TWI417576B - 液晶透鏡 - Google Patents

Description

液晶透鏡

本發明係有關於液晶透鏡，特定而言係有關於一可改變曲率之液晶透鏡。

透鏡係基本之光學器件，在光學儀器與設備中隨處可見。隨著光學技術之發展，對透鏡之要求越來越高：透鏡焦距之連續可變、大焦距之透鏡以及相差小等。無論係哪一種，要想滿足要求都會使得光學系統變得龐大而複雜。

微型透鏡亦係一種重要的光學器件，目前用傳統之工藝法製作主要有粒子交換法、模壓成型法、光敏玻璃熱成型法及光刻膠熱溶成型法。由於所用材料與傳統工藝之限制，使得用這些方法製作之微型透鏡有一個共同特點，就是透鏡只有一個焦距。要得到一個較大之焦距範圍，需用一組透鏡，通過機械調節透鏡間之間距才能實現。使用一組透鏡不僅增加器件成本，增大設備體積，而且不易有效實現所需要之焦距。而且，透鏡組使用久了，由於震動等原因，可能會導致無法修正之偏心等問題。

液晶透鏡可應用於很多領域，如光學成像相關領域、三維(3D)顯示領域。以三維(3D)立體影像之顯示技術為例，製作3D立體影像顯示裝置係利用雙眼視差的基礎來進行設計，讓使用者的左眼僅觀看到給左眼的影像而右眼僅觀看到給右眼的影像。利用雙眼視差產生立體感的顯示方式多需配戴特殊器具來達成，常見的方法包含利用偏光眼鏡、紅藍(綠)眼鏡、快門眼鏡及頭盔式顯示器等方式來達成。然，上述之顯示方法不論成本高低都需要使用者配戴特殊器具才得以觀看到立體影像，因而對使用者而言多少都會造成不便之感覺，因此，近年來則著重於開發不需要配戴任何特殊器具即可觀賞到立體影像的裸眼式3D立體顯示裝置。

不需要配戴任何特殊器具即可觀賞到立體影像的裸眼式3D立體顯示裝置以雙眼視差的基礎來設計則稱為視差法裸眼式3D立體顯示裝置。此種3D立體顯示裝置係為於顯示器(例如液晶顯示器)之光源陣列的前方設置視差屏障(Parallax)或光柵等遮蔽物，而其中光源陣列並依序傳送左眼影像及右眼影像，使得透過視差屏障讓使用者的左眼看到左眼影像而使用者的右眼看到右眼影像。另外不需配戴任何特殊器具即可觀賞立體影像之技術亦包含集成攝影(Integral Photography，以下簡稱為IP)立體顯示技術。主要技術原理係透過蠅眼透鏡(Fly’s-Eye Lens)以記錄全息彩色立體圖像，其中蠅眼透鏡即為類似蠅眼排列組合而成的微小凸透鏡陣列，也就是將一系列半球形小透鏡排列在平面上，用來攝影或顯示圖像。由於蠅眼透鏡的製作方式較為困難，因此不直接使用蠅眼透鏡，而以柱狀透鏡分別以水平方向與垂直方向疊置來達到蠅眼透鏡之效果，由於柱狀透鏡相較於蠅眼透鏡來說較容易製作，因此可減少製作透鏡之成本。近年來，人們提出了採用液晶技術製作可變焦微透鏡，液晶微透鏡採用光透射方式，具有控制簡單，可靠性強及驅動電壓低等優點，其具有巨大之潛在應用性。

傳統之液晶透鏡係將適當電壓施加於透明電極上，以於透明電極之間形成具有梯度變化之電場。液晶材料層在受到此電場之驅動後將改變液晶之長軸方向。因此，入射線極化光波將因具有不同折射率變化之液晶材料層產生光波相位之變化，而得到如透鏡般之光學成像特性。

典型之傳統液晶透鏡係如第1圖所示。傳統之液晶透鏡包含上基板101、下基板102、透明電極層103、配向膜105以及液晶材料層106。上基板101及下基板102係相對設置。透明電極層103係設置於上基板101及下基板102之內側上。其中一個透明電極層103包含開孔104形成於其中。配向膜105係進一步設置於透明電極層103之內側上及開孔104內。液晶材料層106係設置於配向膜105之間之空間內。電壓107則係施加於相對之透明電極層103上，以於透明電極層103之間形成電場。

上述傳統液晶透鏡存在若干缺點，例如無法同時具有有效工作範圍大及短焦距之特性。如第2A圖及第2B圖所示，當透明電極層103之範圍為寬時，傳統之液晶透鏡之開孔104，即有效工作範圍，遂變為狹小，且其焦距亦會變短。是故，雖上述傳統液晶透鏡之焦距短，光學成像性佳，但其有效工作範圍小，透鏡開口率小。如第3A圖及第3B圖所示，當透明電極層103之範圍為窄時，傳統之液晶透鏡之開孔104，即有效工作範圍，遂變為寬大。然而，其焦距亦會變長，故光學成像性不佳。因此，雖上述傳統液晶透鏡之有效工作範圍大，透鏡開口率大，但其焦距長，光學成像性差。

是故，現今仍需一能解決上述無法同時具有有效工作範圍大及短焦距特性之問題之液晶透鏡。

為解決上述傳統技術之問題，本發明係提供一種可改變曲率之液晶透鏡。

於一觀點中，本發明係揭露一種液晶透鏡，包含上基板；下基板，其相對於上述上基板設置；一對透明電極層，其設置於上述上基板及上述下基板之內側上，其中該對透明電極層之一包含開孔形成於其中，且其邊緣包含連續尖狀部；一對配向膜，其設置於該對透明電極層之內側上及開孔內；以及液晶材料層，其設置於該對配向膜之間。

本發明之一優點係為本發明之液晶透鏡具有有效工作範圍大之特性。

本發明之一優點係為本發明之液晶透鏡具有透鏡開口率大之特性。

本發明之一優點係為本發明之液晶透鏡具有短焦距之特性。

本發明之一優點係為本發明之液晶透鏡具有低施加電壓之特性。

此類及其他優點從以下較佳實施例之敘述並伴隨後附圖式及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。

本發明將以較佳實施例及觀點加以敘述，此類敘述係解釋本發明之結構及程序，僅用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之較佳實施例以外，本發明亦可廣泛實行於其他實施例中。

本發明係揭露一種液晶透鏡。藉由將液晶透鏡之透明電極層之邊緣設計為連續尖狀例如鋸齒狀，可使本發明之液晶透鏡得具有透鏡開口率大、低施加電壓及短焦距之特性。

如第4A圖及第4B圖所示，於本發明之一實施例中，本發明之液晶透鏡包含上基板201、下基板202、一對透明電極層203、一對配向膜205以及液晶材料層206。第4A圖係為第4B圖之俯視圖。如第4B圖所示，上基板201及下基板202係彼此相對設置，而透明電極層203係彼此相對設置於上基板201及下基板202之內側上。於本發明之一實施例中，上基板201及下基板202之材料包含玻璃或任何其他透明材料。於本發明之一實施例中，透明電極層203之材料包含氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide,IZO)或任何其他透明導電材料。

相對之透明電極層203中之其中之一透明電極層203包含一開孔204形成於其中。開孔204係對應至本發明之液晶透鏡之有效工作範圍。若開孔204之範圍越大，則本發明之液晶透鏡之有效工作範圍越大，亦即本發明之液晶透鏡之開口率越大。配向膜205係彼此相對設置於開孔204內以及透明電極層203之內側上，亦即相對之配向膜205中之其中之一配向膜205之一部分係設置於開孔204內，其餘部份之配向膜205係設置於透明電極層203之內側上。於本發明之一實施例中，配向膜205之材料包含聚亞醯胺(polyimide,PI)。液晶材料層206則係設置於相對之配向膜205之間所形成之空間內。如第4B圖所示，在工作狀態時，可將一電壓207施加於透明電極層203之上，以於透明電極層203上累積電荷，進而於透明電極層203之間形成電場，以控制液晶材料層206之軸向分佈。

如第4A圖所示，本發明之液晶透鏡之透明電極層203在靠近開孔204之邊緣上形成有連續尖狀部208。於本發明之一實施例中，連續尖狀部208之形狀可為規則鋸齒狀或不規則鋸齒狀。如第4A圖所示，於本發明之一實施例中，規則鋸齒狀可為複數個等邊三角形、等腰三角形或任意三角形所組成(第4A圖所示為等邊三角形)。如第4A圖所示，上述等邊三角形、等腰三角形或任意三角形之底邊長為a。若底邊長a越小，則連續尖狀部208越尖，亦即曲率越大。曲率越大，則連續尖狀部208之尖端處所累積之電荷量越多。所累積之電荷量越多，則透明電極層203之間所形成之電場則越大。透明電極層203之間形成之電場強度越大，則液晶透鏡之焦距則越短。反之，若底邊長a越大，則連續尖狀部208越鈍，亦即曲率越小。曲率越小，則連續尖狀部208之尖端處所累積之電荷量越少。所累積之電荷量越少，則透明電極層203之間所形成之電場則越小。透明電極層203之間形成之電場強度越小，則液晶透鏡之焦距則越長。於一實施例中，底邊長a可為2微米~100微米，較佳為5微米。

於本發明之另一實施例中，如第5A圖至第5C圖所示，靠近開孔204之透明電極層亦可設置成複數條彼此相隔一預定距離之帶狀透明電極層203a。於本發明之一實施例中，如第5A圖及第5B圖所示，上述複數條帶狀透明電極層203a之一側或兩側之邊緣上可設置連續尖狀部208。於本發明之一實施例中，上述複數條帶狀透明電極層203a邊緣上之連續尖狀部208之曲率可隨距離液晶透鏡中心之距離而改變。於一實施例中，如第5C圖所示，每一帶狀透明電極層203a邊緣上之連續尖狀部208之曲率與該帶狀透明電極層203a距離液晶透鏡中心之距離呈正相關。如第5C圖所示，當帶狀透明電極層203a越靠近液晶透鏡之中心時，帶狀透明電極層203a之邊緣上所形成之連續尖狀部208之曲率越小。例如，若連續尖狀部208之形狀為等邊三角形、等腰三角形或任意三角形所組成之規則鋸齒狀，則帶狀透明電極層203a越靠近液晶透鏡之中心時等邊三角形、等腰三角形或任意三角形之底邊長越大，連續尖狀部208越鈍。如第5C圖所示，當帶狀透明電極層203a越遠離液晶透鏡之中心時，帶狀透明電極層203a之邊緣上所形成之連續尖狀部208之曲率越大。例如，若連續尖狀部208之形狀為等邊三角形、等腰三角形或任意三角形所組成之規則鋸齒狀，則帶狀透明電極層203a越遠離液晶透鏡之中心時等邊三角形、等腰三角形或任意三角形之底邊長越小，連續尖狀部208越尖。

藉由於透明電極層203之邊緣設置連續尖狀部208，可使電荷更容易累積於連續尖狀部208之尖端處，而增加透明電極層203上所累積之電荷量。若三角形底邊長a越短，若小於兩邊，則其相對應於底邊之夾角越尖，則累積在透明電極層203之連續尖狀部208之尖端處之電荷越多。當累積在連續尖狀部208之尖端處之電荷量越多，則透明電極層203之間所形成之電場則將越大。透明電極層203之間形成之電場強度越大，則液晶透鏡之焦距則越短。故在施加相同電壓下，連續尖狀部208之設計可增加透明電極層203之間所形成之電場強度，進而使液晶透鏡之液晶材料層206軸向分佈所產生之液晶透鏡焦距縮短。

一般而言，開孔204之範圍越大，則液晶透鏡之焦距亦越大。然而，透過本發明之連續尖狀部208之設計，即使為了讓本發明之液晶透鏡開口率增加而增加開孔204之範圍，仍可透過增加連續尖狀部208之曲率，即縮小第4A圖所示之底邊長a，而增加連續尖狀部208之尖端處所累積之電荷量，而使液晶透鏡仍保有短焦距之特性。再者，由於連續尖狀部208之設計可使電荷更容易累積在透明電極層203之連續尖狀部208之尖端處，故僅需施加低電壓，就可產生所欲電場。因此，連續尖狀部208之設計可使本發明之液晶透鏡僅需施加低電壓，即可達到所欲電場，進而達到所欲之短焦距。是故，如上所述，藉由連續尖狀部208之設計，本發明之液晶透鏡可具有透鏡開口率大(即有效工作範圍大)、短焦距、低施加電壓之特性。

上述敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

101．．．上基板

102．．．下基板

103．．．透明電極層

104．．．開孔

105．．．配向膜

106．．．液晶材料層

107．．．電壓

201．．．上基板

202．．．下基板

203．．．透明電極層

203a．．．帶狀透明電極層

204．．．開孔

205．．．配向膜

206．．．液晶材料層

207．．．電壓

208．．．連續尖狀部

本發明可藉由說明書中之若干較佳實施例及詳細敘述與後附圖式而得以瞭解。圖式中相同之元件符號係指本發明中之同一元件。然而，應理解者為，本發明之所有較佳實施例係僅用以說明而非用以限制申請專利範圍，其中：

第1圖係為傳統液晶透鏡之橫切面示意圖。

第2A圖係為具有寬範圍透明電極層之傳統液晶透鏡之俯視圖。

第2B圖係為具有寬範圍透明電極層之傳統液晶透鏡之橫切面示意圖。

第3A圖係為具有窄範圍透明電極層之傳統液晶透鏡之俯視圖。

第3B圖係為具有窄範圍透明電極層之傳統液晶透鏡之橫切面示意圖。

第4A圖係根據本發明之一實施例顯示液晶透鏡之俯視圖。

第4B圖係根據本發明之一實施例顯示液晶透鏡之橫切面示意圖。

第5A圖係根據本發明之一實施例顯示液晶透鏡中之帶狀透明電極層之示意圖。

第5B圖係根據本發明之另一實施例顯示液晶透鏡中之帶狀透明電極層之示意圖。

第5C圖係根據本發明之又另一實施例顯示液晶透鏡中之帶狀透明電極層之示意圖。

201．．．上基板

203．．．透明電極層

204．．．開孔

208．．．連續尖狀部

Claims (10)

1. 一種液晶透鏡，包含：一上基板；一下基板，其相對於該上基板設置；一對透明電極層，其設置於該上基板及該下基板之內側上，其中該對透明電極層之其中之一者包含一開孔形成於其中，且該開孔之邊緣包含連續尖狀部，其中該對透明電極層之其中之一者包含複數條帶狀透明電極層，該複數條帶狀透明電極層彼此相隔一預定距離且該複數條帶狀透明電極層之邊緣包含該連續尖狀部；一對配向膜，其設置於該對透明電極層之內側上；以及一液晶材料層，其設置於該對配向膜之間。
2. 如請求項1所述之液晶透鏡，其中該對配向膜之一部份係設置於該開孔內。
3. 如請求項1所述之液晶透鏡，其中該連續尖狀部之形狀包含規則鋸齒狀。
4. 如請求項3所述之液晶透鏡，其中該規則鋸齒狀包含複數等邊三角形、等腰三角形或任意三角形。
5. 如請求項4所述之液晶透鏡，其中該等邊三角形、等腰三角形或任意三角形之底邊長約為2微米~100微米。
6. 如請求項5所述之液晶透鏡，其中該等邊三角形、等腰三角形或任意三角形之底邊長較佳約為5微米。
7. 如請求項1所述之液晶透鏡，其中該連續尖狀部之形狀包含不規則鋸齒狀。
8. 如請求項1所述之液晶透鏡，其中該對透明電極層之材料包含氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)或氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide,IZO)。
9. 如請求項1所述之液晶透鏡，其中該對配向膜之材料包含聚亞醯胺(polyimide,PI)。
10. 如請求項1所述之液晶透鏡，其中該複數條帶狀透明電極層之該連續尖狀部之曲率隨該複數條帶狀透明電極層距離該液晶透鏡中心之距離呈正相關。