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CN102426409A - 自聚焦液晶盒及相应的液晶显示屏 - Google Patents

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CN102426409A CN2011103314079A CN201110331407A CN102426409A CN 102426409 A CN102426409 A CN 102426409A CN 2011103314079 A CN2011103314079 A CN 2011103314079A CN 201110331407 A CN201110331407 A CN 201110331407A CN 102426409 A CN102426409 A CN 102426409A
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Abstract

本发明涉及一种自聚焦液晶盒，包括第一玻璃基板、上透明电极、液晶收容空间、下透明电极以及第二玻璃基板，上透明电极为半球形，下透明电极为平面电极，上透明电极的中心与下透明电极的距离较小，上透明电极的四周与下透明电极的距离较大；液晶收容空间中填充有负向列液晶。本发明还涉及一种液晶显示屏。本发明的自聚焦液晶盒以及相应的液晶显示屏通过对受电压控制的液晶透镜的设计，动态调整液晶透镜的焦距以实现全视角均有相同的自聚焦透镜的梯度折射率变化效果。

Description

自聚焦液晶盒及相应的液晶显示屏
【技术领域】
本发明涉及液晶显示领域，特别是涉及一种可以实现全视角调焦的自聚焦液晶盒及相应的液晶显示屏。
【背景技术】
裸眼3D技术需要将面板上左右眼信号折射到相应左右眼的观赏位置，常见的技术是使用透镜镜头(lenticallens)对光路路径进行折射率匹配设计。透镜镜头的设计方式相当多样，其中一种设计是使用如图1所示的梯度折射率变化的自聚焦透镜(grin lens)，其中x为自聚焦透镜的水平位置坐标，n为自聚焦透镜相应位置上的折射率，从图中可见自聚焦透镜的折射率呈梯度变化，四周较小，中心较大；光通过自聚焦透镜形成折射率疏密架构，如同双曲面镜头聚光路径。
但是上述的自聚焦透镜不能根据观看者的距离对透镜的焦距进行调整。
故，本发明提供一种自聚焦液晶盒及相应的液晶显示屏，可实现全视角具有相同可调的焦距表现的3D效果以解决现有技术所存在的问题。
【发明内容】
本发明提供一种通过对受电压控制的液晶透镜的设计，动态调整液晶透镜的焦距以实现全视角均有相同的自聚焦透镜的梯度折射率变化效果的自聚焦液晶盒及相应的液晶显示屏，以解决现有技术的自聚焦透镜不能根据观看者的距离对透镜的焦距进行调整的技术问题。
本发明的主要目的在于提供一种液晶显示屏，包括入光偏光板、第一液晶盒、出光偏光板以及自聚焦液晶盒，所述自聚焦液晶盒包括第一玻璃基板、上透明电极、液晶收容空间、下透明电极以及第二玻璃基板，其中所述液晶显示屏还包括设置在所述出光偏光板外侧、用于将线偏振光转化圆偏振光的λ/4波片；所述自聚焦液晶盒的入光侧贴附于所述λ/4波片的出光侧，所述上透明电极为半球形，所述下透明电极为平面电极，上透明电极的中心与下透明电极的距离较小，上透明电极的四周与下透明电极的距离较大；所述液晶收容空间中填充有负向列液晶。
在本发明的一实施例中，所述上透明电极与所述液晶收容空间之间还设置有用于保持所述上透明电极的形状的不导电聚合物层。
在本发明的一实施例中，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下顺时针沿圆形环绕排列。
在本发明的一实施例中，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下逆时针沿圆形环绕排列。
在本发明的一实施例中，当所述出射的线偏振光为垂直线偏振光时，所述λ/4波片的光轴位于所述垂直线偏振光的顺时针45度的方向。
在本发明的一实施例中，当所述出射的线偏振光为水平线偏振光时，所述λ/4波片的光轴位于所述水平线偏振光的逆时针45度的方向。
本发明还涉及一种自聚焦液晶盒，包括第一玻璃基板、上透明电极、液晶收容空间、下透明电极以及第二玻璃基板，其中所述上透明电极为半球形，所述下透明电极为平面电极，上透明电极的中心与下透明电极的距离较小，上透明电极的四周与下透明电极的距离较大；所述液晶收容空间中填充有负向列液晶。
在本发明的一实施例中，所述上透明电极与所述液晶收容空间之间还设置有用于保持所述上透明电极的形状的不导电聚合物层。
在本发明的一实施例中，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下顺时针沿圆形环绕排列。
在本发明的一实施例中，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下逆时针沿圆形环绕排列。
相较于现有的自聚焦透镜贴附液晶显示屏不能根据观看者的距离对透镜的焦距进行调整的技术问题，本发明的自聚焦液晶盒、相应的液晶显示屏通过对受电压控制的液晶透镜的设计及λ/4波片的运用，动态调整液晶透镜的焦距以实现全视角均有相同的自聚焦透镜的梯度折射率变化效果。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
【附图说明】
图1为现有技术的梯度折射率变化的自聚焦透镜的结构示意图；
图2为本发明的自聚焦液晶盒的优选实施例的结构示意图；
图3为本发明的自聚焦液晶盒在水平面上的优选实施例的工作状态时的液晶分布状态图；
图4为图3所示的AB截面的液晶受电场作用倾斜的液晶状态示意图；
图5为沿图3所示的AB截面的方向的受电场作用倾斜的液晶的等效折射率图；
图6为图3所示的CD截面的液晶受电场作用倾斜的液晶状态示意图；
图7为沿图3所示的CD截面的方向的受电场作用倾斜的液晶的等效折射率图；
图8为本发明的液晶显示屏的优选实施例的结构示意图；
图9为本发明的液晶显示屏的优选实施例的出射的线偏振光为垂直线偏振光时，线偏振光通过λ/4波片的转变为圆偏振光的工作原理图；
图10为本发明的液晶显示屏的优选实施例的出射的线偏振光为水平线偏振光时，线偏振光通过λ/4波片的转变为圆偏振光的工作原理图；
图11为圆偏振光通过自聚焦液晶盒时，沿液晶透镜各个截面的方向受电场作用倾斜的液晶状态示意图。
【具体实施方式】
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。
如图2所示，本发明涉及一种自聚焦液晶盒100，包括第一玻璃基板110、上透明电极120、液晶收容空间130、下透明电极140以及第二玻璃基板150。
上透明电极120为半球形，下透明电极140为平面电极，上透明电极120的中心与下透明电极140的距离较小，上透明电极120的四周与下透明电极140的距离较大。液晶收容空间130中填充负向列液晶。
采用上述结构的自聚焦液晶盒100工作时，由于上透明电极120和下透明电极140的四周距离较大，上透明电极120和下透明电极140的中心距离较小，因此由液晶收容空间130中的负向列液晶形成的液晶透镜四周的电场强度较弱，液晶透镜中心的电场强度较强。并且液晶收容空间130中填充的为负向列液晶，上、下透明电极120、140不加电场时，液晶收容空间130中的液晶分子为直立状态(即液晶分子垂直于下透明电极140所在平面)，不对射入的线偏振光进行扭转；只有在上下透明电极之间施加电场后，液晶分子才向水平方向(即平行于下透明电极140所在平面)产生扭曲，进而对射入的线偏振光进行扭转。上透明电极120与液晶收容空间130之间还设置有不导电聚合物层160，不导电聚合物层160用于保持上透明电极120的形状，因此不导电聚合物层160可以很好的保持上透明电极120与液晶收容空间130之间的距离，使得上透明电极120和下透明电极140的四周距离较大，上透明电极120和下透明电极140的中心距离较小。
图3为图2的一个单元结构的俯视截面图，表示自聚焦液晶盒100工作状态时的液晶分布状态。该单元结构包括一个半球形的上透明电极120、下透明电极140、第一玻璃基板110、第二玻璃基板150以及相应的液晶收容空间130。从图中可以看出，负向列液晶在上透明电极120和下透明电极140之间的电场作用下顺时针或逆时针沿圆形环绕排列。
下面通过图4-图7具体分析入射光如何经过由上透明电极120和下透明电极140之间的电压控制液晶透镜实现自聚焦透镜的梯度折射率变化。
图4为图3的AB截面的液晶受电场作用倾斜的液晶状态示意图；水平偏振方向与入射光方向垂直，在AB截面上受到了不同倾斜角度的液晶的影响，沿图3所示的AB截面方向的受电场作用倾斜的液晶的等效折射率如图5所示，该与入射光方向垂直的水平偏振入射光受到一连串受上透明电极120和下透明电极140之间的电压驱动倾斜的层叠液晶分子的作用，该层叠液晶分子在AB截面的水平偏振方向的等效折射率分别为no、ne(θ)、ne、ne(θ)、no，这些折射率并满足ne＞ne(θ)＞no的折射率关系(其中no为寻常光折射率，ne为非寻常光折射率，ne(θ)介于寻常光折射率和非寻常光折射率之间)。这样与入射光方向垂直的水平偏振的入射光在AB截面的水平偏振方向上就可以满足如图1所示的自聚焦透镜的梯度折射率变化的设计，并且该梯度折射率还可以根据施加在上透明电极120和下透明电极140之间的电压进行调整，以动态调整液晶透镜的焦距以实现自聚焦透镜的梯度折射率变化的效果。
如图6所示为图3的CD截面的液晶受电场作用倾斜的液晶状态示意图；水平偏振方向与入射光方向平行，在CD截面上受到了在CD截面的方向上并没有产生倾斜的液晶的影响，沿图3所示的CD截面的方向的受电场作用倾斜的液晶的等效折射率如图7所示，该水平偏振的入射光受到一连串受上透明电极120和下透明电极140之间的电压驱动倾斜的层叠液晶分子的作用，但是该层叠液晶分子在CD截面与入射光方向平行的水平偏振方向的等效折射率均为no，因此与入射光方向平行的水平偏振的入射光在CD截面的水平偏振方向上无法起到自聚焦透镜的作用。
综上所述，本发明的自聚焦液晶盒100可通过对受电压控制的液晶透镜的设计，动态调整液晶透镜的焦距以实现自聚焦透镜的梯度折射率变化效果。
如图8所示，本发明还涉及一种液晶显示屏200，包括入光偏光板230、第一液晶盒220、出光偏光板210以及自聚焦液晶盒250，自聚焦液晶盒250包括第一玻璃基板、上透明电极、液晶收容空间、下透明电极以及第二玻璃基板，液晶显示屏200还包括设置在出光偏光板210外侧、用于将入射的线偏振光转化圆偏振光的λ/4波片240；自聚焦液晶盒250的入光侧贴附于λ/4波片240的出光侧。
上述结构的液晶显示屏200结合自聚焦液晶盒250动态调整液晶透镜的焦距以实现全视角均有相同的自聚焦透镜的梯度折射率变化效果。工作时，其中的自聚焦液晶盒250的工作原理和有益效果与上述的自聚焦液晶盒100的工作原理和有益效果相同，具体参见上述的自聚焦液晶盒100的具体实施例。
本发明的液晶显示屏200为了实现全视角均有的相同的自聚焦透镜的梯度折射率变化，在液晶显示屏200的出光偏光板210的外侧设置有用于将入射的线偏振光转化为圆偏振光的λ/4波片240。由于上述的偏振方向与入射光方向平行的水平线偏振的入射光在CD截面方向上无法起到自聚焦透镜的作用，采用λ/4波片240后所有的入射线偏振光均转换为圆偏振光后再通过自聚焦液晶盒250，因此均可以通过上述的自聚焦液晶盒250实现全视角均有相同的自聚焦透镜的梯度折射率变化效果，如图11所示。使得任何线偏振光在通过液晶透镜的任何视角都能观察到相同的有效折射率变化，视角上能形成对称聚焦的优点，达到相同观察距离的条件下，任一视角裸眼观察均有3D的效果。
图9为本发明的液晶显示屏的优选实施例的出射的线偏振光为垂直线偏振光时，线偏振光通过λ/4波片的转变为圆偏振光的工作原理图。当所述入射的线偏振光为垂直线偏振光时，λ/4波片240的光轴c与垂直线偏振光的夹角为45度，此时依出光面观察λ/4波片240的光轴c的方向为垂直线偏振光顺时针旋转45度的方向，使得出射的圆偏振光为左圆偏振光。
图10为本发明的液晶显示屏的优选实施例的出射的线偏振光为水平线偏振光时，线偏振光通过λ/4波片的转变为圆偏振光的工作原理图。当所述入射的线偏振光为水平线偏振光时，λ/4波片240的光轴c与水平线偏振光的夹角为45度，此时依出光面观察λ/4波片240的光轴c的方向为水平线偏振光逆时针旋转45度的方向，使得出射的圆偏振光为右圆偏振光。
图11为圆偏振光通过自聚焦液晶盒时，沿液晶透镜各个截面的方向受电场作用倾斜的液晶状态示意图。由图11可知，圆偏振光在液晶透镜的各个截面方向均受到不同倾斜角度的液晶的影响，沿液晶透镜的各个截面方向的受电场作用倾斜的液晶的等效折射率如图5所示，这样圆偏振光可以在各个截面方向上满足图1所示的自聚焦透镜的梯度折射率变化的设计，并且该梯度折射率还可以根据施加在上透明电极120和下透明电极140之间的电压进行调整，以动态调整液晶透镜的焦距以实现全视角自聚焦透镜的梯度折射率变化的效果。
因此本发明的液晶显示屏200通过液晶透镜的梯度折射率设计，使得全视角均能欣赏到3D立体的效果，同时可以进行2D以及3D功能切换，并可动态调整液晶透镜的焦距大小。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种液晶显示屏，包括入光偏光板、第一液晶盒、出光偏光板以及自聚焦液晶盒，所述自聚焦液晶盒包括第一玻璃基板、上透明电极、液晶收容空间、下透明电极以及第二玻璃基板，其特征在于，所述液晶显示屏还包括设置在所述出光偏光板外侧、用于将线偏振光转化圆偏振光的λ/4波片；所述自聚焦液晶盒的入光侧贴附于所述λ/4波片的出光侧，所述上透明电极为半球形，所述下透明电极为平面电极，上透明电极的中心与下透明电极的距离较小，上透明电极的四周与下透明电极的距离较大；所述液晶收容空间中填充有负向列液晶。
2.根据权利要求1所述的液晶显示屏，其特征在于，所述上透明电极与所述液晶收容空间之间还设置有用于保持所述上透明电极的形状的不导电聚合物层。
3.根据权利要求1所述的液晶显示屏，其特征在于，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下顺时针沿圆形环绕排列。
4.根据权利要求1所述的液晶显示屏，其特征在于，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下逆时针沿圆形环绕排列。
5.根据权利要求1所述的液晶显示屏，其特征在于，当所述出射的线偏振光为垂直线偏振光时，所述λ/4波片的光轴位于所述垂直线偏振光的顺时针45度的方向。
6.根据权利要求1所述的液晶显示屏，其特征在于，当所述出射的线偏振光为水平线偏振光时，所述λ/4波片的光轴位于所述水平线偏振光的逆时针45度的方向。
7.一种自聚焦液晶盒，包括第一玻璃基板、上透明电极、液晶收容空间、下透明电极以及第二玻璃基板，其特征在于，所述上透明电极为半球形，所述下透明电极为平面电极，上透明电极的中心与下透明电极的距离较小，上透明电极的四周与下透明电极的距离较大；所述液晶收容空间中填充有负向列液晶。
8.根据权利要求7所述的自聚焦液晶盒，其特征在于，所述上透明电极与所述液晶收容空间之间还设置有用于保持所述上透明电极的形状的不导电聚合物层。
9.根据权利要求7所述的自聚焦液晶盒，其特征在于，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下顺时针沿圆形环绕排列。
10.根据权利要求7所述的自聚焦液晶盒，其特征在于，所述负向列液晶在所述上透明电极和所述下透明电极之间的电场作用下逆时针沿圆形环绕排列。
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