CN104035260A - 可切换菲涅耳透镜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可切换菲涅耳透镜及其制造方法。这种可切换菲涅耳透镜包括：具有第一电极的上板；具有第二电极的下板；以及透镜单元，所述透镜单元包括被密封在所述上板与所述下板之间的液晶层。所述透镜单元包括由通过第一电极和第二电极施加的电场所形成的菲涅耳透镜，并且具有断续边界。所述透镜单元包括在所述菲涅耳透镜的断续边界处在上板与下板之间竖直形成的隔墙。

Description

可切换菲涅耳透镜及其制造方法
技术领域
本文件涉及可切换菲涅耳透镜及其制造方法。
背景技术
由于立体图像再现技术应用于诸如电视机或者监视器这样的显示装置，现在已经进入了人们甚至在家里也可以观看3D立体图像的时代。立体图像显示器可以被划分为可佩戴的眼镜型和无眼镜型。眼镜型显示器被配置为通过改变直视显示器或者投影器的偏振方向或者按照时分方式在其上显示左视差图像和右视差图像。这样，眼镜型显示器就利用偏振眼镜或者液晶快门眼镜实现了立体图像。对于无眼镜型，显示器可以包括诸如视差屏障和透镜这样的光学部件，用于分离左视差图像和右视差图像的光轴。这样，无眼镜型显示器就可以被安装在显示屏的前方或者后方。
图1示出了使用透镜的无眼镜型立体图像显示装置的示例。
参照图1，无眼镜型立体图像显示装置包括被布置在显示板的像素阵列前方的透镜LENS。透镜LENS将来自被写入左眼图像L的像素的光的光轴和来自被写入右眼图像R的像素的光的光轴分离开。在观看者通过透镜LENS用左眼看到被写入左眼图像L的像素的同时，观看者通过透镜LENS用右眼看到被写入右眼图像R的像素，因而使观众能够感知到双目视差并且观看到立体图像。具有图1所示结构的透镜LENS的厚度t较大。
如图1所例示的，透镜LENS一般被实现为凸柱面透镜阵列，其截面是半球形或者椭球形。最近已经提出了一种将透镜LENS实现为密封了液晶的可切换透镜的方法。通过经电极向液晶分子施加电场并且改变液晶分子的折射率来形成可切换透镜，并且通过控制向电极施加的驱动电压使得容易在2D模式和3D模式之间切换。例如，在美国专利申请13/077,565（2011.03.01）和13/325,272（2011.12.14）中本申请人提出了可切换屏障（barrier）和和可切换透镜。然而，即使透镜LENS被实现为可切换透镜，透镜的厚度也造成单元间隔变得更厚，这是人们不期望看到的。
发明内容
本发明旨在提供可以被制造的很薄的可切换菲涅耳透镜及其制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种可切换透镜结构，所述可切换透镜结构包括：具有第一电极的上板；具有第二电极的下板；以及透镜单元，所述透镜单元包括被密封在所述上板与所述下板之间的液晶层，其中，所述透镜单元被配置为基于根据所述第一电极和所述第二电极在所述透镜单元中产生的电场而排列为透镜阵型（formation）。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造和操作可切换透镜的方法，所述方法包括以下步骤：形成包括第一电极的上板；形成包括第二电极的下板；在所述上板与所述下板之间形成透镜单元；在所述透镜单元中产生电场使得在所述透镜单元内排列为透镜阵型，其中所述透镜阵型包括由断续边界分开的多个透镜部分。
根据本发明的另一个方面，提供了一种显示装置，所述显示装置包括：显示板；被配置为驱动所述显示板的显示板驱动器；被配置为布置在所述显示板上方的可切换透镜，所述可切换透镜包括透镜单元层；被配置为驱动所述可切换透镜的透镜板驱动器；以及被配置为控制向显示板驱动器和所述透镜板驱动器施加的电压的定时控制器，使得针对3D模式所述定时控制器向所述可切换透镜提供电压以在所述透镜层产生电场，并且针对2D模式所述定时控制器不向所述可切换透镜提供电压，其中，针对3D模式基于在透镜单元层中产生的电场在所述透镜单元层内形成所述透镜阵型，其中，所述透镜阵型包括由断续边界分开的多个透镜部分。
附图说明
附图被包括进来以提供对本发明的进一步理解，并结合到本申请中且构成本申请的一部分，这些附图例示了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1示出使用透镜的无眼镜型立体图像显示装置的示例；
图2是示出根据本发明的示例性实施方式的可切换菲涅耳透镜的截面图；
图3是示出图2的可切换菲涅耳透镜的同心圆之间的边界的放大截面图；
图4是示出根据本发明的示例性实施方式的可切换菲涅耳透镜的制造方法的步骤的流程图；
图5A到图5F是详细示出图4的用于立体图像显示装置的透镜的制造方法的每一个步骤的截面图；
图6是示出在可切换菲涅耳透镜的断续边界处形成的隔墙（barrier rib）的截面图；
图7是示出根据本发明的可切换菲涅耳透镜的模拟数据的图；
图8是示出根据本发明的示例性实施方式的立体图像显示装置的框图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式。整个说明书中大致相同的附图标记表示相同的部件。可以按照多种不同形式实现如此处描述的本发明。可以在不背离此处阐述的权利要求的精神和范围的情况下改变部件的布置和类型。
本发明的示例性立体图像显示装置可以被实现为诸如液晶显示器（LCD）、场发射显示器（FED）、等离子体显示板（PDP）、有机发光二极管（OLED）显示器和电泳显示器（EPD）的平板显示器或者其它类似类型的显示器。本发明的立体图像显示装置可以被实现为使用可切换菲涅耳透镜的无眼镜型立体图像显示装置。本发明的立体图像显示装置在2D模式下显示2D图像数据并且在3D模式下显示3D图像数据。
参照图2和图3，本发明的可切换菲涅耳透镜200可以包括在上板和下板之间形成的透镜单元13。上板可以包括第一透明基板10、在第一透明基板10上形成的第一电极11和第一配向膜12。可以向第一电极11施加被设定为给定DC电压的公共电压。下板可以包括第二透明基板14、在第二透明基板14上形成的第二电极15a和15b以及第二配向膜。附图中省略了第二配向膜。配向膜设定了透镜单元13内的液晶分子的预倾角。第二电极15a和15b可以被划分为上部电极15a和下部电极15b，它们在绝缘层16内。驱动电压可以被单独施加到上部电极15a和下部电极15b，使得透镜单元13中的液晶分子排列为菲涅耳透镜剖面。液晶分子可以被由第一电极11和第二电极15a和15b施加的电压所形成的电场来驱动，并且与电场强度成比例以更大角度旋转，因而实现了如图2和图3所示的菲涅耳透镜。
可以通过将图1的透镜划分为同心圆并且将它们放在平坦表面上来实现菲涅耳透镜。在透镜单元13中形成的菲涅耳透镜对左眼图像的光的光轴和右眼图像的光的光轴进行分离。透镜单元13的液晶分子排列为菲涅耳透镜剖面。菲涅耳透镜在不使得透镜性能退化的情况下将透镜单元13的单元间隔最小化。例如，图2例示了被排成为到示例性菲涅耳透镜剖面的液晶分子。示例性菲涅耳透镜剖面包括由断续边界分离的多个透镜部分。这样，第一透镜部分21和第二透镜部分22被所标记的断续边界分离开，其中断续边界是竖直边缘。
液晶的折射率在菲涅耳透镜划分的同心圆的边界上急剧变化。因此，为了在透镜单元3内实现菲涅耳透镜，可以形成断续边界，在该边界处液晶的有效折射率急剧改变。然而，由于连续体特征造成的集体行为（相邻液晶分子按照相同方式进行行为），难以仅仅在透镜单元13的特定部分急剧改变液晶的折射率。图2的粗实线代表理想菲涅耳透镜剖面。图2的虚线代表实际菲涅耳透镜剖面。由于液晶的连续体特征引起液晶的折射率在菲涅耳透镜的同心圆的边界上不规则改变，如图2的虚线指示的，所以很难实现理想的菲涅耳透镜。当在断续边界上折射率缓慢变化时，当左眼图像和右眼图像混合到彼此之中时，立体图像显示装置会发生串扰。
在本发明中，为了实现理想菲涅耳透镜，可以按照图4和图5所示的方法来制造可切换菲涅耳透镜200。
图4是例示了根据本发明示例性实施方式的可切换菲涅耳透镜200的制造方法的步骤的流程图。图5A到图5F是详细示出图4的用于立体图像显示装置的透镜的示例性制造方法的步骤的截面图。
参照图4和图5，在本发明中，液晶13a和活性基元（reactive mesogen，RM）13b被混合到一起并且被密封在上板和下板之间的透镜单元13中。
活性基元13b是包括可聚合端基的液晶材料，可聚合端基是通过包括具有液晶属性的基元和可聚合端基而具有液晶相的单体分子。例如，可聚合丙烯酸酯或者丙烯酸甲酯基可以被用作可聚合端基。然而，任何可聚合功能基都可以被用作端基。当在被曝光而引发聚合时，活性基元13与液晶分子13a形成交联聚合物网络，同时维持液晶的配向状态。这种液晶交联网络在机械上和热学上都是稳定的，因为具有大致固体结构并且具有诸如光学各向异性和介电常数这样的液晶特性。
在一些实施方式中，RM257例如可以被用作活性基元13b。活性基元13b可以与液晶13a以大约1到30wt%的活性基元对100wt%的液晶的比例而混合。在此，大约1wt%的对活性基元13b的光引发剂（light initiator）可以与液晶13a混合。在一些实施方式中，Irgaucre651例如可以被选择作为光引发剂。根据实验结果，当添加了0.5wt%或者更少的活性基元13b时，在随后处理中在向透镜单元123施加竖直电场之后用UV光线照射透镜单元123时在13b和液晶分子13a之间不充分地形成了交联网络。因此，在UV照射之前和之后，透镜单元123表现出很少的变化。当向液晶13a中添加了1wt%或者更多的活性基元13b时，由于在UV照射之后与活性基元13b形成了交联网络，所以液晶13a被光固化，并且在光固化的部分观察到了亮度变化。另外还发现，当1wt%或者更多的活性基元13b被添加到液晶中时液晶分子具有倾角。当2wt%或者更多的活性基元13b被添加到液晶中时，液晶分子具有约73°的倾角。
在步骤S2，如图4和图5B所示，电源V连接到电极11、15a和15b，并且竖直电场被施加到透镜13的液晶分子13a和活性基元13b以将液晶分子13a竖直地配向。接着，在步骤S3，如图4和图5C所示，在透镜单元13上对准光掩模20，并且通过光掩模20向透镜单元13照射UV光线。光掩模20的光透射部分对应于菲涅耳透镜的断续边界。随着活性基元13b和液晶13a被光聚合以形成交联网络，透镜单元13的UV曝光部分被聚合物稳定化。结果，竖直配向的液晶分子13a被固化在菲涅耳透镜的断续边界，因而形成隔墙13c。隔墙13c在可切换菲涅耳透镜200的上板和下板之间竖直地形成。
在步骤S4和S5，如图4、图5D和图5F所示，在去除连接到电极11、15a和15b的电源V之后，向整个透镜单元13照射UV光线。在步骤S5，如图5E所例示，如果UV光线再次照射到透镜单元13的整个表面，则剩余的活性基元13b被转移到配向膜的表面并且形成薄层。由此形成的活性基元层有助于增加锚定能并且使得液晶的配向更稳定。
图6是示出在可切换菲涅耳透镜200的断续边界处形成的隔墙13c的截面图。图7是示出可切换菲涅耳透镜200的模拟数据的图。
参照图6和图7，隔墙13c中的液晶分子13a竖直配向并且固化。即使电场被施加到透镜单元14，隔墙13c中的液晶分子13a也不被驱动。液晶分子的折射率在隔墙13c中急剧变化。因此，如图7所示，可以获得类似于理想菲涅耳透镜的折射率属性。在图7中，横轴表示距离（μm）并且纵轴表示埃单位（A.U.）。在图7中，“PS之后”表示使用活性基元13b通过聚合物稳定化在透镜单元13中形成了隔墙13c的测试样本，“PS之前”表示未经过聚合物稳定化的测试样本。
图8是示出根据本发明的示例性立体图像显示装置的框图。
参照图8，本发明的立体图像显示装置可以包括显示板100、显示板驱动器、可切换菲涅耳透镜200、透镜单元驱动器210和定时控制器101。
显示板包括彼此交叉的数据线105和选通线（或者扫描线）106以及其中以矩阵形式布置有多个像素的像素阵列。每一个像素可以包括不同颜色的子像素。像素阵列在2D模式下显示2D图像并且在3D模式下显示左眼图像和右眼图像。
显示板驱动器包括数据驱动电路102和选通驱动电路103。在3D模式下，显示板驱动器对左眼图像数据和右眼图像数据进行空间分布并且将其写入显示板100。
数据驱动电路102将从定时控制器101输入的数字视频数据转换为模拟伽马电压以产生数据电压，并且将数据电压提供到显示板100的数据线105。选通驱动电路103在定时控制器101的控制下向选通线106提供与提供到数据线105的数据电压同步的选通脉冲（或者扫描脉冲），并且顺序地移位这些扫描脉冲。
按照图4和图5所示的方法来制造可切换菲涅耳透镜200。在可切换菲涅耳透镜200的断续边界形成隔墙13c。在3D模式下，通过施加到透镜单元13的电场在透镜单元13内形成菲涅耳透镜。菲涅耳透镜对来自被写入左眼图像数据的像素的光的光轴和来自被写入右眼图像数据的像素的光的光轴进行分离。在2D模式下，因为没有向透镜单元13施加电场，所以在可切换菲涅耳透镜200的透镜单元13内没有形成菲涅耳透镜。因此，尽管可切换菲涅耳透镜200将左眼图像的光轴和右眼图像的光轴分离开并且在3D模式下实现了立体图像，但是其在2D模式下允许入射光直接透射并且实现了二维平坦图像。
在定时控制器101的控制下，透镜单元驱动器210在3D模式下与写入在显示板100的像素阵列中的像素数据同步，以提供电力到可切换菲涅耳透镜200的电极并且实现菲涅耳透镜。
定时控制器101将从主机系统110输入的2D/3D输入图像的数字视频数据RGB提供到数据驱动电路102。另外，定时控制器101与2D/3D输入图像的竖直视频数据同步地接收从主机系统110输入的诸如竖直同步信号、水平同步信号、数据使能信号和主时钟这样的定时信号。定时控制器101利用接收到的定时信号来产生用于控制显示板驱动器102和103和透镜单元驱动器210的工作定时的定时控制信号，并且控制这些驱动器的工作定时使其彼此同步。定时控制信号包括用于控制数据驱动电路102的工作定时的源定时控制信号DDC、用于控制选通驱动电路103的工作定时的选通定时控制信号GDC以及透镜单元控制信号3DC。
定时控制器101可以按照将输入图像的帧率乘以N Hz（N是大于或者等于2的正整数）所获得的帧率来控制显示板驱动器102和103以及透镜单元驱动器210的工作频率。输入图像的帧频率对于NTSC（国家电视标准委员会）是60Hz，对于PAL（逐行倒相制）是50Hz。
可以在主机系统110和定时控制器101之间安装3D数据格式化器（formatter）120。3D数据格式化器120根据显示板的像素排列在3D模式下重新对准从主机系统110输入的3D图像的左眼图像数据和右眼图像数据，并且将其提供到定时控制器101。当在3D模式下输入2D图像数据时，3D数据格式化器120可以执行预设2D-3D图像转换算法以从2D图像数据产生左眼图像数据和右眼图像数据，重新对准这些数据，并且将其发送到定时控制器101。
主机系统110可以被实现为以下一种：TV（电视机）系统、机顶盒、导航系统、DVD播放器、蓝光播放器、个人计算机（PC）、家庭影院系统、广播接收器和电话系统。主机系统110使用定标器（scaler）将2D/3D输入图像的数字视频数据转换为适用于显示板PNL100的分辨率的格式并且将该数据与定时信号一起发送到定时控制器101。
主机系统110在2D模式下向定时控制器101提供2D图像，在3D模式下向3D数据格式化器120提供3D或者2D图像数据。主机系统110可以响应于通过用户接口112输入的用户数据，向定时控制器101发送模式信号，以在2D模式和3D模式下控制立体图像显示装置。用户接口112可以被实现为键盘、鼠标、屏幕上显示（OSD）、遥控器、图形用户接口（GUI）、触摸用户接口（UI）、语音识别UE或者3D UI。用户可以通过用户接口112在2D模式和3D模式之间进行选择，并且在3D模式下选择2D-3D图像转换。
如上所述，本发明通过在包括液晶层的透镜单元中形成菲涅耳透镜，使得可切换菲涅耳透镜变薄。
另外，本发明的可切换菲涅耳透镜的制造方法利用液晶与活性基元（RM）之间的光聚合反应通过聚合物稳定化在透镜单元内的菲涅耳透镜的断续边缘处形成隔墙。结果，本发明使得能够在可切换菲涅耳透镜的透镜单元内实现接近理想菲涅耳透镜剖面的菲涅耳透镜，由此在没有串扰的情况下提高3D图像的画质。
尽管已经参考本发明的多个示例性实施方式对本发明的实施方式进行了描述，应当理解的是，本领域的技术人员可以想出落入本公开的精神和原理范围内的多个其他修改例和实施方式。更具体地说，可以在本公开、附图及所附权利要求的范围内对本主题组合装置的组成部件和/装置进行各种变换和修改。除对组成部件和/或装置的变换和修改外，替代性使用对本领域的技术人员也是明显的。
本申请要求2013年3月8日提交的韩国专利申请No.10-2013-0024895的优先权，在此其整体通过引用并入。

Claims (24)

1.一种可切换透镜结构，所述可切换透镜结构包括：
具有第一电极的上板；
具有第二电极的下板；以及
透镜单元，其包括被密封在所述上板与所述下板之间的液晶层，
其中，所述透镜单元被配置为基于根据所述第一电极和所述第二电极在所述透镜单元中产生的电场而排列为透镜阵型。
2.根据权利要求1所述的可切换透镜结构，其中，所述透镜阵型包括多个透镜部分，所述多个透镜部分被断续边界分开，使得当在所述透镜单元中产生所述电场时以及当在所述透镜单元中未产生所述电场时，位于所述断续边界处的液晶分子被竖直配向。
3.根据权利要求1所述的可切换透镜结构，其中，所述透镜阵型的所述断续边界包括在所述透镜单元内的相邻透镜部分之间竖直形成的。
4.根据权利要求3所述的可切换透镜结构，其中，所述透镜阵型的所述透镜部分包括活性基元和液晶分子。
5.根据权利要求3所述的可切换透镜结构，其中，所述透镜阵型的所述断续边界还包括在所述隔墙内竖直配向的液晶分子。
6.根据权利要求5所述的可切换透镜结构，其中，所述透镜阵型的所述断续边界还包括交联到所述隔墙内的液晶分子的活性基元。
7.根据权利要求5所述的可切换透镜结构，其中，在所述上板和所述下板的每一个上都形成有配向膜，并且在所述配向膜上除了所述隔墙以外的区域中形成有活性基元膜。
8.根据权利要求1所述的可切换透镜结构，其中，所述透镜单元内的所述透镜阵型被配置为菲涅耳透镜构造。
9.根据权利要求1所述的可切换透镜结构，其中，所述透镜单元中的不在所述断续边界内的液晶分子被配置为可基于在所述透镜单元中产生的电场来调节。
10.根据权利要求9所述的可切换透镜结构，其中，在3D模式期间产生所述电场，并且在2D模式期间不产生所述电场。
11.一种制造和操作可切换透镜的方法，所述方法包括以下步骤：
形成包括第一电极的上板；
形成包括第二电极的下板；
在所述上板与所述下板之间形成透镜单元；
在所述透镜单元中产生电场使得在所述透镜单元内排列出透镜阵型，其中，所述透镜阵型包括由断续边界分开的多个透镜部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，当在所述透镜单元中产生所述电场时以及当在所述透镜单元中未产生所述电场时，位于所述断续边界处的液晶分子被竖直配向。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述透镜单元的步骤包括：
将液晶分子和活性基元进行混合并且将液晶分子和活性基元的混合体密封在所述上板与所述下板之间；
在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压以在所述透镜单元中产生电场，其中，所述电场使所述液晶分子竖直配向；
通过在所述透镜单元上对准光掩模来对所述透镜单元的与所述断续边界相对应的部分进行曝光，其中，所述光掩模的被曝光部分允许通过对位于所述断续边界处的活性基元和液晶分子进行光聚合而在所述断续边界形成隔墙；以及
在从所述电极去除所述电源之后对整个透镜单元进行曝光。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述液晶分子在所述隔墙内被竖直配向。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述透镜单元中的不在所述隔墙内的液晶分子被配置为可基于在所述透镜单元中产生的电场而调节。
16.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在所述上板和所述下板的每一个上形成配向膜；以及
将剩余的活性基元转移到所述配向膜的除了与所述隔墙相交叠的区域以外的区域中。
17.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在所述配向膜上除了所述隔墙的区域中形成活性基元膜。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，在3D模式期间向所述第一电极和所述第二电极施加电压以在所述透镜单元内形成电场，并且其中，在2D模式期间施加至所述第一电极和所述第二电极的电场被切断使得在所述透镜单元内未形成电场。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述透镜单元内的所述透镜阵型被配置为菲涅耳透镜构造。
20.一种显示装置，所述显示装置包括：
显示板；
被配置为驱动所述显示板的显示板驱动器；
被配置为布置在所述显示板上方的可切换透镜，所述可切换透镜包括透镜单元层；
被配置为驱动所述可切换透镜的透镜板驱动器；以及
定时控制器，其被配置为对提供至所述显示板驱动器和所述透镜板驱动器的电压进行控制，使得针对3D模式所述定时控制器向所述可切换透镜提供电压以在所述透镜单元层中产生电场，并且针对2D模式所述定时控制器不向所述可切换透镜提供电压，
其中，基于针对3D模式在所述透镜单元层中产生的电场在所述透镜单元层内形成有透镜阵型，其中，所述透镜阵型包括由断续边界分开的多个透镜部分。
21.根据权利要求20所述的显示装置，其中，所述透镜阵型的所述透镜部分包括活性基元和液晶分子。
22.根据权利要求20所述的显示装置，其中，当在所述透镜单元层中产生所述电场时以及当在所述透镜单元层中未产生所述电场时，位于所述断续边界处的液晶分子被竖直配向。
23.根据权利要求22所述的显示装置，其中，所述透镜阵型的所述断续边界包括在隔墙中被竖直配向的液晶分子，所述隔墙竖直地形成在所述透镜单元层内的相邻透镜部分之间。
24.根据权利要求22所述的显示装置，其中，所述透镜单元层内的所述透镜阵型被配置为菲涅耳透镜构造。
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