專利名稱：自動立體感顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動立體感顯示設(shè)備，包括彩色自動立體感顯示設(shè)備，尤其是在自動立體感顯示模式和二維顯示模式之間可電切換的自動立體感顯示設(shè)備。本發(fā)明還涉及可電控制或電切換的漫射屏，這樣的漫射屏是可以在漫射模式和非漫射模式之間電控制或電切換的。
背景技術(shù)：
立體感顯示器能夠提供由在不同觀察點上不同的子圖像構(gòu)成的圖像。如果為觀看者的左眼和右眼提供經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)的不同子圖像(即，具有合適的雙眼視差)，則觀看者感受到的總的圖像是三維圖像。提供相異圖像的一種公知方法是通過改變顏色含量，同時觀看者需要帶上特殊的眼鏡，這種眼鏡在各個目鏡中具有不同的顏色吸收透鏡。
在不需要觀看者佩戴特殊的眼鏡的情況下給出由在不同觀察點上不同的子圖像構(gòu)成的圖像的立體感顯示器稱為自動立體感顯示器。典型的自動立體感顯示器包括矩陣液晶顯示(LCD)屏，該液晶顯示屏包括按行和列排列的顯示單元的陣列。這種顯示器此外還包括用于引導(dǎo)來自顯示單元陣列的輸出光線以致使得從顯示屏上的給定點給出的可見輸出取決于觀察角度的構(gòu)件。這意味著觀看者的右眼看到的景象與左眼看到的景象不同，給出了所期望的立體感或三維圖像。
輸出光線導(dǎo)向部件的公知形式是重疊在顯示屏上的柱狀透鏡光柵(lenticular sheet)。柱狀透鏡光柵(例如具有聚合物材料的模制或機加工片的形式)是這樣重疊在顯示屏的輸出側(cè)上的柱狀透鏡光柵的透鏡間光柵元件(lenticular element)(包括(半)圓柱狀透鏡單元)沿著列方向延伸，同時各個透鏡間光柵元件與相應(yīng)的一組兩列或多列顯示單元的相鄰列相關(guān)并且與顯示單元列平行地延伸。在各個微型柱狀透鏡(lenticules)與兩列顯示單元相關(guān)的方案中，將顯示屏驅(qū)動成顯示包括兩個垂直交錯的2-D子圖像的復(fù)合圖像，由交替的兩列顯示單元顯示這兩個圖像，并且各列中的顯示單元給出各自的2-D子圖像的垂直片段。柱狀透鏡光柵將這兩個片段以及來自與其它微型柱狀透鏡相關(guān)的顯示單元列的相應(yīng)片段分別引向處于該柱狀透鏡光柵前方的觀看者的左右眼，從而，通過具有適當(dāng)雙眼視差的子圖像，觀看者感覺到單獨一個立體圖像。在其它一些多視圖方案中，其中各個微型柱狀透鏡與行方向上的一組超過兩個相鄰的顯示單元相關(guān)，并且將各個組中顯示單元的相應(yīng)列適當(dāng)?shù)嘏帕校蕴峁﹣碜愿髯缘?-D(子)圖像的垂直片段，于是隨著觀看者頭部的移動，會感受到一連串連續(xù)的、不同的立體視圖，以產(chǎn)生例如環(huán)顧的效果。由于需要透鏡間光柵元件與顯示像素精確對齊，因此常規(guī)上是以固定不變的方式將微型柱狀透鏡屏幕安裝在顯示屏上，以致于透鏡間光柵元件的位置相對于像素陣列是固定的。
此類自動立體感顯示設(shè)備可以用于各種不同的應(yīng)用，例如用于醫(yī)療成像、虛擬現(xiàn)實、游戲、移動電話和CAD領(lǐng)域。
US-A-2003/0011884公開了一種配備有可采用電子手段切換光漫射層的自動立體感顯示設(shè)備，該光漫射層包括夾在相對電極之間的電光材料，例如，聚合物彌散液晶(PDLC)層。通過對這些電極施加適當(dāng)?shù)碾娢徊睿梢允乖搶訌牟簧⑸錉顟B(tài)變成強漫射狀態(tài)，從而由于漫射狀態(tài)抵消了柱狀透鏡光柵的光學(xué)效果，使得該設(shè)備從3D模式改變成2-D模式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，傳統(tǒng)可電切換的光漫射層(比如用于US-A1-2003/0011884公開的設(shè)備中的PDLC層)的散射或漫射特性對于它們在這樣的裝置中所起到的具體漫射作用來說并不是最佳的。具體來說，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，公知的漫射層的角散射特性并不最適于這樣的處理對穿過柱狀透鏡光柵的光線進(jìn)行漫射，以提供來自與給定微型柱狀透鏡相關(guān)的像素或子像素的光線的高水平混合，同時仍然盡可能保持來自與不同微型柱狀透鏡相關(guān)的像素或子像素的光線分離。
按照第一方面，本發(fā)明提供了一種可電控制或可電切換的光漫射器，包括光學(xué)介質(zhì)或基板和電光介質(zhì)或?qū)?；透明電極，設(shè)置成用來在電光介質(zhì)上提供電場，以便通過在電光介質(zhì)上施加或不施加電場或者通過改變在電光介質(zhì)上的電場實現(xiàn)對電光介質(zhì)的折射率的控制；將光學(xué)介質(zhì)和電光介質(zhì)設(shè)置成在光學(xué)介質(zhì)的第一表面與電光介質(zhì)的第一表面之間具有有效光學(xué)接口，該有效光學(xué)接口是例如通過電光介質(zhì)和光學(xué)介質(zhì)直接鄰接而形成的，或者例如借助處于它們之間的另一層(例如透明電極)而形成；其中至少將光學(xué)介質(zhì)的第一表面和電光介質(zhì)的第一表面至少之一構(gòu)造成具有表面外形，該表面外形包括具有多個表面角或小平面角(facet angles)，或者表面角或小平面角的分布或提供不同角度或多個角度的輪廓，以致(i)當(dāng)通過施加或不施加電場而將電光介質(zhì)的折射率控制成基本等于光學(xué)介質(zhì)的折射率時，基本上沒有由光學(xué)介質(zhì)的第一表面與電光介質(zhì)的第一表面之間的有效光學(xué)接口引發(fā)的折射，并且以致(ii)當(dāng)通過施加或不施加電場而將電光介質(zhì)的折射率控制成不同于光學(xué)介質(zhì)的折射率時，在光學(xué)介質(zhì)的第一表面與電光介質(zhì)的第一表面之間的有效光學(xué)接口處發(fā)生折射，并且，借助于該表面外形，例如有多個表面角或小平面角，或者例如該表面外形包括表面角或小平面角的分布或提供不同角度或多個角度的輪廓，所述折射將光線引向相應(yīng)的多個角度或方向，從而提供了漫射效果或模式。
最好，多個表面角是不同地分布在不同的表面方向上的，以致于將光線漫射到不同表面方向上的不同范圍內(nèi)。
最好，電光介質(zhì)包括較小的小滴聚合物彌散液晶(droplet polymerdispersed liquid crystal)。
按照另一個方面，本發(fā)明提供了一種自動立體感顯示裝置，包括按照上述第一方面或者上面介紹的第一方面的變形方式中的任何一種的可電控制的漫射器。
最好，該自動立體感顯示器包括顯示屏，例如液晶顯示屏；和導(dǎo)向部件，例如柱狀透鏡光柵。將可電控制的漫射器設(shè)置成在至少一種電場模式下提供漫射效果，以擾亂導(dǎo)向部件的效果，所述電場模式包括在電光介質(zhì)上施加給定幅度的電場或電壓，或者在電光介質(zhì)上不施加電場或電壓。
最好，在上面介紹的電場模式中的另一種不同的模式下，基本上沒有漫射發(fā)生。另一種可能是發(fā)生中間漫射效果，提供例如介于2D和3D中間的圖像。
最好，在漫射效果期間，漫射的范圍足以提供用來提供基本上為2D圖像的充分混合。
最好，顯示屏包括按照行和列排列成矩陣形式的子像素或像素；導(dǎo)向部件包括基本上平行于所述列排列的透鏡間光柵元件，以致沿著行的子像素或像素的組是按照相應(yīng)的透鏡間光柵元件排列的；并且多個表面角不同地分布在行和列方向上，以致于在漫射模式下，在行方向上光線的漫射多于在列方向上光線的漫射。
最好，表面角的分布或變化是這樣進(jìn)行的它以大于衍射極限但小于子像素間隔的數(shù)值范圍變化，因此所觀察到的效果是關(guān)于子像素的間隔的漫射器的效果。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種自動立體感顯示裝置，包括顯示屏、導(dǎo)向部件(例如柱狀透鏡光柵)和可電控制的漫射器?？呻娍刂频穆淦靼ü鈱W(xué)介質(zhì)，例如聚對苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate)(PET)，該光學(xué)介質(zhì)具有與電光介質(zhì)相抵靠的結(jié)構(gòu)化表面，電光介質(zhì)例如為較小的小滴聚合物彌散液晶(PDLC)層。電光材料的折射率隨著所施加的電場(或者零電場)變化，并且可以在至少兩個值之間進(jìn)行切換，這兩個值是(i)基本上與光學(xué)介質(zhì)的折射率相配的值，該值提供了基本上不漫射的模式，因此提供了顯示裝置的3D操作，和(ii)不同于光學(xué)介質(zhì)的折射率的值，因此在結(jié)構(gòu)化表面處造成了折射，該結(jié)構(gòu)化表面提供不同的折射角，以致提供了總體漫射的效果，因此提供了2D操作。漫射器可以作為獨立的單元給出。
在本發(fā)明中，漫射或者有效漫射效果是由來自光學(xué)介質(zhì)和電光介質(zhì)之間的變粗糙表面以不同角度輸出的變化而給出的。這種角度變化可以通過改變結(jié)構(gòu)化表面的表面外形和/或通過改變光學(xué)介質(zhì)和/或電光介質(zhì)的折射率，和通過改變或選擇在電光介質(zhì)上施加的電壓電平或電場的強度來控制或預(yù)定。這能夠?qū)⒙涔饩€的角度分布據(jù)此控制、選擇或預(yù)定成，至少是近似地，比可通過傳統(tǒng)的依賴于通過電光或其它可切換層的體積實現(xiàn)的體漫射的可電控制的漫射器得到的分布更加適當(dāng)?shù)姆植肌?br>

現(xiàn)在將參照附圖借助實例對本發(fā)明的實施方式加以介紹，其中附圖1是包括自動立體感顯示裝置和可電切換的光漫射器的彩色顯示設(shè)備的示意性透視圖；
附圖2以平面圖方式表示附圖1中的設(shè)備產(chǎn)生兩個視圖顯示輸出的操作；附圖3是附圖1中的設(shè)備中的顯示單元的一行的一部分的示意性平面圖；附圖4A表示(未按比例)現(xiàn)有技術(shù)中用作體漫射器的傳統(tǒng)PDLC層的典型角漫射(散射)分布；附圖4B表示理想角度漫射(散射)分布；附圖5表示附圖1中的設(shè)備中設(shè)置的可電切換的光漫射器的細(xì)節(jié)；和附圖6示意性表示垂直照射在附圖5的可電切換的光漫射器上的光線的路徑。
具體實施例方式
附圖1是包括自動立體感顯示裝置10和可電切換的光漫射器80的彩色顯示設(shè)備1的示意性透視圖。
自動立體感顯示器10包括傳統(tǒng)的有源彩色矩陣液晶顯示(AMLCD)屏11，該顯示屏用作空間光調(diào)制器并且具有排列成彼此垂直的直線行和列的顯示單元12的平面陣列。為了簡單明了，在各個行和列中，顯示單元只是相對較少地示意性示出。顯示屏11由光源14照亮，該光源14可以具有任何適當(dāng)?shù)念愋筒⑶以谶@個例子中包括與顯示單元陣列的面積共同擴張(co-extensive)的平面背光源。通過對其施加適當(dāng)?shù)尿?qū)動電壓，由各個顯示單元或子像素12對入射到屏上光線加以調(diào)制，以致產(chǎn)生期望的圖像顯示輸出。
通過疊加顯示屏11的輸出側(cè)，設(shè)置了柱狀透鏡光柵15，它提供細(xì)長的平行的透鏡間光柵元件16的陣列。透鏡間光柵元件16包括光學(xué)圓柱會聚微型柱狀透鏡，例如形成為凸圓柱透鏡，這些凸圓柱透鏡與顯示單元的列平行地延伸，并且用來按照公知方式向面對柱狀透鏡光柵15一側(cè)的遠(yuǎn)離顯示屏11的觀看者的雙眼提供分離的圖像，按垂直隔行掃描(interleaved)的方式以顯示屏11的陣列產(chǎn)生該分離圖象，以致使觀看者能夠感受到立體的或3D的圖像。使用與矩陣顯示屏相結(jié)合的柱狀透鏡光柵的自動立體感顯示設(shè)備是公知的，因此認(rèn)為沒有必要在這里詳細(xì)介紹它們的操作。這樣的設(shè)備和它們的操作的例子在前面提到的US-A1-2003/0011884和GB-A-2196166中介紹過或引用過，這兩篇文獻(xiàn)的內(nèi)容以引用的方式并入本文。各個透鏡間光柵元件16可以重疊在一組兩個、三個或更多的相鄰子像素列上，以提供相應(yīng)數(shù)量的視圖(views)。
各個透鏡間光柵元件沿著相互不同的角方向提供來自各個相關(guān)像素列的空間上不連續(xù)的輸出光束。將該顯示屏驅(qū)動，以便由各個子像素列產(chǎn)生很窄的2-D(子)圖像的垂直片段，同時所產(chǎn)生的顯示包括將分別由觀看者的左眼和右眼看到的多個隔行掃描(interleaved)2-D(子)圖像。這樣，各個透鏡間光柵元件16提供多個輸出光束，每一個光束來自于一個該透鏡間光柵元件的相關(guān)子像素列，這些光束的光軸處于相互不同的方向上并且圍繞著透鏡間光柵元件的縱軸按一定角度分散開。通過施加給各個顯示單元列然后又施加給雙眼接收到不同光束的觀看者的適當(dāng)?shù)?-D圖像信息，使觀看者感受到了3-D圖像。由于各個透鏡間光柵元件與多至數(shù)個子像素列相關(guān)，于是隨著觀看者的頭部沿著行方向進(jìn)行移動，可以看到不同的立體感圖像。雖然透鏡間光柵元件通?；旧鲜桥c子像素列對齊的，但是也可以使它們相對于這些列稍有傾斜，這在美國專利US6064424中有過介紹。
附圖2以平面圖方式表示在這個例子中所述設(shè)備產(chǎn)生二視圖顯示輸出的操作，其中各個透鏡間光柵元件16重疊在相鄰子像素列的相應(yīng)的一組21(在這個例子中是一對)上，以致于呈現(xiàn)給觀看者兩個垂直帶，每個垂直帶代表相應(yīng)2-D視圖的垂直片段。在施加給子像素12的適當(dāng)2-D圖像信息的情況下，并且在觀看者的眼睛處于接收輸出光束中的不同光束的適當(dāng)距離上的情況下，會感受到3-D圖像。可以將視圖的數(shù)量從附圖2中所示的給出單獨一個立體感圖像的僅僅兩個視圖改變?yōu)槎鄠€視圖，例如給出六個立體感圖像的七個視圖。(為了簡明起見，附圖2中沒有示出可電切換的光漫射器80)。
附圖3是表示彩色矩陣LCD屏11中的顯示單元行的一部分的示意性平面圖。屏11包括這樣的彩色像素布局其中各個彩色像素30包括在行中構(gòu)成水平RGB三元組(triplet)30的三個(紅色R、綠色G、藍(lán)色R)相鄰子像素12。這種彩色像素布局是使用垂直濾色帶通過按照重復(fù)的方式將顯示屏11的顯示單元12排列成各個R、G和B列而形成的。這種顯示屏的像素間距是顯示屏中像素的間距的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在通常情況下，對于傳統(tǒng)的彩色矩陣LCD屏，在垂直、列方向上和水平、行方向上像素間距是基本相等的。附圖3表示八個RGB彩色像素30，它們各自包括三個子像素12。水平間距K等于像素的寬度加上相鄰像素之間的間隔(未示出)。這種顯示屏11的分辨率是觀看者感受到像素的空間頻率的衡量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然希望有高的分辨率，因為這會產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像輸出。在通常情況下，對于傳統(tǒng)的彩色矩陣LCD屏，分辨率在垂直、列方向上和水平、行方向上是基本相等的。
柱狀透鏡光柵15是按照各個細(xì)長的透鏡間光柵元件16基本上覆蓋著相鄰子像素列的相應(yīng)對21的方式重疊在顯示屏11上的。微型柱狀透鏡的間距p是兩個相鄰的細(xì)長透鏡間光柵元件16各自的中心之間的距離。應(yīng)當(dāng)意識到，僅僅示出了顯示屏11的一行，因此僅示出了在水平方向上相鄰的一對子像素21與各個透鏡間光柵元件16相對應(yīng)。還應(yīng)當(dāng)意識到，微型柱狀透鏡陣列15是示意性畫出的，因此示出的是一行的一部分的橫截面。單獨一個微型柱狀透鏡15將來自相應(yīng)子像素32、33的輸出光線引向相互不同的方向。再次參照附圖2，觀看者將會感受到二視圖的立體感圖像。來自各個對21的左側(cè)上的各個子像素32的輸出被引向區(qū)域A，并且因此在附圖2中，由觀看者的右眼看到。在A處看到的圖像35的感覺上的水平像素間距L兩倍于顯示屏水平像素間距K的長度。同樣地，來自各個對21的右側(cè)上各個子像素33的輸出被引向區(qū)域B，并且因此在附圖2中，由觀看者的左眼看到。在B處看到的圖像36感覺上具有水平像素間距L。因此二視圖立體感圖像的水平分辨率是在沒有柱狀透鏡光柵15的情況下看到的相應(yīng)2-D圖像的一半。
雖然上面的例子介紹了二視圖系統(tǒng)的情況，但是在具有超過兩個視圖的立體感圖像的情況下，分辨率也會降低。例如，各個微型柱狀透鏡可以基本上覆蓋著四個相鄰的子像素列，給出具有相應(yīng)2-D顯示的四分之一水平分辨率的四視圖立體感顯示。
再次參照附圖1，現(xiàn)在將更加詳細(xì)介紹可電切換的光漫射器80的作用。在第一種條件下，使可電切換的光漫射器80切換成基本上不漫射的狀態(tài)，即，基本上清澈的狀態(tài)，以致于觀看者感受到如上所述的立體感3-D圖像，并且得到圖像35和36。在第二種條件下，使可電切換的光漫射器80切換到基本上散射的狀態(tài)，以致于柱狀透鏡光柵15的定向效應(yīng)基本上得到消除，結(jié)果觀看者感受到2-D圖像?？呻娗袚Q的光漫射器80設(shè)置得非常接近(最好直接接觸)柱狀透鏡光柵15的表面。
在附圖3中示意性示出了可電切換的光漫射器80處于上述第二種條件下(即，切換到基本上散射的狀態(tài))時的效果。會出現(xiàn)這樣一種平均效果將來自各個對21中的各個子像素的光輸出引向基本相同的方向。因此觀看者的雙眼看到相同的圖像50。相應(yīng)的處于底層的子像素對21內(nèi)的所有子單元對來自與各個透鏡間光柵元件16相應(yīng)的各個被感受的像素的輸出都做出了貢獻(xiàn)。例如，在可電切換的光漫射器80切換到清澈狀態(tài)的情況下，右眼觀看到來自紅色子像素的輸出而左眼觀看到來自相鄰綠色子像素的輸出，而現(xiàn)在，在可電切換的光漫射器80切換到散射狀態(tài)的情況下，兩眼觀看到來自紅色和綠色子像素二者的輸出的混合結(jié)果。因此觀看者看到了雙眼接收到來自所有子像素的光輸出而形成的圖像50，因此感受到的是2-D圖像。在這個例子中，六個顯示單元(每種顏色兩個)的輸出對混合三元組51做出了貢獻(xiàn)?；旌先M51的間距M與在立體圖像下感覺到的水平間距L相同。不過，各個混合三元組51的總體輸出包括兩種顏色“未混合”像素三元組的輸出。因此2-D感覺到的水平像素間距是混合三元組間距M的一半。這樣，2-D圖像的分辨率大于立體感圖像的分辨率。對于上面例子中介紹的兩視圖顯示，通過按照這種方式切換可電切換的光漫射器80，分辨率得到了完全恢復(fù)。
可電切換的光漫射器80在切換到如上所述的基本散射狀態(tài)時的作用和效果是用理想可電切換的光漫射器80實現(xiàn)的理想的或最優(yōu)的結(jié)果。實際上，上述的解釋說明假設(shè)了光漫射層的角漫射屬性是理想的，以致，首先，來自與某一特定透鏡間光柵元件相應(yīng)的兩個子像素的光線是完全且同等地混合的(例如，如圖像50的組合子像素圖像52中的“R+G”)，其次，沒有使來自與某一特定透鏡間光柵元件相應(yīng)的兩個子像素的光線任意更寬地散射到比如到達(dá)沿著行方向相鄰的子像素的光路內(nèi)(例如，使得沒有藍(lán)色B存在于圖像50的“R+G”組合子像素圖像52中)或者來自沿著同一列相鄰的子像素(即，沿著特定透鏡間光柵元件再向下)的光路中。
使用傳統(tǒng)的可電切換光漫射層(比如再前面提到的US-A1-2003/0011884中介紹的體PDLC層)可以實現(xiàn)比較好的性能。不過，這樣的傳統(tǒng)漫射器層對于上面介紹的用途而言，并不具有特別合適的角漫射屬性。
附圖4A表示(未按比例)傳統(tǒng)體PDLC層的典型角漫射(這也可看作散射)分布80。傳統(tǒng)角漫射分布80包含不受阻地經(jīng)過PDLC層的光線強“沖擊(ballistic)”峰82和寬復(fù)合散射肩84。沒有一種特征是想要的。強沖擊峰82降低了來自與某一特定透鏡間光柵元件相應(yīng)的兩個子像素的光線完全和等同混合的程度。寬復(fù)合散射肩84增大了使來自與某一特定透鏡間光柵元件相應(yīng)的兩個子像素的光線更寬散射成比如到達(dá)其它子像素的光路中的程度。
本發(fā)明人進(jìn)一步認(rèn)識到，更加合適的角漫射(散射)分布是附圖4B中所示的(未按比例)角漫射分布86。本發(fā)明人認(rèn)識到，在理想情況下，可電切換的光漫射器應(yīng)該不會引發(fā)垂直散射，而是應(yīng)該沿著水平方向有較窄的角度范圍內(nèi)的高斯漫射。散射角度在理想情況下正好足以混合來自屬于處于給定透鏡下面或與給定透鏡相應(yīng)的同一子像素組的子像素的光線，即，散射角度在理想情況下約為觀察區(qū)域的寬度，由下式給出φ=2tan-1p2f]]>其中p是透鏡間距，f是焦距。對于目前顯示器，p和f的典型值為p＝0.4mm和f＝1.5mm，給出15°的散射角(FWHM)。預(yù)計將來會想要更大的φ。在大于φ的角度的范圍內(nèi)的散射將有降低亮度(光線損失到大的角度中)和對比度(散射混合了來自處于不同透鏡間光柵元件下面的像素的光線)的趨勢。參照附圖4B，角漫射分布86包括小于1％的垂直散射分量88和接近10％的水平散射分量90。
附圖5表示按照本實施方式給出的可電切換的光漫射器80的更多細(xì)節(jié)。
可電切換的光漫射器80包括兩個間隔開的透明基板92、94，例如由聚對苯二甲酸乙二酯(PET)制成的薄塑料基板，從而形成了夾入小滴PDLC材料95的間隔空間。在基板92、94的內(nèi)表面上設(shè)置(即，相對設(shè)置)有例如由銦錫氧化物制成的透明電極96、97。引線81(如附圖1中所示)與透明電極96、97相連。在操作中，引線81和透明電極96、97用于按照需要傳遞和施加在小滴PDLC材料95上電場。
基板94的內(nèi)表面98是具有粗糙的、不均勻的或其它不平坦表面外形的結(jié)構(gòu)化表面。該結(jié)構(gòu)化表面可以使用任何適當(dāng)?shù)氖侄涡纬桑?，舉例來說，用機械、模壓、復(fù)制或光學(xué)手段。(此后，將把具有結(jié)構(gòu)化表面的基板稱為結(jié)構(gòu)化基板94，而把其它基板稱為平坦基板92。)按照本實施方式，對該表面進(jìn)行的是模壓。
小滴PDLC材料95取決于是否在其上施加電場而具有不同的有效折射率。當(dāng)沒有施加電場時，小滴PDLC材料95的折射率不同于結(jié)構(gòu)化基板94的折射率，因此由于粗糙表面處折射率失配造成散射和漫射的發(fā)生，這將在下面更加詳細(xì)地介紹。
不過，當(dāng)在小滴PDLC材料95上施加電場時，小滴PDLC材料95的折射率變得接近或基本上等于結(jié)構(gòu)化基板94的折射率，因此在變粗糙表面處沒有折射率失配，從而不會發(fā)生散射和漫射。注意，這里使用的小滴PDLC材料95并不在光線穿過該材料的時候?qū)饩€提供任何實質(zhì)上的體漫射效應(yīng)，不管是當(dāng)在該材料上施加電場時還是當(dāng)沒有在該材料上施加電場時(這與上面提到的US-A1-2003/0011884中的通過標(biāo)準(zhǔn)PDLC材料采用的體漫射效應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)相反)。
小滴PDLC材料95具有約為或小于可見光波長的泡大小。這種類型的材料在所謂的全息PDLC中已經(jīng)采用過，并且在J H M Neijzen、H M J Boots、F A M A Paulissen、M B van der Mark和H J Cornelissen的《液晶(Liquid Crystals)》(vol.22，第255-264頁，1997)和《Natlab技術(shù)手冊TN021/96(Natlab technical note TN021/96)》中介紹過，這些公開文本的內(nèi)容以引用的方式并入本文。
由于液晶分子的泡到泡的隨機取向，單元(cell)表現(xiàn)為具有這樣的有效折射率的介質(zhì)n1=23no+13ne]]>當(dāng)在小滴PDLC材料95層上施加了足夠強的電場時，泡中的液晶分子將會按照電場的方向排列。對于垂直通過該層的光線(即，平行于電場)，小滴PDLC材料95層現(xiàn)在將會表現(xiàn)出這樣的有效折射率n2＝none和no的典型值分別是1.807和1.527，由上面的公式，給出值n1＝1.620和n2＝1.527。
附圖6示意性表示垂直照射在可電切換的光漫射器80上的光線101的路徑，此時沒有在透明電極96、97之間施加電場，因此PDLC材料95的有效折射率是n1＝1.620。
光線101從自動立體感顯示器10的外層進(jìn)入到結(jié)構(gòu)化基板94中，在這個例子中基板是折射率接近n2的玻璃基板105。
結(jié)構(gòu)化基板94也具有等于n2的折射率。第一次折射發(fā)生在結(jié)構(gòu)化表面98處，該結(jié)構(gòu)化表面傾斜了角度，并且折射率在這里從n2和n1變化。第二次折射發(fā)生在平坦基板92和空氣108之間的界面處。注意，平坦基板92的折射率是不重要的，結(jié)果得到的角度θ0完全是由從n1到空氣的過渡確定的。同樣，透明電極97的存在也不會造成什么實際的影響，在附圖6中沒有示出該透明電極，但是它實際上處于第二基板94和小滴PDLC層95之間，因為它的折射作用本身是相互抵消的，即，盡管有透明電極97存在于結(jié)構(gòu)化基板94和小滴PDLC層95之間，在它們之間的結(jié)構(gòu)化表面98處也提供了有效光學(xué)界面。
因此空氣108中的角度是由下列等式中的θo給出的 我們現(xiàn)在來考慮粗糙表面98的代表性部分98a的角度。可以將其簡稱為代表性部分的小平面角，并且在附圖6中標(biāo)為。在作為整體的結(jié)構(gòu)化表面98上，存在這樣的小平面角的分布，各個小平面角沿不同角度θo折射入射光線，并且導(dǎo)致出射角的分布。換句話說，交界面整體上起到了漫射器的作用。
小平面角的分布或變化是這樣進(jìn)行的，它以大于衍射極限但小于子像素間隔的數(shù)值范圍變化，因此所觀察到的效果是關(guān)于子像素的間隔的漫射器的效果。
在打開狀態(tài)下，當(dāng)施加電場時，PDLC的有效折射率等于n2并且不發(fā)生折射；單元表現(xiàn)為清澈的、不散射的表面，即，不漫射條件。
上面的等式可以用于將粗糙基板表面的小平面角度分布的寬度與漫射分布的寬度關(guān)聯(lián)起來，即， 在這個例子中，通過取σ＝44°，我們計算出σθ＝5°。可以看出，因為n1和n2相當(dāng)接近，并且如果施加弱電場則更加接近，因此可以按照需要使θ盡可能小。按照其它一些實施方式，這對在顯示器上產(chǎn)生中間2D/3D效果(即，仍然有一定的3D的效果，只是深度減小，但是分辨率升高)是很有用的。
按照這種實施方式，將結(jié)構(gòu)化表面模壓成具有包括大量的小不連續(xù)區(qū)域的表面外形。各個區(qū)域小于透鏡(例如，小于200μm)并且大于光波長(例如，1μm或更大)。按照這種實施方式，使用了比較方便的數(shù)量的不同的小平面角度，比如說一百個。使得每個區(qū)域具有一個小平面角，例如，有一萬個區(qū)域具有第一小平面角，一萬個區(qū)域具有第二小平面角，等等。所有區(qū)域混雜在該表面上，以致于在任何局部區(qū)域內(nèi)，優(yōu)選至少有多達(dá)這一百個不同小平面角的分布。這些區(qū)域可以是采用機械方法(即，粗糙打磨)或光刻方法(采用半隨機固定設(shè)計)制成的。
而且，按照不同的實施方式，達(dá)到附圖4B的理想散射分布的程度可以通過將基板的結(jié)構(gòu)化表面外形成這樣而得到增大使得在水平方向上和垂直方向上不同。按照這種實施方式，這可以通過控制模壓設(shè)置中不同不連續(xù)區(qū)域的分布來實現(xiàn)。
一種一般性的優(yōu)點是，僅僅需要很小的折射率n1到n2的變化。
另一種有益之處在于，單元結(jié)構(gòu)非常簡單并且可以使用薄的塑料基板材料，因為不需要精確對齊。
再有一種有益之處在于，2D(散射)狀態(tài)不需要消耗電力。
按照上述的實施方式，透明電極基本上分布在基板92、94的整個區(qū)域上，從而在2D和3D模式之間切換整個顯示區(qū)域。不過，按照其它一些實施方式，可以對透明電極96、97進(jìn)行圖案化，以在2D顯示中提供3D窗口或者在3D顯示中提供2D窗口。這可以按照前面提到的US-A1-2003/0011884中介紹的方式來實施。
雖然如前面實施方式中那樣，將可電切換的光漫射器80定位在導(dǎo)向部件15的前面是優(yōu)選的，但是可以想到，也可以將它定位在導(dǎo)向部件與顯示屏11之間，從而使得它與導(dǎo)向部件的輸入側(cè)緊密配合在一起。
按照上述的實施方式，透鏡間光柵元件的彎曲面面向觀看者。這通常給出最佳的光學(xué)特性。不過，按照其它一些實施方式，出于其它一些原因，比如為了使制造或組裝容易，微型柱狀透鏡的彎曲面可以背離觀看者。
按照上述實施方式，顯示器是具有顏色不同的子像素的彩色顯示器。不過，按照其它實施方式，可電切換的光漫射器可以與黑白顯示構(gòu)件結(jié)合起來使用。
而且，雖然在上面的實施方式中介紹的可電切換的光漫射器尤其適于與上面介紹的顯示部件一起使用，但是按照其它一些實施方式，可電切換的光漫射器可以與任何其它類型的顯示裝置或者需要或有可能利用可電切換的光漫射器的設(shè)備一起使用。實際上，本發(fā)明延伸到了任何其它合乎需要的光學(xué)應(yīng)用中的可電切換的漫射器，并且在這個意義上講，上面實施方式中涉及這樣的可電切換的漫射器的細(xì)節(jié)要看作為代表按照本發(fā)明的各個方面的獨立的可電切換的漫射器的實施方式。
按照上述實施方式，結(jié)構(gòu)化表面的表面外形是通過模壓形成的。不過，按照其它實施方式，結(jié)構(gòu)化表面的表面外形可以使用任何適合的手段來形成，包括，舉例來說，用機械、復(fù)制、化學(xué)蝕刻、光學(xué)手段等等來形成。
按照上述實施方式，結(jié)構(gòu)化表面的表面外形包括接近一萬個獨立的區(qū)域，它們之間以空間分布的方式分享了十種不同的小平面角度。結(jié)果，當(dāng)在由結(jié)構(gòu)化表面限定的交界面處發(fā)生折射時，會出現(xiàn)十種(在這個例子中)不同的輸出角度的空間混合分布。在各個區(qū)域本身的內(nèi)部，表面基本上是平坦的，雖然它是以小平面角表征的。不過，按照其它實施方式，結(jié)構(gòu)化表面可以具有任何其它適當(dāng)?shù)男问健?br> 例如，按照上述實施方式的變形方式，所采用的區(qū)域的數(shù)量和/或不同小平面角的數(shù)量可以是不同的。
按照上述實施方式中的任何一種，對于這些區(qū)域，一種可能是，彼此具有近似相等的面積，而另一種可能是，對于某些或全部區(qū)域，具有不同的面積。
按照上述實施方式中的任何一種，一種可能是，各個小平面角可以有近似相等數(shù)量的區(qū)域，而另一種可能是，某些或全部不同的小平面角有不同數(shù)量的區(qū)域。
按照上述實施方式，結(jié)構(gòu)化表面是使用模壓工具/壓模壓制的，該工具/壓模具有通過使用例如計算機輔助(CAD)工藝詳細(xì)設(shè)計形成的上面介紹的輪廓細(xì)節(jié)。不過，按照其它實施方式，可以將表面外形形成為具有隨機或偽隨機表面外形細(xì)節(jié)。例如，如果使用了(粗糙)打磨或蝕刻工藝，就可能出現(xiàn)這種情況。另一種可能是，可以借助自動設(shè)計工藝，包括例如，設(shè)計成用來提供適當(dāng)?shù)男∑矫娼呛吞卣鞯幕旌戏植嫉挠嬎銠C算法，來產(chǎn)生偽隨機表面。
另一種可能是，結(jié)構(gòu)化表面包括(整體地或局部地)彼此具有不同彎曲角度的彎曲表面的區(qū)域或者盡管如此還以預(yù)定或偽隨機或隨機方式發(fā)生偏移的表面的區(qū)域，以致于出現(xiàn)折射角的混合結(jié)果。
顯然，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面的準(zhǔn)確形式可以有很多的方法，不勝枚舉。因此，可以理解，上述的例子和可能性僅僅是說明性的，并且盡管如此，本發(fā)明包含提供多個輸出折射角度以致發(fā)生大片的有效散射或漫射的任何結(jié)構(gòu)化表面外形。
按照上述實施方式，使用小滴PDLC作為在施加電場的條件下改變折射率的電光材料或介質(zhì)。不過，按照其它實施方式，可以使用其它的材料或手段作為在施加電場的條件下改變折射率的電光材料或介質(zhì)，最好是少量改變折射率。例如，可以以超扭曲向列形式使用傳統(tǒng)的液晶材料(LC)。PDLC的優(yōu)點是，在沒有電場的情況下，該材料將會較快松弛(relax)，并且對有效折射率n1具有好的形態(tài)。使用傳統(tǒng)LC的優(yōu)點是，可以使LC層沿著有利的方向定向，即，沿著液晶顯示器的偏振鏡的方向。在散射狀態(tài)下，對于n1，可以得到ne的完整值，而在小滴PDLC的情況下，最高可能值是由上面的等式給出的。在不散射狀態(tài)下，PDLC和LC都可以設(shè)置成具有n2＝no的折射率。
另一種用作可以在施加電場的條件下改變其折射率的電光材料或介質(zhì)的可能是使用所謂的“電浸濕”結(jié)構(gòu)。在“電浸濕”結(jié)構(gòu)中，流體在表面上浸濕性質(zhì)是通過采用電子手段改變流體表面接觸角度而操作的。按照這樣的實施方式，具有n＝1.5的與結(jié)構(gòu)化表面的折射率相配的油膜可以由n＝1.33的水膜完全代替(即借助施加在液體上的電場的作用使液體發(fā)生物理移動)。后一(水)狀態(tài)將會導(dǎo)致散射，因此是2D模式，前一(油)狀態(tài)產(chǎn)生不散射表面，因此是3D模式。
按照上述的實施方式，當(dāng)不施加電場時，會出現(xiàn)散射/漫射效果，并且當(dāng)施加電場時，使可電切換的漫射器實質(zhì)上呈現(xiàn)為不散射。按照其它實施方式，通過使電光材料的折射率在不施加電場的時候與結(jié)構(gòu)化表面的折射率相配，這一效果就反過來了。
按照上述的實施方式，透明電極是直接處于電光材料的任何一側(cè)上的，因此將透明電極之一設(shè)置于結(jié)構(gòu)化基板的結(jié)構(gòu)化表面上，從而使它直接抵靠著電光材料，即，處于結(jié)構(gòu)化表面和電光材料之間(盡管它不會對折射輸出角造成任何總體影響，因為在基板和透明導(dǎo)體之間的交界面處的任何折射都被透明導(dǎo)體與電光材料之間的交界面處的任何折射抵消了)。按照其它實施方式，可以將透明電極之一或二者放在例如基板的外表面上，例如，放在結(jié)構(gòu)化基板的外(平坦)表面上。在這種情況下，當(dāng)在透明導(dǎo)體之間施加電場時，一部分電場落在一個或多個基板上，一部分落在電光材料上。
按照上述實施方式，所使用的電光材料的折射率值之一是針對沒有電場的情況的折射率。按照其它實施方式，不采用通過不施加電場實現(xiàn)的一種操作條件，兩種操作條件都是借助施加各自幅度不同的電場而實現(xiàn)的。在這種情況下，例如，一種電場幅度下的折射率可以近似匹配結(jié)構(gòu)化基板的折射率(即，沒有漫射)，而在第二種電場幅度下的折射率可以不同于結(jié)構(gòu)化基板的折射率。雖然這意味著需要為2D和3D兩種模式消耗電力，但是這會給出這樣的優(yōu)點對電光材料的折射率要匹配結(jié)構(gòu)化基板的折射率的要求可以得到放寬，使得材料的選擇范圍更寬并且增加了制造公差。
按照上述實施方式，將結(jié)構(gòu)化表面配備在非電光介質(zhì)上，并且定位得與電光材料(即，在施加電場的條件下改變其折射率的介質(zhì))相鄰。不過，按照其它實施方式，如果使用固態(tài)電光材料，可以將結(jié)構(gòu)化表面設(shè)置在電光材料上。
按照上述實施方式，使用了包括透鏡間光柵元件的柱狀透鏡光柵作為光線導(dǎo)向部件。不過，按照其它實施方式，可以使用任何其它適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向部件。例如，可以使用包括用于各個子像素對或其它子像素組的獨立的球形透鏡的薄片。
權(quán)利要求
1.一種可電控制的光漫射器(80)，包括光學(xué)介質(zhì)(94)和電光介質(zhì)(95)，設(shè)置成在光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面與電光介質(zhì)(95)的第一表面之間具有有效光學(xué)接口；和透明電極，設(shè)置成用來提供在電光介質(zhì)(95)上的電場，以便通過在電光介質(zhì)(95)上施加或不施加電場實現(xiàn)對電光介質(zhì)(95)的折射率的控制；其中將光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面和電光介質(zhì)(95)的第一表面之一構(gòu)造成具有表面外形，該表面外形具有多個表面角，以致(i)當(dāng)通過施加或不施加電場而將電光介質(zhì)(95)的折射率控制成基本等于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率時，基本上沒有由光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面與電光介質(zhì)(95)的第一表面之間的有效光學(xué)接口引發(fā)的折射，并且以致(ii)當(dāng)通過施加或不施加電場而將電光介質(zhì)(95)的折射率控制成不同于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率時，在光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面與電光介質(zhì)(95)的第一表面之間的有效光學(xué)接口處發(fā)生折射，并且，借助于有多個表面角，所述折射將光線引向相應(yīng)的多個角度，從而提供了漫射效果。
2.按照權(quán)利要求1所述的漫射器，其中多個表面角是不同地分布在不同的表面方向上的，以致于將光線漫射到不同表面方向上的不同范圍內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的漫射器，其中當(dāng)在電光介質(zhì)(95)上施加電場時，電光介質(zhì)(95)的折射率基本上等于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率，并且當(dāng)在電光介質(zhì)(95)上不施加電場時，電光介質(zhì)(95)的折射率不同于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率。
4.按照權(quán)利要求1到3中任何一項所述的漫射器，其中電光介質(zhì)(95)包括小滴聚合物彌散液晶。
5.一種自動立體感顯示裝置，包括子像素(12)或像素(30)的陣列；導(dǎo)向部件(15)，包括多個導(dǎo)向單元(16)；按照相應(yīng)的導(dǎo)向單元(16)排列的子像素(12)或像素(30)組，各個組包括多個子像素(12)或像素(30)；和可電控制的漫射器(80)；該可電控制的漫射器(80)包括光學(xué)介質(zhì)(94)和電光介質(zhì)(95)，設(shè)置成在光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面與電光介質(zhì)(95)的第一表面之間具有有效光學(xué)接口；并且該可電控制的漫射器(80)進(jìn)一步還包括透明電極，設(shè)置成用來提供在電光介質(zhì)(95)上電場，以便通過在電光介質(zhì)(95)上施加或不施加電場實現(xiàn)對電光介質(zhì)(95)的折射率的控制；其中將光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面和電光介質(zhì)(95)的第一表面之一構(gòu)造成具有表面外形，該表面外形具有多個表面角，以致(i)當(dāng)通過施加或不施加電場而將電光介質(zhì)(95)的折射率控制成基本等于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率時，基本上沒有由光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面與電光介質(zhì)(95)的第一表面之間的有效光學(xué)接口引發(fā)的折射，從而提供不漫射模式，并且以致(ii)當(dāng)通過施加或不施加電場而將電光介質(zhì)(95)的折射率控制成不同于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率時，在光學(xué)介質(zhì)(94)的第一表面與電光介質(zhì)(95)的第一表面之間的有效光學(xué)接口處發(fā)生折射，并且，借助于有多個表面角，所述折射將光線引向相應(yīng)的多個角度，從而提供了漫射模式；子像素(12)或像素(30)、導(dǎo)向部件(15)和可電控制的漫射器(80)設(shè)置成這樣當(dāng)漫射器(80)處于不漫射模式下時，來自組中不同的子像素(12)或像素(30)的光線由相應(yīng)的導(dǎo)向單元引向不同的方向，從而提供3D模式；和當(dāng)漫射器(80)處于漫射模式下時，使來自組中不同的子像素(12)或像素(30)的光線發(fā)生混合。
6.按照權(quán)利要求5所述的顯示裝置，其中在漫射模式下，漫射的范圍足以提供用來提供基本上為2D的圖像的充分混合。
7.按照權(quán)利要求5所述的顯示裝置，其中在漫射模式下，漫射的范圍僅夠提供用來提供介于2D和3D中間的圖像的充分混合。
8.按照權(quán)利要求5到7中任何一項所述的顯示裝置，其中導(dǎo)向部件(15)是柱狀透鏡光柵，并且導(dǎo)向單元(16)是透鏡間光柵元件。
9.按照權(quán)利要求8所述的顯示裝置，其中子像素(12)或像素(30)按照行和列排列；透鏡間光柵元件與所述列基本平行，以致沿著行的子像素(12)或像素(30)的組是按照相應(yīng)的透鏡間光柵元件排列的；并且多個表面角不同地分布在行和列方向上，以致于在漫射模式下，在行方向上光線的漫射多于在列方向上的漫射。
10.按照權(quán)利要求5到9中任何一項所述的顯示裝置，其中當(dāng)在電光介質(zhì)(95)上施加電場時，電光介質(zhì)(95)的折射率基本上等于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率，并且當(dāng)在電光介質(zhì)(95)上不施加電場時，電光介質(zhì)(95)的折射率不同于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率，從而當(dāng)不施加電場時實現(xiàn)了漫射模式。
11.按照權(quán)利要求5到10中任何一項所述的顯示裝置，其中電光介質(zhì)(95)包括小滴聚合物彌散液晶。
全文摘要
一種自動立體感顯示裝置(1)，包括顯示屏(10)、柱狀透鏡光柵(15)和可電控制的漫射器(80)?？呻娍刂频穆淦?80)包括光學(xué)介質(zhì)(94)，例如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，該光學(xué)介質(zhì)(94)具有與電光介質(zhì)(95)相抵靠的結(jié)構(gòu)化表面，電光介質(zhì)(95)例如為小滴聚合物彌散液晶(PDLC)層。電光材料(95)的折射率隨著所施加的電場(或者零電場)變化，并且至少可以在至少兩個值之間進(jìn)行切換，這兩個值是(i)基本上與光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率相配的值(n2)，該值提供了基本上不漫射的模式，因此提供了顯示裝置的3D操作，和(ii)不同于光學(xué)介質(zhì)(94)的折射率的值(n1)，因此在結(jié)構(gòu)化表面(98)處造成了折射，該結(jié)構(gòu)化表面(98)提供不同的折射角(θ
文檔編號G02F1/1334GK1833450SQ200480022427
公開日2006年9月13日 申請日期2004年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者C·范伯克爾, A·G·克納普, H·J·科爾內(nèi)利森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司