CN101349770B - 一种透镜组件及包含该组件的立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透镜组件，包括凹透镜和与之契合的凸透镜，所述凹透镜和凸透镜均由双折射材料构成，所述凹透镜的其中一个折射率与凸透镜的其中一个折射率大小相等，且对于一特定的偏振方向的偏振光，所述凹透镜表现为寻常光折射率，所述凸透镜表现为非寻常光折射率。对于一特定的偏振方向的偏振光，所述凹透镜也可表现为非寻常光折射率，同时所述凸透镜表现为寻常光折射率。本发明还公开了一种由上述透镜组件构成的光栅以及包含该光栅的立体显示装置。利用本发明的上述方案，可有效降低微透镜拱高，使液晶排列更加有序，增加双折射光栅的透光度。

Description

一种透镜组件及包含该组件的立体显示装置

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种由双折射材料制成的透镜组件及包含该组件的立体显示装置。

背景技术

人类是通过右眼和左眼所看到的物体的细微差异来感知物体的深度，从而识别出立体图像的。这种差异被称为视差。立体显示技术就是通过人为的手段来制造人的左右眼的视差，给左、右眼分别送去有视差的两幅图像，使大脑在获取了左右眼看到的不同图像之后，产生观察真实三维物体的感觉。裸眼式立体显示装置一般有两种方式：狭缝光栅式裸眼立体显示装置和微透镜阵列式裸眼立体显示装置。其中微透镜阵列裸眼式立体显示装置包括显示面板和安装在显示面板前方的微透镜阵列器件，从而将来自于显示面板的3D图像分成右眼和左眼图像。

现有技术中，有多种可实现2D-3D之间转换的裸眼立体显示装置，如中国专利公开文献CN1539095中记载了一种利用柱状透镜阵列组件作为光栅实现2D-3D可转换的技术方案，该柱状透镜阵列组件由一种单折射率微透镜阵列和双折射率微透镜阵列契合构成，但是由于单一液晶的折射率差很小使得满足条件时透镜的拱高需要较大，这样导致液晶排列有序度比较差，而且厚度增加，导致透明度降低影响光学效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高双折射率差的透镜组件及包含该透镜组件的立体显示装置。

为了达到本发明的目的，提供一种透镜组件，包括凹透镜和与之契合的凸透镜，所述凹透镜和凸透镜均由双折射材料构成，所述凹透镜的其中一个折射率与凸透镜的其中一个折射率大小相等，且对于一特定的偏振方向的偏振光，所述凹透镜表现为寻常光折射率，所述凸透镜表现为非寻常光折射率。

对于一特定的偏振方向的偏振光，所述凹透镜也可表现为非寻常光折射率，同时所述凸透镜表现为寻常光折射率。

所述凹透镜或凸透镜其中一种的双折射材料可为液晶。

所述凹透镜和凸透镜的双折射材料均可为液晶。

上述凹透镜中的液晶分子排列方向与凸透镜中的液晶分子排列方向相互垂直。

本发明还提供一种由上述透镜组件构成的光栅以及包含该光栅的立体显示装置。

利用本发明的上述方案，可有效降低微透镜拱高，使液晶排列更加有序，增加双折射光栅的透光度。

附图说明

图1为本发明的柱状微透镜阵列组件的剖面及相对于其中一种偏振光的光路原理示意图；

图2为本发明的柱状微透镜阵列组件的剖面及相对于另外一种偏振光的光路原理示意图；

图3为透镜组件的曲率半径、拱高和焦距等的示意图。

具体实施方式

为了说明的方便，本实施例直接以包括多个透镜组件的柱状微透镜阵列组件为例进行说明，当然，本发明的透镜组件并非仅仅作为微透镜的形式被作为光栅使用，很显然还可以用在其它作为较大透镜使用的技术领域。

本实施例中的柱状微透镜阵列组件包括相互契合的柱状微凹透镜阵列和柱状微凸透镜阵列，所述柱状微凹透镜阵列和柱状微凸透镜阵列均由具有双折射特性的液晶材料制成。如图1所示，该柱状微透镜阵列组件包括由一种液晶材料(具有寻常光折射率n_o2和非寻常光折射率n_e2)所制作的柱状微凸透镜阵列2和由另一种液晶材料(具有寻常光折射率n_o4和非寻常光折射率n_e4)制作的柱状微凹透镜阵列4，且柱状微凸透镜阵列2和柱状微凹透镜阵列4的液晶的排列方向(光轴方向)相互垂直，图中附图标记3表示取向层，附图标记5为PET材料或者玻璃等基板。其中柱状微凸透镜阵列的液晶材料的寻常光折射率n_o2等于柱状微凹透镜阵列4的液晶材料的非寻常光折射率n_e4。当偏振方向垂直于柱状微凸透镜阵列2的液晶材料的光轴方向的偏振光入射到所述柱状微凸透镜阵列2时，由于该微凸透镜阵列的液晶材料的寻常光折射率n_o2等于柱状微凹透镜阵列4的液晶材料的非寻常光折射率n_e4，则，相对于这种偏振光，柱状微凸透镜阵列2和柱状微凹透镜阵列4之间无折射率差，光线沿直线传播。当偏振方向平行于柱状微凸透镜阵列2的液晶材料的光轴方向的偏振光入射到所述柱状微凸透镜阵列2时，参考图2，此时柱状微凸透镜阵列2的折射率为n_e2，而柱状微凹透镜阵列4的折射率为n_o4，此时柱状微凸透镜阵列2和柱状微凹透镜阵列4的折射率差为n_e2-n_o4，光线通过时发生折射。由于柱状微凸透镜阵列2的折射率差为Δn₂＝n_e2-n_o2；柱状微凹透镜阵列4的折射率差为Δn₄＝n_e4-n_o4且n_o2＝n_e4；因此，柱状微凸透镜阵列2和柱状微凹透镜阵列4之间的折射率差为Δn＝n_e2-n_o4＝Δn₂+Δn₄，如果柱状微凹透镜阵列为单折射率透镜时，则透镜组件的折射率差为Δn₂；很明显，Δn₂＜Δn，即由柱状双折射微透镜阵列和柱状双折射微透镜阵列构成的柱状微透镜阵列组件的折射率差比由柱状双折射透镜阵列与柱状单折射透镜阵列构成的柱状微透镜阵列组件的折射率差要大。

由两种不同材料构成的透镜阵列组件满足下列等式，其中，等式中R为透镜阵列组件中单个透镜组件的凸透镜和凹透镜的曲率半径(由于是契合的，凸透镜与凹透镜曲率半径是相等的)，f为透镜阵列组件的单个透镜组件的焦距，d为透镜组件的凸透镜拱高，n₂为柱状微凸透镜阵列2的凸透镜折射率，n₄为柱状微凹透镜阵列4的凹透镜折射率，l为透镜曲面两端点的连线，各参数参见图3中的标示。

$R=\frac{n_2-n_4}{f}---\left(1\right)$

$d=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{l}{2}\right)}^2}=\frac{{\left(\frac{l}{2}\right)}^2}{R+\sqrt{R^2-{\left(\frac{l}{2}\right)}^2}}---\left(2\right)$

从(1)式可知，在透镜组件中，在焦距f一定时，凸透镜与凹透镜折射率之差与凸透镜和凹透镜曲率半径成正比，由于本发明中的透镜组件的折射率差为Δn＝n_e2-n_o4＝Δn₂+Δn₄＞Δn₂，因此由两种双折射材料所形成的透镜组件的曲率半径大于由一种双折射材料与一种单折射材料形成的透镜组件的曲率半径，由(2)式可知，当R增大时，d减小，因此降低了透镜组件的拱高。这样，可以降低透镜阵列的拱高，能够使透镜阵列中的液晶排列更加有序，减少不规则排序带来的散射，并增加作为光栅的柱状微透镜阵列组件的透明度。

本发明中的透镜组件或柱状微透镜阵列组件的制作过程可以是先制作凸透镜或微凸透镜阵列，然后再在该凸透镜或微凸透镜阵列的基础上制作凹透镜或微凹透镜阵列，或者反之亦可。下面以首先采用柱状微凸形阵列模具制备柱状微凹透镜阵列为例进行说明，包括如下步骤：

步骤一：向两个都具有相同取向的取向层的第一平板基板和柱状微凸形阵列模具中间注入能够在紫外光照射下固化的液晶单体或混合物，该液晶单体或混合物具有寻常光折射率n_o4和非寻常光折射率n_e4；该单体液晶可以是例如含有丙烯酰基的液晶；混合物可以是例如中国专利公开文献CN1130259中记载的液晶混合物；

步骤二：进行紫外固化；

步骤三：剥离模具获得其液晶分子具有第一取向(图1中平行于纸面并垂直于柱透镜阵列的沟槽方向)的微凹透镜阵列，并将所述微凹透镜阵列的凹面上的取向层剥离；

步骤四：在所述凹面上涂覆取向层并进行摩擦取向，摩擦的方向与所述第一取向垂直(图1中垂直于纸面并平行于柱透镜阵列的沟槽方向)，并与具有相同取向方向的第二平板基板平行放置，并注入能够在紫外光照射下固化的液晶单体或混合物；该液晶单体或混合物具有寻常光折射率n_o2和非寻常光折射率n_e2；其中，所述n_e4＝n_o2，所述第一平板基板和第二平板基板均为透明基板，可以PI材料基板；

步骤五：进行紫外固化，即获得本实施例中的由双折射材料构成的柱状微透镜阵列组件。

上述实施例中，双折射材料采用的是液晶，作为另一个优选方案，双折射材料还可以采用其它非液晶的物质，如中国专利公开文献CN1611641记载的五钒酸钾晶体等。

本发明例举的上述透镜组件能够获得很低的拱高，这样可以大大降低透镜组件的厚度，而且在液晶的取向上，能够获得更好的取向效果，降低影响光学效果的光散射。

上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的技术人员在本方法的启示下，在不脱离本方法宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种透镜组件，其特征在于，包括凹透镜和与之契合的凸透镜，所述凹透镜和凸透镜均由双折射材料构成，所述凹透镜的其中一个折射率与凸透镜的其中一个折射率大小相等，且对于一特定的偏振方向的偏振光，所述凹透镜表现为寻常光折射率，所述凸透镜表现为非寻常光折射率。

2.一种透镜组件，其特征在于，包括凹透镜和与之契合的凸透镜，所述凹透镜和凸透镜均由双折射材料构成，所述凹透镜的其中一个折射率与凸透镜的其中一个折射率大小相等，且对于一特定的偏振方向的偏振光，所述凹透镜表现为非寻常光折射率，所述凸透镜表现为寻常光折射率。

3.如权利要求1或2所述的透镜组件，其特征在于，所述凹透镜或凸透镜其中一种的双折射材料为液晶。

4.如权利要求3所述的透镜组件，其特征在于，所述凹透镜和凸透镜的双折射材料均为液晶。

5.如权利要求4所述的透镜组件，其特征在于，凹透镜中的液晶分子排列方向与凸透镜中的液晶分子排列方向相互垂直。

6.一种光栅，其特征在于，包括权利要求1至5中所述的任一种透镜组件。

7.一种立体显示装置，其特征在于，包括权利要求6所述的任一种光栅。

Images