CN104062765A - 2d与3d影像切换显示设备和柱状透镜元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种2D与3D影像切换显示设备和柱状透镜元件。显示设备包括影像显示器，影像显示器的屏幕包括复数个R、G、B三原色的次像素，用于显示2D影像和3D影像；以及DFD-PDLC柱状透镜阵列，包括复数个平行排列的DFD-PDLC柱状透镜元件，每个DFD-PDLC柱状透镜元件长轴的方向正交或斜交于影像显示器的屏幕，DFD-PDLC柱状透镜阵列安装在影像显示器的屏幕的前面，由外部驱动电压V(f)驱动改变DFD-PDLC柱状透镜元件的光学折射率，在影像显示器的屏幕上实现2D与3D影像切换显示，其中，f为外部驱动电压的驱动频率。由外部适当电压的驱动，以改变其光学折射率，可提供该2D影像与该3D影像的显示，达到2D与3D影像可切换显示的目的。

Description

2D与3D影像切换显示设备和柱状透镜元件
技术领域
本发明涉及裸视3D影像显示技术领域，更具体地，涉及一种2D与3D影像切换显示设备和DFD-PDLC柱状透镜元件。
背景技术
如图1所示，为公知2D与3D影像切换显示设备的示意图。对于公知2D与3D影像切换显示设备(2D and3D Image Switchable Display)10，一般为是使用液晶视景分离元件12(LiquideCrystal View Separator)，并将其安装在液晶显示器11屏幕的前面。对于该观赏者13的观赏位置而言，将该液晶视景分离元件12，安装在该液晶显示器11屏幕前的安装方式，以下简称为前安装方式(Front Installation Method)。
另外，通过外部适当电气电压V的驱动，该液晶视景分离元件12可呈现透明的光穿透状态，以达2D影像显示的功效；或呈现视景分离的状态，以达3D影像显示的功效。
一般，该液晶视景分离元件12，为可由液晶柱状透镜阵列元件(Liquid Crystal LenticularDevice)或液晶视差光栅元件(Liquid Crystal Parallax Barrier Device)构成。由于本发明所述相关技术，属于液晶柱状透镜阵列元件的领域，以下只针对公知液晶柱状透镜阵列元件说明公知的技术。关于上述液晶柱状透镜阵列元件的技术，过去已提出的方法，主要可分为表面起浮法(Surface Relief Method)、偏光启动法(Polarization Activated Method)与图案电极法(Patterned-Electrode Method)。
如图2所示，为表面起浮型液晶柱状透镜阵列元件构成的示意图。该图所示的结构，由美国专利US6,069,650所揭露，请参阅该专利说明书中图3的说明。
该表面起浮型液晶柱状透镜阵列元件(Surface Relief Based Liquid Crystal LenticularDevice)50，由上至下依次由上透明基材51、上ITO电极52、平凹透镜数组53、复数个液晶分子54、下ITO电极55与下透明基材56构成。其中，该平凹透镜数组53，具有光学折射率np；该复数个液晶分子54，为可由向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)材料构成，具有双折射光学(Birefringent Optics)的特征，其寻常光折射率(Ordinary Refractive Index)为no、异常光折射率(Extraordinary Refractive Index)为ne，且具有no＝np、ne>np的关系。该上、下ITO电极层52、55，为如公知的液晶个别装置有配向膜(Alignment Layer)，为连接至电源V。
另外，该液晶柱状透镜阵列元件50，为安装在液晶屏幕60的前面，该液晶屏幕60为可于其CF(Color Filter)61上，显示2D或3D影像(图中未标示)；该2D或3D影像的光源，经过该液晶屏幕60最外层偏光片62的作用后，成为线性极化偏光的光源63，令其偏光方向为垂直于纸面。
当无外加电场下，即V＝OFF，该向列型液晶分子的排列，具有光轴垂直于纸面的特征。对于入射光63而言，因其光偏振方向与液晶分子光轴平行，为感受到异常光折射率ne。另外，当该入射光63穿过该平凹透镜数组53时，因ne>np的故，该入射光63则感受到凸透镜的作用，因此上述的光学特性适用于呈现3D影像的显示。
另外，在外加电场下，即V＝ON，该向列型液晶分子的排列，具有光轴平躺于纸面、并垂直于该上、下ITO电极层52、55的特征，即平行于电场的方向(图中未标示)。对于入射光63而言，因其光偏振方向与液晶分子光轴垂直，为感受到寻常no。另外，当该入射光63穿过该平凹透镜数组53时，因no＝np的故，该入射光63不受该平凹透镜数组53的影响，直接穿透该平凹透镜数组53，因此上述的光学特性适用于呈现2D影像的显示。
综上所述，上述该液晶柱状透镜阵列元件50，为具有可电压调变光学折射率(Electric FieldModulated Refractive Index)的特征，由外部电压的控制，以改变液晶分子排列的方向，从而达到该改变液晶分子的折射率，对于具线性极化偏光的入射光，提供光穿透或透镜的作用，最终达到2D与3D影像可切换显示的目的。
如图3所示，为偏光启动型液晶柱状透镜阵列元件构成的示意图。该图所示的结构，由美国专利：US7,058,252B2所揭露，请参阅该专利说明书中图32a的说明。另外，更具体的说明与图示，可参考美国专利：US8,279,363B2说明书中图6的说明。
该偏光启动型液晶柱状透镜阵列元件(Polarization Activation Based Liquid CrystalLenticular Device)190，由电极基材元件180、两透明电极178、可90度旋转偏光元件176、双折射透镜(Birefringent Lens)138、等向性材料(Isotropic Material)134与透镜基材元件132构成。另外，其他图示的结构，为公知液晶显示器200，由背光源60、偏光元件64、LCD TFT基材66、LCD画素元件67、LCD TFT基材80与偏光元件184构成。
其中，该两透明电极178，为个别安装在该电极基材元件180与该透镜基材元件132的上，与该可90度旋转偏光元件176构成电气式偏光方向切换元件(Electrically Switchable Polarizer)191，通过外部适当电压对该两透明电极178的驱动(图中未标示)，该可90度旋转偏光元件176，可将具线性偏极化入射光的偏光方向，做90度的旋转或维持原偏光方向。另外，该双折射透镜138，为具有液晶柱状透镜阵列元件的结构，并由双折射材料构成，该双折射材料具有寻常光折射率(Ordinary Refractive Index)no与非常光折射率(Extraordinary Refractive Index)ne，并令该寻常光折射率no，为等于该等向性材料134的光折射率n1，即n1＝no。
当显示2D影像时，由该偏光元件184所输出的影像光源(图中未标示)，为具有线性偏光的特性、并入射于电气式偏光方向切换元件191，对于该入射光源，该电气式偏光方向切换元件191，为维持该入射光的偏光方向，使该偏光方向系与双折射透镜138光轴方向，为呈垂直的状态，因此该入射光为穿越具寻常光折射率no的双折射透镜138。因该等向性材料134光折射率n1，具有n1＝no，因此该双折射透镜138失去透镜的功效。
另外，当显示3D影像时，由该偏光元件184所输出的影像光源(图中未标示)，为具有线性偏光的特性、并入射于电气式偏光方向切换元件191，对于该入射光源，该电气式偏光方向切换元件191，为对该入射光的偏光方向旋转90度，使该偏光方向系与双折射透镜138光轴方向，为呈平行的状态，因此该入射光为穿越具非常光折射率ne的双折射透镜138。因该等向性材料134光折射率n1，具有n1≠ne，因此该双折射透镜138产生透镜的功效。
如图4所示，为电极启动型液晶柱状透镜阵列元件构成的示意图。该结构由美国专利：US8,330,881B2所揭露，请参阅该专利说明书中图12a的说明。
该电极启动型液晶柱状透镜阵列元件(Patterned-Electrode Based Liquid Crystal LenticularDevice)100，由液晶材料90、ITO透镜电极层92、ITO共电极层94与两玻璃基材96、98构成。
其中，该ITO透镜电极层92，由复数个适当宽度与间距的单电极构成，为连接至外部电子电路(图中未标示)，可由该电子电路，针对该所有个别单一的电极，提供适当驱动具周期分布的电压，以产生具周期分布的二极电场(Periodically Distributed Quadratic Electric Field)，可对该液晶材料90的液晶分子，排列形成复数个具有光学折射率渐变结构的透镜(Gradient IndexLens，简称GRIN Lens)。
亦即，该外部电子电路，对于图中所示的一对单一电极99与介于该一对单一电极99间的电极，提供适当的电压，以产生上述二极电场分布，可让该两电极99间液晶分子排列的方向，逐渐形成180度的扭转，最终形成光学折射率渐变的结构。因此该电极启动型液晶柱状透镜数组元100，可产生透镜的功效，并达到呈现3D影像的目的。
另外，对于2D影像的显示，为令该外部电子电路不提供电压，让所有液晶分子排列于同一垂直的方向上，以构成不具透镜功效的透明元件。另外，该ITO共电极层94，则由连续分布的电极构成，亦连接至该外部电子电路，以构成电气共极层。
综上所述，上述该三种液晶柱状透镜阵列元件，皆具有由液晶分子，以达到可调变光学折射率的特征。因此可将上述三种公知的技艺，归类于一种液晶依存液晶柱状透镜阵列元件的技术领域。
发明内容
本发明旨在提供一种2D与3D影像切换显示设备和DFD-PDLC柱状透镜元件，以解决现有技术中2D与3D影像切换显示设备结构复杂的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种2D与3D影像切换显示设备，包括：影像显示器，影像显示器的屏幕包括复数个R、G、B三原色的次像素，用于显示2D影像和3D影像；以及DFD-PDLC柱状透镜阵列，包括复数个平行排列的DFD-PDLC柱状透镜元件，每个DFD-PDLC柱状透镜元件长轴的方向正交或斜交于影像显示器的屏幕，DFD-PDLC柱状透镜阵列安装在影像显示器的屏幕的前面，由外部驱动电压V(f)驱动改变DFD-PDLC柱状透镜元件的光学折射率，在影像显示器的屏幕上实现2D与3D影像切换显示，其中，f为外部驱动电压的驱动频率。
进一步地，影像显示器选自液晶显示器、等离子显示器、OLED显示器和LED显示器，影像显示器的屏幕的次像素的排列方式选自垂直条状排列、马赛克排列、三角状排列与Pentile排列。
进一步地，每个DFD-PDLC柱状透镜元件自上到下包括上透明基材、上ITO电极层、聚合物平凸透镜、PDLC平凹透镜、下ITO电极层和下透明基材。
进一步地，上透明基材、下透明基材采用的材料是透明玻璃或PET材料。
进一步地，上ITO电极层和下ITO电极层，为透明的电极层，安装在相应的透明基材的内侧面上，与外部驱动电压V(f)连接，通过外部驱动电压V(f)产生电场。
进一步地，聚合物平凸透镜，由聚合物材料构成，具有光学折射率np，聚合物平凸透镜的凸面为圆弧面，通过模具压印成型与卷对卷紫外线固化工序制作出聚合物平凸透镜的光学结构。
进一步地，PDLC平凹透镜，由复数个液晶微滴与聚合物材料构成，具有光学折射率np，复数个液晶微滴均匀分布于聚合物材料的内部；复数个液晶微滴与聚合物材料通过涂布工艺填充于PDLC平凹透镜的内部。
进一步地，液晶微滴的大小大于可见光的波长。
进一步地，液晶微滴的大小小于可见光的波长。
进一步地，液晶微滴，由复数个杆状的液晶分子构成，液晶分子具有寻常光折射率为n⊥、异常光折射率n∥、长轴介电常数ε∥与短轴介电常数ε⊥，其中，n⊥与n∥具有n∥>n⊥的关系、且n∥与np具有n∥＝np的关系；ε∥与ε⊥，则具有以下的关系：
进一步地，当f＝fL<fc时，Δε>0；当f＝fH>fc时，Δε<0；当f＝fc时，Δε＝0；其中，f为外部驱动电压V(f)的驱动频率、fL为定向排列频率、fH为均向排列频率、fc为交叉频率、Δε＝ε∥-ε⊥；当f＝fL<fc时，即Δε>0，外部驱动电压所产生的电场旋转液晶分子空间排列的方向，使液晶分子的长轴沿电场的方向排列；当f＝fH>fc时，即Δε<0，外部驱动电压所产生的电场使液晶分子的短轴沿电场的方向排列；当f＝fc时，即Δε＝0，外部驱动电压所产生的电场失去对液晶分子旋转的作用。
进一步地，对于定向排列频率fH，外部驱动电压V(f＝fH)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动液晶分子时，液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，液晶微滴中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥＝nP的关系，DFD-PDLC柱状透镜元件呈现光穿透的特性。
进一步地，对于定向排列频率fL，外部驱动电压V(f＝fL)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动液晶分子时，液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，液晶微滴中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥<nP的关系，DFD-PDLC柱状透镜元件呈现透镜的特性。
进一步地，每个DFD-PDLC柱状透镜元件自上向下包括上透明基材、上ITO电极层、聚合物平凹透镜、PDLC平凸透镜、下ITO电极层与下透明基材。
进一步地，上透明基材、下透明基材采用的材料是透明玻璃或PET材料。
进一步地，上ITO电极层和下ITO电极层，为透明的电极层，安装在相应的透明基材的内侧面上，与外部驱动电压V(f)连接，通过外部驱动电压V(f)产生电场。
进一步地，聚合物平凹透镜，由聚合物材料构成，具有光学折射率np，聚合物平凹透镜的凹面为圆弧面，通过模具压印成型与卷对卷紫外线固化工序制作出聚合物平凹透镜的光学结构。
进一步地，PDLC平凸透镜，由复数个液晶微滴与聚合物材料构成，具有光学折射率np，复数个液晶微滴，为均匀分布于聚合物材料的内部；复数个液晶微滴与聚合物材料通过涂布工序填充于PDLC平凸透镜的内部。
进一步地，液晶微滴的大小大于可见光的波长。
进一步地，液晶微滴的大小小于可见光的波长。
进一步地，液晶微滴，由复数个杆状的液晶分子构成，液晶分子具有寻常光折射率为n⊥、异常光折射率n∥、长轴介电常数ε∥与短轴介电常数ε⊥，其中，n⊥与n∥具有n∥>n⊥的关系、且n⊥与np具有n⊥＝np的关系；ε∥与ε⊥，则具有以下的关系：当f＝fL<fc时，Δε>0；当f＝fH>fc时，Δε<0；当f＝fc时，Δε＝0；其中，f为外部驱动电压V(f)的驱动频率、fL为定向排列频率、fH为均向排列频率、fc为交叉频率、Δε＝ε∥-ε⊥；当f＝fL<fc时，即Δε>0，外部驱动电压所产生的电场，可旋转液晶分子空间排列的方向，使液晶分子的长轴沿电场的方向排列；当f＝fH>fc时，即Δε<0，外部驱动电压所产生的电场使液晶分子的短轴沿电场的方向排列；当f＝fc时，即Δε＝0，外部驱动电压所产生的电场失去对液晶分子旋转的作用。
进一步地，对于定向排列频率fL，外部驱动电压V(f＝fL)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动液晶分子时，液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，液晶微滴中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥＝nP的关系，DFD-PDLC柱状透镜元件呈现光穿透的特性。
进一步地，对于定向排列频率fH，外部驱动电压V(f＝fH)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动液晶分子时，液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，液晶微滴中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥>nP的关系，DFD-PDLC柱状透镜元件呈现透镜的特性。
进一步地，影像显示器为场色序法液晶显示器。
根据本发明的另一个方面，提供了一种DFD-PDLC柱状透镜元件，DFD-PDLC柱状透镜元件自上到下包括上透明基材、上ITO电极层、聚合物平凸透镜、PDLC平凹透镜、下ITO电极层和下透明基材；DFD-PDLC柱状透镜元件由外部驱动电压V(f)驱动改变DFD-PDLC柱状透镜元件的光学折射率，其中，f为外部驱动电压的驱动频率。
进一步地，上透明基材、下透明基材采用的材料是透明玻璃或PET材料。
进一步地，上ITO电极层和下ITO电极层，为透明的电极层，安装在相应的透明基材的内侧面上，与外部驱动电压V(f)连接，通过外部驱动电压V(f)产生电场。
进一步地，聚合物平凸透镜，由聚合物材料构成，具有光学折射率np，聚合物平凸透镜的凸面为圆弧面，通过模具压印成型与卷对卷紫外线固化工序制作出聚合物平凸透镜的光学结构。
进一步地，PDLC平凹透镜，由复数个液晶微滴与聚合物材料构成，具有光学折射率np，复数个液晶微滴，均匀分布于聚合物材料的内部；复数个液晶微滴与聚合物材料通过涂布工艺填充于PDLC平凹透镜的内部。
进一步地，液晶微滴的大小大于可见光的波长。
进一步地，液晶微滴的大小小于可见光的波长。
进一步地，液晶微滴，由复数个杆状的液晶分子构成，液晶分子具有寻常光折射率为n⊥、异常光折射率n∥、长轴介电常数ε∥与短轴介电常数ε⊥，其中，n⊥与n∥具有n∥>n⊥的关系、且n∥与np具有n∥＝np的关系；ε∥与ε⊥，则具有以下的关系：当f＝fL<fc时，Δε>0；当f＝fH>fc时，Δε<0；当f＝fc时，Δε＝0；其中，f为外部驱动电压V(f)的驱动频率、fL为定向排列频率、fH为均向排列频率、fc为交叉频率、Δε＝ε∥-ε⊥；当f＝fL<fc时，即Δε>0，外部驱动电压所产生的电场旋转液晶分子空间排列的方向，使液晶分子的长轴沿电场的方向排列；当f＝fH>fc时，即Δε<0，外部驱动电压所产生的电场使液晶分子的短轴沿电场的方向排列；当f＝fc时，即Δε＝0，外部驱动电压所产生的电场失去对液晶分子旋转的作用。
进一步地，对于定向排列频率fH，外部驱动电压V(f＝fH)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动液晶分子时，液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，液晶微滴中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥＝nP的关系，DFD-PDLC柱状透镜元件呈现光穿透的特性。
进一步地，对于定向排列频率fL，外部驱动电压V(f＝fL)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动液晶分子时，液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，液晶微滴中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥<nP的关系，DFD-PDLC柱状透镜元件呈现透镜的特性。
本发明为针对上述该公知表面起浮型液晶柱状透镜阵列元件，提出一种更简单的结构，以达到2D与3D影像切换显示的功效。上述该表面起浮型液晶柱状透镜阵列元件，为将液晶分子填入具有ITO电极的平凹透镜，由可电压调变光学折射率的特征，亦即，利用外部电压的控制，以改变液晶分子排列的方向，从而达到该改变液晶分子的折射率，对于具线性极化偏光的入射光，提供光穿透或透镜的作用，最终达到2D与3D影像可切换显示的目的。
于实际制作生产的工艺面上，为于该表面起浮型液晶柱状透镜阵列元件中，对于该下ITO电极层与该平凹面镜的凹面上，需个别装置有配向膜。亦即，通过传统的液晶工序，以完成上述该公知表面起浮型液晶柱状透镜阵列元件的制作。
本发明2D/3D影像可切换显示设备，包括影像显示器与双频驱动PDLC柱状透镜阵列(Dual-Frequency Drove Polymer Dispersed Liquid Crystal Lenticular Device，以下简称DFD-PDLC柱状透镜阵列)。该双频驱动PDLC柱状透镜阵列，由复数个平行排列的双频驱动-PDLC柱状透镜元件构成，其中，每个双频驱动-PDLC柱状透镜元件，其长轴的方向，可以正交或斜交于(垂直或者倾斜于)该影像显示器的屏幕的方式安装在该显示器的屏幕的前面。由外部适当电压的驱动，以改变其光学折射率，可提供该2D影像与该3D影像的显示，达到2D与3D影像可切换显示的目的。
本发明的原理在于根据表面起浮与双频驱动PDLC等两种方法，实现2D与3D影像切换显示。相较于该表面起浮型液晶柱状透镜阵列元件与驱动的方式，本发明更提出一双频驱动PDLC的方法(Method of Dual-Frequency Drove Polymer Dispersed Liquid Crystal，DFD-PDLC)，可以更简单的结构与工序，同样达到透镜功能切换、以及2D与3D影像切换显示的功效。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示出了现有技术中的2D与3D影像切换显示设备的示意图；
图2示意性示出了现有技术中的表面起伏型液晶柱状透镜阵列元件的示意图；
图3示意性示出了现有技术中的偏光启动型液晶柱状透镜阵列元件的示意图；
图4示意性示出了现有技术中的电极启动型液晶柱状透镜阵列元件的示意图；
图5示意性示出了本发明2D与3D影像切换显示设备实施例一构成的示意图；
图6示意性示出了本发明实施例一DFD-PDLC柱状透镜阵列构成的示意图；
图7示意性示出了本发明中的液晶分子构成的示意图；
图8示意性示出了本发明中的液晶分子介电质频率响应的示意图；
图9示意性示出了本发明中的液晶分子定向排列的示意图；
图10示意性示出了本发明中的液晶分子均向排列的示意图；
图11示意性示出了本发明实施例一于2D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图；
图12示意性示出了本发明实施例一于3D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图；
图13示意性示出了本发明实施例二DFD-PDLC柱状透镜阵列构成的示意图；
图14示意性示出了本发明实施例二于2D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图；以及
图15示意性示出了本发明实施例二于3D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
如图5所示，为本发明2D/3D影像可切换显示设备构成的示意图。该2D/3D影像可切换显示设备20，由影像显示器21与双频驱动PDLC柱状透镜阵列(Dual-Frequency Drove PolymerDispersed Liquid Crystal Lenticular Device，以下简称DFD-PDLC柱状透镜阵列)22构成。该双频驱动PDLC柱状透镜阵列，由复数个平行排列的双频驱动-PDLC柱状透镜元件构成。
其中，该影像显示器屏幕21，为可由一般液晶显示器、等离子显示器、OLED显示器与LED显示器构成，上述该显示器屏幕，由具有复数个由R、G、B三原色的次像素(Sub-Pixel)构成，该次像素的排列，则可由垂直条状排列(Vertical Strip Configuration)、马赛克排列(MosaicCofiguration)、三角状排列(Delta Configuration)与Pentile排列(Pentile Configuration)构成，可显示单一视点构成的2D影像(图中未标示)或由多视点所合成的3D影像(图中未标示)。当然，该影像显示器屏幕21亦可由场色序法液晶显示器(Field-Sequential-Color LCD)构成，为一种不需使用彩色滤光片的液晶显示器。利用时序显示红、绿、蓝LED光源构成的子画面，由人眼视觉暂留，在视网膜上通过时间混色的方法呈现全彩的影像。
另外，该DFD-PDLC柱状透镜阵列22，由复数个平行排列的DFD-PDLC柱状透镜元件构成(如后续图6～图12所示)，每个DFD-PDLC柱状透镜元件，其长轴的方向，可以正交或斜交于该影像显示器屏幕21、且以前安装的方式安装在该显示器屏幕21的前面。由外部适当驱动电压V的驱动，以改变其光学折射率，对于该观赏者23，可提供该2D影像与该3D影像的显示，达到2D与3D影像可切换显示的目的。
如图6所示，为本发明实施例一DFD-PDLC柱状透镜阵列构成的示意图。其中，每个DFD-PDLC柱状透镜自上向下由上透明基材22a、上ITO电极层22b、聚合物平凸透镜(Plano-Convex Polymer Lens)22c、PDLC平凹透镜(Plano-Concave Polymer Dispersed LiquidCrystal Lens)22d、下ITO电极层22g与下透明基材22h构成。
其中，该上、下透明基材22a、22h，为可由透明玻璃或PET等材料构成；该上、下ITO电极层22b、22g，为透明的电极层，独立安装在相应的上、下透明基材22a、22h的内侧面上(所谓内侧面，为指靠近PDLC的面)。另外，该上、下ITO电极层22b、22g，与外部驱动电压V(f)连接，通过外部驱动电压V(f)产生电场(图中未标示)。其中，f为该外部驱动电压的驱动频率。
该聚合物平凸透镜22c，由聚合物材料(Polymer)构成，具有光学折射率np，该平凸透镜的凸面，根据应用的不同，为可由球面或圆形面，通过模具压印成型、卷对卷紫外线固化工序(UV-Cured Roll-to-Roll Manufacturing Process)制作出该平凸透镜的光学结构。当该平凸透镜的凸面为球面时，即可对应微透镜数组(Micro-Lens Array)；另外，当该平凸透镜的凸面为圆面时，即对应本发明的DFD-PDLC柱状透镜阵列。
另外，每个PDLC平凹透镜22d，由复数个液晶微滴(LC Droplets)22e与聚合物材料(Polymer)22f构成通过涂布工序填充于该聚合物平凹透镜22d的内部。该复数个液晶微滴22e，均匀分布于该聚合物材料(Polymer)22f的内部，其微滴的大小可大于可见光的波长，或小于可见光的波长。
另外，每个液晶微滴22e，由复数个液晶分子22i构成。如图7所示，每个液晶分子22i，为杆状的结构，令其长轴沿Z轴分布、而短轴沿XY平面分布。该液晶分子22i所具有的光电效应，由入射光的偏振方向、光学折射率n与介电常数ε所决定。
一般，对于入射光与液晶分子的光学作用，为依存于入射光电场偏振方向与液晶分子所具有的双折射特性。当入射光的电场偏振方向(图中未标示)，为平行于该液晶分子22i长轴方向时，该入射光的相位延迟由异常光折射率n∥所决定；当入射光的电场偏振方向，为垂直于该液晶分子22i长轴方向时，该入射光的相位延迟，由寻常光折射率为n⊥所决定。另外，液晶分子为正单轴液晶时，具有n∥>n⊥的关系。
另外，对于液晶分子的电气作用，则依存于驱动电压的振幅、频率与液晶分子所具有的介电质特性。如图8所示，为液晶分子介电常数ε∥、ε⊥与驱动电压频率f响应的示意图。对于具有适当振幅的驱动电压，由改变驱动电压的频率f，可改变液晶分子长轴介电常数ε∥、但不会影响液晶分子短轴介电常数ε⊥。因此对于电气的作用，液晶分子具有以下的关系：
当f＝fL<fc时，Δε>0； (1)
当f＝fH>fc时，Δε<0； (2)
当f＝fc时，Δε＝0； (3)
其中，Δε＝ε∥-ε⊥。
图9所示，为液晶分子定向排列的示意图。当f＝fL<fc时，即Δε>0，该驱动电压所产生的电场，可旋转该液晶分子22i空间排列的方向，使该液晶分子22i的长轴沿电场的方向排列，称fL为定向排列频率(Homeotropic Alignment Frequency)。
当Δε<0时，该驱动电压的作用使该液晶分子22i的短轴，如图10所示，为沿电场的方向排列，称fH为均向排列频率(Homogeneous Alignment Frequency)。
当Δε＝0时，该驱动电压，则失去对该液晶分子22i旋转的作用，称fc为交叉频率(Cross-Over Frequency)。
因此借用上述液晶分子的光电作用，且令该聚合物材料的光学折射率nP与液晶分子的异常光折射率n∥，具有nP＝n∥的关系时，如图6所示，可让本发明DFD-PDLC柱状透镜阵列，达到2D/3D影像可切换显示的目的。
如图11所示，为本发明实施例一于2D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图。外部驱动电压V(f＝fH)具有适当大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动液晶分子时，该液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光21c而言，该液晶微滴22e中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥＝nP的关系，该DFD-PDLC柱状透镜阵列22，为呈现光穿透的特性。因此可呈现显示于该影像显示器21屏幕上的2D影像21a。
如图12所示，为本发明实施例一于3D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图。外部驱动电压V(f＝fL)具有适当大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动液晶分子时，该液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光21c而言，该液晶微滴22e中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥<nP的关系，该DFD-PDLC柱状透镜阵列22，为呈现透镜的特性。因此可呈现显示于该影像显示器21屏幕上的3D影像21b。
实施例二
如图13所示，为本发明实施例二DFD-PDLC柱状透镜阵列构成的示意图。其中，每个DFD-PDLC柱状透镜自上向下由上透明基材22a’、上ITO电极层22b’、聚合物平凹透镜(Plano-Concave Polymer Lens)22c’、PDLC平凸透镜(Plano-Convex Polymer Dispersed LiquidCrystal Lens)22d’、下ITO电极层22g’与下透明基材22h’构成。
其中，该上、下透明基材22a’、22h’，为可由透明玻璃或PET等材料构成；该上、下ITO电极层22b’、22g’，为透明的电极层，个别安装在该上、下透明基材22a’、22h’的内侧面上(所谓内侧面，为指靠近PDLC的面)。另外，该上、下ITO电极层22b’、22g’，与外部驱动电压V(f)连接，通过外部驱动电压V(f)产生电场(图中未标示)。其中，f为该外部电压的驱动频率。
该聚合物平凹透镜22c’，由聚合物材料构成，具有光学折射率np，令nP＝n⊥的关。该平凹透镜的凹面，根据应用的不同，为可由球面或圆形面，通过模具压印成型、卷对卷紫外线固化工序(UV-Cured Roll-to-Roll Manufacturing Process)制作出该平凹透镜的光学结构。当该平凹透镜的凹面为球面时，即可对应微透镜数组(Micro-Lens Array)；另外，当该平凹透镜的凹面为圆面时，即对应本发明的DFD-PDLC柱状透镜阵列。
另外，每个PDLC平凸透镜22d’，由复数个液晶微滴(LC Droplets)22e’与聚合物材料(Polymer)22f’构成，通过涂布工序填充于该聚合物平凸透镜22d’的内部。该复数个液晶微滴22e’，为均匀分布于该聚合物材料(Polymer)22f’的内部，其微滴的大小可大于可见光的波长，或小于可见光的波长。
如图14所示，为本发明实施例二于2D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图。外部驱动电压V(f＝fL)具有适当大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动液晶分子时，该液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光21c而言，该液晶微滴22e’中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥＝nP的关系，该DFD-PDLC柱状透镜阵列22’，为呈现光穿透的特性。因此可呈现显示于该影像显示器21屏幕上的2D影像21a。
如图15所示，为本发明实施例二于3D模式下DFD-PDLC柱状透镜阵列光电作用的示意图。外部驱动电压V(f＝fH)具有适当大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动液晶分子时，该液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光21c而言，该液晶微滴22e’中液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥>nP的关系，该DFD-PDLC柱状透镜阵列22’，为呈现透镜的特性。因此可呈现显示于该影像显示器21屏幕上的3D影像21c。
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 (33)

1.一种2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，包括：
影像显示器，所述影像显示器的屏幕包括复数个R、G、B三原色的次像素，用于显示2D影像和3D影像；以及
DFD-PDLC柱状透镜阵列，包括复数个平行排列的DFD-PDLC柱状透镜元件，每个所述DFD-PDLC柱状透镜元件长轴的方向正交或斜交于所述影像显示器的屏幕，所述DFD-PDLC柱状透镜阵列安装在所述影像显示器的屏幕的前面，由外部驱动电压V(f)驱动改变所述DFD-PDLC柱状透镜元件的光学折射率，在所述影像显示器的屏幕上实现2D与3D影像切换显示，其中，f为所述外部驱动电压的驱动频率。
2.根据权利要求1所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述影像显示器选自液晶显示器、等离子显示器、OLED显示器和LED显示器，所述影像显示器的屏幕的次像素的排列方式选自垂直条状排列、马赛克排列、三角状排列与Pentile排列。
3.根据权利要求1所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，每个所述DFD-PDLC柱状透镜元件自上到下包括上透明基材、上ITO电极层、聚合物平凸透镜、PDLC平凹透镜、下ITO电极层和下透明基材。
4.根据权利要求3所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述上透明基材、所述下透明基材采用的材料是透明玻璃或PET材料。
5.根据权利要求3所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述上ITO电极层和所述下ITO电极层，为透明的电极层，安装在相应的透明基材的内侧面上，与所述外部驱动电压V(f)连接，通过所述外部驱动电压V(f)产生电场。
6.根据权利要求3所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述聚合物平凸透镜，由聚合物材料构成，具有光学折射率np，所述聚合物平凸透镜的凸面为圆弧面，通过模具压印成型与卷对卷紫外线固化工序制作出所述聚合物平凸透镜的光学结构。
7.根据权利要求3所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述PDLC平凹透镜，由复数个液晶微滴与聚合物材料构成，具有光学折射率np，所述复数个液晶微滴均匀分布于所述聚合物材料的内部；所述复数个液晶微滴与所述聚合物材料通过涂布工艺填充于所述PDLC平凹透镜的内部。
8.根据权利要求7所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述液晶微滴的大小大于可见光的波长。
9.根据权利要求7所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述液晶微滴的大小小于可见光的波长。
10.根据权利要求7所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述液晶微滴，由复数个杆状的液晶分子构成，所述液晶分子具有寻常光折射率为n⊥、异常光折射率n∥、长轴介电常数ε∥与短轴介电常数ε⊥，其中，n⊥与n∥具有n∥>n⊥的关系、且n∥与np具有n∥＝np的关系；ε∥与ε⊥，则具有以下的关系：
当f＝fL<fc时，Δε>0；
当f＝fH>fc时，Δε<0；
当f＝fc时，Δε＝0；
其中，f为所述外部驱动电压V(f)的驱动频率、fL为定向排列频率、fH为均向排列频率、fc为交叉频率、Δε＝ε∥-ε⊥；
当f＝fL<fc时，即Δε>0，所述外部驱动电压所产生的电场旋转所述液晶分子空间排列的方向，使所述液晶分子的长轴沿电场的方向排列；当f＝fH>fc时，即Δε<0，所述外部驱动电压所产生的电场使所述液晶分子的短轴沿电场的方向排列；当f＝fc时，即Δε＝0，所述外部驱动电压所产生的电场失去对所述液晶分子旋转的作用。
11.根据权利要求10所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，对于定向排列频率fH，所述外部驱动电压V(f＝fH)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动所述液晶分子时，所述液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，所述液晶微滴中所述液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥＝nP的关系，所述DFD-PDLC柱状透镜元件呈现光穿透的特性。
12.根据权利要求10所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，对于定向排列频率fL，所述外部驱动电压V(f＝fL)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动所述液晶分子时，所述液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，所述液晶微滴中所述液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥<nP的关系，所述DFD-PDLC柱状透镜元件呈现透镜的特性。
13.根据权利要求1所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，每个所述DFD-PDLC柱状透镜元件自上向下包括上透明基材、上ITO电极层、聚合物平凹透镜、PDLC平凸透镜、下ITO电极层与下透明基材。
14.根据权利要求13所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述上透明基材、所述下透明基材采用的材料是透明玻璃或PET材料。
15.根据权利要求13所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述上ITO电极层和所述下ITO电极层，为透明的电极层，安装在相应的透明基材的内侧面上，与所述外部驱动电压V(f)连接，通过所述外部驱动电压V(f)产生电场。
16.根据权利要求13所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述聚合物平凹透镜，由聚合物材料构成，具有光学折射率np，所述聚合物平凹透镜的凹面为圆弧面，通过模具压印成型与卷对卷紫外线固化工序制作出所述聚合物平凹透镜的光学结构。
17.根据权利要求13所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述PDLC平凸透镜，由复数个液晶微滴与聚合物材料构成，具有光学折射率np，所述复数个液晶微滴，为均匀分布于所述聚合物材料的内部；所述复数个液晶微滴与所述聚合物材料通过涂布工序填充于所述PDLC平凸透镜的内部。
18.根据权利要求17所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述液晶微滴的大小大于可见光的波长。
19.根据权利要求17所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述液晶微滴的大小小于可见光的波长。
20.根据权利要求17所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述液晶微滴，由复数个杆状的液晶分子构成，所述液晶分子具有寻常光折射率为n⊥、异常光折射率n∥、长轴介电常数ε∥与短轴介电常数ε⊥，其中，n⊥与n∥具有n∥>n⊥的关系、且n⊥与np具有n⊥＝np的关系；ε∥与ε⊥，则具有以下的关系：
当f＝fL<fc时，Δε>0；
当f＝fH>fc时，Δε<0；
当f＝fc时，Δε＝0；
其中，f为所述外部驱动电压V(f)的驱动频率、fL为定向排列频率、fH为均向排列频率、fc为交叉频率、Δε＝ε∥-ε⊥；
当f＝fL<fc时，即Δε>0，所述外部驱动电压所产生的电场，可旋转所述液晶分子空间排列的方向，使所述液晶分子的长轴沿电场的方向排列；当f＝fH>fc时，即Δε<0，所述外部驱动电压所产生的电场使所述液晶分子的短轴沿电场的方向排列；当f＝fc时，即Δε＝0，所述外部驱动电压所产生的电场失去对所述液晶分子旋转的作用。
21.根据权利要求20所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，对于定向排列频率fL，所述外部驱动电压V(f＝fL)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动所述液晶分子时，所述液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，所述液晶微滴中所述液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥＝nP的关系，所述DFD-PDLC柱状透镜元件呈现光穿透的特性。
22.根据权利要求20所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，对于定向排列频率fH，所述外部驱动电压V(f＝fH)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动所述液晶分子时，所述液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，所述液晶微滴中所述液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥>nP的关系，所述DFD-PDLC柱状透镜元件呈现透镜的特性。
23.根据权利要求1所述的2D与3D影像切换显示设备，其特征在于，所述影像显示器为场色序法液晶显示器。
24.一种DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述DFD-PDLC柱状透镜元件自上到下包括上透明基材、上ITO电极层、聚合物平凸透镜、PDLC平凹透镜、下ITO电极层和下透明基材；所述DFD-PDLC柱状透镜元件由外部驱动电压V(f)驱动改变所述DFD-PDLC柱状透镜元件的光学折射率，其中，f为所述外部驱动电压的驱动频率。
25.根据权利要求24所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述上透明基材、所述下透明基材采用的材料是透明玻璃或PET材料。
26.根据权利要求24所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述上ITO电极层和所述下ITO电极层，为透明的电极层，安装在相应的透明基材的内侧面上，与所述外部驱动电压V(f)连接，通过所述外部驱动电压V(f)产生电场。
27.根据权利要求24所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述聚合物平凸透镜，由聚合物材料构成，具有光学折射率np，所述聚合物平凸透镜的凸面为圆弧面，通过模具压印成型与卷对卷紫外线固化工序制作出所述聚合物平凸透镜的光学结构。
28.根据权利要求24所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述PDLC平凹透镜，由复数个液晶微滴与聚合物材料构成，具有光学折射率np，所述复数个液晶微滴，均匀分布于所述聚合物材料的内部；所述复数个液晶微滴与所述聚合物材料通过涂布工艺填充于所述PDLC平凹透镜的内部。
29.根据权利要求28所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述液晶微滴的大小大于可见光的波长。
30.根据权利要求28所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述液晶微滴的大小小于可见光的波长。
31.根据权利要求28所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，所述液晶微滴，由复数个杆状的液晶分子构成，所述液晶分子具有寻常光折射率为n⊥、异常光折射率n∥、长轴介电常数ε∥与短轴介电常数ε⊥，其中，n⊥与n∥具有n∥>n⊥的关系、且n∥与np具有n∥＝np的关系；ε∥与ε⊥，则具有以下的关系：
当f＝fL<fc时，Δε>0；
当f＝fH>fc时，Δε<0；
当f＝fc时，Δε＝0；
其中，f为所述外部驱动电压V(f)的驱动频率、fL为定向排列频率、fH为均向排列频率、fc为交叉频率、Δε＝ε∥-ε⊥；
当f＝fL<fc时，即Δε>0，所述外部驱动电压所产生的电场旋转所述液晶分子空间排列的方向，使所述液晶分子的长轴沿电场的方向排列；当f＝fH>fc时，即Δε<0，所述外部驱动电压所产生的电场使所述液晶分子的短轴沿电场的方向排列；当f＝fc时，即Δε＝0，所述外部驱动电压所产生的电场失去对所述液晶分子旋转的作用。
32.根据权利要求31所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，对于定向排列频率fH，所述外部驱动电压V(f＝fH)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fH来驱动所述液晶分子时，所述液晶分子的长轴沿Z轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，所述液晶微滴中所述液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n∥＝nP的关系，所述DFD-PDLC柱状透镜元件呈现光穿透的特性。
33.根据权利要求31所述的DFD-PDLC柱状透镜元件，其特征在于，对于定向排列频率fL，所述外部驱动电压V(f＝fL)具有预定大小的振幅、且以频率f＝fL来驱动所述液晶分子时，所述液晶分子的长轴沿Y轴方向排列，对于具Z轴方向偏极化的入射光，所述液晶微滴中所述液晶分子的有效光学折射率具有neff＝n⊥<nP的关系，所述DFD-PDLC柱状透镜元件呈现透镜的特性。
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