光控制元件和包括该元件的显示器的制作方法

专利名称：光控制元件和包括该元件的显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够控制其输出光的角度范围的光控制元件。本发明还涉及包括该光控制元件且可控制地改变该器件输出光角度范围的光控制器件，同时还涉及包括该光控制器件的显示器。
背景技术：
电子显示器件，例如用于计算机监视器以及嵌入移动电话和其它便携式信息器件的屏，它们通常设计为具有尽可能宽的视角，以便从多个不同的观察位置都能看见该器件显示的图像。然而，许多情况下只需要在一个窄视角范围内可见器件显示的图像。例如，在拥挤的列车上使用便携式计算机的人希望计算机的显示屏具有小视角，从而在列车上的其它乘客不能阅读在计算机显示屏上显示出的文件。为此，已经倾注了相当多的努力来发展在两种操作模式之间电切换的显示器件用于一般应用的宽视角“公用”显示模式，但是它们可以被转换到窄视角“个人”显示模式，即在公共场所显示的个人信息除了器件的使用者外不被其它人看到。
已知有多种限制能够观测显示器的角度范围或位置的器件。
美国专利US 6 552 850描述了一种自动取款机(ATM)上显示个人信息的方法。由取款机的显示器发射的光具有固定的偏振态，并且取款机和它的使用者由片起偏振器的大屏幕环绕，该起偏振器吸收上述偏振态的光并透射其正交偏振态的光。过路人可以看到使用者和取款机，但不能看见在机器屏幕上显示的信息。
用于控制光方向的一种已知元件为如

图1所示的‘百叶窗式(louvred)’膜。膜1由类似于软百叶窗结构排列的交替的透明层2和不透明层3组成。膜1以与软百叶窗相同的原理工作，并且当光以平行于或近似平行于不透明层3的方向，即如图1中所示的光路4行进时，它允许该光通过。然而，以大角度行进至不透明层3平面的光入射到不透明层之一上并被吸收，如图1所示的光路5。如图1所示，层2、3可以垂直于膜的表面，或者可以与膜的表面成其它角度。
图1所示的百叶窗式膜的类型可通过交替地堆叠许多片状透明材料和不透明材料构成，然后将得到的块垂直于层切割为薄片。这种方法已经公知了许多年，并在例如美国专利US 2 053 173、US 2 689 387和US 3 031 351申请中描述。
还已知其它的制造方法。例如，美国专利US RE27617描述了从堆叠层的圆柱坯中连续切割百叶窗式膜的过程。美国专利US 4 766 023描述了如何通过涂覆UV可固化单体后将膜在UV辐射下曝光从而可以改善得到的膜的光学性能和机械强度。美国专利US 4 764 410描述了使用UV可固化材料将百叶窗薄片与涂层膜结合的类似过程。
存在制造具有与百叶窗式膜相似特性的膜的其他方法。例如，美国专利US5 147 716描述了含有许多拉长粒子的光控制膜，这些粒子沿垂直于膜平面的方向排列。与该方向成大角度的光线因此被强烈吸收，然而沿该方向传播的光线被透射。
图2示出了光控制膜6的另一个例子，如美国专利US 5 528 319中所述。膜6具有透明体7，其中嵌入基本平行于膜6平面延伸的不透明区域8。不透明区域8排列在叠层9中，每一个叠层9与相邻的叠层隔开。不透明区域8在某些方向上(如图2中的方向1)阻挡光透射通过膜，而允许其他方向(如图2中的方向2)的光透射。
在先技术的光控制膜可以设置在显示面板的前面或者设置在透射显示面板和其背光之间，以限制可以观测到的显示器的角度范围。换言之，在先技术的光控制膜使显示器“个人”化。然而，没有一种在先技术的光控制膜能够关掉保密功能从而允许以宽角度范围观测。
已有可以在公用模式(具有宽视角)和个人模式之间(具有窄视角)之间进行转换的显示器的报道。例如，美国专利申请US 2002/0158967提出光控制膜可移动的安装在显示器上，从而光控制膜可以定位在显示器前面的上方以产生个人模式，或者可以机械地缩回到显示器后或旁边的夹具中以产生公用模式。该方法的缺陷在于其包含有移动部件，该部件在使用中可能产生故障或者损坏，而且增大了显示器的体积。
在显示器面板后安装光控制膜，并在光控制膜层和面板之间设置可电切换其开关的漫射体，这种方法将显示器面板从公用模式切换到个人模式而不移动部件。当漫射体不工作时，光控制膜限制视角范围，并且显示器处于个人模式。当漫射体接通时，从光控制膜中输出的窄角度范围的光入射到该漫射体上，该漫射体用作增大光的角度扩散-即，该漫射体消除光控制膜的作用。这样，以宽角度范围传播的光照明显示器，并且该显示器以公用模式工作在。也可能在面板的前面安装光控制膜并在光控制膜前设置可切换漫射体以获得相同的效果。
美国专利US 5 831 698、US 6 211 930和US 5 877 829中描述了上述类型的可切换保密器件。它们的缺陷在于光控制膜总是吸收入射到其上的光的相当大的一部分，无论显示器处于公用模式还是个人模式。因此显示器在其利用光时存在固有的低效率。此外，由于处于公用模式时漫射体通过宽角度范围扩散光，因此这些显示器处于公用模式时比个人模式时更加昏暗(除非该器件工作在公用模式时以更加明亮的背光作为补偿)。
这些器件的另一缺陷涉及它们的功率消耗。这些器件通常使用可切换分散聚合体(polymer-dispersed)液晶漫射体，当没有电压横跨液晶层施加时该漫射体不产生漫射，通过施加电压该漫射体接通(到漫射状态)。因此，为了获得公用模式操作，必须横跨漫射体施加电压从而接通漫射体。因此公用模式比个人模式消耗更多的电能。这对于移动器件来说是一个缺陷，因为这类器件多半时间用于公用模式并且具有限定的电池能量。
美国专利US 5 825 436中给出了制造可切换公用/个人显示器的另一种方法。该专利中的光控制器件与图1的百叶窗式膜的结构相似。然而，图1的百叶窗式膜中每个不透明元件3由液晶单元替代，该液晶单元可以从不透明状态电切换到透明状态。光控制器件放置在显示面板的前面或后面。当这些单元不透明时，显示器以个人模式工作；当这些单元透明时，显示器以公用模式工作。
这种器件的一个显著的缺陷在于制造具有合适形状的液晶单元的困难和费用。第二点缺陷在于个人模式时，光线可以以一个角度进入使得它首先通过透明材料然后通过部分液晶单元。这样的光线将不能完全地被液晶单元吸收，从而可能减小器件的保密性。
通过允许用户的左眼看立体像对的左眼图像同时右眼看右眼图像，立体显示器实现三维效果。在自动立体显示器中，不需要用户佩戴特别设计的眼镜即可实现。已知能够实现该功能的显示器已经有数十年，例如N.A.Valyus，在书“立体观测(Stereoscopy)”，(Focal Press，1966)中的描述。一种用于电子显示器的广泛使用的方法为使用视差阻挡层或其他类型的视差光学系统。图3(a)和3(b)为这类型的自动立体显示器的平面图。
在图3(a)和3(b)的显示器10中，视差阻挡层11靠近图像显示面板12放置。视差阻挡层可以位于显示面板12的前面，如图3(a)所示，或者位于显示面板的后面，如图3(b)所示。视差阻挡层11包括由不透明部分14分隔的开口或透射部分13。两个交错的图像，即左眼图像和右眼图像，在图像显示面板上显示，如图3(a)和3(b)中示意性所示-标记“L”和“R”分别表示显示左眼图像和右眼图像的像素。当用户位于正确的位置时，视差阻挡层11防止光通过显示由观察者的左眼观看的显示器右眼图像的像素，同时防止光通过显示由观察者的右眼观看的左眼图像的像素。从而，观察者看见三维图像。
同样的方法可以用于制造允许两个或多个位于不同位置的不同用户观看不同图像的显示器。这称作“双视图”显示器。双视图显示器的原理相似于自动立体显示器，除了它显示两个或多个独立的图像而不是立体像对的左眼和右眼图像，以及显示的两个图像被不同的用户看见而不是一个观察者的左和右眼。
视差阻挡层的基本设计是公知的，例如由Valyus(上述)所描述的。在H.Yamamoto等人发表的“关于电子学的IEICE处理”(IEICE Transactions onElectronics)，vol.E83-C，no.10，pp.1632-1639(2000)中描述了阻挡层设计最优化的方法。
使用视差阻挡层的一个问题在于它由两个因素(或更多，如果多于两幅视图被示出)降低了图像的分辨率(图像中像素的数目)。即使当显示器用于显示二维图像时，即，当对于两只眼睛显示同样的图像时这是事实。为了避免这个问题，已经发展了可切换显示器，其中当显示器用于显示二维图像时视差阻挡层可以停用或“关掉”。这种可切换视差阻挡层显示器在例如美国专利US 5 969 850以及US 6055 103中有描述，这两篇文件分别描述了液晶器件如何可被用于制造可转换视差阻挡层以及描述了另一种使用带图案延迟器和单个可切换波片的可切换视差阻挡层。
图3(a)和3(b)中示出的多视图方向显示器类型，其缺陷还在于视差阻挡层11必须与显示面板12精细对齐以便实现正确的3D效果。这增加了制造成本。当显示器工作在三维模式时，如上文所提到的，其分辨率同样由两个因素降低。
通过在不同的时间显示用于左和右眼的图像，自动立体显示器的第二类型避免了这些缺陷。显示器的完整分辨率用于每幅图像。利用方向背光系统将图像引导到不同的位置。在第一时间帧中，背光切换为使光通过显示面板发送向观察者的左眼，然后显示左眼图像。在下一时间帧中，背光切换使发送光通过显示面板到观察者的右眼，并显示右眼图像。快速重复这种次序以便感觉不到图像闪烁。在美国专利US5 132 839中给出了这类显示器的例子。这种装置也可以用于双视图显示器。这类显示器的缺陷在于可切换背光系统通常很复杂和昂贵，这增加了制造成本。

发明内容
本发明的第一方面提供光控制元件，该元件在其区域的至少一部分的上方具有第一角度输出范围，用于输出具有第一偏振态的光，以及具有大于第一角度输出范围的第二角度输出范围，用于输出具有不同于第一偏振态的第二偏振态的光。角度输出范围是光控制元件的特性。首先通过从元件中输出的偏振分量，然后通过元件对每个输出偏振分量的输出角度范围来确定来自元件的输出。
光控制元件，在其区域的至少一部分的上方，可以对具有第一偏振态且沿第一方向范围传播的光是不透明或基本上不透明的，可以对具有第一偏振态且沿不同于第一方向范围的第二方向范围传播的光是基本上透明的，并且可以对第二偏振态是透明的。
当该偏振相关光控制元件放置在透射显示图像的后面或前面时，其中该图像用第一偏振态的光照明，光控制元件限制光输出的角度范围，以窄角度范围显示图像以便得到个人显示模式。然而，当显示器用第二偏振态的光照明时，图像以更大的角度范围显示，由此给出公用显示模式。公用显示模式和个人显示模式之间的切换简单地通过改变入射到显示图像或从显示图像中输出的光的偏振态来实现；因此，可以不利用移动部件实现公用模式和个人模式之间的切换。进一步的优点在于公用模式时几乎很少或没有光被光控制元件吸收，因此光效率高，并且本发明的光控制元件可以容易且便宜地制造。
本发明的光控制元件也可以用于发射或反射的图像。在这种情况下，光控制元件必须放置在图像和观察者之间。
第二偏振态可以与第一偏振态正交。这两种偏振态可以为线性偏振态。
所述元件可以包括多个第一区域，该区域对第一偏振态的光不透明或基本上不透明，并且透射第二偏振的光，每对相邻的第一区域通过透射第一偏振的光和第二偏振的光的材料彼此隔开。
每个第一区域可以沿基本平行于与器件平面交叉的方向延伸。作为选择，每个第一区域可以沿基本平行于垂直器件平面的方向延伸。
所述元件可以包括透射第一偏振态的光和第二偏振态的光的基底；基底中的多个凹陷；和配置在每个凹陷中对第一偏振态的光不透明或基本上不透明但透射第二偏振态的光的材料。
作为选择，所述元件可以包括对第一偏振态的光不透明或基本上不透明且透射第二偏振态的光的基底；基底中的多个凹陷；和配置在每个凹陷中透射第一偏振态的光和第二偏振态的光的材料。
每个第一区域可以基本上平行于元件平面延伸；这些区域可以排列为两个或多个元件的多个叠层；叠层可以横向地彼此隔开，且每对相邻的叠层通过透射第一偏振的光和第二偏振的光的材料彼此隔开。
所述元件可以在个人模式和公用模式之间切换，其中个人模式中，元件在其区域的至少一部分的上方对第一偏振态光具有第一角度输出范围，以及对第二偏振态光具有第二角度输出范围，公用模式中，元件在其区域的至少一部分的上方对第一偏振态光具有大于第一角度输出范围的第三角度输出范围。在该实施例中，元件是有效的光控制元件，能够在公用模式和个人模式之间切换，以便减小输出角度范围(对于具体的偏振态的光)。元件本身被切换以根据所需得到公用模式或个人模式，而不是如之前的实施例中通过切换晶过元件的光的偏振态从公用模式变化到个人模式。
所述元件可以进一步可切换到第二个人模式，其中它对具有第一偏振态的光具有角度输出范围，该范围大于第一角度输出范围，但是小于第三角度输出范围。
每个第一区域可以在对第一偏振态光不透明的第一状态和基本上透射第一偏振态光的第二状态之间切换。在第二状态中，元件透射两种偏振态的光。通过使第一区域在其第一和第二状态之间切换，元件可以在其公用模式和个人模式之间切换。
所述元件可以进一步包括多个第二区域，每对相邻的第二区域由透射第一偏振的光和第二偏振的光的材料彼此隔开；其中每个第二区域在对第二偏振态光不透明的第三状态和基本上透射第二偏振态光的第四状态之间可切换。这样的元件可以具有第一个人模式和第二个人模式，第一个人模式沿一个方向具有窄的角度输出范围，第二个人模式沿另一个方向具有窄的角度输出范围。
第一区域可以设在光控制元件的一个或多个第一区域中，第二区域设在光控制元件的一个或多个第二区域中，第一区域不覆盖第二区域。作为选择，第一区域可以配置在第二区域的上方。第一区域可以基本上垂直于第一区域延伸。
每个区域可以包括线性偏振材料。
每个第一区域在其第一状态时可以包括线性偏振材料。每个第二区域在其第三状态时可以包括线性偏振材料。
每个区域可以包括液晶材料。
液晶材料可以是宾—主液晶材料。这种液晶材料包含“宾”材料，例如染料，溶解于或以化学方法加到液晶“主”材料中。
对于至少一个偏振态的光的角度输出范围可以在光控制元件的区域上方变化。例如，角度输出范围可以朝向光控制元件的相对侧边增加。
本发明的第二方面提供一种光控制器件，包括如上限定的光控制元件和配置在通过光控制元件的光路中的偏振切换开关。通过利用偏振切换开关控制入射到显示器上或从显示器中输出的光的偏振态，可以改变输出光的角度范围。输出光的角度范围可以不需要任何移动部件而改变。
偏振切换开关可以包括可切换波片。它可以包括与线性起偏振器串连配置的可切换半波片。
本发明的第三方面提供包括如上限定的光控制元件的显示器。
显示器可以进一步包括配置在晶过光控制元件的光路中的偏振切换开关。通过利用偏振切换开关控制入射到显示器上或从显示器中输出的光的偏振态，可以改变输出光的角度范围。从显示器中输出光的角度范围可以不需要任何移动部件而改变。
偏振切换开关可以包括可切换波片。它可以包括与线性起偏振器串连配置的可切换半波片。
在使用中，光控制元件可以构成用于第一偏振光的视差光学系统，由此该显示器作为多视图方向显示器可操作。这使得显示器能够在个人自动显示模式工作。
本发明的第四方面提供一种显示器，包括如上限定的第一光控制元件；如上限定的第二光控制元件；和第一偏振切换开关；其中对第一偏振光的第一光控制元件的角度输出范围不同于对第一偏振光的第二光控制元件的角度输出范围。从而可以例如允许从显示器中输出光的角度范围在水平和垂直两个方向上受到限制。
显示器可以进一步包括第二偏振切换开关。这允许每个光控制元件被独立地激活，从而提供四种显示模式。
本发明的第五方面提供一种显示器，包括如上限定的第一光控制元件；第二光控制元件，对具有第二偏振态且沿第三方向范围传播的光不透明或基本上不透明，同时对具有第二偏振态且沿不同于第三方向范围的第四方向范围传播的光基本上透明，同时对具有第一偏振态的光基本上透明；和偏振切换开关，配置在通过第一和第二光控制元件的光路中。在这方面，一个或另一个光控制元件可在任一时间激活。
第一光控制元件在使用中可以以关于第一方向为中心的角度范围输出第一偏振光，第二光控制元件在使用中可以以关于不同于第一方向的第二方向为中心的角度范围输出第二偏振光。
显示器可以进一步包括用户操作装置，用于使光控制元件在第一模式和第二模式之间切换。作为选择，按照显示器上预定操作的特性，光控制元件可自动操作在第一模式和第二模式之间切换。
预定操作可以是分为公用或个人的显示信息，其使光控制元件分别切换到公用模式或个人模式。
显示器可以包括光控制元件何时处于个人模式的指示装置。作为选择，显示器可操作显示光控制元件处于个人模式的指示。
在使用偏振切换开关的地方，偏振切换开关可以包括液晶单元。通过横跨液晶单元施加适当的电场，允许偏振旋光效应被接通或关掉。
液晶单元可以使用Freedericksz液晶模式。这种模式的优点在于其光学特性仅很弱的取决于视角。
液晶单元作为选择可以使用扭曲向列(TN)模式。这种模式的优点在于其光学特性仅很弱的取决于光的波长。TN单元可以以例如Gooch-Tarry最小量或Mauguin限制的方式工作，其中单元的光学特性的波长相关性最小。
液晶单元作为选择可以使用垂直对准向列模式。在该情况下，通过施加电场接通偏振旋光效应，没有电源施加时则不存在该效应。这对于一些应用中最小化电源消耗是有利的。
偏振切换开关的特性可优化为使沿将要阻碍透射的方向经过系统的光泄漏最小化。
本发明的第六方面提供一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤将多个起偏振器片一个叠层在另一个的上方，每个起偏振器片包括起偏振器层和至少一个光透射基底；以及将每个起偏振器片粘附到其相邻的起偏振器片。如果起偏振器片具有合适的尺寸，那么叠层组件可以构成本发明的光控制元件。
本方法可包括在第一起偏振器片的上方配置光可固化粘合剂，在第一起偏振器片的上方叠层第二起偏振器片；照射粘合剂以固化粘合剂，由此将第一起偏振器片粘附到第二起偏振器片。这对于将叠层组件的层彼此粘附是一种方便的方法，尽管如果需要可以使用其他方法。
本方法还可包括在每对相邻的起偏振器片之间提供光透射层。这允许光控制元件的偏振区域之间的间隔等于所需间隔。
本发明还可包括步骤去除叠层组件的所有起偏振器片的起偏振器层的选定区域。该方法可以用于制造偏振区域主要平行于元件平面延伸的光控制元件。
本发明还可包括步骤将叠层组件切割为片，其中切割方向可以垂直于起偏振器片的平面，或者作为选择沿不平行于起偏振器片的平面的另一方向切割。叠层组件的每个切割部分可以构成本发明的光控制元件。
本发明的第七方面提供一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤去除第一起偏振器片的起偏振器层的选定区域，起偏振器片包括光透射基底和起偏振器层；将第二起偏振器片叠层在第一起偏振器的上方；去除第二起偏振器片的起偏振器层的选定区域。该方法也可以用于制造光控制元件，其中偏振区域基本平行于元件平面延伸。
本发明的第八方面提供一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤在光透射基底中形成多个凹陷；在凹陷中设有偏振材料。
本发明的第九方面提供一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤在由偏振材料形成的基底中形成多个凹陷；在凹陷中设有光透射材料。
在基底中形成凹陷的步骤可以包括选择性照射基底的步骤。
附图简要说明现在将参考所附的附图描述本发明的优选实施例，这些实施例仅作为说明性的例子，其中图1示出了已知的具有百叶窗结构的光控制膜；图2示出了已知的具有多层结构的光控制膜；图3示出了视差阻挡层自动立体显示器的原理；图4示出了本发明的偏振相关光控制元件的一种可能的结构；图5示出了本发明的偏振相关光控制元件的另一种结构；图6示出了本发明的可在个人和公用观测模式之间切换的显示器；图7说明了图6的显示器的操作；图8(a)到8(c)示出了制造图6的显示器的偏振相关光控制元件的方法；图9(a)到9(c)示出了制造偏振相关光控制元件的另一方法；图10(a)到10(d)示出了对于偏振相关光控制元件的结构在透明材料中切割槽的两种方法；图11(a)和(b)示出了对于偏振相关光控制元件中液晶材料的施加调准层的两个选择方案；图12(a)和12(b)说明了如何通过去除部分吸收材料膜构造偏振相关光控制元件；图13(a)到(f)示出了构造偏振相关光控制元件的另两种方法；图14示出了可在个人和公用观看模式之间切换的另一种显示器；图15(a)和15(b)说明了图14的显示器的操作；图16示出了本发明的可在四种观看模式之间切换的显示器；图17(a)到(f)说明了图16的显示器的三种操作模式；图18示出了本发明的可以在自动立体个人显示模式或公用显示模式操作的显示器；图19(a)示出了图18的显示器中光控制元件的另一种结构；图19(b)说明了图19(a)的光控制元件的制造；图20示出了本发明的能够对两个观察者的每一个显示不同个人图像的显示器；图21示出了本发明的包括偏振相关光控制元件的显示器，其中所述元件通过控制器件内部的液晶可切换；图22(a)和22(b)示出了图21的显示器的一种可能结构的操作原理；图23(a)和23(b)示出了图21的显示器的第二可能结构的操作原理；图24(a)和(b)示出了图21的显示器的第三可能结构的操作原理；图25(a)和25(b)示出了本发明的另一光控制元件；图25(c)是包括图25(c)的光控制元件的显示器的侧视图；图26是本发明的进一步光控制元件的透视图；图27(a)和27(b)说明了图21的光控制元件的原理和根据本发明的进一步实施例的光控制元件的原理；图28(a)，28(b)和28(c)说明了本发明的进一步光控制元件；图29和30说明了本发明的光控制元件的输出角度范围的变化；图31(a)和31(b)是根据本发明进一步实施例的光控制元件的截面图和平面图；图32是根据本发明进一步实施例的包括光控制元件的显示器的截面图；和图33说明了关于本发明的光控制元件的折射率失配的影响。
在整个附图中同样的附图标记表示同样的部件。
具体实施例方式
图4是本发明光控制元件15的示意性透视图。光控制元件包括多个区域16，该区域对具有特定偏振态的光不透明或基本上不透明，但是对于正交偏振态的光透明。图4的光控制元件通过制造线性起偏振器材料构成的每个区域16而很方便的实施，以便每个区域16对其偏振方向与该区域的透射轴交叉的面偏振光是不透明的。因此区域16将被称作“偏振区域”，图4中每个区域16上的箭头方向表示该区域的透射轴方向。可以看出，偏振区域16设置为它们的透射轴基本上彼此平行。
在图4中，偏振区域16具有厚度大约不变的片状。片16也被设置为基本上彼此平行，并且使得相邻的片由透射材料层17分隔。在图4中，偏振片设置成它们的透射轴基本上平行于元件15的上表面，但是本发明并不限制于此。实际上，本发明并不限制于形状为片的偏振区域。偏振区域可以具有任何形状，只要它们能够有效的以宽角度分布输出一种偏振态的光同时以窄角度分布输出正交偏振态的光。
假设光沿z方向传播通过图4的光控制元件15，其中x、y和z方向通过图中的轴表示。沿x方向面偏振的光将不被偏振区域16吸收，因为光的偏振平面平行于偏振区域的透射轴。因此当沿x方向偏振的光沿z方向传播和当对于z方向成一定角度传播时，如图4中的光路18和19所示，这些光通过光控制元件15。
沿y方向面偏振且沿或接近于z方向传播的光将能够通过透明材料层17，再次如光路18所表示。然而，沿y方向面偏振且与z方向成一定角度入射到光控制元件15上的光将入射到偏振区域16之一上，并且由于偏振区域的透射方向正交于光的偏振方向，偏振区域对于所述光不透明。这通过光路20表示-光路20表示入射到光控制元件15上的光，如从图4的下方观看，并且被偏振区域16之一吸收。
因此，图4的光控制元件15具有以下特性，即对于沿第一方向范围传播的一种偏振态的光是不透明的，但是对于沿另一方向范围传播的该偏振态的光是透明的(图4的具体实施例中，对于沿y方向面偏振且与z方向成一定角度传播的光是不透明的，但是透射沿y方向面偏振且沿或接近于z方向传播的光)。此外，光控制元件15不吸收正交偏振态的光(图4的元件不吸收偏振面平行于x方向的光)。图4的光控制元件15因此可以认为是偏振相关控制元件，因为一种偏振态的光以宽角度范围输出然而正交偏振态的光以窄角度范围输出(在图4中，沿y轴面偏振的光仅沿平行于xz平面的方向透射)。通过利用适当的偏振切换开关选择通过元件的光的偏振，可以控制从光控制元件15中输出的光的角度范围。
(应当注意，以上描述应用于理想起偏振器的情况。任何实际的起偏振器将不可避免地透射少量欲被阻挡的偏振成分，同时吸收少量欲被透射的偏振成分，术语如“不透明”、“不吸收”、“透射的”、“透明的”等因此不解释为所需的理想吸收或透射。)在另一实施例(未示出)中，偏振区域以栅格结构布置。例如，除图4示出的偏振区域之外，还可以提供沿z和y方向延伸但沿x方向受限的偏振区域。该实施例的光控制元件可以限制沿z方向、沿x和y方向传播的一种偏振态的光。可以通过将在下文描述的例如图9(a)到9(c)或图10(a)到10(d)的方法，通过形成沟槽的栅格排列而形成具有栅格结构的偏振区域。
图5示出了本发明的另一光控制元件15’。图5的光控制元件15’也包括多个区域16，该区域对具有特定偏振态的光不透明或基本上不透明，但是透射正交偏振态的光。在图5的实施例中，区域16也为片状，并布置成使得它们基本上平行于光控制元件15的上表面。此外，区域16以叠层组件21布置，其中多个区域16布置成一个在另一个上方。叠层组件21横向地彼此分开。叠层组件之间的区域，以及叠层组件中片之间的区域充满光透射材料17。
区域16布置为区域的偏振特性在叠层组件内或在不同的叠层组件之间不发生改变。优选地，区域16由线性起偏振器的材料构成，在该情况下，每个叠层组件中的偏振区域16布置成使得它们的透射轴彼此平行，同时一个叠层组件中偏振片的透射轴基本上平行于其他叠层组件的偏振片的透射轴。
图5的光控制元件15’的工作原理通常相似于图4的光控制元件15的工作原理。这即是说，不管其传播方向，一种偏振光无吸收的透射通过光控制元件15’(在图5的实施例中，即为沿平行于偏振区域16透射轴的方向面偏振的光)。然而，正交偏振态的光(即沿垂直于偏振区域16透射轴的方向面偏振的光)透射只有当它可以通过控制元件15’而不入射到偏振区域16之一上时-即，只有当它沿xz平面或非常接近于该平面传播时。与xz平面成一定角度传播的该偏振成分的光将入射到偏振区域16之一上，并将被吸收，如图5中的光路20所示。图5的光控制元件15’将以宽角度范围输出一种偏振态的光但是以窄角度范围输出正交偏振态的光。通过利用适当的偏振切换开关选择通过元件的光的偏振，可以再次控制从光控制元件15中输出的光的角度范围。
图6说明了根据本发明实施例的显示器21。显示器包括图像显示面板22，其使用中由驱动装置(未示出)驱动以显示所需图像。显示面板可以是任何常规的图像透射显示面板，如液晶显示面板。显示面板22优选为像素型显示面板。
图像显示面板22由背光25照明。背光25优选为显示面板22在其整个区域上方提供均匀的照明。图6中示出的背光25为宽区域背光，但可以使用任何适当的背光。背光可以与显示器为一个整体或者可以为一个单独的部件。
显示器21还包括图4所示的光控制元件15，可切换半波片24和设在背光25和显示面板22之间的线性起偏振器23。起偏振器23和半波片24布置成基本上平行于显示面板的平面。尽管图6中示出起偏振器23为一个单独的部件，但是如果显示面板22具有输入起偏振器(例如，如果面板22为液晶显示面板)，起偏振器23可以为显示面板22的输入起偏振器，。
起偏振器23的透射轴与光控制元件的偏振区域16的透射轴交叉，优选为90°。半波片的光轴优选与起偏振器的透射轴成45°。
背光25在使用中发射非偏振光。假设光基本上沿z轴传播，如图6定义的轴所示。沿x方向面偏振的光成分，如上所解释，由光控制元件15透射而不被显著吸收。因此沿x方向面偏振的光将通过光控制元件以宽角度范围输出。然而，如果沿y方向面偏振的光平行或接近于z方向传播，其仅通过光控制元件15透射，并将以z轴为中心的窄角度范围从光控制元件15中输出。
可切换半波片24和起偏振器23一起作为偏振切换开关。当半波片处于“开”状态时，它具有λ/2延迟，因此将入射到其上的面偏振光的偏振面旋转半波片光轴与入射光偏振面之间角度的两倍。半波片24以其光轴与x和y轴成大约45°布置。从而，当半波片处于“开”状态时，它将面偏振光的偏振面沿x方向和y方向旋转90°。
图6中偏振切换开关(即可切换半波片24和起偏振器23)配置在光控制元件15和显示面板之间，但是作为选择它可以配置在背光和光控制元件之间以便控制入射到光控制元件上的光的偏振。它也可以结合在背光25内。
图7(a)和7(b)说明了图6的显示器21的工作。图7(a)说明了半波片“开”时的显示器的操作，从而将x偏振或y偏振的面偏振光的偏振面旋切90°。图7(a)和7(b)中省略了背光25。沿y方向面偏振的光由沿y方向的短箭头表示，沿x方向面偏振的光由两个同心圆表示。
如上所解释，入射到光控制元件15上的沿x方向面偏振的光基本上无吸收的透射。在通过光控制元件后，光的偏振面由半波片24旋转90°，因此偏振面变成平行于y方向；，因为其透射轴布置成平行于y轴，因此该光成分透射通过起偏振器23。
最初沿y方向面偏振的光以窄角度范围从光控制元件中输出。偏振面然后通过半波片旋转以便为沿x方向，该成分因此被起偏振器23阻断。从而，显示面板通过来自背光且最初偏振面平行于x方向的光成分照明。这通过光控制元件15以宽角度范围透射，因此显示面板22被具有宽角度范围的光照明，如图7(a)所示。因此这提供显示器工作的公用模式。
图7(b)说明了可切换半波片24“关”时显示器21的操作。当半波片24“关”时，它对于入射到其上的光的偏振面没有影响。来自背光的光的x偏振成分通过半波片24透射，其偏振不发生改变，因此入射到起偏振器23上时仍沿x方向偏振。该光成分因此被起偏振器23阻断。结果，显示面板22被来自背光的光的y偏振成分照明，因为它透射通过起偏振器23。如上所述，光以关于xz平面的窄角度范围但是以沿垂直方向的宽角度范围透射通过光控制元件15，显示面板因此仅被沿水平方向具有窄角度范围的光照明。这提供了显示器工作的个人模式，因为在显示器22上显示的图像沿着窄方向范围透射。图7(b)中示出了这种情况。
图6的显示器21因此可以在公用显示模式和个人显示模式之间切换，只需要简单地使半波片24在具有半波延迟的“关”状态和“开”状态之间切换。这可以在电学上实现，因此不需要任何移动部件。
可切换半波片24可以为液晶单元。存在许多已知的方式利用液晶单元制造可切换半波片，例如E Lueder在显示技术中Wiley-SID系列(2001)中发表的“液晶显示器寻址方案和电光效应(Liquid Crystal Displaysaddressing schemesand electro-optics effects)”所描述的。
该显示器的进一步优点在于在许多已知的可切换半波片中，当横跨片没有电压施加时片为“开”，而施加适当的电压使片切换为“关”，从而产生零延迟。这具有的优点在于当显示器工作在图7(a)的公用显示模式时，半波片为“开”，因此半波片不消耗电源。仅当显示器需要工作在个人显示模式时才施加电压是必要的。
现在将描述制造本发明的偏振相关光控制元件的方法。
线性起偏振器片是市场上可买到的，典型线性起偏振器片的结构如图8(a)所示。可以看出，线性起偏振器片26一般由活性层27构成，该层吸收具有特定线性偏振的光。活性层27可以为例如包含吸收染料如碘的伸长聚合体层。活性层27在其两侧由透明材料例如醋酸丁酸纤维素(CAB)膜或层支撑。起偏振器片的总厚度一般为250μm级，而活性层27的厚度远远小于上述厚度，一般为10-20μm，尽管它可以仅为1μm。
在一些市售的线性起偏振器片中，活性层只由一层透明层支撑。在这样的起偏振器片中，图8(a)的透明层28、28’之一将不存在。
图8(b)和8(c)中说明了一种制造图4中所示的光控制元件15类型的方法。本质上，光控制元件15通过堆叠许多常规线性起偏振器片层来形成，如图8(a)的片26。取决于光控制元件中相邻偏振区域16之间的间隔，在相邻起偏振器片26之间提供附加的透明分隔层29可能是必要的。如果设置分隔层29，它们的折射率优选与起偏振器的透明基底28、28’的折射率相配。因此优选分隔层由与用于起偏振器片的透明基底28、28’相同的材料制成，这确保分隔层29和基底28、28’的折射率彼此相等。其优点还在于分隔层29的机械性能(特别是弹性模量)与起偏振器片的透明基底28、28’的机械性能相配，因此，在如下所述的机械切割处理用于将叠层组件切割为片的地方，切割处理将使起偏振器层和分隔层以相同的方式变形，叠层组件将受到最小的可能的变形。
起偏振器片26的堆叠层，和透明分隔层29(如果设有)，通过适当的方法彼此连接。这例如可以利用粘合剂如光可固化(例如紫外可固化)透明粘合剂来实现。如果使用这种粘合剂，起偏振器片26的叠层组件，和透明分隔层29(如果存在)，将如图8(b)所示装配，透明粘合剂层设在每对相邻的层之间。一旦装配叠层组件后，整个叠层组件将受到紫外光照射以固化粘合剂。
作为选择，可在沉积下一层粘合剂层之前分别照射每层粘合剂层。虽然这可能增加制造叠层组件30需要的总时间，但是其优点在于它克服了问题，即当所有的粘合剂层以单个步骤照射时，上层中UV光的吸收减小了入射到叠层组件的较低粘合剂层上的照射强度，从而可能阻碍它们完全固化。
使用的粘合剂的折射率优选固化时尽可能接近于透明分隔层29和起偏振器片的透明基底28、28’的折射率。这提供成品元件15的良好光学特性。如果粘合剂层28、28’和透明层29的折射率不相配，将在元件内的边缘处发生折射和反射，由此降低元件的光学特性。
一旦粘合剂已经固化，块30可以被分为片31，如图8(b)所示。块30可以通过例如机械切割切片。为了确保切割步骤成功，优选已固化粘合剂的机械性能(特别是弹性模量)与叠层组件30的透明层28、28’、29的机械性能相配。
不必利用透明粘合剂将起偏振器片26和分割层29(如果设有)彼此连接。原则上，可以使用任何适当的方法，例如焊接。
原则上，从块30中切割的片31可以用作图4的光控制元件15。然而，实际上，优选在片31的前和后表面上设置透明层32，33，如图8(c)所示。层32，33为光控制元件提供物理保护，也通过磨平输出和输入面改善元件的光学性能。层32，33可以例如是已固化粘合剂层。作为选择，层32，33可以是薄聚合物膜，其利用UV可固化粘合剂连接到片31上。
在图8(b)-8(c)的变形中，线性起偏振器片26可以最初被切割为具有宽度w的带，该宽度等于光控制元件(排除透明保护层32，33)的所需厚度t。这由图8(a)中的虚线示出。然后可将这些带叠层在一起以形成类似于图8(b)中所示的片31的结构。如果需要，透明衬料带可以插在起偏振器片的相邻带之间。起偏振器片带和衬料带(如果存在)可以利用任何适当的技术例如利用透明粘合剂或焊接粘结来粘附在一起。保护层32，33然后可以设在所需叠层组件的前和后表面上。
图9(a)到9(c)示出了制造本发明的光控制元件15的另一方法。在该实施例中，光控制元件由透明片34制造，例如透明聚合物膜。它可以是例如CAB膜。
如图9(b)所示，在透明膜34中设有多个凹陷35。凹陷35的大小，形状和位置与光控制元件15的偏振区域16的所需位置相对应。如果偏振区域将具有图4所示的片状，那么凹陷的形状可以例如为并列平行的槽。在图9(b)中，凹陷35以透明膜34的整个深度延伸，因此透明膜34连接到基底或底板36。基底36确保槽35形成时产生的透明膜的离散部分彼此保持正确的关系。基底36优选是透明的以便它能够结合在完成的光控制元件中而不会不利地影响其性能。这消除了去除基底36的必要。基底36可以形成在图8(c)的两个表面层32，33之一。
原则上，槽可延伸经过透明膜34的整个深度，在该情况下基底36可以省略。然而，通常难以精确地控制槽的深度，将透明膜34布置在基底上同时形成通过膜整个深度的槽可能提供更可靠的制造过程。
然后使凹陷35填充材料37，该材料吸收特定偏振态的光但是不吸收正交偏振态的光。这种材料可以是例如包括吸收特定线性偏振光的染料的液晶材料。
可以利用标准的光刻技术在透明膜34中形成槽35。图10(a)和10(b)中示出了一种适当的技术。在该实施例中，透明膜34为感光材料膜。这种材料通过任何适当的技术如旋压、旋转涂覆、印刷等涂敷在背膜36上以提供均匀厚度层。感光材料层34的厚度选择为光控制元件(排除基底32，33，如果设有)的所需厚度t。
感光材料层34然后在辐射例如紫外(UV)光下透过掩模38曝光，如图10(a)所示。掩模的透明孔39相应于所需的凹陷35的位置。
一旦感光材料层34曝光后，去除掩模并冲洗层。冲洗步骤将去除在照射步骤中被照射的感光层区域。因此，凹陷35形成在层34中，如图10(b)所示。在照射和冲洗步骤后，层34的剩余部分形成相邻槽之间的“壁”55，并相应于图4中的透射区域17。
图10(a)和10(b)的实施例使用了正感光材料层34，其中未被照射的层的区域在冲洗步骤中保留。作为选择，可使用负感光层，其中未照射区域将在冲洗过程中去除。为了实现这一点，有必要利用其透明孔相应于将形成壁55的层的区域的掩模。
图10(c)和10(d)中示出了形成槽35的另一种方法。最初，透明材料层沉积在基底36上，其均匀厚度相应于光控制元件(排除基底32，33，如果设有)的所需厚度t。层34可以再次通过任何适当的技术如旋压、旋转涂覆、印刷等沉积。
在图10(c)和10(d)的实施例中，利用高能量射束源去除透明层34的不需要部分形成槽。该实施例可以利用例如激光切除技术，活性离子蚀刻(RIE)技术等。如图10(c)所示，透明材料层34在高能量射束源下透过掩模38曝光，层34相应于掩模中孔39的区域被去除，从而形成凹陷35，如图10(d)所示。
无论通过图10(a)和(b)的方法，还是通过图10(c)和(d)的方法，或者通过另一种方法，一旦凹陷形成后，对一种偏振态的光不透明但透射正交偏振态光的材料沉积在凹陷中。例如，包括吸收特定线性偏振光的染料的液晶材料可以布置在透明层34的槽35中。液晶材料和染料必须排列为使液晶层的所有分子以相同方向定向。这可以通过提供聚酰亚胺调准层实现。图11(a)和11(b)说明了设有调准层的两种可能方式。在图11(a)的实施例中，调准层40布置在基底36的整个上表面之上。然后设置调准层40具有所需的对准方向，例如利用摩擦技术，或通过光对准(即，通过在偏振紫外辐射下曝光来对准)。透明材料层34然后沉积在摩擦过的调准层40上，槽35如上所述形成。当包括染料的液晶材料置于槽35中时，它将通由调准层40对准。
在另一实施例中，如图11(b)所示，在槽35已经被限定后涂敷调准层40-即，在图9(b)的槽形成之后但在图9(c)的液晶材料沉积之前设置调准层40。在该实施例中，调准层只沉积在每个槽35中，如图11(b)所示。调准层然后可以设有所需的对准方向，例如利用摩擦技术或通过光对准。
在未示出的另一实施例中，壁55的材料用于对准布置在凹陷中的液晶材料。可以将壁的侧面沿凹陷方向摩擦以促使沿壁侧面的对准，其对于对准沉积在凹陷中的液晶材料是有效的。这对于由柔软材料例如光刻胶制成的基底是有效的技术。
为了将液晶材料37引入槽35中，可在壁上方设置第二基底或其他密封层。然后可以利用毛细作用或真空技术将具有染料的液晶材料引入到槽35中。
图12(a)和12(b)说明了制造本发明的光控制元件15的另一方法。除了该方法以由对给定偏振态的光不透明但透射正交偏振态光的材料制成的层41开始，该方法与图9(a)-9(c)的方法相似。该材料例如可以为掺杂有吸附染料的聚合液晶，或伸长聚合物如掺杂有吸附染料的PVA。该层中形成有充满透明材料的槽或凹陷35。充满透明材料的槽相应于光控制元件15的透明部分17，由对给定偏振的光不透明的材料制成的层41的剩余部分形成图4的光控制元件15的区域16。
在该方法的一个实施例中，调准层40最初沉积在基底36上，然后利用例如摩擦或光对准技术对准。
然后包含吸附染料的感光材料层41沉积在调准层40上。调准层40用来对准层41的染料分子，以便层41吸收特定线性偏振的光。图12(a)和12(b)中调准层41中的短线表示层41的染料分子的对准。
感光层然后透过掩模38受到UV或其他辐射。在图12(a)的实施例中，层41为由正感光材料制成的层，因此掩模的孔39相应于所需去除层41的区域。因此掩模的孔39的大小、形状和位置相应于光控制元件15的透射区域17所需的大小、形状和位置。
在照射步骤后，去除掩模38，冲洗层41以去除已照射区域的感光材料。层41的剩余部分构成光控制元件15的偏振片16。槽35可以充满透明材料例如透明聚合物或透明树脂以形成透射区域17。
在该实施例的变形中，利用高能量射束源切除技术去除层的不需要部分以形成光控制元件，该层由一种线性偏振光材料制成。。该技术可以为激光切除技术，RIE技术等。该实施例原则上可以使用吸收给定线性偏振光的任何材料，并不限于使用感光材料。在该实施例中，如果吸收给定线性偏振光的材料不需要调准层，调准层40可以省略。如上所述，用切除技术去除的层的区域然后可以充满透明材料。
图13(a)到13(d)说明了制造本发明的光控制元件的进一步方法。如图13(a)所示，该实施例使用市场上可买到的线性起偏振器片，该类型包括布置在单透明基底28上的活性层27。没有图8(a)的起偏振器片的第二透明基底28’。
起初，利用例如带图案的光刻蚀方法或激光切除方法去除第一起偏振器片26a的活性层27的选定区域。如图13(b)所示，该步骤的结果为在透明基底28上设有线性偏振材料构成的一系列离散区域27’。图13(b)中由偏振材料构成的每个离散区域27’对应于图5的光控制元件15’中偏振区域16之一。
其次，第二起偏振器片26b粘附到第一起偏振器片26a的上表面。该步骤可以由下述两步组成将粘合剂例如UV可固化粘合剂层沉积到第一起偏振器片的上表面上，而后将第二起偏振器片粘附到第一起偏振器片上。UV可固化粘合剂作用在于首先用来将两个起偏振器片彼此粘附，其次用来填充由去除第一起偏振器片的部分活性层而留下的间隙。粘合剂优选其固化时的折射率接近起偏振器片透明基底28的折射率。照射起偏振器叠层以固化粘合剂。
然后再次利用带图案的光刻蚀技术或激光切除技术，可以去除第二起偏振器片的活性层的选定区域。被去除的第二起偏振器片的活性层的区域优选直接位于第一起偏振器片的活性层被去除区域的上方，并具有与该区域相同的大小和形状。相反地，第二起偏振器片的活性层的保留区域直接位于第一起偏振器片26a的活性层的保留区域27’的上方，并具有与该区域相同的大小和形状。
将另一起偏振器片层26c粘附到叠层组件上，并去除活性层选定区域，这一步骤可以根据需要重复多次。最后，保护透明层32可以沉积在最上层起偏振器片上，用作保护层。
在该实施例中，活性层的保留区域27’形成图5的光控制膜15’中偏振区域16的叠层组件。图13(d)示出了具有三个起偏振器片26a-26c的光控制元件，因此每个起偏振器片的叠层组件包含三个起偏振器片；然而，本发明不限于此数目的起偏振器片。
在该实施例中，原则上可在一个步骤中装配全部叠层组件32并固化所有的粘合剂层。然而，确保每个起偏振器片正确地与之前的起偏振器片对准是重要的，在固化粘合剂层之前，等待直到全部叠层组件制造完成时，其潜在缺陷在于当层叠随后的片时起偏振器片可能被无意移动。因此，实际上，优选在下一粘合剂层和起偏振器片沉积前固化每层粘合剂层，以防止一个起偏振器片相对其它起偏振器片移动。
图13(e)到13(f)示出了该实施例的变形。在该实施例中，起偏振器片26a-26c和保护基底32最初层叠在一起，每个元件之间布置有可固化粘合剂层。然后照射叠层组件42以固化粘合剂层。
然后在叠层组件42中形成多个凹陷或槽35，如图13(f)所示。每个槽有足够的深度以去除叠层组件中每个起偏振器片26a-26c的活性层，同时去除除了最低层外的所有起偏振器片的基底，仅保留最低起偏振器26a的透明基底28a。
叠层组件的保留区域42′相应于图5的光控制膜15’中叠层组件21的偏振区域16。因此适当地选择叠层组件保留区域42′的位置、大小和形状。然后可以在保留区域42’之间的凹陷35中充满透明材料，并且如果需要，可在光控制元件的上表面上沉积保护基底(未示出)。
图14示出了根据本发明另一实施例的显示器。如同图6的显示器21一样，图14的显示器21’包含本发明的光控制元件15。然而，在图14的显示器21’中，光控制元件15放置在图像显示面板22的前面(即，在显示面板和观察者之间)而不是如图6中放置在后面。该实施例可以应用于显示面板22，其为发射显示面板如有机光发射器件(OLED)显示器，阴极射线管显示器，或场致发射显示器。它也可以应用于透射图像显示面板，如液晶显示面板。
偏振切换开关设在显示面板和观察者之间以控制到达观察者的光的偏振。在图14中，偏振切换开关由放置在显示面板22和光控制元件15之间的线性起偏振器23和可切换半波片24构成。如果显示面板包括输出起偏振器，例如如果显示面板22为液晶显示面板，那么显示面板的输出起偏振器可以用作起偏振器23。可切换半波片24配置在起偏振器23的前面，起偏振器的光轴布置成与线性起偏振器23的透射轴成45°。
作为选择，偏振切换开关可以设在光控制元件和观察者之间，或者在透射显示器的情况下，设在显示面板的后面。原则上，显示器也可以具体为利用发射显示器，其发射具有可控输出偏振的光，在该情况下将不再需要外部偏振切换开关。
如果显示面板22为透射显示面板，那么显示器21’将需要由适当的背光(未示出)的光照明。
在图14的实施例中，光控制元件15的偏振区域16的透射轴平行于起偏振器23的透射轴。在该实施例中，水平起偏振器23的透射轴平行于x轴，因此光控制元件15的偏振片16的透射轴平行于x轴。
图15(a)和15(b)说明了显示器21的工作。图15(a)说明了可切换半波片为“关”，且因此不提供延迟时显示器21的工作。在该实施例中，水平起偏振器23透射平行于x轴面偏振的光。当片24为“关”时，它对于通过它的光的偏振面没有影响，因此入射到光控制元件15上的光仍然平行于x轴面偏振。由于光控制元件的偏振片16的透射轴布置成沿x方向，因此偏振片16不吸收入射到光控制元件15上的光。因此，光从光控制元件中以宽视角范围输出，如15(a)所示，由此提供公用显示模式。
图15(b)示出了可切换片24为“开”时从而提供λ/2延迟时显示器的工作。在该情况中，起偏振器23再次透射沿x方向面偏振的光。由于片的光轴与入射到其上的光的偏振面成45°，因此当光通过片24时，光的偏振面旋转90°。因此，入射到光控制元件上的光沿y方向面偏振-因此光控制元件的偏振区域16将吸收入射到其上的光。因此，光控制元件15输出具有窄角度范围的光，如图15(b)所示，由此提供个人显示模式。
图16示出了根据本发明的另一显示器43。显示器43包括两个与图4的元件15相似的光控制元件。两个光控制元件15a，15b都透射特定线性偏振的光，不管光的传播方向。两个光控制元件15a，15b都仅在某个方向范围透射正交线性偏振态的光，但两个光控制元件具有彼此不同的几何形状，因此两个元件透射正交线性偏振的光的角度范围不相同。显示器43因此可以以多于两种的显示模式工作。
显示器43包括图像显示面板22。它可以为透射显示面板或发射显示面板，如图14的实施例。如果显示面板为透射显示面板，显示器需要由适当的背光(未示出)照明。
线性起偏振器23配置在显示面板22的前面。如果显示面板22具有输出线性起偏振器(例如如果显示面板为液晶显示面板)，则显示面板22的输出起偏振器可以用作起偏振器23。
第一光控制元件15a配置在起偏振器23的前面。设置偏振切换开关以选择从第一光控制元件中输出的光的偏振。在图16中，第一偏振切换开关由起偏振器23和放置在起偏振器和第一光控制元件15a之间的第一可切换半波片24a构成。半波片布置成其光轴与起偏振器23的透射轴成45°。
第二光控制元件15b配置在第一光控制元件15a的前面。设置第二偏振切换开关以选择从第一光控制元件中输出的光的偏振。在图16中，第一偏振切换开关由起偏振器23和放置在第一光控制元件15a和第二光控制元件15b之间的第二可切换半波片24b构成。第二可切换半波片24a的光轴也布置成与起偏振器23的透射轴成45°。
这些部件的顺序并不限于图16中所示的顺序。例如，这些部件可以以如下顺序放置背光，光控制元件，可切换波片，光控制元件，可切换波片，起偏振器，和显示面板。
光控制元件15a，15b布置成它们每个透射所有方向上的由起偏振器23起偏的线性偏振光。然而，选择光控制元件使得它们对于与起偏振器23的透射轴成90°的面偏振光的输出角度范围彼此不同。
在图16所示的显示器中，起偏振器23布置成其透射轴平行于z(垂直)方向。两个可切换半波片24a，24b的光轴彼此平行，并与起偏振器23的透射轴成45°。光控制元件15a，15b都对垂直偏振的光没有吸收作用，因此不管其入射到光控制元件上透射垂直偏振的光。第一偏振相关光控制元件15a允许水平方向的偏振光仅在接近水平(x-y)面方向上经过，并阻断与水平面成大角度传播的水平偏振的光。第二光控制元件15b允许沿接近垂直(y-z)面方向传播的垂直偏振光通过，并阻断与垂直面成大角度传播的光。
图17(a)到17(c)说明了图16的显示器43的可能的四种工作模式的三种。图17(a)说明了可切换波片24a，24b为“关”从而都提供零延迟时的工作模式。在该工作模式中，从显示面板22中输出的光通过起偏振器23后面偏振，其偏振面在垂直方向上。偏振面不受到任何一个可切换半波片24a，24b的影响，传播通过显示器43的光保持沿垂直方向面偏振。(光的偏振方向在图17(a)到17(c)中示意性地说明-垂直箭头表示面偏振光，而两个同心圆表示水平偏振光。(即，在纸面外偏振的光))由于光控制元件15a，15b不管光的传播方向透射垂直偏振光，因此光从显示器中沿水平和垂直方向以宽视角范围输出。这在图17(d)中示意性地说明，其为显示器的示意性前视图。
图17(b)说明了第一波片24a为“开”同时第二波片24b为“关”时显示器43的工作模式。在该工作模式中，起偏振器23再次输出沿垂直方向面偏振的光，但是偏振面被第一波片24a旋转90°。由于第二波片24b为“关”，因此对通过它的光的偏振面没有作用-因此，通过显示器的光的偏振面被第一波片24a转换为水平偏振，光在通过显示器后保持水平偏振。
在图17(b)的工作模式中，当光通过光控制元件15a，15b时，光沿水平方向偏振。由于第一光控制元件24a允许水平偏振光仅在接近水平面方向上经过，而第二光控制元件15b允许水平偏振光在接近垂直面方向上通过，因此总的结果为仅沿接近显示器表面的法线方向传播的光透射通过整个系统。在该模式中，显示器沿水平和垂直方向具有窄的视角范围，如图17(e)中示意性地说明，其为显示器的示意性前视图。
在图17(c)中，两个半波读出器24a和24b为“开”。起偏振器23再次传输垂直面偏振的光，偏振面被第一半波片旋转90°，因此入射到第一偏振相关光控制元件15a的光为水平面偏振。然而，当光通过第二半波片时，偏振面再次旋转90°，因此入射到第二光控制元件24b的光为沿垂直方向面偏振。因此，在该模式中，对与水平面成大角度传播的光不透明同时透射仅沿接近于水平面传播的光。然而，由于到达第二光控制元件15b的光已经返回到垂直面偏振，因此第二光控制元件15b不吸收光。因此，如图17(f)所示，其为显示器的示意性前视图，从显示器中输出的光沿水平方向具有宽视角，但沿垂直方向具有窄视角。
在第四模式中，未在图17中示出，第一半波片24a为“关”，同时第二半波片24b为“开”。在该模式中，第一光控制元件15a不具有吸收作用(因为它接收垂直偏振光)，而第二光控制元件15b对与垂直面成大角度传播的光不透明(因为它接收水平偏振光)。在该模式中，显示器沿水平方向具有窄视角，但沿垂直方向具有宽视角。
因此，显示器43具有宽视角的公用显示模式，和三种受限视角的模式。
在该实施例的变形中，可以省略第二偏振切换开关(通过省略第二波片24b)。在该变形中，只有图17(a)和17(b)的显示模式可用-然而，通过适当地切换第一波片24a，这样的显示器能够在公用显示模式和个人显示模式之间切换。
两个光控制元件和波片的其他组合也是可能的。例如，图16的实施例可以变形使得两个偏振相关光控制元件允许沿一个方向面偏振的光，无论基本平行或基本垂直于起偏振器的透射轴，并沿接近于相同平面传播的光通过，但是具有不同的视角范围。例如，第一器件可以吸收与垂直面的角度大于20°传播的水平偏振光，而光控制元件可以吸收与垂直面的角度大于10°传播的水平偏振光。这将使显示器能够在下述模式之间切换具有宽视角的显示模式，具有20°水平视角范围的显示模式，和具有40°水平视角范围的显示模式。
图18示出了根据本发明另一实施例的显示器44。该显示器可以提供自动立体个人显示模式。
图18的显示器44的结构与图14的显示器21’的结构大概相似。它也包括显示面板22，和配置在显示面板前面的本发明的光控制元件15。偏振切换开关设在显示面板和观察者之间。图像显示面板22可以为通过背光(未示出)照明的透射显示面板或发射显示面板。在图18中，偏振切换开关由线性起偏振器23和放置在显示面板和光控制元件之间的可切换半波片24构成。再次，这些部件的顺序并不限于图18中所示的顺序，这些部件例如可以以如下顺序放置背光，光控制元件，可切换波片，起偏振器，和显示面板；该顺序提供背阻挡层(rear-barrier)显示器。
在该实施例中，光控制元件15的偏振区域16布置成透射垂直于起偏振器23的透射轴面偏振的光。可切换半波片的光轴布置成与起偏振器23的透射轴成45°。在图18中，起偏振器23具有平行于y轴布置的透射轴，光控制元件15的偏振片16具有平行于x轴布置的透射轴，但是显示器不限于该具体的布置。
当半波片为“开”时，通过起偏振器23沿y方向面偏振的光其偏振面被可切换半波片24旋转90°。因此离开可切换半波片的光沿x方向面偏振，从而不受到光控制元件15的影响。器件因此以公用显示模式工作。
当可切换半波片为“关”时，它对起偏振器23透射的光的偏振面没有影响，因此沿y方向面偏振的光入射到光控制元件15上。由于光控制元件15的偏振区域16吸收沿y方向面偏振的光，因此光控制元件只透射接近于xz平面传播的光，所述光可以通过元件15的透明区域17。器件因此以个人显示模式工作，如前所述。在图18的显示器中，显示面板22由任何适当的驱动装置(未示出)驱动以显示两个交错的图像。该两个图像为立体像对的左眼图像和右眼图像。图18中通过字母“R”和“L”示意性地示出了交错，所述字母分别表示显示右眼图像或左眼图像的像素的列。
光控制元件15的厚度和透明区域17的宽度选择成使得光控制元件15同样作为用于平行于y方向面偏振的光的视差阻挡层。视差阻挡层分离显示在显示面板22上的两个图像，因此观察者的左眼看见左眼图像，观察者的右眼看见右眼图像。通常，光控制元件15的透明区域17的宽度必须选择成使得光控制元件/视差阻挡层的间距p确保视差阻挡层正确地分离两个图像。
因此，器件44的个人显示模式可以为自动立体显示模式。器件44因此可在自动立体、个人显示模式和公用、两维显示模式之间切换。图18的显示器也可以用于个人、两维显示模式。为了实现这一点，单图像而不是两个交错的图像在显示面板22上显示。
通过以如上所述适当的顺序布置元件，图18的实施例也可以用于背阻挡层显示器，或者用于双视图显示器。
显示器44的图像显示面板22一般为数十倍像素深和数十倍像素宽。当器件工作在自动立体个人显示模式时，光控制元件15的偏振区域16形成视差阻挡层的不透明区域，因此必须在图象显示面板的整个深度上(垂直于图18的纸面)延伸。此外，自动立体显示器的视差阻挡层的不透明区域一般具有显示器的图像显示面板的至少一个像素的宽度。从而，图像控制元件15的偏振区域16必须宽(具有等于显示面板22的至少一个像素的宽度)和高(许多像素的深度)。如果形成偏振区域16的偏振材料部分由整个偏振材料制成，如图18所述，即当光通过该部分的整个厚度时该材料可能吸收两个偏振态的光，这将降低显示器公用模式时的性能。
图19(a)和(b)说明了克服该问题的一个方式。图19(a)示出了本发明变形的光控制元件15”，除了偏振区域16不由其整个宽度的偏振材料制成，其基本上相似于图4的光控制元件15。取而代之，如图19(a)所示，每个偏振区域16由布置成具有U形或反U形横截面的通道的偏振材料制成。通道的内部充满光透射材料46。偏振区域16也由光透射材料制成的区域17分开。如图19(a)所示的偏振区域的设置，对欲被吸收的偏振光没有影响-图19的光控制元件15”中的吸收将与图4的光控制元件15中的吸收一样好。然而，由于图19的实施例中偏振材料的厚度更小，因此图19(a)的光控制元件15”的偏振区域将不显著吸收其不欲吸收的偏振。
图19(b)说明了制造图19(a)的光控制元件15”的一种方法。在该方法中，光控制元件15”由放置在基底33上的透明材料层制成。利用例如如上所述的光刻胶材料，辐射或选择切除技术，去除透明膜的选定区域。去除的材料限定了透明材料中的U形通道47。形成通道47后充满包含染料的液晶，其作为偏振材料以吸收限定的线性偏振光。然后可可以通过上述参考图11(a)和11(b)的任何方法来使液晶材料对准。
图19(a)的光控制元件15”也可以由对一种偏振态不透明但透射正交偏振态光的材料层制成。例如参考图12(b)如上所述，该层的一些区域被去除，以留下U形区域，然后沉积透射材料。
图20示出了本发明的另一显示器48。它能够显示个人图像到两个单独的观察者45A，45B。
显示器48包括由背光25照明的透射图像显示面板22。在背光25和显示面板22之间，配置有第一光控制元件15a，第二光控制元件15b和偏振切换开关。在图20中，偏振切换开关由设置在第二光控制元件15b和显示面板之间的可切换半波片和线性起偏振器23构成。可切换半波片布置成其光轴与起偏振器23的透射轴成45°。起偏振器23可以是显示面板22的输入起偏振器。
第一光控制元件对以一些但不是所有方向传播的第一线性偏振光不透明，并对正交于第一偏振的第二线性偏振光没有影响。第二光控制元件对以一些但不是所有方向传播的第二线性偏振光不透明，并对第一线性偏振光没有影响。起偏振器23布置成阻断第一或第二线性偏振之一。
在图20的实施例中，第一光控制元件15a有效的控制水平偏振光的角度范围，但是对垂直面偏振光没有吸收作用，第二光控制元件15b有效的控制垂直偏振光的角度范围，但是对水平面偏振光没有吸收作用，起偏振器23具有垂直布置的透射轴。然而，本发明不限于该具体的定向。
在图4的光控制元件15中，偏振区域16布置成其平面平行于光控制元件的输入和输出表面。然而本发明不限于该定向。在图20的光控制元件中，第一和第二光控制元件15a，15b的偏振区域16不布置成垂直于控制元件的输入和输出表面。两个光控制元件15a，15b的偏振区域16的被设置为使得第一光控制元件15a引导水平偏振光的方向不同于第二光控制元件引导垂直偏振光的方向。在图20的实施例中，第一光控制元件以与显示器的轴成大约+30°为中心的窄角度范围传输水平偏振光，第二光控制元件15b以与显示器的轴成大约-30°为中心的窄角度范围传输垂直偏振光。
图20的光控制元件15a，15b可以以相似于图4的光控制元件的方式制造。例如，偏振片的层可被如图8(b)所示的方式堆叠，该叠层组件可以以与叠层组件的上表面成除90°以外的角度切割。
在显示器48的一种操作模式中，可切换半波片22为“关“。因此它对通过其中的偏振光没有影响。在该模式中，第一偏振相关光控制元件15a实际上没有作用，因为它对起偏振器23透射的垂直偏振光没有影响。第一光控制元件15a控制水平偏振光的角度范围，但这被起偏振器23阻断。垂直偏振光从向第二观察者45B引导光的第二光控制元件15b中输出，并通过起偏振器23。因此，在该显示模式中，第二用户45B看见在显示面板22上显示的图像，而第一用户看见黑的显示面板。
当半波片22开时，它有效的将光的偏振面旋切90°。从而，来自背光的光的水平面偏振成分由半波片22切换为垂直面偏振光，并通过起偏振器。该光通过第一光控制元件15a引导向第一观察者45A。来自背光25的光的垂直面偏振成分由半波片22切换为水平偏振光，因此被起偏振器23阻断。因此，当半波片22开时，第一用户看见在显示面板22上显示的图像，而第二用户看见黑的显示面板。
如果需要显示器给每个用户显示个人图像，波片快速地在其“开”和“关”状态之间切换，在面板上显示的图像的切换与波片的切换同步，因此第一图像总是当波片“关”时显示，第二图像总是当波片“开”时显示。如果切换进行得足够快，则每个用户没有闪烁的看见不同的图像。
在不同的显示模式中，显示器48可以给两个用户显示单个图像。这可以通过快速地使波片在其“开”和“关”状态之间切换，而不改变在显示面板22上显示的图像来实现。该显示模式也可以通过给半波片施加中间控制电压使得它具有大于零但小于λ/2的延迟来实现。在该显示模式中，背光发出的光的水平偏振成分和垂直偏振成分每个将由可切换半波片24切换为圆或椭圆偏振成分，因此每个成分将部分通过起偏振器23透射。
图20示出了为不同观察者引导不同的视图从而提供双视图显示的显示器48。作为选择，显示器48可以布置成引导两个不同的图像给一个观察者，因此观察者的一只眼睛接收一个图像，观察者的另一只眼睛接收另一个图像。在该情况下，通过按照时间顺序在显示器上显示立体像对的左眼图像和右眼图像，显示器可以作为自动立体显示器。
在显示器48的一个变形(未图示)中，背光为可切换方向背光。当第一光控制元件15a起作用时，背光发射的光基本上沿第一光控制元件15a透射光的方向，而当第二光控制元件15b起作用时，背光发射的光上沿第二光控制元件15b透射光的方向。该实施例的优点在于更有效地利用由背光发射的光，对于相同背光而言显示器更亮。其优点还在于减少了由显示器显示的两个视图之间的串扰(cross-talk)。(在本文中，术语“串扰”意指欲用于第一用户(或用户的第一只眼睛)的图像为第二用户(或第二只眼睛)可见，或反之亦然)。
在图20的实施例中，作为选择，偏振切换开关可以设在背光内，在背光和第一光控制元件15a之间，在第一光控制元件15a和第二光控制元件15b之间，或在显示面半22前面。
图20的实施例也可以通过在显示面板和观察者之间设置光控制元件来实现，例如以下述顺序设置元件图像显示面板；起偏振器；可切换半波片；第一光控制元件；和第二光控制元件。如果这些元件以该顺序布置，则可使用发射显示器或透射显示器(其要求背光)。当这些元件以该顺序布置时，如果图像显示面板具有输出起偏振器，那么起偏振器可以由图像显示面板的输出起偏振器构成。
图20的实施例具有的另一优点在于它不需要显示面板22精确地与光控制元件对准。在该实施例中避免了现有技术的显示器中精确对准元件的必要。
图21示出了根据本发明另一实施例的显示器49。显示器49包括有效的光控制元件50，其在一个状态时，对沿一定方向传播的第一线性偏振光不透明，透射沿另一方向传播的第一线性偏振光，同时也透射第二、正交偏振的光。因此，在该状态时，光控制元件50与图4的光控制元件15以相同的方式作用。然而，在该实施例中的光控制元件50是可切换的，其可以切换到对任何一种线性偏振光都不透明的第二状态。
在图21的显示器49中，光控制元件50配置在背光25和显示器49的透射显示面板22之间。线性起偏振器23设在背光和显示面板之间，它也可以放置在背光和光控制元件之间，或者如图21所示在光控制元件和显示面板之间。当起偏振器23放置在光控制元件50和显示面板22之间时，如图49所示，如果显示面板22具有输入起偏振器，那么它可以用作起偏振器23。
线性起偏振器23的透射轴布置成平行于光控制元件50的偏振区域的透射轴。在图21中，起偏振器23的透射轴和光控制元件50的偏振区域16的透射轴平行于x轴。
光控制元件50的偏振区域16由“宾—主”液晶构成。例如，在该实施例中，染料溶解在液晶材料中或化学附着到液晶材料上。染料可在吸收状态和非吸收状态之间切换因此偏振区域也可在吸收状态和非吸收状态之间切换。
图22(a)和(b)说明了图21的显示器49的两种工作模式。这些图示出线性起偏振器23被配置在背光25和光控制元件50之间的，但这并不影响器件的工作。线性起偏振器23布置成其透射轴平行于x轴。在图22(b)示出的模式中，液晶分子的染料分子沿x轴对准使得包含染料的区域16对x偏振光不透明。起偏振器23透射沿x方向面偏振的光，其在偏振区域16中被吸收。因此，沿或接近于xz平面传播的光通过光控制元件，如图22(b)的光路A所示，但以与-z平面成较大角度传播的光被偏振区域16吸收，从而得到个人显示模式。在该模式中的角度范围取决于透射区域17的宽度和光控制元件50的厚度之间的比率。
如图22(a)和(b)所示，光控制元件50在其上和下表面设有电极51，52。它们用于横跨液晶层施加电场以使液晶分子大概沿z方向定向。这使得染料分子重新与液晶分子定向，因此它们也沿z方向对准。这在图22a中由短线表示，在液晶材料的区域16中示出。因此，由起偏振器23透射的沿x方向面偏振的光不被液晶区域16吸收，从而得到宽显示模式，如图22(a)所示。
该实施例的光控制元件50可以用许多方式制造。例如，它可以通过基本上如图9(a)到9(c)中所述的利用在其整个区域上具有均匀透明电极的下基底36来制造。具有均匀透明电极的第二基底放置在所述结构的上方，凹陷充满包含染料的液晶材料。具有染料的液晶材料可以以参考图11(a)和11(b)的上述任何方法进行定向。在该构造方法中，液晶材料可以具有正介电各向异性，并均质排列，或者可以具有负介电各向异性，并垂直排列。
可切换光控制元件的第二构造方法为使用带图案的调准层。这在图23(a)和23(b)中示出。在该实施例中，元件的每个基底36，36’在一个表面上设有透明电极并在电极上方设有调准膜(未示出)。调准层形成有图案，然后基底彼此平行对准，其间隔等于液晶层的所需厚度。然后将基底之间的间隙用包括染料的液晶材料充满。由于带图案的调准层，当没有电压横跨液晶层施加时，它采用两种不同的调准区域。在区域53中，液晶分子以及相应的染料分子基本上沿z方向对准。然而，在区域54中，液晶分子基本上沿x方向对准(平面对准)，染料分子因此也沿该方向对准。因此区域54作为吸收沿x方向面偏振光的区域。
当电场经由电极51，52横跨液晶层施加时，区域54中平面对准的液晶分子沿大概z方向重定向，染料分子因此也重新排列位于z方向。已经沿z方向对准的区域53中染料分子的定向不变。因此整个液晶层不吸收沿x方向面偏振的光，如图23(a)所示。
图24(a)和24(b)示出了图23(a)和23(b)的实施例的变形。在该实施例中，电极51，52而不是调准膜形成图案。(为了清楚，调准膜和基底在图24(a)和24(b)中省略)。调准膜布置成产生沿z方向排列的液晶(垂直排列)，如图24(a)所示。当电场在电极之间施加时，电极之间的液晶层区域重新定向以采用平面对准(平行于x方向)，而不存在电极的区域中的液晶材料仍保持其初始垂直排列。这在图24(b)示出。在电极之间的液晶层区域54中，当电压横跨液晶层施加时，液晶分子采用平面对准，使得染料分子也重新平行于x方向定向。当电压横跨液晶层施加时，区域54因此吸收沿x方向面偏振的光。
在描述图22(a)到24(b)的实施例的操作中，假定液晶材料包含正二色性染料。液晶材料也可以包含负二色性染料，在该情况下，光控制元件的工作模式反转。
作为进一步的选择，可使用产生面内电场的电极结构并通过适当地施加电压沿平行于基底的面旋转液晶和染料分子。在该情况下，液晶分子和染料分子可以被切换为沿x方向或沿y方向。
在上述实施例中使用的液晶材料可以为向列液晶或近晶状液晶材料。作为选择，可以使用双稳态液晶材料，其中液晶材料的定向在两个工作状态中是稳定的，因此施加电压仅用来将材料从一个工作状态切换到另一个状态。
图25(a)为根据本发明另一实施例的光控制元件55的示意性透视图。该实施例的光控制元件55为有效的光控制元件，并为图21所示的光控制元件50的变形。它包含多个偏振区域16a，16b，其由可在吸收状态和非吸收状态之间切换的材料制成。偏振区域16a，16b配置在下基底56和上基底57之间。电极51，52分别配置在上和下基底上，它们用于横跨液晶层施加电场以使偏振区域16a，16b在其吸收状态和非吸收状态之间切换。相邻偏振区域16a，16b之间的空间充满透射材料。
在图21的实施例中，偏振区域16a，16b包含液晶和染料分子。横跨偏振区域施加电场使偏振区域16a，16b中的液晶分子大概沿z方向排列。如上所述，这使得染料分子重新与液晶分子定向，因此它们也沿z方向排列。因此染料分子不吸收通过控制元件50的y面偏振成分或x面偏振成分。然后偏振区域处于其非吸收状态。
如图25(a)和25(b)所示，多个区域A和B限定在光控制元件中。在区域A中，偏振区域16a沿x方向延伸，而偏振区域16b在区域B中沿y轴延伸。图25(b)说明了区域A和区域B在光控制元件55上的一种可能的排列。在该排列中，区域A和区域B彼此沿x和y方向交替。然而，本发明不限于区域的该具体排列，也可为其他排列。
当没有电压施加在电极51和电极52之间时，液晶分子沿偏振区域16a，16b的方向排列，染料分子也沿该方向排列。从而，在区域A中，染料分子沿x方向排列，而在区域B中，染料分子沿y方向排列。沿或接近于z方向传播的光在区域A或区域B中将几乎不被吸收，从而透射通过光控制元件。这对x面偏振和y偏振成分是真实的。光控制元件然后处于公用模式，具有宽角度输出范围。
随后当偏振区域16a，16b切换到吸收模式时，如关于图22(a)和22(b)的解释，在区域A中的偏振区域16a对沿x轴面偏振的光不透明，因为该偏振成分被沿x方向排列的染料分子吸收。区域A因此透射沿或接近于xz平面传播的x偏振光，但与xz平面成大角度传播的x偏振光被偏振区域16a吸收。从而，区域A可在以宽角度范围通过两个偏振成分的公用模式和以大角度范围通过y偏振成分但以窄角度范围通过x偏振成分的个人模式之间切换。
相反地，当区域B中染料分子沿y方向排列的偏振区域16b切换到其吸收模式时，它们将传输y偏振成分，如果该成分沿或接近于yz平面传播。然而，与yz平面成大角度传播的y偏振成分光在偏振区域16b中被吸收，其方式与图21和22(a)和(b)中所述的方式相同。因此，区域B可在以宽角度范围透射两个偏振成分的公用模式和以窄角度范围透射y偏振成分但以宽角度范围透射x偏振成分的个人模式之间切换。
图25(c)示出了结合在显示器中的图25(a)和25(b)的光控制元件55。显示器包含图像显示器件22，例如液晶显示器件。光控制元件55放置在显示器件22的前面，可切换偏振旋转器58(例如可切换半波片)配置在显示器件22和光控制元件55间的光路中。
假定显示器件22包括输出起偏振器，则发射基本面偏振的光，或者另外，线性起偏振器配置在显示器件和偏振旋转器之间。对准光控制元件55使得离开显示器件(或起偏振器)的光的偏振面平行于区域A或区域B中偏振区域的方向。在该例子中，假定显示器件发射沿y方向面偏振的光。
当在光控制元件的电极51，52之间施加电压时，染色的液晶切换为平行于z轴，不吸收通过该部件的y偏振光。这对区域A和区域B是真实的。显示器处于公用模式。
当在光控制元件的电极51，52之间没有电压时，染色的液晶沿百叶窗方向(区域A中的x轴，和区域B中的y轴)排列。如果偏振旋转器不起作用，入射到光控制元件55的光沿y平面偏振。区域A因此不吸收，因为区域A中的偏振区域16a不吸收y平面偏振的光。然而区域B中的偏振区域16b吸收y平面偏振的光，区域B因此仅透射沿或接近于yz平面传播的光。因此，沿z轴观看的观众几乎看不见吸收，且可以阅读图像显示器件22上显示的信息。移动到左边或右边(沿x方向)的观众看见来自标记为B的区域的吸收这些区域显示黑暗，从而不可能阅读显示器上的信息。显示器看上去具有光的‘棋盘’图案，黑暗的正方形覆盖在上面，该图案使图像不清楚。从而，显示器在该模式中提供沿x方向的保密性。
为了得到沿y方向的保密性，切换偏振旋转器以使入射光的偏振面旋转90°。入射到光控制元件55上的光现在沿x方向面偏振。区域B现在不吸收，但是区域A吸收与xz平面成一定角度传播的光，但是仅透射沿或接近于xz平面传播的光。沿y方向移动的观众看见来自区域A的吸收这些区域看上去黑暗，从而不可能阅读显示器上的信息。显示器看上去也具有光的‘棋盘’图案，黑暗的正方形覆盖在上面，该图案使图像不清楚。从而，显示器在该模式中提供沿y方向的保密性。
元件的顺序不限于图25(c)中示出的顺序。图25(a)的光控制元件55可以布置在显示器的前面或透射显示器的后面，使显示器能够在公用显示模式和个人显示模式之间切换。
在图25(a)的实施例中，电极51，52没有形成图案，以使均匀的电场施加在光控制元件55的整个区域上。因此光控制元件的整个区域在公用模式和个人模式之间切换。
图案化偏振区域的方向是制造图21的未图案化“百叶窗”结构的方法的简单延伸。液晶的排列方向也图案化，因此总是平行于偏振区域16a，16b。使液晶单元调准层图案化的方法也是公知的，并主要地是图11(a)和11(b)中所述的对准方法的简单延伸。例如在美国专利US 6 055 103，美国专利申请US2003/0137626和H.Stevenson和M.Khazova在亚洲显示2004(Asia Dispaly)，韩国汉城发表的题为“图案化用于相位延迟器的反应中间相源的光栅排列”(Patterned grating alignment of reactive mesogens for phase retarders)的论文中描述了适当的方法。
图25(c)中示出的显示器可以通过由固定图案化延迟器代替可切换偏振旋切器来变形。图案化延迟器包含将入射光的偏振面旋转90°的区域和对入射光的偏振面没有影响的区域。这些区域在大小、形状和位置上相应于光控制元件55的区域A和区域B。光控制元件和图案化延迟器对准，以便光控制元件的每个区域A与图案化延迟器的旋转光偏振面90°的区域对准，和光控制元件的每个区域B与图案化延迟器的不旋转光偏振面的区域对准(或反之亦然)。
在光控制元件的每个区域A与图案化延迟器的旋转光偏振面90°的区域对准的显示器中，通过区域A的光将沿x方向面偏振，而通过光控制元件的区域B的光将沿y方向面偏振(假定入射到图案化延迟器的光为y面偏振)。当没有电压施加到百叶窗层时，如上所述，区域B吸收与yz平面成一定角度传播的光，并仅透射沿或接近于yz平面传播的光。相似地，区域A吸收与xz平面成一定角度传播的光并仅透射沿或接近于xz平面传播的光。因此，该个人模式提供沿x和y方向的保密性。
在另一可选择方案中，整个光控制元件55上的液晶分子沿相同方向排列。于是对于沿液晶排列方向面偏振的光，控制元件同时提供水平和垂直的保密性。例如，如果液晶分子在区域A和区域B中沿y方向排列，那么与xz平面成一定角度传播的y面偏振光在区域A中被吸收，区域A仅透射沿或接近于xz平面传播的y偏振光。相似地，与yz平面成一定角度传播的y面偏振光在区域B中被吸收，区域B仅透射沿或接近于yz平面传播的y偏振光。在该实施例中，液晶排列方向优选平行于区域A(或区域B)中偏振区域的方向，因此垂直于区域B(或区域A)中偏振区域的方向。在该实施例中不需要附加的偏振旋转器。
图26为根据本发明另一实施例的光控制元件60的示意性透视图。为了描述清楚起见，光控制元件60的部件在图26中分离的示出。
该实施例的光控制元件60也为有效的光控制元件。它可以以四种模式之一工作-公用模式，沿x方向提供保密性的模式，沿y方向提供保密性的模式，和沿x和y方向提供保密性的模式。
光控制元件60包含两组偏振区域16a，16b，其类似于图21的光控制元件50的偏振区域16。偏振区域16a，16b可在吸收和非吸收状态之间切换。在优选实施例中，光控制元件60的偏振区域16a，16b由包含染料的液晶材料制成，该材料如上所述可在吸收状态(当没有电压施加时)和非吸收状态之间切换。相邻偏振区域16a，16b之间的空间充满透射材料。
第一组偏振区域16a沿一个方向排列，在该例子中为沿x方向。这些偏振区域16a配置在第一电极52和下中心电极62之间。偏振区域16a可以在吸收x面偏振光成分的状态和透射x偏振成分的状态之间切换。在任何一个状态中，第一偏振区域16a透射y偏振成分。
第二偏振区域16b沿基本上与第一偏振区域成直角的方向延伸，在该例子中沿y方向延伸。第二偏振区域16b配置在上中心电极61和第二电极51之间，可以在吸收y面偏振光的状态和透射y偏振成分的状态之间切换。在任何一个状态中，第二偏振区域16b透射x偏振成分光。
半波片63配置在下中心电极62和上电极61之间。
当其由从下方的x面偏振光64照明时，考虑光控制元件60的工作。如果第一偏振区域切换到其吸收模式，则它们仅透射沿或接近于xy平面传播的x偏振光。与xz平面成一定角度传播的光将被吸收。
半波片63将光的偏振面旋转90°。从而，通过第一偏振区域16a的x偏振光将由半波片63转换为y偏振光-y偏振光可被第二偏振区域16b吸收。从而，如果第二偏振区域16b转换为其吸收模式，它们将吸收与yz平面成一定角度传播的光，仅透射沿或接近于yz平面传播的光。从而，如果第一偏振区域和第二偏振区域都切换为吸收模式，则光控制元件60将仅通过沿或接近于z方向传播的光。控制元件60从而在该模式中提供沿x和y方向的保密性。
第一偏振区域16a可独立于第二偏振区域16b控制。因此可使第一偏振区域16a处于吸收模式，而第二偏振区域16b处于非吸收模式。在该情况中，光控制元件将吸收与xz平面成一定角度传播的光，但不吸收与yz平面成一定角度传播的光。因此提供仅沿y方向的保密性。
相反地，第一偏振区域16a可以处于非吸收模式，而第二偏振区域16b处于吸收模式。在该情况中，与yz平面成一定角度传播的光将被吸收，因此器件提供仅沿x方向的保密性。
如果第一偏振区域和第二偏振区域都处于非吸收模式，则光控制元件60以公用模式工作，将具有宽视角范围。
图26的光控制元件60可以放置在显示器的前面或透射显示器的后面。线性起偏振器可以设在光控制元件60的后面，因此入射到光控制元件的下基底56上的光为面偏振。当光控制元件60放置在显示器件的前面时，线性起偏振器可以作为显示器件的输出起偏振器。作为选择，起偏振器可以设在光控制元件之后。
图27(b)示出了本发明的另一光控制元件65。该光控制元件也为活性控制元件65，并包含由含有染料的液晶材料制成的偏振区域16，该材料可在吸收状态和非吸收状态之间切换。相邻偏振区域之间的空间充满透射材料。偏振区域16配置在下基底56和上基底(未示出)之间。下电极52配置在下基底56上，上电极(未示出)配置在上基底上。
在图27(b)的光控制元件65中，偏振区域在x和y方向上具有受限的延伸，从而具有沿z方向延伸的“柱”状。该“柱”以行和列排列，一行中的“柱”相对于相邻行中的“柱”横向偏移。
在每个柱状偏振区域16中，液晶的排列方向可以选择为沿x轴或沿y轴。在每个柱状偏振区域中的液晶的排列方向可以通过任何常规的技术限定。例如，液晶排列的方向可以通过调准层控制或通过如上所述存在光刻胶或聚合物层的变形来控制。调准层可以通过任何适当的技术形成图案，参考图25(c)，在上述参考文献中给出了适当方法的例子。
图27(b)的光控制元件65布置成提供沿x和y方向的保密性。这通过选择每个偏振区域16中液晶分子的排列方向来实现。例如，假定每个偏振区域16中的液晶分子沿y方向排列，并且y面偏振光入射到光控制元件上。当偏振区域16转换到其吸收状态时，每个偏振区域将吸收y偏振成分。结果，y面偏振光仅沿或接近于z轴的方向能够通过光控制元件65。任何与xz平面或yz平面成一定角度传播的y偏振光将被偏振区域16吸收。从而控制元件65提供沿x和y方向的保密性。
当偏振区域切换到其非吸收状态时，y偏振成分能够通过光控制元件65而没有显著的吸收，从而提供公用模式。
相反，图21示出的光控制元件49的类型具有布置为平行条纹的偏振区域16，如用于比较的图27(a)所示出的。偏振区域因此能够提供仅沿一个方向的保密性-在图27(a)示出的例子中，偏振区域16不能限制沿yz平面的输出角度，仅提供沿x轴的保密性。
图27(b)的光控制元件25可以设在透射显示器件的后面或显示器件的前面。如上所述，线性起偏振器必须与光控制元件连续设置，当光控制元件放置在显示器件的前面时，它可以为显示器件的输出起偏振器，或者当光控制元件放置在透射显示器件的后面时，可以为显示器件的输入起偏振器。
图28(a)示出了根据本发明的进一步光控制元件66。光控制元件66为活性控制元件，并包含由含有染料的液晶材料制成的区域，该材料可在吸收状态和非吸收状态之间切换。偏振区域之间的区域17充满透射材料。偏振区域和透射区域17配置在下基底56和上基底57(未示出)之间。下电极52配置在下基底上，上电极(未示出)配置在上基底上。
在该实施例中，透射区域17在x和y方向上具有受限的延伸，从而具有沿z方向延伸的“柱”状。偏振区域被限定在透射区域17之间的间隙中。
液晶分子的排列方向在光控制元件66的区域上是不均匀的。液晶分子的排列方向被图案化，使得每个透射区域17邻近至少一个具有第一排列方向的偏振区域以及至少一个具有第二液晶排列方向的其他偏振区域，其中第二排列方向基本上垂直于第一排列方向。在优选实施例中，透射区域17当以平面图看时基本上为矩形，透射区域的相对侧面邻近具有第一液晶排列方向的偏振区域，其他两个相对侧面邻近具有第二液晶排列方向的偏振区域。
图28(b)为光控制元件66的示意性平面图，并说明了液晶排列方向的一种可能的布置。在该实施例中，第一和第二排列方向分别平行于x轴和y轴。可以看出，透射区域(如图28(b)中看见的元件)的左和右侧面邻近于偏振区域16b，其中液晶分子沿y方向排列。(液晶分子的排列方向由图28(b)中的短划线表示。)透射区域(也如图28(b)中看见的光控制元件)的上和下表面邻近于偏振区域16a，其中液晶分子沿x方向排列。
在工作中，光控制元件66与可切换偏振旋转器连续设置。光控制元件66的工作将参考下述例子描述，在例子中，可切换偏振旋转器配置在控制元件66的后面，并且入射到偏振旋转器的光沿y方向面偏振。
当偏振旋转器不起作用时，y偏振光通过偏振旋转器并入射到光控制元件66上。液晶沿y轴排列的偏振区域16b吸收y偏振成分，因此，当控制元件切换到其吸收模式时，与yz平面成一定角度传播的y偏振光在偏振区域16b中被吸收。偏振区域16a具有沿x轴排列的液晶分子，因此不显著吸收y偏振成分。因此，控制元件66提供沿x方向的保密性。
当偏振旋转器切换为“开”时，它将入射光的偏振面旋转90°。初始的y偏振光因此转换为x偏振光，并入射到控制元件66上。x偏振光在液晶分子沿x方向排列的偏振区域16a中被吸收。因此，与xz平面成一定角度传播的光在偏振区域16a中被吸收，从而提供沿y方向的保密性。液晶分子沿y方向排列的偏振区域16b不显著吸收x偏振成分。
从而，通过相应地切换偏振旋转器控制元件66可提供沿x方向或沿y方向的保密性。
控制元件66和偏振旋转器可以放置在显示器的前面，或者可以放置在透射显示器的后面。
图28(c)为控制元件66另一实施例的示意性平面图，并示出了偏振区域16a，16b布置的另一种方式。偏振区域16a，16b的其它布置是可能的，但是优选图28(b)和28(c)中示出的布置，因为它们模仿图21中示出的百叶窗结构的效果。当偏振区域16a有效时，例如，它们提供偏振区域沿y轴延伸的百叶窗结构；相反地，当偏振区域16b有效时，它们提供偏振区域沿y轴延伸的百叶窗结构。这种布置是有效的，因为当偏振区域以百叶窗结构布置时它们大多数有效，其中偏振区域中液晶分子的排列方向平行于百叶窗结构的方向。
在上述实施例中，个人模式中横跨控制元件的整个区域提供的视角基本相同。这在图29中示出，该图为显示器的示意图，该显示器具有配置在图像显示器件22之前的本发明的控制元件67。控制元件67可以为包括上述任一优选实施例的本发明的任何控制元件。视角由横跨控制元件15的区域的三个位置A，B，C表示，并且可以看出，每个位置处的视角范围基本相同。其可能的缺陷在于离控制元件67的有限距离的观察者可以阅读显示器的一些部分，但是不能阅读显示器的其它部分。在图29的例子中，位于显示器的一侧的位置68处的观察者，对于位置C来说在观察范围内，对于位置B来说刚好在观察范围内，但是对于位置A来说在观察范围以外。因此在位置68处的观察者不能阅读整个显示器。实际上，在具有大面积的显示面板，并且接近于显示器的观察者的情况中，没有任何位置观察者可以阅读整个显示器。
这个问题可以通过使控制元件的视角横跨其面积改变来克服。图30示出了布置在显示器件22前面的本发明的另一控制元件67’。控制元件67’横跨其面积不具有恒定的视角。
在优选实施例中，在显示器中心或接近显示器中心，在位置B处，控制元件的视角为最小值θ1。视角向显示器的任一侧增加，在位置A或位置C处为值θ2。在观察位置68处的观察者现在在位置A，B和C的观察范围内，因此可以阅读显示在显示器整个区域上的信息。视角的变化可以关于显示器的中心对称。
视角没有必要关于控制元件的中心对称地变化，可以布置成以其他方式变化。例如，打算总是从一侧观察显示器时，控制元件的视角没有必要横跨显示器对称变化。例如，如果总是从位置68观察图30的显示器，则控制元件67’没有必要在位置C处具有大视角(因为观察位置68几乎直接在位置C的上方)，视角可以简单地横跨控制元件从位置C向位置A增加。视角可以例如横跨控制元件从位置C到位置A随着位置线性变化。
控制元件的视角可以布置成横跨控制元件从左侧到右侧随着位置变化，和/或从控制元件的顶部到控制元件的底部随着垂直位置变化。
上述控制元件可以相对容易地变形以提供横跨区域变化的视角。例如，视角可以通过增加透射区域的宽度与偏振区域的宽度的比率而增加。这可以通过例如增加透射区域的宽度而保持偏振区域的宽度来实现。在使用多层图案化起偏振器的实施例中，如图5的控制元件15’，视角可以通过增加两个相邻偏振区域16之间的横向间隔与偏振区域宽度之间的比率而增加。
图31(a)为本发明另一光控制元件69的示意截面图。该实施例为活性控制元件，与图21的控制元件50基本类似。它含有配置在上基底57和下基底56之间的多个液晶区域16。透明材料17设在液晶区域16之间。如在图21的实施例中，液晶区域包含染料分子。当液晶区域切换到沿z方向排列时，染料分子也使它们自己沿z方向排列，偏振区域16不吸收偏振光的x成分或y成分。当偏振区域中的液晶分子切换到沿水平方向(在该实施例为x方向)排列时，染料分子也使它们自己沿x方向排列，偏振区域变成吸收面偏振光的x成分，控制元件69处于其个人模式。
图31(b)为控制元件69的下电极52的示意平面图。可以看出，下电极52由两个在中间有指状的电极52a，52b构成。每个电极包括许多从总线横向延伸的“手指”。电极的“手指”布置成与偏振区域16相邻，如图31(b)所示。与电极52a的手指相邻的偏振区域16配置在与其它次电极52b的手指相邻的两个偏振区域之间，反之亦然。
图31(a)的控制元件69可以切换到三个状态之一。如果每个偏振区域切换到其吸收状态，则得到窄角度的个人模式。如果所有的偏振区域切换到其非吸收状态，则得到公用模式。然而，通过将每个交替的偏振区域切换到其吸收模式，同时将剩余的偏振区域切换到其非吸收模式，如图31(a)所示，可得到第三种模式。即提供了第二个人模式，其具有比所有的偏振区域16切换到其非吸收状态所得到的个人模式更宽的视角。控制元件69因此可以工作在窄角度个人模式、宽角度个人模式、或公用模式。
在控制元件中，其中没有电压施加时液晶分子处于吸收状态，通过施加电压切换到非吸收状态，通过在电极51和两个次电极52a，52b之间施加电压得到公用模式。通过在电极51和次电极52a，52b之一之间施加电压同时在上电极51和另一个次电极52a，52b之间不施加电压，得到宽角度个人模式。在图31(a)所示的状态中，电压施加在电极51和次电极52b之间，但是在电极51和次电极52a之间没有施加电压。图31(a)和31(b)的显示器仅仅为可以以两个或多个具有不同视角的个人模式工作的控制元件的一个例子。也可以有许多其它配置。例如，电极之一可以布置为三个次电极，每一个次电极切换每三分之一偏振区域。控制元件可以工作在个人模式，其中每三分之一偏振区域处于吸收状态，其它偏振区域处于非吸收状态，这提供具有宽于图31(a)所示模式视角的个人模式。
在上述本发明的所有实施例中，在显示器的亮度和个人模式的有效性之间存在折衷。一个例子为利用通过电场切换的染色液晶百叶窗的实施例，增加染料的浓度以增加光的吸收，使来自不期望的观察者的光的排除更彻底，但也减少了公用和个人模式的亮度。这也同样适用于其他实施例中吸收材料的浓度，相似的折衷应用于利用叠层偏振片的实施例中层的厚度和数目。
一般，如果希望提高个人显示器的亮度，则必须牺牲保密性水平-换句话说，必须减小由不期望的观察者在公用和个人模式中看见的亮度极之间的差异。因此有用的方法为当该对比度相对小时增加保密性的水平。
这可以通过将显示器的一些区域切换到个人模式同时其他区域处于公用模式状态来实现。例如，显示器可以划分为与将要被显示的文本的字母大小大约相同的正方形。在棋盘图案中的交替正方形然后被切换到公用和个人模式，以使每个‘公用’正方形的所有四个最近的正方形为个人模式正方形，反之亦然。
然后，个人模式中不期望的观察者看见光的棋盘图案，黑暗区域覆盖在显示器所示的图像上。该图案可以防止显示器的阅读，即使在整个显示器切换到‘个人’状态很清晰的条件下。
棋盘图案仅为‘公用’和‘个人’区域可能图案的一个例子。该图案例如可以由设计成使观察者从显示的个人文本中分散注意力的文本构成，或可以由标志图或广告素材构成。
显示器选定区域的切换可以以许多方式实现。在公用和个人模式通过分离的可切换波片来实现的实施例中，波片可以图案化仅使得其中的某些区域有效。当可切换波片包括液晶层时，这可以通过例如在液晶引入前在一些区域填充光刻胶，使得这些光刻胶区域在显示器的所有模式中保持光学各向同性来实现。
在所有的实施例中，选定区域可以通过图案化一个或多个用来转换器件的电极来转换。例如，一个电极可以划分为两个不电接触的导电区域，一个区域可以永久地转换为开，而另一个在个人模式中切换为开，在公用模式中为关。作为选择，可以完全去除电极的选定区域，因此没有电场可以施加到这些区域，它们总是保持不切换状态。
上述方法的一个可能的困难在于即使对于在中心位置的观察者，公用和个人模式的亮度方面也存在一些差异。当到对个人模式的切换被图案化时，即使对于在中心位置的观察者也会产生显示器上微弱的图案重叠。可以修改发送到显示面板的数据以消除该问题。‘公用’区域中像素的亮度可以稍微地减小以便显示的灰度在整个显示器上一致。
本发明许多实施例存在的一个可能问题是个人模式的亮度相对低。这是因为偏振相关光控制元件在个人模式中吸收经过其中的光的很大一部分。例如，当供有恰当的偏振光时，图5所示的光控制元件吸收的光的部分大于由起偏振器覆盖的每个面的区域部分。
为了减小该影响，透镜或其他折射元件可以放置在背光和光控制膜之间的平面内。图32示出了这种结构的显示器的一个例子。
图32的显示器70具有由背光25照明的显示面板22，例如配置在输入起偏振器和输出起偏振器之间的可寻址液晶层。本发明的光控制元件配置在背光和显示面板之间，在该实施例中，控制元件为图5所示的控制元件15’。图32中仅示出了偏振材料的叠层组件21。可切换半波片24配置在控制元件15’和显示面板22之间。最后，透镜阵列71配置在背光25和控制元件15’之间。
在显示器70的个人模式中，控制元件15’的叠层起偏振器片16吸收由显示面板22的输入起偏振器传输的偏振状态的光。背光25以宽角度范围发射光，但优选布置成沿显示器件70的轴发射的光比其他任何方向更强。透镜阵列71布置成叠层起偏振器16接近于透镜阵列71的焦面，并且透镜阵列71a的中心与起偏振器的相邻叠层组件21之间的间隙对准。
由背光25发射的沿显示器的轴的光将在起偏振器的叠层组件21之间通过，入射到显示面板22上。透镜阵列71引导由背光发射的与显示器的轴成一定角度的光，使它通过偏振片的相邻叠层组件21之间的间隙。透镜阵列因此增加了所需偏振状态的光量，即当通过控制元件15’时，沿或接近于z方向传播的光而后没有吸收的通过控制元件15’。因此个人模式时的显示器亮度增加。
在显示器的公用模式中，可切换波片24切换，使得由叠层起偏振器片16吸收的光的偏振态为由显示面22的输入起偏振器吸收的偏振态。因此在公用模式时起偏振器片16对光的吸收不重要。
在上述使用百叶窗结构的本发明的实施例中，优选选择偏振区域16，16a，16b以及它们之间的透明元件17的折射率使偏振区域和相邻的透明区域之间的界面处的菲涅耳反射最小。这是因为这些反射在公用模式中会限制百叶窗结构的性能。
图33中的实曲线示出了当吸收部分的折射率为0.15，大于透明部分的折射率时百叶窗结构的透射率计算结果。虚曲线示出了当吸收部分的折射率等于透明部分的折射率时，相同的百叶窗结构的透射率。可以看出，当折射率不相配时发生的菲涅耳反射可以导致公用模式时亮度和视角的不希望的强变化。如果吸收部分的折射率与透明部分的折射率相配，则可以消除这些强变化。
当包括本发明的光控制元件的显示器从公用切换到个人模式时，也可以改变背光发射的光分布以提高保密性作用。例如，背光可以在个人模式中简单地变得更暗，以便不期望的观察者觉得阅读显示器更加困难。作为选择，可以改变背光工作模式以减少向不期望的观察者发送的光。这可以通过将背光从未准直模式切换为准直模式来实现。其优点在于减小显示器的功率消耗并提高保密性。
本发明也可以应用于防止闪光(反射环境光)干扰观察显示器。例如，在汽车的仪表板显示器中，偏振敏感光控制膜可以放置在显示器的前面，以便在个人模式中，不能在高于正常观察位置的位置阅读显示器。在该模式中，光控制膜也防止从高角度到达显示器的环境光，从而防止环境光离开显示器反射向使用者的眼睛。
也可施加光控制，以防止显示器的光从其它表面反射从而干扰使用者。例如，在汽车中，必须严格定位仪表盘显示器以便其光在夜晚不从挡风玻璃反射以模糊司机对路的观察。当显示器在低照明条件下切换到‘个人’模式时，本发明可以用以防止从显示器至挡风玻璃的光。当环境光亮度高时，这种反射并不重要，因此显示器可以切换到‘公用’模式，该模式具有亮度更高的优点。
在该应用中，根据检测环境光条件的光传感器，器件可以手动或者自动地在闪光减小(‘个人’)模式和正常模式之间切换。显示器本身的亮度也可以根据环境光条件自动改变。
在包括本发明的活性光控制元件的显示器中，光控制元件(保密性器件)可以以许多方式在公用模式和个人模式之间切换，例如包括1、手动-显示器可以包括开关或其他装置，供用户选择所需模式使用；或2、通过在计算机上运行软件进行显示器切换。
在情况(2)中，当用户观看个人内容(例如保密网页或银行账户信息)时，该软件可以使显示器自动切换。保密性要求可以通过包括在电子文件中的信号(例如，网页上的XML标记或图标或图像)来表示，或者当利用加密观看网页或当某些关键词(例如“密码”或“机密”)出现时，保密性要求可以通过显示器来承担。
在使用具有大于一个的个人模式的光控制元件的地方，上述任一方法也可以用于在个人模式之间切换。
包括本发明的活性光控制元件的显示器也可以具有指示器以指示显示器处于个人模式。例如，诸如LED的指示器可以紧接于显示器照明，或LED可以使单词‘个人’紧接于显示器被照明。
作为选择，显示器可以显示该显示器处于个人模式的标记。当显示器处于个人模式时，单词‘个人’可以出现在显示屏上或在显示器上的一些其他位置。例如，图标可以显示在显示器本身上。
本发明的光控制元件一直与显示器结合描述。然而，本发明的光控制元件不限于在显示器中使用。本发明的光控制元件和配置在经过光控制元件的光路中的偏振切换开关的结合构成具有许多应用的光控制器件。例如，这样的光控制元件可以单独出售以便它可以连接到已有的显示器使其成为可在公用和个人模式之间切换的显示器。这样的光控制器件还具有其他应用-作为一个例子，它可以用于制造可在窄透射角度范围和宽透射角度范围之间切换的窗户。当切换到具有窄透射角度范围时，该窗户有效的除去闪光。这样的窗户可以用于例如汽车的可切换遮阳板。
在上述使用偏振切换开关的实施例中，偏振切换开关可以包括液晶单元。这通过适当地转换横跨液晶单元施加的电场，允许偏振旋光效应接通或关闭。
当偏振切换开关包括液晶单元时，液晶单元的液晶可以以多个液晶模式之一工作。例如液晶单元可以使用Freedericksz模式，其优点在于液晶单元的工作特性不会显著地取决于视角。
作为选择，使用的液晶模式可以为扭曲向列(TN)模式。该模式的优点在于其工作特性不会显著地取决于光波长。TN单元可以以例如Gooch-Tarry最小量或Mauguin限制的方式工作，其中光学特性的光波长相关性最小。
作为另一选择，可以使用垂直对准向列模式。在该情况下，通过施加电场接通偏振旋光效应，没有电源施加则不存在偏振旋光效应。使用该模式对于一些应用中使电源消耗最小化有利。
应当注意，包括液晶单元的偏振切换开关不限于上述具体的液晶模式。其他液晶模式可以使用在本发明的范围内。
可以利用已知技术使偏振切换开关的特性得到优化，使在欲阻断光透射的方向上通过该系统的光泄漏最小化；这可以用于任何类型的偏振切换开关，且不限于包括液晶单元的偏振切换开关。
权利要求
1.一种光控制元件，该元件在其区域的至少一部分的上方具有第一角度输出范围，用于输出具有第一偏振态的光，以及具有大于第一角度输出范围的第二角度输出范围，用于输出具有不同于第一偏振态的第二偏振态的光。
2.根据权利要求1的光控制元件，该元件在其区域的至少一部分的上方对具有第一偏振态且沿第一方向范围传播的光不透明或基本上不透明，对具有第一偏振态且沿不同于第一方向范围的第二方向范围传播的光基本上透明，并且对第二偏振态基本上透明。
3.根据权利要求1或2的元件，其中第二偏振态与第一偏振态正交。
4.根据权利要求1，2或3的元件，该元件包括多个第一区域，该区域对第一偏振态的光不透明或基本上不透明，并且透射第二偏振的光，每对相邻的第一区域通过透射第一偏振态的光和第二偏振态的光的材料彼此隔开。
5.根据权利要求4的元件，其中每个第一区域沿基本平行于与器件平面交叉的方向延伸。
6.根据权利要求4的元件，其中每个第一区域沿基本平行于垂直器件平面的方向延伸。
7.根据权利要求4，5或6的元件，该元件包括透射第一偏振态的光和第二偏振态的光的基底；基底中的多个凹陷；和配置在每个凹陷中对第一偏振态的光不透明或基本上不透明且透射第二偏振态的光的材料。
8.根据权利要求4，5或6的元件，该元件包括对第一偏振态的光不透明或基本上不透明且透射第二偏振态的光的基底；基底中的多个凹陷；和配置在每个凹陷中透射第一偏振态的光和第二偏振态的光的材料。
9.根据权利要求4的元件，其中每个第一区域基本上平行于该元件平面延伸；第一区域以两个或多个区域的多个叠层排列；叠层组件横向地彼此隔开，且每对邻近的叠层组件通过透射第一偏振态的光和第二偏振态的光的材料隔开。
10.根据前述任一权利要求的元件，其中所述元件可在个人模式和公用模式之间切换，其中个人模式中，该元件在其区域的至少一部分的上方具有用于具有第一偏振态的光的第一角度输出范围，以及用于具有第二偏振态的光的具有第二角度输出范围；公用模式中，该元件在其区域的至少一部分的上方用于第一偏振态的光的具有大于第一角度输出范围的第三角度输出范围。
11.根据权利要求10的元件，其中所述元件还可切换到第二个人模式，其中该模式具有用于具有第一偏振态的光的角度输出范围，该范围大于第一角度输出范围但是小于第三角度输出范围。
12.根据权利要求10或11从属于权利要求4到9任一权利要求时的元件，其中每个第一区域可在对第一偏振态的光不透明的第一状态和基本上透射第一偏振态光的第二状态之间切换。
13.根据权利要求12的元件，该元件进一步包括多个第二区域，每对相邻的第二区域通过透射第一偏振态的光和第二偏振态的光的材料彼此隔开；其中每个第二区域在对第二偏振态的光不透明的第三状态和基本上透射第二偏振态光的第四状态之间可切换。
14.根据权利要求13的元件，其中第一区域设在光控制元件的一个或多个第一区域中，第二区域设在光控制元件的一个或多个第二区域中，第一区域不覆盖第二区域。
15.根据权利要求13的元件，其中第一区域配置在第二区域的上方。
16.根据权利要求14或15的元件，其中第一区域基本上垂直于第一区域延伸。
17.根据权利要求4到9任一权利要求的元件，其中每个区域包括线性起偏振器材料。
18.根据权利要求10到16任一权利要求的元件，其中每个第一区域在其第一状态时包括线性起偏振器材料。
19.根据权利要求18的元件，其中每个第二区域在其第三状态时包括线性起偏振器材料。
20.根据权利要求10，11或12的元件，其中至少一个第一区域在其第一状态和其第二状态之间可切换，与至少另一个第一区域无关。
21.根据权利要求4到20任一权利要求的元件，其中每个区域包括液晶材料。
22.根据权利要求21的元件，其中液晶材料是宾一主液晶材料。
23.根据任一前述权利要求的元件，其中对于至少一个偏振态的光的角度输出范围在光控制元件的区域上变化。
24.一种光控制器件，包括权利要求1到23任一权利要求限定的光控制元件和配置在经过光控制元件的光路中的偏振切换开关。
25.根据权利要求24的器件，其中偏振切换开关包括可切换波片。
26.根据权利要求24的器件，其中偏振切换开关包括与线性起偏振器连续配置的可切换半波片。
27.一种显示器，包括权利要求1到23任一权利要求限定的光控制元件。
28.根据权利要求27的显示器，该显示器进一步包括配置在经过光控制元件的光路中的偏振切换开关。
29.根据权利要求28的显示器，其中偏振切换开关包括可切换波片。
30.根据权利要求29的显示器，其中偏振切换开关包括与线性起偏振器连续配置的可切换半波片。
31.根据权利要求27，28或29的显示器，其中使用中，光控制元件形成用于第一偏振态的光的视差光学系统，由此显示器可作为多视图方向显示器操作。
32.一种显示器，包括如权利要求1到23任一权利要求限定的第一光控制元件；如权利要求1到23任一权利要求限定的第二光控制元件；和第一偏振切换开关；其中用于第一偏振态的光的第一光控制元件的角度输出范围不同于用于第一偏振态的光的第二光控制元件的角度输出范围。
33.根据权利要求32的显示器，该显示器进一步包括第二偏振切换开关。
34.一种显示器，包括如权利要求1到23任一权利要求限定的第一光控制元件；第二光控制元件，对具有第二偏振态且沿第三方向范围传播的光不透明或基本上不透明，同时对具有第二偏振态且沿不同于第三方向范围的第四方向范围传播的光基本上透明，同时对具有第一偏振态的光基本上透明；和偏振切换开关，配置在经过第一和第二光控制元件的光路中。
35.根据权利要求34的显示器，其中第一光控制元件使用中以关于第一方向为中心的角度范围输出第一偏振态的光，第二光控制元件使用中以关于不同于第一方向的第二方向为中心的角度范围输出第二偏振态的光。
36.根据权利要求27到35任一权利要求的显示器，其中光控制元件为如权利要求9或权利要求10到16和18到23从属于权利要求9时的任一权利要求限定的光控制元件，该显示器进一步包括用户操作装置，用于使光控制元件在第一模式和第二模式之间切换。
37.根据权利要求27到35任一权利要求的显示器，其中光控制元件为如权利要求9或权利要求10到16和18到23从属于权利要求9时的任一权利要求限定的光控制元件，按照显示器上或显示器处预定操作的特性，光控制元件可自动操作以在第一模式和第二模式之间切换。
38.根据权利要求37的显示器，其中预定操作是分为公用或个人的显示信息，其分别使光控制元件切换到公用模式或个人模式。
39.根据权利要求27到38任一权利要求的显示器，当光控制元件处于个人模式时，显示器可以包括指示装置。
40.根据权利要求27到38任一权利要求的显示器，该显示器可操作地显示光控制元件处于个人模式的指示。
41.根据权利要求28，32或33的显示器，其中该偏振切换开关或每个偏振切换开关各自包括液晶单元。
42.根据权利要求41的显示器，其中该液晶单元或每个液晶单元使用Freedericksz液晶模式。
43.根据权利要求41的显示器，其中该液晶单元或每个液晶单元使用扭曲向列模式。
44.根据权利要求41的显示器，其中该液晶单元或每个液晶单元使用垂直排列向列模式。
45.根据权利要求41的显示器，其中选择该偏振切换开关或每个偏振切换开关的特性以使沿将要阻碍透射的方向通过显示器的光泄漏最小化。
46.根据权利要求24的器件，其中偏振切换开关包括液晶单元。
47.根据权利要求46的器件，其中液晶单元使用Freedericksz液晶模式。
48.根据权利要求46的器件，其中液晶单元使用扭曲向列模式。
49.根据权利要求46的器件，其中液晶单元使用垂直排列向列模式。
50.根据权利要求46的器件，其选择每个偏振切换开关的特性以使沿将要阻碍透射的方向通过器件的光泄漏最小化。
51.一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤将多个起偏振器片一个堆叠在另一个之上，每个起偏振器片包括起偏振器层和至少一个光透射基底；以及将每个起偏振器片粘附到其相邻的起偏振器片。
52.根据权利要求51的方法，包括在第一起偏振器片的上方配置光可固化粘合剂，在第一起偏振器片的上方层叠第二起偏振器片；照射粘合剂以固化粘合剂，由此将第一起偏振器片粘附到第二起偏振器片。
53.根据权利要求51或52的方法，还包括在每对相邻的起偏振器片之间提供光透射层。
54.根据权利要求51到53任一权利要求的方法，还包括步骤去除叠层组件的所有起偏振器片的起偏振器层的选定区域。
55.根据权利要求51到54任一权利要求的方法，还包括步骤将叠层组件切割为片，其中切割方向可以垂直于起偏振器片的平面，或者作为选择沿不平行于起偏振器片的平面的另一方向切割。
56.一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤去除第一起偏振器片的起偏振器层的选定区域，起偏振器片包括光透射基底和起偏振器层；将第二起偏振器片层叠在第一起偏振器的上方；去除第二起偏振器片的起偏振器层的选定区域。
57.一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤在光透射基底中形成多个凹陷；在凹陷中提供偏振材料。
58.一种制造光控制元件的方法，包括以下步骤在由偏振材料形成的基底中形成多个凹陷；在凹陷中提供光透射材料。
59.根据权利要求57或58的方法，其中在基底中形成凹陷的步骤包括选择性照射基底的步骤。
全文摘要
光控制元件(15)以第一角度范围输出具有第一偏振态的光，以大于第一角度范围的第二角度范围输出具有不同于第一偏振态的第二偏振态的光。光控制元件(15)可以对具有第一偏振态且沿第一方向范围传播的光不透明或基本上不透明，对具有第一偏振态且沿不同于第一方向范围的第二方向范围传播的光基本上透明，并且对第二偏振态基本上透明。通过改变入射到元件或从元件输出的光的偏振态，从光控制元件中输出的角度范围可以变化。光控制元件可以结合在显示器中。作为选择，它可以与偏振切换开关一起使用作为光控制器件。
文档编号G02F1/13363GK1601331SQ20041008749
公开日2005年3月30日 申请日期2004年8月30日 优先权日2003年8月30日
发明者A·埃文斯, P·波尼特, G·布西尔, L·西尔, J·马色, M·D·笛林, E·J·瓦尔顿, R·文罗, M·塞加多伊布鲁, P·斯图布斯 申请人:夏普株式会社