液晶透鏡及應用該透鏡的立體顯示裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種液晶透鏡及應用該透鏡的立體顯示裝置，第一介電層包括奇數個在X方向依次設置且沿Y方向延展并平行的條形介電塊，所述條形介電塊的寬度相同并依次標記為d11，d12，d13，…，d18，d1n，所述條形介電塊的導電系數沿d1（（n+1）/2）對稱分布，d1（（n+1）/2）的導電系數最小，d11和d1n的導電系數最大且相等，即透鏡單元的導電系數由透鏡的邊緣到中心逐漸降低。在每個透鏡單元內形成左右對稱分布的電場，并且從透鏡邊緣到透鏡中心電場呈現漸變趨勢，引起液晶層整體折射率的漸變，實現類似凸透鏡聚光的效果，可以廣泛應用于裸眼3D立體顯示，同時在2D與3D之間自由切換。
【專利說明】液晶透鏡及應用該透鏡的立體顯示裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種液晶透鏡，尤其涉及的是一種液晶透鏡及應用該透鏡的立體顯示裝置。
【背景技術】
[0002]采用液晶透鏡來實現自由立體顯示的立體顯示裝置，主要是利用在液晶層兩側的兩片基板上分別設置正負電極，并在不同電極上施加大小不同的驅動電壓，從而在兩片基板間形成具有不同強度的垂直電場，以驅動液晶分子排列而形成可變焦液晶透鏡。因此，只需要控制相應電極上的電壓分布，液晶透鏡的折射率分布就會相應的改變，從而對像素出射光的分布進行控制，實現自由立體顯示和2D/3D自由切換。
[0003]如圖1所示，100為一種常見的液晶透鏡陣列結構示意圖，它含有多個液晶透鏡單元如LI與L2等(圖中只畫出了兩個透鏡單元)，每個透鏡單元如LI與L2等具有相同的結構。具體的講，液晶透鏡陣列100包含第一基板101與第二基板102，第一基板101與第二基板102正對設置,一般為玻璃等透明材料。在第一基板101上設置有第一電極103,第一電極103 —般為透明導電材料如ITO或者IZO等，在第二基板102上設置有第二電極107，第二電極107也為透明導電材料如ITO或者ΙΖ0。在每一個透鏡單元之內，以LI為例，第一電極103包含Sll，S12，S13，…，S18，S19等多個以一定間隔分開并平行設置的條形電極，電極的數量一般為奇數(以下以九電極為例進行說明)，每個條形電極的寬度分別為W
(Sll),ff (S12),ff (S13)，...，W (S18),ff (S19)等，一般而言條形電極具備相同的寬度，SPW (Sll) =W (S12)=ff (S13)=...=W (S18) =W (S19)。在兩個液晶透鏡單元如 LI 與 L2 之間，共用同一個條形電極S19 (S21)。除此之外，液晶透鏡陣列100還包括設置在第一電極103上的介電材料104，設置在介電材料104上的第一配向膜105以及設置在第二電極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被封裝在第一基板101與第二基板102之間。雖然圖1中未畫出，但液晶透鏡陣列100還包括用于液晶材料封裝的周邊封框膠以及用于控制液晶盒厚的間隙子(隔離物)等。
[0004]如圖2所示，當需要進行3D顯示時，在第一電極103的各個條形電極如S11，S12，S13，…，S18，S19 (以透鏡單元LI為例)等上施加左右對稱的電壓，第二電極107作為公用電極其電壓設置為零，以正性液晶材料(即Λ ε = ε //-ε丄>0，式中ε //為液晶分子長軸方向的介電系數，ε丄為液晶分子短軸方向的介電系數。)為例，可以使V (Sll)=V (S19)>V (S12)=V (S18)>V (S13)=V (S17)>V (S14)=V (S16)>V (S15)，即在液晶透鏡單元的中心電極S15上施加的電壓最小，而在透鏡單元的邊緣電極Sll，S19上施加的電壓最大，從透鏡中心到透鏡邊緣各個條形電極上的電壓以一定的梯度進行分布。由于在透鏡單元邊緣電極上施 加的電壓最大，邊緣電極Sll，S19位置的液晶分子基本上呈現垂直方向分布，SP液晶分子長軸與電場方向平行；而越靠近透鏡單元的中心電壓越小，因此液晶分子會逐漸傾向于水平方向排列，即液晶分子長軸與電場方向垂直。在每一個透鏡單兀內，由于電壓對稱分布，液晶材料隨著電場強度的變化呈現折射率的漸變，因而整個液晶透鏡整列具備較好的光學成像特性。2D顯示時，在第一電極103如S11，S12，S13，…，S18，S19 (以透鏡單元LI為例)等以及第二電極107上施加電壓均設置為零或者兩者之間無壓差，則液晶分子106不受電場的影響，仍保持液晶分子的初始取向(如圖1所示)，此時液晶透鏡單元不對入射光方向進行調制。
[0005]在3D顯示時，需要在各個條形電極上施加對稱的電壓，如V (Sll) =V (S19) >V
(S12)=V (S18)>V (S13)=V (S17)>V (S14)=V (S16)>V (S15)，隨著每個液晶透鏡單元設計時電極數量的增多，需要提供的不同驅動電壓數量也隨之增加，導致驅動電路及液晶透鏡陣列周邊電路設計變得復雜。以每個透鏡單元為例，假設在每個透鏡單元內有N個條形電極，當提供左右對稱的驅動電壓時，至少需要提供(N+1)/2個不同的驅動電壓。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種液晶透鏡及應用該透鏡的立體顯示裝置，可以簡化液晶透鏡周邊電路及驅動電路的設計。
[0007]本實用新型是通過以下技術方案實現的，本實用新型包括多個液晶透鏡單元，每個透鏡單兀包括第一基板、第一電極、第一介電層、第一配向膜、第二基板、第二電極、第二配向膜和液晶材料，所述第一電極設置于第一基板上，第二電極設置于第二基板上，第一介電層設置于第一電極上，第一配向膜設置于第一介電層上，第二配向膜設置于第二電極上，液晶材料封裝在第一配向膜和第二配向膜之間，多個透鏡單元在X方向上重復周期性重復構成液晶透鏡陣列，所述第一介電層包括奇數個在X方向依次設置且沿Y方向延展并平行的條形介電塊，所述條形介電塊的寬度相同并依次標記為dll，dl2，dl3，…，dl8，dln，所述條形介電塊的導電系數沿dl ((n+1)/2)對稱分布，dl ((n+1)/2)的導電系數最小，dll和dln的導電系數最大且相等，即透鏡單元的導電系數由透鏡的邊緣到中心逐漸降低。
[0008]所述第一電極和第二電極為沒有特殊圖案的面電極，均為透明導電材料。
[0009]所述3D顯示模式下，第二電極為公用電極設置為0V，第一電極的驅動電壓為幅值為V的頻率固定且正負極性交替變換的方波(+V，-V，+V，-V，……)。
[0010]所述第一介電層和第一配向膜之間設有透明絕緣層。
[0011]所述液晶透鏡陣列還包括液晶材料封裝的周邊封框膠以及用于控制液晶盒厚的間隙子。
[0012]一種應用所述液晶透鏡的立體顯示裝置。
[0013]一種所述的液晶透鏡的制備方法，包括以下步驟:
[0014]( I)在第一基板上派射形成第一電極；
[0015](2)制備具有最大介電系數的第一介電層；
[0016](3)涂覆光阻或光刻膠；
[0017](4)進行曝光、顯影、蝕刻；
[0018](5)去除光阻或剝離光刻膠，保留兩端的條形介電塊即得到具有最大介電系數的條形介電塊；
[0019](6)依次重復步驟(2)~(5)，得到介電系數由邊緣向中心逐漸減小的第二介電層。
[0020]所述步驟(2)中制備第一介電層的方法為等離子增強化學氣相沉積法PECVD或旋涂O[0021]作為本實用新型的優選方式之一，所述光刻膠為正性光刻膠。
[0022]作為本實用新型的優選方式之一，所述步驟(4)中采用光罩作為模板進行曝光。
[0023]本實用新型相比現有技術具有以下優點:本實用新型的液晶透鏡無需特殊圖案形成第一電極或者第二電極，整個液晶透鏡中的第一電極與第二電極均采用面電極形成，通過在液晶透鏡陣列的每個液晶透鏡單元內形成多個具有不同介電系數并且左右對稱分布的介電層，從而在每個透鏡單元內形成左右對稱分布的電場，并且從透鏡邊緣到透鏡中心電場呈現漸變趨勢，引起液晶層整體折射率的漸變，實現類似凸透鏡聚光的效果，可以廣泛應用于裸眼3D立體顯示，同時在2D與3D之間自由切換。2D顯示時，液晶透鏡立體顯示裝置的主要光學參數如亮度、對比度及分辨率等基本不受影響，3D顯示時液晶透鏡立體顯示裝置與液晶狹縫光柵立體顯示裝置相比仍具備高亮度的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是現有常見的液晶透鏡的結構示意圖；
[0025]圖2是圖1在3D顯示狀況下的液晶分子排布示意圖；
[0026]圖3是實施例1的剖視圖；
[0027]圖4是圖3中10134的俯視圖；
[0028]圖5是液晶透鏡單元內介電系數的分布示意圖；
[0029]圖6是實施例1的各個電容串聯模型；
[0030]圖7是液晶透鏡單元內電場梯度分布示意圖；
[0031]圖8是具有不同介電系數的條形介電塊的液晶分子取向仿真示意圖；
[0032]圖9是液晶透鏡單元內折射率分布示意圖；
[0033]圖10是本實用新型制備方法的流程圖；
[0034]圖11是實施例2的結構示意圖；
[0035]圖12是液晶透鏡立體顯示裝置在3D顯示模式下的示意圖；
[0036]圖13是液晶透鏡立體顯示裝置在2D顯示模式下的示意圖。
【具體實施方式】
[0037]下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。
[0038]實施例1
[0039]如圖3所示，本實施例的液晶透鏡陣列1000含有多個液晶透鏡單元(圖中只畫出了兩個透鏡單元LI與L2)，每個透鏡單元如LI與L2等具有相同的結構。液晶透鏡陣列1000包含第一基板1001與第二基板1002，第一基板1001與第二基板1002正對設置，一般為玻璃等透明材料。在第一基板1001上設置有第一電極1003，第一電極1003為面電極，無特殊圖案，一般為透明導電材料如ITO或者IZO等。在第一電極1003之上設置有第一介電層1004，在第一介電層1004之上設置有第一配向膜1005，第一配向膜1005 —般為聚酰亞胺等有機材料。第二電極1006設置在第二基板1002之上且面向第一電極1003的一側，第二電極1006作為公用電極也為面電極，無特殊圖案，一般為透明導電材料如ITO或者IZO等。第二配向膜1007設置在第二電極1006之上，第二配向膜1007 —般為聚酰亞胺等有機材料。液晶材料1008被封裝在第一基板1001與第二基板1002之間，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與第二配向膜1007摩擦方向決定。除此之外，液晶透鏡陣列1000還包括用于液晶材料封裝的周邊封框膠以及用于控制液晶盒厚的間隙子(隔離物)等。為便描述，以下將第一基板1001、第一電極1003以及第一介電層1004作為一個整體以10134表示。
[0040]圖4是液晶透鏡第一實施中10134俯視圖。第一介電層1004設置在第一電極1003之上。在每一個透鏡單兀之內，以LI為例,第一介電層1004包含由dll, dl2, dl3,..., dl8,dl9等奇數個在X方向依次無間隙的且沿Y方向延展并平行設置的條形介電塊，條形介電塊的數量一般為奇數，以下以九個條形介電塊為例進行說明，每個條形介電塊在X方向的寬度分別為W (dll),W (dl2),ff (dl3)，...，W (dl8),ff (dl9)等，每個條形介電塊在X方向的寬度可以相等或不等，一般具備相同的寬度，即W CdlD=W (dl2)=ff (dl3)=…=W (dl8)=W (dl9)。在兩個液晶透鏡單元如LI與L2之間，共用同一個條形介電塊dl9 (d21)。
[0041]如圖5所示，在同一個液晶透鏡單元之內，以LI為例，各個條形介電塊dll，dl2，dl3，…，dl8，dl9等具有關于液晶透鏡中心左右對稱的介電系數，如條形介電塊dll與dl9具備相同的介電系數ε 1，條形介電塊dl2與dl8具備相同的介電系數ε2，條形介電塊dl3與dl7具備相同的介電系數ε 3，條形介電塊dl4與dl6具備相同的介電系數ε4，條形介電塊dl5的介電系數為ε 5。
[0042]3D顯示模式下，第二電極1006作為公用電極電壓設置為0V，第一電極1003的驅動電壓采用頻率固定、正負極性交替變換且幅值為V的方波(+V，-V，+V，-V，……)。設第一配向膜1005與第二配向膜1007的厚度均為Τ，介電系數為第一介電層1004的厚度為He,介電系數為ε。液晶透鏡盒厚為dl,液晶材料1008等效介電系數為ε LCO在交流驅動下，由第一介電層1004，第一配向膜1005，液晶層1008及第二配向膜1007各自形成的電容串聯，如圖6所示，各個平行板電容可表示為:
[0043]第一配向膜1005形成的電容Cicitl5= eQeQLS/T……(I);
[0044]第二配向膜1007 形成的電容 C1007= ε 0 ε 0LS/T,即 C1005=C1007……(2)；
[0045]第一介電層1004形成的電容Ce= ε。ε S/He……(3)；
[0046]液晶層1008 形成的電容 Clc= ε 0 ε LCS/dl......(4)；
[0047]公式(I)~(4)中，S表不第一電極1003與第二電極1006正對的面積，由于第一配向膜1005與第二配向膜1007的厚度T約為液晶層1008厚度dl的百分之一，即T=l/100*dl，在第一、第二配向膜介電系數與液晶層等效介電系數相當(gp
eLC)的情況下，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電容C—，Cltltl7約為液晶電容Cu的一百倍(Cicici5=Cicici7=IOOC^)tj設第一配向膜1005形成的電容兩側電壓差為V1，第二配向膜1007形成的電容兩側電壓差為V1，液晶層1008兩側的壓差為Vm介電層1004兩側壓差為Ve，根據各個串聯電容等電量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]即在交流驅動下，第一電極1003與第二電極1006上施加的電壓幾乎全部由液晶層1008形成的電容以及第一介電層1004形成的電容Ce分擔。[0050]VLC/Ve= (Q/Clc)/ (Q/Ce)= (dl/He)* ( ε / ε LC)......(6)
[0051]即分配在液晶層1008兩側的電壓差％。與分配在第一介電層1004兩側的壓差Ve與比值dl/He和ε/ε^直接相關。
[0052]如圖7所示，在每個透鏡單元內，設條形介電塊dll與dl9的介電系數ε I最大，條
形介電塊dl2與dl8的介電系數ε2次之，......，條形介電塊dl5的介電系數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，透鏡單元邊緣如條形介電塊dll與dl9處，由于介電系數ε = ε I最大，因而介電層1004兩側具有最小的電壓差Ve，由于V=VjVe,故最大；與之相反，在透鏡單元中心位置如條形介電塊dl5處，由于介電系數ε = ε 5最小，因而介電層1004兩側具有最大的電壓差Ve，由于V=Vm+Ve，故￥〖最小；在透鏡單元的其他區域，隨著介電系數ε的逐漸變化，液晶層兩側的壓差依次漸變，從液晶透鏡單元的邊緣到中心電壓逐漸降低，如圖七所示，圖中以垂直方向雙箭頭的長度形象的表示液晶層兩側壓差的大小。
[0053]如圖8所示，當施加在第一電極1003與第二電極1006上的電壓大小恒定時，對于具有不同介電系數ε的條形介電塊如dll，dl2，…，dl8，dl9等，在液晶透鏡單元內不同位置上的液晶層1008兩側具有不同的電壓，液晶分子呈現不同的取向。
[0054]由于在每個液晶透鏡單元內電壓分布呈現從透鏡邊緣到透鏡中心逐漸變小的趨勢，電場作用下液晶分子按照不同的角度進行取向排列，如圖9所示，反映了每個透鏡單元內折射率分布情況，由于在透鏡單元邊緣液晶層兩側有最大的壓差，正性液晶材料分子長軸傾向于與電場方向平行，即平行于Y軸，折射率為no。在透鏡單元中心液晶層兩側有最小的壓差，液晶材料分子長軸仍處于初始取向位置，即平行于X軸，折射率為ne。在透鏡單元
其他位置，有效折射率neff 可以表示為
【權利要求】
1.一種液晶透鏡，包括多個液晶透鏡單元，每個透鏡單元包括第一基板、第一電極、第一介電層、第一配向膜、第二基板、第二電極、第二配向膜和液晶材料，所述第一電極設置于第一基板上，第二電極設置于第二基板上，第一介電層設置于第一電極上，第一配向膜設置于第一介電層上，第二配向膜設置于第二電極上，液晶材料封裝在第一配向膜和第二配向膜之間，多個透鏡單元在X方向上重復周期性重復構成液晶透鏡陣列，其特征在于，所述第一介電層包括奇數個在X方向依次設置且沿Y方向延展并平行的條形介電塊，所述條形介電塊的寬度相同并依次標記為dll，dl2，dl3，…，dl8，dln，所述條形介電塊的導電系數沿dl ((n+1)/2)對稱分布,dl ((n+1)/2)的導電系數最小,dll和din的導電系數最大且相等，即透鏡單元的導電系數由透鏡的邊緣到中心逐漸降低。
2.根據權利要求1所述的液晶透鏡，其特征在于，所述第一電極和第二電極為沒有特殊圖案的面電極，均為透明導電材料。
3.根據權利要求1所述的液晶透鏡，其特征在于，所述3D顯示模式下，第二電極為公用電極設置為0V，第一電極的驅動電壓為幅值為V的頻率固定且正負極性交替變換的方波(+V, -V, +V, -V,......)。
4.根據權利要求1所述的液晶透鏡，其特征在于，所述第一介電層和第一配向膜之間設有透明絕緣層。
5.根據權利要求1所述的液晶透鏡，其特征在于，所述液晶透鏡陣列還包括液晶材料封裝的周邊封框膠以及用于控制液晶盒厚的間隙子。
6.—種應用權利要求1~5·任一項所述液晶透鏡的立體顯不裝置。
【文檔編號】G02F1/1343GK203643727SQ201320793872
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】向賢明, 李建軍, 董戴, 許召輝 申請人:中航華東光電有限公司