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CN111308805B - 菲涅尔液晶透镜结构及显示装置 - Google Patents

菲涅尔液晶透镜结构及显示装置 Download PDF

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CN111308805B CN202010249520.1A CN202010249520A CN111308805B CN 111308805 B CN111308805 B CN 111308805B CN 202010249520 A CN202010249520 A CN 202010249520A CN 111308805 B CN111308805 B CN 111308805B
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Abstract

本发明涉及一种菲涅尔液晶透镜结构，包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的第一电极、第二电极以及液晶层，第一电极为板状电极，第二电极为多个同心圆环电极；多个同心圆环电极沿第一方向划分为多个电极组、以将形成的菲涅尔液晶透镜划分为多个透镜区域；每个电极组沿第一方向划分为周期性排布的多个子电极组、以将每个透镜区域划分为周期性排布的多个子透镜区域；每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，且位于不同电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同。本发明还涉及一种显示装置。

Description

菲涅尔液晶透镜结构及显示装置
技术领域
本发明涉及液晶产品制作技术领域，尤其涉及一种菲涅尔液晶透镜结构及显示装置。
背景技术
菲涅尔透镜，又称螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，且相邻同心圆之间的宽度是从中心到边缘逐渐减小的，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。目前人们利用菲涅尔液晶透镜仿真理想菲涅尔透镜的相位延迟曲线。菲涅尔液晶透镜，一般包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层、第一电极和第二电极，其中第一电极或第二电极为多个同心圆环电极，将液晶层划分为若干个区域，对于一个区域而言，在对应于该区域的不同位置的同心圆环电极上施加不同的电压，从而使得该区域的液晶偏转不同角度而形成菲涅尔液晶透镜的一个透镜区域，每个透镜区域包括与对应于该区域的同心圆环电极一一对应的台阶结构，台阶的数量越低，拟合理想菲涅尔透镜形貌的效率越低，可利用的光效越低，按照菲涅尔液晶透镜的透镜区域、将同心圆环电极划分为多个电极组，那么由中心到边缘，电极组的宽度是逐渐减小的，而由于电极的线宽是有限制的，不能无限小，所以菲涅尔液晶透镜的每个透镜区域的台阶数量是受限的，即光效利用率不高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种菲涅尔液晶透镜结构及显示装置，解决菲涅尔液晶透镜光效低的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种菲涅尔液晶透镜结构，包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的第一电极、第二电极以及液晶层，
所述第一电极为板状电极，所述第二电极为多个同心圆环电极，对所述第一电极和所述第二电极施加预设电压使得液晶偏转形成菲涅尔液晶透镜；
所述多个同心圆环电极沿第一方向划分为多个电极组、以将形成的菲涅尔液晶透镜划分为多个透镜区域；
每个所述电极组沿所述第一方向划分为周期性排布的多个子电极组、以将每个所述透镜区域划分为周期性排布的多个子透镜区域；
每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，且位于不同所述电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同；
其中，所述第一方向为从所述多个同心圆环电极的中心到边缘的方向。
可选的，多个所述电极组在所述第一方向上的宽度沿着所述第一方向逐渐增大。
可选的，不同所述电极组内的每个子电极组内的电极数量沿着所述第一方向逐渐减少。
可选的，所述多个电极组中包括第一电极组，所述第一电极组中的子电极组为第一子电极组，与所述第一电极组相邻、且远离所述多个同心圆环电极中心的电极组为第二电极组，所述第二电极组中的子电极组为第二子电极组；
还包括与所述多个同心圆环电极连接以提供电压的多个引线，其中，与所述第一子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第一引线，与所述第二子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第二引线，多个所述第二引线与多个所述第一引线中预设位置的第一引线连接以共用同一电压。
可选的，，沿着所述第一方向所述的一子电极组中的电极的编号为a1、a2…an，沿着所述第一方向所述第二子电极组中的电极的编号为b1、b2…bk，所述第一子电极组中电极的数量是所述第二子电极组中的电极数量的m倍，所述第一引线的数量是所述第二引线的数量的m倍，其中，第k根所述第二引线和第k*m根所述第一引线连接以共用同一电压，其中，第k根所述第二引线与编号为bk的第二子电极组中的电极对应连接，第k*m根所述第一引线与编号为ak*m的第一子电极组中的电极对应连接。
可选的，每根所述引线靠近所述多个同心圆环电极中心的一端连接至对应的子电极组内的电极。
可选的，位于所述多个同心圆环电极中心的电极组内的子电极组中的电极数量为能够满足预设开口率的最大的电极数量。
可选的，位于所述多个同心圆环电极边缘的电极组内的子电极组中的电极数量大于或等于能够形成菲涅尔液晶透镜形貌的最小的电极数量。
可选的，同一电极组内的子电极组中的电极数量相同。
可选的，同一子电极组中的电极宽度相同，同一电极组中不同的子电极组中的电极的宽度沿所述第一方向逐渐减少。
本发明实施例还提供一种显示装置，包括上述的菲涅尔液晶透镜结构。
本发明实施例还提供一种菲涅尔液晶透镜驱动方法，菲涅尔液晶透镜结构包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的第一电极、第二电极以及液晶层，所述第一电极为板状电极，所述第二电极为多个同心圆环电极，对所述第一电极和所述第二电极施加预设电压使得液晶偏转形成菲涅尔液晶透镜；所述多个同心圆环电极沿第一方向划分为多个电极组、以将形成的菲涅尔液晶透镜划分为多个透镜区域；每个所述电极组沿所述第一方向划分为周期性排布的多个子电极组、以将每个所述透镜区域划分为周期性排布的多个子透镜区域；每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，且位于不同所述电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同；其中，所述第一方向为从所述多个同心圆环电极的中心到边缘的方向；
所述驱动方法包括：为每个子电极组中的多个电极提供不同的电压、使得液晶偏转不同角度以形成具有台阶形貌的子透镜区域。
可选的，所述多个电极组中包括第一电极组，所述第一电极组中的子电极组为第一子电极组，与所述第一电极组相邻、且远离所述多个同心圆环电极中心的电极组为第二电极组，所述第二电极组中的子电极组为第二子电极组；
还包括与所述多个同心圆环电极连接以提供电压的多个引线，其中，与所述第一子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第一引线，与所述第二子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第二引线，多个所述第二引线与多个所述第一引线中预设位置的第一引线连接以共用同一电压；
所述驱动方法还包括通过所述第一引线为第一子电极组中的多个电极提供多个不同的电压，并通过所述第二引线为第二子电极组中的多个电极提供与多个所述第一引线中预设位置的第一引线上的电压相同的电压。
可选的，沿着所述第一方向所述的一子电极组中的电极的编号为a1、a2…an，沿着所述第一方向所述第二子电极组中的电极的编号为b1、b2…bk，所述第一子电极组中电极的数量是所述第二子电极组中的电极数量的m倍，所述第一引线的数量是所述第二引线的数量的m倍，其中，第k根所述第二引线和第k*m根所述第一引线连接以共用同一电压，其中，第k根所述第二引线与编号为bk的第二子电极组中的电极对应连接，第k*m根所述第一引线与编号为ak*m的第一子电极组中的电极对应连接；
通过所述第二引线为第二子电极组中的多个电极提供与多个所述第一引线中预设位置的第一引线上的电压相同的电压，具体包括：
通过第k根所述第二引线向编号为bk的第二子电极组中的电极提供与第k*m根所述第一引线上电压相同的电压。
本发明的有益效果是：通过分组设置电极，从而将菲涅尔液晶透镜分区，以提升菲涅尔液晶透镜中台阶形貌的台阶数量，以提升光效。
附图说明
图1表示菲涅尔透镜结构示意图；
图2表示六台阶形貌的菲涅尔液晶透镜部分形貌；
图3表示六台阶形貌的菲涅尔液晶透镜光学模拟结果一；
图4表示六台阶形貌的菲涅尔液晶透镜光学模拟结果二；
图5表示六台阶形貌的菲涅尔液晶透镜光学模拟结果三；
图6表示本发明实施例中菲涅尔液晶透镜部分形貌；
图7表示本发明实施例中菲涅尔液晶透镜结构示意图；
图8表示本发明实施例中第二电极分布示意图；
图9表示本发明实施例中三个电极组的分布示意图；
图10表示本发明实施例中电极与引线连接示意图；
图11表示本发明实施例中菲涅尔液晶透镜形貌示意图；
图12表示本发明实施例中三个电极组共用电压形成的台阶形貌示意图；
图13表示相关技术中引线分布示意图；
图14表示本发明实施例中引线分布示意图；
图15表示本发明实施例中菲涅尔液晶透镜光学模拟结果一；
图16表示本发明实施例中菲涅尔液晶透镜光学模拟结果二；
图17表示本发明实施例中菲涅尔液晶透镜光学模拟结果三。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
形成菲涅尔液晶透镜的电极是由一系列同心圆环周期性排布组成，其中每一个周期为一个锯齿结构，如图1中每个虚线框中的一个锯齿结构为一个周期，周期宽度是根据夫琅禾费衍射理论推导出的计算公式计算得出：
Figure BDA0002434974100000051
(每环周期宽度由所设计的目标焦距、波长所决定)。其中，rj为当前周期远离中心的边界到中心的距离，rj-1为当前周期靠近中心的边界到中心的距离，j表示从中心到边缘排布的第j个周期，f表示焦距。得出的对应于每个周期的同心圆环电极组的宽度是从中心到边缘宽度逐渐减小。
通过施加不同的电压控制不同位置处的液晶偏转，形成呈周期性变化的菲涅尔液晶透镜，每个周期内对应施加不同电压的6个电极，形成六台阶等效菲涅尔透镜，如图1和图2所示，图1是菲涅尔液晶透镜的理想形貌，图2是通过6个不同电压形成的菲涅尔液晶透镜部分实际仿真形貌，一个6个电极施加的电压的示例为：0V、1.77V、1.89V、2.16V、2.28V、2.72V，由台阶的最高处到台阶的最低处递增，控制不同位置处的液晶偏转，从而实现不同位置处的折射率逐渐减少，实现等效六台阶菲涅尔透镜结构。
设计为六台阶原因：电极为多个同心圆环电极，依菲涅尔周期线宽设计方法，对应于菲涅尔透镜的周期的电极组的宽度从中心到边缘逐渐变小，因此，目前工艺线宽限制(电极线宽最小3.92微米)，如果我们要实现焦距350mm，口径16.7mm的透镜性能参数需求，只可以做到六台阶设计。
但是经过制作测试结果得出，观看时出现重影现象，重影原因是光线除了一部分会聚到设计主焦点外，还会出现杂散光导致重影现象，如图1所以，由于菲涅尔透镜中心区域的周期较宽，所以6个电极形成的菲涅尔透镜形貌台阶较宽，当入射到较大的电极宽度时，光线将不受调制出射，造成杂散光。光学模拟结果如图3-图5所示，其中，图3表示出了光线追迹，图4表示出了成像质量，其中，实线表示在不同视角位置上的子午向调制传递函数曲线，虚线表示在不同视角位置上的弧矢向的调制传递函数曲线。图5表示出了点列图：
1.中心区域光线平行出射(如图3所示)，聚焦光斑较大，光斑尺寸为4mm，模糊光斑产生重影模糊现象。
2.像质较差：MTF≈0.1/0.1lp/mm，不能满足成像需求(其中MTF为调制传递函数，横轴表示空间频率，纵轴表示对比度值的曲线为MTF曲线，如图4所示)；
3.点列图：光斑尺寸较大4mm，其中，RMS半径(均方根半径)为5490.79um，GEO半径(几何半径)为8500.00um，如图5所示。
测试得出可利用光效仅有60％左右；光效损失是由于：1.由于六阶台阶拟合弧形形貌效率仅有80％左右，2.六电极等效拟合理想折射率曲率仅有80％左右，因此导致可利用光效仅有60％左右。
针对上述技术问题，本实施例提供一种菲涅尔液晶透镜结构，参考图7-图11，包括相对设置的第一基板1和第二基板2，以及设置于位于第一基板1和第二基板2之间的第一电极11和第二电极21以及液晶层4，
所述第一电极11为板状电极，所述第二电极21为多个同心圆环电极，对所述第一电极11和所述第二电极21施加预设电压使得液晶偏转形成菲涅尔液晶透镜；
所述多个同心圆环电极沿第一方向(参考图8中的X方向)划分为多个电极组、以将形成的菲涅尔液晶透镜划分为多个透镜区域；
每个所述电极组沿所述第一方向划分为周期性排布的多个子电极组、以将每个所述透镜区域划分为周期性排布的多个子透镜区域；
每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，且位于不同所述电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同；
其中，所述第一方向为从所述多个同心圆环电极的中心到边缘的方向。
理论上，电极越细、电极数目越多，更可以精细控制液晶的偏转，可以等效拟合出与理想透镜形貌更加精确的液晶透镜，这样会更大程度的消除杂散光。
因为依菲涅尔设计理论，菲涅尔透镜的周期是由中心到边缘的宽度是逐渐减小的，即对应于不同周期的电极组的宽度由中心到边缘逐渐减小，则中心区域需要更多的电极数目来拟合出较佳的菲涅尔液晶透镜的形貌，为了提升每个周期内的台阶数(提升有效光效)，本实施例中，将多个同心圆环电极分组，即沿所述第一方向(多个同心圆环电极的中心到边缘的方向)划分为多个电极组，即将形成的菲涅尔液晶透镜划分为与多个电极组一一对应的多个透镜区域，每个电极组划分多个周期性排布的子电极组，每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，每个透镜区域内包括周期性排布的多个子透镜区域，且位于不同所述电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同，相对于传统结构，相当于将菲涅尔液晶透镜的每个周期扩大，再将每个周期进行细化，再次划分为多个子周期，而靠近中心的每个子周期中的台阶数量得以增加，提升拟合弧形形貌的效率，拟合出较佳的菲涅尔透镜的形貌，从而提升光效，图3中表示出了本实施例中拟合的菲涅尔液晶透镜的部分形貌，与图2中的菲涅尔液晶透镜的部分形貌对比，本实施例中拟合的菲涅尔液晶透镜形貌效率高。
本实施例中，多个所述电极组在所述第一方向上的宽度沿着所述第一方向逐渐增大。
图8表示出了多个同心圆环电极的分布示意图，图8中相邻两个实线圆圈之间的部分表示电极，图9表示出了本实施例的一个实施方式中的分组示意图，图9中将多个同心圆环电极划分为三个电极组，位于中心的电极组的半径为L1，从中心到边缘依次排布的其余两个电极组的宽度分别为L2-L1、L3-L2，其中L1<L2-L1<L3-L2，但，并不以此为限。
需要说明的是，一个电极组对应形成菲涅尔液晶透镜的一个透镜区域，依照菲涅尔透镜理论，由中心到边缘周期宽度逐渐减小，不同电极组中的子透镜组对应的菲涅尔液晶透镜的不同的透镜区域的子透镜区域、沿着所述第一方向的宽度逐渐减小，在一些实施例中，不同的电极组中包含的子电极组的数量沿着所述第一方向依次增加，即不同透镜区域中包含的子透镜区域的数量沿着所述第一方向依次增加，而同一个透镜区域中的多个子透镜区域所包含的台阶数量是相同的，则多个所述电极组在所述第一方向上的宽度则根据实际需要设定，例如，L1＝L2-L1。
需要说明的是，所述第一电极11和所述第二电极21可以设置在同一基板上，也可以设置在不同的基板上，本实施例中，所述第一电极11设置在第一基板1上，所述第二电极21设置在第二基板2上，但并不以此为限。
本实施例的一实施方式中，不同所述电极组内的每个子电极组内的电极数量沿着所述第一方向逐渐减少，即不同的所述透镜区域内的每个子透镜区域所具有的台阶数量沿着所述第一方向逐渐减少。
本实施例的一实施方式中，不同所述电极组内的每个子电极组的电极的宽度沿着所述第一方向逐渐减小，即不同的所述透镜区域内的每个子透镜区域的宽度沿着所述第一方向逐渐减小。
本实施例的一实施方式中，不同所述电极组内包含的子电极组的数量沿着所述第一方向逐渐增多，即不同的所述透镜区域内包含的子透镜区域的数量沿着所述第一方向逐渐增多。
本实施例的一实施方式中，同一所述电极组内的多个子电极组在所述第一方向上的宽度逐渐减小，即同一所述透镜区域中的多个子透镜区域在所述第一方向上的宽度逐渐减小。
本实施例的一实施方式中，同一子电极组中的多个电极的宽度相同，即同一所述子透镜区域中的多个台阶在所述第一方向上的宽度相同。
一个电极组对应形成菲涅尔液晶透镜的一个透镜区域，一个子电极组对应形成一个透镜区域内的子透镜区域，每个子透镜区域具有台阶形貌，靠近中心的透镜区域在所述第一方向上的宽度大，增加其内子透镜区域的台阶数量可以提升光效，而一个子电极组中的电极数量对应于一个子透镜区域的台阶数量，依照菲涅尔透镜理论，沿着所述第一方向靠近中心的电极组中的子电极组的电极数量大于远离中心的电极组中子电极组的电极数量，并且不同所述电极组内的每个子电极组内的电极数量沿着所述第一方向逐渐减小。参考图10和图11，图10中表示出了三个不同的电极组中的一个子电极组，由中心到边缘分布的第一子电极组10、第二子电极组20和第三子电极组30，图10中每个电极组内仅表示出了一个子电极组，图11中表示出了由中心到边缘分布的三个不同的电极组形成的三个透镜区域，以及每个透镜区域内由相应的子电极组形成的子透镜区域，其中第一透镜区域100、第二透镜区域200和第三透镜区域300，第一透镜区域中包括多个第一子透镜区域101，第二透镜区域200中包括多个第二子透镜区域201，第三透镜区域300中包括多个第三子透镜区域301。
理论上，电极越细、电极数目越多，更可以精细控制液晶的偏转，可以等效拟合出与理想透镜形貌更加精确的液晶透镜，这样会更大程度的消除杂散光。
但是，电极数目越多，需要的引线数目也就越多，引线的作用是为电极输送电压信号的，它从中心往外呈放射状设置，参考图13，每根引线3都是从多个同心圆环电极2的中心引出。由于目前工艺限制、引线是由不透光金属制成，引线越多，开口率越低，导致透过率越低，同时，金属引线周边会影响液晶的偏转，近而产生杂散光现象；所以，引线数目越多，产生的杂散光越多；因此，我们需要控制金属引线的数目，以确保透过率与杂散光。
本实施例中为了使形成的菲涅尔液晶透镜的锯齿形貌(每个子透镜区域的台阶形貌)得到很好的拟合，提升像质降低杂散光，我们增加了电极数目，使锯齿形貌得到了很好的拟合；但是，于此同时也增加了引线数目。引线会影响显示面板整体的开口率，降低透明度，因此引线数目不能过多，为了确保透明度在95％以上，根据目前工艺水平，最多只可有24根引线，所以本实施例中最多设计24根电压引线。
为了实现通过24根引线施加电压给三个电极组，本实施例采取共用引线的方法：
具体的，所述多个电极组中包括第一电极组，所述第一电极组中的子电极组为第一子电极组，与所述第一电极组相邻、且远离所述多个同心圆环电极中心的电极组为第二电极组，所述第二电极组中的子电极组为第二子电极组；
还包括与所述多个同心圆环电极连接以提供电压的多个引线，其中，与所述第一子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第一引线，与所述第二子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第二引线，多个所述第二引线与多个所述第一引线中预设位置的第一引线连接以共用同一电压。
本实施例中，沿着所述第一方向所述的一子电极组中的电极的编号为a1、a2…an，其中n大于1，沿着所述第一方向所述第二子电极组中的电极的编号为b1、b2…bk，所述第一子电极组中电极的数量是所述第二子电极组中的电极数量的m倍，所述第一引线的数量是所述第二引线的数量的m倍，其中，第k根所述第二引线和第k*m根所述第一引线连接以共用同一电压，其中，第k根所述第二引线与编号为bk的第二子电极组中的电极对应连接，第k*m根所述第一引线与编号为ak*m的第一子电极组中的电极对应连接。。
所述第一引线的数量是所述第二引线的数量的m倍，其中m大于或等于2，保证了相应的第一子电极组中的电极上的电压和第二子电极组中的电极上的电压的逐渐减少规律，以符合菲涅尔透镜原理。
参考图10，图10中表示出了三个不同的电极组中的子电极组，由中心到边缘分布的第一子电极组10、第二子电极组20和第三子电极组30(图10中每个电极组仅表示出了一个子电极组，仅是作为示例性说明，实际上每个电极组中的子电极组的数量可以根据实际需要设定)，第一子电极组10中包括24个同心圆环电极，为对应的电极提供24个不同的电压o1-o24，24个电压拟合形成菲涅尔液晶透镜中的一个透镜区域的一个子透镜区域的台阶形貌，如图12所示，标号101所示为第一子电极组10中的一个子电极组施加24个电压形成的位相示意图(即与第一子电极组10中对应的子透镜区域的台阶形貌)。
第二子电极组20中包括12个同心圆环电极，施加12个电压v1-v12，该12个电压拟合成图12所示的第二子透镜区域201的台阶形貌，其中电压v1＝o2，v2＝o4………v12＝o24。
第三子电极组30中包括6个同心圆环电极，施加6个电压V1-V6，形成图12所示中的第三子透镜区域301的台阶形貌，其中电压V1＝v2＝o4，V2＝v4＝o8………V6＝v12＝o24。
需要说明的是，同一个电极组内的不同的子电极组包括的电极数量相同、电极宽度相同，同一个电极组内的不同的子电极组形成的菲涅尔透镜形貌相同，同一个电极组内的不同的子电极组中、形成同一高度的台阶的电极的电压相同，例如，沿着所述第一方向，将同一电极组中的不同子电极组包含的电极进行编号，编号相同的电极被施加的电压是相同的，具体的，将上述位于同一个电极组中的多个第三个子电极组30沿着所述第一方向编号，每个所述第三个子电极组30包括电极1-6，编号同为1的电极被施加的电压是相同的，同理，编号为2-6的电极的电压施加方式相同。
本实施例中，每根所述引线3靠近所述多个同心圆环电极中心的一端连接至对应的子电极组内的电极，参考图14。
引线的作用是为电极输送电压信号的，图13表示出了传统技术中引线的分布，它从中心往外呈放射状设置，且每根引线3都是从多个同心圆环电极2的中心引出，无论引线靠近中心一侧的起始端是哪一环电极。由于目前工艺限制、引线是由不透光金属制成，引线越多，开口率越低，导致透过率越低，而本实施例中，改变了引线的分布方式，引线在靠近中心一侧的起始端连接于相应的电极上，而不是中心，图14中表示出了一个电极引出一根引线的示意图，每根引线由连接的电极的位置引出，例如图14中位于最外侧的外环电极，与外环电极连接的引线由外环电极引出，而不是由中心向外延伸分布于所有的圆环电极之上、但是只与相应的电极导通，也就是说，相对于图13中的引线分布，去掉了引线位于外环电极与中心之间的无效部分。采用上述方案，引线按照电极设置位置，设置引出引线位置，即引线的引出位置不是多个同心圆环电极的中心，而是靠近中心的电极，这样便减少了无效引线长度，增大了开口率，近而降低了杂散光。
本实施例中，位于所述多个同心圆环电极中心的电极组内的子电极组中的电极数量为能够满足预设开口率的最大的电极数量。
根据菲涅尔理论，由中心到边缘逐渐减少，那么中心透镜区域的子透镜区域的台阶数量较大，边缘透镜区域的子透镜区域的台阶数量也会相应的增加，也就是说，边缘透镜区域中的子透镜区域的台阶数量受到中心透镜区域的子透镜区域的台阶数量的限制，所以，于所述多个同心圆环电极中心的电极组内的子电极组中的电极数量为能够满足预设开口率的最大的电极数量，可以最大限度的提升光效。
本实施例中为了使形成的菲涅尔液晶透镜的锯齿形貌(每个子透镜区域的台阶形貌)得到很好的拟合，提升像质降低杂散光，我们增加了电极数目，使锯齿形貌得到了很好的拟合；但是，于此同时也增加了引线数目。引线会影响显示面板整体的开口率，降低透明度，因此引线数目不能过多，为了确保透明度在95％以上，根据目前工艺水平，最多只可有24根引线，所以本实施例中最多设计24根电压引线，因此，本实施例中的一具体实施方式中，最大的电极数量为24个。
本实施例中，位于所述多个同心圆环电极边缘的电极组内的子电极组中的电极数量大于或等于能够形成菲涅尔液晶透镜形貌的最小的电极数量。
本实施例中，通过将多个同心圆环电极分组设置，即将形成的菲涅尔液晶透镜分区设置，从而增加了电极的数量，提升光效，但是位于边缘的电极组也是要形成菲涅尔透镜形貌的，所以位于所述多个同心圆环电极边缘的电极组内的子电极组中的电极数量不能小于能够形成菲涅尔液晶透镜形貌的最小的电极数量。
需要说明的是，位于所述多个同心圆环电极边缘的电极组即位于最外圈的电极组。
需要说明的是，本实施例中，位于最内环的电极组的子电极组中电极的数量可根据实际需要设定，本实施例中，最内环的电极组的子电极组中电极的数量为20-36个，但并不以此为限。
本实施例的一具体实施方式中，设置了24根引线，而对应24根引线设置24个同心圆环电极，即形成中心的透镜区域的子透镜区域的子电极组包括24个电极，而为了提高开口率，与多个电极组连接的引线共用电压，但是同时为了保证菲涅尔透镜逐渐减少规律，沿着所述第一方向多个电极组中的子电极组的电极数量呈倍数关系逐渐减少，而24的倍数为12、6，所以本实施例中优选的，多个同心圆环电极划分为三个电极组，沿着所述第一方向不同电极组中的子电极组的电极数量分别是24、12、6，对应形成的菲涅尔液晶透镜包括三个透镜区域，不同的透镜区域中的子透镜区域的台阶数量沿着所述第一方向分别为24、12、6，沿着所述第一方向将三个电极组命名为第一个电极组、第二个电极组和第三个电极组，对应的菲涅尔液晶透镜包括第一个透镜区域、第二个透镜区域和第三个透镜区域，参考图10-图12，以下具体说明。
第一个电极组，沿着所述第一方向从中心0mm到半径2.1mm位置，包括11个子电极组，对应形成的透镜区域包括11个子透镜区域(锯齿结构)，每个子电极组由24个同心圆环电极组成，即每个子透镜区域由24个电压形成。该电极组中，总共有11*24＝264个同心圆环电极组成，其中电极宽度由中心到边缘逐渐变小。该电极组中子电极组的宽度为627微米-94微米范围内逐渐减少(即每个电极的宽度在26微米-3.9微米范围逐渐减少)，靠近中心的一个子电极组(中心电极组)在所述第一方向上的宽度在627微米-200微米之间，与中心电极组相邻的电极组的宽度在199微米-350微米之间，这样用24个电压去拟合去非球面弧形相貌，使中心区域光线会聚到主焦点上。其余子电极组在第一方向上的宽度在186微米-94微米之间，用24个电压拟合形成理想弧形形貌，使其有效效率大大提升到98％，大大降低了杂散光。
第二个电极组，沿着所述第一方向从中心2.1mm到半径4.2mm位置，包括33个子电极组，对应形成的透镜区域包括33个子透镜区域(锯齿结构)，即从12周期到45周期。经过模拟得出该宽度范围利用12根电极便可拟合形成菲涅尔透镜的弧形形貌，即每个子电极组由12个同心圆环电极组成，即每个子透镜区域由12个电压形成，总共有33*12＝396个同心圆环电极组成，但是为了减少电极引线，在不增加电极引线的基础上实现电压的施加，采用共用第一个电极组的电压设计方案；位相实现方式如图12所示，其中O1-O24为第一个电极组的24个电压施加后的位相等效示意图，v1-v12为第二个电极组利用的12个电压形成的位相等效示意图；可以看出，第二个电极组利用了第一个电极组中的12个电压，以实现第二个电极组的子电极组对应的子透镜区域的12台阶位相，经过光学模拟结果可以看出，12个电压可以形成的子透镜区域为具有相差为λ波长的弧形形貌，其中电极的宽度由中心到边缘逐渐变小。子电极组在所述第一方向上的宽度在94微米-47微米内逐渐减少(即电极宽度在7.8微米-3.9微米范围逐渐减少)，有效效率提升到98％。
第三个子电极组，沿着所述第一方向从中心4.2mm到半径8.35mm位置，包括132个子电极组，即从46周期到178周期。总共有132*6＝792个同心圆环电极组成，其中电极宽度由中心到边缘逐渐变小。子电极组的宽度为47微米-24微米范围内逐渐减少(即电极宽度在7.8微米-4微米范围逐渐减少)，经过模拟得出该宽度范围利用6根电极便可拟合形成菲涅尔透镜的弧形形貌，但是为了减少电极引线，在不增加电极引线的基础上实现电压的施加，采用共用第一个电极组的电压设计方案；位相实现方式如图12所示，其中O1-O24为第一个电极组的24个电压施加后的位相等效示意图，V1-V12为第三个电极组利用的6个电压形成的位相等效示意图；可以看出，第三个电极组利用了第一个电极组中的6个电压，以实现第三个电极组中的子电极组对应的子透镜区域的6台阶位相，经过光学模拟结果可以看出，12个电压可以形成子透镜区域具有相差为λ波长的弧形形貌，其有效效率提升20％左右，可以提升到98％，大大降低了杂散光。
本实施例中的菲涅尔液晶透镜结构经光学模拟的模拟结果如下，参考图15-图17，其中，图15表示出了光线追迹，图16表示出了成像质量，其中，不同视角位置上的子午向调制传递函数曲线和弧矢向的调制传递函数曲线重合，图17表示出了点列图：
1.光线聚焦很好，聚焦光斑较小，光斑尺寸为0.4mm，未产生模糊大光斑现象。
2.像质良好：MTF≥0.2/45lp/mm，可以满足VR/AR、探测传感，手机镜头等普通系统需求。
3.点列图：光斑尺寸0.4mm其中，RMS半径(均方根半径)为320.119um，GEO半径(几何半径)为377.585um。
本实施例中，所述多个同心圆环电极沿着垂直于所述第二基板2的方向分两层设置，即所述多个同心圆环电极包括第一层电极201和第二层电极202，第一层电极201和第二层电极202之间设置绝缘层5，且位于不同层的电极交错设置，以防相邻电极之间短路。
本实施例中，电极为ITO(氧化铟锡)电极，但并不以此为限。
本实施例还提供一种显示装置，包括上述的菲涅尔液晶透镜结构。
本发明实施例还提供一种菲涅尔液晶透镜驱动方法，菲涅尔液晶透镜结构包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的第一电极、第二电极以及液晶层，所述第一电极为板状电极，所述第二电极为多个同心圆环电极，对所述第一电极和所述第二电极施加预设电压使得液晶偏转形成菲涅尔液晶透镜；所述多个同心圆环电极沿第一方向划分为多个电极组、以将形成的菲涅尔液晶透镜划分为多个透镜区域；每个所述电极组沿所述第一方向划分为周期性排布的多个子电极组、以将每个所述透镜区域划分为周期性排布的多个子透镜区域；每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，且位于不同所述电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同；其中，所述第一方向为从所述多个同心圆环电极的中心到边缘的方向；
所述驱动方法包括：为每个子电极组中的多个电极提供不同的电压、使得液晶偏转不同角度以形成具有台阶形貌的子透镜区域。
本实施例中，所述多个电极组中包括第一电极组，所述第一电极组中的子电极组为第一子电极组，与所述第一电极组相邻、且远离所述多个同心圆环电极中心的电极组为第二电极组，所述第二电极组中的子电极组为第二子电极组；
还包括与所述多个同心圆环电极连接以提供电压的多个引线，其中，与所述第一子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第一引线，与所述第二子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第二引线，多个所述第二引线与多个所述第一引线中预设位置的第一引线连接以共用同一电压；
所述驱动方法还包括通过所述第一引线为第一子电极组中的多个电极提供多个不同的电压，并通过所述第二引线为第二子电极组中的多个电极提供与多个所述第一引线中预设位置的第一引线上的电压相同的电压。
本实施例中，沿着所述第一方向所述的一子电极组中的电极的编号为a1、a2…an，沿着所述第一方向所述第二子电极组中的电极的编号为b1、b2…bk，所述第一子电极组中电极的数量是所述第二子电极组中的电极数量的m倍，所述第一引线的数量是所述第二引线的数量的m倍，其中，第k根所述第二引线和第k*m根所述第一引线连接以共用同一电压，其中，第k根所述第二引线与编号为bk的第二子电极组中的电极对应连接，第k*m根所述第一引线与编号为ak*m的第一子电极组中的电极对应连接；
通过所述第二引线为第二子电极组中的多个电极提供与多个所述第一引线中预设位置的第一引线上的电压相同的电压，具体包括：
通过第k根所述第二引线向编号为bk的第二子电极组中的电极提供与第k*m根所述第一引线上电压相同的电压。
以上所述为本发明较佳实施例，需要说明的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。

Claims (14)

1.一种菲涅尔液晶透镜结构，包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的第一电极、第二电极以及液晶层，其特征在于，
所述第一电极为板状电极，所述第二电极为多个同心圆环电极，对所述第一电极和所述第二电极施加预设电压使得液晶偏转形成菲涅尔液晶透镜；
所述多个同心圆环电极沿第一方向划分为多个电极组、以将形成的菲涅尔液晶透镜划分为多个透镜区域；
每个所述电极组沿所述第一方向划分为周期性排布的多个子电极组、以将每个所述透镜区域划分为周期性排布的多个子透镜区域；
每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，且位于不同所述电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同；
其中，所述第一方向为从所述多个同心圆环电极的中心到边缘的方向；
不同所述电极组内包含的子电极组的数量沿着所述第一方向逐渐增多，使得不同的所述透镜区域内包含的子透镜区域的数量沿着所述第一方向逐渐增多。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，多个所述电极组在所述第一方向上的宽度沿着所述第一方向逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，不同所述电极组内的每个子电极组内的电极数量沿着所述第一方向逐渐减少。
4.根据权利要求1所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，所述多个电极组中包括第一电极组，所述第一电极组中的子电极组为第一子电极组，与所述第一电极组相邻、且远离所述多个同心圆环电极中心的电极组为第二电极组，所述第二电极组中的子电极组为第二子电极组；
还包括与所述多个同心圆环电极连接以提供电压的多个引线，其中，与所述第一子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第一引线，与所述第二子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第二引线，多个所述第二引线与多个所述第一引线中预设位置的第一引线连接以共用同一电压。
5.根据权利要求4所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，沿着所述第一方向所述的第一子电极组中的电极的编号为a1、a2…an，沿着所述第一方向所述第二子电极组中的电极的编号为b1、b2…bk，所述第一子电极组中电极的数量是所述第二子电极组中的电极数量的m倍，所述第一引线的数量是所述第二引线的数量的m倍，其中，第k根所述第二引线和第k*m根所述第一引线连接以共用同一电压，其中，第k根所述第二引线与编号为bk的第二子电极组中的电极对应连接，第k*m根所述第一引线与编号为ak*m的第一子电极组中的电极对应连接。
6.根据权利要求4所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，每根所述引线靠近所述多个同心圆环电极中心的一端连接至对应的子电极组内的电极。
7.根据权利要求1所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，位于所述多个同心圆环电极中心的电极组内的子电极组中的电极数量为能够满足预设开口率的最大的电极数量。
8.根据权利要求1所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，位于所述多个同心圆环电极边缘的电极组内的子电极组中的电极数量大于或等于能够形成菲涅尔液晶透镜形貌的最小的电极数量。
9.根据权利要求1所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，同一电极组内的子电极组中的电极数量相同。
10.根据权利要求1所述的菲涅尔液晶透镜结构，其特征在于，同一子电极组中的电极宽度相同，同一电极组中不同的子电极组中的电极的宽度沿所述第一方向逐渐减少。
11.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的菲涅尔液晶透镜结构。
12.一种菲涅尔液晶透镜驱动方法，菲涅尔液晶透镜结构包括相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的第一电极、第二电极以及液晶层，所述第一电极为板状电极，所述第二电极为多个同心圆环电极，对所述第一电极和所述第二电极施加预设电压使得液晶偏转形成菲涅尔液晶透镜；所述多个同心圆环电极沿第一方向划分为多个电极组、以将形成的菲涅尔液晶透镜划分为多个透镜区域；每个所述电极组沿所述第一方向划分为周期性排布的多个子电极组、以将每个所述透镜区域划分为周期性排布的多个子透镜区域；每个子电极组包括多个电极、以形成具有台阶形貌的子透镜区域，且位于不同所述电极组内的子电极组中的电极数量不同、以使得位于不同透镜区域内的子透镜区域的台阶数量不同；其中，所述第一方向为从所述多个同心圆环电极的中心到边缘的方向，不同所述电极组内包含的子电极组的数量沿着所述第一方向逐渐增多，使得不同的所述透镜区域内包含的子透镜区域的数量沿着所述第一方向逐渐增多；其特征在于，
所述驱动方法包括：为每个子电极组中的多个电极提供不同的电压、使得液晶偏转不同角度以形成具有台阶形貌的子透镜区域。
13.根据权利要求12所述的菲涅尔液晶透镜驱动方法，所述多个电极组中包括第一电极组，所述第一电极组中的子电极组为第一子电极组，与所述第一电极组相邻、且远离所述多个同心圆环电极中心的电极组为第二电极组，所述第二电极组中的子电极组为第二子电极组；
还包括与所述多个同心圆环电极连接以提供电压的多个引线，其中，与所述第一子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第一引线，与所述第二子电极组中的多个电极一一对应连接的引线为第二引线，多个所述第二引线与多个所述第一引线中预设位置的第一引线连接以共用同一电压；
其特征在于，所述驱动方法还包括通过所述第一引线为第一子电极组中的多个电极提供多个不同的电压，并通过所述第二引线为第二子电极组中的多个电极提供与多个所述第一引线中预设位置的第一引线上的电压相同的电压。
14.根据权利要求13所述的菲涅尔液晶透镜驱动方法，沿着所述第一方向所述的一子电极组中的电极的编号为a1、a2…an，沿着所述第一方向所述第二子电极组中的电极的编号为b1、b2…bk，所述第一子电极组中电极的数量是所述第二子电极组中的电极数量的m倍，所述第一引线的数量是所述第二引线的数量的m倍，其中，第k根所述第二引线和第k*m根所述第一引线连接以共用同一电压，其中，第k根所述第二引线与编号为bk的第二子电极组中的电极对应连接，第k*m根所述第一引线与编号为ak*m的第一子电极组中的电极对应连接；
其特征在于，通过所述第二引线为第二子电极组中的多个电极提供与多个所述第一引线中预设位置的第一引线上的电压相同的电压，具体包括：
通过第k根所述第二引线向编号为bk的第二子电极组中的电极提供与第k*m根所述第一引线上电压相同的电压。
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