專利名稱：2d/3d切換的液晶透鏡組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種液晶透鏡組件,尤指ー種具高透鏡光學能力(high lens power)的2D/3D切換的液晶透鏡組件。
背景技術：
人類是透過雙眼所看到的展望而感知到真實世界的影像。而人類的大腦會進ー步根據(jù)雙眼所看到兩個不同角度的展望之間的空間距離差異而形成所謂的3維(3-dimension, 3D)影像，這種空間距離差異則被稱為視差(parallax)。所謂的3D顯示設備就是模擬人類雙眼不同角度的視野，讓左、右眼分別接收到有視差的兩個2維(2-dimension, 2D)影像,使人腦獲取左、右眼看到的不同2D影像后，能感知為3D影像。 目前的3D顯示設備主要分為兩類，分別是自動立體顯示設備(Auto-stereoscopic display)以及非自動立體顯不設備(Stereoscopic display)。自動立體顯示設備的用戶不用戴上特殊結構的眼鏡就可以看出3D立體影像。而另ー種非自動立體顯示設備則需要使用者戴上特制的眼鏡，才能看到3D立體影像。常見的自動立體顯示設備有兩種主要分成視差光柵(Parallax barrier)和柱狀透鏡(Lenticular Lenses)兩種。視差光柵是利用光柵來控制光前進的方向，讓使用者的左右眼看到具有視差的影像，而此視差就會在大腦中形成立體感。至于柱狀透鏡則是利用折射率的不同來控制光的方向，可以有多種作法，其中ー種作法是以液晶層來取代實體透鏡，藉由上下玻璃基板的氧化銦錫(ITO)特殊圖案設計，來造成液晶層空間中電位線分布不均，使液晶分子的排列改變。由于液晶分子的排列會影響到折射率的不同，經(jīng)過適當?shù)脑O計后，整體的折射率變化就像柱狀透鏡ー樣，控制入射光的折射方向。請參閱圖Ia與圖lb，圖Ia與圖Ib是現(xiàn)有技術的GRIN透鏡被施加電壓前后的示意圖。所謂GRIN透鏡就是折射率隨著梯度分布的透鏡(Gradient in the Index ofRefraction Lens)。當未被施加任何電壓時,液晶分子的排列如圖la所示。由于前述氧化銦錫電極圖案(未顯示)的特殊設計，于施加電壓產(chǎn)生電場時，液晶分子的排列方向將如圖Ib所不，造成中心的液晶分子折射率最大(ne),愈往兩邊的液晶分子折射率愈小，直到最小液晶分子折射率(no)為止。而當光線行進時，兩邊的光線因為遇到的液晶分子折射率最小，行進速度最快，而中間的光線因為遇到的液晶分子折射率最大，所以行進速度最慢。以入射平面波而言，波前將會被彎曲，造成具有類似凸透鏡的性質(zhì)，將光線聚焦于F點，并可推導出焦距的公式如下
/·'.其中，fGEIN為GRIN透鏡10的焦距，d為液晶盒的厚度，r是透鏡的半徑，nmax等于液晶透鏡的液晶分子的非尋常光折射率ne，而n(r)則代表折射率是!■的函數(shù)。當以4_的適當焦距作為設計目標時，若液晶分子的Λη為0. 21，則必需將液晶盒的厚度d保持在大約30 μ m。同時，若要得到小的焦距，如果無法縮小GRIN透鏡10的半徑及改變液晶分子的種類，則唯一的選擇就是加大液晶盒的厚度。然而，加大液晶盒的厚度不僅使液晶層間隙(cell gap)増加，也無疑地會増加成本，因此若能制作ー種應用于2D/3D影像切換的液晶透鏡組件，在不必增加液晶厚度的前提之下，就能夠提升聚焦能力，將可有效地降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供ー種2D/3D切換的液晶透鏡組件，該液晶透鏡組件是利用一組外加的固定透鏡，來增進透鏡的光學能力，以解決背景技術的問題。本發(fā)明提供ー種液晶透鏡組件，其自ー出光面至一入光面依序包括多個相鄰排列的長條狀凸透鏡、一第一透明基板、一第二透明基板、多個設置于該第二透明基板上的電極和一液晶層夾于該第一透明基板與該第二透明基板之間。所述多個電極用于控制所述液晶層的液晶分子的排列方向，以調(diào)整相對于至少ー像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞增或遞減，用于控制入射光的行進方向，再將所述通過的入射光導至所述的凸透鏡其中之一。 依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述電極為長條狀，其延伸方向與所述長條狀凸透鏡延伸
方向一致。依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述液晶透鏡組件配合線性偏振光使用，且所述多個長條狀凸透鏡沿一第一方向延伸，并沿ー第二方向排列，該第一方向垂直于該第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞減，以形成3D模式。依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞増，以形成2D模式。本發(fā)明另提供ー種液晶透鏡組件，其自ー出光面至一入光面依序包括一第一透明基板；多個相鄰排列的長條狀凸透鏡；一第二透明基板，該第二透明基板之上設置有多個電極；一液晶層夾于所述多個長條狀凸透鏡與該第二透明基板之間；所述多個電極用于控制所述液晶層的液晶分子的排列方向，以調(diào)整相對于至少ー像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞增或遞減，用于控制入射光的行進方向，再將所述通過的入射光導至所述的凸透鏡其中之一。依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述電極為長條狀，其延伸方向與所述長條狀凸透鏡延伸
方向一致。依據(jù)本發(fā)明的實施例，該液晶透鏡組件配合線性偏振光使用，且所述多個長條狀凸透鏡沿一第一方向延伸，并沿ー第二方向排列，所述第一方向垂直于所述第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞減，以形成3D模式。依據(jù)本發(fā)明的實施例，所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞増，以形成2D模式。相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的液晶透鏡組件，經(jīng)由ー組外加凸透鏡的支持，以及透明基板上電極的適當設計，僅需要施加預定的電壓于電極之上，就可以在液晶層內(nèi)產(chǎn)生凸透鏡。當入射光經(jīng)過液晶層內(nèi)的凸透鏡折射后，于行進至外加透鏡，又會再次被折射，并集中到人眼，以于出光面形成3D影像。由于光線行進的過程中歷經(jīng)了兩次折射，使整體的聚焦能力提升，加大了透鏡能力的同時，將可同時減少液晶層的間隙。此外，在轉換至2D模式時，也只要改變施加于電極上的電壓，就可以將液晶層內(nèi)的凸透鏡水平平移，并抵消外加透鏡的效果，于出光面形成2D影像。本發(fā)明的液晶透鏡組件，不僅切換簡單，亦可降低液晶盒的厚度，有效降低成本。為讓本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下


圖Ia與圖Ib是現(xiàn)有技術的GRIN透鏡被施加電壓前后的示意圖。
圖2是本發(fā)明第一實施例的液晶透鏡組件應用于3D模式時的剖面及液晶分子排列方向示意圖。圖3是圖2的液晶透鏡組件應用于2D模式時的剖面及液晶分子排列方向示意圖。圖4是本發(fā)明第二實施例的液晶透鏡組件應用于3D模式時的剖面及液晶分子排列方向示意圖。圖5是圖4的液晶透鏡組件應用于2D模式時的剖面及液晶分子排列方向示意圖。
具體實施例方式以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發(fā)明可用以實施之特定實施例。本發(fā)明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「頂」、「底」、「水平」、「垂直」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發(fā)明，而非用以限制本發(fā)明。請參閱圖2，圖2是本發(fā)明第一實施例的液晶透鏡組件應用于3D模式時的剖面及液晶分子排列方向不意圖。液晶透鏡組件100自ー出光面112到一入光面110依序包括數(shù)個外加透鏡102、一透明基板101a、一液晶層104、一透明基板IOlb以及設置于透明基板IOlb上的數(shù)個電極106。其中數(shù)個外加透鏡102以及數(shù)個電極106均是朝向垂直于紙面的A方向延伸，在本實施例中是以對應于子像素108a、108b、108c設置的電極106a、106b、106c為例作為說明。另外在液晶透鏡組件100以及各子像素108a、108b、108c之間，設置有一偏光片(未顯示)，用以提供偏振光至液晶透鏡組件100，偏振光的傳播方向如圖2中箭頭所示，且子像素108a、108b、108c分別為紅色子像素、緑色子像素以及藍色子像素，子像素108a、108b、108c構成ー像素108。本實施例中是以從偏光片(未顯示)射出的光線，偏振方向垂直于A方向以及偏振光傳播方向為例進行說明,但不限于此。當施加電壓于電極106a、106b、106c之上時，所產(chǎn)生的電場將會使液晶層104中的液晶分子旋轉，造成靠近電極106a、106c的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于偏振光傳播方向，而靠進電極106b的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于入射光的偏振方向。由于液晶層104內(nèi)的液晶分子具有雙折射率特性，當入射液晶透鏡組件100的偏振光方向垂直于液晶分子的光軸方向吋，液晶分子具有尋常光折射率(no)，而當入射液晶透鏡組件100的偏振光方向平行于液晶分子的光軸方向吋，液晶分子具有非尋常光折射率(ne)，且非尋常光折射率系大于尋長光折射率。因此當光線行進時，靠近電極106a、106c的光線因為遇到的液晶分子折射率最小，行進速度最快，反之，靠近電極106b的光線因為遇到的液晶分子折射率最大，所以行進速度最慢。經(jīng)此適當設計，液晶分子的排列改變造成整體折射率的變化，相對于像素108的液晶層104就如同一個凸透鏡，控制入射光的折射方向。而當入射光經(jīng)過折射行進至外加透鏡102后，由于外加透鏡102也是凸透鏡，因此又會再次將光線折射，并集中到人眼，故在出光面112 —側的觀察者會看到3D影像。由于光線行進的過程中歷經(jīng)了兩次折射，使整體的聚焦能力提升，加大了透鏡能力的同時，將可同時減少液晶層的間隙。圖2中的液晶透鏡組件100亦可適用于2D模式。請參閱圖3，圖3是圖2的液晶透鏡組件應用于2D模式時的剖面及液晶分子排列方向示意圖。當應用于2D模式時，改變 施加于電極106a、106b、106c之上的電壓,所產(chǎn)生的電場將會使液晶層104中的液晶分子旋轉，造成靠近電極106a、106c的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于入射光的偏振方向，而靠進電極106b的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于偏振光傳播方向。由于液晶層104內(nèi)的液晶分子具有雙折射率特性，經(jīng)此適當設計，液晶分子的排列改變造成整體折射率的變化，液晶層104內(nèi)相對于像素108附近，仍然會產(chǎn)生ー個凸透鏡，只是與圖2的3D模式時相較，凸透鏡的位置平移，恰巧抵消外部透鏡102的效果，相當于無任何透鏡的存在。光線會沿直線傳播，故在出光面112 —側的觀察者會看到2D影像。在本發(fā)明中，將3D模式切換至2D模式時，除了透過改變施加于電極106a、106b、106c之上的電壓，還可以另外設計ー組電極，再將電壓施加于該組電極之上，以達到平移液晶層104所形成透鏡的目的，如此ー來，就可以在2D及3D模式時分別選擇不同組電扱，而不必在毎次切換顯示模式時，都必需在同組電極之上改變所施加的電壓。在圖2、圖3中，液晶層104采用正性液晶分子，也就是說，當施加電壓于電極106而產(chǎn)生電場時，液晶分子的排列方向是平行于電場方向。在另ー實施例中，液晶層104亦可采用負性液晶分子，但是電極的排列以及延伸方向必需改變，以達到適當?shù)脑O計。請參閱圖4，圖4是本發(fā)明第二實施例的液晶透鏡組件應用于3D模式時的剖面及液晶分子排列方向示意圖。與第一實施例不同的是，本實施例中液晶透鏡組件200的數(shù)個外加透鏡202是設置于透明基板201a與透明基板201b之間，并鄰接于液晶層204。其中數(shù)個外加透鏡202以及數(shù)個電極206均是朝向垂直于紙面的A方向延伸，在本實施例中是以對應于子像素208a、208b、208c設置的電極206a、206b、206c為例作為說明。另外在液晶透鏡組件200以及各子像素208a、208b、208c之間，設置有一偏光片(未顯示)，用以提供偏振光至液晶透鏡組件200，偏振光的傳播方向如圖4中箭頭所示，且子像素208a、208b、208c分別為紅色子像素、緑色子像素以及藍色子像素，子像素208a、208b、208c構成ー像素208。本實施例中是以從偏光片(未顯不)射出的光線，偏振方向垂直于A方向以及偏振光傳播方向為例進行說明，但不限于此。當施加電壓于電極206a、206b、206c之上時，所產(chǎn)生的電場將會使液晶層204中的液晶分子旋轉，造成靠近電極206a、206c的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于偏振光傳播方向，而靠進電極206b的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于入射光的偏振方向。經(jīng)此適當設計，液晶分子的排列改變造成整體折射率的變化，相對于像素208的液晶層204就如同一個凸透鏡，控制入射光的折射方向。而入射光經(jīng)過折射后隨即進入外加透鏡202，由于外加透鏡202也是凸透鏡，因此又會再次將光線折射，并集中到人眼，故在出光面212 —側的觀察者會看到3D影像。由于光線行進的過程中歷經(jīng)了兩次折射，使整體的聚焦能力提升，カロ大了透鏡能力的同時，將可同時減少液晶層的間隙。請參閱圖5，圖5是圖4的液晶透鏡組件應用于2D模式時的剖面及液晶分子排列方向示意圖。當應用于2D模式時，改變施加于電極206a、206b、206c之上的電壓，所產(chǎn)生的電場將會使液晶層204中的液晶分子旋轉，造成靠近電極206a、206c的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于入射光的偏振方向，而靠進電極206b的液晶分子排列方向變?yōu)楣廨S平行于偏振光傳播方向。由于液晶層204內(nèi)的液晶分子具有雙折射率特性，經(jīng)此適當設計，液晶分子的排列改變造成整體折射率的變化，液晶層204內(nèi)相對于像素208附近，仍然會產(chǎn)生ー個凸透鏡，只是與圖4的3D模式時相較，凸透鏡的位置平移，恰巧抵消外部透鏡202的效果，相當于無任何透鏡的存在。光線會沿直線傳播，故在出光面212 —側的觀察者會看到2D影像。 同理，欲將3D模式切換至2D模式時，除了透過改變施加于電極206a、206b、206c之上的電壓，還可以另外設計ー組電極，再將電壓施加于該組電極之上，以達到平移液晶層204所形成透鏡的目的。在圖4、圖5中，液晶層204采用正性液晶分子，也就是說，當施加電壓于電極206而產(chǎn)生電場時,液晶分子的排列方向是平行于電場方向。在另ー實施例中，液晶層204亦可采用負性液晶分子，但是電極的排列以及延伸方向必需改變，以達到適當?shù)脑O計。本發(fā)明的液晶透鏡組件經(jīng)由ー組外加凸透鏡的支持，以及透明基板上電極的適當設計，僅需要施加預定的電壓于電極之上，就可以在液晶層內(nèi)產(chǎn)生凸透鏡。當入射光經(jīng)過液晶層內(nèi)的凸透鏡折射后，于行進至外加透鏡，又會再次被折射，并集中到人眼，以于出光面形成3D影像。由于光線行進的過程中歷經(jīng)了兩次折射，使整體的聚焦能力提升，加大了透鏡能力的同時，將可同時減少液晶層的間隙。此外，在轉換至2D模式時，也只要改變施加于電極上的電壓，就可以將液晶層內(nèi)的凸透鏡水平平移，并抵消外加透鏡的效果，于出光面形成2D影像。本發(fā)明的液晶透鏡組件，不僅切換簡單，亦可降低液晶盒的厚度，有效降低成本。綜上所述，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，但該較佳實施例并非用以限制本發(fā)明，該領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍以權利要求界定的范圍為準。
權利要求
1.ー種液晶透鏡組件，其自ー出光面至一入光面依序包括 多個相鄰排列的長條狀凸透鏡； 一第一透明基板； 一第二透明基板，該第二透明基板之上設置有多個電極； 一液晶層夾于該第一透明基板與該第二透明基板之間； 其特征在于 所述多個電極用于控制所述液晶層的液晶分子的排列方向，以調(diào)整相對于至少ー像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞增或遞減，用于控制入射光的行進方向，再將所述通過的入射光導至所述凸透鏡其中之一。
2.根據(jù)權利要求I所述的液晶透鏡組件，其特征在于所述電極為長條狀，其延伸方向與所述長條狀凸透鏡延伸方向一致。
3.根據(jù)權利要求2所述的液晶透鏡組件，其特征在于所述液晶透鏡組件配合線性偏振光使用，且所述多個長條狀凸透鏡沿一第一方向延伸，并沿ー第二方向排列，該第一方向垂直于該第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。
4.根據(jù)權利要求I所述的液晶透鏡組件，其特征在于所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞減，以形成3D模式。
5.根據(jù)權利要求I所述的液晶透鏡組件，其特征在于所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞増，以形成2D模式。
6.ー種液晶透鏡組件，其自ー出光面至一入光面依序包括 一第一透明基板； 多個相鄰排列的長條狀凸透鏡； 一第二透明基板，該第二透明基板之上設置有多個電極； 一液晶層夾于所述多個長條狀凸透鏡與該第二透明基板之間； 其特征在于 所述多個電極用于控制所述液晶層的液晶分子的排列方向，以調(diào)整相對于至少ー像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞增或遞減，用于控制入射光的行進方向，再將所述通過的入射光導至所述的凸透鏡其中之一。
7.根據(jù)權利要求6所述的液晶透鏡組件，其特征在于所述電極為長條狀，其延伸方向與所述長條狀凸透鏡延伸方向一致。
8.根據(jù)權利要求7所述的液晶透鏡組件，其特征在于該液晶透鏡組件配合線性偏振光使用，且所述多個長條狀凸透鏡沿一第一方向延伸，并沿ー第二方向排列，該第一方向垂直于該第二方向，所述偏振光的偏振方向平行于第二方向。
9.根據(jù)權利要求6所述的液晶透鏡組件，其特征在于所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞減，以形成3D模式。
10.根據(jù)權利要求6所述的液晶透鏡組件，其特征在于所述多個電極調(diào)整相對于所述像素的所述液晶層的液晶分子折射率，由相對于所述像素的中央向兩邊遞増，以形成2D模式。
全文摘要
本發(fā)明公開一種2D/3D切換的液晶透鏡組件，其自出光面至入光面依序包括多個相鄰排列的長條狀凸透鏡、第一透明基板、第二透明基板、設置于第二透明基板上的多個電極和夾于第一、第二透明基板之間的液晶層。多個電極用于控制液晶層的液晶分子的排列方向，以調(diào)整相對于至少一像素的液晶層的液晶分子折射率，由相對于像素的中央向兩邊遞增或遞減，用于控制入射光的行進方向，再將通過的入射光導至其中之一凸透鏡。
文檔編號G02F1/1343GK102854694SQ20121035941
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權日2012年9月25日
發(fā)明者陳峙彣, 蕭嘉強 申請人:深圳市華星光電技術有限公司