CN103616787B - 液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置，第一介电层包括奇数个在X方向依次设置且沿Y方向延展并平行的条形介电块，所述条形介电块的宽度相同并依次标记为d11，d12，d13，…，d18，d1n，所述条形介电块的导电系数沿d1（（n+1）/2）对称分布，d1（（n+1）/2）的导电系数最小，d11和d1n的导电系数最大且相等，即透镜单元的导电系数由透镜的边缘到中心逐渐降低。在每个透镜单元内形成左右对称分布的电场，并且从透镜边缘到透镜中心电场呈现渐变趋势，引起液晶层整体折射率的渐变，实现类似凸透镜聚光的效果，可以广泛应用于裸眼3D立体显示，同时在2D与3D之间自由切换。

Description

液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置

技术领域

本发明涉及一种液晶透镜，尤其涉及的是一种液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置。

背景技术

采用液晶透镜来实现自由立体显示的立体显示装置，主要是利用在液晶层两侧的两片基板上分别设置正负电极，并在不同电极上施加大小不同的驱动电压，从而在两片基板间形成具有不同强度的垂直电场，以驱动液晶分子排列而形成可变焦液晶透镜。因此，只需要控制相应电极上的电压分布，液晶透镜的折射率分布就会相应的改变，从而对像素出射光的分布进行控制，实现自由立体显示和2D/3D自由切换。

如图1所示，100为一种常见的液晶透镜阵列结构示意图，它含有多个液晶透镜单元如L1与L2等（图中只画出了两个透镜单元），每个透镜单元如L1与L2等具有相同的结构。具体的讲，液晶透镜阵列100包含第一基板101与第二基板102，第一基板101与第二基板102正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板101上设置有第一电极103，第一电极103一般为透明导电材料如ITO或者IZO等，在第二基板102上设置有第二电极107，第二电极107也为透明导电材料如ITO或者IZO。在每一个透镜单元之内，以L1为例，第一电极103包含S11，S12，S13，…，S18，S19等多个以一定间隔分开并平行设置的条形电极，电极的数量一般为奇数（以下以九电极为例进行说明），每个条形电极的宽度分别为W（S11），W（S12），W（S13），...，W（S18），W（S19）等，一般而言条形电极具备相同的宽度，即W（S11）=W（S12）=W（S13）=...=W（S18）=W（S19）。在两个液晶透镜单元如L1与L2之间，共用同一个条形电极S19（S21）。除此之外，液晶透镜阵列100还包括设置在第一电极103上的介电材料104，设置在介电材料104上的第一配向膜105以及设置在第二电极107上的第二配向膜108用于控制液晶分子的取向，液晶材料106被封装在第一基板101与第二基板102之间。虽然图1中未画出，但液晶透镜阵列100还包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子（隔离物）等。

如图2所示，当需要进行3D显示时，在第一电极103的各个条形电极如S11，S12，S13，…，S18，S19（以透镜单元L1为例）等上施加左右对称的电压，第二电极107作为公用电极其电压设置为零，以正性液晶材料（即△ε=ε∥-ε⊥>0，式中ε∥为液晶分子长轴方向的介电系数，ε⊥为液晶分子短轴方向的介电系数。）为例，可以使V（S11）=V（S19）>V（S12）=V（S18）>V（S13）=V（S17）>V（S14）=V（S16）>V（S15），即在液晶透镜单元的中心电极S15上施加的电压最小，而在透镜单元的边缘电极S11，S19上施加的电压最大，从透镜中心到透镜边缘各个条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。由于在透镜单元边缘电极上施加的电压最大，边缘电极S11，S19位置的液晶分子基本上呈现垂直方向分布，即液晶分子长轴与电场方向平行；而越靠近透镜单元的中心电压越小，因此液晶分子会逐渐倾向于水平方向排列，即液晶分子长轴与电场方向垂直。在每一个透镜单元内，由于电压对称分布，液晶材料随着电场强度的变化呈现折射率的渐变，因而整个液晶透镜整列具备较好的光学成像特性。2D显示时，在第一电极103如S11，S12，S13，…，S18，S19（以透镜单元L1为例）等以及第二电极107上施加电压均设置为零或者两者之间无压差，则液晶分子106不受电场的影响，仍保持液晶分子的初始取向（如图1所示），此时液晶透镜单元不对入射光方向进行调制。

在3D显示时，需要在各个条形电极上施加对称的电压，如V（S11）=V（S19）>V（S12）=V（S18）>V（S13）=V（S17）>V（S14）=V（S16）>V（S15），随着每个液晶透镜单元设计时电极数量的增多，需要提供的不同驱动电压数量也随之增加，导致驱动电路及液晶透镜阵列周边电路设计变得复杂。以每个透镜单元为例，假设在每个透镜单元内有N个条形电极，当提供左右对称的驱动电压时，至少需要提供（N+1）/2个不同的驱动电压。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置，可以简化液晶透镜周边电路及驱动电路的设计。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括多个液晶透镜单元，每个透镜单元包括第一基板、第一电极、第一介电层、第一配向膜、第二基板、第二电极、第二配向膜和液晶材料，所述第一电极设置于第一基板上，第二电极设置于第二基板上，第一介电层设置于第一电极上，第一配向膜设置于第一介电层上，第二配向膜设置于第二电极上，液晶材料封装在第一配向膜和第二配向膜之间，多个透镜单元在x方向上重复周期性重复构成液晶透镜阵列，所述第一介电层包括奇数个在X方向依次设置且沿Y方向延展并平行的条形介电块，所述条形介电块的宽度相同并依次标记为d11，d12，d13，…，d18，d1n，所述条形介电块的导电系数沿d1（（n+1）/2）对称分布，d1（（n+1）/2）的导电系数最小，d11和d1n的导电系数最大且相等，即透镜单元的导电系数由透镜的边缘到中心逐渐降低。

所述第一电极和第二电极为没有特殊图案的面电极，均为透明导电材料。

所述3D显示模式下，第二电极为公用电极设置为0V，第一电极的驱动电压为幅值为V的频率固定且正负极性交替变换的方波（+V，-V，+V，-V，……）。

所述第一介电层和第一配向膜之间设有透明绝缘层。

所述液晶透镜阵列还包括液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子。

一种应用所述液晶透镜的立体显示装置。

一种所述的液晶透镜的制备方法，包括以下步骤：

（1）在第一基板上溅射形成第一电极；

（2）制备具有最大介电系数的第一介电层；

（3）涂覆光阻或光刻胶；

（4）进行曝光、显影、蚀刻；

（5）去除光阻或剥离光刻胶，保留两端的条形介电块即得到具有最大介电系数的条形介电块；

（6）依次重复步骤（2）～（5），得到介电系数由边缘向中心逐渐减小的第二介电层。

所述步骤（2）中制备第一介电层的方法为等离子增强化学气相沉积法PECVD或旋涂。

作为本发明的优选方式之一，所述光刻胶为正性光刻胶。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤（4）中采用光罩作为模板进行曝光。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的液晶透镜无需特殊图案形成第一电极或者第二电极，整个液晶透镜中的第一电极与第二电极均采用面电极形成，通过在液晶透镜阵列的每个液晶透镜单元内形成多个具有不同介电系数并且左右对称分布的介电层，从而在每个透镜单元内形成左右对称分布的电场，并且从透镜边缘到透镜中心电场呈现渐变趋势，引起液晶层整体折射率的渐变，实现类似凸透镜聚光的效果，可以广泛应用于裸眼3D立体显示，同时在2D与3D之间自由切换。2D显示时，液晶透镜立体显示装置的主要光学参数如亮度、对比度及分辨率等基本不受影响，3D显示时液晶透镜立体显示装置与液晶狭缝光栅立体显示装置相比仍具备高亮度的优点。

附图说明

图1是现有常见的液晶透镜的结构示意图；

图2是图1在3D显示状况下的液晶分子排布示意图；

图3是实施例1的剖视图；

图4是图3中10134的俯视图；

图5是液晶透镜单元内介电系数的分布示意图；

图6是实施例1的各个电容串联模型；

图7是液晶透镜单元内电场梯度分布示意图；

图8是具有不同介电系数的条形介电块的液晶分子取向仿真示意图；

图9是液晶透镜单元内折射率分布示意图；

图10是本发明制备方法的流程图；

图11是实施例2的结构示意图；

图12是液晶透镜立体显示装置在3D显示模式下的示意图；

图13是液晶透镜立体显示装置在2D显示模式下的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图3所示，本实施例的液晶透镜阵列1000含有多个液晶透镜单元（图中只画出了两个透镜单元L1与L2），每个透镜单元如L1与L2等具有相同的结构。液晶透镜阵列1000包含第一基板1001与第二基板1002，第一基板1001与第二基板1002正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板1001上设置有第一电极1003，第一电极1003为面电极，无特殊图案，一般为透明导电材料如ITO或者IZO等。在第一电极1003之上设置有第一介电层1004，在第一介电层1004之上设置有第一配向膜1005，第一配向膜1005一般为聚酰亚胺等有机材料。第二电极1006设置在第二基板1002之上且面向第一电极1003的一侧，第二电极1006作为公用电极也为面电极，无特殊图案，一般为透明导电材料如ITO或者IZO等。第二配向膜1007设置在第二电极1006之上，第二配向膜1007一般为聚酰亚胺等有机材料。液晶材料1008被封装在第一基板1001与第二基板1002之间，液晶分子的初始取向由液晶材料本身特性及第一配向膜1005与第二配向膜1007摩擦方向决定。除此之外，液晶透镜阵列1000还包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子（隔离物）等。为便描述，以下将第一基板1001、第一电极1003以及第一介电层1004作为一个整体以10134表示。

图4是液晶透镜第一实施中10134俯视图。第一介电层1004设置在第一电极1003之上。在每一个透镜单元之内，以L1为例，第一介电层1004包含由d11，d12，d13，…，d18，d19等奇数个在X方向依次无间隙的且沿Y方向延展并平行设置的条形介电块，条形介电块的数量一般为奇数，以下以九个条形介电块为例进行说明，每个条形介电块在X方向的宽度分别为W（d11），W（d12），W（d13），...，W（d18），W（d19）等，每个条形介电块在X方向的宽度可以相等或不等，一般具备相同的宽度，即W（d11）=W（d12）=W（d13）=…=W（d18）=W（d19）。在两个液晶透镜单元如L1与L2之间，共用同一个条形介电块d19（d21）。

如图5所示，在同一个液晶透镜单元之内，以L1为例，各个条形介电块d11，d12，d13，…，d18，d19等具有关于液晶透镜中心左右对称的介电系数，如条形介电块d11与d19具备相同的介电系数ε1，条形介电块d12与d18具备相同的介电系数ε2，条形介电块d13与d17具备相同的介电系数ε3，条形介电块d14与d16具备相同的介电系数ε4，条形介电块d15的介电系数为ε5。

3D显示模式下，第二电极1006作为公用电极电压设置为0V，第一电极1003的驱动电压采用频率固定、正负极性交替变换且幅值为V的方波（+V，-V，+V，-V，……）。设第一配向膜1005与第二配向膜1007的厚度均为T，介电系数为ε_OL。第一介电层1004的厚度为He，介电系数为ε。液晶透镜盒厚为d1，液晶材料1008等效介电系数为ε_LC。在交流驱动下，由第一介电层1004，第一配向膜1005，液晶层1008及第二配向膜1007各自形成的电容串联，如图6所示，各个平行板电容可表示为：

第一配向膜1005形成的电容C₁₀₀₅=ε₀ε_OLS/T……（1）；

第二配向膜1007形成的电容C₁₀₀₇=ε₀ε_OLS/T，即C₁₀₀₅=C₁₀₀₇……（2）；

第一介电层1004形成的电容C_e=ε₀εS/He……（3）；

液晶层1008形成的电容C_LC=ε₀ε_LCS/d1……（4）；

公式（1）～（4）中，S表示第一电极1003与第二电极1006正对的面积，由于第一配向膜1005与第二配向膜1007的厚度T约为液晶层1008厚度d1的百分之一，即T=1/100*d1，在第一、第二配向膜介电系数ε_OL与液晶层等效介电系数ε_LC相当（即ε_OL≈ε_LC）的情况下，C_LC=ε₀ε_LCS/d1=ε₀ε_OLS/（100T）=ε₀ε_OLS/T*（1/100）=C₁₀₀₅/100，即由第一或第二配向膜形成电容C₁₀₀₅，C₁₀₀₇约为液晶电容C_LC的一百倍（C₁₀₀₅=C₁₀₀₇=100C_LC）。设第一配向膜1005形成的电容两侧电压差为V₁₀₀₅，第二配向膜1007形成的电容两侧电压差为V₁₀₀₇，液晶层1008两侧的压差为V_LC，介电层1004两侧压差为V_e，根据各个串联电容等电量Q的原理及Q=CV可知，

V=V₁₀₀₅+V₁₀₀₇+V_LC+V_e=Q/C₁₀₀₅+Q/C₁₀₀₇+Q/C_LC+Q/C_e≈Q/C_LC+Q/C_e=V_LC+V_e……（5）

即在交流驱动下，第一电极1003与第二电极1006上施加的电压几乎全部由液晶层1008形成的电容C_LC以及第一介电层1004形成的电容C_e分担。

V_LC/V_e=（Q/C_LC）/（Q/C_e）=（d1/He）*（ε/ε_LC）……（6）

即分配在液晶层1008两侧的电压差V_LC与分配在第一介电层1004两侧的压差V_e与比值d1/He和ε/ε_LC直接相关。

如图7所示，在每个透镜单元内，设条形介电块d11与d19的介电系数ε1最大，条形介电块d12与d18的介电系数ε2次之，……，条形介电块d15的介电系数ε5最小，即ε1>ε2>ε3>ε4>ε5。Ve=Q/Ce=QH_e/（ε₀εS）可知，透镜单元边缘如条形介电块d11与d19处，由于介电系数ε=ε1最大，因而介电层1004两侧具有最小的电压差Ve，由于V=V_LC+V_e，故V_LC最大；与之相反，在透镜单元中心位置如条形介电块d15处，由于介电系数ε=ε5最小，因而介电层1004两侧具有最大的电压差Ve，由于V=V_LC+V_e，故V_LC最小；在透镜单元的其他区域，随着介电系数ε的逐渐变化，液晶层两侧的压差依次渐变，从液晶透镜单元的边缘到中心电压逐渐降低，如图七所示，图中以垂直方向双箭头的长度形象的表示液晶层两侧压差的大小。

如图8所示，当施加在第一电极1003与第二电极1006上的电压大小恒定时，对于具有不同介电系数ε的条形介电块如d11，d12，…，d18，d19等，在液晶透镜单元内不同位置上的液晶层1008两侧具有不同的电压，液晶分子呈现不同的取向。

由于在每个液晶透镜单元内电压分布呈现从透镜边缘到透镜中心逐渐变小的趋势，电场作用下液晶分子按照不同的角度进行取向排列，如图9所示，反映了每个透镜单元内折射率分布情况，由于在透镜单元边缘液晶层两侧有最大的压差，正性液晶材料分子长轴倾向于与电场方向平行，即平行于Y轴，折射率为no。在透镜单元中心液晶层两侧有最小的压差，液晶材料分子长轴仍处于初始取向位置，即平行于X轴，折射率为ne。在透镜单元其他位置，有效折射率neff可以表示为其中θ为液晶分子长轴与Z方向的夹角，在任意一个状态，ne>neff>no。

如图10所示，以透镜单元L1和L2为例，说明第一介电层1004各个条形介电块如d11，d12，d13，…，d18，d19等的形成过程。图中光罩为1010，光阻或光刻胶为1009，首先在第一基板1001之上通过溅射形成第一电极1003（图10中II），然后依次PECVD形成具有介电系数ε1第一介电层1004（图10中III）、涂覆光阻或光刻胶，本实施例采用了正性光刻胶（图10中IV）、使用光罩为模板进行曝光（图10中V）、显影（图10中VI）、蚀刻（图10中VII）、去光阻或剥离光刻胶即可以得到具有介电系数ε1的条形介电块如d11，d19/d21，d29等（图10中A）、重复III～A各个工艺，可以依次得到具有介电系数ε2的条形介电块如d12，d18，d22，d28（图10中B）；具有介电系数ε3的条形介电块如d13，d17，d23，d27等（图10中C）；具有介电系数ε4的条形介电块如d14，d16，d24，d26等（图10中D）；具有介电系数ε5的条形介电块如d15，d25等（图10中E）。

实施例2

如图11所示，本实施例在第一介电层2004之上设置了一个透明绝缘层2011，其他实施方式和实施例1相同，优选的透明绝缘层2011应具有高介电系数以减少在其两侧的压降（由公式（5）可知，对于电容串联，电容越大分得电压越小），从而不增加驱动电压的大小。由于液晶透镜单元内各个区域需要准确的控制施加在液晶层2008两侧的电压V_LC，根据V=V_LC+V_e，即需要准确控制介电层2004上V_e的大小，由于V_e=Q/C_e=QHe/ε₀εS，当V_e大小确定时，可以通过调节介电层2004的各个条形介电块介电系数ε和条形介电块厚度He两个参数调节（也可由公式（6）得知），根据所选用材料的介电系数差异，各个条形介电块厚度He就可以不同。因此，透明绝缘层2011主要起到平坦化介电层2004上表面（即朝向第二基板2002的一面）的作用，便于第一配向膜2005表面平坦以提供给液晶分子2008较好的初始取向。

如图12和图13所示，图12和图13是液晶透镜立体显示装置在3D与2D显示模式下的示意图。2D显示模式下，液晶透镜不对原有影像进行调制，整个液晶透镜立体显示装置的亮度、分辨率等主要特性参数基本不受影响；在3D显示模式下，由于每个液晶透镜单元内液晶层两侧的实际驱动电压呈左右对称分布，每个液晶透镜单元都起到类似一个凸透镜的功能，实现左右眼影像分离，从而观看到立体效果。

Claims (9)

1.一种液晶透镜，包括多个液晶透镜单元，每个透镜单元包括第一基板、第一电极、第一介电层、第一配向膜、第二基板、第二电极、第二配向膜和液晶材料，所述第一电极设置于第一基板上，第二电极设置于第二基板上，第一介电层设置于第一电极上，第一配向膜设置于第一介电层上，第二配向膜设置于第二电极上，液晶材料封装在第一配向膜和第二配向膜之间，多个透镜单元在x方向上重复周期性重复构成液晶透镜阵列，其特征在于，所述第一介电层包括奇数个在X方向依次设置且沿Y方向延展并平行的条形介电块，所述条形介电块的宽度相同并依次标记为d11，d12，d13，…，d18，d1n，所述条形介电块的导电系数沿d1((n+1)/2)对称分布，d1((n+1)/2)的导电系数最小，d11和d1n的导电系数最大且相等，即透镜单元的导电系数由透镜的边缘到中心逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一电极和第二电极为没有特殊图案的面电极，均为透明导电材料。

3.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一介电层和第一配向膜之间设有透明绝缘层。

4.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述液晶透镜阵列还包括液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子。

5.一种应用权利要求1～4任一项所述液晶透镜的立体显示装置。

6.一种如权利要求1所述的液晶透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在第一基板上溅射形成第一电极；

(2)制备具有最大介电系数的第一介电层；

(3)涂覆光阻或光刻胶；

(4)进行曝光、显影、蚀刻；

(5)去除光阻或剥离光刻胶，保留两端的条形介电块即得到具有最大介电系数的条形介电块；

(6)依次重复步骤(2)～(5)，得到介电系数由边缘向中心逐渐减小的第二介电层。

7.根据权利要求6所述的一种液晶透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中制备第一介电层的方法为等离子增强化学气相沉积法PECVD或旋涂。

8.根据权利要求6所述的一种液晶透镜的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为正性光刻胶。

9.根据权利要求6所述的一种液晶透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用光罩作为模板进行曝光。