CN103454825B - 液晶透镜及2d/3d图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶透镜及2D/3D图像显示装置，该液晶透镜包括第一基板、第二基板、液晶层、第一电极组及第二电极组，第一电极组包括多个第一电极，设于该第一基板的面向该第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此间隔一定的距离；第二电极组设于该第二基板的面向该第一基板的表面上，包括多个第二电极和多个第三电极以及绝缘层，该绝缘层位于该第二电极和该第三电极之间；其中，该第二电极和该第三电极沿不同于该第一方向的第二方向延伸，且该多个第二电极之间间隔一定的距离，该多个第三电极之间间隔一定的距离。本发明的液晶透镜及2D/3D图像显示装置，减少驱动芯片的数量，减少了成本。

Description

液晶透镜及2D/3D图像显示装置

技术领域

本发明涉及液晶技术，尤指一种液晶透镜及包含该液晶透镜的2D/3D图像显示装置。

背景技术

立体视觉的产生是由于人的左眼和右眼接收到了来自不同角度的图像，经大脑合成后，感知到的物体的层次感及深度感。随着立体显示技术的发展，目前已出现多种立体显示模式以使观看者产生立体视觉。目前的立体显示装置大致可分为被动立体显示装置和自动立体显示装置两种。使用被动立体显示装置时，观看者需要佩戴眼镜或头盔之类的辅助设备，才能感知到立体效果；而自动立体显示也叫裸眼立体显示，即观察者不需要借助任何辅助设备即可直接从显示装置上看到立体影像。

其中，裸眼式立体显示装置的主要原理是，在显示面板前设置光栅，光栅将显示面板显示的至少两幅视差图像分别提供给观看者的左、右眼。其中，光栅可以为狭缝光栅或柱镜光栅。

近来，出现了采用液晶透镜来实现自动立体显示装置的方案，这种方案基于液晶的双折射性，采用电压控制液晶分子的分布，对入射光产生透镜的效果。这种立体显示装置的最大优点是：折射率和透镜的焦距等可调。但是，目前的技术还是基于现有的柱透镜光栅而形成的立体显示装置，其中，固定柱透镜光栅需要专门的切换器件辅助实现2D/3D共融，所谓2D/3D共融是指在同一个屏幕上，一部分显示区域显示2D内容，同时另一部分显示区域显示3D内容，而使用柱透镜光栅无疑增加了成本，而且驱动芯片等硬件电路的数量过多会带来良率的降低；另一种可变柱透镜光栅通过填充普通液晶，并通过电极控制实现2D/3D共融，但是，其采用的是两层电极的结构，在实现2D/3D共融上显示效果仍然不佳。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种液晶透镜及2D/3D图像显示装置，能够减少驱动芯片的数量，降低驱动复杂度，减少成本。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种液晶透镜，所述液晶透镜包括：第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板布置成彼此面对且其间有间距；

液晶层，设于所述第一基板和所述第二基板之间，包括具有双折射率且各向异性的液晶分子；

第一电极组，包括多个第一电极，设于所述第一基板的面向所述第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此间隔一定的距离；

第二电极组，所述第二电极组设于所述第二基板的面向所述第一基板的表面上，包括多个第二电极和多个第三电极以及绝缘层，所述绝缘层位于所述第二电极和所述第三电极之间；

其中，所述第二电极和所述第三电极沿不同于所述第一方向的第二方向延伸，且所述多个第二电极之间间隔一定的距离，所述多个第三电极之间间隔一定的距离。

每一所述第三电极在所述第一方向上对应多个第二电极。

所述第二电极组在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第二电极、所述绝缘层和所述第三电极。

所述第二电极组在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第三电极、所述绝缘层和所述第二电极。

所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极中至少一个为条形带状、或弧形条状、或锯齿形条状。

所述多个第二电极分为M组，每一组对应一个透镜单元且包括N个第二电极，所述每一组内的每一个第二电极分别连接不同的驱动电压源，且所述驱动电压源为N个，依序标记为1、2…N，所述M组中的每一组内的N个第二电极沿所述第一方向依次标记1、2…N，将各组内标记相同的第二电极连接至相同标记的所述驱动电压源，其中M和N为自然数，M大于等于1，N大于等于2。

所述第三电极的数量与所述透镜单元的数量相等。

所述第一方向与所述第二方向相互垂直，所述第一电极垂直于所述第二电极。

所述第一电极与所述第二电极之间存在夹角α，且满足0°＜α≤90°。

本发明还提供一种2D/3D图像显示装置，所述2D/3D图像显示装置包括显示面板和本发明液晶透镜，所述2D/3D图像显示装置在同一屏幕上同时显示2D图像信息和3D图像信息。

与现有技术相比，本发明液晶透镜包括：第一基板和第二基板，第一基板和第二基板布置成彼此面对且其间有间距；液晶层，设于第一基板和第二基板之间，包括具有双折射率且各向异性的液晶分子；第一电极组，包括多个第一电极，设于第一基板的面向第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此间隔一定的距离；第二电极组，设于第二基板的面向第一基板的表面上，包括多个第二电极和多个第三电极以及绝缘层，绝缘层位于第二电极和第三电极之间；其中，第二电极和第三电极沿不同于第一方向的第二方向延伸，且多个第二电极之间间隔一定的距离，多个第三电极之间间隔一定的距离。本发明提供的液晶透镜结构，减少了驱动芯片的数量，降低了驱动复杂度，节省了驱动成本。

本发明提供的图像显示装置实现了立体图像的窗口显示，既实现了一个显示区域显示2D图像，又同时在同一屏幕的其它显示区域显示3D图像，而且保证了显示时无摩尔纹和彩色条纹，显著提升了显示质量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明液晶透镜的切面实施例的示意图；

图2a为本发明具有条形带状电极的液晶透镜第一实施例的侧视示意图；

图2b为本发明具有条形带状电极的液晶透镜第二实施例的侧视示意图；

图3为本发明条形带状电极形成局部透镜的驱动实施例的俯视图；

图4所示为本发明弧形带状电极实施例的俯视图；

图5为本发明2D/3D图像显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为本发明液晶透镜的切面实施例示意图。图1中为方便表示，仅画出该剖面图的局部，如图1所示，本发明液晶透镜包括：第一基板101、多个第一电极102、第一配向层103、液晶层104、第二基板109、多个第二电极106、第二配向层105、绝缘层107、第三电极108；其中，

第一基板101和第二基板109布置成彼此面对且其间有间距；

液晶层104，设于第一基板101和第二基板109之间，包括具有双折射率且各向异性的液晶分子；

包括多个第一电极102的第一电极组，设于第一基板101的面向第二基板109的表面上，沿第一方向延伸，且彼此间隔一定的距离。

包括多个第二电极106和多个第三电极108以及绝缘层107的第二电极组，设于第二基板109的面向第一基板101的表面上，绝缘层107位于第二电极106和第三电极108之间。

其中，第二电极106和第三电极108沿不同于第一方向的第二方向延伸，且多个第二电极106之间间隔一定的距离，多个第三电极108之间间隔一定的距离。每一个第三电极在第一方向上对应多个第二电极。较佳地，每一个第三电极在第一方向上对应奇数个第二电极。

在一个较佳实施例中，第二电极组在第二基板109的面向第一基板101的表面上指向第一基板101的方向依次包括第二电极106、绝缘层107和第三电极108。

在另一个较佳实施例中，第二电极组在第二基板109的面向第一基板101的表面上指向第一基板101的方向依次包括第三电极108、绝缘层107和第二电极106。

第一电极102、第二电极106以及第三电极108中至少一个为条形带状、或弧形条状、或锯齿形条状。

多个第二电极106可以分为M组，每一组对应一个透镜单元且包括N个第二电极106，每一组内的每一个第二电极106分别连接不同的驱动电压源，且驱动电压源为N个，沿一个方向依序标记为1、2、…N。M组中的每一组内的N个第二电极106沿第一方向依次标记1、2、…N，将各组内标记相同的第二电极106连接至相同标记的驱动电压源，其中M和N为自然数，M大于等于1，N大于等于2。具体地说，第一组的第一个电极A1、第二组的第一电极B1…第M组的第一电极M1连接至第一驱动电压源；而第一组的第二个电极A2、第二组的第二电极B2…第M组的第二电极M2连接至与上述第一驱动电压源相邻的第二驱动电压源；…第一组的第N个电极AN、第二组的第N电极BN…第M组的第N电极MN连接至第N驱动电压源。

第三电极108的数量与透镜单元的数量相等。

第一方向与第二方向相互垂直，所以第一电极102垂直于所述第二电极106。

第一电极102与第二电极106之间存在夹角α，且满足0°＜α≤90°。这样可消除了摩尔纹和彩色条纹。

第一电极、第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的液晶层104。具体实施时，在第一电极和第二电极的四周边缘，采用封框胶等将液晶层104封闭在第一电极和第二电极之间。

此外，本发明液晶透镜还包括：设置于第一配向层103和第二配向层105之间的衬垫料（图1中未示出），用于确保第一电极，第二电极间距为预定间距。

图2a为本发明具有条形带状电极的液晶透镜第一实施例的侧视示意图；图2b为本发明具有条形带状电极的液晶透镜第二实施例的侧视示意图；二者不同的是，图2b中第二电极106和第三电极108的相对位置与图2a中的位置进行了互换。

图3为本发明条形带状电极形成局部透镜的驱动实施例的俯视图，如图3所示，为了简化驱动电路，本实施例中采用三层电极驱动方式，避免了动态扫描驱动，而直接采用静态驱动方式即可实现局部透镜效果。如图3所示，第一电极102与第二电极106垂直交叠，用a_ij表示第i行第j列处对应的单元，图3所示的本发明液晶透镜实施例的工作原理详细描述如下：

当a_ij的上下电极没有外加电压时，在第一配向层103和第二配向层105的作用下，a_ij内的液晶分子平行于基板平面排列，入射光的偏振方向平行于基板的摩擦方向，该束偏振光经a_ij单元后其偏振方向全部平行于液晶分子长轴，即遇到的折射率为液晶的非寻常光折射率n_e，光线经过a_ij单元液晶层没有产生光程差，与穿过一平板玻璃的效果是一样的，没有透镜效果形成；

当向第i行电极、第j列电极在同一时刻分别添加电压U_i、U_j，且U_i和U_j之差大于液晶层104的饱和电压时，a_ij内的液晶分子在电压的作用下垂直于基板排列，入射光的偏振方向平行于基板的摩擦方向，该束偏振光经a_ij单元后其偏振方向全部平行于液晶分子短轴，即遇到的折射率为液晶的寻常光折射率n_o，光线经过a_ij单元液晶层没有产生光程差，与穿过一平板玻璃的效果是一样的，同样没有透镜效果形成；

当向第i行电极、第j列电极在同一时刻分别施加电压U_i、U_j，且U_i和U_j之差在液晶层104的阈值电压与饱和电压之间时，a_ij内的液晶分子在电场力作用下，分子的长轴会与基板法线方向成一锐角β，入射光的偏振方向平行于基板的摩擦方向，该束偏振光经a_ij单元后其偏振方向与液晶分子长轴成一锐角β，即遇到的折射率为液晶的n_e和n_o之间的某个值，光线经过a_ij单元液晶层同样没有产生光程差，与穿过平板玻璃的效果是一样的，没有形成透镜效果。

以n个第二电极106为一组，这里n≥2，n个第二电极106的宽度可视为一条柱状透镜的节距。通过向一个透镜节距内的n个电极施加关于中心成“u”形或“n”形分布的梯度电压，使同一个节距内的液晶分子偏转不同的角度，光线经过此层时会产生光程差，形成液晶透镜的效果。

举例来讲，假设图3中第二电极106以5条为一组（一组对应一个透镜单元），即第二电极b1至b5形成一组，b6至b10形成另一组，将每个透镜组的相对应的第一条电极至第五条电极分别连接至同一驱动电压源，即b1(即第一组的第一电极)和b6（第二组的第一电极）连接至第一驱动电压源，b2（即第一组的第二电极）和b7（第二组的第二电极）连接至第二驱动电压源，b3（即第一组的第三电极）和b8（即第二组的第三电极）连接至第三驱动电压源，b4（即第一组的第四电极）和b9（即第二组的第四电极）连接至第四驱动电压源，b5（即第一组的第五电极）和b10（第二组的第五电极）连接至第五驱动电压源，依此类推，分别施加电压为U₁，U₂，U₃，U₄，U₅，在第一电极102（也可称为公共电极）施加电压为零，这些电压值满足如下关系：︱U₁︱＞︱U₂︱＞︱U₃︱≥0V，︱U₅︱＞︱U₄︱＞︱U₃︱≥0V，可见，各电压值的绝对值呈“U”型分布，在这样的电压关系下，每个透镜单元组下的液晶分子在关于中间电极近似对称的梯度电场力的驱动下形成透镜效果。第二电极106全部加上上述电压后，则整个显示区形成液晶透镜。

本发明液晶透镜中驱动电路的设计与现有技术是完全不同的，在现有技术中，每个电极需要独立芯片单独控制，而本发明的液晶透镜减少驱动芯片的数量，降低驱动复杂度，减少了成本。

此外，对于本发明液晶透镜的第三电极108，在图3中，为了方便表示，仅以10条第三电极c1至c10为例，并不作为数量上的限定。

图3中的10条第三电极108与图3中9条第一电极102即a1至a9，将该液晶透镜划分为9×10个单元，将这9×10个单元看成一个9×10的二维矩阵，该二维矩阵的行代表第一电极102，该二维矩阵的列代表第三电极108。假设，在第一电极a3至a7和第三电极c3至c7上施加电压均为零，两电极交叉区即图3中A区所示的上下电极间的电压差为原来在b5至b14上所施加电压的绝对值，未改变第二电极106与第一电极102之间的差值，此时，A区内的液晶分子保持在梯度电场力下的状态，形成透镜效果；同时，在其他第一电极102如a1，a2，a8，a9施加电压为V1，在第三电极108如c1，c2，c8至c10施加电压为V3，使得除A区以外的第一电极102和第三电极108之间的电压差值分别为︱V1︱，︱V3︱，及︱V1-V3︱，选择合适V1和V2，使得这三种电压差的值均能抵消掉第二电极106产生的梯度电场形成非透镜效果，其中以︱V1︱，︱V3︱，︱V1-V3︱中的最小值大于液晶的饱和电压为最佳。

通过上述本发明的电极驱动方式则实现了光经过本发明液晶透镜时，同时产生透镜折射效果与未折射效果即平行出射效果。

对于垂直设置的条带状第二电极106会与提供图像显示屏幕的周期结构产生摩尔纹和彩色条纹，以及条带状电极之间会产生亮线的问题，本发明的优选实施例中，如图4所示，图4所示为本发明弧形带状电极实施例的俯视图，将第二电极106设置成倾斜放置，其与水平方向的夹角α可设置为大于0度小于等于90度，以消除摩尔纹和彩色条纹；

进一步地，将第一电极102和第三电极108设置成弧形电极，以消除电极间的亮线，也能有效消除摩尔纹，提高显示质量。

进一步地，第一电极102和第三电极108的形状还可以是锯齿形条状。其驱动方式与图3所示实施例一致，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种采用本发明液晶透镜的2D/3D图像显示装置，图5为本发明2D/3D图像显示装置的结构示意图，如图5所示，沿光传播方向，本发明2D/3D图像显示装置至少包括：提供图像的显示面板501，以及本发明液晶透镜502。其中，显示面板501发出的光要求为线偏振光。本发明还提供一种2D/3D图像显示装置，既实现了2D和3D图像的同时显示，而且保证了显示时无摩尔纹和彩色条纹，显著提升了显示质量。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种液晶透镜，其特征在于，所述液晶透镜包括：第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板布置成彼此面对且其间有间距；

液晶层，设于所述第一基板和所述第二基板之间，包括具有双折射率且各向异性的液晶分子；

第一电极组，包括多个第一电极，设于所述第一基板的面向所述第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此间隔一定的距离；

第二电极组，所述第二电极组设于所述第二基板的面向所述第一基板的表面上，包括多个第二电极和多个第三电极以及绝缘层，所述绝缘层位于所述第二电极和所述第三电极之间；

其中，所述第二电极和所述第三电极沿不同于所述第一方向的第二方向延伸，且所述多个第二电极之间间隔一定的距离，所述多个第三电极之间间隔一定的距离；

所述第一电极与所述第二电极之间存在夹角α，且满足0°＜α＜90°；将所述第一电极和所述第三电极设置成弧形电极。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，每一所述第三电极在所述第一方向上对应多个第二电极。

3.根据权利要求2所述的液晶透镜，其特征在于，所述第二电极组在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第二电极、所述绝缘层和所述第三电极。

4.根据权利要求2所述的液晶透镜，其特征在于，所述第二电极组在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第三电极、所述绝缘层和所述第二电极。

5.根据权利要求1至4任一项所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极中至少一个为条形带状、或者至少一个为弧形条状、或者至少一个为锯齿形条状。

6.根据权利要求1或2所述的液晶透镜，其特征在于，所述多个第二电极分为M组，每一组包括N个第二电极，每一组对应形成一个透镜单元，所述每一组内的每一个第二电极分别连接不同的驱动电压源，且所述驱动电压源为N个，依序标记为1、2、…N，所述M组中的每一组内的N个第二电极沿所述第一方向依次标记1、2、…N，将各组内标记相同的第二电极连接至相同标记的所述驱动电压源，其中M和N为自然数，M大于等于1，N大于等于2。

7.根据权利要求6所述的液晶透镜，其特征在于，所述第三电极的数量与所述透镜单元的数量相等。

8.根据权利要求1或2所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

9.一种2D/3D图像显示装置，其特征在于，所述2D/3D图像显示装置包括显示面板和如权利要求1至8中任一项所述的液晶透镜，所述2D/3D图像显示装置在同一屏幕上同时显示2D图像信息和3D图像信息。