CN1860403A

CN1860403A - 定向显示设备

Info

Publication number: CN1860403A
Application number: CNA2004800285405A
Authority: CN
Inventors: 格雷厄姆·约翰·伍德盖特; 乔纳森·哈罗德
Original assignee: Ocuity Ltd
Current assignee: Ocuity Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-11-08
Also published as: GB0322902D0; TW200523579A; GB2406730A; US7796318B2; GB0607003D0; WO2005036235A1; US20070035829A1; US7423796B2; GB2427706A; US20080273242A1

Abstract

一种定向显示设备，包括空间光调制器和透镜阵列，该空间光调制器包括像素阵列，其中，透镜阵列的每一相应部分都能够将来自与相应部分对准的一组像素的光定向到标称观看窗，该定向显示设备被设置为，使得每一相应部分还能够将来自与相应部分的相邻部分对准的至少一个相邻的像素组的光定向到相同的标称观看窗。这可以利用偏转元件如棱镜元件或全息图实现，或者通过具有至少一个透镜表面的透镜阵列的每一相应部分实现，该透镜表面设置：至少一个第一区域，能够将来自与相应部分对准的所述像素组的光定向到所述标称观看窗；和至少一个第二区域，能够将来自所述至少一个相邻像素组的光定向到相同的标称观看窗。通过混合来自相邻像素组的光，减少了条纹化可视假像。

Description

定向显示设备

技术领域

本发明涉及定向显示设备。这种设备可以用作可切换的二维(2D)/三维(3D)自动立体显示设备，用于可切换的高亮度反射型显示设备，用于多用户显示设备，或者用于定向照明设备。这种显示设备可以用于计算机监视器、电信手机、数字摄像机、膝上型和台式计算机、游戏设备、汽车的和其它移动显示应用中。

背景技术

正常人类视觉是立体的，即，每只眼睛看到的世界的图像稍微不同。大脑融合两幅图像(称为立体对)以给出深度感觉。三维立体显示器向每只眼睛再现与观察真实世界场景时将看到的图像相对应的分开的、通常平面的图像。大脑再次融合该立体对，以给出图像中的深度表现。

图1a采用平面图示出显示器平面1中的显示表面。右眼2看到显示器平面上的右眼同源图像点3，而左眼4看到显示器平面上的左眼同源点5，以在画面之后生成由用户察觉的表观图像点6。

图1b采用平面图示出显示器平面1中的显示表面。右眼2看到显示器平面上的右眼同源图像点7，而左眼4看到显示器平面上的左眼同源点8，以在画面的前面生成表观图像点9。

图1c示出左眼图像10和右眼图像11的呈现。左眼图像10中的同源点5位于基准线12上。右眼图像11中的对应同源点3在相对于基准线12的不同相对位置3处。点3与基准线12的分隔13叫做双眼视差(disparity)，在这种情况下，对于将位于画面后的点，是正双眼视差。

对于场景中的一般化的点，如图1a示出的立体对的每一图像中有一对应点。这些点被称为同源点。两个图像之间的同源点的相对间距称为双眼视差；具有零双眼视差的点对应于处在显示器的深度平面的点。图1b示出具有非交叉双眼视差的点出现在显示器的后面，图1c示出具有交叉双眼视差的点出现在显示器的前面。同源点的间距的大小、到观察者的距离、观察者双眼间距给出在显示器上可察觉的深度的量。

立体型显示器在现有技术中是公知的，并且涉及在其中由用户佩戴某种观看辅助工具将发送到左眼和右眼的视图大体上分离的显示器。例如，观看辅助工具可以是：滤色器，其中图像是彩色编码的(举例来说，红色和绿色)；偏振镜，其中以正交偏振态编码图像；或快门镜，其中与镜的快门的打开同步地把视图编码为时间序列图像。

观察者没有佩戴观看辅助工具就可以运行自动立体显示装置。在自动立体显示器中，从如图2例示的空间中的限定区域可以看到每一视图。

图2a示出具有结合视差光学元件17的显示装置16。显示装置产生针对右眼视路的右眼图像18。视差光学元件17按由箭头19所示方向定向光以在显示器的前面的区域中产生右眼观看窗20。观察者将他们的右眼22置于窗20的位置处。示出左眼观看窗24的位置用作参考。观看窗20也可称为垂直延伸的光瞳。

图2b示出左眼光学系统。显示装置16产生针对左眼视路的左眼图像26。视差光学元件17按由箭头28所示方向定向光以在显示器的前面的区域中产生左眼观看窗30。观察者将他们的左眼32置于窗30的位置处。示出右眼观看窗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观看窗30的限定区域中。如果将眼睛32置于观看窗30的位置处，那么观察者就在整个显示器16上看见适当的图像26。类似地，该光学系统将希望用于右图像18的光发送到分离的窗20。如果观察者将他们的右眼22置于该窗20，那么将在整个显示器上看见右眼图像。通常，可以认为来自任一图像的光已经被光学导入(举例来说，定向)到相应的定向分布中。

图3以平面图示出：在显示器平面34中观看显示装置16、17在窗平面42中生成左眼观看窗36、37、38和右眼观看窗39、40、41。把窗平面到显示器的间距称为标称观看距离43。在与显示器相对的中心位置处的窗37、40在零瓣44中。在零瓣44的右边的窗36、39在+1瓣46中，而在零瓣的左边的窗38、41在-1瓣48中。

显示器的观看窗平面42表示到显示器的距离，在该处侧向观看自由度最大。对于远离窗平面的点，如图3中以平面图中例示，有菱形的自动立体观看区域。就像可以看到的，来自显示器上的每一点的光以宽度有限的锥区照射到观看窗上。锥区的宽度被定义为角宽度。

如果将眼睛置于每一对观看区域如37、40，那么在显示器的整个区域上将看到自动立体图像。最重要的是，由这些观看区域的长度确定显示器的纵向观看自由度。

在图4中示出了显示器的窗平面上的强度50对于理想窗的位置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，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5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，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中例示的，由窗质量确定图像分离的质量和显示器的侧向与纵向观看自由度的程度。图4示出理想的观看窗，而图5是可以从显示器输出的实际观看窗的示意图。由于不适宜的窗性能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。

本领域公知的在立体显示中使用的一类视差光学元件被称为透镜屏(lenticular screen)，该透镜屏是垂直延伸的柱状微透镜阵列。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。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锥区内的光，并将其分散到窗上，所以透镜显示器具有全亮度的基础画面。

图6示出现有技术透镜显示装置的结构。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像素面67上成行成列排列的重复的像素阵列中。红色像素68、71、74，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。接着光穿过透镜屏基板94和形成在该透镜屏基板94表面上的透镜屏96。透镜屏96用来如来自像素69的光线88所示出的，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。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像素面74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(SLM)涉及包括诸如液晶显示器的“光阀”装置以及诸如电致发光显示器和发光二极管(LED)显示器的发射装置在内的可寻址、可调节装置。

将显示器的像素排列为由间隙分开的行和列，(一般由液晶显示器(LCD)中的黑掩模所定义)，透镜屏是间距接近像素列间距两倍的垂直延伸透镜阵列。透镜屏将来自每一像素列的光定向到处在显示器前面的区域中的各个标称观看窗。由像素孔的宽度与形状和透镜屏的对准与像差确定来自显示器的输出锥区的角度。

为了将来自每一像素的光导入观看窗，透镜屏的间距略小于像素阵列间距的两倍。这个条件公知为“视点校正”。在这种显示器中，每一立体对图像的分辨率是基础LCD的水平分辨率的一半，并且生成双视窗。

因而，从左观看窗可以看见来自奇数像素列68、70、72、74的光，而从右观看窗可以看见来自偶数像素列69、71、73、75的光。如果将左眼图像数据置于显示器的奇数列，而将右眼图像数据置于偶数列，那么在校正的“无畸变”位置处的观察者应当融合两个图像，以看见整个显示器上的自动立体3D图像。

在两个视图之间会有漏光，以致通过右眼会看见部分左眼视图，反之亦然。把这种泄漏叫做图像串扰。串扰是当观看3D显示器时产生视觉疲劳的一重要机理，而且对串扰进行控制是3D显示器开发的主要驱动力。对于平板自动立体显示器(具体地说，这些基于LCD技术)，对窗性能的限制一般由像素的形状和孔径比以及光学元件的质量来确定。

在透镜屏型显示器中，将狭缝下的列直接成像到显示器的零瓣中的第一对窗。还将相邻的像素列成像到显示器的+1和-1瓣中的观看窗。因而，如图3中可见，如果用户侧向移动到无畸变区域外面，那么来自不正确图像的光会发送到每一只眼睛。当右眼看见左眼视图并且反之左眼看到右眼视图时，与正确的无畸变状态相比，把该图像称为“幻视”。

为了增加显示器的侧向观看自由度，在每一透镜下可以设置多于两个的像素列。例如，四个列会生成在其中改变用于每一窗的视图的四个窗。这种显示器会给出由于观察者移动出现的“环视”感觉。采用这种方法也可以增加这种纵向自由度。然而，在这种情况中，显示器的分辨率被限定到基础画面的分辨率的四分之一。

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，所以去除和更换视差栅并不容易。二维模型是一半分辨率的。

在T.Okoshi的“Three Dimensional Imaging Techniques”(AcademicPress，1976年)中描述了透镜显示器。US4959641中描述了一种利用空间光调制器的透镜显示器，其描述了空气中的非切换透镜元件。

在1996年的SPIE Proceedings第2653卷第32到39页发表的“Multiview 3D-LCD”中，描述了一种利用相对于显示器的像素列倾斜的柱透镜的透镜显示器。

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。

在1993年的Proc.SPIE第1915卷Stereoscopic Displays andApplications IV(1993)第177-186页的“Developments in AutostereoscopicTechnology at Dimension Technologies Inc.”中，描述了一种去除了视差光学器件的作用的显示器。在该情况下，可切换漫射器元件置于用于形成光线的光学系统中。这种可切换漫射器例如可以是聚合体分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal)型的，其中对于在材料上施加电压的应用，分子排列在散射和非散射模式之间切换。在三维模式下，漫射器是透明的，生成的光线产生了后视差栅效果。在二维模式下，漫射器是散射的，光线被散开(wash out)，产生均匀光源的效果。由此，显示器的输出基本上是朗伯型(Lambertian)的，而窗被散开。因而观察者将看到作为全分辨率二维显示器的显示器。这种显示器在三维模式下会存在菲涅尔衍射假像，并且在漫射器透明的状态下会存在不希望的残余散射，这将增大显示串扰。因此，这种显示可能会造成更高程度的视疲劳。

在EP-A-0,833,183中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，第二LCD置于显示器前面用作视差光学器件。在第一模式中，视差LCD是透明的，从而不产生窗而看到二维的图像。在第二模式中，对设备进行切换以产生视差栅狭缝。然后产生输出窗，并且图像显示为三维的。由于使用两个LCD元件，这种显示器增加了成本和复杂度，并且亮度降低或功耗增加。如果用于反射模式三维显示系统，由于显示器内外光路上的视差栅的阻挡区对光的衰减，视差栅会导致亮度很差。

在EP-A-0,829,744中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，视差栅包括经构图的半波延迟元件阵列。延迟元件的图案对应于栅狭缝的图案以及视差栅元件上的吸收区。在三维模式操作中，将起偏器加入显示器中来解析经构图的延迟器的狭缝。由此，产生吸收视差栅。在二维模式操作中，由于在二维模式操作中不包含任何偏振特性，所以完全去除起偏器。因此显示器输出是全分辨率且是全亮度的。一个缺点是这种显示器采用视差栅技术，因此在三维模式操作中限于可能的20-30％的亮度。另外，显示器将具有观看自由度以及由栅孔的衍射所限制的串扰。

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。

例如，在1997年5月15-16日欧洲光学学会(European OpticalSociety)Topical Meeting Digest Series：13第48-58页中的L.G.Commander等人的“Electrode designs for tuneable microlenses”中，描述了电可切换双折射液晶微透镜。

在US-6,069,650和WO-98/21620中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，可切换微透镜包括充满液晶材料的透镜屏，该可切换微透镜用来改变透镜屏的光功率。US-6,069,650和WO-98/21620教导了在透镜屏中采用电光材料，通过在第一值(由该第一值提供对透镜装置的光输出导向操作)和第二值(由该第二值去除光输出导向操作)之间选择性地施加电势差来切换电光材料的折射率。

在SID 97 DIGEST第273-276页中的S.Suyama等的“3D DisplaySystem with Dual Frequency Liquid Crystal Varifocal Lens”中，描述了一种包括液晶菲涅尔透镜的三维显示器。

在WO-03/015424中公开的另一种可切换二维-三维显示器中，通过对穿过透镜并到达观察者处的光的偏振进行控制，而在二维和三维模式之间切换无源双折射微透镜。根据该参考文献还了解到，为了旋转输入偏振，使用在该无源双折射透镜中的扭转(twist)，从而使双折射微透镜几何轴平行于透镜表面的双折射材料轴。图7以平面图示出了WO-03/015424中公开的显示设备之一，该设备配置如下。

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和具有如所标记的光轴方向的经配向的双折射材料142。然后双折射透镜的输出穿过透镜基板144和偏振改变装置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，偏振改变装置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，偏振改变装置146被构造为发射具有平行于双折射微透镜阵列的非寻常轴的偏振态的光。该材料(诸如液晶材料)的非寻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。

图8示出偏振激励微透镜的另一实施例，其中未示出背光和输入起偏器。利用电控偏振开关代替图7的偏振改变装置146，该电控偏振开关包括：夹着液晶层160的附加ITO层158和158、输出基板164以及输出起偏器166。电信号控制器162允许对ITO电极之间的电场进行切换，以允许切换液晶材料160。如先前所述，这允许控制穿过输出起偏器166传送的偏振态，并由此控制透镜的功能。

图9示出与图8中类似的设备，但是在对基板132上设置了输出起偏器154，而且将ITO电极158和LC层160设置在透镜142、144以及起偏器154之间。这种配置允许以全图像对比度和亮度对透镜进行切换。

图10示出另选设备，其中，电极和液晶开关174被设置得与液晶透镜(其可以是固体液晶透镜)接触。

图11示出图10的显示器的另选设备，其中，通过增强亮度显示的孔取代自动立体显示的双视窗像素列。

发明内容

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。

根据本发明的第一方面，提供了一种定向显示设备，包括：

空间光调制器，包括像素阵列；和

透镜阵列，具有按预定间距重复的结构，其中，该定向显示设备被设置为，使得针对按所述预定间距的透镜阵列的多个部分，每一相应部分都能够将来自与相应部分对准的至少一个像素的光定向到至少一个标称观看窗，并且每一相应部分还能够将来自与该相应部分的相邻部分对准的至少一个相邻像素的光定向到相同的至少一个标称观看窗。

诸如透镜显示器的空间复用定向显示器，用于在定向操作模式中减小图像侧向亮度分辨率。亮度分辨率的减小增加了单色子像素的可见度。当绿像素的亮度高于红或蓝像素时，那么像素亮度分布的子结构就变得明显，而且图像开始出现条纹。本发明的透镜阵列聚集来自相邻像素组(典型地，相邻彩色子像素)的光，使得在每一透镜的孔径上将彩色混合。因而，本发明的优点是混合被定向到第一观看窗的来自相邻彩色子像素的光，使得减小显示器上的亮度波动，并且减小使图像出现条纹的假像。

有利地，该定向显示装置被设置为，使得每一相应部分还可以将来自与相应部分的位于所述相应部分相对两侧的相邻部分对准的相邻像素组的光，定向到相同的标称观看窗。

在一类实施例中，透镜阵列自身被设置为使得每一相应部分可以将来自所述至少一个相邻像素组的光定向到所述相同的标称观看窗。例如，这可以通过具有至少一个透镜表面的透镜阵列的每一相应部分来实现，所述透镜表面设置：至少一个第一区域，能够将来自与相应部分对准的所述像素组的光定向到所述标称观看窗；和至少一个第二区域，能够将来自所述至少一个相邻像素组的光定向到相同的标称观看窗。

类似地，根据本发明的第二方面，提供了一种定向显示设备，包括：

空间光调制器，包括像素阵列；和

透镜阵列，具有按预定间距重复的结构，

其中，该透镜阵列被设置为，使得针对按所述预定间距的透镜阵列的多个部分，每一相应部分被形成为设置：

至少一个第一区域，可以将来自与相应部分对准的至少一个像素的光定向到至少一个标称观看窗；和

至少一个第二区域，可以将来自与相应部分的相邻部分对准的至少一个相邻像素的光定向到相同的至少一个标称观看窗。

这种定向显示设备与其中整个透镜将来自对准的像素的光定向到标称观看窗的透镜阵列相比，具有允许减小透镜阵列的厚度的优点。这是因为第二区域在第一区域的相对方向上可以倾斜。因此，第一部分可以偏移它们将在正常透镜中设置的地方，以减小透镜的厚度。这个厚度的减小量与菲涅尔透镜中实现的厚度减小量相当，在菲涅尔透镜中，透镜的不同区域被偏移以通过在那些偏移区域中间设置垂直晶面(facet)减小厚度以提供类似于连续表面的成像特性。另一方面，在偏离光轴的方向，垂直晶面可能在成像中引入误差。例如，晶面可以引起串扰，或者可以引起针对窗平面处的观察者的成像强度的变化，该窗平面不对应于根据透镜的非晶面部分的窗密集结构。相比于菲涅尔透镜，在本发明的上述排列中，第一区域的偏移通过倾斜第二区域实现，反之亦然，第一区域和第二区域都具有满意的成像特性。因而，透镜显著地减少假像。通过减小图像串扰、减小图像条纹以及增加窗均匀度，使得显示器的图像质量最大化。

可方便地使用双折射透镜，以切换在其中显示器具有全分辨率的基础画面的2D模式与在其中显示器生成观看窗的定向模式(诸如自动立体3D模式)之间的功能。因为液晶材料提供良好的可控光学属性且与显示制造技术相兼容，所以它们一般用于双折射透镜。

然而，用于自动立体显示器的折射透镜阵列(诸如双折射透镜阵列)具有由材料选择限定的受限厚度和几何显示。在典型显示器中，单透镜的最大透镜厚度或垂度处于20到70微米的范围中。液晶材料的这种厚度易于散光。一般不希望透镜中散光。第一，显示器的表面上存在散射层会劣化图像对比度，特别在明亮照明的环境中。这对于在外部照明条件中使用显示器特别重要，例如，如透射(transflective)显示器。第二，在诸如图8中例示的显示器中，散射会劣化透射图像的对比度，因为在输出起偏器166之前，会改变来自双折射材料142的输出相位。因此，希望减小透镜的散射量，以最大化图像质量。通过减小透镜中的材料的双折射，或者减小透镜的厚度，可以减小散射。这可以通过分别增加透镜的垂度，或通过增加材料双折射来实现。希望减小材料双折射，因而增加透镜垂度。

与等效单透镜相比，本发明的上述排列，在保持或增加垂度的同时，通过减小透镜中的双折射材料的厚度，可以减小双折射透镜中的散射。

使用双折射透镜有利于进一步减小材料消耗，因此降低透镜成本，而且使用可控晶面允许最优化图像质量。

有利地，将双折射透镜构造为具有与双折射材料的非寻常折射率大体相同的各向同性材料折射率，使得进一步减小材料消耗和平均液晶层厚度，因而，通过进一步减小透镜中散射的程度，来增加图像质量。

双折射透镜具有减小的厚度范围。因而，通过把干涉图案曝光到形成透镜阵列的表面上的感光材料上，可以更便利地把衍射结构记录在透镜表面上。衍射结构具有设置为在表面上生成衍射对准的间距。即，液晶分子相对于衍射装置生成的表面隆起结构对准。希望干涉图案的景深尽可能小以在它的表面上形成高频衍射图案。因而，使用更薄的双折射透镜结构有利于允许更容易地形成衍射对准结构。为了从相邻像素实现理想成像，有利地倾斜晶面角度，以允许应用感光介质和比垂直晶面更容易地记录干涉图。

根据本发明另一方面，提供了一种定向显示设备，包括：透镜阵列，设置为将光定向到第一定向分布中，其中透镜阵列的每一透镜包括至少两个成像区域：第一成像区域，设置为将来自第一像素组的光成像到第一观看窗；以及第二成像区域，设置为将来自第二像素组的光成像到第一观看窗，第二成像区域具有与相邻透镜的第一成像区域大体相同的成像功能。

透镜阵列可以是被设置为将光成像到第一定向分布和第二定向分布的双折射透镜阵列。在这种情况下，透镜可以是结合偏振开关的无源透镜，或者可以是有源透镜。

在双折射透镜阵列中，各向同性折射率可以大体上与双折射材料的较高或较低的折射率相同。

透镜阵列可以将光定向到观看窗，以提供许多不同效果，例如，提供自动立体3D显示，或多视窗显示。因而根据本发明的不同类型的显示装置可用于：

自动立体显示装置，在第一操作模式下，可以便利地提供肉眼可见的活动全色3D立体图像，而在第二操作模式下，提供全分辨率2D图像；或

多视窗显示装置，在一个操作模式下，可便利地向一个观察者提供一个2D图像(可以是活动全色的)，并且向至少第二个观察者提供至少第二个不同的2D图像，而在第二操作模式下，提供由全部观察者看见的单个全分辨率2D图像。

透镜可以用作在其中通过施加电场改变双折射材料的取向的有源透镜。有利地，本发明允许减小双折射材料的厚度，因而可以减小驱动电压。

透镜的材料可以是非双折射的，以使透镜具有固定不变的功能，以有利于减少3D显示器的成本。

本发明的结构可以应用到透镜的母版制作阶段，而不是复制阶段。因而，单个元件的成本大体上不受透镜形状复杂度的影响。

与透镜的结构无关，双折射透镜在非定向模式中大体上不具有可见性。因此，有利地，在2D操作模式下，附加透镜结构大体上不具有附加的可见性。

可以使用单独的棱镜元件，以在透镜的孔径处产生光线偏转。这种设置不需要生成复杂的透镜表面。

可以使用全息元件，以在透镜的孔径处产生光线偏转。这种设置不需要生成复杂的透镜表面，而且不需要两个微结构表面的复杂对准。

附图说明

下面，参照附图，通过非限制性示例，说明本发明的实施例，其中：

图1a示出在3D显示器中针对画面之后的物体产生表观深度；

图1b示出在3D显示器中针对画面之前的物体产生表观深度；

图1c示出立体图像对中的各图像上的对应同源点的位置；

图2a示意性地示出在自动立体3D显示器前面形成右眼观看窗；

图2b示意性地示出在自动立体3D显示器前面形成左眼观看窗；

图3在平面图中示出根据3D显示器的输出锥区产生观看区域；

图4示出用于自动立体显示器的理想窗剖面；

图5示出根据自动立体3D显示器的观看窗的输出剖面的示意图；

图6示出透镜状屏显示器的结构；

图7示出现有技术偏振激活微透镜显示器；

图8示出现有技术偏振激活微透镜显示器；

图9示出现有技术偏振激活微透镜显示器；

图10示出现有技术偏振激活微透镜显示器；

图11示出现有技术偏振激活微透镜显示器；

图12示出针对透镜状屏的彩色子像素的排列；

图13示出图12的3D图像中的一个的呈现；

图14示出彩色3D像素的生成；

图15示出相对于空间频率的感知对比度灵敏度的已知计算模型的图；

图16示出彩色像素化显示器的空间亮度分布上的较高绿色像素亮度的效果；

图17示出本发明的透镜阵列和该透镜阵列上的亮度变化；

图18示出结合有本发明的透镜阵列的3D显示器；

图19示出现有技术菲涅尔透镜；

图20进一步示出图18的透镜阵列的操作；

图21示出用于记录透镜阵列的掩模的结构；

图22示出对主透镜阵列的记录；

图23示出由本发明的透镜阵列中的全内反射产生的误差；

图24示出用于本发明的有源透镜的电极的一种结构；

图25示出用于本发明的有源透镜的电极的另一种结构；

图26示出包括多个透镜表面的本发明的透镜；

图27示出图26的透镜的形成；

图28示出使用分立的棱镜作为光偏转元件；

图29示出使用全息图作为光偏转元件；

图30示出又一显示器；以及

图31示出再一显示器。

图32示出用于金刚石加工工具的一种设备；

图33示出用于金刚石加工工具的又一方法；

图34示出结合有曲透镜表面的装置的光线迹；

图35示出结合有平透镜表面的装置的光线迹；

图36示出结合有针对透镜位置按行排列的彩色像素的显示器的结构；以及

图37示出结合有导电聚合物的本发明的有源透镜。

具体实施方式

各种实施例中的一些采用公共要素，为简短起见，将对公共要素赋予公共标号，并且不重复其说明。而且，对每一实施例的要素的说明同等地适用于其它实施例的相同要素和已作必要修改、具有对应效果的要素。而且，为清楚起见，对显示器的实施例进行例示的图仅示出了显示器的一部分。事实上，该构造在显示器的整个区域上重复。

在本说明书中，将双折射材料的光轴的方向(导向器方向，或非寻常轴方向)称为双折射光轴。这不应当与透镜的光轴混淆，透镜的光轴是由几何光学按通常方式定义的。

柱面透镜说明其中沿第一直线方向扫掠边沿(其具有弯曲半经，并可具有其它非球面分量)的透镜。几何微透镜轴被定义为在第一直线方向上沿着透镜的中心的直线，也就是，平行于边沿的扫掠方向。在2D-3D型的显示器中，几何微透镜的轴是垂直的，使得它与显示器的像素列平行或有微小的角度。在如这里所述的亮度增强显示器中，几何微透镜轴是水平的，使得它平行于显示器的像素行。

图12示出在许多显示类型中使用的公知的“条纹”像素结构，该“条纹”像素结构包括红色像素列1228、绿色像素列1234以及蓝色像素列1238。在本文件的图中，为容易解释，以横截面图示出大体上按等于像素列间距的两倍的预定间距(事实上，对于视点校正要略小)重复的透镜阵列1000，而以平面图示出像素。如果在这个像素结构的表面上方设置了柱面透镜阵列1000，那么观察者的每只眼睛将看到一半水平像素。针对包括红色图像像素1002、蓝色图像像素1004以及绿色图像像素1006的右眼图像，在图13中对此进行了例示。在这种情况下，因为透镜状屏用于分布来自透镜的整个孔径上的各个像素的光，所以像素之间的水平间隙1008大体上为零。

图14中更详细地示出在双视窗自动立体显示器中使用彩色像素。透镜阵列1208的透镜1214用于覆盖像素列1228和1234。列1228包含红色右眼数据，而列1234包含绿色左眼数据。像素1222由透镜1214成像到右眼，并且呈现为充满透镜1214的孔径。在相邻的透镜1216中，将蓝色像素列1238成像到右眼，而将红色像素列1230成像到左眼。类似地，对于透镜1218，将绿色像素列1236成像到右眼，而将蓝色像素列1240成像到左眼。

在2D模式中，由相邻的彩色子像素1202、1204以及1206构成彩色像素1200。然而，由具有例如1224、1242以及1207的两倍间隔的像素形成3D图像彩色像素。

如图13中所示，常规条纹图像的水平分辨率是全屏分辨率的一半，该常规条纹图像是通过将视差光学装置如透镜状屏或视差栅网接合到常规条纹屏而生成的。这种方法的缺点是立体图像可以呈现为包含混叠假像，例如呈现为包含垂直条纹。

呈现这些条纹的一个起源可能是由于例如图15中所示的人类对比度灵敏度函数造成的，该函数取自如在J.L.Mannos，D.J.Sakrison，“TheEffects of a Visual Fidelity Criterion on the Encoding of Images”，IEEETransactions on Information Theory，pp.525-535，Vol.20，No4，(1974)中所述的关系。这个图示出作为亮度函数，对比度灵敏度200相对于空间频率202的变化。把针对条纹屏的亮度空间频率定义为红色、绿色以及蓝色子像素的三元组的空间频率。

针对使用像素间距为80μm的条纹屏的典型显示器，从400mm处观看，绿色通道的空间频率例如是29周期每度，并且由箭头204示出。当添加了透镜状屏并且按3D模式观看该装置时，那么空间频率减半为由箭头206指示的14.5周期每度。在这种情况下，对比度灵敏度函数从0.2增加到0.8，接近于人类对比度灵敏度函数的峰值。很清楚，可以通过增加观察者与显示器的距离，来减小这个值，但是会更不容易观看图像，因此这种方法可能不是优选的。

图16示意性地示出具有RGB条纹像素图案的图像中的水平亮度函数217。示出了包含红色数据列208、绿色数据列210以及蓝色数据列212的像素阵列。将组合图像的总色彩平衡设置为标准白色。下面示出三个通道相对于位置216的等效适光亮度214。这个图示出，由于人类适光功效函数，导致从绿色像素感知的亮度大于从红色像素和蓝色像素感知的亮度。在高分辨率下，人类视觉系统不能分辨RGB像素的单独亮度级，因此，不能感知这个亮度差，从而图象呈现一致。然而，如果像素分辨率按照一半水平分辨率立体图像的情况降低，那么红色像素和蓝色像素的亮度与绿色像素的亮度之间的差就可能变得明显。因而，可以看到较亮的绿色像素列，如同由较暗的红色像素列和蓝色像素列点缀，从而使得在立体图像中呈现出条纹。不考虑显示器上的像素形状，这种条纹呈现将是可见的。因而，甚至期望像素之间无间隙的“完美”像素，以按这个分辨率显示条纹状。

下面，说明本发明实施例的定向显示设备。首先，参照图17说明透镜和像素的示意性排列。除了下列之外，该定向显示设备具有与图14例示的已知结构类似的排列。

该定向显示设备包括空间光调制器，该空间光调制器具有像素阵列1003和透镜阵列1001，该透镜阵列1001包括大体上按预定间距重复的多个透镜的阵列。在本说明书中，术语“透镜”用来指按预定间距的透镜阵列的一部分，即，透镜阵列1001的结构的重复单元。如下面更详细地说明的，透镜阵列100l的每个透镜具有区域230-238，区域230-238具有不同的光学效果。

透镜阵列1001的每个透镜用于将来自第一像素列1005的光定向到第一(右眼)观看窗，而将来自第二像素列1007的光定向到第二(左眼)观看窗。另外，如图17中例示的，将来自相邻彩色子像素1009的光定向到第一观看窗，而将来自相邻彩色子像素1011的光定向到第二观看窗。透镜阵列1001示意性地示出在图17的上部，并且置于RGB条纹像素阵列上方，以提供双视窗自动立体显示。图17示出透镜阵列1001的透镜中的六个透镜223-228。针对右眼窗，分别地，透镜223和224覆盖绿色像素，透镜225和226覆盖蓝色像素，而透镜227和228覆盖红色像素。

透镜阵列的每个透镜具有与图17中针对单个透镜225所例示的相同的结构。

具体地说，透镜225具有三个第一区域230、232、234，它们用于聚集来自与相应的透镜对准的像素的光，并将它定向到第一零瓣窗。这等效于图14中的透镜1216，透镜1216将来自像素列1238的光定向到图3中的右眼零瓣观看窗40。

透镜225还具有两个第二区域236、238，它们与第一区域230、232、234交替且连续地排列，并且用于将来自与位于指定的透镜225的相对两侧的透镜223、227对准的相邻像素列的光定向到同一零瓣窗。第二区域236具有与在一侧的相邻透镜223的第一区域大体相同的成像功能，即，等效于图14的透镜1216，透镜1216将来自像素列1228的光定向到右眼零瓣观看窗40。相反，在标准透镜阵列中，透镜1216将来自像素列1228的大体上全部光定向到+1瓣46的窗39。类似地，第二区域238具有与在相对侧的相邻透镜227的第一区域大体相同的成像功能，即，等效于图14的透镜1216，透镜1216将来自相邻像素列1236的光定向到零瓣观看窗40。相反，在标准透镜阵列中，透镜1216将来自像素列1236的大体上全部光定向到-1瓣48的窗41。从对准的像素到针对窗40中的观察者的透镜部分的信息流进一步由箭头240指示。每一相邻透镜用于将来自下面的对准像素列和来自相应的相邻像素列两者的光定向到零阶瓣。

因而，将透镜225分成相应的区域230-238，其中第一区域230、232、234将来自对准像素列的光定向到标称观看窗，而第二区域236、238将来自相邻像素列的光定向到相同的标称观看窗。应当注意，各第一区域230、232、234没有将来自对准像素列的光成像到标称观看窗。在第一区域230、232、234和第二区域236、238不同地定向光的情况下，区域230-238可以被视为不同的“透镜”，而第二区域236、238可以被视为与相邻透镜的第一区域230、232、234相同的“透镜”的部分，但是，在这里，术语“透镜”被不同地使用，指作为整体的透镜225，即，按预定间距的透镜阵列1001的部分，透镜阵列225按该预定间距重复。

典型地，第二区域236、238和外侧的第一区域232、234的孔径小于中央的第一区域230的孔径。因此，作为另选，第二区域236、238和外侧的第一区域232、234(通常除中央的第一区域230之外的其余所有第一区域)可以被形成为无任何弯曲的平晶面，在这种情况下，它们仅将光偏转到相应的观看窗。尽管缺少聚焦原则上将改变光学斑尺寸，但实际上，图像质量很少或没有劣化，因为由孔径大体上确定的像素面中的斑尺寸典型地接近希望的斑尺寸。仍然获得了本发明的好处。

如图17的图所示，由此，相邻像素数据修改了透镜阵列上的能量分布242。由于相邻像素列包含不同的彩色子像素，这导致在每一透镜处混合彩色数据。例如，针对右眼的透镜225覆盖具有亮度246的蓝色像素。区域236将具有亮度248的绿光添加到透镜，而区域238将具有亮度250的红光添加到透镜。由于透镜内的多个区域的尺寸小于针对前述的显示器参数的视觉灵敏度，所以彩色数据在透镜表面处会出现混合。这用于增加显示器的亮度频率，从而减小图像的条纹。

图18的横截面视图更详细地示出图17中示出的定向显示设备的一种形式的结构。

该设备具有空间光调制器，该空间光调制器具有与图7中示出的已知设备相同的结构，该结构包括像素层110，该像素层包括像素262、264、266的阵列。

透镜阵列具有大体上按等于像素对262、264、266的间距的两倍的间距(实际上按稍微低的间距)重复的结构，以提供视点校正。该透镜阵列包括双折射材料142和各向同性材料140。针对在这个实施例的透镜化模式中操作的偏振状态，透镜中的双折射材料142的折射率大于各向同性材料140的折射率。将透镜表面252形成为提供第一区域230、232、234和第二区域236、238。中央的第一区域230和两侧的第一区域232、234包括透镜表面255的一部分。第一区域230-234用于将来自与所关注的透镜对准的像素对262的中心的光线256定向到零阶瓣的中心。由于视点校正，对准的像素对262将直接处于显示器的中间的透镜的下层，但是会从区域中的透镜的光轴向显示器的边沿偏移。与任何指定的透镜的第一区域230、232、234交替地排列有，与相应的相邻透镜的第一区域230、232、234具有大体相同的成像功能的第二区域236、238。因而，第二区域236、238包括相对于相邻第一区域230、232、234而倾斜的表面。因而，第二区域偏转光，使得区域236用于将来自相邻像素对264的光线258定向到零阶瓣的中心，而区域238用于将来自相邻像素对266的光线260定向到零阶瓣的中心。

如果针对透镜表面252，第一和第二区域230-238大体上连续，在第一和第二区域230-238之间没有任何垂直晶面。第二区域236、238的倾斜度允许同透镜表面254相比略去中央的第一区域230的厚度。因而，如本领域公知的，按与菲涅尔透镜相当的方式实现了厚度缩减，但是不存在任何垂直晶面。

例如从图17可见，这种结构有利地减小了操作中条纹的可见性。

具体的优点是，该结构可以具有与带有单一晶面的标准透镜相同的垂度，但更薄。在这种情况下，更薄的透镜使用更少的双折射材料142，因而制造上更便宜。相对于单透镜，液晶材料的更薄层还减少了散射。这意味着透镜减小了明亮发光环境中的可见性。另外，在如图8中示出的结构中，因为透镜更少散射从显示器输出的偏振状态，从而增强了分解偏振对比度，所以增强了图像的对比度。因而，这种透镜阵列与标准单透镜相比增加了图像质量。

区域236和238继续通过对来自离轴位置处的相邻像素瓣的光进行定向的功能。因而，针对观察者移动到离轴观看窗，如图3的窗36、39，透镜在其宽度上的不同位置处继续生成多个焦点。透镜的像差可以随观看角度而改变，使得像素面处的斑的尺寸可以针对每一晶面而改变。该透镜设计可以补偿中间的离轴观看位置，而非转到中央观看位置，以增加针对离轴观看位置的平均透镜性能的范围。

在本发明的进一步的实施例中，透镜表面可以对准条纹屏，该条纹屏被排列为，使得红色像素行1228、绿色像素行1234以及蓝色像素行1238位于每一透镜536下。这种结构不依靠相邻透镜之间的彩色混合，因为彩色像素间距由行间距确定，因此，在3D模式中无变化。然而，这种结构有利地减小了透镜的厚度，而且，透镜的每一部分将来自相应像素列的光成像到正确的观看窗。因而，与现有技术透镜状阵列相比，该透镜结构基本上不会增加显示器的交扰。

如图19所示，常规菲涅尔透镜268在透镜之间使用大体上垂直的晶面270。这种透镜针对同轴成像(如针对光线256)具有类似的减小厚度的优点。事实上，本发明的透镜基本上不同于标准菲涅尔透镜。图17的透镜(如232、230、234)的同轴区域小于常规菲涅尔透镜，而区域236、238大于常规菲涅尔透镜。在常规菲涅尔透镜中，这将不利地减小透镜的效率，而且将误差引入它的成像属性中。然而，在本发明的透镜中，区域236、238有利地与透镜阵列和像素阵列协同工作，以将光恰当成像到针对视场角范围的观看窗。在常规菲涅尔透镜中，本发明的附加成像透镜晶面还会增加透镜的厚度，因此，是不利的。如在定向显示设备中使用，与本发明相比，菲涅尔透镜的离轴行为劣化了。沿光线274输出的光，在晶面表面272处会被全内反射。类似地，对于沿着光线278输出的光，光在表面276处会被大角度折射。因而，光线274和278的来源基本上不同于需要的视场数据。由于这种光线可能包含来自不正确视场或黑掩模的数据，它们可能在最终图像呈现中造成图案化。另外，与同轴光线相比，可以减小这些大角度光线的对比度。因而，常规菲涅尔透镜不能在显示器中保持图像质量。随着透镜的观察角度增大，晶面的可见性增大，从而假像将表现为随着观察者相对于显示器表面侧向移动而变化。因而，当将透镜与空间光调制器协同使用以形成定向显示器时，本发明的第二区域会针对与第一区域相同的观看窗聚集光。

例如在图20中所示，通过引入更多的晶面，可以进一步地减小透镜厚度，其中，使用了总共七个主晶面和五个中间晶面。

每一个中间晶面用来将来自相邻像素列瓣的光定向到零阶瓣。实际上，由于中间晶面具有公共的焦点，所以它们形成相邻透镜元件的延伸。由于第一区域230-234和第二区域236、238交替排列，所以可以把相邻透镜视为是交织的。这样，透镜阵列280可被视为具有交叠的透镜282和284。透镜282形成在像素面110上聚焦为像素对262的光线束286、聚焦在像素对266上的光线束288，以及聚焦在像素对264上的光线束290。相邻透镜284将光线束292聚焦在它的零阶瓣266上。然而，光线束288可以被视为由透镜284生成，具有如光线束292的公共焦点。因而，可以把透镜282和284视为是交错或交织的。

可以调整透镜形式以最优化系统的像差。例如，所述表面可以是非球面的。可以设置晶面的孔径尺寸，以最小化输出斑的衍射扩展。可以设置晶面的高度，以最优化透镜的输出照明的相位特征分布，从而最小化像素面处的斑尺寸。

如本领域中所公知的，可以把该透镜结构复制为聚合物材料。如WO-03/015424中所述，可以把双折射材料添加到透镜的表面。

双折射材料可以是向列相液晶，可聚合液晶、液晶凝胶体或液晶聚合体合成物。另选地，该透镜可以是有源透镜，其中通过例如施加电场来切换双折射材料。

透镜中的散射主要发生在双折射材料中，而非各向同性材料中。有利地，具有较低平均厚度的透镜的层包括双折射材料。这个层针对成像功能是透镜的较低折射率侧。因而，为了最小化透镜的散射，各向同性材料应当与更高的双折射材料折射率具有大体相同的折射率。

有利地，使用本发明的交错透镜结构允许使用更高的折射率材料，而保持低散射水平。因而，可以增加透镜的能力，以实现更高的数字孔径装置。这种透镜对于具有增加视场数的显示器特别有用。例如，基于具有50μm彩色子像素间距的屏面的双视窗显示器，将需要把透镜与像素面隔开590μm，以给出500mm的标称观看距离和65mm窗。利用0.18的材料双折射，这需要曲率为大约90μm、给出15μm垂度的透镜。中间液晶透镜(其中，在透镜的中心处双折射材料最厚)的平均层厚度是10μm，或者外侧液晶透镜(其中，在透镜的边沿侧双折射材料最厚)的平均层厚度是5μm。

如果视场数加倍以增加显示器的观看自由度，那么保持斑尺寸所需要的半径小于透镜间距的一半。因而，需要更高的双折射材料，其允许增大曲率半径，但也增大了透镜散射。对于0.24的双折射，可接受125μm的透镜半径，使得垂度为50μm的单透镜，对于中间液晶透镜具有35μm的平均层厚度，或者对于外侧液晶透镜具有15μm的平均层厚度。三晶面透镜将具有小于26μm的最大厚度，给出小于17μm的平均LC厚度，或者对于外侧双折射透镜结构给出小于9μm的平均LC厚度。因而，有利地，通过允许在薄很多的层中使用更高折射率的材料，可以实现更大孔径的透镜。

图23示出透镜结构内的全内反射可能产生一些杂散光线。按大于介质中的临界角度的角度入射在区域236上的光线310将在表面处发生反射，落在区域232处，在区域232处，可以把它定向到显示器的零阶瓣。由于光线310的起源不一定来自希望的像素，所以这可能产生交扰，或者针对移动观察者产生不希望的亮度变化。类似地，入射在透镜区域234上的光线311可以反射并由区域238成像。

通常希望至少针对同轴观看位置不呈现这些光线。因此，任一表面的斜度应当小于透镜处的同轴光线方向。例如，对于具有50μm像素和590μm厚度玻璃以及三晶面透镜的四视场的情况，该玻璃中的最大光线角度约为12度。因而，该表面应当具有至少12度的相对于垂直的斜度。典型地，该表面具有18度或更大的角度，这样，针对该材料中的6度离轴(等效于空气中9度的观看自由度)、或标称观看距离处的+/-80mm，该表面不干扰输入光束。在这个点之后反射性将开始介入，使得假像中的能量增加。然而，中央观看位置有利地具有低水平的假像。

为了增加临界角度，希望界面处的材料的折射率针对确定的折射率步长尽可能大。

对于小于临界角度的角度，在界面处会发生入射光的一些反射。入射面中的偏振状态与正交于入射面的偏振状态相比通常具有更低的振幅。因此，希望透镜化偏振状态在入射面中。这意味着在图23中，材料142希望地是双折射材料，而材料140是具有与双折射材料的非寻常折射率大体上相同的折射率的各向同性材料。因而，双折射材料可以平行于透镜结构252的长轴对准，而且，用于透镜效果的偏振状态254在入射面中。因此，与另选系统相比，减小了表面处的反射的振幅。

图34中示出针对使用球形晶面表面的一类透镜的示例光线迹。晶面化透镜表面514包括中央球面部分509，和两个晶面表面对511、513。同轴光线517入射在透镜表面514上，并在像素面515处成像到斑516、518以及520。如本申请中其他地方所说明的，该同轴斑包括来自中央球形部分509和两个晶面对511、513中的每一个的一个晶面的光。其它晶面将光成像到斑518和520，与相邻透镜(未示出)的中央斑重合。在这种情况下，晶面表面对具有球面外形，而且斑的模糊是由于透镜中的色像差引起的。由于晶面基本上不相干，根据来自每一个晶面的光线的强度相加，可以获得像素面处的斑的强度。

如光线方向522所示，该透镜还示出有对来自第一瓣的中央的光线进行成像的功能。在这种情况下，球面透镜部分将光成像到斑520，而晶面表面对将光成像到斑516、524。在这种情况下，未示出色像差效果，这样，斑524显得比斑518小。

在这种情况下，晶面表面对511、513具有平表面，平表面的角度被设置成近似于等效曲表面的斜率，从而，如其他地方所述的，使斑落在像素面处的合适位置处。像素面处的斑的尺寸可以与晶面的宽度大体相同。通过晶面的孔径处的衍射，会导致斑尺寸的较小增加。有利地，晶面宽度应当是与通过像素面处的透镜的球面部分成像的目斑的尺寸近似的尺寸。针对图35的光线迹对此进行了例示。将同轴光成像到斑528、530、532，并将离轴光成像到斑534。由于晶面是平面，所以可以看见斑有点模糊，但中央斑528的整体尺寸几乎不变。在晶面的相关区域比中央球面区域小时，尤其如此。

还可以把斑与透镜的尺寸设置成大于一个像素宽度。例如，透镜可以具有大体上等于六倍像素宽度的间距，而斑可以等于三倍像素宽度。在这种情况下，可以把中央像素看作对准像素。

进一步的衍射对准结构可以被结合在透镜的表面上。这些可以用于对准聚合物透镜表面上的液晶材料，并且可以结合到相同的模型中，如用于在聚合物材料中形成透镜结构一样。典型地，衍射对准结构具有类似于光学衍射结构的维度。然而，该结构不依靠衍射来提供双折射材料的对准。

有利地，这个发明允许将衍射对准层形成在母工具上，而比具有单晶面的透镜更容易。如前所述，可以形成用于透镜结构的该母工具。接着，可以把光致抗蚀剂层施加到母工具的表面，并利用光栅结构(例如，由激光束的干扰)，或由通过包括合适结构的光掩模照明，进行照明。该照明图案光栅将具有受限的焦点深度。由于与用于单一晶面的透镜相比，本发明的结构的厚度更小，所以更容易把表面设置在照明图案的焦点的深度内。因此，有利地，与具有单一晶面的透镜相比，在本发明的透镜结构上，可以更便利地形成光栅对准结构。由于不需要在表面上添加并处理附加对准层，所以衍射对准使得可以减小双折射透镜的制造成本。

菲涅尔透镜的晶面的孔径将形成用于将光传输到观察者的衍射孔径。例如，通过增加串扰的程度，可以造成观看窗的性能降低。

该透镜可以是在其中通过将电场如图24中所示施加到例如由铟锡氧化物形成的透明电极312和314上的应用来切换双折射材料142的有源透镜。例如该电极可以形成在基板144、156上，或者如图25所示，电极312可以形成在构形为形成透镜阵列280的聚合物材料140的表面上。这具有如下优点：尽管层厚度的变化可以导致不同的可切换液晶的区域，并因此导致在可切换或不可切换状态中的旋转位移，但是减小了在其上施加电场的电介质的厚度。该旋转位移可以导致图像性能劣化，例如，透镜散射增加。有利地，本发明的有源透镜比现有技术的透镜要薄，因而，与具有单晶面表面的透镜相比，需要施加更低的电压。另外，可以使透镜形成最优化，以针对位于聚合物和双折射材料之间的电极，或者针对位于聚合物和双折射材料的任一侧的电极，最小化透镜表面上的电场变化。这可以有利地更快且更均匀地切换有源透镜。另外，这种透镜可以有利于展示较少旋转位移，因而比单晶面透镜具有更高光学质量。

另选地，如图37例示，复制的聚合物材料538可以额外包括导电材料，使得可以将电场直接施加到聚合物，因而可以减小落在双折射材料142上的电场。有利地，本发明的透镜薄于具有连续表面的透镜(单晶面透镜)，同时最小化显示串扰。因此，需要使用较少的材料，而且可增加导电聚合物材料的透射。

例如，如图26所示，本发明的透镜可以结合两个成像表面。双折射透镜142可以形成在第一各向同性材料142和第二各向同性材料316之间。晶面化透镜阵列280可以形成在第一各向同性材料上，而第二表面318可以是单态表面。有利地，可以结合透镜的晶面使用单态表面。补偿晶面角度以考虑单态表面318，使得它们连续聚集来自相邻像素瓣的光。这种设置有利于允许更多光功率并入透镜中，因而可以进一步减小透镜中的双折射材料的厚度。另外，可以选择材料来减少透镜的色差。

例如，可以如图27中所示地形成这种透镜。图27a示出在基板144上形成第一各向同性表面材料140。利用合适的对准层，把诸如UV可固化液晶的双折射材料施加到该表面，并与包括第二微结构表面318的工具接触来固化它。该工具还可以包括诸如衍射对准层的对准层，以合适地对双折射材料进行取向。如图27b所示，接着可以把该设备对准到基板156，并且间隙充满第二各向同性材料316。另选地，如图27c所示，两个各向同性微结构之间的间隙可以充满双折射材料142。

本发明对于有源透镜系统尤为有利，在有源透镜系统中，减小双折射材料的厚度，使得能够以较低电压运行。在这种情况中，透明电极可以形成在例如由铟锡氧化物形成的双折射和各向同性材料之间的微结构化界面上。该电极功能还可以由对各向同性材料的导电掺杂物来提供，或者该材料自身例如可以是导电聚合物。

在上述的实施例中，第二区域中的透镜表面的形状有效地偏转来自与指定透镜的相邻透镜对准的相邻像素的光，以通过指定透镜将该光定向到与指定透镜对准的像素相同的观看窗。在本发明的另一实施例中，例如，如图28所示，以分立棱镜元件的形式提供分立偏光元件。透镜结构321包括折射表面，例如，在各向同性材料140与双折射材料142之间。第二各向同性材料320设置有与透镜结构对准的棱镜结构322。棱镜区域中的光线沿对应到显示器的相邻像素瓣中的像素的方向328传播，而窗平面中的观察者接收看似从像素面沿光线方向326传播的光线324。因而，在显示器的棱镜区域，在相邻像素之间混合图像。有利地，由于并入该偏转元件作为分立的结构，因此这种配置不需要晶面化透镜结构。因而，可以以高精度容易地控制该透镜。棱镜结构322在透镜的表面上可以包括一个以上的棱镜。可以独立于透镜的材料形成棱镜。然而，如果例如通过施加电场改变间隙中液晶材料142的取向，或通过改变传播通过单元的光的偏振，来关断透镜，则可以有利地关断实施例中示出的结构。

图29中例示了本发明的另一实施例。全息元件330作为分立的偏光元件靠近透镜阵列321的孔径放置。全息图用于将来自相同的视图的相邻像素列的光的一部分偏向观察者。因而，来自中央蓝像素338的光通过全息图，而沿着方向324将来自与像素338相同视图数据的相邻像素340的光334偏向观察者。类似地，沿方向324偏转来自绿像素342的光线336。这样，将来自相同的视图数据的相邻像素列的光偏向观察者。对视图数据光的混合减少了显示器的条纹。全息图330可以包括例如体全息传输。该全息图可以包括一个以上的用于对红、绿以及蓝光束分离偏转的层。在显示区域上，该全息图可具有大体相同的偏转角度。该全息图可以在透镜的整个孔径上进行操作，或者可以形成在透镜孔径的局部。有利地，该全息元件可以相对于透镜需要低公差对准。

利用公知制造技术，可以方便地形成该透镜。例如，利用诸如从Canyon Materials Inc.可获得的HEBS掩模的灰度级掩模，通过对光刻胶层进行曝光，在光刻胶材料上可以形成复制工具。另选地，例如，如图21所示，该掩模可以是在其下扫描光刻胶层的半色调掩模。掩模294包括阻挡区域296和孔径区域298。孔径区域的形状是指，在扫描方向300上，对光刻胶的曝光随横向位置而改变。在图22中示出这种扫描排列。利用UV光源302照射掩模294来生成大体准直的光束304。沿方向300相对于掩模扫描基板308上的光刻胶层306。

如图32所示，例如通过划线可形成晶面化透镜结构。在划线元件中，诸如金刚石的抛光切割工具500在一般是诸如铜或镍的金属的材料502中切割出轮廓506。在每一切线或切环的末端，该金刚石沿切割方向向页面外平移，侧面如由箭头504所示。

然而，例如在具有单个切割轴的柱透镜的情况中，划线工具也可以由包括一个以上切割元件的组合工具形成，例如如图33所示。第一切割元件508产生用于透镜中央的球面轮廓509。第二切割元件510产生第一对晶面511，而第三切割元件512产生第二对晶面513。

工具508、510以及512可以被组合到单个切割头中，使得多个表面被大体上一起加工，而表面的纵向偏差很小，从而可基本上同时切割表面。另选地，可顺序切割多个表面，以使切割头中的每一切割工具至少有一次经过材料502的表面。

通过抛光金刚石，按照常规方法可以制成工具508、510以及512。具体地，晶面表面对511、513中的每一个的表面可以是球形的，或者便利地可以基本是平面的。平表面具有利用标准技术更容易在切割工具中加工它们的优点。

本领中公知的是，可由切割工具形成复制工具。这样，可由该工具，以低成本和透镜结构的优良再现性来形成复制的聚合物元件。

掩模可以结合最小化掩模与光刻胶层之间的衍射的特征部，以最优化所形成的构件形状。这可以通过结合二元掩模形状的附加特征部来补偿衍射而实现。例如，通过由掩模中的一些小灰度级特征部产生的孔径的一些切趾，可以减少菲涅尔衍射假像。

在利用化学辅助离子束刻蚀法进行记录之后，可以改变灰度级光刻胶的结构，以使可以扩大结构的特征部高度，以便实现希望垂度值。

灰度级光刻胶结构可以具有例如利用如本领域公知的电镀法形成在其表面上的复制工具。

在上面的设置中，空间光调制器是透射的，但本发明同样可应用于具有任何其它类型的空间光调制器(包括发射或反射SLM)的显示器。

在上面的设置中，透镜阵列将光定向到排列为提供3D自动立体显示的观看窗。然而，本发明同样可应用于将光定向到用于其它目的(例如提供多用户显示、可控观看区域显示或亮度增强显示)观看窗的透镜，下面说明其示例。

图30示出包括多个成像区域的另一类型透镜的结构。该透镜包括双折射材料142和各向同性材料140。针对以本实施例的透镜模式操作的偏振态，透镜142的折射率大于各向同性材料140的折射率。透镜表面252包含三个区域。中央部分230和边侧部分232、234包括透镜表面254的其中已削除厚度来制成如前所述的透镜的部分。所述部分230-234用于将光线256定向到像素区域402中的零阶瓣。如前所述，像素区域402在显示器中间的透镜下方，但会从区域中的透镜的光轴偏向显示器的边缘。在这种情况中，例如，如WO-03/015424中说明的以亮度增强模式操作的OLED显示器那样，像素区域402、404、406示出单像素孔径。

图31不同于图30之处在于，像素区域424、422以及426包括分离的像素孔径410-418。像素422包括反射像素孔径408和透射像素孔径416。像素424包括反射像素孔径410和透射像素孔径414。根据每一设计，可以改变透射孔径和反射孔径的形状、相对比例以及像素内的孔径数量。这个实施例可有利地用于如WO-03/015424中说明的增强亮度模式。

Claims

1、一种定向显示设备，包括：

空间光调制器，包括像素阵列；和

透镜阵列，具有按预定间距重复的结构，

其中，该定向显示设备被设置为，使得针对按所述预定间距的透镜阵列的多个部分，每一相应部分都能够将来自与该相应部分对准的至少一个像素的光定向到至少一个标称观看窗，并且每一相应部分还能够将来自与该相应部分的相邻部分对准的至少一个相邻像素的光定向到相同的至少一个标称观看窗。

2、根据权利要求1所述的定向显示设备，其中，所述定向显示设备被设置为，使得每一相应部分还能够将来自与该相应部分的位于该相应部分相对两侧的相邻部分对准的至少一个相邻像素的光定向到相同的至少一个标称观看窗。

3、根据权利要求1或2所述的定向显示设备，其中，所述透镜阵列被设置为，使得每一相应部分都能够将来自所述至少一个相邻像素的光定向到所述相同的至少一个标称观看窗。

4、根据权利要求3所述的定向显示设备，其中，所述透镜阵列的每一相应部分都具有至少一个透镜表面，该透镜表面设置：

至少一个第一区域，能够将来自与相应部分对准的所述至少一个像素的光定向到所述至少一个标称观看窗；和

至少一个第二区域，能够将来自所述至少一个相邻像素的光定向到相同的至少一个标称观看窗。

5、根据权利要求4所述的定向显示设备，其中，所述至少一个透镜表面设置交替排列的多个所述第一区域与多个所述第二区域。

6、根据权利要求4或5所述的定向显示设备，其中，所述至少一个透镜表面在所述第一区域与所述第二区域之间没有垂直晶面。

7、根据权利要求1或2所述的定向显示设备，其中，

所述透镜阵列具有至少一个透镜表面，所述至少一个透镜表面能够将来自与相应部分对准的至少一个像素的光定向到所述至少一个标称观看窗，并且

所述定向显示设备还包括偏转元件，该偏转元件被设置为，使通过透镜阵列的每一相应部分的来自与所述相邻部分对准的至少一个像素的光的一部分，按使所述至少一个透镜表面将来自与所述相邻部分对准的所述至少一个像素的所述光定向到所述相同的至少一个标称观看窗的量发生偏转。

8、根据权利要求7所述的定向显示设备，其中，所述偏转元件包括全息图。

9、根据权利要求7所述的定向显示设备，其中，所述偏转元件包括棱镜元件。

10、一种定向显示设备，包括：

空间光调制器，包括像素阵列；和

透镜阵列，具有按预定间距重复的结构，

其中，该透镜阵列被设置为，使得该透镜阵列的每一相应部分都被形成为设置：

至少一个第一区域，能够将来自与相应部分对准的至少一个像素的光定向到至少一个标称观看窗；和

至少一个第二区域，能够将来自与相应部分的相邻部分对准的至少一个相邻像素的光定向到相同的至少一个标称观看窗。

11、根据权利要求10所述的定向显示设备，其中，所述透镜阵列被设置为，使得所述至少一个第二区域能够将来自与相应部分的位于该相应部分相对两侧的相邻部分对准的至少一个相邻像素的光，定向到相同的至少一个标称观看窗。

12、根据权利要求10或11所述的定向显示设备，其中，所述透镜阵列被设置为，使得该透镜阵列的每一相应部分被形成为设置交替排列的多个所述第一区域与多个所述第二区域。

13、根据权利要求10到12中的任何一项所述的定向显示设备，其中，所述透镜阵列的每一相应部分具有至少一个透镜表面，所述至少一个透镜表面被成形为设置所述第一区域和所述第二区域。

14、根据权利要求13所述的定向显示设备，其中，所述至少一个透镜表面在所述第一区域与所述第二区域之间没有垂直晶面。

15、根据权利要求4到6或10到14中的任何一项所述的定向显示设备，其中，所述至少一个第二区域与所述相邻部分的至少一个第一区域具有大体相同的成像功能。

16、根据前述权利要求中的任何一项所述的定向显示设备，其中，与所述透镜阵列的一部分对准的所述至少一个像素是一组像素，并且所述至少一个标称观看窗是一组标称观看窗。

17、根据前述权利要求中的任何一项所述的定向显示设备，其中，所述透镜阵列是双折射透镜阵列。

18、根据权利要求17所述的定向显示设备，其中，所述双折射透镜阵列是无源元件，并且所述定向显示设备还包括可切换起偏器，该可切换起偏器被设置用来控制光通过所述透镜阵列的偏振分量，和从所述定向显示设备的输出。

19、根据权利要求17所述的定向显示设备，其中，所述双折射透镜阵列是有源元件，该有源元件可以切换以控制所述透镜阵列的效果。

20、根据权利要求19所述的定向显示设备，其中，所述有源元件包括各向同性材料、双折射材料、该各向同性材料与该双折射材料之间的微结构化界面，以及形成在该双折射材料的相对两侧的导电电极。

21、一种透镜阵列，用于在显示设备中，对包括像素阵列的空间光调制器的输出进行控制，该透镜阵列具有按预定间距重复的结构，

其中，按所述间距的该透镜阵列的每一相应部分都被形成为设置：

至少一个第一区域，当透镜阵列与空间光调制器按顺序排列时，能够将来自与相应部分对准的空间光调制器的至少一个像素的光定向到至少一个标称观看窗；和

至少一个第二区域，当透镜阵列与空间光调制器按顺序排列时，能够将来自与相应部分的相邻部分对准的至少一个相邻像素的光定向到相同的至少一个标称观看窗。