CN103091927B

CN103091927B - 一种模式控制级联型液晶微透镜阵列

Info

Publication number: CN103091927B
Application number: CN201310001865.5A
Authority: CN
Inventors: 李青; 崔勇扬; 严静; 胡凯; 刘佩琳
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103091927A

Abstract

一种模式控制级联型液晶微透镜阵列,涉及一种液晶微透镜阵列，尤其涉及一种级联型液晶微透镜阵列的技术领域。本发明包括平行布置的上基板、下基板；所述上基板包括依次布置的上基板玻璃、接地电极层、上基板取向层；所述的下基板包括下基板玻璃、接触电极层、高面电阻层、聚合物固体透镜及光取向层，上基板取向层、接触电极层之间布置衬垫；上基板取向层、接触电极层、衬垫形成的内部封装液晶层。本发明实现了焦距可调，低驱动电压、响应速度时间快速的目的。

Description

一种模式控制级联型液晶微透镜阵列

技术领域

本发明涉及一种液晶微透镜阵列，尤其涉及一种级联型液晶微透镜阵列的技术领域。

背景技术

液晶微透镜技术，其焦距可以由电压进行控制。而传统的固体透镜则需要通过不同的透镜组合，通过调整透镜之间的距离来控制焦距的变化。相较而言，液晶微透镜的最大优势在于体积小，省去笨重的机械装置，并且可以得到可调节的焦距特性，又称为自适应透镜。因此在光互联、自适应光学、光电存储、集成光学显示等领域具有极大的潜在应用价值。

常见的液晶自适应透镜，一般说来，有三种方法来产生类似于传统透镜梯度型折射率轮廓：（1）不均匀电场施加在不均匀液晶层上；（2）不均匀电场施加在均匀液晶层上；（3）均匀电场施加在不均匀液晶层。早期研制的液晶透镜采取的是第一种方式，通过在传统透镜形状的腔体内注入液晶，将液晶透镜与传统透镜的进行简单的组合，初步实现了焦距的变化调制。但是其缺点明显，主要为腔体的曲面上难以实现液晶分子取向，液晶盒的厚度的不均匀导致光的散射现象和响应时间不一致。第三种方式通过对液晶层的进行特殊处理，如使用单体对液晶层参杂使得液晶分子排列分布不均匀，达到调制透镜焦距的目的。缺点是这种在液晶层中引入其他物质的控制并不十分稳定。

第二种方式中液晶透镜和液晶平板显示技术一样都是均匀排列的液晶，技术上的兼容性使得应用最为广泛。这类液晶透镜的原理为液晶平行均匀排列，通过圆孔型电极、离散电极、抛物面状电极等不同的电极结构产生不均匀分布的电场来控制液晶分子形成类似于固体透镜的梯度型折射率轮廓分布，由于液晶分子的双折射特性，对于透镜边缘区域的液晶分子，其电势最强，液晶近似垂直排列，折射率为n_e,而透镜中心区域的液晶分子，由于电势最弱，则近似平行排列，折射率为n_o。根据透镜公式推算，液晶透镜的焦距为f=r²/2（n_e-n_o）d，其中r为控制电极的孔径半径，d为液晶盒厚。由于液晶的双折射率（n_e-n_o）很小，一般不超过0.2，为了达到更小的焦距要求，通常液晶透镜的厚度比较大。相较于早期的第一类液晶透镜，这类透镜的优点是在调焦过程中响应时间一致，没有光散射现象，缺点是生成的梯度型折射率曲线不够平滑，与传统透镜还有一定的差距，液晶透镜的厚度一般较大从而提高了驱动电压，增大了响应速度。

发明内容

本发明目的是提供一种焦距可调，低驱动电压、响应速度时间快速的模式控制级联型液晶微透镜阵列。

一种模式控制级联型液晶微透镜阵列，包括平行布置的上基板、下基板；所述上基板包括依次布置的上基板玻璃、接地电极层、上基板取向层；所述的下基板包括下基板玻璃、接触电极层、高面电阻层、聚合物固体透镜及光取向层，上基板取向层、接触电极层之间布置衬垫；上基板取向层、接触电极层、衬垫形成的内部封装液晶层。

比较好的是，本发明的高面电阻层为面电阻值范围0.1-10MΩ/sq的ZnO层或透明导电薄膜层。

比较好的是，本发明的上基板玻璃、下基板玻璃的厚度为0.4～1.1mm。

本发明与现有技术相比，具有如下的优势：

1、模式控制的优点在于折射率梯度型轮廓平滑，呈抛物线形，更接近于传统透镜的效果。

2、聚合物固体透镜本身有很小的焦距，模式控制方式起调焦作用，不需要很大的液晶盒厚度，也能产生很小的焦距。

3、通过选取合适的聚合物折射率n,可以形成凹透镜与凸透镜，并形成凹透镜和凸透镜之间的转变，响应速度时间快速。

不加电状态：边缘的光程L₁=n_ed，中心的光程L₂=n_e（d-h）+nh，光程差L₁-L₂=（n_e-n）h；加电状态下：边缘的光程L₁=n_od，中心的光程L₂=n_o（d-h）+nh，h为聚合物透镜最高点高度，d为液晶盒厚。光程差L₁-L₂=(n_o-n)h。其中，h为聚合物透镜最高点高度，d为液晶盒厚。

(1)n<n_o<n_e时，不加电时，L₁-L₂>0,为凹透镜;加电状态下，L₁-L₂>0,仍为凹透镜，为凹透镜焦距的调节。

(2)n_o<n<n_e时，不加电时，L₁-L₂>0,为凹透镜;加电状态下，L₁-L₂<0,为凸透镜，这种情况下则产生凹透镜与凸透镜的转变。

(3)n_o<n_e<n时，不加电时，L₁-L₂<0,为凸透镜;加电状态下，L₁-L₂<0,仍是凸透镜，为凸透镜焦距的调节。

4、应用光取向技术在曲面电极上对液晶进行取向。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图中：1、上基板；2、下基板；3、上基板玻璃；4、接地电极层；5、上基板取向层；6、液晶层；7、下基板玻璃；8、接触电极层；9、高面电阻层；10、聚合物固体透镜及光取向层；11、衬垫。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种模式控制级联型液晶微透镜阵列，包括平行布置的上基板1、下基板2；所述上基板1包括依次布置的上基板玻璃3、接地电极层4、上基板取向层5；所述的下基板2包括下基板玻璃7、接触电极层8、高面电阻层9、聚合物固体透镜及光取向层10，上基板取向层5、接触电极层8之间布置衬垫11；上基板取向层5、接触电极层8、衬垫11形成的内部封装液晶层6。

一种模式控制级联型液晶微透镜阵列，其结构为上下玻璃基板构成的液晶盒，下基板2由下向上从玻璃起，有下基板玻璃7，厚度为0.4～1.1mm、圆孔刻蚀（孔径大小由应用器件的分辨率决定）的透明导电薄膜构成的接触电极层8、覆盖在接触电极层8上的是高电阻层9（面电阻值范围为0.1-10MΩ/sq），该高电阻层9由ZnO层或特定参数下制备的透明导电薄膜层形成、聚合物固体凸透镜（透镜半径与圆孔刻蚀半径相同，并且位置一一对应）、以及光取向层。上基板1从玻璃由上往下起，有上基板玻璃3，厚度为0.4～1.1mm、透明导电薄膜构成的接地电极层4以及覆盖在接地电极层4上的上基板取向层5。下基板2由于有聚合物凸透镜，表面为曲面和平面结构相间，机械摩擦取向难以实现，因而使用光取向技术代替，上基板的取向层使用传统机械摩擦取向，上下基板摩擦方向相互平行，液晶盒的厚度由衬垫材料决定，衬垫材料的厚度取决于透镜焦距和响应时间的要求。将上下基板封成一定厚度的液晶盒，灌入向列相液晶，这样就形成了模式控制级联型液晶微透镜阵列。级联透镜指的是采用光取向技术将聚合物材料透镜嵌合到液晶透镜基板上的技术，具体是指利用点胶机在液晶基板上制备出聚合物材料固体透镜，采用光取向技术代替机械摩擦技术，在弧形的聚合物表面完成液晶的摩擦取向。

实施例一，级联型液晶微透镜凹透镜阵列：

包括上基板1、下基板2、液晶层6，衬垫11，所述的上基板1由上向下包括上基板玻璃3、上基板ITO薄膜4、上基板取向层5；所述的下基板2包括下基板玻璃7、下基板ITO薄膜8、高面电阻层9和聚合物固体透镜及光取向层10，其中在下基板ITO薄膜8上根据所需的像素尺寸和形状进行图案刻蚀，图1所示为圆孔像素图案刻蚀，高面电阻层9为面电阻值范围0.1-10MΩ/sq的ZnO层或特定参数下制备的ITO层形成，聚合物固体凸透镜10的半径与圆孔刻蚀半径相同，并且位置一一对应，由于透镜的曲面结构，机械摩擦取向难以实现，因而使用光取向技术代替。

将摩擦取向好的上基板1和下基板2封盒，盒厚由衬垫材料11控制，并在盒内灌入液晶材料6，这就形成了本发明所提供的级联型液晶微透镜阵列。

该实施例级联型液晶微透镜凹透镜的工作原理如下：在上基板和下基板的ITO薄膜上施加交流电压，高面电阻层和液晶分子电容在交流电压信号下构成电阻电容型的电路回路，使得电势由透镜边缘到中心近似抛物线型下降。其中不加电状态时：边缘的光程L₁=n_ed，中心的光程L₂=n_e（d-h）+nh，h为聚合物透镜最高点高度，d为液晶盒厚。光程差L₁-L₂=（n_e-n）h；加电状态下：边缘的光程L₁=n_od，中心的光程L₂=n_o（d-h）+nh，h为聚合物透镜最高点高度，d为液晶盒厚。光程差L₁-L₂=(n_o-n)h。在该实施例情况下（n<n_o<n_e），在不加电时，L₁-L₂>0,为凹透镜;加电状态下，L₁-L₂>0,仍为凹透镜，为凹透镜焦距的调节。根据透镜公式，该实施例的级联型液晶微透镜的调焦范围为-r²/2（n_o-n）h～-r²/2（n_e-n）h，其中r为聚合物透镜的半径。

实施例二，级联型液晶微透镜凸透镜阵列：

该实施结构图仍如图1所示，所改变的是聚合物透镜的折射率。实施例二的情况下（n_o<n_e<n），不加电时，L₁-L₂<0,为凸透镜;加电状态下，L₁-L₂<0,仍是凸透镜，为凸透镜焦距的调节。根据透镜公式，该实施例的级联型液晶微透镜的调焦范围为r²/2（n_e-n）h～r²/2（n_o-n）h，其中r为聚合物透镜的半径。

实施例三，凹透镜和凸透镜的转换的级联型液晶微透镜阵列：

该实施例的情况下（n_o<n<n_e），不加电时，L₁-L₂>0,为凹透镜;加电状态下，L₁-L₂<0,为凸透镜，这种情况下则产生凹透镜与凸透镜的转变。根据透镜公式，该实施例的级联型液晶微透镜的调焦范围为-r²/2（n_e-n）h～r²/2（n_o-n）h，其中r为聚合物透镜的半径。

Claims

1.一种模式控制级联型液晶微透镜阵列，包括平行布置的上基板（1）和下基板（2），其特征在于：所述上基板（1）包括依次布置的上基板玻璃（3）、接地电极层（4）、上基板取向层（5）；所述的下基板（2）包括下基板玻璃（7）、接触电极层（8）、高面电阻层（9）、聚合物固体透镜及光取向层（10），上基板取向层（5）、接触电极层（8）之间布置衬垫（11）；上基板取向层（5）、接触电极层（8）、衬垫（11）形成的内部封装液晶层（6）；高面电阻层（9）通过调节电场分布实现液晶透镜的焦距可调，并与聚合物固体透镜实现级联；通过对聚合物固体透镜折射率的选取，能够形成凹透镜，实现凹透镜的焦距可调；还能形成凸透镜，实现凸透镜的焦距可调；以及实现凹透镜和凸透镜之间的转变；上述高面电阻层（9）为面电阻值范围0.1-10MΩ/sq的ZnO层或透明导电薄膜层。

2.根据权利要求1所述的模式控制级联型液晶微透镜阵列，其特征在于：上述上基板玻璃（3）、下基板玻璃（7）的厚度为0.4～1.1mm。