CN103235462A - 液晶透镜及其在进行3d显示时的驱动方法、立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了液晶透镜，其包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，在每个液晶透镜单元中除了第一、二基板，第一、二电极，介电层，第一、二配向膜，液晶材料之外还包括相匹配的两对第三电极与条形遮光层。第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个条形电极。两个第三电极设置在介电层上而位于介电层与第一配向膜之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，每个第三电极具备预定高度与预定形状截面。遮光层设置在第二基板面上而位于第二基板与第二电极之间。本发明还公开了该液晶透镜在进行3D显示时的驱动方法以及立体显示装置。

Description

液晶透镜及其在进行3D显示时的驱动方法、立体显示装置

技术领域

本发明涉及立体显示技术，尤其涉及一种能减小串扰的液晶透镜、该液晶透镜进行3D显示时的驱动方法、以及具有该液晶透镜的立体显示装置。

背景技术

采用液晶透镜来实现自由立体显示的立体显示装置，主要是利用在液晶层两侧的两片基板上分别设置正负电极，并在不同电极上施加大小不同的驱动电压，从而在两片基板间形成具有不同强度的垂直电场，以驱动液晶分子排列而形成可变焦液晶透镜。因此，只需要控制相应电极上的电压分布，液晶透镜的折射率分布就会相应的改变，从而对像素出射光的分布进行控制，实现自由立体显示和2D/3D自由切换。

如图1所示，其为一种常见的液晶透镜100的结构示意图，它含有多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元具有相同的结构，图1中只画出了两个液晶透镜单元L1、L2，两个液晶透镜单元L1、L2结构相同。具体的讲，液晶透镜100包含第一基板101与第二基板102，第一基板101与第二基板102正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板101上设置有第一电极103，第一电极103一般为透明导电材料如ITO或者IZO等，在第二基板102上设置有第二电极107，第二电极107也为透明导电材料如ITO或者IZO。在每一个液晶透镜单元之内，如液晶透镜单元L1的第一电极103包含以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极S11, S12, S13, …, S18, S19；再如液晶透镜单元L2的第一电极103包含以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极S19, S22, S23, …,S28, S29。

以液晶透镜单元L1为例展开说明，条形电极的数量一般为奇数(以下以九电极为例进行说明)，多个条形电极的宽度分别为W(S11), W(S12),W(S13), ..., W(S18) ,W(S19) 等，一般而言条形电极具备相同的宽度，即W(S11) = W(S12) = W(S13) = ... = W(S18) =W(S19)。在两个液晶透镜单元L1、L2之间，共用同一个条形电极S19(S21)。除此之外，液晶透镜100还包括设置在第一电极103上的介电材料104也即介电层，设置在第二电极107上的第二配向膜108以及设置在介电材料104上的第一配向膜105用于控制液晶分子的取向，液晶材料106被封装在第一基板101与第二基板102之间。虽然图1中未画出，但液晶透镜100还包括用于液晶材料106封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)等。

如图2所示，当液晶透镜100需要进行3D显示时，在第一电极103的各个条形电极如S11, S12, S13, …, S18, S19（以透镜单元L1为例）等上施加对称的电压，第二电极107作为公用电极电压设置为零，以正性液晶材料(即△ε=ε∥-ε⊥ > 0，式中ε∥为液晶分子长轴方向的介电系数，ε⊥为液晶分子短轴方向的介电系数。)为例，可以使V(S11) = V(S19) > V(S12) = V(S18) > V(S13) = V(S17) > V(S14) = V(S16) > V(S15)，即在液晶透镜单元L1的中心电极S15上施加的电压最小，而在液晶透镜单元L1的边缘条形电极S11, S19上施加的电压最大，从液晶透镜单元L1中心到液晶透镜单元L1边缘各个条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。由于在液晶透镜单元L1边缘施加的电压最大，边缘条形电极S11，S19位置的液晶分子基本上呈现垂直方向分布，而越靠近液晶透镜单元L1的中心电压越小，因此液晶分子会逐渐倾向于水平方向排列。在每一个液晶透镜单元内，由于电压对称分布，液晶材料106随着电场强度的变化呈现折射率的渐变，因而具有液晶透镜100的整个液晶透镜阵列具备较好的光学成像特性。

一方面，折射率渐变透镜即GRIN LENS光程差公式△nd=D²/(8f)，其中△n=n_max - n(r)= n_e - n(r)，n_e即液晶材料106对非寻常光折射率，折射率n(r)作为位置r的函数在不同位置会有所不同。在如图2中，液晶透镜单元L1、L2的边缘条形电极S11、S19、S21、S29位置由于液晶材料106的液晶分子呈垂直状态，n(r) = n_o，而在每个液晶透镜单元的中心条形电极如条形电极S15、S25位置液晶分子长轴呈现水平状态，n(r) = n_e。D即每个液晶透镜单元开口的大小，f为液晶透镜单元的焦距，d为液晶盒厚。由此可知到当液晶材料(△n)、焦距(f)确定之后，液晶盒厚d随着透镜开口D的增加以平方关系增大，影响液晶透镜100的响应时间。

另一方面，在每个液晶透镜单元如液晶透镜单元L1内的各个条形电极S11, S12, S13, …, S18, S19上施加对称的电压后，通过电压优化设置，可以得到每个透镜单元内光程差分布。为减小液晶透镜100在3D显示时引起的串扰，避免左(右)眼画面信息分别被右(左)眼察觉到降低立体显示的品质，需要液晶透镜100与抛物型透镜光程差分布相吻合。

如图3比较了优化后的常见液晶透镜100光程差分布(模拟结果)与抛物型透镜光程差分布的差异。可以看出，尽管液晶透镜单元经过电压优化后光程差分布曲线在透镜中心基本与理想抛物线接近，但在两个液晶透镜单元L1、L2交界处(图中以方框标识)，液晶透镜100光程差分布仍然明显偏离理想抛物线，从而造成使用液晶透镜100的立体显示装置产生较大串扰，降低了立体显示效果和观察舒适度。

发明内容

针对前面提到的问题，本发明提出了相应的解决办法，通过在液晶透镜的第一基板和(或者)第二基板上设置预定结构的电极图形，改善液晶透镜的响应时间，缩短液晶透镜在2D显示模式和3D显示模式之间转换时所需的时间，提高画面的流畅程度；同时通过在液晶透镜出光一侧的基板上设置遮挡层，减小液晶透镜单元与抛物线透镜之间因光程差不吻合的问题带来的串扰，提高观看舒适度。

本发明是这样实现的，一种液晶透镜，其包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：第一基板；第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个条形电极；介电层，其设置在该第一基板上且覆盖该多个条形电极，并填充于该多个条形电极之间；第一配向膜，其设置在该介电层上；第二基板，其与该第一基板正对设置；第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；第二配向膜，其设置在该第二电极上；液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其中，每个液晶透镜单元还包括：两个第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第一配向膜之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸；两个条形遮光层，其设置在该第二基板面向该第二电极的一侧上而位于该第二基板与该第二电极之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸。

作为上述方案的进一步改进，每个液晶透镜单元还包括介质填充材料形成的两个凸台，该两个凸台位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸，该两个凸台设置在该介电层上并位于该介电层与相应的第三电极之间；该第三电极设置在相应的凸台上，且覆盖在相应凸台的外表面上；每个条形遮光层的宽度小于每个凸台的最大宽度。

优选地，每个液晶透镜单元还包括两对连接部，该两对连接部设置在该介电层中，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，每对连接部还穿透该介电层以与该介电层相对两侧的第三电极与条形电极电性接触，使该介电层相对两侧的第三电极与条形电极导通。

再优选地，每个第三电极沿该介电层的表面延伸以与相应的连接部电性接触。

作为上述方案的进一步改进，该第二电极包括第一电极部以及两个第二电极部，该两个第二电极部分别正对该两个条形遮光层，且与该第一电极部电性绝缘。

作为上述方案的进一步改进，每个条形遮光层呈黑色。

作为上述方案的进一步改进，该第三电极为凸台结构，其截面为梯形、半椭圆型、三角形、半圆形中的一种。

作为上述方案的进一步改进，该凸台的截面为梯形、半椭圆型、三角形、半圆形中的一种。

作为上述方案的进一步改进，该介质填充材料为树脂。

本发明还提供一种液晶透镜进行3D显示时的驱动方法，该液晶透镜包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：第一基板；第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个条形电极；介电层，其设置在该第一基板上且覆盖该多个条形电极，并填充于该多个条形电极之间；第一配向膜，其设置在该介电层上；第二基板，其与该第一基板正对设置；第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；第二配向膜，其设置在该第二电极上；液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其中，每个液晶透镜单元还包括：两个第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第一配向膜之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸；两个条形遮光层，其设置在该第二基板面向该第二电极的一侧上而位于该第二基板与该第二电极之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸；

该驱动方法包括以下步骤：第二电极作为公用电极电压而设置为基准电压；给每个条形电极施加电压，从每个液晶透镜单元中心到相应液晶透镜单元的两边缘各个条形电极上的电压以预定的梯度进行分布；每个第三电极上施加相同电压，且第三电极上的电压不小于相应液晶透镜单元的两边缘条形电极上施加的电压。

作为上述方案的进一步改进，当液晶透镜需要从3D显示向2D显示时，将第二电极以及各个条形电极上的电压全部撤去，而在相邻的第三电极上施加极性相反的电压。

作为上述方案的进一步改进，每个液晶透镜单元还包括介质填充材料形成的两个凸台，该两个凸台位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸，该两个凸台设置在该介电层上并位于该介电层与相应的第三电极之间；该第三电极设置在相应的凸台上，且覆盖在相应凸台的外表面上；每个条形遮光层的宽度小于每个凸台的最大宽度。

优选地，每个液晶透镜单元还包括两对连接部，该两对连接部设置在该介电层中，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，每对连接部还穿透该介电层以与该介电层相对两侧的第三电极与条形电极电性接触，使该介电层相对两侧的第三电极与条形电极导通。

再优选地，每个第三电极沿该介电层的表面延伸以与相应的连接部电性接触。

作为上述方案的进一步改进，每个条形遮光层呈黑色。

作为上述方案的进一步改进，该第三电极为凸台结构，其截面为梯形、半椭圆型、三角形、半圆形中的一种。

作为上述方案的进一步改进，该凸台的截面为梯形、半椭圆型、三角形、半圆形中的一种。

作为上述方案的进一步改进，该介质填充材料为树脂。本发明还提供另一种液晶透镜进行3D显示时的驱动方法，该液晶透镜包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：第一基板；第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个条形电极；介电层，其设置在该第一基板上且覆盖该多个条形电极，并填充于该多个条形电极之间；第一配向膜，其设置在该介电层上；第二基板，其与该第一基板正对设置；第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；第二配向膜，其设置在该第二电极上；液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其中，每个液晶透镜单元还包括：两个第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第一配向膜之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸；两个条形遮光层，其设置在该第二基板面向该第二电极的一侧上而位于该第二基板与该第二电极之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸；该第二电极包括第一电极部以及两个第二电极部，该两个第二电极部分别正对该两个条形遮光层，且与该第一电极部电性绝缘。

该驱动方法包括以下步骤：第二电极的第一电极部与两个第二电极部均作为公用电极电压而设置为基准电压；给每个条形电极施加电压，从每个液晶透镜单元中心到每个液晶透镜单元的两边缘各个条形电极上的电压以预定的梯度进行分布；每个第三电极上施加相同电压，且第三电极上的电压不小于相应液晶透镜单元的两边缘条形电极上施加的电压。

作为上述方案的进一步改进，当液晶透镜需要从3D显示向2D显示时，将第二电极的第一电极部以及各个条形电极上的电压全部撤去，而在相邻的第三电极上施加极性相反的电压，且还在相邻的第二电极部上施加极性相反的电压，正对布局的第三电极与第二电极部施加相同极性的电压。

本发明还提供一种立体显示装置，其包括液晶透镜以及与该液晶透镜配合使用的显示面板，该液晶透镜为上述任意一种所述的液晶透镜，该显示面板用于显示具有视差的左眼图像和右眼图像，该液晶透镜用于将左眼图像和右眼图像投射到预定的视场空间。

与现有技术相比，采用本发明的有益效果为：

1、改善响应时间：由于在液晶透镜第一基板和(或)第二基板上设置了预定结构的电极图形，同时通过设置适当的驱动电压，使液晶透镜在2D显示模式与3D显示模式之间互相转变时，降低液晶透镜的关响应时间T_off、开响应时间T_on，大大改善液晶透镜的响应时间，即使在较大液晶盒厚时仍能实现液晶透镜的快速响应；

2、降低串扰信息：与常见液晶透镜相比，由于在各个透镜单元交界处设置了遮光层，一方面用于防止采用金属材料制作第三电极造成的反射现象，同时可以遮挡因液晶透镜光程差和抛物线透镜光程差分布不一致而造成的串扰。

附图说明

图1为一种常见的液晶透镜的结构示意图。

图2为图1中的液晶透镜在3D显示状况下的液晶分子排布示意图。

图3为图1中的液晶透镜与抛物型透镜光程差分布差异示意图。

图4为本发明第一实施方式提供的液晶透镜的结构示意图。

图5为图4中的局部放大示意图。

图6为图4中液晶透镜的部分立体分解图。

图7为图4中液晶透镜在3D显示状况下的液晶分子取向示意图。

图8为图7中液晶透镜在3D显示状态下每个液晶透镜单元折射率渐变曲线。

图9为图7中液晶透镜从2D显示到3D显示快速响应的状态示意图。

图10为本发明第二实施方式提供的液晶透镜的结构示意图。

图11为图10中的局部放大示意图。

图12为本发明第三实施方式提供的液晶透镜的结构示意图。

图13为图12中的局部放大示意图。

图14为本发明第四实施方式提供的液晶透镜的结构示意图。

图15为图14中的局部放大示意图。

图16为图14中液晶透镜从2D显示到3D显示快速响应的状态示意图。

图17为各个实施方式中预定高度与预定形状截面的举例说明示意图，其中，图中上排为其他形状介质填充材料形成的凸台外形截面，下排为设置第三电极后的外形截面。

图18为图4中液晶透镜在3D显示模式下液晶分子取向模拟结果示意图。

图19为图4中液晶透镜在2D显示模式下液晶分子取向模拟结果示意图。

图20为应用图4中液晶透镜的立体显示装置在3D显示模式下的示意图。

图21为应用图4中液晶透镜的立体显示装置在2D显示模式下的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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4是本发明液晶透镜的第一实施例剖面图。液晶透镜1000含有多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元具有相同的结构，图4中只画出了两个液晶透镜单元L1、L2，两个液晶透镜单元L1、L2结构相同。具体的讲，液晶透镜1000包含第一基板1001与第二基板1002，第一基板1001与第二基板1002正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板1001上设置有第一电极1003，第一电极1003一般为透明导电材料如ITO或者IZO等。在每一个液晶透镜单元之内，如液晶透镜单元L1的第一电极1003包含在X方向以一定间隔分开、沿Y方向延展并平行设置的多个条形电极S11, S12, S13, …, S18, S19；再如液晶透镜单元L2的第一电极1003包含在X方向以一定间隔分开、沿Y方向延展并平行设置的多个条形电极S19, S22, S23, …, S28, S29，其中，X方向、Y方向、Z方向两两相互垂直，构成WYZ三维平面。

以液晶透镜单元L1为例展开说明，条形电极的数量一般为奇数(以下以九电极为例进行说明)，多个条形电极的宽度分别为W(S11), W(S12), W(S13), ...,W(S18) ,W(S19) 等，一般而言条形电极具备相同的宽度，即W(S11) = W(S12) = W(S13) = ... = W(S18) = W(S19)。在两个液晶透镜单元L1、L2之间，共用同一个条形电极S19(S21)。在第一电极1003上设置有介电层1004，可以为氮化硅等材料，介电层1004全部覆盖第一电极1003。

请结合图5及图6，在介电层1004之上设置有介质填充材料形成的凸台1005，介质填充材料可以是各种树脂，用于形成具备一定高度和特定形状截面的凸台1005，在该第一实施例中，凸台1005具有梯形截面，且凸台1005只形成在各个液晶透镜单元的两边缘电极的对应位置（在本实施方式中为正上方），如形成在液晶透镜单元L1的两边缘电极S11和S19对应位置以及形成在液晶透镜单元L2的两边缘电极S21和D29对应位置，即图4中位置a1, a2, a3的地方。在凸台1005之上设置有第三电极1006，第三电极1006只形成在凸台1005之上且沿着Y方向延展，在第一实施例中，第三电极1006只形成在梯形截面的凸台1005的上底边和腰(两个斜边)，第三电极1006可以是采用溅射、蚀刻等工艺形成的金属材料或者是透明导电材料如ITO或者IZO等。在第三电极1006和介电层1004之上设置有第一配向层1007，第一配向层1007可以是聚酰亚胺等材料。

请继续参照图4，在每个液晶透镜单元中，第二基板1002上设置有两个条形遮光层1008，位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸用于遮挡相邻液晶透镜单元交界位置因光程差不吻合造成的串扰，每个条形遮光层1008的宽度小于每个第三电极1006的最大宽度。

条形遮光层1008的遮光材料一般为黑色有机树脂或者氧化镉等，条形遮光层1008形成位置也在各个液晶透镜单元的两边缘电极对应位置，用于遮挡各个液晶透镜单元交界位置因光程差不吻合造成的串扰。条形遮光层1008在X方向的宽度应该不小于第三电极1006形成的凸台1005在X方向上投影大小，即第三电极1006底边最大尺寸。在黑色条形遮光层1008之上设置有第二电极1009，第二电极1009为面电极，材料为透明导电材料如ITO或者IZO。在面电极之上设置有第二配向层1010。第一配向层1007与第二配向层1010用于控制液晶分子取向，且配向方向为反平行设置，即若第一配向层1007沿着X方向配向，则第二配向层1010沿着-X方向配向。液晶材料1011被封装在第一基板1001与第二基板1002之间。除此之外，虽然图4中未画出，液晶透镜1000还包括用于液晶材料1011封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)等。

图7是本发明液晶透镜第一实施例在3D显示模式下液晶分子取向示意图。以液晶透镜单元L1为例，可以使第二电极1009作为公用电极电压设置为零，各个第一条形电极上的电压V(S11) = V(S19) > V(S12)= V(S18) > V(S13) = V(S17) > V(S14) = V(S16) >V(S15)，即在液晶透镜单元L1的中心条形电极S15上施加的电压最小，而在液晶透镜单元L1的两边缘电极S11, S19上施加的电压最大，从液晶透镜单元L1中心到液晶透镜单元L1两边缘各个条形电极上的电压以一定的梯度进行分布，第三电极1006上的驱动电压可以设为V(1006)= V(S11) = V(S19)。由于在第一电极1003的电极S11,S19及第三电极1006上施加的电压最大，图7中三个凸台1005的位置a1,a2,a3顶部的液晶分子均呈现垂直方向分布，在凸台1005斜边液晶分子以一定角度开始倾斜，液晶分子倾斜的角度与凸台1005的角度及电压设置相关，而越靠近液晶透镜单元的中心电压越小，因此液晶分子会逐渐倾向于水平方向排列，导致在每个液晶透镜单元内折射率呈现由小到大，再由大到小的渐变趋势，如图8所示。

当液晶透镜的第一电极1003、第二电极1009以及第三电极1006上都不施加驱动电压时，如图4所示，液晶材料1011的液晶分子的分子长轴呈水平状态，与X方向平行，此时整个液晶透镜装置呈现2D显示状态；当在液晶透镜的第一电极1003、第二电极1009以及第三电极1006上分别施加不同的驱动电压形成液晶透镜之后，整个液晶透镜装置呈现3D显示状态，液晶透镜内液晶分子的分布如图7所示。

在2D显示向3D显示转变的过程中，液晶透镜的开响应时间T_on与液晶盒厚，液晶材料粘滞系数、驱动电压等因素相关。与常见液晶透镜相比，由于液晶透镜在各个液晶透镜单元的边界处形成了具有一定高度的凸台1005(如图7中位置a1, a2, a3)并在凸台1005之上设置了第三电极1006，即使第三电极1006的驱动电压与每个液晶透镜单元的两边缘电极如液晶透镜单元L1、L2的两边缘电极S11, S19(S21), S29一样大小，即V(1006) = V(s11) = V(s19) = V(s29)，由于凸台1005所在位置有效液晶盒厚明显减小，电场强度变强，也可以使液晶分子更快的实现从水平状态(2D显示模式)向垂直状态(3D显示模式)的旋转。若在第三电极1006上施加更大的驱动电压，使得V(1006) > V(s11) = V(s19) = V(s29)，更可加快液晶分子响应的时间，实现2D显示向3D显示的转变。

在3D显示向2D显示转变的过程中，常见液晶透镜由于在液晶分子两侧没有了压差，液晶分子从旋转后(3D显示模式)的某个位置回复到分子长轴平行于水平方向的位置(2D显示模式)只能依靠液晶分子弹性回复力，导致关响应时间T_off很大，基本决定了液晶透镜的整个响应时间(T=T_off + T_on ≈ T_off)。参照图9，当需要3D显示向2D显示转变时，将液晶透镜第一电极1003以及第二电极1009上的电压全部撤去，而在第三电极1006的不同位置上施加极性相反的电压，如在图9中位置a1, a3施加+V电压，而在a2位置施加-V电压，如此周期性设置驱动电压，也就是说，将第二电极1009以及各个条形电极上的电压全部撤去，而在相邻的第三电极1006上施加极性相反的电压。由于液晶透镜单元L1、L2内三个凸台1005的位置a1, a2, a3具备一定的高度，形成很强的水平方向电场，可以将不同位置的液晶分子快速推向水平方向的初始位置，大大减小关响应时间T_off，使液晶透镜在2D显示与3D显示之间快速转换。

图10是本发明液晶透镜第二实施例剖面图，请结合图11，第二实施例与图4的第一实施例不同的是，在液晶透镜2000的介质填充材料所形成凸台2005(图10中位置c1, c2, c3的地方)底边两侧介电层2004上设置有两个连接部2012，在3D显示模式下驱动方法同第一实施例。每个液晶透镜单元还包括两对连接部2012，该两对连接部2012设置在该介电层2004中，且位于在相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，每对连接部2012还穿透该介电层2004以与该介电层2004相对两侧的第三电极2006与条形电极电性接触，使该介电层2004相对两侧的第三电极2006与条形电极导通。如图11所示，每个第三电极2006沿该介电层2004的表面延伸以与相应的连接部2012电性接触。

图11中以位置h1、h2表示一对连接部2012的位置，位置h1、h2位于液晶透镜单元L1、L2的两边缘条形电极S11, S19(S21)及S29对应位置，并以各个边缘条形电极S11, S19(S21)及S29的条形电极中心左右对称分布。通过在介电层2004的位置h1、h2上形成一对连接部2012，在形成第三电极2006后，第三电极2006与第一电极2003可以通过相应的连接部2012电性导通，无需在第三电极2006上直接施加驱动电压。即在第一电极2003上施加一定的驱动电压后，第三电极2006上施加的驱动电压V(2006) = V(S11) = V(S19) = V(S29)，使整个液晶透镜的驱动变得更加简单。

图12是本发明液晶透镜第三实施例剖面图。请结合图13，第三实施例与图4即第一实施例不同的是，第一实施例的液晶透镜1000所形成的凸台1005(图13中位置d1, d2, d3)无需使用介质填充材料，而是直接使用电极材料形成第三电极3006从而构成第三实施例的液晶透镜3000，在3D显示模式下驱动方法同第一实施例。当然，该实施例也可以和第二实施例类似地在介电层3004上形成连接部，从而使第三电极3006与第一电极3003直接电性导通，使驱动方法变得更加简单。

采用介质填充材料形成凸台是为了方便第三电极3006的工艺成形，如果直接采用第三电极3006形成凸台，则在第三电极3006的工艺形成中，需要耗费相对长的时间沉膜，限制第三电极3006的成形。

图14是本发明液晶透镜第四实施例剖面图。请结合图15，在液晶透镜4000的第二基板4002上设置黑色的条形遮光层4008后，然后在黑色条形遮光层4008之上设置第二电极4009，与图4即本发明第一实施例不同的是，第二电极4009包括两个部分，即第一电极部40091以及两个第二电极部40092，该两个第二电极部40092分别正对两个条形遮光层4008，且以预定间隙与该第一电极部40091隔开而与该第一电极部40091电性绝缘。设置在相邻黑色条形遮光层4008之间的第一电极部40091和正对每个黑色条形遮光层4008的第二电极部40092，第一电极部40091与第二电极部40092之间以一定的间隙隔开，实现第一电极部40091与第二电极部40092电极电性不导通，便于在第一电极部40091与第二电极部40092上分别施加不同的驱动电压。

第四实施例则可以更好的缩短2D显示与3D显示之间的转换时间，加快液晶分子响应。如图16所示，在2D显示时，所有第一电极4003，第二电极4009(包含第一电极部40091与第二电极部40092)以及第三电极4006上的电压均设置为零。

在2D显示向3D显示转变时，在每个液晶透镜单元(如液晶透镜单元L1内)的第一电极4003上施加左右对称并以一定梯度分布的电压；第二电极4009(包含第一电极部40091与第二电极部40092)均设置为公用电极，电压为零；在第三电极4006上均施加同一个驱动电压，第三电极4006的驱动电压可以大于或者等于每个透镜单元的最大驱动电压，即V(4006) ≥ V(S11) = V(S19) = V(S29)。由于相比常见液晶透镜结构在凸台4005位置有效液晶盒厚大大降低，电场强度更大，使液晶分子更快的实现从水平状态(2D显示模式)向垂直状态(3D显示模式)的旋转，缩短开响应时间T_on。

在3D显示向2D显示转变的过程中，常见液晶透镜由于在液晶分子两侧没有了压差，液晶分子从旋转后(3D显示模式)的某个位置回复到分子长轴平行于水平方向的位置(2D显示模式)只能依靠液晶分子弹性回复力，导致关响应时间T_off很大，基本决定了液晶透镜的整个响应时间(T=T_off + T_on ≈ T_off)。继续参照图16，3D显示向2D显示转变时，将液晶透镜第一电极4003以及第二电极4009的第一电极部40091上的电压全部撤去，而在第三电极4006的不同位置上施加极性相反的电压，例如在图16中位置e1, e3地方施加+V电压，而在位置e2施加-V电压，如此周期性设置驱动电压。类似，在第二电极4009的第二电极部40092上也施加周期性极性相反的电压，例如，两个凸台4005的位置e1, e3对应位置的第二电极部40092上施加+V，而在凸台4005的位置e2对应位置的第二电极部40092上施加-V。

也就是说，当液晶透镜需要从3D显示向2D显示时，将第二电极4009的第一电极部40091以及各个条形电极上的电压全部撤去，而在相邻的第三电极4006上施加极性相反的电压，且还在相邻的第二电极部40092上施加极性相反的电压，正对布局的第三电极4006与第二电极部40092施加相同极性的电压。

加之液晶透镜内凸台4005具备一定的高度，形成很强的水平方向电场，可以将不同位置的液晶分子快速推向水平方向的初始位置，大大减小关响应时间T_off，使液晶透镜在2D显示与3D显示之间快速转换。在前面所述液晶透镜的各个实施例中，液晶透镜单元内形成的凸台截面为梯形，事实上所形成的凸台可以为其他各类形状，图17列举了几种不同形状截面的介质填充材料形成的凸台及设置第三电极后外形剖面图，如梯形、半椭圆型、三角形、半圆形等，但凸台形状不限于此。

在图3中提到，常见液晶透镜由于光程差与抛物线透镜分布的差异，从而导致左右眼看到串扰的信息，影响立体显示效果和观看舒适度。本发明各个实施例中，在每个液晶透镜单元交界处设置了黑色条形遮光层，一方面可以用来防止凸台位置第三电极若采用金属材料制作时造成的反射，另一方面可以用来遮挡左右眼的串扰信息，起到降低串扰的目的。

请一并参阅如图18及图19，基于第一实施例，模拟了3D与2D显示模式下液晶分子的分布。如图18所示，在3D显示模式下，由于每个透镜单元内施加了左右对称的电压，液晶分子旋转角度渐进的变化，折射率实现渐进的分布；如图19所示，在2D显示模式下，液晶分子都呈现水平方向的排列。

请一并参阅如图20及图21，是液晶透镜立体显示装置分别在3D与2D显示模式下的示意图。如图21所示，在2D显示模式下，液晶透镜不对原有影像进行调制，整个液晶透镜立体显示装置的亮度、分辨率等主要特性参数基本不受影响；如图20所示，在3D显示模式下，由于每个液晶透镜单元内驱动电压呈左右对称分布，每个液晶透镜单元都起到类似一个凸透镜的功能，实现左右眼影像分离，从而观看到立体效果。

综上各个实施方式所述，本发明的液晶透镜及应用该液晶透镜的立体显示装置的优点在于：

1、改善响应时间：由于在液晶透镜第一基板和(或)第二基板上设置了预定结构的电极图形，同时通过设置适当的驱动电压，使液晶透镜在2D显示模式与3D显示模式之间互相转变时，降低液晶透镜的关响应时间T_off、开响应时间T_on，大大改善液晶透镜的响应时间，即使在较大液晶盒厚时仍能实现液晶透镜的快速响应；

2、降低串扰信息：与常见液晶透镜相比，由于在各个透镜单元交界处设置了遮光层，一方面用于防止采用金属材料制作第三电极造成的反射现象，同时可以遮挡因液晶透镜光程差和抛物线透镜光程差分布不一致而造成的串扰。

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 (14)

1.一种液晶透镜，其包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：

第一基板；

第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个条形电极；

介电层，其设置在该第一基板上且覆盖该多个条形电极，并填充于该多个条形电极之间；

第一配向膜，其设置在该介电层上；

第二基板，其与该第一基板正对设置；

第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；

第二配向膜，其设置在该第二电极上；

液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其特征在于，每个液晶透镜单元还包括：

两个第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第一配向膜之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸；

两个条形遮光层，其设置在该第二基板面向该第二电极的一侧上而位于该第二基板与该第二电极之间，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸。

2.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，每个液晶透镜单元还包括介质填充材料形成的两个凸台，该两个凸台位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，并沿平行于相应条形电极延伸的方向延伸，该两个凸台设置在该介电层上并位于该介电层与相应的第三电极之间；该第三电极设置在相应的凸台上，且覆盖在相应凸台的外表面上；每个条形遮光层的宽度小于每个凸台的最大宽度。

3.如权利要求2所述的液晶透镜，其特征在于，每个液晶透镜单元还包括两对连接部，该两对连接部设置在该介电层中，且位于相应液晶透镜单元中相对两边缘的条形电极的对应位置，每对连接部还穿透该介电层以与该介电层相对两侧的第三电极与条形电极电性接触，使该介电层相对两侧的第三电极与条形电极导通。

4.如权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，每个第三电极沿该介电层的表面延伸以与相应的连接部电性接触。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的液晶透镜，其特征在于，该第二电极包括第一电极部以及两个第二电极部，该两个第二电极部分别正对该两个条形遮光层，且与该第一电极部电性绝缘。

6.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，每个条形遮光层呈黑色。

7.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，该第三电极为凸台结构，其截面为梯形、半椭圆型、三角形、半圆形中的一种。

8.如权利要求2所述的液晶透镜，其特征在于，该凸台的截面为梯形、半椭圆型、三角形、半圆形中的一种。

9.如权利要求2所述的液晶透镜，其特征在于，该介质填充材料为树脂。

10.一种液晶透镜进行3D显示时的驱动方法，其应用于如权利要求1至4，6至9中任意一项所述的液晶透镜中，其特征在于，该驱动方法包括以下步骤：

第二电极作为公用电极电压而设置为基准电压；

给每个条形电极施加电压，从每个液晶透镜单元中心到相应液晶透镜单元的两边缘各个条形电极上的电压以预定的梯度进行分布；

每个第三电极上施加相同电压，且第三电极上的电压不小于相应液晶透镜单元的两边缘条形电极上施加的电压。

11.如权利要求10所述的液晶透镜进行3D显示时的驱动方法，其特征在于，当液晶透镜需要从3D显示向2D显示时，将第二电极以及各个条形电极上的电压全部撤去，而在相邻的第三电极上施加极性相反的电压。

12.一种液晶透镜进行3D显示时的驱动方法，其应用于如权利要求5所述的液晶透镜中，其特征在于，该驱动方法包括以下步骤：

第二电极的第一电极部与两个第二电极部均作为公用电极电压而设置为基准电压；

给每个条形电极施加电压，从每个液晶透镜单元中心到每个液晶透镜单元的两边缘各个条形电极上的电压以预定的梯度进行分布；

每个第三电极上施加相同电压，且第三电极上的电压不小于相应液晶透镜单元的两边缘条形电极上施加的电压。

13.如权利要求12所述的液晶透镜进行3D显示时的驱动方法，其特征在于，当液晶透镜需要从3D显示向2D显示时，将第二电极的第一电极部以及各个条形电极上的电压全部撤去，而在相邻的第三电极上施加极性相反的电压，且还在相邻的第二电极部上施加极性相反的电压，正对布局的第三电极与第二电极部施加相同极性的电压。

14.一种立体显示装置，其包括液晶透镜以及与该液晶透镜配合使用的显示面板，其特征在于，该液晶透镜为权利要求1至9中任意一项所述的液晶透镜，该显示面板用于显示具有视差的左眼图像和右眼图像，该液晶透镜用于将左眼图像和右眼图像投射到预定的视场空间。

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