CN110737145B - 可变焦透镜和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变焦透镜和显示装置，涉及显示技术领域，包括液晶透镜和光学透镜，液晶透镜包括相对设置的第一基板和第二基板、液晶层，液晶层包括若干液晶分子；光学透镜位于第一基板远离第二基板的一侧；第一基板包括依次设置的第一衬底、第一电极层和第一配向层，第二基板包括依次设置的第二衬底、第二电极层和第二配向层，第一配向层和第二配向层分别位于液晶层靠近第一衬底和第二衬底的一侧；第一电极层包括一通孔区，通孔区的中心点与第二电极层的中心点在垂直于第二基板的方向上重合；给第一电极层和第二电极层施加电压，控制液晶分子发生偏转。通过液晶透镜和光学透镜的结合实现摄像头的可变焦功能，有利于提高前置摄像头的摄像效果。

Description

可变焦透镜和显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，更具体地，涉及一种可变焦透镜和显示装置。
背景技术
目前，现有技术中全面屏前置摄像头具有两种常见的设计方式，一种采用挖孔方式将屏幕挖开，以用于摄像头的摆放；另一种采用不挖孔，事先在屏幕下方预留放置摄像头的位置，用于在其下方安置摄像头。针对现有技术安装摄像头的方式，通常摄像头单独置于屏幕下方，由于穿透问题难以实现良好的摄像效果，并且摄像头通常由固定的光学玻璃透镜组成，无法实现定向调焦功能；因此，亟待设计一种具有变焦功能的前置摄像头，以提升前置摄像头的摄像效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可变焦透镜和显示装置，通过结合液晶透镜和光学透镜来组成可变焦透镜，进而通过对液晶透镜上下两侧的第一电极层和第二电极层施加电压，控制液晶分子的偏转，来改变液晶透镜的折射率；在液晶透镜的一侧设置光学透镜能够进一步调节可变焦透镜的焦距，有利于实现前置摄像的可变焦功能，且有利于提高前置摄像头的摄像效果。
第一方面，本申请提供一种可变焦透镜，包括液晶透镜和光学透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一基板和第二基板以及填充于所述第一基板和第二基板之间的液晶层，所述液晶层包括若干液晶分子；所述光学透镜位于所述第一基板远离所述第二基板的一侧；
所述第一基板包括第一衬底、第一电极层和第一配向层，所述第一电极层位于所述第一衬底和所述第一配向层之间，所述第一配向层位于所述第一衬底朝向所述第二基板的一侧；
所述第二基板包括第二衬底、第二电极层和第二配向层，所述第二电极层位于所述第二衬底和所述第二配向层之间，所述第二配向层位于所述第二衬底朝向所述第一基板的一侧；
所述第一电极层包括一个通孔区，所述通孔区的中心点与所述第二电极层的中心点在垂直于所述第二基板的方向上重合；给所述第一电极层和所述第二电极层施加电压，控制所述液晶分子发生偏转。
第二方面，本申请提供一种显示装置，所述显示装置包括可变焦透镜。
与现有技术相比，本发明提供的一种可变焦透镜和显示装置，至少实现了如下的有益效果：
本申请通过液晶透镜和光学透镜的组合来形成可变焦透镜，液晶透镜通过相对设置的第一基板和第二基板以及填充于第一基板和第二基板之间的液晶层形成，液晶层中包含若干液晶分子，通过对第一基板和第二基板中的第一电极层和第二电极层施加电压，控制液晶分子发生偏转，形成梯度式折射率；电压强度的不同，会改变液晶透镜内的折射率梯度，从而改变液晶透镜的聚焦长度，结合液晶透镜一侧设置的光学透镜能够进一步调节可变焦透镜的焦距，且能够降低可变焦透镜的整体厚度，有利于实现前置摄像的可变焦距调节功能，有利于提高前置摄像头的摄像效果，且有利于显示装置的薄形化设计。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种结构示意图；
图2所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种液晶分子偏转示意图；
图3所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种液晶层结构示意图；
图4所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种液晶分子在电场中的偏转示意图；
图5所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种焦距示意图；
图6所示为本申请实施例提供的显示装置的一种示意图；
图7所示为本申请实施例提供的图6的一种AA’截面图；
图8所示为本申请实施例提供的显示装置的摄像头容置区的一种俯视图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
目前，现有技术中全面屏前置摄像头具有两种常见的设计方式，一种采用挖孔方式将屏幕挖开，以用于摄像头的摆放；另一种采用不挖孔，事先在屏幕下方预留放置摄像头的位置，用于在其下方安置摄像头。针对现有技术安装摄像头的方式，通常摄像头单独置于屏幕下方，由于穿透问题难以实现良好的摄像效果，并且摄像头通常由固定的光学玻璃透镜组成，无法实现定向调焦功能；因此，亟待设计一种具有变焦功能的前置摄像头，以提升前置摄像头的摄像效果。
有鉴于此，本发明提供了一种可变焦透镜和显示装置，通过结合液晶透镜和光学透镜来组成可变焦透镜，进而通过对液晶透镜上下两侧的第一电极层和第二电极层施加电压，控制液晶分子的偏转，来改变液晶透镜的折射率；在液晶透镜的一侧设置光学透镜能够进一步调节可变焦透镜的焦距，有利于实现前置摄像的可变焦功能，且有利于提高前置摄像头的摄像效果。
图1所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种结构示意图，图2所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种液晶分子偏转示意图，请参照图1和图2，本发明提供了一种可变焦透镜100，包括液晶透镜10和光学透镜20，液晶透镜10包括相对设置的第一基板30和第二基板40以及填充于第一基板30和第二基板40之间的液晶层50，液晶层50包括若干液晶分子501；光学透镜20位于第一基板30远离第二基板40的一侧；
第一基板30包括第一衬底301、第一电极层302和第一配向层303，第一电极层302位于第一衬底301和第一配向层303之间，第一配向层303位于第一衬底301朝向第二基板40的一侧；
第二基板40包括第二衬底401、第二电极层402和第二配向层403，第二电极层402位于第二衬底401和第二配向层403之间，第二配向层403位于第二衬底401朝向第一基板30的一侧；
第一电极层302包括一个通孔区304，通孔区304的中心点与第二电极层402的中心点在垂直于第二基板40的方向上重合；给第一电极层302和第二电极层402施加电压，控制液晶分子501发生偏转。
具体地，本申请提供了一种具有变焦功能的可变焦透镜100，此可变焦透镜100包括液晶透镜10和光学透镜20，光学透镜20即为摄像头通常使用的光学玻璃透镜，具有一定的焦距，且不具有调焦功能；液晶透镜10包括相对设置的第一基板30、第二基板40和液晶层50，液晶层50填充于第一基板30和第二基板40之间，液晶层50中包括多个液晶分子501。第一基板30还包括依次排列的第一衬底301、第一电极层302和第一配向层303，第一配向层303位于第一衬底301朝向第二基板40的一侧；第二基板40包括依次排列的第二衬底401、第二电极层402和第二配向层403，第二配向层403位于第二衬底401朝向第一基板30的一侧；即第一配向层303和第二配向层403分别位于液晶层50靠近第一基板30和第二基板40的两侧，且与液晶层50的表面直接接触。上述光学透镜20具体位于液晶透镜10的第一基板30远离第二基板40的一侧设置。
本申请液晶透镜10的第一电极层302包括有一个通孔区304，此通孔区304的中心点与第二电极层402的中心点在垂直于第二基板40的方向上是重合的，即第一电极层302的通孔区304在第二电极层402上的正投影位于第二电极层402的中心区域；液晶层50中的液晶分子501为向列型液晶，当给液晶层50上下两侧的第一电极层302和第二电极层402施加电压时，液晶层50中的液晶分子501会依照局部电场强度的变化发生相应的旋转，形成梯度式折射率，如图2所示；即液晶分子501受到的电场强度的不同会改变液晶透镜10的折射率梯度，从而改变液晶透镜10的聚焦长度，即可形成不同光学功率的焦距可调式透镜。有利于实现可变焦式摄像头的制作，实现前置摄像的可变焦功能，且有利于提高前置摄像头的摄像功能和摄像效果。另外，上述第一配向层303和第二配向层403可用于在第一电极层302和第二电极层402不施加电压时将发生了偏转的液晶分子501恢复到初始状态，即将图2所示发生偏转的液晶分子501恢复到图1所示的状态，为下一次向两个电极层施加电压使液晶分子501发生偏转的工作做准备。
需要说明的是，图1和图2仅仅是示例性地画出了几个液晶分子501，实际液晶层50中的液晶分子501的数量非常多，本申请的图示并不用于限定液晶层50液晶分子501的个数。
图3所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种液晶层结构示意图，图4所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种液晶分子在电场中的偏转示意图，图5所示为本申请实施例提供的可变焦透镜的一种焦距示意图，请参照图1-图5，可选地，液晶分子501的偏转角度为θ；当θ＝0°时，液晶分子501的折射率为ne；当θ＝90°时，液晶分子501的折射率为no；
液晶透镜10的焦距为f1：
Figure BDA0002253014290000061
其中R为第一电极层302的半径，1mm≤R≤2mm；d为液晶层50在垂直于第二基板40的方向上的厚度。
具体地，一般的光学透镜20即玻璃透镜主要是利用厚度差异形成光程差的，而本申请所述的液晶透镜10并不是如此，本申请中的液晶透镜10是利用液晶层50中的液晶分子501指向矢在空间中的分布，以及液晶双折射性的等效折射率差异形成光程差。本申请以液晶分子501a作为参照，即液晶分子501a为未发生偏转的初始状态，假设液晶分子501的偏转角度为θ，也即液晶分子501a的偏转角度即为θ＝0°，当θ＝0°时，我们设定液晶分子501的折射率为ne；当θ＝90°时，我们设定液晶分子501的折射率为no；则形成光程差的液晶等效折射率neff可计算为
Figure BDA0002253014290000062
请参照图3-图4，需要说明的是，液晶分子501在施加有电压的第一电极层302和第二电极层402之间的电场中发生偏转时，θ可看为发生偏转的液晶分子501b相对于初始状态的液晶分子501a所偏转的角度数。另外，图4仅是示例性描绘了一种电场强度方向502，本申请并不限定第一电极层302的第二电极层402的极性，只要能够使得液晶分子501的偏转产生聚焦效果即可；且由于第一电极层302具有通孔区304，因此第一电极层302和第二电极层402之间的电场强度大小和方向会略有不同，正因如此，才会使得液晶分子501发生偏转后具有聚焦功能。
本申请液晶透镜10的焦距f1的计算公式为：
Figure BDA0002253014290000063
其中R为第一电极层302的半径，1mm≤R≤2mm；d为液晶层50在垂直于第二基板40的方向上的厚度。需要说明的是，本申请所提供的第一电极层302的半径R仅是一种优选的实施例，R的大小可以根据使用可变焦透镜100的显示装置200的摄像头大小进行调整。
另外，当控制电场使得第一电极层302和第二电极层402的电极中心与边缘位置的液晶分子501的等效折射率neff差值最大时，液晶透镜10的焦距可达到最小，上述液晶透镜10的焦距f1即为液晶透镜10的最小焦距。
此处提供一具有数据支撑的实施例，假设R为目前圆孔LCD(液晶显示器；LiquidCrystal Display)产品常用半径2mm，d为业内LCD常用3um，假设液晶ne-no≈0.1，则可计算出最小焦距约为6m。因此其对于实际应用来说，最小焦距过大；增加透镜的盒厚可有效减小最小焦距(盒厚18um时，最小焦距可实现1m)。
为了既能够实现小距离焦距又能够避免盒厚过大，本申请提出了液晶透镜10和光学透镜20组合的可变焦透镜100，由于液晶透镜10效果相当于光学凸透镜，则可在液晶透镜10的表面再行制作一个光学透镜20；可选地，光学透镜20为凸面镜，本申请可变焦透镜100中位于液晶透镜10一侧的光学透镜20需选用具有聚焦功能的凸面镜，如图1所示，光学透镜20靠近液晶透镜10一侧的表面可为水平面，便于和液晶透镜10进行紧密粘接，而光学透镜20远离液晶透镜10的一侧必须为凸面，以保证光学透镜20的聚焦性能。
请参照图5，可选地，光学透镜20的焦距为f2：
Figure BDA0002253014290000071
其中，r为光学透镜20的曲率半径，n为光学透镜20的折射率。
具体地，假设本申请可变焦透镜100中光学透镜20的曲率半径为r，光学透镜20的折射率为n，光学透镜20的焦距计算公式为：f2＝r1*r2/(n-1)(r2-r1)；其中，n为折射率，r1为物方的凸面半径，r2为像方的凸面半径。凸面半径r1值为正，凹面半径r2值为负；对于薄透镜，r1＝－r2，则焦距f2的计算方法可简化为：
Figure BDA0002253014290000072
请参照图5，可选地，可变焦透镜100的焦距为F：
Figure BDA0002253014290000073
其中，D为光学透镜20靠近液晶层50的一侧面和液晶层50远离光学透镜20的一侧面之间的间距。
具体地，可变焦透镜100的焦距F根据液晶透镜10的焦距f1结合光学透镜20的焦距f2进行计算，可变焦透镜100的焦距
Figure BDA0002253014290000074
图5示出的F’为在仅有液晶透镜10而没有设置光学透镜20时的可变焦透镜的焦距，显然，本申请所提出的液晶透镜10和光学透镜20结合设置而成的可变焦透镜100能够进一步减小焦距，有利于提高使用此可变焦透镜100的显示装置摄像头的摄像效果。
此处提供一具有数据支撑的实施例，假设采用n＝1.5，且光学透镜20做成n为1000mm，则可变焦透镜100的最小焦距可由6m降至1m以下，实现了对于摄像头焦距的改变，有利于实现前置摄像的可变焦距调节功能，且有利于提高前置摄像头的摄像效果。
可选地，第一电极层302和第二电极层402均为透明电极层。具体地，将第一电极层302和第二电极层402均采用透明电极层，能够进一步提升光线穿透率，有利于提升也可变焦透镜100用于摄像头的成像效果。
图6所示为本申请实施例提供的显示装置的一种示意图，请参照图6，基于同一发明构思，本申请还提供了一种显示装置200，该显示装置200包括可变焦透镜100，显示装置200包括至少一个摄像头容置区101，可变焦透镜100位于摄像头容置区101内。
具体地，本申请所提供的可变焦透镜100可以置于显示装置200的摄像头容置区101内，作为显示装置200的摄像头来使用，本申请并不限定显示装置200上摄像头容置区101的数量，即不限定显示装置200的摄像头数量，显示装置200上摄像头容置区101的数量可根据实际需求进行相应调整；且本申请对于摄像头容置区101在显示装置200上的位置也不做具体限定。
还需要说明的是，本申请附图6仅展示了一种显示装置200的摄像头容置区101为圆形的形态，但本申请并不以此为限，摄像头容置区101的形状还可为矩形、三角形、多边形等形状，也可为其他异形形态，实际设计生产中根据实际需求进行相应调整即可。
可选地，一个摄像头容置区101内包括一个可变焦透镜100，即显示装置200上的额一个摄像头容置区101内可以仅放置一个可变焦透镜100，用于显示装置200的摄像功能。
图7所示为本申请实施例提供的图6的一种AA’截面图，请参照图6和图7，可选地，一个摄像头容置区101内包括多个可变焦透镜100，相邻设置的可变焦透镜100之间的间隙距离为D1，D1＝0；相邻设置的可变焦透镜100中的第一电极层302之间相互绝缘，相邻设置的可变焦透镜100的第二电极层402之间相互绝缘。
具体地，本申请提供的显示装置200上的一个摄像头容置区101内也可包括多个可变焦透镜100，即将多个可变焦透镜100放置于一个摄像头容置区101内；多个可变焦透镜100可形成微透镜阵列，本申请限定相邻设置的可变焦透镜100中的第一电极层302之间相互绝缘，相邻设置的可变焦透镜100的第二电极层402之间相互绝缘，即能够实现每个微透镜(可变焦透镜100)单元可以单独控制，可选择性地对焦及模糊化。另外需要说明的是，本申请位于同一摄像头容置区101内的多个可变焦透镜100之间不存在间隙空间、紧密排布。
图8所示为本申请实施例提供的显示装置的摄像头容置区的一种俯视图，请参照图8，图8示出了显示装置200摄像头容置区101为矩形的形状，一个摄像头容置区101中包括有8个可变焦镜头100的示意图；需要说明的是，图8仅示例性表示了一个摄像头容置区101内可包括多个可变焦镜头100，本申请并不限定一个摄像头容置区101中可变焦镜头100的个数。
请参照图6和图7，可选地，相邻设置的可变焦透镜100的液晶层50相互连通。具体地，由于本申请限定相邻设置的可变焦透镜100中的第一电极层302之间相互绝缘，相邻设置的可变焦透镜100的第二电极层402之间相互绝缘，上述限定即可实现同一摄像头容置区101内多对电极层施加电压产生不同的电场，即对液晶层50的液晶分子501的偏转实现多样化的控制，因此，本申请也可将同一摄像头容置区101内的液晶层50打通设置，简化了摄像头内可变焦透镜100的制作步骤，有利于简化制作工艺。
通过上述实施例可知，本发明提供的可变焦透镜和显示装置，至少实现了如下的有益效果：
本申请通过液晶透镜和光学透镜的组合来形成可变焦透镜，液晶透镜通过相对设置的第一基板和第二基板以及填充于第一基板和第二基板之间的液晶层形成，液晶层中包含若干液晶分子，通过对第一基板和第二基板中的第一电极层和第二电极层施加电压，控制液晶分子发生偏转，形成梯度式折射率；电压强度的不同，会改变液晶透镜内的折射率梯度，从而改变液晶透镜的聚焦长度，结合液晶透镜一侧设置的光学透镜能够进一步调节可变焦透镜的焦距，且能够降低可变焦透镜的整体厚度，有利于实现前置摄像的可变焦距调节功能，有利于提高前置摄像头的摄像效果，且有利于显示装置的薄形化设计。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种可变焦透镜，其特征在于，包括液晶透镜和光学透镜，所述液晶透镜包括相对设置的第一基板和第二基板以及填充于所述第一基板和第二基板之间的液晶层，所述液晶层包括若干液晶分子；所述光学透镜位于所述第一基板远离所述第二基板的一侧；
所述第一基板包括第一衬底、第一电极层和第一配向层，所述第一电极层位于所述第一衬底和所述第一配向层之间，所述第一配向层位于所述第一衬底朝向所述第二基板的一侧；
所述第二基板包括第二衬底、第二电极层和第二配向层，所述第二电极层位于所述第二衬底和所述第二配向层之间，所述第二配向层位于所述第二衬底朝向所述第一基板的一侧；
所述第一电极层包括一个通孔区，所述通孔区的中心点与所述第二电极层的中心点在垂直于所述第二基板的方向上重合；给所述第一电极层和所述第二电极层施加电压，控制所述液晶层液晶分子发生梯度式偏转。
2.根据权利要求1所述的可变焦透镜，其特征在于，所述液晶分子的偏转角度为θ；当θ＝0°时，所述液晶分子的折射率为ne；当θ＝90°时，所述液晶分子的折射率为no；
所述液晶透镜的焦距为f1：
Figure FDA0003591283270000011
其中所述R为所述第一电极层的半径，1mm≤R≤2mm；所述d为所述液晶层在垂直于所述第二基板的方向上的厚度。
3.根据权利要求1所述的可变焦透镜，其特征在于，所述光学透镜为凸面镜。
4.根据权利要求1所述的可变焦透镜，其特征在于，所述光学透镜的焦距为f2：
Figure FDA0003591283270000021
其中，所述r为所述光学透镜的曲率半径，所述n为所述光学透镜的折射率。
5.根据权利要求2或4所述的可变焦透镜，其特征在于，所述可变焦透镜的焦距为F：
Figure FDA0003591283270000022
其中，所述D为所述光学透镜靠近所述液晶层的一侧面和所述液晶层远离所述光学透镜的一侧面之间的间距。
6.根据权利要求1所述的可变焦透镜，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层均为透明电极层。
7.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求1-6所述的任一种可变焦透镜，所述显示装置包括至少一个摄像头容置区，所述可变焦透镜位于所述摄像头容置区内。
8.根据权利要求7所述的显示装置，其特征在于，一个所述摄像头容置区内包括一个所述可变焦透镜。
9.根据权利要求7所述的显示装置，其特征在于，一个所述摄像头容置区内包括多个所述可变焦透镜，相邻设置的所述可变焦透镜之间的间隙距离为D1，D1＝0；相邻设置的所述可变焦透镜中的第一电极层之间相互绝缘，相邻设置的所述可变焦透镜的第二电极层之间相互绝缘。
10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，相邻设置的所述可变焦透镜的液晶层相互连通。
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