复合微透镜阵列及其制备方法和3D裸眼显示方法技术

本发明专利技术提供了复合微透镜阵列及其制备方法和3D裸眼显示方法，包括聚合物稳定液晶薄膜构成的定焦的聚合物稳定液晶微透镜阵列和向列相液晶层构成的可电控变焦的向列相液晶子微透镜阵列，构建了非机械式电控光学变焦成像系统，利用其光学成像特性，实现了3D裸眼显示的功能。本发明专利技术通过使高分子薄膜与向列相液晶层的偏振方向保持正交，解决了液晶器件的偏振、向错线问题，具有偏振无关特性。本发明专利技术的液晶透镜采用TFT式电极结构，使器件内部中央区域存在电场分布，并诱导该区域的液晶分子旋转、排列，形成比传统液晶透镜更接近于理想抛物线的折射率分布。物线的折射率分布。物线的折射率分布。

【技术实现步骤摘要】
复合微透镜阵列及其制备方法和3D裸眼显示方法


[0001]本专利技术属于裸眼3D显示
，具体涉及复合微透镜阵列及其制备方法和3D裸眼显示方法。

技术介绍

[0002]现有3D显示方法存在视疲劳与3D感观差等问题，在文化、娱乐等大众消费领域使用效果亟待改进，更是无法满足医疗、军事等高端应用领域的需求，而采用液晶微透镜阵列的裸眼3D显示是解决此类问题的有效方法。该方法的意义在于：可充分利用液晶微透镜阵列电控变焦特性，能较完美呈现3D场景内丰富的信息，并具有连续视角和空间深度感，更符合人眼观看习惯。
[0003]为了实现液晶微透镜阵列，各国学者尝试了诸如模式电极法(modal addressing)、聚合物网络法(polymer network)、表面浮雕法(surface-relief profile)和曲率电极法(curved electrode)等方法。这些方法利用液晶双折射率性质，在电场作用下诱导液晶形成梯度折射率分布，入射光经过液晶层后产生光程差，最终形成可电控相位调制的效果。然而，这些方法多采用向列相液晶，器件对入射光具有偏振依赖性，且光透过率仅为50％；由于液晶层内非均匀电场分布形式，常与液晶水平取向方式互相影响，易造成液晶分子转向的不连续性，产生向错线问题。偏振和向错线问题会严重影响液晶器件的成像性能，是制约液晶微透镜阵列在3D显示中应用的主要瓶颈。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：提供复合微透镜阵列及其制备方法和3D裸眼显示方法，用于通过液晶复合微透镜阵列实现3D裸眼显示的功能。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种复合微透镜阵列，包括各层依次为TFT式电极结构、聚合物稳定液晶薄膜构成的定焦的聚合物稳定液晶微透镜阵列、向列相液晶层构成的可电控变焦的向列相液晶子微透镜阵列、取向层、下导电层；向列相液晶层的取向方向与聚合物稳定液晶薄膜的取向方向正交。
[0006]按上述方案，还包括下玻璃衬底；下玻璃衬底在复合式结构的下导电层的外侧。
[0007]按上述方案，TFT式电极结构包括栅电极层、源漏电极层、绝缘介质层、高阻抗介质层、上玻璃衬底、玻璃衬底；栅电极层与源漏电极层由绝缘介质层隔开，高阻抗介质层在TFT式电极结构的源漏电极层的外侧，上玻璃衬底在高阻抗介质层的外侧，玻璃衬底在栅电极层的外侧。
[0008]复合微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1：制备聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列的材料；
[0010]S2：制作聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列器件。
[0011]进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：
[0012]S21：复合微透镜阵列的上电极是TFT式电极结构的ITO电极层，采用光刻、湿法腐
蚀制备出圆孔阵列电极图案，再采用非晶铟镓锌氧化物a-IGZO作为高阻抗层涂抹至电极图案处，通过多次退火，形成TFT式电极结构的栅电极层和源漏电极层；
[0013]S22：采用NOA81、E7向列相液晶、紫外光敏单体为4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸2-甲基-1,4-苯酯RM257、光引发剂为IRG-184，按照质量比例35：63：1：1制备混合物；再使用1.3mW/cm2的紫外光结合图案为圆孔阵列的光掩模版照射30分钟，并热剥离下电极版，获得聚合物稳定液晶微透镜阵列层；
[0014]S23：采用PVA制备下电极基板的取向层，取向方向与聚合物稳定液晶微透镜阵列的取向方向垂直；
[0015]S24：使用AB胶混合间隔子spacer制备出缺口上极板的液晶盒子，与步骤S22制备出的聚合物稳定液晶微透镜阵列组合形成液晶盒子，通过毛细现象灌入Merck E7液晶，获得聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列。
[0016]基于复合微透镜阵列的3D裸眼显示方法，包括以下步骤：
[0017]S1：制备聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列作为液晶器件，构建非机械式电控光学变焦成像系统；
[0018]S2：对聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列外加电场，根据高斯成像公式得到采用复合式微透镜阵列的液晶器件的成像公式与电压的关系；
[0019]S3：进行对焦功能、变焦功能、不同物距下图像放大率的共轴测量实验，获得聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列的光学成像特性：
[0020]S4：通过集成成像3D显示实验测量裸眼3D显示图像的视角、分辨率、场景景深：
[0021]S5：评估偏振、向错线问题对3D显示的影响，实现3D裸眼显示。
[0022]进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：
[0023]S21：将液晶器件等效为电容，设S为液晶器件上、下两片基板电极重叠部分面积，d为液晶层厚度，ε0为真空介电常数，ε
LC
为液晶的介电常数，则液晶器件的液晶层的等效电容为
[0024][0025]S22：对栅电极层、源漏电极层加载一定幅值和频率的方波信号，使液晶器件在初始、充电及保持三种状态间切换；
[0026]S23：液晶器件在外加电场作用下形成相位调制，对一定波长的入射光产生相位差；设入射光波长为λ，非寻常光折射率为n
e
，寻常光折射率为n
o
，则相位差Δφ为：
[0027][0028]设当电场作用于液晶器件时，液晶指向矢旋转至角度θ，则由非寻常光产生的有效折射率为：
[0029][0030]进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：
[0031]S31：将液晶器件、待测量物体与CCD相机放置在同一光轴上，给液晶器件加载并调节电压，在CCD相机处获得不同电压下的二维图像；
[0032]S32：计算不同电压下的焦距，得到液晶器件的电压与焦距的关系；
[0033]S33：计算不同物距下的图像放大率。
[0034]进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：
[0035]S41：将液晶器件、待测量物体与CCD相机放置在同一光轴上，给液晶器件加载并调节电压，在CCD相机处获得不同电压下的二维图像；
[0036]S42：通过后向投影算法合成二维图像获得立体图像；
[0037]S43：通过调制传递函数MTF度量立体图像的分辨率，通过后向投影算法计算场景景深。
[0038]进一步的，所述的步骤S5中，具体步骤为：
[0039]S51：将液晶视为弹性体，采用周期边界、强锚定边界条件，假设液晶器件的下基板导电层的电势和无穷远处电势为零；
[0040]S52：采用电场作用下内部吉布斯自由能密度、液晶器件内部静电场麦克斯韦方程求解；
[0041]S53：以液晶粘滞作用作为耗散项，采用张弛耦合差分迭代数值方法，根据液晶指向矢在电场作用下的弛豫响应，计算二维液晶指向矢分布和二维电势分布；
[0042]S54：改变各介质层厚度、电极图案尺寸取值，从步骤S23循环模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合微透镜阵列，其特征在于：包括各层依次为TFT式电极结构、聚合物稳定液晶薄膜构成的定焦的聚合物稳定液晶微透镜阵列、向列相液晶层构成的可电控变焦的向列相液晶子微透镜阵列、取向层、下导电层；向列相液晶层的取向方向与聚合物稳定液晶薄膜的取向方向正交。2.根据权利要求1所述的一种复合微透镜阵列，其特征在于：还包括下玻璃衬底；下玻璃衬底在复合式结构的下导电层的外侧。3.根据权利要求1所述的一种复合微透镜阵列，其特征在于：TFT式电极结构包括栅电极层、源漏电极层、绝缘介质层、高阻抗介质层、上玻璃衬底、玻璃衬底；栅电极层与源漏电极层由绝缘介质层隔开，高阻抗介质层在TFT式电极结构的源漏电极层的外侧，上玻璃衬底在高阻抗介质层的外侧，玻璃衬底在栅电极层的外侧。4.基于权利要求1至3中任意一项所述的复合微透镜阵列的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：制备聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列的材料；S2：制作聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列器件。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：S21：复合微透镜阵列的上电极是TFT式电极结构的ITO电极层，采用光刻、湿法腐蚀制备出圆孔阵列电极图案，再采用非晶铟镓锌氧化物a-IGZO作为高阻抗层涂抹至电极图案处，通过多次退火，形成TFT式电极结构的栅电极层和源漏电极层；S22：采用NOA81、E7向列相液晶、紫外光敏单体为4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸2-甲基-1,4-苯酯RM257、光引发剂为IRG-184，按照质量比例35：63：1：1制备混合物；再使用1.3mW/cm2的紫外光结合图案为圆孔阵列的光掩模版照射30分钟，并热剥离下电极版，获得聚合物稳定液晶微透镜阵列层；S23：采用PVA制备下电极基板的取向层，取向方向与聚合物稳定液晶微透镜阵列的取向方向垂直；S24：使用AB胶混合间隔子spacer制备出缺口上极板的液晶盒子，与步骤S22制备出的聚合物稳定液晶微透镜阵列组合形成液晶盒子，通过毛细现象灌入Merck E7液晶，获得聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列。6.基于权利要求1至3中任意一项所述的复合微透镜阵列的3D裸眼显示方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：制备聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列作为液晶器件，构建非机械式电控光学变焦成像系统；S2：对聚合物稳定液晶和向列相液晶复合微透镜阵列外加电场，根据高斯成像公式得到采用复合式微透镜阵列的液晶器件的成像公式与电压的关系；S3：进行对焦功能、变焦功能、不同物距下图像放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，何燕成，余毅，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：