CN102053446B - 电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置 - Google Patents

电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置，通过这种电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置，以在一节距内各向异性地应用菲涅耳透镜的方式减小了提供给电驱动液晶透镜的液晶层的厚度。

Description

电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置
本申请要求享有2009年10月27日提交的韩国专利申请No.10-2009-0102379的权益，通过援引将该专利申请特此引入，就像在这里全部列出一样。
技术领域
本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置。尽管本发明适于很宽范围的应用，但其特别适于以在节距(pitch)内各向异性地应用菲涅耳透镜的方式来减小提供给电驱动液晶透镜的液晶层的厚度。
背景技术
一般来说，将要基于超高速信息通信网络(very high speed informationcommunication network)而建立的用于高速信息传输的各项业务，已从诸如电话业务这样的“听说”业务发展到利用能高速处理文本、语音和视频的数字终端的“视听”多媒体型业务，并且有望最终发展为通过超越时空(transcend timeand space)来观看、感受和欣赏具有立体真实性(reality)的超空间型真实3D立体信息通信业务(hyper-space type real 3D stereoscopic informationcommunication service)。
表现3维的立体图像一般是根据立体视觉的原理经由观看者双眼而实现的。因为存在双眼视差(即，双眼彼此间隔大约65mm)，所以左眼和右眼由于双眼之间的位置差而观看到稍微不同的图像。因而，这种由于双眼间的位置差引起的图像差被称为双眼像差(binocular disparity)。而且，3D立体视频显示装置利用双眼像差使左眼和右眼分别只看到供左眼的图像和供右眼的图像。
具体地说，左眼和右眼分别看到不同的2D图像。这两图像通过视网膜传输到大脑。大脑将传输的图像合成在一起，再现出原始3D图像的深度和真实性。这种能力称为立体摄影术(stereography)，并且把应用这种摄影术的装置称为立体显示装置。
同时，可根据构成实现3D(三维)的透镜的部件来对立体显示装置进行分类。例如，把使用液晶层构建透镜的类型称为液晶电场透镜(liquid crystal fieldlens)型。
液晶显示装置一般由两个电极和设置在这两个电极之间的液晶层构成。由向这两个电极施加电压而生成的电场来驱动液晶层的液晶分子。液晶分子具有极化性(polarization)和光学各向异性。这种情况下，极化性是指当液晶分子在电场内时，分子排列方向根据电场改变，并且液晶分子中的电荷被吸引到该液晶分子的两侧。光学各向异性是指由于液晶分子的细长结构和前述分子排列方向的缘故，射出光的光路或偏振状态根据入射光的入射方向或偏振状态而变化。
因此，液晶层由于施加给两个电极的电压而表现出透射比(transmittance)差，然后能通过区分每个像素的所述差来显示图像。
近来，提出了电驱动液晶透镜，其利用液晶的属性而使液晶层能起透镜的作用。
具体地说，透镜利用空气与构造透镜的物质之间的折射率差而按位置控制入射光线的光路。如果通过按电极位置施加不同的电压而在液晶层中形成电场，由此驱动液晶层，则进入液晶层的入射光按位置而具有不同的相位变化。因此，液晶层能像真实透镜一样控制入射光的光路。
下面，将参照附图描述根据现有技术的电驱动液晶透镜。
图1是根据现有技术的电驱动液晶透镜的剖面图，图2是在构造电驱动液晶透镜时施加电压之后的电位分布的曲线。
参照图1，根据现有技术的电驱动液晶透镜由第一基板10、第二基板20、以及设置在第一基板10和第二基板20之间的液晶层30构成。
在该情形中，多个第一电极11通过以第一间距彼此间隔开而形成在第一基板10上。对于这些彼此相邻的第一电极11，从这些相邻的第一电极11中的一个第一电极11的中心到下一个第一电极11的中心的距离称为节距。使用该节距作为周期来重复形成相同图案(第一电极)。
而且，在构造成与第一基板10相对的第二基板20上形成有第二电极21。
第一电极11和第二电极21由透明金属制成。液晶层30形成在第一电极11和第二电极21之间的空间中。由于对电场的强度和分布做出反应的特性的缘故，形成液晶层30的液晶具有抛物线势表面(parabolic potential surface)，并且相应地具有和图2中所示的电驱动液晶透镜类似的相位分布。
在对第一电极11施加高电压的同时将第二电极21接地的条件下，形成了上述电驱动液晶透镜。根据该电压条件，在第一电极11的中心处形成最强的垂直电场。离第一电极11越远，则垂直电场变得越弱。当构成液晶层30的液晶分子具有正的介电常数各向异性时，液晶分子沿电场排列。因此，液晶分子在第一电极11的中心处竖立。液晶分子离第一电极11越远，则它们就趋于具有越接近水平倾斜的排列。关于光传输，参照图2，第一电极的中心处的光程(light path)短。液晶分子的位置离第一电极11越远，则光程变得越长。如果在相平面上表示该光程，则其提供类似于具有抛物面的透镜的光传输效果。
在该情形中，第二电极21引起液晶电场的波动，使光的折射率成为空间抛物函数(spatially parabolic function)的形式。第一电极11形成透镜的边缘区域。
这种情况下，施加给第一电极11的电压比施加给第二电极21的电压稍高，由此，如图2中所示，在第一和第二电极11和21之间产生电位差。具体地说，在第一电极11的一部分处感生出陡变的横向电场(abrupt lateral electric field)。因而，液晶不能形成平滑的分布而是形成轻微畸变的分布，由此空间折射率分布不是抛物线型的或变得对电压非常敏感。
不采用具有物理抛物表面的透镜，通过在两个基板上形成电极、在其间夹入液晶然后对电极施加电压的方式能够制造上述电驱动液晶透镜。
然而，现有技术的电驱动液晶透镜导致下述问题。
首先，因为形成在下基板上的电极占用透镜区域的非常小的部分，所以，与该电极对应的透镜边缘区域和远离透镜边缘区域的透镜中心区域之间的电场不是平滑形成，而是产生陡变的横向电场，由此电驱动液晶透镜具有轻微畸变的相位。尤其是，在由液晶电场形成的电驱动液晶透镜中，如果透镜区域的节距进一步增加，则施加有高电压的电极受到限制，在透镜区域中施加有高电压的电极与对面基板之间产生的电场不足，就更难形成可提供与透镜相同效果的具有平缓抛物面的电驱动液晶透镜。
第二，在大尺寸显示装置中，因为远离其中设置有电极的透镜区域边缘区域的透镜中心区域几乎不具有电场效果，所以很难通过该区域中的电场来调整液晶排列(arrangement)。有时，如果透镜中心区域中的调整比较困难或者不可能，则相应的电驱动液晶透镜具有不连续的透镜外形(profile)，因此很难用作透镜。
第三，根据施加有高电压的单个电极与设置在对面基板表面的电极之间的垂直电场而按节距形成的电驱动液晶透镜的高度(垂度(sag))是相等的，且电驱动液晶透镜的高度应具有上下裕度(upper and lower margin)。因而，电驱动液晶透镜需要大量的液晶。随着电驱动液晶透镜的高度增加，液晶消耗以体积单位(volume unit)增加。因此，成本增加且工艺性能下降，由此需要许多努力去改善。
第四，电驱动液晶透镜的焦距与其高度(垂度)成反比。为了制造具有短焦距的电驱动液晶透镜，液晶层需要相当大的高度，导致成本上升。
发明内容
因此，本发明涉及一种基本上克服了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题的电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置。
本发明的一个目的是提供一种电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置，通过这种电驱动液晶透镜及使用其的立体显示装置，以在一节距内各向异性地应用菲涅耳透镜的方式减小提供给电驱动液晶透镜的液晶层的厚度。
在下面的描述中将部分地列出本发明的其它的优点、结果和特征，对于本领域普通技术人员来说，根据对下面的描述的研究，这些优点、结果和特征的一部分将是显而易见的，或者可从本发明的实施领会到。通过说明书、权利要求以及附图中特别指出的结构可实现和获得本发明的这些结果和其他优点。
为了实现这些结果和其它的优点，根据本发明的目的，如这里具体表示和概括描述的那样，一种根据本发明的电驱动液晶透镜包括：构造成彼此相对且其上相应地限定有多个透镜区域的第一基板和第二基板；以彼此间隔开的方式分别设置到该第一基板的透镜区域的多个第一电极；形成在该第二基板整个表面上的第二电极；第一电压源，其给每个透镜区域的各个子区域施加不同的电压，以使不同的透镜高度对应于每个透镜区域的不同子区域；给该第二电极施加一恒定电压的第二电压源；和设置在该第一基板和该第二基板之间的液晶层。
优选地，该第一电压源分别给每个透镜区域的多个子区域施加不同的电压，从而在包括该透镜区域的中心的子区域中形成一在该透镜区域中心处具有顶点的抛物线形状的对称透镜，并在该透镜区域的左右子区域中形成对称的三角形透镜。
更优选地，当给所述第一电压源施加电压时，使包含所述透镜区域中心的所述子区域具有最大的透镜高度。
更优选地，所述不同的电压以施加给位于从所述子区域中心到所述子区域边缘的范围内的第一电极的方式，分别逐渐增加地施加到包含所述透镜区域中心的所述子区域。
更优选地，以等于虚拟抛物线透镜的曲面的值对应于所述三角形透镜的一个边的方式，所述不同的电压施加给用于形成所述透镜区域的所述左右子区域中的所述三角形透镜的第一电极。
优选地，所述多个第一电极形成在所述第一基板上的同一层上。
优选地，所述电驱动液晶透镜进一步包括所述第一基板上的至少一个绝缘层。在该情形中，所述至少一个绝缘层和所述多个第一电极位于所述第一基板上不同位置。
在本发明的另一个方面中，一种立体显示装置包括：电驱动液晶透镜，其包括：以其中限定有多个透镜区域的方式构造成彼此相对的第一基板和第二基板、通过彼此间隔开而设置到所述第一基板上的透镜区域的第一组的多个第一电极、一形成在所述第二基板整个表面上的第二电极、和一夹在所述第一基板和第二基板之间的液晶层；一设置在所述电驱动液晶透镜之下用以传输2D视频信号的显示面板；和一电压源，其构造成以将每个透镜区域分割为透镜高度彼此不同的多个子区域的方式，分别给所述第一电极施加每一子区域都不同的电压，所述电压源构造成给所述第二电极施加恒定电压。
优选地，根据所述电压源的操作进行2D或3D切换。
优选地，在3D显示的情形中，以下述方式通过所述电压源给所述第一电极和第二电极施加电压，即，分别给每个透镜区域的所述多个子区域施加不同电压，从而在包括该透镜区域中心的子区域中形成一在该透镜区域中心处具有顶点的抛物线形状的对称透镜，并在该透镜区域的左右子区域中形成对称的三角形透镜。
更优选地，当给所述电压源施加电压时，使包含所述透镜区域中心的所述子区域具有最大的透镜高度。
因此，本发明提供了下面的效果和优点。
首先，当限定形成在电驱动液晶透镜不同基板上的电极之间的液晶层的厚度时，以菲涅耳透镜的形状，对于每一节距都将透镜区域分割为多个子区域，并且将电压施加给每个子区域。因此，降低了最高点处的透镜高度，从而减小了液晶层的整体厚度。
第二，根据透镜区域每一节距的多个区域，提供不同的电压施加部分。透镜高度具有从中心向边缘下降的值，反之亦然。因而，如果以由最高点的透镜高度加上预定裕度所获得的值形成液晶层，那么电驱动液晶透镜变成是可驱动的，由此，液晶层不必具有考虑到透镜的不连续面时的额外裕度。因此，本发明不必增加液晶层的厚度。
第三，当透镜区域每一节距都分割为多个区域时，对于所述多个区域的分割存在限制。尽管每一节距分割的子区域的数量没有增加，但本发明能根据有差异的透镜高度分布(differential lens height distribution)减小液晶层的厚度。
第四，本发明减小了液晶层的厚度，由此提供了纤薄的立体显示装置并降低了上升的成本。而且，本发明能使焦距减小，由此提高立体显示的精确性。
应当理解，本发明前面的一般性描述和下面的详细描述都是例示性的和解释性的，意在对要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
所包括用以给本发明提供进一步理解并结合在内组成本申请一部分的附图图解了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是根据现有技术的电驱动液晶透镜的剖面图；
图2是在构造电驱动液晶透镜时施加电压之后的电位分布的曲线；
图3是根据本发明的电驱动液晶透镜的剖面图；
图4是在一般电驱动液晶透镜中，给对应于一个节距的第二电极施加电压的一类布局图；
图5是假使将图3或图4中所示的电驱动液晶透镜分割为多个各向同性菲涅耳透镜的时候，菲涅耳透镜与一般电驱动液晶透镜相比的曲线；
图6是在将一个节距各向异性地分割为多个菲涅耳透镜的情形中每一区的液晶透镜和在将一个节距各向同性地分割为多个菲涅耳透镜的情形中每一区的液晶透镜的对比曲线；
图7是当用本发明的电驱动液晶透镜实现将透镜高度分割为不同高度的菲涅耳透镜时预计的透镜形状的曲线；
图8是根据本发明的电驱动液晶透镜的剖面图；
图9是图8中所示的电驱动液晶透镜的透视图；
图10是在模拟(simulation)根据本发明的电驱动液晶透镜时每一节距的排列的剖面图；
图11是图10中所示的电位模拟的视图；
图12是通过实施图10中所示的电驱动液晶透镜而形成的透镜形状与预计的透镜形状之间的对比曲线；以及
图13是在根据本发明的电驱动液晶透镜的预计或实际应用中使用一只眼睛的按距离的光强的曲线。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的优选实施方式，附图中图解了这些实施方式的一些例子。只要可能，在整个附图中使用相同的参考标记表示相同或相似的部件。
图3是根据本发明的电驱动液晶透镜的剖面图。图4是在一般电驱动液晶透镜中，给对应于一个节距的第二电极施加电压的一类布局图。
参照图3和图4，根据本发明的电驱动液晶透镜包括：构造成彼此相对设置且其上对应限定有多个透镜区域的第一基板和第二基板50和60；在第一基板50的透镜区域分别以彼此间隔开的方式设置的多个第一电极51；形成在第二基板60整个表面上的第二电极61；构造成分别给多个透镜区域的多个第一电极按子区域来施加不同电压的电压源(V0到Vmax)，该电压源给第二电极施加一恒定电压；以及设置在第一基板和第二基板50和60之间的液晶层55。
在该情形中，第一电极51分别通过接触孔70与用于施加不同电压V0到Vmax的金属线65连接。
根据本发明的电驱动液晶透镜具有根据透镜表面的外形而从2D视频信号射出3D视频信号的功能。电驱动液晶透镜位于用于实现2D的显示面板(图中没有示出)之上，并起如下作用，即，根据有没有施加电压而选择性地射出3D视频信号或2D视频信号。具体地说，在没有施加电压的情形中使用透过光的特性，电驱动液晶透镜能起到在没有施加电压的情形中进行2D显示或在有施加电压的情形中进行3D显示的开关的作用。
在该情形中，第一电极和第二电极51和61可分别由透明金属形成，以防止在设置有电极的部分处的透射比损失。
在形成对于透镜区域具有一个抛物线形状的液晶电场透镜时，给透镜区域的中心施加大致相当于阈值电压的第一电压V0。而且，给位于每个透镜区域的边缘部分处的第一电极51施加最高的第n个电压Vmax。对于分别施加给位于透镜区域中心和边缘之间的第一电极51的电压，以向离开透镜区域的中心的方向逐渐增加的方式，施加其范围从第一电压V0到第n个电压Vmax的电压。因而，如果给第二电极61施加电压，像地电压这样的恒定电压，则分别给多个第一电极51施加一阈值电压以及诸如此类的电压，从而在第一电极51和第二电极61之间形成垂直电场。
多个第一电极51以关于透镜区域的中心成两侧对称(bisymmetric)的方式形成在透镜区域中。第一电极51通过焊盘部(pad part)(对应于显示面板的非显示单元)上的电压施加线65而与相应的电压源V0到Vmax连接，以分别接收相应的电压。
在该情形中，施加给第一电极51的最小阈值电压V0是具有设定至大约1.4～2伏的峰值的矩形脉冲，其可由计算(Δε是液晶介电各向异性，K1是液晶的弹性系数，并且ε0是真空介电常数)。此外，在施加给第一电极51的电压之中与透镜区域的边缘对应的最高电压是具有设定至大约2.5～10伏的峰值的AC矩形脉冲。
在水平方向上以设为一个节距P的周期重复具有图3和图4中所示形状的透镜区域L。
多个第一电极51沿第一基板50的垂直方向(穿透附图的方向)形成为条形(rod shape)。每个第一电极51的宽度设为5～10μm。彼此相邻的第一电极51之间的间隙设为5～10μm。例如，节距可在90～1,000μm之间变化。根据第一电极51的宽度和间隔间隙，每个透镜区域可形成10到100个节距。
此外，在第一基板和第二基板50和60的外围区域(即，包括焊盘部的非显示区域)上形成有用于支撑的密封图案(图中没有示出)。此外，第一基板和第二基板50和60之间的液晶层55形成为具有足够的厚度，从而以给抛物透镜的最大高度增加预定裕度的方式，以充分的相位形成电驱动液晶透镜。为了稳定地保持液晶层55的厚度，可以进一步设置用来保持第一基板和第二基板50和60之间的盒间隙的球状或柱状间隔物(spacer)。在该情形中，间隔物优选设置在不会使电驱动液晶透镜的相位畸变的位置。
但是，如前面所述，在LC电场透镜构造成每一节距都构建一个抛物透镜的情形中，因为抛物透镜的高度很大，所以需要以将抛物透镜的高度和预定裕度加在一起获得的值来形成液晶层。因此，液晶层应形成为具有相当大的厚度，从而消耗大量的液晶用于液晶层，由此工艺负担和成本可能升高。
此外，在液晶显示面板设置在电驱动液晶透镜下面的情形中，液晶显示面板的厚度设为3～5μm的范围。在该条件下建立工艺。在每一节距设置一个抛物线透镜的情形中，所述厚度一般设为20μm或更高。因此，一般的液晶层形成工艺大大降低了电驱动液晶透镜的工艺性能。
在下面的描述中，解释了采用菲涅耳透镜的方案来减小液晶层厚度的例子。
图5是假使将图3或图4中所示的电驱动液晶透镜分割为多个各向同性菲涅耳透镜的时候，菲涅耳透镜与一般电驱动液晶透镜相比的曲线。
首先，菲涅耳透镜是一种聚光透镜并具有较小的像差，其以设置几个带图案(band pattern)并给每个带图案赋予棱镜功能的方式来减小其厚度。
参照图5，例如，在将菲涅耳透镜应用于电驱动液晶透镜的情形中，将一个节距分割为多个间隔，给中心设置相对较小的抛物透镜，而其余的左右区域使用虚拟抛物透镜的一个曲面，最高达到与中心处的菲涅耳透镜的最大高度对应的值。
在采用菲涅耳透镜的情形中，在左右虚拟抛物透镜的一个曲面与中心处的抛物型透镜之间的边界上形成不连续表面。
但是，在将菲涅耳透镜应用于电驱动液晶透镜的情形中，因为与一个节距对应的宽度不够宽，所以对于分割节距存在限制。并且，节距的分割区之间的边界具有不连续表面，从而产生误差。电驱动液晶透镜的畸变值相应产生，所以需要解决该问题。
在下面的描述中，在通过将透镜区域的一个节距分割为多个区而应用菲涅耳透镜的情形中，解释了在考虑到这些区之间不连续表面的误差值的情况下设计电驱动液晶透镜的一个例子。
图6是在将一个节距各向异性地分割为多个菲涅耳透镜的情形中每一区的液晶透镜与在将一个节距各向同性地分割为多个菲涅耳透镜的情形中每一区的液晶透镜的对比曲线。
在图6中，“a”显示了下述情形，即，将透镜区域的一个节距分割为具有各向同性透镜高度的多个区并将一般的菲涅耳透镜(非电驱动液晶透镜)应用于所述多个区，以具有1/3透镜高度；“b”显示了下述一个例子，即，将透镜区域的一个节距分割为多个区并将菲涅耳透镜应用于除中心之外的其余区，以分别在各个区边界上具有不同透镜高度的顶点峰值；而“c”表示下述一个例子，即，将透镜区域的一个节距分割为多个区并通过将透镜高度设为分别在各个区的各中心处具有不同顶点峰值来应用菲涅耳透镜。尤其是，图6中所示的曲线“c”对应于本发明的电驱动液晶透镜。
在对应于“a”的曲线中，与中心处的小抛物透镜相比，所述中心的右区或左区中的曲线对应于一抛物线的一个曲面，该抛物线具有高度为所述中心处的小抛物透镜高度三倍的顶点。除中心之外的其余区中的曲线对应于具有相同形状的所述抛物线的一个曲面。透镜形状以下述方式翻转，即，所述曲线在这些区的每个边界的顶点处具有值0。例如，当虚拟抛物线的顶点高度为49.1μm时，曲线“a”设为在中心处小抛物透镜中具有是其1/3的大约16.4μm的高度，并且其余区中透镜高度的顶点峰值设为相同的值。但是，这显示了应用非电驱动液晶透镜的一个例子。在像真实的电驱动液晶透镜一样形成具有光程差的电驱动液晶透镜的情形中，由不连续表面产生误差值。
在对应于“b”的曲线中，一个节距被分割为多个区，并且高度不同的菲涅耳透镜作为电驱动液晶透镜分别应用于这些区。曲线“b”提出了下述一种形状，即，除中心之外的左右区中的各透镜顶点设在这些区的边界。但是，在将不同高度分别应用于这些区时，由于这些区的边界的不连续表面的特性的缘故，相应的高度变为比原始菲涅耳透镜的高度相对更高。因此，边缘上的透镜高度较大，由此液晶层的厚度增加。
在对应于本发明的电驱动液晶透镜的曲线中，当通过将电驱动液晶透镜的一个节距分割为多个子区域而应用高度不同的菲涅耳透镜时，透镜顶点设在每个子区域的中心而不是子区域的边界，透镜关于每个子区域的中心成两侧对称形成。在该情形中，透镜顶点设在包括所述中心的所述子区域并对应于其余子区域中的虚拟抛物线的一个曲面。然后施加相应电压。例如，与图6中的曲线“a”相比，中心处的透镜高度降低，由此能减小包含在整个电驱动液晶透镜中的液晶层的厚度。在附图中所示的例子中，所述厚度为11.8μm，其降低了原始菲涅耳透镜厚度的大约20％。有时，透镜区域中心的高度可通过修改施加到每个第一电极的电压值而改变。
在该情形中，本发明的电驱动液晶透镜可包括图3中所示的多个第一电极和具有盒电极(box electrode)形状的第二电极，或者可使用图8和图9中所示的后述结构。
有时，对于每一透镜区域的多个子区域，在包括透镜区域中心的子区域中对称地形成一在该透镜区域中心处具有顶点的抛物线形状的透镜。对于透镜区域的左右子区域，在左右子区域中对称地形成三角形的透镜。为此，施加不同的电压以提供与图6中的“c”对应的透镜形状。
在每个左侧子区域中形成三角形透镜的情形中，将一个边形成为对应于虚拟抛物透镜的一个曲面，而另一个边从相应子区域的透镜高度顶点开始，在产生“b”的不连续表面的区段(水平宽度)内逐渐下降。
当施加电压源的电压时，包括所述透镜区域中心的子区域设为具有最大透镜高度。在该情形中，在包括所述透镜区域中心的所述子区域中，以电压逐渐升高的方式分别给从位于中心到位于边缘的第一电极施加这些电压。
此外，在透镜区域的左右子区域中，以三角形透镜的一个边与等于虚拟抛物透镜一曲面的值对应的方式，分别给其中形成有这些三角形透镜的部分中的第一电极施加不同的电压。
在透镜区域的各子区域中，给中心施加最小电压，而给边缘施加向着边缘增加的电压。
图7是当以本发明的电驱动液晶透镜实现将透镜高度分割为不同高度的菲涅耳透镜时预计的透镜形状的曲线。
参照图7，例如，计算本发明的电驱动液晶透镜的每一区域的坐标值。首先，把一透镜区域的一个节距设为p。把参考(referred-to)虚拟抛物透镜D的最大高度设为q。把包括该透镜区域中心的子区域的透镜高度设为h。把在一电驱动液晶透镜中实现一菲涅耳透镜时预计的误差部分宽度(erroneous partwidth)设为d。该坐标值是本发明的预计电驱动液晶透镜e的每个区(xn，yn)的相关值(correlation value)。
在该情形中，参考虚拟抛物透镜的高度y为
该区(xn，yn)的相关值如下表示。
x1＝x|y＝h
x2＝x1+d
x 3 = x | y 3 = h
x4＝x3+d
y1＝y
y 2 = - y | x = x 1 d x + x 2 × y | x = x 1 d
y3＝y-y|x＝x2
y 4 = - y | x = x 3 d x + x 4 × y | x = x 3 d
y5＝y-y|x＝x4
图8是根据本发明的电驱动液晶透镜的剖面图。图9是图8中所示的电驱动液晶透镜的透视图。
与图3和图4相比，图8和图9显示了下面一个例子。首先，第一电极111和112分为两组。在这两组之间设置有层间绝缘层(insulating interlayer)115。第一电极111和112以宽度和间隔从边缘向中心逐渐减小的方式形成。
下面详细描述根据本发明的电驱动液晶透镜。
根据本发明的电驱动液晶透镜包括：布置成彼此相对且在其中限定有多个透镜区域的第一基板和第二基板110和120；在第一基板110上通过彼此间隔开而设置到透镜区域的第一组的多个第一电极111；形成在第一基板110上以覆盖第一组的所述多个第一电极111的层间绝缘层115；形成在层间绝缘层115上并至少与第一基板110的没有(free from)第一组的第一电极111的那些部分交叠的第二组的第一电极112；形成在第二组的第一电极112上的第一定向层116(图8中省略)；形成在第二基板120整个表面上的第二电极121；形成在第二电极121上的第二定向层122；电压源(V0到Vmax)，其构造成以将每个透镜区域分割成像图6中所示“c”一样的多个子区域的方式，分别给每一子区域的第一电极施加不同的电压，该电压源构造成给第二电极施加恒定电压；和夹在第一基板与第二基板110与120之间的液晶层150。
该透镜区域限定为具有与一个节距对应的宽度。在一个方向(在图4中的水平方向)上周期性重复具有同样节距的透镜区域L。在该情形中，一个节距P表示一个透镜区域的水平宽度。透镜区域不具有像凸透镜这样的物理透镜形状，而是表示以液晶根据电场的施加而定向的方式具有透镜功能的区域。透镜区域L的中心O与透镜区域L的边缘E之间的距离为P/2。透镜构造成具有关于透镜区域的中心两侧对称的形状。
在没有施加电压时的初始状态中，第一定向层和第二定向层116和122使电驱动液晶透镜能起透射层(transmittive layer)的作用。为此，第一定向层116的摩擦方向设为与第一电极111和112的相同，而第二定向层122的摩擦方向设为与第一定向层116的摩擦方向交叉。由此，2D图像可从显示面板(图中没有示出)透射传输给观看者。
在此没有描述图8和图9中的其余部分，但它们可参考之前对图3和图4中相同或相似部分的描述。
在根据本发明的电驱动液晶透镜中，电压施加设为分别给每一节距的子区域施加不同的电压。
图10是在模拟根据本发明的电驱动液晶透镜时每一节距的排列的剖面图。图11是图10中所示的电位模拟的视图。
参照图10，例如，第一组的那些第一电极111和第二组的那些第一电极112以相同的间隔和宽度形成。第二组的那些第一电极112以至少与第一基板110的没有第一组的第一电极111的那些部分交叠的方式，布置为与第一组的那些第一电极稍微不重合(misalign)。
在该例子中，液晶层150形成为大约16μm厚。该例子对应于前面的将图6中所示曲线c中的真实电驱动液晶透镜的顶点峰值(子区域中心处的透镜高度)设为11.8μm的情形的例子。给所述顶点峰值增加大约4.2μm的裕度，以提供形成液晶层的例子。
在该曲线中，如果透镜区域的一个节距设为215.64μm，则由O表示的部分对应于透镜区域的中心(透镜高度的峰值)，而与横轴上107.82μm对应的部分对应于透镜区域的边缘。
对于电位，最高电位位于横轴上大约56μm处。在该情形中，如果将范围从横轴上0μm到大约56μm的透镜区域分割为多个子区域，则抛物线的半边形状对应于含所述透镜区域中心的子区域从顶点峰值到0的高度范围。
对应于82μm和107.82μm的那些位置分别具有高点的电位。这些位置分别对应于透镜的低点。
图12是预计的透镜形状与通过实施图10中所示的电驱动液晶透镜而形成的透镜形状之间的对比曲线。
图12显示了当图11中所示的曲线在水平轴上移动了107.82μm时的曲线。在图12中，“A”表示根据本发明的电驱动液晶透镜的预计曲线，“B”表示根据本发明的电驱动液晶透镜的真实应用曲线。可以看出，在子区域的中心处，两条曲线的大部分彼此重叠。尽管在外侧透镜的顶点处，两条曲线彼此稍微不同，但可以看出，可以几乎没有误差地实现电驱动液晶透镜。
图13是在根据本发明的电驱动液晶透镜的预计或实际应用中使用一只眼睛的按距离的光强的曲线。
图13显示了在使用右眼或左眼观看电驱动液晶透镜的情形中，当水平位移调整为最佳观测距离350mm时的相应光强。可以看出，预计和实际应用的值几乎彼此相等。
在该情形中，双眼之间的间隔为65.5mm。在预计和实际应用的每一情形中，FWHM(半峰全宽(full width at half maximum))为56.1mm。在预计的情形中，与用光强的最小值除以其最大值获得的值对应的串扰率(crosstalk rate)等于或小于7.7％。在实际应用的情形中，串扰率等于或者小于9.7％。因此，仅仅存在串扰率的差别。
因此，可以看出，在应用本发明的电驱动液晶透镜的情形中，电驱动液晶透镜形成有与预计近似的值。
在图13中所示的最佳观看距离的水平位移调整的情形中，示出了对应于左右眼中一只眼的相应的光强曲线。在另一只眼的情形中，以下述方式构造另一只眼相应的光强曲线，即，关于该图的曲线处的这一点翻转该曲线。
对于液晶显示装置，当确定了设置在电驱动液晶透镜的不同基板上的电极之间的液晶层的厚度时，将透镜区域的一个节距分割为多个子区域。分别给每个子区域施加电压。因为能降低顶点的透镜高度，所以可减小液晶层的厚度。具体地说，根据透镜区域的每一节距的多个区域，分别提供不同的电压施加间隔。在透镜高度从中心向边缘降低的方式下(反之亦然)，如果以由给顶点的透镜高度加上预定裕度所获得的值设置液晶层，那么电驱动液晶透镜就变成可驱动的。因此，液晶层不必具有考虑到透镜的不连续表面时的额外裕度，由此不必增加液晶层的厚度。
此外，在除抛物线形状中心处的子区域之外的左右子区域中，以把一个边设成抛物线形状的一个曲面并考虑对面的侧边(该侧边对应于一般菲涅耳透镜的误差宽度)的方式设定电压值，由此可降低实际实现的透镜的高度。
因此，当透镜区域每一节距都分割为多个区域时，对于所述多个区域的分割存在限制。尽管每一节距分割的子区域的数量没有增加，但本发明能根据有差异的透镜高度分布减小液晶层的厚度。
最后，本发明减小了液晶层的厚度，由此提供了纤薄的立体显示装置并降低了上升的成本。而且本发明能使焦距减小，由此提高了立体显示的精确性。
对于本领域技术人员来说很明显的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，能对本发明进行各种修改和变化。因而，意在使本发明覆盖落入所附权利要求(所要求保护的技术方案)及其等同物范围内的本发明的修改和变化。

Claims (11)

1.一种电驱动液晶透镜，包括：
第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板构造成彼此相对且相应在其上限定有多个透镜区域；
多个第一电极，所述多个第一电极分别设置到所述第一基板的透镜区域，所述多个第一电极彼此间隔开；
第二电极，所述第二电极形成在所述第二基板的整个表面上；和
液晶层，所述液晶层设置在所述第一基板和所述第二基板之间；
其特征是所述电驱动液晶透镜进一步包括：
第一电压源，所述第一电压源给每个透镜区域的各子区域施加不同的电压，以得到与每个透镜区域的不同子区域对应的不同透镜高度；和
第二电压源，所述第二电压源给所述第二电极施加恒定电压，
其中透镜顶点设在每个子区域的中心，并且透镜关于每个子区域的中心成两侧对称形成。
2.根据权利要求1所述的电驱动液晶透镜，其中所述第一电压源分别给每个透镜区域的多个子区域施加不同的电压，从而在包括该透镜区域中心的子区域中形成一在该透镜区域中心处具有顶点的抛物线形状的对称透镜，并且在该透镜区域的左右子区域中形成对称的三角形透镜。
3.根据权利要求2所述的电驱动液晶透镜，其中当给所述第一电压源施加电压时，使包含所述透镜区域的所述中心的所述子区域具有最大的透镜高度。
4.根据权利要求2所述的电驱动液晶透镜，其中，所述不同的电压以施加给位于从所述子区域的中心到所述子区域的边缘范围内的第一电极的方式，分别逐渐增加地施加到包含所述透镜区域的所述中心的所述子区域。
5.根据权利要求2所述的电驱动液晶透镜，其中，以所述三角形透镜的一个边与等于虚拟抛物线透镜的曲面的值对应的方式，所述不同的电压施加给所述第一电极，用于形成所述透镜区域的所述左右子区域中的所述三角形透镜。
6.根据权利要求1所述的电驱动液晶透镜，其中所述多个第一电极形成在所述第一基板上的同一层上。
7.根据权利要求1所述的电驱动液晶透镜，进一步包括所述第一基板上的至少一个绝缘层，其中所述至少一个绝缘层和所述多个第一电极以不同的方式设置于所述第一基板上。
8.一种立体显示装置，包括：
电驱动液晶透镜，包括：
第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板以其中限定有多个透镜区域的方式布置成彼此相对；
第一组的多个第一电极，所述第一组的多个第一电极通过彼此间隔开而设置到所述第一基板上的透镜区域；
第二电极，所述第二电极形成在所述第二基板整个表面上；和
液晶层，所述液晶层夹在所述第一和第二基板之间；和
显示面板，所述显示面板设置在所述电驱动液晶透镜之下，用以传输2D视频信号；
其特征是所述立体显示装置进一步包括：
第一电压源，所述第一电压源构造成以将每个透镜区域分割为透镜高度彼此不同的多个子区域的方式，分别给所述多个第一电极施加每一子区域都不同的电压；以及
第二电压源，所述第二电压源构造成给所述第二电极施加恒定电压，
其中透镜顶点设在每个子区域的中心，并且透镜关于每个子区域的中心成两侧对称形成。
9.根据权利要求8所述的立体显示装置，其中根据所述第一电压源和所述第二电压源的操作进行2D或3D切换。
10.根据权利要求8所述的立体显示装置，其中，在3D显示的情形中，以下述方式通过所述第一电压源和所述第二电压源给所述多个第一电极和所述第二电极施加电压，即，分别给每个透镜区域的所述多个子区域施加不同的电压，从而在包括该透镜区域中心的子区域中形成一在该透镜区域中心处具有顶点的抛物线形状的对称透镜，并且在该透镜区域的左右子区域中形成对称的三角形透镜。
11.根据权利要求10所述的立体显示装置，其中，当给所述第一电压源和所述第二电压源分别施加电压时，使包含所述透镜区域的所述中心的所述子区域具有最大的透镜高度。
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