CN103076705A

CN103076705A - 一种基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列

Info

Publication number: CN103076705A
Application number: CN2013100016490A
Authority: CN
Inventors: 李青; 严静; 胡凯; 崔勇扬; 刘佩琳
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明涉及一种基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，尤其涉及一种电控可变焦液晶透镜及阵列。本发明包括相互连接的偏振控制部分、液晶透镜部分组成，偏振控制部分包括两块平行布置的前基板、后基板，前基板与后基板之间通过第一衬垫料连接，前基板包括依次布置的前基板玻璃、公共电极层、前取向层，后基板包括依次布置的后基底玻璃、像素电极，后取向层，前取向层、后取向层相对设置；前取向层与后取向层之间灌入液晶。本发明实现了具有调制电压小，调焦范围大的特点，并且工艺与液晶显示制造工艺相兼容的目的。

Description

一种基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列

技术领域

本发明涉及一种基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，尤其涉及一种电控可变焦液晶透镜及阵列。

背景技术

液晶透镜阵列器件具有体积小，重量轻，功耗小等优势，其无需机械部件实现可调焦距的特点表现出独有的优势。经过近几年的发展，液晶可变焦透镜及阵列在光通讯器件、光纤开关、光偏转器件、3D显示、集成图像系统及图像处理等各种领域具有极大的潜在应用价值。

目前可调焦距液晶透镜形成的根本机制在于产生调制透镜中间和边缘的光程差，在液晶透镜中形成梯度折射率变化的轮廓，以实现电场调制焦距的变化。实现梯度折射率的变化按液晶层厚度是否均匀来分类，主要有两种，即均匀液晶层厚度结构和非均匀液晶层厚度结构。

均匀液晶层厚度结构，在由上下两块玻璃基板构成的液晶屏采用平行取向构成平行均匀排列的液晶。前基板从玻璃基板起，分别是公关电极层、取向层；后基板从玻璃基板起，依次是圆孔形电极层、取向层。液晶屏的厚度由分散在玻璃基板内表面的衬垫决定，液晶屏内部灌注向列相液晶。圆孔电极结构液晶可变焦透镜的工作原理是在圆孔行电极层上施加工作电压，在液晶区域产生非均匀电场分布，液晶分子在不均匀电场作用下，发生非均匀偏转，导致其折射率空间分布也发生非均匀变化，从而使光束聚焦在特定位置。当调控电压改变时，微透镜焦点位置发生变化，从而完成了微透镜焦点位置的调控过程。

非均匀液晶层厚度结构，调控区域内的液晶呈凹面或凸面型结构，由聚合物采用光刻或模压等方法控制，上下玻璃基板电极层均为平面或者随聚合物三维结构呈曲面。利用聚合物材料与液晶材料的折射率差，形成一个微透镜结构，使光束聚焦在特定位置。施加电压时，液晶折射率随电压发生变化，从而实现微透镜的焦距控制。

随着三维显示及光通信等技术的发展，对液晶透镜焦距变化范围要求进一步提高。

发明内容

本发明目的是提供一种具有调制电压小，调焦范围大的特点，并且工艺与液晶显示制造工艺相兼容的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列。

一种基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，包括相互连接的偏振控制部分、液晶透镜部分组成，偏振控制部分包括两块平行布置的前基板、后基板，前基板与后基板之间通过第一衬垫料连接，前基板包括依次布置的前基板玻璃、公共电极层、前取向层，后基板包括依次布置的后基底玻璃、像素电极，后取向层，前取向层、后取向层相对设置；前取向层与后取向层之间灌入液晶；

液晶透镜部分包括上基底玻璃、两块平行布置的取向层，前基板玻璃上远离公共电极层的一侧布置上基底玻璃，上基底玻璃与前基板玻璃之间布置两块取向层，两块取向层之间通过第二衬垫料连接；与前基板玻璃连接的取向层上朝向上基底玻璃的一侧采用点胶、光刻或模压方法得到聚合物半球状凸型或凹型三维结构；两块取向层之间灌入向列相液晶。

比较好的是，本发明的公共电极层、像素电极由透明导电薄膜制成。

比较好的是，本发明的前基板玻璃、后基底玻璃的厚度为0.4～1.1mm。

比较好的是，本发明的前取向层的厚度为100nm～5um。

比较好的是，本发明的像素电极的宽度为10mm～5mm。

比较好的是，本发明的前取向层、后取向层、取向层的厚度为100nm～5um。

比较好的是，本发明的第一衬垫料为球状或棒状，厚度为1um～10um。

比较好的是，本发明的聚合物半球状三维结构的透镜孔径10um～10mm，高度5um～5mm。

比较好的是，本发明的第二衬垫料为球状或棒状，厚度为20um～200um。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1、本发明的新型结构焦距可调液晶微透镜阵列，利用控制入射光偏振状态，调制电压低。

2、本发明的新型结构焦距可调液晶微透镜阵列，可以选择合适的聚合物和液晶材料材料参数，可调焦距范围大，并且可以实现凹凸透镜转换。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明的另一种结构示意图。

图3是本发明的第三种结构示意图。

图中：1、偏振控制部分；2、液晶透镜部分；3、前基板；4、前基底玻璃；5、公共电极层；6、前取向层；7、后基板；8、后基底玻璃；9、像素电极；10、后取向层；11、第一衬垫料；12、液晶；13、上基底玻璃；14、取向层；15、聚合物半球状三维结构；16、第二衬垫料；17、向列相液晶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例一，基于偏振控制的电控可调焦液晶凸透镜及阵列：

如图1所示：一种基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，该结构主要由偏振控制部分1和液晶透镜部分2两部分组成。偏振控制部分1是由前基板3、后基板7构成的液晶屏，前基板3包括前基底玻璃4、透明导电薄膜构成的公共电极层5、覆盖在公共电极层5上的前取向层6；后基板7包括后基底玻璃8、透明导电薄膜构成的像素电极9、覆盖在像素电极9上的后取向层10。对前后基板分别进行摩擦取向，使前后基板摩擦方向相互垂直。在前基板表面喷散一定直径的球状衬垫料或棒状第一衬垫料11，厚度取决于响应时间与液晶材料的要求和选择。将前后基板封成一定厚度的液晶屏，灌入液晶12，形成偏振控制部分1。液晶透镜部分2由偏振控制部分1的前基底玻璃4及另外一块上基底玻璃13组成，前基底玻璃4与上基底玻璃13上分别覆盖有取向层14，采用摩擦或者光致取向的方法使取向方向相互平行。在前基底玻璃4取向层上采用点胶，光刻或模压等方法得到聚合物半球状凸型或凹型三维结构15。采用一定厚度的第二衬垫料16将前基底玻璃4及上基底玻璃13封成一定厚度的液晶屏，灌入向列相液晶17，就形成液晶透镜部分2。

该液晶透镜的工作原理如下：选取聚合物三维结构15材料折射率n_p满足n_p>n_e>n_o，其中n_o为液晶寻常光折射率，n_e为液晶费寻常光折射率。在偏光控制部分1像素电极9和公共电极5之间施加交流方波的电压，在像素电极9和公共电极4间形成电场，液晶12分子在电压作用下产生偏转，当外加电压小于液晶12阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向扭转90度，对于液晶透镜部分2而言，入射光偏振方向垂直于向列相液晶17光轴，向列相液晶17等效折射率为n_o，与聚合物三维结构15存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程大于边缘的光程，呈凸透镜。当外加电压远大于液晶12阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向不发生改变，对于液晶透镜部分2而言，入射光偏振方向平行于向列相液晶17光轴，向列相液晶17等效折射率为n_e，与聚合物三维结构15存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程大于边缘的光程，呈凸透镜。此时透镜中心与边缘的光程差大于外加电压小于液晶12阈值电压时的光程差，通过调节外加电压电压大小，可以实现对透镜焦距的调控。

实施例二，基于偏振控制的电控可调焦液晶凹透镜及阵列：

若聚合物三维结构15材料折射率n_p满足n_p<n_o<n_e。在偏光控制部分1像素电极9和公共电极5之间施加交流方波的电压。当外加电压小于液晶12阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向扭转90度，对于液晶透镜部分2而言，入射光偏振方向垂直于向列相液晶17光轴，向列相液晶17等效折射率为n_o，与聚合物三维结构15存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程小于边缘的光程，呈凹透镜。当外加电压远大于液晶12阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向不发生改变，对于液晶透镜部分2而言，入射光偏振方向平行于向列相液晶17光轴，向列相液晶17等效折射率为n_e，与聚合物三维结构15存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程小于边缘的光程，呈凹透镜。此时透镜中心与边缘的光程差大于外加电压小于液晶12阈值电压时的光程差，通过调节外加电压电压大小，可以实现对透镜焦距的调控。

实施例三，基于偏振控制的电控可调焦液晶凹凸可变透镜及阵列：

若聚合物三维结构15材料折射率n_p满足n_o<n_p<n_e。在偏光控制部分1像素电极9和公共电极5之间施加交流方波的电压。当外加电压小于液晶12阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向扭转90度，对于液晶透镜部分2而言，入射光偏振方向垂直于向列相液晶17光轴，向列相液晶17等效折射率为n_o，与聚合物三维结构15存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程大于边缘的光程，呈凸透镜。当外加电压远大于液晶12阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向不发生改变，对于液晶透镜部分2而言，入射光偏振方向平行于向列相液晶17光轴，向列相液晶17等效折射率为n_e，与聚合物三维结构15存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程小于边缘的光程，呈凹透镜。此时透镜中心与边缘的光程差大于外加电压小于液晶12阈值电压时的光程差，通过调节外加电压电压大小，可以实现对透镜焦距的调控，并且实现透镜凹凸可电控转变。

实施例四，基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列：

在上述实施例一、二、三中，可以将聚合物三维结构15设计成如图2结构所示，聚合物三维结构15为下凹型。通过选取不同折射率的聚合物，像素电极9和公共电极5之间外加电压控制入射光偏振方向，实现对透镜焦距的调控，并可实现透镜凹凸可加电控制。

实施例五,基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列：

在上述实施例一、二、三、四中，像素电极9可以设计成条状电极或者矩形电极，像素电极9宽度为5mm～10mm，取决于分辨率要求。如图3所示。通过控制各像素电极9上的电压值，可实现对应透镜焦距调制，构成了本发明的实施例五，实施例二构成的透镜阵列的工作原理如实施例一、二、三。

本发明的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，在偏光控制部分像素电极施加交流方波的电压，在像素电极和公共电极间形成电场，液晶分子在电压作用下产生偏转，从而使入射光偏振状态发生改变，在不同电压作用下，入射光偏振特性不同，实现电压对入射光偏振状态的控制。

液晶透镜部分，当聚合物三维结构材料折射率n_p满足n_p>n_e>n_o，当偏振控制部分外加电压小于液晶阈值电压，经过偏振片的入射光偏振方向扭转90度，对于液晶透镜部分而言，入射光偏振方向垂直于向列相液晶光轴，向列相液晶等效折射率为n_o，与聚合物半球状凸型三维结构存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程大于边缘的光程，呈凸透镜。当外加电压远大于液晶阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向不发生改变，对于液晶透镜部分而言，入射光偏振方向平行于向列相液晶光轴，向列相液晶等效折射率为n_e，与聚合物半球状凸型三维结构存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程大于边缘的光程，呈凸透镜。此时透镜中心与边缘的光程差大于外加电压小于液晶阈值电压时的光程差，通过调节外加电压电压大小，可以实现对透镜焦距的调控。

当聚合物三维结构材料折射率n_p满足n_p<n_o<n_e，当偏振控制部分外加电压小于液晶阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向扭转90度，对于液晶透镜部分而言，入射光偏振方向垂直于向列相液晶光轴，向列相液晶等效折射率为n_o，与聚合物半球状凸型三维结构存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程小于边缘的光程，呈凹透镜。当外加电压远大于液晶阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向不发生改变，对于液晶透镜部分而言，入射光偏振方向平行于向列相液晶光轴，向列相液晶等效折射率为n_e，与聚合物半球状凸型三维结构存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程小于边缘的光程，呈凹透镜。此时透镜中心与边缘的光程差大于外加电压小于液晶阈值电压时的光程差，通过调节外加电压电压大小，可以实现对透镜焦距的调控。

当聚合物三维结构材料折射率n_p满足n_o<n_p<n_e，当偏振控制部分外加电压小于液晶阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向扭转90度，对于液晶透镜部分而言，入射光偏振方向垂直于向列相液晶光轴，向列相液晶等效折射率为n_o，与聚合物半球状凸型三维结构存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程大于边缘的光程，呈凸透镜。当外加电压远大于液晶阈值电压时，经过偏振片的入射光偏振方向不发生改变，对于液晶透镜部分而言，入射光偏振方向平行于向列相液晶光轴，向列相液晶等效折射率为n_e，与聚合物半球状凸型三维结构存在折射率差，通过透镜中心的入射光光程小于边缘的光程，呈凹透镜。通过调节外加电压电压大小，可以实现对透镜焦距的调控，并且实现透镜凹凸可电控转变。

当聚合物三维结构设计成半球状凹型三维结构时，通过控制聚合物的折射率大小，利用偏振控制部分控制入射光偏振状态，可以实现器件的电压焦距可调特性，并且可以实现凹凸透镜可转换。

本实施例仅给出了部分具体的应用例子，但对于从事平板显示器的专利人员而言，还可根据以上启示设计出多种变形产品，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims

1.一种基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于包括相互连接的偏振控制部分（1）、液晶透镜部分（2）组成，偏振控制部分（1）包括两块平行布置的前基板（3）、后基板（7），前基板（3）与后基板（7）之间通过第一衬垫料（11）连接，前基板（3）包括依次布置的前基板玻璃（4）、公共电极层（5）、前取向层（6），后基板（7）包括依次布置的后基底玻璃（8）、像素电极（9），后取向层（10），前取向层（6）、后取向层（10）相对设置；前取向层（6）与后取向层（10）之间灌入液晶（12）；

液晶透镜部分（2）包括上基底玻璃（13）、两块平行布置的取向层（14），前基板玻璃（4）上远离公共电极层（5）的一侧布置上基底玻璃（13），上基底玻璃（13）与前基板玻璃（4）之间布置两块取向层（14），两块取向层（14）之间通过第二衬垫料（16）连接；与前基板玻璃（4）连接的取向层（14）上朝向上基底玻璃（13）的一侧采用点胶、光刻或模压方法得到聚合物半球状凸型或凹型三维结构（15）；两块取向层（14）之间灌入向列相液晶（17）。

2.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述公共电极层（5）、像素电极（9）由透明导电薄膜制成。

3.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述前基板玻璃（4）、后基底玻璃（8）的厚度为0.4～1.1mm。

4.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述前取向层（6）的厚度为100nm～5um。

5.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述像素电极（9）的宽度为10mm～5mm。

6.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述前取向层（6）、后取向层（10）、取向层（14）的厚度为100nm～5um。

7.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述第一衬垫料（11）为球状或棒状，厚度为1um～10um。

8.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述聚合物半球状三维结构（15）的透镜孔径10um～10mm，高度5um～5mm。

9.根据权利要求1所述的基于偏振控制的电控可调焦液晶透镜及阵列，其特征在于上述第二衬垫料（16）为球状或棒状，厚度为20um～200um。