CN103969911B - 一种电控液晶透镜面板及3d/2d可切换立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电控液晶透镜面板和包含该电控液晶透镜面板的3D/2D可切换立体显示装置，所述电控液晶透镜面板通过减小透镜边缘处电极的宽度来实现电极中心处串扰的降低，同时可以实现高析像度下的宽视场角。所述电控液晶透镜基板包括相对设置的第一基板和第二基板。平行排列的多个带状电极，设置于所述第二基板的内侧，所述带状电极为透明导电性材料，包括多个重复单元，每一所述重复单元包括第一电极以及位于所述第一电极两侧的第二电极，每一所述重复单元限定一液晶透镜区域，设定所述液晶透镜区域的间距为D，所述第一电极的宽度为W1，所述第二电极的宽度为W2的情况下，满足如下关系：0.005<W2/D<0.05，W2<W1。

Description

一种电控液晶透镜面板及3D/2D可切换立体显示装置

技术领域

本发明涉及电控液晶透镜领域，特别涉及一种电控液晶透镜面板以及包含该电控液晶透镜面板的3D/2D可切换立体显示装置。

背景技术

当前，3D显示装置已越来越为人所熟知，3D显示的模式主要包括眼镜3D模式和裸眼3D模式。眼镜3D模式的显示装置需要佩戴特殊的眼镜，左眼镜片和右眼镜片分别允许不同偏振方向的线偏光透过，从而左眼和右眼观看到的图像为不同偏振方向的线偏光形成的图像，大脑将左眼图像和右眼图像进行整合呈现立体图像。由于人们在观看眼镜3D显示的图像时需要佩戴专用眼镜，否则图像就会变得模糊，使得所述眼镜3D的应用范围受到了局限。因此，裸眼3D模式的显示装置受到越来越多人的追捧。

裸眼3D模式的显示装置主要有两种，一种包括光栅和输出2D图像的显示面板；另一种包括透镜和输出2D图像的显示面板。而为了实现2D显示与3D显示模式的兼容，使得显示装置既可以显示2D图像，也可以显示3D图像，常用的方法是使用电控液晶光栅或电控液晶透镜。

对于电控液晶透镜的作用原理，具体而言，透镜利用透镜组成材料和空气的折射率之差根据给定位置来控制入射光的路径。如果将不同电压施加于液晶层的不同位置来通过不同的电场驱动液晶层，则进入液晶层的入射光经历不同的相位变化，由此，液晶层可以像真实透镜一样控制入射光的路径。

传统的电控液晶透镜面板包括彼此相对设置的第一基板和第二基板，以及形成在第一基板和第二基板之间的电控液晶透镜。多个条状电极形成在第一基板上，并相互间隔开。与第一基板相对的第二基板的整个表面上形成有平板电极。将高压施加于条状电极并将平板电极接地的条件下形成上述电控液晶透镜。每个透镜可包括多个条状电极，所加电压大小以透镜中心为轴呈对称分布，且位于透镜中心的电极电压与平板电极的电压差最小，越靠近透镜边缘的电极电压与平板电极的电压差越大。在这些电压条件下，垂直电场在位于透镜边缘处的条状电极的中心(即条状电极的中轴线)处最强，而且垂直电场的强度随着远离该条状电极的中心而降低。

然而，参照图1，当施加电压来实现成像时使用电控液晶透镜来实现和抛物面相同的相位面很困难。这里，条状电极的中心O对应于透镜边缘，液晶透镜在透镜边缘处经历分布剖面失真。这种分布剖面失真导致串扰，即非期望的信号，从而将这种信号失真区域称为边缘差错区域。

另一方面，在个人计算机及数字终端等显示器上，要有选择地显示二维图像和立体显示的要求不断高涨。但是，在这些设备中，显示器和观测者之间的距离非常短，约为30cm～60cm。为了在如此短的观看距离下获得立体图像，就要求非常宽的视场角。但上述液晶透镜无法实现宽视场角。

美国专利申请(公开号为US20120069255A1)公开了一种实现液晶的宽视场角的做法，通过设置每个液晶透镜的边缘电极与中心电极的宽度不一致，并按照一定的周期进行排列，利用电场作用的大小控制液晶层的折射率来实现宽视场角。但该专利中公布的电极宽度大小(0.075<W2/D<0.15，0.15<W1/D<0.29)会造成液晶透镜边缘处信号的严重串扰。设定所述液晶透镜区域的间距(pitch)为D，所述中心电极的宽度为W1，所述边缘电极的宽度为W2。

图2所示抽选出的两个液晶透镜在透镜间距方向上的相位分布，即液晶透镜产生的延迟(retardation)。如图2，横坐标为基板所在平面上的位置，200um为一个pitch。以左边透镜的左边缘处为0，随着向右(X轴)延伸而增加距离大小。纵坐标Retardation为入射光的相位延迟量，间接反应了液晶分子的折射率分布。具体说明在实施例中进行详述。如图2中虚线标出的部分所示，理想状态下相邻两个透镜边缘衔接处应该是尖锐的(即图1中虚线所示的理想抛物面)，表示左右眼信号的相位延迟分布为两条独立不发生串扰的抛物线，而图中虚线所示的衔接处的曲线趋于平坦，表明相位延迟分布相对于理想状态有明显偏差，即信号产生串扰。仿真所用条件：设定pitch为D，W2/D分别为0.075、0.1、0.125和0.15，W1/D为0.15。

中国专利申请(公开号为CN101339345B)中公开了一种改善信号串扰的做法，在传统的电控液晶透镜面板的第一基板上对应于相应的透镜区域的边缘处设置一层黑色遮挡层(BM)，从而减小电极中心处出现的串扰现象，如图3-1和3-2所示。但由于遮挡层的存在，整个显示装置的亮度会降低，同时会产生摩尔纹。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术的电控液晶透镜面板中透镜边缘处信号产生严重串扰。

本发明进一步所要解决的技术问题是现有技术的电控液晶透镜面板中亮度会降低，同时会产生摩尔纹。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种电控液晶透镜面板以及包括该电控液晶透镜的3D/2D立体显示装置。所述电控液晶透镜面板通过减小透镜边缘处电极的宽度来实现电极中心处串扰的降低，同时可以实现高析像度下的宽视场角。

所述电控液晶透镜面板，包括：相对设置的第一基板和第二基板；电控液晶透镜面板，设置于所述第一基板和第二基板之间；公共电极，设置于所述第一基板的内侧,所述公共电极为块状，覆盖整个第一基板；平行排列的多个带状电极，设置于所述第二基板的内侧，所述带状电极为透明导电性材料，包括多个重复单元，每一所述重复单元包括第一电极以及位于所述第一电极两侧的第二电极，设定所述液晶透镜区域的间距为D，所述第一电极的宽度为W1，所述第二电极的宽度为W2的情况下，满足如下关系：0.005<W2/D<0.05，W2<W1。

优选地，相邻所述重复单元公用一第二电极。

优选地，每一所述重复单元内所述第二电极之间包括n个第一电极，n为正整数。

所述公共电极与所述第一电极的电位差V1小于所述液晶层的阈值电压Vth；所述公共电极与所述第二电极的电位差V2大于所述液晶层的阈值电压Vth；并且V1小于V2。通常来说，所述第一电极和第二电极的电位要么同时大于公共电极电位，要么同时小于公共电极电位，且V1，V2，Vth都是正数。

优选地，所述公共电极和第一电极为接地电位。

本发明的实施例还提供一种包含上述液晶透镜面板的3D/2D可切换立体显示装置。

相对于现有技术而言，本发明实施例提供的液晶透镜面板和3D/2D可切换立体显示装置的优点和有益效果如下：

本发明的实施例设定了电控液晶面板中每个液晶透镜的边缘电极(第二电极)与中心电极(第一电极)的宽度大小关系，在设定液晶透镜区域的间距为D，第一电极的宽度为W1，第二电极的宽度为W2的情况下，满足如下关系：0.005<W2/D<0.05，W2<W1。从而改善液晶透镜边缘处的信号串扰。

附图说明

所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，被并入且构成本申请的一部分，示出了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1为穿过传统电控液晶透镜时入射光的相位变化与理想抛物面对比的示意图；

图2为现有技术中减小液晶透镜边缘电极宽度后入射光穿过液晶透镜时的相位延迟(retardation)示意图；

图3-1为现有技术中在透镜边缘处的电极对应位置设置黑色遮挡层的截面示意图；

图3-2为现有技术中设置黑色遮挡层后入射光穿过液晶透镜时的相位变化与理想抛物面对比的示意图；

图4为本发明的3D/2D可切换立体图像显示装置示意图；

图5为第一实施方式中电控液晶透镜面板的下基板和带状电极的俯视图；

图6为本发明电控液晶透镜面板中抽选出一个液晶透镜在透镜间距方向上的截面示意图(不加电压)；

图7为本发明电控液晶透镜面板中抽选出一个液晶透镜在透镜间距方向上的截面示意图(加电压)；

图8-1和8-2为本发明中入射光穿过液晶透镜时的相位延迟(retardation)示意图。

图9为图3、图8-1、图8-2中虚线框内的图形进行放大比较的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明，本发明的优点和特征将更清楚。

图4是表示本实施方式的3D/2D可切换立体图像显示装置的剖面结构示意图。图6和图7是图4所示的显示装置中虚线方框的放大图。图6表示对液晶透镜面板的液晶层未施加电压，液晶指向矢(director)与密封液晶的基板(玻璃基板)平行的状态(对应2D显示模式)。图7表示对液晶透镜的液晶层施加电压，液晶指向矢在液晶层的厚度方向上变化并形成液晶透镜而发挥功能的状态(对应2D显示模式)。

如图4所示，本实施方式的3D/2D可切换立体图像显示装置20包括：作为图像显示元件的显示面板21；被配置于从显示面板21所发出的图像光的射出侧的、持有三个液晶透镜的电控液晶透镜面板22。在显示面板21的两个外表面设有偏光板(未图示)，使得具有偏振的图像光射出。且图像光的偏振方向与液晶分子的指向矢24A方向相匹配。显示面板21具有多个像素，通常这些像素被分割成三个像素群211、212、213，分别与该三个液晶透镜一一对应设置。

需要说明的是，虽然本实施方式中，由三个液晶透镜构成电控液晶透镜面板为例，但本发明并不限定这个数字。另外，本实施方式虽然构成显示面板21的多个像素构成三个像素群为例，但是并不限定于此，能够根据需要采取任意形态。

设置于显示面板21之上的液晶透镜面板23包括：相对设置的第一基板231和第二基板232；设置于第一基板231和第二基板232之间液晶层24；公共电极(平板电极)25，设置在第一基板231的内侧(即第一基板231朝向液晶层24的一侧)；平行排列的多个带状电极26，设置于第二基板232的内侧(即第二基板232朝向液晶层24的一侧)。所述带状电极为透明导电电极，可以采用ITO、IZO等。其中，第二基板232设置于显示面板21与第一基板231之间。

图5为第二基板及其上的带状电极的俯视结构示意图。从图5中可以看出，带状电极26在与透镜间距方向(X方向)垂直的方向(Y方向)上进行延伸。带状电极26包括多个重复单元260，每个重复单元260包括第一电极261和位于第一电极261两侧的第二电极262，相邻两个重复单元可以共用一个第二电极，如此进行周期性排列。通常位于第一电极261两侧的两个第二电极262关于该第一电极261对称。每一重复单元260限定一液晶透镜区域，当重复单元260的第一电极261、第二电极262与公共电极25之间施加电压时，在该液晶透镜区域内就形成了一柱状透镜，其长轴平行于带状电极26。液晶层24中所有的柱状透镜共同构成透镜陈列。

电控液晶透镜面板22中，X方向上，各液晶透镜的中心部的折射率和端部的折射率大不相同。电控液晶透镜面板22具有较大的光焦度(focal power)，可以使液晶透镜产生理想的延迟(retardation)。从而，从电控液晶透镜面板22所射出的图像光受到上述光焦度而进行较大的偏向，并能够通过宽范围的扩展而获得较大的视场角。光焦度等于像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度常用字母表示，折射球面光焦度其中n′为像方折射率，n为物方折射率，r为球面半径，f′为像焦距，f为物焦距。一般光焦度表示为像方焦距的倒数(认为空气的折射率为1)。上述光焦度等式对任何光学系统都是普适的。

参照图6和图7所示的液晶透镜的截面构成图，就上述的作用效果进行详述。

对第一基板231和第二基板232进行表面摩擦处理，通常是公共电极25的内侧和/或带状电极26的内侧设置有表面进行过摩擦处理的配向层(未图示)，这样在公共电极25、第一电极261和第二电极262之间未施加电压的状态下，如图6所示，液晶层24的液晶指向矢24A与透镜基板231和232的主面相平行。此时，液晶分子在与指向矢的轴正交的方向上产生的双折射就恒定，因而在透镜间距方向上几乎不产生折射率分布。在图6所示情况下，电控液晶透镜面板22中的液晶层24没有起到液晶透镜的作用。此时显示面板21射出的偏振光直接穿过电控液晶透镜面板22，但光的传播方向不发生改变，因此显示的是2D图像，这一状态为2D显示模式。

另一种情况，设定公共电极25与所述第一电极261的电位差为V1，V1小于液晶层24的阈值电压(开启电压)Vth；所述公共电极25与所述第二电极262的电位差为V2，V2大于液晶层24的阈值电压Vth；并且V1小于V2。本文中的阈值电压指的是使指向矢平行于基板的液晶分子发生偏转时的电压大小。需要说明的是，V1，V2，Vth都是正数。通常，第一电极和第二电极的电位要么同时大于公共电极电位，要么同时小于公共电极电位。

举例来说，设定公共电极25为接地电位，第一电极261为接地电位，同时对第二电极262施加电压V3，且V3大于液晶层24中液晶的阈值电压Vth。如图7所示，在第二电极262附近的液晶分子的指向矢24A呈现与透镜基板接近垂直的方向。位于第一电极261上方，靠近公共电极25的液晶分子，指向矢24A与透镜基板大致平行。

在液晶透镜的边缘处，从显示面板射出的图像光在其偏振方向与液晶层的指向矢24A相匹配，即图像光的偏振方向与液晶指向矢24A垂直的比例变小，所以受液晶分子的双折射影响较小。随着接近液晶透镜的中心，从显示面板射出的图像光的偏光方向与液晶指向矢24A垂直的比例变大，所以受液晶分子的双折射影响较大。最终导致在液晶透镜内，产生如虚线A所示的较大的折射率分布，液晶透镜具有较大的光焦度，所以电控液晶透镜面板22的视场角增大。此时，液晶层24起到了液晶透镜的作用。此时显示面板21射出的偏振光穿过电控液晶透镜面板22后，光的传播方向发生改变，因此显示的是3D图像，这一状态为3D显示模式。

综上所述，本发明可实现3D/2D可切换立体图像显示。如图7所示，通过对第二电极262施加电压使液晶层24产生折射率分布，从而实现液晶透镜的功能，显示立体图像(3D图像)。如图6所示，当不对电极施加电压时，液晶层24不形成透镜从而可以显示二维图像(2D图像)。

下面以具体实施例来说明本发明在解决透镜边缘处信号串扰的优越之处。液晶透镜的焦距其中D为液晶透镜间距(pitch)，d为液晶层的厚度，Δn为透镜前后媒质的折射率之差。

图8-1和8-2所示是对本发明的电控液晶透镜面板对入射光的控制作用进行的仿真。仿真所用条件为：公共电极25加电压V1＝7V，第一电极261电压V2＝7V，第二电极262加电压V3＝0V，液晶透镜间距D为200um，液晶层厚度为35um。设定第一电极261的宽度为W1，第二电极262的宽度为W2，取W1/D为0.1，W2/D分别取0.004、0.005、0.01、0.02、0.03和0.05。

图8-1和8-2中，横坐标为基板所在平面的位置，200um为一个pitch，图中给出了两个pitch大小，纵坐标Retardation为入射光的相位延迟量，即公式的Δnd，由于液晶层厚度d是固定值，所以相位延迟量间接反应了Δn的变化。从图中虚线框标示的可以看出，W2/D越小，仿真出来的液晶透镜的延迟图像两个透镜衔接处越尖锐，越接近理想抛物面，说明在透镜边缘处产生的信号串扰越小。同时由图8-2虚线框内所示可以看出，W2/D为0.005时，曲线的尖锐程度达到临界状态，小于0.005时也不会再有明显改善。而8-1和8-2所示液晶分子的折射率分布在波峰处越接近抛物面，说明液晶透镜的视场角越宽。

如图9所示，将图3、图8-1、图8-2中虚线框内的图形进行放大比较，从上至下，分别是图3、图8-1、图8-2。图3中第二电极的宽度范围为0.075<W2/D<0.15，可以看出透镜衔接处的信号串扰区域的宽度在20um左右，图8-1中第二电极的宽度范围在0.02<W2/D<0.05，透镜衔接处的信号串扰区域的宽度在12um左右，图8-2中第二电极的宽度范围在0.004<W2/D<0.01，透镜衔接处的信号串扰区域的宽度接近于0。

为了实现本发明改善信号串扰的目的，满足0.005<W2/D<0.05，W2<W1。

本实施例中设定的电压参数并不限定于此，公共电极25和第一电极261可以是接地电位，第二电极可以接高电压。只要满足所述公共电极与所述第一电极的电位差小于所述液晶层的阈值电压Vth,且小于所述公共电极与所述第二电极的电位差，同时，所述公共电极与所述端部电极的电位差大于所述液晶层的阈值电压Vth即可。

本发明电控液晶透镜面板面板的结构，不限定由三个电极构成透镜重复单元。每个透镜可以包括多个电极，以两个第二电极中间包含n个第一电极的周期性进行排列，并保证每个透镜边缘的电极为第二电极，n为正整数。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电控液晶透镜面板，其特征在于，包括：

相对设置的第一基板和第二基板；

液晶层，设置于所述第一基板和第二基板之间；

公共电极，设置于所述第一基板的内侧，所述公共电极为块状，覆盖整个第一基板；

平行排列的多个带状电极，设置于所述第二基板的内侧，所述带状电极为透明导电性材料，包括多个重复单元，每一所述重复单元包括第一电极以及位于所述第一电极两侧的第二电极，每一所述重复单元限定一液晶透镜区域，设定所述液晶透镜区域的间距为D，所述第一电极的宽度为W1，所述第二电极的宽度为W2的情况下，满足如下关系：

0.005<W2/D<0.05，W2<W1。

2.如权利要求1所述的电控液晶透镜面板，其特征在于，相邻所述重复单元共用一第二电极。

3.如权利要求1所述的电控液晶透镜面板，其特征在于，设定所述公共电极与所述第一电极的电位差V1小于所述液晶层的阈值电压Vth；所述公共电极与所述第二电极的电位差V2大于所述液晶层的阈值电压Vth；并且V1小于V2。

4.如权利要求1所述的电控液晶透镜面板，其特征在于，所述公共电极和第一电极为接地电位。

5.如权利要求1所述的电控液晶透镜面板，其特征在于，每一所述重复单元内所述第二电极之间包含n个第一电极，n为正整数。

6.一种3D/2D可切换立体显示装置，其特征在于，包括：

显示面板，具有多个像素并射出具有偏振的图像光；

置于所述显示面板所发出的图像光的射出侧的电控液晶透镜面板；

所述电控液晶透镜面板包括：

相对设置的第一基板和第二基板；

液晶层，设置于所述第一基板和第二基板之间；

公共电极，设置于所述第一基板的内侧，所述公共电极为块状，覆盖整个第一基板；

平行排列的多个带状电极，设置于所述第二基板的内侧，所述带状电极为透明导电性材料，包括多个重复单元，每一所述重复单元包括第一电极以及位于所述第一电极两侧的第二电极，每一所述重复单元限定一液晶透镜区域，设定所述液晶透镜区域的间距为D，所述第一电极的宽度为W1，所述第二电极的宽度为W2的情况下，满足如下关系：

0.005<W2/D<0.05，W2<W1。

7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，相邻所述重复单元共用一第二电极。

8.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，设定所述公共电极与所述第一电极的电位差V1小于所述液晶层的阈值电压Vth；所述公共电极与所述第二电极的电位差V2大于所述液晶层的阈值电压Vth；并且V1小于V2。

9.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述公共电极和第一电极为接地电位。

10.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，每一所述重复单元内所述第二电极之间包含n个第一电极，n为正整数。