CN101950085B - 液晶菲涅尔透镜 - Google Patents

Abstract

一种三维立体显示技术领域的液晶菲涅尔透镜，包括：平面显示器和菲涅尔菲涅尔液晶透镜面板，其中：平面显示器将待显示的三维图像射入菲涅尔液晶透镜面板，菲涅尔液晶透镜面板通过液晶偏转显示分别显示三维图像中的相邻帧，实现三维显示。本发明通过控制不同电极的电压使得液晶模拟菲涅尔透镜的面型，实现三维显示，且降低了液晶透镜的液晶层的厚度，缩短了响应时间。

Description

液晶菲涅尔透镜

技术领域

本发明涉及的是一种三维立体显示技术领域的装置，具体是一种用于三维自由立体显示的液晶菲涅尔透镜。

背景技术

随着显示技术的发展，人们对显示的要求越来越高，希望越来越接近现实。三维显示技术应运而生，一开始提出的三维显示模型都需要人们配带辅助的设备，如滤色技术所需要的滤色眼镜，分光技术所需要的偏振眼镜，还有头盔显示所需要的头盔等等。这些辅助设备严重阻碍了相应技术的应用范围，于是自由立体显示技术成为研究的热点。

所谓自由立体显示技术是指不需要借助其他辅助设备便能让人体验立体感受的显示技术。人眼之所以能得到立体感受主要是由于左右两眼看物体时存在角度差别，对于远近不同的物体，人眼会有亮度的差别等等，由于这些差别构成了立体感受。

经过文章和专利检索，可以发现目前有如下的一些三维立体显示技术。例如：申请号为200710048382.5的发明专利“基于偏光视差条栅屏的三维自由立体显示装置”，其利用偏振光栅器件，使不同的像素区域的光线以相互正交的偏振出射，通过合适的图像编码，观察者在佩戴偏振眼镜后，就可以使视差图像对分别进入左右眼，从而形成三维立体视觉。又如：申请号为200910047720.2的发明专利“三维立体显示装置”，其利用柱面透镜阵列对光线的偏折作用，使不同子像素发出的光线在空间上产生分离，当人眼观察时，左右眼就能够观察到不同的子像素，通过适当的图像编码，就能使人眼观察到视差图像对，从而产生立体视觉。

通过分析现有的三维立体显示技术，可以发现：对于偏振光栅式立体三维显示技术，需要观察者佩戴偏振眼睛，其会影响观看的舒适度，而且当观察者数目增多时，眼镜的数目也必须相应增加；对于传统的障栅式技术，由于障栅对屏幕的遮挡，其会大幅降低屏幕亮度；透镜式三维立体技术，其使视差图像对在空间上分离，不需要观察者佩戴眼镜就可以使观察者产生立体视觉，能提高观看舒适度，不会明显降低画面亮度，并适合多人同时观看，但是其在2D到3D的转换上却比较难以实现。

近年来，随着液晶的发展，人们利用液晶模拟透镜实现了基于液晶透镜的自由立体显示，这种技术通过控制电极驱动电压的大小来控制液晶的偏转方向，从而模拟固态透镜的折射率分布，它可以很好的实现二维与三维间的互相转换，但是有些固态透镜可能最大折射率与最小折射率之间偏差比较大，而使得液晶的折射率差无法达到这么大，并且折射率相差过大，有时候需要把液晶层厚度提高，从而降低其响应速度，影响显示效果，从而限制这种技术的发展。本文中通过类似于将一整块实体的固态透镜切割成多个小块，从而其折射率差会降低，并且前后相邻折射率差与普通液晶透镜一样，也就是即实现了模拟固态透镜的功能又是实现了即使普通液晶材料也可以用于这种二维三维可切换显示装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种液晶菲涅尔透镜，通过控制不同电极的电压使得液晶模拟菲涅尔透镜的面型，实现三维显示且降低了液晶透镜的液晶层的厚度，缩短了响应时间。

本发明是通过以下技术方案实现，本发明包括：平面显示器和菲涅尔菲涅尔液晶透镜面板，其中：平面显示器将待显示的三维图像射入菲涅尔液晶透镜面板，菲涅尔液晶透镜面板通过液晶偏转显示分别显示三维图像中的相邻帧实现三维显示。

所述的菲涅尔菲涅尔液晶透镜面板包括：两块基板、透明电极、配向层和液晶层，其中：两块基板分别位于上下相对设置，若干透明电极设置于下基板的上表面和上基板的下表面，配向层和液晶层依次由上而下设置于上基板和下基板的透明电极之间。

所述的液晶层将一个液晶透镜的折射率分布曲线分割为若干块，使切割后的每一块的最低处保持在同一水平上，且使切割后的每块透镜的曲线形状与切割前的相同。

所述的液晶层上设有聚合物层，该聚合物层的具体厚度为3微米，宽度为4微米，聚合物为：绝缘玻璃材料，该聚合物层使得折射率分布更接近于菲涅尔透镜的分布曲线，尤其在菲涅尔透镜下降的边缘处，让其下降的更快，更接近于理想的菲涅尔透镜；

所述的透明电极的排布方式为分层排列，具体为：第一层的六个透明电极位于液晶层下方1微米处，第二层的十六个透明电极位于液晶层下方1.5微米处，第三层的八个透明电极位于液晶层下方2微米处，第四层的六个透明电极位于液晶层下方6微米处。

所述的平面显示器可以是阴极射线管显示器、等离子体显示器或液晶显示器等

相对于一般的液晶透镜三维显示技术，本发明不仅包括一般液晶透镜的所有属性，即能方便实现二维三维转换，并且本发明应用范围广泛，任何常规液晶都可以用于形成菲涅尔液晶透镜，并且菲涅尔液晶透镜面板的厚度可以降低，缩短响应时间。

附图说明

图1为本实施例的结构示意图。

图2为本实施例的透镜设计示意图。

图3为本实施例的信号电极分布图。

图4为本实施例的软件建模模型图。

图5为本实施例经仿真后的折射率分布图。

图6为本实施例增加polymer wall后的软件建模模型图。

图7为本实施例增加polymer wall后的折射率分布图。

图8为本实施例改变电极排列方式的软件建模模型图。

图9为本实施例改变电极排列方式后的折射率分布图。

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。

本实施例中涉及的平面显示器采用LCDLCD17”面板，分辨率为1929*1080，子像素尺寸为63.75微米，透镜宽度为286.3微米。

如图1所示，为本实施例包括：平面显示器1和菲涅尔液晶透镜面板2，其中：平面显示器1将待显示的三维图像射入菲涅尔液晶透镜面板2，菲涅尔液晶透镜面板2通过液晶偏转显示分别显示三维图像中的相邻帧实现三维显示。

所述的菲涅尔菲涅尔液晶透镜面板2包括：两块基板3、4、公共电极6、液晶配向层7，11和液晶层5，信号透明电极9，偏振膜8以及由基层10。其中：两块基板3、4分别位于上下相对设置，信号透明电极9设置于下基板4的上表面和公共电极6设置于上基板3的下表面，液晶配向层7和液晶层5依次由上而下设置于上基板3和下基板4的电极之间。

所述的液晶层5的厚度为30微米。本实施例中，使用的液晶材料的特性参数为：ne＝1.805，no＝1.524，k1＝13.9，k2＝8.4，k3＝24.2。

所述的液晶层5的两端设有用于控制液晶厚度的隔离子12来控制，隔离子12为直径为30微米的硅小球，液晶层5内的虚线为理想折射率分布的示意图。

所述的液晶层5将一个液晶透镜的折射率分布曲线分割为若干块，使切割后的每一块的最低处保持在同一水平上，且使切割后的每块透镜的曲线形状与切割前的相同。

如图2所示，图中标号为1的表示子像素，图中的R，G，B分别表示红，绿，蓝三种子像素，象素宽度为63.75微米。图中标号2的表示模拟的透镜模型，虽然采用9视点透镜模型，但象素排列改变，使得一个透镜的宽度接近4.5个子像素宽度，这里为286.3微米，使用垂直的透镜排列，倾斜的象素排列。

如图3所示，为本实施例的信号电极分布图。由途中可以看出本实施例的信号透明电极9为周期的条状电极，18个透明电极为一个单元，构成一个周期，由于透镜是对称的，所以用18个透明电极半个透镜的折射率分布即可。V1到V18为不同的电信号，其被加载到不同的相应的透明电极上，形成电场分布，用以控制整个菲涅尔液晶透镜面板的液晶分子的偏转方向，实现所需的折射率分布曲线。

如图4所示，为通过软件建模得到的液晶菲涅尔透镜面板结构图。如图所示液晶层6位于上基板3和下基板4之间。信号透明电极9位于下基板4之内，用来模拟有机层对电场的隔离作用。

如图5所示，为仿真得到的折射率分布图，由于透镜的对称结构，图中只绘出了一半的折射率分布状况。图中实现为理想菲涅尔透镜的折射率分布，方状点分布为仿真得到的折射率分布，由图可知两个分布基本符合，在本实施例中的总共18个透明电极上的电压分别为5.95V，3.97V，3.17V，2.53V，5.94V，4.24V，3.52V，3.03V，2.60V，5.94V，4.69V，4.09V，3.72V，3.47V，3.28V，3.15V，3.06V，3.02V。由此图可以看出虽然得到的折射率分布总体上的分布趋势与理想的菲涅尔透镜接近，但其高度无法达到理想的菲涅尔透镜的高度，这必然影响最后结果。

本实施例的工作过程如下：常规的平面显示器提供需要显示的三维视差图像。菲涅尔液晶透镜面板内通过控制上下两层透明电极的电压而达到控制液晶的偏转角度的目的，通过调整好电压，可使，左眼视图信号只进入左眼，右眼视图信号只进入右眼，从而形成立体感。

针对方针结果可以看出最后的结果和理想中的结果有一定差距，为了尽量接近理想状态的曲线。在仿真的基础上提出了以下两种改进方法：第一：在液晶层内加入绝缘块状玻璃材料，块状高为3微米，宽为4微米。

如图6所示，所述的液晶层5上设有聚合物层13，该聚合物层的厚度为3微米，宽度为4微米，聚合物采用绝缘玻璃材料，该聚合物层使得折射率分布更接近于菲涅尔透镜的分布曲线，尤其在菲涅尔透镜下降的边缘处，让其下降的更快，更接近于理想的菲涅尔透镜；

如图7所示，为增加绝缘玻璃材料后所得的折射率分布。从图可知，所得结果比未加绝缘玻璃材料的结果要好，因为其高度已经接近理想菲涅尔透镜的高度，而且总体分布接近，不过顶层有一些毛刺，这个可以通过调整电极的电压来消除，这个相对于未加绝缘玻璃材料的菲涅尔透镜效果显然要好很多。

实施例2

如图8所示，本实施例中的信号透明电极9的排布方式为分层排列，具体为：第一层的六个透明电极9位于液晶层5下方1微米处，第二层的十六个透明电极9位于液晶层5下方1.5微米处，第三层的八个透明电极9位于液晶层5下方2微米处，第四层的六个透明电极9位于液晶层5下方6微米处。

如图9所示，为改变电极排列方式后所得的折射率分布。由图中可以看出，透镜高度已经接近于菲涅尔透镜的高度，且其总体分布结构与菲涅尔透镜一致，故相对于普通菲涅尔透镜结构，这种电极分布方式将会得到更好的效果。

Claims (4)

1.一种液晶菲涅尔透镜，包括：平面显示器和菲涅尔液晶透镜面板，其中：平面显示器将待显示的三维图像射入菲涅尔液晶透镜面板，菲涅尔液晶透镜面板通过液晶偏转显示分别显示三维图像中的相邻帧，实现三维显示，其特征在于：

所述的菲涅尔液晶透镜面板包括：两块基板、信号透明电极、公共电极、液晶配向层和液晶层，其中：两块基板分别位于上下相对设置，信号透明电极设置于下基板的上表面，公共电极设置于上基板的下表面，液晶配向层和液晶层设置于上基板和下基板的电极之间；

所述的液晶层类似于将一整块实体的固态透镜切割成多个小块，并且切割后的每一块的曲面最低处保持在同一水平上。

2.根据权利要求1所述的液晶菲涅尔透镜，其特征是，所述的液晶层上设有聚合物层，该聚合物层的厚度为3微米，宽为4微米，所述聚合物为绝缘玻璃材料。

3.根据权利要求1所述的液晶菲涅尔透镜，其特征是，所述的信号透明电极的排布方式为分层排列，具体为：第一层的六个透明电极位于液晶层下方1微米处，第二层的十六个透明电极位于液晶层下方1.5微米处，第三层的八个透明电极位于液晶层下方2微米处，第四层的六个透明电极位于液晶层下方6微米处。

4.根据权利要求1所述的液晶菲涅尔透镜，其特征是，所述的平面显示器可以是阴极射线管显示器、等离子体显示器或液晶显示器。

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