CN102854694A - 2d/3d切换的液晶透镜组件 - Google Patents

2d/3d切换的液晶透镜组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种2D/3D切换的液晶透镜组件，其自出光面至入光面依序包括多个相邻排列的长条状凸透镜、第一透明基板、第二透明基板、设置于第二透明基板上的多个电极和夹于第一、第二透明基板之间的液晶层。多个电极用于控制液晶层的液晶分子的排列方向，以调整相对于至少一像素的液晶层的液晶分子折射率，由相对于像素的中央向两边递增或递减，用于控制入射光的行进方向，再将通过的入射光导至其中之一凸透镜。

Description

2D/3D切换的液晶透镜组件
技术领域
本发明涉及一种液晶透镜组件，尤指一种具高透镜光学能力(highlens power)的2D/3D切换的液晶透镜组件。
背景技术
人类是透过双眼所看到的展望而感知到真实世界的影像。而人类的大脑会进一步根据双眼所看到两个不同角度的展望之间的空间距离差异而形成所谓的3维(3-dimension,3D)影像，这种空间距离差异则被称为视差(parallax)。所谓的3D显示设备就是模拟人类双眼不同角度的视野，让左、右眼分别接收到有视差的两个2维(2-dimension,2D)影像，使人脑获取左、右眼看到的不同2D影像后，能感知为3D影像。
目前的3D显示设备主要分为两类，分别是自动立体显示设备(Auto-stereoscopic display)以及非自动立体显示设备(Stereoscopic display)。自动立体显示设备的用户不用戴上特殊结构的眼镜就可以看出3D立体影像。而另一种非自动立体显示设备则需要使用者戴上特制的眼镜，才能看到3D立体影像。常见的自动立体显示设备有两种：主要分成视差光栅(Parallaxbarrier)和柱状透镜(Lenticular Lenses)两种。视差光栅是利用光栅来控制光前进的方向，让使用者的左右眼看到具有视差的影像，而此视差就会在大脑中形成立体感。至于柱状透镜则是利用折射率的不同来控制光的方向，可以有多种作法，其中一种作法是以液晶层来取代实体透镜，藉由上下玻璃基板的氧化铟锡(ITO)特殊图案设计，来造成液晶层空间中电位线分布不均，使液晶分子的排列改变。由于液晶分子的排列会影响到折射率的不同，经过适当的设计后，整体的折射率变化就像柱状透镜一样，控制入射光的折射方向。
请参阅图1a与图1b，图1a与图1b是现有技术的GRIN透镜被施加电压前后的示意图。所谓GRIN透镜就是折射率随着梯度分布的透镜(Gradient inthe Index of Refraction Lens)。当未被施加任何电压时，液晶分子的排列如图1a所示。由于前述氧化铟锡电极图案(未显示)的特殊设计，于施加电压产生电场时，液晶分子的排列方向将如图1b所示，造成中心的液晶分子折射率最大(ne)，愈往两边的液晶分子折射率愈小，直到最小液晶分子折射率(no)为止。而当光线行进时，两边的光线因为遇到的液晶分子折射率最小，行进速度最快，而中间的光线因为遇到的液晶分子折射率最大，所以行进速度最慢。以入射平面波而言，波前将会被弯曲，造成具有类似凸透镜的性质，将光线聚焦于F点，并可推导出焦距的公式如下:
f GRIN = r 2 2 d [ n max - n ( r ) ] ,
其中，fGRIN为GRIN透镜10的焦距，d为液晶盒的厚度，r是透镜的半径，nmax等于液晶透镜的液晶分子的非寻常光折射率ne，而n(r)则代表折射率是r的函数。当以4mm的适当焦距作为设计目标时，若液晶分子的Δn为0.21，则必需将液晶盒的厚度d保持在大约30μm。同时，若要得到小的焦距，如果无法缩小GRIN透镜10的半径及改变液晶分子的种类，则唯一的选择就是加大液晶盒的厚度。然而，加大液晶盒的厚度不仅使液晶层间隙(cell gap)增加，也无疑地会增加成本，因此若能制作一种应用于2D/3D影像切换的液晶透镜组件，在不必增加液晶厚度的前提之下，就能够提升聚焦能力，将可有效地降低成本。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种2D/3D切换的液晶透镜组件，该液晶透镜组件是利用一组外加的固定透镜，来增进透镜的光学能力，以解决背景技术的问题。
本发明提供一种液晶透镜组件，其自一出光面至一入光面依序包括多个相邻排列的长条状凸透镜、一第一透明基板、一第二透明基板、多个设置于该第二透明基板上的电极和一液晶层夹于该第一透明基板与该第二透明基板之间。所述多个电极用于控制所述液晶层的液晶分子的排列方向，以调整相对于至少一像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增或递减，用于控制入射光的行进方向，再将所述通过的入射光导至所述的凸透镜其中之一。
依据本发明的实施例，所述电极为长条状，其延伸方向与所述长条状凸透镜延伸方向一致。
依据本发明的实施例，所述液晶透镜组件配合线性偏振光使用，且所述多个长条状凸透镜沿一第一方向延伸，并沿一第二方向排列，该第一方向垂直于该第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。
依据本发明的实施例，所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递减，以形成3D模式。
依据本发明的实施例，所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增，以形成2D模式。
本发明另提供一种液晶透镜组件，其自一出光面至一入光面依序包括：一第一透明基板；多个相邻排列的长条状凸透镜；一第二透明基板，该第二透明基板之上设置有多个电极；一液晶层夹于所述多个长条状凸透镜与该第二透明基板之间；所述多个电极用于控制所述液晶层的液晶分子的排列方向，以调整相对于至少一像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增或递减，用于控制入射光的行进方向，再将所述通过的入射光导至所述的凸透镜其中之一。
依据本发明的实施例，所述电极为长条状，其延伸方向与所述长条状凸透镜延伸方向一致。
依据本发明的实施例，该液晶透镜组件配合线性偏振光使用，且所述多个长条状凸透镜沿一第一方向延伸，并沿一第二方向排列，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。
依据本发明的实施例，所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递减，以形成3D模式。
依据本发明的实施例，所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增，以形成2D模式。
相较于现有技术，本发明的液晶透镜组件，经由一组外加凸透镜的支持，以及透明基板上电极的适当设计，仅需要施加预定的电压于电极之上，就可以在液晶层内产生凸透镜。当入射光经过液晶层内的凸透镜折射后，于行进至外加透镜，又会再次被折射，并集中到人眼，以于出光面形成3D影像。由于光线行进的过程中历经了两次折射，使整体的聚焦能力提升，加大了透镜能力的同时，将可同时减少液晶层的间隙。此外，在转换至2D模式时，也只要改变施加于电极上的电压，就可以将液晶层内的凸透镜水平平移，并抵消外加透镜的效果，于出光面形成2D影像。本发明的液晶透镜组件，不仅切换简单，亦可降低液晶盒的厚度，有效降低成本。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1a与图1b是现有技术的GRIN透镜被施加电压前后的示意图。
图2是本发明第一实施例的液晶透镜组件应用于3D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。
图3是图2的液晶透镜组件应用于2D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。
图4是本发明第二实施例的液晶透镜组件应用于3D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。
图5是图4的液晶透镜组件应用于2D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施之特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」、「水平」、「垂直」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
请参阅图2，图2是本发明第一实施例的液晶透镜组件应用于3D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。液晶透镜组件100自一出光面112到一入光面110依序包括数个外加透镜102、一透明基板101a、一液晶层104、一透明基板101b以及设置于透明基板101b上的数个电极106。其中数个外加透镜102以及数个电极106均是朝向垂直于纸面的A方向延伸，在本实施例中是以对应于子像素108a、108b、108c设置的电极106a、106b、106c为例作为说明。另外在液晶透镜组件100以及各子像素108a、108b、108c之间，设置有一偏光片(未显示)，用以提供偏振光至液晶透镜组件100，偏振光的传播方向如图2中箭头所示，且子像素108a、108b、108c分别为红色子像素、绿色子像素以及蓝色子像素，子像素108a、108b、108c构成一像素108。本实施例中是以从偏光片(未显示)射出的光线，偏振方向垂直于A方向以及偏振光传播方向为例进行说明，但不限于此。
当施加电压于电极106a、106b、106c之上时，所产生的电场将会使液晶层104中的液晶分子旋转，造成靠近电极106a、106c的液晶分子排列方向变为光轴平行于偏振光传播方向，而靠进电极106b的液晶分子排列方向变为光轴平行于入射光的偏振方向。由于液晶层104内的液晶分子具有双折射率特性，当入射液晶透镜组件100的偏振光方向垂直于液晶分子的光轴方向时，液晶分子具有寻常光折射率(no)，而当入射液晶透镜组件100的偏振光方向平行于液晶分子的光轴方向时，液晶分子具有非寻常光折射率(ne)，且非寻常光折射率系大于寻长光折射率。
因此当光线行进时，靠近电极106a、106c的光线因为遇到的液晶分子折射率最小，行进速度最快，反之，靠近电极106b的光线因为遇到的液晶分子折射率最大，所以行进速度最慢。经此适当设计，液晶分子的排列改变造成整体折射率的变化，相对于像素108的液晶层104就如同一个凸透镜，控制入射光的折射方向。
而当入射光经过折射行进至外加透镜102后，由于外加透镜102也是凸透镜，因此又会再次将光线折射，并集中到人眼，故在出光面112一侧的观察者会看到3D影像。由于光线行进的过程中历经了两次折射，使整体的聚焦能力提升，加大了透镜能力的同时，将可同时减少液晶层的间隙。
图2中的液晶透镜组件100亦可适用于2D模式。请参阅图3，图3是图2的液晶透镜组件应用于2D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。当应用于2D模式时，改变施加于电极106a、106b、106c之上的电压，所产生的电场将会使液晶层104中的液晶分子旋转，造成靠近电极106a、106c的液晶分子排列方向变为光轴平行于入射光的偏振方向，而靠进电极106b的液晶分子排列方向变为光轴平行于偏振光传播方向。由于液晶层104内的液晶分子具有双折射率特性，经此适当设计，液晶分子的排列改变造成整体折射率的变化，液晶层104内相对于像素108附近，仍然会产生一个凸透镜，只是与图2的3D模式时相较，凸透镜的位置平移，恰巧抵消外部透镜102的效果，相当于无任何透镜的存在。光线会沿直线传播，故在出光面112一侧的观察者会看到2D影像。
在本发明中，将3D模式切换至2D模式时，除了透过改变施加于电极106a、106b、106c之上的电压，还可以另外设计一组电极，再将电压施加于该组电极之上，以达到平移液晶层104所形成透镜的目的，如此一来，就可以在2D及3D模式时分别选择不同组电极，而不必在每次切换显示模式时，都必需在同组电极之上改变所施加的电压。
在图2、图3中，液晶层104采用正性液晶分子，也就是说，当施加电压于电极106而产生电场时，液晶分子的排列方向是平行于电场方向。在另一实施例中，液晶层104亦可采用负性液晶分子，但是电极的排列以及延伸方向必需改变，以达到适当的设计。
请参阅图4，图4是本发明第二实施例的液晶透镜组件应用于3D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。与第一实施例不同的是，本实施例中液晶透镜组件200的数个外加透镜202是设置于透明基板201a与透明基板201b之间，并邻接于液晶层204。其中数个外加透镜202以及数个电极206均是朝向垂直于纸面的A方向延伸，在本实施例中是以对应于子像素208a、208b、208c设置的电极206a、206b、206c为例作为说明。另外在液晶透镜组件200以及各子像素208a、208b、208c之间，设置有一偏光片(未显示)，用以提供偏振光至液晶透镜组件200，偏振光的传播方向如图4中箭头所示，且子像素208a、208b、208c分别为红色子像素、绿色子像素以及蓝色子像素，子像素208a、208b、208c构成一像素208。本实施例中是以从偏光片(未显示)射出的光线，偏振方向垂直于A方向以及偏振光传播方向为例进行说明，但不限于此。
当施加电压于电极206a、206b、206c之上时，所产生的电场将会使液晶层204中的液晶分子旋转，造成靠近电极206a、206c的液晶分子排列方向变为光轴平行于偏振光传播方向，而靠进电极206b的液晶分子排列方向变为光轴平行于入射光的偏振方向。经此适当设计，液晶分子的排列改变造成整体折射率的变化，相对于像素208的液晶层204就如同一个凸透镜，控制入射光的折射方向。而入射光经过折射后随即进入外加透镜202，由于外加透镜202也是凸透镜，因此又会再次将光线折射，并集中到人眼，故在出光面212一侧的观察者会看到3D影像。由于光线行进的过程中历经了两次折射，使整体的聚焦能力提升，加大了透镜能力的同时，将可同时减少液晶层的间隙。
请参阅图5，图5是图4的液晶透镜组件应用于2D模式时的剖面及液晶分子排列方向示意图。当应用于2D模式时，改变施加于电极206a、206b、206c之上的电压，所产生的电场将会使液晶层204中的液晶分子旋转，造成靠近电极206a、206c的液晶分子排列方向变为光轴平行于入射光的偏振方向，而靠进电极206b的液晶分子排列方向变为光轴平行于偏振光传播方向。由于液晶层204内的液晶分子具有双折射率特性，经此适当设计，液晶分子的排列改变造成整体折射率的变化，液晶层204内相对于像素208附近，仍然会产生一个凸透镜，只是与图4的3D模式时相较，凸透镜的位置平移，恰巧抵消外部透镜202的效果，相当于无任何透镜的存在。光线会沿直线传播，故在出光面212一侧的观察者会看到2D影像。
同理，欲将3D模式切换至2D模式时，除了透过改变施加于电极206a、206b、206c之上的电压，还可以另外设计一组电极，再将电压施加于该组电极之上，以达到平移液晶层204所形成透镜的目的。在图4、图5中，液晶层204采用正性液晶分子，也就是说，当施加电压于电极206而产生电场时，液晶分子的排列方向是平行于电场方向。在另一实施例中，液晶层204亦可采用负性液晶分子，但是电极的排列以及延伸方向必需改变，以达到适当的设计。
本发明的液晶透镜组件经由一组外加凸透镜的支持，以及透明基板上电极的适当设计，仅需要施加预定的电压于电极之上，就可以在液晶层内产生凸透镜。当入射光经过液晶层内的凸透镜折射后，于行进至外加透镜，又会再次被折射，并集中到人眼，以于出光面形成3D影像。由于光线行进的过程中历经了两次折射，使整体的聚焦能力提升，加大了透镜能力的同时，将可同时减少液晶层的间隙。此外，在转换至2D模式时，也只要改变施加于电极上的电压，就可以将液晶层内的凸透镜水平平移，并抵消外加透镜的效果，于出光面形成2D影像。本发明的液晶透镜组件，不仅切换简单，亦可降低液晶盒的厚度，有效降低成本。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种液晶透镜组件，其自一出光面至一入光面依序包括：
多个相邻排列的长条状凸透镜；
一第一透明基板；
一第二透明基板，该第二透明基板之上设置有多个电极；
一液晶层夹于该第一透明基板与该第二透明基板之间；
其特征在于：
所述多个电极用于控制所述液晶层的液晶分子的排列方向，以调整相对于至少一像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增或递减，用于控制入射光的行进方向，再将所述通过的入射光导至所述凸透镜其中之一。
2.根据权利要求1所述的液晶透镜组件，其特征在于：所述电极为长条状，其延伸方向与所述长条状凸透镜延伸方向一致。
3.根据权利要求2所述的液晶透镜组件，其特征在于：所述液晶透镜组件配合线性偏振光使用，且所述多个长条状凸透镜沿一第一方向延伸，并沿一第二方向排列，该第一方向垂直于该第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。
4.根据权利要求1所述的液晶透镜组件，其特征在于：所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递减，以形成3D模式。
5.根据权利要求1所述的液晶透镜组件，其特征在于：所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增，以形成2D模式。
6.一种液晶透镜组件，其自一出光面至一入光面依序包括：
一第一透明基板；
多个相邻排列的长条状凸透镜；
一第二透明基板，该第二透明基板之上设置有多个电极；
一液晶层夹于所述多个长条状凸透镜与该第二透明基板之间；
其特征在于：
所述多个电极用于控制所述液晶层的液晶分子的排列方向，以调整相对于至少一像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增或递减，用于控制入射光的行进方向，再将所述通过的入射光导至所述的凸透镜其中之一。
7.根据权利要求6所述的液晶透镜组件，其特征在于：所述电极为长条状，其延伸方向与所述长条状凸透镜延伸方向一致。
8.根据权利要求7所述的液晶透镜组件，其特征在于：该液晶透镜组件配合线性偏振光使用，且所述多个长条状凸透镜沿一第一方向延伸，并沿一第二方向排列，该第一方向垂直于该第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。
9.根据权利要求6所述的液晶透镜组件，其特征在于：所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递减，以形成3D模式。
10.根据权利要求6所述的液晶透镜组件，其特征在于：所述多个电极调整相对于所述像素的所述液晶层的液晶分子折射率，由相对于所述像素的中央向两边递增，以形成2D模式。
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