CN101833219A - 液晶透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液晶透镜，包含上基板；下基板，其相对于上述上基板设置；一对透明电极层，其设置于上述上基板及上述下基板的内侧上，其中该对透明电极层的一包含开孔形成于其中，且其边缘包含连续尖状部；一对配向膜，其设置于该对透明电极层的内侧上；以及液晶材料层，其设置于该对配向膜之间。

Description

液晶透镜

技术领域

本发明是有关于液晶透镜，特定而言是有关于一可改变曲率的液晶透镜。

背景技术

透镜是基本的光学器件，在光学仪器与设备中随处可见。随着光学技术的发展，对透镜的要求越来越高：透镜焦距的连续可变、大焦距的透镜以及相差小等。无论是哪一种，要想满足要求都会使得光学系统变得庞大而复杂。

微型透镜亦是一种重要的光学器件，目前用传统的工艺法制作主要有粒子交换法、模压成型法、光敏玻璃热成型法及光刻胶热溶成型法。由于所用材料与传统工艺的限制，使得用这些方法制作的微型透镜有一个共同特点，就是透镜只有一个焦距。要得到一个较大的焦距范围，需用一组透镜，通过机械调节透镜间的间距才能实现。使用一组透镜不仅增加器件成本，增大设备体积，而且不易有效实现所需要的焦距。而且，透镜组使用久了，由于震动等原因，可能会导致无法修正的偏心等问题。

液晶透镜可应用于很多领域，如光学成像相关领域、三维(3D)显示领域。以三维(3D)立体影像的显示技术为例，制作3D立体影像显示装置是利用双眼视差的基础来进行设计，让使用者的左眼仅观看到给左眼的影像而右眼仅观看到给右眼的影像。利用双眼视差产生立体感的显示方式多需配戴特殊器具来达成，常见的方法包含利用偏光眼镜、红蓝(绿)眼镜、快门眼镜及头盔式显示器等方式来达成。然，上述的显示方法不论成本高低都需要使用者配戴特殊器具才得以观看到立体影像，因而对使用者而言多少都会造成不便的感觉，因此，近年来则着重于开发不需要配戴任何特殊器具即可观赏到立体影像的裸眼式3D立体显示装置。

不需要配戴任何特殊器具即可观赏到立体影像的裸眼式3D立体显示装置以双眼视差的基础来设计则称为视差法裸眼式3D立体显示装置。此种3D立体显示装置为于显示器(例如液晶显示器)的光源阵列的前方设置视差屏障(Parallax)或光栅等遮蔽物，而其中光源阵列并依序传送左眼影像及右眼影像，使得透过视差屏障让使用者的左眼看到左眼影像而使用者的右眼看到右眼影像。另外不需配戴任何特殊器具即可观赏立体影像的技术亦包含集成摄影(Integral Photography，以下简称为IP)立体显示技术。主要技术原理是透过蝇眼透镜(Fly’s Eye Lens)以记录全息彩色立体图像，其中蝇眼透镜即为类似蝇眼排列组合而成的微小凸透镜阵列，也就是将一系列半球形小透镜排列在平面上，用来摄影或显示图像。由于蝇眼透镜的制作方式较为困难，因此不直接使用蝇眼透镜，而以柱状透镜分别以水平方向与垂直方向迭置来达到蝇眼透镜的效果，由于柱状透镜相较于蝇眼透镜来说较容易制作，因此可减少制作透镜的成本。近年来，人们提出了采用液晶技术制作可变焦微透镜，液晶微透镜采用光透射方式，具有控制简单，可靠性强及驱动电压低等优点，其具有巨大的潜在应用性。

传统的液晶透镜是将适当电压施加于透明电极上，以于透明电极之间形成具有梯度变化的电场。液晶材料层在受到此电场的驱动后将改变液晶的长轴方向。因此，入射线极化光波将因具有不同折射率变化的液晶材料层产生光波相位的变化，而得到如透镜般的光学成像特性。

典型的传统液晶透镜如图1所示。传统的液晶透镜包含上基板101、下基板102、透明电极层103、配向膜105以及液晶材料层106。上基板101及下基板102是相对设置。透明电极层103设置于上基板101及下基板102的内侧上。其中一个透明电极层103包含开孔104形成于其中。配向膜105进一步设置于透明电极层103的内侧上及开孔104内。液晶材料层106设置于配向膜105之间的空间内。电压107则是施加于相对的透明电极层103上，以于透明电极层103之间形成电场。

上述传统液晶透镜存在若干缺点，例如无法同时具有有效工作范围大及短焦距的特性。如图2A及图2B所示，当透明电极层103的范围为宽时，传统的液晶透镜的开孔104，即有效工作范围，遂变为狭小，且其焦距亦会变短。是故，虽上述传统液晶透镜的焦距短，光学成像性佳，但其有效工作范围小，透镜开口率小。如图3A及图3B所示，当透明电极层103的范围为窄时，传统的液晶透镜的开孔104，即有效工作范围，遂变为宽大。然而，其焦距亦会变长，故光学成像性不佳。因此，虽上述传统液晶透镜的有效工作范围大，透镜开口率大，但其焦距长，光学成像性差。

是故，现今仍需一能解决上述无法同时具有有效工作范围大及短焦距特性的问题的液晶透镜。

发明内容

为解决上述传统技术的问题，本发明是提供一种可改变曲率的液晶透镜。

于一观点中，本发明是公开一种液晶透镜，包含上基板；下基板，其相对于上述上基板设置；一对透明电极层，其设置于上述上基板及上述下基板的内侧上，其中该对透明电极层的一包含开孔形成于其中，且其边缘包含连续尖状部；一对配向膜，其设置于该对透明电极层的内侧上及开孔内；以及液晶材料层，其设置于该对配向膜之间。

本发明的一优点为本发明的液晶透镜具有有效工作范围大的特性。

本发明的一优点为本发明的液晶透镜具有透镜开口率大的特性。

本发明的一优点为本发明的液晶透镜具有短焦距的特性。

本发明的一优点为本发明的液晶透镜具有低施加电压的特性。

此类及其它优点从以下较佳实施例的叙述并伴随后附图式及权利要求范围将使读者得以清楚了解本发明。

附图说明

图1为传统液晶透镜的横切面示意图。

图2A为具有宽范围透明电极层的传统液晶透镜的俯视图。

图2B为具有宽范围透明电极层的传统液晶透镜的横切面示意图。

图3A为具有窄范围透明电极层的传统液晶透镜的俯视图。

图3B为具有窄范围透明电极层的传统液晶透镜的横切面示意图。

图4A是根据本发明的一实施例显示液晶透镜的俯视图。

图4B是根据本发明的一实施例显示液晶透镜的横切面示意图。

图5A是根据本发明的一实施例显示液晶透镜中的带状透明电极层的示意图。

图5B是根据本发明的另一实施例显示液晶透镜中的带状透明电极层的示意图。

图5C是根据本发明的又另一实施例显示液晶透镜中的带状透明电极层的示意图。

具体实施方式

本发明将以较佳实施例及观点加以叙述，此类叙述是解释本发明的结构及程序，仅用以说明而非用以限制本发明的权利要求范围。因此，除说明书中的较佳实施例以外，本发明亦可广泛实行于其它实施例中。

本发明是公开一种液晶透镜。藉由将液晶透镜的透明电极层的边缘设计为连续尖状例如锯齿状，可使本发明的液晶透镜得具有透镜开口率大、低施加电压及短焦距的特性。

如图4A及图4B所示，于本发明的一实施例中，本发明的液晶透镜包含上基板201、下基板202、一对透明电极层203、一对配向膜205以及液晶材料层206。图4A为图4B的俯视图。如图4B所示，上基板201及下基板202彼此相对设置，而透明电极层203彼此相对设置于上基板201及下基板202的内侧上。于本发明的一实施例中，上基板201及下基板202的材料包含玻璃或任何其它透明材料。于本发明的一实施例中，透明电极层203的材料包含氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)、氧化铟锌(Indium Zinc Oxide，IZO)或任何其它透明导电材料。

相对的透明电极层203中的其中的一透明电极层203包含一开孔204形成于其中。开孔204是对应至本发明的液晶透镜的有效工作范围。若开孔204的范围越大，则本发明的液晶透镜的有效工作范围越大，亦即本发明的液晶透镜的开口率越大。配向膜205彼此相对设置于开孔204内以及透明电极层203的内侧上，亦即相对的配向膜205中的其中的一配向膜205的一部分设置于开孔204内，其余部份的配向膜205设置于透明电极层203的内侧上。于本发明的一实施例中，配向膜205的材料包含聚亚酰胺(polyimide，PI)。液晶材料层206则设置于相对的配向膜205之间所形成的空间内。如图4B所示，在工作状态时，可将一电压207施加于透明电极层203之上，以于透明电极层203上累积电荷，进而于透明电极层203之间形成电场，以控制液晶材料层206的轴向分布。

如图4A所示，本发明的液晶透镜的透明电极层203在靠近开孔204的边缘上形成有连续尖状部208。于本发明的一实施例中，连续尖状部208的形状可为规则锯齿状或不规则锯齿状。如图4A所示，于本发明的一实施例中，规则锯齿状可为复数个等边三角形、等腰三角形或任意三角形所组成(图4A所示为等边三角形)。如图4A所示，上述等边三角形、等腰三角形或任意三角形的底边长为a。若底边长a越小，则连续尖状部208越尖，亦即曲率越大。曲率越大，则连续尖状部208的尖端处所累积的电荷量越多。所累积的电荷量越多，则透明电极层203的间所形成的电场则越大。透明电极层203之间形成的电场强度越大，则液晶透镜的焦距则越短。反的，若底边长a越大，则连续尖状部208越钝，亦即曲率越小。曲率越小，则连续尖状部208的尖端处所累积的电荷量越少。所累积的电荷量越少，则透明电极层203之间所形成的电场则越小。透明电极层203之间形成的电场强度越小，则液晶透镜的焦距则越长。于一实施例中，底边长a可为2微米-100微米，较佳为5微米。

于本发明的另一实施例中，如图5A至图5C所示，靠近开孔204的透明电极层亦可设置成复数条彼此相隔一预定距离的带状透明电极层203a。于本发明的一实施例中，如图5A及图5B所示，上述复数条带状透明电极层203a的一侧或两侧的边缘上可设置连续尖状部208。于本发明的一实施例中，上述复数条带状透明电极层203a边缘上的连续尖状部208的曲率可随距离液晶透镜中心的距离而改变。于一实施例中，如图5C所示，每一带状透明电极层203a边缘上的连续尖状部208的曲率与该带状透明电极层203a距离液晶透镜中心的距离呈正相关。如图5C所示，当带状透明电极层203a越靠近液晶透镜的中心时，带状透明电极层203a的边缘上所形成的连续尖状部208的曲率越小。例如，若连续尖状部208的形状为等边三角形、等腰三角形或任意三角形所组成的规则锯齿状，则带状透明电极层203a越靠近液晶透镜的中心时等边三角形、等腰三角形或任意三角形的底边长越大，连续尖状部208越钝。如图5C所示，当带状透明电极层203a越远离液晶透镜的中心时，带状透明电极层203a的边缘上所形成的连续尖状部208的曲率越大。例如，若连续尖状部208的形状为等边三角形、等腰三角形或任意三角形所组成的规则锯齿状，则带状透明电极层203a越远离液晶透镜的中心时等边三角形、等腰三角形或任意三角形的底边长越小，连续尖状部208越尖。

藉由于透明电极层203的边缘设置连续尖状部208，可使电荷更容易累积于连续尖状部208的尖端处，而增加透明电极层203上所累积的电荷量。若三角形底边长a越短，若小于两边，则其相对应于底边的夹角越尖，则累积在透明电极层203的连续尖状部208的尖端处的电荷越多。当累积在连续尖状部208的尖端处的电荷量越多，则透明电极层203之间所形成的电场则将越大。透明电极层203之间形成的电场强度越大，则液晶透镜的焦距则越短。故在施加相同电压下，连续尖状部208的设计可增加透明电极层203之间所形成的电场强度，进而使液晶透镜的液晶材料层206轴向分布所产生的液晶透镜焦距缩短。

一般而言，开孔204的范围越大，则液晶透镜的焦距亦越大。然而，透过本发明的连续尖状部208的设计，即使为了让本发明的液晶透镜开口率增加而增加开孔204的范围，仍可透过增加连续尖状部208的曲率，即缩小图4A所示的底边长a，而增加连续尖状部208的尖端处所累积的电荷量，而使液晶透镜仍保有短焦距的特性。再者，由于连续尖状部208的设计可使电荷更容易累积在透明电极层203的连续尖状部208的尖端处，故仅需施加低电压，就可产生所欲电场。因此，连续尖状部208的设计可使本发明的液晶透镜仅需施加低电压，即可达到所欲电场，进而达到所欲的短焦距。是故，如上所述，藉由连续尖状部208的设计，本发明的液晶透镜可具有透镜开口率大(即有效工作范围大)、短焦距、低施加电压的特性。

上述叙述为本发明的较佳实施例。此领域的技艺者应得以领会其是用以说明本发明而非用以限定本发明所主张的专利权利范围。其专利保护范围当视前述的权利要求范围及其等同领域而定。凡熟悉此领域的技艺者，在不脱离本专利精神或范围内，所作的更动或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含在上述的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种液晶透镜，其特征在于，包含：

一上基板；

一下基板，其相对于该上基板设置；

一对透明电极层，其设置于该上基板及该下基板的内侧上，其特征在于，该对透明电极层的其中的一者包含一开孔形成于其中，且其边缘包含连续尖状部；

一对配向膜，其设置于该对透明电极层的内侧上；以及

一液晶材料层，其设置于该对配向膜之间。

2.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，该对配向膜的一部份设置于该开孔内。

3.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，该连续尖状部的形状包含规则锯齿状。

4.如权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，该规则锯齿状包含复数等边三角形、等腰三角形或任意三角形。

5.如权利要求4所述的液晶透镜，其特征在于，该等边三角形、等腰三角形或任意三角形的底边长约为2微米-100微米。

6.如权利要求5所述的液晶透镜，其特征在于，该等边三角形、等腰三角形或任意三角形的底边长较佳约为5微米。

7.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，该连续尖状部的形状包含不规则锯齿状。

8.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，该对透明电极层的材料包含氧化铟锡或氧化铟锌。

9.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，该对配向膜的材料包含聚亚酰胺。

10.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，该对透明电极层的其中之一者包含复数条带状透明电极层，其彼此相隔一预定距离且其边缘包含该连续尖状部，该连续尖状部的曲率随该复数条带状透明电极层距离该液晶透镜中心的距离而改变。

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