TWI529450B - 液晶透鏡及包含該液晶透鏡之顯示器 - Google Patents

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TWI529450B
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Description

液晶透鏡及包含該液晶透鏡之顯示器
相關申請案之交互參照
本申請案主張於2011年6月30日向韓國智慧財產局提出，申請號為10-2011-0064896之韓國專利申請案之優先權效益，其全部內容納於此處作為參考。
本揭露係有關於一種控制光學路徑之液晶透鏡以及包含該液晶透鏡之顯示器。
顯示器藉由使用不同方法發出光線以顯示影像。顯示器所使用之發光方法通常作為決定顯示器之種類的基礎。為了有效地控制所發射光線之亮度與改善顯示品質，各界競相進行關於發光方法的各種不同研究。
藉由控制光學路徑以顯示3D影像的立體影像顯示器相關研究最近獲得眾多的注目。此種立體影像顯示器之原理係基於當左眼影像輸入觀測者的左眼且右眼影像輸入觀測者的右眼時，觀測者得以感知立體影像。而目前已發展出的方法有例如使用眼鏡之偏振片方法(polarized method)、分時法(time-division method)、不需使用眼鏡之視差屏障法(parallax-barrier method)、透 鏡或微透鏡法(lenticular or microlens method)、以及閃爍光信號法(blinking light method)。
長時間僅觀賞3D影像可能造成觀測者感覺暈眩。此外，觀測者可能不僅想要觀賞3D影像內容，也想要觀賞2D影像內容。
本發明之態樣提供一種可以控制光學路徑的液晶透鏡。
本發明之態樣亦提供一種可控制光學路徑的顯示器。
然而本發明之態樣並不限於此處所揭露者。藉由參考下方之本發明實施例之詳細說明，所屬技術領域中具有通常知識者將更為理解本發明上述與其他態樣。
若光學路徑可根據模式而有不同的調控，則可能顯示2D或3D影像。自由地控制光學路徑可具有除了顯示器外多種不同的光學應用。
根據一態樣，係提供一種液晶透鏡，其包含：相互面對之第一電極與第二電極；液晶層，其係插設於第一電極與第二電極之間且具有平坦頂部表面以及平坦底部表面；以及插設於第二電極以及液晶層之間的介電層；其中介電層包含第一介電次層以及第二介電次層，第一介電次層係由具有與形成第二介電次層之材料之介電常數不同之介電常數之材料所製成，第一介電次層包含一個或多個單位圖樣，每一單位圖樣之表面包含複數個平坦部分，且複數個平坦部分中，第一平坦部分中之每一單位圖樣之高度係不同於第二平坦部分中之單位圖樣之高度。
根據另一態樣，其係提供一種液晶透鏡，其包含：第一電極；設置於第一電極上的液晶層；設置於液晶層之上的介電層；以及以相同形狀形成 於介電層之頂部表面上的第二電極，其中介電層包含一個或多個單位圖樣，每一單位圖樣之頂部表面包含複數個平坦部分，且複數個平坦部分中，第一平坦部分中之每一單位圖樣之高度係與第二平坦部分中之單位圖樣之高度不同。
根據另一態樣，其係提供一種顯示器，其包含：光提供裝置；以及設置於光提供裝置上的液晶透鏡，其中液晶透鏡包含：相互面對之第一電極與第二電極；液晶層，其係插設於第一電極與第二電極之間且具有平坦頂部表面與平坦底部表面；以及插設於第二電極與液晶層之間的介電層，其中介電層包含第一介電次層與第二介電次層，第一介電次層係由具有與形成第二介電次層之材料之介電常數不同之介電常數之材料所製成，第一介電次層包含一個或多個單位圖樣，每一單位圖樣之表面包含複數個平坦部分，且複數個平坦部分中，第一平坦部分中之每一單位圖樣之高度係與第二平坦部分中之單位圖樣之高度不同。
根據另一態樣，其係提供一種製造液晶透鏡之方法，該方法包含：於第一電極上形成介電層；以及於介電層上配置液晶層與第二電極，其中介電層包含第一介電次層與第二介電次層，第一介電次層係由具有與形成第二介電次層之材料之介電常數不同之介電常數之材料所製成，第一介電次層包含一個或多個單位圖樣，每一單位圖樣之表面包含複數個平坦部分，且複數個平坦部分中，第一平坦部分中之每一單位圖樣之高度係與第二平坦部分中之單位圖樣之高度不同。
10、1100、1101、1102、1103、1104、1105、1106、1107、1108、1109、1110、1111、1112、1113、1114、1115、1116、1117、1118、1119、1120‧‧‧液晶透鏡
20‧‧‧光提供裝置
30、300‧‧‧顯示器
101‧‧‧第一基板
102‧‧‧第二基板
110、111‧‧‧第一電極
120、121‧‧‧第二電極
130‧‧‧液晶層
130_1‧‧‧液晶層之頂部表面
130_2‧‧‧液晶層之底部表面
135、235‧‧‧液晶分子
141、142、143、144、145、146、147、149、150、151、152、153、156、158、159、160‧‧‧介電層
141a、142a、143a、144a、145a、146a、147a、148a、149a、150a、151a、152a、153a、154a、155a、156a、158a、159a、160a‧‧‧第一介電次層
141b、142b、143b、144b、145b、146b、147b、148b、149b、150b、151b、152b、153b、154b、155b、156b、158b、159b、160b‧‧‧第二介電次層
150c、151c、152c、153c、154c、155c、157c‧‧‧第三介電次層
152d、153d、154d、155d、157d‧‧‧第四介電次層
141_1‧‧‧介電層之頂部表面
141_2‧‧‧介電層之底部表面
141a_s‧‧‧垂直側壁
148a_s‧‧‧對角部分
158a_1‧‧‧第一堆疊薄膜
158a_2‧‧‧第二堆疊薄膜
158a_3‧‧‧第三堆疊薄膜
160‧‧‧光學透鏡
171a‧‧‧凹陷區域
200‧‧‧液晶顯示面板
210‧‧‧下基板
211‧‧‧像素電極
220‧‧‧上基板
221‧‧‧彩色濾光片
222‧‧‧黑色矩陣
223‧‧‧平坦化薄膜
224‧‧‧共同電極
230‧‧‧液晶分子層
X、Y、Z‧‧‧方向
1/C‧‧‧倒電容
d1、d2‧‧‧高度
ε1、ε2‧‧‧介電常數
E1‧‧‧左眼
E2‧‧‧右眼
f1、f2、f3、f4、f5‧‧‧平坦部分
L1‧‧‧第一單位透鏡部分
L2‧‧‧第二單位透鏡部分
P0、P1、P2‧‧‧位置
PA1至PA12‧‧‧像素區域
S1‧‧‧第一部分
S2‧‧‧第二部分
V1‧‧‧位能差
V21‧‧‧電壓
藉由參考附圖像詳細說明部分實施例將使上述及其他態樣與特徵更為顯而易見，其中： 第1圖 係為描繪顯示器一實施例之構造之示意圖；第2圖 係為液晶透鏡之實施例之剖面圖；第3圖 係為第2圖之介電層於各個位置之彈性度的示意圖；第4圖 係為第2圖之液晶透鏡於第一模式之操作示意圖；第5圖 係為當第2圖之液晶透鏡在第一模式時，各個水平位置之液晶層之折射係數示意圖；第6圖 係為第2圖之液晶透鏡於第二模式之操作示意圖；第7圖 係為當第2圖之液晶透鏡在第二模式時，各個水平位置之液晶層之折射係數示意圖；第8A圖與第8B圖 係為相鄰液晶分子對於本液晶分子之方位造成影響之概念示意圖；第9圖 係為液晶透鏡一實施例之剖面圖；第10圖 係為第9圖之液晶透鏡於第二模式時，各個水平位置之液晶層之折射係數示意圖；第11圖 係為液晶透鏡一實施例之剖面圖；第12圖 係為當第11圖之液晶透鏡於第二模式時，各個水平位置之液晶層之折射係數示意圖；第13圖 係為液晶透鏡一實施例之剖面圖；第14圖 係為第13圖之液晶透鏡於第二模式時，各個水平位置之液晶層之折射係數示意圖；第15圖至第29圖 係為液晶透鏡各種不同實施例之剖面圖；第30圖與第31圖 係為液晶透鏡之各種不同實施例之透視圖；第32圖 係為顯示器一實施例之剖面圖；第33圖 係為第32圖之顯示器於第二模式中操作之剖面圖； 第34圖 係為製造液晶透鏡之方法一實施例之剖面圖；以及第35圖 係為製造液晶透鏡之方法另一實施例之剖面圖。
本發明將參考顯示部分實施例之附圖於下文中更完整地描述。然而此發明可以不同形式實施且不應詮釋為限於此處之實施例。相反的，此些實施例係提供而使揭露更加徹底與完整，並對所屬技術領域者更完整地傳達本發明之範疇。在說明書全文中，相同的參考符號一般代表相同的部件。在圖式中，層與區域之厚度可為了清晰而誇大。
其亦將了解的是，當一層被稱為在另一層“上”時，其可直接位於另一層或基板上，或亦可存在中介層。相對的，當一元件被稱為“直接位在”另一元件“上”時，將不存在中介元件。
此處所使用之術語“倒電容”(elastance)代表電容值之倒數。
下文中，本發明之部分實施例將參考附圖而描述。
第1圖係根據本發明之例示性實施例之顯示器30構造的示意圖。參考第1圖，顯示器30包含光提供裝置20以及設置於該光提供裝置20一側上的液晶透鏡10。
光提供裝置20提供光至液晶透鏡10。由光提供裝置20提供至液晶透鏡10的光可包含由光提供裝置20所發射之光及/或由液晶透鏡10入射且由光提供裝置20所反射之光。
光提供裝置20可包含顯示面板。在一些實施例中，顯示面板可為自發光顯示面板，例如有機發光二極體(OLED)顯示面板、發光二極體(LED)顯示面板、無機電致發光(EL)顯示面板、場效發射顯示(FED)面板、表面傳導電子 發射顯示(SED)面板、電漿顯示面板(PDP)、陰極射線管(CRT)顯示面板等。在一些其他實施例中，顯示面板可為非自發光顯示面板，例如液晶顯示(LCD)面板或電泳顯示(EPD)面板。在非自發光顯示面板的實施例中，光提供裝置20可更包含光源，例如背光模組。
液晶透鏡10係設置於光提供裝置20一側上且接收來自光提供裝置20的光。液晶透鏡10至少部分地調變入射光的特性(例如路徑或相位)。在一些實施例中，液晶透鏡10可根據模式而以不同方式調變光的特性。液晶透鏡10可於第一模式中不調變光線的特性而於第二模式中調變光線的特性。根據模式而不同地調變光線特性使得由光提供裝置20之顯示面板所輸出之影像可根據模式而有不同的調變。因此，可由液晶透鏡10而根據模式不同地控制輸出影像。如此藉由液晶透鏡10根據模式而選擇性地調變光線將可能實現2D/3D切換式顯示器，其將於後描述。
下文中，將更為詳細描述液晶透鏡之實施例。第2圖係為液晶透鏡1100之實施例之剖面圖。在第2圖中，X代表水平方向，且Y代表垂直方向。請參閱第2圖，液晶透鏡1100包含相互面對之第一電極110與第二電極120，以及插設於第一電極110與第二電極120之間的液晶層130與介電層141。
第一電極110可形成於第一基板101上。第二電極120可形成於第二基板102上。第一基板101與第二基板102可為透明基板。在一些實施例中，第一基板101與第二基板102可為透明塑膠基板、透明玻璃基板、或透明石英基板。在一些實施例中，第一基板101與第二基板102至少其中之一可為可撓式基板。
每一第一電極110與第二電極120可由透明導電材料所製成。每一第一電極110與第二電極120可由例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅(ZO)、氧化銦(IO)、或氧化鈦(TiO)之氧化物所製成。在其他實施例中，每一第一電極110與第二電極120可包含例如奈米碳管(carbon nanotubes,CNTs)、金屬奈 米線(metal nanowires)、或傳導聚合物(conductive polymer)之材料。第一電極110與第二電極120可不必以相同材料製成。
第一電壓係施加至第一電極110，且第二電壓係施加至第二電極120。對應至第一電壓與第二電壓之差異之電場可形成於第一電極110之頂部表面以及第二電極120之底部表面之間。
在一些實施例中，每一第一電極110與第二電極120可為未圖樣化的、完整表面的電極。第一電極110與第二電極120可相互平行配置。
液晶層130與介電層141係插設於第一電極110與第二電極120之間。在第2圖中，液晶層130係堆疊於第一電極110上，且介電層141係堆疊於液晶層130上。
液晶層130之頂部表面130_1以及底部表面130﹁_2可實質上為平坦的。液晶層130之頂部表面130_1以及底部表面130﹁_2可對液晶分子135的均勻分佈有所貢獻。此外，液晶層130之頂部表面130_1以及底部表面130﹁_2可相互平行。
在由頂部表面130_1以及底部表面130﹁_2所定義的空間中，液晶層130包含有液晶分子135。液晶分子135可以均勻密度分佈於液晶層130的整個區域中。在一些實施例中，液晶分子135具有正介電各向異性(dielectric anisotropy)且初始以水平方向排列。當液晶分子135初始以水平方向排列時，液晶分子135的長軸係與水平方向平行。在此情形下，液晶分子135可具有例如約為0度的方位角(azimuth)。
在一些實施例中，液晶分子135可具有負介電各向異性。在此些實施例中，液晶分子135可初始以垂直方向排列。當液晶分子135初始以垂直方向排列時，其不僅具有90度之方位角，且同時以一定角度預傾斜(pretilted)。由 此觀點，初始以垂直方向排列之液晶分子135之方位角可為例如約80度至約90度。
最初將液晶層130中的液晶分子135對齊排列的第一配向膜(alignment film)(圖未示)可插設於第一電極110以及液晶層130之底部表面130_2之間。此外，第二配向膜(圖未示)可插設於液晶層130之頂部表面130_1以及介電層141之底部表面141_2之間。
介電層141包含第一介電次層141a以及第二介電次層141b。第一介電次層141a以及第二介電次層141b具有不同的介電常數。在一些實施例中，第一介電次層141a之介電常數可為ε 1，且第二介電次層141b之介電常數可為大於ε 1的ε 2。第一介電次層141a可與第二介電次層141b具有相同的折射係數。在一些實施例中，第一介電次層141a的折射係數可與第二介電次層141b之折射係數不同。
介電層141之頂部表面141_1以及底部表面141_2可為平坦的。介電層141之頂部表面141_1以及底部表面141_2可相互平行。在第2圖中，第二介電次層141b之頂部表面形成介電層141之頂部表面141_1，且第一介電次層141a的底部表面與第二介電次層141b的底部表面形成介電層141之底部表面141_2。
第一介電次層141a可包含一個或多個單位圖樣。該些單位圖樣可相互分開且實質上可具有相同形狀。該些單位圖樣可均勻地配置。亦即，該些單位圖樣可以預定節距(pitch)配置。在此些實施例中，任兩相鄰單位圖樣之間的間隙可為常數。
第一介電次層141a之至少一單位圖樣之表面包含複數個平坦部分(flat section)f1至f5。在第2圖之實施例中，每一單位圖樣之頂部表面包含五個平坦部分，第一平坦部分f1至第五平坦部分f5。由每一單位圖樣之底部表面至其 頂部表面之距離係與至少兩個第一平坦部分f1至第五平坦部分f5不同。每一單位圖樣之高度在兩個或多個平坦部分中不同。
在第一平坦部分中f1第一介電次層141a之單位圖樣的高度、在第二平坦部分f2中單位圖樣之高度、在第三平坦部分f3中單位圖樣之高度、在第四平坦部分f4中單位圖樣之高度、以及在第五平坦部分f5中單位圖樣之高度，其中至少其中兩個具有不同的數值。在第2圖中，每一單位圖樣在相鄰之平坦部分中具有不同之高度，但可在不相鄰之平坦部分中具有相同高度。在一些實施例中，在第一平坦部分f1中單位圖樣之高度可等同於在第五平坦部分f5中單位圖樣之高度，且在第二平坦部分f2中單位圖樣之高度可等同於在第四平坦部分f4中單位圖樣之高度。
相鄰之平坦部分係由每一垂直側壁(vertical sidewall)141a_s所連接。若第一介電次層141a之底部表面為平坦的且平行於其頂部表面，則每一垂直側壁141a_s的長度在相鄰平坦部分之單位圖樣之間可為不同的。
第一平坦部分f1至第五平坦部分f5以及垂直側壁141a_s係相互連接以形成實質上階梯形狀。
第二介電次層141b係形成於第一介電次層141a上。第二介電次層141b可完全地覆蓋第一介電次層141a。
複數個單位透鏡部分(unit lens sections)L1與L2可由第一介電次層141a之單位圖樣所定義。第一單位透鏡部分L1可定義為包含第一單位圖樣之部分。在第2圖中，位於位置P0以及位置P1之間的部分可為第一單位透鏡部分L1。 與第一單位透鏡部分L1相鄰之第二單位透鏡部分L2可定義為包含與第一單位圖樣相鄰之第二單位圖樣的部分。在第2圖中，位於位置P1以及位置P2之間的部分可為第二單位透鏡部分L2。若單位圖樣具有相同形狀且以預定節距均勻地配 置，則位於第一單位透鏡部分L1以及第二單位透鏡部分L2之間的邊界(例如位置P1)可設定為將第一單位圖樣與第二單位圖樣相互分離之一空間的中心。
每一第一單位透鏡部分L1以及第二單位透鏡部分L2根據施加至第一電極110與第二電極120的電壓，可呈現相似於光學透鏡的光學特性，例如凸透鏡或凹透鏡。每一第一單位透鏡部分L1以及第二單位透鏡部分L2的光學特性可根據施加至第一電極110以及第二電極120的電壓而改變。每一第一單位透鏡部分L1以及第二單位透鏡部分L2可作為可變式透鏡。
單一光學透鏡可理解為呈現單一光線調變後的特性。入射到凸透鏡之表面的光線係根據光線入射之位置而有不同的折射角度。然而，凸透鏡可聚集，例如集中光線成為單一光束且調變該單一光束。液晶透鏡1100之每一第一單位透鏡部分L1以及第二單位透鏡部分L2可對應於光學透鏡之光調變特性而具有此特性。第一單位透鏡部分L1可呈現第一光調變特性，且第二單位透鏡部分L2可呈現第二光調變特性。第一光調變特性可與第二光調變特性實質上相同。在一些實施例中，第一光調變特性與第二光調變特性兩者皆可為凸透鏡之光學特性。在這樣的實施例中，第一單位透鏡部分L1與第二單位透鏡部分L2可以如同配置兩個相同的凸透鏡般操作。
每一第一單位透鏡部分L1以及第二單位透鏡部分L2之光調變特性將參照第3圖至第7圖以及第2圖詳細描述。
在一單位透鏡部分L1或L2中，介電層141之頂部表面141_1與底部表面141_2之間的電容與倒電容係與每一第一平坦部分f1至第五平坦部分f5不同。假設第一介電次層141a在所給定的水平位置之高度為d1，第二介電次層141b之高度為d2，整個介電層141之頂部表面141_1與底部表面141_2為平坦且相互平行的，則可建立下列方程式。
D=d1+d2...(1)
其中D為整個介電層141之頂部表面141_1與底部表面141_2之間的距離且為常數。
在每一水平位置之介電層141之頂部表面141_1與底部表面141_2之間的倒電容1/C可由下列方程式(2)所得。
1/C=1/C1+1/C2=d1/ε1S+d2/ε2S...(2)
其中C1為第一介電次層141a之電容，C2為第二介電次層141b之電容，且S為截面面積(cross-sectional area)。
方程式(1)與(2)可重新整理為下列方程式(3)。
1/C=(d1ε2+d2ε1)/ε1ε2S={(ε2-ε1)d1+Dε1}/ε1ε2S...(3)
由於ε1、ε2、D、與S在方程式(3)中可視為常數，介電層141之電容C與倒電容1/C可根據第一介電次層141a之高度d1而改變。當ε2大於ε1時，(ε2-ε1)係為正數。因此，介電層141之倒電容1/C隨著第一介電次層141a之高度d1的增加而增加。
在第2圖之實施例中，第一介電次層141a的高度d1在每一第一平坦部分f1至第五平坦部分f5係不同的。因此介電層141之電容C與倒電容1/C在每一第一介電次層141a之第一平坦部分f1至第五平坦部分f5中相互不同。請參閱第3圖，介電層141之倒電容1/C的圖在水平方向可與第一介電次層141a之圖樣具有相似圖樣。
現將描述上述配置之液晶透鏡1100的操作。第4圖係為第2圖之液晶透鏡1100在第一模式中操作的示意圖。第5圖係為當第2圖之液晶透鏡1100在第一模式時，每一水平位置之液晶層130的折射係數示意圖。
請參閱第4圖與第5圖，當液晶透鏡1100於第一模式中時，液晶層130之液晶分子135無論在水平方向X之位置為何係以相同方位角排列。在一些實施例中，可藉由施加相同電壓至第一電極110與第二電極120而實現第一模式。 當施加相同電壓至第一電極110與第二電極120時，施加至介電層141與液晶層130之位能差(potential difference)V1為0V。由於沒有電壓施加至液晶層130，因此液晶分子135維持在初始排列之水平方向中。因此，如第5圖所示，無論在液晶層130在水平方向上的位置為何，入射至液晶透鏡1100的光呈現相同的折射係數。因此入射至液晶層130的光於液晶層130中直線傳播而不改變其路徑。
當穿越液晶層130之光到達介電層141時，若介電層141之折射係數與液晶層130相同，則光線不會感受到介電層141為不同的光學材料，因而光線不改變其路徑而穿透介電層141。即使液晶層130與介電層141之折數係數不同，大多數垂直穿透液晶層130的光線不會改變其路徑。相對的，該些光線僅於具有不同折數係數之液晶層130與介電層141之間的界面改變其波長。當第一介電次層141a與第二介電次層141b具有相同的折數係數時，光線不會在界面改變路徑。即使當第一介電次層141a與第二介電次層141b之折射係數不同時，垂直入射至界面的光線不會被折射。因此如第4圖所示，入射至液晶透鏡1100的光線穿透液晶層130與介電層141而不致改變其路徑。
第6圖係為第2圖之液晶透鏡1100在第二模式操作之示意圖。第7圖係為當第2圖之液晶透鏡1100在第二模式時，液晶層130於每一水平位置之折射係數示意圖。
請參閱第6圖與第7圖，當液晶透鏡1100係於第二模式時，液晶層130之液晶分子135係排列以於每一水平位置具有至少部分不同之方位角。在一 些實施例中，第二模式可透過施加不同電壓至第一電極110與第二電極120，且於第一電極110與第二電極120之間形成電場而實現。在第二模式中，位於第一電極110之頂部表面以及第二電極120之底部表面之間的電場在每一水平位置X均相同。然而由液晶層130之觀點來看，介於液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2之間的電場在每一水平位置X均不同，更具體的說，在第一介電次層141a之第一平坦部分f1至第五平坦部分f5均不同。
液晶層130與介電層141係插設於第一電極110與第二電極120之間。由於液晶層130之底部表面130_2與第一電極110相鄰，無論在水平方向X之位置為何，第一電壓可施加至底部表面130_2。此外，液晶層130係插設於液晶層130之頂部表面130_1以及第一電極110之間，且介電層141係插設於液晶層130之頂部表面130_1以及第二電極120之間。
具有第一電容的第一電容器係形成於液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2之間。具有第二電容的第二電容器係形成於介電層141之頂部表面141_1與底部表面141_2之間。在等效電路上第一電容器係串聯至第二電容器。施加至相互串聯之複數個電容器的電壓係與個別之電容器的電容成反比，且與個別電容器的倒電容成正比。
因此，介於施加至第一電極110之第一電壓以及施加至第二電極120之第二電壓之間的電壓，可施加至液晶層130之頂部表面130_1，也就是介電層141之底部表面141_2。當介電層141之電容較高時，施加至介電層141之頂部表面141_1的電壓與施加至底部表面141_2的電壓之間的差異可相對的較小。因此，介於第一電壓以及施加至液晶層130之頂部表面130_1的電壓之間的差異可相對地較大。
當介電層141之電容較低時，介於第一電壓以及施加至液晶層130之頂部表面130_1的電壓之間的差異可相對地較小。
如上所述參閱第3圖，介電層141之電容在每一第一平坦部分f1至第五平坦部分f5之水平方向X上係互不相同。因此，施加至液晶層130之頂部表面130_1的電壓亦於每一第一平坦部分f1至第五平坦部分f5之水平方向X上互不相同。在介電層141具有高電容(低倒電容)的部分，與第一電壓具有相對較大差異的電壓係施加至頂部表面130_1。施加至液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2的電場量級(magnitude)也增加。介電層141具有低電容(高倒電容)的部分，與第一電壓具有相對較小差異的電壓係施加至頂部表面130_1。因此施加至液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2的電場量級減少。
如上所述，在液晶分子135具有正介電各向異性的實施例中，較大的電場造成液晶分子135將於電場的方向旋轉較多。因此液晶分子135在介電層141之電容較高的部分於垂直方向上旋轉較多，且於介電層141之電容較低的部分相對地旋轉較少。
在一平坦部分中，第一介電次層141a的高度d1不論水平位置為何均為固定值。因此施加至液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2的電場亦為固定值。據此，液晶層130之電場可使液晶分子135於整個平坦部分中具有相同的方位角。然而，液晶分子135的方位角不僅受液晶層130之電場影響，也受到相鄰液晶分子135之方位角以及相鄰電場的影響。接下來將參閱第8A圖與第8B圖更詳細的描述。第8A圖與第8B圖係為相鄰液晶分子對於液晶分子之相位角造成影響的概念示意圖。
請參閱第8A圖，液晶層可區分為相鄰之第一部分S1與第二部分S2，且可於第一部分S1及第二部分S2分別施加不同電壓。在此實施例中，若第一部分S1與第二部分S2同時施加0V之電壓，則液晶分子135不會旋轉而是維持原來的水平方向。
請參閱第8B圖，0V之電壓可施加至第一部分S1，且具有可垂直旋轉液晶分子135之大小的電壓V21可施加至第二部分S2。在此實施例中，第一部分S1的液晶分子135可由於所施加的電場而維持原來的0度方位角，而第二部分S2的液晶分子135可旋轉90度之方位角。然而液晶分子135確切的展現不僅受到所施加電場的影響，同時也受到相鄰液晶分子135之旋轉的影響。具體地說，雖然位於第一部分S1與第二部分S2之邊界位置之第一部分S1的液晶分子135由於電場而具有0度相位角，由於相鄰第二部分S2之液晶分子135旋轉了90度，因此位於邊界位置之第一部分S1的液晶分子135也會因第二部分S2之液晶分子135的旋轉而旋轉。當受到電場的影響而旋轉時，位於第一部分S1與第二部分S2之邊界的第二部分S2的液晶分子135可提供其部分的旋轉動力給予第一部分S1的液晶分子135。因此位於邊界之第二部分S2的液晶分子135其旋轉的確切角度可能小於90度。
在此情形下，雖然直接施加至液晶分子135的電場如階梯一般急遽地改變，但由於液晶分子135的方位角受到相鄰液晶分子135旋轉的影響，故其方位角可能些微地改變。此現象亦由於相鄰電場之效應而發生。亦即，施加至第一部分S1的電壓可能部分地影響相鄰之第二部分S2，造成電場由急遽的變化轉為些微的變化。
請再度參閱第6圖，由於參閱第8B圖之上述原因，並非所有位於同一平坦部分的液晶分子135均具有相同的方位角。液晶分子135之方位角可由於相鄰之液晶分子135或相鄰之電場而些微地轉變。
液晶分子135具有折射係數之各向異性(anisotropy)。亦即液晶分子135具有兩種折射係數，光線在光學長軸(optically long-axis)方向之正常光線(ordinary ray)折射係數n o 、以及光線在短軸方向之異常光線(extraordinary ray)折射係數n e 。正常光線折射係數n o 可小於異常光線折射係數n e 。液晶分子135之正常光線折射係數n o 可為約1.5，而液晶分子135之異常光線折射係數n e 可為約1.7。
因此，當液晶分子135水平地排列時，光線可能受到異常光線折射係數n e 之影響，且因此折射係數變得相對較高。當液晶分子135垂直地旋轉時，光線可能受到相對較小之正常光線折射係數n o 的影響，且因此折數係數變得相對較低。因此，在水平方向X之每一位置之液晶層130(其中液晶分子135具有如第6圖所示排列的方位角)的折射係數可能如第7圖所示之分佈(向上彎曲之凸)。
光線在具有一致折射係數的材料之中會直線傳播。然而，在如第7圖所示折數係數逐漸轉變的梯度係數(gradient index,GRIN)透鏡結構中，光線之路徑由具有較低折數係數之介質往具有較高折射係數之介質彎折。該梯度係數(GRIN)透鏡之結構與操作原理已揭露於美國專利第5,790,314號中，其內容納於此處參考。
在第二模式中，穿透液晶層130之光線的路徑如第6圖所示朝向具有較高折射係數的介質彎折。在第6圖中所顯示之已調變路徑相似於穿透凸透鏡之光線的路徑。亦即，在第二模式中，液晶透鏡1100之液晶層130可不需使用凸透鏡而聚集光線。
穿透液晶層130之光線抵達介電層141與液晶層130之界面。穿透液晶層130進入介電層141的光線以預定的入射角彎折。當介電層141與液晶層130實質上具有相同折射係數時，光線將不會改變原有路徑而傳播。當介電層141與液晶層130具有不同折射係數時，光線會在界面處被折射。若介電層141之折射係數小於液晶層130之折射係數，則根據斯涅耳定率(Snell’s law)光線將以大於入射角之角度被折射，因而導致聚焦於較短的距離處。相反的，若介電層141的折數係數高於液晶層130的折數係數，則作用相反。
在介電層141中光線的路徑可能相似於在液晶層130中的光線路徑。亦即，當第一介電次層141a與第二介電次層141b實質上具有相同的折射係數時，光線並不會在第一介電次層141a與第二介電次層141b之間的界面被折射。亦即，當第一介電次層141a與第二介電次層141b具有不同的折射係數時，則根據斯涅耳定率(Snell’s law)光線會在界面折射。若第一介電次層141a與第二介電次層141b之間的界面為平坦的，則不論水平位置為何，其可較容易預測與控制折射角。因此，即使第一介電次層141a之折射係數與第二介電次層141b之折射係數不同，仍可輕易地控制光線的聚集。
第一電壓與第二電壓的大小不僅決定第一模式或第二模式，並且即便在相同的第二模式中也不同地控制光調變特性。如上所述，當相同電壓施加至第一電極110與第二電極120時，其係以第一模式驅動液晶透鏡1100。即使當第一電壓與第二電壓之間的差異非常大，仍可以第一模式驅動液晶透鏡1100。在一極端的範例中，若第一電壓與第二電壓之間的差異為無限大，即使當施加至液晶層130之頂部表面130_1的電壓在水平方向X中隨不同位置而改變，由於液晶層130之頂部表面130_1以及液晶層130之底部表面130_2之間差異的絕對值非常的大，因此所有的液晶分子135可垂直地旋轉。亦即，由於液晶層130的所有液晶分子135具有相同的90度相位角，因此穿透液晶層130的光線無論 在水平方向之位置為何將受到正常光線折射係數no的影響。在此情形下，將可能不會形成梯度係數(GRIN)透鏡，且因此光線可在液晶層130之中直線傳播而不會彎折。
雖然第一電極與第二電極具有不同值，若此些值之間的差異夠小，而使施加至液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2之電場的最大值不超過用以旋轉液晶分子135的臨界電場值，則所有的液晶分子135可維持水平地排列。因此可不需形成梯度係數(GRIN)透鏡，且光線可在液晶層130中傳播而不會彎折。
由上述描述中可顯而易見的是，液晶透鏡1100僅於第一電壓與第二電壓不同，且第一電壓與第二電壓之間的差異在一預定範圍中時，可在第二模式驅動。亦即，藉由第一電壓與第二電壓之間的差異而施加至液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2之電場的最大值應該高於用以旋轉液晶分子135之臨界電場值。此外，藉由第一電壓與第二電壓之間的差異而施加至液晶層130之頂部表面130_1與底部表面130_2之電場的最小值應該小於用以垂直地旋轉液晶分子135之電場值。
即使當液晶透鏡1100在第二模式中驅動時，折射係數之分佈可根據第一電壓與第二電壓之間的差異而改變。亦即，第一電壓與第二電壓之間的差異以各種不同方式控制了第7圖所示梯度係數(GRIN)透鏡之曲度(curvature)。因此顯而易見的是梯度係數(GRIN)透鏡之焦距可有不同的調整。
所屬技術領域中具有通常知識者藉由參考上述揭露之資訊，可輕易地實施在第一模式或第二模式中驅動液晶透鏡1100的細節條件，且藉由根據介電物質之介電常數以及液晶分子135的種類而適當地調整第一電壓與第二電壓可輕易地實施在第二模式中控制焦距的方法。
當以上已揭露介電常數ε2大於介電常數ε1的情形時，在相同的結構中ε2可能小於ε1。在此情形下，下列之方程式(4)可由方程式(2)所建立。
1/C=(d1ε2+d2ε1)/ε1ε2S={(ε1-ε2)d2+Dε2}/ε1ε2S...(4)
由於ε1、ε2、D與S在方程式(4)中均可視為常數，介電層141之電容C與倒電容1/C可跟據第二介電次層141b之高度d2而改變。當介電常數ε1大於介電常數ε2時，(ε1-ε2)可為正數。因此當第二介電次層141b之高度d2增加時介電層141之倒電容1/C亦增加。由於在方程式(1)中d1與d2之和為常數，故當第二介電次層141b之高度d2增加時，第一介電次層141a之高度d1減少。因此介電層141之倒電容1/C隨著第一介電次層141a之高度d1減少而增加。
因此，若ε2大於ε1，則介電層141之倒電容1/C的圖型可與第3圖中顯示之水平對稱具有相似圖樣。據此，施加至液晶層130之電場可改變且液晶透鏡可呈現與凸透鏡相似的光學特性。
當上文中已描述具有兩個單位透鏡部分L1、L2的液晶透鏡1100，顯而易見的是液晶透鏡1100可具有兩個或更多單位透鏡部分。此將於下文之實施例中描述。
下文中將描述液晶透鏡之不同實施例。
在一些實施例中，液晶透鏡可在第一單位透鏡部分與第二單位透鏡部分中具有不同的光調變特性。具有此種特性的液晶透鏡係顯示於第9圖至第11圖中。
第9圖係為液晶透鏡1101另一實施例之剖面圖。第10圖係為當第9圖之液晶透鏡在第二模式時，在每一水平位置之液晶層的折射係數示意圖。請參閱第9圖與第10圖，根據本例示性實施例之液晶透鏡1101之介電層142包含第 一介電次層142a以及第二介電次層142b。第一單位透鏡部分L1之第一介電次層142a具有最大高度的平坦部分的水平位置係不同於第二單位透鏡部分L2之第一介電次層142a具有最大高度之平坦位置的水平位置。在第一單位透鏡部分L1中，第一介電次層142a具有最大高度之平坦部分一般位於位置P0以及位置P1之間中點的右側。另一方面，在第二單位透鏡部分L2中，第一介電次層142a具有最大高度之平坦部分一般位於位置P1以及位置P2之間中點的左側。因此，液晶層130在每一水平位置之折射係數可具有與第10圖所示之圖形相似的圖樣。故如第9圖所示，在第一單位透鏡部分L1中的光學路徑相較於第6圖中的光學路徑朝向右偏，同時第二單位透鏡部分L2中之光學路徑相對地朝向左偏。
第11圖係為液晶透鏡1102之另一實施例之剖面圖。第12圖係為當第11圖之液晶透鏡在第二模式時，每一水平位置之液晶層的折射係數示意圖。 請參閱第11圖與第12圖，液晶透鏡1102之介電層143包含第一介電次層143a以及第二介電次層143b。在第一單位透鏡部分L1中第一介電次層143a之最大高度值係與第二單位透鏡部分L2中第一介電次層143a的最大高度值不同。因此如第12圖所示，施加至液晶層130之頂部表面130_1以及底部表面130_2之電場的水平變化於第一單位透鏡部分L1中係大於第二單位透鏡部分L2。據此如第11圖所示，當液晶透鏡1102於第二模式驅動時，液晶分子135之方位角在第一單位透鏡部分L1中沿著水平方向改變得較為顯著，且液晶分子135之折射係數的改變在第一單位透鏡部分L1中較大。這可造成光學路徑在第一單位透鏡部分L1中較第二單位透鏡部分L2產生較多彎折。因此在第一單位透鏡部分L1中的光學焦距可小於第二單位透鏡部分L2之光學焦距。
第13圖係為液晶透鏡1103之另一實施例之剖面圖。第14圖係為當第13圖之液晶透鏡在第二模式時，每一水平位置之液晶層的折射係數示意圖。 請參閱第13圖與第14圖，液晶透鏡1103之介電層144包含第一介電次層144a以及第二介電次層144b。液晶透鏡1103與第2圖之液晶透鏡1100不同之處在於第一介電次層144a係放置於第二介電次層144b上且ε1係大於ε2。因此在第一單位透鏡部分L1中，介於介電層144之頂部表面與底部表面之間的倒電容1/C減少且由位置P0至位置P1的方向增加。在每一水平位置之液晶層的折射係數當液晶透鏡在第二模式時形成如第14圖所示之朝下凸出的拋物線弧度。在第二單位透鏡部分L2中，介電層144的倒電容1/C形成如同第一單位透鏡部分L1的拋物線弧度。如上所述，在梯度係數(GRIN)透鏡中光學路徑由具有較低折射係數之介質朝向具有較高折射係數之介質彎折。因此在第二模式中，第13圖之液晶層130以類似於凹透鏡的方式調變光學路徑。在第二模式中，液晶透鏡1103之液晶層130可不需使用凹透鏡而偏離或散佈光線。
第15圖係為液晶透鏡1104另一實施例之剖面圖。第15圖之實施例顯示液晶層130與介電層145之堆疊順序相反的情形。亦即，不同於第2圖之液晶透鏡1100，在液晶透鏡1104中，包含第一介電次層145a與第二介電次層145b的介電層145係設置於液晶層130下。將液晶層130與介電層145之堆疊順序對調對於施加至液晶層130之電場並無影響。因此第15圖之實施例可呈現與第2圖之實施例相同的倒電容1/C分佈。因此在第二模式中液晶分子135的方位角可維持與第2圖實施例中的液晶分子135實質上相同。
在第15圖之實施例中，由於由下方發射的光線於穿透液晶層130之前先穿透介電層145，因此即便第一介電次層145a與第二介電次層145b具有不 同的折射係數，垂直入射的光線會在介電層145中直線傳播而不會改變路徑。故可藉由僅調整液晶分子135的方位角來控制光線的路徑且不受介電層145之折射係數的影響。
第16圖係為液晶透鏡1105之另一實施例的剖面圖。請參閱第16圖，液晶透鏡1105與第2圖之液晶透鏡1100之不同之處在於第一介電次層146a之頂端表面的部分形成了介電層146的頂端表面。在此結構中，第二介電次層146b的頂部表面為平坦的，但部分為第一介電次層146a之頂部表面的平坦部分所中斷。雖然介電層146係如上所述而配置，其於每一平坦部分具有不同的倒電容1/C。因此介電層145可與根據第2圖實施例之介電層141之倒電容1/C具有實質上相同的分佈。因此，由於形成了梯度係數(GRIN)透鏡結構，液晶透鏡1105可呈現與凹透鏡相似的光學特性。
第17圖係為液晶透鏡1106之另一實施例的剖面圖。請參閱第17圖，液晶透鏡1106與第2圖之液晶透鏡1100之不同之處在於第一介電次層147a之單位圖樣並未分離而是彼此相連接。雖然介電層147係如上所述而配置，其於每一平坦部分具有不同倒電容1/C。因此，介電層147可與根據第2圖實施例之介電層141顯現實質上相同的倒電容1/C分佈。因此，由於形成了梯度係數(GRIN)透鏡結構，液晶透鏡1106可呈現與凹透鏡相似的光學特性。參考符號147b代表第二介電次層。
第18圖係為液晶透鏡1107之另一實施例的剖面圖。請參閱第18圖，液晶透鏡1107與第2圖之液晶透鏡1100不同之處在於第一介電次層148a之相鄰平坦部分並非由側壁連接而是由對角部分148a_s連接。取代側壁的對角部分148a_s可使得倒電容1/C之改變更為緩和。因此可形成更為有效的梯度係數(GRIN)透鏡結構。參考符號148b代表第二介電次層。
第19圖係為液晶透鏡1108另一實施例之剖面圖。請參閱第19圖，液晶透鏡1108之第一介電次層149a係與第2圖液晶透鏡1100者相同。然而，液晶透鏡1108與1100不同之處在於第一介電次層149a係埋設於第二介電次層149b中。雖然第一介電次層149a與141a的位置不同，但是第一介電次層149a之高度d1係與第2圖中包含第一介電次層141a之部分中第一介電次層141a之高度d1相同。 在此部分中，第二介電次層149b之高度的總和係等於第2圖中第二介電次層141b之高度d2。因此，介電層149之總介電常數以及倒電容1/C係實質上與根據第2圖實施例之介電層141相同。是故可輕易理解介電層149與第2圖之介電層141係以相同方式操作。
第20圖係為液晶透鏡1109之另一實施例的剖面圖。請參閱第20圖，液晶透鏡1109與第2圖之液晶透鏡1100不同之處在於第一介電次層150a覆蓋第三介電次層150c。因此介電層150不僅具有包含第一介電次層150a以及第二介電次層150b的部分，同時也具有包含第一介電次層150a至第三介電次層150c的部分。在後者中，介電層150之介電常數係由此三個介電次層150a至150c之介電常數與高度所決定。
如上所述，增加介電次層的數目使得介電常數可有多種不同組合，且因此得以微調介電層150之介電常數的分佈。
第21圖係為液晶透鏡1110之另一實施例的剖面圖。請參閱第21圖，包含於液晶透鏡1110中之第一介電次層151a與第二介電次層151b的形狀與相對位置係與包含於第2圖之液晶透鏡1100中之第一介電次層141a與第二介電次層141b者相同。然而，液晶透鏡1110與1100不同之處在於在第一介電次層151a與第二介電次層151b下方提供了第三介電次層151c，其具有平坦且相互平行的頂部表面與底部表面。
介電層151於水平方向之總倒電容1/C之分佈不僅受到第一介電次層151a與第二介電次層151b之介電常數與高度之影響，同時也受到第三介電次層151c之介電常數與高度的影響。介電層151於每一水平位置之實質上倒電容1/C分佈可與第3圖之介電層141相似。在第21圖之實施例中，第三介電次層151c係形成於第一介電次層151a與第二介電次層151b下。然而，第三介電次層151c亦可堆疊於第一介電次層151a與第二介電次層151b上，或可堆疊於第一介電次層151a與第二介電次層151b之上或下。
第22圖係為液晶透鏡1111之另一實施例之剖面圖。請參閱第22圖，液晶透鏡1111與第2圖之液晶透鏡1100不同之處在於介電層152不僅包含第一介電次層152a與第二介電次層152b，同時包含了第一介電次層152a與第二介電次層152b上的第三介電次層152c與第四介電次層152d。然而第一介電次層152a與第二介電次層152b之形狀與位置係與第2圖所示之第一介電次層141a與第二介電次層141b實質上相同。第三介電次層152c與第四介電次層152d之形狀與位置係與第一介電次層152a與第二介電次層152b實質上相同。亦即，在第22圖之實施例中，第2圖之介電層141係以兩層堆疊。因此得以形成具有與第2圖之液晶透鏡1100相同之折射係數分佈的梯度係數(GRIN)透鏡，但是相較於第2圖之液晶透鏡1100在折射係數上具有更大的梯度變化。第三介電次層152c與第四介電次層152d之介電常數可分別與第一介電次層152a與第二介電次層152b之介電常數相同或不同。
第23圖與第24圖係為液晶透鏡1112與1113之另一實施例的剖面圖。在第23圖之液晶透鏡1112中，第三介電次層153c之每一單位圖樣的尺寸與節距係小於第一介電次層153a之每一單位圖樣的尺寸與節距。具體地說，第三介電次層153c之每一單位圖樣的尺寸與節距係為第一介電次層153a之每一單位 圖樣的尺寸與節距的一半。這種結構有助於更精密的控制介電層153之整體介電常數。參考符號153b與153d分別代表第二介電次層與第四介電次層。
在第24圖之液晶透鏡1113中，第三介電次層154c之單位圖樣係與第一介電次層154a的單位圖樣具有相同尺寸。然而，第三介電次層154c的單位圖樣與第一介電次層154a的單位圖樣係交錯地配置。此種配置使能夠以更多種方式控制介電常數的分佈。參考符號154b與154d分別代表第二介電次層與第四介電次層。
第25圖係為液晶透鏡1114之另一實施例的剖面圖。請參閱第25圖，液晶透鏡1114與第2圖之液晶透鏡1100不同之處在於第三介電次層155c以及第四介電次層155d係進一步形成於液晶層130下。第一電極110係設置於第三介電次層155c以及第四介電次層155d下。第一介電次層155a與第二介電次層155b係實質上與第2圖所繪示相同。因此，由於與第2圖之電子與光學特性實質上相同，因此可相似於第2圖實現梯度係數(GRIN)透鏡。
第26圖係為液晶透鏡1115之另一實施例的剖面圖。請參閱第26圖，液晶透鏡1115與第2圖之液晶透鏡1110不同之處在於第二電極121並未設置於介電層156以及液晶層130之間，而是設置於介電層156中，具體地說，位於第一介電次層156a以及第二介電次層156b之間。由於第一介電次層156a之頂部表面為階梯形，形成於第一介電次層156a之頂部表面上的第二電極121亦可為階梯形。僅有第一介電次層156a形成於第二電極121以及液晶層130之頂部表面之間，且第二介電次層156b並未形成於其間。
雖然第一介電次層156a之介電常數在水平方向X為常數，第一介電次層156a之高度d1在每一平坦部分係不相同，亦即，在水平方向X上會有所變化。因此，第一介電次層156a在每一平坦部分具有不同之倒電容1/C。第一介電次層156a之高度d1最低的平坦部分具有最低的倒電容1/C。然而，當第一介電次 層156a之高度d1增加時，倒電容1/C亦隨之增加。因此容易理解的是，施加至液晶層130之頂部表面的電壓會沿著水平方向X而變化。結果，當液晶透鏡1115以第二模式驅動時，液晶分子135之方位角沿著水平方向X而變化，進而實現梯度係數(GRIN)透鏡結構。
在第26圖之實施例中，第二介電次層156b的介電常數並不影響施加至液晶層130的電場。因此可省略第二介電次層156b。
第27圖係為液晶透鏡1116之實施例的剖面圖。請參閱第27圖，液晶透鏡1116與第26圖之液晶透鏡1115不同之處在於第三介電次層157c具有階梯狀的頂部表面且覆蓋第三介電次層157c之第四介電次層157d係設置於液晶層130下，以及第一電極111係形成於第三介電次層157c以及第四介電次層157d之間。
在第27圖之實施例中，不僅施加至液晶層130之頂部表面的電壓，同時施加至液晶層130之底部表面的電壓可沿著水平方向變化。因此，形成於液晶層130之頂部表面與底部表面中電場之間的差異可能增加兩倍，藉此實現梯度係數(GRIN)透鏡結構。
第28圖係為液晶透鏡1117之另一實施例之剖面圖。請參閱第28圖，液晶透鏡1117與第2圖之液晶透鏡1100不同之處在於光學透鏡160係進一步形成於第二基板102上。液晶透鏡1117係藉由於第2圖之液晶透鏡1100上堆疊剖面類似於凸透鏡的光學透鏡160而形成。
光學透鏡160的單位透鏡可以與第一介電次層141a之單位圖樣實質上相同之節距排列而成。光學透鏡160之光調變特性可與藉由液晶層130等所實現的梯度係數(GRIN)透鏡之光調變特性結合，以調變光學路徑。舉例而言，當梯度係數(GRIN)透鏡呈現光線集中的特性時，凸透鏡可使焦距更短。當梯度係數(GRIN)透鏡呈現光線分散的特性時，凸透鏡的光線集中特性可以抵消梯度 係數(GRIN)透鏡的光線分散特性，進而減少光線分散或集中的程度。此外，若控制光線的分散或集中以精確的相互抵消，由梯度係數(GRIN)透鏡所分散的光線路徑可由光學透鏡160所改變而使光線直線傳播。當光學透鏡160為凹透鏡時，可以顯著地展現相反的效果。
為了以更多元的方式控制光線，光學透鏡160之每一單位透鏡的尺寸與節距可設計為與第一介電次層141a之每一單位圖樣的尺寸與節距不同。
第29圖係為液晶透鏡1118之另一實施例的剖面圖。請參閱第29圖，液晶透鏡1118與第2圖之液晶透鏡1100不同之處在於第一介電次層158a包含複數個堆疊薄膜158a_1至158a_3。
第二堆疊薄膜158a_2係形成於第一堆疊薄膜158a_1上，且第三堆疊薄膜158a_3係形成於第二堆疊薄膜158a_2上。每一第一堆疊薄膜158a_1至第三堆疊薄膜158a_3可具有平坦頂部表面。第二堆疊薄膜158a_2可暴露第一堆疊薄膜158a_1頂部表面之至少一部分，且第一堆疊薄膜158a_1之頂部表面被暴露的部分可作為平坦部分。相同的，第三堆疊薄膜158a_3可暴露第二堆疊薄膜158a_2頂部表面之至少一部分，且第二堆疊薄膜158a_2之頂部表面被暴露的部分可作為另一平坦部分。當第三堆疊薄膜158a_3係為最高之堆疊薄膜時，第三堆疊薄膜158a_3之頂部表面可作為另一平坦部分。
在第29圖之實施例中，介電層158之倒電容1/C分佈可與第2圖所示之介電層141實質上相同。因此可形成梯度係數(GRIN)透鏡結構。
第一堆疊薄膜158a_1至第三堆疊薄膜158a_3可具有相同或不同之介電常數。當第一堆疊薄膜158a_1至第三堆疊薄膜158a_3具有各種不同的介電常數時，可更微調介電層158之倒電容1/C。參考符號158b代表第二介電次層。
第30圖係為液晶透鏡1119另一實施例之透視圖。在第30圖之液晶透鏡1119中，介電層159的每一單位圖樣沿著垂直於第一方向X以及第二方向Y 的第三方向Z延伸如同實質上為單體(single body)。第一介電次層159a係沿著第三方向Z延伸而形成為透鏡狀層。因此，相似於雙凸鏡片(lenticular lens)，液晶透鏡1119可沿著第三方向Z維持均勻的光調變特性。參考符號159b代表第二介電次層。
第31圖係為液晶透鏡1120之另一實施例的透視圖。在第31圖之液晶透鏡1120中，介電層160在沿著垂直於第一方向X以及第二方向Y的第三方向Z具有分離之圖樣。複數個單位圖樣亦沿著第三方向Z排列。第一介電次層160a係形成為微透鏡(microlens)型層。因此，其可理解的是第一介電次層160a呈現相似於微透鏡之光調變特性。參考符號160b代表第二介電次層。
第30圖與第31圖之實施例可結合上述參考剖面圖而描述之各種不同實施例。
上述液晶透鏡之實施例可與參考上述第1圖之光提供裝置20一起形成顯示器。此外，由於液晶透鏡可以自由地變換與控制光學路徑，因此其可以應用於各種不同使用光線的裝置，例如太陽能電池、影像感測器等。
下文中將詳細描述同時使用液晶透鏡以及顯示面板之2D/3D可切換式顯示器的特定範例。
第32圖係為顯示器300一實施例之剖面圖。第33圖係為第32圖之顯示器300於第二模式中操作時的剖面圖。在第32圖與第33圖中係使用第2圖之液晶透鏡1100作為液晶透鏡，且使用液晶顯示面板作為光提供裝置。
請參閱第32圖與第33圖，顯示器300包含液晶顯示面板200以及液晶透鏡1100。
液晶顯示面板200包含相互面對之下基板210與上基板220、以及插設於下基板210與上基板220之間的液晶分子層230。
複數個像素電極211係分別形成於下基板210上排列成矩陣的複數個像素區域PA1至PA12中。每一像素電極211係連接至例如薄膜電晶體之切換裝置且由切換裝置各自獨立接收像素電壓。
共同電極224係設置於上基板220下以面對像素電極211。紅色(R)、綠色(G)、以及藍色(B)彩色濾光片221可設置於上基板220上以分別對應至像素區域PA1至PA12。黑色矩陣222可形成於像素區域PA1至PA12之間的邊界處。平坦化薄膜223可插設於彩色濾光片221與共同電極224之間。
液晶分子層230係插設於下基板210以及上基板220之間。液晶分子層230之液晶分子235係藉由形成於像素電極211以及共同電極224之間的電場而旋轉以控制液晶顯示面板200的穿透率。
偏光板(polarizing plate)(圖未示)可貼附於每一下基板210以及上基板220的外表面。在一些實施例中，偏光板(圖未示)亦可貼覆於液晶透鏡1100之第一基板101的外表面。在此些實施例中，可省略上基板220上的偏光板。
背光模組(圖未示)可設置於液晶顯示面板200下。
液晶透鏡1100係設置於液晶顯示面板200上。在圖式中，液晶透鏡1100係與液晶顯示面板200分離。在其他實施例中，液晶透鏡1100可貼附液晶顯示面板200。
液晶透鏡1100之單位透鏡部分L1與L2可配置以對應至液晶顯示面板200之像素區域PA1至PA12。在第32圖中，六個像素區域對應至一個單位透鏡部分。亦即，六個像素區域R、G、B、R、G、與B係配置於單一單位透鏡部分之寬度中。
在顯示器300中，當液晶透鏡1100以第一模式驅動時，由於液晶透鏡1100並未具體地調變光學路徑，因此顯示器300可顯示2D影像。當液晶透鏡 1100以第二模式驅動時，顯示器300可顯示3D影像，此將於下文中參考第33圖更詳細描述。
請參閱第33圖，在第二模式中液晶透鏡1100的光學特性類似於凸透鏡，如上述參考第2圖與第3圖所示。因此，當對應單位透鏡部分L1或L2其中心之左側所配置的三個像素(R、G、與B)所發射之光線入射至每一單位透鏡部分L1或L2時，光線的路徑會改變為如同穿透凸透鏡之左側區域的結果。因此光線往右側彎折。另一方面，當對應單位透鏡部分L1或L2其中心之右側所配置的三個像素(R、G、與B)所發射之光線入射至每一單位透鏡部分L1或L2時，光線的路徑會改變為如同穿透凸透鏡之右側區域的結果。因此光線往左側彎折。當上述光線輸入觀察者之左眼E1與右眼E2時，觀察者可感知到3D影像。
在第32圖與第33圖之實施例中，六個像素區域係配置於單一單位透鏡部分的寬度。在其他實施例中，也可在單一單位透鏡部分的寬度上配置超過六個像素區域。在此實施例中，可呈現多重顯示(multi-view)3D影像。此外，由於液晶透鏡1100之焦距可如上所述藉由控制施加至液晶透鏡1100之第一電極110以及第二電極120的電壓而改變，所以可控制3D影像可被看到之視點的距離。舉例而言，當觀察者使用遠端遙控啟動顯示器300之視點切換模式(viewpoint switching mode)時，施加至液晶透鏡1100之第一電極110與第二電極120的電壓可依序改變，進而將視點往前或往後移動。以此方法，可輕易地發現可看到之3D影像的視點。
在一些其他實施例中，施加至液晶顯示面板200之共同電極224的共同電壓可相同於施加至液晶透鏡1100之第一電極110的第一電壓或施加至第二電極120的第二電壓。在此些實施例中，可簡化驅動電路。
此外，在一些其他實施例中，液晶顯示面板200之上基板220以及液晶透鏡1100之第一基板101可互相扮演對方的角色。因此，可省略液晶顯示面 板200之上基板220以及液晶透鏡1100之第一基板101其中任一。再者，液晶顯示面板200之共同電極224與液晶透鏡1100之第一電極110可相互扮演對方的角色，因此可省略其中任一。
在第32圖與第33圖之實施例中，係使用液晶顯示面板200作為光提供裝置。然而，如上所述亦可使用有機發光二極體(OLED)顯示面板、發光二極體(LED)顯示面板、無機電致發光(EL)顯示面板、場效發射顯示(FED)面板、表面傳導電子發射顯示(SED)面板、電漿顯示面板(PDP)、陰極射線管(CRT)顯示面板、以及電泳顯示(EPD)面板等其中任一。由於所屬技術領域中具有通常知識者可由第32圖與第33圖之實施例輕易地推知，故將省略其詳細描述。
在第32圖與第33圖之實施例中，係使用第2圖之液晶透鏡1100作為液晶透鏡。然而，顯而易見的是也可使用根據此處所描述之各種不同實施例的液晶透鏡。
下文中將描述製造液晶透鏡方法之實施例。第34圖係為製造液晶透鏡之方法實施例中製程的剖面圖。
請參閱第34圖，第一電極110係形成於第一基板101上。用以形成第一介電次層141a的材料係堆疊於第一電極110上且接著被圖樣化以形成具有複數個單位圖樣的第一介電次層141a。此處，用以形成第一介電次層141a之材料的圖樣化可使用光刻(photolithography)製程而執行。接下來，用以形成第二介電次層之材料係堆疊於第一介電次層141a上且接著被圖樣化以形成所需之第二介電次層。在形成第二介電次層之後，液晶層以及具有第二電極之第二基板係堆疊於第二介電次層上，進而完成液晶透鏡。
在一些實施例中，用以形成第一介電次層141a的材料可堆疊於第一基板101上的第一電極110上。在其他實施例中，用以形成第二介電次層之材料層可形成於第二基板上的第二電極上，且可執行接下來的製程。
第35圖係為製造液晶透鏡之方法另一實施例之剖面圖。
請參閱第35圖，第一電極110係形成於第一基板101上。用以形成第二介電次層141b之材料層係堆疊於第一電極110上且接著被圖樣化以形成具有複數個凹陷區域171a的第二介電次層141b。用以形成第二介電次層141b之材料層的圖樣化可使用光刻製程而執行。接下來，第二介電次層141b之凹陷區域171a係填充用以形成第一介電次層之材料層且接著被圖樣化以形成具有所欲之複數個單位圖樣之第一介電次層。在形成第一介電次層之後，液晶層以及具有第二電極的第二基板係堆疊於第一介電次層與第二介電次層上，進而完成液晶透鏡。
在一些實施例中，用以形成第二介電次層141b的材料層係堆疊於第一基板101上的第一電極110上。在其他實施例中，用以形成第一介電次層之材料層可形成於第二基板上的第二電極上，且接著執行後續製程。
本發明之實施例提供下列優點至少其中之一。
液晶透鏡之實施例可以各種不同方法控制光學路徑。因此液晶透鏡可應用於各種不同使用光線的裝置，例如太陽能電池、影像感測器等。
此外，使用液晶透鏡實施例的顯示器可以各種不同方式控制光學路徑。因此可於2D及3D模式間切換以顯示2D與3D影像。
再者，由於可輕易地調整焦距，因此便於找尋可看見之3D影像的視點位置。
然而本發明之效益不限於此處所述。藉由參考本發明所涵括之申請專利範圍，本發明之上述及其他效益對於所屬技術領域中具有通常知識者將更為顯而易知。
1100‧‧‧液晶透鏡
101‧‧‧第一基板
102‧‧‧第二基板
110‧‧‧第一電極
120‧‧‧第二電極
130‧‧‧液晶層
130_1‧‧‧液晶層之頂部表面
130_2‧‧‧液晶層之底部表面
135‧‧‧液晶分子
141‧‧‧介電層
141a‧‧‧第一介電次層
141b‧‧‧第二介電次層
141_1‧‧‧介電層之頂部表面
141_2‧‧‧介電層之底部表面
141a_s‧‧‧垂直側壁
X、Y‧‧‧方向
d1、d2‧‧‧高度
ε1、ε2‧‧‧介電常數
f1、f2、f3、f4、f5‧‧‧平坦部分
L1‧‧‧第一單位透鏡部分
L2‧‧‧第二單位透鏡部分
P0、P1、P2‧‧‧位置

Claims (25)

  1. 一種液晶透鏡，其包含：一第一電極與一第二電極，其係相互面對；一液晶層，其係插設於該第一電極與該第二電極之間，其中該液晶層具有一平坦頂部表面以及一平坦底部表面；以及一介電層，其係插設於該第二電極以及該液晶層之間；其中該介電層包含一第一介電次層以及一第二介電次層，該第一介電次層係由具有與形成該第二介電次層之材料之介電常數不同之介電常數之材料所製成，該第一介電次層包含一個或多個單位圖樣，其中每一該單位圖樣定義呈現一光學特性的一單位透鏡部分，且其中每一該單位圖樣之一表面包含複數個平坦部分，且該複數個平坦部分中，一第一平坦部分中之每一該單位圖樣之高度係不同於一第二平坦部分中之該些單位圖樣之高度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，其中該介電層具有一平坦頂部表面與一平坦底部表面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之之液晶透鏡，其中該介電層之該平坦頂部表面與該平坦底部表面以及每一該複數個平坦部分係相互平行。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之液晶透鏡，其中每一該單位圖樣之一剖面係為階梯型。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之液晶透鏡，其中該第二平坦部分 相鄰於該第一平坦部分，且該第一平坦部分與該第二平坦部分係藉由一垂直側壁或一對角部分所連接。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，其中該第一介電次層之折射係數係與該第二介電次層之折射係數不同。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，其中該第一介電次層之一表面係為該第二介電次層所覆蓋。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，其中該第一介電次層之該些單位圖樣係相互分離且由該第二介電次層所環繞。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，其中該第一介電次層之該些單位圖樣具有相同形狀且沿著一水平方向均勻地配置。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，其中每一該第一電極與該第二電極係為一整體表面(whole-surface)電極。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之液晶透鏡，其中該第一電極與該第二電極係相互平行配置。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，更包含設置於該第二電極上之一光學透鏡。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之液晶透鏡，其中每一該單位圖樣包含具有一平坦第一表面與一平坦第二表面之一第一堆疊薄膜、以及具有一平坦第一表面與一平坦第二表面之一第二堆疊薄膜，其中該第二堆疊薄膜係形成於該第一堆疊薄膜之該平坦第一表面上以暴露該第一堆疊薄膜之該平坦第一表面之部分，該第一平坦部分包含該第一堆疊薄膜之該平坦第一表面所暴露區域之一部分，且該第二平坦部分包含該第二堆疊薄膜之該平坦第一表面所在位置之至少一部分。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之液晶透鏡，其中該第一堆疊薄膜之介電常數係與該第二堆疊薄膜之介電常數相同。
  15. 一種液晶透鏡，其包含：一第一電極；一液晶層，其係設置於該第一電極上；一介電層，其係設置於該液晶層上；以及一第二電極，其係以相同形狀形成於該介電層之一頂部表面上，其中該介電層包含一個或多個單位圖樣，其中每一該單位圖樣定義呈現一光學特性的一單位透鏡部分，且其中每一該單位圖樣之一頂部表面包含複數個平坦部分，且該複數個平坦部分中，一第一平坦部分中之每一該些單位圖樣之高度係與一第二平坦部分中之該些單位圖樣之高度不同。
  16. 一種顯示器，其包含：一光提供裝置；以及一液晶透鏡，其係設置於該光提供裝置上，其中該液晶透鏡包含：一第一電極與一第二電極，其係相互面對；一液晶層，其係插設於該第一電極與該第二電極之間，且具有一平坦頂部表面與一平坦底部表面；以及一介電層，其係插設於該第二電極與該液晶層之間，其中該介電層包含一第一介電次層與一第二介電次層，該第一 介電次層係由具有與形成該第二介電次層之材料之介電常數不同之介電常數之材料所製成，該第一介電次層包含一個或多個單位圖樣，其中每一該單位圖樣定義呈現一光學特性的一單位透鏡部分，且其中每一該單位圖樣之一表面包含複數個平坦部分，且該複數個平坦部分中，一第一平坦部分中之每一該單位圖樣之高度係與一第二平坦部分中之該些單位圖樣之高度不同。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之顯示器，其中該光提供裝置包含一顯示面板。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之顯示器，其中該顯示面板係為有機發光二極體(OLED)顯示面板、發光二極體(LED)顯示面板、無機電致發光(EL)顯示面板、場效發射顯示(FED)面板、表面傳導電子發射顯示(SED)面板、電漿顯示面板(PDP)、陰極射線管(CRT)顯示面板、液晶顯示(LCD)面板、以及電泳顯示(EPD)面板其中任一。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之顯示器，其中該顯示面板包含以矩陣配置之複數個像素區域，且該第一介電次層包含相互連接之複數個該單位圖樣，其中兩個或多個該些像素區域係配置於每一該單位圖樣之寬度中。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之顯示器，其中該顯示面板包含以矩陣配置之複數個像素區域，且該第一介電次層包含相互分離之複數個該單位圖樣，其中兩個或多個該些像素區域係配置於每一該些單位圖樣之一節距(pitch)中。
  21. 如申請專利範圍第16項所述之顯示器，其中該第一介電次層 之高度與該第二介電次層之高度沿著一水平方向之和係為常數。
  22. 如申請專利範圍第16項所述之顯示器，其中該第一介電次層之折射係數係與該第二介電次層之折射係數不同。
  23. 一種製造液晶透鏡之方法，該方法包含：於一第一電極上形成一介電層；以及於該介電層上配置一液晶層與一第二電極，其中該介電層包含一第一介電次層與一第二介電次層，該第一介電次層係由具有與形成該第二介電次層之材料之介電常數不同之介電常數之材料所製成，該第一介電次層包含一個或多個單位圖樣，其中每一該單位圖樣定義呈現一光學特性的一單位透鏡部分，且其中每一該單位圖樣之一表面包含複數個平坦部分，且該複數個平坦部分中，一第一平坦部分中之每一該單位圖樣之高度係與一第二平坦部分中之該些單位圖樣之高度不同。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中形成該介電層包含：於該第一電極上形成該第一介電次層之該些單位圖樣；以及於該些單位圖樣上堆疊該第二介電次層。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該介電層之形成包含：於該第一電極上形成包含多個凹陷區域之該第二介電次層；以及 以該第一介電次層填滿該些凹陷區域。
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