CN101464578B - 电驱动液晶透镜和利用它的立体显示装置 - Google Patents

Abstract

披露了一种电驱动液晶透镜，其中电极被限定为垂直或水平摩擦方向，实现改进的透镜轮廓效果，以及一种使用该透镜的立体显示装置。该液晶透镜包含第一和第二基板，其彼此相对设置，并且其每一个包含多个透镜区域；多个第一电极，其形成在该第一基板上以对应于各个透镜区域，同时彼此间隔开，从每个透镜区域的中心到边缘逐渐增大的电压被施加到该多个第一电极；第二电极，其形成在该第二基板的整个表面上；第一定向膜，其形成在该第一基板包含该第一电极的整个表面上，并且具有平行或垂直于该第一电极的纵向方向的定向方向；第二定向膜，其形成在该第二电极上并且具有相对于该第一定向膜的反平行定向方向；以及填充在该第一基板和该第二基板之间的液晶层。

Description

电驱动液晶透镜和利用它的立体显示装置

本申请要求于2007年12月18日提出的韩国专利申请No.P2007-133484的权益，此处通过参考将其引入在内，如同在此处进行全文阐述那样。 

发明背景 

技术领域

本发明涉及电驱动液晶透镜，特别是，涉及这样一种电驱动液晶透镜，其中电极被以垂直或水平摩擦方向限定，实现改进的透镜轮廓效果，以及涉及利用这种透镜的立体显示装置。

现有技术

当前，基于高速信息通信网络构造的快速信息发布服务已经从简单的“听和说”服务，诸如现在的电话(current telephones)，发展到基于数字终端的“看和听”多媒体型服务，该数字终端用于字符、声音和图像的高速处理，并且已经期望最终发展到电脑空间的三维立体信息通信服务，这种服务使得能够不受时间和空间限制地虚拟现实和进行立体观察。

通常，描绘三维的立体图像基于立体视觉的原理通过观察者的眼睛来实现。然而，由于观察者的眼睛彼此大约以65mm空间分离，即，具有双眼视差，因此由于二者之间的位置差而使得左右眼睛感受到稍微不同的图像。由于眼睛的位置差而导致的图像之间的这种差异被称作双眼视差。基于双眼视差来设计三维立体图像显示装置，使得左眼仅看到针对左眼的图像，而右眼仅看到针对右眼的图像。

具体地，左右眼分别观察不同的二维图像。如果两不同图像通过视网膜传送到大脑，那么大脑精确地合成这些图像，得到真实的三维图像的印象。这种能力在传统上被称作立体摄影术。

可以将显示上述三维立体图像的技术分为立体显示型、容积测量型和全息型。在这些类型中，可以将立体显示型分为两种类型，一种使用3D眼镜，而 另一种不使用眼镜。而根据用于3D实感的结构的形状，不使用眼镜的类型可以分为视差栅栏(parallax barrier)型和双凸透镜(lenticular)型。下面讨论双凸透镜型立体显示。

以下，将参考附图描述传统的双凸透镜型立体液晶显示装置。

图1是描绘传统的双凸透镜型立体液晶显示装置的透视图，而图2是描绘图1的立体液晶显示装置的截面图。

如图1所示，传统的双凸透镜型液晶显示装置包括：由上、下基板10a和10b以及填充于其间的液晶10c构成的液晶板1；，位于液晶板10的背面并且用于将光朝向液晶板10导引的背光单元20；以及位于液晶板10的前表面并且用于实现立体图像的透镜板30。

如图2所示，第一和第二偏振器11和12分别结合到上基板10a的上表面和下基板10b的下表面。

通过在平坦基板上形成具有凸透镜形状上表面的材料层来制造透镜板30。

当已经穿过液晶板10的图像从透镜板30出射时，观察者的眼睛感受到不同组的图像，由此感受到三维立体图像。

在上述传统的立体液晶显示装置中，透镜板30和液晶板10被结构(未示出)支撑，并由此，液晶板10上的第一偏振器11与透镜板30以预定距离间隔开。

然而，对于这种构造，液晶板10或透镜板30可能在液晶板10的第一偏振器11和透镜板30之间的空间内下垂或弯曲。这种弯曲现象导致穿过背光单元20、液晶板10和透镜板30的光路变形，由此使图像质量劣化。

为了减小液晶板10和透镜板30之间的空间，可能考虑在液晶板10和透镜板30之间插入粘合物以使液晶板10和透镜板30彼此结合。然而，液晶板10的面积越大，所需要的粘合物的量就越大。另外，粘合物有可能导致透射率的劣化。

上述传统的立体显示装置具有如下问题。

对于上述双凸透镜的结合，存在诸如粘合物的使用、由于弯曲现象而造成的视觉敏感度劣化或加工光滑的双凸透镜困难这样的问题。

发明内容

因此，本发明涉及一种电驱动液晶透镜以及利用它的立体显示装置，其基本上克服了由于现有技术的限制和缺点所造成的一个或更多个问题。

本发明的目的是提供一种电驱动液晶透镜，其中电极被以垂直或水平摩擦方向限定，实现改进的透镜轮廓的效果，以及提供一种利用这种透镜的立体显示装置。

本发明的其他优点、目的和特征将在随后的描述中进行部分阐述，并且对本领域普通技术人员而言基于下面的验证将部分清楚，或者可从本发明的实践中学习到。本发明的目标和其他优点可以通过在书面的说明书及其权利要求书以及附图中所具体指出的结构来实现和获得。

为了实现这些目的和其他优点，根据本发明的目的，如在此处具体化和广泛地描述的那样，一种电驱动液晶透镜包括：第一和第二基板，其彼此相对设置并且其每一个均包含多个透镜区域；多个第一电极，其形成在第一基板上以对应于各个透镜区域，同时彼此间隔开，对其施加从每个透镜区域的中间到边缘逐渐增大的电压；第二电极，其形成在第二基板的整个表面之上；第一定向膜，其形成在包含第一电极的第一基板的整个表面之上并且具有平行于或垂直于第一电极的纵向方向的定向方向；第二定向膜，其形成在第二电极上并且具有相对于第一定向膜的反平行定向方向；以及填充在第一基板和第二基板之间的液晶层。

另外，在该电驱动液晶透镜中，第一定向膜和第二定向膜可以是具有小于1°的倾斜角的水平定向膜。此外，液晶层的液晶可以具有正的介电常数各向异性。

另外，在该电驱动液晶透镜中，第一定向膜和该第二定向膜也可以是具有大于89°的倾斜角的垂直定向膜。此外，液晶层的液晶可以具有负的介电常数各向异性。

再有，在该电驱动液晶透镜中，第一定向膜可以受到平行于第一电极的摩擦。

此外，在该电驱动液晶透镜中，第一定向膜也可以受到垂直于第一电极的摩擦。

另外，在该电驱动液晶透镜中，第一电极可以具有在第一基板上沿给定方 向延伸的伸长形式。

此外，在该电驱动液晶透镜中，施加到相邻第一电极上的各电压间的差可以小于1V。

一种立体显示装置包括：显示板，该显示板用来发射二维图像信号；以及上述电驱动液晶透镜，用来直接发射来自该显示板的二维图像信号，或者将所述二维图像信号转换为三维图像信号以发射三维图像信号。

另外，在该立体显示装置中，当偏振光从该显示板透射到该电驱动液晶透镜时，该偏振光的透射轴可以与该第一定向膜的该定向方向一致。

应当理解，本发明上面概述的描述和下面详细的描述都是解释性和示范性的，打算用它们来对如所要求保护的本发明提供进一步的解释。

附图简要说明

被包含进来以提供本发明的进一步理解并且被结合在内构成本申请的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在这些附图中：

图1是描绘传统的双凸透镜型立体显示装置的透视图；

图2是图1的截面图；

图3A至3C分别是描绘当3电极型电驱动液晶透镜具有进入图中的摩擦方向时施加电压前后的偏振方向、电场形状和液晶的定向的示图；

图4A至4C分别是描绘当3电极型电驱动液晶透镜具有水平摩擦方向时施加电压前后的偏振方向、电场形状和液晶的定向的示图；

图5是描绘根据本发明的电驱动液晶透镜的截面图；

图6是描绘包含图5的电驱动液晶透镜的立体显示装置的截面图；

图7A是描绘根据第一实施例的电驱动液晶透镜的截面图；

图7B和7C是描绘在图7A的构造中施加电压前后在一个透镜区域中在每个距离基础上(on a per distance basis in one lens region)的液晶的定向形状的示图；

图8A是描绘根据第二实施例的电驱动液晶透镜的截面图；

图8B和8C是描绘在图8A的构造中施加电压前后在一个透镜区域中在每个距离基础上的液晶的定向形状的示图；

图9A是描绘根据第三实施例的电驱动液晶透镜的截面图；

图9B和9C是描绘在图9A的构造中施加电压前后在一个透镜区域中在每个距离基础上的液晶的定向形状的示图；

图10A是描绘根据第四实施例的电驱动液晶透镜的截面图；

图10B和10C是描绘在图10A的构造中施加电压前后在一个透镜区域中在每个距离基础上的液晶的定向形状的示图；

图11是描绘根据第一实施例的电驱动液晶透镜在每个距离基础上的电场的仿真图(simulation diagram)；

图12是描绘根据第二实施例的电驱动液晶透镜在每个距离基础上的电场的仿真图；

图13是描绘根据第三实施例的电驱动液晶透镜在每个距离基础上的电场的仿真图；以及

图14是描绘根据第四实施例的电驱动液晶透镜在每个距离基础上的电场的仿真图。

具体实施方式

现在详细参考根据本发明的优选实施例的电驱动液晶透镜以及使用它的立体显示装置，其实例描绘于附图中。在可能的情况下，全部附图采用相同的参考数字表示相同或类似的部件。

近来，已经提出了电驱动液晶透镜，其中利用液晶分子的特性将液晶层用作透镜。

具体地，通过利用透镜的组成材料和环境空气之间的折射率差，使透镜适于控制每个位置基础上的入射光的路径。在采用这种物理透镜的场合，在电驱动液晶透镜的情况下，当将不同的电压施加到液晶层的不同位置以便在不同位置以不同的电场驱动液晶层时，入射到液晶层上的光在每个位置基础上发生相位变化。结果，液晶层能够像实际的透镜那样控制入射光的路径。当被电场驱动为像透镜那样透射光的液晶与用于驱动液晶的电极一起构成阵列时，该阵列被称作电驱动液晶透镜。

以下，参考附图详细描述电驱动液晶透镜及利用它的立体显示装置。

图3A至3C分别是描绘当3电极型电驱动液晶透镜具有进入图内的摩擦 方向时，施加电压前后的偏振方向、电场形状和液晶定向的示图。

如图3A所示，3电极型电驱动液晶透镜构造如下。

电驱动液晶透镜包含彼此相对设置并且其每一个具有多个透镜区域L的第一和第二基板100和150，以及填充在第一基板100和第二基板150之间液晶层130。此处，第一和第二基板100和150的多个透镜区域L彼此对应。

每个透镜区域L被限定为具有等于节距P的宽度，并且具有相同节距的多个透镜区域L沿给定方向(图3中的水平方向)周期性重复。此处，“节距P”表示透镜区域L的水平宽度。注意，透镜区域L并不具有物理凸透镜形状，而是在电场的影响下通过液晶的定向起透镜的作用。

具有第一宽度的第一电极101形成在第一基板100上各个相邻透镜区域L处并围绕其边缘。第一绝缘膜102形成在包含第一电极101的第一基板100之上，并且第二电极103形成在第一绝缘膜102上。第二电极103具有小于第一电极101宽度的宽度，并且位于各个第一电极101的正上方。第二绝缘膜104形成在第一绝缘膜102的整个表面之上，以覆盖第二电极103，并且第一定向膜105形成在第二绝缘膜104的整个表面之上。

第三电极151形成在第二基板150的整个表面之上，并且第二定向膜152形成在第三电极151上。

为了使得在不施加电压时能够显示二维图像，使第一和第二基板100和150受到定向处理，以便在初始状态(当不施加电压时)下透射光。具体地，为了在不施加电压时的初始状态下使液晶130具有透射光的定向特性，使第一定向膜105受到沿第二电极103的纵向方向的摩擦，并且使第二定向膜151受到沿反平行方向的摩擦。此处，反平行方向是指第二定向膜152的摩擦方向平行于第一定向膜105的摩擦方向，但是第二定向膜152的摩擦与第一定向膜105的摩擦相反地前进。由于在第一和第二基板100和150的背面不提供偏振器，因此来自其下方的显示板的光直接穿过电驱动液晶透镜，由此直接到达观察者。这被称作电控制双折射(Electrically Controlled Birefringence)(ECB)模式。

图3A示出了描绘相邻的左右透镜区域L的中心之间的区，其具有等于节距P的宽度。如果分别将高电压和阈值电压施加到第二电极103和第一电极101，并且将接地电压施加到相对的第三电极151，那么如图3B所示，所得到 的垂直电场在第二电极103处是最强的，并且随着距第二电极103的距离增大而逐渐减小。这能够从图3B中理解，其描绘了电势平面在第二电极103处很陡峭、而随着距第二电极103的距离增加而变得缓和的电场。液晶层130的液晶分子具有正介电常数各向异性，由此沿电场方向(垂直于电势平面)被定向。因此，可以理解，液晶分子在第二电极103处是竖直的，而随着远离第二电极103而逐渐向水平倾斜，由此在第二电极103的最远位置处(即，在透镜区域L的中心)被完全水平定向。也就是说，电场产生的液晶定向导致折射率差，由此所得到的电驱动液晶透镜在围绕第二电极103的中心的透镜区域L内显示出半抛物线(half-parabolic)相位特性。如果沿给定方向(沿水平方向)重复如所述那样的相同的图案，那么以节距的间隔连续周期地形成电驱动液晶透镜的抛物面。

在这种情况下，由于施加到第二电极103和第一电极101的电压差而在第二电极103和第一电极101之间产生水平电场。水平电场造成液晶在第一和第二电极101和103之间旋转，导致双折射。

如图3C所示，假设第一基板100上的第一定向膜105沿第二电极103的纵向方向定向，那么在将电压施加到液晶之前的初始电压OFF状态下，液晶沿第二电极103的纵向方向定向。另一方面，在施加了电压之后的电压ON状态下，由于第二电极103和第一电极101之间的电压差而产生的水平电场E以及第二电极103和第三电极151之间的垂直电场，使得液晶被旋转并斜着倾斜。液晶的旋转导致在第二电极103的外部边缘附近的双折射。

在这种情况下，从电驱动液晶透镜的下侧导引的光具有与第二电极103的纵向方向相一致的进入图内的偏振方向，并且前进以穿过电驱动液晶透镜。

施加到第一电极101的阈值电压是具有峰值的用 (其中，Δε是液晶介电常数各向异性，K1是喇叭形弹性模量(splay elastic modulus)，以及εo是自由空间介电常数)表示的AC方波电压。施加到第二电极103的高压是具有大约2.5V至10V的峰值的AC方波电压。

尽管未示出，但是在第一和第二基板100和150的外周区域形成密封图案(未示出)，以支撑第一和第二基板100和150。第一和第二基板100和150之间的液晶层130具有等于大约15～30μm的足够的厚度，以便形成电驱动液晶透镜的足够相位。为了稳定地保持液晶层130的厚度，可以进一步提供球 状衬垫(spacer)或柱状衬垫，以支撑第一和第二基板100和150之间的盒间隙(cell gap)。在这种情况下，希望对衬垫进行定位，以便不使电驱动液晶透镜的相位失真。

本发明的电驱动液晶透镜用作用于实现三维图像的透镜，并且根据场合的需要，可以被提供于二维图像显示装置中，并可被用于将二维图像转换为三维图像，由此发射三维图像。另外，基于在不施加电压时直接透射光的特性，电驱动液晶透镜可以用作开关装置，以便在不施加电压于其上时显示二维图像，或在施加电压于其上时显示三维图像。电驱动液晶透镜可以与显示板一起使用，其位于电驱动液晶透镜的下方，并且用于显示二维图像。简而言之，具有开关功能以选择显示二维图像或三维图像的电驱动液晶透镜通过在施加电压于其上时转换来自其下的显示板的二维图像而能够显示立体(三维)图像，并且在不施加电压于其上时能够使来自该显示板的二维图像直接透过到达观察者以实现二维图像。

图4A至4C分别是描绘当3电极型电驱动液晶透镜具有水平摩擦方向时施加电压前后的偏振方向、电场形状和液晶的定向的示图。

如上所述，当使第一定向膜105受到沿第二电极103的纵向方向的摩擦时，当施加电压时，在第一和第二电极101和103之间的轻微水平电场的作用下，液晶可能相对于第二电极103的纵向方向倾斜。为了解决这一问题，如图4A所示，希望使第一定向膜105的摩擦方向垂直于第二电极103的纵向方向。也就是说，第一定向膜105的摩擦方向与第一和第二电极101和103之间的水平电场一致。在这种情况下，来自电驱动液晶透镜下侧的光沿与第一定向膜105的摩擦方向相一致的图4A中的水平方向被导引。使第二定向膜152受到沿反平行方向的摩擦。也就是说，第二定向膜152的摩擦方向平行于第一定向膜105的摩擦方向，并且第二定向膜152的摩擦与第一定向膜105的摩擦相反地前进。

如图4C所示，在电压OFF状态下，液晶沿垂直于第二电极103的第一定向膜105的摩擦方向定向。然后，如图4B和4C所示，在电压ON状态下，即使在第一和第二电极101和103之间产生水平电场，液晶已经水平(垂直于第二电极103)定向，并且由于水平电场而没有旋转。也就是说，在第一和第二电极101和103和第二基板150的第三电极151之间的强大的垂直电场使得 液晶竖直。在这种情况下，如图4B所示，液晶分子在第二电极103处具有最大的竖直性，并且随着距第二电极103的距离增加而竖直性逐渐减小。将电压OFF状态与电压ON状态进行比较，液晶分子仅沿着从水平方向到垂直方向的定向方向而受到改变，而在定向平面内没有改变，与前述的构造(如图3A至3C所示)相比，实现了减小的失真区域和更均匀的电场。

然而，即使在图4A至4C的水平定向中，由于相对于第一和第二定向膜105和152的摩擦的倾斜角，电驱动液晶透镜也可能表现为不对称的构造。例如，即使倾斜角小于1°，在施加电压之后也能够观察到电驱动液晶透镜倾斜(表示液晶层内的光学路径的差异)，而不是相对于透镜区域L的中心精确地水平对称。

因此，已经进行了解决上述问题的努力。

图5是描绘根据本发明的电驱动液晶透镜的截面图，并且图6是描绘包含图5的电驱动液晶透镜的立体显示装置的截面图。

如图5和6所示，根据本发明的立体显示装置包括：电驱动液晶透镜2000，其在接收到电压时被驱动，由此起透镜的作用；显示板350，其设置在电驱动液晶透镜2000的下方并且用于发射二维图像信息；以及光源700，其设置在显示板350的下方并且起将光导引到显示板350的作用。

根据场合的需要，如果显示板350是自发光装置，那么省略光源700是可能的。

显示板350包含交替重复设置的第一和第二图像像素P1和P2以分别显示第一和第二图像IM1和IM2。显示板350可以从各种平板显示器中选择，包括液晶显示器(LCD)，有机发光显示器(OLED)，等离子显示板(PDP)，场致发射显示器(FED)等。显示板350位于在电驱动液晶透镜2000下方，并且用于将二维的图像信号传输到电驱动液晶透镜2000。

本发明的电驱动液晶透镜2000类似于透镜轮廓，起将二维图像信号转换为三维图像信号而由此发射三维图像信号的作用。电驱动液晶透镜2000位于实现二维图像的显示板350的上方，并根据是否施加电压于其上，起选择性地发射三维图像信号或直接发射二维图像信号而不需要转换的作用。具体地，在不施加电压于其上时导引光透射的基础上，电驱动液晶透镜2000能够用作切换装置，从而的当不施加电压于其上时显示二维图像，而施加电压于其上时显 示三维图像。

以下，更详细地描述电驱动液晶透镜2000。

如图5所示，本发明的电驱动液晶透镜2000包括：彼此相对设置的第一和第二基板400和500，并且每个基板限定了与另一基板的多个透镜区域L相对应的多个透镜区域L；相对于各个透镜区域L以相同间隔设置在第一基板400上的多个第一电极401a和401b；形成在第二基板500的整个表面上的第二电极501；将不同的电压提供到各个第一电极401a和401b的电压信号源Vmin，V1，V2，...，Vmax；以及填充在第一基板400和第二基板500之间的液晶层600。

电驱动液晶透镜2000包含周期性重复的具有不同光学路径的透镜区域L。在图6中，透镜区域L水平地重复，并且第一电极401a和401b具有延伸到图内的伸长的棒形式。

第一电极401a和401b可以彼此以相同间隔分离，或者根据场合的需要，可以具有从透镜区域的边缘E到中心O逐渐增大或减小的变化的间隔。

此处，第一电极401a和401b和第二电极501由透明金属构成，防止在其位置处的透射率损耗。

尽管可以以给定间隔将第一电极设置在单层中，但是，第一电极也可以被分开并设置到不同的层中。例如，如所示，第一电极401a可以形成在第一基板400上，而第一电极401b可以形成在绝缘膜402上。在这种情况下，在同一层的第一电极401a或401b可以以增大的间隔设置，适于当希望靠近地设置第一电极时防止短路。另外，从平面的观点而言，所有的第一电极401a和401b可以被密集地设置以基本上覆盖第一基板400的整个表面。

对于每个透镜区域L，将等于近似阈值电压的第一电压Vmin施加到位于透镜区域L的中心O处的第一电极，而将最高的第n个电压Vmax施加到位于透镜区域L的边缘E处的第一电极。在这种情况下，施加到位于透镜区域L的中心O和边缘E之间的第一电极401a和401b的电压的范围在从透镜区域L的阈值电压Vmin到第n个电压Vmax之间，并且随着距透镜区域L的中心O的距离增大而逐渐增大。当将电压施加到多个第一电极401a和401b时，将接地电压施加到第二电极501，在第一电极401a和401b与第二电极501之间产生垂直电场。

在施加电压时，希望施加到相邻的第一电极401a和401b的电压的差小于1V，以便在第一电极401a和401b之间不会产生过大的水平电场。

多个第一电极401a和401b围绕透镜区域L的边缘E水平对称形成。各个第一电极401a和401b通过垫区域(pad region)(即，显示板350的非显示区域)内的金属导线(未示出)被连接到对应的电压信号源Vmin，V1，V2，...，Vmax，使得对应的电压被施加到第一电极401a和401b。

此处，施加到位于透镜区域L的中心O的第一电极401a或401b的最低阈值电压Vmin是具有大约1.4V至2V的峰值的AC方波电压，并且阈值电压Vmin用  $V=\mathrm{\π}\sqrt{\frac{K1}{\mathrm{\Δ\ϵ\ϵ}0}}$ (其中，Δε是液晶介电常数各向异性，K1是液晶的弹性模量，以及ε_o是自由空间介电常数)给出。施加到位于透镜区域L的边缘E处的第一电极401a或401b的最高电压是具有大约2.5V至10V的峰值的AC方波电压。

当将范围从上述阈值电压(即，具有1.4V至2V的峰值的AC方波电压)到最高电压(即，具有2.5V至10V的峰值的AC方波电压)的电压施加到提供在电驱动液晶透镜2000内的多个第一电极401a和401b，并将接地电压施加到第二电极501时，电驱动液晶透镜2000起类似于光学抛物透镜的作用，将从显示板350发射的第一和第二图像IM1和IM2分别透射到第一和第二观察区V1和V2。如果将第一观察区V1和第二观察区V2之间的距离设置为观察者眼睛之间的距离，那么观察者就能够将透射到第一和第二观察区V1和V2的第一和第二图像IM1和IM2结合，根据双眼视差而感受到三维图像。

另一方面，当不将电压施加到第一电极401a和401b和第二电极501时，电驱动液晶透镜2000简单地用作透明层，以直接显示显示板350的第一和第二图像IM1和IM2，而没有折射。因此，第一和第二图像IM1和IM2通过两个观察区的任一个被直接透射到观察者，由此观察者感受到二维图像。

在图中，电驱动液晶透镜2000的一个透镜区域L可以对应于位于电驱动液晶透镜2000下方的显示板350的两个像素P1和P2的总宽度，并且根据场合的需要，可以对应于多个像素。另外，透镜区域L可以相对于像素以预定角度倾斜，并且根据场合的需要，可以相对于像素台阶式(stepwise)设置(第n个像素水平线的透镜区域可以相对于第n+1个像素水平线偏移预定距离)。

将每个透镜区域L限定为具有等于节距P的宽度，并且具有相同节距的 多个透镜区域L沿给定方向(图3中的水平方向)周期性重复。此处，“节距P”是指透镜区域L的水平宽度。注意，透镜区域L并不具有物理凸透镜形状，而是在电场的影响下通过液晶的定向起透镜的作用。当以节距的间隔水平重复图5的构造时，获得上述透镜区域L。

在图5和图6中，假设透镜区域L的宽度等于节距P，那么透镜区域L的中心O与边缘E之间的距离等于P/2。这意味着将对称的电压值施加到从透镜区域L的边缘E到中心O对称的第一电极401a和401b。

分别在包含第一电极401a和401b的第一基板400上和第二电极501上形成第一定向膜403和第二定向膜502。在这种情况下，为了在不施加电压于其上的初始状态下使电驱动液晶透镜2000能起透明层的作用，第一定向膜403可以具有与第一电极401a和401b的纵向方向相同的摩擦方向，或者可以具有垂直于第一电极401a的纵向方向的摩擦方向。在这种情况下，第二定向膜502具有与第一定向膜403的摩擦方向相交的摩擦方向，或者反平行摩擦方向。由此，电驱动液晶透镜2000可以使从位于其下的显示板350传输来的图像穿过，到达观察者。

多个第一电极401a和401b具有沿第一基板100的横跨(crosswise)方向(沿第一基板400的一侧)延伸的棒状。每个第一电极401a和401b具有5μm到10μm的宽度，并且相邻第一电极401a和401b之间的距离在从5μm到10μm的范围内。例如，节距P可以被改变为在从90μm到1000μm的范围内的各种值，而且，根据上述第一电极401a和401b的宽度和距离，可以在每个透镜区域基础上形成大约十到一百个或更多个第一电极。

尽管未示出，但是在第一和第二基板400和500的外周区域(包含垫区域的非显示区域)形成密封图案(未示出)，以支撑第一和第二基板400和500。第一和第二基板400和500之间的液晶层600具有等于大约15μm或更大的足够的厚度，以便形成电驱动液晶透镜的足够相位。为了稳定地保持液晶层300的厚度，可以进一步提供球状衬垫或柱状衬垫，以支撑第一和第二基板400和500之间的盒间隙。在这种情况下，有利的是对衬垫进行定位，以便不使电驱动液晶透镜的相位失真。

当具有相同宽度的第一电极401a和401b设置在第一基板400上，并且将从透镜区域L的边缘E到中心O逐渐降低的电压施加到第一电极401a和401b 时，在第一电极401a和401b和第二电极501之间产生平缓的垂直电场，并且在相邻的第一电极401a和401b之间产生稍微水平的电场。也就是说，可以观察到平缓的水平电场，其中其强度在透镜区域L的边缘E处高，而在透镜区域L的中心O处低。

表示在电场的每个位置基础上定向的液晶的光学路径的长度，透镜区域L的边缘E具有最短的光学路径，并且透镜区域L的中心O具有最长的光学路径。因此，能够理解，电驱动液晶透镜具有类似于缓和的抛物透镜的形状。

此处，将电压施加到第一电极401a和401b和第二电极501改变了电场，导致光的空间折射，伴随着抛物透镜的功能。

以下，参考根据本发明的电驱动液晶透镜的不同实施例描述施加电压前后液晶的定向形状，其根据第一和第二定向膜403和502的定向方向和液晶层600的液晶光学特性而具体化。

图7A、8A、9A和10A用截面图描绘了单个透镜区域L，其中图的中心对应于透镜区域L的边缘E，并且图的左或右侧分别对应于透镜区域L的中心O。当基于电驱动液晶透镜的光学路径之差而将所示的透镜区域L表示为透镜轮廓时，将每个均被切为一半的抛物透镜定位在透镜区域L的边缘E的相对侧。

此处，通过图7A至10A的电场实现的电驱动液晶透镜具有类似于凸透镜的光学效果，其中透镜区域L的边缘E具有最小的光学路径差，而透镜区域L的中心O具有最大的光学路径差。为了获得相同的光学效果，图7A和8A提出增大朝向边缘E的电场的强度，并且图9A和10A提出增大朝向中心O的电场的强度。

图7A是描绘根据第一实施例的电驱动液晶透镜的截面图，并且图7B和7C是描绘在图7A的构造中施加电压前后在一个透镜区域内每个距离基础上的液晶的定向形状的示图。

如图7A所示，在根据本发明的第一实施例的电驱动液晶透镜中，第一和第二定向膜403和502沿第一基板400上的第一电极401a和401b的纵向方向(沿进入图中的方向)定向。在这种情况下，液晶层600的液晶具有正的介电常数各向异性。每个第一和第二定向膜403和502是具有小于1°的倾斜角度的水平定向膜，并且其定向方向通过摩擦限定。基于第一电极401a和401b的 纵向方向，使第一和第二定向膜403和502受到沿彼此反平行方向的摩擦。

如图7B所示，在施加电压之前，液晶沿与第一定向膜403的摩擦方向相一致的第一电极401a和401b的纵向方向定向。在施加电压之后，如图7C所示，液晶受到第一电极401a和401b和第二电极501之间的垂直电场的驱动，并且液晶在施加最强垂直电场的透镜区域L的边缘E处是竖直的，并且在透镜区域L的中心O处沿初始定向方向基本上水平地定向。也就是说，从中心O到边缘E，垂直电场的强度逐渐增强，使得液晶能够根据垂直电场的强度而增大竖直程度。

在图7A中，箭头的尺寸表示垂直电场的强度。如所示，边缘E表示最强的垂直电场，并且垂直电场的强度朝向中心O减弱。

图8A是描绘根据第二实施例的电驱动液晶透镜的截面图，并且图8B和8C是描绘在图8A的构造中施加电压前后在一个透镜区域内每个距离基础上的液晶的定向形状的示图。

如图8A所示，在根据本发明的第二实施例的电驱动液晶透镜中，第一和第二定向膜403和502垂直于第一基板400上的第一电极401a和401b的纵向方向(沿图中的水平方向)定向。在这种情况下，液晶层600的液晶具有正的介电常数各向异性。每个第一和第二定向膜403和502是具有小于1°的倾斜角度的水平定向膜，并且其定向方向通过摩擦限定。基于垂直于第一电极401a和401b的纵向方向的方向，使第一和第二定向膜403和502受到沿彼此反平行方向的摩擦。

如图8B所示，在施加电压之前，液晶沿与第一定向膜403的摩擦方向相一致的与第一电极401a和401b交叉的方向定向。在施加电压之后，如图8C所示，液晶受到第一电极401a和401b和第二电极501之间的垂直电场的驱动，并且液晶在施加最强垂直电场的透镜区域L的边缘E处是竖直的，并且在透镜区域L的中心O处沿初始定向方向基本上水平地定向。也就是说，从中心O到边缘E，垂直电场的强度逐渐增强，使得液晶能够根据垂直电场的强度而增大竖直程度。

类似地，在图8A中，箭头的尺寸表示垂直电场的强度。如所示，边缘E表示最强的垂直电场，并且垂直电场的强度朝向中心O减弱。

图9A是描绘根据第三实施例的电驱动液晶透镜的截面图，并且图9B和 9C是描绘在图9A的构造中施加电压前后在一个透镜区域内每个距离基础上的液晶的定向形状的示图。

如图9A所示，在根据本发明的第三实施例的电驱动液晶透镜中，第一和第二定向膜403和502沿第一基板400上的第一电极401a和401b的纵向方向(沿进入图中的方向)定向。在这种情况下，液晶层600的液晶具有负的介电常数各向异性。每个第一和第二定向膜403和502是具有大于89°的倾斜角度的垂直定向膜，并且其定向方向通过摩擦限定。根据第一电极401a和401b的纵向方向的方向，使第一和第二定向膜403和502受到沿彼此反平行方向的摩擦。垂直定向膜具有接近于90°的定向角，没有独立的摩擦处理，并且定向方向被限定为稍微倾斜的角度(小于1°)。

如图9B所示，在施加电压之前，根据第一定向膜403接近于90°的定向角度，液晶是竖直的。在施加电压之后，如图9C所示，液晶受到第一电极401a和401b和第二电极501之间的垂直电场的驱动。具体地，基于负的介电常数各向异性，液晶垂直于垂直电场被驱动，并且在施加了最强垂直电场的透镜区域L的中心O处液晶水平取向，并且在透镜区域L的边缘E处沿初始定向方向基本上是竖直的。也就是说，从中心O到边缘E，垂直电场的强度逐渐减弱，使得垂直于电场定向的液晶能够随着垂直电场的强度减小而增大竖直程度。在图9A中，箭头的尺寸表示垂直电场的强度。如所示，中心O表示最强的垂直电场，并且垂直电场的强度朝向边缘E减弱。

在施加了最强垂直电场的中心O处，当第一和第二定向膜403和502使液晶倾斜到纵向方向时，液晶沿第一电极401a和401b的纵向方向水平定向，以限定施加电压时液晶的旋转方向。

图10A是描绘根据第四实施例的电驱动液晶透镜的截面图，并且图10B和10C是描绘在图10A的构造中施加电压前后在一个透镜区域内每个距离基准上的液晶的定向形状的示图。

如图10A所示，在根据本发明的第四实施例的电驱动液晶透镜中，第一和第二定向膜403和502垂直于第一基板400上的第一电极401a和401b的纵向方向(沿图中的水平方向)定向。在这种情况下，液晶层600的液晶具有负的介电常数各向异性。每个第一和第二定向膜403和502是具有大于89°的倾斜角度的垂直定向膜，并且相对于第一电极401a和401b的纵向方向，使第一 和第二定向膜403和502受到沿彼此反平行方向的摩擦。垂直定向膜具有接近于90°的定向角，没有独立的摩擦处理，并且定向方向被限定为稍微倾斜的角度(小于1°)。

如图10B所示，在施加电压之前，根据第一定向膜403接近于90°的定向角度，液晶是竖直的。在施加电压之后，如图10C所示，液晶受到第一电极401a和401b和第二电极501之间的垂直电场的驱动。具体地，基于负的介电常数各向异性，液晶垂直于垂直电场被驱动，由此在施加了最强垂直电场的透镜区域L的中心O处被水平定向，并且在透镜区域L的边缘E处沿初始定向方向基本上是竖直的。也就是说，从中心O到边缘E，垂直电场的强度逐渐减弱，使得垂直于电场定向的液晶能够随着垂直电场的强度减小而增大竖直程度。在图10A中，箭头的尺寸表示垂直电场的强度。如所示，中心O表示最强的垂直电场，并且垂直电场的强度朝向边缘E减弱。

在施加了最强垂直电场的中心O处，当第一和第二定向膜403和502使液晶倾斜到沿垂直于第一电极401a和401b的纵向方向的方向时，液晶沿该方向水平定向，以限定施加电压时液晶的转动方向。

以下，将描述对施加了电压时的各个实施例的构造的仿真。

图11是描绘根据第一实施例的电驱动液晶透镜的每个距离基础上的电场的仿真图，并且图12是描绘根据第二实施例的电驱动液晶透镜的每个距离基础上的电场的仿真图。

在图11和12的实施例中，假设透镜区域L的边缘E代表最强垂直电场，而中心O代表最弱垂直电场，并且液晶具有相同的正的介电常数各向异性，并且使用水平定向膜。两实施例之间的差异在于定向方向是否与第一电极的纵向方向一致。

从图11和12中可以理解，根据对应于图7A和8A的施加了电压时的仿真图，在边缘处的液晶在强大的垂直电场作用下而竖直，而在中心O处的液晶则在微弱的垂直电场作用下类似于初始定向状态定向。

图13是描绘根据第三实施例的电驱动液晶透镜的每个距离基础上的电场的仿真图，并且图14是描绘根据第四实施例的电驱动液晶透镜的每个距离基础上的电场的仿真图。

在图13和14的实施例中，假设透镜区域L的边缘E代表最强垂直电场， 而中心O代表最弱垂直电场，并且液晶具有相同的负的介电常数各向异性，并且使用垂直定向膜。两实施例之间的差异在于定向方向是否与第一电极的纵向方向一致。

从对应于图9A和10A的仿真图的图13和14中可以理解，每个图的中心表示在施加电压时产生强大垂直电场的中心O，并且图的左侧或右侧表示产生弱的垂直电场的边缘E。在这些实施例中，当施加电压时，在中心O处，最强的垂直电场使液晶水平定向，并且在边缘E处，在微弱的垂直电场作用下液晶是竖直的。此处，液晶的水平定向与定向膜的定向方向相一致。

在上述根据本发明的电驱动液晶透镜中，第一和第二定向膜平行于或垂直于第一电极的纵向方向而定向的原因是为了防止液晶任意地旋转而不是被垂直或水平定向，由此消除由于不想要的双折射而导致的限定透镜区域的光学路径差。

同样，在透镜区域内提供多个分开的第一电极的原因在于将施加在相邻的第一电极上的电压的差限定为小于1V，由此避免在位于同一基板上的第一电极之间产生过大的水平电场。更具体地，当施加到第一电极上的电压从透镜区域的边缘到中心逐渐增大(当使用具有负的介电常数各向异性的液晶时)或逐渐减小(当使用具有正的介电常数各向异性的液晶时)，在各第一电极之间产生小于阈值电压的水平电场。结果，基于ECB模式，即使液晶被平行于第一电极定向，也仅有对视觉灵敏度不产生影响的液晶旋转发生。

如果所限定的第一和第二定向膜的定向方向相对于第一电极倾斜，并且如果在施加电压时液晶的定向被改变为垂直或水平定向，那么液晶被旋转，造成不想要的双折射。这导致了透镜轮廓的变形。

将本发明设计为使透镜轮廓的变形最小化，并且具有将液晶的定向方向限定为平行或垂直于第一电极的纵向方向的特征。

在本发明的电驱动液晶透镜中，在表现出液晶旋转的区域处可以形成黑色矩阵层，并且黑色矩阵层用于遮挡具有串扰可能性的区域，即，具有光的立体显示变形的高可能性的区域，由此消除对视觉灵敏度的负面影响。

对本领域技术人员来说很明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改和变换。由此，打算使本发明覆盖落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的本发明的修改和变换。

如从上面的描述所明显看出的那样，根据本发明的电驱动液晶透镜及使用它的立体显示装置具有下面的效果。

首先，根据本发明，电驱动液晶透镜包含：彼此相对设置的第一和第二基板，其每一个具有多个透镜区域；形成在第一基板上的各个透镜区域内的多个第一电极；以及形成在第二基板的整个表面上的第二电极。将不同的电压施加到每个位置基础上的透镜区域的第一电极上，并将接地电压施加到第二电极，在每个透镜区域基础上产生具有强度差的垂直电场。当电场驱动第一和第二基板之间的液晶层时，可以实现具有与普通透镜相同的光学效果的电驱动液晶透镜。根据本发明的电驱动液晶透镜可以解决难以均匀加工各个透镜区域的问题。

第二，对于形成在第一和第二基板上的定向膜的定向方向，根据本发明，其被限定为是第一电极的纵向方向或垂直于该纵向方向。这具有防止不想要的液晶旋转的效果。

第三，根据本发明，每个透镜区域配备有多个第一电极，并且施加到第一电极的电压从透镜区域的边缘到中心逐渐增大。这消除了相邻第一电极之间过大电压差的风险，由此防止了由于第一电极之间的水平电场所产生的液晶的变形，并基于其初始定向控制了液晶的定向。

Claims (12)

1.一种电驱动液晶透镜，所述电驱动液晶透镜包括：

第一基板和第二基板，该第一基板和该第二基板彼此相对设置，并且每一个所述基板包含多个透镜区域；

多个第一电极，所述多个第一电极形成在该第一基板上以对应于各个透镜区域，同时所述多个第一电极彼此间隔开，从每个透镜区域的中心到边缘逐渐增大的电压被施加到所述多个第一电极，其中所述第一电极具有在该第一基板上沿给定方向延伸的伸长形式；

第二电极，该第二电极形成在该第二基板的整个表面之上；

第一定向膜，该第一定向膜形成在包含所述第一电极的该第一基板的整个表面之上，并且具有与所述第一电极的纵向方向相平行或垂直的定向方向；

第二定向膜，该第二定向膜形成在该第二电极上并且具有相对于该第一定向膜的反平行定向方向；以及

填充在该第一基板和该第二基板之间的液晶层。

2.根据权利要求1的电驱动液晶透镜，其中该第一定向膜和该第二定向膜是具有小于1°的倾斜角的水平定向膜。

3.根据权利要求2的电驱动液晶透镜，其中该液晶层的液晶具有正的介电常数各向异性。

4.根据权利要求3的电驱动液晶透镜，其中该第一定向膜受到平行于所述第一电极的摩擦。

5.根据权利要求3的电驱动液晶透镜，其中该第一定向膜受到垂直于所述第一电极的摩擦。

6.根据权利要求1的电驱动液晶透镜，其中该第一定向膜和该第二定向膜是具有大于89°的倾斜角的垂直定向膜。

7.根据权利要求6的电驱动液晶透镜，其中该液晶层的液晶具有负的介电常数各向异性。

8.根据权利要求7的电驱动液晶透镜，其中该第一定向膜受到平行于所述第一电极的摩擦。

9.根据权利要求7的电驱动液晶透镜，其中该第一定向膜受到垂直于所述第一电极的摩擦。

10.根据权利要求1的电驱动液晶透镜，其中施加到相邻第一电极上的各电压间的差小于1V。

11.一种立体显示装置，该立体显示装置包括：

显示板，该显示板用来发射二维图像信号；以及

电驱动液晶透镜，该电驱动液晶透镜用来直接发射来自该显示板的二维图像信号，或者将所述二维图像信号转换为三维图像信号以发射三维图像信号，

其中该电驱动液晶透镜包括：

第一基板和第二基板，该第一基板和该第二基板彼此相对设置，并且每一个所述基板包含多个透镜区域；

多个第一电极，所述多个第一电极形成在该第一基板上以对应于各个透镜区域，同时所述多个第一电极彼此间隔开，从每个透镜区域的中心到边缘逐渐增大的电压被施加到所述多个第一电极，其中所述第一电极具有在该第一基板上沿给定方向延伸的伸长形式；

第二电极，该第二电极形成在该第二基板的整个表面之上；

第一定向膜，该第一定向膜形成在包含所述第一电极的该第一基板的整个表面之上，并且具有与所述第一电极的纵向方向相平行或垂直的定向方向；

第二定向膜，该第二定向膜形成在该第二电极上并且具有相对于该第一定向膜的反平行定向方向；以及

填充在该第一基板和该第二基板之间的液晶层。

12.根据权利要求11的立体显示装置，其中，当偏振光从该显示板透射到该电驱动液晶透镜时，该偏振光的透射轴与该第一定向膜的该定向方向一致。

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