JP2014160277A - ビーム成形デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】２Ｄモードと３Ｄモードとの間で切り替えるための自動立体的表示装置で使用できるデバイスを提供する。
【解決手段】ビーム成形デバイス１は、第１基板３及び第２基板４の光学的に透明な基板、基板間に挟まれた液晶層２及び第１の基板３に向かい合う液晶層２の側に配される第１電極５及び第２電極６を有する。ビーム成形デバイス１は、ビーム成形状態の間で制御可能であり、各々が液晶層に対して垂直な方向でビーム成形デバイスを通過する光の通路を可能にする。ビーム成形デバイス１は、第１の電極５と第２の電極６との間の電圧の印加が、電極５と電極６の隣接した部分間のそのセグメント内の液晶層２と基本的に平行な部分を含み、第１の基板３から第２の基板４まで実質的に延在している電界になるように構成される。このようにして、比較的高い屈折率勾配が、短距離間で得られ、これは非常に効率的なビーム成形を可能にする。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、ビーム成形デバイスに垂直な方向に光がビーム成形デバイスを通過する通路を各状態が可能にする当該ビーム成形状態の間で制御可能であるビーム成形デバイスに関する。

アクティブ・ビーム成形は、一般的な照明から、カメラのズーム機能が作動中の光学エレメントのビーム幅制御機能に結合されるビデオ・フラッシュのような特別な照明アプリケーションまでにわたるさまざまなアプリケーションのために有効である。液晶光学系は、この目的のために適切であるように見える。液晶セル内の液晶分子の配列方向は、液晶セルに電界を付与することによって制御できる。液晶分子のこの再配向は、屈折率の勾配となり、これは光線が再方向付けされた液晶セルを通過することに至る。これによって、光ビームの方向及び／又は形状は、電気的に制御できる。

特に興味があるビーム成形デバイスの１つのアプリケーションは、表示を生じるための表示画素のアレイを持つディスプレイパネルと、異なる空間位置に異なる視野を向けさせるためのイメージング装置とを含む自動立体的な表示装置の分野においてである。互いに平行に延在し、イメージング装置として表示画素・アレイの上に横たわって備えられた細長レンチキュラ要素のアレイを使用することは、良く知られていて、表示画素は、これらのレンチキュラ要素を通じて観察される。

例えば、各レンチキュラが２列の表示画素と関係している装置において、各列の表示画素は、それぞれの二次元のサブ画像の垂直のスライスを提供する。レンチキュラ・シートは、これらの２枚のスライスと、他のレンチキュラと関連した表示画素列からの対応するスライスとを、前記シートの前に位置付けられるユーザの左右の目に向けるので、ユーザは単一の立体的な画像を観察する。よって、レンチキュラ要素のシートは、光出力指向機能を提供する。

他の装置において、各レンチキュラは、行方向の４つ以上の隣接する表示画素のグループと関係している。各グループの表示画素の対応する列は、それぞれの二次元のサブ画像から垂直スライスを適切に供給するように配される。ユーザ頭が左から右に移動するにつれて、一連の連続した、異なる立体的な視野が、例えば、周囲の印象を形成しながら知覚される。

上述のデバイスは、有効な三次元ディスプレイを提供する。しかしながら、立体的な視野を提供するために、デバイスの水平解像度の必要な犠牲があることが理解されるだろう。解像度についてのこの犠牲は、短距離で見るための小さいテキスト・キャラクタの表示のような特定のアプリケーションにとっては容認できない。このために、二次元のモードと３次元（立体的な）モードとの間で切換可能である表示装置を提供することが提案された。

これを実行する１つの態様は、電気的に切換可能なレンチキュラ・アレイを備えることである。二次元のモードにおいて、切換可能なデバイスのレンチキュラ要素は、「通過」モード、すなわち、これらが光学的に透明な物質の平面シートであるのと同様に働くモードで動作する。結果として生じる表示は、ディスプレイパネルの自然の解像度に等しい高解像度を持ち、これは短い視距離からの小さいテキスト・キャラクタの表示に適している。二次元の表示モードは、もちろん、立体的な画像を提供できない。

３次元モードにおいて、切換可能なデバイスのレンチキュラ要素は、上述のように光出力指向機能を備える。結果として生じるディスプレイは、立体的な画像を提供できるが、前述の回避不能な解像度損失を持つ。

切換可能な表示モードを提供するために、切換可能なデバイスのレンチキュラ要素は、２つの値の間で切換可能である屈折率を持つ液晶材料のような電気光学物質のビーム成形装置として形成できる。前記デバイスは、このとき、適当な電位をレンチキュラ要素の上又は下に備えられた平面電極に印加することによりモード間で切換えられる。前記電位は、隣接する光学的に透明な層の屈折率に関係してレンチキュラ要素の屈折率を変える。

切換可能なデバイスの構造体及び動作のより詳細な説明は、米国特許第６，０６９，６５０号で見つけることができる。

切換可能な２Ｄ／３Ｄディスプレイのための切換可能な液晶材料の既知の使用は、液晶材料で満たされるレンズ形状を形成するために複製技術を使用する。このプロセスは、液晶製作プロセスと関連した他の処理ステップと互換性を持たず、したがって、表示装置を生産するためのコストを著しく増す。

液晶光学系のより一般的な実施例は、日本の特許公開公報０７−０４３６５６号に開示されていて、この公報では、光ビーム・カプラが、選択された光ファイバに光ビームを合わせ、ビーム・スポット・サイズを調整するように配されている。前記カプラにおいて、液晶層が、透明基板の間に備えられる。前記透明基板のうちの一方の基板は、接地面に備えられ、他方の基板は多くの個々に制御可能な電極を備える。接地面に関して電極の電位を変化させることによって、カプラを通過する光ビームが、選択された光ファイバに行きあたるように合わされる。

短距離で光ビームを偏向させることができるけれども、日本の特許公開公報０７−０４３６５６号に開示されるデバイスは、大きいビーム拡散及び／又は収束が典型的に所望される、より肉眼で見えるビーム成形アプリケーションには不適当のようである。

従来技術の上述及び他の欠点からみて、本発明全般の目的は、改良されたビーム成形デバイス、特により効率的に光ビームを拡散及び／又は収束することができるビーム成形デバイスを提供することである。

本発明によると、これら及び他の目的は、第１及び第２の光学的に透明な基板、これら基板間に挟まれた液晶層及び第１の基板に向かい合う液晶層の側に配される第１及び第２の電極を有するビーム成形デバイスであって、ビーム成形状態の間で制御可能であり、各々の状態が液晶層に対して垂直な方向でビーム成形デバイスを通過する光の通路を可能にし、第１の電極と第２の電極との間の電圧の印加は、電極の隣接した部分間のそのセグメント内の液晶層と基本的に平行な部分を含み、第１の基板から第２の基板まで実質的に延在している電界になるように構成される、ビーム成形デバイスで達成される。

液晶層は、何れの種類の液晶分子を有してもよく、その相の何れか一つの相でもよい。しかしながら、ネマティック相が、スメクチック相のような他の液晶相と比較して、比較的低い粘性のため好まれる。このようにして、より短い切換時間が、得られることができる。液晶層は、ポリマーを含む液晶コンポジットを更に有する。

「光学的に透明な」媒体とは、光（可視スペクトル、赤外線及び紫外線光を含む電磁放射）の少なくとも部分的な伝送ができる媒体であると、理解されるべきである。

光学的に透明な基板は、堅くても可撓性でもよく、例えば、ガラス又はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）のような適切なプラスチック材料でできていてもよい。

電極は、基板の表面上に形成されるか、又は基板に埋められてもよい。これらの電極は何れの電気的伝導性材料において形成されてもよいが、好ましくは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又はインジウム酸化亜鉛（ＩＺＯ）のような光学的に透明な導電材料で形成される。

異質な光学材料の理論から良く知られているように、屈折率勾配に遭遇している光線は、より高い屈折率を持つ領域の方へ曲がる。液晶層において、屈折率及びこれによる光線を曲げることが、電界の付与によって液晶層にある液晶分子を再方向付けさせることによって制御できる。

本発明は、より大きい屈折率勾配及びこれによるより効率的なビーム形成が、隣接する電極の間に位置される領域の液晶層と基本的に平行で、基板の間の液晶（ＬＣ）層の全体にわたって実質的に延在している電界を液晶層に形成することによって達成できる、という理解に基づく。液晶分子が電界ラインに従う傾向があるので、例えば第１の電極の近くのＬＣ層に対して垂直な配向から、第１の電極と第２の電極との間のＬＣ層に平行な配向へ、第２の電極の近くのＬＣ層に対して垂直な配向までの液晶分子の配向の漸進的な移行は、電極の隣接した部分の間で達成できる。このようにして、比較的高い屈折率勾配が短距離間で得られ、これは非常に効率的なビーム成形を可能にする。

本発明者らは、斯様な好適な電界が、いわゆるインプレイン構成で、ＬＣ層一方の側に備えられた電極を利用することによって、達成できることを更に見出した。

この構成を利用して、非常に効果的なビーム拡散／収束が達成できることが分かった。例えば、実験はコリメートされたビームが、従来の装置で達成できる角度をはるかに上回る６０°を越える角度で拡散できることを示した。

加えて、従来技術による第２の基板上に電極がもはや必要とされないので、光のより効果的なスループットが、本発明によって達成できる。連続して透明な電極層と関連する反射損失が５００ナノメートルの波長で概して約５％であるので、それに応じて、本発明による構成を使用して、より少ない光しか失われない。

第１の電極は、好適には、基本的に平行な第１の電極導電性ラインの第１のセットを有し、第２の電極は、基本的に平行な第２の電極導電性ラインの第１のセットを有し、第１及び第２の電極は、隣接した第１及び第２の電極導電性ラインを含む少なくとも一つの導体対が形成されるように配されている。

導電性ラインは、湾曲された、直線の、波打つ等の何れかの形状を持つ。

この電極構成を通じて、大きな協働ビーム成形領域が達成でき、このことにより、比較的広いビームのビーム成形が達成される。一つの実施例によると、第１及び第２の電極は各々櫛形でもよく、これらの第１及び第２の櫛形電極の「歯」は、平行に延在する多くの導体対が形成されるような態様で交互配置される。

さらに、第１の電極は、基本的に平行な第１の電極導電性ラインの第２のセットを更に有し、第２の電極は、基本的に平行な第２の電極導電性ラインの第２のセットを更に有し、第１及び第２の電極は、隣接した第１及び第２の電極導電性ラインを含む少なくとも一つの導体対が形成されるように配されている。

相互に基本的に平行な導電性ラインの追加セットを備えることによって、複数の方向の同時のビーム成形が、有利な態様で提供できる。

この目的のため、導電性ラインの第２のセットは、導電性ラインの第１のセットに関してある角度で配される。

ＬＣ層を通過する光ビームによって経験される屈折率が通常は偏光依存であるので、概して、ビーム成形デバイスを通過する非偏光の光線の１つの偏光成分だけが曲げられる。液晶分子がビーム成形デバイスの異なる部分における再方向づけの異なる面において、再指向されるような態様で、第１及び第２の電極を構成することによって、非偏光の入射光線の異なる偏光成分の曲りは、ビーム成形デバイスのそれらの異なる部分において達成できる。

加えて、互いに関して角度を持って提供されている導電性ラインの異なるセットの供給は、ビームをＬＣ層と平行な面での配向及び斯様なセットの数によって決定されるジオメトリーに合わせることを可能にする。

さらに、異なる導電性ラインは、幅が異ってもよく、上述の第１及び第２の電極に加えて、他の電極が第１の基板に向かい合うＬＣ層側に具備されてもよい。

さらにまた、ビーム成形デバイスは、第１及び第２の電極に関して液晶層の反対側に配される、少なくとも一つの第３の電極導電性ラインを持つ第３の電極、及び少なくとも一つの第４の電極導電性ラインを持つ第４の電極を有する。

斯様な追加電極の供給によって、液晶分子は、より複雑な再方向付けパターンにおいて再配向でき、これによって、基本的に、偏光独立及び／又は対称形のビーム成形が達成できる。

一つの実施例によると、第３及び第４の電極は、第３及び第４の電極導電性ラインの各々が前記第１及び第２の電極導電性ラインの対応する一つと基本的に垂直であるように、配される。

一つの実施例によると、電界がかけられていないとき、液晶層はホメオトロピカル的に合わせられる。

液晶層がホメオトロピカル的に合わせられるとき、液晶分子は液晶層に垂直に配置され、その結果、分子端部は液晶層が挟まれている基板に向かい合っている。

この種の配列を使用して、液晶分子は、例外なく何れの方向においても再配向されるように制御できる。別の実施例によると、液晶層にある液晶（ＬＣ）分子は、分子に作用している電界がない場合、各液晶分子の長軸が最も近い基板に対して基本的に平行であるような態様で、合わせられる。さらに、電極間の電圧の印加で望ましくないねじれの発生を防止するために、液晶材分子は、各液晶材分子の長軸が隣接する導電性ライン対に対して実質的に垂直であるように、最も近い基板に平行な面内に配向される。

この場合に電界が付与されるとき、液晶分子は傾き、ねじれは起こらない。初期配向のこの状態を通じて、線形に偏光された光のビームのすべての光は、電界の付与の際に制御できる。これは、ねじれが導入されるときの場合ではない。

この種の平面配列は、例えば、いわゆるラビング技術を通じて又はフォト配列によって達成される。さまざまな電極パターン又は湾曲した電極を持つ複数の領域の場合には、これらの領域は、概して、所望の平面配列をもたらすために、製造の間、個々に扱われるべきである。

さらにまた、本発明による第１及び第２のビーム成形デバイスは、ビーム成形装置を形成するために、好適には積層構造で配される。

このように、構成のビーム成形デバイスのビーム成形特徴は、改良されたビーム成形を提供するために利用できる。斯様なビーム成形装置の第１及び第２のビーム成形デバイスは、第１のビーム成形デバイスが有する第１及び第２の電極の少なくとも一部が、第２のビーム成形デバイスが有する第１及び第２の電極の対応する部分に対して垂直であるように、互いに関して方向付けられている。

これによって、基本的に対称形のビーム拡散が、成形されるべき入射光ビームの両偏光方向を利用して、達成されることができる。

さらにまた、ビーム成形装置は、当該ビーム成形装置を通過する光ビームの偏光状態を変えるのに適している他の光学部材を有してもよい。

斯様な他の光学部材は、例えば、第１のビーム成形デバイスの通過の後であって、第２のビーム成形デバイスの通過の前に光の偏光状態を変えるためのローテータである。これによって、ＬＣ層が偏光依存的な態様で光ビームに作用するにもかかわらず、偏光から独立したビーム成形が達成できる。ローテータは、例えば、いわゆるリタデーションプレート又は液晶ポリマーのような液晶材料の形で提供される。線形に偏光された光を９０°回転させるために、いわゆる半波プレート又はねじれネマチック構成のＬＣ材料が使われる。

本発明によるビーム成形デバイスは、さらに好適には、発光ダイオード又は半導体レーザーのような光源を更に有する照明デバイスに含まれ、当該照明デバイスは前記光源によって放射される光ビームがビーム成形デバイスを通過するような態様で配される。

特に、斯様な照明デバイスは、好適には、上述したビーム成形装置を含む。

前記ビーム成形デバイスは、電極と液晶層との間に層を更に有する。これは、ビーム成形（すなわちレンズ）特徴、例えば構造体の所与の厚みに対するレンズパワーを変えるために用いることができる。電極ワイヤの隣接した部分の間の距離がｐ、層の厚みがｄｓｏｌｉｄ、液晶層と接触する基板の誘電率がεｓｕｂ、異方性軸に平行な液晶材料の誘電率の成分がεＬＣの場合、ａ１＝εＬＣ×ｄｓｏｌｉｄ／ｐとして、０．７＜ａ１＜１２となるように設計できる。これは、液晶材料のワイヤ・ピッチ及び誘電率に関係して層の所望の厚みを定める。ａ２＝εＬＣ／εｓｕｂとして、０．９＜ａ２＜３．６となるようにも設計できる。

第２の絶縁層を持つ又は持たない導体層は、電極に対して液晶層の反対側に備えられる。これは、ビーム成形デバイスの電界を形づくるために用いられる。前記導体層は、所望の何れの形状も持つことができる。前記導体層は、例えば、ＬＣ層の全体のレンズ形成部分にわたって延在するパターン化されていない層でもよい。

もしあるならば、第２の絶縁層は、厚さｄｇｒｏｕｎｄを持ち、ｂ１＝εＬＣ×ｄｓｏｌｉｄ／ｐ及びｂ２＝εＬＣ×ｄｇｒｏｕｎｄ／ｐとすると、０．９＜ｂ１＜１４．４及び０．４＜ｂ２＜６．４である。これは、液晶材料のワイヤ・ピッチ及び誘電率に関係して、電極と液晶層との間の層の厚さと、反対側の絶縁層の厚さとを定める。

制御手段は、可変電圧を前記導体層に印加することができる。例えば、前記制御手段は、第１の交流電圧を第１の電極に印加し、第２の交流電圧を第２の電極に印加することができ、第１及び第２の交流電圧は同一周波数で逆位相であり、前記可変電圧は異なる位相又はより高い周波数を持つ。よって、前記導体層は、ＬＣ層の電界を変えるために用いられ、これは、オン／オフ動作の制御だけを持つというよりはむしろ、ビーム成形光学パフォーマンスを調整するために使用できる。

あるいは、直流電圧が前記導体層に印加され、第１及び第２の交流電圧各々が第１及び第２の重畳された成分を有し、第１及び第２の電圧の第１の成分は逆位相で同じ周波数を持ち、第２の成分は同じであり、異なる位相又はより高めの周波数を持つ。

不透明な層が、電極の領域に具備でき、最も低いビーム成形効果の領域と合わせられる。この利点は、デバイスがレンズ化モードで駆動されるとき第１及び第２の電極で及びその付近で起こるレンズ収差がシールドできるということである。これは、改良された光ビームを提供する。この不透明な層は、永久に不透明である不透明材料の形式でもよい。あるいは、不透明な層は切換可能な不透明さを持ってもよく、すなわち、不透明な層は、デバイスのレンズ化モードでデバイスを駆動すると、即座に、実際に不透明になる。その一方で、デバイスがレンズ化モードで駆動されないとき、それは不透明でない。この場合、光スループットは、非レンズ化モードで最適である。

斯様な切換可能な不透明な層を持つデバイスは、第１及び第２の電極に対して液晶層の反対側にアナライザを有し、当該アナライザは、デバイスのレンズ化モードでは、電極の位置でデバイスを通って進む光が、アナライザによって少なくとも部分的に遮断され、一方、電極から大幅に離れて配されたレンズ化している位置で前記デバイスを通って進む光がアナライザによって遮断されないように構成される。したがって、前記デバイスがレンズ化モードで動作しているとき、例えば、デバイス内、第１又は第２の電極の近く、及び第１又は第２の電極上で、ＬＣダイレクタは前記デバイス又は基板層に対して主に垂直に合わせられるだろう。したがって、例えば線形に偏光した光のような偏光した光がレンズ化モードでデバイスを通って進むとき、偏光はこれらの位置で変えられない。同時に、電極からより離れたＬＣ層の位置であって、レンズ動作が電極フィールド・ラインによって供給されるところで、ＬＣ材料のダイレクタは、基板と実質的により平行して合わせられる。従って、デバイスを通って進む光は、アナライザを通過できるようにその偏光に関して変えられる。好ましくは、ＬＣ配列及びアナライザ配向の準備は、非レンズ化モードですべての光がアナライザを含むデバイスを通れるようにする。

これらの変更態様のいくつかは、所望のレンズ寸法をつくるための固定の所望の焦点距離及び固定の所望の電極ワイヤ間隔がある自動立体的表示デバイスにとって特に興味がある。

したがって、本発明は、ディスプレイを作るための行及び列に配された表示画素エレメントのアレイを持つディスプレイパネルと、見る人の両眼のための表示画素出力が同時に指向されるように配されて、立体的な画像を見ることができるように出力を異なる画素エレメントから異なる空間位置に向けるイメージング装置とを有する切換可能な自動立体的表示デバイスも提供し、当該イメージング装置は、２Ｄモードと３Ｄモードとの間で電気的に切換可能で、本発明のビーム成形デバイスを有する。

ディスプレイパネルは、個々にアドレス可能な放射、伝送、屈折、又は回析の表示画素のアレイを有する。ディスプレイパネルは、好ましくは液晶ディスプレイ・パネル又は発光ダイオード・パネルである。

本発明は、ビーム成形デバイスを制御する方法も提供し、当該ビーム成形デバイスは、第１及び第２の光学的に透明な基板、これら基板間に挟まれた液晶層並びに第１の基板に向かい合う液晶層の側に配される第１及び第２の電極を有し、ビーム成形状態の間で前記ビーム成形デバイスを制御するステップを有し、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加することによって、電極の隣接した部分間のそのセグメント内の液晶層と基本的に平行な部分を含み、第１の基板から第２の基板まで実質的に延在している電界を生成することにより、各々の状態が液晶層に対して垂直な方向でビーム成形デバイスを通過する光の通路を可能する。

ビーム成形デバイスは電極に対して液晶層の反対側に導体層を有し、前記方法は第１の交流電圧を第１の電極に印加し、第２の交流電圧を第２の電極に印加するステップを更に有する。可変的な電圧は、前記導体層に印加でき、第１及び第２の交流電圧は同一周波数を持つ逆位相であり、前記可変的な電圧は異なる位相又はより高い周波数を持つ。あるいは、直流電圧が前記導体層に印加でき、第１及び第２の交流電圧各々は第１及び第２の重畳された成分を有し、第１及び第２の電圧の第１の成分は、同一周波数を持つ逆位相であり、第２の成分は、同じであり、異なる位相又はより高い周波数を持つ。

この方法は、自動立体的な表示デバイスのレンズのレンズ機能を制御するために特に興味がある。

本発明のこれら及び他の態様は、本発明の現在好適な実施例を示している添付の図面を参照して、更に詳細に説明されるだろう。

図１ａは、本発明の実施例による例示的なビーム成形デバイスの斜視図である。 図１ｂは、電圧が電極間に印加されないときのラインＡ−Ａ‘に沿った図１ａのビーム成形デバイスの断面図である。 図１ｃは、電圧Ｖが電極間に印加されるときのラインＡ−Ａ‘に沿った図１ａのビーム成形デバイスの断面図である。 図２は、リタデーションプレートが２つのビーム成形デバイスの間に挟まれている第１のビーム成形装置の断面図である。 図３は、積層構造で配された、相補型電極を持つ２つのビーム成形デバイス有する第２のビーム成形装置の斜視図である。 図４は、本発明の実施例による他の例示的なビーム成形デバイスを略図で例示している分解図である。 図５ａは、典型的電極構成を示す。 図５ｂは、典型的電極構成を示す。 図６ａは、本発明の実施例によるビーム成形デバイスに実行される実験を例示している図である。 図６ｂは、本発明の実施例によるビーム成形デバイスに実行される実験を例示している図である。 図６ｃは、本発明の実施例によるビーム成形デバイスに実行される実験を例示している図である。 図６ｄは、本発明の実施例によるビーム成形デバイスに実行される実験を例示している図である。 図７は、既知の自動立体的な表示デバイスを示す。 図８は、既知の切換可能な自動立体的な表示デバイスがどのように機能できるかを説明するために用いられる。 図９は、既知の切換可能な自動立体的な表示デバイスがどのように機能できるかを説明するために用いられる。 図１０は、自動立体的な表示デバイスのために必要なレンズ機能を示す。 図１１は、自動立体的な表示デバイスのレンズ要素のための寸法を選択する際の課題を説明するために用いられる。 図１２は、図１１の２つのレンズ構成に対するレンズ特性を示す。 図１３は、図１１の２つのレンズ構成に対するレンズ特性を示す。 図１４は、自動立体的な表示デバイスの特定の使用のための本発明のビーム成形装置の第１の実施例を示す。 図１５は、自動立体的な表示デバイスの特定の使用のための本発明のビーム成形装置の第２の実施例を示す。 図１６は、図１４及び１５の２つのレンズ構成に対するレンズ特性をそれぞれ示す。 図１７は、図１４及び１５の２つのレンズ構成に対するレンズ特性をそれぞれ示す。 図１８は、追加の電極層を用いた本発明のビーム成形装置の第３の実施例を示す。 図１９は、どのように図１８の装置の追加の電極層が電界を変えるために用いられるかを示す。 図２０は、どのように図１８の装置の追加の電極層が電界を変えるために用いられるかを示す。 図２１は、レンズ特性を制御するための本発明の制御方法を説明するために用いられる。 図２２は、図２１を参照して説明された方法の異なる制御設定のためのレンズ特徴を示す。 図２３ａは、本発明による３Ｄディスプレイを示す。 図２３ｂは、本発明による３Ｄディスプレイを示す。 図２３ｃは、本発明による３Ｄディスプレイを示す。

以下の説明では、本発明は、電圧が電極に印加されないとき、液晶（ＬＣ）層にある液晶（ＬＣ）分子が基板に対して垂直に配向される、ホメオトロピカル的に合わせられた液晶層を持つビーム成形デバイスに関して記載されている。このことは、本発明の範囲を決して制限していない点に留意すべきであり、液晶層が液晶材分子が基板と平行な面に配向されている面配向のような何らかの他の態様で合わせられるビーム成形デバイスに等しく適用できる。この配向では、液晶分子は電極に対して平行又は垂直に合わせられるか、又は液晶分子は、第１の基板に隣接して第１の配向と、第２の基板と隣接して第１の配向に対して垂直な第２の配向とを持つ複合型配向を持つ。

さらにまた、本発明に直接関係しない詳細によって本発明を不明瞭にしないために、当業者によく知られている液晶分子等を合わせるための配列層のような他の層は、添付の図面においても表されてなく、本願明細書において詳しくは記載されていない。

図面が尺度通りではないことに留意する必要がある。しかしながら、適切な寸法の着想を与えるために、電極の導電性ラインの幅は、概して１μｍから２０μｍの範囲である。さらにまた、導電性ラインは概して１０μｍから１００μｍ離れて間隔が置かれ、ＬＣ層の厚みは通常、５μｍと５０μｍとの間にある。

一つの態様では、本発明は、一般に多くの異なるアプリケーションに適しているビーム成形デバイスに関し、他の態様では、本発明は、より詳しくは、２Ｄ／３Ｄ切換可能な表示デバイスのために特に興味があるビーム成形デバイスを利用する付加的な特徴に関する。ビーム成形デバイスの一般的な概念及び設計が最初に説明され、２Ｄ／３Ｄ表示フィールドに特に関連する付加的な特徴の説明が後続して説明されるだろう（これらの付加的な特徴もより一般的なアプリケーションを持つが）。

図１ａ―ｃは、本発明の実施例による例示的なビーム成形デバイスを略図で例示する。

図１ａにおいて、第１の透明基板３と第２の透明基板４との間に挟まれたホメオトロピカル的に合わせられた液晶（ＬＣ）層２を有するビーム成形デバイス１が示されている。第１の基板３上に、ＬＣ層２に向かい合って、第１の櫛形の透明電極５と第２の櫛形の透明電極６が備えられている。これらの電極５、６の上に電圧Ｖを印加することによって、図１ａにおいて略図で例示されているように、ビーム成形デバイス上に入射したコリメートされた光ビームが拡散できる。

図１ａのライン電圧が印加されていないので、電界は形成されず、従って、液晶分子は配列層（図示せず）によって当該液晶分子に課される配向を持つ。図１ｂに図示されている場合、液晶分子はホメオトロピカル的に合わされ、光の３つの平行した光線１１ａ―ｃによってここで表わされる入射光ビーム７の形状は、ビーム成形デバイス１を通る通路によって変わらない。

電圧Ｖが電極５、６間に印加された状況を図式的に示す図１ｃを参照して、図１ａのビーム成形デバイスによって利用されるビーム成形メカニズムが、ここで更に詳細に説明される。

図１ｃに図式的に示されているように、ＬＣ層２にある液晶（ＬＣ）分子１０ａ―ｃが電極５、６の間の電気力線に合わせられる。この再配向のため、異なる屈折率を持つＬＣ層２の領域が形成される。ビーム成形デバイス１に（局所的に）垂直である方向の当該ビーム成形デバイス１に当たる光ビーム７が経験する屈折率は、ＬＣ層２と垂直に配向されたＬＣ分子１０ａからの正常屈折率ｎｏと、ＬＣ層２と平行に配向されたＬＣ分子１０ｃからの異方性屈折率ｎｅとの間で変化する。「垂直な」ＬＣ分子１０ａを持つビーム成形デバイス１の部分と、「平行な」ＬＣ分子１０ｃを持つビーム成形デバイス１の部分との間でビーム成形デバイス１に当たる光は、中間の屈折率を経験するだろう。

図１ｃにおいて、ＬＣ分子の長軸と垂直である偏光の方向を持つ非偏光の線型偏波成分を表している３つの光線１２ａ、ｂ、ｃ（正常光線）は、屈折率勾配を経験することなくビーム成形デバイス１を実際に通過する。したがって、これらの光線１２ａ―ｃのいずれも、ＬＣ層２を通過する間に、著しく変えられた方向を持たない。

他方で、ＬＣ分子の長軸の面に偏光された光を表わす光線１３ａ、ｂ、ｃの他の偏光成分（異方性光線）は、屈折率勾配を経験し、よって、図１ｃに図式的に示されるように、屈折される。

従って、非偏光ビーム７の光の最大５０％は、図１ａ―ｃのビーム成形デバイス１によって制御可能である。以下に、非偏光ビームの光の実質的に全ての制御を可能にしている３つの典型的なビーム成形デバイス／装置が、図２―４を参照して説明されるだろう。

第１の例示的なビーム成形装置２０が、これらデバイスに挟まれたリタデーションプレート２３を持つ積層構造で配され、図１ａ―ｃと関連して説明された第１のビーム成形デバイス２１及び第２のビーム成形デバイス２２を示す断面図である図２を参照して説明されるだろう。

また、非偏光の３つの光線２４ａ―ｃは、ビーム成形装置２０を通って追跡される。図１ｂと関連して説明されたように、異方性光線は第１のビーム成形デバイス２１によって影響を受け、正常光線は、影響を受けることなく、このビーム成形デバイス２１を通過する。正常光線が、ねじれネマチック構成のＬＣポリマー又はいわゆる半分波長板の形でここに供給されたリタデーションプレート２３を通過すると、偏光方向は、９０°回転される。

したがって、第２のビーム成形デバイス２２に入るとき、前に無影響の成分２５ａ―ｃは、第２のビーム成形デバイス２２のＬＣ分子２７の長軸と同じ面に偏光され、他の偏光成分２６ａ、ｃが第１のビーム成形デバイス２１を通過するときだったのと同じように偏向される。

これによって、図２に略図で例示されるように、ビーム成形装置２０を通過する非偏光の全ては、ビーム成形装置２０によって制御できる。

上記例において、正の誘電体異方性を持つＬＣ分子の性質が説明された。しかしながら、負の誘電異方性を持つＬＣ分子を使用できることも留意されたい。この場合、光線２４ａ―ｃは、上述のものと比較して反対方向へ屈折するだろう。

現在図示されている実施例では、基板とＬＣ層等との間のインターフェースにおける屈折は、例示を単純にするために無視されていることに留意されたい。

図３を参照すると、第２の例示的なビーム成形装置３０が、ここで説明されるだろう。

図３では、第１のビーム成形デバイス３１及び第２のビーム成形デバイス３２が、積層構造で示される。積層構造の底部から頂点まで順に、第１のビーム成形デバイス３１は、第１の基板３３と、当該基板３３の上に第１の電極３４及び第２の電極３５と、ＬＣ層３６と、第２の基板３７とを持つ。現在図示されている実施例において、第１のビーム成形デバイス３１の第２の基板３７は、第２のビーム成形デバイス３２の第１の基板でもある。代替的に、明らかに、このコモン基板３７は、２枚の分離板としても備えられる。第２のビーム成形デバイス３２は更に、ＬＣ層３８と、第１の電極４０及び第２の電極４１を備えた第２の基板３９とを持つ。

図３で分かるように、ビーム成形デバイス３０の電極３４、３５、４０、４１の各々は、それぞれ導電性ラインの２つのセット４２ａ―ｂ、４３ａ―ｂ、４４ａ―ｂ及び４５ａ―ｂを持つ。各セット４２ａ―ｂ、４３ａ―ｂ、４４ａ―ｂ及び４５ａ―ｂの範囲内で、導電性ラインは互いに基本的に平行であり、２つのセット４２ａ―ｂ、４３ａ―ｂ、４４ａ―ｂ及び４５ａ―ｂは互いに対して約４５°の角度で供給される。

さらにまた、ビーム成形デバイス３１、３２は、互いに対して、第１のビーム成形デバイス３１の電極３４、３５が第２のビーム成形デバイス３２の電極４０、４１に対して垂直であるような態様で配される。

このビーム成形デバイス装置３０を通じて、入射コリメートされたビームは、対称的に成形でき、入射光の両方の偏光成分を利用している。最後に、図４を参照して、第１の光学的に透明な基板３と第２の光学的に透明な基板４との間に挟まれたＬＣ層２を有する第３の例示的なビーム成形デバイス／装置５０が説明されるだろう。基板３、４の各々に、第１の櫛形の電極５１、５２及び第２の櫛形の電極５３、５４が、ＬＣ層２に向かい合う基板３、４の側５５、５６に備えられる。

図４にて図示したように、第１の基板３上の電極５１、５３は、第２の基板４上の電極５２、５４に対して、基本的に垂直である。この構成を通じて、ＬＣ層のＬＣ分子の３次元の再配向が達成でき、このことは偏光から独立したビーム成形を可能にする。図１ａ及び図３に図示される電極構成に加えて、多くの他の電極構成が可能であり、特定のアプリケーションに応じて有利である。斯様な付加的な電極構成の２、３の実施例は、図５ａ―ｂにおいて略図で例示される。

図５ａにおいて、２本の電極を持つさまざまなインプレイン構成が例示され、導電性ラインが各々に対して異なる方向、まっすぐでない方向を持つ。

図５ｂにおいて、３つのインプレイン電極を持つ構成の２つの実施例が、図式的に示される。

図５ａ―ｂにおいて例示されるバリエーションは、単なる実施例を表わし、多くの他のバリエーションが当業者にとって明らかな点に留意する必要がある。

当業者は、本発明が好ましい実施例に決して限定されていないと認識する。例えば、電極間に印加される電界は、充電効果を克服するために１００Ｈｚを上回る周波数を持つ交流電圧の印加を通じて都合よく得られる。アクティブ・マトリックス・アドレス指定と組み合わせて、画素セルを使用することも可能である。

実験
本発明の実施例によるビーム成形デバイスの実験的なセットアップのビーム拡散がさまざまなパラメータでどのように変化するかについて説明している線図である図６ａ―ｄを参照して、行われた幾つかの実験の簡単な説明が、ここで提供される。

図の全てにおいて、強度は、角度分布を例示するために正規化されている。さらにまた、曲線において、わずかにだけ拡散されているビームを示すことは、より多く拡散されたビームの識別可能性を改良するために、クリップされた。

印加電圧の関数としてのビーム拡散
図６ａにおいて、偏光のコリメートされたビームのビーム成形デバイスを通る通路を行く光の角度分布は、電極に印加された電圧に対して示される。

図６ａのグラフを結果として実験において使用されたセルの特徴は、以下の通りである。
電極幅：４μｍ
電極間の自由な距離：１０ｍ
セルギャップ：１８μｍ
液晶材料：ＢＬ００９
配列層ポリイミド：Ｎｉｓｓａｎ１２１１（ホメオトロピカル的に合わされる（ラビングはない））

このセル構成を使用して、電極間に印加された交流電圧は、０Ｖｒｍｓと５０Ｖｒｍｓとの間で変化した。

電極間に０Ｖｒｍｓを印加するとき、図６ａの曲線６１で示すように、ビームの拡散は達成されない。段階的に電圧を増大するとき、ビームは段々拡散される。５Ｖｒｍｓを印加するとき、光は曲線６２で示すように拡散される。曲線６３は１０Ｖｒｍｓを印加した結果であり、曲線６４は１５Ｖｒｍｓを印加した結果であり、曲線６５及び６６は２０Ｖｒｍｓ及び５０Ｖｒｍｓの電圧にそれぞれ対応する。

電極の間の自由な距離の関数としてのビーム拡散
図６ｂにおいて、偏光のコリメートされたビームのビーム成形デバイスを通る通路を行く光の角度分布が、電極の間の距離に対して示される。

図６ｂのグラフを結果として実験において使用されたセルの特徴は、以下の通りである。
電極幅：４μｍ
セルギャップ：１８μｍ
液晶材料：ＢＬ００９
配列層ポリイミド：Ｎｉｓｓａｎ１２１１（ホメオトロピカル的に合わされる（ラビングはない））
印加電圧：５０Ｖｒｍｓ

このセル構成を使用して、電極間の自由な距離は、１０μｍと３０μｍとの間で変化した。

電極間に印加された所与の電圧に対して、電極の間のより短い距離は、より高い電界を伴う。より高い電界は、液晶層の液晶分子のより効率的な再配向を導き、したがって、より効率的なビーム成形に至る。

図６ｂで分かるように、最短距離１０μｍは最大の拡散に至り、この距離は曲線７１に対応する。距離が１５μｍまで増大されるとき、ビーム拡散も図６ｂの曲線７２によって表される角度分布を持つように減少する。２０μｍまで更に増大すると、曲線７３が得られ、図６ｂの２つの最終的な曲線７４、７５は、２５μｍの電極間の距離と３０μｍの電極間の距離とからそれぞれ生じる。

電極幅の関数としてのビーム拡散
図６ｃにおいて、偏光のコリメートされたビームのビーム成形デバイスを通る通路を行く光の角度分布が、電極幅に対して示される。

図６ｃのグラフを結果として実験において使用されたセルの特徴は、以下の通りである。
電極間の自由な距離：１２μｍ
セルギャップ：１８μｍ
液晶材料：ＢＬ００９
配列層ポリイミド：Ｎｉｓｓａｎ１２１１（ホメオトロピカル的に合わされる（ラビングはない））
印加電圧：５０Ｖｒｍｓ

このセル構成を使用して、電極幅は、４μｍと８μｍとの間で変化した。

図６ｃにおいて、曲線８１は４μｍの電極幅に対応し、曲線８２は６μｍの電極幅に対応し、曲線８３は８μｍの電極幅に対応する。

セルギャップの関数としてのビーム拡散
図６ｄにおいて、偏光のコリメートされたビームのビーム成形デバイスを通る通路を行く光の角度分布は、セルギャップに対して示される。

図６ｄのグラフを結果として実験において使用されたセルの特徴は、以下の通りである。
電極幅：４μｍ
電極間の自由な距離：２０μｍ
液晶材料：ＢＬ００９
配列層ポリイミド：Ｎｉｓｓａｎ１２１１（ホメオトロピカル的に合わされる（ラビングはない））
印加電圧：５０Ｖｒｍｓ

このセル構成を使用して、セルギャップは、１２μｍと２７μｍとの間で変化した。

より大きいセルギャップを持つと、成形されるべきビームの各光線は、液晶層を通ってより長い距離を進み、したがって、より大きい程度に偏向できる。図６ｄで分かるように、最も小さいセルギャップ、１２μｍが最も小さい拡散に至り、このセルギャップは曲線９１に対応する。セルギャップが１８μｍまで増大されるとき、ビーム拡散も図６ｄの曲線９２によって表される角度分布を持つように増大される。２７μｍまでセルギャップが更に増大すると、曲線９３が得られる。

上記したように、本発明の原則に従って設計されるビーム成形デバイスは、２Ｄ／３Ｄ切換可能なディスプレイの分野の特定のアプリケーションを持つことができる。

図７は、既知の直接視野自動立体的な表示デバイス１００の概略的な斜視図である。既知のデバイス１００は、ディスプレイを作るために空間光変調器として作用するアクティブ・マトリックス・タイプの液晶ディスプレイ・パネル１０３を有する。

ディスプレイパネル１０３は、行及び列に配される表示画素１０５の直角アレイを持つ。明確にするため、少数の表示画素１０５だけが図に示される。実際には、ディスプレイパネル３は、約１，０００個の行及び数千個の列の表示画素１０５を有する。

液晶ディスプレイ・パネル１０３の構造は、完全に従前通りである。特に、パネル１０３は、一対の間隔を置かれた透明なガラス基板を有し、これら基板間には合わせられたねじれネマチック又は他の液晶物質が具備される。これらの基板は、これらの対向面上に透明な酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極のパターンを坦持する。偏光層は、これら基板の外面にも備えられる。

各表示画素１０５は、これら基板間に介在する液晶材料を持って、これら基板上に対向する電極を有する。表示画素１０５の形状及びレイアウトは、電極の形状及びレイアウトで決定される。表示画素１０５は、ギャップによって互いに規則的に間隔を置いて配される。

各表示画素１０５は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）又は薄膜ダイオード（ＴＦＤ）のようなスイッチング素子と関係している。表示画素はアドレス指定信号をスイッチング素子に供給することによってディスプレイを作るように動作され、適切なアドレス指定スキームは当業者に知られている。

ディスプレイパネル１０３は、この場合、表示画素・アレイの領域にわたって延在する平面バックライトをを有する光源１０７によって照明される。個々の表示画素１０５が光を変調し、ディスプレイを作るように駆動されながら、光源１０７からの光は、ディスプレイパネル１０３を通って指向される。

表示デバイス１００は、視野形成機能を実行する、ディスプレイパネル１０３の表示側の上に配される、レンチキュラ・シート１０９も有する。レンチキュラ・シート１０９は、互いに平行に延在するレンチキュラ要素１１１の行を有し、このうちの一つだけが明確にするため誇張された寸法を持って示される。

レンチキュラ要素１１１は、凸円柱状レンズの形であり、ディスプレイパネル１０３から表示デバイス１００の前に位置するユーザの目まで、異なる画像又は視野を供給するための光出力指向手段として動作する。

図１に示される自動立体的な表示デバイス１００は、異なる方向へ、いくつかの異なる遠近視野を提供することができる。特に、各レンチキュラ要素１１１は、各行の表示画素１０５の小さいグループの上に横たわる。レンチキュラ要素１１１は、いくつかの異なる視野を形成するために、異なる方向にグループの各表示画素１０５を投射する。ユーザの頭が左から右に移動するにつれて、彼（彼女）の目はいくつかの視野のうちの異なる視野を順に受信する。

上記したように、電気的に切換可能なレンズ要素を供給することが提案された。これは、２Ｄモードと３Ｄモードとの間で切り替えられる表示を可能にする。

図８及び図９は、図１に示されるデバイスで使用できる電気的に切換可能なレンチキュラ要素１１５のアレイを図式的に示す。当該アレイは、一対の透明なガラス基板１１９、１２１を有し、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で形成される透明な電極１２３、１２５がこれらの対向面上に具備されている。複製技術を使用して形成される逆のレンズ構造体１２７は、基板１１９の上の基板に隣接して、基板１１９、１２１の間に備えられる。液晶物質１２９もまた、基板１２１の下の基板に隣接して、基板１１９、１２１の間に備えられる。

逆のレンズ構成１２７は、液晶材料１２９が、図２及び３の断面で示されるように、逆のレンズ構成１２７と下部の基板１２１との間で、平行で細長いレンチキュラ形状とみなせる。液晶材料と接触する下部の基板１２１及び逆のレンズ構造１２７の表面は、液晶材料を配向するための配向層（図示せず）も具備する。

図８は、電位が電極１２３、１２５に印加されていないときのアレイを示す。この状態で、特定の偏光の光に対する液晶材料１２９の屈折率は、逆のレンズアレイ１２７の屈折率より大幅に高く、従ってレンチキュラ形状は、図示するように光出力指向機能、すなわちレンズ・アクションを提供する。

図９は、ほぼ５０〜１００ボルトの交流電位が電極１２３、１２５に印加されるときのアレイを示す。この状態で、特定の偏光の光に対する液晶材料４９の屈折率は、逆のレンズアレイ１２７の屈折率と実質的に同じであるので、その結果、図示するように、レンチキュラ形状の光出力指向機能がキャンセルされる。このように、この状態でアレイは、効果的に「通過する」モードで作用する。

液晶材料が複屈折なので、屈折率切換えが特定の偏光の光にだけ適用されるため、当業者は、光偏光手段が上述のアレイと連動して用いられるべきことを理解するだろう。前記光偏光手段は、デバイスのイメージング装置又はディスプレイパネルの一部として備えられてもよい。

図７に示される表示デバイスの使用に適している切換可能なレンチキュラ要素のアレイの動作及び構造の更なる詳細は、米国特許第６，０６９，６５０号で見出せる。

図１０は、上記のようにレンチキュラ・タイプ・イメージング装置の動作原理を示し、バックライト１３０、ＬＣＤのような表示デバイス１３４及びレンチキュラ・アレイ１３８を示す。

図８及び９に示されるデバイスの製造はレプリカ・レンチキュラを使用し、このことは生産設備において標準でない器材を必要とする。したがって、横方向に制御される勾配屈折率レンズ機能を持つ、上述のようなビーム成形デバイスの使用は、製造プロセスを単純化する。

図１ｃは、図１ａに示すようにインターリーブされたワイヤの使用から生じているＬＣ層の電界分布を示す。印加電圧は、充電効果を打ち消すために交流である。印加電圧は、電界の方向にＬＣを合わせるために十分高いように選択される。簡単な設計では、最良のレンズアクションのため、、ＬＣ層厚と電極の間の幅との最適比率がある（ほぼ１：１．５）。しかしながら、視野の所望の数のため一定量の画素をカバーするために、レンズの必要とされる幅と、（所望の焦点深度を得るために）ＬＣ層の所望の厚みとは、常にではないが、しばしば、この基本的な設計が使用されることを妨げるか又は除外さえする。ＬＣのより厚い層は、より短い焦点距離を持つレンズに結果としてなる。主要な問題は、ＬＣ層がレンズ特徴のために最適であるより、電極ピッチと関連してより薄くなるように選ばれなければならないということである。

図１１ａは厚みと電極間隔との間の所望の比率を図式的に示し、図１１ｂは、好適なＬＣ層厚が典型的に所望の電極間隔と組み合わせて所望の焦点距離を提供するために用いられるときの構造内の電界分布を示す。厚み及び電極間隔のこれらの値は、レンズアクションにおいて強い収差を引き起こす。所望の焦点距離を得るために図１１ｂのＬＣ層の厚みを減らすことによって、光学的に異質な物質が光学的に均一な物質と置き換えられ、レンズ収差を引き起こす。

図１２は、図１１ａの所望の比率のためのレンズ特徴を示す（図１２ａは屈折率ｎ対距離ｘを示し、図１２ｂは屈折率勾配（「角度」）対距離ｘを示す）。厚みは１００μｍであり、電極間隔は１６６μｍである。

図１３は、図１１ｂの減少した厚みレンズ設計のためのレンズ特徴を示す（再び、図１３ａは屈折率ｎ対距離ｘを示し、図１３ｂは屈折率勾配（「角度」）対距離ｘを示す）。厚みは４０μｍであり、電極間隔は１６６μｍである。図１２及び図１３は、分析モデルを使用して計算される。図１３で示される角度分布は、所望の強さ（それは、端では非常に強い）を欠いているだけでなく、同様に、中心に強い収差も持つ（理想的な場合、角度分布は直線であるべきである）。

このように、レンズは、厚いＬＣ層が用いられる場合あまりに短い焦点距離を持ち、薄いＬＣ層が使われる場合中心にあまりに強い収差を持つ、という課題がしばしばある。

従って、変更態様は、ＬＣ層内で生成される電界に影響する材料の１つ若しくは２つの層を用いて上記の基本的な設計を改良することによって、焦点距離を増大し、及び／又はこれらの収差を許容できるレベルまで下げることである。

図１４は、ワイヤ構造近くの液晶層の部分が、固体で透明な材料の層で置き換えられる第１の変更態様を示す。

したがって、図１４の構造は、付加的な層１４０、ＬＣ層１４２及びＬＣＤの上に横たわっているガラス層１４４を有する。

入射ビームは置き換えられた層に対して垂直に進み、この層内に屈折率の勾配がないので、この層１４０は、光の方向について直接的な効果を持たない。しかしながら、層１４０は、レンズを通って進む光に間接的に影響しながら、ＬＣ層内の電界分布についての効果を持つ。

この効果の大きさ（及びレンズの焦点距離）は、固体層１４０の厚さ、ＬＣ層１４２の厚さ、固体層の誘電率及びＬＣのパラレル誘電率に依存する。

図１４は、レンズ形状を定める電界ライン１４５及び前記構造を通る光路１４６を示す。

図１５に示すように、他の変更態様は、電界を効果的に圧縮することによって、レンズ厚を低減する（したがって、その焦点距離を増大する）ために、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような、透明な導体と接触する透明な材料１５０の付加的な層を使用する。接地された層１５０の影響は、ＬＣの層に必要な電界分布にとって有益である条件を電界に課すということである。切換可能なＬＣ層１４２がレンズ・スイッチング機能を実行するために必要な領域に置かれるように、２枚の層１４０及び１５０は選択される。これら層の厚さは、各物質の誘電率及び所望の焦点距離に依存する。前述にも関わらず、例えば、層１４０及び／又は１５０が必要性及びデザインに従って省略される図１８に関して説明される実施例のような別の実施例が、当業者には理解されるだろう。

上述した変更態様において、レンズは、より弱くでき、小さい球面収差を持つことができる。レンズは、レンズから画素までの光路長に合致している焦点距離を持つように設計できる。

図１６及び１７は、９つの視野を持つ実際の１０ｃｍディスプレイの２つのデザインのためのレンズ特徴を示す。図１６は図１４の装置に基づき、図１７は図１５の装置に基づく。プロットされた変数は、図１２及び図１３の変数に対応する。異なる層の光学的厚さに等しい焦点距離は、ガラス内で１，３４２μｍである（ディスプレイの６１５μｍ厚のガラスプレート、ポリマーの２７μｍ厚の層及びレンズアレイ自体の７００μｍ厚のガラスプレート）。この９つの視野表示に対して、画素・ピッチが３７．５μｍであり、レンズ・ピッチは、１６６．３６μｍである。図１６の実施例に対しては、ＬＣ層厚さが１３μｍであり、付加的な層１４０の厚さは１００μｍである。図１７の実施例に対しては、ＬＣ層厚さが１２μｍであり、付加的な層１４０の厚さは６１μｍであり、ＩＴＯグランド面上の層１５０の厚さは２７μｍである。

見てわかるように、両方のデザインに対する角度分布の形状は、図１２に示される分布の形状と同等である。したがって、許容可能なレベルの収差を維持しながら、レンズ設計が所望の焦点距離で得られる。

単一の付加的な層を持って図１４に示されるデザインに対して、キー変数は、ワイヤ間の距離ｐ、固体の物質の層１４０の厚さｄｓｏｌｉｄ、ＬＣと接触するガラスの誘電率εｇｌａｓｓ、及び異方性軸に平行なＬＣ物質の誘電率の成分εＬＣである。

レンズ機能は、これらの変数の間の比率に基づいて改善される。キー比率は、以下の通りである。
ａ１＝εＬＣｘｄｓｏｌｉｄ／ｐ及び
ａ２＝εＬＣ／εｇｌａｓｓ

図１６のために使用する計算において、ａ１＝３．０及びａ２＝１．８である。

ＬＣ層の厚さｄＬＣは、所望の焦点距離ｆ、正常屈折率と異方性屈折率との差（Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ）、及びデザインのジオメトリーｄＬＣ〜ｐ２／（ｆｘΔｎ）に依存し、ほぼ５μｍから１００μｍまでの範囲にある。

変数ａ１の好適範囲は、０．７＜ａ１＜１２、より好ましくは１．５＜ａ１＜６、より好ましくは２．５＜ａ１＜４である。

変数ａ２の好適範囲は、０．９＜ａ２＜３．６である。

２つの追加の層を使用する図１７に示された設計に対して、キー変数は、ワイヤ間の距離ｐ、ワイヤ構造付近の固体の物質の層の厚さｄｗ、接地されたＩＴＯ層付近の固体の物質の層の厚さｄｇｒｏｕｎｄ、及びＬＣ物質の誘電率の平行成分εＬＣである。キー比率は、以下の通りである。
ｂ１＝εＬＣ ｘ ｄｗ／ｐ及び
ｂ２＝εＬＣ ｘ ｄｇｒｏｕｎｄ／ｐ

図１７のために使用する計算において、ｂ１＝３．６及びｂ２＝１．６である。

ＬＣ層の厚さｄＬＣは再び、所望の焦点距離ｆ、正常屈折率と異方性屈折率との差、及びデザインのジオメトリーに依存し、ほぼ５μｍから１００μｍまでの範囲にある。

変数のための好適範囲は、以下の通りである。
０．９＜ｂ１＜１４．４、０．４＜ｂ２＜６．４、より好ましくは、
０．９＜ｂ１＜１４．４及び０．８＜ｂ２＜３．２であり、より好ましくは、
１．８＜ｂ１＜７．２及び０．４＜ｂ２＜６．４であり、又は、より好ましくは、
１．８＜ｂ１＜７．２及び０．８＜ｂ２＜３．２である。

上記の実施例は、２つの異なるモードの間、例えば自動立体的な表示デバイスの動作のための２Ｄと３Ｄモード間のスイッチングを示す。しかしながら、レンズの強さを変えられる際の効果もある。レンズ強さを変える１つの態様は、液晶分子の挙動が電界の方向によってもはや支配されない閾値より低くフォーク構造の印加電圧を下げることである。このときバランスが、囲んでいる分子との相互作用の結果として力で形成される。この手法の不利な点は、当該手法がＬＣの挙動に依存するということであり、この挙動は温度で変化する。さらにまた、レンズ特徴の変化は、容易に予測されない。

以下に説明するデバイスの他の変更態様は、ＬＣの層の内で電界方向に影響することによって、レンズの強さを変える。この変更態様は、図１５の層１５０（しかし、層１４０を必要としない）のような導電プレートを使用し、電界を変えるために、交流電流を導電プレートに印加し、結果としてレンズの強さを変える。追加の絶縁層が、上記の実施例のような導電プレートと電極フォーク装置との間に備えられる。

図１８は、ＬＣ層及びＩＴＯ層の基本構成を示す。ＩＴＯ層の厚みは示されず、ラインとして描写される。電位が導電プレートに印加される前、電界は並んでいる。フォーク構造及びプレート１５０は、交流電流で供給される。交流電流が導電プレートに印加されるとき、電界は図１９に示される２つの条件の間で急速に切り替わり始める。印加電圧の周波数が液晶の緩衝時間と比較して十分に高く選ばれる場合（ｆ＜＜１／τＬＣ）、ＬＣ分子は図２０に示されるように２つの異なる電界Ｅ１、Ｅ２の間で合わせられる。

前記フォークに印加される電圧、プレートに印加される電圧並びにプレート及び前記フォークに対するＬＣ層の位置に依存して、レンズ効果を著しく変えることが可能である。可変的なレンズ効果を達成するいくつかの異なる態様が、図２１に示される。

図２１において、上の３つのプロット線は、基本周波数ｆでの２つのフォークの対向する電圧、Ｖｆｏｒｋ，１及びＶｆｏｒｋ，２を使用することに基づく。この状況のための電界は、フォーク信号と比較して位相シフト（信号２１０）、基本周波数ｆの２倍の周波数ｆｐｌａｔｅを持つ同相信号（信号２１２）、又は基本周波数より非常に高い周波数を持つ同相信号（信号２１４）の何れかを持つ電圧Ｖｐｌａｔｅを導電プレートに印加することによって修正される。これらの３つの可能性は、順番に図２１に示される。

図２１の下の３つのプロット線に示される別の実施例は、変調を２つのフォーク上の信号に加えることによって、Ｖｐｌａｔｅをゼロに等しく維持している。各フォーク電圧とプレート電圧との差が同じなので、同じレンズ効果が得られる。この場合、各フォーク信号は、フォーク信号と比較して位相シフトを持つ付加的な信号をその上に重畳するか、基本周波数ｆの２倍の周波数ｆｐｌａｔｅを持つ同相信号又は基本周波数より非常に高い周波数を持つ同相信号である。

図２２は、プレートに印加された電圧Ｖｐｌａｔｅの異なる振幅でのレンズの角度分布に対する種々異なるプロフィールを示す。分析のために使用されるサンプルの設計及び仕様は、電極ピッチ１６６μｍ、ＬＣ層厚７０μｍ及び８２μｍの図１５のような追加の層１４０である。

前記プレートの電圧は、１ｋＨｚで印加される。フォーク電極のための電源は、周波数ｆｆｏｒｋ＝１００Ｈｚを持つＶｆｏｒｋ＝５０Ｖに基づく。各測定の中央の線形部分は、焦点距離のための指標を与える。０Ｖ、７．５Ｖ、１５Ｖ及び３０Ｖの状況に対する焦点距離は、それぞれほぼ１４０μｍ、８５μｍ、１９０μｍ及び１３３０μｍである。

見てわかるように、レンズ効果の変化の量は印加電圧の振幅に依存する。

ここより前に、導体層に関連して第１及び第２の電極を駆動することは、対称型レンズ効果が得られるようになされた。したがって、例えば、図１８を参照して、第１及び第２の電極には、導体ＩＴＯ層１５０が０Ｖの電圧Ｖ３に維持される一方で、正負反対の等しい電圧Ｖ１＝−Ｖ２がそれぞれ与えられる。好都合なことに、非対称のレンズ効果に対して、Ｖ３は０Ｖと異なる。斯様な電圧スキームは、非対称の電界ライン分布及び対応する非対称のレンズ効果を提供し、すなわち、レンズ効果だけでなく、ビーム偏向もある。

３Ｄ自動立体的なディスプレイの分野のビーム偏向及び１つの可能なアプリケーションが、図２３ａ、２３ｂ及び２３ｃに図示される。ビーム成形デバイスは、自動立体的なディスプレイ１７０の一部である。ディスプレイは、偏光子１７６と、画素・パネル１７８と、ガラス基板１８２によって一緒に保持されるアナライザ１８０とを有する標準ＬＣパネル１７２を有する。バックライト（図示されない）は、偏光子１７６の下にある。液晶ディスプレイは、レンズ化モードで用いられるとき、レンチキュラ・アレイとして役立つ本発明によるビーム成形デバイス１７４と結合される。この場合のビーム成形デバイスは、基板１９８上に第１の電極１８４と第２の電極１８６とを有する。その上に、第１の絶縁層１８８、薄いＬＣ層１９０、第２の絶縁層１９２、透明な導電層１９４、及び適切に透明な物質の基板１９６がある。基板１９８上の第１及び第２の電極を絡み合わせたパターンは、図１ａに示す通りである。基板１９６上の電極は、好ましくは基板全体をカバーする構造化されていない電極である。層１８８及び１９２は任意であり、レンズ形状の最適化のために前に説明された機能にかなう。５視野のシステムが示され、すなわち、レンチキュラの各レンズの下に、画素２０２、２０３及び２０４のような５つのサブ画素があり、各サブ画素は異なる視野に対応する。図２３ａ、２３ｂ及び２３ｃの同様な部分は、同様な数字を持つ。

ディスプレイの定期的な３Ｄ動作の間、第１の電極に電圧Ｖ１が印加され、第２の電極に―Ｖ１の電圧Ｖ２が印加され、導電層にＶ３＝０Ｖの電圧が印加されて、２つの隣接した第１の及び第２の電極フィンガの間にある１つの円筒状レンズ・ユニットの下に位置する隣接した画素２００、２０２及び２０４すべてから生じている光が異なる方向へ送られる、すなわち、図２３ａに示すように対称的態様で異なる視野へ送られる。あるいは、Ｖ３が０Ｖでないとき、電界ラインの対称性、よって関連するレンズの対称性が壊される。電界ラインは、レンズ・アクションから離れてもビーム偏向が、図２３ｂ及び２３ｃにて図示するように各視野がいくぶん偏向される結果となるように、それ自身を再編成するだろう。この偏向の方向は、レンズからレンズへ符号を変える。電圧Ｖ３の符号を変えるとき、方向も符号を変える。通常は、Ｖ３が隣接した第１及び第２の電極に印加された電圧の間に正確にある値と異なるとき、効果が得られる。

引き続く画像フレームにおいてΔＶと−ΔＶとの間でＶ３を交替させることにより、個々の視野がフレームからフレームで左から右に傾くし、逆もまた同様である。このことは、効果的にはレンチキュラが左から右に又はこの逆に仮想的な態様でシフトされるということに等しい。しばらくの間、中心視野２０６（すなわちディスプレイに対して垂直な方向の視野）を考える：各レンズの下に、ΔＶと−ΔＶとの間でＶ３を交替させる方法で、異なる色を持つ２つの異なるサブ画素２００又は２０４は、１つだけの代わりに：Ｖ３＝ΔＶのとき（図２３ｂ）一方のサブ画素で、Ｖ３＝−ΔＶのとき（図２３ｃ）他方のサブ画素で、中心視野に関与する。したがって、時間経時的な態様で、動作の３Ｄモードの各視野に対する解像度は、２倍になる。例えば、フレームレートが１００Ｈｚの場合、レンチキュラは２つの位置の間を行き来することができ、これら位置は、１／１００秒ごとに切替えられる。このように、視野当たりの解像度は、２倍にできる。

視野当たりの解像度を２倍にする代わりに、電圧の対称形の構成も使われるときは、視野当たりの解像度を３倍にすることも可能である。この場合、画素２０２は、図２３の中心視野を提供している。

フレームレートの要求は、あまり高くない。例えば、視野当たりの解像度を２倍にするために、２倍の時間多重化は、フレームレートが２倍でなければならないことを必ずしも意味するわけではない。５０Ｈｚのフレームレートの場合、画像は、単に２５Ｈｚのフレームレートで、視野形成エレメントの２つの位置各々に対して生成される。前記２つの位置に対して生成される画像が非常に似ているので、観察者の認識では、感知されたフレームレートは２５Ｈｚというよりむしろ依然５０Ｈｚである。

レンチキュラを移す際、各視野に対する画像内容が、しかるべく構成されなければならない。

視野当たりの解像度を２倍にするのと概略同じ態様で、新しい視野が元の視野の間に作成されるように、視野を傾けることによって視野の数を２倍にすることも可能である。

既存のレンチキュラと比較して、レンチキュラをディスプレイ上に形成するこのＧＲＩＮビーム成形デバイスの１つの欠点があり、これは、レンズの端の相対的な不活性領域の結果として、３Ｄモードのディスプレイに対して可能性あるコントラストを低減してしまうことである。コントラストは、レンズ効果がないところに（レンズ間のライン）不透明材料を用いて保持されてもよい。実際に、また、通常はビーム成形デバイスに対して、電極の位置のＬＣ領域内のレンズの収差は、光ビームを完全なものにはしないだろう。レンズの不完全な部分から生じる光は、不透明な層によってシールドされてもよい。この不透明な層は、基板上又は何れかの適切な技術によって堆積されたパターン上の印刷層でもありえる。

あるいは、切換可能な不透明さを持つ層が提供される。一つの実施例においては、アナライザが、ここで上述された変更態様のいずれにもある。当該アナライザは、第１及び第２の電極に対してＬＣ層の反対側に位置し、線形に偏光させる。デバイスの非レンズ化モードにおいて、ＬＣ物質のダイレクタは、デバイスの基板と平行であるが、ＬＣ層の両側に互いに対しては垂直に合わされる。配向の後者のタイプは、適当な垂直な方向においてラビングされたポリイミド配列層によって達成される。したがって、ＬＣ層において、１つの配向からＬＣ層の反対側における垂直な配向へのダイレクタの漸進的な回転は、基板に対して垂直な方向にＬＣ層を通って進む際に起こる。デバイスが非レンズモードのとき、アナライザは、アナライザ側でデバイスを出る線形に偏光した光が、ＬＣ層に入射の際に存在する偏光がＬＣ層を通過後漸進ＬＣダイレクタにより回転されて、アナライザを通過できるように配向され又は回転される。レンズ化モードでデバイスを駆動する際、電極の位置で及び電極の近くの位置で、ダイレクタは、基板とは大幅に平行からずれて基板により垂直に合わせられ、ダイレクタの漸進的なネジ状の配列を失うだろう。それとともに、ＬＣ層はこれらの位置でもその偏光回転特性を失い、当該ＬＣ層を出る光がこれらの位置でアナライザによって遮断される。したがって、レンズ化モードでデバイスを駆動することは、デバイスを進む光に対して局所的にアナライザ層を不透明にする。これらの位置は、収差が最も大きい位置、すなわち電極の近くに関係する。

説明された準備は、液晶ディスプレイのような、偏光された光を放射する画素・パネル装置上のレンチキュラのアプリケーションに対して特に魅力的である。当業者は、達成されるべき効果が得られるように、デバイスのＬＣ物質及びアナライザ回転を配することが可能である。

上記の実施例において、レンズ特徴を変える２枚の層の使用が説明された。構造は、これらの層の一方又は両方を持ってもよく、上述されていない構造内の他の層があってもよい。下の層（１４０）はレンズ強度を減らすためにあり、上の層は電界を圧縮するためにある。これらの手法は、レンズ特徴の所望の変化を得るために独立して用いることができる。

第１及び第２の固体絶縁層は、フォトレジストでありえる。あるいは、絶縁層は、積層体及びＰＥＴフォイル層又は他の有機／重合層を有することができる。

さまざまな変更態様は、当業者にとって明らかであろう。

要約すると、ビーム成形デバイス（１；３１）は、第１の光学的に透明な基板（３；３３）及び第２の光学的に透明な基板（４；３７）と、これら基板に挟まれた液晶層（２；３６）と、第１の基板（３；３４）に向かい合う液晶層（２；３６）の側に配される第１の電極（５；３４）及び第２の電極（６；３５）とを有する。ビーム成形デバイス（１；３１）は、ビーム成形状態の間で制御可能であり、各々の状態がデバイスに垂直な方向にビーム成形デバイスを通る光の通路ができるようにする。ビーム成形デバイス（１；３１）は、第１の電極（５；３４）と第２の電極（６；３５）との間の電圧（Ｖ）の印加により、電極（５，６；３４；３５）の隣接した部分の間でセグメント内の液晶層（２；３６）と基本的に平行で、第１の基板（３；３４）から第２の（４；３５）基板まで実質的に延在する部分を持つ電界に結果としてなる態様で構成される。このようにして、比較的高い屈折率勾配が短い距離の間で得られ、このことは非常に効率的なビーム成形を可能にする。前記電界は、液晶層の一方の側に具備された電極、いわゆるインプレイン構成を利用することによって達成できる。デバイスは、２Ｄと３Ｄモードとの間で切り替わるために、自動立体的な表示デバイスで用いられる。

上述の変更態様及び実施例が本発明を制限するというよりはむしろ例示であり、当業者は添付の請求の範囲の要旨を逸脱しない範囲で多くの別の実施例を設計することが可能であることに留意すべきである。請求項において、括弧の間に配される何れの参照符号も、請求項を制限するものとして解釈されない。「有する」という語は、請求項にあげられた要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を除外しない。要素の前の「ａ」又は「ａｎ」という語は、斯様な要素の複数の存在を除外しない。いくつかの手段をあげているデバイスの請求項において、これらの手段のいくつかは、ハードウェアと全く同一の品目によって具現されてもよい。特定の手段が相互に異なる従属項において列挙されるという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われ得ないことを示さない。

Claims (31)

1. 第１及び第２の光学的に透明な基板、これら基板間に挟まれた液晶層並びに第１の基板に向かい合う液晶層の側に配される第１及び第２の電極を有するビーム成形デバイスであって、ビーム成形状態の間で制御可能であり、各々の状態が液晶層に対して垂直な方向でビーム成形デバイスを通過する光の通路を可能にするビーム成形デバイスにおいて、第１の電極と第２の電極との間の電圧の印加により、電極の隣接した部分間のそのセグメント内の液晶層と基本的に平行な部分を含み第１の基板から第２の基板まで実質的に延在している電界となるように構成された、ビーム成形デバイス。
2. 第１の電極は、基本的に平行な第１の電極導電性ラインの第１のセットを有し、第２の電極は、基本的に平行な第２の電極導電性ラインの第１のセットを有し、第１及び第２の電極は、隣接した第１及び第２の電極導電性ラインを含む少なくとも一つの導体対が形成されるように配されている、請求項１に記載のビーム成形デバイス。
3. 第１の電極は、基本的に平行な第１の電極導電性ラインの第２のセットを更に有し、第２の電極は、基本的に平行な第２の電極導電性ラインの第２のセットを有し、第１及び第２の電極は、隣接した第１及び第２の電極導電性ラインを含む少なくとも一つの導体対が形成されるように配されている、請求項２に記載のビーム成形デバイス。
4. 導電性ラインの第２のセットは、導電性ラインの第１のセットに関してある角度で配される、請求項３に記載のビーム成形デバイス。
5. 第１及び第２の電極に関して液晶層の反対側に配される、少なくとも一つの第３の電極導電性ラインを持つ第３の電極、及び少なくとも一つの第４の電極導電性ラインを持つ第４の電極を有する、請求項２乃至４の何れか一項に記載のビーム成形デバイス。
6. 第３及び第４の電極は、第３及び第４の電極導電性ラインの各々が第１及び第２の電極導電性ラインの対応する一つと基本的に垂直であるように配される、請求項５に記載のビーム成形デバイス。
7. 電界がかけられていないとき、前記液晶層はホメオトロピカル的に合わされる、請求項１乃至６の何れか一項に記載のビーム成形デバイス。
8. 前記液晶層は、電界がかけられていないとき、当該液晶層にある液晶分子が隣接する導電性ラインに対して垂直であるような平面一軸配列を持つ、請求項１乃至６の何れか一項に記載のビーム成形デバイス
9. 積層構造で配された請求項１乃至８の何れか一項に記載の第１及び第２のビーム成形デバイスを有するビーム成形装置。
10. 第１及び第２のビーム成形デバイスは、第１のビーム成形デバイスが有する第１及び第２の電極の少なくとも一部が、第２のビーム成形デバイスが有する第１及び第２の電極の対応する部分に対して垂直であるように、互いに関して方向付けられている、請求項９に記載のビーム成形装置。
11. 当該ビーム成形装置を通過する光ビームの偏光状態を変えるのに適している他の光学部材を有する、請求項９又は１０に記載のビーム成形装置。
12. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のビーム成形デバイスと、発光ダイオード又は半導体レーザーのような光源とを有し、前記光源によって放射される光ビームがビーム成形デバイスを通過するように配される、照明デバイス。
13. 第１及び第２の電極と液晶層との間に層を更に有する、請求項１又は２に記載のビーム成形デバイス。
14. 電極ワイヤの隣接した部分の間の距離がｐ、層の厚みがｄｓｏｌｉｄ、液晶層と接触する基板の誘電率がεｓｕｂ、異方性軸に平行な液晶材料の誘電率の成分がεＬＣの場合、ａ１＝εＬＣ×ｄｓｏｌｉｄ／ｐとして、０．７＜ａ１＜１２である、請求項１３に記載のビーム成形デバイス。
15. ａ２＝εＬＣ／εｓｕｂとして、０．９＜ａ２＜３．６である、請求項１４に記載のビーム成形デバイス。
16. 第１及び第２の電極に対して液晶層の反対側に導体層を有する、請求項１、２、１４又は１５に記載のビーム成形デバイス。
17. 前記電極に対して前記液晶層の反対側に第２の絶縁層を有し、第２の絶縁層は厚さｄｇｒｏｕｎｄを持ち、ｂ１＝εＬＣ×ｄｓｏｌｉｄ／ｐ及びｂ２＝εＬＣ×ｄｇｒｏｕｎｄ／ｐとすると、０．９＜ｂ１＜１４．４及び０．４＜ｂ２＜６．４である、請求項１６に記載のビーム成形デバイス。
18. 可変電圧を前記導体層に印加するための制御手段を有する、請求項１６又は１７に記載のビーム成形デバイス。
19. 前記制御手段は、第１の交流電圧を第１の電極に印加し、第２の交流電圧を第２の電極に印加する、請求項１８に記載のビーム成形デバイス。
20. 第１及び第２の交流電圧は同一周波数で逆位相であり、前記可変電圧は異なる位相又はより高い周波数を持つ、請求項１９に記載のビーム成形デバイス。
21. 直流電圧を前記導体層に印加するための制御手段を更に有し、前記制御手段は、第１の交流電圧を第１の電極に印加し、第２の交流電圧を第２の電極に印加する、請求項１６又は１７に記載のビーム成形デバイス。
22. 第１及び第２の交流電圧各々が第１及び第２の重畳された成分を有し、第１及び第２の電圧の第１の成分は逆位相で同じ周波数を持ち、第２の成分は同じであり、異なる位相又はより高めの周波数を持つ、請求項２１に記載のビーム成形デバイス。
23. 前記電極の領域に、最も低いビーム成形効果の領域と合わせられる不透明な層を更に有し、前記不透明な層は少なくともレンズ化モードで当該デバイスが駆動されるとき不透明である、請求項１、２又は１４乃至２２の何れか一項に記載のビーム成形デバイス。
24. 第１及び第２の電極に対して前記液晶層の反対側にアナライザを有し、当該アナライザは、当該デバイスのレンズ化モードでは、当該デバイスを通って進み、前記電極の位置の前記アナライザの側で前記ＬＣ層を出る光が、前記アナライザによって少なくとも部分的に遮断されるように構成される、請求項２３に記載のビーム成形デバイス。
25. ディスプレイを作るための行及び列に配された表示画素エレメントのアレイを持つディスプレイパネルと、見る人の両眼のための表示画素出力が同時に指向されるように配されて、立体的な画像を見ることができるように出力を異なる画素エレメントから異なる空間位置に向けるイメージング装置とを有し、当該イメージング装置は、２Ｄモードと３Ｄモードとの間で電気的に切換可能であって、請求項１、２又は１４乃至２２の何れか一項に記載のビーム成形デバイスを有する、切換え可能な自動立体的表示デバイス。
26. ビーム成形デバイスを制御する方法であって、当該ビーム成形デバイスは、第１及び第２の光学的に透明な基板、これら基板間に挟まれた液晶層並びに第１の基板に向かい合う液晶層の側に配される第１及び第２の電極を有し、ビーム成形状態の間で前記ビーム成形デバイスを制御するステップを有し、第１の電極と第２の電極との間の電圧の印加によって、前記電極の隣接した部分の間のそのセグメント内の液晶層と基本的に平行な部分を含み、第１の基板から第２の基板まで実質的に延在している電界を生成することにより各々の状態が液晶層に対して垂直な方向で前記ビーム成形デバイスを通過する光の通路を可能にする、方法。
27. 前記ビーム成形デバイスは前記電極に対して前記液晶層の反対側に導体層を更に有し、第１の交流電圧を第１の電極に印加し、第２の交流電圧を第２の電極に印加するステップを更に有する、請求項２６に記載の方法。
28. 可変的な電圧を前記導体層に印加するステップを更に有し、第１及び第２の交流電圧は同一周波数を持つ逆位相であり、前記可変的な電圧は異なる位相又はより高い周波数を持つ、請求項２７に記載の方法。
29. 直流電圧を前記導体層に印加するステップを更に有し、第１及び第２の交流電圧各々は第１及び第２の重畳された成分を有し、第１及び第２の電圧の第１の成分は、同一周波数を持つ逆位相であり、第２の成分は、同じであり、異なる位相又はより高い周波数を持つ、請求項２７に記載の方法。
30. 前記ビーム成形デバイスは前記電極に対して前記液晶層の反対側に導体層を更に有し、時間ユニット内で、隣接する第１及び第２の電極に印加される平均電圧とは異なる電圧を前記導体層に印加するステップを更に有する、請求項２６に記載の方法。
31. 自動立体的な表示デバイスのレンズのレンズ機能を制御するための請求項２６乃至３０の何れか一項に記載の方法。