CN102200668A - 电驱动液晶透镜及立体显示器 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种电驱动液晶透镜。该电驱动液晶透镜划分为一透镜区域以及一非透镜区域，其包括：第一基板和第二基板，其设置成彼此平行并间隔一预设距离；电极凸块，形成于该第一基板上，其对应于该透镜区域；第一电极，形成于该第一基板整个内表面并覆盖该电极凸块上，用于引导电场以增加该透镜的聚焦效果；第二电极，形成于该第二基板的该非透镜区域表面上；液晶层，提供于第一电极与第二电极之间。本发明还揭露一种使用该电驱动液晶透镜的立体显示器。本发明设置可大幅减少电驱动液晶透镜的驱动电压及功耗，并且也增加了聚焦效果，达到更好的3D影像质量。

Description

电驱动液晶透镜及立体显示器

技术领域

本发明是有关于一种液晶透镜，特别有关于一种电驱动液晶透镜及立体显示器。

背景技术

立体(Three-Dimension，3D)显示技术被认为是显示器继高画质之后最重要的研发方向。立体影像是根据通过人类双眼的立体视觉(Stereo Vision)原理，也即双眼相隔大约为65mm的距离而出现双眼视差而形成。双眼通过视网膜看到传送到人脑的两个不同的两维(Two-Dimension，2D)影像，在人脑将两个影像相合成以再生立体影像的深度及层次感。因此，想在平面显示器显示立体影像需在同一画面提供两组互相交错的影像以分别仿真两眼视觉，再使两眼通过偏光眼镜或光栅来分别接收两组影像，来达成立体影像的效果。然而，偏光眼镜在使用上带来不便，因此发展出许多不同设计的裸眼立体显示屏幕，通过光学设计直接将两组影像分别传送至左眼与右眼。

通常裸眼式3D显示器是利用两种技术达成效果，其一是利用视差屏障(Barrier)，另一种是柱状凸透镜(Lenticular Array)。其实这两种技术的原理相近，都是在液晶上用像素显示不同的左、右眼影像，再经过视差屏障或柱状凸透镜让左眼看到左眼影像的像素；右眼看到右眼影像的像素。请参照图1，图中绘示现有的视差屏障式裸眼式3D显示技术，其中视差屏障110将显示面板100部分的光遮挡，通过视差屏障110让观察者150的左眼看到左眼的像素101，右眼看到右眼的像素102。请参照图2，图中绘示现有的柱状凸透镜式3D显示技术，其中柱状凸透镜120是将左眼像素101与右眼像素102的光分别折射到观察者150的左、右眼。

不过视差屏障将面板画面分为多组，分辨率就会变低，导致画面粒子变粗，亮度也会随之下降。而柱状凸透镜虽不会减低亮度，但柱状透镜需制作成像素大小尺度，因此需要微加工精密制造，有成本高昂的问题。除此之外，柱状凸透镜的技术无法在不需要立体显示的情况(例如文书处理时的用途)切换成传统的平面显示。

目前，在实现裸眼3D显示器的技术中，已经提出一种液晶透镜，用来取代视差屏障或柱状凸透镜。液晶透镜是具有透镜性质的液晶层，利用液晶分子的双折射率(birefringence)性质，以及液晶分子受到电场转向的特性，借着电场控制液晶分子转向，使液晶层内呈现如阶变折射率透镜(Gradient-Index，GRINlens)渐变的折射率梯度分布，造成光线路径的偏折，来达到聚焦的效果。

图3a为现有未加电压的液晶透镜的剖面图，图3b为入射光的折射率对未加电压的液晶透镜位置作图。如图3a所示，现有的液晶透镜包括彼此平行相对的第一基板11和第二基板12、与形成于两基板11、12之间的液晶层13。在第一基板11内表面还具有一层第一电极10，以及在第二基板内表面形成一第二电极20图案。第一电极10和第二电极20是为透明电极。其中，液晶层13中的液晶分子30是为向列型(Nematic)液晶，向列型液晶是单光轴(Uniaxial)介质，其光轴与液晶分子导轴31平行，当光的电场垂直于光轴时，光所感受到的折射率为n_o，其称为寻常光折射率(ordinary indices)，当电场平行于光轴时，光所感受到的折射率n_e，其称为非寻常光折射率(extraordinary indices)。

请参照图3a，在未施加电压差给第一电极10和第二电极20时，液晶层13之间并无产生电场，此时的液晶分子30的导轴31顺着配向膜(未示于图中)平行于两基板11、12。请参考图3b，此时入射光50所感受到的折射率，不随着不同入射位置做改变，其折射率均为非寻常光折射率n_e，对垂直基板入射的入射光50没有聚焦效果。

图4a为现有加电压的液晶透镜与电场分布剖面图，图4b为入射光的折射率对加电压的液晶透镜位置作图。请参照图4a，其中在施加电压差给第一电极10和第二电极20时，由于第二电极20的图形边缘产生一不均匀电场56，即在透镜区域造成边缘场(Fringing Field)，使液晶分子导轴31的指向随电场56改变。当光垂直基板入射时，此时入射光50所感受到的折射率，会随着不同入射区域做改变。液晶层13的透镜中心区域未受到边缘场作用，其液晶分子导轴31还是平行于基板，该中心区域的入射光50所感受到的折射率仍为非寻常光折射率n_e。而在远离透镜区域其电场56为垂直基板方向，液晶分子30导轴31的指向是垂直基板方向，该远离透镜区域的入射光50所感受到的折射率为寻常光折射率n_o。请参照图4b，由于边缘场的作用，使得透镜区域入射光50的折射率产生随位置渐变的折射率变化，使垂直基板入射的入射光50在透镜区域产生了聚焦效果。

但由于该第一电极10与第二电极20形成在第一基板11与第二基板12的内表面，使边缘场的效应不强，无法使液晶分子30导轴31在液晶透镜区域产生大角度的偏转，使得光线聚焦效果不好。

故有提出改良方案，图5a为现有改良的液晶透镜与电场分布剖面图，图5b为入射光的折射率对加电压的改良液晶透镜位置作图。请参考图5a，其中改良方式是将第一电极10与第二电极20形成于第一基板11与第二基板12的外表面。借着第一电极10与第二电极20的距离增加，边缘场的效应增强，透镜区域边缘的电场56更为陡峭，而使光线聚焦效果变好。请参照图5b，其中透镜区域入射光的折射率产生随位置渐变的折射率变化，其折射率梯度变化更为明显，可产生更佳的光线聚焦效果。

但由于第一电极10与第二电极20的距离增加，导致驱动液晶分子30的电压需高达150V左右，这将使得液晶透镜的驱动元件成本增加，并且增大功耗。

此外，在液晶透镜应用在变焦镜头或大面积的立体显示器上，由于液晶透镜中间区域离电极边缘距离太远，中间区域的液晶分子基本上不受边缘场的影响，因此中间区域附近液晶分子转向不足，导致透镜形状严重变形，并且使得透镜的聚焦效果大减，连带造成3D效果不佳。

因此，亟需提出一种低功耗且有效率的液晶透镜来解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电驱动液晶透镜，其可通过特殊的电极设计，从而减少驱动电压以及功耗。

本发明的另一目的在于提供一种立体显示器，使其具有2D/3D画面切换的功能，并减少电驱动液晶透镜的驱动电压及功耗，改善3D画面质量。

为达上述的目的，本发明提供一种电驱动液晶透镜，所述电驱动液晶透镜划分为一透镜区域以及一非透镜区域，所述电驱动液晶透镜包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板设置成彼此平行并间隔一预设距离；

电极凸块，形成于所述第一基板上，其位置是对应于所述透镜区域；

第一电极，形成于所述第一基板的内表面并覆盖所述电极凸块上；

第二电极，形成于所述第二基板的部分表面位于所述非透镜区域的部份；

液晶层，提供于所述第一电极与所述第二电极之间；以及

电压源，电性连接于所述第一电极和所述第二电极，其分别给所述第一电极以及所述第二电极施加多个电压以驱动液晶分子转向。

根据本发明的电驱动液晶透镜，以该电极凸块的形状对边缘场作引导，使得该电驱动液晶透镜中间区域附近的液晶分子转向增加，因此可将第二电极形成于第二基板的内表面，如此设置可大幅减少了驱动电压，并且也增加了聚焦效果。

本发明还提供一种立体显示器，所述立体显示器包括：

电驱动液晶透镜层，划分多个透镜区域以及至少一个非透镜区域，所述透镜区域以及非透镜区域是交错设置，所述电驱动液晶透镜层包括：

第一基板和第二基板，其设置成彼此平行并间隔一固定距离；

多个电极凸块，形成于所述第一基板上，其对应于所述透镜区域并彼此间隔开；

第一电极，形成于所述第一基板的内表面并覆盖所述电极凸块上；

至少一个第二电极，形成于所述第二基板的所述非透镜区域表面上，各个相邻的所述第二电极之间是为所述透镜区域；

液晶层，提供于所述第一电极与第二电极之间；以及

电压源，电性连接于所述第一电极和所述第二电极，其分别给所述第一电极以及所述第二电极施加多个电压以驱动液晶分子转向；以及

显示面板，平行设置于所述电驱动液晶透镜层下方，其投射平面影像给所述电驱动液晶透镜层，以形成立体影像。

根据本发明的立体显示器，该电驱动液晶透镜层利用上述本发明的电驱动液晶透镜，以该些电极凸块的形状对边缘场作引导，使得该电驱动液晶透镜中间区域的液晶分子转向增加，因此可将该第二电极形成于第二基板的内表面，如此设置可大幅减少电驱动液晶透镜的驱动电压及功耗，并且也增加了聚焦效果，达到更好的3D影像质量。

附图说明

图1是绘示现有的视差屏障式裸眼式3D显示技术。

图2是绘示现有的柱状凸透镜式3D显示技术。

图3a是绘示现有未加电压的液晶透镜的剖面图。

图3b是绘示现有入射光的折射率对未加电压的液晶透镜位置的关系。

图4a是绘示现有加电压的液晶透镜与电场分布剖面图。

图4b是绘示现有入射光的折射率对加电压的液晶透镜位置的关系。

图5a是绘示现有改良的液晶透镜与电场分布剖面图。

图5b是绘示现有入射光的折射率对加电压的改良液晶透镜位置的关系。

图6a是绘示本发明较佳实施例的未加电压的电驱动液晶透镜剖面图。

图6b是绘示本发明实施例入射光的折射率对本发明较佳实施例的未加电压的液晶透镜位置的关系。

图7a是绘示本发明较佳实施例的加电压的电驱动液晶透镜剖面图。

图7b是绘示本发明实施例入射光的折射率对本发明较佳实施例的加电压的液晶透镜位置的关系。

图8是绘示本发明较佳实施例的立体显示器剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图6a是本发明较佳实施例的未加电压的电驱动液晶透镜剖面图，图6b为入射光的折射率对本发明较佳实施例的未加电压的液晶透镜位置关系作图。请参阅图6a，电驱动液晶透镜200划分成一透镜区域201以及一非透镜区域202，其中该透镜区域201由入射光的方向来看(也即俯视)可为圆形或方形等形状，较佳是为圆形，而该非透镜区域202则为该电驱动液晶透镜200扣掉透镜区域201后剩余的区域。该电驱动液晶透镜200包括第一基板211、第二基板212、电极凸块250、第一电极210、第二电极220、一液晶层230以及电压源290。

该第一基板211和该第二基板212设置成彼此平行并间隔一预设距离，本发明并不限制该预设距离，但其较佳距离为30至100微米之间，并且该第一、第二基板可为透光基板，其材质可为石英、玻璃或塑料。

该电极凸块250形成于该第一基板211上，其对应于该透镜区域201，其中对应是指该电极凸块250在该第一基板211上的位置是在图中所示位于中间的该透镜区域201。应注意的是，图示中的电极凸块250是理想状态，实际制作时该电极凸块250会形成较平滑的结构。该第一电极210形成于该第一基板211整个内表面上，并覆盖该电极凸块250，其中内表面是指第一基板211和第二基板212所夹的区域的内侧表面。

该第二电极220形成于该第二基板212的表面位于该非透镜区域202的部份。该液晶层230是提供于第一电极210与第二电极220之间。其中该电压源290电性连接于该第一电极210和第二电极220，其分别给该第一电极210以及该第二电极220施加多个电压以驱动液晶分子280转向。

依本发明较佳实施例的电驱动液晶透镜200，其中该第二电极220可形成于该第二基板212的内表面与液晶层230接触，或是形成于该第二基板212的外表面，较佳可形成于该第二基板212的内表面如图6a所示。

请参照图6a，在电压源290在关闭(OFF)状态时，未施加电压差给第一电极210和第二电极220，液晶层230之间并无产生电场。此时液晶层230的液晶分子280的导轴31顺着配向膜(未示于图中)平行于两基板211以及212。请参照图6b，此时垂直于第一基板211的入射光50所感受到的折射率，不随着入射区域例如透镜区域201或非透镜区域202做改变，其感受到的折射率是非寻常光折射率n_e，其值为1.7，对垂直第一基板211的入射光50而言没有聚焦效果。

请参照图6a，依本发明较佳实施例的电驱动液晶透镜200，进一步包括：第一配向膜(未示于图中)，其形成于该第一电极210及该电极凸块250的全部表面上，用以将液晶分子280平行于第一基板211表面；以及第二配向膜(未示于图中)，其形成于该第二电极220及该第二基板212的全部表面上，用以将液晶分子280的导轴31平行于第二基板212表面。

图7a是本发明较佳实施例的加电压的电驱动液晶透镜剖面图，图7b为入射光的折射率对本发明较佳实施例的加电压的液晶透镜位置关系作图。

请参照图7a，在电压源290在导通(ON)状态时，电压源290施加电压差给第一电极210和第二电极220，液晶层230的透镜区域201产生边缘场55(Fringing field)。此时边缘场55指向因电极凸块250而突起的第一电极210的表面，在液晶层230形成较为陡峭的边缘场55，驱动液晶分子280的导轴31顺着边缘场55方向偏转，其偏转角度随着透镜区域201中心到透镜区域201边缘加大。而非透镜区域202的液晶分子280则顺着电场方向作垂直于第一基板211或第二基板212的排列。

请参照图7b，当垂直于第一基板211的入射光50入射时，此时入射光50所感受到的折射率，会随着不同入射区域做改变，液晶层13的透镜区域201中心未受到边缘场作用，其液晶分子280导轴31还是平行于第一基板211或第二基板212，该中心区域的入射光50所感受到的折射率为非寻常光折射率n_e，其值为1.7。而在非透镜区域202其电场56为垂直基板211方向，液晶分子导轴31的指向垂直基板211方向，该非透镜区域202的入射光50所感受到的折射率为寻常光折射率n_o，其值为1.5。由于电极凸块250的表面形状引导边缘场的分布，使得液晶分子280在透镜区域201产生随位置渐变的折射率变化，其折射率梯度变化的较为平顺，并较为符合阶变折射率透镜(GRIN lens)渐变的折射率梯度分布，可产生更佳的光线聚焦效果。

此外，由于本发明实施例将第一电极210及第二电极220形成于第一基板211及第二基板212的内表面，使得第一电极210及第二电极220彼此的距离相对于电极形成于外表面的现有技术大幅的减少，改善现有技术所需150V左右的驱动电压的缺点。值得一提的是，本发明较佳实施例的电驱动液晶透镜的驱动电压仅需4至8V之间。

依本发明较佳实施例的电驱动液晶透镜200，其中该电极凸块250是具有一厚度，并且该电极凸块250的形状是依透镜区域201形状作设计。其中该电极凸块250的截面是为一左右对称或不对称的形状，其可依液晶分子的特性作设计，例如考虑液晶分子预倾角(Pretile Angle)等性质作不对称的设置。该电极凸块250其厚度与宽度介于3至20微米之间。其中本发明较佳实施例中该左右对称或不对称的形状的几何图形是为三角形，其它还有例如梯形、半圆形、或山丘形状等形状。该电极凸块250制作方法可在第一基板上利用光阻以显影蚀刻制作出一预定形状的凸块，其材质为透明树脂(Resin)，之后再沉积透明导电材料于该凸块以及整个第一基板表面上以形成第一电极210。

依本发明较佳实施例的电驱动液晶透镜，其中该第一电极210以及该第二电极220是由铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)或铟锌氧化物(Indium ZincOxide，IZO)等透明导电材质所组成。

如上所述，根据本发明的电驱动液晶透镜200，以该电极凸块250的形状对边缘场55作引导，使得该透镜区域201的液晶分子转向增加，因此可将第二电极220形成于第二基板212的内表面，如此设置大幅减少驱动电压至4至8V，并且也增加了聚焦效果。此外，由于电极凸块250造成的电极突起对边缘场的引导作用，也解决现有大范围的液晶透镜中间区域的液晶分子没受到边缘场的驱动的缺点。

图8是本发明较佳实施例的立体显示器剖面图。请参照图8，本发明还提供一种立体显示器40，其包括一电驱动液晶透镜层400以及一显示面板500。应注意的是，其中该电驱动液晶透镜层400是由上述本发明多个电驱动液晶透镜200所组成，因此名称稍有差异，以示区别。其原理以及细节皆可参考上述说明，在此不再赘述，其中图示以及标号可参考图6a或图7a。

请参考图7a以及图8，其中该电驱动液晶透镜层400，划分多个透镜区域201，透镜区域以外的部份即为非透镜区域202，该透镜区域201以及非透镜区域202是交错设置，该电驱动液晶透镜层包括：一第一基板211和一第二基板212，其设置成彼此平行并间隔一固定距离；多个电极凸块250，形成于该第一基板211上，其对应于该透镜区域201并彼此间隔开；一第一电极210，形成于该第一基板211整个内表面并覆盖该电极凸块上250；至少一个第二电极220，形成于该第二基板212的非透镜区域202表面上，其中各个相邻的第二电极220之间是为透镜区域201；一液晶层230是提供于第一电极210与第二电极220之间；以及一电压源290，其分别给该第一电极210以及第二电极220施加多个电压以驱动液晶分子转向。

该立体显示器40还包括一显示面板500，平行设置于该电驱动液晶透镜层400下方，其投射一平面影像给该电驱动液晶透镜层400，以形成一立体影像。

其中该显示面板500包括多个左眼影像像素510及右眼影像像素520个别对应该电驱动液晶透镜层400中的电驱动液晶透镜200，以将左眼影像像素510聚焦投射到观察者左眼；将右眼影像像素520聚焦投射到观察者右眼产生该立体影像。

依本发明较佳实施例的立体显示器40，其中该电压源290施以一电压后，该平面影像信号通过该电驱动液晶透镜层400转换成一立体影像信号，并且该电压源290断电后，该平面影像信号通过该电驱动液晶透镜层400后仍为该平面影像信号。因此可达到2D/3D画面切换的功能。

根据本发明的立体显示器40，其中电驱动液晶透镜层400中的透镜区域201与非透镜区域202也可为长条状并紧邻交错设置，以取代现有的视差屏障或柱状凸透镜。更进一步地说，依本发明较佳实施例的立体显示器40，其中透镜区域201是沿着该第一基板211的纵向延伸的条状(Slit)区域并具有相同宽度；其中电极凸块250是对应透镜区域201延伸呈长条状并具有一厚度；其中长条状的电极凸块250的截面是为一左右对称或不对称的形状；其中该左右对称或不对称的形状的几何图形是可为三角形、梯形、半圆形、或山丘形状等。

依本发明较佳实施例的立体显示器40，进一步包括：一第一配向膜(未示于图中)，其形成于该第一电极210的全部表面上，用以将液晶分子280平行于第一基板211表面；以及一第二配向膜(未示于图中)，其形成于该第二电极220及该第二基板212的全部表面上，用以将液晶分子280平行于第二基板212表面。

依本发明较佳实施例的立体显示器，其中该第一电极210以及该第二电极220是由透明导电材质所组成。

根据本发明的立体显示器40，该电驱动液晶透镜层400利用上述本发明的电驱动液晶透镜200，以该电极凸块250的形状对边缘场55作引导，使得该电驱动液晶透镜200中间区域的液晶分子280转向增加，因此可将该第二电极220形成于第二基板212的内表面，如此设置可大幅减少电驱动液晶透镜层400的驱动电压及功耗，以减少驱动元件成本，并且也增加了聚焦效果，达到更好的3D影像质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电驱动液晶透镜，其特征在于，所述电驱动液晶透镜划分为一透镜区域以及一非透镜区域，所述电驱动液晶透镜包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板设置成彼此平行并间隔一预设距离；

电极凸块，形成于所述第一基板上，其位置是对应于所述透镜区域；

第一电极，形成于所述第一基板的内表面并覆盖所述电极凸块上；

第二电极，形成于所述第二基板的部分表面位于所述非透镜区域的部份；

液晶层，提供于所述第一电极与所述第二电极之间；以及

电压源，电性连接于所述第一电极和所述第二电极，其分别给所述第一电极以及所述第二电极施加多个电压以驱动液晶分子转向。

2.如权利要求1所述的电驱动液晶透镜，其特征在于，所述第二电极形成于所述第二基板的内表面。

3.如权利要求1所述的电驱动液晶透镜，其特征在于，所述电极凸块是具有一厚度；所述电极凸块的截面是为一具有左右对称或不对称的形状；所述左右对称或不对称的形状的厚度介于2至20微米之间；所述左右对称或不对称的形状的宽度介于2至20微米之间；所述左右对称或不对称的形状是为几何图形。

4.如权利要求2所述的电驱动液晶透镜，其特征在于，所述电驱动液晶透镜还包括：

第一配向膜，其形成于所述第一电极的全部表面上，用以将液晶分子平行于第一基板表面；以及

第二配向膜，其形成于所述第二电极及所述第二基板的全部表面上，用以将液晶分子平行于第二基板表面。

5.一种立体显示器，其特征在于，所述立体显示器包括：

电驱动液晶透镜层，划分多个透镜区域以及至少一个非透镜区域，所述透镜区域以及非透镜区域是交错设置，所述电驱动液晶透镜层包括：

第一基板和第二基板，其设置成彼此平行并间隔一固定距离；

多个电极凸块，形成于所述第一基板上，其对应于所述透镜区域并彼此间隔开；

第一电极，形成于所述第一基板的内表面并覆盖所述电极凸块上；

至少一个第二电极，形成于所述第二基板的所述非透镜区域表面上，各个相邻的所述第二电极之间是为所述透镜区域；

液晶层，提供于所述第一电极与第二电极之间；以及

电压源，电性连接于所述第一电极和所述第二电极，其分别给所述第一电极以及所述第二电极施加多个电压以驱动液晶分子转向；以及

显示面板，平行设置于所述电驱动液晶透镜层下方，其投射平面影像给所述电驱动液晶透镜层，以形成立体影像。

6.如权利要求5所述的立体显示器，其特征在于，所述电压源施以电压后，所述平面影像信号通过所述电驱动液晶透镜层转换成立体影像信号。

7.如权利要求5所述的立体显示器，其特征在于，所述电压源断电后，所述平面影像信号通过所述电驱动液晶透镜层后仍为所述平面影像信号。

8.如权利要求5所述的立体显示器，其特征在于，所述透镜区域是沿着所述第一基板的纵向延伸的条状区域并具有相同宽度；所述透镜区域彼此间隔相同距离。

9.如权利要求5所述的立体显示器，其特征在于，所述电极凸块是对应所述透镜区域延伸呈长条状并具有一厚度；所述长条状的电极凸块的截面是为一左右对称或不对称的形状；所述左右对称或不对称的形状为几何图形。

10.如权利要求5所述的立体显示器，其特征在于，所述立体显示器还包括：

第一配向膜，其形成于所述第一电极的全部表面上，用以将液晶分子平行于第一基板表面；以及

第二配向膜，其形成于所述第二电极及所述第二基板的全部表面上，用以将液晶分子平行于第二基板表面。

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