CN102608814B - 一种连续变焦菲涅尔透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连续变焦菲涅尔透镜，其上、下平面基板的电极面中至少一个形成菲涅尔波带图案电极，相邻波带之间绝缘隔开：各奇数波带分别以一公共引线电极引出，各偶数波带分别以另一公共引线电极引出；或第一波带以一独立引线电极引出，第一波带之外的各奇数波带分别以一公共引线电极引出，各偶数波带分别以另一公共引线电极引出；通过向各引线电极和图案电极间施加电压，调整图案覆盖区域的液晶层有效折射率，改变光束通过时光程，使图案电极不同区域的光程差按菲涅尔波带聚集要求分布。本发明设计双波带或三波带电极图案，通过调节奇偶波带驱动电压大小，可改变液晶折射率，实现二级焦距调节，其连续变焦效果好且变焦范围理论上不受限制。

Description

一种连续变焦菲涅尔透镜

技术领域

本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种利用电场改变液晶折射率而调焦的新型连续变焦菲涅尔透镜。

背景技术

透镜是基本的光学器件，在光学仪器和设备中随处可见。随着光学技术的发展，对透镜的要求越来越高，其一是要求透镜的焦距连续可调，其二是要求提供大焦距透镜。传统的变焦镜头，是通过机械运动使透镜之间的空间位置发生改变，从而达到改变焦距的目的，这种镜头不符合当今镜头薄型化、轻型化、能耗小的要求。之后发展出了一些电控变焦透镜，其中：有的能够实现变焦效果，但电极控制复杂；有的控制简单，但调焦很粗糙；有的能够达到控制简单、调焦精细的要求，但是调焦范围很小，从而限制其只能应用于通光孔径小，调焦范围小的领域。

公开号为“CN1367398A”的发明专利公开说明书披露了一种连续变焦菲涅尔透镜，由上下两个玻璃平面基板和液晶夹层组成，平面基板内表面的ITO导电膜被刻蚀成波带电极结构，通过电场控制液晶层的折射率，使穿过相邻波带间的两光束到主焦点的位相差为2π，使主焦距在0.5f～2f范围内连续变化。该菲涅尔透镜中的奇(偶)数带为ITO电极，用一条引线连接并引出，偶(奇)数带刻蚀掉，对液晶层采用单波带控制，存在一定的限制：一方面，只能在原有焦距的0.5～2倍之间变焦，无法随意(无限制)地变焦；另一方面，通光孔径无法做大，不能用于眼镜等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种连续变焦菲涅尔透镜，为一种调焦精细，控制简单，通光孔径原理上不受限制，焦距可调范围理论上也不受限制的新型液晶变焦透镜。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，一种连续变焦菲涅尔透镜，用于对从光源发射出来的光束进行连续变焦，其液晶盒具有上平面基板和下平面基板，所述上平面基板和所述下平面基板之间封装液晶层，所述上平面基板和所述下平面基板分别设有一个电极面，所述上平面基板和所述下平面基板分别以相应电极面为内表面，所述上平面基板的电极面和所述下平面基板的电极面中的至少一个形成菲涅尔波带图案电极，所述菲涅尔波带图案电极中，相邻的奇数波带和偶数波带之间绝缘隔开，其中：

各奇数波带分别以一公共引线电极引出，各偶数波带分别以另一公共引线电极引出；

或者，第一波带以一独立引线电极引出，第一波带之外的各奇数波带分别以一公共引线电极引出，各偶数波带分别以另一公共引线电极引出；

通过向各引线电极和图案电极间施加一定关系的电压，调整图案覆盖区域的液晶层有效折射率，改变光束通过时的光程，使图案电极不同区域的光程差按菲涅尔波带聚集的要求分布。

较优地，所述上平面基板和所述下平面基板的电极面中至少一个形成菲涅尔波带图案电极，采用以下两种设置方式之一：

所述上平面基板的电极面或所述下平面基板的电极面上形成所述菲涅尔波带图案电极，在菲涅尔波带图案所对应的另一平面基板的该区域位置的电极面是一个整体且没有图案；

所述上平面基板和所述下平面基板的电极面上均形成所述菲涅尔波带图案电极，在菲涅尔波带图案区域，所述上平面基板和所述下平面基板的图案镜像对称且各引线电极不交迭。

较优地，相邻的奇数波带和偶数波带之间绝缘分开，绝缘间隙在5μm以下。

较优地，各电极引线采用以下连接方式之一：

以一公共引线电极将所有的奇数波带电极连接起来并引出，以另一公共引线电极将所有的偶数波带电极连接起来并引出，且两条公共引线电极之间绝缘隔开；

或者，第一波带以一独立引线电极并引出，以一公共引线电极将第一波带之外的所有的奇数波带电极连接起来并引出，以另一条公共引线电极将所有偶数波带电极连接起来并引出，三条引线电极之间彼此绝缘隔开。

较优地，施加在各引线电极和图案电极的驱动电压值为选择性的控制值，各驱动电压值可独立控制或关联控制。

较优地，驱动电压在改变液晶对光束的有效折射率时，满足下述公式的要求：

$f_{\mathrm{LCFZ}}^{\′}={r_1}^2/\mathrm{\λ}=\frac{{r_1}^2}{[n_1\left(V_1^{\′}\right)-n_{\mathrm{eff}\left(2k\right)}\left(V_2\right)]d+b+[n_{\mathrm{eff}(2k+1)}\left(V_3\right)-n_{\mathrm{eff}\left(2k\right)}\left(V_2\right)]d}.......k=\mathrm{1,2,3}...$

所述公式中各参数含义分别是：

r₁——第一波带的半径；

λ——通过液晶层的光束波长；

n₁——第一波带液晶层对光束通过时的有效折射率；

V′₁——施加在第一波带电极的驱动电压；

n_eff(2k)——第2k个波带液晶层对光束通过时的有效折射率；

V₂——所有偶数波带电极上所施加的驱动电压；

V₃-除第一波带外，所有奇数波带电极所施加的驱动电压；

d——液晶盒的盒厚；

b——为光束通过所述菲涅尔透镜后，相邻波带的出射光到焦点的空间光程差。

较优地，液晶层使该光束通过时光程变化量最大值至少大于1/2λ。

较优地，入射光束是可见光，其中：液晶盒的盒厚3～6μm；各波带对应液晶层部分的折射率为1.2-1.7；各波带对应液晶层部分的引线电极驱动电压为2～5伏。

较优地，液晶层为平行取向型液晶层、垂直取向型液晶、90度或180度扭曲型液晶层之一，且所述上平面基板的电极面和所述下平面基板的电极面上分别涂有液晶取向层。

较优地，采用电场调制液晶层的折射率，该菲涅尔透镜通光孔径大小不受限制，焦距可调范围大小也不受限制。

与现有技术相比，本发明的菲涅尔透镜通过对平面基板电极进行双波带或三波带电极图案设计，可进行两级调焦：通过独立或关联控制双波带或三波带位置处液晶的翻转电压，从而改变光程差，实现菲涅尔波带的透光效果；并通过调节奇偶波带驱动电压大小来改变焦距，改变液晶折射率，可很好地实现连续变焦效果，而且变焦范围理论上不受限制。

附图说明

图1是本发明连续变焦菲涅尔透镜沿光线入射方向的截面示意图；

图2是图1中上、下平面基板电极图案的示意图；

图3是图2中下平面基板电极图案的俯视图。

具体实施方式

本发明连续变焦菲涅尔透镜的基本构思是，对平面基板电极进行双波带或三波带图案设计，通过独立或关联控制双波带或三波带位置驱动电压，改变液晶折射率，实现连续变焦。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，表示本发明连续变焦菲涅尔透镜(以下简称透镜)沿光线入射方向的一个纵向截面。该透镜的基本结构类似于普通液晶盒，具体包括上平面基板1、上平面基板电极2、上液晶取向层3、密封构件4、液晶层5、下液晶取向层6、下平面基板电极7及下平面基板8等部分，其中：

上平面基板1和下平面基板8为透明的平板，具体可由玻璃材料制成，它们对称平行放置，构成一约为3～4μm厚的液晶盒；

液晶层5为平行取向型、垂直取向型、90度，180度扭曲型或其它类型液晶材料，其夹在上平面基板1、下平面基板8和树脂构成的密封构件4之间；

上平面基板电极2和下平面基板电极7为ITO导电膜的电极，它们中至少一个设置菲涅尔波带图案，具体可采用上、下平面基板电极图案完全相同的方案，也可采用其中一个平面基板电极内侧面设置电极图案而另一平面基板电极内侧面无图案的实施方案；

上平面基板电极2和下平面基板电极7的内侧表面上分别均匀涂有上液晶取向层3和下液晶取向层6，它们为聚酰亚胺取向层，优选地被单方向摩擦；当然，在一定情况下，也可不设置液晶取向层，主要根据液晶层的材料确定。

参见图2、图3，表示本发明连续变焦菲涅尔透镜的一个优选实施例。本实施例的关键在于上平面基板电极1和下平面基板电极8的电极图案设计，具体是在上平面基板电极和下平面基板电极上分别设置菲涅尔波带图案，且两者图案及引线结构相同，其中：

相邻的奇数波带和偶数波带之间刻蚀出绝缘间隙，该绝缘间隙越小越好，最好是在5μm以下；为了取得更好的绝缘效果，可优选地在绝缘间隙之间填充有绝缘层绝缘材料，由此使得奇数波带和偶数波带之间可靠地绝缘隔开；

上平面基板电极2和下平面基板电极7的第一波带以独立引线P1、P1’接出，第一波带之外的各奇数波带分别以公共引线P2、P2’接出，各偶数波带分别以公共引线P3、P3’接出，由此构成三波带控制的方式；这些引线分别加入预设的驱动电压后，就可使得液晶盒中的液晶折射率呈现预定的分布，从而模拟出菲涅耳透镜的效果。

本实施例可进行一定优化设或计变形设计：

例如，接出引线尽量不重合(即引线之间非为0°)，优选地使上平面基板的电极引线方向和下平面基板的电极引线方向之间成180°，当然也可以有其它选择(0°～180°的其它角度)；

又如，三根引线的控制电压可以独立控制，也可关联控制；

再如，也可采用双波带控制方式，即各奇数波带和各偶数波带分别以一公共引线接出，原理与三波带控制方式相同。

在本实施例中，通过对上、下平面基板电极施加电压，在液晶盒中形成带状电场；通过带状电场控制液晶偏转，改变光程差，就可达到菲涅尔波带透光的效果；并且，通过改变电压的大小可以较好地控制焦距的改变。其关键在于进行二级调焦，下面进一步进行说明。

1、调节第1，2，4，6，....n_2k个波带的光程差，进行一级调焦(主焦距调焦)，决定焦距的“中心值”为：

$f_{\mathrm{LCFZ}}={r_1}^2/\mathrm{\λ}=\frac{{r_1}^2}{[n_1\left(V_1\right)-n_{\mathrm{eff}\left(2k\right)}\left(V_2\right)]d+b}.......k=\mathrm{1,2,3}...---\left(1\right)$

2、通过调节，第1，3，5，7，...2k+1波带的光程差，在焦距的“中心值”一定范围内，进行二级调焦，此时焦距为：

$f_{\mathrm{LCFZ}}^{\′}={r_1}^2/\mathrm{\λ}=\frac{{r_1}^2}{[n_1\left(V_1^{\′}\right)-n_{\mathrm{eff}\left(2k\right)}\left(V_2\right)]d+b+[n_{\mathrm{eff}(2k+1)}\left(V_3\right)-n_{\mathrm{eff}\left(2k\right)}\left(V_2\right)]d}.......k=\mathrm{1,2,3}...---\left(2\right)$

所述公式(1)、(2)中，各参数含义及取值分别：

r₁——第一波带的半径，大于0；

λ——波长，一般取可见光中心波长550nm；

n₁——第一波带所对应液晶部分的折射率，取值范围1.2-1.7；

V₁——第一波带所对应液晶部分电极的驱动电压，取值范围2-4伏；

n_eff(2k)——第2k个波带所对应液晶部分的有效折射率，取值范围1.2-1.7；

V₂——偶数波带所对应液晶部分的驱动电压，取值范围2-4伏；

d——液晶盒的盒厚，取值范围3-4um；

b——为光束通过所述菲涅尔透镜后，相邻波带的出射光到焦点的空间光程差其大小与菲涅尔波带的图案有关。

V₃-奇数波带所对应液晶部分的驱动电压，取值范围2-4伏；

V′₁-第二次调节时第一波带所对应部分液晶的驱动电压，取值2-4伏。

本实施例中，上平面基板和下平面基板构成的液晶盒的盒厚3～4μm，各波带对应液晶层部分的折射率为1.2-1.7，各波带对应液晶层部分的引线驱动电压为2～4伏，可以取得较好的预期调焦效果。当然，根据不同产品的设计要求，也可相应选择其它参数，在此不再赘述。

由此，本发明的透镜通过两级焦距调节，使得透镜的焦距可以在任意范围内连续变化；其也不再受第一波带半径r1的限制，通光孔径能够做大，可将其用于诸如变焦眼镜等大通光孔径的领域。

特别地，本发明通过调节奇偶波带驱动电压大小来改变焦距，改变液晶折射率，可很好地实现连续变焦效果，而且变焦范围理论上不受限制。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，所述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种连续变焦菲涅尔透镜，用于对从光源发射出来的光束进行连续变焦，其液晶盒具有上平面基板和下平面基板，所述上平面基板和所述下平面基板之间封装液晶层，所述上平面基板和所述下平面基板分别设有一个电极面，所述上平面基板和所述下平面基板分别以相应电极面为内表面，所述上平面基板的电极面和所述下平面基板的电极面中的至少一个形成菲涅尔波带图案电极，其特征在于，所述菲涅尔波带图案电极中，相邻的奇数波带和偶数波带之间绝缘隔开，绝缘间隙在5μm以下，其中：

各奇数波带分别以一公共引线电极引出，各偶数波带分别以另一公共引线电极引出；

或者，第一波带以一独立引线电极引出，第一波带之外的各奇数波带分别以一公共引线电极引出，各偶数波带分别以另一公共引线电极引出；

通过向各引线电极和图案电极间施加一定关系的电压，调整图案覆盖区域的液晶层有效折射率，改变光束通过时的光程，使图案电极不同区域的光程差按菲涅尔波带聚集的要求分布。

2.如权利要求1所述的连续变焦菲涅尔透镜，其特征在于，所述上平面基板和所述下平面基板的电极面中至少一个形成菲涅尔波带图案电极，采用以下两种设置方式之一：

所述上平面基板的电极面或所述下平面基板的电极面上形成所述菲涅尔波带图案电极，在菲涅尔波带图案所对应的另一平面基板的该区域位置的电极面是一个整体且没有图案；

所述上平面基板和所述下平面基板的电极面上均形成所述菲涅尔波带图案电极，在菲涅尔波带图案区域，所述上平面基板和所述下平面基板的图案镜像对称且各引线电极不交迭。

3.如权利要求1所述的连续变焦菲涅尔透镜，其特征在于，各电极引线采用以下连接方式之一：

以一公共引线电极将所有的奇数波带电极连接起来并引出，以另一公共引线电极将所有的偶数波带电极连接起来并引出，且两条公共引线电极之间绝缘隔开；

或者，第一波带以一独立引线电极并引出，以一公共引线电极将第一波带之外的所有的奇数波带电极连接起来并引出，以另一条公共引线电极将所有偶数波带电极连接起来并引出，三条引线电极之间彼此绝缘隔开。

4.如权利要求1所述的连续变焦菲涅尔透镜，其特征在于，施加在各引线电极和图案电极的驱动电压值为选择性的控制值，各驱动电压值可独立控制或关联控制。

5.如权利要求1所述的连续变焦菲涅尔透镜，其特征在于，液晶层为平行取向型液晶层、垂直取向型液晶、90度或180度扭曲型液晶层之一，且所述上平面基板的电极面和所述下平面基板的电极面上分别涂有液晶取向层。