CN103809345B - 液晶光阀及自由立体显示装置 - Google Patents

Abstract

一种液晶光阀及自由立体显示装置，该液晶光阀包含第一基板、第二基板以及液晶层，该第一基板设置在该第二基板的上方，该第一基板上设置有第一电极、多个透镜单元及位于该第一基板最底部的第二配向膜，该第二基板上设置有第二电极及位于第二电极上方的第三配向膜，该液晶层封装在该第二配向膜与第三配向膜之间，该液晶层为向列型液晶材料，该显示模块包括上偏光片；每个透镜单元分别包括设置在该第一基板上的凹弧面及设置在该凹弧面内的液晶涂层，该液晶涂层为固化型液晶涂层，该第三配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向平行，该第二配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向垂直。该液晶光阀及自由立体显示装置具有结构简单的优点。

Description

液晶光阀及自由立体显示装置

技术领域

本发明涉及一种透镜及显示装置，特别是一种液晶光阀及自由立体显示装置。

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二维/立体自由切换。

如图1所示，液晶透镜100为一种常见的液晶透镜结构，它含有多个液晶透镜单元如L1与L2等(图中只画出了两个透镜单元)，每个液晶透镜单元如L1与L2等具有相同的结构。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，以L1为例，第一电极103包含S11,S12,S13,…,S18,S19等多个以一定间隔分开并平行设置的条形电极，电极的数量一般为奇数(以下以九电极为例进行说明)，每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如L1与L2之间，共用同一个条形电极S19。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，设置在介电材料104上的第一配向膜105。该第二电极107上设置有第二配向膜108。该第一配向膜105与第二配向膜108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，即该第一配向膜105与第二配向膜108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。

第一配向膜105、第二配向膜108是控制液晶材料106取向的关键。配向膜105、108的摩擦(Rubbing)制程可以在配向膜105、108的表面形成按一定方向(即摩擦方向)排列的沟槽(图未示)。配向膜105、108上的液晶材料会因分子之间的作用力而根据该摩擦方向达到定向效果，产生配向(Align)作用，如此可控制液晶分子依特定的方向与预定之倾斜角度排列，有利于显示器工作。

如图2所示，当需要进行立体显示时，以透镜单元L1为例，在第一电极103的各个条形电极如S11,S12,S13,…,S18,S19等上施加左右对称的电压，第二电极107作为公用电极其电压设置为零。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，可以使第一电极103的各个条形电极上与该第二电极107的电压差：V(S11)＝V(S19)>V(S12)＝V(S18)>V(S13)＝V(S17)>V(S14)＝V(S16)>V(S15)；也就是说，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的边缘电极S11,S19上施加的电压最大，从透镜中心到透镜边缘各个条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。由于在透镜单元边缘电极上施加的电压最大，边缘电极S11,S19位置的液晶材料106的分子将基本上呈现垂直方向分布，即液晶分子长轴与电场方向平行；而越靠近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，即液晶分子长轴与电场方向垂直。在每一个透镜单元内，由于电压对称分布，液晶材料随着电场强度的变化呈现折射率的渐变，因而整个液晶透镜整列具备较好的光学成像特性。二维显示时，在第一电极103如S11,S12,S13,…,S18,S19(以透镜单元L1为例)等以及第二电极107上施加电压均设置为零或者两者之间无压差，则液晶材料106不受电场的影响，仍保持液晶分子的初始取向(如图1)，此时液晶透镜单元不对入射光方向进行调制。

如前所述，在立体显示时，需要在各个条形电极上施加对称的电压，如V(S11)＝V(S19)>V(S12)＝V(S18)>V(S13)＝V(S17)>V(S14)＝V(S16)>V(S15)，使得液晶材料的分子按照预定的方向排列，形成规则的透镜结构，最终在左眼和右眼图像中形成视差，从而产生立体显示效果。随着每个液晶透镜单元设计时电极数量的增多，需要提供的不同驱动电压数量也随之增加，导致驱动电路及液晶透镜周边电路设计变得复杂。以每个透镜单元为例，假设在每个透镜单元内有N个条形电极，当提供左右对称的驱动电压时，至少需要提供(N+1)/2个不同的驱动电压。同时，由于液晶透镜电极材料如ITO阻抗较大，导致液晶透镜阵列整体压降差异，进一步增加了液晶透镜立体显示装置的串扰，使得液晶透镜在大尺寸立体显示装置上应用比较困难。

发明内容

本发明提供了一种结构简单的液晶光阀及自由立体显示装置。

本发明是这样实现的：一种液晶光阀，用于同显示模块配合进行立体显示，包含第一基板、第二基板以及液晶层，该第一基板设置在该第二基板的上方，该第一基板上设置有第一电极、多个透镜单元及位于该第一基板最底部的第二配向膜，该第二基板上设置有第二电极及位于第二电极上方的第三配向膜，该液晶层封装在该第二配向膜与第三配向膜之间，该液晶层为 向列型液晶材料，该显示模块包括上偏光片；每个透镜单元分别包括设置在该第一基板上的凹弧面及设置在该凹弧面内的液晶涂层，该液晶涂层为固化型液晶涂层，该第三配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向平行，该第二配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向垂直；当对该第一电极与第二电极施加电压时，从该上偏光片射出并穿过该液晶层的光线的偏振方向将不发生改变，该液晶涂层对施加电压前从该液晶层射入的光线的折射率与该第一基板对该光线的折射率相同；该液晶涂层对施加电压后从该液晶层射入的光线的折射率大于该第一基板对该光线的折射率；

其中，第一电极紧贴第一基板的底面设置，形成四个相互连接的弧面。

一种自由立体显示装置，包括显示模块及液晶光阀，该液晶光阀用于同显示模块配合进行立体显示，包含第一基板、第二基板以及液晶层，该第一基板设置在该第二基板的上方，该第一基板上设置有第一电极、多个透镜单元及位于该第一基板最底部的第二配向膜，该第二基板上设置有第二电极及位于第二电极上方的第三配向膜，该液晶层封装在该第二配向膜与第三配向膜之间，该液晶层为向列型液晶材料，该显示模块包括上偏光片；每个透镜单元分别包括设置在该第一基板上的凹弧面及设置在该凹弧面内的液晶涂层，该液晶涂层为固化型液晶涂层，该第三配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向平行，该第二配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向垂直；当对该第一电极与第二电极施加电压时，从该上偏光片射出并穿过该液晶层的光线的偏振方向将不发生改变，该液晶涂层对施加电压前从该液晶层射入的光线的折射率与该第一基板对该光线的折射率相同；该液晶涂层对施加电压后从该液晶层射入的光线的折射率大于该第一基板对该光线的折射率，该液晶光阀位于该显示模块之前。

与现有技术相比，该液晶光阀通过在该液晶层两侧设置第一电极与第二电 极，在该第一基板上设置半圆柱型的液晶涂层，通过开启或关闭该液晶层两侧的电极改变进入该液晶涂层中的光的偏振方向，使该进入该液晶涂层中光线的折射率发生改变，从而实现二维与立体显示状态的转换。由于只需设置一对电极，所以，该液晶光阀及自由立体显示装置具有结构简单的优点。

附图说明

图1示出了一种常见的液晶透镜；

图2是图1所示液晶透镜立体显示状况下的液晶分子排布示意图；

图3示出了本专利液晶光阀第一实施例的剖面示意图；

图4是图3所示液晶光阀中第一基板的立体示意图；

图5是图3所示液晶光阀中上偏光片的透光轴方向与配向膜摩擦方向的示意图；

图6是图3所示液晶光阀中第一基板及液晶材料的制作示意图；

图7是图3所示液晶光阀在二维显示状态的示意图；

图8是图3所示液晶光阀在立体显示状态的示意图；

图9是本专利液晶光阀第二实施例的剖面示意图。

具体实施方式

图3是本专利液晶光阀第一实施例的剖面图。该液晶光阀1000含有多个液晶透镜单元如L1,L2,L3与L4等(图中只画出了四个透镜单元)，每个液晶透镜单元L1,L2,L3与L4具有相同的结构。具体的讲，液晶光阀1000包含第一基板1001与第二基板1002，第一基板1001设置在该第二基板1002的上方，第一基板1001由透明材料PET制成。第二基板1002一般 为玻璃基板。

请参照图3及图4，该第一基板1001的顶面1001a为平整面。该第一基板1001的底面1001b为平行排列的四个凹弧面，每个凹弧面分别对应一个透镜单元L1,L2,L3,L4。这些凹弧面在X方向(即该第一基板1001的宽度方向)平行排列并且沿着Y方向(即该第一基板1001的长度方向)延展。为加强第一基板1001的抗划伤性能，平整顶面1001a可以采用表面处理增加表面硬度。

继续参照图3，在第一基板1001上设置有第一电极1003，第一电极1003为面电极，一般为透明导电材料如ITO或者IZO等。第一电极1003紧贴该第一基板1001的底面1001b设置，形成四个相互连接的弧面。在该第一电极1003之下设置有第一配向膜1004，第一配向膜1004一般为聚酰亚胺等有机材料。在第一配向膜1004之下设置有紫外固化型液晶涂层1005，该液晶涂层1005之下设置有第二配向膜1009，第二配向膜1009一般为聚酰亚胺等有机材料。该第二配向膜1009位于该第一基板1001的最底部。该液晶涂层1005充满该第一基板1001底面1001b的四个凹弧面形成的凹槽，形成四个纵向排列的半圆形柱面透镜。该底面1001b的每个凹弧面及设置在该凹弧面内的液晶涂层1005分别形成一个透镜单元。这些液晶涂层1005利用多透镜显示(lenticular sheet displays)来控制左右图像的射向，形成视差，最终实现立体显示。该第二配向膜1009为平面结构。

请参照图3，在第二基板1002之上设置有第二电极1006，第二电极1006可以是面电极；也可以设置为多个可以单独控制的电极。第二电极1006一般为透明导电材料如ITO或者IZO等。在第二电极1006的表面设置有第三配向膜1007，第三配向膜1007一般为聚酰亚胺等有机材料。该第三配向膜1007设置在该第二电极1006之上。该液晶层1008封装在该第二配向膜1009与第三配向膜1007之间，液晶层1008一般为左旋或者右旋扭曲向列型液晶材料。在第一基板1001和第二基板1002之间，设置有防止液晶泄露的 周边封框胶1010。除此之外，虽然图3中未画出，液晶光阀1000还可包括用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)等。

请参照图5，本发明自由立体显示装置包括显示模块(图未示)及位于该显示模块之前的液晶光阀1000。与上述液晶光阀1000相配合的显示模块的出光面包括一个上偏光片1011。该显示模块可以为LCD、OLED等显示器。设定1011a为该上偏光片1011的透光轴方向(依据二维显示模块显示模式的不同，可以设置为其他方向)，第三配向膜1007的摩擦方向与二维显示模块上偏光片1011的透光轴方向1011a平行设置，即可以是1007a或者1007b所示。第二配向膜1009的摩擦方向1009a或者1009b与上偏光片1011的透光轴方向1011a垂直设置。

图6为该第一基板1001上的液晶涂层1005的制作过程。其中，包括辅助玻璃基板1013、印刷在辅助玻璃基板1013上的辅助配向膜1012，一般为聚酰亚胺等有机材料。制作时，首先，在第一基板1001的底部形成凹弧面(如步骤I所示)；在第一基板1001的凹弧面之下形成第一电极1003(如步骤II所示)；接着，在该第一电极1003上印刷第一配向膜1004(见步骤III)，第一配向膜1004的摩擦方向与第三配向膜1007摩擦方向相同；在该辅助玻璃基板1013上形成辅助配向膜1012(见步骤IV及V)，辅助配向膜1012的摩擦方向与第一配向膜1004摩擦方向相反，即相差180度；将液晶涂层1005涂布贴合在该第一配向膜1004与该辅助配向膜1012之间，并完成配向(见步骤VI)；用UV固化液晶涂层1005(见步骤VII)；最后，剥离辅助玻璃基板1013(见步骤VIII)。然后分别在第二电极1006上形成第三配向膜1007以及在紫外固化型液晶涂层1005表面形成第二配向膜1009，再经摩擦取向、液晶灌注及封装等工艺流程制作扭曲向列型液晶光阀1000。

图7是该液晶光阀立体显示装置在二维与立体显示模式下的示意图。请参照图3至图5，由于二维显示模块的上偏光片1011的透光轴方向1011a与液晶光阀1000的下基板摩擦方向1007a(或1007b)平行设置，在液晶光 阀1000处于关闭状态时，从二维显示模块的上偏光片1011出射的线偏振光偏振方向通过液晶层1008后旋转90度，从而与液晶涂层1005的分子长轴方向垂直，此时，光线在液晶涂层1005中的折射率为no，设液晶光阀1000的第一基板1001及第一电极1003的折射率为np，并且通过选材使得no等于np，因此入射光在液晶涂层1005与第一基板1001的界面不发生折射，光线射出该液晶涂层1005与第一基板1001之后将显示二维图像。二维显示模式下，整个液晶光阀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7所示)。如果要进入立体显示模式，则需要开启该液晶光阀1000，对该第一电极1003与第二电极1006施加电压，使得液晶层1008中的液晶分子取向发生改变(如图8所示)。此时，从二维显示模块的上偏光片1011出射的光线通过该液晶层1008后方向不变，从而与液晶涂层1005的分子长轴方向平行，光线在液晶涂层1005中的折射率为ne。由于折射率ne大于液晶光阀1000的第一基板1001及第一电极1003的折射率np，因此入射光在液晶涂层1005与第一基板1001的界面将发生折射。这就使得该液晶涂层1005在透镜单元L1,L2,L3,L4中分别起到凸透镜的功能，利用多透镜显示原理实现左右眼影像分离，从而观看到立体效果(如图8所示)。

由以上叙述可知，该液晶光阀1000通过在该液晶层1008两侧设置第一电极1003与第二电极1006，在该第一基板1001上设置半圆柱型的液晶涂层1005，通过开启或关闭该液晶层1008改变进入该液晶涂层1005中的光的偏振方向，使该进入该液晶涂层1005中光线的折射率发生改变，从而实现二维与立体显示状态的转换。由于只需设置一对电极，所以，该液晶光阀1000具有结构简单的优点。

可以理解的，该第一电极1003不一定要设置在该液晶涂层1005与该第一基板1001之间，也可以设置在该液晶涂层1005与该第二配向膜1009之间，从而消除该第一电极1003折射率的影响，使该第一电极1003可以 选择与该第一基板1001不同折射率的材料。

图9所示为本发明的第二实施例，该液晶光阀与第一实施例中的液晶光阀的不同之处在于，该液晶光阀的第二基板上的第二电极包括多个彼此相互电隔离的子电极(图未示)。这样，通过控制不同子电极上的电压，可以实现液晶光阀立体显示状态的局部开启或者关闭，实现二维显示与立体显示的共存，在立体显示装置的左侧显示二维信息，在右侧显示立体信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液晶光阀，用于同显示模块配合进行立体显示，包含第一基板、第二基板以及液晶层，该第一基板设置在该第二基板的上方，该第一基板上设置有第一电极、多个透镜单元及位于该第一基板最底部的第二配向膜，该第二基板上设置有第二电极及位于第二电极上方的第三配向膜，该液晶层封装在该第二配向膜与第三配向膜之间，该液晶层为向列型液晶材料，该显示模块包括上偏光片；

其特征在于，每个透镜单元分别包括设置在该第一基板上的凹弧面及设置在该凹弧面内的液晶涂层，该液晶涂层为固化型液晶涂层，该第三配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向平行，该第二配向膜的摩擦方向与该上偏光片的透光轴方向垂直；当对该第一电极与第二电极施加电压时，从该上偏光片射出并穿过该液晶层的光线的偏振方向将不发生改变，该液晶涂层对施加电压前从该液晶层射入的光线的折射率与该第一基板对该光线的折射率相同；该液晶涂层对施加电压后从该液晶层射入的光线的折射率大于该第一基板对该光线的折射率；

其中，第一电极紧贴第一基板的底面设置，形成四个相互连接的弧面。

2.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，该第一电极设置在该第一基板的底面并位于该液晶涂层与该第一基板之间，该第一电极对光线的折射率与该第一基板相同。

3.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，该第一电极设置在该液晶涂层与该第二配向膜之间。

4.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，设置在该凹弧面内的液晶涂层为半圆柱状结构。

5.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，该液晶涂层为紫外线固化型液晶涂层。

6.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，该第二基板上的第二电极包括多个彼此相互电隔离的子电极。

7.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，该第一基板上的液晶涂层的制作过程为：在第一基板的底部形成凹弧面；在第一基板的凹弧面之下形成第一电极；在该第一电极上印刷第一配向膜；在该辅助玻璃基板上形成辅助配向膜；将液晶涂层涂布贴合在该第一配向膜与该辅助配向膜之间，并完成配向；用UV固化液晶涂层；剥离辅助的玻璃基板。

8.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，该第一基板由透明材料PET制成，该第一电极与该第二电极由透明导电的ITO制成。

9.根据权利要求1所述的液晶光阀，其特征在于，该液晶层为左旋或者右旋扭曲向列型液晶材料。

10.一种自由立体显示装置，包括显示模块及液晶光阀，其特征在于，该液晶光阀选自权利要求1至9中任一项所述的液晶光阀，该液晶光阀位于该显示模块之前。