可切换的双折射柱面透镜阵列的制作方法

专利名称：：可切换的双折射柱面透镜阵列的制作方法可切换的双折射柱面透镜阵列本申请是申请日为2004年2月4日、申请号为200480003660.X、发明名称为"可切换的双折射柱面透镜阵列"的发明专利申请的分案申请。本发明涉及的是光学显示设备，尤其是用于显示设备的可切换能动透镜。这种可切换能动透镜可用来提供可切换二维(2D)/三维(3D)自动立体显示设备；可切换高亮度反射型显示系统；或者，多用户显示系统。这些显示系统可用于计算机监视器、手持型通信装置、数码相机、膝上型和台式计算机、游戏机、车用以及其他移动显示应用领域。3D显示正常的人的视觉是有立体感的，即每只眼睛看到的世界的图像稍有不同。大脑将两个图像合并起来(称为"立体像对")，产生出深度的感觉。对应于假若看真实世界的景物会看到的那种情形，三维立体显示将单独的、大致平面的图像重现给各眼睛。大脑再次合成立体像对，而在图像中产生出深度的表现。图la以平面视图的方式显示出显示面1中的显示表面。右眼2看到的是显示面上的右眼同源像点3，左眼4看到的是显示面上的左眼同源像点5，从而生成了被屏幕面后面的用户所接收到的视在像点6。图lb以平面视图的方式显示出显示面1中的显示表面。右眼2看到的是显示面上的右眼同源像点7，左眼4看到的是显示面上的左眼同源像点8，从而生成了幕面前面的视在像点9。图lc显示的是左眼图像10和右眼图像11的形式。左眼图像IO中的同源像点5位于基准线12上，右眼图像ll中对应的同源像点3相对于基准线12位于不同的相对位置3上。像点3离开基准线12的距离13称为视差，在本情形中，对于将位于屏幕面后面的点来说，该—见差为正视差。对于景物中一般的点来说，在图la所示立体像对的每个图像中都有对应的点。这些点称为同源点。两个图像之间同源点相对分开的距离称为视差。零视差的点对应着显示装置景深面上的点。图la显示的是视差不为零的点出现在显示装置的后面，图lb显示的是视差不为零的点出现在显示装置的前面。同源点分开的大小、到观看者的距离以及观看者两眼分开的距离，产生了在显示装置上感觉到的深度量。立体感型显示装置在现有技术中是公知的，指的是用户戴上某些种类的观看辅助装置而将送给左、右眼的图像实质上分开的显示装置。例如，观看辅助装置可以是将图像进行颜色编码(即红色和绿色)的滤色器，可以是按照正交的偏振态对图像进行编码的偏振眼镜，或者可以是将视像与眼镜快门的打开同步地编码成图像时间序列的快门眼镜。自动立体显示装置工作时不需要观看者戴观看辅助装置。在自动立体显示装置中，如图2所示，能够从在空间中受到限制的区域看每个视像。图2a所示的显示装置16具有附加的视差光学元件17。该显示装置对于右眼路径生成右眼图像18。视差光学元件17沿着箭头19所示的方向引导光，在显示装置前面的区域生成右眼观看窗口20。观看者将其右眼22置于观看窗口20的位置。示出了左眼观看窗口24的位置作为参照。观看窗口20也可以称为竖直延伸的光瞳。图2b示出的是左眼光学系统。显示装置16对于左眼路径生成左眼图像26。视差光学元件17沿着箭头28所示的方向引导光，在显示装置前面的区域生成左眼观看窗口30。观看者将其左眼32置于观看窗口30的位置。示出了右眼观看窗口20的位置作为参照。该系统包括显示装置和光学导向机构。从左图像26来的光送给被称为观看窗口30的显示装置前受限区域。如果眼32放在观看窗口30的位置，那么，观看者就能够在整个显示装置上看到合适的图像26。类似地，该光学系统将用于从右图像18来的光送给单独的观看窗口20。如果观看者将其右眼22放在该观看窗口的位置，那么将会在整个屏幕上看到右眼图像。总的来说，从任何一个图像来的光都可以被认为被光学导向(即引导)成为了各自的方向分布。图3以平面视图的形式示出了显示装置16、17在显示面34中于窗口面42上生成左眼观看窗口36、37、38和右眼观看窗口39、40、41。窗口面从显示装置分开的距离称为名义观看距离43。相对于显示装置位于中央位置的观看窗口37、40处于零级波瓣44，零级波瓣44右侧的观看窗口36、39处于+1级波瓣46，而零级波瓣44左侧的观看窗口38、41处于-1级波瓣48。显示装置的观看窗口面表示从显示装置开始横向观看自由度最大的距离。对于离开窗口面的点来说，如图3平面视图所示的那样，有一个菱形的自动立体观看区。如能够看到的那样，来自横跨整个显示装置的每一个点的光按照宽度有限的锥形传播到观看窗口。锥的享度可以定位为角宽度。如果在一对观看区，例如观看区37、40，中的每一个区上放一只眼睛，那么，在就会在显示装置的整个面积上看到自动立体图像。首先，显示装置的纵向观看自由度取决于这些观看区的长度。图4a中示出的是，对于理想观看窗口，相对于位置51,横跨显示装置窗口面的强度50的变化(构成了一种光方向分布的可感知的形式)。右眼观看窗口位置强度分布52对应于图3中的观看窗口41,强度分布53对应于观看窗口37,强度分布54对应于观看窗口40,强度分布55对应于观看窗口36。图4b示意性地示出了对于更真实观的看窗口的强度随位置的分布。右眼观看窗口位置强度分布56对应于图3中的观看窗口41，强度分布57对应于观看窗口37,强度分布58对应于观看窗口40，强度分布59对应于观看窗口36。如图4所示，图像分开的特性以及显示装置横向、纵向的观看自由度范围取决于观看窗口特性。图4a显示的是理想观看窗口，而图4b是可能从显示装置输出的实际观看窗口的示意图。由于观看窗口性能不够，而出现了一些赝像。当来自右眼图像的光被左眼看到时，会发生串扰，反之亦然。这就是3D图像严重恶化的机理，能够引起用户视觉过度疲劳。另外，观看窗口特性不好还将导致观看者观看自由度减小。对光学系统进行设计，以优化观看窗口的性能。视差光学元件可以是视差屏障。如图5的平面视图所表示的，显示装置包括背光、按行列布置的电可调节的象素(已知的空间光调制器，SLM)阵列、附加到显示装置前面的视差屏障。视差屏障依靠的是阻挡来自显示装置某些区域的光，因此，降低了亮度和装置效率，一般可降低到原始显示亮度的约20~40%。由于对相对于显示装置象素结构的屏障子象素对准允差的要求，不容易拆下并更换视差屏障以优化显示装置的观看自由度。2D模式具有一半的分辨率。在本领域中公知的用于立体显示的另一种类型的视差光学部件(与视差屏障相比而言)叫做透镜状屏幕，它是竖向延伸柱状微透镜的阵列。这里使用的术语"柱状"具有本领域通常含义，不仅包括精确的球面透镜形状，而且还包括非球面透镜形状。透镜的间距对应于视点校正条件，即，视差屏障的间距稍小于象素阵列间距的2倍，以将来自每个象素的光导向到观看窗口。在这种显示装置中，每个立体像对图像的分辨率是基本LCD水平分辨率的一半，并且产生两个视像。设定透镜的曲率主要是为了在窗口面上生成LCD象素的图像。当透镜汇集来自象素的锥形光并将它分布到观看窗口上时，透镜显示装置具有基本面板的全部亮度。图6所示为使用透镜阵列的透镜显示装置的典型结构。背光60产生光输出62,光输出62入射到LCD输入偏振器64上。该光透过TFTLCD基底66,然后入射到在LCD象素面67上按行列布置的中继象素阵列。红色象素68、71、73、绿色象素69、72、75和蓝色象素70、73中的每一个象素都包括独立受控的液晶层，而且这些象素由称作黑屏蔽的不透明屏蔽区域76分开。各象素包括透射区域或者象素孔径78。通过象素的光在相位上受到LCD象素面74上的液晶材料的调制，在颜色上受到位于LCD滤色器基底80的滤色器的调制。该光然后经过输出偏振器82,输出偏振器82的后面放置的是视差屏障84和视差屏障基底86。视差屏障84包括被竖向延伸的不透明区域分开的竖向延伸的透射区域阵列，用来如光线88所示将光从交替的象素列69、71、73、75引导向右眼,如光线90所示将光从中间的列68、70、72、74引导向左眼(这种整个的光方向图案形成了光方向分布的另一个例子)。观看者看到照亮了屏障孔径92的来自层下象素的光。该光然后经过透镜状屏幕基底94和形成在透镜状屏幕基底94的表面上的透镜状屏幕96。就视差屏障来说，透镜状屏幕94用来如光线88所示将光从交替的象素列69、71、73、75引导向右眼，如光线90所示将光^v中间的列68、70、72、74引导向左眼。观看者看到照亮了透镜屏幕96的各小透镜的孔径98的来自层下象素的光。被捕获的光锥范围由被捕获的光线100示出。AcademicPress1976中T.Okoshi的"ThreeDimensionalImagingTechniques"描述了透镜显示装置。US4,959,641描述了使用空间光调制器这样一种类型的透镜显示装置，具体地说是空气中的非开关型的透镜状元件。SPIEProceedingsVol.2653中第32页到第39页公开的"multiview3D-LCD",描述了一种透镜显示装置，它使用相对于显示装置的象素列倾斜的柱状透镜。上面描述的平板显示装置的观看自由度受到显示装置观看窗口结构的限制。EP0，829,743中描述了一种显示装置，其中，通过测量观看者的位置并相应地移动视差元件，来增强观看自由度。这种观看者测量设备和机械执行机构价格昂贵而且结构复杂。在例如EP0,721,131中描述了一种显示装置，其中，观看窗口光学结构是不变的(例如固定的视差光学显示装置)，而图像数据根据测量到的观看者的位置进行切换，这样，观看者总能看到基本上没有畸变的图像。如上所述，使用视差光学元件来生成空间多路复用的3D显示，将每个图像的分辨率限制到最好为整个显示分辨率的一半。在许多应用场合，想在3D模式下使用这种显示装置一小段时间，并要求具有全分辨率、没有赝像的2D模式。Proc.SPIEvol.1915StereoscopicDisplaysandApplicationsIV(1993)中第177186页，"DevelopmentsinAutostereoscopicTechnologyatDimensionTechnologyInc.",1993,描述了一种类型的显示装置，其中去掉了视差光学元件的效果。在这种情况下，将一种可切换的漫射器放在光学系统中，用来形成光排。这种可切换的漫射器可以是例如聚合物弥散型液晶型，其中，在将所施加的电压施加到这种材料上时，分子排列会在散射模式和非散射模式之间切换。在3D模式，漫射器是清亮的，生成的光排能够产生后视差屏障的效果。在2D才莫式，漫射器散射，光排不复存在，而产生了均勾光源的效果。按照这种方式，显示装置的输出基本上为Lambertian，观看窗口也不复存在了。于是，观看者会看到成为全分辨率2D显示的显示装置。这种显示装置在3D模式下会受到Fresnel衍射赝像的影响，在漫射器清亮状态下还会受到不希望有的残留散射的影响，这将增加显示装置的串扰。所以，这种显示装置可能表现出更高的视觉过度疲劳的程度。在EP0,833,183中公开的另一种类型的可切换2D-3D显示装置中，在显示装置的前面放置的第二LCD用作视差光学元件。在第一模式中，视差LCD是清亮的，因此，不产生观看窗口，而以2D的形式看图像。在第二模式中，该装置进行切换而生成视差屏障的缝。然后产生输出观看窗口，因而图像显现为3D。这种显示装置由于使用了两个LCD元件而增加了成本和复杂性，并且降低了亮度或者增加了功耗。如果视差屏障用作反射模式的3D显示系统中，就会由于显示装置中和显示装置外的视差屏障的挡光区域对光的衰减而导致亮度非常差。在EP0，829,744中公开的另一种类型的可切换2D-3D显示装置中，视差屏障包括半波延迟器元件的图案化阵列。延迟器元件的图案对应于视差屏障元件中屏障缝和吸收区域的图案。在3D工作模式下，将偏振器加到显示装置上，对图案化的延迟器的缝进行解析。按照这种方式，形成了吸收性的视差屏障。在2D工作模式下，因为不涉及任何偏振特征，所以完全去掉偏振器。因此，显示装置的输出是全分辨率和全亮度。一个缺点是，这种显示装置使用的是视差屏障技术，因此在3D工作模式下会被限制到大约20~30%的亮度。另外，这种显示装置会由于屏障孔的衍射而使观看自由度和串扰的改进受到限制。本领域技术人员知道，为了切换光的方向，提供了电可切换的双折射透镜。使用这种透镜来使显示装置在2D工作模式和3D工组模式之间进行切换，是已知的。例如,EuropeanOpticalSocietyTopicalMeetingDigestSeries:13,15-16May1997,L.G.Commander等人的"Electrodedesignsfortuneablemicrolens"，第48到58页，描述了电可切换的双折射液晶微透镜。在US6,069，650和98/21620中公开了另一种类型的可切换2D-3D显示装置，其使用了包括填充有液晶材料的透镜状屏幕的可切换微透镜，来改变透镜状屏幕的光功率。US6,069，650和98/21620教导在透镜状屏幕中使用光电材料，通过选择性施加第一值和第二值之间的电势，这种透镜状屏幕的折射率是可以变换的。施加第一值电势能够提供透镜状装置的光输出引导作用，施加第二值电势能够去掉光输出引导作用。SID97DIDEST第273到276页的S.Suyama等人的"3DDisplaySystemwithDualFrequencyLiquidCrystalVarifocalLens",描述了一种包4舌液晶Fresnel透镜的3D显示装置。根据第一方面，本发明规定了显示装置输出和能动透镜中对准方向之间的偏才展匹配。按照本发明第一方面的一种形式，提供了一种可切换双折射透镜阵列，用于产生基本上为线偏振输出的显示设备。该透镜阵列包括双折射材料，设置在平面和起伏面之间，所述起伏面限定出柱状透镜阵列；电极，用来在所述双折射材料上施加控制电压，使所述双折射材料在第一模式和第二模式间电切换，所述透镜阵列能够设为所述第一模式，改变按预定方向偏振的入射光的方向分布，所述透镜阵列能够设为所述第二模式，对于按所述预定方向偏振的入射光基本上没有作用，其中，在所述第一模式下，在所述起伏面上，所述双折射材料平行于所述柱状透镜的几何轴线取向；在所述第一模式下，在所述平面上，所述双折射材料按预定角度平行于所述平面取向，使在所述第一模式下，所述取向方向在所述平面和所述起伏面之间是扭曲的。双折射材料的取向方向平行于柱状透镜的几何轴线是有好处的，因为这样能够避免取向层表面能和表面起伏结构取向表面能之间的冲突而导致的起伏面上的位错。'这些位错会造成散射，增加光串扰，减小透镜对比度和/或增加驰豫时间。这样做还能够简化制造，允许使用已知的制造技术。根据本发明第一方面的透镜阵列所具有的意想不到的优点是，在实际系统中，因为双折射材料的光学厚度大，所以在双折射材料中会发生基本上没有色差的偏振导向。换言之，当光通过双折射材料时，偏振方向会旋转。这种导向作用能够用来控制透镜阵列中器件的偏振方向。透镜阵列对偏振方向的这种旋转意味着不需要在显示装置和能动透镜之间额外设置波片(尽管可以选择加一个或者多个波片)，因此，在第一工作模式下减小了元件的观看距离，并降低了器件的成本。这种取向可以通过任何合适的手段来提供，例如取向层。按照本发明第一方面的另一种形式，提供了一种有方向性的显示设备，其包括基本上为线偏振的输出显示装置；可切换的双折射柱状透镜，其能够按第一方式布置，以改变所述偏振输出显示装置的方向分布，其还能够按第二方式布置，基本上不改变所述显示装置的方向分布，所述可切换的双折射柱状透镜包括表面起伏层，限定出柱状微透镜阵列；取向层，形成在所述表面起伏层上，使得所述表面起伏层上的双折射材料在所述第一工作方式下的取向基本上平行于所述柱状透镜的几何轴线，电极层，布置成使所述双折射材料至少在分别针对所述第一、二方式的第一、二方向之间进行切换，所述双折射材料在平面基底上的取向是同所述显示装置的输出偏振一起实现的，使得在所述第一工作模式下，所述偏振经过所述双折射材料传输，并进行扭曲以基本上平行于所述表面起伏层上的所述柱状微透镜阵列的几何轴线。优选地，使用下面的一个或者多个可选特征所述双折射材料是液晶；偏振；基本偏振的显示装置可包括部分偏振或者不偏振的显示器和偏振器元件；所述显示装置可以是用于无显示方向性切换应用场合的空间光调制器；在所述第一模式下经过透镜时偏振态发生扭曲；所述偏振态的扭曲为45度、-45度或者135度；可以在所述显示装置和所述能动透镜之间加额外的波片，使所述基本偏振的显示装置的输出偏振旋转。于是，下面描述的本发明的实施方式具有下述的一个或者多个优点液晶的取向方向能够平行于表面起伏柱状微透镜的几何轴线；透镜表面能够方便地使用公知的表面取向技术来制造；在显示装置和能动透镜之间不需要额外的波片，因此，能够缩短在3D工作模式下的元件观看距离，并能够降低装置成本；不会由于取向层表面能和表面起伏结构取向表面能的竟争而在切换透镜中发生向错；会优化能动透镜胞的对比度；使切换响应时间最短；使透镜元件的退化最少，因此，显示装置能够均匀地切换；本发明意料不到的优点是，由于在实际系统中透镜的光学厚度较大，所以，在透镜中会发生偏振的导向。这种导向效果能够用来控制能动透镜中装置的偏振；显示装置利用固定的液晶显示输出偏振态能够在2D和3D模式下产生高亮度。按照第二方面，本发明提供了具有垂面取向的双折射材料的透镜阵列。按照本发明第二方面的一种形式，提供了一种用于显示设备的可切换双折射透镜阵列，用来产生基本上线偏振的输出，该透镜阵列包括双折射材料，布置在表面之间，至少一个表面是起伏面，限定柱状透镜阵列；电极，用来在所述双折射材料上施加控制电压，以使所述双折射材料在第一模式和第二模式之间进行电切换，所述透镜阵列按照所述第一模式布置能够改变按预定方向偏振的入射光的方向分布，所述透镜阵列按照所述第二模式布置对按所述预定方向偏振的入射光基本上没有影响，其中，所述双折射材料在所述至少一个起伏面上是垂面取向的。这种透镜阵列的优点是，它的构造使其在所述第二工作模式下不需要功耗。这是因为，在没有控制电压时，双折射材料平行于光轴取向，因此，在所述起伏面，光经历的是双折射材料的正常折射率，这对于所述第二工作模式最为方便，在第二工作模式中，这时，对入射光基本上没有影响。例如，在能够在2D模式和自动立体3D模式之间切换的显示装置中，这意味着2D模式不需要功耗。因此，2D电池工作时间不会受到影响。在能动透镜中，因为透镜的深度趋向于数十微米的量级，所以，需要施加来切换胞厚度部分的电压大大超过了标准液晶胞的工作电压，例如，对于5(im厚的胞为5V。因此，对于这种透镜胞在驱动模式下液晶的功耗，显著高于使用相同液晶和驱动频率的标准5inm厚LCD的功耗。因此，不希望具有2D驱动模式。如果透镜切换被破坏，那么，缺省工作模式是在2D模式，这样，将会看到不会使图像变差。在3D模式下，通过改变电压能够调节透镜的焦距，以适应于所期望的窗口外形。这种取向可以用任何合适的手段来提供，例如取向层。垂面取向层能够使用容易得到的聚合物材料来形成透镜表面，折射率不会过高。这种聚合物材料不会发生成本高、毒性大、工艺状况苦难等问题。按照本发明第二方面的另一种方式，提供了一种包括可切换双折射透镜的光学切换设备，该可切换双折射透镜包括双折射光学材料和第一基底，其中第一垂面取向层形成在表面起伏结构上；所述双折射材料的介电各向异性小于零，使得当电场施加到胞上时，可切换透镜工作在第一方式，当没有电池施加到胞上时，可切换透镜工作在第二方式。优选地，可使用下面的一个或者多个可选特征平行于微透镜的几何轴线；所述取向是通过所述取向层均一偏压提供的；所述取向是通过沟槽结构提供的均一偏压提供的；在平面基底上的取向是垂面的，是均一的，包括垂面和均一取向，使其在第一模式表现出均一取向性质，而在第二模式表现出垂面取向性质，在第一工作模式下使入射偏振态扭曲，使得在所述表面起伏结构上的偏振态平行于双折射透镜的光轴；波片位于显示装置和平面基底之间，使平面基底上的偏振角度平行于表面起伏基底上的偏振角度。按照本发明第三发明的一种形式，提供了一种显示设备，其包括显示装置，其具有空间光调制器和输出偏振器；电可切换的双折射透镜阵列，其布置成接收来自于所述空间光调制器的光，其中，所述透镜阵列布置在所述显示装置的所述空间光调制器和所述输出偏振器之间。与输出偏振器紧接着布置在作为其一般位置的空间光调制器输出侧相比，这种显示装置的观看距离缩短了。这是因为，在空间光调制器和透镜阵列之间没有输出偏振器，使得二者间的距离变短。本发明的第三方面可应用于包括空间光调制器和输出偏振器的任何类型的显示装置。对于液晶调制器等空间光调制器尤其有利。空间光调制器布置成对入射光的偏振进行相位调制，并使每个象素处的光偏振主轴椭圆化和旋转调一下制量，输出偏振器被用于选择以预定方向偏振的光，于是，椭圆化和旋转的量对输出光的辐值进行调制。不过，本发明第三发明还可以应用于发光型空间光调制器，或者，例如产生非偏振输出的空间光调制器，输出偏振器用来使输出偏振；例如产生偏振输出的空间光调制器，输出偏振器是扫尾工作的偏振器。按照本发明第三方面的另一种形式，提供了一种有方向性的显示设备，其包括基本上线偏振的输出显示装置；能动透镜，包括可切换的双折射柱状透镜，所述柱状透镜能够按第一方式布置，改变所述偏振输出显示装置的方向分布，还能够按第二方式布置，不改变所述显示装置的方向分布，其中，所述能动透镜位于象素面和所述显示装置的输出偏振器之间。按照本发明第四方面的一种形式，提供了一种显示设备，其包括发光型空间光调制器，布置成输出在该空间光调制器的各象素处被基本上线偏振的光；电可切换的双折射透镜阵列，布置成接收来自所述空间光调制器的光。按照本发明第四方面的另一种形式，提供了一种发光型光方向切换设备,其包括光切换设备，包括可切换的双折射透镜，该双折射透镜包括可切换双折射光学材料；发光型空间光调制器设备，包括发光象素区域阵列，每个区域具有基本上偏振的光学输出。这种显示设备能够构造成具有高光学效率。按照本发明第五方面的一种形式，提供了一种用于显示设备的能动双折射透镜阵列设备，其包括双折射材料和基本各向同性材料，二者之间具有起伏面，限定透镜阵列；电极，用来在所述双折射材料上施加控制电压，以在第一模式和第二模式之间电切换所述双折射材料，所述透镜阵列能够按所述第一模式布置，改变按预定方向偏振的入射光的方向分布，所述透镜阵列能够按所述第二模式布置，基本上对按所述预定方向偏振的入射光没有影响；电压控制器，用来控制电极上的电压，以在所述第一模式和所述第二模式之间切换，所述电压控制器布置成调节在所述第一、二模式中施加的电压，以补偿所述透镜阵列设备的温度变化。各向同性材料的折射率还有双折射材料的正常、异常折射率都随着温度变化。因此，设计成在一个温度下工作的透镜阵列在其他温度下可能具有差的光学特性。但是，电压控制能够补偿随温度的这种变化，这样能够改进光学性能，使透镜阵列能够在更宽的工作温度范围上工作。在一种类型的设备中，使用温度传感器来感测透镜阵列设备的温度，根据所述温度传感器感测到的温度，所布置的电压控制器调节在所述第一、二模式中施加的电压，以补偿所述透镜阵列设备的温度变化。这种类型的设备的优点是提供了对温度改变的自动补偿。在另一种类型的设备中，输入装置允许用户输入电压调整，根据输入到所述输入装置的电压调整，所布置的电压控制器调节在所述第一、二模式中^力口的电A。这种类型的设备具有简单的优点。有益的是，在温度低于至少25摄氏度的限定值时，所述各向同性材料的一般情况是，在一般的设计温度20摄氏度时，各向同性材料的折射率等于双折射材料的正常折射率(或者，在其他材料的系统中，等于双折射材料的异常折射率)。与这种一般情况相比，在各向同性材料的折射率高于双折射材料的正常折射率(或者低于双折射材料的异常折射率)的情况下，温度范围增加了。但是，在这个范围内，通过调整双折射材料的有效折射率，电压控制器能够补偿温度的变化，所以，该特征有效地增加了工作温度范围。限定值可以大于25摄氏度，以进一步增加工作温度范围。有益的是，能动双折射透镜阵列设备用于还包括空间光调制器的显示设备中。该空间光调制器与能动双折射透镜阵列设备串联布置。其中，在温度低于至少25摄氏度的限定值时，透镜阵列在第一模式下的功率大于透镜阵列提供空间光调制器最佳聚焦所需功率。一般情况是，在20摄氏度的一般设计温度时，透镜阵列在第一模式的功率设计成提供最佳聚焦。与这种一般情况相比，在透镜阵列在第一模式下的功率对于最佳聚焦来说太强了的情况下，温度范围增加了。但是，在这个范围内，通过调节双折射材料的有效折射率，电压控制器能够减小功率，使透镜阵列的聚焦向着最佳聚焦调节，所以，该特征有效地增加了工作温度范围。限定值可以大于25摄氏度，以进一步增加工作温度范围。按照本发明第五方面的另一种形式，提供了一种用于显示设备的能动双折射透镜阵列，其包括双折射材料和基本各向同性的材料，二者之间具有起伏面，限定出透镜阵列；电极，用来在所述双折射材料上施加控制电压，以在第一模式和第二模式之间电切换所述双折射材料，所述透镜阵列能够按所述第一模式布置，改变按预定方向偏振的入射光的方向分布，所述透镜阵列能够按所述第二模式布置，基本上对按所述预定方向偏振的入射光没有影响，其中，所述各向同性材料的折射率等于在高于20摄氏度或者在或者高于20摄氏度是通常用作显示设备设计温度的一般室温。取决于材料的不同，各向同性材料的折射率基本上等于双折射材料的正常折射率或者异常折射率之一。通过选择材料，可以选定各向同性材料的折射率精确等于双折射材料的折射率之一的温度作为设计温度。按照本发明第五方面的这种形式，上述温度并不是通常的设计温度20摄氏度，而是更高些，一般在25摄氏度或者高于25摄氏度的温度。进行这种选择所基于的理解是，显示设备更经常地使用在高于通常设计温度20摄氏度的温度。因此，提高各向同性材料的折射率精确等于双折射材料相关折射率的温度，实际上，在显示设备一般性使率。'"""、'"、'、、、利用目前优选的材料，各向同性材料的折射率基本上等于双折射材料的正常折射率，并在20摄氏度以上的温度精确地相等。然而，利用其他材料，各向同性材料的折射率可以基本上等于双折射材料的异常折射率，并在20摄氏度以上的温度精确地相等。因此，总的来说，本发明任何一个方面的任何一个特征都可以应用于本发明的任何一个其他方面。在本发明的全部方面中，适用下面的评述。透镜阵列可以和任何类型的显示设备一起使用，生成基本线偏振输出，例如透射型空间光调制器由具有偏振器的背光照亮，使输出偏振；或者发光型空间光调制器，其本身是不偏振的，但设有偏振器或者可使其偏振。总的来说，显示装置可以采用任何类型的空间光调制器来调制每个象素的光，包括透射型、发光型或者反射型，或者甚至它们的组合。透镜阵列按所述第一模式布置来改变入射光的方向分布。这可以用来达到各种不同效果，包括但不限制于提供3D自动立体效果；高亮度区域；或者多用户显示系统。因此，这种装置可以用于自动立体显示装置，其能够在一种工作模式下很方便地提供能够由未经辅助的眼睛看到的、运动的全彩色3D立体图像，能够在第二工作模式下很方便地提供全分辨率的2D图像；可切换的高亮度透反型和反射型显示系统，该系统在第一模式下可表现出基本上没有方向性的亮度性能，在第二模式下可表现出基本上有方向性的亮度性能；或者多观看者显示装置，其在一种工作模式下，能够方便地将一个运动的全彩色2D图像提供给一个观看者，将至少一个不同的第二2D图像提供给至少一个第二观看者，在第二工作模式下，能够方便地提供能够被所有观看者看到的全分辨率2D图像。本发明的实施方式能够提供下面的优点，单独地或者以任何组合地提供下面的优点。本发明能够产生高质量的自动立体3D图像和全分辨率2D图像，图像串扰水平低而且亮度高。本发明还能够产生有方向性的多观看者显示，这种显示能够在2D模式和图像(可以是不同的)可以由不同的观看者从宽方向范围看到的模式之间切换。通过将微透镜布置在玻璃基底的内侧，能够使透镜表面的反射最小，并能够对输出表面(可以是平面的)进行抗反射涂覆。有益的是，高亮度透反性或者反射性显示装置具有第一模式，具有如显示装置反射器材料所限定的那样的基本上没有方向性的特性。该显示装置在第二模式下具有有方向性的亮度特性，使得从限定的角度范围看，显示装置亮度更大些。这种显示装置按照全彩色方式工作，能够用来增加反射和透射这两种工作模式的亮度。多观看者显示装置的构造方式是，在一种工作模式下所有的观看者都能够看到相同的图像，在第二工作模式下，不同的观看者能够看到不同的图像，以实现显示装置的多样性的同时使用。这样，通过使每个观看者能够从相同显示单元看到它们愿意选择的图像，能够减少在一个环境中所需的显示装置和显示装置驱动器的数量。这种显示装置尤其适用于汽车显示装置、自动播音机器和座位后航空休闲显示装置等系统。下面参照附图仅仅以举例的方式来描述本发明的实施方式。在附图中，图la所示为对于屏幕面后面的物体在3D显示装置中产生的视在深度；图lb所示为对于屏幕面前面的物体在3D显示装置中产生的视在深度；图lc所示为立体图像对的每个图像上对应同源点的位置；图2a示意性地示出了在自动立体3D显示装置前面形成右眼观看窗口；图2b示意性地示出了在自动立体3D显示装置前面形成左眼观看窗口；图3以平面视图的形式示出了从3D显示装置的输出锥形成观看区域；图4a所示为自动立体显示装置的理想窗口形状；图4b所示为来自自动立体3D显示装置的观看窗口输出外形的示意图；图5所示为视差屏障显示装置的结构；图6所示为透镜状屏幕显示装置的结构；图7a所示为在第一横截面处透镜阵列的两个柱状透镜，其中，液晶取向在透镜的两个表面上都是均一的；图7b所示为在与图7a的横截面垂直的第二横截面处图7a的两个柱状透镜；图7c按照与图7b相同的视图示出了另一种布置方式，其中，尖头基本上接触平面，电极形成在表面起伏面上；图8a所示为对于能动透镜自动立体3D显示装置的取向和偏振的方向；图8b所示为对于能动透镜亮度增强显示装置的取向和偏振的方向；图8c所示为对于扭曲能动透镜自动立体3D显示装置的取向和偏振的方向；图8d所示为对于扭曲能动透镜自动立体3D显示装置的另一种取向和偏4展的方向；图9a所示为在第一横截面处透镜阵列的两个柱状透镜，其中，液晶取向在透镜的两个表面上都是垂直的；图9b所示为在与图9a的横截面垂直的第二横截面处图9a的两个柱状透镜；图10a所示为对于包含有垂面取向层的能动透镜自动立体3D显示装置的取向和偏纟展的方向；图10b所示为对于包含有均一和垂面取向层的能动透镜自动立体3D显示装置的取向和偏振的方向；图lla所示为在第一横截面处透镜阵列的两个柱状透镜，其中，液晶取向在能动透镜的一个表面上是垂面的，在第二表面上是均一的；图llb所示为在与图lla的横截面垂直的第二横截面处图lla的两个柱状透镜；图12所示为对于包含有垂面和均一取向层的能动透镜自动立体3D显示装置的取向和偏振的方向；图13a所示为在第一横截面处透镜阵列的两个柱状透镜，其中，液晶取向在能动透镜的一个表面上是垂面的和均一的；图13b所示为在与图13a的横截面垂直的第二横截面处图13a的两个柱状透镜；图14以剖视图的方式示出了带内部偏振器的能动透镜自动立体3D显示装置的结构；图15以剖视图的方式示出了带外部偏振器的能动透镜自动立体3D显示装置的结构；图16所示为对于带外部偏振器的能动透镜自动立体3D显示装置的取向和偏4展的方向；图17所示为带偏振化发光显示装置的能动透镜自动立体3D显示装置；图18所示为能动透镜增强亮度的反射型显示装置；图19所示为对于能动透镜增强亮度的反射型显示装置的取向和偏振方向；图20所示为对于透镜几何轴线倾斜的能动透镜的取向和偏振方向；图21所示为一种可切换的自动立体显示装置，其中能动透镜位于发光型显示装置和输出偏振器之间；图22示意性地示出了对于透镜材料的折射率随温度的变化；图23所示为使透镜胞驱动电压优化的控制设备；图24示意性地示出了对于2D模式针对透镜材料利用温度对透镜有效折射率的控制；图25示意性地示出了对于3D模式针对透镜材料利用温度对透镜有效折射率的控制。各实施方式中的一些实施方式釆用了共同的元件。为了简化起见，这些共同元件以共同的附图标记给出，对它们的描述也不再重复。另外，对各个实施方式中的元件所进行的描述等同地适用于其他实施方式中的相同元件，而且这些元件具有相应的效果，但细节上有所改变。还有，图中表示的是作为显示装置的实施方式，但为清晰起见仅仅表示出显示装置的一部分。实际上，在显示装置的整个面积上，这种结构是重复的。在本说明书中，双折射材料的光轴的方向(指向矢方向或者异常轴方向)将被称作双折射光轴。这不应该与透镜光轴混淆。透镜光轴是利用几何光学按照一般方式定义的。柱状透镜所描绘的透镜中，边缘(具有曲率半径并可具有其他的非球面分量)沿着第一直线方向伸展。微透镜几何轴线定义成顺着第一直线方向沿透镜中心的直线，即平行于上述边缘的伸展方向。在2D-3D型显示装置中，微透镜几何轴线是竖直的，因此，平行于显示装置的象素列。在这里所描述的亮度增强的显示装置中，微透镜几何轴线是水平的，因此，平行于显示装置象素行。在所有的应用场合中，当谈到材料沿某个方向取向时，可以是预先倾斜以防止胞质量变差。在这种情况下，保持基本的取向，尽管不是最好的。在本申请文件中，SLM(空间光调制器)包括液晶显示装置等"光阀"装置以及电致发光显示装置、LED显示装置等发光型装置。在各显示设备中，透镜间距对应于视点校正条件，即，视差屏障的间距稍小于象素阵列间距的2倍，以将光从各象素导向观看窗口。在下面的实施方式中，聚合物材料用作各向同性材料，但是原则上讲，聚合物以外的材料也能够使用，例如玻璃。在使用玻璃的情况下，可以通过蚀刻来形成起伏面。零扭曲能动透镜透镜。图6的固定透镜94、98可以用本发明的能动透镜代替，有利于允许在例如全分辨率2D模式和自动立体3D模式之间切换。图7a和7b分别示出了被称作能动透镜的一种类型的可切换双折射透镜阵列的各个侧面。这种透镜包括细长柱状透镜阵列。为清晰起见，图7a和图7b都表示出了第一柱状透镜和第二柱状透镜。第一柱状透镜位于电极110和115之间，电极110和115上没有施加控制电压。第二柱状透镜位于电极112和114之间，电极112和114上施加有控制电压。第一基底102和第二基底104之间夹有双折射材料106。第一基底102上形成有表面起伏面108。结构108可以由基本上各向同性的材料构成。这样，双折射材料106在第一基底102和结构108附近具有起伏面，而在第二基底104附近具有平面。电极层110和112形成在基底102上，电极层114和115形成在基底104上。这些电极例如可以是氧化铟锡(ITO)等透明电极。电极110和112交替地形成在透镜结构108的表面上。为了解释效果，电极llO、112和电极114、115表示成单独的元件，这样，能够在相同图像的不同部分对于不同电场表示出液晶的切换。在实际的装置中，两个基底上的电极可以分段的，使不同的透镜区能够独立地控制为2D或者3D;这些电极也可以在整个显示区上成为单一元件。具体地说，透镜阵列可以是现有技术公知的无源多路寻址类型的透镜阵列。利用分隔球、分隔纤维、分隔肋或者其他公知的分隔技术，可以将透镜与第二基底104分隔开。另外一种方案是，透镜可以落在平面上。有利的是，这样做不再需要分隔件，但会减小透镜的起作用的孔径。在电极110和115之间的间隙中，双折射分子由正介电各向异性的向列液晶材料表示，在胞上没有施加电场。通过表面起伏结构108和第二基底104上的均一取向层116和108,液晶分子的方向矢基本上沿着表面取向。通过取向层116、118可以在胞上施加小的预先倾斜(未示出)。为了解释，这些分子表示为长椭圆，异常折射率平行于分子长轴。在切换的状态下，电场用来重新排列液晶分子，使透镜胞中间的指向矢方向120基本上是竖直的。这引起经过胞的折射率情况发生变化。在工作中，这样的一种元件在例如薄膜晶体管(TFT)LCD的输出偏振器上取向，如图8a所示。如果显示装置线输出偏振的透射方向122是0度，那么，该光入射到包括第二基底124的层104、114、115、118的第一平面基底124上。液晶材料在该基底上的取向方向平行于偏」派器122的透射轴。光经过双折射材料并照射到包括表面102、108、110、116的透镜基底126上。在OFF状态，没有电压施加到胞，偏振光入射到液晶材料的异常轴上。聚合物的折射率设定为接近液晶材料的正常折射率，因此，在透镜表面上形成了一个相位差。该透镜作用在竖直偏振的光上，引起光输出方向分布发生变化。这种相位结构设定方式可以是，透镜的焦距能够使象素面基本成像于窗口面，象公知的自动立体3D显示装置和有方向性的观看系统那样。在亮度增强的观看系统中，对于水平取向的柱状微透镜阵列127而不是竖直取向的透镜，象素面的像生成于窗口面。在这种情况下，输出偏振器123的取向方向如图8b所示设定为横向的，在面125e和表面起伏结构127上的取向也设定为横向的。在下面的描述中，将假设透镜竖直取向。但是，相同的设备能够适用于横向取向的透镜。在ON状态，电压施加在胞上，液晶材料平行于电场重新取向成图7a、7b所示的方向120，使入射偏振态造成液晶的正常折射率。因为透镜结构108在折射率上基本匹配液晶材料的正常折射率，所以，在液晶透镜中基本上看不到光学影响。在这种模式下透镜对方向分布基本上没有改变。因此，输出的方向性与基本显示装置的输出相同。在实际系统中，折射率的匹配可能不会是精确的，在某种程度上来说是不精确的，因此，会有少许残留的光学影响。这种工作模式能够用于2D或者显示装置的无变化输出。有利的是，对于自动立体或者有方向性的显示系统，上述情况使用户能够看到显示装置的全部象素，或者对于亮度增强的显示系统能够看到均匀照亮的窗口面。在图7c所示的胞中，透镜尖端接触平面基底，电极位于表面起伏结构上。在各表面上可以包含额外的绝缘层(没示出)，防止电短路。总的来说，希望像图7a和7b那样在平面上包含电极，防止电短路，尽管这会增加胞上的驱动电压。平面基底随显示装置的输出偏振取向的这样的装置，有利于针对两种工作的方向分布，按相同的液晶模式工作(例如常白或者常黑)。折射率匹配条件的设定方式是，输出的方向分布基本上不变。在实际中，各向同性折射率和双折射材料折射率中的一个折射率之间可能会有少许不同。但是，对于少许的折射率不同，光学输出对这种不同较不敏感，因为象素面上眼点的尺寸与透镜的尺寸相似。所以，折射率匹配的允差可以相对宽松些。例如，在某一加工后的系统中，555nm处各向同性折射率为1.56的材料NOA71与来自Merck的对应正常折射率为1.52的E7—起使用。在2D-3D演示中，这种情况导致在使用时在2D模式下窗口面的强度有少许变化，但是没有显著影响2D图像的质量。扭曲能动透镜胞在实际中，偏振显示装置的输出偏振角度一般不设定为竖直的，这时由于液晶显示装置等显示装置可视角度性能的优化造成的。例如，公知的常白透射型扭曲向列显示装置，其输出偏振在45度角，而例如透反型和反射型显示装置的输出角度接近20度。在现在所描述过的实施方式中，双折射透镜的输入和输出表面上的偏振态的输出角度设定为零，这可能会与该角度不匹配。表面起伏结构具有关联的表面取向能，并与取向层竟争而使液晶胞进行取向。在曲率半径最小的透镜尖端附近，这种效果尤其重要。这会在液晶材料中在液晶指向矢方向不同的区域之间发生位错。位错会造成散射，增加光学串扰，减少透镜对比度，增加驰豫时间，因此是不可取的。所以，优选的是，使液晶材料在透镜表面平行于透镜阵列中柱状透镜光学几何轴线进行取向。一种方法是在平面和表面起伏面上生成平行于面板输出偏振的取向层。这要求在透镜表面起伏结构上的取向层不平行于柱状透镜的透镜几何轴线。在本发明的一个实施方式中，通过在能动透镜输入结合半波片等波片，能够改变显示装置的输出偏振。这能够使输出线偏振态在经过能动透镜前旋转成竖直的。色散效果减小了的宽带半波片和半波片是本领域公知的。由于材料和与装置的装配，波片会产生额外的成本，波片可以是彩色的，波片可具有附加的厚度。象素面和透镜分开的距离决定了窗口到显示装置的距离，因此，增加窗口到显示装置的距离就会增加最佳观看区到显示装置的距离。例如，两观看显示装置，其彩色子象素间距为8(H敬米，可以使透镜间距为基本上160微米，象素到透镜的一般分开距离为900微米，包括500微米的显示装置基底厚度、200微米的输出偏振器厚度、150微米的玻璃Microsheet厚度和50微米厚的液晶层。这个系统在距离显示装置480毫米处产生65毫米宽的窗口。如果增加200微米厚的波片，该距离将增加到585毫米。对于许多显示装置来说，这种名义观看距离的增加是不可取的，尤其是对于移动显示装置。减小象素尺寸会进一步增加观看距离。可以使用薄波片，例如通过涂覆高度双折射材料而制造的那些波片，这要增加额外的生产时间和材料。因此，引入额外的波片可能不是所希望的选择。在期望制造的一种能动透镜中，在3D模式下液晶材料在表面起伏结构上的取向平行于透镜几何轴线，但是要将偏振旋转功能引入透镜装置中，因此不再需要额外的波片或者重新设计显示装置来提供竖直输出偏振。本发明的一个目的是，在透镜的光学功率能够使入射偏振态在能动透镜的厚度上发生扭曲模式下，通过设定平面基底和透镜基底上液晶材料取向间的角度，利用能动透镜中导向旋转来调节能动透镜中的输出偏振。因此，在改变方向分布的工作模式下，除了使双折射材料的取向平行于柱状透镜的光学几何轴线之外，能动透镜还能够对来自显示装置的输出偏振进行校正。这有着意料不到的好处，象通过考查例子系统所能够看到的那样。在该例子中，给定的自动立体3D显示装置使用折射率为1.56的各向同性材料和MerckLimited出品的异常折射率为1.75的E7液晶材料，得到最佳透镜曲率半径为130微米。该透镜具有27.5微米的下沉。因此，在透镜的最厚部分需要厚度至少这么大的液晶层。该层的光学厚度大于6微米，并且根据Gooch和Tarry关系处于强烈导向的状态，接近Maugin才及限。因此，在大部分透镜区域上能够方便地对偏振态进行导向。对于正光焦度液晶透镜，尖端厚度变小，因此，导向作用不那么有效。类似地，对于负光焦度液晶透镜，透镜中心厚度变小，因此，导向作用不那么有效。在胞最薄部分附近可以加上另外的均匀厚度液晶材料层，使液晶层能够连续地引导偏振态，因此使装置对比度最佳。图8c示出了本发明的一个实施方式，用于自动立体显示装置，其使用输出偏振器透射角度为45度的基本LCD200。显示装置的输出入射到平面基底上，平面基底的表面上具有均一取向的正介电各向异性液晶材料。透镜表面的取向层平行于透镜，因此是竖直的。于是，在透镜中偏振态转过45度，该偏振在透镜表面入射到液晶材料的异常轴上，造成相位失配，并因此造成透镜焦距失配。通过掺杂胆淄材料可以辅助胞内材料的旋转。为了补偿取向层附近预先的取向方向分量，该分量是反平行的，这样，胞在OFF状态在结构中具有基本均匀的预先倾斜。可选择的，胞可具有竖直方向上的取向分量，这些分量是平行的或者反平行的。在这种情况下，可以提高响应速度。在ON状态，分子基本上被驱动为图7b所示的竖直取向状态，其中，分子取向120平行于施加的场。在这种情况下，透镜中的偏振旋转会减小，使得入射在透镜表面上的偏振态不平行于透镜几何轴线。然而，该偏振态将取向为液晶折射率的正常分量，因此，透镜会在折射率上基本匹配，而且基本上无光功率。在ON状态，取向层附近的液晶材料可能会存在残留的倾斜，对于入射偏振态这会引起透镜焦距增加。通过减小液晶材料正常分量的折射率使其低于各向同性材料，能够补偿这种倾斜。因此能够补偿透镜的总焦距。在OFF状态，根据液晶材料异常折射率设定曲率半径，来确定焦距。在本发明的所有实施方式中，第一基底上的取向层的取向可以正交于而不是平行于偏振显示装置的输入偏振态。这可以在第一工作模式下有利地改进能动透镜中偏振的导向旋转。图8d中表示了这种情况。其中，在平面基底203上取向方向正交于面板输出偏振200。透镜阵列具有取向方向205。图18示出了本发明的另一个实施方式，用于亮度增强的透反型显示模式。光源252照射能动透镜，该能动透镜包括具有ITO涂层256的支撑基底254和各向同性微结构258。取向层260形成在各向同性结构158的表面上，液晶材料262夹在取向层260和表面上形成有ITO涂层266和取向层264的平面基底268之间。基底266可以例如是160微米厚的Microsheet。能动透镜像使用在标准透反型显示装置中那样放在偏振器和波片叠层270上。对应的基底272和液晶层274形成在透反型的反射象素面276和有源矩阵底板284上，反射象素面276具有吸收区277、反射区278来反射入射光，具有透射区280来透射背光282的光。来自环境光源252(不是本设备的组成部分)的光照射显示装置。在第一工作模式下，透镜为OFF状态，因此具有聚焦功能。该光源因此被焦距在象素面276上。反射光由相邻的透镜汇集，并在该透镜处聚焦到观看者，如光线286所示。在显示装置前的限定窗口中，图像会看起来更亮些。因为亮窗口之间分布着暗些的窗口，所以，整个亮度是守恒的。在透射模式下，来自限定透射区域的光类似地聚焦到窗口面，增加了图像的视在亮度。前反射288对于有用光286来说沿着不同的方向，因此看不到。图18的显示装置的工作情况表示在图19中。入射光在透镜262处被分解为两个偏振态。在OFF状态，受到透镜聚焦的偏振态平行于透镜几何轴线292并旋转经过透镜入射到平面基底294，因此，该偏振态平行于显示装置的偏振器295的透射轴入射，对于一般透反型显示装置来说可以例如是20度。该光透射到反射底板296,在该处受到显示装置的调制并经偏振器298和平面基底300反射。光的第二旋转发生的结果是由透镜302向着观看者290聚焦。在非透镜化模式中，ON状态液晶取向是，入射偏振在所有偏振中都经历液晶正常折射率。所以，透镜实际上不起作用，光学输出基本上没有变化。在能动透镜装置中使用非零扭曲的进一步优点是，能够减少胞的取向恶化。对于在上、下表面间取向的液晶来说，质量下降产生于胞中液晶多个最小能量扭曲方向。如果有多个旋转能量最小值，那么，就会有多个分子能够顺着通过胞的旋转路径，因此，导向效果不同，在胞的不同部分形成不同了透镜性质。使用旋转抵消能够允许在胞中存在单一的优选分子旋转路径，因此，增加了胞的均匀性。按照这种方式，能动透镜中偏振态的旋转能够优化对于具体面板的透镜性能，同时保持透镜表面上的平行取向。该装置对于透射光按照与反射光的反射路径相同的方式工作。在图20所示的又一个实施方式中，柱状透镜阵列可以相对于面板的象素列倾斜。为了增加视象的视在数量而使透镜轴线相对于面板象素倾斜是本领域公知的，代价是增加了视像之间的串扰。在本发明中，希望能动透镜的液晶取向在透镜表面平行于透镜几何轴线。这种装置可以有利地利用平面和表面起伏面之间的扭曲来实现扭曲。图20所示的象素面304中，象素306按行、列布置。象素包含在透射型常白扭曲向列液晶显示装置中，具有45度的输出偏振308。能动透镜的平面基底310例如具有45度的取向方向，表面起伏透镜312例如具有IO度的透镜几何轴线取向。在这个表面312上的取向层方向设定在190度，这样，平面基底上的取向层在竖直方向上具有反平行的分量。上述透镜也可以取向成在表面起伏面上的曲率与图中所示相反。在这种情况下，液晶透镜最薄部分在透镜的中心而不是尖端附近取向。这种透镜由于透镜象差增大而使波前质量下降。垂面取向层到现在所描述的实施方式使用传统的均一取向层和正介电各向异性材料。但是，为了使装置在2D模式下工作，要求将电压施加在胞上。在许多装置中，2D模式可能用得更多些。装置按3D模式工作来显示2D图像会给该显示装置的用户造成不想要的赝像，因此是不可取的。于是，需要这样一种元件总是维持在工作的切换状态。与3D才莫式相比，这样会造成装置功耗增加。如果切换失败，那么装置将维持3D模式，这也是不可取的。为了使装置能够在OFF状态工作在2D模式，光学微结构材料108的折射率可设定为与液晶材料的异常折射率相同。由于聚合物和液晶材料能够以低成本得到并且处理起来安全，因此这是不可取的。在上述例子中，E7是Merck出品的典型正介电各向异性材料，其中在550nm时异常折射率(ne)为1.75,An为0.22。可得到的聚合物，其折射率大于1.6,但是这些材料会是有毒的、价格贵而且难以处理，因此是不可取的。另一种方式是，减小正介电各向异性液晶材料的ne来匹配更可接受的聚合物材料。但是，减小ne会减小材料的An。例如，MerckLimited的MLC3376,其ne为1.57，但是An仅为0.09。这种透镜要求透镜曲率小于100微米。因此，这种透镜的下沉增加，方向颠倒，表面反射增加，象差变差，导致散射增加，光学串扰增大，响应时间变长。这种透镜也没有那么强的导向作用，因此胞内输入偏振的旋转没那么有效。因此，对于多种一般用于形成透镜结构的聚合物来说，用各向同性材料与液晶材料折射率的正常分量而不是异常分量进行折射率匹配，会更筒单、便宜，并能提供更高的性能。于是，使用均一取向、正介电各向异性液晶和容易得到的聚合物材料组合制成的能动透镜装置，将总的来说要求被驱动的2D工作模式。这种工作模式由于上述的原因而不可取。按图9a和9b所示构造的能动透镜类似于图7。基底102的表面上形成有电极110、112、光学微结构108、垂面取向层128,而基底104在其表面上形成有电极114、115和垂面取向层130。这种胞用介电各向异性为负的液晶材料132填充。图10a中描述了所述装置的操作。显示装置的输出偏振器提供平行于垂直方向的输入线性偏振状态方向136。垂面取向使指向矢基本正交于所述平面取向。在OFF状态，如图9中的在电极110下面的液晶材料取向124所示，偏振状态入射到液晶材料上，并且造成液晶材料的正常折射率，其依次匹配于各向同性聚合物微结构108的折射率。因此，在透镜上没有基本的相位阶跃，并且透镜对输出方向分布基本没有影响。在ON状态，如图9a和图9b中电极112下面所示，液晶的负介电各向异性引起其取向132被调整从而在胞的中间的指向矢基本上位于基底的平面。因此存在由显示器的输出偏振造成的液晶的异常折射率的分量，并且在透镜上生成了相位阶跃。这样的透镜可以用于改变显示器的方向分布并产生例如3D模式的操作。2D模式的操作，因此用于制造时更便宜和更简单。在此实施例中，所述装置的功率损耗仅当该装置处于3D模式操作时才存在。在ON状态，电场牵引液晶分子使之与基底平行。可通过例如透镜微结构的表面能量使在透镜表面的液晶材料的取向的偏置平行于几何微透镜轴。向。该取向特征可形成沟槽，该沟槽与形成于聚合物微结构中的几何微透镜轴平行。可通过例如衍射光栅来形成该沟槽。所述衍射光栅可形成于微透镜结构的控制过程中，从而该衍射光栅可有利地形成于像透镜一样的复制过程中。平面基底还可具有均一的取向结构以在ON状态下偏置分子的取向。可将ON状态下的取向层的偏置排列为通过所述胞提供偏振的旋转从而显示装置的输出偏振状态被旋转以基本上平行于几何微透镜轴。如图10b中所示。例如45度的面板输出偏振入射到平面基底上。在OFF状态，可造成具有匹配于各向同性材料的正常折射率的垂面取向的液晶并且因此基本上不需旋转。在ON状态，虽然，取向层208具有均一的取向偏置从而液晶分子被取向为与面板的输出偏振方向基本平行(或正交)。在透镜上，均一取向偏置非平行于平面基底上的取向的垂直分量，并且因此通过所述胞提供旋转。该旋转提供了与上面所述相同的优点，尤其是允许具有标准显示器的输出偏振的透镜的取向不需要附加波片或显示器输出偏振的其他更改，因此最大化了所述装置的视角。本发明的另外实施例显示在图11和图12中。在该配置中，在平面基底上的取向层134是均一取向层，它使液晶取向平行于基底。在OFF状态，入射偏振在靠近平面基底的材料136中造成异常的折射率。然而，靠近透镜表面的材料138垂面取向，从而偏振状态在表面起伏区域造成基本正常的折射率。由于聚合物折射率基本匹配于液晶材料的正常折射率，因此基本上不存在相位阶跃并且透镜不具有功能。为了在接近于均一取向层的区域中补偿透镜的附加功率，液晶的正常折射率可比聚合物材料的折射率低。透镜曲率通过液晶材料的异常折射率和聚合物的折射率来设置。在ON状态，负介电各向异性材料重新取向从而指向矢140通过整个胞基本上平行于基底，并且偏振状态造成液晶材料的异常折射率。在透镜上的相位阶跃随之出现，引起更改的方向分布和3D模式操作。这可通过图lla和图lib中在电极112下面的指向矢取向140示出。在透镜表面上的各自的取向层上的垂面取向和均一取向的结合可用于形成如图13所示的双稳态透镜。除了在两种状态之间切换，该透镜不需提供功率。用于像素强度切换应用的平面胞已在"GratingalignedbistableNematicdevice",G.b.Bryan-Brown,C.v.Brown，J.C.Jones,E丄.Wood,I.C.Sage,RBrett,J.RudinSID97Digestpp37-40中进行了描述。光4册和垂面取向层的结合用于产生双稳态胞。在第一电极区域110中，横跨所述胞驱动了脉冲从而材料与横跨所述胞的垂面取向层一致的取向。然后，入射线性偏振状态造成液晶材料146的正常折射率，并且没有透镜结构被分解。如果加载直流电压脉冲，那么在透镜表面上的液晶取向被更改从而指向矢148平行于光栅表面放置。因此在透镜表面的区域，偏振状态造成液晶材料的异常折射率并且透镜被分解。如果光栅的能量的表面被设置以相似于垂面取向层的表面能量，那么所述装置可为双稳态并且所述装置在2D和3D模式下都将被非驱动。通过应用正的或负的电压脉冲使所述装置在2D和3D模式之间切换。在上述实施例中，垂面取向层被用在透镜表面上从而在第一非驱动模式中，入射偏振状态造成匹配于所述聚合物的液晶的正常折射率。通过使用正常折射率，标准聚合物材料可用在装置制造中，由于相位结构生成于透镜表面，透镜的平面可使用垂面取向或者均一取向。外部偏振器能动透镜装置现有技术显示器没有公开在偏振输出显示系统中所述能动透镜与偏振器的相对位置。如图14所示，能动透镜可包括基底211、平面基底取向层和ITO涂层212以及透镜基底取向层和ITO涂层214、双折射材料218和各向同性材料220以及最后的基底216，基底211可以是例如具有15(H敖米或更小的厚度的微片玻璃或塑料材料基底。该结构可放置在显示器的输出偏振器之后。已通过显示器偏振器分析了强度，因此透镜仅操控输出光线的定向性。由于输出偏振器的厚度，使得这样的系统会遭受视像距离的增加。可以通过如图15所示将偏振器放置在所述装置的能动透镜之后来减小所述系统的观察距离。在这种情况下，LCD偏振仍不得不由输出偏振器82来分析，但首先通过能动透镜211-220。图16中示出了显示器的操作。例如，如果显示器是通过输出偏振器将正常白输出偏振角222设置为0度的液晶显示器，平面基底具有取向角度224设置为0度的均一取向。在透镜OFF状态，从LCD来的白状态光线通过透镜从而入射到柱面透镜阵列上的偏振226平行于几何透镜轴。该光线随后被传播通过输出偏振器228,传播方向为0度。在透镜ON状态，电场被加载在所述胞上并且正介电各向异性材料被重新取向以基本上与所述胞的基底正交。偏振状态因此造成透镜的正常折射率并且没有授予透镜功能。输出偏振状态经过输出偏振器。由于输出偏振器的对比损失，在透镜胞中具有非零度偏振旋转的装置中操作这样的构造将不方便。需要附加一个或更多波片以旋转显示器的输出偏振。可有利地将波片制造得比偏振器薄。在透镜胞中的对比损失也可适用于降低最终图像的对比度。外部偏振器实施例另外还具有这样的优点，即在外围光线的透镜的可见度降低了。入射到显示器的前侧的外部光源通过输入偏振器，在透镜和具有相位阶跃的其他表面上经受菲涅尔反射，(例如从诸如ITO的反射涂层)并随之返回通过输出偏振器。因此，外部偏振器吸收在每个方向通过的光线的偏振，并且因此降低透镜的反射从而有利地提高显示器的对比度。有利地，这样的元件可与具有高偏振切换效率的液晶模式一起使用以使该模式的对比度最优化。在一些装置中，如传送式常白扭曲向列液晶，ON模式(参照生成最大白电平的偏振状态)具有相对于黑状态的90度旋转。因此可以仅从ON状态分解通过透镜的偏振状态。在其他装置中，如混合扭曲向列装置，ON偏振状态可不正交于黑状态。这样的装置可使在内部能动透镜构造中的对比度降低。在其中除了偏振器外还将波片用于光学输出的系统中，如在许多反射液晶显示器中，所述波片可位于像素平面和能动透镜装置之间从而从所述显示器的输出是基本线性的。图21显示了本发明的另外实施例。诸如聚合物电致发光显示器的发光显示器包括其上形成有发光像素316-330的基底314。发光像素可以是非偏振的、部分偏振的或偏振的，该偏振具有线性输出偏振方向，其被取向以提供通过显示器的元件的剩余物的最优传播。发光显示器的背基底(countersubstrate)332具有附着的能动透镜元件。能动透镜包括，例如微片334、ITO电极336、342、可切换双折射材料338和各向同性表面起伏结构340,以及支撑基底344。最终输出偏振器346连接于平行于透镜阵列的几何轴的传播方向。在OFF状态，液晶材料从像素接收光线并且用于垂直偏振状态(从纸的平面向外)，产生了折射结构中的相位不匹配，因此透镜具有光学功能。该偏振状态被传播通过输出偏振器346。因此能动透镜可位于像素平面和输出偏振器之间，有利地减小了显示的视像距离。在ON状态，分子重新取向从而被传输通过偏振器346的输出偏振造成液晶材料338的正常折射率，并且没有造成透镜功能。这样，偏振器344适用于结合清理偏振器和透镜分析偏振器的功能。偏振发光显示器发光显示器，如包括聚合物的无机和有机电致发光显示器和小分子有机电致发光显示器，典型地生成非偏振光学输出。然而，方向分布光学切换系统可依靠偏振切换来使显示器能够在第一模式和第二模式之间被重新配置，第一模式可以是例如Lambertian，第二模式可以是例如自动立体3D窗口。因此当与偏振方向分布光学切换系统结合时，非偏振显示器将显示偏振损失。本发明的一个目的是通过将偏振发光显示器的输出偏振与包括能动透镜的方向分布光学切换系统的输入偏振状态一起取向来在发光显示器中提供高光学效率。可在显示器的发光像素中通过发光材料的单轴取向的载色体来获得偏振取向。在双折射显微透镜中，偏振输出的主轴的取向方向可被设置为与双折射材料的取向方向协同。这样，可获得使用能动透镜的高效的发光方向分布光学切换显示器。这样的显示器与LCD显示器相比具有附加的优点，例如不需背光并且因此可制造得更薄更轻，这对移动应用是很重要的。可使用任何类型的提供偏振输出的偏振发光显示器。例如，可以是如"PolarizedElectroluminescencefromanAnisotropicNematicNetworkonaNon-contactPhotoalignmentLayer"，A.E.A.Contoret,S.R.Farrar,P.O.Jachson，S.M.Khan，L.May，M.O'Neill,J.E.Nicholls,S.M.Kelly和G.J.Richards，Adv.Mater.2000,12，No.13,July.5p971中所描述的偏振有机电致发光显示器。这表明在实际系统中可以获得ll:1的偏振效率。图17显示了本发明的实施例。像素230-244的阵列形成于显示器基底246上。基底246可包括寻址薄膜晶体管和电极的阵列从而可通过电信号来对每个像素独立地寻址。薄膜晶体管可以是无机的或者可以在有机材料中被实施。可选地，可通过被动寻址方案来寻址所述像素，在该被动寻址方案中寻址晶体管不需要出现在所述像素处。像素230-244的每一个包括发光区域，在该发光区域中包括载色体的发光材料被单轴地取向从而对整个像素发光偏振是基本上线性的并且基本上在相同的方向上。每个像素被取向为基本上具有相同的偏振方向。发光材料可以是例如聚合物电致发光材料或小分子电致发光的覆盖基底248被附于所述像素。基底248可结合障肋层和对比增强型黑掩膜层。可选的偏振器250可附于基底248。可选地，可将偏振器材料结合到或接近像素平面，例如基底248的内表面。例如，一个已知的偏振有机电致发光显示器具有11:l的偏振比率。通过与具有45%的偏振效率的典型的偏振器的结合，与结合于扫尾(clean-up)偏振器的非偏振光源的45%相比，光源的全部生产能力将是82.5%。能动双折射微透镜212-220形成于偏振器250的表面。为了从切换胞切换输出偏振，对液晶胞加载了电压。图17的设备以下列方式运转。从偏振发光像素阵列230-244来的输出偏振被线性偏振器250所清除，该线性偏振器250具有平行于发光材料的偏振方向的主轴的传播方向。该偏振状态的取向平行于在其OFF状态的双折射透镜218中的液晶材料的取向方向。该折射率不同于各向同性材料40的折射率，并且因此这里有透镜效应。在第二模式，材料218被加载的场重新取向从而在透镜表面对于各向同性材料基本上没有折射率阶跃，并且透镜不具有光学功能。这在对于2D模式的光学输出的方向分布中引起了变化。可布置透镜以在窗口平面上生成像素平面的图像。扩大最优运行温度的范围现在将描述对扩大最优运行温度的范围的考虑。这些考虑适用于上述所有能动双折射透镜阵列并且通常适用于通过控制电极上的电压来运行于两个模式下的任何其他双折射透镜阵列。所述显示器的性能可随着运行温度而变化。这可被归因于双折射材料的正常和异常折射率以及各向同性材料的折射率随温度的变化。图22中示意性地显示了对于液晶和聚合物材料的典型结合的折射率350相对温度352的变化。当达到向列到各向同性的跃迁温度时，正常折射率356趋向于增加，而异常折射率354减小。在向列-各向同性跃迁温度360之上，双折射材料折射率变得匹配。如所示，聚合物折射率358可随温度减小。图22中所示的系统显示了典型材料系统的情况，其中对于正介电各向异本应用中的别处所述，这样的系统典型地需要将电压加载到所述胞以允许操作的2D模式，在该模式中聚合物和正常折射率基本上匹配。在其他材料系统中，聚合物折射率356可基本上匹配于双折射材料的异常折射率，在这种情况下下述考虑仍然适用mutatismutandis。典型地，设计运行温度362为室温，例如在20-25"范围内，优选20。C。在零电压折射率匹配点386，聚合物折射率与正常折射率356相等，可根据材料的精确选择来选择该零电压折射率匹配点368作为设计参数。典型地，零电压折射率匹配点368被设置为设计运行温度。然而，应该理解，将零电压折射率匹配点368偏置到更高的温度是有益处的，如下。首先，考虑到显示设备更经常地使用在比正常设计温度20。C高的温度下。因此，在显示设备的典型使用的更大比例下，将聚合物材料的折射率恰好等于双折射材料的折射率中的相关的一个时的温度提高实际上使聚合物材料的折射率更接近于双折射材料的折射率中的相关的一个。对于在其中在设计温度362双折射透镜材料的正常折射率356基本匹配于聚合物折射率358的系统，当温度增加时，可丧失折射率匹配条件。这可以通过将聚合物折射率设置在室温下的正常和异常折射率之间从而对于2D模式在窗口平面造成强度的可接受地低的变化来克服。如上所述，对于理想的运行温度的典型范围，当运行温度升高时，液晶正常折射率356向着聚合物折射率358升高从而基本上接近折射率匹配条件以满足2D透镜性能要求的温度范围被扩大。其次，现在将描述一种设备，如图23所示，它可用于为温度的变化而进一步补偿所述装置的性能。温度传感器370或手动用户调节372被用于设置驱动横跨透镜胞376的电压的电压控制器374。因此在2D模式，可横跨透镜加载小的电压。手动用户调节可通过直接电调整或者通过对控制电压的应用软件的用户输入来实现。在直到设计运行温度362之上的界限值的整个温度范围中，优选地至少为25°C，聚合物折射率358被设置于正常折射率358和异常折射率354之间。在此特定实施例中，所述界限是零电压折射率匹配点368。在此温度范围上，电压控制器374可补偿在第二模式(2D模式)中的温度的变化，因此扩大了有效温度运行范围。图24示意性的显示了在这种装置中的折射率的变化。有效折射率是由通过双折射透镜到观察者的偏振状态所造成的合成折射率。有效折射率是双折射材料的正常和异常折射率的分解的分量。如果在双折射材料上加载电压，所述材料重新取向从而通过偏振状态造成正常和异常折射率的相关分量改变，并且因此有效折射率变化。在所给的例子中，在设计运行温度362,如果电压被加载以完全切换双折射材料，则当其通过透镜时由入射偏振状态造成的有效折射率比聚合物折射率低。如果减小的电压被加载，当偏振状态开始造成双折射材料的异常折射率的分量时，通过偏振造成的有效折射率将增大如箭头364所示的量。如果在标准运行温度聚合物折射率358被设置在液晶的正常折射率之上，那么在运行温度透镜中的有效折射率将因此被控制以匹配于聚合物折射率358。如果调整电压使之匹配于在温度范围内的运行温度，例如在如箭头366所示的温度，那么可扩大第二模式的运行温度。在温度368，没有加载电压以获得折射率匹配条件。可通过温度传感器370的自动反馈，或者通过输入372的手动校正来设置电压信号374以最优化所述显示器的性能。同样地，可扩大在第一模式(3D模式)的运行温度范围，如图25中所示。当温度352增大时，所述材料的异常折射率354将减小，因此降低了透镜光功率。透镜阵列的功率由透镜的曲率半径的选择来控制，在直到设计运行温度362之上的界限值的整个温度范围中，优选地至少为25。C,可设置透佳焦点所需的功率。在此温度范围之上，电压控制器374可补偿在第一模式(3D模式)的温度变化，因此扩大了有效温度运行范围。在此特定的实施例中，如果没有电压被加载在所述胞上，透镜的光功率比在室温下最优性能所需的光功率略微大一些。可对所述胞加载调整的功率以获得最优透镜运行。这由箭头370示出，其中通过偏振状态在透镜中造成的有效折射率下降到折射率372的位置。当温度增大时，在透镜中的有效折射率将下降，从而所需折射率下降374更小，并且驱动电压可被降低以保持透镜的光学性能。如图23所示的相同的控制系统可用于通过设置最佳显示器焦点来使所述系统的性能最优化。在运输到最终用户之前可为显示器确定在温度范围上的最佳焦点的标度。透镜的最佳焦点由透镜光功率和从空间光调制的像素平面的透镜的分离来确定。透镜的最佳焦点可由例如本领域所公知的近轴焦点、最小轴上光斑尺寸、场平均光斑尺寸、最小轴上均方根光程差、或最小场均方根光程差来定义。可选地，最佳焦点可关于在像素平面的眼点的尺寸(即在像素平面的名义上的人的图像的尺寸)来确定。通常可通过最小化眼点的尺寸来设置最佳焦点。可选地，最佳焦点可不同于在像素平面的最小眼点。例如，最佳焦点眼点尺寸可大于在像素列之间的间隙从而合成光点用于使由于所述列之间的间隙的成像引起的窗口平面中的强度差别模糊。可选地，最佳焦点可由显示器的视觉观测来确定，从而当观察者相对于显示器横向地移动时在显示器表面造成的边缘的视觉外观被最优化以用于显示器的最佳感知外观。最佳焦点设置可以是在显示器上的用户设置，以允许用户改变显示器外观以最好地满足他们的个人偏好。如果透镜结合了垂面取向层和具有负介电各向异性的双折射材料，那么对于3D运行需要更大的驱动电压。在这种情况下，通过增大驱动电压来最优化2D模式从而有效折射率向着聚合物折射率增大。在3D模式，驱动电压减小从而有效折射率下降以获得最佳焦点位置。还可设置聚合物折射率使之接近于，但是小于双折射材料的异常折射率。在这种情况下，有效折射率的微小变化将产生折射率匹配，反之驱动电压的减小可用于在3D模式中增大有效折射率并且因此产生用于最佳焦点的折射率阶跃。这样，通过将聚合物折射率设置在正常和异常折射率之间可以有利地扩大显示器的运行范围。另外，通过将透镜的曲率半径设置得小于在设计运行温度下的最优化的相应透镜可以有利地最优化3D模式的运行温度范围。在其中透镜结合扭曲的本发明的实施例中还需要进一步补偿。在透镜中的扭曲的数量可由偏移驱动电压来确定。因此，小的偏移驱动电压可在透镜中引起比没有驱动电压时出现的少的扭曲。可选的，最大驱动电压的偏移可引入在其它情况下不会出现的扭曲。为了消除扭曲的影响，期望使用波片以补偿平面输出偏振方向。可选地，在所述装置中的设计扭曲可在加工中被设置以最优化，从而当偏移电压被加载时在设计运行温度下正确的所得的扭曲出现在透镜胞中。权利要求1.一种显示设备，包括显示装置，具有空间光调制器和输出偏振器；电可切换双折射透镜阵列，布置成接收来自所述空间光调制器的光，其中，所述透镜阵列布置在所述显示装置的所述空间光调制器和所述输出偏振器之间。2.如权利要求1所述的显示设备，其中，所述空间光调制器布置成使每个象素处的光的偏振方向的主轴旋转调制量，所述输出偏振器布置成选择按预定方向偏振的光。3.如权利要求2所述的显示设备，其中，所述空间光调制器是液晶空间光调制器。4.如权利要求1到3中任一项所述的显示设备，其中，所述透镜阵列能够在第一模式和第二模式间电切换，所述透镜阵列在所述第一模式能够改变按预定方向偏振的入射光的方向分布，在所述第二模式对于按所述预定方向偏振的入射光基本上没有作用。全文摘要提供一种可切换的双折射柱面透镜阵列及具有该可切换双折射透镜阵列的显示设备。该显示设备包括显示装置，具有空间光调制器和输出偏振器；电可切换双折射透镜阵列，布置成接收来自所述空间光调制器的光，其中，所述透镜阵列布置在所述显示装置的所述空间光调制器和所述输出偏振器之间。文档编号G02F1/01GK101216612SQ20081000203公开日2008年7月9日申请日期2004年2月4日优先权日2003年2月5日发明者乔纳森·哈罗德,格雷厄姆·约翰·伍德盖特申请人:奥奎帝有限公司