透鏡陣列單元和圖像顯示裝置的製作方法

2023-10-08 09:15:14 1

專利名稱：透鏡陣列單元和圖像顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及透鏡陣列單元和圖像顯示裝置，尤其涉及能夠電控制實現三維顯示的透鏡效應的發生的透鏡陣列單元和圖像顯示裝置。
背景技術：
過去，已經知曉了通過使觀看者的左右眼睛觀看引起視差的視差圖像來實現立體視覺的方法。還知曉了觀看者必須使用專用眼鏡來實現立體視覺的方法和觀看者不需要使用專用眼鏡的方法。必須使用專用眼鏡的方法已經應用於例如劇院中的屏幕設備或者電視機。不需要專用眼鏡的方法已經被考慮應用到除了電視機之外的可攜式電子設備的顯示，該可攜式電子設備例如為智慧型電話、行動電話、可攜式遊戲機和網絡筆記本計算機。在不需要專用眼鏡的方法的特定示例中，用於三維顯示的將來自二維顯示裝置的顯示圖像光束偏轉到多個視角的光學裝置與諸如液晶顯示器的二維顯示裝置組合使用。平行設置多個圓柱透鏡的透鏡陣列是已知的用於三維顯示的光學裝置。例如，在兩眼並用的立體視覺中，立體效果可通過使左右眼觀看不同的視差圖像而相對於觀看者的視覺來獲得。從而，為了實現立體效果，在垂直方向上延伸的多個圓柱透鏡平行地設置在水平方向上以面對二維顯示裝置的顯示表面，並且來自二維顯示裝置的顯示圖像光束被向左和向右偏轉，以使得左右視差圖像恰好達到觀看者的左眼和右眼。除了圓柱透鏡外，還知曉採用液晶透鏡的可切換透鏡陣列單元(在下文，稱為「液晶透鏡陣列單元」)(例如，見JP-A-2008-9370)。液晶透鏡陣列單元可以電變換等同於圓柱透鏡的透鏡效應的顯示狀態。從而，通過在二維顯示裝置的屏幕上形成液晶透鏡陣列單元，可以使基於非透鏡效應狀態的二維顯示模式和基於透鏡效應狀態的三維顯示模式的兩種顯示模式相互切換。

發明內容
如上所述，採用液晶透鏡陣列單元的三維顯示被考慮應用到諸如智慧型電話的可攜式電子設備。然而，在此情況下，應當滿足下面的要求。就是說，在這樣的電子設備的某些顯示中，顯示狀態可以切換到垂直方向長的狀態(在屏幕的橫縱比方面垂直側較長的狀態)和水平方向長的狀態(在屏幕的橫縱比方面水平側較長的狀態)。從而，需要不考慮顯示狀態地實現三維顯示。另外，如果整個屏幕可切換到二維顯示模式和三維顯示模式之一併且屏幕的一個區域和另一個區域可以同時分別設定到二維顯示模式和三維顯示模式，那麼將很方便。通常，因為三維顯示在解析度上低於二維顯示，所以可以考慮將需要高解析度的圖像部分設定到二維顯示模式，而將其它部分設定到三維顯示模式。還可以考慮將一區域部分地設定到二維顯示模式，在該區域中需要顯示包括不需要三維顯示的部分的映像素材。例如，可以考慮僅照片顯示為三維顯示模式，而其說明文本顯示為二維顯示模式。
因此，所希望的是能使三維顯示模式的區域設定在屏幕上的任意位置，而與屏幕的方向無關(與屏幕的垂直方向長的狀態或者水平方向長的狀態無關)。根據本發明的一個實施例，所提供的透鏡陣列單元包括第一基板和第二基板，設置為彼此相對且相隔一定的距離；第一電極組，形成在第一基板的面對第二基板的表面上， 並且構造為在第一方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第一開關組，將給第一電極組施加電壓的第一電壓發生器連接到第一電極組的電極；第二電極組，形成在第二基板的面對第一基板的表面上，並且構造為在非第一方向的第二方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第二開關組，將給第二電極組施加電壓的第二電壓發生器連接到第二電極組的電極；以及液晶層，設置在第一基板和第二基板之間，包含折射率各向異性的液晶分子，並且根據施加給第一電極組和第二電極組的電壓通過改變液晶分子的取向方向而引起透鏡效應，其中與由平行於第一方向的線段和平行於第二方向的線段限定的區域對應的液晶層的透鏡效應通過切換第一和第二開關組而改變。施加給第一電極組和第二電極組的電壓的狀態可通過切換第一和第二開關組而改變，並且液晶層可電切換到非透鏡效應狀態、第一透鏡狀態和第二透鏡狀態中的任何一個，在非透鏡效應狀態中由平行於第一方向的線段和平行於第二方向的線段限定的區域不發生透鏡效應，在第一透鏡狀態中發生如同在第一方向上延伸第一圓柱透鏡的透鏡效應， 在第二透鏡狀態中發生如同在第二方向上延伸第二圓柱透鏡的透鏡效應。當第一電極組的多個電極與第二電極組的多個電極電勢相同時，液晶層可切換到非透鏡效應狀態。當公共電壓施加給第一電極組的所有多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給第二電極組的多個電極當中位於與第二圓柱透鏡的透鏡節距對應的位置處的電極時， 液晶層可切換到第二透鏡狀態。當公共電壓施加給第二電極組的所有多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給第一電極組的多個電極當中位於與第一圓柱透鏡的透鏡節距對應的位置處的電極時，液晶層可切換到第一透鏡狀態。第一電極組可包括在第一方向上延伸且具有第一寬度的多個第一電極和在第一方向上延伸且具有大於第一寬度的第二寬度的多個第二電極，並且第一電極組可構造為第一電極和第二電極平行地交替設置。第二電極組可包括在第二方向上延伸且具有第一寬度的多個第一電極和在第二方向上延伸且具有大於第一寬度的第二寬度的多個第二電極，並且第二電極組構造為第一電極和第二電極平行地交替設置。當第一電極組的多個電極與第二電極組的多個電極電勢相同時，液晶層可切換到非透鏡效應狀態。當公共電壓施加給第一電極組的所有多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給第二電極組的多個電極當中的第一電極時，液晶層可切換到第二透鏡狀態。當公共電壓施加給第二電極組的所有多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給第一電極組的多個電極當中的第一電極時，液晶層可切換到第一透鏡狀態。當驅動電壓僅選擇性地施加給第二電極組的多個電極當中的第一電極且第二電極接地時，液晶層可切換到第二透鏡狀態。當驅動電壓僅選擇性地施加給第一電極組的多個電極當中的第一電極且第二電極接地時，液晶層切換到第一透鏡狀態。當公共電壓施加給第一電極組的所有多個電極且第二驅動電壓僅選擇性地施加給第二電極組的多個電極當中的第一電極時，液晶層可切換到第二透鏡狀態。當公共電壓施加給第二電極組的所有多個電極且第一驅動電壓僅選擇性地施加給第一電極組的多個
7電極當中的第一電極時，液晶層可切換到第一透鏡狀態。第一驅動電壓和第二驅動電壓可以是電壓振幅相同而相位相差180°的矩形波。第一電極組的第一電極可以以與第一圓柱透鏡的透鏡節距對應的間隔設置。第二電極組的第一電極可以以與第二圓柱透鏡的透鏡節距對應的間隔設置。第一方向和第二方向可彼此垂直，液晶層可電切換到第一方向上的透鏡效應狀態或者第二方向上的透鏡效應狀態。第二方向可與第一方向以(90° -Θ)的角度交叉，液晶層可電切換到第一方向上的透鏡效應狀態或者第二方向上的透鏡效應狀態。θ可設定為滿足tad =1/3。在本發明的一個實施例中，通過切換第一和第二開關組，與由平行於第一方向的線段和平行於第二方向的線段限定的區域對應的液晶層的透鏡效應改變。根據本發明的另一個實施例，所提供的圖像顯示裝置包括顯示面板，進行圖像顯示；透鏡陣列單元，設置為與顯示面板的顯示表面相對，並且選擇性地改變來自顯示面板的光束的通過狀態；檢測裝置，用於檢測設置為與透鏡陣列單元相對的顯示面板被使用的方向；設定裝置，用於在屏幕上設定一區域；以及開關控制裝置，用於控制開關。這裡，透鏡陣列單元包括第一基板和第二基板，設置為彼此相對，並且相隔一定的距離；第一電極組， 形成在第一基板的面對第二基板的表面上，並且構造為在第一方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第一開關組，將給第一電極組施加電壓的第一電壓發生器連接到第一電極組的電極；第二電極組，形成在第二基板的面對第一基板的表面上，並且構造為在非第一方向的第二方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置； 第二開關組，將給第二電極組施加電壓的第二電壓發生器連接到第二電極組的電極；以及液晶層，設置在第一基板和第二基板之間，包含折射率各向異性的液晶分子，並且根據施加給第一電極組和第二電極組的電壓通過改變液晶分子的取向方向而引起透鏡效應。在此情形下，根據檢測到的顯示面板被使用的方向和屏幕上的設定區域，開關控制裝置切換第一開關組和第二開關組，從而改變與所述區域對應的液晶層的透鏡效應。給第一電極組和第二電極組施加的電壓的狀態通過切換第一開關組和第二開關組而改變，並且液晶層電切換到非透鏡效應狀態、第一透鏡狀態和第二透鏡狀態中的任何一個，在非透鏡效應狀態中由平行於第一方向的線段和平行於第二方向的線段限定的區域不發生透鏡效應，在第一透鏡狀態中發生如同在第一方向上延伸第一圓柱透鏡的透鏡效應，在第二透鏡狀態中發生如同在第二方向上延伸第二圓柱透鏡的透鏡效應。通過將透鏡陣列單元切換到非透鏡效應狀態、第一透鏡狀態和第二透鏡狀態之一，顯示狀態被電切換到二維顯示或三維顯示。通過將透鏡陣列單元設定到非透鏡效應狀態並且不偏轉而是透射來自顯示面板的顯示圖像光束，可實現二維顯示。通過將透鏡陣列單元設定到第一透鏡狀態且將來自顯示面板的顯示圖像光束偏轉到垂直於第一方向的方向上，可實現當兩眼位於垂直於第一方向的方向上時能獲得立體效果的三維顯示。通過將透鏡陣列單元設定到第二透鏡狀態並且將來自顯示面板的顯示圖像光束偏轉到垂直於第二方向的方向上，可實現當兩眼位於垂直於第二方向的方向上時能獲得立體效果的三維顯示。在本發明的另一個實施例中，與設定區域對應的液晶層的透鏡效應通過切換第一和第二開關組而改變。根據本發明的一個實施例，能夠在屏幕上的任意位置獲得用於實現三維顯示模式區域的透鏡效應，而與屏幕的方向無關。根據本發明的另一個實施例，能夠在屏幕上的任意位置設定三維顯示模式區域， 而與屏幕的方向無關。


圖IA至IC是示出根據本發明實施例的智慧型電話的外觀的示意圖。圖2是示出液晶透鏡陣列單元的構造的截面圖。圖3是示出液晶透鏡陣列單元的第一和第二電極組的透視圖。圖4是示出液晶透鏡陣列單元的第一和第二電極組的透視圖。圖5是示出用於控制液晶透鏡陣列單元的構造的框圖。圖6A和6B是示出顯示器的使用與給電極施加的電壓狀態的示意圖。圖7A和7B是示出顯示器的使用與給電極施加的電壓狀態的示意圖。圖8A和8B是示出顯示器的使用與給電極施加的電壓狀態的示意圖。圖9A和9B是示出顯示器的使用與給電極施加的電壓狀態的示意圖。圖10是示出顯示器的使用與給電極施加的電壓狀態的關係圖。圖IlA至IlC是示出給電極施加的電壓的波形的示意圖。圖12是示出顯示面板示例的示意圖。圖13A和1 是示出根據第一至第三示例的由第一電極組和第二電極組形成的角度的示意圖。圖14A和14B是示出根據第四至第六示例的由第一電極組和第二電極組形成的角度的示意圖。圖15是示出第一至第六示例中的參數值的示意圖。圖16是示出用於評測三維顯示的方法的示意圖。圖17A和17B是示出三維顯示區域示例的示意圖。圖18是示出第一至第六示例中的評測結果的示意圖。
具體實施例方式在下文，將參考附圖詳細描述本發明的實施方式(在下文，稱為「實施例」)。<1.實施例〉[智慧型電話的構造]圖IA至IC是示出根據本發明實施例的智慧型電話的外觀的示意圖。水平長度和垂直長度彼此不同的顯示器2設置在智慧型電話1中。顯示器2包括為二維顯示裝置的顯示面板20和設置在顯示面板20的屏幕上的液晶透鏡陣列單元10(見圖2)。智慧型電話1可在主體垂直設置的狀態下使用，即在顯示器2的狀態為垂直方向長的狀態下使用，如圖IA和IB所示。如圖IC所示，智慧型電話1可在主體水平傾斜90度的狀態下使用，即在顯示器2的狀態為水平方向長的狀態下使用。顯示器2中顯示內容的角度沿與顯示器2的傾斜相反的方向調整。從而，智慧型電話1的用戶(觀看者)可以自然地觀看所顯示的信息，而與主體的傾斜無關。如圖IB所示，當顯示器2處於垂直方向長的狀態時，具有任意尺寸的三維顯示區域2-1提供在屏幕上用戶指定的位置處。這時，屏幕上除三維顯示區域2-1之外的區域用作二維顯示區域。如圖IC所示，當顯示器2處於水平方向長的狀態時，具有任意尺寸的三維顯示區域2-2提供在屏幕上用戶指定的位置處。這時，屏幕上除三維顯示區域2-2之外的區域用作二維顯示區域。儘管未示出，但是具有任意尺寸的二維顯示區域可提供在屏幕上用戶指定的位置處，而其它區域可設定為三維顯示區域。[液晶透鏡陣列單元的構造]圖2是示出構成顯示器2的液晶透鏡陣列單元10的構造的截面圖。如圖所示，液晶透鏡陣列單元10設置在顯示面板20的顯示表面20A上。通過根據顯示模式控制屏幕上每個區域的透鏡效應，液晶透鏡陣列單元10選擇性地改變來自顯示面板20的光束的通過狀態。顯示面板20例如由液晶顯示器或者有機EL形成。顯示面板20在二維顯示模式區域中基於二維圖像數據進行圖像顯示，而在三維顯示模式區域中基於三維圖像數據進行圖像顯示。例如，三維圖像數據是包括與三維顯示中的多個視角對應的多個視差圖像的數據，並且表示當進行兩眼並用的三維顯示時的右眼視差圖像和左眼視差圖像的數據。液晶透鏡陣列單元10包括第一基板14、第二基板17以及設置在第一基板14和第二基板17之間的液晶層11，第一基板14和第二基板17設置為以距離d彼此相對。第一基板14和第二基板17是透明基板，例如由玻璃材料或樹脂材料形成。第一電極組16形成在第一基板14的面對第二基板17的表面上，第一電極組16中在第一方向 (圖中的X軸方向)上延伸的多個透明電極以一定的間隔在寬度方向(圖中的Y軸方向) 上平行地設置。取向膜15形成在第一基板14上，第一電極組16設置在取向膜15和第一基板14之間。類似地，第二電極組19形成在第二基板17的面對第一基板14的表面上，第二電極組19中在非第一方向的第二方向(圖中的Y軸方向)上延伸的多個透明電極以一定的間隔在寬度方向(圖中的X軸方向)上平行地設置。取向膜18形成在第二基板17上，第二電極組19設置在取向膜18和第二基板17之間。液晶層11包含液晶分子13，並且通過基於施加給第一電極組16和第二電極組19 的電壓改變液晶分子13的取向方向來控制液晶層11的透鏡效應。根據針對每個區域而施加給第一電極組16和第二電極組19的電壓的狀態，液晶層11可將液晶透鏡陣列單元10 電切換到非透鏡效應狀態、第一透鏡狀態和第二透鏡狀態這三個狀態。每個液晶分子13具有折射率各向異性，並且具有例如折射率橢圓體結構，在該折射率橢圓體結構中透射光束的折射率在縱向方向和橫向方向上變化。第一透鏡狀態是發生如同在第一方向上延伸第一圓柱透鏡的透鏡效應的狀態。第二透鏡狀態是發生如同在第二方向上延伸第二圓柱透鏡的透鏡效應的狀態。在該實施例的下面描述中，假設第一方向是圖IA至IC中的X方向(附圖表面中的水平方向)，並且第二方向是圖IA至IC中的Y方向(附圖表面中的垂直方向)。X方向和Y方向在基板平面中彼此垂直。然而，X方向和Y方向可以不彼此垂直。該情況將稍後參考圖14A和14B進行描述。[液晶透鏡陣列單元的電極結構]圖3和4示出了液晶透鏡陣列單元10的電極結構。圖3是上下顛倒圖2獲得的狀態，即第一基板14位於上側而第二基板17位於下側的狀態。在第一基板14上設置的第一電極組16中，具有不同電極寬度的兩種類型的電極交替地平行設置為多個透明電極。就是說，第一電極組16包括多個X方向的第一電極(第一電極16LY)和多個X方向的第二電極(第二電極16SY)，並且具有第一電極16LY和第二電極16SY交替地平行設置的構造。第一電極16LY在第一方向(X方向)上延伸並具有第一寬度Ly。第二電極16SY 在第一方向上延伸並具有大於第一寬度Ly的第二寬度Sy。第一電極16LY以一周期間隔平行設置，該周期間隔對應於產生透鏡效應的第一圓柱透鏡的透鏡節距P。第一電極16LY和第二電極16SY設置為它們之間具有一定的距離。如圖4所示，在第一方向上延伸的每個第一電極16LY的一個端部連接到X線發生器31以通過對應的開關33LY給第一電極組16施加預定的電壓，而每個第一電極16LY的另一端通過對應的開關34LY接地。每個第二電極16SY的一個端部通過對應的開關33SY 連接到X線發生器31，而其另一端通過對應的開關34SY接地。類似地，在第二電極組19中，具有不同電極寬度的兩種類型的電極交替地平行設置為多個透明電極。就是說，第二電極組19包括多個Y方向的第一電極(第一電極19LX) 和多個Y方向的第二電極(第二電極19SX)，並且具有第一電極19LX和第二電極19SX交替地平行設置的構造。第一電極19LX在第二方向(Y方向)上延伸並具有第一寬度Lx。第二電極19SX 在第二方向上延伸並具有大於第一寬度Lx的第二寬度Sx。第一電極19LX以一周期間隔平行設置，該周期間隔對應於產生透鏡效應的第二圓柱透鏡的透鏡節距P。第二電極19LX和第二電極19SX設置為它們之間具有一定的距離。如圖4所示，在第二方向延伸的每個第二電極19LX的一個端部連接到Y線發生器 32以通過對應的開關33LX給第二電極組19施加預定的電壓，而每個第二電極19LX的另一端通過對應的開關34LX接地。每個第二電極19SX的一個端部通過對應的開關33SX連接到Y線發生器32，而其另一端通過對應的開關34SX接地。在上述構造中，通過使X線發生器31和Y線發生器32產生預定的電壓且適當切換開關33LY和;34LY、開關33SY和!34SY、開關33LX和!34LX以及開關33SX和!34SX，液晶透鏡陣列單元10的任意區域可設定到二維顯示模式或三維顯示模式。通過不使X線發生器31和Y線發生器32產生預定的電壓，即通過不給液晶透鏡陣列單元10提供功率，液晶透鏡陣列單元10的全部區域可設定到二維顯示模式，而與其方向無關。考慮到智慧型電話1的典型使用，可以想到液晶透鏡陣列單元10的全部區域設定到二維顯示模式的狀態將在其使用時間中佔據最長的時間。因此，與液晶透鏡陣列單元10通常被提供功率以將其全部區域設定到二維顯示模式的構造相比，能夠降低功耗。[液晶透鏡陣列單元的製造]
在製造液晶透鏡陣列單元10時，諸如ITO(氧化銦錫)膜的透明導電膜以預定的圖案形成在由玻璃材料等形成的第一基板14和第二基板17上，以形成第一電極組16和第二電極組19。取向膜15和18通過用布在一個方向上摩擦諸如聚醯亞胺的高分子化合物的摩擦方法或者SiO的傾斜沉積方法形成。從而，液晶分子13的橢圓的長軸在所述方向上取向。為了保持第一基板14和第二基板17之間的距離d為常數，玻璃材料或者樹脂材料形成的間隔物12分散在密封構件中的材料被印刷在取向膜15和18上。然後，第一基板 14和第二基板17彼此接合，並且固化包含間隔物的密封構件。其後，預定的液晶材料從密封構件的開口注入到第一基板14和第二基板17之間，然後封閉該密封構件的開口。將液晶成分加熱到各向同性的相態，然後慢慢冷卻，從而完成液晶透鏡陣列單元10。在液晶透鏡陣列單元10中，因為隨著液晶分子13的折射率各向異性Δη的增加， 可以獲得更加優良的透鏡效應，所以優選液晶材料具有這樣的成分。另一方面，當液晶成分具有大的折射率各向異性Δη時，液晶成分的物理特性受到損害並且粘度增加。從而，液晶成分可能被不適當地注入在基板之間，液晶成分可能變得接近低溫下的晶體，或者液晶成分的內部電場可能增加，因此增加了液晶單元的驅動電壓。因此，優選考慮可製造性和透鏡效應二者來確定液晶材料的成分。液晶材料的具體成分將在稍後所述的示例中詳細描述。[液晶透鏡陣列單元控制器的製造]圖5是示出設置在智慧型電話1中以控制液晶透鏡陣列單元10的液晶透鏡陣列單元控制器的構造的示意圖。液晶透鏡陣列單元控制器40包括傾斜度傳感器41、操作輸入單元42、控制器43、 X線電壓控制器44、Y線電壓控制器45和開關控制器46。傾斜度傳感器41檢測智慧型電話1的主體的傾斜度，並將檢測結果發送到控制器 43。操作輸入單元42接收用戶的操作並且將對應於該操作的操作信號輸出到控制器43， 該用戶的操作可以是指定將被設定到三維顯示模式的區域(在下文，也稱為「三維顯示區域」)或者指定顯示器2的顯示方向。根據傾斜度傳感器41的檢測結果或者來自操作輸入單元42的操作信號，控制器 43確定顯示器2的顯示方向並且確定設置到顯示器2屏幕上的三維顯示區域。該確定可以根據傾斜度傳感器41的檢測結果以及執行中的應用控制來進行，而不依賴於基於用戶操作的操作信號。控制器43根據上述確定來控制X線電壓控制器44、Υ 線電壓控制器45和開關控制器46。X線電壓控制器44在控制器43的控制下控制X線發生器31以產生預定的電壓。 Y線電壓控制器45在控制器43的控制下控制Y線發生器32以產生預定的電壓。在控制器43的控制下，開關控制器46切換連接到第一電極組16和第二電極組19的開關33LY和 ;34LY、開關 33SY 和;34SY、開關 33LX 和!34LX 以及開關 33SX 和!34SX。[對應於顯示器狀態和顯示模式的切換控制]下面，將參考圖6A和6B至圖9A和9B描述與顯示器2的狀態(在垂直方向長的狀態還是水平方向長的狀態下使用)和顯示模式(二維顯示模式或三維顯示模式)對應的開關33LY和34LY、開關33SY和34SY、開關33LX和34LX以及開關33SX和34SX的狀態。假設圖6A和6B至圖9A和9B中的X線發生器31和Y線發生器32分別產生預定
12的電壓(稍後將參考圖IlA至IlC描述)。在圖6A和6B至圖9A和9B中，提供有預定電壓的電極用黑色表示，而沒有被提供預定電壓的電極用點表示。如圖6A所示，當顯示器2在水平方向長的狀態下使用且整個表面設定到三維顯示模式時，第一電極組16的所有電極被提供預定的電壓，如圖6B所示。第二電極組19中具有較小寬度的所有第一電極19LX被提供預定電壓。如圖7A所示，當顯示器2在垂直方向長的狀態下使用且整個表面設定到三維顯示模式時，第一電極組16中具有較小寬度的所有第一電極16LY被提供預定的電壓，如圖7B 所示。第二電極組19的所有電極被提供預定的電壓。如圖8A所示，當顯示器2在水平方向長的狀態下使用且具有任意尺寸的三維顯示區域提供在任意位置時，第一電極組16中與三維顯示區域對應的第一電極16LY和第二電極16SY提供有預定的電壓，如圖8B所示。第二電極組19中僅與三維顯示區域對應的第一電極19LX提供有預定電壓。如圖9A所示，當顯示器2在垂直方向長的狀態下使用且具有任意尺寸的三維顯示區域提供在任意位置時，第一電極組16中僅與三維顯示區域對應的第一電極16LY提供有預定電壓，如圖9B所示。第二電極組19中與三維顯示區域對應的第一電極19LX和第二電極19SX提供有預定電壓。圖10示出了在圖6A和6B至圖9A和9B所示的液晶透鏡陣列單元10中電極的電壓施加狀態與產生的透鏡效應之間的關係。如上所述，在根據該實施例的液晶透鏡陣列單元10中，可以在屏幕上的任意位置以任意尺寸提供三維顯示區域，而與顯示器2的狀態(垂直方向長的狀態或水平方向長的狀態)無關。[X線發生器和Y線發生器產生的電壓]下面，將參考圖IlA至IlC描述由X線發生器31和Y線發生器32產生且施加給電極的電壓。圖IlA示出了 X線發生器31和Y線發生器32產生的電壓波形的示例。如圖IlA 所示，X線發生器31以+Vx、-Vx、+Vx、-Vx...的順序產生頻率為30Hz以上的矩形波形的電壓。相反3線發生器32以-￥7、+￥7、-￥7、+￥7...的順序產生周期相同的矩形波形的電壓。 就是說，X線發生器31和Y線發生器32產生振幅幾乎相同(Vx = Vy)而相位相差180°的電壓。圖IlB示出了與圖6A所示的狀態對應的在垂直方向上的電極的電勢。具體地講， 圖IlB的上側示出了第二電極組19中對應於第一電極19LX的部分的電壓波形，而圖IlB 的下側示出了對應於第二電極19SX的部分的電壓波形。當實現圖6A所示的狀態時，使液晶分子13發生取向變化的預定電勢差在上下透明電極之間產生在與第二電極組19的與第一電極19LX對應的部分中，在上下透明電極之間插設有液晶層11。具體地講，構成第一電極組16的電極的靠近X線發生器31的開關全部導通以將公共電壓(振幅為Vx)施加給構成第一電極組16的電極。在構成第二電極組19的多個電極當中，僅第一電極19LX連接到Y線發生器32，從而電壓(振幅為Vy)選擇性地施加給第一電極19LX。構成第二電極組19的多個電極當中的第二電極19SX接地。
這裡，當X線發生器31和Y線發生器32產生圖IlA所示的電壓時，具有電壓振幅 (Vx+Vy)的矩形波施加在第二電極組19的第一電極19LX和第一電極組16的位於與第一電極19LX對應的部分中的電極之間，如圖IlB的上側所示。另一方面，具有電壓振幅Vx = Vy =(Vx+Vy)/2的矩形波施加在第二電極組19的第二電極19SX和第一電極組16的位於與第二電極19SX對應的部分中的電極之間，如圖IlB的下側所示。此時，當電壓振幅等於或小於液晶的閾值電壓時，在與第二電極19SX對應的部分中實際上不會引起液晶分子13的運動，但是液晶分子13的初始取向分布(S卩，折射率分布)可由第二電極19SX的橫向電場引起。圖IlC示出了與圖7A所示的狀態對應的在垂直方向上的電極的電勢。具體地講， 圖lie的上側示出了第一電極組16中對應於第一電極16LY的部分的電壓波形，圖IlC的下側示出了對應於第二電極16SX的部分的電壓波形。當實現圖7A所示的狀態時，使液晶分子13發生取向變化的預定電勢差在上下透明電極之間產生在第一電極組16的與第一電極16LY對應的部分中，在上下透明電極之間插設有液晶層11。具體地講，構成第二電極組19的電極的靠近Y線發生器32的開關全部導通以將公共電壓(振幅為Vy)施加給構成第二電極組的電極。在構成第一電極組16的多個電極當中，僅第一電極16LY連接到X線發生器31，從而電壓(振幅為Vx)選擇性地施加給第一電極16LY。構成第一電極組16的多個電極當中的第二電極16SY接地。這裡，當X線發生器31和Y線發生器32產生圖IlA所示的電壓時，具有電壓振幅 (Vx+Vy)的矩形波施加在第一電極組16的第一電極16LY和第二電極組19的位於與第一電極16LY對應的部分中的電極之間，如圖IlC的上側所示。另一方面，具有電壓振幅Vx = Vy =(Vx+Vy)/2的矩形波施加在第一電極組16的第二電極16SY和第二電極組19的位於與第二電極16SY對應的部分中的電極之間，如圖IlC的下側所示。此時，當電壓振幅等於或小於液晶的閾值電壓時，在與第二電極16SY對應的部分中實際上不會引起液晶分子13的運動，但是液晶分子13的初始取向分布(S卩，折射率分布)可由第二電極16SY的橫向電場引起。當整個液晶層11設定到非透鏡效應的狀態時，優選第一電極組16的電極和第二電極組19的電極設定為具有相同的電勢(OV)。就是說，如圖4所示，由X線發生器31和Y 線發生器32產生的電壓設定到0V，以使電極接地。在此情況下，因為液晶分子13在由取向膜15和18限定的預定方向上取向均勻，所以建立了非透鏡效應的狀態。[示例]下面，將描述根據該實施例的智慧型電話1的具體示例。在液晶透鏡陣列單元10中，如上所述，由ITO形成的第一電極組16和第二電極組 19利用已知的光刻法和已知的溼蝕刻或者幹蝕刻法形成在由玻璃材料等形成的第一基板 14和第二基板17上。取向膜15和18通過用聚醯亞胺對電極進行旋塗且烘焙得到的結構而形成。在對材料進行烘焙之後，取向膜15和18的表面經受摩擦工藝，並用IPA等清洗， 然後加熱且乾燥。在將得到的結構冷卻之後，第一基板14和第二基板17以約30至50 μ m 的距離而彼此接合，從而它們的摩擦方向彼此相反。上述距離通過在整個表面上分散間隔物來保持。其後，液晶材料利用真空注入法從密封構件的開口注入，並且密封該密封構件的開口。液晶單元加熱到各向同性的相態，並且緩慢冷卻。作為典型的向列液晶的 MBBA(p-methoxybenzylidene-p，-butyIaniline :p-甲氧亞苄基-P』 - 丁基苯胺)用作液晶層11的液晶材料。折射率各向異性Δη在20°C時為 0. 255ο
圖12示出了顯示面板20的示例。在顯示面板20中，R、G和B的像素設置成矩陣形狀。對於液晶透鏡陣列單元10中形成的圓柱透鏡的節距P，顯示面板20中的像素數設定到N(其中N是等於或大於2的整數)。在三維顯示模式的區域中，呈現對應於N的光束 (可視光線)。像素尺寸為70. 5 μ m且規格為WVGA (864 X 480像素)的3英寸TFT-IXD面板用作顯示面板20。圖13A和1 示出了稍後描述的根據第一至第三示例的液晶透鏡陣列單元10的電極結構，其中圖13A示出了第二基板17的電極結構，而圖1 示出了第一基板14的電極結構。如圖所示，第一基板14的電極和第二基板17的電極在第一至第三示例中彼此垂直。這樣，當第一基板14的電極和第二基板17的電極彼此垂直時，可能發生下面的問題。就是說，當顯示面板20在圖7A和7B所示的垂直方向長的狀態下使用時，由於如圖12 所示的顯示面板20的R、G和B像素在X方向上的布置，在觀看者所觀看的三維顯示中可能容易產生波紋。因此，為了抑制在三維顯示中產生波紋，第一基板14的電極和第二基板17的電極彼此不垂直，而是在後述的第四至第六示例中具有預定的角度。圖14A和14B示出了稍後描述的根據第四至第六示例的液晶透鏡陣列單元10的電極結構，其中圖14A示出了第二基板17的電極結構，而圖14B示出了第一基板14的電極結構。如圖所示，在第四至第六示例中第一基板14的電極和第二基板17的電極形成為具有(90- θ )的角度。這裡，θ滿足 tan—e =1/3。圖15示出了與第一至第六示例對應的各種設計參數值。N表示對於顯示面板20 的每個透鏡節距P的像素數，並且圖2所示的電極寬度Lx、Sx、Ly和Sy、電極間距離a以及基板間距離d的大小以單位μπι表示。從X線發生器31和Y線發生器32提供的功率採用頻率為30Hz以上的矩形波，其電壓振幅範圍為5至IOV並根據透鏡節距ρ或者基板間距離d來調整。通常，隨著基板間距離d的增加，需要將電壓振幅設定到較高的值。下面，將描述對第一至第六示例的評測。因為用於確定三維顯示好壞的清楚標準目前尚未普及，因此用作標準的是確定三維顯示能否通過下面的簡單技術來識別。圖16示出了第一至第六示例中的三維顯示的可視性能的評測概念。如圖所示，藍色像素和紅色像素這兩個像素對應於由液晶透鏡陣列單元10產生的圓柱透鏡。如圖所示， 使右眼和左眼分別觀看到藍色和紅色的顯示圖案被輸出到顯示面板20以進行顯示。照相機設置在對應於右眼和左眼的位置以給圖像拍照，並且用作確定紅色和藍色是否分別被觀
15看到的標準。在二維顯示模式的區域中，紅色和藍色混合且被看成為紫羅蘭色。關於驅動振幅電壓，它逐漸增加，恰好飽和前的電壓值用作驅動電壓，飽和是指可視性隨著電壓的增加幾乎不改變的狀態。施加給電極的矩形波的電壓振幅V設定為V = 2Vx = 2Vy。通過施加OV而將三維顯示模式切換到二維顯示模式的時間(2D切換響應時間)也被觀察以作為評測項目。關於屏幕上三維顯示區域的位置，如圖17A和17B所示，屏幕分成9個區域，並且各區域依次設定為三維顯示區域。結果，甚至在任意狀態下(垂直方向長的狀態或水平方向長的狀態)將任意區域設定為三維顯示區域時，也可以獲得相同的透鏡效應。第一至第六示例在下面五種狀態下的評測結果如下。用法1 (其中整個表面設定為二維顯示模式)在所有的第一至第六示例中，整個表面在視覺評測中觀看到紫羅蘭色，並且可看到二維顯示，就像液晶透鏡陣列單元10沒有設置在顯示面板20上一樣。用法2 (其中整個表面在水平方向長的狀態下設定到的三維顯示模式)在所有的第一至第六示例中，左眼位置處觀察到紅色，右眼位置處觀察到藍色。就是說，能看到由液晶透鏡陣列單元10實現的三維顯示模式。用法3 (其中整個表面在垂直方向長的狀態下設定到的三維顯示模式)在所有的第一至第六示例中，左眼位置處觀察到紅色，右眼位置處觀察到藍色。就是說，能夠看到由液晶透鏡陣列單元10實現的三維顯示模式。然而，在第一至第三示例中， 當白色顯示在整個表面上或者類似情況時，觀察到紅色、藍色和綠色的所謂條狀波紋，因此缺乏視覺舒適感。用法4(其中三維顯示區域在水平方向長的狀態下設置在屏幕的中心)在所有的第一至第六示例中，在二維顯示模式的區域中觀察到紫羅蘭色，而與三維顯示模式和二維顯示模式的邊界位置無關。另一方面，在三維顯示模式的區域中，左眼位置處觀察到紅色，右眼位置處觀察到藍色。就是說，能夠看到由液晶透鏡陣列單元10實現的三維顯示模式。用法5 (其中三維顯示區域在垂直方向長的狀態下設置在屏幕的中心)在所有的第一至第六示例中，在二維顯示模式的區域中觀察到紫羅蘭色，而與三維顯示模式和二維顯示模式的邊界位置無關。另一方面，在三維顯示模式的區域中，左眼位置處觀察到紅色，右眼位置處觀察到藍色。就是說，能夠看到由液晶透鏡陣列單元10實現的三維顯示模式。然而，在第一至第三示例中，當白色顯示在整個表面上或者類似情況時， 觀察到紅色、藍色和綠色的所謂條狀波紋，因此缺乏視覺舒適感。圖18示出了用法1至5中第一至第六示例的評測結果。在附圖中，二維顯示和三維顯示的評測結果依次從最好的結果開始以雙圓◎、單圓〇、三角形Δ和十字叉X示出。 雙圓◎表示紅色和藍色可以分別令人滿意地看到。三角形Δ表示觀看到分開紅色和藍色的臨界狀態。單圓〇表示可視性介於雙圓◎和三角形Δ之間。如上所述，根據該實施例，能夠進行三維顯示而與屏幕的縱向方向的取向無關，就是說，不取決於在垂直方向長的狀態或者水平方向長的狀態下使用，並且能夠屏幕的任意位置處形成具有任意尺寸的三維顯示區域。本發明不限於上述實施例，而是可修改為各種形式且不偏離本發明的概念。
本申請包含2010年7月9日提交至日本專利局的日本優先權專利申請JP 2010-156649中公開的相關主題事項，其全部內容通過弓I用結合於此。
權利要求
1.一種透鏡陣列單元，包括第一基板和第二基板，設置為彼此相對，並且相隔一定的距離；第一電極組，形成在所述第一基板的面對所述第二基板的表面上，並且構造為在第一方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第一開關組，將給所述第一電極組施加電壓的第一電壓發生器連接到所述第一電極組的電極；第二電極組，形成在所述第二基板的面對所述第一基板的表面上，並且構造為在非所述第一方向的第二方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第二開關組，將給所述第二電極組施加電壓的第二電壓發生器連接到所述第二電極組的電極；以及液晶層，設置在所述第一基板和所述第二基板之間，包含折射率各向異性的液晶分子， 並且根據施加給所述第一電極組和所述第二電極組的電壓通過改變所述液晶分子的取向方向而引起透鏡效應，其中與由平行於所述第一方向的線段和平行於所述第二方向的線段限定的區域對應的液晶層的透鏡效應通過切換所述第一開關組和所述第二開關組而改變。
2.根據權利要求1所述的透鏡陣列單元，其中給所述第一電極組和所述第二電極組施加的電壓的狀態通過切換所述第一開關組和所述第二開關組而改變，並且所述液晶層電切換到非透鏡效應狀態、第一透鏡狀態和第二透鏡狀態中的任何一個，在所述非透鏡效應狀態中由平行於所述第一方向的線段和平行於所述第二方向的線段限定的區域不發生透鏡效應，在所述第一透鏡狀態中發生如同在所述第一方向上延伸第一圓柱透鏡的透鏡效應， 在所述第二透鏡狀態中發生如同在所述第二方向上延伸第二圓柱透鏡的透鏡效應。
3.根據權利要求2所述的透鏡陣列單元，其中當所述第一電極組的所述多個電極與所述第二電極組的所述多個電極電勢相同時，所述液晶層切換到所述非透鏡效應狀態，當公共電壓施加給所述第一電極組的所有的所述多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給所述第二電極組的所述多個電極中位於與所述第二圓柱透鏡的透鏡節距對應的位置處的電極時，所述液晶層切換到所述第二透鏡狀態，並且當公共電壓施加給所述第二電極組的所有的所述多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給所述第一電極組的所述多個電極中位於與所述第一圓柱透鏡的透鏡節距對應的位置處的電極時，所述液晶層切換到所述第一透鏡狀態。
4.根據權利要求1所述的透鏡陣列單元，其中所述第一電極組包括在所述第一方向上延伸且具有第一寬度的多個第一電極和在所述第一方向上延伸且具有大於第一寬度的第二寬度的多個第二電極，並且所述第一電極組構造為所述第一電極和所述第二電極平行地交替設置，而且所述第二電極組包括在所述第二方向上延伸且具有第一寬度的多個第一電極和在所述第二方向上延伸且具有大於第一寬度的第二寬度的多個第二電極，並且所述第二電極組構造為所述第一電極和所述第二電極平行地交替設置。
5.根據權利要求4所述的透鏡陣列單元，其中當所述第一電極組的所述多個電極與所述第二電極組的所述多個電極電勢相同時，所述液晶層切換到所述非透鏡效應狀態，當公共電壓施加給所述第一電極組的所有的所述多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給所述第二電極組的所述多個電極中的所述第一電極時，所述液晶層切換到所述第二透鏡狀態，並且當公共電壓施加給所述第二電極組的所有的所述多個電極且驅動電壓僅選擇性地施加給所述第一電極組的所述多個電極中的所述第一電極時，所述液晶層切換到所述第一透鏡狀態。
6.根據權利要求5所述的透鏡陣列單元，其中當所述驅動電壓僅選擇性地施加給所述第二電極組的所述多個電極中的所述第一電極且所述第二電極接地時，所述液晶層切換到所述第二透鏡狀態，並且當所述驅動電壓僅選擇性地施加給所述第一電極組的所述多個電極中的所述第一電極且所述第二電極接地時，所述液晶層切換到所述第一透鏡狀態。
7.根據權利要求6所述的透鏡陣列單元，其中當所述公共電壓施加給所述第一電極組的所有的所述多個電極且第二驅動電壓僅選擇性地施加給所述第二電極組的所述多個電極中的所述第一電極時，所述液晶層切換到所述第二透鏡狀態，當所述公共電壓施加給所述第二電極組的所有的所述多個電極且第一驅動電壓僅選擇性地施加給所述第一電極組的所述多個電極中的所述第一電極時，所述液晶層切換到所述第一透鏡狀態，並且所述第一驅動電壓和所述第二驅動電壓是電壓振幅相同而相位相差180°的矩形波。
8.根據權利要求4所述的透鏡陣列單元，其中所述第一電極組的所述第一電極以與所述第一圓柱透鏡的透鏡節距對應的間隔設置，並且所述第二電極組的所述第一電極以與所述第二圓柱透鏡的透鏡節距對應的間隔設置。
9.根據權利要求1所述的透鏡陣列單元，其中所述第一方向和所述第二方向彼此垂直，並且所述液晶層電切換到所述第一方向上的透鏡效應狀態或者所述第二方向上的透鏡效應狀態。
10.根據權利要求1所述的透鏡陣列單元，其中所述第二方向與所述第一方向以 (90° -Θ)的角度交叉，並且所述液晶層電切換到所述第一方向上的透鏡效應狀態或者所述第二方向上的透鏡效應狀態。
11.根據權利要求10所述的透鏡陣列單元，其中θ滿足tad= 1/3。
12.—種透鏡陣列單元，包括第一基板和第二基板，設置為彼此相對，並且相隔一定的距離；液晶層，設置在所述第一基板和所述第二基板之間；第一電極組，包括在所述第一方向上延伸的多個電極；第一開關組，將給所述第一電極組施加電壓的第一電壓發生器連接到所述第一電極組的電極；第二電極組，包括在非所述第一方向的第二方向上延伸的多個電極；以及第二開關組，將給所述第二電極組施加電壓的第二電壓發生器連接到所述第二電極組的電極，其中通過切換所述第一開關組和所述第二開關組，與特定區域對應的所述液晶層被切換到所述第一方向上的透鏡效應狀態或所述第二方向上的透鏡效應狀態。
13.一種圖像顯示裝置，包括 顯示面板，進行圖像顯示；透鏡陣列單元，設置為與所述顯示面板的顯示表面相對，並且選擇性地改變來自所述顯示面板的光束的通過狀態；檢測裝置，用於檢測設置為與所述透鏡陣列單元相對的所述顯示面板被使用的方向； 設定裝置，用於在屏幕上設定一區域；以及開關控制裝置，用於控制開關， 其中所述透鏡陣列單元包括第一基板和第二基板，設置為彼此相對，並且相隔一定的距離， 第一電極組，形成在所述第一基板的面對所述第二基板的表面上，並且構造為在第一方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第一開關組，將給所述第一電極組施加電壓的第一電壓發生器連接到所述第一電極組的電極；第二電極組，形成在所述第二基板的面對所述第一基板的表面上，並且構造為在非所述第一方向的第二方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第二開關組，將給所述第二電極組施加電壓的第二電壓發生器連接到所述第二電極組的電極；以及液晶層，設置在所述第一基板和所述第二基板之間，包含折射率各向異性的液晶分子， 並且根據施加給所述第一電極組和所述第二電極組的電壓通過改變所述液晶分子的取向方向而引起透鏡效應，並且根據檢測到的所述顯示面板被使用的方向和所述屏幕上的設定區域，所述開關控制裝置切換所述第一開關組和第二開關組，從而改變與所述區域對應的液晶層的透鏡效應。
14.根據權利要求13所述的圖像顯示裝置，其中給所述第一電極組和所述第二電極組施加的電壓的狀態通過切換所述第一開關組和所述第二開關組而改變，並且所述液晶層電切換到非透鏡效應狀態、第一透鏡狀態和第二透鏡狀態中的任何一個，在所述非透鏡效應狀態中由平行於所述第一方向的線段和平行於所述第二方向的線段限定的區域不發生透鏡效應，在所述第一透鏡狀態中發生如同在所述第一方向上延伸第一圓柱透鏡的透鏡效應，在所述第二透鏡狀態中發生如同在所述第二方向上延伸第二圓柱透鏡的透鏡效應。
15.根據權利要求14所述的圖像顯示裝置，其中通過將所述透鏡陣列單元切換到所述非透鏡效應狀態、所述第一透鏡狀態和所述第二透鏡狀態之一，顯示狀態被電切換到二維顯示或三維顯示。
16.根據權利要求15所述的圖像顯示裝置，其中通過將所述透鏡陣列單元設定到所述非透鏡效應狀態並且不偏轉而是透射來自所述顯示面板的顯示圖像光束，實現所述二維顯示，通過將所述透鏡陣列單元設定到所述第一透鏡狀態且將來自所述顯示面板的所述顯示圖像光束偏轉到垂直於所述第一方向的方向上，實現當兩眼位於垂直於所述第一方向的方向上時能獲得立體效果的所述三維顯示，以及通過將所述透鏡陣列單元設定到所述第二透鏡狀態並且將來自所述顯示面板的所述顯示圖像光束偏轉到垂直於所述第二方向的方向上，實現當兩眼位於垂直於所述第二方向的方向上時能獲得立體效果的所述三維顯示。
全文摘要
本發明提供一種透鏡陣列單元和圖像顯示裝置。該透鏡陣列單元包括第一和第二基板，設置為彼此相對並相隔一定的距離；第一和第二電極組，第一電極組形成在第一基板的面對第二基板的表面上並構造為在第一方向上延伸的多個電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置，第二電極組形成在第二基板的面對第一基板的表面上並構造為在第二方向上延伸的電極在寬度方向上以一定的間隔平行設置；第一和第二開關組，分別將給第一和第二電極組施加電壓的第一和第二電壓發生器連接到第一和第二電極組的電極；以及液晶層，設置在第一和第二基板之間，包含折射率各向異性的液晶分子，並且根據施加給第一和第二電極組的電壓通過改變液晶分子的取向方向而引起透鏡效應。
文檔編號G02B27/22GK102314028SQ201110183689
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月1日 優先權日2010年7月9日
發明者佐藤能久, 坂本祥, 高橋賢一 申請人:索尼公司