CN203858434U - 液晶透镜、立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种液晶透镜、立体显示装置，一种液晶透镜，包括第一基板和第二基板，间隙子，封框胶，第一电极层，第一配向膜，第一液晶层；第三基板，第三配向膜，第三电极层，相邻的第三电极层长度方向的轴线之间形成液晶单元，第四配向膜；第三配向膜与第一液晶层相对，第二电极层，第二配向膜，第二配向膜与第四配向膜之间分布有第二液晶层。本实用新型提供的液晶透镜，缩短液晶透镜在2D显示模式和3D显示模式之间转换时所需的时间，大大降低液晶透镜的响应时间，提高画面的流畅程度。同时通过双层结构液晶透镜下层结构的液晶分子固化设置，减小各个液晶透镜单元交界处电极边缘场效应，提高观看舒适度。

Description

液晶透镜、立体显示装置

技术领域

本实用新型涉及3D显示设备领域，特别是涉及液晶透镜、立体显示装置。

背景技术

采用液晶透镜来实现自由立体显示的立体显示装置，主要是利用在液晶层两侧的两片基板上分别设置正负电极，并在不同电极上施加大小不同的驱动电压，从而在两片基板间形成具有不同强度的垂直电场，以驱动液晶分子排列而形成可变焦液晶透镜。因此，只需要控制相应电极上的电压分布，液晶透镜的折射率分布就会相应的改变，从而对像素出射光的分布进行控制，实现自由立体显示和2D/3D自由切换。

如图1所示，图1为一种常见的液晶透镜阵列结构100示意图，它含有多个液晶透镜单元如L1与L2等，每个透镜单元如L1与L2等具有相同的结构。具体的讲，液晶透镜阵列100包含第一基板101与第二基板102，第一基板101与第二基板102正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板101上设置有第一电极103，第一电极103一般为透明导电材料如ITO或者IZO等，在第二基板102上设置有第二电极107，第二电极107也为透明导电材料如ITO或者IZO。在每一个透镜单元之内，以L1为例，第一电极103包含S11,S12,S13,…,S18,S19等多个以一定间隔分开并平行设置的条形电极，电极的数量一般为奇数(以下以九电极为例进行说明)，每个条形电极的宽度分别为W(S11),W(S12),W(S13),...,W(S18),W(S19)等，一般而言条形电极具备相同的宽度，即W(S11)=W(S12)=W(S13)=...=W(S18)=W(S19)。在两个液晶透镜单元如L1与L2之间，共用同一个条形电极S19(S21)。除此之外，液晶透镜阵列100还包括设置在第一电极103上的介电材料104，设置在第二电极107上的配向膜108以及设置在介电材料104上的配向膜105用于控制液晶分子的取向，液晶材料106被封装在第一基板101与第二基板102之间。虽然图1中未画出，但液晶透镜阵列100还包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)等。

如图2所示，当需要进行3D显示时，在第一电极103的各个条形电极如S11,S12,S13,…,S18,S19（以透镜单元L1为例）等上施加左右对称的电压，第二电极107作为公用电极其电压设置为零，以正性液晶材料(即△ε=ε∥-ε⊥>0，式中ε∥为液晶分子长轴方向的介电系数，ε⊥为液晶分子短轴方向的介电系数。)为例，可以使V(S11)=V(S19)>V(S12)=V(S18)>V(S13)=V(S17)>V(S14)=V(S16)>V(S15)，即在液晶透镜单元的中心电极S15上施加的电压最小，而在透镜单元的边缘电极S11,S19上施加的电压最大，从透镜中心到透镜边缘各个条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。由于在透镜单元边缘电极上施加的电压最大，边缘电极S11,S19位置的液晶分子基本上呈现垂直方向分布，而越靠近透镜单元的中心电压越小，因此液晶分子会逐渐倾向于水平方向排列。在每一个透镜单元内，由于电压对称分布，液晶材料随着电场强度的变化呈现折射率的渐变，因而整个液晶透镜整列具备较好的光学成像特性。

一方面，折射率渐变透镜即GRIN LENS光程差公式△nd=D²/(8f)，其中△n=nmax-n(r)=ne-n(r)，ne即液晶材料对非寻常光折射率，折射率n(r)作为位置r的函数在不同位置会有所不同。在如图2中，每个透镜单元的边缘电极如S11，S19(S21)以及S29位置由于液晶分子呈垂直状态，n(r)=no，而在每个透镜的中心电极如S15，S25位置液晶分子长轴呈现水平状态，n(r)=ne。D即每个透镜单元开口的大小，f为透镜单元的焦距，d为液晶盒厚。由此可知到当液晶材料(△n)、焦距(f)确定之后，液晶盒厚d随着透镜开口D的增加以平方关系增大，而液晶透镜响应时间t∝d²，导致液晶透镜响应时间很慢。

另一方面，在每个液晶透镜单元如L1内的各个条形电极如S11,S12,S13,…,S18,S19等上施加对称的电压后，通过电压优化设置，可以得到每个透镜单元内光程差分布。为减小液晶透镜在3D显示时引起的串扰，避免左(右)眼画面信息分别被右(左)眼察觉到降低立体显示的品质，因此需要液晶透镜与抛物型透镜光程差分布相吻合。

图3比较了优化后的常见液晶透镜光程差分布(模拟结果)与抛物型透镜光程差分布的差异。可以看出，尽管液晶透镜单元经过电压优化后光程差分布曲线在透镜中心基本与理想抛物线接近，但在两个液晶透镜单元交界处(图中以方框标识)，液晶透镜光程差分布仍然明显偏离理想抛物线，从而造成使用液晶透镜的立体显示装置产生较大串扰，降低了立体显示效果和观察舒适度。

实用新型内容

本实用新型提供了一种液晶透镜，用以改善上述弊端。

基于所述问题，本实用新型提供了一种液晶透镜，包括相对设置的第一基板和第二基板，位于第一基板与第二基板之间的间隙子，以及封装在第一基板与第二基板周边的封框胶，所述第一基板上覆盖有第一电极层，所述第一电极层上覆盖有第一配向膜，所述第一配向膜上分布有液晶分子固化后的第一液晶层；还包括第三基板，所述第三基板的一侧覆盖有第三配向膜，另一侧覆盖有等距离间隔平行设置的条状第三电极层，相邻的所述第三电极层长度方向的轴线之间形成液晶单元，所述第三电极层上覆盖有第四配向膜；所述第三配向膜与所述第一液晶层相对，所述第二基板上覆盖有第二电极层，所述第二电极层上覆盖有第二配向膜，所述第二配向膜与所述第四配向膜之间分布有第二液晶层。

优选地，还包括分布在所述第一液晶层内的与所述第三电极层长度方向平行且等距离间隔设置的条状第三液晶层。

优选地，所述第三液晶层与所述第三电极层的位置相对且一一对应。

优选地，所述第一电极层为等距离间隔平行设置的条状结构，所述第一电极层与所述第三电极层位置相对且一一对应。

优选地，相邻的所述第三电极层之间设有平行于所述第三电极层且等距离间隔的第四电极层。

本实用新型还提供了一种立体显示装置，包括上述实施方式中所述的液晶透镜。

本实用新型提供的液晶透镜，在保证液晶透镜相同聚焦能力的情况下，与传统液晶透镜相比，该双层结构液晶透镜能将响应时间降低为原来的1/4，缩短液晶透镜在2D显示模式和3D显示模式之间转换时所需的时间，大大降低液晶透镜的响应时间，提高画面的流畅程度。同时通过双层结构液晶透镜下层结构的液晶分子固化设置，减小各个液晶透镜单元交界处电极边缘场效应，减小液晶单元与抛物型透镜之间因光程差不吻合的问题带来的串扰，提高观看舒适度。

附图说明

图1为现有技术中液晶透镜在未加电压情况下的结构示意图；

图2为现有技术中液晶透镜在加电压情况下的结构示意图；

图3为优化后的常见液晶透镜光程差分布与抛物型透镜光程差分布的差异的曲线图；

图4为本实用新型实施方式中液晶透镜的局部结构示意图；

图5为第一液晶层和第三液晶层的结构示意图；

图6为本实用新型实施方式中液晶透镜加电压后的局部结构示意图；

图7为本实用新型实施方式中液晶透镜的第一区域与第二区域光程差的曲线图；

图8为本实用新型实施方式中第二种液晶透镜的局部结构示意图；

图9为本实用新型实施方式中第三种液晶透镜的局部结构示意图；

图10为本实用新型实施方式的液晶透镜在2D显示模式下的示意图；

图11为本实用新型实施方式的液晶透镜在3D显示模式下的示意图；

图12～图14为本实用新型实施方式的液晶透镜的形成过程的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型的具体实施方式进行说明。

本实用新型提供了一种液晶透镜1000，包括相对设置的第一基板1001和第二基板1002，位于第一基板1001与第二基板1002之间的间隙子，以及封装在第一基板1001与第二基板1002周边的封框胶，第一基板1001上覆盖有第一电极层1003，第一电极层1003上覆盖有第一配向膜1004，第一配向膜1004上分布有液晶分子固化后的第一液晶层1005；还包括第三基板1008，第三基板1008的一侧覆盖有第三配向膜1007，另一侧覆盖有等距离间隔平行设置的条状第三电极层1009，相邻的第三电极层1009长度方向的轴线之间形成液晶单元，第三电极层1009上覆盖有第四配向膜1010；第三配向膜1007与第一液晶层1005相对，第二基板1002上覆盖有第二电极层1011，第二电极层1011上覆盖有第二配向膜1012，第二配向膜1012与第四配向膜1010之间分布有第二液晶层1013。

进一步，还包括分布在第一液晶层1005内的与第三电极层1009长度方向平行且等距离间隔设置的条状第三液晶层1006。

其中，第三液晶层1006与第三电极层1009的位置相对且一一对应。

如图4所示，液晶透镜1000含有多个液晶透镜单元如第一液晶单元1、第二液晶单元2与第三液晶单元3等(图中只画出了三个透镜单元)，每个液晶单元具有相同的结构。具体的讲，液晶透镜1000包含第一基板1001、第二基板1002与第三基板1008。第一基板1001、第二基板1002与第三基板1008正对设置，其中第一基板1001为柔性透明基材，如耐高温PET，第二基板1002与第三基板1008可以是玻璃等透明基材，各个基板具有相同或者相近的折射率。在第一基板1001上设置有第一电极层1003，第一电极层1003一般为整面透明导电材料，如ITO或者IZO等，无需特殊图形。在第一电极层1003之上设置有第一配向膜1004，第一配向膜1004可以是聚酰亚胺等有机材料，用于控制液晶分子取向，第一配向膜1004的摩擦方向与液晶透镜所使用的2D显示模组出光方向平行，即2D显示模组上偏光片透光轴方向。在第一配向膜1004之上设置有第一液晶层1005，第一液晶层中还包含第三液晶层1006(参照图5)，其中第一液晶层1005为正性紫外固化型液晶材料，具备常温下呈现固态，高温下熔化成为液晶态，经涂布、高温配向后可紫外固化等特性；而第三液晶层1006为具备较宽工作温度范围、常温呈液晶态的正性液晶材料(即△ε=ε∥-ε⊥>0，式中ε∥为液晶分子长轴方向的介电系数，ε⊥为液晶分子短轴方向的介电系数。)。设第一液晶层1005中液晶对非寻常光折射率为ne(1005)，第三液晶层中液晶对寻常光折射率为no(1006)，要求ne(1005)>no(1006)。

在第二基板1002正对第一基板1001的一侧设置有第二电极层1011，第二电极层1011一般为整面透明导电材料，如ITO或者IZO等，无需特殊图形。在第二电极层1011之上设置有第二配向膜1012，第二配向膜1012可以是聚酰亚胺等有机材料，用于控制液晶分子取向，第二配向膜1012的摩擦方向与第一配向膜1004的摩擦方向平行设置。

在第三基板1008正对第一基板1001的一侧，设置有第三配向膜1007，第三配向膜1007可以是聚酰亚胺等有机材料，用于控制液晶分子取向，第三配向膜1007的摩擦方向与第一配向膜1004的摩擦方向平行设置。在第三基板1008正对第二基板1002的一侧，设置有第三电极层1009，第三电极层1009为透明导电材料如ITO或者IZO。第三电极层1009通过溅射、上光刻胶1020、曝光、显影、蚀刻以及去除光刻胶1020等主要工序形成，第三电极层1009形成条形电极，每两个透镜单元如第一液晶单元1与第二液晶单元2以及第二液晶单元2与第三液晶单元3共用一个第三电极层1009。在第三电极层1009正对第二基板1002一侧，设置有第四配向膜1010，第四配向膜1010可以是聚酰亚胺等有机材料，用于控制液晶分子取向，第四配向膜1010的摩擦方向与第一配向膜1004的摩擦方向平行设置。

在第二基板1002与第三基板1008之间设置有第二液晶层1013，第二液晶层1013可以选择与第三液晶层1006相同的液晶材料。除此之外，液晶透镜1000还包括第一基板1001与第三基板1008之间用于封装第一液晶层1005与第三液晶层1006的周边封框胶、第二基板1002与第三基板1008之间封装第二液晶层1013的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)等。

图6是液晶透镜第一实施方式在3D显示模式下液晶分子取向示意图。以第一液晶单元1为例，可以将第一电极层1003与第二电极层1011作为公用电极，电压设置为零。而第三电极层1009上施加一个相同的电压，根据第三液晶层1006与第二液晶层1013的厚度以及液晶材料特性而定，该电压应足以在第一电极层1003与第三电极层1009之间以及在第二电极层1011与第三电极层1009之间产生较大的压差，使得第三电极层1009之上的正性液晶材料的分子长轴沿着第三电极层1009的排布方向排列。

由于第一电极层1003与第三电极层1009之间存在较大的压差，第三液晶层1006液晶分子长轴沿着第三电极层1009的长度方向排列，第一液晶层1005由于紫外固化后不受电场影响；由于第二电极层1011与第三电极层1009之间有较大的压差，在第三电极层1009之上第二液晶层1013的液晶分子长轴沿着垂直第二液晶层1013的方向排列，在每个液晶单元之内，由于第三电极层1009与第二电极层1011之间的侧向电场随着距离第三电极层1009越远则电场越弱，导致在每个液晶单元内，边缘的液晶分子压差最大，中心的液晶分子压差最小，从液晶单元的边缘到中心，压差以一定的梯度进行分布，使得在第三电极层1009之上的液晶分子长轴沿着垂直第二液晶层1013的方向排列，而越靠近液晶单元中心，液晶分子会逐渐倾向于水平方向排列。3D显示模式下，由第一液晶层1005与第二液晶层1013共同引起的光程差在每个液晶单元内呈现由小到大，再由大到小的渐变趋势，如图7，图中虚线部分表示液晶透镜1000的第一区域1060引起的光程差，而实线部分表示由液晶透镜1000的第二区域1070引起的光程差。

在聚焦能力相同的情况下，该液晶透镜1000的第二液晶层1013以及第一液晶层1005与第三液晶层1006的厚度分别为一般结构的液晶透镜液晶层厚度的1/2，由于液晶响应时间t∝d²，因此采用该结构的液晶透镜可以将响应时间缩短为一般结构的液晶透镜响应时间的1/4，使得2D模式与3D模式之间的切换变得更为流畅。

对第一液晶层1005而言，第一液晶层1005属于紫外固化型液晶，在完成配向并紫外固化后液晶分子取向不再受到电场影响，第三液晶层1006由于是正性液晶材料，3D模式下可以通过形成较大的压差保证其分子长轴沿着垂直第三配向膜1007的方向排列，与一般结构液晶透镜相比，在相邻两个液晶单元之间形成较小的串扰，光程差分布更接近理想的抛物型曲线，提高3D模式下的观看舒适度。

进一步，如图8所示，本实用新型的一个事实方式中列举出：第一电极层1003为等距离间隔平行设置的条状结构，第一电极层1003与第三电极层1009位置相对且一一对应。在本实施方式中，为进一步减小第一电极层1003与第三电极层1009之间的侧向电场，将第一电极层1003设置为多个，之间间隔开并沿着长度方向延展的条形电极，各个第一电极层1003中心到中心的间距为一个透镜的宽度。各个第一电极层1003位于第三电极层1009的正下方，第一电极层1003在排布方向的宽度小于或者等于第三电极层1009在排布方向的宽度，第一电极层1003仍作为公用电极电压设置为零。

更进一步，如图9所示，相邻的第三电极层1009之间设有平行于第三电极层1009且等距离间隔的第四电极层1014。在本实施方式中，第三电极层1009在每个液晶单元（如第一液晶单元1）内只有左右两个电极，在本实施方式中，将第三电极层1009设置为每个液晶单元内含有多个在排布方向以一定间隔隔开并沿着长度方向延展的条形电极，透镜中心的第四电极层1014在排布方向的宽度小于每个第三电极层1009的宽度，通过在第四电极层1014上施加梯度变化的电压，进一步平缓每个液晶单元内电场梯度的变化。

图10是液晶透镜在2D显示模式下的示意图。当第一电极层1003、第二电极层1011以及第三电极层1009上都不施加电压时，无论哪个液晶层中的液晶，分子长轴均沿着各个配向膜摩擦方向取向，对于从2D显示模组垂直射入的光线不产生光程差。2D显示模式下，液晶透镜1000不对原有影像进行调制，整个液晶透镜立体显示装置的亮度、分辨率等主要特性参数基本不受影响。

图11是液晶透镜在3D显示模式下的示意图。当第一电极层1003、第二电极层1011以及第三电极层1009上施加对应的驱动电压时，除第一液晶层1005紫外固化型液晶分子取向不变外，第三液晶层1006的分子长轴取向垂直于第三配向膜1007表面，第二液晶层1013中液晶在梯度电场的驱动下产生不同的分子取向，使得每个液晶透镜单元内产生抛物型光程差。在3D显示模式下，每个液晶单元都起到类似一个凸透镜的功能，实现左右眼影像分离，从而观看到立体效果。

本实用新型还提供了一种立体显示装置，包括上述实施方式中的液晶透镜1000。

如图12～图14所示，下面简要解释一下液晶透镜1000的形成过程，液晶透镜包括相对设置的第一基板1001和第二基板1002，第一基板1001上覆盖有第一电极层1003，第一电极层1003上覆盖有第一配向膜1004，第一配向膜1004上分布有液晶分子固化后的第一液晶层1005；还包括第三基板1008，第三基板1008的一侧覆盖有第三配向膜1007，另一侧覆盖有等距离间隔平行设置的条状第三电极层1009，相邻的第三电极层1009长度方向的轴线之间形成液晶单元，第三电极层1009上覆盖有第四配向膜1010；第三配向膜1007与第一液晶层1005相对，第二基板1002上覆盖有第二电极层1011，第二电极层1011上覆盖有第二配向膜1012，第二配向膜1012与第四配向膜1010之间分布有第二液晶层1013，

首先在第一基板1001上形成第一电极层1003；

在第一电极层1003上形成第一配向膜1004；

在第一配向膜1004之上涂布光刻胶，所涂布的光刻胶厚度为第一液晶层1005的厚度；

第一基板1001从一侧以光罩1021为模板进行单数液晶单元曝光，曝光后进行显影；

在单数液晶单元内涂布固化后的液晶；

将光罩1021沿液晶单元排布的方向平移一个液晶单元；

通过光罩1021进行双数液晶单元曝光，曝光后进行显影；

在双数液晶单元内涂布固化后的液晶，与单数液晶单元形成第一液晶层1005；

在第一液晶层1005上覆盖带第五配向膜的玻璃基板，第五配向膜的摩擦取向与第一配向膜1004的摩擦取向反向设置，且与第五配向膜与第一液晶层1005相对，通过高温下配向，使得第一液晶层1005中的液晶分子长轴沿着第一配向膜的摩擦方向排列，之后进行第一液晶层1005固化；

将玻璃基板从第一液晶层1005上剥离，在第一液晶层1005上涂布一层光刻胶1020；

将光罩1021覆盖在光刻胶1020上，并进行曝光，曝光后进行显影；

首先干蚀刻去除单数液晶单元和双数液晶单元之间的光刻胶1020，再去除单数液晶单元和双数液晶单元表面的光刻胶1020；

在单数液晶单元与双数液晶单元之间涂布第三液晶层1006；

将带第三配向膜1007的第三基板1008贴合在第一液晶层1005上，第三配向膜1007与第一液晶层1005相对；

将第二基板1002上的第二配向膜1012一侧与第四配向膜相对，并向第二配向膜1012与第四配向膜1010之间灌入第二液晶层1013。

优选地，第一液晶层1005可以通过紫外光照射进行固化。

本实用新型提供的液晶透镜，在保证液晶透镜相同聚焦能力的情况下，与传统液晶透镜相比，该双层结构液晶透镜能将响应时间降低为原来的1/4，缩短液晶透镜在2D显示模式和3D显示模式之间转换时所需的时间，大大降低液晶透镜的响应时间，提高画面的流畅程度。同时通过双层结构液晶透镜下层结构的液晶分子固化设置，减小各个液晶透镜单元交界处电极边缘场效应，减小液晶单元与抛物型透镜之间因光程差不吻合的问题带来的串扰，提高观看舒适度。

以上所述实施方式仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种液晶透镜，包括相对设置的第一基板和第二基板，位于第一基板与第二基板之间的间隙子，以及封装在第一基板与第二基板周边的封框胶，其特征在于，所述第一基板上覆盖有第一电极层，所述第一电极层上覆盖有第一配向膜，所述第一配向膜上分布有液晶分子固化后的第一液晶层；还包括第三基板，所述第三基板的一侧覆盖有第三配向膜，另一侧覆盖有等距离间隔平行设置的条状第三电极层，相邻的所述第三电极层长度方向的轴线之间形成液晶单元，所述第三电极层上覆盖有第四配向膜；所述第三配向膜与所述第一液晶层相对，所述第二基板上覆盖有第二电极层，所述第二电极层上覆盖有第二配向膜，所述第二配向膜与所述第四配向膜之间分布有第二液晶层。

2.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，还包括分布在所述第一液晶层内的与所述第三电极层长度方向平行且等距离间隔设置的条状第三液晶层。

3.根据权利要求2所述的液晶透镜，其特征在于，所述第三液晶层与所述第三电极层的位置相对且一一对应。

4.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一电极层为等距离间隔平行设置的条状结构，所述第一电极层与所述第三电极层位置相对且一一对应。

5.根据权利要求4所述的液晶透镜，其特征在于，相邻的所述第三电极层之间设有平行于所述第三电极层且等距离间隔的第四电极层。

6.一种立体显示装置，其特征在于，包括权利要求1～5中任意一项所述的液晶透镜。