CN103278993B - 液晶透镜及其驱动方法、立体显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了液晶透镜及其驱动方法、立体显示装置。该液晶透镜包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，在每个液晶透镜单元中，除了第一、二基板，第一、二电极，介电材料，第一、二配向膜，液晶材料之外还包括设置在第二电极上而位于第二电极与第二配向膜之间的介电层、设置在介电层上而位于介电层与第二配向膜之间的第三电极。第三电极包括对称设置在介电层的相对两侧边上、且平行于多个第一条形电极的两个第二条形电极。本发明的优点在于：可以明显的降低串扰，起到改善立体显示品质的作用，大大提高了观察立体显示的舒适度。本发明还公开了该液晶透镜在进行3D显示时的驱动方法以及具有该液晶透镜的立体显示装置。

Description

液晶透镜及其驱动方法、立体显示装置

技术领域

本发明涉及立体显示技术，尤其涉及一种能减小串扰的液晶透镜、该液晶透镜进行3D显示时的驱动方法、以及具有该液晶透镜的立体显示装置。

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，其为一种常见的液晶透镜1000’的结构示意图，它含有多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元具有相同的结构，图1中只画出了两个液晶透镜单元L1’、L2’，两个液晶透镜单元L1’、L2’结构相同。具体的讲，液晶透镜1000’包含第一基板1001’与第二基板1002’，第一基板1001’与第二基板1002’正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板1001’上设置有第一电极1003’，第一电极1003’一般为透明导电材料如ITO或者IZO等，在第二基板1002’上设置有第二电极1007’，第二电极1007’也为透明导电材料如ITO或者IZO。在每一个液晶透镜单元之内，如液晶透镜单元L1’的第一电极1003’包含以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极S11, S12, S13, …, S18, S19；再如液晶透镜单元L2’的第一电极1003’包含以一定间隔分开并平行设置的多个条形电极S19, S22, S23, …, S28,S29。

以液晶透镜单元L1’为例展开说明，条形电极的数量一般为奇数(以下以九电极为例进行说明)，多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L1’、L2’之间，共用同一个条形电极S19(S21)。除此之外，液晶透镜1000’还包括设置在第一电极1003’上的介电材料1004’，设置在第二电极1007’上的第二配向膜1008’以及设置在介电材料1004’上的第一配向膜1005’用于控制液晶分子的取向，液晶材料1006’被封装在第一基板1001’与第二基板1002’之间。虽然图1中未画出，但液晶透镜1000’还包括用于液晶材料1006’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，当液晶透镜1000’需要进行3D显示时，在第一电极1003’的各个条形电极如S11, S12, S13, …, S18, S19（以透镜单元L1’为例）等上施加对称的电压，第二电极1007’作为公用电极电压设置为零，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L1’的中心电极S15上施加的电压最小，而在液晶透镜单元L1’的边缘条形电极S11, S19上施加的电压最大，从液晶透镜单元L1’中心到液晶透镜单元L1’边缘各个条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。由于在液晶透镜单元L1’边缘施加的电压最大，边缘条形电极S11,S19位置的液晶分子基本上呈现垂直方向分布，而越靠近液晶透镜单元L1’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。在每一个液晶透镜单元内，由于电压对称分布，液晶材料1006’随着电场强度的变化呈现折射率的渐变，因而具有液晶透镜1000’的整个液晶透镜阵列具备较好的光学成像特性。

如前所述，在每个液晶透镜单元如液晶透镜单元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，可以得到每个液晶透镜单元内光程差分布。为减小液晶透镜1000’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，需要液晶透镜1000’与抛物型透镜光程差分布相吻合。

如图3所示模拟了两个液晶透镜单元L1’、L2’经过电压优化后的光程差分布，图4比较了优化后的液晶透镜单元L1’、L2’光程差分布与抛物型透镜光程差分布的差异。从图4可以看出，尽管液晶透镜单元L1’、L2’经过电压优化后光程差分布曲线在液晶透镜1000’中心基本与理想抛物线接近，但在两个液晶透镜单元L1’、L2’交界处，液晶透镜1000’光程差分布仍然明显偏离理想抛物线，从而造成使用液晶透镜1000’的立体显示装置产生较大串扰，降低了立体显示效果和观察舒适度。

发明内容

针对前面提到的在两个液晶透镜单元交界处由于液晶透镜单元光程差分布明显偏离理想抛物线从而造成立体显示装置产生串扰的问题，本发明提出了减小相应串扰的液晶透镜结构，通过适当的电压设置后，与一般结果液晶透镜相比，可以将液晶透镜立体显示装置的串扰降到更低程度，提高立体显示品质。

本发明是这样实现的，一种液晶透镜，其包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：第一基板；第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个第一条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个第一条形电极；介电材料，其设置在该第一基板上且覆盖该多个第一条形电极，并填充于该多个第一条形电极之间；第一配向膜，其设置在该介电材料上；第二基板，其与该第一基板正对设置；第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；第二配向膜，其设置在该第二电极上；液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其中，每个液晶透镜单元还包括：介电层，其设置在该第二电极上而位于该第二电极与该第二配向膜之间；第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第二配向膜之间，该第三电极包括对称设置在该介电层的相对两侧边上的两个第二条形电极，该两个第二条线电极平行于该多个第一条形电极。

作为上述方案的进一步改进，第二条形电极的宽度与第一条形电极的宽度相同。

作为上述方案的进一步改进，第二条形电极的数量为2n个以上，其中，n为大于1的正整数，多个第二条形电极对称设置在该介电层的相对两侧边上，并平行于该多个第一条形电极，第二条形电极的宽度小于第一条形电极的宽度。

作为上述方案的进一步改进，第二条形电极为透明导电材料制成。

优选地，第二条形电极为ITO或者IZO制成。

本发明还提供一种液晶透镜的驱动方法，该液晶透镜包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：第一基板；第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个第一条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个第一条形电极；介电材料，其设置在该第一基板上且覆盖该多个第一条形电极，并填充于该多个第一条形电极之间；第一配向膜，其设置在该介电材料上；第二基板，其与该第一基板正对设置；第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；第二配向膜，其设置在该第二电极上；液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其中，每个液晶透镜单元还包括：介电层，其设置在该第二电极上而位于该第二电极与该第二配向膜之间；第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第二配向膜之间，该第三电极包括对称设置在该介电层的相对两侧边上的两个第二条形电极，该两个第二条线电极平行于该多个第一条形电极；第二条形电极的宽度与第一条形电极的宽度相同；

在每个液晶透镜单元中：各个第一条形电极上施加对称的驱动电压：在居于液晶透镜单元中心处的第一条形电极上施加的电压最小，而在居于液晶透镜单元两边缘上的两个第一条形电极上施加的电压均最大，从液晶透镜单元中心处到液晶透镜单元两边缘的各个第一条形电极上的电压以一定的梯度进行分布；第二电极作为公用电极，电压为0V；在两个第二条形电极上均施加相同的负电压。

本发明还提供另一种液晶透镜的驱动方法，该液晶透镜包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：第一基板；第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个第一条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个第一条形电极；介电材料，其设置在该第一基板上且覆盖该多个第一条形电极，并填充于该多个第一条形电极之间；第一配向膜，其设置在该介电材料上；第二基板，其与该第一基板正对设置；第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；第二配向膜，其设置在该第二电极上；液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其中，每个液晶透镜单元还包括：介电层，其设置在该第二电极上而位于该第二电极与该第二配向膜之间；第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第二配向膜之间，该第三电极包括对称设置在该介电层的相对两侧边上的两个第二条形电极，该两个第二条线电极平行于该多个第一条形电极。第二条形电极的数量为2n个以上，其中，n为大于1的正整数，多个第二条形电极对称设置在该介电层的相对两侧边上，并平行于该多个第一条形电极，第二条形电极的宽度小于第一条形电极的宽度；

在每个液晶透镜单元中：在液晶透镜单元的各个第二条形电极上均施加负电压，且居于液晶透镜单元两边缘的两个第二条形电极的负电压相同，液晶透镜单元的其余第二条形电极的负电压也相同，并居于液晶透镜单元两边缘的两个第二条形电极的负电压小于液晶透镜单元的其余第二条形电极的负电压；第二电极作为公用电极，电压为0V；在液晶透镜单元内的各个第一条形电极上施加对称的电压：在居于液晶透镜单元中心处的第一条形电极上施加的电压最小，而在居于液晶透镜单元两边缘上的两个第一条形电极上施加的电压均最大，从液晶透镜单元中心处到液晶透镜单元两边缘的各个第一条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。

在上述两种液晶透镜的驱动方法中，第二条形电极为透明导电材料制成。

本发明还提供一种立体显示装置，其包括液晶透镜，该液晶透镜包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：第一基板；第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个第一条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个第一条形电极；介电材料，其设置在该第一基板上且覆盖该多个第一条形电极，并填充于该多个第一条形电极之间；第一配向膜，其设置在该介电材料上；第二基板，其与该第一基板正对设置；第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；第二配向膜，其设置在该第二电极上；液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其中，每个液晶透镜单元还包括：介电层，其设置在该第二电极上而位于该第二电极与该第二配向膜之间；第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第二配向膜之间，该第三电极包括对称设置在该介电层的相对两侧边上的两个第二条形电极，该两个第二条线电极平行于该多个第一条形电极。

作为上述方案的进一步改进，第二条形电极的宽度与第一条形电极的宽度相同。

作为上述方案的进一步改进，第二条形电极的数量为2n个以上，其中，n为大于1的正整数，多个第二条形电极对称设置在该介电层的相对两侧边上，并平行于该多个第一条形电极，第二条形电极的宽度小于第一条形电极的宽度。

优选地，第二条形电极的最小宽度依据制程能力决定。

作为上述方案的进一步改进，第二条形电极为透明导电材料制成。

优选地，第二条形电极为ITO或者IZO制成。

作为上述方案的进一步改进，该立体显示装置还包括与该液晶透镜配合使用的显示面板，该显示面板用于显示具有视差的左眼图像和右眼图像，该液晶透镜用于将左眼图像和右眼图像投射到预定的视场空间。

常见液晶透镜立体显示装置常常因为各个液晶透镜单元之间的交界处光程差的分布与抛物型透镜光程差分布存在较大的差异，导致立体显示装置串扰较大，影响立体显示的画面品质，而本发明的液晶透镜，通过电压和电极的优化设置，与常见液晶透镜相比，可以明显的降低串扰，起到改善立体显示品质的作用，大大提高了观察立体显示的舒适度。

附图说明

图1为一种常见的液晶透镜的结构示意图。

图2为图1中的液晶透镜在3D显示状况下的液晶分子排布示意图。

图3为图1中的液晶透镜的光程差分布示意图。

图4为图1中的液晶透镜与抛物型透镜光程差分布差异示意图。

图5为本发明第一实施方式提供的能减小串扰的液晶透镜的结构示意图。

图6为图5中液晶透镜与抛物型透镜光程差分布差异示意图。

图7为本发明第二实施方式提供的能减小串扰的液晶透镜的结构示意图。

图8为图7中液晶透镜与抛物型透镜光程差分布差异示意图。

图9为应用图5中液晶透镜的立体显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图5所示，其为本发明第一实施方式提出的一种液晶透镜2000的结构示意图。液晶透镜2000含有多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元具有相同的结构，图5中只画出了两个液晶透镜单元L1、L2，两个液晶透镜单元L1、L2结构相同。

具体的讲，液晶透镜2000包含第一基板2001与第二基板2002，第一基板2001与第二基板2002正对设置，一般为玻璃等透明材料。在第一基板2001上设置有第一电极2003，第一电极2003一般为透明导电材料如ITO或者IZO等，在第二基板2002上设置有第二电极2007，第二电极2007也为透明导电材料如ITO或者IZO。在每一个液晶透镜单元之内，如液晶透镜单元L1的第一电极2003包含以一定间隔分开并平行设置的九个第一条形电极S11, S12, S13, …, S18, S19（第一条形电极的数量一般为奇数，在本实施方式中，液晶透镜单元以九个第一条形电极为例进行说明）；再如液晶透镜单元L2的第一电极2003包含以一定间隔分开并平行设置的九个第一条形电极S19, S22, S23, …, S28, S29。

接下去以液晶透镜单元L1为例展开说明，九个第一条形电极的宽度分别为W(S11), W(S12), W(S13), ..., W(S18) ,W(S19)，在本实施方式中，第一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L1、L2之间，共用了第一条形电极S19(S21)，介电材料2004设置在第一电极2003之上。

与一般液晶透镜结构不同的是，在第二电极2007之上设置了介电层2008，并在介电层2008之上设置了第三电极，该第三电极包括对称设置在该介电层2008的相对两侧边上的两个第二条形电极U11、U12（在液晶透镜单元L2为U21、U22），该两个第二条线电极U11、U12平行于九个第一条形电极S11, S12, S13, …, S18, S19。第二条形电极U11、U12可为透明导电材料如ITO或者IZO。也就是说，在液晶透镜单元L1内，对称设置了两个第二条形电极U11和U12；在液晶透镜单元L2内，对称设置了两个第二条形电极U21和U22，第二条形电极的宽度与第一条形电极的宽度相同；除此之外，液晶透镜2000还包括设置在第三电极上的第二配向膜2010以及设置在介电材料2004上的第一配向膜2005用于控制液晶分子的取向，液晶材料2006被封装在第一基板2001与第二基板2002之间。虽然图5中未画出，但液晶透镜2000还包括用于液晶材料2006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。

在图5所示的液晶透镜2000的第一电极2003的各个第一条形电极如S11, S12, S13, …, S18, S19等之上施加对称的驱动电压，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，而在液晶透镜单元的边缘电极S11, S19上施加的电压最大，从液晶透镜单元中心到液晶透镜单元边缘各个第一条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。第二电极2007作为公用电极，电压为0V。在第二条形电极上施加负压，使得V(U11) = V(U12) =… = V(U21) = V(U22) < 0。

如图6所示比较了常见液晶透镜与液晶透镜2000结构光程差分布的差异，可以看出，采用本实施方式结构的液晶透镜2000在各个液晶透镜单元交界处的光程差分布明显改善，优化后可以更好的与理想抛物线吻合，从而改善采用液晶透镜2000的立体显示装置引起的串扰。

图7所示是本发明第二实施方式提出的液晶透镜3000的结构。与图5不同的是，由于第三电极的第二条形电极C01、U11、U12、C12、U21、U22、C23宽度小于第一条形电极的宽度，因此在两个液晶透镜单元L1、L2之间设置了多个第二条形电极U12, C12, U21。第二条形电极的最小宽度依据制程能力决定，制程能力是指条形电极在形成工艺中能够实现的最低宽度要求，如果现有条形电极的形成工艺只能实现最低宽度a，那么第二条形电极的最小宽度就是最低宽度a。在两个液晶透镜单元L1、L2之间设置了多个第二条形电极U12、C12、U21之后，在各个第三条形电极上均施加负电压，使得0 > V(U11) = V(U12) =V(U21) = V(U22) > U(C01) = U(C12) = U(C23)，第二电极3007作为公用电极电压为0V，第一条形电极在每个液晶透镜单元内仍施加对称的电压。图8是基于液晶透镜3000结构作出的光程差分布与常见液晶透镜结构光程差分布的比较。由此可见，与常见液晶透镜相比，该结构可以起到降低串扰的目的，改善立体显示装置的立体显示品质。

图9为应用第一实施方式的液晶透镜2000构成阵列的立体显示装置示意图。其中液晶透镜2000也可以替换为第二实施方式的液晶透镜3000，显示面板4000为2D显示面板，可以为LCD，PDP，OLED等提供左右眼影像L和R。背光源5000为对于自发光装置可以省去。在3D显示模式下，在每个液晶透镜单元的各个第一条形电极上施加相应的电压，2D显示面板的左右眼影像通过液晶透镜阵列后，可以将左、右眼影像分开并分别传送至左、右眼，从而观察到3D效果。当液晶透镜单元各个第一条形电极上施加的电压去除后，液晶透镜阵列不再对左右眼影像进行分光，从而显示基本不损失亮度及分辨率2D画面，实现了2D与3D的自由切换。

常见液晶透镜立体显示装置常常因为各个液晶透镜单元之间的交界处光程差的分布与抛物型透镜光程差分布存在较大的差异，导致立体显示装置串扰较大，影响立体显示的画面品质。针对如何减小串扰的问题，本发明设计出两种新颖的液晶透镜，通过电压和电极的优化设置，与常见液晶透镜相比，可以明显的降低串扰，起到改善立体显示品质的作用，大大提高了观察立体显示的舒适度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种液晶透镜，其包括具有相同结构的多个液晶透镜单元，每个液晶透镜单元包括：

第一基板；

第一电极，其设置在该第一基板上，该第一电极包括以一定间隔分开并平行设置的多个第一条形电极，且相邻两个液晶透镜单元之间共用同一个第一条形电极；

介电材料，其设置在该第一基板上且覆盖该多个第一条形电极，并填充于该多个第一条形电极之间；

第一配向膜，其设置在该介电材料上；

第二基板，其与该第一基板正对设置；

第二电极，其设置在该第二基板面向该第一基板的一侧上；

第二配向膜，其设置在该第二电极上；

液晶材料，其封装于该第一配向膜与该第二配向膜之间；

其特征在于，每个液晶透镜单元还包括：

介电层，其设置在该第二电极上而位于该第二电极与该第二配向膜之间；

第三电极，其设置在该介电层上而位于该介电层与该第二配向膜之间，该第三电极包括对称设置在该介电层的相对两侧边上的两个第二条形电极，该两个第二条线电极平行于该多个第一条形电极；

第二条形电极为透明导电材料制成。

2.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，第二条形电极的宽度与第一条形电极的宽度相同。

3.如权利要求1所述的液晶透镜，其特征在于，第二条形电极的数量为2n个以上，其中，n为大于1的正整数，多个第二条形电极对称设置在该介电层的相对两侧边上，并平行于该多个第一条形电极，第二条形电极的宽度小于第一条形电极的宽度。

4.如权利要求1或2或3所述的液晶透镜，其特征在于，第二条形电极为ITO或者IZO制成。

5.一种液晶透镜的驱动方法，其应用于如权利要求1或2所述的液晶透镜中，其特征在于，在每个液晶透镜单元中：

各个第一条形电极上施加对称的驱动电压：在居于液晶透镜单元中心处的第一条形电极上施加的电压最小，而在居于液晶透镜单元两边缘上的两个第一条形电极上施加的电压均最大，从液晶透镜单元中心处到液晶透镜单元两边缘的各个第一条形电极上的电压以一定的梯度进行分布；

第二电极作为公用电极，电压为0V；

在两个第二条形电极上均施加相同的负电压。

6.一种液晶透镜的驱动方法，其应用于如权利要求3所述的液晶透镜中，其特征在于，在每个液晶透镜单元中：

在液晶透镜单元的各个第二条形电极上均施加负电压，且居于液晶透镜单元两边缘的两个第二条形电极的负电压相同，液晶透镜单元的其余第二条形电极的负电压也相同，并居于液晶透镜单元两边缘的两个第二条形电极的负电压小于液晶透镜单元的其余第二条形电极的负电压；

第二电极作为公用电极，电压为0V；

在液晶透镜单元内的各个第一条形电极上施加对称的电压：在居于液晶透镜单元中心处的第一条形电极上施加的电压最小，而在居于液晶透镜单元两边缘上的两个第一条形电极上施加的电压均最大，从液晶透镜单元中心处到液晶透镜单元两边缘的各个第一条形电极上的电压以一定的梯度进行分布。

7.如权利要求5或6所述的液晶透镜的驱动方法，其特征在于，第二条形电极为透明导电材料制成。

8.一种立体显示装置，其特征在于，其包括如权利要求4所述的液晶透镜。

9.如权利要求8所述的立体显示装置，其特征在于，该立体显示装置还包括与该液晶透镜配合使用的显示面板，该显示面板用于显示具有视差的左眼图像和右眼图像，该液晶透镜用于将左眼图像和右眼图像投射到预定的视场空间。