TWI417574B - 變焦透鏡陣列與可切換式平面立體顯示器 - Google Patents

Description

變焦透鏡陣列與可切換式平面立體顯示器

本發明是有關於一種透鏡陣列與顯示器，且特別是有關於一種變焦透鏡陣列(Zoom lens array)與可切換式平面立體顯示器(Switchable two and three dimensional display)。

隨著顯示技術的發展，顯示器已經從顯示平面影像(Two dimensional image)進步到顯示立體影像(Three dimensional image)。圖1為習知的立體影像顯示器的圓柱透鏡陣列(Lenticular lens array)的示意圖。請參照圖1，此圓柱透鏡陣列100是由多個圓柱透鏡100A所組成。入射到每一個圓柱透鏡100A的入射光L1會被圓柱透鏡100A所聚焦，並繼續出射到圓柱透鏡100A之外而成為往左右兩側行進的出射光L2。也就是說，圓柱透鏡陣列100可將影像光線分別投向左右眼，以達到立體顯示效果。

然而，上述圓柱透鏡100A的製作加工相當不易，要達到預定的光學精密度需花費相當高的成本。再者，圓柱透鏡100A的焦距在製作完成後即固定，無法再變更。使用者僅能在一定的距離範圍內，才能觀察到立體影像，這造成立體影像顯示器的限制。

圖2為習知的液晶變焦透鏡的示意圖。請參照圖2，此液晶變焦透鏡200包括：下玻璃基板210、下電極220、間隙物230、液晶層240、上玻璃基板250與上電極260。

請繼續參照圖2，各個元件的位置關係為，下電極220設置在下玻璃基板上210。間隙物230設置於下電極220上。上玻璃基板250設置於間隙物230上。液晶層240位於下電極220與上玻璃基板250之間。上電極260設置於上玻璃基板250上、且位於左右兩端。

值得注意的是，上電極260為條狀電極，下電極220為平面電極。藉由這樣的電極設置方式，可在液晶層240中產生不均勻電場分布E。此不均勻電場分布E使得液晶層240中不同位置的液晶分子(未繪示)的偏轉程度(即相位延遲程度)不相同。因此，光線(未繪示)通過液晶變焦透鏡200的中間部分的速度慢、且通過周圍部分的速度快，進而使液晶變焦透鏡200達到聚焦的效果。

為了使液晶變焦透鏡200產生良好的聚焦效果，必須在上電極260與液晶層240之間設置一定厚度的上玻璃基板250。更詳細而言，因為設置有一定厚度的上玻璃基板250，兩側的上電極260與下電極220之間才有足夠的距離令電場漸變，而產生如圖2中所示的不均勻電場分布E。若是沒有設置上玻璃基板250，則下電極220與兩側的上電極260之間的距離會太接近，此時，電場會集中於液晶變焦透鏡200的兩側，無法形成不均勻電場分布E。但是，也就是因為必須設置上玻璃基板250，反而使得液晶變焦透鏡200的厚度增加、結構複雜、製程繁瑣且成本較高。

有鑑於此，本發明提供一種變焦透鏡陣列，具有特殊的電極設置方式、較薄的整體厚度與簡單的結構。

本發明還提供一種可切換式平面立體顯示器，具有上述的變焦透鏡陣列，能良好地顯示平面影像或立體影像。

基於上述，本發明提出一種變焦透鏡陣列，包括：液晶層、第一條狀電極與第二條狀電極。液晶層具有多個變焦區。第一條狀電極設置於液晶層的上方側，且位於多個變焦區的交界處。第二條狀電極設置於液晶層的下方側，且位於多個變焦區的交界處，其中，第一條狀電極與第二條狀電極為彼此上下交錯設置。

在本發明的一實施例中，上述當未施加電壓到第一條狀電極與第二條狀電極時，每一變焦區中的液晶層使一平行光線通過。

在本發明的一實施例中，上述當施加電壓到第一條狀電極與第二條狀電極時，於每一變焦區中的液晶層內形成電場分布，以使每一變焦區中的液晶層形成為一變焦透鏡。

在本發明的一實施例中，上述變焦透鏡具有一電壓可調控焦距，且此電壓可調控焦距是由電壓的大小來控制。

在本發明的一實施例中，上述液晶層為正型液晶層。

在本發明的一實施例中，上述液晶層的折射率大於等於2.2。

在本發明的一實施例中，上述第一條狀電極與第二條狀電極的材質包括銦錫氧化物。

在本發明的一實施例中，上述變焦透鏡陣列更包括：一透明殼體，包圍液晶層、第一條狀電極與第二條狀電極。

在本發明的一實施例中，上述第一條狀電極與第二條狀電極內埋於透明殼體中。

在本發明的一實施例中，上述透明殼體的材料包括可撓曲透明材質。

在本發明的一實施例中，上述變焦透鏡陣列更包括：一第一基板、一第二基板與一間隙物；其中，第一基板與第二基板夾持液晶層、第一條狀電極與第二條狀電極；且間隙物位於第一基板與第二基板之間、並對應第一條狀電極與第二條狀電極而設置。

基於上述，本發明又提出一種可切換式平面立體顯示器，包括：上述的變焦透鏡陣列與顯示面板。顯示面板設置在變焦透鏡陣列的一側。

在本發明的一實施例中，上述當未施加電壓到第一條狀電極與第二條狀電極時，每一變焦區中的液晶層使來自顯示面板的一平行光線通過，而顯示一平面影像。

在本發明的一實施例中，上述當施加電壓到第一條狀電極與第二條狀電極時，於每一變焦區中的液晶層內形成電場分布，以使每一變焦區中的液晶層形成為一變焦透鏡，此變焦透鏡使來自顯示面板的一平行光線進行聚焦，而顯示一立體影像。

在本發明的一實施例中，上述變焦透鏡具有一電壓可調控焦距，且電壓可調控焦距是由電壓的大小來控制。

在本發明的一實施例中，上述液晶層為正型液晶層。

在本發明的一實施例中，上述液晶層的折射率大於等於2.2。

在本發明的一實施例中，上述第一條狀電極與第二條狀電極的材質包括銦錫氧化物。

在本發明的一實施例中，上述可切換式平面立體顯示器更包括：一透明殼體，包圍液晶層、第一條狀電極與第二條狀電極。

在本發明的一實施例中，上述第一條狀電極與第二條狀電極內埋於該透明殼體中。

在本發明的一實施例中，上述透明殼體的材料包括可撓曲透明材質。

在本發明的一實施例中，上述可切換式平面立體顯示器更包括：一第一基板、一第二基板與一間隙物；其中，第一基板與第二基板夾持液晶層、第一條狀電極與第二條狀電極；且間隙物位於第一基板與第二基板之間、並對應第一條狀電極與第二條狀電極而設置。

在本發明的一實施例中，上述顯示面板包括：液晶顯示面板、電漿顯示面板或有機發光二極體顯示面板。

本發明的變焦透鏡陣列具有特殊的電極設置方式，亦即，在液晶層的相對兩側以上下交錯的方式設置第一條狀電極與第二條狀電極。因此，第一條狀電極與第二條狀電極之間可具有足夠距離，來於液晶層中形成不均勻電場分布。進而，可在液晶層中形成變焦透鏡以顯示立體影像。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

[變焦透鏡陣列]

圖3為本發明較佳實施例的一種變焦透鏡陣列的俯視圖。圖4為沿著圖3的A-A’線的剖面示意圖。請同時參照圖3與圖4，此變焦透鏡陣列300包括：液晶層310、第一條狀電極320與第二條狀電極330。液晶層310具有多個變焦區310a。第一條狀電極320設置於液晶層310的上方側，且位於多個變焦區310a的交界處S。第二條狀電極330設置於液晶層310的下方側，且位於多個變焦區310a的交界處S，其中，第一條狀電極320與第二條狀電極330為彼此上下交錯設置。

在一實施例中，第一條狀電極320與第二條狀電極330的材質可以是銦錫氧化物之類的透明導電材質。特別是，藉由第一條狀電極320與第二條狀電極330位在液晶層230的相對兩側、且彼此交錯設置的方式，使得第一條狀電極320與第二條狀電極330之間可具有足夠距離來形成不均勻電場分布。相較於習知圖2的液晶變焦透鏡200而言，上述的變焦透鏡陣列300不需額外設置玻璃基板，所以可有效減少變焦透鏡陣列300的厚度、重量與體積，以達到更輕更薄的需求。另外，第一條狀電極320與第二條狀電極330的寬度，可由變焦透鏡陣列300的折射率分布曲線來決定。

在一實施例中，當未施加電壓到第一條狀電極320與第二條狀電極330時，每一變焦區310a中的液晶層310使一平行光線L1通過(請參照後續圖9)。另外，如圖4所示(或參照後續圖10)，當施加電壓到第一條狀電極320與第二條狀電極330時，於每一變焦區310a中的液晶層310內形成電場分布，以使每一變焦區310a中的液晶層310形成為變焦透鏡300A。此變焦透鏡300A可產生聚焦入射光L1的效果，且使出射光L2往左右兩側行進。也就是說，變焦透鏡300A可將影像光線分別投向左右眼，以達到立體顯示效果。

圖5為液晶層中的液晶分子受到不均勻電場分布的影響，而產生的液晶分子排列情況示意圖。請參照圖5，在變焦透鏡300A中，由於是利用上下交錯設置的上電極320與下電極330，可有效地產生不均勻電場分布而使液晶層310中的液晶分子LC偏轉。

液晶層310採用的是正型液晶層。可注意到，在上電極320與下電極330位置處的液晶分子LC受到縱向電場影響，而成為站立狀；並且，中間位置處的液晶分子LC則受到橫向電場的影響，而成為平躺狀。藉由上述液晶分子LC的排列方式，使得變焦透鏡300A可產生類似於凸透鏡的光學聚焦效果。另外，液晶層310的折射率可大於等於2.2。當折射率越大，表示變焦透鏡300A的透鏡能力(Lens power)越好(亦即聚焦能力越好、焦距越短)。

圖6(a)與圖6(b)為不同電壓情形下，變焦透鏡具有不同電壓可調控焦距的示意圖。參照圖4可知，變焦透鏡300A具有電壓可調控焦距f，且此電壓可調控焦距f可由電壓的大小來控制。更詳細而言，如圖6(a)所示，當施加電壓為V1時，得到電壓可調控焦距f1。如圖6(b)所示，當施加電壓為V2時，得到電壓可調控焦距f2。因此，可任意調整變焦透鏡300A的焦距。如此，觀賞者可自由地調整觀賞距離，可提高立體顯示器的使用自由度。

另外，由於電壓V2大於電壓V1，所以電壓可調控焦距f2比電壓可調控焦距f1還短。更詳細而言，當施加的電壓V2較大時，如圖6(b)所示的變焦透鏡300A的透鏡能力較強(亦即聚焦能力越好、焦距越短)。換言之，利用圖6(b)的電壓條件，可將入射光L1進行更佳的聚焦，並使出射光L2往左右兩側的更大角度行進。如此，可滿足更大的可視範圍。再者，當透鏡能力越強時，在相同的焦點距離的前提下，液晶層310的間距(cell gap)可以越薄。

請繼續參照圖4，變焦透鏡陣列300可更包括透明殼體340。此透明殼體340包圍液晶層310、第一條狀電極320與第二條狀電極330。特別是，第一條狀電極320與第二條狀電極330可內埋於透明殼體340中。另外，透明殼體340的材料例如是可撓曲透明材質。

圖7為本發明較佳實施例另一種變焦透鏡陣列的示意圖。在圖7中，與上述圖4相同的構件標示以相同的標號，在此不予以重述。值得注意的是，變焦透鏡陣列302的封裝結構不同於變焦透鏡陣列300的封裝結構。請參照圖7，除了上述的液晶層310、第一條狀電極320與第二條狀電極330以外，此變焦透鏡陣列302更包括：第一基板350、第二基板360與間隙物370，其中，第一基板350與第二基板360夾持液晶層310、第一條狀電極320與第二條狀電極330；且間隙物370位於第一基板350與第二基板360之間，對應第一條狀電極320與第二條狀電極330而設置。

承上述，變焦透鏡陣列300、302採用特殊的電極設置方式，亦即，第一條狀電極320與第二條狀電極330在液晶層310的兩側為上下交錯設置，可有效地產生不均勻電場分布以使液晶層310的液晶分子LC偏轉。結果是，變焦透鏡300A可形成類似凸透鏡的聚焦效果。由於不需額外加入玻璃基板，所以可減少變焦透鏡陣列300的厚度。

[可切換式平面立體顯示器]

圖8為本發明較佳實施例的一種可切換式平面立體顯示器的示意圖。圖9為圖8的可切換式平面立體顯示器於顯示平面影像狀態的示意圖。圖10為圖8的可切換式平面立體顯示器於顯示立體影像狀態的示意圖。

請先參照圖8，此可切換式平面立體顯示器400包括變焦透鏡陣列410與顯示面板420。顯示面板420設置在變焦透鏡陣列410的一側。值得注意的是，此變焦透鏡陣列410可以是上述提及的變焦透鏡陣列300、302。而顯示面板420可以是液晶顯示面板、電漿顯示面板、有機發光二極體顯示面板、或任何適當的顯示面板。

請參照圖9，當未施加電壓到第一條狀電極320與第二條狀電極330時，每一變焦區310a中的液晶層310使來自顯示面板420的一平行光線(即入射光L1)通過，而顯示為一平面影像(即平行出射的出射光L2)。由圖9可清楚得知，由顯示面板420出射的入射光L1，在通過液晶層310時，入射光L1的行進路線並未改變，因此出射光L2也是平行光線。所以，顯示面板420呈現的平面影像，並不受到變焦透鏡陣列410的影響，而仍然顯示出平面影像。

請再參照圖10，當施加電壓到第一條狀電極320與第二條狀電極330時，於每一變焦區310a中的液晶層310內形成電場分布，以使每一變焦區310a中的液晶層310形成為一變焦透鏡300A。此變焦透鏡300A使來自顯示面板420的一平行光線(即入射光L1)進行聚焦，而顯示一立體影像(即往左右兩側行進的出射光L2)。由圖10可清楚得知，由顯示面板420出射的入射光L1，在通過液晶層310時，入射光L1的行進路線會被改變而聚焦，因此往左右行進的出射光L2可顯示出立體影像。

藉由不施加電壓或施加電壓，可對於平面影像與立體影像的顯示進行切換。至於變焦透鏡陣列400的詳細實施方式，已經於圖3～圖7中說明，在此即不予以重述。

綜上所述，本發明的變焦透鏡陣列與可切換式平面立體顯示器至少具有以下優點：在變焦透鏡陣列中，於液晶層的相對兩側以上下交錯的方式設置第一條狀電極與第二條狀電極，可不需額外設置玻璃基板，故能減少變焦透鏡陣列的厚度與重量。此變焦透鏡陣列具有電壓可調控焦距，觀賞者可自由地調整觀賞距離。並且，藉由不施加電壓或施加電壓，可對於平面影像與立體影像的顯示進行切換。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．圓柱透鏡陣列

100A．．．圓柱透鏡

200．．．液晶變焦透鏡

210．．．下玻璃基板

220．．．下電極

230．．．間隙物

240、310．．．液晶層

250．．．上玻璃基板

260．．．上電極

300、302、410．．．變焦透鏡陣列

300A．．．變焦透鏡

310a．．．變焦區

320．．．第一條狀電極

330．．．第二條狀電極

340．．．透明殼體

400．．．可切換平面立體顯示器

420．．．顯示面板

A-A’．．．剖面線

E．．．不均勻電場分布

L1．．．入射光

L2．．．出射光

LC．．．液晶分子

圖1為習知的立體影像顯示器的圓柱透鏡陣列的示意圖。

圖2為習知的液晶變焦透鏡的示意圖。

圖3為本發明較佳實施例的一種變焦透鏡陣列的俯視圖。

圖4為沿著圖3的A-A’線的剖面示意圖。

圖5為液晶層中的液晶分子受到不均勻電場分布的影響，而產生的液晶分子排列情況示意圖。

圖6(a)與圖6(b)為不同電壓情形下，變焦透鏡具有不同電壓可調控焦距的示意圖。

圖7為本發明較佳實施例另一種變焦透鏡陣列的示意圖。

圖8為本發明較佳實施例的一種可切換式平面立體顯示器的示意圖。

圖9為圖8的可切換式平面立體顯示器於顯示平面影像狀態的示意圖。

圖10為圖8的可切換式平面立體顯示器於顯示立體影像狀態的示意圖。

300．．．變焦透鏡陣列

300A．．．變焦透鏡

310．．．液晶層

320．．．第一條狀電極

330．．．第二條狀電極

340．．．透明殼體

A-A’．．．剖面線

L1．．．入射光

L2．．．出射光

Claims (23)

1. 一種變焦透鏡陣列，包括：一液晶層，具有多個變焦區；一第一條狀電極，設置於該液晶層的上方側，且位於該些變焦區的交界處；以及一第二條狀電極，設置於該液晶層的下方側，且位於該些變焦區的交界處，其中，該第一條狀電極與該第二條狀電極為彼此上下交錯設置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的變焦透鏡陣列，其中，當未施加一電壓到該第一條狀電極與該第二條狀電極時，每一變焦區中的該液晶層使一平行光線通過。
3. 如申請專利範圍第1項所述的變焦透鏡陣列，其中，當施加一電壓到該第一條狀電極與該第二條狀電極時，於每一變焦區中的該液晶層內形成一電場分布，以使每一變焦區中的該液晶層形成為一變焦透鏡。
4. 如申請專利範圍第3項所述的變焦透鏡陣列，其中，該變焦透鏡具有一電壓可調控焦距，且該電壓可調控焦距是由該電壓的大小來控制。
5. 如申請專利範圍第1項所述的變焦透鏡陣列，其中，該液晶層為正型液晶層。
6. 如申請專利範圍第1項所述的變焦透鏡陣列，其中，該液晶層的折射率大於等於2.2。
7. 如申請專利範圍第1項所述的變焦透鏡陣列，其中，該第一條狀電極與該第二條狀電極的材質包括銦錫氧化物。
8. 如申請專利範圍第1項所述的變焦透鏡陣列，更包括：一透明殼體，包圍該液晶層、該第一條狀電極與該第二條狀電極。
9. 如申請專利範圍第8項所述的變焦透鏡陣列，其中，該第一條狀電極與該第二條狀電極內埋於該透明殼體中。
10. 如申請專利範圍第8項所述的變焦透鏡陣列，其中，該透明殼體的材料包括可撓曲透明材質。
11. 如申請專利範圍第1項所述的變焦透鏡陣列，更包括：一第一基板、一第二基板與一間隙物；其中，該第一基板與第二基板夾持該液晶層、該第一條狀電極與該第二條狀電極；且該間隙物位於該第一基板與該第二基板之間、並對應該第一條狀電極與該第二條狀電極而設置。
12. 一種可切換式平面立體顯示器，包括：一變焦透鏡陣列，包括：一液晶層，具有多個變焦區；一第一條狀電極，設置於該液晶層的上方側，且位於該些變焦區的交界處；一第二條狀電極，設置於該液晶層的下方側，且位於該些變焦區的交界處，其中，該第一條狀電極與該第二條狀電極為彼此上下交錯設置；以及一顯示面板，設置在該變焦透鏡陣列的一側。
13. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，當未施加一電壓到該第一條狀電極與該第二條狀電極時，每一變焦區中的該液晶層使來自該顯示面板的一平行光線通過，而顯示一平面影像。
14. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，當施加一電壓到該第一條狀電極與該第二條狀電極時，於每一變焦區中的該液晶層內形成一電場分布，以使每一變焦區中的該液晶層形成為一變焦透鏡，該變焦透鏡使來自該顯示面板的一平行光線進行聚焦，而顯示一立體影像。
15. 如申請專利範圍第14項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，該變焦透鏡具有一電壓可調控焦距，且該電壓可調控焦距是由該電壓的大小來控制。
16. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，該液晶層為正型液晶層。
17. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，該液晶層的折射率大於等於2.2。
18. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，該第一條狀電極與該第二條狀電極的材質包括銦錫氧化物。
19. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，更包括：一透明殼體，包圍該液晶層、該第一條狀電極與該第二條狀電極。
20. 如申請專利範圍第19項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，該第一條狀電極與該第二條狀電極內埋於該透明殼體中。
21. 如申請專利範圍第19項所述的可切換式平面立體顯示器，其中，該透明殼體的材料包括可撓曲透明材質。
22. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，更包括：一第一基板、一第二基板與一間隙物；其中，該第一基板與第二基板夾持該液晶層、該第一條狀電極與該第二條狀電極；且該間隙物位於該第一基板與該第二基板之間、並對應該第一條狀電極與該第二條狀電極而設置。
23. 如申請專利範圍第12項所述的可切換式平面立體顯示器，其中該顯示面板包括：液晶顯示面板、電漿顯示面板或有機發光二極體顯示面板。