CN106371205A - 一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，包括柔性基板、柔性纳米金属线电极、柔性间隙物、柔性高阻抗膜层、驱动阵列及液晶，所述的柔性间隙物间具有容纳空腔，所述的液晶设置在柔性间隙物中，在柔性间隙物的上表面与下表面均设置有柔性纳米金属线电极，在柔性纳米金属线电极外还设置有柔性基板，所述的柔性高阻抗膜层设置在柔性间隙物与柔性纳米金属线电极之间，所述驱动阵列为液晶提供工作电压。通过传统的刚性液晶透镜阵列转变成柔性阵列，可以对阵列进行弯曲，可以增大视场和提高沉浸感、减少光学修正、降低硬件负担。一方面使用柔性纳米金属线电极作为电极，能够提供更好的电极挠曲性的同时保证导电性，另一方面使用了柔性高阻抗膜层，能够提高液晶透镜成像的品质。
Description
技术领域
本发明涉及液晶透镜阵列领域，特别涉及一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列。
背景技术
目前，随着近眼显示的发展，在增强现实、虚拟现实以及混合现实领域，人们对视觉质量的要求越来越高，近眼3D显示成为研究的热点。而在这些领域的研究中，主要的研究焦点在于显示设备的研究。
传统的近眼3D显示设备为双眼式结构，其需要双眼接受不同的图像，由于目标成像距离不等于屏幕实际距离，存在聚焦-视差冲突，容易使人感觉晕眩等不适。
而在目前，随着积分成像的理论与技术的不断发展，积分成像技术逐渐成为AR、VR和MR等近眼显示技术中的宠儿。积分成像是利用在显示设备中显示出实际场景中光的影像，使用者在使用过程中无需根据预先设定好的三维固定视角的光景，可以通过自身兴趣如真实场景中对感兴趣的物件进行眼球对焦，获得真实的场景感。而在积分成像技术中的关键，就是透镜阵列的制造技术是否达到品质的要求。现有的技术中，液晶透镜阵列在解决这一关键要求上具有广阔的前景，因为与普通的微透镜阵列相比，液晶透镜可以通过加载电压自由地进行2D/3D的切换，通过在局部形成3D画面，实现AR的裸眼3D显示。但是，作为现有液晶透镜阵列的缺点为，现有的液晶透镜阵列均为刚性的阵列，阵列不允许弯曲，所以光在经过透镜进入眼球这一过程中，需要在透镜上进行大量的光学修正，才能满足在眼球中的显示质量的要求，但这样会大大增加设备的硬件负担，设备体积巨大不方便，且需要对光学修正进行设计，会提高整体的设计难度，并且在用户的体验上会感觉沉浸度不高，影响使用效果。
发明内容
本发明要解决的问题是，现有的刚性液晶透镜阵列中需要进行大量的光学修正，并且因进行光学修正造成设备较大，但视场小，沉浸性差的问题。
1.为了解决上述问题，本发明提供一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，包括柔性基板、柔性纳米金属线电极、柔性间隙物、柔性高阻抗膜层、及液晶层所述的柔性间隙物设置在液晶层中，在液晶层的上表面与下表面均设置有柔性纳米金属线电极，在柔性纳米金属线电极外还设置有柔性基板，所述的柔性高阻抗膜层设置在柔性间隙物与柔性纳米金属线电极之间。将整个液晶透镜阵列都采用柔性材料进行结合，柔性基板起到一个表面支撑并保护的作用，所以设置在上下表面的外层，而在其内层是柔性纳米金属线电极，通过柔性纳米金属线电极的渐变电压的作用能够驱动液晶进行工作，在两块柔性纳米金属线电极之间夹有柔性间隙物，柔性间隙物一方面是作为容纳液晶的腔体进行使用，更重要的是，在整体液晶透镜阵列进行弯曲的过程中，作为整体结构的支撑作用，因为柔性间隙物与上下结构之间为粘连关系，在液晶透镜阵列弯曲的过程中，通过粘连的关系限制弯曲使得两柔性基板之间的距离保持相同，避免了因弯曲造成的拉伸使得两柔性基板内的距离不相同，导致内部结构的塌陷或者变形，保证了内部液晶结构在弯曲过程中的正常工作环境。柔性纳米金属线电极一方面在整体设备弯曲的过程中能够保持良好的导电性，不会因弯曲而断裂，另一方面，采用纳米金属线电极导电可以保证为每一液晶单元供电。采用柔性高阻抗膜层，能够使得电场能够使用更小的电功率将电场分布到图案区域的中心，而传统的方式是增加电压，这会使得驱动效率低，能源使用效果差；并且增设柔性高阻抗膜层，使得电场电压曲线更加平滑，有利于液晶透镜高质量进行工作。驱动阵列能够为液晶加载电压，使得液晶透镜能够根据需要而调节，以达到2D/3D的切换。
柔性纳米金属线电极至少有一个进行图案化处理。通过对柔性纳米金属电极进行图案化处理，能够形成电场的梯度分布，控制液晶偏转，产生透镜效果。
图案化处理的图案可以为三角形、矩形、六边形或圆形中的一种或几种。在不同的场景中，不同的图案所产生的效果不尽相同。
图案化处理为取向型图案化处理。取向型图案化即是在柔性纳米电极上进行图案化处理的图案之间的间距远小于图案的直径，因为在图案化处理的位置是空白的，导电区域只有在未进行图案处理的区域。将图案之间的间距控制在纳米金属线的长度的二分之一到三分之一之间，纳米金属线在更小的空间中排布，能够形成取向的效果，相同数量的纳米金属线能够产生更多的有效导电路径，即在需要同等条件下的导电效果，可以使用更少的纳米金属线，提高了柔性纳米电极的透光性。
柔性纳米金属线电极包括纳米金属线和基板，所述的纳米金属线排列在基板上。纳米金属线能够起到常规的导电作用，而基板则是起到在弯曲过程中保护纳米金属银线的，因为基板是可以弯曲的，在基底进行弯曲时能够带动纳米金属线进行弯曲，为整体柔性液晶透镜阵列在弯曲的过程中仍然保证正常的供电提供保障。
柔性纳米金属线电极还包括基质，所述的基质设置在基板上。基质为胶状的物质，一方面能够粘合在基板上，并且粘合排列在基板上纳米金属线，起到一个固定纳米金属线的作用，另一方面在整体进行弯曲的过程中，基质会随着整体的弯曲变形，以此保证纳米金属线在弯曲的过程中相对位置不会发生变化，提高了导电效果。
基质材料为聚氨酯、丙烯酸酯类树脂、硅酮、聚硅烷、聚氯乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、氟聚合物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚降冰片烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇，改性淀粉，改性纤维素，壳聚糖，淀粉，纤维素，植物胶，聚丙烯酰胺或聚乙烯吡咯酮中的一种或几种。采用这几种材料能够起到更好的保护以及粘合效果。
柔性纳米金属线电极的纳米金属线的材料为银、金、铁、镍、钛中的一种或几种。采用这几种金属作为金属线材料，能够有效保证导电效果。
柔性纳米金属线电极的基板材料为玻璃、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚烯烃、含氟聚合物、聚酰胺、有机硅树脂、聚醚酮、聚醚酮酮、聚降冰片烯、聚酯，聚苯乙烯或三醋酸纤维素中的一种或几种。采用这几种材料作为基底材料，一方面能够保证透光性的要求，另一方面，也能达到柔性的效果，既保证了柔性要求，也能够有效对纳米金属线进行固定。
柔性间隙物为柔性微柱，所述的柔性微柱设置在柔性纳米金属线电极进行图案化处理后所对应的图案中心或非图案区，所述的柔性微柱的宽度小于或等于100 um。微柱作为柔性间隙物，微柱之间与上下结构形成了容纳液晶的空间，并且微柱与其上下结构相互粘连，能够起到在整体结构弯曲的同时，保证内部的间距相同，即使得内部结构不因整体的弯曲而造成破坏。
所述的柔性间隙物为聚合物墙，所述的聚合物墙墙体相互连接。聚合物墙为墙壁连接的结构，其内部形成多个中空的结构，在中空的内部设置有液晶，因为中空的结构是相对独立的，能够减少液晶在正常工作时的流动作用，增强整体的成像效果，另外采用腔体相互连接的结构，能够为弯曲过程中提供更加稳健的支柱结构，以保证内部空间的稳定性。
聚合物墙单体材料为二丙烯酸二甘醇酯、二丙烯酸三甘醇酯、二丙烯酸四甘醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯、二甲基丙烯酸聚乙二醇酯、乙氧基化双酚A 二丙烯酸酯、乙氧基化双酚A二甲基丙烯酸酯、氨基甲酸酯二丙烯酸酯、甲基丙烯酸 β 羟乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸乙酯、2-（2-乙氧基乙氧基）乙基丙烯酸酯、丙烯酸-3，5，5-三甲基已酯中的一种或几种。
柔性间隙物为柔性微杯，所述的柔性微杯柔性微杯杯口形状为多边形。柔性间隙物也可以是微杯这种结构，微杯杯内容纳着液晶，使得液晶在工作时不易随意流动，并且采用微杯结构，能够减少液晶封装的工艺步骤，杯口的形状可以是各类的多边形，因为形状可以不同，可以使用随机排列微杯杯口的形状。微杯采用多变性结构的随机排列，能够减少因规则排列而产生莫尔条纹，影响使用体验。
柔性微杯杯壁相互连接。将杯壁相互连接，包括杯底也是相互连接，能够在整体进行弯曲的过程中，提供更加稳健的支撑作用，保证内部空间大小的不变。
柔性高阻抗膜层材料为硅氧化物、硅氮化物、硅碳化物、铝氧化物或透明高分子材料中的一种或几种。采用这几种材料能够更好得将电场进行分布。
柔性高阻抗膜层的方块电阻值范围在103-107Ω/sq。若方块电阻值太低，图案区域中心的电场和图案区域边缘的电场会很相似，电压渐变差距小，导致液晶渐变差距小，导致折射率渐变差距小，透镜效果小；若方块电阻值太高柔性高阻抗膜层则为缘体了。此时仍旧可以产生渐变电场，但由于电压透过绝缘体作用到液晶，需要更大的驱动电压，会提高功耗，降低能源利用率。
液晶为蓝相液晶、聚合物液晶、胆甾相液晶、光活性反应型液晶中的一种或几种。
柔性纳米金属线电极与柔性间隙物间设置有配向层，所述的液晶为向列型液晶。配向层的增设是因为液晶为向列型液晶时必须要增加的结构，才能够使得向列型液晶正常工作。
本发明具有以下优点：
1.将传统的刚性液晶透镜阵列转变成柔性阵列，可以对其进行弯曲，可以增大视场和提高沉浸感、减少光学修正、降低硬件负担。
2.通过柔性间隙物的对整体结构的支撑，保证在弯曲过程中内部结构不受影响，提供了一个稳定的内部工作环境。
采用柔性高阻抗膜层，可以在电极间形成平滑且渐变之电位分布，提高电场驱动效率，使弯曲的液晶透镜可保持相同的电场分布，增强电使用效率，提高了成像品质。
采用柔性纳米金属线电极作为电极，能够在整体设备弯曲的情况下保证导电性，克服传统刚性阵列的不能弯曲的缺点。
附图说明
图1为本发明一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列的实施例1结构图。
图2为本发明一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列的实施例2结构图。
图3为本发明一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列的实施例3结构图。
附图说明：1为柔性基板，2为图案化的纳米金属线电极，3为柔性高阻抗膜层，4为配向层，5为液晶层，6为柔性间隙物，7为绝缘层，8为保护层，9为半导体层，10为补偿电容，11为栅极电极，12为中央控制电机，13为边缘控制电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的有点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。
实施例1
柔性液晶透镜阵列，其结构从上而下分别包括柔性基板1、图形化的柔性纳米金属线透明电极2、柔性高阻抗膜层3、配向层4、液晶层5以及柔性间隙物6、配向层4、柔性纳米金属线透明电极、柔性基板1。在上下基板间施加1kHz、2 Vrms的方波，图案化电极可以产生渐变的电场分布，液晶层5液晶分子沿电场方向转向分布，呈现有透镜效果。高阻抗层使电场能够分布在图案化电极区域，上下基板和液晶层5等效于电容结构。通过同时调节两电极之电位差和频率，将影响液晶透镜形状，也就是液晶透镜曲率或使光线偏折能力，逐渐提高上下电压施加的电压与频率，可以增加液晶透镜的屈光度。
实施例2：
柔性液晶透镜阵列，其结构从上而下分别包括保护层8、图形化的柔性纳米金属线透明电极2、柔性基板1、配向层4、液晶层5以及柔性间隙物6、配向层4、柔性纳米金属线透明电极、柔性基板1。在上下基板间施加1kHz、30 Vrms的方波，图案化电极可以产生渐变的电场分布，液晶层5液晶分子沿电场方向转向分布，呈现有透镜效果。调节上下电压施加的电压，可以改变液晶透镜曲率。
实施例3：
柔性液晶透镜阵列，其结构从上而下分别包括柔性基板1、柔性栅极控制电极阵列、透明绝缘层7或透明保护层8、柔性液晶控制电极阵列（液晶控制电极包含边缘控制电极13与中央控制电极12）、透明半导体层9、透明绝缘层7或透明保护层8、配向层4、液晶层5以及柔性间隙物6、配向层4、柔性纳米金属线透明电极、柔性基板1，补偿电容10。
此液晶透镜阵列组件之栅极控制电极包含栅极电极11与栅极导线，每条栅极导线连接多个栅极电极11并延伸之阵列之外或基板边缘，使栅极电极11与驱动电路得以连接，可使驱动电路施加电压至各栅极电极11，栅极电极11将可控制下方之透明半导体层9之等效导电率，可控制流过半导体层9之电流大小。此液晶透镜阵列组件之液晶控制电极包含边缘控制电极13与中央控制电极12，边缘控制电极13延伸之阵列之外或基板边缘并与驱动电路链接，中央控制电极12为浮接(float)，未与任何驱动电路链接，边缘控制电极13与中央控制电极12之间连结着透明半导体层9，藉由栅极电极11来调高两电极间之半导体层9等效导电率，边缘控制电极13将可对各条中央控制电极12快速地充放电，充电还是放电决定于边缘控制电极13与中央控制电极12电位相对高低，最后边缘控制电极13与中央控制电极12会达成等电位，此时，再藉由栅极电极11调低两电极间之半导体层9等效导电率，使中央控制电极12电位不易被两旁之边缘控制电极13电位影响，可使中央控制电极12电位得以保存。中央控制电极12电位与边缘控制电极13电位相对高低影响下方液晶层5之液晶分子转向分布，并影响下方液晶层5是否形成透镜之效果，当中央控制电极12电位与边缘控制电极13电位相等，液晶层5液晶分子转向分布呈现无透镜效果，当中央控制电极12电位与边缘控制电极13有电位差，液晶层5液晶分子转向分布呈现有透镜效果，此两电极之电位差将影响液晶透镜形状，也就是液晶透镜曲率或使光线偏折能力。从而实现局部控制液晶透镜单元，可以应用于AR/VR/MR等近眼显示的裸眼3D显示装置中。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (19)
1.一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，包括柔性基板、柔性纳米金属线电极、柔性间隙物、柔性高阻抗膜层、及液晶层所述的柔性间隙物设置在液晶层中，在液晶层的上表面与下表面均设置有柔性纳米金属线电极，在柔性纳米金属线电极外还设置有柔性基板，所述的柔性高阻抗膜层设置在柔性间隙物与柔性纳米金属线电极之间。
2.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性纳米金属线电极至少有一个进行图案化处理。
3.根据权利要求2所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的图案化处理的图案可以为三角形、矩形、六边形或圆形中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的图案化处理为取向型图案化处理。
5.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性纳米金属线电极包括纳米金属线和基板，所述的纳米金属线排列在基板上。
6.根据权利要求5所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的纳米金属线的材料为银、金、铁、镍、钛中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性纳米金属线电极的基板材料为玻璃、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚烯烃、含氟聚合物、聚酰胺、有机硅树脂、聚醚酮、聚醚酮酮、聚降冰片烯、聚酯，聚苯乙烯或三醋酸纤维素中的一种或几种。
8.根据权利要求5所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性纳米金属线电极还包括基质，所述的基质设置在基板上。
9.根据权利要求8所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的基质材料为聚氨酯、丙烯酸酯类树脂、硅酮、聚硅烷、聚氯乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、氟聚合物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚降冰片烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇，改性淀粉，改性纤维素，壳聚糖，淀粉，纤维素，植物胶，聚丙烯酰胺或聚乙烯吡咯酮中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性间隙物为柔性微柱，所述的柔性微柱设置在柔性纳米金属线电极进行图案化处理后所对应的图案中心或非图案区，所述的柔性微柱的宽度小于或等于100 um。
11.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性间隙物为聚合物墙，所述的聚合物墙墙体相互连接。
12.根据权利要求11所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的聚合物墙单体为二丙烯酸二甘醇酯、二丙烯酸三甘醇酯、二丙烯酸四甘醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯、二甲基丙烯酸聚乙二醇酯、乙氧基化双酚A 二丙烯酸酯、乙氧基化双酚A二甲基丙烯酸酯、氨基甲酸酯二丙烯酸酯、甲基丙烯酸 β 羟乙酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸乙酯、2-（2-乙氧基乙氧基）乙基丙烯酸酯、丙烯酸-3，5，5-三甲基已酯中的一种或几种。
13.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性间隙物为柔性微杯，所述的柔性微杯杯口形状为多边形。
14.根据权利要求13所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性微杯杯壁相互连接。
15.根据权利要求1所述的一种可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性高阻抗膜层材料为硅氧化物、硅氮化物、硅碳化物、铝氧化物或透明高分子材料中的一种或几种。
16.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的柔性高阻抗膜层的方块电阻值范围在103-107Ω/sq。
17.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，所述的液晶为蓝相液晶、聚合物液晶、胆甾相液晶、光活性反应型液晶中的一种或几种。
18.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，在柔性纳米金属线电极与柔性间隙物之间设置有配向层，所述的液晶为向列型液晶。
19.根据权利要求1所述的可应用于近眼显示的柔性液晶透镜阵列，其特征在于，还包括驱动阵列，所述的驱动阵列驱动柔性液晶透镜阵列工作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170201 |