CN103091928A - 一种电控可调焦液晶透镜阵列 - Google Patents

Abstract

一种电控可调焦液晶透镜阵列，涉及一种液晶透镜阵列，尤其是电控可调焦液晶透镜阵列的技术领域。本发明包括平行布置的前基底玻璃、后基底玻璃，位于前基底玻璃和后基底玻璃之间自前基底玻璃向后基底玻璃依次布置像素电极层、聚合物填充层、衬垫层、公共电极层，聚合物填充层内通过点胶、光刻或者压模方法得到聚合物固定焦距透镜，衬垫层内灌入蓝相液晶。本发明实现了能够电压控制液晶透镜焦距变化，调焦范围大，并且与液晶显示制造工艺相兼容的目的。

Description

一种电控可调焦液晶透镜阵列

技术领域

本发明涉及一种液晶透镜阵列，尤其是电控可调焦液晶透镜阵列的技术领域。

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。

本发明提出一种新型结构焦距可调液晶微透镜阵列，通过选取两种介电常数和折射率不同的聚合物材料形成特定的三维结构，调节电场分布，控制液晶分子排布，实现液晶透镜焦距可调的功能。同时聚合物三维结构对入射光具有固定焦距透镜作用，与液晶透镜形成级联，有利于减小器件焦距。该结构液晶透镜及阵列具有调焦范围大，可实现短焦距成像的特点。

发明内容

本发明目的是提供一种能够电压控制液晶透镜焦距变化，调焦范围大，并且与液晶显示制造工艺相兼容的电控可调焦液晶透镜阵列。

一种电控可调焦液晶透镜阵列，包括平行布置的前基底玻璃、后基底玻璃，位于前基底玻璃和后基底玻璃之间自前基底玻璃向后基底玻璃依次布置像素电极层、聚合物填充层、衬垫层、公共电极层，聚合物填充层内通过点胶、光刻或者压模方法得到聚合物固定焦距透镜，衬垫层内灌入蓝相液晶。

本发明的公共电极层与衬垫层之间布置后取向层，聚合物填充层与衬垫层之间布置前取向层，衬垫层内灌入向列相液晶。

本发明的聚合物固定焦距透镜为聚合物曲面三维结构。

本发明的聚合物固定焦距透镜为凸透镜或者凹透镜。

本发明的像素电极为条状电极或者矩形电极，像素电极宽度为5μm-10mm。

一种新型结构的焦距可调向列相液晶微透镜阵列，其结构主要有前基底玻璃，厚度为0.4-1.1mm，透明导电薄膜构成的像素电极层，采用点胶、光刻或者压模等方法得到的聚合物固定焦距透镜，聚合物固定焦距透镜孔径10um-10mm，高度5um-5mm，固定焦距透镜上的聚合物填充层，填充层厚度5um-10mm，覆盖在聚合物填充层上的取向层，厚度为100nm-5um。还包括后基底玻璃，厚度为0.4-1.1mm，透明导电薄膜构成的公共电极层，覆盖在公共电极层上的取向层，厚度为100nm-5um。对前后基底玻璃分别进行摩擦取向，使前后基板摩擦方向平行或者反平行。采用一定厚度的衬垫层将前基底玻璃及后基底玻璃封成一定厚度的液晶屏，灌入向列相液晶。

新型结构的焦距可调向列相液晶微透镜的工作原理，像素电极和公共电极间施加交流方波电压，固定焦距透镜聚合物的介电常数为ε₁，固定焦距透镜聚合物的折射率为n₁，固定焦距透镜聚合物的厚度为d₁,聚合物填充层的介电常数为ε₂，聚合物填充层的折射率为n₂，聚合物填充层的厚度为d₂。由于聚合物固定焦距透镜与聚合物填充层两种聚合物材料介电常数不同，对外加电压分压不同。当固定焦距透镜聚合物折射率ε₁大于聚合物填充层折射率ε₂时，电压从透镜边缘向中心递减，当ε₁<ε₂时，电压从透镜边缘向中心递增。另一方面，聚合物固定焦距透镜与聚合物填充层两种聚合物折射率不同，当固定焦距透镜聚合物介电常数n₁大于聚合物填充层介电常数n₂时，形成固定焦距聚合物凸透镜。当n₁<n₂时，形成固定焦距聚合物凹透镜。

当聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁>n₂时，由于ε₁>ε₂，不同介电常数聚合物对外加电压分压不同，聚合物固定焦距透镜中心电压V_centre，聚合物固定焦距透镜边缘电压V_edge，电压从透镜边缘向中心递减，V_centre<V_edge，透镜中心向列相液晶分子倾角θ(z)小于透镜边缘处，垂直入射光通过透镜中心相位延迟δ_centre大于透镜边缘相位延迟δ_edge，成凸透镜，使光束聚焦到特定位置。通过调节电压的大小，可以控制向列相液晶分子的偏转，从而实现液晶透镜的电压控制。由于n₁>n₂，聚合物固定焦距透镜为凸透镜,与电压可控液晶透镜形成级联，可以有效减小器件的焦距，器件为凸透镜。

当聚合物材料满足ε₁<ε₂，n₁<n₂时，不同介电常数聚合物对外加电压分压不同，V_centre>V_edge,透镜中心电压大于透镜边缘电压，透镜中心向列相液晶分子倾角θ(z)大于透镜边缘处，垂直入射光通过透镜中心相位延迟δ_centre小于透镜边缘δ_edge，成凹透镜。通过调节电压的大小，可以控制向列相液晶分子的偏转，从而实现液晶透镜的电压控制。由于n₁<n₂，聚合物固定焦距透镜也为凹透镜,焦距f_P，与电压可控液晶透镜形成级联，可以有效减小器件的焦距，器件为凹透镜。

选取聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁<n₂或者ε₁<ε₂，n₁>n₂。当聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁<n₂时，固定焦距透镜为凹透镜，电压可控液晶透镜为凸透镜。通过调节电压大小控制液晶透镜焦距f_LC，当f_LC>f_P时，器件成凹透镜，当f_LC<f_P时，器件成凸透镜。当聚合物材料满足ε₁<ε₂，n₁>n₂时，固定焦距透镜为凸透镜，电压可控液晶透镜为凹透镜。通过调节电压大小控制液晶透镜焦距，当f_LC>f_P时，器件成凸透镜，当f_LC<f_P时，器件成凹透镜。通过电压调节液晶透镜的焦距大小，可以使器件实现凹凸透镜的转换，器件为凹凸可变透镜。

一种新型结构的焦距可调蓝相液晶透镜阵列，其结构主要有前基底玻璃，厚度为0.4-1.1mm，透明导电薄膜构成的像素电极层，采用点胶、光刻或者压模等方法得到的聚合物固定焦距透镜，固定焦距透镜上的聚合物填充层。还包括后基底玻璃，厚度为0.4-1.1mm，透明导电薄膜构成的公共电极层。采用一定厚度的衬垫层将前基底玻璃及后基底玻璃封成一定厚度的液晶屏，灌入蓝相液晶。

当聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁>n₂时，电压从透镜边缘向中心递减，蓝相液晶在克尔效应的作用下，液晶分子产生电场致折射率变化Δn，蓝相液晶等效折射率发生变化，垂直入射光通过透镜中心相位延迟δ_centre于透镜边缘δ_edge，成凸透镜，使光束聚焦到特定位置。通过调节电压的大小，可以控制蓝相液晶等效折射率变化，从而实现液晶透镜的电压控制。由于n₁>n₂，聚合物固定焦距透镜4为凸透镜,与电压可控液晶透镜形成级联，可以有效减小器件的焦距，器件为凸透镜。

当聚合物材料满足ε₁<ε₂，n₁<n₂时，透镜中心电压大于透镜边缘电压，蓝相液晶在克尔效应的作用下，液晶分子产生电场致折射率变化Δn，蓝相液晶等效折射率发生变化，垂直入射光通过透镜中心相位延迟δ_centre小于透镜边缘δ_edge，成凹透镜。通过调节电压的大小，可以控制蓝相液晶等效折射率变化，从而实现液晶透镜的电压控制。由于n₁<n₂，聚合物固定焦距透镜4也为凹透镜,焦距f_P，与电压可控液晶透镜形成级联，可以有效减小器件的焦距，器件为凹透镜。

选取聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁<n₂或者ε₁<ε₂，n₁>n₂。当聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁<n₂时，固定焦距透镜为凹透镜，电压可控蓝相液晶透镜为凸透镜。通过调节电压大小控制蓝相液晶透镜焦距，当f_LC>f_P时，器件成凹透镜，当f_LC<f_P时，器件成凸透镜。当聚合物材料满足ε₁<ε₂，n₁>n₂时，固定焦距透镜为凸透镜，电压可控蓝相液晶透镜为凹透镜。通过调节电压大小控制蓝相液晶透镜焦距，当f_LC>f_P时，器件成凸透镜，当f_LC<f_P时，器件成凹透镜。通过电压调节液晶透镜的焦距大小，可以使器件实现凹凸透镜的转换，器件为凹凸可变透镜。

当聚合物固定焦距透镜设计成半球状凹形固定焦距透镜时，通过控制固定焦距透镜聚合物和聚合物填充层材料的介电常数和折射率参数，也可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。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1、本发明利用不同介电常数的聚合物来控制电场分布，通过控制聚合物材料参数与曲面曲率等参数，可以得到理想的电场分布曲线。

2、本发明可以选择合适的聚合物合物和液晶材料材料参数，可调焦距范围大。

3、本发明采用固定焦距的聚合物透镜与液晶透镜进行级联，有利于实现短焦距电控可调透镜。

4、本发明可以采用柔性衬底取代上下玻璃基板，实现柔性电控焦距可调液晶透镜阵列。

5、本发明的制作工艺与液晶显示制造工艺及TFT工艺相兼容。

6、本发明采用不同介电常数的聚合物来控制电场分布，调节液晶透镜焦距，与固定焦距透镜级联，有利于实现短焦距透镜。

附图说明

图1是本发明电控可调焦向列相液晶透镜阵列的结构示意图。

图2是本发明电控可调焦蓝相液晶透镜阵列的结构示意图。

其中：1、前基底玻璃；2、像素电极层；3、聚合物填充层；4、聚合物固定焦距透镜；5、前取向层；6、后基底玻璃；7、公共电极层；8、后取向层；9、衬垫层；10、蓝相液晶；11、向列相液晶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例一，电控焦距可调向列相液晶透镜阵列，其中聚合物固定焦距透镜4为凸透镜：

如图2所示，一种电控可调向列相液晶透镜阵列，包括平行布置的前基底玻璃1、后基底玻璃6，位于前基底玻璃1和后基底玻璃6之间自前基底玻璃1向后基底玻璃6依次布置像素电极层2、聚合物填充层3、衬垫层9、公共电极层7，聚合物填充层3内通过点胶、光刻或者压模方法得到聚合物固定焦距透镜4，衬垫层9内灌入向列相液晶11。

该向列相液晶电控焦距可调液晶凸透镜工作原理如下：在像素电极2和公共电极7之间施加交流方波电压，聚合物固定焦距透镜4介电常数ε₁，折射率n₁，厚度d₁，聚合物填充层3介电常数ε₂，折射率n₂，厚度d₂。选取聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁>n₂。由于ε₁>ε₂，不同介电常数聚合物对外加电压分压不同，聚合物固定焦距透镜中心电压V_centre，聚合物固定焦距透镜边缘电压V_edge，电压从透镜边缘向中心递减，V_centre<V_edge,透镜中心向列相液晶11分子倾角θ(z)小于透镜边缘处，垂直入射光通过透镜中心相位延迟δ_centre大于透镜边缘相位延迟δ_edge，成凸透镜，使光束聚焦到特定位置，液晶透镜焦距f_LC由透镜中心及边缘处折射率差、孔径及液晶盒厚共同决定。通过调节电压的大小，可以控制向列相液晶11分子的偏转，从而实现液晶透镜的电压控制。由于n₁>n₂，聚合物固定焦距透镜4为凸透镜，焦距f_P，与电压可控液晶透镜形成级联，可以有效减小器件的焦距，其中d_LC为液晶透镜盒厚，ε_LC为液晶的介电常数，V为外加电压大小，n_o寻常光折射率，n_e非寻常光折射率,n_centre与n_edge分别为液晶透镜中心和边缘处的折射率，r为液晶透镜半径，f为器件等效透镜焦距。

$V_{\mathrm{centre}}=\frac{d_{\mathrm{LC}}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{LC}}(\frac{d_1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_1}+\frac{d_2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2})+d_{\mathrm{LC}}}V---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{centre}}=\frac{d_{\mathrm{LC}}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{LC}}\frac{(d_1+d_2)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_1}+d_{\mathrm{LC}}}V---\left(2\right)$

$\mathrm{\&delta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}[{\&Integral;}_0^d\frac{n_0{n}_e}{\sqrt{n_e^2{\cos }^2\mathrm{\&theta;}\left(z\right)+n_o^2{\sin }^2\mathrm{\&theta;}\left(z\right)}}\mathrm{dz}-n_{o}d]---\left(3\right)$

$f_{\mathrm{LC}}=\frac{r^2}{2(n_{\mathrm{centre}}-n_{\mathrm{edge}})d}---\left(4\right)$

$\frac{1}{f}=\frac{1}{f_{\mathrm{LC}}}+\frac{1}{f_P}---\left(5\right)$

实施例二，电控焦距可调向列相液晶透镜阵列，其中聚合物固定焦距透镜4为凹透镜：

在上述实施例一中，选取聚合物材料满足ε₁<ε₂，n₁<n₂。不同介电常数聚合物对外加电压分压不同，V_centre>V_edge,透镜中心电压大于透镜边缘电压，透镜中心液晶12分子倾角θ(z)大于透镜边缘处，垂直入射光通过透镜中心相位延迟δ_centre小于透镜边缘相位延迟δ_edge，成凹透镜，液晶透镜焦距f_LC由透镜中心及边缘处折射率差、孔径及液晶盒厚共同决定。通过调节电压的大小，可以控制液晶12分子的偏转，从而实现液晶透镜的电压控制。由于n₁<n₂，聚合物固定焦距透镜4也为凹透镜，焦距f_P，与电压可控液晶透镜形成级联，可以有效减小器件的焦距。

实施例三，电控焦距可调向列相液晶凹凸可转换透镜：

在上述实施例一中，选取聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁<n₂或者ε₁<ε₂，n₁>n₂。当聚合物材料满足ε₁>ε₂，n₁<n₂时，固定焦距透镜4为凹透镜，电压可控液晶透镜为凸透镜。通过调节电压大小控制液晶透镜焦距，当f_LC>f_P时，器件成凹透镜，当f_LC<f_P时，器件成凸透镜。当聚合物材料满足ε₁<ε₂，n₁>n₂时，固定焦距透镜4为凸透镜，电压可控液晶透镜为凹透镜。通过调节电压大小控制液晶透镜焦距，当f_LC>f_P时，器件成凸透镜，当f_LC<f_P时，器件成凹透镜。通过电压调节液晶透镜的焦距大小，可以使器件实现凹凸透镜的转换。

实施例四，电控焦距可调向列相液晶透镜阵列：

在上述实施例一、二、三中，可以将电控焦距可调液晶透镜结构设计成聚合物固定焦距透镜4为下凹形。通过选取不同介电常数的聚合物，控制聚合物三维结构的半径、曲率等几何参数，调节电场分布，实现液晶透镜加电焦距可调的功能。通过选取不同折射率的聚合物，可使固定焦距透镜呈凸透镜或者凹透镜，与液晶透镜形成级联，有效减小器件焦距，并且可以实现凹凸可变透镜。

实施例五,电控焦距可调向列相液晶透镜阵列：

在上述实施例一、二、三、四中，像素电极3可以设计成条状电极或者矩形电极，像素电极3宽度为5μm-10mm，取决于分辨率要求。通过控制各公共电极7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。

实施例六,电控可调蓝相液晶透镜阵列：

如图1所示，一种电控可调蓝相液晶透镜阵列，包括平行布置的前基底玻璃1、后基底玻璃6，位于前基底玻璃1和后基底玻璃6之间自前基底玻璃1向后基底玻璃6依次布置像素电极层2、聚合物填充层3、衬垫层9、公共电极层7，聚合物填充层3内通过点胶、光刻或者压模方法得到聚合物固定焦距透镜4，衬垫层9内灌入蓝相液晶10。在像素电极3和公共电极9之间施加交流方波电压，由于聚合物固定焦距透镜4与聚合物填充层6两种聚合物材料介电常数不同，可以使得液晶盒内电压分布从透镜边缘到透镜中心递增或递减。蓝相液晶10在克尔效应作用下，折射率空间也产生非均匀分布，从而实现电压对液晶透镜焦距控制。其中，Δn为蓝相液晶电致折射率变化，Δn_s为蓝相液晶饱和折射率变化，E_s为饱和电场大小，E为外加电场大小，n_iso为未加电压时蓝相液晶折射率大小。

Δn=Δn_s(1-exp(-E/E_S)²)  （6）

$n_o=n_{\mathrm{iso}}-\frac{\mathrm{\&Delta;n}}{3}---\left(7\right)$

$n_e=n_{\mathrm{iso}}+\frac{2\mathrm{\&Delta;n}}{3}---\left(8\right)$

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 (6)

1.一种电控可调焦液晶透镜阵列，其特征在于包括平行布置的前基底玻璃（1）和后基底玻璃（6），液晶位于前基底玻璃（1）和后基底玻璃（6）之间；自前基底玻璃（1）向后基底玻璃（6）依次布置像素电极层（2）、聚合物填充层（3）、前取向层（5）、衬垫层（9）、后取向层（8）、公共电极层（7），聚合物填充层（3）内通过点胶、光刻或者压模方法得到聚合物固定焦距透镜（4），衬垫层（9）控制液晶盒厚。

2.根据权利要求1所述的电控可调焦液晶透镜阵列，其特征在于上述液晶为蓝相液晶（10）。

3.根据权利要求1所述的电控可调焦液晶透镜阵列，其特征在于上述公共电极层（7）与衬垫层（9）之间布置后取向层（8），聚合物填充层（3）与衬垫层（9）之间布置前取向层（5），灌入向列相液晶（11）。

4.根据权利要求1所述的电控可调焦液晶透镜阵列，其特征在于上述聚合物固定焦距透镜（4）为聚合物曲面三维结构。

5.根据权利要求1所述的电控可调焦液晶透镜阵列，其特征在于上述聚合物固定焦距透镜（4）为凸透镜或者凹透镜。

6.根据权利要求1所述的电控可调焦液晶透镜阵列，其特征在于上述像素电极（3）为条状电极或者矩形电极，像素电极（3）宽度为5um-10mm。

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