双折射透镜光栅的折射率匹配检测方法、制造装置及制造方法与流程

本发明涉及属于3D显示领域。

背景技术：

双折射透镜光栅是实现2D/3D切换式立体显示装置的最重要的一环。

目前，常见的双折射透镜光栅由柱透镜阵列基板通过填充固化型液晶材料并进行高温配向及紫外固化制作得到。参见图1和图2介绍2D/3D实现原理：该切换装置的三大块结构为：双折射透镜光栅1、液晶光阀2、贴有偏振片的2D显示屏3，对于正性液晶来说，液晶的非寻常光折射率ne＞寻常光折射率n0，透镜阵列基板1-1折射率为np的单折射材料且n0＝np。如图1所示，给液晶光阀2的ITO电极2-1供电，液晶分子2-2在电场的作用下，使得2D显示屏3的线偏振光在通过液晶光阀2时，其偏振方向不被改变。该线偏振光入射到双折射透镜光栅1时，该光线的偏振方向与光栅中的双折射液晶1-2的液晶分子的长轴方向一致，柱透镜的液晶分子表现出长轴折射率，由于ne＞np，使得偏振光在双折射液晶1-2和透镜阵列基板1-1的交界处发生折射，从而实现3D显示。如图2所示，给液晶光阀2的ITO电极2-1断电，2D显示屏3的线偏振光在通过液晶光阀2时，光线的偏振方向被旋转了90°，当该光线入射到双折射透镜光栅1时，偏振光的方向与双折射液晶1-2的液晶分子短轴方向一致，柱透镜中液晶表现出短轴的折射率n0＝np，使得最后经过柱透镜光栅的出射光直射出光栅，实现2D显示。

目前，确定双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率是否匹配的方法主要通过将实验制作的双折射透镜光栅1放在液晶光阀2及2D显示屏3上，并保持双折射透镜光栅1与2D显示屏3之间的距离等于光栅焦距的条件下观察2D画面效果，根据所显示的2D效果判断双折射液晶1-2的一种折射率n0或(ne)与透镜阵列基板1-1的单体折射率np匹配情况。然而，上述方法一方面需要投入大量的时间、实验材料，成本高；另一方面又限制于工艺条件，成功率低、良率低。因而，亟待一种低投入成本、高品质、高效率的制造、检测装置以及方法。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有双折射透镜光栅检测工艺差，进而导致其制造成本高、成功率低、良率低的问题，提供了双折射透镜光栅的折射率匹配检测方法、制造装置及制造方法。

本发明技术方案包括以下三个：

第一个方案：本发明所述双折射透镜光栅的折射率匹配检测方法，光源发出的单色平行光依次经过检偏装置和镜柱装置从下方入射至双折射透镜光栅；

检偏装置的透光轴方向与双折射透镜光栅的液晶配向方向一致；

镜柱装置和双折射透镜光栅之间的距离为镜柱装置的镜柱焦距，镜柱装置的焦平面位于双折射透镜光栅单元轴中心位置，镜柱装置的镜柱长轴方向与双折射透镜光栅的透镜阵列基板的倾角方向一致；

CCD图像传感器从上方拾取经镜柱装置及双折射透镜光栅作用后的光线成像图，CCD图像传感器与双折射透镜光栅之间的距离为双折射液晶与透镜阵列基板的折射率匹配的情况下所拾取到的清晰光线成像图时的距离；

该方法包括以下步骤：

步骤A1、将待检测的双折射透镜光栅置于透光承载装置上，并打开光源；

步骤A2、检偏装置将光源发出的波长为λ的单色光转化为偏振光；

步骤A3、该偏振光经过镜柱装置后，由平行光聚焦至双折射透镜光栅的入光侧；

步骤A4、聚焦后的光束进入双折射透镜光栅为发散光束，该发散光束从双折射透镜光栅出射后被CCD图像传感器拾取，光线在CCD图像传感器上的投影图像的宽度为f1；

步骤A5、判断投影图像宽度f1是否与基准宽度f相等，若相等，表明待检测的双折射透镜光栅中的双折射液晶与透镜阵列基板的折射率匹配；若不相等，则表明待检测的双折射透镜光栅中的双折射液晶与透镜阵列基板的折射率不匹配。

第二个方案：本发明所述双折射透镜光栅的制造装置，包括光源、检偏装置、镜柱装置、透光承载装置、CCD图像传感器、UV固化装置、温控装置和控制模块；

透光承载装置用于承载待制造的双折射透镜光栅，且利于偏振光源透过；

透光承载装置的下方设置光源、检偏装置和镜柱装置，光源发出的光依次经过检偏装置和镜柱装置从下方入射至双折射透镜光栅；

光源用于提供固定波长λ的单色光；

检偏装置用于将光源提供的固定波长λ的单色光转化为偏振光；检偏装置的透光轴方向与双折射透镜光栅的液晶配向方向一致；

镜柱装置的长轴方向与透镜阵列基板光栅单元轴方向一致，镜柱装置和双折射透镜光栅之间的距离为镜柱装置的镜柱焦距，镜柱装置的焦平面位于双折射透镜光栅单元轴中心位置，镜柱装置的镜柱长轴方向与双折射透镜光栅的透镜阵列基板的倾角方向一致；

UV固化装置用于固化透镜阵列基板凹槽中的双折射液晶；

CCD图像传感器悬空位于透光承载装置的上方，用于拾取经柱镜及双折射透镜光栅作用后的光线成像图，CCD图像传感器与双折射透镜光栅之间的距离为双折射液晶与透镜阵列基板的折射率匹配的情况下所拾取到的清晰光线成像图时的距离；

控制模块根据CCD图像传感器上投影图像的实际宽度与基准宽度的偏差来输出调整指令，调整温控装置对双折射液晶的固化温度。

第三个方案：本发明所述双折射透镜光栅的制造方法包括以下步骤：

步骤B1、初步制备双折射透镜光栅：透镜阵列基板为一条条径向排列的柱状凹槽组成，双折射液晶通过摩擦配向或电场配向填充于该凹槽内；

步骤B2、将初步制备好的双折射透镜光栅置于透光承载装置上；

步骤B3、打开光源，检偏装置将光源发出的波长为λ的单色光转化为偏振光；

步骤B4、该偏振光经过镜柱装置后，由平行光聚焦至双折射透镜光栅的入光侧；

步骤B5、聚焦后的光束进入双折射透镜光栅为发散光束，该发散光束从双折射透镜光栅出射后被CCD图像传感器拾取，光线在CCD图像传感器上的投影图像的宽度为f1；

步骤B6、判断投影图像宽度f1是否与基准宽度f相等，若相等，表明双折射透镜光栅中的双折射液晶与透镜阵列基板的折射率匹配；若不相等，则表明双折射透镜光栅中的双折射液晶与透镜阵列基板的折射率不匹配，执行步骤B；

步骤B7、控制模块根据CCD图像传感器上投影图像的实际宽度与基准宽度的偏差来输出调整指令，调整温控装置对双折射液晶的固化温度，直至投影图像宽度f1与基准宽度f相等为止，完成双折射透镜光栅的制造。

本发明的优点：本发明提供便于CCD图像识别、测量的固定波长λ的单色光经检偏装置成偏振光，该偏振光平行于双折射透镜光栅中液晶配向方向且经镜柱装置成像，利用所成像宽度f1与基准值f是否存在偏差，通过控制器输出指令给温控装置来实现匹配，既高效快捷检测双折射透镜光栅的折射率匹配程度，又提高了生产效率及产品合格率。

附图说明

图1是背景技术中涉及的双折射透镜光栅的2D/3D切换原理图，通电状态为3D显示模式；

图2是背景技术中涉及的双折射透镜光栅的2D/3D切换原理图，断电状态为2D显示模式；

图3是本发明所述双折射透镜光栅的检测方法涉及的检测原理示意图；

图4是本发明所述双折射透镜光栅的制造装置的结构示意图；

图5是双折射透镜光栅中的双折射液晶与透镜阵列基板的折射率匹配时的光路图，柱镜装置采用凸透镜柱；

图6是双折射透镜光栅中的双折射液晶与透镜阵列基板的折射率不匹配时的光路图，柱镜装置采用凸透镜柱；

图7是是双折射透镜光栅中的双折射液晶与透镜阵列基板的折射率匹配时的光路图，柱镜装置采用三棱镜柱。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3、图5至图7说明本实施方式，本实施方式所述双折射透镜光栅的检测方法，光源4发出的单色平行光依次经过检偏装置5和镜柱装置6从下方入射至双折射透镜光栅1；

检偏装置5的透光轴方向与双折射透镜光栅1的液晶配向方向一致；

镜柱装置6和双折射透镜光栅1之间的距离为镜柱装置6的镜柱焦距，镜柱装置6的焦平面位于双折射透镜光栅1单元轴中心位置，镜柱装置6的镜柱长轴方向与双折射透镜光栅1的透镜阵列基板1-1的倾角方向一致；

CCD图像传感器8从上方拾取经镜柱装置6及双折射透镜光栅1作用后的光线成像图，CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1之间的距离为双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率匹配的情况下所拾取到的清晰光线成像图时的距离；

该方法包括以下步骤：

步骤A1、将待检测的双折射透镜光栅1置于透光承载装置7上，并打开光源4；

步骤A2、检偏装置5将光源4发出的波长为λ的单色光转化为偏振光；

步骤A3、该偏振光经过镜柱装置6后，由平行光聚焦至双折射透镜光栅1的入光侧；

步骤A4、聚焦后的光束进入双折射透镜光栅1为发散光束，该发散光束从双折射透镜光栅1出射后被CCD图像传感器8拾取，光线在CCD图像传感器8上的投影图像的宽度为f1；

步骤A5、判断投影图像宽度f1是否与基准宽度f相等，若相等，表明待检测的双折射透镜光栅1中的双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率匹配；若不相等，则表明待检测的双折射透镜光栅1中的双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率不匹配。

基准宽度f按公式

获取，

式中：P为镜柱装置6的节距，H为镜柱装置6的拱高，F为镜柱装置6的焦距；

h为双折射透镜光栅1的厚度；

d为双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率匹配的情况下，且CCD图像传感器8拾取到清晰光线成像图时，CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1之间的距离。

本实施方式中双折射透镜光栅由透镜阵列基板1-1和沿预定方向排列的双折射液晶1-2组成，双折射液晶1-2的预定方向即为配向方向。

光源4采用固定波长λ的单色光，以便于CCD图像传感器8进行识别、测量。

镜柱装置6为单个或多个规则排列的凸透镜镜柱、三棱镜镜柱、菲涅尔镜柱或其他可进行聚光的镜柱。镜柱装置6的镜柱像焦距刚好位于透光承载装置7的出光侧面上也即是双折射透镜光栅1的入光侧面上。镜柱装置6的像焦平面，位于双折射透镜光栅1的光栅单元轴中心位置上，以保证对位精度。

双折射透镜光栅1入光侧的光成像图，最终被CCD图像传感器8拾取。

所述的基准宽度f为固化后的双折射液晶1-2折射率与透镜阵列基板1-1的折射率匹配的情况下，与透镜阵列基板1-1的倾角相同方向的偏振光入射至双折射液晶1-2时应表现为短轴折射率，偏振光的方向与双折射液晶1-2的液晶分子短轴方向一致，柱透镜中液晶表现出短轴的折射率n0＝np，使得最后经过柱透镜光栅1的出射光直射出光栅双折射液晶1-2的光束不发生折射，所形成的投影图像的宽度f。CCD图像传感器8拾取到最清晰的图像时CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1之间的距离为d，参见图5所示，其中D＝H+F，满足公式P/D＝f/(h+d)这一比例关系。

若固化后的双折射液晶1-2折射率与透镜阵列基板1-1的折射率不匹配，图6给出一种不匹配情况的光路图，单色偏振光经镜柱装置6成像焦点位于双折射透镜光栅1的入光侧，经过双折射透镜光栅1时出现二次折射(或散射)，最终CCD图像传感器8拾取到的图像宽度f1大于或小于基准宽度f。

用本实施方式的方法可快速检测出固化后的双折射液晶1-2折射率与透镜阵列基板1-1的折射率是否匹配，以判断双折射透镜光栅1是否合格。

具体实施方式二：下面结合图4至图7说明本实施方式，本实施方式所述双折射透镜光栅的制造装置，包括光源4、检偏装置5、镜柱装置6、透光承载装置7、CCD图像传感器8、UV固化装置9、温控装置10和控制模块11；

透光承载装置7用于承载待制造的双折射透镜光栅1，且利于偏振光源透过；

透光承载装置7的下方设置光源4、检偏装置5和镜柱装置6，光源4发出的光依次经过检偏装置5和镜柱装置6从下方入射至双折射透镜光栅1；

光源4用于提供固定波长λ的单色光；

检偏装置5用于将光源4提供的固定波长λ的单色光转化为偏振光；检偏装置5的透光轴方向与双折射透镜光栅1的液晶配向方向一致；

镜柱装置6的长轴方向与透镜阵列基板1-1光栅单元轴方向一致，镜柱装置6和双折射透镜光栅1之间的距离为镜柱装置6的镜柱焦距，镜柱装置6的焦平面位于双折射透镜光栅1单元轴中心位置，镜柱装置6的镜柱长轴方向与双折射透镜光栅1的透镜阵列基板1-1的倾角方向一致；

UV固化装置9用于固化透镜阵列基板1-1凹槽中的双折射液晶1-2；

CCD图像传感器8悬空位于透光承载装置7的上方，用于拾取经柱镜及双折射透镜光栅作用后的光线成像图，CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1之间的距离为双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率匹配的情况下所拾取到的清晰光线成像图时的距离；

控制模块11根据CCD图像传感器8上投影图像的实际宽度与基准宽度的偏差来输出调整指令，调整温控装置10对双折射液晶1-2的固化温度。

镜柱装置6为单个或多个规则排列的凸透镜镜柱、三棱镜镜柱、菲涅尔镜柱或其他可进行聚光的镜柱。

工作原理：

本实施方式制造装置用于批量制造双折射透镜光栅1，制造同样参数的双折射透镜光栅1，CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1的距离、双折射透镜光栅1与镜柱装置6之间的距离一经确定无需每次都改动。当用本实施方式制造装置制造下一批不同于这一批参数的双折射透镜光栅1时再改动一次三个部件的两两之间的距离。这两个距离是根据折射率匹配的双折射透镜光栅1的标准件进行测算的。

本实施方式的制造装置较实施方式一的检测装置而言，增加了后期的调整部件，当检测到固化后的双折射液晶1-2折射率与透镜阵列基板1-1的折射率不匹配时，控制模块10计算投影图像宽度f1与参考的基准宽度f之间差异值，并通过数据指令方式传输至温控装置11进行温度调节直至达到匹配程度。

具体实施方式三：下面结合图4至图7说明本实施方式，本实施方式所述双折射透镜光栅的制造方法，该方法是基于实施方式二所述的双折射透镜光栅的制造装置实现的，该方法包括以下步骤：

步骤B1、初步制备双折射透镜光栅1：透镜阵列基板1-1为一条条径向排列的柱状凹槽组成，双折射液晶1-2通过摩擦配向或电场配向填充于该凹槽内；

步骤B2、将初步制备好的双折射透镜光栅1置于透光承载装置7上；

步骤B3、打开光源4，检偏装置5将光源4发出的波长为λ的单色光转化为偏振光；

步骤B4、该偏振光经过镜柱装置6后，由平行光聚焦至双折射透镜光栅1的入光侧；

步骤B5、聚焦后的光束进入双折射透镜光栅1为发散光束，该发散光束从双折射透镜光栅1出射后被CCD图像传感器8拾取，光线在CCD图像传感器8上的投影图像的宽度为f1；

步骤B6、判断投影图像宽度f1是否与基准宽度f相等，若相等，表明双折射透镜光栅1中的双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率匹配；若不相等，则表明双折射透镜光栅1中的双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率不匹配，执行步骤B7；

步骤B7、控制模块11根据CCD图像传感器8上投影图像的实际宽度与基准宽度的偏差来输出调整指令，调整温控装置10对双折射液晶1-2的固化温度，直至投影图像宽度f1与基准宽度f相等为止，完成双折射透镜光栅1的制造。

基准宽度f按公式

获取，

式中：P为镜柱装置6的节距，H为镜柱装置6的拱高，F为镜柱装置6的焦距；

h为双折射透镜光栅1的厚度；

d为双折射液晶1-2与透镜阵列基板1-1的折射率匹配的情况下，且CCD图像传感器8拾取到清晰光线成像图时，CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1之间的距离。

工作原理：

本实施方式制造方法用于批量制造双折射透镜光栅1，制造同样参数的双折射透镜光栅1，CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1的距离、双折射透镜光栅1与镜柱装置6之间的距离一经确定无需每次都改动。当用本实施方式制造方法制造下一批不同于这一批参数的双折射透镜光栅1时再改动一次三个部件的两两之间的距离。这两个距离是根据折射率匹配的双折射透镜光栅1的标准件进行测算的。

所述的基准宽度f为固化后的双折射液晶1-2折射率与透镜阵列基板1-1的折射率匹配的情况下，所形成的投影图像的宽度f。CCD图像传感器8拾取到最清晰的图像时CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1之间的距离为d，参见图5所示，其中D＝H+F，满足公式P/D＝f/(h+d)这一比例关系。

若固化后的双折射液晶1-2折射率与透镜阵列基板1-1的折射率不匹配，图6给出一种不匹配情况的光路图，单色偏振光经镜柱装置6成像焦点位于双折射透镜光栅1的入光侧，经过双折射透镜光栅1时出现二次折射(或散射)，最终CCD图像传感器8拾取到的图像宽度f1大于或小于基准宽度f。

用本实施方式的方法可快速检测出固化后的双折射液晶1-2折射率与透镜阵列基板1-1的折射率是否匹配，若匹配，则制造完成；若不匹配，则控制模块10计算投影图像宽度f1与参考的基准宽度f之间差异值，并通过数据指令方式传输至温控装置11进行温度调节直至达到匹配程度。

本实施方式的光源4采用单色光，这样便于CCD图像识别、测量，容易计算出图像宽度，误差小，精度高；镜柱节距、焦距、CCD图像传感器8与双折射透镜光栅1的距离、双折射透镜光栅1与镜柱装置6之间的距离、双折射透镜光栅厚度一经调节非常固定，所计算出的图像宽度f值误差小，便于精确匹配，而且，该光路图稳定，有利于双折射透镜光栅1连续生产，效率高，合格率高。