CN102495509B - 可调控透镜结构及2d/3d可切换显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调控透镜结构，其包括：固态电光材料层、第一透明电极层以及第二透明电极层。固态电光材料层具有相对设置的第一表面和第二表面。第一透明电极层位于该固态电光材料层的靠近第一表面的一侧。第二透明电极层位于该固态电光材料层的靠近第二表面的一侧。至少第一透明电极层与第二透明电极层的其中之一为图案化电极层，固态电光材料层的折射率随第一透明电极层与第二透明电极层之间因施加电压而产生的渐变电场的电场强度呈线性变化。本发明还涉及一种使用上述可调控透镜结构的2D/3D可切换显示装置。本发明的可调控透镜结构及2D/3D可切换显示装置具有厚度薄、响应速度快、制作工艺简单且良率高的优点。

Description

可调控透镜结构及2D/3D可切换显示装置

技术领域

本发明涉及显示装置领域，特别涉及一种可调控透镜结构及使用该可调控透镜结构的2D/3D可切换显示装置。

背景技术

随着显示技术的不断发展，人们愈加追求更加真实的显示画面。近年来，出现了利用不同技术实现的三维(3D)显示(又称为立体显示)，三维显示相较于二维(2D)显示，可以给观察者带来更逼真的立体效果，因此，受到了人们的欢迎和青睐。

人之所以看到的物体是三维的，是因为人有两只眼睛，并且两只眼睛具有一定的间距，物体在两眼视网膜上产生两幅具有细微差别的图像，经大脑处理后合成为一幅三维图像。立体显示技术是利用人眼的立体成像原理，人眼看物体时是从不同角度看到两幅稍有差别的图像，大脑将这两幅具有视差的图像合成后形成立体视觉。现有的立体显示方法主要有：偏振镜法、滤色镜法、视差立体法以及体视镜法。其中偏振镜法是最常用的方法，其原理就是利用光的不同偏振角度，让两个镜片分别透过不同偏振状态的光，将两幅具有细微差别的图像分别投射到左右眼中，从而给人以三维立体感。但是，这种立体显示方法需要观察者配戴立体偏振眼镜才能观看到三维图像，配戴立体偏振眼镜常常会造成观察者的观看不舒适，特别是对于自身已经配戴眼镜的观察者来说，观看立体图像则较为困难。因此，为了避免配戴特殊眼镜的不便，最近出现了不必配戴立体眼镜就能观看立体图像的装置，即裸眼立体显示装置，通过立体显示装置可以直接分开分别进入左右眼的左右眼图像光线，从而在观看立体图像时不必配戴立体偏振眼镜，以满足观察者的需求。另外正在研发的一种2D/3D可切换显示装置，其内设置有根据需要可透过开关组件分开左右眼图像的媒介，平时可以让人们观看二维平面图像，但有需要时也可以让人们观看三维立体图像。液晶透镜就是其中的一种媒介。

图1a和1b分别是现有的一种液晶透镜在不加电和加电状态下的部分剖面结构示意图。现有的这种液晶透镜10可以搭配液晶显示面板共同实现2D/3D可切换的液晶显示装置。液晶透镜10包括上基板11、平行设置的下基板12、以及设置于上基板11与下基板12之间的液晶层13。液晶层13内包含有液晶分子130。液晶透镜10的上、下基板11、12靠近液晶层13的一侧均具有透明的电极，上电极14设置于上基板11与液晶层13之间且为整面设置的电极层，下电极15设置于下基板12与液晶层13之间且为图案化的电极层。如图1a所示，液晶透镜10在不加电状态下，上下电极14、15之间没有电场形成，液晶分子130的长轴均沿着平行于上下基板11、12的平面排列，线偏振光经过液晶层13之后均可以沿着原来的方向前进而进入人的左右眼，此时为2D显示模式。如图1b所示，当液晶透镜10处在加电状态下，上下电极14、15之间形成电场，不同位置的液晶分子130分别受到不同强度的电场力的作用，不同的液晶分子130在空间中渐变排列，使其折射率同样产生过渡渐变，线偏振光经过液晶层13之后发生折射，形成渐变式折射率透镜（Grin lens），线偏振光经过液晶层13之后改变原来的方向前进而使得液晶显示面板左右像素产生的画面分别进入人的左右眼，此时为3D显示模式。

现有技术的液晶透镜，当光线大致垂直入射至该液晶透镜的入射面时其出射的光线表现较好；然而，当入射光线斜入射至该液晶透镜的入射面时，其出射光线就会出现较大角度的偏离。因而，现有技术中的液晶透镜具有角度依赖性，不同位置的折射率分布曲线并不平滑，另外，液晶透镜需要上下基板共同限定其间的液晶层，因而厚度较大，又由于液晶分子固有的特性，造成其响应速度较慢。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可调控透镜结构，其具有厚度薄、响应速度快、制作工艺简单且良率高的优点。

本发明的另一目的是提供一种2D/3D可切换显示装置，能够在2D显示模式和3D显示模式之间实现切换。

具体地，本发明实施例提供的一种可调控透镜结构，其包括：固态电光材料层、第一透明电极层以及第二透明电极层。固态电光材料层具有相对设置的第一表面和第二表面，该第一表面与该第二表面相互平行。第一透明电极层位于该固态电光材料层的靠近第一表面的一侧。第二透明电极层位于该固态电光材料层的靠近第二表面的一侧。第一透明电极层与第二透明电极层中的至少一个为图案化电极层，光线从该第一透明电极层一侧或该第二透明电极层一侧入射。其中，固态电光材料层的折射率随第一透明电极层与第二透明电极层之间因施加电压而产生的渐变电场的电场强度呈线性变化。

在本发明实施例中，上述第一透明电极层例如为连续电极层，第二透明电极层例如为图案化电极层。

在本发明实施例中，上述可调控透镜结构进一步包括第三透明电极层，其位于固态电光材料层的靠近该第二表面的一侧；第二及三透明电极层例如均为图案化电极层，第二透明电极层与第三透明电极层相互交替排列。相应地，第一透明电极层与第二透明电极层之间产生的电场方向例如与第一透明电极层与第三透明电极层之间产生的电场方向相反。

在本发明实施例中，第二透明电极层例如包括至少两个平行设置的条状导电部，第三透明导电层包括至少一个条状导电部，第三透明导电层的条状导电部平行设置在第二透明电极层的两个条状导电部之间。

在本发明实施例中，第二透明电极层与第三透明电极层由同一制程形成。

在本发明实施例中，固态电光材料层的材料例如包括具有波克尔斯效应（Pockels effect）的透明电光无机盐类、透明电光高分子材料或透明反应胶体材料。

在本发明实施例中，固态电光材料层的材料例如包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、磷酸二氢铵或β-硼酸钡。

此外，本发明实施例提供的一种2D/3D可切换显示装置，其包括：用于显示图像的显示面板以及上述可调控透镜结构；可调控透镜结构位于显示面板的观察侧。在可调控透镜结构未被施加电压时，2D/3D可切换显示装置工作于2D显示模式；当可调控透镜结构被施加电压以产生渐变电场而形成渐变折射率透镜阵列时，2D/3D可切换显示装置工作于3D显示模式。

在本发明实施例中，该可调控透镜结构的该第一透明电极层或该第二透明电极层直接形成在该显示面板的位于观察侧的基底上。

本发明实施例提供的可调控透镜结构及2D/3D可切换显示装置，其具有厚度薄、响应速度快、制作工艺简单且良率高的优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1a是现有的一种液晶透镜在不加电状态下的部分剖面结构示意图。

图1b是图1a所示的液晶透镜在加电状态下的部分剖面结构示意图。

图2a是本发明第一实施例的可调控透镜结构在未施加电压的情况下的部分剖面结构示意图。

图2b是本发明第一实施例的可调控透镜结构在施加电压的情况下的部分剖面结构示意图。

图3是本发明第一实施例的可调控透镜结构中采用的电光材料的折射率与施加电场强度的关系曲线图。

图4是采用本发明第一实施例的可调控透镜结构的2D/3D可切换显示装置的示意图。

图5a是本发明第二实施例的可调控透镜结构在未施加电压的情况下的部分剖面结构示意图。

图5b是本发明第二实施例的可调控透镜结构在施加电压的情况下的部分剖面结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的可调控透镜结构及2D/3D可切换显示装置其具体实施方式、方法、步骤、结构、特征及功效,详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

图2a和图2b分别是本发明第一实施例的可调控透镜结构分别在未施加电压和施加电压的情况下的部分剖面结构示意图。如图2a、图2b所示，本实施例的可调控透镜结构20包括大致平行设置的第一基板21和第二基板22、设置于第一基板21与第二基板22之间的固态电光材料层23、第一透明电极层24、以及第二透明电极层25。固态电光材料层23具有相对的第一表面230及第二表面231，第一表面230与第二表面231大致平行。本实施例中，第一透明电极层24设置在第一表面230与第一基板21之间，第二透明电极层25设置在第二表面231与第二基板22之间。第二透明电极层25为图案化的透明电极层，例如包括多个平行设置的条状导电部250，图2a与图2b中以两个条状导电部250为例进行说明。第一透明电极层24为连续电极层，即第一透明电极层24整层设置在第一基板21与固态电光材料层23之间。第一透明电极层24和第二透明电极层25均可以采用铟锡氧化物（Indium Tin Oxide,简称ITO）、铟锌氧化物（Indium Zinc Oxide,简称IZO）等透明导电材料。

本实施例中固态电光材料层23采用的电光材料是一种折射率随外加电场呈线性变化的材料，因此可以利用对其施加不同的电场强度来调节其不同位置的折射率的大小，其原理为波克尔斯效应（Pockels effect）,施加电场时其折射率n(E)满足如下关系式：

$n\left(E\right)=n-\frac{1}{2}\mathrm{\α}\·n^{3}E$

其中，α为固态电光材料层23所采用的固态电光材料的电光系数，其与固态电光材料本身特性有关；n为未施加电场时的固态电光材料的折射率；E为施加电场的电场强度。由此可见，通过施加不同的电场强度E即可调节固态电光材料的折射率大小，其折射率与电场呈线性关系，图3即是本实施例的可调控透镜结构20中采用的固态电光材料的折射率与施加电场强度的关系曲线图。

请再参照图2a，第一透明电极层24与第二透明电极层25之间未施加电压时，第一透明电极层24与第二透明电极层25之间没有电场形成，固态电光材料层23在空间上的折射率一致，对透过其的光线无会聚作用。可调控透镜结构20搭配与之匹配的显示装置，光线经过可调控透镜结构20之后沿着原来的方向前进而进入人的左右眼，此时显示装置为2D显示模式。

请参照图2b，当第一透明电极层24与第二透明电极层25之间施加一定的电压时，第一透明电极层24与第二透明电极层25之间形成渐变电场。图2b中，由于第二透明电极层25为图案化的透明电极层，而第一透明电极层24整层设置在第一基板21上，故电场强度从设置有第二透明电极层25的左右两端向没有第二透明电极层25的中部递减，因而固态电光材料层23在空间上折射率连续地过渡变化，中部位置的折射率最大，向两边对称地递减。如图2b所示，形成渐变式折射率透镜（Grin lens），对透过其的光线具有会聚作用。可调控透镜结构20搭配与之匹配的显示装置，使得透过其的光线改变原来的方向前进而使得显示装置产生的左眼图像和右眼图像分别进入人的左右眼，此时为3D显示模式。图2a及图2b的固态电光材料层23中的圆圈只是为了示意性的表示外加电场对固态电光材料层23折射率的影响。

本实施例的可调控透镜结构20的焦距f_lens、固态电光材料折射率的变化Δn以及所需要的驱动电压的变化ΔV分别具有如下关系式表示：

$f_{\mathrm{lens}}=\frac{r^2}{2\mathrm{\Δnd}}$

$\mathrm{\Δn}=-\frac{1}{2}\mathrm{\α}{n}^3\frac{\mathrm{\ΔV}}{d}$

$\mathrm{\ΔV}=\frac{r^2}{f_{\mathrm{lens}}{\mathrm{\αn}}^3}$

其中，r为可调控透镜结构20的半径，本实施例中具体指的是第二透明电极层25的两个条状导电部250的各自中心线之间的距离的一半；d为可调控透镜结构20的厚度，本实施例中具体指的是固态电光材料层23的厚度；α为固态电光材料层23所采用的电光材料的电光系数，n为未施加电场时的固态电光材料的折射率。由此可见，当观看者需要近距离观看时，也就是f_lens相对较小时，所需要的驱动电压较大；而当观看者需要远距离观看时，也就是f_lens相对较大时，所需要的驱动电压较小。

本实施例中可采用的电光材料可以是具有波克尔斯效应的透明电光高分子材料，还可以例如是铌酸锂（LiNbO₃）、钽酸锂（LiTaO₃）、磷酸二氢钾（KDP(KH₂PO₄)）、磷酸二氘钾（KD*P(KD₂PO₄)）、磷酸二氢铵（ADP(NH₄H₂PO₄)）、β-硼酸钡（BBO(Beta-BaB₂O₄)），或者是其他一些具有波克尔斯效应的透明电光无机盐类或透明反应胶体材料等。

本实施例的可调控透镜结构20的入射光线不限定为线偏振光，其具有非偏振状态依赖的特性，对各种偏振状态的光均适用，因此，本实施例的可调控透镜结构20可以搭配使用于液晶显示（Liquid Crystal Display,LCD）、等离子显示（Plasma Display Panel,PDP）、冷阴极射线管显示（Cathode RayTube,CRT）、有机发光二极管显示（Organic Light-Emitting Diode,OLED）等各种显示装置中，且可以实现2D/3D显示模式的切换。具体的，请参照图4，上述可调控透镜结构20可以设置于显示面板28的观察侧。3D显示时，显示面板28用于产生左眼图像和右眼图像；2D显示时，显示面板28产生一幅图像，不区分左眼图像和右眼图像。如图4所示，显示面板28依次包括第一基底280、显示层281及第二基底282，其中，第二基底282是位于显示面板28的观察侧的基底。可调控透镜结构20可以作为一个整体形成在第二基底282上，也可以彼此分割的形成在第二基底282上。当可调控透镜结构20未被施加电压时，该2D/3D可切换显示装置工作于2D显示模式，当可调控透镜结构20因被施加电压以产生渐变电场而形成渐变折射率透镜时，该2D/3D可切换显示装置工作于3D显示模式。

在制作过程中，可调控透镜结构20的第二基板22可以直接采用与其结合的第二基底282，即第二透明电极层25可以直接形成在显示面板28的第二基底282上，因此可以省去另外设置第二基板22的成本，并且降低整个组合后的显示装置的厚度，容易实现超薄化；同样，可调控透镜结构20的第一基板21可以直接采用与其结合的第二基底282，即第一透明电极层24可以直接形成在显示面板28的第二基底282上，同样可以省去另外设置第二基板22的成本，并且降低整个组合后的显示装置的厚度，容易实现超薄化；本发明所采用的固态电光材料响应时间约为1微秒，因此具有响应速度超快的特点；固态电光材料层23的制作也相对简单，可以采用涂覆方式或者溅射沉积的方式形成，具有制作成本低、良率高的优点。总之，采用本实施例的可调控透镜结构20，具有厚度薄、响应速度快、制作工艺简单且良率高的优点。

图5a和图5b是本发明第二实施例的可调控透镜结构分别在未施加电压和施加电压的情况下的部分剖面结构示意图。如图5a、图5b所示，本实施例的可调控透镜结构30与第一实施例中可调控透镜结构20基本相同，其包括近似平行设置的第一基板31和第二基板32、设置于第一基板31与第二基板32之间的固态电光材料层33、第一透明电极层34、以及第二透明电极层35，固态电光材料层33具有相对的入射面331及出射面330，第一透明电极层34整层地设置在出射面330与第一基板31之间，第二透明电极层35图案化地设置在入射面331与第二基板32之间。本实施例与第一实施例的不同点主要在于，本实施例中，在图案化的第二透明电极层35之间设置有第三透明电极层36。第三透明电极层36为图案化电极层，例如为梳状电极，第二透明电极层35与第三透明电极层36相互交替排列。优选地，第三透明电极层36与第二透明电极层35由同一制程形成，其均可以采用ITO、IZO等透明导电材料。优选地，第三透明电极层36与第一透明电极层34之间的电场方向和第二透明电极层35与第一透明电极层34之间的电场方向相反。例如，在第一透明电极层34和第二透明电极层35之间，电场方向沿着由第二透明电极层35到第一透明电极层34的方向，同时，在第三透明电极层36与第一透明电极层34之间，电场方向沿着由第一透明电极层34到第三透明电极层36。根据如图3所示的其采用的电光材料的折射率与施加电场强度的关系曲线图可知，第三透明电极层36与第一透明电极层34之间的电场方向和第二透明电极层35与第一透明电极层34之间的电场方向相反可以利用波克尔斯效应（Pockels effect）的关系曲线图中的负向电场的区域，使得电光材料具有更大的折射率变化范围，同时降低驱动的功耗。

第二实施例的其他结构与第一实施例相同，所采用的电光材料也与第一实施例相同，因此均不再赘述，采用第二实施例的可调控透镜结构，其同样具有厚度薄、响应速度快、制作工艺简单且良率高的优点。

本发明并不限于以上具体实施例，例如，本发明的第一透明电极层24、34和第二透明电极层25、35均可以采用图案化的电极，只要使得能产生与本发明实施例中类似的电场即可；另外，若采用不同的电光材料，因不同的电光材料具有不同的电光特性，因此本实施例中的电场方向及电场强度可以根据所采用的不同的电光材料而有所变化，并不仅限于以上实施例。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种可调控透镜结构，其特征在于，包括：

固态电光材料层，该固态电光材料层具有相对设置的第一表面和第二表面，该第一表面与该第二表面相互平行；

第一透明电极层，位于该固态电光材料层的靠近该第一表面的一侧，该第一透明电极层为连续电极层；

第二透明电极层，位于该固态电光材料层的靠近该第二表面的一侧，该第二透明电极层为图案化电极层；以及

第三透明电极层，位于该固态电光材料层的靠近该第二表面的一侧，该第三透明电极层为图案化电极层，该第二透明电极层与该第三透明电极层相互交替排列，且该第一透明电极层与该第二透明电极层之间产生的电场方向与该第一透明电极层与该第三透明电极层之间产生的电场方向相反，

该固态电光材料层的折射率随施加在该第一透明电极层与该第二透明电极层以及该第一透明电极层与该第三透明电极层之间的电压而产生的渐变电场的电场强度呈线性变化。

2.根据权利要求1所述的可调控透镜结构，其特征在于：该第二透明电极层包括至少两个平行设置的条状导电部，该第三透明导电层包括至少一个条状导电部，该第三透明导电层的条状导电部平行设置在该第二透明电极层的两个条状导电部之间。

3.根据权利要求1所述的可调控透镜结构，其特征在于：该第二透明电极层与该第三透明电极层由同一制程形成。

4.根据权利要求1所述的可调控透镜结构，其特征在于：该固态电光材料层的材料包括具有波克尔斯效应的透明电光无机盐类、透明电光高分子材料或透明反应胶体材料。

5.根据权利要求1所述的可调控透镜结构，其特征在于：该固态电光材料层的材料包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、磷酸二氢铵或β-硼酸钡。

6.一种2D/3D可切换显示装置，包括：用于显示图像的显示面板，其特征在于：

该2D/3D可切换显示装置进一步包括如权利要求1至5中任一项所述的可调控透镜结构，该可调控透镜结构位于该显示面板的观察侧；

当该可调控透镜结构未被施加电压时，该2D/3D可切换显示装置工作于2D显示模式，当该可调控透镜结构因被施加电压以产生渐变电场而形成渐变折射率透镜时，该2D/3D可切换显示装置工作于3D显示模式。

7.如权利要求6所述的2D/3D可切换显示装置，其特征在于：该可调控透镜结构的该第一透明电极层或该第二透明电极层直接形成在该显示面板的位于观察侧的基底上。