双层结构液晶透镜装置的制作方法

本实用新型涉及一种双层结构液晶透镜装置。

背景技术：

在裸眼3D显示器快速发展并越来越多实现产业化的进程中，需要3D显示装置通过多种方式调谐光路来显示三维影像。其中，液晶透镜式3D显示器克服了柱透镜光栅式3D显示器所存在的几个固有问题：如亮度下降，深度焦距固定，光损失率高，左右眼串扰严重，图像分辨率低，尤其是可视点数目及最佳可视位置受到限制，易导致观看舒适度下降等固有器件缺陷。而液晶透镜式3D显示器能够实现2D/3D图像切换自由迅速，分辨率稳定，清晰度高，无串扰，可实现低电压驱动连续自由变焦，延长观看三维影像时间，观看舒适度高等技术优势，必然是未来3D显示技术的发展目标。但是液晶透镜也存在一些技术瓶颈，如目前深度调焦范围不高，制备工艺繁复，设备要求高，透镜参数设计苛刻,制造工艺和成本高等问题。

现有常规技术中，液晶透镜包括单孔单盒液晶透镜，单孔单盒环电极液晶透镜等。其技术缺陷在于，单孔单盒液晶透镜开孔较小，为1mm左右，仅对自然光的o光和e光中的一种进行调制，不能实现偏振独立。电极数量有限，调控电压过高，难以实现超薄、超轻市场化需求，液晶折射率梯度呈阶跃式变化而非渐变式，深度焦距无法连续自由变焦，进而造成图像有严重像差，画面跳跃唐突，清晰度降低，质量差，无法实现偏振独立。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种双层结构液晶透镜装置，该装置具有正负透镜特性，有效降低像差：焦点可控且可调范围变大，低电压调谐，光束转向可控且其视点在空间水平方向可左右移动，垂直方向可上下移动，提供深度图像在纵深方向所在截面上下、左右自由移动，提高深度图像动态显示自由度；通过调整施加到电极上的电压改善透镜特性，进而提升3D立体显示效果。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种双层结构液晶透镜装置，包括层叠设置的第一基板、第二基板、第三基板、位于第一基板和第二基板之间的第一液晶层、位于第二基板和第三基板之间的第二液晶层；所述第一基板上设置有作为公用电极的第一电极，所述第二基板、第三基板分别设置有第二层状电极组、第三层状电极组。

在本实用新型一实施例中，所述第一电极以及第二层状电极组、第三层状电极组的电极，均采用透明的导电性物质制成。

在本实用新型一实施例中，所述第二层状电极组包括离第一电极从近到远按顺序排列的第二电极、第三电极，所述第三层状电极组包括第四电极；其中，第三电极为公用电极，第二电极、第三电极为具有开孔的电极。

在本实用新型一实施例中，所述第二电极开设有两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔，所述第四电极开设有两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔，R1＜R2，且半径为R2的圆孔靠近第一电极。

在本实用新型一实施例中，所述第二层状电极组包括离第一电极从远到近按顺序排列的第二电极、第三电极、第四电极；所述第三层状电极组包括离第一电极从远到近按顺序排列的第五电极、第六电极；其中，第二电极为公用电极，第三电极、第四电极、第五电极、第六电极为具有开孔的电极。

在本实用新型一实施例中，所述第三电极、第五电极开设有半径为R1的圆孔，所述第四电极、第六电极为开设有半径为R2的圆孔，且四个圆孔同轴，R1＜R2。

在本实用新型一实施例中，所述第二基板包括离第一电极从远到近按顺序排列的第二玻璃结构或透明绝缘层、第三玻璃结构或透明绝缘层、第四玻璃结构或透明绝缘层；所述第三基板包括离第一电极从远到近按顺序排列的第五玻璃结构或透明绝缘层、第六玻璃结构或透明绝缘层、第七玻璃结构或透明绝缘层。

在本实用新型一实施例中，所述第二玻璃结构或透明绝缘层设置于第二电极、第三电极之间，所述第三玻璃结构或透明绝缘层设置于第三电极、第四电极之间，所述第四玻璃结构或透明绝缘层设置于第四电极、第一电极之间，所述第五玻璃结构或透明绝缘层设置于第五电极、第六电极之间，所述第六玻璃结构或透明绝缘层设置于第五电极、第六电极之间，所述第七玻璃结构或透明绝缘层设置于第六电极、第二电极之间。

在本实用新型一实施例中，所述第四电极、第六电极还开设有三条互为120°的狭缝，该狭缝宽度为0.1~0.15mm，且第四电极、第六电极的三条狭缝相对平行设置。

在本实用新型一实施例中，所述第一电极与第二电极之间的电压为同相位的交流基准电压V0，所述第一电极与第三电极之间的电压为同相位的交流基准电压V1，所述第一电极与第四电极之间的电压为同相位的交流基准电压V2，所述第一电极与第五电极之间的电压为同相位的交流基准电压V3，所述第一电极与第六电极之间的电压为同相位的交流基准电压V4。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的液晶透镜装置能实现低电压自由调谐透镜焦距变化，实现透镜折射率梯度渐变式变化，提高图像轮廓变化的连续性；正负透镜胶合补偿特性，有效降低像差，提高清晰度：光束转向可控且其视点在空间水平方向可左右移动，垂直方向可上下移动，提高观看者立体观赏自由度。通过调整施加到电极上的电压改善透镜特性，进而提升3D立体显示效果。

附图说明

图1a为现有技术提供的一个液晶透镜的剖面示意图。

图1b为现有技术提供的又一个液晶透镜的剖面示意图。

图2a为本实用新型一个实施例提供的一个双层结构液晶透镜的剖面示意图。

图2b为本实用新型一个实施例提供的另一个双层结构液晶透镜的剖面示意图。

图3为本实用新型一个实施例提供的一个双层结构液晶透镜的剖面示意图。

图3b为本实用新型一个实施例提供的一个液晶透镜的圆孔形第三电极、第五电极的平面示意图。

图3c为本实用新型一个实施例提供的一个液晶透镜含三条夹角互为120°的狭缝分成的扇形圆孔第四电极、第六电极的平面示意图。

图3d为本实用新型一个实施例提供的三分圆孔电极制备过程的示意图。

图4为本实用新型一个实施例提供的第四电极和第六电极即三分圆孔电极的驱动电路俯视图。

图5a为本实用新型一个实施例提供的透镜焦斑左右平移的示意图。

图5b为本实用新型一个实施例提供的透镜焦斑上下平移的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

本实用新型的一种双层结构液晶透镜装置，包括层叠设置的第一基板、第二基板、第三基板、位于第一基板和第二基板之间的第一液晶层、位于第二基板和第三基板之间的第二液晶层；所述第一基板上设置有作为公用电极的第一电极，所述第二基板、第三基板分别设置有第二层状电极组、第三层状电极组。所述第一电极以及第二层状电极组、第三层状电极组的电极，均采用透明的导电性物质制成。

本实用新型的其中一种第二层状电极组、第三层状电极组结构为：所述第二层状电极组包括离第一电极从近到远按顺序排列的第二电极、第三电极，所述第三层状电极组包括第四电极；其中，第三电极为公用电极，第二电极、第三电极为具有开孔的电极。所述第二电极开设有两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔，所述第四电极开设有两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔，R1＜R2，且半径为R2的圆孔靠近第一电极。

本实用新型的另外一种第二层状电极组、第三层状电极组结构为：所述第二层状电极组包括离第一电极从远到近按顺序排列的第二电极、第三电极、第四电极；所述第三层状电极组包括离第一电极从远到近按顺序排列的第五电极、第六电极；其中，第二电极为公用电极，第三电极、第四电极、第五电极、第六电极为具有开孔的电极。所述第三电极、第五电极开设有半径为R1的圆孔，所述第四电极、第六电极为开设有半径为R2的圆孔，且四个圆孔同轴，R1＜R2。所述第四电极、第六电极还开设有三条互为120°的狭缝，该狭缝宽度为0.1~0.15mm，且第四电极、第六电极的三条狭缝相对平行设置。

所述第二基板包括离第一电极从远到近按顺序排列的第二玻璃结构或透明绝缘层、第三玻璃结构或透明绝缘层、第四玻璃结构或透明绝缘层；所述第三基板包括离第一电极从远到近按顺序排列的第五玻璃结构或透明绝缘层、第六玻璃结构或透明绝缘层、第七玻璃结构或透明绝缘层。所述第二玻璃结构或透明绝缘层设置于第二电极、第三电极之间，所述第三玻璃结构或透明绝缘层设置于第三电极、第四电极之间，所述第四玻璃结构或透明绝缘层设置于第四电极、第一电极之间，所述第五玻璃结构或透明绝缘层设置于第五电极、第六电极之间，所述第六玻璃结构或透明绝缘层设置于第五电极、第六电极之间，所述第七玻璃结构或透明绝缘层设置于第六电极、第二电极之间。

所述第一电极与第二电极之间的电压为同相位的交流基准电压V0，所述第一电极与第三电极之间的电压为同相位的交流基准电压V1，所述第一电极与第四电极之间的电压为同相位的交流基准电压V2，所述第一电极与第五电极之间的电压为同相位的交流基准电压V3，所述第一电极与第六电极之间的电压为同相位的交流基准电压V4。

以下为本实用新型的具体实施过程。

如图1a所示，为现有技术提供的一个液晶透镜的剖面示意图，如图所示，该液晶透镜包括相对设置的第一电极11和第二电极12、位于第一电极11和第二电极12之间的液晶层13，其中，第二电极12上具有一个开孔14。该单孔单盒液晶透镜的工作原理是，在第一电极11和第二电极12上施加电压，在第二电极12的开孔14区域形成电场梯度，开孔14所对应的液晶层13区域的液晶分子在非线性梯度电场作用下发生不一样的形变，液晶分子折射率非线性梯度分布，自然光穿过液晶层13中液晶分子时，产生透镜效果。

其具有如下缺点：单孔单盒液晶透镜的开孔孔径较小，仅能对自然光中的o光或e光进行调制，无法实现独立偏振，折射率为非线性梯度变化，存在较大像差，导致透镜深度图像电压调谐不连续，透镜短焦焦距较长，故3D深度图像深度感受限，3D图像质量差，视点固定，观看舒适度不高。

如图1b所示，为现有技术提供的又一个液晶透镜的剖面示意图，如图所示，该液晶透镜包括相对设置的第一电极21和第二电极22、位于第一电极21和第二电极22之间的隐藏电极23、位于第一电极21和隐藏电极23之间的第一液晶层24、位于第二电极22和隐藏电极23之间的第二液晶层25，其中隐藏电极23上具有一个开孔26，第一液晶层24中的液晶分子和第二液晶层25中的液晶分子排列方向正交。所以该单圆孔双层液晶透镜的工作原理是，在第一电极21和隐藏电极23上施加电压，开孔26所对应的第一液晶层24中液晶分子在非线性梯度电场作用下发生不一样的形变，自然光穿过第一液晶层24中液晶分子时，自然光中与第一液晶层24中液晶分子同方向的光被调制； 在第二电极22和隐藏电极23上施加电压，自然光中与第二液晶层25中液晶分子同方向的光穿过第二液晶层25中发生不一样形变的液晶分子时，被调制，产生透镜效果。即两层方向互相正交的液晶层能够实现偏振独立。

如图2a所示，为本实用新型一个实施例提供的一个液晶透镜的剖面原理示意图，如图所示，该液晶透镜包括相对设置两层液晶盒与两液晶盒之间阻隔的玻璃结构或透明绝缘物质324。其中，第一层液晶盒包括第一电极310和第二层状电极组320、位于第一电极310和第二层状电极组320之间的第一液晶层340，第二层状电极组320开两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔322和圆孔323。第二液晶盒包括位于第三电极321和第四层状电极组330、位于第三电极321和第四层状电极组330之间的第二液晶层350，第四层状电极组330开两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔332和圆孔333。第一液晶层340中的液晶分子和第二液晶层350中的液晶分子排列方向正交。所以该双层结构液晶透镜的工作原理是，在第一电极310和第二层状电极组320上施加电压，开孔322和开孔323所对应的第一液晶层340中液晶分子在非线性梯度电场作用下发生不一样的形变，自然光穿过第一液晶层340中液晶分子时，自然光中与第一液晶层340中液晶分子同方向的光被调制； 在第三电极321和第四层状电极组330上施加电压，开孔332和开孔333所对应的第二液晶层350中液晶分子在非线性梯度电场作用下发生不一样的形变，自然光穿过第二液晶层350中液晶分子时，自然光中与第二液晶层350中液晶分子同方向的光被调制；产生透镜效果。即两层方向互相正交的液晶层能够实现偏振独立。

如图2b所示，为本实用新型一个实施例提供的一个液晶透镜的剖面原理示意图，如图所示，该液晶透镜包括相对设置两层液晶盒与两液晶盒之间阻隔的两层或多层玻璃结构或透明绝缘物质424和425。其中，第一层液晶盒包括第一电极410和第二层状电极组420、位于第一电极410和第二层状电极组420之间的第一液晶层440，第二层状电极组420开两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔422和圆孔423。第二液晶盒包括位于第三电极421和第四层状电极组430、位于第三电极421和第四层状电极组430之间的第二液晶层450，第四层状电极组430开两个半径为R1和R2的两个同轴圆孔432和圆孔433。第一液晶层440中的液晶分子和第二液晶层450中的液晶分子排列方向正交。该双层结构液晶透镜的工作原理是，在第一电极410和第二层状电极组420上施加电压，开孔422和开孔423所对应的第一液晶层440中液晶分子在非线性梯度电场作用下发生不一样的形变，自然光穿过第一液晶层440中液晶分子时，自然光中与第一液晶层440中液晶分子同方向的光被调制； 在第三电极421和第四层状电极组430上施加电压，开孔432和开孔433所对应的第二液晶层450中液晶分子在非线性梯度电场作用下发生不一样的形变，自然光穿过第二液晶层450中液晶分子时，自然光中与第二液晶层450中液晶分子同方向的光被调制；产生透镜效果。即两层方向互相正交的液晶层能够实现偏振独立，并且由于有两层或多层玻璃结构或透明绝缘物质424和425阻隔，起到了正负透镜胶合补偿作用，故极大地降低了像差和球差，提高光汇聚作用，增强成像清晰度。

如图3所示，为本实用新型一个实施例提供的一个液晶透镜的剖面示意图，如图所示，该液晶透镜包括层叠设置的第一基板11、第二基板12和第三基板13，第一基板11和第二基板12之间封装上下表面平坦的第一液晶层14，第二基板12和第三基板13之间封装上下表面平坦的第二液晶层15。第一基板11靠近第一液晶层14的一侧设置第一电极111，进一步的，第一电极111下表面设置第一玻璃结构或透明绝缘层110。第二基板12由3层电极组层叠形成。其中，第二液晶层15下表面和第二玻璃结构或透明绝缘层124上表面设置第二电极121，第二玻璃结构或透明绝缘层124下表面和第三玻璃结构或透明绝缘层125上表面之间设置第三电极122，第三玻璃结构或透明绝缘层125下表面和第四玻璃结构或透明绝缘层126上表面之间设置第四电极123。第五玻璃结构或透明绝缘层133下表面和第六玻璃结构或透明绝缘层134上表面之间设置第五电极131。第六玻璃结构或透明绝缘层134下表面和第七玻璃结构或透明绝缘层135上表面之间设置第六电极132。其中，第三电极122和第四电极123为同轴同心圆孔，纵向层叠排列，第五电极131和第六电极132为同轴同心圆孔，纵向层叠排列。第一电极111、第二电极121、第三电极122、第四电极123、第五电极131、第六电极132可分别由透明的导电性物质形成，例如，可由氧化铟锡（ITO:Indium Tin Oxide）、氧化铟锌（IZO:Indium Zinc Oxide）、氧化锌（ZO:Zinc Oxide）、氧化钛（TiO：Titanium Oxide）、氧化铟（IO:Indium Oxide）等氧化物形成。

如图3b所示，为本实用新型一个实施例提供的一个液晶透镜的第三电极122和第五电极131的平面示意图，如图所示，其圆孔半径为R1。

如图3c所示，为本实用新型一个实施例提供的一个液晶透镜的第四电极123和第六电极132的平面示意图，如图所示，其圆孔半径为R2，且R2>R1，在圆孔上开三条夹角互为120°的狭缝127，狭缝127的宽度为0.1～0.15mm。

如图3d所示，为本实用新型一个实施例提供的三分圆孔电极的剖面示意图，如图所示，提供一玻璃基板或透明绝缘材料126，利用磁控溅射制备导电层123，形成第四电极，图案化第四导电层123，形成三条夹角互为120°的带狭缝的圆孔电极123，在三条夹角互为120°的带狭缝的圆孔电极123上形成绝缘层127，刻蚀绝缘层127，以使绝缘层材料填塞狭缝。所述绝缘层127材料常用SiOx、SiNx等材料，也可采用两种不同材料的复合绝缘层。利用磁控溅射或CVD方法在光刻后的圆孔电极123上连续沉积绝缘层SiOx薄膜或SiNx薄膜并钝化SiOx薄膜或SiNx薄膜。

如图4所示，为本实用新型一个实施例提供的第四电极123和第六电极132即三分圆孔电极的驱动电路俯视图，如图所示，该圆孔平板电极上开了三条夹角互为120°的狭缝，将圆孔平板电极分为三个扇形平板电极51，扇形平板电极51与驱动电路52连接。其工作原理是三个扇形电极施加不同电压时，形成不同的电场梯度，液晶分子发生不一样的形变，并且随着电压不同，液晶分子聚焦能沿着水平方向左右移动，沿着竖直方向上下移动。

如图5a、5b所示，为本实用新型一个实施例提供的透镜焦斑左右和上下平移的示意图，如图所示，当对第四电极和第六电极电压V2a，V2b和V2c进行调制时，可在水平方向上左右移动、在竖直方向上下移动

液晶透镜干涉条纹中心光斑，达到在水平方向左右移动、在竖直方向上下移动液晶透镜焦斑的作用，提高显示效果。

综上所述，该液晶透镜的工作原理具体为：（1）本液晶透镜由第一基板11和第二基板12组成的第一液晶透镜盒与第二基板12和第三基板13组成的第二液晶透镜盒层叠构成的双侧结构液晶盒，故对各层状电极施加不同电压（可增加或减少）可调制液晶分子形变，形成折射率均匀的非线性梯度分布，完成光线聚焦作用，调控透镜焦距并随电压正负方向调控光线形成正负透镜效应。两层液晶盒之间加有一层玻璃结构或透明绝缘层124，相当于正负胶合透镜作用，故能实现在与单层液晶盒驱动电压相等的情况下实现短焦焦距缩短一半，达到深度图像立体效果震撼；能显著减小像差，减小焦斑方均根半径RMS，提高光亮度集中度，达到显著提高图像成像质量的目的。（2）由于是两层液晶盒组成，两层液晶盒液晶PI取向正交，故该液晶透镜能实现对o光和e光分别调谐，即光调谐独立。（3）通过分别调控第四电极和第六电极上的电压V2,其中第四电极和第六电极由三条狭缝和圆孔分割为120°夹角扇形三部分，沿顺时针方向，所述第四电极和第六电极电压为扇形一区电压V2a，扇形二区电压V2b，扇形三区电压V2c。单独调控第四电极和第六电极的三个扇形电极，使电极三个区域形成电势差，故而能有效控制液晶焦斑左右和上下平移，以提高观看者空间观赏自由度，提高显示质量。

以上所述，仅为本实用新型的优选具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。