CN201765418U - 裸眼立体显示装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种裸眼立体显示装置，其包含：第一液晶透镜，包含第一电极与第二电极；第二液晶透镜，包含第三电极与第四电极；及二偏压装置，分别电性连接于第一与第二电极及第三与第四电极，用以调变第一液晶透镜及第二液晶透镜的光学特性，来达到二维平面影像和三维立体影像的切换，其中，第二电极具有多个垂直条状所构成的栅状图案，及第三电极具有多个垂直条状所构成的栅状图案，且第二电极的该栅状图案的宽度大于第三电极的该栅状图案的宽度。本实用新型可轻易地进行切换影像模式，提高光学品质。

Description

裸眼立体显示装置
技术领域
本实用新型关于一种具有液晶透镜(Liquid Crystal Lens)的裸眼立体显示装置，特别是关于一种具有双层液晶透镜的裸眼立体显示装置，并设置不同的电极图案于双层液晶透镜中，分别对其施加或未施加电压，来达到切换二维(2D)平面影像与三维(3D)立体影像。
背景技术
随着液晶显示器进步，三维(3D)立体影像的显示技术发展迅速，已逐渐深入消费者生活中。一般而言，三维(3D)立体影像显示技术系经由使用者的眼睛，并根据立体视觉的原则来实现。传统上制作3D立体影像显示装置利用双眼视差的基础来进行设计，让使用者的左眼仅观看到给左眼的影像而右眼仅观看到给右眼的影像。
由于人类的双眼彼此相距约5-7公分的距离，因此会有双眼视差，即由于左右眼之间的位置差距导致两眼所看到的影像实为具有细微差异的不同影像。这种眼睛位置差距所导致的左右眼所观看到的影像间的差异称为双眼视差。利用双眼视差产生立体感的显示方式多需配戴特殊器具来达成，常见的方法包含利用偏光眼镜、红蓝(绿)眼镜、快门眼镜及头盔式显示器等方式来达成。
然而，上述的显示方法不论成本高低都需要使用者配戴特殊器具才得以观看到立体影像，因而对使用者而言多少都会造成不便的感觉。
为了增加应用的多元化与得到更自然的3D立体影像，近年来着重于开发不需要配戴任何特殊器具即可观赏到立体影像的裸眼式3D立体显示装置。裸眼式3D立体显示装置所使用的光学技术主要有「柱状透镜」与「视差屏障或狭缝视差(ParallaxBarrier)」两种。「柱状透镜」技术的基本原理主要是运用凸透镜折射原理，同时分割将影像投向左右眼，以达立体效果。而「视差屏障」则运用光的直线传播的性质，将多视角影像透过一整排细微的狭缝所组成的视差屏障，再入射至双眼以产生立体视觉。
由于3D立体影像应用逐渐普遍，因此市面上的显示装置，逐渐开发可切换3D立体影像显示与2D影像显示的装置，以满足同一显示装置具有两种显示类型的需求。然而，上述的各种裸眼式3D立体显示装置，不论是使用「柱状透镜」或「视差屏障」的技术原理，皆需在显示器中设置固定式的光学元件，例如柱状透镜或黑色间隙屏障，而增加这些额外的3D光学元件，亦造成无法显示2D影像的结果。
为了能有效显示3D影像且可显示2D影像品质，某些2D/3D切换装置开始应用液晶透镜，通过转换光学元件来造成光传播相位改变，达到2D与3D影像间高自由度的切换。此种方式称为「液晶透镜(Liquid Crystal lens，ELC lens)」，其技术原理通过液晶受电场驱动后，造成液晶具有如同自聚焦透镜(GrinLens)的折射率变化。
请参考图1A、1B所示的「电场驱动液晶透镜」技术原理的示意图。如图1A所示，当未施加电压于液晶胞(LC cell)时，液晶长轴依照配向膜(Alignment layer)配向倾倒，此时光波的传播方向(propagation direction)将不受影响；如图1B所示，当施加电压于液晶胞时，上下电极层因电位势不同，而形成由上向下的电场分布，而透镜边缘的电场强度小于透镜中心的电场强度，此种电场分布不一致造成液晶倾斜角度不同的情况，此时光波的传播方向将随液晶折射率的变化而改变。因此，当利用「电场驱动液晶透镜」应用于2D/3D切换显示的装置时，当不施加电压于液晶胞时，面板所发的光波的传播方向不受液晶胞影响，故为2D显示；当施加电压于液晶胞时，面板所发的光波的传播方向受到液晶胞的影响，因此可达到3D显示的目的。
然而，此种方式仍面临许多制程上需要克服的问题。由于液晶透镜的焦距与液晶层的厚度、液晶双折射率(Birefringence，Δn)、与孔径尺寸(Aperture)等条件相关联。由于3D显示需短焦距性质的液晶透镜作为分光装置，然而产生短焦距特性必须增加液层厚度，这使得制程方面难度提高。
因此，亟需要一种制程可克服目前3D显示装置设计上所受到的限制，可依据使用者欲拍摄或播放2D平面影像或3D立体影像之不同需求，轻易达到切换2D平面影像极3D立体影像的裸眼立体显示装置。
发明内容
本实用新型的一目的为达到依据使用者欲拍摄或播放二维(2D)平面影像或三维(3D)立体影像的不同需求，轻易达到于同一显示装置中切换2D平面影像与3D立体影像。
本实用新型的另一目的在于克服已知的制程所受到的限制，并达到理想液晶透镜的焦距，提升3D立体影像与维持2D平面影像的品质。
本实用新型的另一目的在于提供一双层液晶透镜作为裸眼立体显示装置，且由于双层液晶层视为双透镜，可针对像差、色差等光学特性作设计，因此可将提高光学品质。
本实用新型的另一目的为通过双层液晶透镜可以增加3D可视区域范围。因为当仅驱动单一透镜时焦距较长，3D可视区域较远，而双层透镜皆驱动时焦距较短，3D可视范围较近。故可通过驱动“单一”或“双层”液晶透镜，增加3D可视区域范围。
为达上述的目的，本实用新型提供一种裸眼立体显示装置，其包含：一第一液晶透镜，其包含第一电极与第二电极第二液晶透镜，对应第一液晶透镜设置，第二液晶透镜包含第三电极与第四电极，上述第三电极具有；及二偏压装置，分别电性连接于第一电极与第二电极以及第三电极与第四电极，用以调变第一液晶透镜及第二液晶透镜的光学特性，并由此达到二维平面影像和三维立体影像的切换。其中，第二电极包含多个垂直条状所构成的栅状图案；及第三电极包含多个垂直条状所构成的栅状图案；其中，第二电极的该栅状图案的宽度大于该第三电极的该栅状图案的宽度。本实用新型的另一实施例中，上述第二玻璃基板与第三玻璃基板可为单一绝缘层介质，用以区隔第一液晶层与第二液晶层。
在此实施例中，当二偏压装置同时未施加电压于第一液晶透镜与第二液晶透镜时，则此光学装置可用以拍摄或播放2D平面影像；而当二偏压装置同时施加第一电压于第一、第二电极与第二电压于第三、第四电极，则第一液晶透镜与第二液晶透镜会呈现垂直方向的柱状透镜的光学特性，倾斜角度从第一液晶透镜与第二液晶透镜的两侧向中心逐渐减少。如此，则可通过本实用新型的第一液晶透镜及第二液晶透镜来达到3D立体显示的效果，以令此显示装置系可用以拍摄或播放3D立体影像。
本实用新型实施例中的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置设置于一影像装置上，此影像装置可包含为用以拍摄影像资讯的影像拍摄装置，例如：照相机或摄影机等；以及用以播放影像资讯的显示装置，例如：显示器或投影机等。在本实用新型的一些实施例中，此裸眼立体显示装置设置于液晶显示器、有机发光显示器、电浆显示器或场发射显示器。
因此，本实用新型的一优点在于，利用本实用新型的具有双层液晶透镜的裸眼立体显示装置来进行影像资讯拍摄或播放时，使用者即可依据其所欲使用的2D平面影像或3D立体影像，通过偏压装置施加电压于双层液晶透镜之中，即可轻易地进行切换影像模式。
本实用新型的另一优点在于可改善已知立体显示装置的影像品质，由于透镜原理中液晶透镜的焦距受到液晶透镜厚度的限制，而已知的制程无法达成理想的焦距。本实用新型使用双层液晶透镜，由折射原理达到理想焦距，并可增加液晶透镜3D面板组立的便利性。
本实用新型的另一优点由于双层液晶层具有双透镜的特色，可针对像差、色差等光学特性作设计，因此可将提高光学品质。
这些优点皆可从以下较佳实施例的叙述并伴随后附图式及申请专利范围将使读者得以清楚了解本申请。
附图说明
图1A-1B图为显示电场驱动液晶透镜技术原理的示意图。
图2A-2C图为显示本实用新型的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置的一实施例的结构示意图。
图3为显示本实用新型的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置的另一实施例的结构示意图。
图4为显示本实施例的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置用以显示或拍摄3D立体影像的示意图。
图5为显示本实用新型的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置应用于影像显示装置或影像拍摄装置的示意图。
图中：
200第一液晶透镜；300第二液晶透镜；201第一玻璃基板；202第一电极；203第一配向膜；204第一液晶层；205第二配向膜；206第二电极；207第二玻璃基板；208单一层介质；301第三玻璃基板；302第三电极；303第三配向膜；304第二液晶层305第四配向膜；306第四电极；307第四玻璃基板；400偏压装置；500影像装置；V1第一电压；V2第二电压
具体实施方式
现将以较佳的实施例及观点加以详细叙述，而此类叙述为解释本实用新型的结构，只用以说明而非用以限制本实用新型的申请专利范围。因此，除说明书中的较佳实施例之外，本实用新型亦可广泛实行于其他实施例。
现将描述本实用新型的细节，其包括本实用新型的实施例。参考附图及以下描述，相同或相似的参考标号用于识别相同或功能上类似的元件，且期望以高度简化的图解方式说明实施例的主要特征。此外，附图并未描绘实际实施例的每一特征，所描绘的图式元件为相对尺寸而非按比例绘制。
本实用新型的一目的为达到依据使用者欲拍摄或播放二维(2D)平面影像或三维(3D)立体影像的不同需求，轻易达到于同一显示装置中切换2D平面影像与3D立体影像。
基于液晶分子会因不同的电场分布而改变排列方式及分布，因此，依据不同的电极设计造成不同电场分布让液晶分子呈现不同的转向，使得液晶透镜(Liquid Crystal Lens)变焦，以达到凸透镜、凹透镜、柱状透镜等各种不同的光学特性与效果。所以，本实用新型通过设计不同图案以制作双层液晶透镜中的电极，使此双层液晶透镜中的液晶分子得以依据电极的不同图案产生不同电场分布以达到所需求的光学特性。
请参阅图2A-2C，显示本实用新型的双层液晶透镜的一实施例的结构示意图。此实施例利用双层液晶透镜来达到将二维平面影像转换为三维立体影像的裸眼立体显示装置。首先，请参阅图2A，显示本实施例的双层液晶透镜的光学装置的结构示意图，其中包含一第一液晶透镜200及一第二液晶透镜300。
如图所示，第一液晶透镜200包含第一电极202与第二电极206；第一液晶层204，设置于第一电极202与第二电极206之间；第一配向膜203，设置于第一电极202与第一液晶层204之间；第一玻璃基板201，设置于第一电极202，相对于第一配向膜203的另一侧，而与第一电极202贴合；第二配向膜205，设置于第一液晶层204与第二电极206之间；及第二玻璃基板207，设置于第二电极206，相对于第二配向膜205的另一侧，而与第二电极贴合206。其中，第二电极206由多个垂直条状所构成的栅状图案，如图2B所示。
第二液晶透镜300，对应第一液晶透镜200设置，第二液晶透镜300包含第三电极302与第四电极306，；第二液晶层304，设置于第三电极302与第四电极306之间；第三配向膜303，设置于第三电极302与第二液晶层304之间；第三玻璃基板，设置于第三电极302，相对于第三配向膜303的另一侧，而与第三电极302贴合；第四配向膜305，系设置于第二液晶层304与第四电极306之间；及第四玻璃基板307，系设置于第四电极306，相对于第四配向膜305的另一侧，而与第四电极306贴合。其中，第三电极302系具有多个垂直条状所构成的栅状图案，如图图2C所示。本实用新型的另一实施例中，上述第二玻璃基板207与第三玻璃基板301可为单一绝缘层介质，用以区隔第一液晶层200与第二液晶层300。请参阅图3显示本实用新型的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置的另一实施例的结构示意图。如图所示，本实用新型的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置，更包含单一层介质208，贴合设置于第二电极206与第三电极302间，用以区隔第一液晶透镜200与第二液晶透镜300；其中，第一液晶透镜200更包含：第一液晶层204，设置于第一电极202与第二电极206之间；第一配向膜203，设置于第一电极202与第一液晶层204之间；第一玻璃基板201，设置于第一电极202，相对于第一配向膜203的另一侧，而与第一电极202贴合；第二配向膜205，设置于第一液晶层204与第二电极206之间；其中，上述第二液晶透镜300更包含第二液晶层304，设置于第三电极302与第四电极306之间；第三配向膜303，设置于第三电极302与第二液晶层304之间；第四配向膜305，设置于第二液晶层304与第四电极306之间；及第四玻璃基板307，设置于第四电极306，相对于第二配向膜305的另一侧，而与第四电极306贴合。其中，第二电极206具有多个垂直条状所构成的栅状图案，且第三电极302具有多个垂直条状所构成的栅状图案。
特别注意的是，在本实用新型的一实施例中，上述第二电极206的栅状图案的宽度大于第三电极302的栅状图案的宽度，亦即第一液晶透镜200的电极宽度大于第二液晶透镜300的电极宽度。由于本实用新型主要利用光折射原理应用于3D立体显示装置，因此除了由施加电压使液晶分子产生不同倾斜角度导致不同折射率之外，本实用新型利用设计不同的电极宽度，使得第一、第二液晶层200、300的折射率变化不同，而克服目前液晶透镜应用于立体显示装置的理想焦距受到液晶透镜厚度的限制。本实用新型利用第一、第二液晶层200、300上的电极开口大小不同，即第二电极206与第三电极302的栅状图案的宽度不同，导致上、下液晶层的折射率变化不同，当施加适当电压于第一、第二液晶层200、300可得到较佳的光学成像性。
在本实用新型的一些实施例中，第一电极202、第二电极206、第三电极302及第四电极306的材料包含为具有高穿透率和高导电特性的材料，例如：氧化铟锡(Indium Tin Oxide，简称ITO)或氧化铟锌(Indium Zinc Oxide，简称IZO)，但并不以此为限。在本实施例中，第一电极202、第二电极206、第三电极302及第四电极306由I TO薄膜所制成，且其中第一电极202与第四电极306分别由ITO材料涂布于第一玻璃基板201及第四玻璃基板307的整个表面所制成。在本实用新型的一些实施例中，第一配向膜203、第二配向膜205、第三配向膜303及第四配向膜305的材料为聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)。
请参阅图4，显示本实施例的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置用以显示或拍摄3D立体影像的示意图。在本实施例中，让双层液晶透镜透过施加偏压以改变其液晶层中的液晶分子排列结构，进而使液晶透镜变焦而达到形成3D立体影像的柱状透镜的效果。因此，当对于第一电极202与第二电极206施加一第一电压(V1)，以及第三电极302与第四电极306施加一第二电压(V2)，则可使第一液晶透镜200与第二液晶透镜300产生如垂直方向的柱状透镜的光学特性，因而可以达到3D立体影像的效果。在本实施例中，此第一电压(V1)与第二电压(V2)约为±1伏特-±50伏特之间的数值。另外，由于液晶透镜的液晶分子会依据所施加的电压不同导致电场分布不同，而产生不同的倾斜角度，将影响双层液晶透镜立体显示装置的焦距，因此第一电压(V1)与第二电压(V2)亦可依据需求搭配设计，第一电压(V1)可选择相同或不同于第二电压(V2)。
值得注意的是，对于本领域中具有通常知识者而言应可轻易得知本实施例的第一液晶透镜200及第二液晶透镜300可置换，以达到3D立体影像的效果。因此，本实用新型利用双层液晶透镜的裸眼立体显示装置来进行影像资讯拍摄或播放时，使用者即可依据其所欲使用的2D平面影像或3D立体影像，通过偏压装置400施加电压于双层液晶透镜之中，即可轻易地进行切换影像模式。
请参阅图5，本实用新型的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置可再设置于一影像装置500上，并依据不同需求，此影像装置500可包含为用以拍摄、拍摄影像资讯的影像拍摄装置或是用以播放影像的显示装置。此外，影像装置500亦可依据不同的设计需求，电性连结于偏压装置400。于本实用新型的一些实施例中，此影像装置500为影像拍摄装置，例如照相机或摄影机等，但不以此为限。在本实用新型的另一些实施例中，此影像装置500为显示装置，例如显示器或投影机等，但不以此为限。在本实用新型的再一实施例中，此影像装置500可从各种平面显示器中来选择，包含液晶显示器、有机发光显示器、电浆显示器、场发射显示器等，但并不以此为限。
如此，使用者则可通过不施加偏压或施加偏压在本实用新型的双层液晶透镜中以轻易达到切换具有此双层液晶透镜的光学装置来拍摄或播放2D平面影像或3D立体影像。
使用者可通过本实用新型的结构改善已知立体显示装置的影像品质，克服已知制程的焦距受到液晶透镜厚度的限制，因此本实用新型的双层液晶透镜，可达到理想焦距，并可增加液晶透镜3D面板组立的便利性。另外，由于本实用新型的双层液晶层具有双透镜的特色，因此可由调整垂直条状的宽度(即电极开口)与液晶双折射率Δn，针对像差、色差等光学特性作设计，因此可将提高光学品质。
但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (11)

1.一种裸眼立体显示装置，其特征在于：包含：
一第一液晶透镜，其包含一第一电极与一第二电极，该第二电极具有多个垂直条状所构成的栅状图案；
一第二液晶透镜，其对应所述第一液晶透镜设置，该第二液晶透镜包含一第三电极与一第四电极，该第三电极具有多个垂直条状所构成的栅状图案；及
二偏压装置，其分别电性连接于所述第一电极与第二电极以及第三电极与第四电极，用以调变所述第一液晶透镜及第二液晶透镜的光学特性；
其中，该第二电极的所述栅状图案的宽度大于所述第三电极的栅状图案的宽度。
2.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述第一液晶透镜更包含：
一第一液晶层，其设置于所述第一电极与第二电极之间；
一第一配向膜，其设置于所述第一电极与第一液晶层之间；
一第一玻璃基板，其设置于所述第一电极，相对于所述第一配向膜的另一侧，而与所述第一电极贴合；
一第二配向膜，其设置于所述第一液晶层与第二电极之间；
及
一第二玻璃基板，其设置于所述第二电极，相对于所述第二配向膜的另一侧，而与所述第二电极贴合。
3.如权利要求2所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述 第一电极设置于所述第一玻璃基板的整面。
4.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述第二液晶透镜更包含：
一第二液晶层，其设置于所述第三电极与第四电极之间；
一第三配向膜，其设置于所述第三电极与第二液晶层之间；
一第三玻璃基板，其设置于所述第三电极，相对于所述第三配向膜的另一侧，而与所述第三电极贴合；
一第四配向膜，其设置于所述第二液晶层与第四电极之间；
及
一第四玻璃基板，其设置于所述第四电极，相对于所述第四配向膜的另一侧，而与所述第四电极贴合。
5.如权利要求4所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述第四电极设置于所述第四玻璃基板的整面。
6.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：更包含：
一单一层介质，贴合设置于所述第二电极与第三电极间，用以区隔所述第一液晶透镜与第二液晶透镜；
其中，所述第一液晶透镜更包含：一第一液晶层，其设置于所述第一电极与第二电极之间；一第一配向膜，其设置于所述第一电极与第一液晶层之间；一第一玻璃基板，其设置于所述第一电极，相对于所述第一配向膜的另一侧，而与所述 第一电极贴合；一第二配向膜，其设置于所述第一液晶层与第二电极之间；
其中，所述第二液晶透镜更包含一第二液晶层，其设置于所述第三电极与第四电极之间；一第三配向膜，其设置于所述第三电极与第二液晶层之间；一第四配向膜，其设置于所述第二液晶层与第四电极之间；及一第四玻璃基板，其设置于所述第四电极，相对于所述第二配向膜的另一侧，而与所述第四电极贴合。
7.如权利要求6所述的双层液晶透镜的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述第一电极设置于所述第一玻璃基板的整面，所述第四电极设置于所述第四玻璃基板的整面。
8.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：通过所述偏压装置施加一第一电压于所述第一电极及第二电极，及施加一第二电压于所述第三电极与第四电极，则所述第一液晶透镜与第二液晶透镜会呈现垂直方向的柱状透镜的光学特性。
9.如权利要求8所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述第一电压与第二电压介于±1伏特-±50伏特之间，且所述第一电压可相同或不同于所述第二电压。
10.如权利要求1所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述第一电极、第二电极、第三电极及第四电极的材料包含具有 高穿透率和高导电特性的材料。
11.如权利要求10所述的裸眼立体显示装置，其特征在于：所述第一电极、第二电极、第三电极及第四电极的材料包含氧化铟锡或氧化铟锌。 
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