CN1823294A - 显示装置元件的对准 - Google Patents

Abstract

为了将包括像素阵列的显示基板与包括光学元件阵列的元件基板对准，将显示基板从显示玻璃母板上分离，该显示玻璃母板上形成有面板阵列和对各面板的第一对准构件，各面板包括足够单个显示基板的像素阵列，而第一对准构件具有与像素阵列对准的表面凹凸。元件基板上形成有光学元件阵列和与光学元件阵列对准的第二对准构件，所述第二对准构件具有被构形为与所述第一对准构件对齐的表面凹凸。利用彼此对齐的所述第一和第二对准构件，将所述显示基板接合至所述元件基板。对于整块玻璃母板，第一对准构件与像素阵列的对准可在玻璃母板阶段执行。在接合过程中，对准构件的对齐是简单的配合过程，其不需要精密对准装置。因此增加了产量。

Description

显示装置元件的对准

技术领域

本发明涉及显示装置。此显示装置可以是定向显示装置，诸如可切换二维(2D)/三维(3D)自动立体显示装置；可切换高亮度反射型显示装置；或多用户显示装置。这种显示装置可用于计算机监视器、电信手持机、数字照相机、膝上型和台式电脑、游戏装置、汽车和其它移动显示应用。

更具体地，本发明涉及对显示装置元件进行对准，即利用包括诸如透镜的光学元件阵列的元件基板对包括像素阵列的显示基板进行对准。

背景技术

正常人类视觉为立体的，即每只眼睛看到略微不同的世界图像。大脑合并这两幅图像(称为立体对)来给出深度感觉。三维立体显示器将一副单独的、一般为平的图像(对应于观看真实世界景象将看到的图像)重放到每只眼睛。大脑再次合并立体对以给出图像中的深度外观。

图1a以平面图示出了显示面1中的显示表面。右眼2看到显示面上的右眼同源像点(homologous point)3，左眼4看到显示面上的左眼同源像点5，而生成由用户所感知的屏幕面后面的视在图像点(apparentimage point)6。

图1b以平面图示出了显示面1上的显示表面。右眼2看到显示面上的右眼同源像点7，左眼4看到显示面上的左眼同源点8，而生成在屏幕面前面的外观图像点9。

图1c示出了左眼图像10和右眼图像11的外观。左眼图像10中的同源点5位于基准线12上。右眼图像11中的相应同源点3位于与基准线12不同的相对位置3处。点3距基准线12的间距13称为像差(disparity)，并且在这种情况下是位于屏幕面后面的点的正像差。

对于景象中的一般的点来说，在如图1a所示的立体对的各图像中存在对应的点。这些点称为同源点。两幅图像之间的同源点的相对间距称为像差；具有零像差的点对应于在显示器的深度平面上的点。图1b示出具有非交叉像差的点出现在显示器后面，而图1c示出具有交叉像差的点出现在显示器前面。同源点的间距幅值、距观察者的距离、以及观察者两眼间距给出了在显示器上感知的深度量。

立体式显示器在现有技术中是众所周知的，立体式显示器指这样的显示器，其中用户戴有某种观看辅助设备以将发送到左眼和右眼的视图基本上分离开。例如，观看辅助设备可以是：滤色器，其中图像是彩色编码的(例如红色和绿色)；偏振镜，其中以正交偏振态对图像进行编码；或者快门镜，其中与镜的快门打开同步地将视图编码为时间序列图像。

自动立体显示器不需要观察者戴有观看辅助设备而进行操作。在自动立体显示器中，如图2所示，从空间上受到限制的区域可以看到各视图。

图2a示出了具有附带的视差(parallax)光学元件17的显示设备16。该显示设备为右眼通道生成右眼图像18。视差光学元件17沿箭头19所示的方向引导光，以在显示器前面的区域中生成右眼视窗20。观察者将其右眼22放在窗20的位置处。示出左眼视窗24的位置用作参考。视窗20也可称为垂直延伸的光瞳。

图2b示出了左眼光学系统。显示设备16为左眼通道生成左眼图像26。视差光学元件17沿箭头28所示方向引导光，以在显示器前面的区域内生成左眼视窗30。观察者将左眼32放在窗30的位置处。示出了右眼视窗20的位置用作参考。

该系统包括显示器和导光机构。将来自左图像26的光发送到显示器前面的称为视窗30的受限区。如果眼睛32放在视窗30的位置处，则观察者在整个显示器16上看到适当的图像26。类似地光学系统将希望用于右图像18的光发送到单独的窗20。如果观察者将其右眼22放在该窗上，则在整个显示器上将看到右眼图像。通常，来自任一图像的光都可以看作已经光学导入(即引入)各自的定向分布中。

图3以平面图在显示面34上示出了显示设备16、17，显示设备16、17在窗平面42上产生左眼视窗36、37、38和右眼视窗39、40、41。窗平面距显示器的间距称为标称观看距离43。相对显示器的在中央位置的窗37、40处于零级波瓣44中。在零级波瓣44右侧的窗36、39位于+1级波瓣46中，而零级波瓣左侧的窗38、41位于-1级波瓣48中。

显示器的视窗平面表示距显示器的距离，在视窗平面处横向观看自由度最大。如图3中平面图所示，对于离开窗平面的点，存在菱形自动立体观看区。如图所示，来自显示器上各点的光以宽度有限的圆锥照射到视窗上。圆锥的宽度被定义为角宽度。

如果眼睛位于的一对观看区(诸如37、40)中的一个中，则在显示器的整个区域内将看到自动立体图像。最重要的是(to a first order)，显示器的纵向观看自由度由这些观看区的长度来确定。

图4a中示出了显示器的窗平面上的强度50随理想窗的位置51的变化(构成一种实际形式的光的定向分布)。右眼窗位置强度分布52对应于图3中的窗41，而强度分布53对应于窗37，强度分布54对应于窗40，而强度分布55对应于窗36。

图4b示意性地示出了强度随更实际的窗的位置的分布。右眼窗位置强度分布56对应于图3中的窗41，而强度分布57对应于窗37，强度分布58对应于窗40，而强度分布59对应于窗36。

如图4中所示，图像分离的质量以及显示器横向和纵向观看自由度的程度由窗的质量来确定。图4a示出了理想视窗，而图4b是可能从显示器输出的实际视窗的示意图。由于窗性能的不适宜可能会出现几个假像。当左眼看到来自右眼图像的光时会发生串扰，反之亦然。这是重要的三维图像劣化机理，其会导致用户的视疲劳。另外，较差的窗质量会导致观察者的观看自由度的减少。对光学系统进行了设计以使视窗的性能最优化。

视差元件可以是包括相交替的不透光区和透光区的阵列的视差栅。视差栅需要阻挡来自显示器区域的光，结果降低了亮度和设备效率，一般降低到初始显示亮度的大约20-40％。由于为了使显示器的观看自由度最优而对栅相对于显示器的像素结构的子像素对准公差的要求，因此去除和更换视差栅并不容易。二维模型是一半分辨率的。

本领域公知的、在立体显示中使用的、替代视差栅的另一种视差光学器件为透镜屏(lenticular screen)，透镜屏是垂直延伸的柱状微透镜阵列。

图5示出了采用透镜屏的现有技术显示设备的典型结构。背光60产生入射到LCD输入起偏器64上的光输出62。该光透过TFT LCD基板66，并入射到在LCD像素平面67上成行成列排列的重复的像素阵列中。红色像素68、71、73，绿色像素69、72、75以及蓝色像素70、73中的每一个都包括单独可控的液晶层并且由称为黑掩模(black mask)76的不透光的掩模区域分离开。每个像素包括透光区或像素孔78。由LCD像素平面74上的液晶材料对穿过像素的光进行相位调制，并且由位于LCD滤色基板80上的滤色器对穿过像素的光进行颜色调制。然后光穿过输出起偏器82，在该输出起偏器82后设置有透镜屏基板94和形成在该透镜屏基板92表面上的透镜屏96。对于视差栅，如来自像素69的光线88所示出的，透镜屏94用来将来自交替像素列69、71、73、75的光导入右眼，并且如来自像素68的光线90所示出的，将来自中间列68、70、72、74的光导入左眼。观察者看到发自基础像素的光，该光照亮了单个透镜(透镜屏96中的98)的孔径。由被捕获的光线100示出被捕获的光锥的范围。

在上述配置中，LCD像素平面用作空间光调制器(SLM)。如在本文档中使用的，术语空间光调制器或SLM既包括诸如液晶显示器的“光阀”设备，也包括诸如电致发光显示器和发光二极管(LED)显示器的发射设备。

如上所述，利用视差光学器件来生成空间多路三维显示将各图像的分辨率限制到最多全显示分辨率的一半。在很多应用中，打算将显示器在三维模式中使用一段时间，并要求显示器具有全分辨率的无假像二维模式。

下面来说明图6中以平面图示出的可切换二维-三维显示器的示例。背光102产生LCD输入起偏器106的照明104。光穿过薄膜晶体管(TFT)基板108，并入射到包括可分开控制的相位调制像素112-126的像素层110上。像素成行成列地排列，并包括像素孔128和分隔黑掩模130。随后光穿过LCD相对基板(counter substrate)132和透镜承载基板136，双折射微透镜阵列138形成在透镜承载基板136上。双折射微透镜阵列138包括各向同性透镜微结构140和具有光轴方向142的经配向的双折射材料。然后双折射透镜的输出穿过透镜基板144和偏振改变设备146。

透镜阵列中的每个双折射透镜都是柱状的；透镜阵列138是透镜屏并且透镜的几何轴在页面外。本示例中透镜的间距被设置为基本是显示器像素间距的两倍，从而产生了两视图自动立体显示器。

在第一模式操作下，偏振改变设备146被构造为发射具有平行于微透镜阵列的双折射材料的寻常轴的偏振态的光。该材料(诸如液晶材料)的寻常折射率基本与各向同性微结构140的折射率匹配。因此透镜不具有光学作用，并且显示器输出的定向分布基本没有变化。在这种模式下，观察者每只眼睛都将看到显示器的全部像素112-126，并将产生二维图像。

在第二模式操作下，偏振改变设备146被构造为发射具有平行于双折射微透镜阵列的非常轴的偏振态的光。该材料(诸如液晶材料)的非常折射率不同于各向同性微结构140的折射率。因此透镜具有光学作用，并且显示器输出的定向分布存在变化。可以如本领域中所众所周知地那样设置定向分布，使得正确位于显示器前面的观察者将用左眼看到对应于来自左图像像素112、116、120、124的光的左图像，而用右眼将看到对应于右图像像素114、118、122、126的右图像。这样，可产生可切换二维到三维的自动立体显示器。

由于透镜阵列组合了以下功能：效率高、光斑小并能够利用公知的光刻工艺技术进行制造，因此其特别适用于自动立体显示器。

为了定向地切换光，而提供电切换双折射透镜是已知的。利用这种透镜在二维模式操作和三维模式操作之间切换显示器是已知的。

在三维自动立体显示器中，透镜阵列(或透镜屏)可以用来把光导入包括适当视窗的定向分布中。这种透镜阵列还可用来把光导入其他定向分布。WO-03/015,424中公开了这种定向分布的示例，并且示例包括增强了亮度的分布，其中光被导入标称观看平面上的宽水平窗。在该窗中，观察者将看到亮度的增加与面板的垂直孔径比成比例。在视窗之外，观察者将看到像素间间隙，并且显示器亮度降低。

图8示出为了在显示表面上的不同点处获得所要求的对准，自动立体两视图显示器中的透镜相对于像素的对准。为了简化说明，透镜以俯视图示出，而以平面图标出了与透镜相对对准的像素。为了简化说明，只示出了选出的面板像素。

如图8所示，在理想对准的两视图三维自动立体显示器中，来自右眼像素列304和左眼像素列302之间的间隙的中心的光线300被第一相邻透镜312导入窗的中心。为了实现此目的，透镜几何轴的位置直接穿过中央透镜的像素间隙的中心306，而对于显示器边缘处的透镜308、310，几何透镜轴位置318离开像素间隙中心314偏向显示器的中心。这种对准条件称为视点校正。

在制造中，设备的对准公差必须满足使得可以舒服地观看显示器。具体地，横向透镜光轴位置优选地与各自像素孔径对准到例如小于像素尺寸的5％之内。

如果窗中心没有对准到显示器的中心线上，则观察者在观看立体图像时会感觉不舒适，另外可能发现最佳的观看位置是偏离显示器中心的。对于很多显示器类型，诸如例如具有彩色子像素尺寸在水平间距为40-100μm范围内的那些显示器类型，这要求在显示器区域内几何透镜轴对于面板像素布局的对准公差为2-5μm，这类似于滤色器基板对TFT基板的对准公差。

如果几何透镜轴306不与像素垂直轴316平行，则窗的中心会变化到面板的高度之下。这将导致面板观看自由度减少，这是所不希望的。

在本领域内其他公知的立体显示系统使用其它类型的光学元件阵列，例如可切换液晶透镜阵列、固定透镜阵列、棱镜阵列、孔阵列(称为视差栅)以及全息阵列。所有这些设备都要求相似的微光学元件对显示器设备像素的对准公差。

在本领域中还公知显示多于两幅视图的显示器(包括那些其中柱透镜相对于像素列倾斜的)。在这种情况下，希望视窗中心与显示器中心线对准，从而使观看自由度关于中央观看位置对称。

发明内容

根据本发明，提供了一种将包括光学元件阵列的元件基板与包括像素阵列的显示基板对准的方法，该方法包括：

形成具有面板阵列和针对各面板的第一对准构件(feature)的显示玻璃母板，每个面板包括足够单个显示基板的像素阵列，第一对准构件具有与像素阵列对准的表面凹凸(relief)；

将所述显示玻璃母板分成多个显示基板，每个显示基板都包括像素阵列和第一对准构件；

形成元件基板，每个元件基板都具有光学元件阵列和第二对准构件，第二对准构件具有与光学元件阵列对准的表面凹凸，第二对准构件中的表面凹凸被构形为与第一对准构件中的表面凹凸对齐(register)；并且

利用彼此对齐的第一和第二对准构件，将显示基板接合到各元件基板上。

利用单个玻璃母板制造多个显示基板是公知的技术，其显著地降低了生产成本。类似地，可以利用单个玻璃母板制造多个元件基板。然而，由于分割工艺(通常包括对玻璃母板进行刻划和加压)的特性，非常希望在显示器和元件玻璃母板接合之前将他们分割开。因此不太可能在玻璃母板阶段将显示器和元件基板对准。

本发明中使用对准构件允许在显示玻璃母板的制造过程中对待固定的光学元件进行对准，从而可将其同时应用到多个面板中。元件基板与各显示基板的对齐是简单的机械对齐或配合工艺，因此利用已提供的对准构件的优点只要求很低的公差。不必使用高精度对准装置。因此较之在将各元件基板接合至显示基板时进行高精度对准的制造，该制造要便宜许多。因此本发明为制造过程中提供对准提供了一种成本相对校低的技术。

本发明适用于三维自动立体显示装置、或者增强亮度型显示装置或可切换二维-三维显示装置的大规模制造，而无需切割多个玻璃层的复杂性，同时对于视差光学元件的形式的光学元件的像素结构提供了一种精确且成本低的对准。因此，本发明可被用于多种显示装置，包括：自动立体显示对准装置；可切换高亮度透射型或反射型显示系统对准装置；或者多观看者显示装置。

光学元件可以是任意类型的，但本发明尤其适用于以透镜或其他元件形式的、用来改变来自显示基板的像素的光的定向分布的光学元件。

有利地，第一对准构件具有光学功能，其可能是光学元件光学功能的表现。在这种情况下，利用光学对准技术，第一对准构件可被接合至显示玻璃母板上。例如，这可以包括：测量各元件上的基准标志以产生位置信号；照亮第一对准构件以基本在像素阵列平面上产生光斑；改变照明方向；以及利用检测器测量强度对于照明方向的变化并产生位置标记。

为了进一步降低成本，元件基板可从元件玻璃母板上分离。

第二对准构件可以形成在与光学元件的部分结构的公共层上。这就使得第二对准构件和光学元件的部分结构可在单一制造步骤中生成。因此，无需任何附加制造成本就可以引入第二对准构件。此外，通过与光学元件同时地制造第二对准构件，可以保持高精度对准公差。

有利地，第一和第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，沿着该方向，光学元件以基本等于光学元件的间距或光学元件间距的整数倍的间距来重复。

这样，对准构件可在多个相对位置上对齐，在每个位置上对准显示器和元件基板。因此减小了用来接合显示器和元件基板所需的公差，进一步降低了制造的复杂性和成本。

根据本发明另一方面，提供了一种光学对准装置，该光学对准装置包括：

显示基板，其上形成有像素阵列；

显示基板对准元件，其包括微结构表面阵列，并被对齐地接合至显示基板的像素阵列；

微光学基板，包含至少一个微光学成像元件，该微光学成像元件至少以一种模式设置以改变来自显示器的光的定向分布；以及

微光学基板对准元件，其包括微结构表面阵列，

其中，微光学基板对准元件在其至少一部分区域上具有与显示基板对准元件基本相反的微结构，并且，在组装步骤中，以机械对齐将微光学对准元件与微光学基板对准元件基本对准。

根据本发明的其他方面，提供了显示基板和元件基板以及用于此方法的母板。

附图说明

下面将参照附图，仅通过示例说明本发明的实施例，在附图中：

图1a示出了对于屏幕面后面的物体的三维显示中表观深度的产生；

图1b示出了对于屏幕面前面的物体的三维显示中的表观深度的产生；

图1c示出了在图像立体对的各图像中对应同源点的位置；

图2a示意性地示出了在自动立体三维显示器前面右眼视窗的形成；

图2b示意性地示出了在自动立体三维显示器前面左眼视窗的形成；

图3以平面图示出了根据三维显示器的输出锥产生的观看区；

图4a示出了自动立体显示器的理想窗轮廓；

图4b示出了来自自动立体三维显示器的视窗的输出轮廓的示意图；

图5示出了透镜屏显示器的结构；

图6示出了现有技术偏振启动型微透镜显示器；

图7示出了用来重复液晶聚合物结构的装置；

图8示出自动立体显示器中透镜和像素的相对对准；

图9以平面图示出常规LCD玻璃母板的布局图；

图10以侧视图示出了常规LCD玻璃母板的结构；

图11以侧视图示出了可切换二维-三维玻璃母板的结构；

图12以平面图示出作为本发明实施例的LCD玻璃母板的结构；

图13示出了对准构件在组装后的玻璃母板上的定位；

图14示出了用来确定对准构件的最佳对准的装置；

图15示出了对对准构件进行划线；

图16示出了对玻璃母板进行划线；

图17示出了将面板组装到经组装的透镜阵列；

图18示出了经组装的面板结构；以及

图19示出了另选的对准构件。

图20示出本发明的又一实施例，其包括配合凸透镜形状。

具体实施方式

一些不同实施例采用共同的元件，为简化起见，将对这些共同元件给出共同参考标号并将不再重复对其的说明。此外，对各实施例中的元件的说明等同地应用到其他实施例中的相同元件，并且应用于经过必要的修改具有对应效果的元件。另外，为清晰起见，例示显示器的实施例的图仅示出显示器的一部分。实际上，可以在显示器的整个区域内重复该结构。

在该说明书中，双折射材料的光轴方向(指向矢方向(directordirection)，或非常轴方向)将称为双折射光轴。不应当将其与透镜的光轴相混淆，透镜的光轴是以几何光学的常见方式来定义的。

柱透镜描述了一种这样的透镜，其中边缘(其具有曲率半径并可能具有其他的非球面部件)沿第一线性方向延伸。几何微透镜轴定义为沿第一线性方向上的透镜中心的直线，即，平行于所述边缘的延伸方向。这里采用的术语“柱状”具有本领域中的一般意义，并且该术语不仅包括严格的球面透镜形状，而且还包括非球面透镜形状。

在二维-三维型显示器中，几何微透镜轴是垂直的，从而其平行于显示器像素列或与之成微小的角度。在本文如上所述的亮度增强型显示器中，几何微透镜轴是水平的，从而其平行于显示器的像素行。

对于两视图显示器，透镜阵列中的透镜间距基本等于空间光调制器(该空间光调制器使用所述透镜阵列)的像素间距的两倍。实际上，在透镜阵列中的透镜间距略小于空间光调制器的像素间距的两倍，而以通常公知为“视点校正”的方式将光导入视窗。透镜的曲率基本设置为在窗平面上产生LCD像素的图像。因为透镜收集来自像素的圆锥内的光，并将其分散到窗上，所以透镜阵列提供了全亮度的入射光。

如图9中的平面图所示，薄膜晶体管一液晶显示器(TFT-LCD)玻璃基板通常以玻璃母板的形式进行加工。玻璃母板320包括面板区322的阵列。各面板区322包括单个显示器的可见像素阵列，例如包括TFT的单独像素的阵列。因此，在单个玻璃基板上对显示阵列的TFT进行加工。在面板区322之间，玻璃母板320具有间隙区324，在间隙区324中对多个面板区322生成划线326。为滤色玻璃母板328生成相似的结构。滤色玻璃母板328也被称作TFT基板(或有源矩阵基板320)的相对基板(counter substrate)。

这就使得在单元组装之前，可以同时加工多个面板，降低了总成本。实际中，需要这种玻璃母板加工以实现足够低的成本来进行大量生产。在完成对各玻璃母板320的加工之后，如图10中的剖面图所示，经构图的粘胶(adhesive)330可以应用于绕玻璃母板内各单独面板的区域的一个表面上，利用间隔球332来保持两个玻璃母板间的最佳间距。另一玻璃母板对准放置，然后使粘胶330固化。因为在多个面板上同时进行高精度对准，因此使用玻璃母板尤为有利。多次对准将极大地增加面板组装的成本。

随后通过利用工具334沿着划线326进行划线分割各面板。这可以通过公知的玻璃切割技术来进行，在公知的玻璃切割技术中例如使用金刚石划线器或激光器对齐地刻划各玻璃母板的外表面，并且对玻璃加压以在用来分割出该面板的各玻璃基板中产生传播裂纹。随后面板被充入液晶材料并被密封。另选地，可以采用滴注(OneDrop Fill)机构。这种情况下，通过对液晶充入材料内混合的适当材料进行UV固化来实现单元接合。

图11示出了将以玻璃母板形式制造的经组装的可切换二维-三维结构。包括分割面板阵列的TFT基板320通过经构图的粘胶330接合至滤色基板328，并通过间隔体332保持间距。包括一种三维自动立体光学元件的无源双折射透镜元件被接合至滤色基板的顶面。该无源双折射透镜元件包括透镜相对基板204和包括表面凹凸微结构的光学微结构336，该表面凹凸微结构限定了各向同性材料和双折射材料之间的边界。它被接合至透镜基板200上。在分割面板期间，可以设置划线工具334以在基板320和335的表面上划线。

在某些配置中，附加的波片和起偏器(未示出)可位于滤色基板328与透镜相对基板204之间的层内。

以与TFT基板和滤色基板相同的方式，假定透镜阵列优选地制造在大玻璃母板上，从而降低处理大量分立元件的成本。因为光学微结构336与形成在TFT基板320上的像素的对准具有与滤色基板328和TFT基板320的对准相似的公差，因此玻璃母板对准将是优选方法。因此，大量同时进行对准将降低组装显示器的成本。这对于例如生产小面板(诸如手机中采用的面板)尤为有利。

然而在如图11所示的可切换二维-三维显示器的情况中，存在多个层，因此不可能利用划线工具334，而与透镜基板200和TFT基板320同时地对滤色基板328或透镜相对基板204进行刻划。尤为困难的是光学微结构336通常是由至少一种聚合材料上制造的。因此，结构很可能是薄片，并且难以分割。

在一些配置中，双折射透镜也可以包括透镜相对基板204，该透镜相对基板204也不容易被刻划分割。

解决这个问题的一个方法是在与透镜阵列基板组装前预刻划滤色基板。对于透镜阵列，聚合材料也可以在刻划区被去除，并且可以在组装前预刻划透镜相对基板204。然而，这将产生易碎的元件，此元件在处理期间易破碎，因此降低了加工产量。

此方法的另一个缺点是LCD组装线将不得不进行基本改造以适应新的工艺，这就会增加要在同一条生产线上制造传统二维面板的成本。

此方法的另一个缺点是透镜基板200要求透镜在透镜玻璃母板的整个区域上对齐。透镜的间隙公差可能是25nm量级，为了保证这些公差，可使用光刻技术来制造透镜。然后透镜可以转化为重组衬垫(shim)，其中必须精确设定透镜阵列的相对位置以使得透镜玻璃母板与面板在整个区域上正确对准。优选地，在重组衬垫上产生的误差不出现在透镜阵列的定位中。有利地，本发明避免了重组对准误差。

图12以平面图示出了本发明的第一实施例，其中对准构件342接合至经组装的显示玻璃母板338的顶面，如图13所示，该显示玻璃母板338包括基板320和328。玻璃母板338具有面板区340的阵列，每个面板区340都包括可见像素(例如包括TFT)的阵列。玻璃母板338在面板区340之间具有间隙区。间隙区没有可见像素。通常，间隙区没有TFT或其它光调制元件。作为替代，间隙区可以形成有TFT或光调制元件，但要遮蔽在黑掩模层后面，使得它们不可见。对准微结构342形成在面板区外的间隙区中的玻璃母板338上。测量区337形成在对准区342的区域内。

图13以侧视图示出了对准结构342和基板320、328(其为有源矩阵基板320和相对基板328)的详情。对准结构342包含对准构件344以及可选的对准构件基板346，该对准构件基板346通过粘合材料348接合至玻璃母板基板320、328之一，例如接合至滤色玻璃母板328。基板346能够保持对准构件344的尺寸稳定性。例如，基板346可以包括厚度为50-150μm的玻璃微片材料。另选地，对准构件344可例如通过UV铸造方法，直接应用到要求区域内的玻璃母板基板320、328之一，在UV铸造方法中，在利用模具进行铸造之前将UV可固化材料应用到基板上，然后通过UV辐射对UV可固化材料进行照射来固化聚合物材料。

对准构件344具有表面凹凸，在这种情况下包括光学微结构。具体地，该光学微结构可以是下面将详述的、并入透镜阵列基板376中的光学微结构形式相反(即，相配合)的光学微结构。因此，该光学微结构将具有与透镜基板上的透镜基本相同的间距。玻璃母板328包括像素孔350和间隙352，此间隙在设置有对准构件344的玻璃母板338的对准区下面包括黑色掩模层。像素孔350和间隙352可以与面板区340的像素孔354和间隙356相同，也可以不同，例如省略滤色器。

图7示出将根据本发明这一方面的对准构件直接应用到玻璃母板328的装置的一个示例。衬垫216环绕鼓222，并且包括玻璃母板232的基板沿方向226在转动的鼓下面穿过。一池可固化液晶材料214被送至基板232上部并且由UV灯224固化。由光检测工具228来检查经固化的基板230，这确定已经获得了工具216相对基板232的正确对准。误差信号被发送至定位控制器234，该定位控制器234利用机械位置致动器236对工具216或基板232进行控制，来对位置误差进行校正。

要求对准构件342被定位为相对面板340的像素正确对准。例如如图14所示，例如利用接合至对准构件344的盖滑片(cover slip)358和采用低折射率材料360来填充间隙，这可以在测量区337中得以实现。由此，有利地，在测量区337中的透镜的曲率可被构造为与透镜阵列中的透镜具有相同的光功率。另选地，测量区中的透镜344的曲率可被构造为当在空气中操作而没有盖滑片358和材料360时，与透镜阵列中的透镜具有相同的光功率。例如，透镜344的曲率半径可以大于透镜阵列中透镜的曲率半径。

例如通过准直激光束362照明透镜，光斑364将基本形成在显示器像素平面上。如果通过例如扫描系统366改变照明光束的角度，则光斑将从像素孔区越到黑掩模区。通过使用光检测器370监测穿过玻璃母板后部的透射光368的强度，可获得对透镜位置的精确测量。然后结构342的物理位置被调整，从而对于后续对准阶段，其设定在正确的位置处。

另选地，测量系统可被设置为以反射进行操作。例如，可由准直激光束对透镜进行照明，将其成像在像素平面上。像素平面上定义的反射区能将光通过透镜反射回去，该光被分束器块分束并被导向光检测器。于是如前所述，可测量显示器相对于透镜的位置。

这对于在结构342上的多个测量区337都是重复的。当设定了结构的位置时，则可将粘胶328应用到选出的区域，并例如通过UV固化来固定。

另选地，如在本领域中所公知的，基准掩模可被应用到对准构件上，并通过远心测量系统与面板对准。

例如如图15中所示，在面板间隙区中，可以通过使用划线器372去除对准构件342。对准构件基板346具有对准构件区和非对准构件区。优选地，从非对准构件区略去粘胶。在对准间隙区中，使用划线器来去除对准构件基板346的材料。如图16所示，为了分割所得的面板，通过划线器374可使滤色基板与TFT基板一起被划线。

分割面板区340以形成在面板区340之外具有结合在其顶部和底部的对准构件342的单独的显示基板。然后如下面要描述的，它们将被用来对准透镜结构。

如图17所示，透镜被构造为在透镜基板376部分区域上的双折射透镜，其将覆盖显示器的有效区域。透镜包括双折射材料378(诸如液晶材料)，其夹在形成在各向同性材料382中的光学微结构380与其上形成有对准层386的光学平面基板384之间。光学微结构380还可具有形成在其表面上的对准层(未示出)。光学微结构380包括透镜区和对准区388。可选地使用粘胶390来保留光学微结构和透镜阵列相对基板384之间的双折射材料。

为了降低成本，基板376可以最初就被制造在玻璃母板上，随后将其分割。分开的各向同性材料382的对准区388构成了第二对准构件。本实施例中的对准区388具有与光学微结构380基本相同的结构，因此可以与光学微结构同时进行控制，并具有相同的公差。间隙区392可被并入光学微结构380和对准微结构388之间。这可被用来在两个结构之间产生空间相位偏移以优化测量装置的设置。例如，由于如图8所示的视点校正，在显示器的边缘，透镜可以不与像素的中线对准。在对准区内，透镜可定位在像素中央以优化相关对准的测量。因此在位于光学微结构和对准微结构之间的透镜的横向位置上具有相位偏移。

形成透镜基板376的对准构件的对准区380具有表面凹凸，该表面凹凸具有与显示基板的对准构件342的表面凹凸相反的形状，因此两个表面凹凸相互配合。如图18所示，在对准过程中，对准区388和对准构件342机械地配合到一起。有利地，这可以使用简单的对准装置而获得，因此在组装单个面板期间不需要精密对准。配合处理可在显示基板和透镜基板376分离之后进行。在机械对准之后，透镜基板376与显示基板之间的间隙可以充有折射率匹配的材料，并固化对准。可插入附加的折射率匹配材料394，来降低从表面的反射。另选地，可省略微片386，在透镜和基板表面上形成适当的对准层。可以通过UV可固化液晶材料或其它可固化粘胶来设定对准。液晶材料378可在对准步骤之后用来填充间隙。

在一些配置中，波片和/或起偏器可以在与光学元件组装之前安装到滤色基板上。它们可以在安装可切换二维-三维元件之前安装到面板或透镜上。可以增加对准构件区的高度以补偿这些附加元件的厚度。

本领域技术人员会清楚在制造玻璃母板期间，可以固定对光学元件的对准，因此可以将其同时应用到多个面板中。将光学元件安装到各面板上是简单的机械配合工艺，由此利用接合至玻璃母板上的″键″而具有低公差，并且是低成本的加工。通过与光学微结构380同时制造对准区388，可保证高精度的对准公差。

对准构件388、380的间距被设置为与光学微结构中的透镜间距相等或为透镜间距的整数倍。这样，如果在定位中存在相位误差(即，透镜1对应于像素列3和4，而不是1和2)，那么显示器的输出不会改变。这意味着透镜对于面板的起始位置不需要严格控制，由此进一步提高了加工的产量。

这样，在玻璃母板上实现了精密对准，利用该对准，可以令人满意地分离玻璃母板并且单个面板对准是简单的机械对齐，机械对齐是低成本、高产量的工艺。

在另选实施例中，例如图19所示，对准区微结构396可以不同于光学微结构(例如具有更深的结构或不同的轮廓形状)以提高与对准构件388的机械配合。然而，结构的间距优选地保持为光学微结构间距的整数倍，从而产生对结构的方便对准。在又一实施例中，对准构件可以具有诸如圆锥、截锥或角锥的形式。

上述方法包括：通过分割玻璃母板320形成显示基板；以及通过分割玻璃母板形成透镜基板376。实际中，根据对经分割的显示基板或透镜基板376的检查，希望本领域技术人员清楚：已经在玻璃母板制造了对准元件，而不是在从玻璃母板分割之后在基板上制造对准元件。这是出于下面的原因。

在玻璃母板加工的对准构件中，通常要求在分割面板玻璃之前切割聚合物。这种对玻璃上的聚合物进行的切割，通常会在对准聚合物和粘胶(使用处)上留下明显的切割痕迹，其中粘胶用来将对准聚合物接合至玻璃。尤其是在对准构件的顶部和底部能够看到。如果对准构件在面板分割之后才被应用，则聚合物要么以条形(其为预切割且粘在玻璃上)被应用，要么会在原处固化。

在聚合物被预切割并随后被接合至面板的情况中，聚合物切割痕迹的形式将不同于玻璃母板聚合物切割痕迹。特别地，存在用于将构件接合至玻璃上的粘胶会从构件端部下面泄漏出来的证据，这种情况不会在玻璃母板固化元件中发生。

在对准构件原处固化到分割面板的情况中，通常在构件的任意端部都不会出现切割痕迹，由此可以表明元件不是在玻璃母板阶段制造的。

在已经从玻璃母板分割下的面板中，在已将聚合物元件剥离而分开玻璃之后，将聚合物从其中去除的区域内，也存在接合至玻璃的残留聚合物的证据。通常，这种聚合物是来自对准构件边界的薄层。这种残留聚合物可以延伸到玻璃区域的边缘，这表示聚合物覆盖玻璃母板区域上的多于一个面板。也可以检测去除这种过量聚合物的这些尝试的证据。

在又一结构中，例如图20所示，构件可以在接触点数量减少的情况下进行配合。这种情况中的构件例如可以是具有与光学透镜相同的间隙的相反的凸透镜结构400。显示基板上的结构402也是相同间距的凸透镜，但被水平偏移半个结构间距。这种配置有利地减少了两个元件相互之间的接触点数量，从而减轻了落到显示对准元件之间的间隙中的污染物的影响，由此提高了产量。

为了减少库存，希望对准构件安装到所有的二维显示面板中，而在后一阶段或以低成本设备进行对三维元件的后续安装。

相同的技术可以被用于其它光学元件中，例如视差栅、有源透镜(active lense)、全息元件等，其中光学微结构380由视差栅(例如可以是延迟栅)的狭缝或全息元件取代。另选地，对于非切换透镜系统，结构可以并有固定折射率透镜。

对准构件也可以在面板组装之后安装到单个面板上，以允许对光学元件的后续安装。光学元件例如另选地可以是视差栅。在将对准构件与显示玻璃母板对准的过程中，对准结构被设置为在像素平面上提供一个照明斑，该照明斑与视差栅的狭缝所产生的光斑具有相似的尺寸。

尽管上述实施例涉及一种显示基板，其中空间光调制器为TFT-LCD(即为透射型空间光调制器)，但本发明同样适用于任何其他类型的空间光调制器，包括发射型的空间光调制器。

实施例的不同特性可以单独提供下述优点或其任意组合。

使得可以用于光学元件的对准构件进行玻璃母板组装。

光学元件可以在生产线后被方便且便宜地进行装配。

也可在生产装配之后将定向显示光学元件简单组装到已完成的显示模块中。

便于进行多于两片玻璃基板的方便组装。

用于透镜的对准构件集成到透镜结构的设计中，并能够在单个步骤中被加工。

不要求透镜结构的绝对对准。要求对准参照透镜的中心是正确的，然而被对准的精密透镜元件可以变化。

对准构件也可以具有礼帽函数(top hat function)的形式。这样，对准的横向位置基本固定，但是为了保证横向对准，对准构件的相对高度就没有那么严格。因此，当键的凹部与凸部配合时，凹部比凸部的高度要深，从而配合界面没有设置元件之间垂直间距。

用来复制透镜的相同工具可被用来复制对准构件。

对准构件可被方便地对准，并被接合至分割前的面板玻璃母板上，使得对各面板的对准得以实现。

起偏器和波片可在装配显示光学器件之前被接合至分割的显示器上。

通过使用附带的对准元件，可在面板组装之后将光学元件装配到面板上，对准公差最小，并且无需用于各单独的面板的昂贵的对准设备。

微透镜可被组装到面板上，而无需对经组装的显示玻璃母板表面进行加工。

Claims (53)

1、一种将包括像素阵列的显示基板与包括光学元件阵列的元件基板对准的方法，该方法包括：

形成具有面板阵列和用于各面板的第一对准构件的显示玻璃母板，各面板包括足够单个显示基板的可见像素阵列，第一对准构件布置在可见像素阵列外并具有与各面板的像素阵列对准的表面凹凸；

将所述显示玻璃母板分成多个显示基板，每个显示基板都包括像素阵列和第一对准构件；

形成元件基板，每个元件基板都具有光学元件阵列和第二对准构件，第二对准构件具有与光学元件阵列对准的表面凹凸，第二对准构件中的表面凹凸被构形为与第一对准构件中的表面凹凸对齐；并且

利用彼此对齐的第一和第二对准构件，将显示基板接合到各元件基板上。

2、根据权利要求1所述的方法，其中形成显示玻璃母板的步骤包括以下步骤：形成具有面板阵列的显示玻璃母板，各面板包括足够单个显示基板的像素阵列；以及将第一对准构件接合至所述显示玻璃母板。

3、根据权利要求2所述的方法，其中第一对准构件具有光学功能，并且将第一对准构件接合至显示玻璃母板的步骤包括以下步骤：利用光学对准技术，将第一对准构件的表面凹凸与像素阵列对准。

4、根据前面任一权利要求所述的方法，其中形成元件基板的步骤包括：

形成具有面板阵列和用于各面板的第二对准构件的元件玻璃母板，各面板包括足够单个元件基板的光学元件阵列，第二对准构件与光学元件阵列对准；以及

将所述元件玻璃母板分成多个显示基板，各显示基板都包括光学元件阵列和第二对准构件。

5、根据前面任一权利要求所述的方法，其中

所述第二对准构件形成在具有光学元件部分结构的公共层上，并且

形成元件基板的步骤包括形成具有所述第二对准构件和所述光学元件部分结构的公共层。

6、根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距的间距重复。

7、根据权利要求6所述的方法，其中所述第一对准构件具有与光学元件相同的光学功能。

8、根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距整数倍的间距重复。

9、根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述第一对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距的间距重复。

10、根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述第一对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距整数倍的间距重复。

11、根据前面任一权利要求所述的方法，其中光学元件具有焦距，而第一对准构件在像素阵列上具有基本等于光学元件焦距的高度。

12、根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述第一对准构件在支撑层上包括微结构层。

13、根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述第一和第二对准构件的表面凹凸具有相反的形状。

14、根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述显示基板包括显示面板的有源矩阵基板和相对基板。

15、根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述光学元件为透镜。

16、一种显示装置，包括接合至包括光学元件阵列的元件基板的包括可见像素阵列的显示基板，其中所述显示基板具有布置在可见像素阵列外的、并与可见像素阵列对准的第一对准构件，元件基板具有与光学元件阵列对准的第二对准构件，并且第一和第二对准构件具有彼此对齐的各表面凹凸。

17、根据权利要求16所述的显示装置，其中所述第一对准构件接合至所述显示基板。

18、根据权利要求17所述的显示装置，其中所述第一对准构件具有光学功能。

19、根据权利要求18所述的显示装置，其中所述第一对准构件的光学功能与所述光学元件的光学功能相同。

20、根据权利要求16至19中任一项所述的显示装置，其中所述第二对准构件形成在具有所述光学元件部分结构的公共层上。

21、根据权利要求16至20中任一项所述的显示装置，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距的间距重复。

22、根据权利要求16至20中任一项所述的显示装置，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距整数倍的间距重复。

23、根据权利要求16至22中任一项所述的显示装置，其中所述第一对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距的间距重复。

24、根据权利要求16至22中任一项所述的显示装置，其中所述第一对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距整数倍的间距重复。

25、根据权利要求16至24中任一项所述的显示装置，其中光学元件具有焦距，而第一对准构件在像素阵列上具有基本等于光学元件焦距的高度。

26、根据权利要求16至25中任一项所述的显示装置，其中所述第一对准构件在支撑层上包括微结构层。

27、根据权利要求16至26中任一项所述的显示装置，其中所述第一和第二对准构件的表面凹凸具有相反的形状。

28、根据权利要求16至27中任一项所述的显示装置，其中所述显示基板包括显示面板的有源矩阵基板和相对基板。

29、根据权利要求16至28中任一项所述的显示装置，其中所述光学元件为透镜。

30、根据权利要求16至29中任一项所述的显示装置，其中所述显示基板通过对玻璃母板的分割而形成。

31、根据权利要求16至30中任一项所述的显示装置，其中所述元件基板已通过对玻璃母板的分割而形成。

32、一种显示基板，包括像素阵列，用于接合至包括光学元件阵列的元件基板，其中所述显示基板具有第一对准构件，该第一对准构件具有置于可见像素阵列外、且与像素阵列对准的表面凹凸。

33、根据权利要求31所述的显示基板，其中所述第一对准构件接合至所述显示基板。

34、根据权利要求32所述的显示基板，其中所述第一对准构件具有光学功能。

35、根据权利要求32至34中任一项所述的显示基板，其中所述第一对准构件在支撑层上包括微结构层。

36、根据权利要求32至35中任一项所述的显示基板，其中所述显示基板包括显示面板的有源矩阵基板和相对基板。

37、根据权利要求32至36中任一项所述的显示基板，其中所述显示基板通过对玻璃母板的分割而形成。

38、一种元件基板，包括：光学元件阵列，用于接合至包括可见像素阵列的显示基板；以及第二对准构件，布置在要与所述显示基板的可见像素阵列对准的光学构件阵列外，并且具有与光学元件阵列对准的表面凹凸。

39、根据权利要求38所述的元件基板，其中所述第二对准构件形成在具有所述光学元件部分结构的公共层上。

40、根据权利要求38或39所述的元件基板，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距的间距重复。

41、根据权利要求38或39所述的元件基板，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距整数倍的间距重复。

42、根据权利要求38至41中任一项所述的元件基板，其中所述光学元件为透镜。

43、根据权利要求38至42中任一项所述的元件基板，其中所述元件基板通过对玻璃母板的分割而形成。

44、一种显示玻璃母板，包括面板阵列和用于各面板的第一对准构件，各面板包括足够单个显示基板的可见像素阵列，第一对准构件布置在可见像素阵列外并具有与可见像素阵列对准的表面凹凸。

45、根据权利要求44所述的显示玻璃母板，其中所述第一对准构件接合至所述显示玻璃母板。

46、根据权利要求45所述的显示玻璃母板，其中所述第一对准构件具有光学功能。

47、根据权利要求44至46中任一项所述的显示玻璃母板，其中所述第一对准构件在支撑层上包括微结构层。

48、根据权利要求44至47中任一项所述的显示玻璃母板，其中所述显示玻璃母板包括显示面板的有源矩阵基板和相对基板。

49、一种元件玻璃母板，包括面板阵列和用于各面板的第二对准构件，各面板包括足够单个元件基板的、用于接合至包括可见像素阵列的显示基板的光学元件阵列，第二对准构件布置在要与显示基板的可见像素阵列对准的光学构件阵列外并与光学元件阵列对准。

50、根据权利要求49所述的元件玻璃母板，其中所述第二对准构件形成在具有所述光学元件部分结构的公共层上。

51、根据权利要求49或50所述的元件玻璃母板，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距的间距重复。

52、根据权利要求49或50所述的元件玻璃母板，其中所述第二对准构件的表面凹凸沿同一方向重复，所述光学元件沿该方向以基本等于光学元件间距整数倍的间距重复。

53、根据权利要求49至52中任一项所述的元件玻璃母板，其中所述光学元件为透镜。

Images