[发明专利]液晶透镜、立体显示装置和该液晶透镜的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及3D显示设备领域，特别是涉及液晶透镜、立体显示装置和该液晶透镜的形成方法。

背景技术

采用液晶透镜来实现自由立体显示的立体显示装置，主要是利用在液晶层两侧的两片基板上分别设置正负电极，并在不同电极上施加大小不同的驱动电压，从而在两片基板间形成具有不同强度的垂直电场，以驱动液晶分子排列而形成可变焦液晶透镜。因此，只需要控制相应电极上的电压分布，液晶透镜的折射率分布就会相应的改变，从而对像素出射光的分布进行控制，实现自由立体显示和2D/3D自由切换。

如图1所示，图1为一种常见的液晶透镜阵列结构100示意图，它含有多个液晶透镜单元如L1与L2等，每个透镜单元如L1与L2等具有相同的结构。具体的讲，液晶透镜阵列100包含第一基板101与第二基板102，第一基板101与第二基板102正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板101上设置有第一电极103，第一电极103一般为透明导电材料如ITO或者IZO等，在第二基板102上设置有第二电极107，第二电极107也为透明导电材料如ITO或者IZO。在每一个透镜单元之内，以L1为例，第一电极103包含S11,S12,S13,…,S18,S19等多个以一定间隔分开并平行设置的条形电极，电极的数量一般为奇数(以下以九电极为例进行说明)，每个条形电极的宽度分别为W(S11),W(S12),W(S13),...,W(S18),W(S19)等，一般而言条形电极具备相同的宽度，即W(S11)=W(S12)=W(S13)=...=W(S18)=W(S19)。在两个液晶透镜单元如L1与L2之间，共用同一个条形电极S19(S21)。除此之外，液晶透镜阵列100还包括设置在第一电极103上的介电材料104，设置在第二电极107上的配向膜108以及设置在介电材料104上的配向膜105用于控制液晶分子的取向，液晶材料106被封装在第一基板101与第二基板102之间。虽然图1中未画出，但液晶透镜阵列100还包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)等。

如图2所示，当需要进行3D显示时，在第一电极103的各个条形电极如S11,S12,S13,…,S18,S19（以透镜单元L1为例）等上施加左右对称的电压，第二电极107作为公用电极其电压设置为零，以正性液晶材料(即△ε=ε∥-ε⊥>0，式中ε∥为液晶分子长轴方向的介电系数，ε⊥为液晶分子短轴方向的介电系数。)为例，可以使V(S11)=V(S19)>V(S12)=V(S18)>V(S13)=V(S17)>V(S14)=V(S16)>V(S15)，即在液晶透镜单元的中心电极S15上施加的电压最小，而在透镜单元的边缘电极S11,S19上施加的电压最大，从透镜中心到透镜边缘各个条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。由于在透镜单元边缘电极上施加的电压最大，边缘电极S11,S19位置的液晶分子基本上呈现垂直方向分布，而越靠近透镜单元的中心电压越小，因此液晶分子会逐渐倾向于水平方向排列。在每一个透镜单元内，由于电压对称分布，液晶材料随着电场强度的变化呈现折射率的渐变，因而整个液晶透镜整列具备较好的光学成像特性。

一方面，折射率渐变透镜即GRIN LENS光程差公式△nd=D²/(8f)，其中△n=nmax-n(r)=ne-n(r)，ne即液晶材料对非寻常光折射率，折射率n(r)作为位置r的函数在不同位置会有所不同。在如图2中，每个透镜单元的边缘电极如S11，S19(S21)以及S29位置由于液晶分子呈垂直状态，n(r)=no，而在每个透镜的中心电极如S15，S25位置液晶分子长轴呈现水平状态，n(r)=ne。D即每个透镜单元开口的大小，f为透镜单元的焦距，d为液晶盒厚。由此可知到当液晶材料(△n)、焦距(f)确定之后，液晶盒厚d随着透镜开口D的增加以平方关系增大，而液晶透镜响应时间t∝d²，导致液晶透镜响应时间很慢。

另一方面，在每个液晶透镜单元如L1内的各个条形电极如S11,S12,S13,…,S18,S19等上施加对称的电压后，通过电压优化设置，可以得到每个透镜单元内光程差分布。为减小液晶透镜在3D显示时引起的串扰，避免左(右)眼画面信息分别被右(左)眼察觉到降低立体显示的品质，因此需要液晶透镜与抛物型透镜光程差分布相吻合。