TWI797115B - 多視域顯示裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

一種多視域顯示裝置(1)可在一單視域模式與一多視域模式之間切換。該顯示裝置包含一顯示面板(3)，該顯示面板具有經組態以產生一顯示輸出之若干列與行的像素或子像素(5)。一柱狀透鏡配置(9)係配置在該顯示面板的一顯示輸出側上並且包括一陣列的柱狀透鏡元件(11)，該陣列的柱狀透鏡元件包含一電光材料(23)，該電光材料相鄰於一不可切換光學透明層(21)。該電光材料包含一膽固醇型液晶組分，該膽固醇型液晶組分具有一尋常的折射率與一異常的折射率。該膽固醇型液晶組分包含由一間距界定的一螺旋結構，該間距係選擇為使得該間距以及該尋常的折射率與異常的折射率之間的該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。該膽固醇型液晶組分的一有效折射率可藉由施加一電刺激來控制，藉此允許在單視域模式與多視域模式之間切換。

Description

多視域顯示裝置與方法
本發明係關於一種包含一顯示面板之類型的多視域顯示裝置，該顯示面板具有用於產生顯示的一陣列的顯示像素；及一柱狀透鏡配置，該柱狀透鏡配置係配置於該顯示面板之上，通過該柱狀透鏡配置可觀看顯示像素。
有兩種基本類型的多視域顯示裝置。一種類型是用於同時呈現不同的影像給在不同的空間位置處的不同觀看者。例如，一觀看者可在車輛的駕駛員座位上，且另一觀看者可在乘客座位上。駕駛員可被顯示與駕駛員相關的內容，諸如衛星導航內容，且乘客可被顯示娛樂內容。可能有兩個以上的視域，即，用於多個觀看者。
另一種類型是自動立體顯示器，其用於將對於不同眼睛的視域顯示至不同的空間位置。可有兩個視域，例如，用於單一位置處的單一觀看者，但是可有更多的視域（例如9或15），使得多個觀看者可在視場中及/或使得觀看者可相對於顯示器移動以體驗環顧四周的效果。
不同視域的產生與空間分離背後的原理在這些裝置中是相同的。主要是，不同的二維內容同時投射至不同的空間位置。唯一的差別在於，自動立體顯示器的視域的角距（大約2度）一般小於多視域顯示器的視域的角距，其中觀看者的兩隻眼睛接收相同的影像。一般而言，不同的空間位置沿著水平線延伸，此係因為觀看者的眼睛通常處於相同的垂直高度處，但相對於顯示器處於不同的水平位置處。為了解釋的目的，以下將參考自動立體顯示裝置。
已知的自動立體顯示裝置包含二維液晶顯示面板，該二維液晶顯示面板具有作用為空間光調節器之列與行陣列的顯示像素，以產生顯示。顯示像素由例如不同顏色的子像素形成。各子像素是最小的可個別定址的顯示元件。因此，在單色顯示器中，子像素的上述定義與用語像素一致。因此，在下文中，僅使用用語子像素(sub-pixel)，但應理解到，在諸如例如黑白顯示器或眾所周知的「綠幕(green screen)」的色彩顯示器的情況下，常用的用語像素(pixel)落入本專利申請案中使用的用語子像素中。彼此平行延伸的細長柱狀透鏡元件的陣列位於子像素陣列上方，且通過這些柱狀透鏡元件觀看子像素。柱狀透鏡元件係提供為元件片材，各元件包含細長的半圓柱形透鏡元件。柱狀透鏡元件在顯示面板的行方向上延伸，其中各柱狀透鏡元件覆蓋各別組的二或更多相鄰行的子像素。
在其中例如各柱狀透鏡元件與兩行子像素相關的配置中，各行中的子像素提供各別的二維子影像的垂直切片。柱狀透鏡片材將這兩個切片與來自與其他柱狀透鏡元件相關的子像素行的對應切片導引至位於該片材前面的使用者的左眼與右眼，使得使用者觀看單一立體影像。柱狀透鏡元件片材因此提供了光輸出導引功能。
在其他配置中，各柱狀透鏡元件與列方向上的一組例如四或更多個相鄰子像素相關聯。各組中的子像素的對應行係適當地配置，以提供來自各別的二維子影像的垂直切片。當使用者的頭從左向右移動時，可感知到一系列連續的、不同的立體視域，產生例如環視的印象。
上述裝置提供有效的三維顯示。然而，將瞭解到，為了提供立體視域，必需犧牲裝置的水平解析度（同樣的狀況適用於多視域二維系統中的不同影像的解析度）。對於某些應用來說，這種解析度的犧牲是不可接受的，諸如，用於從短距離觀看的小文本字元的顯示或需要高解析度的圖形應用。為此原因，已經提出提供可在二維模式與三維（3D立體）模式之間切換的自動立體顯示裝置。在US-A-6,069,650中描述了這種裝置，在此引用該文獻。在此裝置中，不同組的子像素形成一或多個立體對，其由觀看者的各別的眼睛通過柱狀透鏡元件看見。柱狀透鏡元件包括電光材料，電光材料具有可切換的折射率，以實現柱狀透鏡元件的折射效應的去除。
在二維模式中，可切換的裝置的柱狀透鏡元件在「通過」模式中操作，即，其等以與光學透明材料的平坦片材相同的方式作用。產生的顯示具有高解析度，等於顯示面板的原始解析度，這適合於從短觀看距離的小文本字元的顯示。二維顯示模式當然無法提供立體影像。
在三維模式中，如上述，可切換的裝置的柱狀透鏡元件提供光輸出導引功能。產生的顯示能夠提供立體影像，但也遭受到上述不可避免的解析度損失。
為了提供可切換的顯示模式，可切換的裝置的柱狀透鏡元件使用具有可在偏振光的兩個不同值之間切換的折射率之電光材料，諸如液晶材料。然後，藉由將適當的電位施加至提供在柱狀透鏡元件上方與下方的電極層，該裝置在模式之間切換。相對於相鄰的光學透明層的折射率，電位改變柱狀透鏡元件的折射率。替代地，相鄰的光學透明層可由電光材料形成，其中相同的結果是相對於光學透明層改變了柱狀透鏡元件的折射率。
因為其靜態介電各向異性，液晶材料的定向可通過施加的電場來控制。在光學領域中，也有介電各向異性，且液晶材料的折射率與相對介電常數有關。液晶材料具有尋常的與異常的折射率，前者適用於具有電場偏振垂直於導向器的光，而後者適用於具有電場偏振平行於導向器的光。
施加的電位導致顯示區域的選定部分中的柱狀透鏡元件在維持與去除光輸出導引功能之間切換，現在將參照圖1與圖2對其進行說明。
圖1示意性繪示當沒有電位施加至電極17、19時，已知的柱狀透鏡元件配置9的一部分的截面圖。柱狀透鏡元件配置9位於顯示面板3之上，顯示面板包含以列與行配置的子像素5陣列。電極17夾設在玻璃板13與本體或複製品21之間。另一電極19夾設在另一玻璃板15與定向層26之間。在此，定向層25與26的摩擦方向與顯示光的偏振是在z方向（透鏡軸的方向）上；在這種情況下延伸至圖1的圖面中。結果，雖然有效透鏡是光學雙折射的，但有效透鏡可近似為等向性透鏡，其具有對應於液晶材料23的異常折射率之折射率。在此狀態下，用於顯示面板3提供的線性偏振光之液晶材料23的折射率（即，異常折射率）實質上高於本體21的折射率，且柱狀透鏡形狀因此提供光輸出導引功能，如圖所示。
圖2示意性繪示當大約50伏特的交流電位施加至電極17、19時，已知的柱狀透鏡元件配置9的一部分的截面圖。在y方向上產生電場，且液晶分子與場力線對準。結果，液晶材料23的導向器也實質上在y方向上。來自顯示面板3的光的偏振方向仍然是線性偏振，也就是說，光的E場在z方向上。當顯示器的光的偏振在z方向上時，有效透鏡將具有尋常的折射率，且由於液晶材料23與柱狀透鏡本體21之間存在折射率匹配，所以光不會折射。在此狀態下，因此，針對顯示面板3提供的線性偏振光之液晶材料23的折射率實質上相同於本體21的相反柱狀透鏡結構的折射率，使得柱狀透鏡形狀的光輸出導引功能被抵銷，如圖所示。因此，該陣列有效地作用在「通過」模式中。
當維持光輸出導引功能時，如圖1所示，由液晶材料23界定的柱狀透鏡元件11用作凸圓柱形透鏡，並且提供來自顯示面板3的不同影像或視域至位於柱狀透鏡元件配置9前面的使用者的眼睛。因此，可提供三維影像。
當移除光輸出導引功能時，如圖2所示，由液晶材料23界定的柱狀透鏡元件11作用如同其等係透明材料的平坦片材，其作用為沒有視域導引功能的通過層。因此，採用顯示面板3的完全原始解析度，可提供高解析度的二維影像。
藉由控制器12將於顯示模式之間的切換的電位的控制提供至柱狀透鏡元件配置9的電極17、19。
已知的可切換的自動立體顯示裝置的結構的進一步細節可在美國專利說明書第6,069,650號中找到，在此引用該文獻。
然而，有與這種已知的可切換的顯示裝置相關的缺點。具體地，當以斜角度觀看顯示裝置時，可觀察到二維模式中非所欲的顯示偽影。
更一般地說，在法線入射處觀看液晶單元時，液晶單元往往性能更好。例如，在液晶顯示器中，在第二偏振器與液晶單元之間使用補償箔，以補償從垂直入射的偏離與相關的漏光/滲色效應。儘管光學功能不同，但類似的問題與使用可切換的柱狀透鏡相關。具體地，相較於在法線入射處觀看顯示裝置時，在斜角度處感知到不同的折射率。當以斜角度觀看時，這可能導致柱狀透鏡的不同的強度或聚焦能力，導致在二維模式中在斜角度處觀察到「殘影(residue)」。這種效應對於三維模式中的顯示器的性能也會是有害的。
這種已知的可切換的顯示裝置的另一缺點是其仰賴使用的偏振光。利用非偏振光，無法分開二維與三維模式。因此，如果使用額外的偏振器，例如不發射偏振光的某些顯示器類型（諸如OLED顯示器）只能與習知的可切換的柱狀透鏡結合使用。使用額外的偏振器的必要性導致顯著的光損失。
US 2016/202493揭示了一種用於顯示面板的液晶透鏡，其使用膽固醇型螺旋液晶材料。US 2014/0118646揭示了一種也使用膽固醇型液晶材料的液晶透鏡面板。
需要解決上述問題的多視域顯示裝置。
本發明由申請專利範圍定義。
根據一態樣，提供一種多視域顯示裝置，其可在一單視域模式與一多視域模式之間切換，該顯示裝置包含一顯示面板，該顯示面板具有經組態以產生一顯示輸出之若干列與行的子像素，且該顯示裝置包含一柱狀透鏡配置，該柱狀透鏡配置係在該顯示面板的該顯示輸出側上配置在該顯示面板之上，該柱狀透鏡配置包含一陣列的柱狀透鏡元件，該陣列的柱狀透鏡元件包含一電光材料，該電光材料具有一柱狀透鏡形狀、相鄰於一不可切換光學透明層，該不可切換光學透明層具有一相反的柱狀透鏡形狀，
其中該電光材料包含一膽固醇型液晶組分，該膽固醇型液晶組分具有可藉由施加電刺激來控制的一有效折射率，該膽固醇型液晶組分具有一尋常的折射率與一異常的折射率，該異常的折射率與該尋常的折射率不同，且該膽固醇型液晶組分包含由一間距界定的一螺旋結構，其中該間距係選擇為使得該間距與該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。
本發明基於瞭解到，可藉由使用包含一膽固醇型液晶組分的一電光材料來解決習知的可切換顯示裝置的偏振有關的缺點，該膽固醇型液晶組分具有一螺旋間距，該螺旋間距係選擇為使得該間距以及該尋常的折射率與異常的折射率的值之間的該差之一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。這種膽固醇型液晶組分對這種可見光波長表現出與偏振方向無關的有效折射率。因此，這種材料具有等向性的有效折射率，這反映以下事實：該間距足夠短，使得該膽固醇型液晶組分的該手性結構無法由具有這種可見波長的入射光識別。
該有效折射率可藉由施加一電刺激來控制，例如一施加的電場。以此方式，柱狀透鏡元件可從一第一狀態（其中該電光材料的該有效折射率係控制為實質上等於該不可切換光學透明層的一另一折射率）切換至一第二狀態（其中該有效折射率不同於該不可切換光學透明層的該折射率），且反之亦然。在該第二狀態中，該柱狀透鏡元件執行一光輸出導引功能。在該第一狀態中，該光輸出導引功能係移除。該第一狀態與該第二狀態分別對應於該顯示裝置的該單視域模式與一多視域模式。
該間距可在0.1至10 µm的範圍內。在此範圍內的一間距可幫助該膽固醇型液晶組分滿足條件：該間距以及該異常的折射率與該尋常的折射率之間的該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。
該膽固醇型液晶組分可包含一交聯聚合物。該交聯聚合物可幫助穩定該膽固醇型液晶組分的一螺旋結構。例如，此穩定可藉由調諧該膽固醇型液晶組分中的該交聯聚合物含量來實現。例如，該交聯聚合物的該硬度或流動性可藉由所用的該聚合物的該交聯程度來控制。
該膽固醇型液晶組分可包含由一螺旋軸界定的一螺旋結構。該螺旋軸可沿著與該顯示面板處於共平面的一平面的一軸延伸。替代地，該螺旋軸可法向於該顯示面板延伸，使得該膽固醇型液晶組分將具有與該螺旋結構相同旋向性的該顯示輸出的一部分反射回朝向該顯示面板，其中該螺旋結構的該間距係選擇為使得該部分具有該UV光譜區域中的一波長。
這是膽固醇型液晶的一種已知現象：其等將沿著該螺旋軸行進的光分成右旋與左旋圓偏振分量。具有與該螺旋結構相同的旋向性的該分量被反射，而另一者被透射。在該螺旋軸法向於該顯示面板延伸的該情況下，該螺旋結構的該間距可選擇為使得光的該反射部分具有在該UV光譜區域中的一波長。這可確保沒有可見光被該電光材料反射，藉此改善該顯示裝置對可見光波長的該光學效率。
該不可切換光學透明層可包含一另一液晶材料。該另一液晶材料可包含一另一膽固醇型液晶組分，該另一膽固醇型液晶組分包含由一另一間距界定的一另一螺旋結構，且該另一膽固醇型液晶組分具有一另一尋常的折射率與一另一異常的折射率，該另一異常的折射率與該另一尋常的折射率相差一另一差；其中該另一間距係選擇為使得該另一間距與該另一差的一另一乘積等於或短於該顯示輸出的該可見光波長。
藉由包含一另一膽固醇型液晶組分的該不可切換光學透明層，可達成該電光材料與該不可切換光學透明層的該等各別的折射率的緊密匹配。這可增強該單視域模式中顯示的該影像的該品質，特別是在傾斜的視角下。
該另一螺旋軸可沿著與該顯示面板處於共平面的一另一平面的一軸延伸。替代地，該另一螺旋軸可法向於該顯示面板延伸，使得該另一膽固醇型液晶組分將具有與該另一螺旋結構相同旋向性的光的一另一部分反射回朝向該顯示面板，其中該另一螺旋結構的該另一間距係選擇為使得該另一部分具有該UV光譜區域中的一另一波長。
如相關於該膽固醇型液晶組分所解釋的，選擇該另一間距以最小化返回朝向該顯示面板的可見光波長的反射可改善該顯示裝置針對可見光波長的該光學效率。
該顯示面板可包含一液晶顯示面板或一OLED顯示面板。由於由該電光材料所提供的與偏振無關的折射率調諧，可使用傳遞非偏振光的一顯示面板（諸如一OLED顯示器），而不再需要額外的偏振構件。
該顯示裝置可包含一自動立體顯示裝置，該單視域模式包含一二維模式，且該多視域模式包含一三維模式。
該顯示裝置可包含一雙視域顯示裝置，其中該單視域模式包含該顯示器的該全視場中的一二維模式，且該多視域模式包含在該顯示器的該全視場的不同部分處的兩個至少部分分離的二維模式。
根據另一態樣，提供了一種控制一顯示輸出的方法，其包含：提供一顯示面板，該顯示面板具有經組態以產生一顯示輸出之若干列與行的子像素；在該顯示面板的該顯示輸出側上配置一柱狀透鏡配置在該顯示面板之上，該柱狀透鏡配置包括一陣列的柱狀透鏡元件，該陣列的柱狀透鏡元件包含一電光材料，該電光材料具有一柱狀透鏡形狀、相鄰於一不可切換光學透明層，該不可切換光學透明層具有一相反的柱狀透鏡形狀，該電光材料包含一膽固醇型液晶組分，該膽固醇型液晶組分包含由一間距界定的一螺旋結構，且該膽固醇型液晶組分具有一尋常的折射率與一異常的折射率，該異常的折射率與該尋常的折射率不同，其中該間距係選擇為使得該間距與該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長；以及施加一電刺激至該膽固醇型液晶組分材料，藉此控制該電光材料的一有效折射率。
在不存在該電刺激的情況下，該柱狀透鏡配置可係在一第一模式中，在該第一模式中，該電光材料的該有效折射率實質上等於該不可切換光學透明層的一另一折射率。施加該電刺激可包含將該柱狀透鏡配置從該第一模式切換至一第二模式，在該第二模式中，該有效折射率不同於該另一折射率。
替代地，在不存在該電刺激的情況下，該柱狀透鏡配置可在一第二模式中，在該第二模式中，該電光材料的該有效折射率不同於該不可切換光學透明層的一另一折射率。施加該電刺激可包含將該柱狀透鏡配置從該第二模式切換至該第一模式，在該第一模式中，該有效折射率實質上等於該另一折射率。
該第一模式與第二模式可分別對應於如上面定義的該顯示裝置的該單視域模式與該多視域模式。
將參考圖式描述本發明。
應該理解到，詳細說明與特定實例雖然指示了設備、系統、與方法的例示性實施例，但僅意圖用於說明的目的，而不意圖限制本發明的範圍。從以下描述、所附申請專利範圍、與附圖，將更佳地理解本發明的設備、系統、與方法的這些與其他特徵、態樣、與優點。應該理解到，圖式僅是示意性的，且未按比例繪製。也應該理解到，整個圖式使用相同的元件符號來表示相同或相似的部分。
多視域顯示裝置可在單視域模式與多視域模式之間切換。該顯示裝置包含一顯示面板，該顯示面板具有經組態以產生一顯示輸出之若干列與行的子像素。一柱狀透鏡配置係配置在該顯示面板的一顯示輸出側上並且包括一陣列的柱狀透鏡元件，該陣列的柱狀透鏡元件包含一電光材料，該電光材料具有一柱狀透鏡形狀、相鄰於一不可切換光學透明層。該電光材料包含一膽固醇型液晶組分，該膽固醇型液晶組分具有一尋常的折射率與一異常的折射率。該膽固醇型液晶組分包含由一間距界定的一螺旋結構，該間距係選擇為使得該間距以及該尋常的折射率與異常的折射率之間的該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。該膽固醇型液晶組分的一有效折射率可藉由施加一電刺激來控制，藉此允許在單視域模式與多視域模式之間切換。
具有可在二維顯示模式與三維顯示模式之間切換的可觀看顯示區域之可切換顯示裝置是已知的。藉由施加電場橫越包含電光材料的透鏡元件的陣列的電光材料，來達成模式之間的切換。在二維模式中，透鏡元件表現得像其等是尋常的透明材料片材。在三維模式中，透鏡元件提供光輸出導引功能，以使立體影像能夠被感知。相同的切換概念可應用於二維多視域顯示器，以在用於二維視域的全視場的單視域與關於不同空間位置的多視域之間切換，使得多個觀看者可在顯示器的總視場的不同部分中觀看到不同的二維內容。
習知的可切換顯示裝置仰賴所使用的偏振光。利用非偏振光，則在這種習知的裝置中，二維與三維模式無法分開。因此，如果使用額外的偏振器，例如不發射偏振光的某些顯示器類型（諸如OLED顯示器）只能與習知的可切換的柱狀透鏡結合使用。此外，由於要求採用偏振光，因此當從斜角度觀看時的習知的可切換顯示裝置的影像品質低於在法線入射處觀看時的影像品質。具體地，相較於在法線入射處觀看顯示裝置時，在斜角度處感知到不同的折射率，導致當在斜角度處觀看時柱狀透鏡的不同強度或聚焦能力。這種效應對於二維模式與三維模式兩者中的顯示器的性能會是有害的。
本發明基於瞭解到，可藉由使用包含膽固醇型液晶組分的電光材料來解決習知的可切換顯示裝置的這些偏振有關的缺點，該膽固醇型液晶組分具有一螺旋間距，該螺旋間距係選擇為使得該間距以及該尋常的折射率與異常的折射率的值之間的該差之一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。這表示在方程式1中： λ ≥ ∆n.p （方程式1） 其中λ是該顯示輸出的可見光波長；p是膽固醇型液晶組分的螺旋結構的間距，並且定義為導向器扭轉2π弧度所需的距離；∆n = ne - no ，ne 與no 分別是膽固醇型液晶組分的異常折射率與尋常折射率。
Saito等人在Optical Materials Express, Vol. 5, No. 7, 1588中描述到，短間距的膽固醇型液晶組分表現出有效折射率neff ，其對於滿足方程式1的光的波長而言與偏振方向無關。因此，這種材料具有等向性的neff ，這反映了以下事實：該間距足夠短，使得該膽固醇型液晶組分的該手性結構無法由具有足夠長的波長的入射光識別。方程式2中定義了有效折射率neff： neff = K((ne 2 + no 2 )/2)0.5 （方程式2）
因此，當滿足方程式1時，膽固醇型液晶組分的有效折射率對應於異常(ne )與尋常(no )折射率的均方根。K對應於增益因數，並且可在[0.9-1.1]的範圍內，並且較佳地在[0.95-1.05]的範圍內。
膽固醇型液晶組分的最小間距可取決於所使用的顯示面板的光譜特性。例如，針對更偏移為紅色的顯示器，該間距可比針對偏移為藍色的顯示器所選擇的更長。
為了允許完全的偏振不敏感操作，Δn.p可低於顯示器發射的最短波長。例如，假設Δn是0.08，所產生的間距將需要是5.25 µm，以滿足方程式1在0.420 µm的要求。
此外，膽固醇型液晶組分的有效折射率可藉由使用諸如電場的電刺激來調整。注意到，當施加電刺激時，由於膽固醇型液晶組分的部分重新定向（例如一些組），方程式2可能不再精確適用，如下面將更詳細描述的。使用施加的電場來控制膽固醇型液晶的等向性有效折射率因此可允許顯示區域的選定部分中的柱狀透鏡元件在維持與移除光輸出導引功能之間切換，現在將參照圖3來解釋。
圖3示意性描繪根據一實施例的柱狀透鏡配置9。圖3描繪柱狀透鏡元件11陣列，其包含相鄰於不可切換光學透明層21的電光材料23。雖然在圖3所示的實例中，電光材料23構成柱狀透鏡元件11的複製部分，如圖3中的填充圖案所示，其中不可切換光學透明層21構成半圓柱形部分的陣列，也可設想到相反的情境，其中不可切換光學透明層21代替地界定柱狀透鏡元件11的複製部分。
當維持光輸出導引功能時，取決於電光材料23與不可切換光學透明層21的各別的折射率，可導致正透鏡或負透鏡。
不可切換光學透明層21與電光材料23夾設在兩基材13、15之間。電光材料23在一對電極之間（圖3與圖4中未圖示）。可在電極之間施加電場，以控制電光材料23的有效折射率。以此方式，柱狀透鏡元件11可從第一狀態（其中電光材料23的有效折射率實質上匹配於不可切換光學透明層21的折射率）切換至第二狀態（其中該有效折射率不同於不可切換光學透明層21的折射率），且反之亦然。在第二狀態中，柱狀透鏡元件11執行光輸出導引功能。在該第一狀態中，該光輸出導引功能係移除。
例如，改變所施加的電場可導致膽固醇型液晶組分的對準或膽固醇型液晶組分的域之變化。這導致膽固醇型液晶組分的等向性有效折射率的變化。因此，藉由改變施加的電場，柱狀透鏡元件11可在維持與移除光輸出導引功能之間切換。
膽固醇型液晶材料的間距在某些應用中（例如，在酒瓶上的溫度指示器中）可以是可熱調整的。然而，由於調整可能導致域非常快速地引入液晶組分中，所以（例如）藉由外部刺激的間距調整可在本膽固醇型液晶組分中最小化。為此，螺旋結構可在膽固醇型液晶組分中穩定。這種穩定可進一步允許更快的切換。
在一實施例中，膽固醇型液晶組分可包含交聯聚合物，即，使得膽固醇型液晶組分包含各向異性凝膠結構，允許記憶功能。該凝膠的硬度或流動性可藉由所用的聚合物的交聯程度來控制。例如，可藉由調諧膽固醇型液晶組分中的凝膠含量，來實現螺旋結構的穩定。膽固醇型液晶組分的懸掛組可藉由電場來重新定向，導致有效折射率的調整。這也可能表示，針對電性定址模式，即，當施加電場時，可能開始出現小角度敏感性（「關閉模式」可對角度不敏感），然而，可保持有效折射率的偏振不敏感性。
為了允許上述電場引致的折射率調整，可能需要膽固醇型液晶組分的對準。在沒有對準的情況下，膽固醇型液晶組分的懸掛組可能較不可靠且可逆地重新定向，導致較差界定的折射率與散射。只要螺旋軸以均勻的方式對準，無論螺旋軸相對於顯示面板是處於平行或垂直可不重要。
在一組實例中，該螺旋軸可沿著與該顯示面板處於共平面的一平面的一軸延伸（圖3中未圖示）。在一替代組的實例中，螺旋軸可法向於顯示面板延伸。後者藉由圖3與圖4中的填充圖案示意性描繪出。
這是膽固醇型液晶的一種已知現象：其等將沿著該螺旋軸行進的光分成右旋與左旋圓偏振分量。具有與該螺旋結構相同的旋向性的該分量被反射，而另一者被透射。也已知的是，反射光的波長λref由方程式3給定： λref = neff .p （方程式3）
在該螺旋軸法向於該顯示面板延伸的該情況下，該螺旋結構的該間距可選擇為使得光的該反射部分具有在該UV光譜區域中的一波長。這可確保沒有可見光被電光材料23反射，藉此改善顯示裝置對可見光波長的光學效率。
在切換膽固醇型液晶組分之後，因為有效折射率的增加或減小，基於正或負的介電各向異性，反射的波長可向上或向下偏移，而間距可保持恆定。如前述，例如，該間距可藉由膽固醇型液晶組分中的凝膠含量來固定。假設顯示器發射的最小波長是0.420 µm，並且觀察到的最大有效折射率是1.65，則間距可短於0.254 µm，以避免顯示面板產生的可見光的反射。
如前述，假設Δn是0.08，所產生的間距可以是5.25 µm，以滿足在0.420 µm下的偏振無關要求（方程式1）。因此，明顯地，與反射帶準則（方程式3）相關的需要的間距（例如，＜0.254 µm）比偏振不敏感操作（方程式1）需要的間距更短。
不可切換光學透明層21可包含任何合適的光學透明材料，其具有與藉由調整電光材料23而可取得的有效折射率相匹配的折射率。不可切換光學透明層21例如可包含具有等向性折射率的材料。例如，不可切換光學透明層21可以是可使用合適的模製或（光）複製技術製造的等向性聚合物。
在圖4中示意性描繪的實施例中，不可切換光學透明層21包含另一膽固醇型液晶組分，其包含由另一間距界定的另一螺旋結構。例如，此另一膽固醇型液晶組分可從合適的預製膽固醇型模具複製。為了便於描繪，膽固醇定向係顯示為從不可切換光學透明層21至電光材料23是連續的，但是當然實作上情況將不一定是如此。另一差區分另一膽固醇型液晶組分的另一異常折射率與另一尋常折射率。另一間距可選擇為使得另一間距與另一差的另一乘積等於或小於顯示輸出的可見光波長。
關於膽固醇型液晶組分的有效折射率的類似考量也適用於另一膽固醇型液晶組分。因此，該另一膽固醇型液晶可具有另一等向性有效折射率，其可與藉由調整電光材料23而可取得的有效折射率相匹配。可選擇膽固醇型液晶組分與另一膽固醇型液晶組分，以確保在顯示裝置操作的單視域模式中其各自的有效折射率的緊密匹配。這可增強該單視域模式中顯示的該影像的該品質，特別是在傾斜的視角下。
由於另一膽固醇型液晶組分的折射率的等向性性質（針對可見光波長與更短的波長），當製造柱狀透鏡元件11時，可不需要對準不可切換光學透明層21的液晶。替代地，另一膽固醇型液晶組分的液晶可對準，使得另一螺旋軸沿著與顯示面板處於共平面的另一平面的一軸延伸（圖4中未圖示），或者法向於顯示面板延伸。關於後者，另一螺旋結構的另一間距可選擇成使得另一膽固醇型液晶組分反射的光具有在UV光譜區域中的另一波長，藉此改善顯示裝置對可見光波長的光學效率。
例如，膽固醇型液晶組分可包含直角螺旋結構或傾斜螺旋（螺旋）結構。使用傾斜螺旋結構可促成藉由調整平行於螺旋軸施加的電場來選擇或調整該間距。
合適的短間距膽固醇型液晶組分本身是眾所周知的。例如，Lavrentovich等人在Advanced Materials, Vol. 27, Issue 19, 2015, 3014-3018中描述一種短間距傾斜螺旋材料，其藉由混合兩個二聚體液晶(1',7'-雙(4-氰基聯苯-4'-基)庚烷(CB7CB)與(1-(4-氰基聯苯-4'-基)-6-(4-氰基聯苯-4'-基氧基)己烷(CB6OCB))以及一標準液晶戊基氰基聯苯(5CB) (Merck)而形成。該混合物摻雜以左旋手性添加劑S811(Merck)，其決定間距。使用三種混合物，其中組成物CB7CB：CB6OCB：5CB：S811（以重量單位計）係30：20：46：4（膽固醇相在20至66.5℃範圍內）；30.1：20：45.9：4（膽固醇相在22至68℃範圍內）；以及29：20：49：2（膽固醇相在21至69.5℃範圍內）。這種短間距膽固醇可用於膽固醇型液晶組分及/或另一膽固醇型液晶組分。
因為間距對溫度敏感，為了穩定膽固醇結構，並且實現穩定地切換液晶分子，膽固醇型液晶組分可包含交聯聚合物結構，即，各向異性凝膠，如前述。在Applied Physics Letters, Vol. 86, 161118 (2005)中，Kim等人描述了這種材料的實例。此工作中研究的膽固醇材料是市售向列型液晶MLC 6080 (Merck)、手性摻雜劑CE1、CB15、R-1011 (Merck)、反應性向列型單體RM257（1,4-雙[3-(丙烯醯基氧基)丙基氧基]-2-甲基苯；Merck）、與光起始劑Irgacure 651（2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮；Ciba Additives）之混合物。這些材料藉由以下述重量比熔融而均質地混合：70(MLC 6080) / 5.0(RM257) / 25(CE1:CB15:R-1011 = 3:3:1) / 0.25(Irgacure 651)。發現膽固醇混合物的間距約0.6 µm。
例如，該間距可藉由掃瞄式電子顯微鏡(SEM)來測量。使用此技術，可決定各向異性凝膠結構的周期性，其可對應於膽固醇材料的間距。
在一實施例中，該間距可在0.1至10 µm的範圍內。為了滿足方程式1，例如，10 µm的間距將需要膽固醇型液晶組分具有異常與尋常折射率之間的差至多是0.07，即，對應於0.7 µm (700 nm)的波長，其在可見光波長的範圍的較高端處。可根據顯示面板3產生的波長來選擇膽固醇型液晶組分及其間距，如所屬技術領域中具有通常知識者可立即明顯得知的。
圖5是可應用本發明至其的已知的可切換自動立體顯示裝置1的示意性透視圖。顯示裝置1以展開的形式顯示。
已知的裝置1包含主動矩陣類型的液晶顯示面板3，其作用為空間光調節器以產生顯示。顯示面板3具有以列與行配置的正交的子像素5陣列。為了清楚起見，圖5中僅顯示少量的子像素5。實際上，顯示面板3可包含約一千列與數千行的子像素5。
顯示面板3可包含液晶顯示面板或OLED顯示面板。由於由電光材料23提供的與偏振無關的折射率調諧，可使用傳遞非偏振光的顯示面板（諸如OLED顯示器），而不再需要額外的偏振構件。因此，顯示面板3也可包括抬頭顯示器的組合器。
在顯示面板3包含液晶顯示面板的實例中，液晶顯示面板的結構可完全是習知的。因此，這種液晶顯示面板可包含一對隔開的透明玻璃基材，在基材之間提供對準的扭轉向列型液晶或其他液晶材料。基材在其面對的表面上帶有透明銦錫氧化物(ITO)電極的圖案。偏振層也提供在基材的外表面上。各顯示子像素5可包含基材上的相對電極，電極之間有中介液晶材料。子像素5的形狀與佈局由電極的形狀與佈局決定。子像素5藉由間隙而規則地彼此間隔開。各子像素5與諸如薄膜電晶體(TFT)或薄膜二極體(TFD)的切換元件相關聯。藉由向切換元件提供定址信號來操作子像素5以產生顯示，且合適的定址方案對所屬技術領域中具有通常知識者將為已知。
子像素5之間的間隙由不透明的黑色遮罩覆蓋。遮罩以吸收光材料的網格的形式設置。遮罩覆蓋切換元件並且界定個別的子像素區域。
顯示面板3由光源7照亮，在此情況下，該光源包含在子像素陣列的區域上方延伸的平面背光。來自光源7的光係導引通過顯示面板3，其中個別的子像素5受驅動以調節光並產生顯示。
顯示裝置1也包含位於顯示面板3的顯示輸出側上方的柱狀透鏡配置9，該配置係可控制以選擇性地執行視域形成功能。柱狀透鏡配置9包含彼此平行延伸的柱狀透鏡元件11陣列，為了清楚起見，其中僅以誇大的尺寸顯示一個。
柱狀透鏡配置9在圖6中更詳細地示意顯示。配置9以展開的形式顯示。
參見圖6，可看出，柱狀透鏡元件配置9包含一對透明玻璃基材13、15，其中銦錫氧化物(ITO)形成的透明電極層17、19提供在其面向表面上。各電極層17、19都是呈複數個平行細長電極的形式，且各別不同的層17、19的電極彼此垂直配置。細長的電極以其間有小間隙來配置，以使其等能夠分開地定址。取代如所示地進行分割，在替代的實例中，電極層17、19可各自包含連續的電極結構。因此，電極17與19可各自是在子像素陣列上方連續延伸的單一電極，並且可藉由向其施加合適的電壓來操作，以簡單地將其整體的顯示輸出在二維與三維顯示模式之間切換。
構成柱狀透鏡本體並且是呈現具有相反柱狀透鏡結構的片材或板形式之不可切換光學透明層21係提供在基材13、15之間、相鄰於基材的上方者13。在此實例中，電光材料23也係提供在基材13、15之間、相鄰於基材的下方者15。柱狀透鏡本體21的相反柱狀透鏡結構導致電光材料23在柱狀透鏡本體21與下基材15之間呈現平行的、細長的半圓柱形柱狀透鏡形狀，如圖所示。如果需要對齊，與電光材料23接觸之主體21的相反柱狀透鏡結構的表面及與該電光材料接觸之下基材15的表面也可具有定向層25與26（參見圖1與圖2），用於定向液晶材料。
在使用中，圖5與圖6所示的已知的可切換顯示裝置1可操作以提供顯示輸出，顯示輸出的離散部分可單獨或組合地切換在二維與三維顯示模式之間。以此方式，可在三維顯示區域中提供一或多個二維顯示窗。
藉由施加電場橫越包含電光材料23的柱狀透鏡元件11，來達成顯示輸出的離散部分在模式之間的可切換性。藉由施加電位橫越電極層17、19的電極，來產生此電場。
將電位施加至各電極層17、19中的選定數量的相鄰細長電極。上電極的選擇界定要切換的顯示窗的高度，且下電極的選擇界定要切換的顯示窗的寬度。
如上面所解釋的，本發明可應用於具有單視域二維模式以及多視域三維顯示（其中各觀看者可體驗三維效果）或多視域顯示（其呈現多個二維視域至顯示器前面的不同位置，使得不同的觀看者可看到不同的內容）。
圖7根據一實施例顯示控制顯示輸出之方法200的流程圖。方法200在步驟210中開始。隨後在步驟220中提供一顯示面板，顯示面板具有經組態以產生一顯示輸出之若干列與行的子像素。在步驟230中，一柱狀透鏡配置在該顯示面板的顯示輸出側上配置在該顯示面板之上，柱狀透鏡配置包括一陣列的柱狀透鏡元件，該陣列的柱狀透鏡元件包含一電光材料，該電光材料相鄰於一不可切換光學透明層。該電光材料包含膽固醇型液晶組分，該膽固醇型液晶組分包含由一間距界定的螺旋結構，並且具有一尋常折射率與一異常折射率，該異常折射率與該尋常折射率不同。該間距係選擇為使得該間距與該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。在步驟240中，施加一電刺激至該膽固醇型液晶組分材料，藉此控制該電光材料的一有效折射率。該方法在步驟250中終止。
在不存在該電刺激的情況下，該柱狀透鏡配置可係在一第一模式中，在該第一模式中，該電光材料的該有效折射率實質上等於該不可切換光學透明層的一另一折射率。施加240該電刺激可包含將該柱狀透鏡配置從該第一模式切換至一第二模式，在該第二模式中，該有效折射率不同於該另一折射率。
替代地，在不存在該電刺激的情況下，該柱狀透鏡配置可在該第二模式中，在該第二模式中，該電光材料的該有效折射率不同於該不可切換光學透明層的一另一折射率。施加240該電刺激可包含將該柱狀透鏡配置從該第二模式切換至該第一模式，在該第一模式中，該有效折射率實質上等於該另一折射率。
該第一模式與第二模式可分別對應於如上述的顯示裝置的單視域模式與多視域模式。
應注意到，除了關於柱狀透鏡配置如何經組態以藉由施加電刺激來取得哪種模式（即，第一模式或第二模式）的考量之外，所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，其他考量因素可考慮至柱狀透鏡配置的設計與組態中。例如，多視域模式可藉由強的正柱狀透鏡來實現，且單視域模式藉由中性的透鏡來實現。這種柱狀透鏡配置可以多種方式實現，但是對於各方法而言，需要考慮可切換與不可切換透鏡部分的類型與形狀。注意到，切換之後的折射率變化也可以是負的或正的（雖然對於大多數液晶材料來說這是負的）。
藉由研究圖式、本揭露、與所附申請專利範圍來實施所主張的發明，所屬技術領域中具有通常知識者可理解與實現所揭示的實施例的其他變型。在申請專利範圍中，詞語「包含(comprising)」不排除其他元素或步驟，且不定冠詞「一(a)」或「一(an)」不排除複數個。在相互不同的申請專利範圍附屬項中敘述的某些測量值的這一事實並不表示這些測量值的組合不能用於得利。
申請專利範圍中的任何元件符號不應解釋為限制範圍。
1‧‧‧顯示裝置/裝置3‧‧‧顯示面板5‧‧‧子像素7‧‧‧光源9‧‧‧柱狀透鏡元件配置/柱狀透鏡配置/配置11‧‧‧柱狀透鏡元件12‧‧‧控制器13‧‧‧玻璃板/基材/透明玻璃基材15‧‧‧玻璃板/基材/透明玻璃基材17‧‧‧電極/電極層/層19‧‧‧電極/電極層/層21‧‧‧不可切換光學透明層/本體/複製品23‧‧‧液晶材料/電光材料25‧‧‧定向層26‧‧‧定向層200‧‧‧方法210‧‧‧步驟220‧‧‧步驟230‧‧‧步驟240‧‧‧步驟250‧‧‧步驟
圖1與圖2用於解釋已知的顯示裝置的操作原理； 圖3是根據實施例的柱狀透鏡配置的示意性截面圖； 圖4是根據另一實施例的柱狀透鏡配置的示意性截面圖； 圖5是可應用本發明至其的已知的自動立體顯示裝置的示意性透視圖； 圖6是圖5所示的已知的顯示裝置的柱狀透鏡配置的詳細示意圖； 圖7根據實施例顯示控制顯示輸出的流程圖。
1‧‧‧顯示裝置/裝置
3‧‧‧顯示面板
5‧‧‧子像素
7‧‧‧光源
9‧‧‧柱狀透鏡元件配置/柱狀透鏡配置/配置
11‧‧‧柱狀透鏡元件
13‧‧‧玻璃板/基材/透明玻璃基材

Claims (15)

  1. 一種顯示裝置(1)，其可在一單視域模式與一多視域模式之間切換，該顯示裝置包含一顯示面板(3)，該顯示面板具有經組態以產生一顯示輸出之若干列與行的子像素(5)，且該顯示裝置包含一柱狀透鏡配置(9)，該柱狀透鏡配置在該顯示面板的該顯示輸出側上配置在該顯示面板之上，該柱狀透鏡配置包含一陣列的柱狀透鏡元件(11)，該陣列的柱狀透鏡元件包含一電光材料(23)，該電光材料具有一柱狀透鏡形狀、相鄰於一不可切換光學透明層(21)，該不可切換光學透明層具有一相反的柱狀透鏡形狀，其特徵在於，該電光材料(23)包含一膽固醇型(cholesteric)液晶組分，該膽固醇型液晶組分具有可藉由施加一電刺激來控制的一有效折射率，該膽固醇型液晶組分包含一交聯(cross-linked)聚合物，該膽固醇型液晶組分具有一尋常的折射率與一異常的折射率，該異常的折射率與該尋常的折射率相差一差，且該膽固醇型液晶組分包含由一間距界定的一螺旋(helical)結構，其中該間距係選擇為使得該間距與該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長。
  2. 如請求項1之顯示裝置(1)，其中在該顯示裝置之操作的該單視域模式中，該電光材料(23)的該有效折射率係控制為實質上等於該不可切換光學透明層(21)的一另一折射率。
  3. 如請求項1或2之顯示裝置(1)，其中該間距在自0.1至10μm的範圍內。
  4. 如請求項1或2之顯示裝置(1)，其中該膽固醇型液晶組分包含由一螺旋軸界定的一螺旋結構，該螺旋軸沿著與該顯示面板處於共平面的一平面的一軸延伸。
  5. 如請求項1或2之顯示裝置(1)，其中該膽固醇型液晶組分包含由一螺旋軸界定的一螺旋結構，該螺旋軸法向於該顯示面板延伸，使得該膽固醇型液晶組分將具有與該螺旋結構相同旋向性(handedness)的該顯示輸出的一部分反射回朝向該顯示面板(3)，其中該螺旋結構的該間距係選擇為使得該部分具有在UV光譜區域中的一波長。
  6. 如請求項1或2之顯示裝置(1)，其中該不可切換光學透明層(21)包含一另一液晶材料。
  7. 如請求項6之顯示裝置(1)，其中該另一液晶材料包含一另一膽固醇型液晶組分，該另一膽固醇型液晶組分包含由一另一間距界定的一另一螺旋結構，且該另一膽固醇型液晶組分具有一另一尋常的折射率與一另一異常的折射率，該另一異常的折射率與該另一尋常的折射率相差一另一差；其中該另一間距係選擇為使得該另一間距與該另一差的一另一乘積等於或短於該顯示輸出的該可見光波長。
  8. 如請求項7之顯示裝置(1)，其中該另一螺旋軸沿著與該顯示面板處於共平面的一另一平面的一軸延伸。
  9. 如請求項7之顯示裝置(1)，其中該另一膽固醇型液晶組分包含一另一螺旋軸，該另一螺旋軸法向於該顯示面板延伸，使得該另一膽固醇型液晶組分將具有與該另一螺旋結構相同旋向性的光的一另一部分反射回朝向該顯示 面板，其中該另一螺旋結構的該另一間距係選擇為使得該另一部分具有在該UV光譜區域中的一另一波長。
  10. 如請求項1或2之顯示裝置(1)，其中該顯示面板(3)包含一液晶顯示面板或一OLED顯示面板。
  11. 如請求項1或2之顯示裝置(1)，其中該顯示裝置包含一自動立體顯示(autostereoscopic)裝置，該單視域模式包含一二維模式，且該多視域模式包含一三維模式。
  12. 如請求項1或2之顯示裝置(1)，其中該顯示裝置包含一雙視域顯示裝置，其中該單視域模式包含該顯示器的全視場中的一二維模式，且該多視域模式包含在該顯示器的該全視場的不同部分處的兩個至少部分分離的二維模式。
  13. 一種控制一顯示輸出的方法(200)，其包含：提供(220)一顯示面板，該顯示面板具有經組態以產生一顯示輸出之若干列與行的子像素；在該顯示面板的該顯示輸出側上配置(230)一柱狀透鏡配置在該顯示面板之上，該柱狀透鏡配置包括一陣列的柱狀透鏡元件，該陣列的柱狀透鏡元件包含一電光材料，該電光材料具有一柱狀透鏡形狀、相鄰於一不可切換光學透明層，該不可切換光學透明層具有一相反的柱狀透鏡形狀，其特徵在於，該電光材料包含一膽固醇型液晶組分，該膽固醇型液晶組分包含由一間距界定的一螺旋結構，該膽固醇型液晶組分包含一交聯聚合物，且該膽固醇型液晶組分具有一尋常的折射率與一異常的折射率，該異常的折射率與 該尋常的折射率不同，其中該間距係選擇為使得該間距與該差的一乘積等於或小於該顯示輸出的一可見光波長；且其特徵在於該方法進一步包含：施加(240)一電刺激至該膽固醇型液晶組分材料，藉此控制該電光材料的一有效折射率。
  14. 如請求項13之方法(200)，其中在不存在該電刺激的情況下，該柱狀透鏡配置係在一第一模式中，在該第一模式中，該電光材料的該有效折射率實質上等於該不可切換光學透明層的一另一折射率，且施加(240)該電刺激包含將該柱狀透鏡配置從該第一模式切換至一第二模式，在該第二模式中，該有效折射率不同於該另一折射率。
  15. 如請求項13之方法(200)，其中在不存在該電刺激的情況下，該柱狀透鏡配置係在一第二模式中，在該第二模式中，該電光材料的該有效折射率不同於該不可切換光學透明層的一另一折射率，且施加(240)該電刺激包含將該柱狀透鏡配置從該第二模式切換至一第一模式，在該第一模式中，該有效折射率實質上等於該另一折射率。
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