CN103217850B - 一种基于光电导材料的液晶透镜及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液晶透镜及阵列，尤其涉及一种基于光电导材料的可调焦液晶透镜及阵列的技术领域。自上而下依次布置的后基底玻璃、公共电极层、后取向层、前取向层、光电导材料层、透明导电薄膜构成的像素电极层、前基底玻璃，后取向层、前取向层之间布置衬垫层，衬垫层内灌入向列相液晶。本发明的新型结构焦距可调液晶微透镜阵列，利用光电材料层调节电场分布，通过控制入射紫外光光强和时间来控制光电材料层空间阻值分布，可以得到理想的电场分布曲线。可以选择合适的光电材料和液晶材料参数，可调焦距范围大。可以选择向列相液晶或者蓝相液晶，采用蓝相液晶具有响应时间快并且偏振无关的特性。其制作工艺与现有微电子加工工艺兼容。

Description

一种基于光电导材料的液晶透镜及阵列

技术领域

本发明涉及一种液晶透镜及阵列，尤其涉及一种基于光电导材料的可调焦液晶透镜及阵列的技术领域。

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。

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基于光导电材料的液晶透镜及阵列。

一种基于光导电材料的液晶透镜及阵列，包括自上而下依次布置的后基底玻璃、公共电极层、后取向层、前取向层、光电导材料层、透明导电薄膜构成的像素电极层、前基底玻璃，后取向层、前取向层之间布置衬垫层；衬垫层内灌入向列相液晶。由光电导材料层向后依次布置灰度掩模板、紫外光源，灰度掩模板上布置像素图案，采用灰度掩膜版形成透镜像素。紫外光源透过灰度掩模板照射到光电导材料层上，由透过灰度掩模板控制紫外光光强空间周期性分布，从而控制光电导材料层的电阻阻值空间分布，从而形成透镜像素。

一种基于光导电材料的液晶透镜及阵列，包括自上而下依次布置的后基底玻璃、公共电极层、光电导材料层、透明导电薄膜构成的像素电极层、前基底玻璃，公共电极层、光电导材料层之间布置衬垫层；衬垫层内灌入蓝相液晶。由光电导材料层向后依次布置灰度掩模板、紫外光源，灰度掩模板上布置像素图案，采用采用灰度掩膜版形成透镜像素。紫外光源透过灰度掩模板照射到光电导材料层上，由透过灰度掩模板控制紫外光光强空间周期性分布，从而控制光电导材料层的电阻阻值空间分布，从而形成透镜像素。

本发明的光电导材料例如聚乙烯咔唑在无光照情况下绝缘，经紫外光照射后具有导电性，阻值大小可以由紫外光光强及照射时间控制。

本发明通过利用灰度掩模板的方法控制不同区域紫外光照射强度，实现光电导材料电阻阻值大小的空间分布控制。

本发明通过设计不同形状的空间周期性透过率梯度变化的灰度掩模板来实现对光电导材料阻值大小的空间分布控制，灰度掩模板像素图案可以为条状，矩形，正多边形或者圆孔，宽度或直径为5um-10mm。

本发明的空间周期性透过率梯度变化的灰度掩模板透过率可以由像素边缘向中心递减或者递增。

一种基于光导电材料的向列相液晶透镜及阵列，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，采用旋涂、印刷等方法得到的覆盖在像素电极上光电导材料层，光电导材料层膜厚为10nm-10mm，覆盖在光电导材料层上的前取向层，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，覆盖在公共电极上的后取向层，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，衬垫层的厚度为2um-500um，灌入向列相液晶。

一种基于光导电材料的蓝相液晶透镜及阵列，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，采用旋涂、印刷等方法得到的覆盖在像素电极上光电导材料层，光电导材料层膜厚为10nm-10mm。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。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，衬垫层的厚度为2um-500um，灌入蓝相液晶。

基于光导电材料的液晶透镜及阵列的工作原理，通过设计空间周期性透过率梯度变化的灰度掩模板控制光电材料层的电阻阻值空间分布。当灰度掩模板透过率由像素边缘向像素中心递减时，紫外光透过灰度掩模板照射光电材料层，像素边缘接受紫外光大于像素中心，光电材料电阻阻值由像素边缘向像素中心递增。在像素电极和公共电极间施加交流方波电压，由于光电材料的作用，施加到液晶上的电压值由像素边缘向像素中心递减，呈凸透镜。当灰度掩模板透过率由像素边缘向像素中心递增时，紫外光透过灰度掩模板照射光电材料层，光电材料电阻阻值由像素边缘向像素中心递减。在像素电极和公共电极间施加交流方波电压，由于光电材料的作用，施加到液晶上的电压值由像素边缘向像素中心递增，呈凹透镜。

比较好的是，本发明的光电材料层电阻阻值空间分布由周期性透过率变化的灰度掩模板得到。

比较好的是，本发明的光电材料层电阻阻值空间分布、透镜焦距大小及透镜变焦范围由光电材料特性、灰度掩模板、紫外光光强和紫外光照射时间共同决定。

比较好的是，本发明可以通过控制灰度掩模板的图案控制透镜形状。

比较好的是本发明的光电材料层通过旋涂，印刷等方法得到。

比较好的是，本发明的液晶透镜孔径由灰度掩模像素图案决定，可以为条状，矩形，正多边形或者圆孔，宽度或直径为5um-10mm。

比较好的是，本发明的空间周期性透过率梯度变化的灰度掩模板像素图案可以透过率可以从边缘向中心递增或者递减。

比较好的是，本发明的光电材料层的厚度为10nm-10mm，经过紫外光照射后阻值为10Ω-100MΩ。

本发明采用上述技术方案与现有技术相比，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，利用光电材料层调节电场分布，通过控制控制入射紫外光光强和时间来控制光电材料层空间阻值分布，可以得到理想的电场分布曲线。

2、本发明的新型结构焦距可调液晶微透镜阵列，可以选择合适的光电材料和液晶材料参数，可调焦距范围大。

3、本发明的新型结构焦距可调液晶微透镜阵列，可以选择向列相液晶或者蓝相液晶，采用蓝相液晶具有响应时间快并且偏振无关的特性。

4、本发明的新型结构焦距可调液晶微透镜阵列，其制作工艺与现有微电子加工工艺兼容。

附图说明

图1是本发明基于光导电材料的向列相液晶透镜及阵列的一种结构示意图。

图2是本发明基于光导电材料的液晶透镜及阵列光电导材料层紫外光照射控制空间电阻分布示意图。

图3是本发明基于光导电材料的蓝相液晶透镜及阵列的一种结构示意图。

图4是本发明像素图案设计示意图。

图中：1、前基底玻璃；2、像素电极；3、光电导材料层；4、前取向层；5、后基底玻璃；6、公共电极；7、后取向层；8、衬垫层；9、向列相液晶；10、灰度掩模板；11、紫外光源；12、蓝相液晶；13、像素图案。

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：

实施例一，基于光导电材料的向列相液晶透镜及阵列：

如图1所示，一种基于光导电材料的向列相液晶透镜及阵列，其结构主要有前基底玻璃1，透明导电薄膜构成的像素电极2，采用旋涂、印刷等方法得到的覆盖在像素电极2上光电导材料层3，覆盖在光电导材料层3上的前取向层4。还包括后基底玻璃5，透明导电薄膜构成的公共电极6，覆盖在公共电极6上的后取向层7。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8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9。其中光电导材料层3空间电阻阻值分布由灰度掩模板10控制，紫外光源11通过灰度掩模板照射到光电材料层，控制其阻值大小，如图2所示。

该基于光导电材料的向列相液晶透镜及阵列的工作原理如下：在公共电极6和像素电极2之间施加交流方波电压。当灰度掩模板10像素图案13透过率由像素边缘向像素中心递减时，紫外光透过灰度掩模板10照射光电导材料层3，光电导材料3电阻阻值由像素边缘向像素中心递增。施加到向列相液晶9上电压从透镜边缘向透镜中心递减，平行排列的向列相液晶9分子在电场作用下，沿电场方向排列，形成倾角θ(z)。由于从透镜边缘到透镜中心电压递减，液晶9分子发生非均匀偏转，导致其折射率空间分布也发生非均匀变化，产生不同的相位延迟δ，从而使光束聚焦在特定位置，呈凸透镜。当灰度掩模板10像素图案13透过率由像素边缘向像素中心递增时，紫外光透过灰度掩模板10照射光电导材料层3，光电导材料3电阻阻值由像素边缘向像素中心递减。施加到向列相液晶9上电压从透镜边缘向透镜中心递增，平行排列的向列相液晶9分子在电场作用下，沿电场方向排列，形成倾角θ(z)。由于从透镜边缘到透镜中心电压递增，液晶9分子发生非均匀偏转，导致其折射率空间分布也发生非均匀变化，产生不同的相位延迟δ，从而使入射光束发散，呈凹透镜。

实施例二，基于光导电材料的蓝相液晶透镜及阵列：

如图3所示，一种基于光导电材料的蓝相液晶透镜及阵列，其结构主要有前基底玻璃1，透明导电薄膜构成的像素电极2，采用旋涂、印刷等方法得到的覆盖在像素电极2上光电导材料层3，后基底玻璃5，透明导电薄膜构成的公共电极6组成。采用一定厚度的衬垫层8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12。其中光电导材料层3空间电阻阻值分布由灰度掩模板10控制，紫外光源11通过灰度掩模板照射到光电材料层，控制其阻值大小，如图2所示。

该基于光导电材料的蓝相液晶透镜及阵列的工作原理如下：在公共电极6和像素电极2之间施加交流方波电压。当灰度掩模板10像素图案13透过率由像素边缘向像素中心递减时，紫外光透过灰度掩模板10照射光电导材料层3，光电导材料3电阻阻值由像素边缘向像素中心递增。由于克尔效应，在电场作用下蓝相液晶12产生电场致折射率变化Δn，因此折射率空间分布也产生非均匀，从而使光束聚焦在特定位置，呈凸透镜。当灰度掩模板10像素图案13透过率由像素边缘向像素中心递增时，紫外光透过灰度掩模板10照射光电导材料层3，光电导材料3电阻阻值由像素边缘向像素中心递减。由于克尔效应，在电场作用下蓝相液晶12产生电场致折射率变化Δn，因此折射率空间分布也产生非均匀，使入射光束发散，呈凹透镜。

在上述实施例一、实施例二中，可以设计灰度掩模板像素图案为条状，矩形，正多边形或者圆孔，形成各种形状的可调液晶微透镜阵列，如图4所示。

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 (9)

1.一种基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于：包括自上而下依次布置的后基底玻璃（5）、公共电极层（6）、后取向层（7）、前取向层（4）、光电导材料层（3）、透明导电薄膜构成的像素电极层（2）、前基底玻璃（1），后取向层（7）、前取向层（4）之间布置衬垫层（8），衬垫层（8）内灌入向列相液晶（9）；采用灰度掩膜板（10）形成透镜像素，光电导材料层(3)上依次布置灰度掩模板（10）、紫外光源(11)，灰度掩模板（10）上布置灰度掩模板像素图案（13）；紫外光源（11）透过灰度掩模板（10）照射到光电导材料层（3）上，由透过灰度掩模板（10）控制紫外光光强空间周期性分布，从而控制光电导材料层（3）的电阻阻值空间分布，从而形成透镜像素。

2.一种基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于：包括自上而下依次布置的后基底玻璃（5）、公共电极层（6）、光电导材料层（3）、透明导电薄膜构成的像素电极层（2）、前基底玻璃（1），公共电极层（6）、光电导材料层（3）之间布置衬垫层（8）；衬垫层（8）内灌入蓝相液晶（12）；采用灰度掩膜板（10）形成透镜像素，光电导材料层（3）上依次布置灰度掩模板（10）、紫外光源(11)，灰度掩模板（10）上布置灰度掩模板像素图案（13）；紫外光源（11）透过灰度掩模板（10）照射到光电导材料层（3）上，由透过灰度掩模板（10）控制紫外光光强空间周期性分布，从而控制光电导材料层（3）的电阻阻值空间分布，从而形成透镜像素。

3.根据权利要求1所述的基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于：上述前取向层（4）、后取向层（7）的厚度为100nm-5um。

4.根据权利要求1或2所述的基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于上述前基底玻璃（1）、后基底玻璃（5）的厚度为0.4-1.1mm。

5.根据权利要求1或2所述的基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于上述衬垫层（8）的厚度为2um-500um。

6.根据权利要求1或2所述的基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于：灰度掩模板像素图案（13）为条状，矩形，正多边形或者圆孔，宽度或直径为5um-10mm。

7.根据权利要求1或2所述的基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于：空间周期性透过率梯度变化的灰度掩模板像素图案（13）透过率从边缘向中心递增或者递减。

8.根据权利要求1或2所述的基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于：上述光电导材料层（3）通过旋涂、印刷方法得到。

9.根据权利要求1或2所述的基于光导电材料的液晶透镜及阵列，其特征在于：上述光电导材料层（3）的厚度为10nm-10mm，经过紫外光照射后阻值为10Ω-100MΩ。