CN103809228A - 电润湿透镜阵列、3d图像显示装置和3d图像拾取装置 - Google Patents

电润湿透镜阵列、3d图像显示装置和3d图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了电润湿透镜阵列、3D图像显示装置和3D图像拾取装置。所提供的全景成像型三维（3D）图像显示装置和3D图像拾取装置利用电润湿透镜阵列来增加深度。该3D图像显示装置包括显示面板和具有可电调节的可变焦距的电润湿透镜阵列。该3D图像显示装置利用一个显示面板将具有不同深度的多个图像显示在不同的焦平面上并由此显示3D图像的深度。

Description

电润湿透镜阵列、3D图像显示装置和3D图像拾取装置
技术领域
根据示范性实施例的装置涉及一种三维（3D）图像显示装置和一种3D图像拾取装置，更具体地，涉及利用电润湿透镜阵列（electrowetting lens array）来增加深度的全景成像（integral imaging）型3D图像显示装置和3D图像拾取装置。 
背景技术
在诸如娱乐、游戏、广告、医疗、教育、军事等的各种领域都需要更真实有效地显示图像的三维（3D）图像显示装置。因此，已经提出了用于显示3D图像的各种技术，并且各种类型的3D图像显示装置已经商业化。 
3D图像显示装置分为眼镜型或无眼镜型。眼镜型器件分为偏振眼镜型器件和快门眼镜型器件。无眼镜型器件的立体类型分为双凸透镜型（lenticular type）器件或视差屏障型（parallax barrier type）器件，该双凸透镜型器件使用多个柱面透镜阵列，该视差屏障型器件具有多个屏障和多个开口。然而，上述器件利用了双眼视差。因此，上述器件受限于：它们不能提供增加数量的视点。因此，用户的深度感觉和用户的眼睛焦点可能不一致而迫使观看者感到疲劳。此外，仅提供了水平视差，而没有提供垂直视差。 
全息法和全景成像法的每个已经被提出作为3D图像显示法，该3D图像显示法使得观看者的深度感觉与观看者的眼睛的焦点一致并提供全视差。全息法通过包括图像信号的信号束与参考束之间的干涉来提供3D图像。在全息法中，使用具有高相关性的高价激光，并精确地布置用于形成图像的光学系统。此外，诸如斑点的噪声通常产生在图像显示表面上。 
全景成像法通过利用包括多个微透镜阵列的复眼（fly-eye）透镜阵列来显示3D图像。根据全景成像法，颜色被容易地显示，提供了连续的视角，并且光学系统的结构简单。然而，由3D图像提供的深度感觉（depth perception）受到限制，并且视角窄。因此，正在进行各种研究。例如，提出 了以预定间距排列显示具有不同深度的图像的多个显示面板的方法、以及利用多个聚合物分散液晶（PDLC）膜和以预定间距排列的投影器的方法。 
发明内容
一个或多个示范性实施例提供了利用电润湿透镜阵列来增加深度感觉的直接成像型三维（3D）图像显示装置以及3D图像拾取装置。 
其他的示范性方面将在以下的描述中部分地阐述，并将部分地从该描述而变得明显，或者可以通过实施给出的实施例而掌握。 
根据示范性实施例的方面，一种三维（3D）图像显示装置包括：显示面板，包括多个像素；和电润湿透镜阵列，具有可电调节的可变焦距。电润湿透镜阵列可以包括二维地排列成复眼透镜阵列的多个电润湿透镜单元。 
显示面板可以配置为顺序地显示具有不同深度的至少两个图像。电润湿透镜阵列可以配置为将至少两个图像顺序地投影在与该至少两个图像的深度相对应的至少两个不同的焦距处。 
当显示面板显示具有第一深度的第一图像时，电润湿透镜阵列可以将第一图像投影在第一焦距处。当显示面板显示具有第二深度的第二图像时，电润湿透镜阵列可以将第二图像投影在第二焦距处。当显示面板显示具有第三深度的第三图像时，电润湿透镜阵列可以将第三图像投影在第三焦距处。 
每个电润湿透镜单元可以包括：下透明基板和上透明基板；垂直阻挡物，竖立在下透明基板的上表面上，并在垂直阻挡物之间限定多个空间；多个电极，设置在垂直阻挡物的侧壁上；电介质层，覆盖多个电极；疏水涂层，形成在电介质层的表面上；多个布线（wiring line），设置在下透明基板的上表面上并分别电连接到多个电极；公共电极，设置在上透明基板的下表面上；以及非极性液体和极性液体，设置在由垂直阻挡物围绕的空间中。 
垂直阻挡物可以以网格形式设置并可以在其中限定多个空间。多个电极可以包括第一电极和第二电极以及第三电极和第四电极，其中第一电极和第二电极设置在沿第一方向延伸的垂直阻挡物上，使得第一电极和第二电极跨过该空间彼此面对，第三电极和第四电极设置在沿垂直于第一方向的第二方向延伸的垂直阻挡物上，使得第三电极和第四电极跨过该空间彼此面对。 
电介质层可以具有由多种不同的材料形成的多层结构。 
电介质层可以包括：第一层，由含氟聚合物CYTOPTM形成且邻近于疏 水涂层；第二层，由HfO2形成；以及第三层，由Mo形成并邻近于电极。 
第一层的厚度可以为约
Figure BDA0000415627430000031
第二层的厚度可以为约
Figure BDA0000415627430000032
第三层的厚度可以为约
电润湿透镜阵列的多个电润湿透镜单元可以与显示面板的多个像素一一对应。 
根据另一示范性实施例的方面，一种3D图像拾取装置包括：图像拾取器件，包括多个光学感测像素；和电润湿透镜阵列，具有可电调节的可变焦距。电润湿透镜阵列可以包括二维地排列成复眼透镜阵列的多个电润湿透镜单元。 
电润湿透镜阵列可以配置为顺序地改变焦距并在图像拾取器件上形成物体的图像。图像拾取器件可以配置为捕获物体的在不同的焦距处的不同深度的多个图像。 
电润湿透镜阵列的多个电润湿透镜单元可以对应于图像拾取器件的多个光学感测像素。 
附图说明
从以下结合附图对示范性实施例的描述，这些和/或其它的示范性的方面和优点将变得明显并更易于理解，附图中： 
图1是示出根据示范性实施例的三维（3D）图像显示装置的结构和操作的示意图； 
图2是示出图1的电润湿透镜阵列的电润湿透镜单元的结构的示意截面图； 
图3是示出图2的阻挡物与电极之间的布置关系的示意图； 
图4是示出图2的电介质层的多层结构的示意局部截面图； 
图5(a)至图5(c)是示出图2的电润湿透镜单元的操作的视图；以及 
图6是示出根据另一示范性实施例的3D图像拾取装置的结构和操作的示意图。 
具体实施方式
现在将参照附图详细描述包括电润湿透镜阵列的三维（3D）图像显示装置和3D图像拾取装置。附图中相同的附图标记指示相同的元件，因此将省 略对它们的描述。在附图中，为了清晰，层和区域的厚度被夸大。将理解，无意在将实施例限制为公开的特定形式，而是相反的，实施例将涵盖落入本发明的范围内的所有变型、等同物和替代物。还将理解的是，当一层被称为在另一层或基板“上”时，它可以直接在另一层或基板上，或者也可以存在中间层。 
图1是示出根据示范性实施例的三维（3D）图像显示装置10的结构和操作的示意图。 
参照图1，3D图像显示装置10包括显示面板20和电润湿透镜阵列30。电润湿透镜阵列30具有可电调节的可变焦距。这里，显示面板20可以包括任何类型的显示图像的装置。例如，显示面板20可以是各种类型的面板（诸如，液晶显示（LCD）面板、有机发光二极管（OLED）面板、等离子体显示面板（PDP）等）中的任意一个。此外，显示面板20可以是投影器或聚合物分散液晶（PDLC）。 
电润湿透镜阵列30包括二维地排列成复眼透镜阵列的多个微电润湿透镜单元。电润湿透镜利用电润湿现象并具有可变的焦距以电控制非极性液体（诸如，油）与极性液体（诸如，水）之间的界面，从而调节焦距。 
图2是示出图1的电润湿透镜阵列30的电润湿透镜单元300的结构的示意截面图。参照图2，电润湿透镜单元300包括下透明基板301、上透明基板311、垂直阻挡物302、第一电极303a、第二电极303b、电介质层304、疏水涂层305、第一布线306a、第二布线306b、公共电极310、非极性液体308和极性液体309。下透明基板301和上透明基板302彼此面对，垂直阻挡物302竖立在下透明基板301上。第一电极303a和第二电极303b设置在垂直阻挡物302的相反侧壁上。电介质层304完全覆盖第一电极303a和第二电极303b，疏水涂层305完全覆盖电介质层304。第一布线306a和第二布线306b布置在下透明基板301的上表面上，并分别电连接到第一电极303a和第二电极303b。公共电极310设置在上透明基板311的下表面上。非极性液体308和极性液体309设置在由垂直阻挡物302围绕的空间中。 
两个垂直阻挡物302设置在图2中，但是垂直阻挡物可以是形成为网格形式的单个结构，在垂直阻挡物302之间限定多个小空间。第一电极303a和第二电极303b可以分别设置在垂直阻挡物302的相反侧壁上。如图2所示，第一电极303a和第二电极303b可以跨过在垂直阻挡物302之间限定的 空间而彼此面对。设置在左垂直阻挡物302的左侧壁上的第二电极和设置在右垂直阻挡物302的右侧壁上的第一电极303a属于其他相邻的电润湿透镜单元300。 
图2中示出了两个电极303a和303b，但是四个电极可以沿着矩形空间的四侧设置。例如，如图3所示，垂直阻挡物302可以形成限定多个矩形空间的网格形式，四个电极303a至303d可以分别设置在多个矩形空间的每个中。换句话说，第一电极303a和第二电极303b可以设置在沿第一方向延伸的垂直阻挡物302的相反两侧上，第三电极303c和第四电极303d可以设置在沿第二方向延伸的垂直阻挡物302的相反两侧上，该第二方向垂直于第一方向。 
在图2中，示出了电连接到第一电极303a的第一布线306a和电连接到第二电极303b的第二布线306b。然而，分别电连接到第三电极303c和第四电极303d的第三布线和第四布线（未示出）也可以设置在下透明基板301上。第一布线306a和第二布线306b可以类似于第一电极303a和第二电极303b设置在第一方向上，第三布线和第四布线可以设置为类似于第三电极303c和第四电极303d在第二方向上延伸。 
钝化层307形成在第一布线306a和第二布线306b上，以使得第一布线306a和第二布线306b分别仅接触第一电极303a和第二电极303b。钝化层307覆盖第一布线306a和第二布线306b，除了第一布线306a和第二布线306b的连接到第一电极303a和第二电极303b的部分之外。在此情况下，垂直阻挡物302、电介质层304等可以形成在钝化层307上。 
覆盖第一电极303a和第二电极303b的电介质层304使第一电极303a和第二电极303b与设置在所述空间中的非极性液体308和极性液体309电绝缘。尽管没有示出，但是电介质层304可以形成在垂直阻挡物302的所有表面上以完全覆盖第三电极303c和第四电极303d。电介质层304完全覆盖第一至第四电极303a至303d并延伸到所述空间的底部。疏水涂层305形成在电介质层304的表面上以使得极性液体309易于在其与非极性液体308的界面处形成预定接触角。疏水涂层305完全覆盖电介质层304并延伸到所述空间的底部。 
电介质层304可以具有由多种不同材料形成的多层结构，以使得其能够承受由非极性液体308和极性液体309的振动引起的压力并防止与非极性液 体308和极性液体309的化学反应。例如，图4是示出电介质层304的多层结构的示意截面图。参照图4，电介质层304包括由含氟聚合物CYTOP形成且邻近于疏水涂层305的第一层304a、由HfO2形成的第二层304b、以及由Mo形成且邻近于电极303a或303b的第三层304c。这里，第一层304a的厚度d1为约
Figure BDA0000415627430000061
第二层304b的厚度d2为约
Figure BDA0000415627430000062
第三层304c的厚度d3为约
Figure BDA0000415627430000063
设置在由垂直阻挡物302形成的空间中的非极性液体308和极性液体309具有高透射率以透射光而没有损失，并具有不同的折射率以在液体之间的界面处折射光。此外，如图2所示，非极性液体308的密度可以高于极性液体309的密度，使得非极性液体308设置在极性液体309下面的空间中。非极性液体308和极性液体309可以由各种类型的材料形成以满足上述条件。例如，极性液体309可以是包括约0.005M（摩尔浓度）的NaCl和约0.1wt%的十二烷基硫酸钠（SDS）的去离子（DI）水。非极性液体308可以是溴代萘或氯代萘。 
如图2所示，设置在由垂直阻挡物302形成的空间的底部处的非极性液体308可以分离地设置在每个电润湿透镜单元300中。然而，设置在该空间的顶部处的极性液体309可以在电润湿透镜阵列30的所有电润湿透镜单元300之上延伸。为此，预定空间可以形成在上透明基板311的下表面与垂直阻挡物302的上表面之间。 
在具有上述结构的电润湿透镜单元300中，非极性液体309和极性液体308的界面与垂直阻挡物302之间的接触角可以通过施加到第一至第四电极303a至303d中的每个的电压来调节。因此，如果施加到第一至第四电极303a至303d中的每个的电压被适当地调节，则非极性液体308与极性液体309之间的界面可以变为平坦斜面、平坦水平面、凸起表面、凹入表面等。此外，凸起表面或凹入表面的曲率可以被调节。 
图5(a)至图5(c)是示出电润湿透镜单元300的操作的附图。如图5(a)所示，极性液体309与非极性液体308之间的界面可以是平坦的水平面，以允许电润湿透镜单元300透射入射光而不折射入射光。如图5(b)所示，极性液体309与非极性液体308之间的界面可以被调节为具有第一焦距F1的凸起表面。如图5(c)所示，极性液体309与非极性液体308之间的界面可以被调节为具有第二焦距F2的凸起表面。 
在本实施例中，为了形成电润湿透镜阵列30，具有上述结构的多个电润湿透镜单元300被二维地排列成复眼透镜阵列。这里，电润湿透镜阵列30可以被构成为使得电润湿透镜阵列30的多个电润湿单元300与显示面板的多个像素一一对应。 
现在将描述3D图像显示装置10的示范性操作。 
参照图1，在3D图像显示装置10中，显示面板20顺序地显示具有不同深度的至少两个图像I1至I3。电润湿透镜阵列30将图像I1至I3投影在与图像I1至I3的不同深度相对应的至少两个焦距处。例如，当3D图像显示装置10的显示面板20显示第一图像I1时，电润湿透镜阵列30的焦距被调节为最短以将第一图像I1投影在第一平面P1上。当显示面板20显示第二图像I2时，电润湿透镜阵列30的焦距改变为较长从而将第二图像I2投影在第二平面P2上。当显示面板20显示第三图像I3时，电润湿透镜阵列30的焦距改变为更长从而将第三图像I3投影在第三平面P3上。如果一帧的3D图像根据上述方法被全部显示，则显示面板20显示下一帧的第一图像I1，电润湿透镜阵列30将其焦距调节为最短。 
具有不同深度的三个图像I1至I3在图1中显示。然而，在一帧中显示的不同深度的图像的数量和不同焦距的顺序可以改变。例如，如果在约60Hz的帧频下显示一个图像，并且显示面板20和电润湿透镜阵列30的驱动速度每个为约180Hz或更大，则3D图像显示装置10可以在一帧中顺序地显示具有不同深度的至少三个或更多图像。在此情况下，如果一个图像的深度为D，则根据本实施例的3D图像显示装置10可以显示具有3×D或更大深度的3D图像。 
电润湿透镜阵列30可以用于3D图像拾取装置中，该3D图像拾取装置用来获得将要显示的3D图像。图6是示出根据示范性实施例的3D图像拾取装置60的结构和操作的示意图。参照图6，3D图像拾取装置60包括具有可电调节的可变焦距的电润湿透镜阵列30以及图像拾取器件40。这里，电润湿透镜阵列30可以具有与上述电润湿透镜阵列30相同的结构和功能。图像拾取器件40可以是具有多个光学感测像素的电荷耦合器件（CCD）图像传感器或互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。例如，电润湿透镜阵列30的多个电润湿透镜单元300可以与图像拾取器件40的多个光学感测像素一一对应。 
图6的3D图像拾取装置60顺序地改变电润湿透镜阵列30的焦距并在图像拾取器件40上形成物体50的图像。图像拾取器件40捕获物体50的分别形成在不同焦距处的不同深度的图像。这里，电润湿透镜阵列30在3D图像拾取装置60捕获3D图像时改变的焦距可以与电润湿透镜阵列30在图1的3D图像显示装置10显示3D图像时改变的焦距相匹配。 
将理解，这里描述的示范性实施例应当仅以描述性的含义来理解而不是为了限制的目的。对每个实施例中的特征或方面的描述将被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。 
本申请要求于2012年11月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0128263的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。 

Claims (13)

1.一种三维图像显示装置，包括：
显示面板，包括多个像素；和
电润湿透镜阵列，具有可电调节的可变焦距，
其中所述电润湿透镜阵列包括二维地排列成复眼透镜阵列的多个电润湿透镜单元。
2.如权利要求1所述的三维图像显示装置，其中：
所述显示面板配置为顺序地显示具有不同深度的至少两个图像；并且
所述电润湿透镜阵列配置为将所述至少两个图像顺序地投影在与所述至少两个图像的深度相对应的至少两个不同的焦距处。
3.如权利要求2所述的三维图像显示装置，其中：
当所述显示面板显示具有第一深度的第一图像时，所述电润湿透镜阵列将所述第一图像投影在第一焦距处；
当所述显示面板显示具有第二深度的第二图像时，所述电润湿透镜阵列将所述第二图像投影在第二焦距处；和
当所述显示面板显示具有第三深度的第三图像时，所述电润湿透镜阵列将所述第三图像投影在第三焦距处。
4.如权利要求2所述的三维图像显示装置，其中每个所述电润湿透镜单元包括：
下透明基板和上透明基板；
垂直阻挡物，从所述下透明基板的上表面延伸，其中所述垂直阻挡物在其间限定多个空间；
多个电极，设置在所述垂直阻挡物的侧壁上；
电介质层，覆盖所述多个电极；
疏水涂层，设置在所述电介质层的表面上；
多个布线，设置在所述下透明基板的上表面上并分别电连接到所述多个电极；
公共电极，设置在所述上透明基板的下表面上；和
非极性液体和极性液体，设置在由所述垂直阻挡物限定的空间中。
5.如权利要求4所述的三维图像显示装置，其中：
所述垂直阻挡物以网格形式设置并在其中限定所述多个空间；并且
所述多个电极包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中所述第一电极和所述第二电极设置在沿第一方向延伸的垂直阻挡物的相反两侧上，所述第三电极和所述第四电极设置在沿垂直于所述第一方向的第二方向延伸的垂直阻挡物的相反两侧上，使得所述第一电极和所述第二电极跨过所述多个空间中的每个而彼此面对，所述第三电极和所述第四电极跨过所述多个空间中的每个而彼此面对。
6.如权利要求4所述的三维图像显示装置，其中所述电介质层包括多层结构，该多层结构包括多种不同的材料。
7.如权利要求6所述的三维图像显示装置，其中所述电介质层包括由含氟聚合物形成且邻近于所述疏水涂层的第一层、由HfO2形成的第二层、以及由Mo形成且邻近于所述电极的第三层。
8.如权利要求7所述的三维图像显示装置，其中所述第一层的厚度为约
Figure FDA0000415627420000021
所述第二层的厚度为约
Figure FDA0000415627420000022
所述第三层的厚度为约
Figure FDA0000415627420000023
9.如权利要求2所述的三维图像显示装置，其中所述电润湿透镜阵列的所述多个电润湿透镜单元的每个与所述显示面板的所述多个像素中的一个一一对应。
10.一种三维图像拾取装置，包括：
图像拾取器件，包括多个光学感测像素；和
电润湿透镜阵列，具有可电调节的可变焦距，
其中所述电润湿透镜阵列包括二维地排列成复眼透镜阵列的多个电润湿透镜单元。
11.如权利要求10所述的三维图像拾取装置，其中所述电润湿透镜阵列配置为顺序地改变所述焦距并在所述图像拾取器件上形成物体的图像，
其中所述图像拾取器件配置为以捕获所述物体的在不同焦距处的不同深度的多个图像。
12.如权利要求10所述的三维图像拾取装置，其中所述电润湿透镜阵列的所述多个电润湿透镜单元的每个对应于所述图像拾取器件的所述多个光学感测像素中的一个。
13.一种电润湿透镜阵列，包括：
多个电润湿透镜单元，布置成二维复眼透镜阵列，每个所述电润湿透镜单元包括：
下透明基板和上透明基板，
多个垂直阻挡物，从所述下透明基板的上表面延伸，并在其间限定空间；
设置在沿第一方向延伸的第一垂直阻挡物的侧壁上的第一电极、设置在沿所述第一方向延伸的第二垂直阻挡物的侧壁上的第二电极、设置在沿第二方向延伸的第三垂直阻挡物的侧壁上的第三电极、以及设置在沿所述第二方向延伸的第四垂直阻挡物的侧壁上的第四电极，所述第二方向不同于所述第一方向，其中所述第一电极和所述第二电极跨过所述空间彼此面对，所述第三电极和所述第四电极跨过所述空间彼此面对，
电介质层，覆盖所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极；
疏水涂层，设置在所述电介质层上；
非极性液体和极性液体，设置在所述空间中，
其中所述非极性液体与所述极性液体之间的界面的形状通过施加电压到所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极中的一个或多个而改变。
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