专利名称：2d/3d切换的液晶透镜组件及显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种显示装置，尤指一种2D/3D切换的液晶透镜组件及其显示装置。
背景技术：
人类是透过双眼所看到的展望而感知到真实世界的影像。而人类的大脑会 进一步根据双眼所看到两个不同角度的展望之间的空间距离差异而形成所谓的3维 (3-dimension,3D)影像。这种空间距离差异被称为视差(parallax)。所谓的3D显示装置 就是模拟人类双眼不同角度的视野，让左、右眼分别接收到有视差的两个2D影像，使人脑 获取左、右眼看到的不同2D影像后，能感知为3D影像。目前的3D显示装置主要分为两类，分别是自动立体显示装置 (Auto-stereoscopic display)以及非自动立体显不装置(Stereoscopic display)。自动 立体显示装置的用户不用戴上特殊结构的眼镜就可以看出3D立体影像。而另一种非自动 立体显示装置则需要使用者戴上特制的眼镜，才能看到3D立体影像。常见的自动立体显示 装置有两种狭缝光栅式自动立体显示装置和微透镜阵列式立体显示装置。狭缝光栅式自 动立体显示装置的原理是依靠不透光的视差屏障(parallax barrier)让使用者的左右眼 看到具有视差之影像，而此视差就会在大脑中形成立体感。至于微透镜阵列式立体显示装 置是使用透镜组件作为一光栅片(Lenticular Lens)并贴附在液晶面板上，该透镜组件是 由单折射率微透镜阵列和双折射率微透镜数组契合组成。该双折射率微透镜阵列的材料是 液晶。利用施加于双折射率微透镜的电场变化，使得液晶分子的排列由水平方向转变成垂 直方向，而其折射率则由寻常光折射率η。变成非寻光折射率ι。如此一来，入射至该透镜 组件的光线因双折射(Birefringence)率微透镜的折射率变动而有不同的出光方向。藉由 这个原理，观察者可以看到两种不同折射角度的光线，所以可以达到2D/3D影像的切换。然 而，传统透镜组件是将两层控制电极分别放在该双折射率微透镜的上、下两端，并利用该两 层控制电极的驱动电压差所产生的电场将液晶分子由水平方向调整成垂直方向，一般来说 该驱动电压差达到5V以上。因此若能制作一种用于2D/3D影像切换的低驱动电压透镜组 件，将更符合绿色环保的需求。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种2D/3D切换的液晶透镜组件及其显示装置，该液晶 透镜组件是利用位于一电极层上的控制电极所产生的电场，来调整双折射率凸透镜的折射 率，以解决背景技术的问题。本发明提供一种2维/3维显示影像切换的显示装置，包括一背光模块、一液晶面 板和一液晶透镜组件，所述背光模块用于产生光线，所述液晶面板用来依据所述背光模块 产生的光线显示影像，所述液晶面板透射出的光线为偏振光。所述液晶透镜组件自出光面 至入光面依序包括多个相邻排列的长条状凹透镜以及多个相邻排列的长条状液晶凸透镜。 所述多个相邻排列的长条状液晶凸透镜，其一一对应所述多个凹透镜，所述多个长条状液
3晶凸透镜包括一透明基板，一位于该透明基板上的电极层，及一第一液晶层，该第一液晶层 夹于该凹透镜与透明基板之间。该电极层包含多个控制电极，所述多个控制电极用于控制 所述双折射液晶凸透镜的液晶分子的排列方向以调整其等效折射率，使得所述液晶凸透镜 的等效折射率等于或者大于所述凹透镜的第一折射率。本发明另提供一种液晶透镜组件，其自出光面至入光面依序包括多个相邻排列的 长条状凹透镜以及多个相邻排列的长条状液晶凸透镜。所述多个相邻排列的长条状液晶凸 透镜，其一一对应所述多个凹透镜，所述多个长条状液晶凸透镜包括一透明基板，一位于该 透明基板上的电极层，及一第一液晶层，该第一液晶层夹于该凹透镜与透明基板之间。该电 极层包含多个控制电极，所述多个控制电极用于控制所述双折射液晶凸透镜的液晶分子的 排列方向以调整其等效折射率，使得所述液晶凸透镜的等效折射率等于或者大于所述凹透 镜的第一折射率。根据本发明的实施例，所述凹透镜的折射率等于所述第一液晶层的液晶分子的寻 常光折射率。根据本发明的实施例，所述控制电极为长条状，其延伸方向与所述长条状液晶凸 透镜延伸方向一致。该液晶透镜组件配合线性偏振光使用，且所述多个长条状液晶凸透镜 沿一第一方向延伸，并沿一第二方向排列，该第一方向垂直于该第二方向，所述偏振光的偏 振方向垂直于第一方向。所述液晶凸透镜进一步包括一设置于所述透明基板的靠近所述第 一液晶层的表面的配向膜，该配向膜使得所述第一液晶层的液晶分子在未被施加电场时， 光轴平行于所述第一方向。所述第一液晶层的液晶分子为光轴方向会沿平行于电场方向排 列的正性液晶，所述第一液晶层的液晶分子在被施加电场时，光轴与第一方向成一定角度。根据本发明的实施例，所述第一液晶层的液晶分子的非寻常光折射率大于1. 2倍 的寻常光折射率。根据本发明的实施例，所述凹透镜是一双折射液晶凹透镜，其包括一第二液晶层， 该液晶层包括多个排列方向垂直于所述透明基板的液晶分子。根据本发明的实施例，所述凹透镜是一双折射液晶凹透镜，其包括一第二液晶层， 该液晶层包括多个排列方向平行于所述透明基板的液晶分子。相较于现有技术，本发明的显示装置可透过驱动电压控制液晶凸透镜的液晶分子 转动角度，可变化液晶凸透镜的等效折射率以动态调整该等效折射率与凹透镜的折射率的 折射率差。其目的在于补偿人眼观察显示装置距离不同时，光折射角度的需求。此外，让液 晶凸透镜的非寻常光折射率远大于寻常光折射率，则液晶分子转动少许角度时，入射偏振 光便得到较大的折射率变化达到3D/2D切换的目的。此一切换少许角度转动也代表需要较 小的电场便能达成，间接可节省电力的消耗。为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作 详细说明如下
图1是本发明的显示三维影像的显示设备的示意图。图2是液晶分子的排列方向和入射偏振光偏振方向的示意图。图3绘示图1的第一实施例的液晶透镜组件的剖面及凸透镜内的液晶分子未改变排列方向时偏振光的光路示意图。图4绘示图1的第一实施例的液晶透镜组件的剖面及凸透镜内的液晶分子改变排 列方向后的入射偏振光的光路示意图。图5绘示第二实施例的液晶透镜组件的剖面及凸透镜内的液晶分子未改变排列 方向时偏振光的光路示意图。图6绘示第二实施例的液晶透镜组件的剖面及凸透镜内的液晶分子改变排列方 向后的入射偏振光的光路示意图。图7绘示第三实施例的液晶透镜组件的剖面及凸透镜内的液晶分子未改变排列 方向时偏振光的光路示意图。图8绘示第三实施例的液晶透镜组件的剖面及凸透镜内的液晶分子改变排列方 向后的入射偏振光的光路示意图。
具体实施例方式以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施之特定实施 例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」、「水 平」、「垂直」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发 明，而非用以限制本发明。请参阅图1，图1是本发明的显示三维影像的显示设备100的示意图。使用者观看 显示设备100时，可以切换观看2D或3D影像。显示设备100包含背光模块102、液晶面板 110、位于液晶面板110两侧的偏光片(polarizer film) 114,115以及液晶透镜组件120。背 光模块102为该液晶面板提供均勻的面光源。液晶面板110在一对透明玻璃基板之间提供 了液晶材料，并在玻璃基板上布设透明氧化铟锡(Indium Tin Oxide, IT0)作为导电电极。 液晶面板110包含由多个像素112组成的像素阵列，当背光模块102产生的背光照射在液 晶显示面板110上，通过驱动像素112可以调整对应每一像素的液晶分子的转动方向以便 调整背光射出的强度而显示不同灰阶。液晶面板110位于偏光片114、115之间，且偏光片 114、115彼此的偏光轴方向相差90°。偏光片114、115会依据其偏光轴的角度使得透射的 光线仅具有对应偏光轴方向。本发明以从偏光片115射出的光线偏振方向平行于B方向为 例进行说明，但不限于此。请参阅图1至图3，图2是液晶分子的排列方向和入射偏振光偏振方向的示意图。 图3绘示图1的第一实施例的液晶透镜组件120从图1箭头A所示方向的剖面图及凸透镜 122内的液晶分子未改变排列方向时偏振光的光路示意图。液晶透镜组件120自出光面132 到入光面130依序包括透明玻璃基板121a、数个彼此平行并朝第一方向A延伸的长条状凹 透镜124以及数个彼此平行并朝第一方向A延伸且一一对应嵌合凹透镜124的长条状液晶 凸透镜122。液晶凸透镜122包括一透明基板121b、一位于透明玻璃基板121b上的电极层 123及一第一液晶层，该第一液晶层夹于凹透镜124与透明玻璃基板121b之间。每一长条 状凹透镜124和每一长条状液晶凸透镜122是朝第二方向B排列，第一方向A与第二方向 B是彼此垂直的。在另一实施例中，液晶透镜组件120并不需要透明玻璃基板121a，只需要 在凹透镜124的出光侧涂布保护膜即可。电极层123包含多个平行细长控制电极，两细长控制电极之间留有一间隙。电极
5层123的上方会设置一配向膜(未图示)，该配向膜用来使液晶分子在未被施加电场时沿 着特定方向排列。液晶凸透镜122是一个双折射凸透镜。液晶凸透镜122的第一液晶层具 有第一寻常光折射率η。和第一非寻常光折射率I。当入射凸透镜122的偏振光的偏振方 向垂直于液晶分子的光轴方向，此时对入射的偏振光而言，凸透镜122具有第一寻常光折 射率η。。当入射凸透镜122的偏振光的偏振方向平行于液晶分子的光轴方向，此时对入射 的偏振光而言，凸透镜122具有第一非寻常光折射率IV在本实施例中，凹透镜124的折射 率η等于该第一寻常光折射率η。。如图3所示，当电极层123的两细长控制电极之间未被 施予驱动电压时，位于该两细长控制电极之间的液晶分子的排列方向会因配向膜的作用而 垂直于纸面方向。由偏光片115经由入光面130射入液晶凸透镜122的偏振光的偏振方向 与液晶分子的光轴垂直。由于凹透镜124的折射率η等于该液晶凸透镜122的第一寻常光 折射率η。，所以对于射入液晶凸透镜122的偏振光而言，液晶凸透镜122和凹透镜124之间 无折射率差，因此光线会沿直线传播，故在出光面132 —侧的观察者会看到2D影像。请参阅图4，图4绘示图1的第一实施例的液晶透镜组件120的剖面及凸透镜122 内的液晶分子改变排列方向后的入射偏振光的光路示意图。当电极层123的两细长控制电 极之间被施予驱动电压时，位于该两细长控制电极之间的液晶分子发生旋转。从偏光片115 射出的的偏振光的偏振方向与液晶分子的快轴(即与光轴垂直的方向)呈一角度θ，同时 液晶凸透镜122具有等效折射率nrff。当驱动电压增加时，该角度θ也会越大，直到角度θ 等于90度时，对于该偏振光，该液晶凸透镜122的折射率为该第一非寻常光折射率实 质上，角度θ在0° 90°的等效折射率neff与90° 180°的等效折射率neff是对应的， 举例来说，角度θ在45°和135°的等效折射率Iirff是相同的。也就是说，第一寻常光折 射率η。(角度θ =0° )与第一非寻常光折射率角度θ =90° )的折射率差是最大 的。所以液晶凸透镜122的等效折射率nrff是介于第一寻常光折射率η。和第一非寻常光折 射率之间。因为液晶凸透镜122的等效折射率Iirff大于凹透镜124的折射率η( = η。)， 因此该偏振光由光密介质进入光疏介质，所以射入的偏振光会在液晶凸透镜122和凹透镜 124的接面处发生折射并集中到人眼，故在出光面132 —侧的观察者会看到3D影像。另，本实施例可以调整施加于电极层123的两细长控制电极之间的驱动电压大 小，使得射入的偏振光的偏振方向与液晶分子的快轴之间的角度θ以及液晶凸透镜122的 等效折射率nrff亦随之调整。如此一来，液晶凸透镜122的等效折射率Iirff与凹透镜124的 折射率η的折射率差也会改变，使得射入的偏振光在液晶凸透镜122和凹透镜124的折射 方向也略有差异。也就是说，当观察者与出光面132之间的距离分别是Dl与D2，利用调整 驱动电压的方式改变液晶凸透镜122的等效折射率Iirff后，仍可观看到清晰且栩栩如生的 3D影像。除此之外，在选择凸透镜122的液晶材料时，可选用第一非寻常光折射率~远大 于第一寻常光折射率η。的液晶，例如1.2Xn。。这时，只要极小的驱动电压就可以产生 一定的电场让液晶分子转动特定角度，而使入射的偏振光经过折射率变化较大的两层透镜 以让显示设备100达到2D/3D切换的目的，因此可以节省电力的消耗。在图3、图4中，液晶凸透镜122采用正性液晶，也就是说，当电极层123的两细长 控制电极产生如图3的箭头B (亦即图1箭头B)所示方向的电场时，液晶凸透镜122的液 晶排列方向是平行于电场方向。在另一实施例中，液晶凸透镜122亦可采用负性液晶。在 该实施例中，细长电极的沿着A方向排列，沿着B方向延伸。
请参阅图5，图5绘示第二实施例的液晶透镜组件220的剖面及凸透镜222内的 液晶分子未改变排列方向时偏振光的光路示意图。液晶透镜组件220自出光面230到入光 面232依序包括透明玻璃基板221a、数个彼此平行并朝第一方向A延伸延伸的长条状液晶 凹透镜224以及数个彼此平行并朝第一方向A延伸且一一对应嵌合液晶凹透镜224的长条 状液晶凸透镜222。液晶凸透镜222包括一透明基板221b、位于透明玻璃基板221b上的电 极层223及一第一液晶层，该第一液晶层夹于液晶凹透镜224与透明玻璃基板221b之间。 每一长条状液晶凹透镜224和每一长条状液晶凸透镜222是朝第二方向B排列，第一方向 A与第二方向B是彼此垂直的。与前述实施例的液晶透镜组件220差异之处在于，液晶凹 透镜224具有一第二液晶层。当该第二液晶层的液晶分子的光轴方向平行于入射光的传播 方向(亦即垂直于透明基板221b)，其具有第二寻常光折射率n。2。液晶凸透镜222是一个 双折射凸透镜。双折射液晶凸透镜222具有第一寻常光折射率Iitjl和第一非寻常光折射率 nelo液晶凹透镜224的第二寻常光折射率n。2等于该第一寻常光折射率r^。如图5所示， 当电极层223的两细长控制电极之间未被施予驱动电压时，位于该两细长控制电极之间的 液晶分子的排列方向会垂直于纸面方向。此时由偏光片115经由入光面230射入的偏振光 的偏振方向与液晶分子的光轴垂直。由于液晶凸透镜222的第一寻常光折射率n()1等于液 晶凹透镜224的第二寻常光折射率n。2，所以对射入液晶凸透镜222的偏振光而言，液晶凸 透镜222和液晶凹透镜224之间无折射率差，因此光线会沿直线传播，故在出光面232 —侧 的观察者会看到2D影像。请参阅图6，图6绘示第二实施例的液晶透镜组件220的剖面及凸透镜222内的液 晶分子改变排列方向后的入射偏振光的光路示意图。当电极层223的两细长控制电极之间 被施予驱动电压时，位于该两细长控制电极之间的液晶分子发生旋转。从偏光片115射出 的偏振光的偏振方向与液晶分子的快轴呈一角度θ，同时液晶凸透镜222具有等效折射率 nrff。当驱动电压增加时，该角度θ也会越大，直到角度θ等于90度时，对于该偏振光，该 液晶凸透镜222的折射率为该第一非寻常光折射率nel。液晶凸透镜222的等效折射率nrff 是介于第一寻常光折射率Iitjl和第一非寻常光折射率之间。因为液晶凸透镜222的等效 折射率nrff大于液晶凹透镜224的第二寻常光折射率n。2( = n0l)，因此该偏振光由光密介 质进入光疏介质，所以射入的偏振光会在液晶凸透镜222和液晶凹透镜224的接面处发生 折射并及中到人眼，故在出光面232 —侧的观察者会看到3D影像。 另，本实施例可以调整施加于电极层223的两细长控制电极之间的驱动电压大 小，使得射入的偏振光的偏振方向与液晶分子的快轴之间的角度θ以及液晶凸透镜222的 等效折射率nrff亦随之调整。如此一来，液晶凸透镜222的等效折射率Iirff与液晶凹透镜 224的第二寻常光折射率n。2的折射率差也会改变，使得射入的偏振光在液晶凸透镜222和 液晶凹透镜224的折射方向也略有差异。也就是说，当观察者与出光面232之间的距离分 别是Dl与D2，利用调整驱动电压的方式改变液晶凸透镜222的等效折射率Iirff后，仍可观 看到清晰且栩栩如生的3D影像。除此之外，在选择凸透镜222的液晶材料时，可选用第一 非寻常光折射率、远大于第一寻常光折射率Iitjl的液晶，例如Iiel彡1.2Xn0lo这时，只要 极小的驱动电压就可以产生一定的电场让液晶分子转动特定角度，可是入射的偏振光就经 过折射率变化较大的两层透镜以让显示设备100达到3D/2D切换的目的，因此可以节省电 力的消耗。
在图5、图6中，液晶凸透镜222采用正性液晶，也就是说，当电极层223的两细长 控制电极产生如图5的箭头B (亦即图1箭头B)所示方向的电场时，液晶凸透镜222的液 晶排列方向是平行于电场方向。在另一实施例中，液晶凸透镜222亦可采用负性液晶，在此 实施例中，细长电极的沿着A方向排列，沿着B方向延伸。请参阅图7和图8，图7绘示第三实施例的液晶透镜组件320的剖面及凸透镜222 内的液晶分子未改变排列方向时偏振光的光路示意图。图8绘示第三实施例的液晶透镜组 件320的剖面及凸透镜222内的液晶分子改变排列方向后的入射偏振光的光路示意图。图 7和图8所标示的组件与图5和图6具有相同标号者，其功能相同，在此不另赘述。液晶透 镜组件320的双折射液晶凹透镜224的第二液晶层包括多个排列方向平行于透明基板221b 的液晶分子，也就是液晶分子的光轴方向平行于入射光的偏振方向。对于该偏振光而言，其 具有第二非寻常光折射率η 。液晶透镜组件320与液晶透镜组件220的差异在于，液晶透 镜组件320的液晶凹透镜224的折射率固定为该第二非寻常光折射率ne2。显示立体影像 时，只要选择液晶凸透镜222的第一寻常光折射率n()1等于第二非寻常光折射率η ，之后调 整液晶凸透镜222的等效折射率Iirff介于第一寻常光折射率η()1和第一非寻常光折射率 之间即可。也就是说，当液晶凸透镜222的等效折射率Iirff匹配于液晶凹透镜224的第二 非寻常光折射率η ，则液晶凸透镜222和液晶凹透镜224之间无折射率差，因此光线会沿 直线传播，故在出光面232 —侧的观察者会看到2D影像。当液晶凸透镜222的等效折射率 neff大于液晶凹透镜224的第二非寻常光折射率ne2时，该偏振光由光密介质进入光疏介质， 射入的偏振光会在液晶凸透镜222和液晶凹透镜224的接面处发生折射并集中到人眼，故 在出光面232 —侧的观察者会看到3D影像。综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制 本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润 饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
权利要求
一种2维/3维显示影像切换的显示装置，依序包括一背光模块、一液晶面板和一液晶透镜组件，所述背光模块用于产生光线，所述液晶面板用来依据所述背光模块产生的光线显示影像，所述液晶面板透射出的光线为偏振光，该液晶透镜组件其自出光面至入光面依序包括多个相邻排列的长条状凹透镜；多个相邻排列的长条状液晶凸透镜，其一一对应所述多个凹透镜，所述多个长条状液晶凸透镜包括一透明基板，一位于该透明基板上的电极层，及一第一液晶层，该第一液晶层夹于该凹透镜与透明基板之间；其特征在于该电极层包含多个控制电极，所述多个控制电极用于控制所述双折射液晶凸透镜的液晶分子的排列方向以调整其等效折射率，使得所述液晶凸透镜的等效折射率等于或者大于所述凹透镜的第一折射率。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述凹透镜的折射率等于所述第一 液晶层的液晶分子的寻常光折射率。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述控制电极为长条状，其延伸方向 与所述长条状液晶凸透镜延伸方向一致。
4.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于该液晶透镜组件配合线性偏振光使 用，且所述多个长条状液晶凸透镜沿一第一方向延伸，并沿一第二方向排列，该第一方向垂 直于该第二方向，所述偏振光的偏振方向垂直于第一方向。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于所述液晶凸透镜进一步包括一设置 于所述透明基板的靠近所述第一液晶层的表面的配向膜，该配向膜使得所述第一液晶层的 液晶分子在未被施加电场时，光轴平行于所述第一方向。
6.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于所述第一液晶层的液晶分子为光轴 方向会沿平行于电场方向排列的正性液晶，所述第一液晶层的液晶分子在被施加电场时， 光轴与第一方向成一定角度。
7.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述第一液晶层的液晶分子的非寻 常光折射率大于1. 2倍的寻常光折射率。
8.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述凹透镜是一双折射液晶凹透镜， 其包括一第二液晶层，该第二液晶层包括多个排列方向垂直于所述透明基板的液晶分子。
9.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述凹透镜是一双折射液晶凹透镜， 其包括一第二液晶层，该第二液晶层包括多个排列方向平行于所述透明基板的液晶分子。
10.一种液晶透镜组件，其自出光面至入光面依序包括多个相邻排列的长条状凹透镜；多个相邻排列的长条状液晶凸透镜，其一对一对应所述多个凹透镜，所述多个长条状 液晶凸透镜包括一透明基板，一位于该透明基板上的电极层，及一第一液晶层，该第一液晶 层夹于该凹透镜与透明基板之间；其特征在于该电极层包含多个控制电极，所述多个控制电极用于控制所述双折射液晶凸透镜的液 晶分子的排列方向以调整其等效折射率，使得所述液晶凸透镜的等效折射率等于或者大于 所述凹透镜的第一折射率。全文摘要
本发明公开一种自动立体显示装置和液晶透镜组件，其自出光面至入光面依序包括凹透镜、双折射液晶凸透镜和电极层。液晶凸透镜嵌合于凹透镜，该液晶凸透镜具有寻常光折射率和非寻常光折射率。电极层的多个控制电极产生的电场会调整液晶凸透镜的液晶分子的排列方向以调整其等效折射率，使得等效折射率介于该凹透镜的折射率以及该双折射液晶凸透镜的非寻常光折射率之间。其目的在于补偿人眼观察自动立体显示装置距离不同时，光折射角度的需求。此外该非寻常光折射率远大于寻常光折射率，则液晶分子转动少许角度时，入射偏振光便得到较大的折射率变化达到3D/2D切换的目的。此一切换少许角度转动也代表只需要较小的电场便能达成，可节省电力的消耗。
文档编号G02F1/29GK101968595SQ20101051242
公开日2011年2月9日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年10月13日
发明者康志聪, 贺成明 申请人:深圳市华星光电技术有限公司