CN102279500A - 液晶透镜及3d显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种液晶透镜及3D显示装置，所述液晶透镜包括：相互对置的设有电极的下层基板和设有反电极的上层基板，所述电极与反电极之间相互绝缘以形成电场；以及设在所述下层基板和上层基板之间的液晶层；所述液晶为垂直取向型向列液晶；所述下层基板上的电极或上层基板的反电极具有使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构。由于该液晶透镜具有使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构，使电场内的场强具有梯度变化，液晶层中的液晶分子在电场作用下倾倒的角度也呈梯度变化使液晶层产生梯度变化的折射率，形成具有折射率梯度变化的液晶透镜，并可应用于液晶显示器中达到3D显示的效果。

Description

液晶透镜及3D显示装置
技术领域
本发明涉及透镜及裸眼3D显示领域，更具体的说，涉及一种液晶透镜及3D显示装置。
背景技术
现有的透镜都是普通的光学透镜，其焦距往往都是固定的，这使得透镜在很多领域的应用受到限制，以裸眼3D显示领域为例，裸眼3D技术需要将面板上左右眼的图像讯号折射到对应的左右眼观看位置，常见的是用柱状透镜(lenticular lens)对光的路径进行折射率匹配设计，如图1中所示，它的原理是在显示屏11的前面加上一层柱状透镜12，使显示屏11的像平面位于透镜的焦平面上，每个柱透镜2下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素，于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素，使观者看到3D影像。
除了柱状透镜技术(lenticular lens)的设计外，还有一种常见的设计是利用折射率梯度变化的自聚焦透镜(grin lens)，如图2所示，光通过自聚焦透镜10(grin lens)的疏密疏架构同对称lens架构双曲面，与普通的双曲面透镜一样会在前后形成相同焦距的聚焦。但是，柱状透镜及自聚焦透镜的焦距都是不可调的，同时使用这种透镜的3D显示装置如果不借助其他外加装置，很难实现播放2D影像的切换。因此现有的透镜在一定程度上已不能满足裸眼3D显示领域的使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有梯度折射率变化的液晶透镜及可实现全视角3D显示的3D显示装置。
本发明一种液晶透镜是通过以下技术方案来实现的：一种液晶透镜，包括：相互对置的设有电极的下层基板和设有反电极的上层基板，所述电极与反电极之间相互绝缘以形成电场；
以及设在所述下层基板和上层基板之间的液晶层；所述液晶为垂直取向型向列液晶(Negative Nematic LC)；
所述下层基板上的电极或上层基板的反电极具有使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构。
所述凹陷的曲面结构为以其中央顶点为对称中心的曲面。这样的设计使得液晶倾倒分布也以中央顶点为对称中心呈中心对称。
所述凹陷的曲面结构为半球面结构。
所述的液晶透镜还包括设置在电极与反电极之间的电压调节装置。通过电压调节装置，可动态调整电极与反电极之间的电压，达到动态调整液晶透镜焦距的目的。
所述的下层基板上的电极或上层基板的反电极上具有多个形状相同的且并行排列的凹陷的曲面结构。在一个液晶透镜上可形成多个聚焦点，类似于使用在裸眼3D中的柱状透镜。
所述的液晶层的厚度均匀，所述液晶层与凹陷的电极或反电极之间填充有绝缘层。
本发明一种3D显示装置是通过以下技术方案来实现的：所述的3D显示装置包括液晶面板及设置在液晶面板前的液晶透镜，所述的透镜包括：
相互对置的设有电极的下层基板和设有反电极的上层基板，所述电极与反电极之间相互绝缘以形成电场；
以及设在所述下层基板和上层基板之间的液晶层；所述液晶为垂直取向型向列液晶(Negative Nematic LC)；
所述下层基板上的电极或上层基板的反电极具有多个形状相同的且并行排列的、使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构。
所述凹陷的曲面结构为以其中央顶点为对称中心的曲面。这样的设计使得液晶倾倒分布也以中央顶点为对称中心呈中心对称，可实现全视角的3D显示。
所述凹陷的曲面结构为半球面结构。
所述的液晶透镜还包括设置在电极与反电极之间的电压调节装置。
本发明由于利用垂直取向型液晶在梯度变化的电场中液晶分子倾倒角度不一样，通过下层基板上的电极或上层基板的反电极设计具有使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构，实现电场的梯度变化，继而使液晶透镜具有梯度变化的折射率，从而使穿过的光线形成聚焦。将该液晶透镜用于液晶显示装置中，它可以代替现有的自聚焦透镜(grin lens)或是柱状透镜达到3D显示效果，并且只需取消液晶透镜电极与反电极之间的电压，即可方便的切换成2D显示模式。
附图说明
图1是现有技术中裸眼3D显示技术的光路示意图；
图2是自聚焦透镜的特性示意图；
图3是本发明实施例液晶透镜的截面图；
图4是本发明图3中一个单位结构即凹陷球面结构内液晶晶分子在电场作用下倾倒的示意图，图中观察角度为俯视即平行于XY平面的平面图；
图5是本发明图3中液晶层在电场作用下不同位置处液晶分子倾倒的示意图；
图6是水平电场中不同倾倒角度液晶分子的折射率关系图；
图7是本发明另一种实施例的液晶透镜的截面图。
其中：1、上层基板，2、下层基板，3、液晶层，4、电极，5、反电极，6、绝缘层，8、液晶分子，9、凹陷球面结构，10、自聚焦透镜，11、显示屏，12、柱状透镜。
具体实施方式
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
图3是本发明液晶透镜的截面视图，如图所示，液晶透镜包括上层基板1和与上层基板1相对设置的下层基板2，在上层基板1和下层基板2之间设置有液晶层3；下层基板2的内侧设置有电极4，而上层基板1的内侧也设置有与电极相对应的反电极5，上层基板1的反电极通过一绝缘层6使得反电极5与液晶层3绝缘，该绝缘层可以使用不导电的聚合物材料。
在本发明实施例中，所使用的液晶为垂直取向型负性向列液晶(Negative Nematic LC)，当对液晶透镜上的电极(即电极4和反电极5)施加电压时，在电场的作用下液晶分子发生倾斜从而导致其折射率改变，因而只要使液晶层中不同位置具有不同的电场强度，其液晶分子的倾倒角度即不同，则液晶层中就会出现不同的折射率分布。因此，下层基板上的电极或上层基板的反电极具有使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构，即可实现电场的梯度变化，实现液晶透镜折射率的梯度变化，从而使穿过的光线形成聚焦。而当取消上层基板1上的反电极5及下层基板2的电极4上的电压时，液晶不受电场的作用而竖直，液晶透镜即不再具有折射率梯度变化，非常方便快捷。
裸眼3D技术中所使用的自聚焦透镜(grin lens)具有径向折射率梯度变化的特性，它可以将像素分成多个子像素并分别投射的人的左眼和右眼中，使人在大脑中形成3D的影像。但自聚焦透镜的折射率梯度变化一定，其焦距也就一定，同时因其固态形状，不易对液晶显示装置进行2D和3D的切换。因此上述液晶透镜利用液晶在电场中折射率的变化，可用在裸眼3D技术领域，对自聚焦透镜(grin lens)的进行模拟，也就是使用液晶内液晶分子自身位置的变化达到折射率梯度变化的效果，实现裸眼3D的显示效果。
下面以可进行裸眼3D显示的液晶显示装置中所使用的液晶透镜为例进行液晶透镜的结构论述。
实施例一：
可进行裸眼3D显示的液晶显示装置包括有液晶面板及设置在液晶面板前的液晶透镜，所述的液晶透镜第一种实施例的结构如图3所示，所述液晶透镜在上层基板1上的反电极5具有多个形状相同的且并行排列的、使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构9，该曲面结构相对于其顶点对称，可呈半球面结构；相应的，所述的上层基板1对应于所述反电极5的一面具有与凹陷的曲面结构9同样构造的凸出区域。所述的液晶层的厚度均匀，所述液晶层与凸出的反电极5之间填充有绝缘层6，使得反电极5与液晶层3绝缘。正是由于该凹陷球面结构9，使得反电极5与电极4所形成的电场强度具有梯度变化。
如图3到图5所示，当入射光进入液晶透镜时，只要入射光的偏振方向垂直于所述下层基板的平面或在所述平面上有分量，由于垂直取向型负性向列液晶在圆形场强作用下形成顺时针环绕排列(图3为二维画面，Y轴没有画出，图4为一个单位结构中的XY平面内液晶分子倾倒后的俯视图)；结合图2和图4，液晶分子在不同场强中发生了不同角度的倾倒，A区域的电场因为电极之间的距离最小，因而其电场强度最大，在该区域内，液晶分子发生倾斜(从垂直到水平)；B区域的电场强度较A区域小，因而在该区域内液晶分子发生倾斜的程度小于A区域；C区域的电场强度小于B区域，在该区域中液晶分子基本不发生倾斜。因此，在该梯度变化的电场强度的空间内，液晶层3内的液晶分子从A区域到C区域在场强梯度变化的电场内产生了倾斜角度梯度变化的倾斜，于是在A区域到C区域的方向上就形成了折射率梯度变化。
以图3所示的液晶透镜为例，液晶分子在电场作用下发生倾倒，其倾倒的方向沿顺时针呈环形排列。当光线入射方向与Z轴有夹角，入射光的偏振方向为垂直于XY平面或于XZ或YZ平面上有偏振分量，则光线路径在XY平面上会等效通过连续的折射率梯度变化，形成聚焦。如图5、6所示，水平电场中不同倾倒角度液晶分子的等效折射率为no、ne(θ)、ne、ne(θ)、no它们的关系为：ne＞ne(θ)＞no，因此在液晶中的折射率是梯度变化的。因此因而只要入射极化光有垂直于入射面的极化分量，便能透过梯度折射率产生3D聚焦的效果，实现全视角的3D显示。
具体的，如图3所示，若上层基板1的反电极5设计成具有凹陷曲面结构9，绝缘层6设置在反电极5与液晶之间使得反电极5与液晶3绝缘，下层基板2及其电极4为平面设置，液晶采用垂直取向型负性向列液晶(Negative Nematic LC)，液晶分子在不受电场的作用时是站立的，下层基板2的电极4设计方式使液晶在受电场作用时液晶分子沿顺时针方向倾倒形成圆形排列状。当光线入射方向与Z轴有夹角，入射光的偏振方向为垂直于XY平面或于XZ或YZ平面上有偏振分量，光线通过折射率梯度变化的液晶层3，在XY平面内产生全视角的聚焦效果。
实施例二：
实施例二的液晶透镜的结构与实施例一类似，与实施例一不同的是，如图5所示，将下层基板2的电极4设计成具有使电极与反电极之间间距变小的凹陷曲面结构9，相应的，所述的下层基板2对应于所述电极4的一面具有与凹陷的曲面结构9同样构造的凸出区域。所述的液晶层的厚度均匀，所述液晶层与凸出的电极4之间填充有绝缘层6，使得电极4与液晶层3绝缘。上层基板2及其上的反电极5为平面设置，液晶采用垂直取向型负性向列液晶(Negative Nematic LC)，液晶分子在不受电场的作用时是站立的，上层基板的反电极5的设计方式使液晶在受电场作用时液晶分子沿顺时针方向倾倒形成圆形排列状。当光线入射方向与Z轴有夹角，入射光的偏振方向为垂直于XY平面或于XZ或YZ平面上有偏振分量，光线通过折射率梯度变化的液晶层3，在XY平面内产生全视角的聚焦效果。
在本发明中，所述的液晶透镜上的电极4或反电极5上具有多个排列的渐变凹陷的球面结构，列与列之间、排与排之间的距离相等，有如现有的3D显示装置中所使用的柱状透镜。当然，此外还可以将其分成多排的，若液晶透镜较大，还可以分成多排多列的。
因为液晶分子的倾斜角度与电场的强度有关，因此，对液晶透镜上的电极施加不同的电压，则可以得到不同的梯度变化的折射率，即可以对其进行调整焦距。所述的液晶透镜还包括设置在电极与反电极之间的电压调节装置(图中未示出)，通过电压调节装置，可动态调整电极与反电极之间的电压，达到动态调整液晶透镜焦距的目的。
该液晶透镜可以用于3D显示装置，即将该液晶透镜设置于目前的2D显示装置的像平面上，从而取代现有的3D显示装置所使用的柱状透镜或是自聚焦透镜(grin lens)，使得液晶显示器可以播放3D影像。同时，使用该液晶透镜的3D显示装置还可以进行2D影像播放，当不需要播放3D影像而进行2D影像的播放时，可以取消施加在液晶透镜电极上的电压，从而液晶分子不会发生倾倒，使得液晶透镜不会形成梯度变化的折射率，即与普通透光玻璃一样。所述液晶透镜也可以用于其它的领域，只要对其凸出的曲面结构进行适应性设计即可，如可取代照相机内的光学透镜，通过电压调节即可实现焦距的变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种液晶透镜，其特征在于，包括：
相互对置的设有电极的下层基板和设有反电极的上层基板，所述电极与反电极之间相互绝缘以形成电场；
以及设在所述下层基板和上层基板之间的液晶层；所述液晶为垂直取向型向列液晶；
所述下层基板上的电极或上层基板的反电极具有使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构。
2.如权利要求1所述的一种液晶透镜，其特征在于，所述凹陷的曲面结构为以其中央顶点为对称中心的曲面。
3.如权利要求2所述的一种液晶透镜，其特征在于，所述凹陷的曲面结构为半球面结构。
4.如权利要求1所述的一种液晶透镜，其特征在于，所述的液晶透镜还包括设置在电极与反电极之间的电压调节装置。
5.如权利要求1或2所述的一种液晶透镜，其特征在于，所述的下层基板上的电极或上层基板的反电极上具有多个形状相同的且并行排列的凹陷的曲面结构。
6.如权利要求1所述的一种液晶透镜，其特征在于，所述的液晶层的厚度均匀，所述液晶层与凹陷的电极或反电极之间填充有绝缘层。
7.一种3D显示装置，其特征在于，所述的3D显示装置包括液晶面板及设置在液晶面板前的液晶透镜，所述的透镜包括：
相互对置的设有电极的下层基板和设有反电极的上层基板，所述电极与反电极之间相互绝缘以形成电场；
以及设在所述下层基板和上层基板之间的液晶层；所述液晶为垂直取向型向列液晶；
所述下层基板上的电极或上层基板的反电极具有多个形状相同的且并行排列的、使电极与反电极之间间距变小的凹陷的曲面结构。
8.如权利要求7所述的一种3D显示装置，其特征在于，所述凹陷的曲面结构为以其中央顶点为对称中心的曲面。
9.如权利要求8所述的一种3D显示装置，其特征在于，所述凹陷的曲面结构为半球面结构。
10.如权利要求7所述的一种3D显示装置，其特征在于，所述的液晶透镜还包括设置在电极与反电极之间的电压调节装置。
11.如权利要求7所述的一种3D显示装置，其特征在于，所述的液晶层的厚度均匀，所述液晶层与凹陷的电极或反电极之间填充有绝缘层。
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