《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》是深圳超多維光電子有限公司於2013年9月30日申請的專利，該專利的公布號為CN103454825A，申請公布日為2013年12月18日，發明人是郭福忠、宮曉達。該發明涉及液晶技術。
《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》該液晶透鏡包括第一基板、第二基板、液晶層、第一電極組及第二電極組，第一電極組包括多個第一電極，設於該第一基板的面向該第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此間隔一定的距離；第二電極組設於該第二基板的面向該第一基板的表面上，包括多個第二電極和多個第三電極以及絕緣層，該絕緣層位於該第二電極和該第三電極之間；其中，該第二電極和該第三電極沿不同於該第一方向的第二方向延伸，且該多個第二電極之間間隔一定的距離，該多個第三電極之間間隔一定的距離。該發明的液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置，減少驅動晶片的數量，減少了成本。
2020年11月，《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》獲得第六屆廣東專利獎金獎。
（概述圖為《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置
- 申請人：深圳超多維光電子有限公司
- 申請日：2013年9月30日
- 申請號：2013104614258
- 公布號：CN103454825A
- 公布日：2013年12月18日
- 發明人：郭福忠、宮曉達
- 地址：廣東省珠海市南山區華僑城東部工業區H-1棟101
- 分類號：G02F1/29(2006.01)I、G02F1/1343(2006.01)I、G02F1/133(2006.01)I、G02B27/22(2006.01)I、H04N13/00(2006.01)I
- 代理機構：北京安信方達智慧財產權代理有限公司
- 代理人：栗若木、曲鵬
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
立體視覺的產生是由於人的左眼和右眼接收到了來自不同角度的圖像，經大腦合成後，感知到的物體的層次感及深度感。隨著立體顯示技術的發展，2013年前已出現多種立體顯示模式以使觀看者產生立體視覺。2013年前的立體顯示裝置大致可分為被動立體顯示裝置和自動立體顯示裝置兩種。使用被動立體顯示裝置時，觀看者需要佩戴眼鏡或頭盔之類的輔助設備，才能感知到立體效果；而自動立體顯示也叫裸眼立體顯示，即觀察者不需要藉助任何輔助設備即可直接從顯示裝置上看到立體影像。
其中，裸眼式立體顯示裝置的主要原理是，在顯示面板前設定光柵，光柵將顯示面板顯示的至少兩幅視差圖像分別提供給觀看者的左、右眼。其中，光柵可以為狹縫光柵或柱鏡光柵。
截至2013年9月，出現了採用液晶透鏡來實現自動立體顯示裝置的方案，這種方案基於液晶的雙折射性，採用電壓控制液晶分子的分布，對入射光產生透鏡的效果。這種立體顯示裝置的最大優點是：折射率和透鏡的焦距等可調。但是，2013年9月之前的技術還是基於2013年9月之前的柱透鏡光柵而形成的立體顯示裝置，其中，固定柱透鏡光柵需要專門的切換器件輔助實現2D/3D共融，所謂2D/3D共融是指在同一個螢幕上，一部分顯示區域顯示2D內容，同時另一部分顯示區域顯示3D內容，而使用柱透鏡光柵無疑增加了成本，而且驅動晶片等硬體電路的數量過多會帶來良率的降低；另一種可變柱透鏡光柵通過填充普通液晶，並通過電極控制實現2D/3D共融，但是，其採用的是兩層電極的結構，在實現2D/3D共融上顯示效果仍然不佳。
發明內容
專利目的
該發明提供了一種液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置，能夠減少驅動晶片的數量，降低驅動複雜度，減少成本。
技術方案
《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》提供了一種液晶透鏡，所述液晶透鏡包括：第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板布置成彼此面對且其間有間距；液晶層，設於所述第一基板和所述第二基板之間，包括具有雙折射率且各向異性的液晶分子；第一電極組，包括多個第一電極，設於所述第一基板的面向所述第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此間隔一定的距離；第二電極組，所述第二電極組設於所述第二基板的面向所述第一基板的表面上，包括多個第二電極和多個第三電極以及絕緣層，所述絕緣層位於所述第二電極和所述第三電極之間；其中，所述第二電極和所述第三電極沿不同於所述第一方向的第二方向延伸，且所述多個第二電極之間間隔一定的距離，所述多個第三電極之間間隔一定的距離。每一所述第三電極在所述第一方向上對應多個第二電極。
所述第二電極組在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第二電極、所述絕緣層和所述第三電極。所述第二電極組在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第三電極、所述絕緣層和所述第二電極。所述第一電極、所述第二電極以及所述第三電極中至少一個為條形帶狀、或弧形條狀、或鋸齒形條狀。
所述多個第二電極分為M組，每一組對應一個透鏡單元且包括N個第二電極，所述每一組內的每一個第二電極分別連線不同的驅動電壓源，且所述驅動電壓源為N個，依序標記為1、2…N，所述M組中的每一組內的N個第二電極沿所述第一方向依次標記1、2…N，將各組內標記相同的第二電極連線至相同標記的所述驅動電壓源，其中M和N為自然數，M大於等於1，N大於等於2。
所述第三電極的數量與所述透鏡單元的數量相等。所述第一方向與所述第二方向相互垂直，所述第一電極垂直於所述第二電極。所述第一電極與所述第二電極之間存在夾角α，且滿足0°＜α≤90°。該發明還提供一種2D/3D圖像顯示裝置，所述2D/3D圖像顯示裝置包括顯示面板和該發明液晶透鏡，所述2D/3D圖像顯示裝置在同一螢幕上同時顯示2D圖像信息和3D圖像信息。
改善效果
與2013年9月之前的技術相比，《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》液晶透鏡包括：第一基板和第二基板，第一基板和第二基板布置成彼此面對且其間有間距；液晶層，設於第一基板和第二基板之間，包括具有雙折射率且各向異性的液晶分子；第一電極組，包括多個第一電極，設於第一基板的面向第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此間隔一定的距離；第二電極組，設於第二基板的面向第一基板的表面上，包括多個第二電極和多個第三電極以及絕緣層，絕緣層位於第二電極和第三電極之間；其中，第二電極和第三電極沿不同於第一方向的第二方向延伸，且多個第二電極之間間隔一定的距離，多個第三電極之間間隔一定的距離。該發明提供的液晶透鏡結構，減少了驅動晶片的數量，降低了驅動複雜度，節省了驅動成本。該發明提供的圖像顯示裝置實現了立體圖像的視窗顯示，既實現了一個顯示區域顯示2D圖像，又同時在同一螢幕的其它顯示區域顯示3D圖像，而且保證了顯示時無摩爾紋和彩色條紋，顯著提升了顯示質量。
附圖說明
圖1為《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》液晶透鏡的切面實施例的示意圖；
圖2a為該發明具有條形帶狀電極的液晶透鏡第一實施例的側視示意圖；
圖2b為該發明具有條形帶狀電極的液晶透鏡第二實施例的側視示意圖；
圖3為該發明條形帶狀電極形成局部透鏡的驅動實施例的俯視圖；
圖4所示為該發明弧形帶狀電極實施例的俯視圖；
圖5為該發明2D/3D圖像顯示裝置的結構示意圖。
權利要求
1.一種液晶透鏡，其特徵在於，所述液晶透鏡包括：第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板布置成彼此面對且其間有間距；液晶層，設於所述第一基板和所述第二基板之間，包括具有雙折射率且各向異性的液晶分子；第一電極組，包括多個第一電極，設於所述第一基板的面向所述第二基板的表面上，沿第一方向延伸，且彼此間隔一定的距離；第二電極組，所述第二電極組設於所述第二基板的面向所述第一基板的表面上，包括多個第二電極和多個第三電極以及絕緣層，所述絕緣層位於所述第二電極和所述第三電極之間；其中，所述第二電極和所述第三電極沿不同於所述第一方向的第二方向延伸，且所述多個第二電極之間間隔一定的距離，所述多個第三電極之間間隔一定的距離。
2.根據權利要求1所述的液晶透鏡，其特徵在於，每一所述第三電極在所述第一方向上對應多個第二電極。
3.根據權利要求2所述的液晶透鏡，其特徵在於，所述第二電極組在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第二電極、所述絕緣層和所述第三電極。
4.根據權利要求2所述的液晶透鏡，其特徵在於，所述第二電極組在所述第二基板的面向所述第一基板的表面上指向所述第一基板的方向依次包括所述第三電極、所述絕緣層和所述第二電極。
5.根據權利要求1至4任一項所述的液晶透鏡，其特徵在於，所述第一電極、所述第二電極以及所述第三電極中至少一個為條形帶狀、或者至少一個為弧形條狀、或者至少一個為鋸齒形條狀。
6.根據權利要求1或2所述的液晶透鏡，其特徵在於，所述多個第二電極分為M組，每一組包括N個第二電極，每一組對應形成一個透鏡單元，所述每一組內的每一個第二電極分別連線不同的驅動電壓源，且所述驅動電壓源為N個，依序標記為1、2、…N，所述M組中的每一組內的N個第二電極沿所述第一方向依次標記1、2、…N，將各組內標記相同的第二電極連線至相同標記的所述驅動電壓源，其中M和N為自然數，M大於等於1，N大於等於2。
7.根據權利要求6所述的液晶透鏡，其特徵在於，所述第三電極的數量與所述透鏡單元的數量相等。
8.根據權利要求1或2所述的液晶透鏡，其特徵在於，所述第一方向與所述第二方向相互垂直。
9.根據權利要求1或2所述的液晶透鏡，其特徵在於，所述第一電極與所述第二電極之間存在夾角α，且滿足0°＜α≤90°。
10.一種2D/3D圖像顯示裝置，其特徵在於，所述2D/3D圖像顯示裝置包括顯示面板和如權利要求1至9中任一項所述的液晶透鏡，所述2D/3D圖像顯示裝置在同一螢幕上同時顯示2D圖像信息和3D圖像信息。
實施方式
圖1為《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》液晶透鏡的切面實施例示意圖。圖1中為方便表示，僅畫出該剖面圖的局部，如圖1所示，該發明液晶透鏡包括：第一基板101、多個第一電極102、第一配向層103、液晶層104、第二基板109、多個第二電極106、第二配向層105、絕緣層107、第三電極108；其中，第一基板101和第二基板109布置成彼此面對且其間有間距；液晶層104，設於第一基板101和第二基板109之間，包括具有雙折射率且各向異性的液晶分子；包括多個第一電極102的第一電極組，設於第一基板101的面向第二基板109的表面上，沿第一方向延伸，且彼此間隔一定的距離。
包括多個第二電極106和多個第三電極108以及絕緣層107的第二電極組，設於第二基板109的面向第一基板101的表面上，絕緣層107位於第二電極106和第三電極108之間。其中，第二電極106和第三電極108沿不同於第一方向的第二方向延伸，且多個第二電極106之間間隔一定的距離，多個第三電極108之間間隔一定的距離。每一個第三電極在第一方向上對應多個第二電極。較佳地，每一個第三電極在第一方向上對應奇數個第二電極。
在一個較佳實施例中，第二電極組在第二基板109的面向第一基板101的表面上指向第一基板101的方向依次包括第二電極106、絕緣層107和第三電極108。在另一個較佳實施例中，第二電極組在第二基板109的面向第一基板101的表面上指向第一基板101的方向依次包括第三電極108、絕緣層107和第二電極106。
第一電極102、第二電極106以及第三電極108中至少一個為條形帶狀、或弧形條狀、或鋸齒形條狀。多個第二電極106可以分為M組，每一組對應一個透鏡單元且包括N個第二電極106，每一組內的每一個第二電極106分別連線不同的驅動電壓源，且驅動電壓源為N個，沿一個方向依序標記為1、2、…N。M組中的每一組內的N個第二電極106沿第一方向依次標記1、2、…N，將各組內標記相同的第二電極106連線至相同標記的驅動電壓源，其中M和N為自然數，M大於等於1，N大於等於2。具體地說，第一組的第一個電極A1、第二組的第一電極B1…第M組的第一電極M1連線至第一驅動電壓源；而第一組的第二個電極A2、第二組的第二電極B2…第M組的第二電極M2連線至與上述第一驅動電壓源相鄰的第二驅動電壓源；…第一組的第N個電極AN、第二組的第N電極BN…第M組的第N電極MN連線至第N驅動電壓源。
第三電極108的數量與透鏡單元的數量相等。第一方向與第二方向相互垂直，所以第一電極102垂直於所述第二電極106。第一電極102與第二電極106之間存在夾角α，且滿足0°＜α≤90°。這樣可消除了摩爾紋和彩色條紋。第一電極、第二電極以及位於第一電極和第二電極之間的液晶層104。具體實施時，在第一電極和第二電極的四周邊緣，採用封框膠等將液晶層104封閉在第一電極和第二電極之間。此外，該發明液晶透鏡還包括：設定於第一配向層103和第二配向層105之間的襯墊料（圖1中未示出），用於確保第一電極，第二電極間距為預定間距。
圖2a為該發明具有條形帶狀電極的液晶透鏡第一實施例的側視示意圖；圖2b為該發明具有條形帶狀電極的液晶透鏡第二實施例的側視示意圖；二者不同的是，圖2b中第二電極106和第三電極108的相對位置與圖2a中的位置進行了互換。
圖3為該發明條形帶狀電極形成局部透鏡的驅動實施例的俯視圖，如圖3所示，為了簡化驅動電路，該實施例中採用三層電極驅動方式，避免了動態掃描驅動，而直接採用靜態驅動方式即可實現局部透鏡效果。如圖3所示，第一電極102與第二電極106垂直交疊，用aij表示第i行第j列處對應的單元，圖3所示的該發明液晶透鏡實施例的工作原理詳細描述如下：
當aij的上下電極沒有外加電壓時，在第一配向層103和第二配向層105的作用下，aij內的液晶分子平行於基板平面排列，入射光的偏振方向平行於基板的摩擦方向，該束偏振光經aij單元後其偏振方向全部平行於液晶分子長軸，即遇到的折射率為液晶的非尋常光折射率ne，光線經過aij單元液晶層沒有產生光程差，與穿過一平板玻璃的效果是一樣的，沒有透鏡效果形成；
當向第i行電極、第j列電極在同一時刻分別添加電壓Ui、Uj，且Ui和Uj之差大於液晶層104的飽和電壓時，aij內的液晶分子在電壓的作用下垂直於基板排列，入射光的偏振方向平行於基板的摩擦方向，該束偏振光經aij單元後其偏振方向全部平行於液晶分子短軸，即遇到的折射率為液晶的尋常光折射率no，光線經過aij單元液晶層沒有產生光程差，與穿過一平板玻璃的效果是一樣的，同樣沒有透鏡效果形成；
當向第i行電極、第j列電極在同一時刻分別施加電壓Ui、Uj，且Ui和Uj之差在液晶層104的閾值電壓與飽和電壓之間時，aij內的液晶分子在電場力作用下，分子的長軸會與基板法線方向成一銳角β，入射光的偏振方向平行於基板的摩擦方向，該束偏振光經aij單元後其偏振方向與液晶分子長軸成一銳角β，即遇到的折射率為液晶的ne和no之間的某個值，光線經過aij單元液晶層同樣沒有產生光程差，與穿過平板玻璃的效果是一樣的，沒有形成透鏡效果。
以n個第二電極106為一組，這裡n≥2，n個第二電極106的寬度可視為一條柱狀透鏡的節距。通過向一個透鏡節距內的n個電極施加關於中心成“u”形或“n”形分布的梯度電壓，使同一個節距內的液晶分子偏轉不同的角度，光線經過此層時會產生光程差，形成液晶透鏡的效果。
舉例來講，假設圖3中第二電極106以5條為一組（一組對應一個透鏡單元），即第二電極b1至b5形成一組，b6至b10形成另一組，將每個透鏡組的相對應的第一條電極至第五條電極分別連線至同一驅動電壓源，即b1(即第一組的第一電極)和b6（第二組的第一電極）連線至第一驅動電壓源，b2（即第一組的第二電極）和b7（第二組的第二電極）連線至第二驅動電壓源，b3（即第一組的第三電極）和b8（即第二組的第三電極）連線至第三驅動電壓源，b4（即第一組的第四電極）和b9（即第二組的第四電極）連線至第四驅動電壓源，b5（即第一組的第五電極）和b10（第二組的第五電極）連線至第五驅動電壓源，依此類推，分別施加電壓為U1，U2，U3，U4，U5，在第一電極102（也可稱為公共電極）施加電壓為零，這些電壓值滿足如下關係：︱U1︱＞︱U2︱＞︱U3︱≥0V，︱U5︱＞︱U4︱＞︱U3︱≥0V，可見，各電壓值的絕對值呈“U”型分布，在這樣的電壓關係下，每個透鏡單元組下的液晶分子在關於中間電極近似對稱的梯度電場力的驅動下形成透鏡效果。第二電極106全部加上上述電壓後，則整個顯示區形成液晶透鏡。
該發明液晶透鏡中驅動電路的設計與2013年9月之前的技術是完全不同的，在已有技術中，每個電極需要獨立晶片單獨控制，而該發明的液晶透鏡減少驅動晶片的數量，降低驅動複雜度，減少了成本。此外，對於該發明液晶透鏡的第三電極108，在圖3中，為了方便表示，僅以10條第三電極c1至c10為例，並不作為數量上的限定。
圖3中的10條第三電極108與圖3中9條第一電極102即a1至a9，將該液晶透鏡劃分為9×10個單元，將這9×10個單元看成一個9×10的二維矩陣，該二維矩陣的行代表第一電極102，該二維矩陣的列代表第三電極108。假設，在第一電極a3至a7和第三電極c3至c7上施加電壓均為零，兩電極交叉區即圖3中A區所示的上下電極間的電壓差為原來在b5至b14上所施加電壓的絕對值，未改變第二電極106與第一電極102之間的差值，此時，A區內的液晶分子保持在梯度電場力下的狀態，形成透鏡效果；同時，在其他第一電極102如a1，a2，a8，a9施加電壓為V1，在第三電極108如c1，c2，c8至c10施加電壓為V3，使得除A區以外的第一電極102和第三電極108之間的電壓差值分別為︱V1︱，︱V3︱，及︱V1-V3︱，選擇合適V1和V2，使得這三種電壓差的值均能抵消掉第二電極106產生的梯度電場形成非透鏡效果，其中以︱V1︱，︱V3︱，︱V1-V3︱中的最小值大於液晶的飽和電壓為最佳。
通過上述該發明的電極驅動方式則實現了光經過該發明液晶透鏡時，同時產生透鏡折射效果與未折射效果即平行出射效果。對於垂直設定的條帶狀第二電極106會與提供圖像顯示螢幕的周期結構產生摩爾紋和彩色條紋，以及條帶狀電極之間會產生亮線的問題，該發明的優選實施例中，如圖4所示，圖4所示為該發明弧形帶狀電極實施例的俯視圖，將第二電極106設定成傾斜放置，其與水平方向的夾角α可設定為大於0度小於等於90度，以消除摩爾紋和彩色條紋；
進一步地，將第一電極102和第三電極108設定成弧形電極，以消除電極間的亮線，也能有效消除摩爾紋，提高顯示質量。進一步地，第一電極102和第三電極108的形狀還可以是鋸齒形條狀。其驅動方式與圖3所示實施例一致，這裡不再贅述。
該發明實施例還提供一種採用該發明液晶透鏡的2D/3D圖像顯示裝置，圖5為該發明2D/3D圖像顯示裝置的結構示意圖，如圖5所示，沿光傳播方向，該發明2D/3D圖像顯示裝置至少包括：提供圖像的顯示面板501，以及該發明液晶透鏡502。其中，顯示面板501發出的光要求為線偏振光。該發明還提供一種2D/3D圖像顯示裝置，既實現了2D和3D圖像的同時顯示，而且保證了顯示時無摩爾紋和彩色條紋，顯著提升了顯示質量。
榮譽表彰
2020年11月，《液晶透鏡及2D/3D圖像顯示裝置》獲得第六屆廣東專利獎金獎。
