CN112433411A - 液晶透镜 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种液晶透镜，涉及虚拟现实显示技术领域。液晶透镜包括第一电极模组、液晶分子以及第二电极模组。第一电极模组包括第一电极组、第一引线组以及第二引线组，第一电极组包括依次套设的M个电极区域，每个电极区域均包括N个依次套设的第一电极，任意相邻的两个第一电极间隔设置，M个电极区域包括位于液晶透镜中心位置的第一电极区域，第一引线组与第一电极区域中的第一电极一一对应的电连接，且用于提供驱动电压，第二引线组串联于每个电极区域中套设位置相对应的第一电极。通过第一引线组施加较高的驱动电压，可以使透镜中心位置及靠近中心的多个电极区域的光程差分布更靠近标准曲线分布。

Description

液晶透镜

技术领域

本申请属于虚拟现实显示技术领域，更具体地，涉及一种液晶透镜。

背景技术

菲涅尔液晶透镜(Fresnel lens)，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。

菲涅尔液晶透镜包括了多个透镜区域，多个透镜区域的相应位置均设置有用于给液晶分子提供驱动电压的多个透明电极，通常采用同一个电极引线将多个透明电极进行串联，并从菲涅尔液晶透镜的边缘施加电压对电极进行驱动。

然而，当多个透镜区域中相邻两个区域的交界处施加的电压较大时，在靠近透镜边缘的区域会出现光程差或者折射率分布异常的现象，为了改善这种现象，可以对施加的电压进行调整，然而，调整后的最大驱动电压会使透镜中心或者靠近透镜中心区域的光程差与标准曲线产生较大误差。

发明内容

本申请的目的包括，例如，提供了一种液晶透镜，以改善上述的问题。

本申请的实施例可以这样实现：

提供一种液晶透镜，包括第一电极模组、液晶分子以及第二电极模组。第一电极模组包括第一电极组、第一引线组以及第二引线组，第一电极组包括沿第一方向依次套设的M个电极区域，每个电极区域均包括N个依次套设的第一电极，第一电极组中的任意相邻的两个第一电极间隔设置，M个电极区域包括位于液晶透镜中心位置的第一电极区域，第一引线组与第一电极区域中的第一电极一一对应的电连接，且用于提供驱动电压，第二引线组串联于每个电极区域中套设位置相对应的第一电极。第二电极模组位于液晶分子的远离第一电极模组的一侧，第二电极模组包括用于接地的第二电极。

进一步地，第一引线组和第二引线组沿与第一方向垂直的第二方向分层设置。

进一步地，第一引线组包括N个第一引线，第二引线组包括N个第二引线。第一电极区域中的N个第一电极通过N个第一引线一一对应的引出至外部驱动电路，M个电极区域包括套设位置相对应的N个电极条组件，N个第二引线一一对应的串联于N个电极条组件。

进一步地，N个第一引线在沿与第二方向垂直的平面上的投影为第一投影，N个第二引线在沿与第二方向垂直的平面上的投影为第二投影，第一投影与第二投影重合。

进一步地，第一电极组中的任意相邻的两个第一电极等间距设置，且间隔距离大于或者等于3um，且小于或者等于10um。

进一步地，第一引线组和第二引线组分别设置于第一电极组的两侧，且第一引线组位于第一电极组背离液晶分子的一侧，第二引线组位于第一电极组靠近液晶分子的一侧。

进一步地，第一引线组和第二引线组分别设置于第一电极组的同一侧，且第一引线组相对于第二引线组远离于第一电极组。

进一步地，第一电极模组还包括第一介电层和第二介电层。第一介电层位于第一引线组靠近第一电极组的一侧，第一介电层开设有用于电性连接第一引线组和第一电极组的第一导通孔，第二介电层位于第二引线组靠近第一电极组的一侧，第二介电层开设有用于电性连接第二引线组和第一电极组的第二导通孔。

进一步地，液晶透镜还包括沿与第一方向垂直的第二方向设置的第一基板和第二基板。第一基板位于第一电极模组背离液晶分子的一侧，第二基板位于第二电极模组背离液晶分子的一侧，以使第一基板、第一电极模组、液晶分子、第二电极模组以及第二基板沿第二方向层叠设置。

进一步地，液晶透镜还包括第一液晶取向层和第二液晶取向层。第一液晶取向层设置于第二引线组靠近液晶分子的一侧，第二液晶取向层设置于第二电极模组靠近液晶分子的一侧，且第一液晶取向层和第二液晶取向层的摩擦方向相反。

本申请实施例提供的液晶透镜，通过在第一电极模组内设置第一引线组和第二引线组。第一引线组与第一电极区域中的第一电极一一对应的电连接；第二引线组串联于每个电极区域中套设位置相对应的第一电极。第一引线组用于将第一电极区域内的第一电极引至外部进行驱动。第二引线组用于将全部的电极区域内相应位置上的第一电极进行串联。

通过第一引线组施加较高的驱动电压，可以使透镜中心位置及靠近中心的多个电极区域的光程差分布更靠近标准曲线分布；同时，逐渐衰减后的电压信号可以使透镜较边缘的其他电极区域不会因边缘场效应过大而产生光程差分布异常的问题，进而使液晶透镜具有更好的聚焦能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有菲涅尔液晶透镜驱动效果图；

图2为本申请实施例提供的液晶透镜的剖视图；

图3为本申请实施例提供的液晶透镜的俯视图；

图4为本申请实施例提供的液晶透镜中第一电极组的分布示意图；

图5为本申请实施例提供的液晶透镜中电极驱动的示意图；

图6为本申请实施例提供的液晶透镜的驱动方式与现有驱动方式的效果比较示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种液晶透镜的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种液晶透镜的结构示意图。

图标：100-液晶透镜；102-第一方向；105-第二方向；110-第一基板；120-第一电极模组；121-第一电极组；1210-第一电极；123-第一引线组；125-第二引线组；127-第一介电层；1270-第一导通孔；129-第二介电层；1290-第二导通孔；130-液晶分子；131-第一液晶取向层；133-第二液晶取向层；140-第二电极模组；145-第二电极；150-第二基板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

在菲涅尔液晶透镜中，往往采用同一个电极引线将设置在多个区域中的相应位置上的透明电极进行串联，通过电极引线给液晶分子提供电压进行驱动。

请参照图1，所示为现有菲涅尔液晶透镜中，从透镜边缘向透镜中心驱动的半个透镜效果图。从图1中可以看出：从上向下所示的六幅图中，施加到电极引线上的驱动电压依次减小。另外，当透镜的多个区域中相邻两个区域交界处所施加的电压较大时，多个区域的液晶透镜通常在靠近透镜边缘的若干个区域会出现光程差或者折射率分布异常的现象。

发明人经过分析发现，上述现象是由于透镜边缘的透明电极具有较小的电极宽度，且较大电压边缘场效应较强造成的。

为了改善光程差或者折射率分布的问题，可以采用将最大电压适当降低的方法。

然而，最大电压适当降低后，最大驱动电压已经不能使菲涅尔液晶透镜的中心位置(第一区域)或靠近中心的其他区域的光程差较好的与标准曲线吻合，换句话说，菲涅尔液晶透镜的中心位置或靠近中心位置的其他区域产生的光程差与标准曲线之间会存在较大误差。

由于菲涅尔液晶透镜的第一区域或靠近透镜中心位置的其他区域的径向尺寸较大，对透镜成像尤为重要，当透镜的中心位置或靠近中心位置的其他区域产生的光程差与标准曲线之间会存在较大误差时，会严重影响透镜成像的清晰度。

基于上述问题，本申请实施例提供了一种液晶透镜。通过第一电极模组的结构设计，可以改善液晶透镜在各个电极区域的光程差或折射率分布，以使每个区域的光程差或折射率分布比较接近理想抛物线，进而有利于改善成像效果。

请参照图2，所示为本申请实施例提供的液晶透镜100的剖视图。

具体地，本申请实施例提供的液晶透镜100可以包括第一电极模组120、液晶分子130以及第二电极模组140。液晶分子130位于第一电极模组120和第二电极模组140之间，第一电极模组120、液晶分子130以及第二电极模组140沿与第一方向102垂直的第二方向105层叠设置。

第一电极模组120可以包括第一电极组121、第一引线组123以及第二引线组125。

请一并参照图2和图3，图3所示为本申请实施例提供的液晶透镜100的俯视图。

第一电极组121包括沿第一方向102依次套设的M个电极区域，其中，每个电极区域均包括N个依次套设的第一电极1210。任意相邻的两个电极区域之间间隔设置，每个电极区域中任意相邻的两个第一电极1210之间间隔设置，换句话说，第一电极组121中的任意相邻的两个第一电极1210间隔设置，且全部的第一电极1210均为同心圆环结构。

可选地，第一电极组121中的任意相邻的两个第一电极1210等间距设置，且间隔距离大于或者等于3um，且小于或者等于10um。第一电极1210等间距分隔设置，用以实现任意相邻两个第一电极1210之间的电性绝缘。

其中，M个电极区域可以包括位于液晶透镜100中心位置的第一电极区域，且从透镜中心位置向透镜边缘位置，依次为第一电极区域、第二电极区域、第三电极区域……第M电极区域。每个电极区域中均包括依次套设的N个第一电极1210，该第一电极组121共有M×N个圆环。

请继续参照图3，位于液晶透镜100中心位置的圆半径为R₁，从透镜中心位置向透镜边缘位置，依次套设的圆环半径为R₂、R₃……R_MN，则满足以下关系式：

((R₂+0.5d)/R₁)²＝2；

((R₃+0.5d)/R₁)²＝3；

((R_MN+0.5d)/R₁)²＝M×N；

其中，λ是指液晶透镜100的入射光波长，f是液晶透镜100的焦距，d是指相邻两个第一电极1210之间的间距，单位um。

可选地，波长可以取543nm等，焦距可以选取0.5m、1m等，当波长和焦距确定后，就可以确定出R₁。

液晶透镜100共有M×N个第一电极1210，则透镜最边缘位置的圆环半径

该圆环半径也就是液晶透镜100的半径R。

根据液晶透镜100的半径

以及光程差公式

可以计算获得液晶透镜100的光程差。

由于R较大，ΔN是液晶材料的折射率各向异性，比较小，例如(0.2～0.3)。所以，液晶透镜100中液晶层厚度D会较大，为了减小液晶层厚度D以满足其综合性能，可以将第一电极1210分为M个电极区域。

可选地，根据D/M的数值来确定M，M越大，D越小；M越小，D越大；一般情况下，D选取10～20um之间比较合适。

请参照图4，所示为本申请实施例提供的液晶透镜100中第一电极组121的分布示意图。多个第一电极1210分为M个电极区域，每个电极区域内含有N个第一电极1210(如E₁₁，E₁₂，…，E_1N等)，则第一电极1210的数量为M×N个。

其中，第一引线组123与第一电极区域中的第一电极1210一一对应的电连接，通过第一引线组123向第一电极组121提供驱动电压；第二引线组125串联于每个电极区域中套设位置相对应的第一电极1210上。换句话说，第一引线组123用于将第一电极区域内的第一电极1210引至外部进行驱动，第二引线组125用于将全部的电极区域内相应位置上的第一电极1210进行串联。

当第一电极组121包括M个电极区域，每个电极区域均包括N个第一电极1210时，第一引线组123包括N个第一引线，第二引线组125包括N个第二引线。

第一电极区域中的N个第一电极1210通过N个第一引线一一对应的引出至外部驱动电路，M个电极区域包括套设位置相对应的N个电极条组件，N个第二引线一一对应的串联于N个电极条组件。其中，每个电极条组件均包括了M个第一电极1210，M个第一电极1210分别对应到M个电极区域中。

在M个电极区域中，任意对应位置的第一电极1210通过第二引线组125中的引线进行串联。例如，每个电极区域中的第一条电极E₁₁，E₂₁，……，E_M1，均通过第二引线L1串联在一起，每个电极区域中的第二条电极E12，E22，……，Em2，均通过第二引线L2串联在一起，依次类推等。

图3中，在第一电极区域中的N个第一电极1210，例如E₁₁，E₁₂，……，E_1N等分别通过第一引线组123(S₁、S₂、……、S_N)一一对应的进行电性连接并引出，以便于从外部对第一电极1210施加电压进行驱动。

可选地，第一引线组123和第二引线组125沿第二方向105分层设置。第一引线组123中的N个第一引线等间距间隔设置，第二引线组125中的N个第二引线等间距间隔设置。

将第一引线组123和第二引线组125沿垂直于第二方向105的平面做投影，则N个第一引线在沿与第二方向105垂直的平面上的投影为第一投影，N个第二引线在沿与第二方向105垂直的平面上的投影为第二投影。可选地，第一投影与第二投影重合，有利于提高液晶透镜100的开口率。

如图2，第一引线组123和第二引线组125分别设置于第一电极组121的两侧，且第一引线组123位于第一电极组121背离液晶分子130的一侧，第二引线组125位于第一电极组121靠近液晶分子130的一侧。

可选地，第一引线和第二引线可以为金属、合金材质或者ITO(Indium TinOxides，纳米铟锡金属氧化物)。第一电极1210可以为透明导电材料，例如氧化铟锡等。

进一步地，第一电极模组120还可以包括第一介电层127和第二介电层129。

其中，第一介电层127位于第一引线组123靠近第一电极组121的一侧，第一介电层127开设有第一导通孔1270，第一导通孔1270用于将第一引线组123和第一电极组121电性连接。第二介电层129位于第二引线组125靠近第一电极组121的一侧，第二介电层129开设有第二导通孔1290，第二导通孔1290用于将第二引线组125和第一电极组121电性连接。

具体地，第一介电层127在在第一电极区域内设置有N个第一导通孔1270，通过第一导通孔1270使得第一电极区域内的每个第一电极1210(如E₁₁、E₁₂、……、E_1N)与第一引线(如S₁、S₂、……、S_N)一一对应的导通。第二介电层129在每个电极区域内均开设有N个第二导通孔1290，通过第二导通孔1290使得每个电极区域内相对应位置的第一电极1210与第二引线导通，以使N个第二引线与N个电极条组件一一对应的串联。

本申请实施例提供的液晶透镜100，还包括第一基板110和第二基板150。第一基板110和第二基板150沿第二方向105设置，第一基板110位于第一电极模组120背离液晶分子130的一侧，第二基板150位于第二电极模组140背离液晶分子130的一侧。从而使得第一基板110、第一电极模组120、液晶分子130、第二电极模组140以及第二基板150沿第二方向105层叠设置。

具体地，第二电极模组140位于液晶分子130的远离第一电极模组120的一侧，其中，第二电极模组140包括用于接地的第二电极145。

可选地，第二电极145可以为整面电极，对于第二电极145的图形不做要求。

进一步地，液晶透镜100还可以包括第一液晶取向层131和第二液晶取向层133。

其中，第一液晶取向层131设置于第二引线组125靠近液晶分子130的一侧，第二液晶取向层133设置于第二电极模组140靠近液晶分子130的一侧，且第一液晶取向层131和第二液晶取向层133的摩擦方向相反。

可选地，第一基板110和第二基板150之间可以密封设置有正性液晶材料。通过第一液晶取向层131与第二液晶取向层133及摩擦条件决定液晶分子130的初始取向。

进一步地，本申请实施例提供的液晶透镜100还可以包括设置在透镜边缘，且用于液晶材料密封的框胶以及维持一定盒厚的PS或者Ball spacer等。

本申请实施例提供的液晶透镜100，由于设置有第二引线组125，当外接驱动电压经第一引线组123对第一电极组121施加驱动电压时，电压先施加到液晶透镜100的第一电极区域，也就是透镜中心位置。然后由第二引线串联，并按照导线阻抗大小进行衰减后施加到透镜其他各个电极区域。也就是说，液晶透镜100的驱动是电压先施加到第一电极区域，然后向透镜边缘处施加。

请参照图5，所示为电极驱动的示意图。

在本申请实施例中，以第二电极145上的电压作为公共电压(com)，全部的第一电极1210上的驱动电压如V(E₁₁)、V(E₁₂)、……、V(E_1N)等均为一定幅值的方波。

从外部驱动电路给予的驱动电压通过第一引线组123(S₁、S₂、……、S_N)首先施加到位于透镜中心位置的第一电极区域的各个第一电极1210(E₁₁、E₁₂、……、E_1N)上，然后借助于第二引线组125中的第二引线(L₁、L₂、……、L_N)进行电压衰减后，再施加到其他电极区域的第一电极1210上。即施加电压的顺序是第一区域E₁₁，第二区域E₂₁，……，第M区域E_M1；第一区域E₁₂，第二区域E₂₂，……，第M区域E_M2；……；第一区域E_1N，第二区域E_2N，……，第M区域E_MN等。

由于液晶透镜100包括M个电极区域，且沿从靠近透镜中心位置的第一电极1210向透镜边缘位置的第一电极1210方向上，驱动电压是逐渐增大的。

例如：V(E₁₁)<V(E₁₂)<V(E₁₃)<…<V(E_1N)；V(E₂₁)<V(E₂₂)<V(E₂₃)<…<V(E_2N)；……；V(E_M1)<V(E_M2)<V(E_M3)<…<V(E_MN)等。

其中，各个电极区域中较小的驱动电压V(E₁₁)，V(E₂₁)，……，V(E_M1)差异较小，可以通过较小阻抗的第二引线组125进行串联，各个电极区域中较大的驱动电压如电极E_1N、E_2N、……、E_MN的驱动电压之间，电极E_1(N-1)、E_2(N-1)、……、E_M(N-1)的驱动电压之间，电极E_1(N-2)、E_2(N-2)、……、E_M(N-2)的驱动电压之间的差异相对较大，与之对应的第二引线组125在各个电极区域之间，通过引线的宽度变化或者非直线走线的绕线进行电压衰减。

请参照图6，所示为本申请实施例提供的液晶透镜100的驱动方式与现有驱动方式的效果比较示意图。其中，以液晶透镜100的中心位置为坐标点，纵坐标为光程差(单位：nm)，横坐标为第一电极组121中第一电极1210所在位置(单位：um)。

从图6可以看出：可以通过第二引线组125的阻抗设计，让驱动电压从透镜中心向透镜边缘进行衰减，使透镜中心(第一电极区域)具有较高的电压，其他电极区域的电压次之，而透镜最边缘区域具有相对较低的电压。

即：V(E_1N)>V(E_2N)>V(E_3N)>…>V(E_MN)；

V(E_1(N-1))>V(E_2(N-1))>V(E_3(N-1))>…>V(E_M(N-1))；

V(E_1(N-2))>V(E_2(N-2))>V(E_3(N-2))>…>V(E_M(N-2))等。

本申请实施例提供的液晶透镜100，通过第一引线组123施加较高的驱动电压，可以使透镜中心位置及靠近中心的多个电极区域的光程差分布更靠近标准曲线分布；同时，逐渐衰减后的电压信号可以使透镜较边缘的其他电极区域不会因边缘场效应过大而产生光程差分布异常的问题，进而使液晶透镜100具有更好的聚焦能力。

作为另一种实施方式，第一引线组123和第二引线组125分别设置于第一电极组121的同一侧，且第一引线组123相对于第二引线组125远离于第一电极组121。

请参照图7，所示为液晶透镜100另一种结构的示意图。

第一引线组123和第二引线组125均设置于第一电极组121靠近第一基板110的一侧，且第一引线组123相对于第二引线组125靠近于第一基板110。

请参照图8，所示为液晶透镜100又一种结构的示意图。

第一引线组123和第二引线组125均设置于第一电极组121远离第一基板110的一侧，且第一引线组123相对于第二引线组125远离于第一基板110。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种液晶透镜，其特征在于，包括：

第一电极模组，所述第一电极模组包括第一电极组、第一引线组以及第二引线组，所述第一电极组包括沿第一方向依次套设的M个电极区域，每个所述电极区域均包括N个依次套设的第一电极，所述第一电极组中的任意相邻的两个所述第一电极间隔设置，所述M个电极区域包括位于所述液晶透镜中心位置的第一电极区域，所述第一引线组与所述第一电极区域中的第一电极一一对应的电连接，且用于提供驱动电压，所述第二引线组串联于每个所述电极区域中套设位置相对应的第一电极；

液晶分子；以及

第二电极模组，所述第二电极模组位于所述液晶分子的远离所述第一电极模组的一侧，所述第二电极模组包括用于接地的第二电极。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一引线组和所述第二引线组沿与所述第一方向垂直的第二方向分层设置。

3.根据权利要求2所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一引线组包括N个第一引线，所述第二引线组包括N个第二引线；

所述第一电极区域中的N个第一电极通过所述N个第一引线一一对应的引出至外部驱动电路，所述M个电极区域包括套设位置相对应的N个电极条组件，所述N个第二引线一一对应的串联于所述N个电极条组件。

4.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述N个第一引线在沿与所述第二方向垂直的平面上的投影为第一投影，所述N个第二引线在沿与所述第二方向垂直的平面上的投影为第二投影，所述第一投影与所述第二投影重合。

5.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一电极组中的任意相邻的两个所述第一电极等间距设置，且间隔距离大于或者等于3um，且小于或者等于10um。

6.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一引线组和所述第二引线组分别设置于所述第一电极组的两侧，且所述第一引线组位于所述第一电极组背离所述液晶分子的一侧，所述第二引线组位于所述第一电极组靠近所述液晶分子的一侧。

7.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一引线组和所述第二引线组分别设置于所述第一电极组的同一侧，且所述第一引线组相对于所述第二引线组远离于所述第一电极组。

8.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一电极模组还包括第一介电层和第二介电层；

所述第一介电层位于所述第一引线组靠近所述第一电极组的一侧，所述第一介电层开设有用于电性连接所述第一引线组和所述第一电极组的第一导通孔，所述第二介电层位于所述第二引线组靠近所述第一电极组的一侧，所述第二介电层开设有用于电性连接所述第二引线组和所述第一电极组的第二导通孔。

9.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述液晶透镜还包括沿与所述第一方向垂直的第二方向设置的第一基板和第二基板；

所述第一基板位于所述第一电极模组背离所述液晶分子的一侧，所述第二基板位于所述第二电极模组背离所述液晶分子的一侧，以使所述第一基板、第一电极模组、液晶分子、第二电极模组以及第二基板沿所述第二方向层叠设置。

10.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述液晶透镜还包括第一液晶取向层和第二液晶取向层；

所述第一液晶取向层设置于所述第二引线组靠近所述液晶分子的一侧，所述第二液晶取向层设置于所述第二电极模组靠近所述液晶分子的一侧，且所述第一液晶取向层和所述第二液晶取向层的摩擦方向相反。

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