CN102156319A - 具有渐变折射率特性的双折射元件以及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有渐变折射率特性的双折射元件以及其制造方法。所述双折射元件，包含至少一液晶层，此液晶层包含多个透镜段。每一透镜段中包含多个液晶分子，这些液晶分子的方向随着液晶分子在透镜段中的位置而有所不同。
Description
技术领域
本发明是有关于一种光学元件，特别是有关于一种具有渐变折射率特性的双折射元件以及其制造方法。
背景技术
目前已经有相关文献(例如：世界知识产权组织专利公开第WO-03/015424号案与第WO-2005/006056号案)提到具有表面起伏结构的双折射光学元件。这种双折射光学元件主要是在彼此对齐的等向性材料与双折射材料之间形成一个表面起伏的接口。具有第一偏光状态的光线在穿过这个接口时会产生第一阶折射率，而具有第二偏光状态的光线在穿过这个接口时则会产生不同的第二阶折射率。
如图1所示，具有表面起伏结构的双折射元件可使用液晶空隙填充法形成。等向聚合物层4可借由例如紫外光成形、压印、热成形或其它已知的方法形成在基板2的表面上，其中基板2的材质例如可为玻璃或聚合物基板。配向层6可借由例如旋转涂布、印刷或其它已知的方法形成在等向聚合物层4的表面上，配向层6的材质例如可为聚酰亚胺(Polyimide)。上述的配向层6在固化与摩擦后将产生一配向特性。另一基板8与其配向层10在配向层6与10之间形成间隙。在填充时，制造者可在高温下沿方向14将液晶材料12毛细填充至间隙中。
上述的液晶材料12是一种可固化液晶材料。在这个例子中，液晶材料12在填充后，制造者可使用紫外光灯管28或电子束辐射来照射液晶材料12，使液晶材料12固化。这种材料能让装置具有较高的耐用性与较小的厚度。
但这样的填充工艺在实务上仍有许多问题上有待解决。举例来说，长圆柱形透镜数组是常见的表面起伏结构。在这种长圆柱形透镜数组中，制造者常常是沿着透镜的长度方向毛细填充液晶材料。然而，这种长圆柱形透镜数组却很容易在填充时发生堵塞的现象，使得制造者无法均匀地将液晶材料填充至长圆柱形透镜数组中，因而导致气泡的产生而降低透镜的光学表现。虽然制造者可以扩大配向层6与10之间的间隙来避免堵塞，但这样的作法将因使用较多的材料使得成本增加。再者，液晶材料越多越厚，成品的均匀度就会越难控制，因此最终的产品很可能会因为不平坦，而导致在自动立体显示系统中产生不均匀的光输出。
此外，在液晶材料为可固化液晶材料的范例中，由于含氧的气泡会抑制某些种类的液晶材料固化，因此液晶材料内将产生局部应变，使得液晶材料在气泡附近的配向质量降低。虽然在填充期间使用真空装置能够避免气泡的形成，但真空设备的缺点是售价昂贵，且用于真空填充的高真空度可能会与透镜所使用的聚合材料不兼容。
图1所示的双折射元件需要有基板2与8，但这样的基板2与8通常具有0.4毫米以上的厚度，因此双折射元件的整体厚度也不会太低。为了减少双折射元件的整体厚度，制造者可以从液晶材料12上移除基板8，但若基板8的材质为玻璃，则此移除步骤将很容易导致基板8碎裂。此外，固化后的液晶材料12与配向层6和10之间的接口结合力是相似的，因此移除基板8的动作也可能导致基板2与液晶材料12分离，而不是基板8与液晶材料12分离。再者，多余的配向层10也会增加整体的成本。另外，液晶材料12与配向层6的接口结合力需尽可能的提高，这样双折射元件才会有最大的耐久性。虽然在液晶材料12中添加湿润剂可以提高其表面能，但这种作法也会增加液晶材料12与配向层10之间的接口结合力，从而降低移除基板8的工艺可靠度。
此外，对于适用于大型显示器或母片的双折射元件而言，这种填充工艺会花费数小时。因此，在紫外光照射前，液晶材料很可能会提前被热固化。这种过早的热固化将导致不均匀的液晶配向以及失败的填充。
图1所示的双折射元件是很难裁切的。在裁切时，制造者不但需要裁切硬的基板，例如基板2与8，还要裁切固化后的聚合物层，例如固化后的液晶材料12与等向聚合物层4，而且裁切后不能让液晶材料12或等向聚合物层4脱层。因此，制造者若采用图1所示的双折射元件，将很难在制作母片后裁切成预定的尺寸。
有鉴于上述的种种缺失，美国专利公告第5132147号案、美国专利公告第6262788号案与Cordula Mock-Knoblauch于2006年在SID Digest所发表的“Paliocolor polymerisable liquid crystalline acrylates for the manufacturing of ultrathin optical films”，均提到将液晶溶于溶剂中来制造厚度均匀的双折射元件的方法。在后者中，液晶聚合物材料将首先溶解于溶剂中成为涂膜溶液。接着，制造者可将此涂膜溶液涂布于等向聚合物层的表面。然后，去除涂膜溶液中的溶剂部分，仅剩下液晶聚合物材料于等向聚合物层的表面。最后，以紫外光照射液晶聚合物材料，使其固化成液晶聚合物层。
图2绘示一种应用于具有表面起伏结构的双折射元件的涂膜方法。液晶材料12可借由例如狭缝涂布机19而涂布于搭载有配向层6的基板2。使用这种方法涂布上去的液晶材料12在工艺中可以接触空气或如氮气的类的气体。接着，制造者可使用紫外光灯管28来固化液晶材料12。
虽然以上方法看似可行，但如果将这个方法应用在具有表面起伏结构的双折射元件，仍有许多问题尚待解决。举例来说，上述方法在平面上所制作标准干膜厚仅为1～10微米，而欲制作这样的干膜，制造者需先在平面上涂布10～30微米厚的涂膜溶液。然而，在自动立体显示系统中，双折射元件的表面起伏结构一般所具有的高低差达15～60微米，因此在此双折射元件中的液晶聚合物层的厚度明显会超过1～10微米。此外，在基板2不同宽度的位置具有不同的干燥特性，因此干式材料在基板2的流动可能无法均匀分布，导致无法产生一个平坦的表面。
另一方面，利用上述的技术，仅利用配向层6来排列液晶材料12也会产生问题。单一的配向层6与液晶材料12间的交互作用会随着液晶层厚度的增加而减低。因此，对于厚度相对较厚的具有表面起伏结构的双折射元件而言，理想的情形是将配向层固定在液晶层的两侧。再者，于较理想的情形中，通常会在平面与表面起伏结构的排列方向之间，形成受控制的旋转角度。在单一配向层的结构中，因为没有上表面可定义配向特性，所以无法达到精确的旋转角度。另外，涂布的微结构的表面张力性质会导致上表面呈现非平面的结构，使得透镜外围和透镜尖端的配向特性不同，其中，透镜尖端是指透镜的中心。这样的结构将会造成光学质量下降，且在后续处理中，必须保持元件的清洁。因此可能需要增加一种额外的保护盖，进而增加这些元件的成本。
世界知识产权组织专利公开第WO-2008/062188号案提出一个利用涂膜设备来形成具有表面起伏结构的双折射元件的方法。如图3所示，包含有基板2，等向聚合物层4、以及配向层6的结构堆置于基板26上，可固化液晶材料12借由涂膜器11涂布在等向聚合物层4与配向层6的表面，而具有配向特性的薄膜16可利用以方向22滚动的滚轮20，施覆在可固化液晶材料12相对于配向层6的另一表面。紫外光灯管28所发出的紫外光光线穿过薄膜16，使得可固化液晶材料12固化而产生固化膜17。这样的设置，提供了一种方便的方法来制造具有表面起伏结构的双折射元件，而且这样的双折射元件在表面起伏结构与平面表面上均具有配向特性。此外，以此种方式所制成的双折射元件具有下列优点，包含可方便地切割、厚度薄而有较佳的光学质量、不会发生过早的热固化、以及比毛细填充法更快速的涂膜时间。
另一方面，具有表面起伏结构的双折射元件在固定偏光态下的光功率，会受限于表面的曲率以及双折射层与等向层的折射率。一般来说，通常会限制透镜的曲率半径大于透镜间距的一半。另外，折射率的选择，尤其对于可固化液晶材料来说，也可能会有所限制。
在较理想的情形中，有时会希望能够增加具有表面起伏结构的双折射元件的光功率，直到大于单一表面与现有液晶材料所提供的光功率。如图4所示的第一具有表面起伏结构的双折射元件50，其包含在基板2上的等向聚合物层4与固化液晶材料12，第一具有表面起伏结构的双折射元件50并对齐第二具有表面起伏结构的双折射元件60，第二具有表面起伏结构的双折射元件60具有对应的基板、等向聚合物层与固化液晶材料。然而，这样的设置结构厚度是较厚的，主因是此结构具有等向聚合物层4与基板2，以及需要对齐两具有表面起伏结构的双折射元件50与60，因此会有较高的成本。
图5是另一种具有表面起伏结构的双折射元件，此种设置是将具有表面起伏结构的双折射元件50、60、70、80依序地排列，以进一步增加具有表面起伏结构的双折射元件的光功率。然而，这样的设置也会产生更大的厚度与花费更高的成本。
图6是同轴成像示意图。如图所示，具有表面起伏结构的双折射元件50、60、70能够将同轴光90成像在成像面94(例如：自动立体显示器的液晶显示像素平面)上的焦点92。在此例中，同轴光90是可以借由每一起伏结构的表面正确地成像在成像面94。
然而，如图7所示，虽然图7同样是绘示三个双折射元件50、60、70堆栈在一起，但由于双折射元件50、60、70之间具有缝隙，因此对于离轴光91而言，这些缝隙间的光晕会使得离轴光91的成像质量变低(图中移除了基板2，以清楚地绘示这三个具有表面起伏结构的双折射元件50、60、70)。如图7所示，在使用离轴光91照射时会在成像面94产生多个聚光点93与95，使得成像质量变差。因此，在维持成像质量与节省成本两方面都要兼顾的前提下，使用具有表面起伏结构的双折射元件来增加光功率是不容易的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有渐变折射率特性的双折射元件以及其制造方法。可在非常短的时间内大面积地涂布液晶材料。因此，液晶材料不容易在工艺中提前固化。再者，由于液晶材料不需进行真空填充或于氮封内进行固化，也因此可减少成本与降低设备的复杂性。
为实现本发明的目的而提供一种具有渐变折射率特性的双折射元件包含至少一液晶层，此液晶层包含多个透镜段。每一透镜段中包含多个液晶分子，这些液晶分子的方向随着液晶分子在透镜段中的位置而有所不同。
该液晶层的材质为可固化液晶材料。
该液晶分子的方向是永久性固定的。
位于每一该透镜段边缘的该液晶分子的方向为垂直配向。
位于每一该透镜段中央的该液晶分子的方向为水平配向。
该液晶分子的方向由每一该透镜段的边缘向其中央逐渐改变。
所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，更包含：
一等向层，其内具有多个凹陷；以及
一双折射层，覆盖该等向层，其中该液晶层堆栈于该双折射层上，且该液晶层的该透镜段对齐该等向层的该凹陷。
所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，更包含：
一下电极，设置于该等向层与该双折射层之间。
所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，更包含：
一下电极，设置于该等向层下方。
该液晶层的数量为多个，且该液晶层彼此相互堆栈。
为实现本发明的目的还提供一种制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法包含下列步骤：形成表面起伏结构，此表面起伏结构包含多个凹陷。于表面起伏结构上形成可固化液晶材料。产生电场穿过可固化液晶材料，使得可固化液晶材料产生多个透镜段，这些透镜段自我对齐表面起伏结构的凹陷，此电场在每一透镜段的不同位置的强度有所差异。固化可固化液晶材料，以形成液晶层。
该电场的最大值在每一该透镜段的边缘产生。
该电场的最小值在每一该透镜段的中央产生。
该电场由每一该透镜段的边缘向其中央逐渐改变。
形成该可固化液晶材料于该表面起伏结构上的步骤包含：
形成一软质薄膜；
将该可固化液晶材料置放于该表面起伏结构上；以及
将该软质薄膜施覆于该表面起伏结构上，使得该可固化液晶材料夹置于该表面起伏结构与该软质薄膜之间。
所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，更包含：
形成一上电极于该软质薄膜上；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层与一双折射层之间；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，更包含：
形成一上电极于该软质薄膜上；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层下方；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，更包含：
提供一上电极，该上电极位于该可固化液晶材料上，该上电极包含多个电极层与至少一绝缘层，该电极层至少其中之一被图案化，该绝缘层区隔该电极层；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层与一双折射层之间；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，更包含：
提供一上电极，该上电极位于该可固化液晶材料上，该上电极包含多个电极层与至少一绝缘层，该电极层至少其中之一被图案化，该绝缘层区隔该电极层；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层下方；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，更包含：
分离该液晶层与该表面起伏结构。
前述本发明的实施方式，与现有技术相较有下列优点：
(1)可方便地将液晶层形成于表面起伏结构上。
(2)液晶层与表面起伏结构能紧密地接触，可使离轴光晕最小化。
(3)液晶层的透镜段自我对齐此表面起伏结构的凹陷，因此不需进一步的机械化透镜轴对齐步骤。
(4)可不需要使用毛细填充法将液晶材料填充至表面起伏结构中，因此与毛细填充法或真空法相较，本发明上述实施方式可在非常短的时间内大面积地涂布液晶材料。因此，液晶材料不容易在工艺中提前固化。再者，由于液晶材料不需进行真空填充或于氮封内进行固化，也因此可减少成本与降低设备的复杂性。
(5)此具有渐变折射率特性的双折射元件可方便地以母片型态制造，并可于液晶材料固化后裁切，例如以紫外光雷射切割。另一方面，此固化结构亦能使用标准的玻璃切割技术将其刻划与破坏。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是现有技术对具有表面起伏结构的双折射元件的填充方法；
图2是现有技术具有表面起伏结构的双折射元件的涂膜方法；
图3是现有技术具有表面起伏结构的双折射元件的涂膜设备；
图4是现有技术具有表面起伏结构的双折射元件的堆栈结构；
图5是现有技术具有表面起伏结构的双折射元件的另一堆栈结构；
图6是现有技术具有表面起伏结构的双折射元件堆栈结构的同轴成像；
图7是现有技术具有表面起伏结构的双折射元件的堆栈结构的离轴成像；
图8是根据本发明一具有渐变折射率特性的双折射元件；
图9至图23是根据本发明一些实施例的具有渐变折射率特性的双折射元件的制造方法；
图24是图19的具有渐变折射率特性的双折射元件应用在可切换的自动立体显示器中的设置。
其中，附图标记
2：基板 4：等向聚合物层
6：配向层 8：基板
10：配向层 11：涂膜器
12：液晶材料 14：方向
16：薄膜 17：固化膜
19：狭缝涂布机 20：滚轮
22：方向 26：基板
28：紫外光灯管 50：双折射元件
60：双折射元件 70：双折射元件
80：双折射元件 90：同轴光
91：离轴光 92：焦点
93：聚光点 94：成像面
95：聚光点 100：双折射元件
110：液晶层 112：透镜段
113：液晶分子 114：尖端区域
115：可固化液晶材料 117：液晶材料
120：双折射元件 122：基板
124：等向层 126：配向层
128：折射层 130：电极
140：软质薄膜 150：上电极
152：电极层 154：绝缘层
155：支撑基板 200：光束
210：光线 220：焦点
250：间隙 300：平面
400：滚轮 500：加热垫
600：涂膜装置 650：狭缝涂布机
700：滚轮 800：电压源
910：背光模块 920：偏光板
930：基板 940：像素平面
950：基板 960：偏光板
970：基板 980：偏光旋转层
990：基板 A：方向
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些现有惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示。
图8是根据本发明一实施方式的具有渐变折射率特性的双折射元件100的示意图。如图所示，一种具有渐变折射率特性的双折射元件100包含至少一液晶层110，此液晶层110包含多个透镜段112。每一透镜段112中包含多个液晶分子113，这些液晶分子113的方向随着液晶分子113在透镜段112中的位置而有所不同。
在本实施方式中，位于每一透镜段112边缘的液晶分子113的方向为垂直配向(Homeotropic alignment)，而位于每一透镜段112中央的液晶分子113的方向为水平配向(Homogeneous alignment)。这些液晶分子113的方向由每一透镜段112的边缘向其中央逐渐改变。在图8中，每一透镜段112的边缘以有效尖端区域114表示，有效尖端区域114是液晶分子113方向的翻转点。
在使用时，入射的线性偏光光束200将沿着光线210照射到液晶层110的表面上。一般来说，对特定入射光束200的偏光状态而言，每一透镜段112沿其宽度方向所提供的解析折射率会有所变化，所以入射光束200在穿过这些透镜段112时会产生不同的光程而成像。因此，透镜的效应会发生并在平面300上产生焦点220。有利的是，此具有渐变折射率特性的双折射元件100不需较厚的等向层就可以形成。
图9至图23绘示一种具有渐变折射率特性的双折射元件100的制造方法。
图9是一种具有表面起伏结构的双折射元件120。此具有表面起伏结构的双折射元件120包含基板122、等向层124、配向层126与双折射层128。等向层124设置于基板122上。等向层124中具有多个凹陷。双折射层128覆盖等向层124。配向层126夹置于双折射层128与等向层124之间。
下电极130设置于等向层124与双折射层128之间。在本实施方式中，下电极130夹置于等向层124与配向层126之间。另外，另一配向层(未绘示于图)也可以选择性地形成在双折射层128的上表面，但一般而言，因为双折射层128本身的配向特性，因此通常不需要额外在双折射层128的上表面形成配向层。
图9所示的双折射元件120的制造方法可如世界知识产权组织专利公开第WO-2008/062188号案所述，请一并将其全文并入本案说明书参考。
如图10所示，制造者可透过例如使用具有摩擦织物的滚轮400摩擦双折射层128的上表面，使得双折射层128的上表面具有一表面配向的定向性。一般来说，摩擦的方向可以设计成平行于液晶配向的方向，但也可以是不同的方向。
如图11所示，接着制造者可将具有表面起伏结构的双折射元件120堆置于加热垫500上，并将可固化液晶材料115(向列型)涂布于此双折射层128的上表面，其中可固化液晶材料115可包含光活性液晶元。可固化液晶材料115可借由涂膜装置600而涂布于双折射层128的上表面。上述的涂膜装置600可包含可固化液晶材料115的加热热源。滚轮700可沿方向A滚动或沿平行于表面起伏界面的方向推动，使得可固化液晶材料115夹置于软质薄膜140与双折射层128的上表面之间。上述的上电极150可为位于软质薄膜140背面的金属镀膜。
软质薄膜140的材料可包含聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephthalate；PET)。软质薄膜140可以提供配向的功能而不需附加额外的配向层。或者，此上电极150可以是金属膜，且软质薄膜140可以为一配向层，例如被摩擦过的聚酰亚胺(Rubbed polyimide)。又或者，软质薄膜140可以是压印于上电极150中的绕射配向结构，且上电极150可以是金属或聚合物膜。
软质薄膜140与双折射层128上表面的配向方向关系应依实际需要而定，但一般而言软质薄膜140的配向方向会平行于配向层126的配向方向。因此，双折射层128上表面的液晶配向与软质薄膜140表面的液晶配向是以各自表面的配向特性来控制。
软质薄膜140与双折射层128上表面之间的间隙厚度可以由间隔元件决定，例如间隔球。
如图12所示，以上述方式涂膜之后，将上电极150与下电极130电性连接电压源800。此时，双折射层128与软质薄膜140的厚度会让电压源800所提供的电场成为一空间性不均匀的电场。此空间性不均匀的电场穿过可固化液晶材料115的每一透镜段112。其中，可固化液晶材料115的透镜段112自我对齐双折射元件120的凹陷。在每一透镜段112中，电场的强度会沿着透镜段112的宽度方向而变化，使得每一透镜段112中的液晶分子重新定向。
图13是根据本发明另一实施方式的产生空间性不均匀电场的步骤。在本实施方式中，下电极130可以是平面形的电极并位于等向层124的下方。制造者可选择控制等向层124与双折射层128的介电常数，使得电场的强度沿着透镜段112的宽度方向而有所变化。如此一来，空间性不均匀的电场就可以在可固化液晶材料115被固化前产生在可固化液晶材料115的每一透镜段112内，使固化后的液晶层110具有渐变折射率的配向特性。这样的方式需要的下电极130因为是平面形的，因此能够减少多余的反射。再者，本实施方式可以使用装置外的临时性的外部电极施加电场，因此在完成的装置内可以不存在有基板122与电极130。这样的设置由于在运作时不存在电极130，所以有利于增加透射的光线。
图14是根据本发明另一实施方式的上电极150。如图所示，图14的上电极150可包含一个以上的电极层152，并借由绝缘层154分隔电极层152。至少一个的电极层152被图案化，以提供如绘示的三极管结构。另外，图案化的电极层152的图案的间距可以与双折射元件120的凹陷实质上相同，并对齐尖端区域114。这样的设置在搭配下电极130时，有利于增加在每一透镜段112中不同位置的电压变化。下电极130可以是平面形的电极，如图15所示。另一方面，使用于制造过程的上电极150，在最后完成的装置中可以存在或是不存在。
当液晶分子113的方向被正确地设置后，使用紫外光灯管以固化可固化液晶材料115，并形成液晶层110，进而永久地固定这些液晶分子的方向。
当软质薄膜140与上电极150的材质不能让紫外光穿透时，紫外光灯管可以设置于结构的下方。此时，加热垫500与具有表面起伏结构的双折射元件120是透明的。
图16是具有渐变折射率特性的双折射元件100。如图16所示，上述方法能提供一种具有渐变折射率特性的双折射元件100，其包含固化液晶层110堆栈在一具有表面起伏结构的双折射元件120上。在工艺中，这些透镜段112边缘的电场是最大的，因此在这个位置的液晶分子113具有垂直配向。相对的，在透镜段112中央的电场是较低的，因此在这个位置的液晶分子113具有水平配向。对于偏光状态平行于水平配向(亦即，在透镜段112中央的液晶分子113的方向)的光线而言，光线在穿过这些透镜段112的不同位置时会产生光程差，使得光线聚焦，并进而提供较强的光功率。
图17是图16的双折射元件100的离轴操作示意图。参阅图17，具有表面起伏结构的双折射元件120提供第一阶聚焦功能，而固化后的液晶层110提供更进一步的聚焦功能。如此一来，这种双折射元件100就能提供更强的光功率。此外，由于具有表面起伏结构的双折射元件120紧密接触液晶层110，因此双折射元件120与液晶层110之间的间隙250将会极小，这样可以避免因两者分离所造成的问题(详见图7与其说明)。此外，具有表面起伏结构的双折射元件120不但能够提供表面配向特性，还能够在每一透镜段112中提供空间性不均匀的电场，使得透镜段112能够自我对齐双折射元件120，因此降低了元件的成本。虽然需要增加一层可固化液晶材料的材料成本，但相较于所增加的光功率而言，这样的成本增加是很小的。
如图18所示，为了更进一步地增加光功率，制造者可选择在图16的双折射元件100上增加更多层数的液晶层110，以形成如图19所示的结构。这些液晶层110可以重复利用如图10至图12绘示的摩擦与涂膜步骤来形成。另外，每一液晶层110皆自我对齐于其底层的结构，且每一液晶层110不需额外的基板或等向层，因此能减少多层透镜堆栈结构的成本。
制造者也可以选择将液晶层110从双折射元件120上分离下来，以形成如图20绘示的具有单一液晶层110的双折射元件100，或如图21绘示的具有一迭彼此对齐的液晶层110的双折射元件100。如此一来，前述的具有表面起伏结构的双折射元件120可以重复使用。另一方面，制造者可使用聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephthalate；PET)作为配向材料，形成在双折射元件120的表面上。这样的配置可以强化双折射元件120与液晶层110之间的分离效果，使得配向材料也可以作为离形层用。此外，双折射元件120也可以是不具有双折射透镜功能的表面起伏结构。也就是说，当不需要双折射透镜功能时，双折射元件120中的双折射层128可以由等向层代替。
图22、图23绘示相对于图11、图12的另一种涂膜方法。如图所示，制造者可使用狭缝涂布机650将液晶材料117以及非必须的溶剂涂布于双折射元件120的表面上。将此溶剂经过一干燥工艺去除后，上电极150与支撑基板155会配置靠近液晶材料117，并施加如前所述的电场，此电场在每一透镜段的不同位置的强度有所差异。然后，再使用紫外光灯管照射将液晶材料117固化。
图24绘示将图19的双折射元件100应用在可切换的自动立体显示器中的设置。背光模块910照射偏光板920，且偏光板920贴覆在液晶显示器基板930的背面。像素平面940控制由偏光板920产生的光相(Light phase)，且光线再经由像素平面940通过基板950至输出偏光板960。接着，此光线相继地通过基板970、可切换的偏光旋转层980、基板990与具有渐变折射率特性的双折射元件100。在二维模式中，由可切换的偏光旋转层980与输出偏光板960所输出的偏光，在具有渐变折射率特性的双折射元件100中是以液晶的一般折射率入射的，也因此在具有渐变折射率特性的双折射元件100中不会产生光程差，且具有表面起伏结构的双折射元件120不会有折射步阶(index step)。然而，在三维模式中，调整可切换偏光旋转层980，落于具有渐变折射率特性的双折射元件100上的偏光态使液晶层110的液晶旋转角度随着每一透镜段的不同位置变化，因此在液晶层110的每一透镜段的不同位置会产生光程差异并产生聚焦的功能。在具有表面起伏结构的双折射元件120中，光线在具有表面起伏结构的双折射元件120产生折射，所以透镜仍具有透镜的功能。由此方式，具有渐变折射率特性的双折射元件100的光功率大于单一的结构。如此一来，可利于缩短可切换的自动立体显示器的可视距离，并可减少玻璃厚度。再者，对于使用固定分辨率的显示面板的多视角显示器而言，可视角度能够增加。本发明所揭露的结构相较于多个排列的透镜结构而言所需增加的成本较低。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (20)
1.一种具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，包含：
至少一液晶层，该液晶层包含多个透镜段，每一该透镜段中包含多个液晶分子，其中该液晶分子的方向随着该液晶分子在该透镜段中的位置而有所不同。
2.根据权利要求1所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，该液晶层的材质为可固化液晶材料。
3.根据权利要求1所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，该液晶分子的方向是永久性固定的。
4.根据权利要求1所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，位于每一该透镜段边缘的该液晶分子的方向为垂直配向。
5.根据权利要求1所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，位于每一该透镜段中央的该液晶分子的方向为水平配向。
6.根据权利要求1所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，该液晶分子的方向由每一该透镜段的边缘向其中央逐渐改变。
7.根据权利要求1所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，更包含：
一等向层，其内具有多个凹陷；以及
一双折射层，覆盖该等向层，其中该液晶层堆栈于该双折射层上，且该液晶层的该透镜段对齐该等向层的该凹陷。
8.根据权利要求7所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，更包含：
一下电极，设置于该等向层与该双折射层之间。
9.根据权利要求7所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，更包含：
一下电极，设置于该等向层下方。
10.根据权利要求1所述的具有渐变折射率特性的双折射元件，其特征在于，该液晶层的数量为多个，且该液晶层彼此相互堆栈。
11.一种制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，包含：
形成一表面起伏结构，该表面起伏结构包含多个凹陷；
形成一可固化液晶材料于该表面起伏结构上；
产生一电场穿过该可固化液晶材料，使得该可固化液晶材料产生多个透镜段，该透镜段自我对齐该表面起伏结构的该凹陷，该电场在每一该透镜段的不同位置的强度有所差异；以及
固化该可固化液晶材料，以形成一液晶层。
12.根据权利要求11所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，该电场的最大值在每一该透镜段的边缘产生。
13.根据权利要求11所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，该电场的最小值在每一该透镜段的中央产生。
14.根据权利要求11所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，该电场由每一该透镜段的边缘向其中央逐渐改变。
15.根据权利要求11所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，形成该可固化液晶材料于该表面起伏结构上的步骤包含：
形成一软质薄膜；
将该可固化液晶材料置放于该表面起伏结构上；以及
将该软质薄膜施覆于该表面起伏结构上，使得该可固化液晶材料夹置于该表面起伏结构与该软质薄膜之间。
16.根据权利要求15所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，更包含：
形成一上电极于该软质薄膜上；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层与一双折射层之间；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
17.根据权利要求15所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，更包含：
形成一上电极于该软质薄膜上；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层下方；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
18.根据权利要求11所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，更包含：
提供一上电极，该上电极位于该可固化液晶材料上，该上电极包含多个电极层与至少一绝缘层，该电极层至少其中之一被图案化，该绝缘层区隔该电极层；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层与一双折射层之间；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
19.根据权利要求11所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，更包含：
提供一上电极，该上电极位于该可固化液晶材料上，该上电极包含多个电极层与至少一绝缘层，该电极层至少其中之一被图案化，该绝缘层区隔该电极层；
形成一下电极于该表面起伏结构的一等向层下方；以及
产生该电场穿过该可固化液晶材料的步骤包含：电性连接一电压源至该上电极与该下电极。
20.根据权利要求11所述的制造具有渐变折射率特性的双折射元件的方法，其特征在于，更包含：
分离该液晶层与该表面起伏结构。
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