一种液晶透镜及显示装置的制作方法

本发明涉及液晶透镜领域，特别涉及一种液晶透镜及显示装置。

背景技术：

液晶透镜具有焦距可调节、结构轻巧、功耗低等优点，因此在很多领域都有广泛的应用，比如三维显示、成像系统、显微放大系统、图像处理、眼镜和光通信等。目前，大多数液晶透镜都采用向列相液晶，因为向列相液晶的双折射比较大，可以实现更短的焦距。但是向列相液晶透镜存在两个问题：偏振依赖性和响应速度慢。

为了克服向列相液晶透镜的问题，人们提出了蓝相液晶透镜，它的优势主要有以下几个方面：(1)响应时间在亚毫秒范围，比向列相液晶快了10倍；(2)偏振无关，透镜的性能不依赖入射光的偏振态；(3)不需要取向层，制作工艺非常简单。近几年，人们已经提出了几种蓝向液晶透镜结构，比如孔型电极结构、多电极结构、曲面电极结构、表面浮雕结构等。其中，基于孔型电极结构的蓝相液晶透镜具有非常简单的器件结构，但它的相位分布不是抛物线形的，所以透镜效果不好；基于曲面电极的蓝相液晶透镜具有抛物线形的相位分布，但是曲面电极的制作过程比较复杂；基于多电极结构的蓝相液晶透镜通过给每个电极施加不同的电压可以得到抛物线形的相位分布，但是多电极的驱动方案比较复杂；基于表面浮雕结构的蓝相液晶透镜具有正、负焦距，但是液晶层的厚度不均匀，制作难度较大。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种液晶透镜及显示装置，用以提供一种能够解决现有液晶透镜存在的问题，即提供一种结构简单、制作容易且性能优良的液晶透镜。

因此，本发明实施例提供了一种液晶透镜，包括：相对设置的第一基板和第二基板，位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层，位于所述第一基板面向所述液晶层一侧的第一电极，位于所述第二基板面向所述液晶层一侧的第二电极，以及位于所述第二电极面向所述液晶层一侧的介电结构；其中，

所述介电结构为长方体且按照垂直于所述液晶透镜的盒厚方向划分为多个区域；沿所述液晶透镜的盒厚方向，每一所述区域内包括叠层设置的介电常数不同的第一介质体和第二介质体，每一所述区域内的第一介质体和第二介质体之间具有预设体积比，每相邻两个所述区域内的预设体积比不同。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，各所述区域内的第一介质体的总和构成楔形体，各所述区域内的第二介质体的总和构成楔形体，且所述第一介质体和所述第二介质体的折射率相同。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，所述介电结构的个数为至少两个；相邻两个所述介电结构沿垂直于所述液晶透镜的盒厚方向接触设置，且相邻两个所述介电结构以接触面为对称轴对称设置。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，所述第一电极为平板电极，所述第二电极为环状电极或块状电极；或，

所述第一电极为环状电极或块状电极，所述第二电极为环状电极或块状电极。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，在每一所述区域内，所述第一介质体靠近所述第二基板，所述第二介质体位于所述第一电极与所述第一介质体之间，各所述第二介质体的端面的连线形成抛物线，所述第一介质体为所述液晶层的液晶填充形成。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，相邻两个所述区域内的第一介质体的介电常数不同。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，间隔区域内的第一介质体的介电常数相同。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，所述第一电极为平板电极，所述第二电极为环状电极或块状电极；或

所述第一电极和所述第二电极均为平板电极。

可选地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，所述液晶层内的液晶为蓝相液晶，且所述液晶层的厚度一致。

相应地，本发明实施例还提供了一种显示装置，包括本发明实施例提供的上述任一液晶透镜。

本发明的有益效果：

本发明实施例提供的液晶透镜及显示装置，通过在液晶透镜内设置介电结构，该介电结构为长方体且按照垂直于液晶透镜的盒厚方向划分为多个区域；沿液晶透镜的盒厚方向，每一区域内包括叠层设置的介电常数不同的第一介质体和第二介质体，每一区域内的第一介质体和第二介质体之间具有预设体积比，每相邻两个区域内的预设体积比不同。这样可以在液晶层中形成梯度分布的电场，从而可以使液晶层得到抛物线形的相位分布。

附图说明

图1为本发明实施例提供的液晶透镜的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的液晶透镜的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的液晶透镜的结构示意图之三；

图4为本发明实施例提供的液晶透镜的结构示意图之四；

图5为本发明实施例提供的液晶透镜的结构示意图之五；

图6为本发明实施例提供的液晶透镜的电场分布结构示意图之一；

图7为本发明实施例提供的液晶透镜的电场分布结构示意图之二。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明实施例提供的液晶透镜及显示装置的具体实施方式进行详细地说明。应当理解，下面所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要注意的是，附图中各层薄膜厚度和形状不反映液晶透镜的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。需要说明的是，本实施例中是为了更好的解释本发明，但不限制本发明。

本发明实施例提供的一种液晶透镜，如图1至图5所示，包括：相对设置的第一基板1和第二基板2，位于第一基板1和第二基板2之间的液晶层3，位于第一基板1面向液晶层3一侧的第一电极4，位于第二基板2面向液晶层3一侧的第二电极5，以及位于第二电极5面向液晶层3一侧的介电结构6；其中，

介电结构6为长方体且按照垂直于液晶透镜的盒厚方向划分为多个区域(a、b、c……)；沿液晶透镜的盒厚方向，每一区域(a、b、c……)内包括叠层设置的介电常数不同的第一介质体61和第二介质体62，每一区域(a、b、c……)内的第一介质体61和第二介质体62之间具有预设体积比，每相邻两个区域内的预设体积比不同；比如图1中区域a内叠层设置的第一介质体61和第二介质体62之间的预设体积比为v1，区域b内叠层设置的第一介质体61和第二介质体62之间的预设体积比为v2，区域c内叠层设置的第一介质体61和第二介质体62之间的预设体积比为v3，从图1中可以看出，从区域a到区域c，第一介质体61的体积是逐渐增大的，第二介质体62的体积是逐渐减小的，因此v1＜v2＜v3，从而每相邻两个区域内的预设体积比不同，这样通过给第一电极4和第二电极5施加电压在两电极之间形成电场时，如图6所示；由于各个区域内的叠层设置的两个介质体的介电常数不同，这样当每个区域内相同的介质体的厚度变化时，介电结构6内每个点的介电常数与其他点的介电常数是不相同的，从而影响场强分布，从而可以在液晶层3内形成期望的呈梯度分布的电场，从而可以得到液晶层的相位分布呈抛物线形；并且可以通过第一电极4和第二电极5施加的电压来控制液晶透镜的焦距。

本发明实施例提供的液晶透镜，通过在液晶透镜内设置介电结构，该介电结构为长方体且按照垂直于液晶透镜的盒厚方向划分为多个区域；沿液晶透镜的盒厚方向，每一区域内包括叠层设置的介电常数不同的第一介质体和第二介质体，每一区域内的第一介质体和第二介质体之间具有预设体积比，每相邻两个区域内的预设体积比不同。这样可以在液晶层中形成梯度分布的电场，从而可以使液晶层得到抛物线形的相位分布。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，液晶层内的液晶为蓝相液晶，采用蓝相液晶具有如下好处：(1)液晶的响应时间可以控制在亚毫秒范围，比现有技术中采用向列相液晶快了10倍；(2)偏振无关，透镜的性能不依赖入射光的偏振态；(3)不需要取向层，制作工艺非常简单。另外，本发明实施例中液晶层的厚度一致，这样可以降低制作难度。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，如图1所示，各区域(a、b、c……)内的第一介质体61的总和构成楔形体，各区域(a、b、c……)内的第二介质体62的总和构成楔形体，为了保证入射光线在介电结构6中的路径不变，不会发生二次折射现象，第一介质体61和第二介质体62的折射率相同。

进一步地，在具体实施时，为了能够使液晶层的电场分布呈理想的抛物线形，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，如图2和图3所示，介电结构6的个数为至少两个，具体地，图2中介电结构6的个数为两个，图3中介电结构6的个数为多个，可以为奇数个，也可以为偶数个，无论为1个、2个或多个，都可以在液晶层3内形成抛物线形分布的液晶电场，如图7所示，图7为抛物线形分布的液晶电场，从而可以得到液晶层的相位分布呈抛物线形；相邻两个介电结构6沿垂直于液晶透镜的盒厚方向接触设置，且相邻两个介电结构6以接触面为对称轴对称设置。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，如图1至图3所示，第一电极为平板电极，第二电极为环状电极或块状电极；或，

第一电极为环状电极或块状电极，第二电极为环状电极或块状电极。

具体地，如图1至图3所示，第一电极4为平板电极，第二电极5为块状电极；在具体实施时，第一电极和第二电极中至少有一个电极是环形电极或块状电极，另一个电极可以是环形电极或块状电极或平板电极，不管是环形电极、块状电极或平板电极，只要通过对第一电极和第二电极施加不同的电压均可形成呈抛物线形的梯度电场，但平板电极相比环状电极或块状电极的优势在于能够优化解决液晶响应时间慢的问题，有效缩短液晶透镜的响应时间。因此，本发明图1至图3所示的实施例优选电极的结构是第一电极和第二电极中有一个电极是平板电极，另一个电极为环状电极或块状电极。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，如图4和图5所示，在每一区域内，第一介质体61靠近第二基板2，第二介质体62位于第一电极4与第一介质体61之间，各第二介质体62的端面的连线形成抛物线，第一介质体61为液晶层3的液晶填充形成(图4中第一介质体61为空白结构，目的只是示意第一介质体61和第二介质体62，实际制作中，第一介质体61是液晶填充形成的结构)。具体地，如图4和图5所示，从液晶透镜的两侧指向中心位置，第二介质体62的厚度逐渐减小，所有第二介质体62的底部中心的连线就可以形成抛物线，因此在给第一电极4和第二电极施加电压时，可以在液晶层3内形成抛物线形分布的液晶电场，如图7所示，图7为抛物线形分布的液晶电场，从而可以得到液晶层3的相位分布呈抛物线形。

进一步地，在具体实施时，为了能够在液晶层内形成理想的抛物线形电场分布，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，如图4和图5所示，相邻两个区域(a、b、c……)内的第一介质体61的介电常数不同，间隔区域(如区域a和区域c)内的第一介质体61的介电常数相同。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述液晶透镜中，如图4和图5所示，第一电极为平板电极，第二电极为环状电极或块状电极；或

第一电极和第二电极均为平板电极。

具体地，如图4所示，第一电极4为平板电极，第二电极5为块状电极；如图5所示，第一电极4和第二电极5均为平板电极；在具体实施时，由于图4和图5所示的实施例中第二介质体的各端面的连线本身就可以形成抛物线，因此第一电极和第二电极都可以是环形电极或块状电极或平板电极，但由于平板电极相比环状电极或块状电极的优势在于能够优化解决液晶响应时间慢的问题。因此，本发明图4和图5所示的实施例中优选电极的结构是图5所示的第一电极4和第二电极5均为平板电极。

在具体实施时，如图1-图5所示，第一电极4和第二电极5均可以为透明电极，如采用氧化铟锡(ito)制作。

下面通过具体实施例对本发明实施例提供的液晶透镜形成抛物线形相位分布的原理进行解释说明。

实施例一：

如图1所示，介电结构6为一个(或奇数个)，设介电结构6上某点处的介电层厚度占整个介电结构6厚度的α。通过第一电极4和第二电极5施加电压到液晶层3上。当第一电极4和第二电极5不施加电压时，液晶层3内的蓝相液晶呈现光学各向，其折射率为n0，液晶层3的厚度为d0，介电常数为ε0，介电结构6的厚度为d；第二介质体62的介电常数为ε1，第一介质体61的介电常数为ε2；当第一电极4和第二电极5施加电压v时，液晶层3中产生很强的垂直电场。根据克尔效应模型，可以得到电场感应双折射△n。对于正入射的光线，o光和e光的折射率均为蓝相液晶的寻常折射率n，n＝n0-△n/3，由于第一介质体61的总和与第二介质体62的总和均为楔形体，液晶层3中产生梯度分布的垂直电场。液晶透镜的左边缘电场e1＝v/([d0/ε0+d/ε1]*ε0)；液晶透镜的右边缘电场e2＝v/([d0/ε0+d/ε2]*ε0)；液晶透镜的中心电场e0＝v/([d0/ε0+d/2(ε1+ε2)]*ε0)+b，其中b是与环形电极直径有关的二次函数。为了得到抛物线形的相位分布，折射率的变化应该正比于电场e的平方，即δn(x)＝λke^2/3，其中，x是到液晶透镜中心的距离，e表示x处的场强，这里的场强e可表示为e＝v/[d0/ε0+αd(ε2-ε1)/ε1*ε2+d/ε2]+b，由于介电常数不同的第一介质体61和第二介质体62叠层设置，因此沿液晶透镜的盒厚方向，介电常数是变化的，即可得到呈梯度电场分布，如图7所示。因此液晶层可以得到抛物线形的相位分布。从上述公式可以看出，第一介质体61和第二介质体62的介电常数非常关键。当ε2＞ε1时，液晶透镜中心位置的电场小于边缘位置的电场，所以中心位置的感应双折射小于边缘位置感应双折射，液晶层3中的相位分布如同一个凸透镜。当ε2＜ε1时，液晶层3中的相位分布如同一个凹透镜。液晶透镜的焦距f＝r^2/(2*n0-δn/3)d0，可以通过第一电极4和第二电极5施加的电压来控制液晶透镜的焦距f。该实施例一中，由于介电结构6的个数为奇数个，因此形成的场强分布是呈不对称的抛物线形梯度电场分布。

实施例二：

如图2和图3所示，介电结构6为2个(或偶数个)。与实施例一的区别是，液晶透镜的左右边缘电场e＝v/([d0/ε0+d/ε1]*ε0)，中心电场e0＝v/([d0/ε0+d/ε2)]*ε0)+b，其中b是与环形电极直径有关的二次函数，假设且由第一介质体61和第二介质体62叠层设置导致的线性变化的电场与由环形电极形成的非线性变化的电场叠加，即可得到呈梯度电场分布，如图7所示。因此液晶层可以得到抛物线形的相位分布。类似实施例一的原理，该液晶透镜实现了多个凹凸透镜的叠加。不同于的实施例一的是该实施例二的方案得到的场强分布是呈对称的抛物线形梯度电场分布。

实施例三：

如图4和图5所示，与实施例一不同的是，介电结构6由多种厚度的第一介质体61和第二介质体62组成，第二介质体62的端面中心的连线呈抛物线状，介电结构6的厚度d＝ax2+d1(其中d1是介电结构6最中心的高度，x表示介电结构6上某点到中心的绝对距离)。具体地，当第二电极5和第一电极4均为平板电极时，液晶透镜的左右边缘电场e＝v/([d0/ε0+d/ε1]*ε0)，中心电场e0＝v/([d0/ε0+d/ε2)]*ε0)，当第二电极5和第一电极4为环形或块状电极时，液晶层的左右边缘电场e＝v/([d0/ε0+d/ε1]*ε0)，中心电场e0＝v/([d0/ε0+d/ε2)]*ε0)+b，其中b是与环形电极直径有关的二次函数，由于介电常数不同的第一介质体61和第二介质体62叠层设置，因此沿液晶透镜的盒厚方向，介电常数是变化的，即可得到呈梯度电场分布，如图7所示。因此液晶层可以得到抛物线形的相位分布。类似实施例一的原理，该液晶透镜实现了多个凹凸透镜的叠加。

综上所述，本发明实施例通过在液晶透镜中引入由两种介电常数不同的叠层设置的第一介质体和第二介质体，且两种介质体的厚度沿垂直于液晶透镜的盒厚方向是逐渐变化的，这样通过第一电极和第二电极施加电压，在液晶层上可以形成梯度分布的液晶电场，从而可以得到呈抛物线形的液晶层的相位分布，得到理想的液晶透镜。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种显示装置，包括本发明实施例提供的上述液晶透镜。该显示装置解决问题的原理与前述液晶透镜相似，因此该显示装置的实施可以参见前述液晶透镜的实施，重复之处在此不再赘述。

本发明实施例提供的液晶透镜及显示装置，通过在液晶透镜内设置介电结构，该介电结构为长方体且按照垂直于液晶透镜的盒厚方向划分为多个区域；沿液晶透镜的盒厚方向，每一区域内包括叠层设置的介电常数不同的第一介质体和第二介质体，每一区域内的第一介质体和第二介质体之间具有预设体积比，每相邻两个区域内的预设体积比不同。这样可以在液晶层中形成梯度分布的电场，从而可以使液晶层得到抛物线形的相位分布。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。