專利名稱：液晶透鏡及3d顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透鏡及裸眼3D顯示領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種液晶透鏡及3D顯示裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的透鏡都是普通的光學(xué)透鏡，其焦距往往都是固定的，這使得透鏡在很多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，以裸眼3D顯示領(lǐng)域?yàn)槔?，裸?D技術(shù)需要將面板上左右眼的圖像訊號折射到對應(yīng)的左右眼觀看位置，常見的是用柱狀透鏡(lenticular lens)對光的路徑進(jìn)行折射率匹配設(shè)計，如圖1中所示，它的原理是在顯示屏11的前面加上一層柱狀透鏡12，使顯示屏11的像平面位于透鏡的焦平面上，每個柱透鏡2下面的圖像的像素被分成幾個子像素，這樣透鏡就能以不同的方向投影每個子像素，于是雙眼從不同的角度觀看顯示屏，就看到不同的子像素，使觀者看到3D影像。除了柱狀透鏡技術(shù)(lenticular lens)的設(shè)計外，還有一種常見的設(shè)計是利用折射率梯度變化的自聚焦透鏡(grin lens)，如圖2所示，光通過自聚焦透鏡10 (grin lens) 的疏密疏架構(gòu)同對稱lens架構(gòu)雙曲面，與普通的雙曲面透鏡一樣會在前后形成相同焦距的聚焦。但是，柱狀透鏡及自聚焦透鏡的焦距都是不可調(diào)的，同時使用這種透鏡的3D顯示裝置如果不借助其他外加裝置，很難實(shí)現(xiàn)播放2D影像的切換。因此現(xiàn)有的透鏡在一定程度上已不能滿足裸眼3D顯示領(lǐng)域的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有梯度折射率變化的液晶透鏡及可實(shí)現(xiàn)全視角3D顯示的3D顯示裝置。本發(fā)明一種液晶透鏡是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種液晶透鏡，包括相互對置的設(shè)有電極的下層基板和設(shè)有反電極的上層基板，所述電極與反電極之間相互絕緣以形成電場；以及設(shè)在所述下層基板和上層基板之間的液晶層；所述液晶為垂直取向型向列液晶(Negative Nematic LC)；所述下層基板上的電極或上層基板的反電極具有使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)。所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為以其中央頂點(diǎn)為對稱中心的曲面。這樣的設(shè)計使得液晶傾倒分布也以中央頂點(diǎn)為對稱中心呈中心對稱。所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為半球面結(jié)構(gòu)。所述的液晶透鏡還包括設(shè)置在電極與反電極之間的電壓調(diào)節(jié)裝置。通過電壓調(diào)節(jié)裝置，可動態(tài)調(diào)整電極與反電極之間的電壓，達(dá)到動態(tài)調(diào)整液晶透鏡焦距的目的。所述的下層基板上的電極或上層基板的反電極上具有多個形狀相同的且并行排列的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)。在一個液晶透鏡上可形成多個聚焦點(diǎn)，類似于使用在裸眼3D中的柱狀透鏡。所述的液晶層的厚度均勻，所述液晶層與凹陷的電極或反電極之間填充有絕緣層。本發(fā)明一種3D顯示裝置是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的所述的3D顯示裝置包括液晶面板及設(shè)置在液晶面板前的液晶透鏡，所述的透鏡包括相互對置的設(shè)有電極的下層基板和設(shè)有反電極的上層基板，所述電極與反電極之間相互絕緣以形成電場；以及設(shè)在所述下層基板和上層基板之間的液晶層；所述液晶為垂直取向型向列液晶(Negative Nematic LC)；所述下層基板上的電極或上層基板的反電極具有多個形狀相同的且并行排列的、 使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)。所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為以其中央頂點(diǎn)為對稱中心的曲面。這樣的設(shè)計使得液晶傾倒分布也以中央頂點(diǎn)為對稱中心呈中心對稱，可實(shí)現(xiàn)全視角的3D顯示。所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為半球面結(jié)構(gòu)。所述的液晶透鏡還包括設(shè)置在電極與反電極之間的電壓調(diào)節(jié)裝置。本發(fā)明由于利用垂直取向型液晶在梯度變化的電場中液晶分子傾倒角度不一樣， 通過下層基板上的電極或上層基板的反電極設(shè)計具有使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電場的梯度變化，繼而使液晶透鏡具有梯度變化的折射率，從而使穿過的光線形成聚焦。將該液晶透鏡用于液晶顯示裝置中，它可以代替現(xiàn)有的自聚焦透鏡(grin lens)或是柱狀透鏡達(dá)到3D顯示效果，并且只需取消液晶透鏡電極與反電極之間的電壓， 即可方便的切換成2D顯示模式。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中裸眼3D顯示技術(shù)的光路示意圖；圖2是自聚焦透鏡的特性示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例液晶透鏡的截面圖；圖4是本發(fā)明圖3中一個單位結(jié)構(gòu)即凹陷球面結(jié)構(gòu)內(nèi)液晶晶分子在電場作用下傾倒的示意圖，圖中觀察角度為俯視即平行于XY平面的平面圖；圖5是本發(fā)明圖3中液晶層在電場作用下不同位置處液晶分子傾倒的示意圖；圖6是水平電場中不同傾倒角度液晶分子的折射率關(guān)系圖；圖7是本發(fā)明另一種實(shí)施例的液晶透鏡的截面圖。其中1、上層基板，2、下層基板，3、液晶層，4、電極，5、反電極，6、絕緣層，8、液晶分子，9、凹陷球面結(jié)構(gòu)，10、自聚焦透鏡，11、顯示屏，12、柱狀透鏡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和較佳的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖3是本發(fā)明液晶透鏡的截面視圖，如圖所示，液晶透鏡包括上層基板1和與上層基板1相對設(shè)置的下層基板2，在上層基板1和下層基板2之間設(shè)置有液晶層3 ；下層基板 2的內(nèi)側(cè)設(shè)置有電極4，而上層基板1的內(nèi)側(cè)也設(shè)置有與電極相對應(yīng)的反電極5，上層基板1的反電極通過一絕緣層6使得反電極5與液晶層3絕緣，該絕緣層可以使用不導(dǎo)電的聚合物材料。在本發(fā)明實(shí)施例中，所使用的液晶為垂直取向型負(fù)性向列液晶(Negative Nematic LC)，當(dāng)對液晶透鏡上的電極(即電極4和反電極5)施加電壓時，在電場的作用下液晶分子發(fā)生傾斜從而導(dǎo)致其折射率改變，因而只要使液晶層中不同位置具有不同的電場強(qiáng)度，其液晶分子的傾倒角度即不同，則液晶層中就會出現(xiàn)不同的折射率分布。因此，下層基板上的電極或上層基板的反電極具有使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)， 即可實(shí)現(xiàn)電場的梯度變化，實(shí)現(xiàn)液晶透鏡折射率的梯度變化，從而使穿過的光線形成聚焦。 而當(dāng)取消上層基板1上的反電極5及下層基板2的電極4上的電壓時，液晶不受電場的作用而豎直，液晶透鏡即不再具有折射率梯度變化，非常方便快捷。裸眼3D技術(shù)中所使用的自聚焦透鏡(grin lens)具有徑向折射率梯度變化的特性，它可以將像素分成多個子像素并分別投射的人的左眼和右眼中，使人在大腦中形成3D 的影像。但自聚焦透鏡的折射率梯度變化一定，其焦距也就一定，同時因其固態(tài)形狀，不易對液晶顯示裝置進(jìn)行2D和3D的切換。因此上述液晶透鏡利用液晶在電場中折射率的變化， 可用在裸眼3D技術(shù)領(lǐng)域，對自聚焦透鏡(grin lens)的進(jìn)行模擬，也就是使用液晶內(nèi)液晶分子自身位置的變化達(dá)到折射率梯度變化的效果，實(shí)現(xiàn)裸眼3D的顯示效果。下面以可進(jìn)行裸眼3D顯示的液晶顯示裝置中所使用的液晶透鏡為例進(jìn)行液晶透鏡的結(jié)構(gòu)論述。實(shí)施例一可進(jìn)行裸眼3D顯示的液晶顯示裝置包括有液晶面板及設(shè)置在液晶面板前的液晶透鏡，所述的液晶透鏡第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖3所示，所述液晶透鏡在上層基板1上的反電極5具有多個形狀相同的且并行排列的、使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)9，該曲面結(jié)構(gòu)相對于其頂點(diǎn)對稱，可呈半球面結(jié)構(gòu)；相應(yīng)的，所述的上層基板1對應(yīng)于所述反電極5的一面具有與凹陷的曲面結(jié)構(gòu)9同樣構(gòu)造的凸出區(qū)域。所述的液晶層的厚度均勻，所述液晶層與凸出的反電極5之間填充有絕緣層6，使得反電極5與液晶層3絕緣。正是由于該凹陷球面結(jié)構(gòu)9，使得反電極5與電極4所形成的電場強(qiáng)度具有梯度變化。如圖3到圖5所示，當(dāng)入射光進(jìn)入液晶透鏡時，只要入射光的偏振方向垂直于所述下層基板的平面或在所述平面上有分量，由于垂直取向型負(fù)性向列液晶在圓形場強(qiáng)作用下形成順時針環(huán)繞排列(圖3為二維畫面，Y軸沒有畫出，圖4為一個單位結(jié)構(gòu)中的XY平面內(nèi)液晶分子傾倒后的俯視圖)；結(jié)合圖2和圖4，液晶分子在不同場強(qiáng)中發(fā)生了不同角度的傾倒，A區(qū)域的電場因?yàn)殡姌O之間的距離最小，因而其電場強(qiáng)度最大，在該區(qū)域內(nèi)，液晶分子發(fā)生傾斜(從垂直到水平)；B區(qū)域的電場強(qiáng)度較A區(qū)域小，因而在該區(qū)域內(nèi)液晶分子發(fā)生傾斜的程度小于A區(qū)域；C區(qū)域的電場強(qiáng)度小于B區(qū)域，在該區(qū)域中液晶分子基本不發(fā)生傾斜。因此，在該梯度變化的電場強(qiáng)度的空間內(nèi)，液晶層3內(nèi)的液晶分子從A區(qū)域到C區(qū)域在場強(qiáng)梯度變化的電場內(nèi)產(chǎn)生了傾斜角度梯度變化的傾斜，于是在A區(qū)域到C區(qū)域的方向上就形成了折射率梯度變化。以圖3所示的液晶透鏡為例，液晶分子在電場作用下發(fā)生傾倒，其傾倒的方向沿順時針呈環(huán)形排列。當(dāng)光線入射方向與Z軸有夾角，入射光的偏振方向?yàn)榇怪庇赬Y平面或于XL或TL平面上有偏振分量，則光線路徑在XY平面上會等效通過連續(xù)的折射率梯度變化，形成聚焦。如圖5、6所示，水平電場中不同傾倒角度液晶分子的等效折射率為η。、 ne( θ )、ne、ne( θ )、η。它們的關(guān)系為 > ne( θ ) > η。，因此在液晶中的折射率是梯度變化的。因此因而只要入射極化光有垂直于入射面的極化分量，便能透過梯度折射率產(chǎn)生3D聚焦的效果，實(shí)現(xiàn)全視角的3D顯示。具體的，如圖3所示，若上層基板1的反電極5設(shè)計成具有凹陷曲面結(jié)構(gòu)9，絕緣層6設(shè)置在反電極5與液晶之間使得反電極5與液晶3絕緣，下層基板2及其電極4為平面設(shè)置，液晶采用垂直取向型負(fù)性向列液晶(Negative Nematic LC)，液晶分子在不受電場的作用時是站立的，下層基板2的電極4設(shè)計方式使液晶在受電場作用時液晶分子沿順時針方向傾倒形成圓形排列狀。當(dāng)光線入射方向與Z軸有夾角，入射光的偏振方向?yàn)榇怪庇?XY平面或于TL或TL平面上有偏振分量，光線通過折射率梯度變化的液晶層3，在XY平面內(nèi)產(chǎn)生全視角的聚焦效果。實(shí)施例二 實(shí)施例二的液晶透鏡的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一類似，與實(shí)施例一不同的是，如圖5所示， 將下層基板2的電極4設(shè)計成具有使電極與反電極之間間距變小的凹陷曲面結(jié)構(gòu)9，相應(yīng)的，所述的下層基板2對應(yīng)于所述電極4的一面具有與凹陷的曲面結(jié)構(gòu)9同樣構(gòu)造的凸出區(qū)域。所述的液晶層的厚度均勻，所述液晶層與凸出的電極4之間填充有絕緣層6，使得電極4與液晶層3絕緣。上層基板2及其上的反電極5為平面設(shè)置，液晶采用垂直取向型負(fù)性向列液晶(Negative Nematic LC)，液晶分子在不受電場的作用時是站立的，上層基板的反電極5的設(shè)計方式使液晶在受電場作用時液晶分子沿順時針方向傾倒形成圓形排列狀。 當(dāng)光線入射方向與Z軸有夾角，入射光的偏振方向?yàn)榇怪庇赬Y平面或于TL或TL平面上有偏振分量，光線通過折射率梯度變化的液晶層3，在XY平面內(nèi)產(chǎn)生全視角的聚焦效果。在本發(fā)明中，所述的液晶透鏡上的電極4或反電極5上具有多個排列的漸變凹陷的球面結(jié)構(gòu)，列與列之間、排與排之間的距離相等，有如現(xiàn)有的3D顯示裝置中所使用的柱狀透鏡。當(dāng)然，此外還可以將其分成多排的，若液晶透鏡較大，還可以分成多排多列的。因?yàn)橐壕Х肿拥膬A斜角度與電場的強(qiáng)度有關(guān)，因此，對液晶透鏡上的電極施加不同的電壓，則可以得到不同的梯度變化的折射率，即可以對其進(jìn)行調(diào)整焦距。所述的液晶透鏡還包括設(shè)置在電極與反電極之間的電壓調(diào)節(jié)裝置(圖中未示出)，通過電壓調(diào)節(jié)裝置，可動態(tài)調(diào)整電極與反電極之間的電壓，達(dá)到動態(tài)調(diào)整液晶透鏡焦距的目的。該液晶透鏡可以用于3D顯示裝置，即將該液晶透鏡設(shè)置于目前的2D顯示裝置的像平面上，從而取代現(xiàn)有的3D顯示裝置所使用的柱狀透鏡或是自聚焦透鏡(grin lens), 使得液晶顯示器可以播放3D影像。同時，使用該液晶透鏡的3D顯示裝置還可以進(jìn)行2D影像播放，當(dāng)不需要播放3D影像而進(jìn)行2D影像的播放時，可以取消施加在液晶透鏡電極上的電壓，從而液晶分子不會發(fā)生傾倒，使得液晶透鏡不會形成梯度變化的折射率，即與普通透光玻璃一樣。所述液晶透鏡也可以用于其它的領(lǐng)域，只要對其凸出的曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計即可，如可取代照相機(jī)內(nèi)的光學(xué)透鏡，通過電壓調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)焦距的變化。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種液晶透鏡，其特征在于，包括相互對置的設(shè)有電極的下層基板和設(shè)有反電極的上層基板，所述電極與反電極之間相互絕緣以形成電場；以及設(shè)在所述下層基板和上層基板之間的液晶層；所述液晶為垂直取向型向列液晶；所述下層基板上的電極或上層基板的反電極具有使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種液晶透鏡，其特征在于，所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為以其中央頂點(diǎn)為對稱中心的曲面。
3.如權(quán)利要求2所述的一種液晶透鏡，其特征在于，所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為半球面結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種液晶透鏡，其特征在于，所述的液晶透鏡還包括設(shè)置在電極與反電極之間的電壓調(diào)節(jié)裝置。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種液晶透鏡，其特征在于，所述的下層基板上的電極或上層基板的反電極上具有多個形狀相同的且并行排列的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種液晶透鏡，其特征在于，所述的液晶層的厚度均勻，所述液晶層與凹陷的電極或反電極之間填充有絕緣層。
7.—種3D顯示裝置，其特征在于，所述的3D顯示裝置包括液晶面板及設(shè)置在液晶面板前的液晶透鏡，所述的透鏡包括相互對置的設(shè)有電極的下層基板和設(shè)有反電極的上層基板，所述電極與反電極之間相互絕緣以形成電場；以及設(shè)在所述下層基板和上層基板之間的液晶層；所述液晶為垂直取向型向列液晶；所述下層基板上的電極或上層基板的反電極具有多個形狀相同的且并行排列的、使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的一種3D顯示裝置，其特征在于，所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為以其中央頂點(diǎn)為對稱中心的曲面。
9.如權(quán)利要求8所述的一種3D顯示裝置，其特征在于，所述凹陷的曲面結(jié)構(gòu)為半球面結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求7所述的一種3D顯示裝置，其特征在于，所述的液晶透鏡還包括設(shè)置在電極與反電極之間的電壓調(diào)節(jié)裝置。
11.如權(quán)利要求7所述的一種3D顯示裝置，其特征在于，所述的液晶層的厚度均勻，所述液晶層與凹陷的電極或反電極之間填充有絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明公開一種液晶透鏡及3D顯示裝置，所述液晶透鏡包括相互對置的設(shè)有電極的下層基板和設(shè)有反電極的上層基板，所述電極與反電極之間相互絕緣以形成電場；以及設(shè)在所述下層基板和上層基板之間的液晶層；所述液晶為垂直取向型向列液晶；所述下層基板上的電極或上層基板的反電極具有使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)。由于該液晶透鏡具有使電極與反電極之間間距變小的凹陷的曲面結(jié)構(gòu)，使電場內(nèi)的場強(qiáng)具有梯度變化，液晶層中的液晶分子在電場作用下傾倒的角度也呈梯度變化使液晶層產(chǎn)生梯度變化的折射率，形成具有折射率梯度變化的液晶透鏡，并可應(yīng)用于液晶顯示器中達(dá)到3D顯示的效果。
文檔編號G02B27/22GK102279500SQ20111024929
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者康志聰 申請人:深圳市華星光電技術(shù)有限公司