液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置，第一介电层包括奇数个在X方向依次设置且沿Y方向延展并平行的条形介电块，所述条形介电块的宽度相同并依次标记为d11，d12，d13，…，d18，d1n，所述条形介电块的导电系数沿d1（（n+1）/2）对称分布，d1（（n+1）/2）的导电系数最小，d11和d1n的导电系数最大且相等，即透镜单元的导电系数由透镜的边缘到中心逐渐降低。在每个透镜单元内形成左右对称分布的电场，并且从透镜边缘到透镜中心电场呈现渐变趋势，引起液晶层整体折射率的渐变，实现类似凸透镜聚光的效果，可以广泛应用于裸眼3D立体显示，同时在2D与3D之间自由切换。
【专利说明】液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种液晶透镜，尤其涉及的是一种液晶透镜及应用该透镜的立体显示
装置。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]如图1所示，100为一种常见的液晶透镜阵列结构示意图，它含有多个液晶透镜单元如LI与L2等(图中只画出了两个透镜单元)，每个透镜单元如LI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 —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ΙΖ0。在每一个透镜单元之内，以LI为例，第一电极103包含Sll，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
(Sll),ff (S12),ff (S13)，...，W (S18),ff (S19)等，一般而言条形电极具备相同的宽度，SPW (Sll) =W (S12)=ff (S13)=...=W (S18) =W (S19)。在两个液晶透镜单元如 LI 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，设置在介电材料104上的第一配向膜105以及设置在第二电极107上的第二配向膜108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。
[0004]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LI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Λ ε = ε //-ε丄>0，式中ε //为液晶分子长轴方向的介电系数，ε丄为液晶分子短轴方向的介电系数。)为例，可以使V (Sll)=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Sll，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Sll，S19位置的液晶分子基本上呈现垂直方向分布，SP液晶分子长轴与电场方向平行；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，即液晶分子长轴与电场方向垂直。在每一个透镜单兀内，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。2D显示时，在第一电极103如S11，S12，S13，…，S18，S19 (以透镜单元LI为例)等以及第二电极107上施加电压均设置为零或者两者之间无压差，则液晶分子106不受电场的影响，仍保持液晶分子的初始取向(如图1所示)，此时液晶透镜单元不对入射光方向进行调制。
[0005]在3D显示时，需要在各个条形电极上施加对称的电压，如V (Sll) =V (S19) >V
(S12)=V (S18)>V (S13)=V (S17)>V (S14)=V (S16)>V (S15)，随着每个液晶透镜单元设计时电极数量的增多，需要提供的不同驱动电压数量也随之增加，导致驱动电路及液晶透镜阵列周边电路设计变得复杂。以每个透镜单元为例，假设在每个透镜单元内有N个条形电极，当提供左右对称的驱动电压时，至少需要提供(N+1)/2个不同的驱动电压。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种液晶透镜及应用该透镜的立体显示装置，可以简化液晶透镜周边电路及驱动电路的设计。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括多个液晶透镜单元，每个透镜单兀包括第一基板、第一电极、第一介电层、第一配向膜、第二基板、第二电极、第二配向膜和液晶材料，所述第一电极设置于第一基板上，第二电极设置于第二基板上，第一介电层设置于第一电极上，第一配向膜设置于第一介电层上，第二配向膜设置于第二电极上，液晶材料封装在第一配向膜和第二配向膜之间，多个透镜单元在X方向上重复周期性重复构成液晶透镜阵列，所述第一介电层包括奇数个在X方向依次设置且沿Y方向延展并平行的条形介电块，所述条形介电块的宽度相同并依次标记为dll，dl2，dl3，…，dl8，dln，所述条形介电块的导电系数沿dl ((n+1)/2)对称分布，dl ((n+1)/2)的导电系数最小，dll和din的导电系数最大且相等，即透镜单元的导电系数由透镜的边缘到中心逐渐降低。
[0008]所述第一电极和第二电极为没有特殊图案的面电极，均为透明导电材料。
[0009]所述3D显示模式下，第`二电极为公用电极设置为0V，第一电极的驱动电压为幅值为V的频率固定且正负极性交替变换的方波(+V，-V，+V，-V，……)。
[0010]所述第一介电层和第一配向膜之间设有透明绝缘层。
[0011]所述液晶透镜阵列还包括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。
[0012]一种应用所述液晶透镜的立体显示装置。
[0013]一种所述的液晶透镜的制备方法，包括以下步骤:
[0014]( I)在第一基板上派射形成第一电极；
[0015](2)制备具有最大介电系数的第一介电层；
[0016](3)涂覆光阻或光刻胶；
[0017](4)进行曝光、显影、蚀刻；
[0018](5)去除光阻或剥离光刻胶，保留两端的条形介电块即得到具有最大介电系数的条形介电块；
[0019](6)依次重复步骤(2)~(5)，得到介电系数由边缘向中心逐渐减小的第二介电层。
[0020]所述步骤(2)中制备第一介电层的方法为等离子增强化学气相沉积法PECVD或旋涂O[0021]作为本发明的优选方式之一，所述光刻胶为正性光刻胶。
[0022]作为本发明的优选方式之一，所述步骤(4)中采用光罩作为模板进行曝光。
[0023]本发明相比现有技术具有以下优点:本发明的液晶透镜无需特殊图案形成第一电极或者第二电极，整个液晶透镜中的第一电极与第二电极均采用面电极形成，通过在液晶透镜阵列的每个液晶透镜单元内形成多个具有不同介电系数并且左右对称分布的介电层，从而在每个透镜单元内形成左右对称分布的电场，并且从透镜边缘到透镜中心电场呈现渐变趋势，引起液晶层整体折射率的渐变，实现类似凸透镜聚光的效果，可以广泛应用于裸眼3D立体显示，同时在2D与3D之间自由切换。2D显示时，液晶透镜立体显示装置的主要光学参数如亮度、对比度及分辨率等基本不受影响，3D显示时液晶透镜立体显示装置与液晶狭缝光栅立体显示装置相比仍具备高亮度的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是现有常见的液晶透镜的结构示意图；
[0025]图2是图1在3D显示状况下的液晶分子排布示意图；
[0026]图3是实施例1的剖视图；
[0027]图4是图3中10134的俯视图；
[0028]图5是液晶透镜单元内介电系数的分布示意图；
[0029]图6是实施例1的各个电容串联模型；
[0030]图7是液晶透镜单元内电场梯度分布示意图；
[0031]图8是具有不同介电系数的条形介电块的液晶分子取向仿真示意图；
[0032]图9是液晶透镜单元内折射率分布示意图；
[0033]图10是本发明制备方法的流程图；
[0034]图11是实施例2的结构示意图；
[0035]图12是液晶透镜立体显示装置在3D显示模式下的示意图；
[0036]图13是液晶透镜立体显示装置在2D显示模式下的示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0038]实施例1
[0039]如图3所示，本实施例的液晶透镜阵列1000含有多个液晶透镜单元(图中只画出了两个透镜单元LI与L2)，每个透镜单元如LI与L2等具有相同的结构。液晶透镜阵列1000包含第一基板1001与第二基板1002，第一基板1001与第二基板1002正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板1001上设置有第一电极1003，第一电极1003为面电极，无特殊图案，一般为透明导电材料如ITO或者IZO等。在第一电极1003之上设置有第一介电层1004，在第一介电层1004之上设置有第一配向膜1005，第一配向膜1005 —般为聚酰亚胺等有机材料。第二电极1006设置在第二基板1002之上且面向第一电极1003的一侧，第二电极1006作为公用电极也为面电极，无特殊图案，一般为透明导电材料如ITO或者IZO等。第二配向膜1007设置在第二电极1006之上，第二配向膜1007 —般为聚酰亚胺等有机材料。液晶材料1008被封装在第一基板1001与第二基板1002之间，液晶分子的初始取向由液晶材料本身特性及第一配向膜1005与第二配向膜1007摩擦方向决定。除此之外，液晶透镜阵列1000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。为便描述，以下将第一基板1001、第一电极1003以及第一介电层1004作为一个整体以10134表示。
[0040]图4是液晶透镜第一实施中10134俯视图。第一介电层1004设置在第一电极1003之上。在每一个透镜单兀之内，以LI为例,第一介电层1004包含由dll, dl2, dl3,..., dl8,dl9等奇数个在X方向依次无间隙的且沿Y方向延展并平行设置的条形介电块，条形介电块的数量一般为奇数，以下以九个条形介电块为例进行说明，每个条形介电块在X方向的宽度分别为W (dll),W (dl2),ff (dl3)，...，W (dl8),ff (dl9)等，每个条形介电块在X方向的宽度可以相等或不等，一般具备相同的宽度，即W CdlD=W (dl2)=ff (dl3)=…=W (dl8)=W (dl9)。在两个液晶透镜单元如LI与L2之间，共用同一个条形介电块dl9 (d21)。
[0041]如图5所示，在同一个液晶透镜单元之内，以LI为例，各个条形介电块dll，dl2，dl3，…，dl8，dl9等具有关于液晶透镜中心左右对称的介电系数，如条形介电块dll与dl9具备相同的介电系数ε 1，条形介电块dl2与dl8具备相同的介电系数ε2，条形介电块dl3与dl7具备相同的介电系数ε 3，条形介电块dl4与dl6具备相同的介电系数ε4，条形介电块dl5的介电系数为ε 5。
[0042]3D显示模式下，第二电极1006作为公用电极电压设置为0V，第一电极1003的驱动电压采用频率固定、正负极性交替变换且幅值为V的方波(+V，-V，+V，-V，……)。设第一配向膜1005与第二配向膜1007的厚度均为Τ，介电系数为第一介电层1004的厚度为He,介电系数为ε。液晶透镜盒厚为dl,液晶材料1008等效介电系数为ε LCO在交流驱动下，由第一介电层1004，第一配向膜1005，液晶层1008及第二配向膜1007各自形成的电容串联，如图6所示，各个平行板电容可表示为:
[0043]第一配向膜1005形成的电容Cicitl5= eQeQLS/T……(I);
[0044]第二配向膜1007 形成的电容 C1007= ε 0 ε 0LS/T,即 C1005=C1007……(2)；
[0045]第一介电层1004形成的电容Ce= ε。ε S/He……(3)；
[0046]液晶层1008 形成的电容 Clc= ε 0 ε LCS/dl......(4)；
[0047]公式(I)~(4)中，S表不第一电极1003与第二电极1006正对的面积，由于第一配向膜1005与第二配向膜1007的厚度T约为液晶层1008厚度dl的百分之一，即T=l/100*dl，在第一、第二配向膜介电系数与液晶层等效介电系数相当(gp
eLC)的情况下，CLC=e0eLCS/dl=e0e0LS/ (100T) = ε 0 ε 0LS/T* (1/100) =C腿/100，即由第一或第二配向膜形成电容C—，Cltltl7约为液晶电容Cu的一百倍(Cicici5=Cicici7=IOOC^)tj设第一配向膜1005形成的电容两侧电压差为V1，第二配向膜1007形成的电容两侧电压差为V1，液晶层1008两侧的压差为Vm介电层1004两侧压差为Ve，根据各个串联电容等电量Q的原理及Q=CV可知，
[0048]V=V1005+V1007+VLC+Ve=Q/C1005+Q/C1007+Q/CLC+Q/Ce ^ Q/CLC+Q/Ce=VLC+Ve……(5)
[0049]即在交流驱动下，第一电极1003与第二电极1006上施加的电压几乎全部由液晶层1008形成的电容以及第一介电层1004形成的电容Ce分担。[0050]VLC/Ve= (Q/Clc)/ (Q/Ce)= (dl/He)* ( ε / ε LC)......(6)
[0051]即分配在液晶层1008两侧的电压差％。与分配在第一介电层1004两侧的压差Ve与比值dl/He和ε/ε^直接相关。
[0052]如图7所示，在每个透镜单元内，设条形介电块dll与dl9的介电系数ε I最大，条
形介电块dl2与dl8的介电系数ε2次之，......，条形介电块dl5的介电系数ε 5最小，SP
ε 1> ε 2> ε 3> ε 4> ε 50 Ve=Q/Ce=QHe/( ε 0 ε S)可知，透镜单元边缘如条形介电块dll与dl9处，由于介电系数ε = ε I最大，因而介电层1004两侧具有最小的电压差Ve，由于V=VjVe,故最大；与之相反，在透镜单元中心位置如条形介电块dl5处，由于介电系数ε = ε 5最小，因而介电层1004两侧具有最大的电压差Ve，由于V=Vm+Ve，故￥〖最小；在透镜单元的其他区域，随着介电系数ε的逐渐变化，液晶层两侧的压差依次渐变，从液晶透镜单元的边缘到中心电压逐渐降低，如图七所示，图中以垂直方向双箭头的长度形象的表示液晶层两侧压差的大小。
[0053]如图8所示，当施加在第一电极1003与第二电极1006上的电压大小恒定时，对于具有不同介电系数ε的条形介电块如dll，dl2，…，dl8，dl9等，在液晶透镜单元内不同位置上的液晶层1008两侧具有不同的电压，液晶分子呈现不同的取向。
[0054]由于在每个液晶透镜单元内电压分布呈现从透镜边缘到透镜中心逐渐变小的趋势，电场作用下液晶分子按照不同的角度进行取向排列，如图9所示，反映了每个透镜单元内折射率分布情况，由于在透镜单元边缘液晶层两侧有最大的压差，正性液晶材料分子长轴倾向于与电场方向平行，即平行于Y轴，折射率为no。在透镜单元中心液晶层两侧有最小的压差，液晶材料分子长轴仍处于初始取向位置，即平行于X轴，折射率为ne。在透镜单元
【权利要求】
1.一种液晶透镜，包括多个液晶透镜单元，每个透镜单元包括第一基板、第一电极、第一介电层、第一配向膜、第二基板、第二电极、第二配向膜和液晶材料，所述第一电极设置于第一基板上，第二电极设置于第二基板上，第一介电层设置于第一电极上，第一配向膜设置于第一介电层上，第二配向膜设置于第二电极上，液晶材料封装在第一配向膜和第二配向膜之间，多个透镜单元在X方向上重复周期性重复构成液晶透镜阵列，其特征在于，所述第一介电层包括奇数个在X方向依次设置且沿Y方向延展并平行的条形介电块，所述条形介电块的宽度相同并依次标记为dll，dl2，dl3，…，dl8，dln，所述条形介电块的导电系数沿dl ((n+1)/2)对称分布,dl ((n+1)/2)的导电系数最小,dll和din的导电系数最大且相等，即透镜单元的导电系数由透镜的边缘到中心逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一电极和第二电极为没有特殊图案的面电极，均为透明导电材料。
3.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述3D显示模式下，第二电极为公用电极设置为0V，第一电极的驱动电压为幅值为V的频率固定且正负极性交替变换的方波(+V, -V, +V, -V,......)。
4.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一介电层和第一配向膜之间设有透明绝缘层。
5.根据权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，所述液晶透镜阵列还包括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。
6.—种应用权利要求1~5任一项所述液晶透镜的立体显不装置。
7.—种如权利要求1所述的液晶透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在第一基板上派射形成第一电极； (2)制备具有最大介电系数的第一介电层； (3)涂覆光阻或光刻胶； (4)进行曝光、显影、蚀刻； (5)去除光阻或剥离光刻胶，保留两端的条形介电块即得到具有最大介电系数的条形介电块； (6)依次重复步骤(2)~(5)，得到介电系数由边缘向中心逐渐减小的第二介电层。
8.根据权利要求7所述的一种液晶透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中制备第一介电层的方法为等离子增强化学气相沉积法PECVD或旋涂。
9.根据权利要求7所述的一种液晶透镜的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为正性光刻胶。
10.根据权利要求7所述的一种液晶透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用光罩作为模板进行曝光。
【文档编号】G02F1/29GK103616787SQ201310648756
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】向贤明, 李建军, 董戴, 许召辉 申请人:中航华东光电有限公司