实现增加的亮度降低以及因此在单轴上改善的隐私。
由第一可切换客体-主体液晶延迟器301和另外的液晶延迟器303提供的延迟可以不同。可切换客体-主体液晶延迟器301和另外的可切换透明液晶延迟器303可以由公共电压驱动。
可切换客体-主体液晶延迟器301中的液晶材料414A可以与可切换透明液晶延迟器303中的液晶材料414C不同。可以减少本文其它地方所展示的极性亮度分布的色度变化，从而有利地改善离轴颜色外观。
可替代地，可切换液晶延迟器301、303可以具有正交对准，以使得在水平和竖直方向两者上实现降低的亮度，以有利地实现风景(landscape)和肖像(portrait)隐私操作。
可替代地，如图所展示的，层303、301可以提供有不同的驱动电压。有利地，可以实现对亮度分布的滚降的增强的控制，或可以提供风景与隐私操作之间的切换。
图22是以透视侧视图展示了布置在空间光调制器48的输出端上的可切换补偿延迟器305的布置以及布置在空间光调制器48的输入端上的可切换客体-主体液晶延迟器301的示意图。
另外的偏振器318布置在输出显示偏振器218的输出侧上，并且透明液晶延迟器303和补偿延迟器330布置在另外的偏振器318与输出偏振器218之间。
进一步地，客体-主体液晶延迟器301设置在背光20与输入反射偏振器208和输入线性吸收偏振器210之间并且如上所述布置。
来自反射偏振器208的反射离轴光可以在客体-主体液晶延迟器301中经历另外的吸收，并且不在背光中再循环，从而实现准直的增加和离轴亮度的降低。可以通过透明液晶延迟器303和补偿延迟器330来提供离轴亮度或风景-肖像操作的进一步降低。
可能期望在机动车辆中同时提供娱乐和夜间操作模式两者。
图23A是以俯视图展示了针对日间和/或共享操作模式的具有可切换定向显示器(如图22所展示的被布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器)的机动车辆的示意图；并且图23B是以侧视图展示了针对日间和/或共享操作模式的具有布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图。光锥630、632设置有广角视场，并且因此显示器有利地可由多个乘员看到。
图24A是以俯视图展示了针对夜间和/或娱乐操作模式的具有可切换定向显示器(如图22所展示的被布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器)的机动车辆的示意图；图24B是以侧视图展示了针对夜间和/或娱乐操作模式的具有布置在车辆座舱602内的可切换定向显示器的机动车辆的示意图。光锥634、636设置有窄角视场，并且因此显示器有利地仅由单个乘员看到。有利地，减少了夜间操作的杂散光，从而提高了驾驶员的安全性。进一步，显示器从挡风玻璃601的反射被减少，从而使对驾驶员604的干扰最小化。
期望借助于来自空间光调制器48的定向照明来提供离轴亮度的进一步降低。现在将描述通过定向背光20对空间光调制器48的定向照明。
图25A是以前透视图展示了定向背光20的示意图；并且图25B是以前透视图展示了非定向背光20的示意图，所述非定向背光中的任一者均可以应用于本文所述的任何装置中。因此，如图25A所示的定向背光20提供了窄锥450，而如图25B所示的非定向背光20提供了光输出光线的广角分布锥452。
图26是展示了各种不同的背光布置的亮度随着侧向视角的变化的示意图。图26的曲线图可以是通过本文所述的极性视场分布的横截面。
朗伯背光(Lambertian backlight)具有独立于视角的亮度分布846。
典型的广角背光在较高角度处具有滚降，使得相对亮度的半高全宽866可以大于40°，优选地大于60°并且最优选地大于80°。进一步地，在+/-45°处的相对亮度864优选地大于7.5％，更优选地大于10％并且最优选地大于20％。
通过比较，定向背光20在较高角度处具有滚降，使得相对亮度的半高全宽862可以小于60°，优选地小于40°并且最优选地小于20°。进一步地，背光20可以在与所述空间光调制器48的法线成大于45度的极角下提供亮度，所述亮度是沿着所述空间光调制器48的法线的亮度的至多33％，优选地沿着所述空间光调制器48的法线的亮度的至多20％并且最优选地沿着所述空间光调制器48的法线的亮度的至多10％。
当可切换延迟器300布置在输入显示偏振器210与另外的偏振器318之间时，空间光调制器48中的散射和衍射可能使隐私模式操作降级。与其中可切换延迟器300布置在输入显示偏振器210与另外的偏振器318之间的布置相比，在其中可切换延迟器300布置在输出显示偏振器218与另外的偏振器318之间的布置中，可以增加与空间光调制器的法线成大于45度的极角下的亮度。
有利地，与图2A相比，对于相同的背光20，图1A的布置可以实现较低的离轴亮度。
在图1A的说明性实施例中，与空间光调制器48的法线成大于45度的极角下的亮度可以至多为18％，而在图2A的说明性实施例中，与空间光调制器48的法线成大于45度的极角下的亮度可以至多为10％。有利地，图1A的实施例可以在广角操作模式下提供更宽的观看自由度，同时在隐私操作模式下实现与图2A的实施例类似的观看自由度。
这种亮度分布可以由下文描述的定向背光20提供，或也可以由广角背光与进一步另外的偏振器318B和无源延迟器270或另外的补偿切换液晶延迟器300B的组合提供。
图27A是以侧视图展示了包括可切换液晶延迟器300和背光20的可切换定向显示设备100的示意图。图27A的背光20可以应用于本文所述的任何装置中，并且包括由光源阵列15穿过输入端2照射的成像波导1。图27B是以后透视图展示了图27A的成像波导1在窄角操作模式下的操作的示意图。
成像波导1属于在美国专利第9,519,153号中描述的类型，所述美国专利通过引用整体并入本文。波导1具有沿着波导1在侧向方向上延伸的输入端2。沿着输入端2安置光源15的阵列，并且将光输入到波导1中。
波导1还具有相对的第一引导表面6和第二引导表面8，所述第一引导表面和第二引导表面从输入端2跨波导1延伸到反射端4，以用于沿着波导1前后引导在输入端2处输入的光。第二引导表面8具有多个光提取特征12，所述多个光提取特征面向反射端4并且被布置成使从反射端4穿过波导1引导回的光中的至少一些光从跨输入端2的不同输入定位偏转到穿过第一引导表面6的不同方向上，这取决于输入位置。
在操作中，光线从光源阵列15引导穿过输入端，并且在第一引导表面6和第二引导表面8之间被引导而不会损失到反射端4。反射光线入射到小平面12上，并且通过反射作为光线230输出或作为光线232透射。透射光线232由后反射器800的小平面803、805引导回穿过波导1。在美国专利第10,054,732号中进一步描述了后反射器的操作，所述美国专利通过引用整体并入本文。
如图27B所展示的，弯曲的反射端4和小平面12的光学功率提供了光学窗口26，所述光学窗口透射穿过空间光调制器48并且具有通常与波导1的光轴199进行对准的轴197。由后反射器800反射的透射光线232提供类似的光学窗口26。
图27C是展示了当在没有可切换液晶延迟器的显示设备中使用时图27B的输出的视场亮度图的示意图。
因此，对于窥探者47观察到的离轴观看定位，可能具有降低的亮度，例如在仰角为0度和侧向角为+/-45度处的中心峰值亮度的1％与3％之间。通过本实施例的多个延迟器301、330实现了离轴亮度的进一步降低。
现在将描述具有低离轴亮度的另一种类型的定向背光。
图28A是以侧视图展示了可切换定向显示设备的示意图，所述可切换定向显示设备包括背光20(其包含可切换准直波导901)和可切换液晶延迟器300以及另外的偏振器318。图28A的背光20可以应用于本文描述的任何装置中并且如下布置。
波导901具有沿着波导901在侧向方向上延伸的输入端902。沿着输入端902安置光源915的阵列，并且将光输入到波导901中。波导901还具有相对的第一引导表面906和第二引导表面908，所述第一引导表面和第二引导表面从输入端902跨波导901延伸到反射端904，以用于沿着波导901前后引导在输入端902处输入的光。在操作中，光在第一引导表面906与第二引导表面908之间被引导。
第一引导表面906可以设置有包括多个细长透镜元件905的透镜结构904，并且第二引导表面908可以设置有倾斜并且用作光提取特征的棱镜结构912。透镜结构904的所述多个细长透镜元件905和所述多个倾斜光提取特征使引导穿过波导901的输入光偏转以通过第一引导表面906出射。
提供可以是平面反射器的后反射器903，以将透射穿过表面908的光引导回穿过波导901。
入射在棱镜结构912和透镜结构904的透镜元件905两者上的输出光线以接近掠入射的角度输出到表面906。包括小平面927的棱镜转向薄膜926被布置成通过穿过空间光调制器48和补偿可切换液晶延迟器300的全内反射来重定向输出光线234。
图28B是以俯视图展示了准直波导901的输出的示意图。棱镜结构912被布置成以低于临界角的入射角向透镜结构904上提供光，并且因此可以逸出。当入射到透镜表面的边缘处时，表面的倾斜为逃逸光线提供光偏转并且提供准直效果。光线234可以由光线188a-c和光线189a-c提供，其中入射在准直波导901的透镜结构904的位置185上。
图28C是展示了图28A的显示设备的等亮度视场极性坐标图的示意图。因此，可以提供窄输出光锥，其大小由结构904、912和转向薄膜926的结构确定。
有利地，在其中窥探者可以以例如45度或更大的侧向角定位的区域中，来自显示器的输出的亮度很小，通常小于2％。期望实现输出亮度的进一步降低。如图28A所展示的，这种进一步减低由补偿可切换液晶延迟器300和另外的偏振器318来提供。有利地，可以在宽视场上提供具有低离轴亮度的高性能隐私显示器。
对于典型的窥探者47位置，如图27A和图28A中所描述的类型的定向背光连同本实施例的多个延迟器301、330可以实现小于1.5％，优选地小于0.75％并且最优选地小于0.5％的离轴亮度。进一步地，可以为主用户45提供高轴上亮度和均匀性。有利地，可以在宽视场上提供具有低离轴亮度的高性能隐私显示器，其可以借助于图1A所展示的控制系统352通过对可切换延迟器301的控制而切换到广角模式。
现在将进一步描述用于离轴照明的平行偏振器之间的延迟器层的操作。在上述各种装置中，延迟器以各种不同的配置布置在一对偏振器(通常是另外的偏振器318与输入偏振器210和输出偏振器218中的一个)之间。在每种情况下，延迟器被配置成使得其不影响沿着与延迟器的平面的法线的轴穿过一对偏振器和多个延迟器的光的亮度，但是其至少在补偿可切换延迟器300的可切换状态之一中降低沿着与延迟器的平面的法线倾斜的轴穿过一对偏振器和多个延迟器的光的亮度。现在将更详细地对此效果进行描述，其原理可以总体上应用于上述所有装置。
图29A以透视图展示了离轴光对延迟器层的照明的示意图。校正延迟器630可以包括由折射率椭圆体632表示的双折射材料，所述折射率椭圆体的光轴方向634与x轴成0度并且具有厚度631。法线光线636传播使得材料中的路径长度与厚度631相同。在y-z平面中的光线637的路径长度增加；然而，材料的双折射与光线636基本上相同。通过比较，在x-z平面中的光线638在双折射材料中路径长度增加，并且进一步地，双折射与法线光线636不同。
因此，延迟器630的延迟取决于各个光线的入射角，并且还取决于入射平面，即x-z中的光线638的延迟将与y-z平面中的法线光线636和光线637的延迟不同。
现在将描述偏振光与延迟器630的相互作用。为了在定向背光101中的操作期间将第一偏振分量与第二偏振分量区分，以下的解释将参考第三偏振分量和第四偏振分量。
图29B是以透视图展示了与x轴成90度的第三线性偏振态的离轴光对延迟器层的照明的示意图，并且图29C是以透视图展示了与x轴成0度的第四线性偏振态的离轴光对延迟器层的照明的示意图。在这种布置中，入射线性偏振态与由椭圆632表示的双折射材料的光轴对准。因此，在第三正交偏振分量与第四正交偏振分量之间没有提供相位差，并且对于每个光线636、637、638，线性偏振输入的偏振态也没有产生结果变化。因此，延迟器630不向沿着沿延迟器630的平面的法线的轴穿过延迟器630的输入侧上的偏振器的光的偏振分量引入相移。因此，延迟器630不影响穿过延迟器630和延迟器630的每一侧上的偏振器(未示出)的光的亮度。尽管图29A-C具体涉及无源的延迟器630，但是通过上述装置中的可切换液晶延迟器和多个延迟器实现了类似的效果。
图29D以透视图展示了处于45度的线性偏振态的离轴光对延迟器630层的照明的示意图。线性偏振态可以分解成分别正交于和平行于光轴634方向的第三偏振分量和第四偏振分量。对于设计波长，延迟器厚度631和由折射率椭圆体632表示的材料延迟可以提供使入射在其上的第三偏振分量和第四偏振分量在沿由半个波长的光线636表示的法线方向上相对相移的净效果。设计波长可以例如处于500nm到550nm的范围内。
在设计波长处并且对于法线地沿着光线636传播的光，则处于-45度的输出偏振可以旋转90度到线性偏振态640。由于厚度的变化，沿着光线637传播的光可以看到与沿着光线637的光的相位差类似但不相同的相位差，并且因此可以输出椭圆偏振态639，所述椭圆偏振态的主轴可以与光线636的输出光的线性偏振轴类似。
通过对比，沿着光线638的入射线性偏振态的相位差可以显著不同，具体地可以提供较低的相位差。这种相位差可以提供在给定倾角642处基本上为圆形的输出偏振态644。因此，延迟器630向沿着对应于倾斜于延迟器630的平面的法线的光线638的轴穿过延迟器630的输入侧上的偏振器的光的偏振分量引入相移。尽管图29D涉及无源的延迟器630，但是在对应于隐私模式的可切换液晶延迟器的可切换状态下，通过可切换液晶延迟器并且在上述多个延迟器中实现了类似的效果。
为了展示延迟器堆叠的离轴行为，现在将参考在平行偏振器500、210之间的C板560的操作，针对各种离轴照明布置来描述在另外的偏振器318与输出显示偏振器218之间的C板308A、308B的角度亮度控制。
图30A是以透视图展示了具有正仰角的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。入射线性偏振分量704入射到延迟器560的双折射材料632上，所述双折射材料是光轴方向507垂直于延迟器560的平面的C板。偏振分量704在穿过液晶分子透射上没有看到净相位差，并且因此输出偏振分量与分量704相同。因此，通过偏振器210可以看到最大透射。因此，延迟器包括延迟器560，所述延迟器的光轴561垂直于延迟器560的平面，即x-y平面。光轴垂直于延迟器的平面的延迟器560包括C板。
图30B是以透视图展示了具有负侧向角的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。与图30A的布置一样，偏振态704看不到净相位差并且以最大亮度透射。因此，延迟器560不向沿着沿延迟器560的平面的法线的轴穿过延迟器560的输入侧上的偏振器的光的偏振分量引入相移。因此，延迟器560不影响穿过延迟器560和延迟器560的每一侧上的偏振器(未示出)的光的亮度。尽管图29A-C具体涉及无源的延迟器560，但是通过上述装置中的可切换液晶延迟器和多个延迟器实现了类似的效果。
图30C是以透视图展示了具有正仰角和负侧向角的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。与图30A-B的布置相比，偏振态704相对于双折射材料632分解到本征态703、705上，从而在穿过延迟器560透射上提供净相位差。与图30A-B所展示的光线相比，所得椭圆偏振分量656以降低的亮度穿过偏振器210透射。
图30D是以透视图展示了具有正仰角和正侧向角的离轴偏振光对C板层的照明的示意图。以与图30C类似的方式，偏振分量704被分解成经历净相位差的本征态703、705，并且提供了椭圆偏振分量660，所述椭圆偏振分量在穿过偏振器透射之后降低了相应离轴光线的亮度。因此，延迟器560向沿着倾斜于延迟器560的平面的法线的轴穿过延迟器560的输入侧上的偏振器的光的偏振分量引入相移。尽管图29D涉及无源的延迟器560，但是在对应于隐私模式的可切换液晶延迟器的可切换状态下，通过可切换液晶延迟器并且在上述多个延迟器中实现了类似的效果。
图30E是展示了在图30A-D中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图。因此，C板可以提供极性象限中的亮度降低。结合本文其它地方所描述的可切换客体-主体液晶延迟器301，(i)可以在第一广角操作状态下去除C板的亮度降低，(ii)可以在第二隐私操作状态下实现亮度降低的延伸极性区域。
为了展示延迟器堆叠的离轴行为，现在将针对各种离轴照明布置来描述另外的偏振器318与输出显示偏振器218(其是线性偏振器)之间的交叉A板308A、308B的角度亮度控制。
图31A是以透视图展示了具有正仰角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图。具有电矢量透射方向219的线性偏振器218用于在交叉的A板308A、308B中的第一A板308A上提供平行于侧向方向的线性偏振态704。光轴方向309A相对于侧向方向倾斜+45度。延迟器308A对于正仰角方向上的离轴角θ1的延迟提供了在输出时通常是椭圆的所得偏振分量650。偏振分量650入射到交叉的A板308A、308B中的第二A板308B上，所述第二A板的光轴方向309B正交于第一A板308A的光轴方向309A。在图31A的入射平面中，第二A板308B对于离轴角θ1的延迟与第一A板308A的延迟相等并且与其相反。因此，为入射偏振分量704提供净零延迟，并且输出偏振分量与输入偏振分量704相同。
输出偏振分量与另外的偏振器318的电矢量透射方向对准，并且因此被有效地透射。有利地，对于具有零侧向角角度分量的光线基本上没有损耗，从而实现了完全的透射效率。
图31B是以透视图展示了具有负侧向角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图。因此，输入偏振分量被第一A板308A转化成通常为椭圆偏振态的中间偏振分量652。第二A板308B再次提供与第一A板相等且相反的延迟，使得输出偏振分量与输入偏振分量704相同，并且光有效地透射穿过偏振器318。
因此，延迟器包括一对延迟器308A、308B，所述一对延迟器的光轴在延迟器308A、308B的平面(即在本实施例中为x-y平面)中交叉。所述一对延迟器308A、308B具有光轴309A、309B，每个光轴相对于平行于偏振器318的电矢量透射的电矢量透射方向成45°延伸。
有利地，对于具有零仰角分量的光线基本上没有损耗，从而实现了完全的透射效率。
图31C是以透视图展示了具有正仰角和负侧向角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图。偏振分量704被第一A板308A转化成椭圆偏振分量654。从第二A板308B输出所得椭圆分量656。与第一偏振分量704的输入亮度相比，椭圆分量656由亮度降低的输入偏振器318分析。
图31D是以透视图展示了具有正仰角和正侧向角的离轴偏振光对交叉的A板延迟器层的照明的示意图。偏振分量658和660由第一A板308A和第二A板308B提供，因为第一延迟器和第二延迟器的净延迟不提供补偿。
因此，对于具有非零侧向角分量和非零仰角分量的光线，亮度降低。有利地，对于布置在观看象限中的窥探者，可以增加显示隐私，而基本上不降低主显示用户的发光效率。
图31E是展示了在图31A-D中的透射光线的输出透射随着极性方向的变化的示意图。与图30E的布置相比，为离轴观看增加了亮度降低的区域。然而，与用于在第一宽操作模式状态下进行离轴观看的C板布置相比，可切换客体-主体液晶延迟器301可以提供降低的均匀性。
如本文中可以使用的，术语“基本上”和“大约”为其对应术语和/或项之间的相对性提供了行业上可接受的公差。这种行业上可接受的公差范围是从百分之零到百分之十，并且对应于但不限于分量值、角度等。项之间的这种相对性的范围介于大约百分之零到百分之十之间。
虽然上文已经描述了根据本文所公开的原理的各个实施例，但是应当理解，所述实施例仅通过举例而非限制的方式呈现。因此，本公开的宽度和范围不应受到任何上文描述的示例性实施例的限制，而应仅根据从本公开发布的任何权利要求及其等同物来限定。此外，在所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但是不应将这些已发布的权利要求的应用限制于实现上述优点中的任一个或全部的过程和结构。
另外，提供本文的章节标题以与37CFR 1.77下的建议保持一致，或以其它方式提供组织提示。这些标题不应限制或表征本公开可能发布的任何权利要求中提出的一个或多个实施例。具体地并且通过举例的方式，尽管标题是指“技术领域”，但是权利要求不应受到在此标题下选择的用于描述所谓的领域的语言的限制。进一步地，“背景技术”中对技术的描述不应解释为承认某些技术是本公开中的任何一个或多个实施例的现有技术。“发明内容”也不被认为是所发布的权利要求中阐述的一个或多个实施例的表征。此外，在本公开中对单数形式的“发明”的任何引用均不应被用来争论本公开中仅存在单一新颖性点。可以根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述多个实施例，并且此类权利要求相应地定义了受其保护的一个或多个实施例及其等同物。在所有情况下，鉴于本公开，应按其自身的优点考虑此类权利要求的范围，但不应受本文所阐述的标题的限制。

Claims (21)

1.一种显示装置，其包括：
空间光调制器，所述空间光调制器包括可寻址像素层；
显示偏振器，所述显示偏振器布置在所述空间光调制器的一侧上，所述显示偏振器是线性偏振器；以及
客体-主体液晶延迟器，所述客体-主体液晶延迟器包括包含客体材料和主体材料的液晶层，其中所述客体材料是各向异性材料并且所述主体材料是液晶材料，所述客体-主体液晶延迟器与所述显示偏振器一起布置在所述空间光调制器的同一侧上，其中所述显示偏振器布置在所述客体-主体液晶延迟器与所述空间光调制器之间，
其中所述客体-主体液晶延迟器的光轴在所述主体材料的至少一状态下具有垂直于所述客体-主体液晶延迟器的平面的对准分量。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述各向异性材料是各向异性吸收体。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其中所述各向异性材料是二色性染料或多色性染料。
4.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述各向异性材料包括各向异性金属纳米材料。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其中所述各向异性金属纳米材料具有透明的电绝缘表面层。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的显示装置，其中所述客体材料的体积小于所述主体材料的体积的3％，优选地小于2％并且最优选地小于1％。
7.根据权利要求1到5中任一项所述的显示装置，其中所述客体材料的重量小于所述主体材料的重量的3％，优选地小于2％并且最优选地小于1％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其中所述客体材料包括正二色性材料或正多色性材料，并且所述客体-主体液晶延迟器的光轴在所述客体-主体液晶延迟器的平面中具有正交于所述显示偏振器的电矢量透射方向的对准分量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其中所述客体-主体液晶延迟器在至少一种操作模式下的轴上消光系数为至少60％，优选地至少80％并且最优选地至少90％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其进一步包括至少一个无源延迟器，所述至少一个无源延迟器布置在所述显示偏振器与所述客体-主体液晶延迟器之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其中所述客体材料包括被固化的液晶材料。
12.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其进一步包括另外的偏振器，所述另外的偏振器是线性偏振器并且与所述显示偏振器一起布置在所述空间光调制器的同一侧上，其中所述客体-主体液晶延迟器布置在所述显示偏振器与所述另外的偏振器之间。
13.根据权利要求12所述的显示装置，其中所述显示偏振器和所述另外的偏振器具有平行的电矢量透射方向。
14.根据权利要求12或13所述的显示装置，其进一步包括至少一个无源延迟器，所述至少一个无源延迟器布置在所述客体-主体液晶延迟器与所述另外的偏振器之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其中所述客体-主体液晶延迟器是可切换液晶延迟器，所述可切换液晶延迟器进一步包括被布置成施加电压的透明电极，所述电压能够在至少两种状态之间切换主体材料，在所述至少两种状态中的一种状态下，所述客体-主体液晶延迟器的光轴具有垂直于所述客体-主体液晶延迟器的平面的对准分量。
16.根据权利要求15所述的显示装置，其进一步包括控制系统，所述控制系统被布置成控制跨至少一个可切换液晶延迟器的所述电极施加的所述电压。
17.根据前述权利要求中任一项所述的显示装置，其进一步包括背光，所述背光被布置成输出光，其中所述空间光调制器是被布置成从所述背光接收输出的光的透射空间光调制器。
18.根据权利要求17所述的显示装置，其中所述背光在与所述空间光调制器的法线成大于45度的极角下提供亮度，所述亮度是沿着所述空间光调制器的法线的亮度的至多33％，优选地沿着所述空间光调制器的法线的亮度的至多20％并且最优选地沿着所述空间光调制器的法线的亮度的至多10％。
19.根据权利要求17或18所述的显示装置，其中所述显示偏振器是输入显示偏振器，所述输入显示偏振器布置在所述空间光调制器的在所述背光与所述空间光调制器之间的输入侧上，并且所述客体-主体液晶延迟器布置在所述输入显示偏振器与所述背光之间。
20.根据权利要求1到18中任一项所述的显示装置，其中所述显示偏振器是输出偏振器，所述输出偏振器布置在所述空间光调制器的输出侧上。
21.根据权利要求1到16中任一项所述的显示装置，其中所述空间光调制器包括发射空间光调制器，所述发射空间光调制器被布置成输出光，并且所述显示偏振器是布置在所述发射空间光调制器的输出侧上的输出显示偏振器。
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