CN103543571B

CN103543571B - 电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜及其制备方法

Info

Publication number: CN103543571B
Application number: CN201310435104.0A
Authority: CN
Inventors: 康胜武; 佟庆; 张新宇; 桑红石; 张天序
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103543571A

Abstract

本发明公开了一种电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，包括上玻璃衬底、PI定向层、上玻璃衬底ITO透明上电极、上玻璃衬底ITO透明下电极、液晶层、多个玻璃间隔子、下玻璃衬底以及下玻璃衬底ITO透明上电极，上玻璃衬底的正反两面分别镀有ITO透明电极，下玻璃衬底的一面镀有ITO透明电极，上玻璃衬底正反两面的ITO透明电极分别都为具有四个呈十字形对称排列的子电极，上玻璃衬底正反两面的上下电极中心圆孔圆心对齐，上玻璃衬底正反两面的上下电极图案错开45度，PI定向层是镀在上玻璃衬底的下ITO透明下电极和下玻璃衬底的ITO透明上电极上。本发明能够解决现有技术中存在的通光孔径固定不可变以及图案电极易发生串扰，焦点摆动效果不理想的技术问题。

Description

电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜及其制备方法

技术领域

本发明属于液晶透镜技术领域，更具体地，涉及一种电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜及其制备方法。

背景技术

随着液晶在显示器领域广泛的应用，各国研究人员发现液晶材料是一种良好的光电材料，尤其易受到外界条件影响导致介电常数、折射率发生改变，在一定条件下可以在平面液晶层形成梯度折射率分布。研究人员利用该特点研制出基于液晶的自适应微透镜，该透镜不仅具有梯度折射率透镜的特点，而且还具有电控调节焦距的特点，是性能突出、急切需要发展的新型光学成像元件。

现有的电扫描焦点可摆动液晶微透镜结构是采用三层电极的结构形式，底层是ITO平板电极，中间层是ITO图案电极，上层是铝电极。需要通过两个驱动电压来控制液晶微透镜，一个电压用于控制聚焦及焦点摆动，另一个电压用于控制相错线的出现，两个电压必须保持同相位。这种微透镜结构存在几个问题：1，两个驱动电压必须保持同相位，这给实际应用带来不便；2，中间电极图案易使电场产生串扰，难以达到理想的焦点摆动效果；3，通光孔径固定，不能满足实际应用大小视野切换所要求的通光孔径可变的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，其目的在于解决现有技术中存在的三层电极结构需要较大驱动电压、驱动电压必须保持同相位从而给应用带来不便、焦点摆动效果不理想以及通光孔径不可变的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，包括上玻璃衬底、PI定向层、上玻璃衬底ITO透明上电极、上玻璃衬底ITO透明下电极、液晶层、多个玻璃间隔子以及下玻璃衬底ITO透明上电极，上玻璃衬底的正反两面和下玻璃衬底的一面上分别镀有ITO透明电极，上玻璃衬底正反两面的ITO透明电极分别都为具有四个呈十字形对称排列的子电极，上玻璃衬底正反两面的上下电极中心圆孔圆心对齐，上玻璃衬底正反两面的上下电极图案错开45度，且子电极与外界电源相连，子电极的形状为近似条形，四个子电极所围成的区域为圆形，下玻璃衬底的ITO透明上电极为圆形，其圆心与上玻璃衬底的子电极所围成的圆形的圆心对齐，PI定向层是镀在上玻璃衬底的ITO透明下电极和下玻璃衬底ITO透明上电极上，上玻璃衬底和下玻璃衬底是上下设置，且液晶层灌注在上玻璃衬底和下玻璃衬底之间，玻璃间隔子设置在上玻璃衬底和下玻璃衬底之间，且位于二者的边缘处。

优选地，上玻璃衬底的ITO透明上电极的子电极的条形宽度为192微米，四个子电极所围成的圆形区域的直径为500微米。

优选地，上玻璃衬底的ITO透明下电极的子电极的条形宽度为114微米，四个子电极所围成的圆形区域的直径为300微米。

优选地，下玻璃衬底的ITO透明上电极的圆形电极直径为300微米。

优选地，上玻璃衬底的ITO透明上电极和下电极所围成的两个圆形区域的圆心和下玻璃衬底的圆形电极的圆心对齐。

优选地，液晶层为向列型液晶。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、驱动电压低，由于本发明所采用的两层ITO透明电极直接紧靠液晶层，使电极上的电压直接作用于液晶，使驱动电压的幅值得以降低。

2、有效地抑制了相错线，由于本发明采用了新型的图案电极，此电极形状能有效得抑制相错线的出现。

3，能在上玻璃衬底的ITO透明上电极和下电极上分别形成直径为500微米和300微米的两个不同的通光孔径，在需要大小视场切换的情况下，通过对不同的上下电极加电，解决了通光孔径固定不变的问题。

4、能使入射光有效聚焦并且焦点能在焦平面内任意摆动，由于本发明采用了新型的图案电极，当对上玻璃衬底的上下电极的四个子电极分别加不同驱动电压时，可以使焦点在焦平面内任意摆动。

本发明的另一目的在于提供一种用于制备电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜的方法，旨在解决现有技术中尚不存在的制备双通光孔径液晶微透镜的技术问题。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于制备电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜的方法，包括以下步骤：

（1）清洗过程：依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对上ITO玻璃衬底和下ITO玻璃衬底进行超声清洗并烘干；

（2）涂胶过程：在干燥后的上ITO玻璃衬底的正反两面和下ITO玻璃衬底的单面上用匀胶机涂覆正性光刻胶并烘干5至20分钟；

（3）双面光刻过程：将光刻模板盖在上玻璃衬底的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过(5)(6)(7)处理；将光刻板盖在经处理后的上玻璃衬底的反面，并在显微镜下通过定位标识精确对齐，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

（4）单面光刻过程：将光刻模板盖在下玻璃衬底的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

（5）显影过程：用显影液溶掉上ITO玻璃衬底和下ITO玻璃衬底上感光部分的光刻胶，留下未感光部分，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟；

（6）腐蚀过程：用浓度为36.8%的HCL溶液把上ITO玻璃衬底和下ITO玻璃衬底上未受光刻胶保护的ITO膜腐蚀掉，而将有光刻胶保护的ITO膜保存下来，最终分别形成上玻璃衬底的ITO透明上电极和ITO透明下电极，下玻璃衬底的ITO透明上电极；

（7）清洗过程：用丙酮和去离子水对腐蚀后的上玻璃衬底的ITO透明上电极和ITO透明下电极进行清洗并烘干；

（8）涂覆定向层过程：用匀胶机在ITO透明上电极和ITO透明下电极上涂覆PI定向层；

（9）烘干过程：把涂覆了PI定向层的上下ITO玻璃衬底放入退火炉中进行退火固化处理；

（10）摩擦过程：用绒布沿平行于上下ITO玻璃衬底边缘的方向摩擦PI定向层，形成取向层；

（11）灌注过程：将玻璃间隔子掺入上下ITO玻璃衬底之间，且位于二者的边缘处，用UV胶封住上下ITO玻璃衬底的左右两侧，通过渗透法灌注向列型液晶在二者之间；

（12）封装过程：UV胶封住上下ITO玻璃衬底的上下两侧并烘干。

优选地，上玻璃衬底的ITO透明上电极具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极的形状为近似条形，四个子电极所围成的区域为圆形，上玻璃衬底的ITO透明下电极具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极的形状为近似条形，四个子电极所围成的区域为圆形，下玻璃衬底的ITO透明上电极为圆形，其圆心与四个子电极所围成的圆形的圆心对齐。

1、由于采用了步骤（1）至步骤（6），可以得到设计所需要的双通光孔径的ITO透明图案电极，ITO材料方块电阻小，对可见光的透过率高，非常适合用来做控制电极。

2、由于采用了步骤（8）至（10），可以液晶层的表面液晶分子呈反向平行排列，达到强锚定的效果。

3、由于采用步骤（11）中的玻璃间隔子，可以使上下玻璃衬底隔开并保持平行，通过使用不同直径的玻璃间隔子可以调节液晶盒的厚度，从而达到调节液晶微透镜响应时间的作用。

附图说明

图1是本发明的电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜的整体结构示意图。

图2是本发明的上玻璃衬底的ITO透明上下电极的俯视图。

图3是本发明的上玻璃衬底的ITO透明上下电极的立体透视图。

图4是本发明的上玻璃衬底的ITO透明上下电极的实物立体图。

图5是本发明的电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜的整体结构立体透视图。

图6是本发明的电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜的整体结构实物立体图。

图7是本发明制备电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜的方法的流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-玻璃间隔子；2-上玻璃衬底的ITO透明上电极；3-上玻璃衬底；4-上玻璃衬底的ITO透明下电极；5-液晶层；6-下玻璃衬底的ITO透明上电极；7-PI定向层；8-下玻璃衬底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1至6所示，本发明电扫描焦点可摆动液晶微透镜包括多个玻璃间隔子1、上玻璃衬底的ITO(IndiumTinOxide,铟锡氧化物，简称ITO）透明上电极2、上玻璃衬底3、上玻璃衬底的ITO透明下电极4、液晶层5、下玻璃衬底的ITO透明上电极6、PI（polyimide）定向层7以及下玻璃衬底8。

ITO透明上电极2和ITO透明上电极4分别镀在上玻璃衬底的正面和反面上。

ITO透明上电极6镀在下玻璃衬底的正面上。

上玻璃衬底的ITO透明上电极2具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极与外界电源相连。在本实施方式中，子电极的形状为近似条形，且条形宽度为192微米，四个子电极所围成的区域为圆形，该圆形的直径为500微米。

上玻璃衬底的ITO透明下电极4具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极与外界电源相连。在本实施方式中，子电极的形状为近似条形，且条形宽度为114微米，四个子电极所围成的区域为圆形，该圆形的直径为300微米。

下玻璃衬底的ITO透明上电极6为圆形，且直径为300微米，其圆心与上玻璃衬底的四个子电极所围成的圆形的圆心对齐。

PI定向层7是镀在上玻璃衬底的ITO透明下电极4和下玻璃衬底的ITO透明上电极6上。

上玻璃衬底3和下玻璃衬底8是上下设置，且液晶层5灌注在上玻璃衬底3和下玻璃衬底8之间。在本实施方式中，液晶层5为向列型液晶。

玻璃间隔子5设置在上玻璃衬底3和下玻璃衬底8之间，且位于上玻璃衬底3和下玻璃衬底8的边缘处。

以下详细描述本发明的工作原理：

当外界电源对四个子电极提供电压的幅值相同时，在上玻璃衬底的ITO透明电极与下玻璃衬底的ITO透明上电极之间的区域将产生对称的非均匀电场，其强度由中心到边缘逐渐增加。液晶层中液晶分子指向矢的倾斜角也会随之电场变化，在圆中心最小在边缘处最大。由于液晶的折射率和介电常数与液晶分子的排列有关，它们是各向异性，在外电场的影响下易变形。当液晶分子的方向与电场方向一致时，其形变自由能最小。如果入射光与光轴平行，电场被分解为x轴和y轴两个正交偏振分量，当两个分量都垂直于光轴时液晶的折射率为n_o,没有相位差，入射光经过透镜后不发生变化。如果入射光与光轴成θ角时，电场的截面曲线变为椭圆，在椭圆的短轴方向折射率为n_o，在椭圆的长轴方向入射光的非常光折射率为n_e(θ)=n_on_e∕(n_e ²sin²θ+n_o ²cos²θ)^1/2，该函数曲线具有钟形分布，能够产生传统凸透镜的聚焦效果。当外界电源对四个子电极提供电压的幅值不相同时，可使焦点在焦平面内任意方向摆动。

如图7所示，本发明用于制备电扫描焦点可摆动液晶微透镜的方法包括以下步骤：

（6）腐蚀过程：用浓度为36.8%的HCL溶液把上ITO玻璃衬底和下ITO玻璃衬底上未受光刻胶保护的ITO膜腐蚀掉，而将有光刻胶保护的ITO膜保存下来，最终分别形成上玻璃衬底的ITO透明上电极和ITO透明下电极，下玻璃衬底的ITO透明上电极；具体而言，上玻璃衬底的ITO透明上电极具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极的形状为近似条形，且条形宽度为192微米，四个子电极所围成的区域为圆形，该圆形的直径为500微米，上玻璃衬底的ITO透明下电极具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极的形状为近似条形，且条形宽度为114微米，四个子电极所围成的区域为圆形，该圆形的直径为300微米，下玻璃衬底的ITO透明上电极为圆形，且直径为300微米，其圆心与四个子电极所围成的圆形的圆心对齐；

（8）涂覆定向层过程：用匀胶机在上玻璃衬底的ITO透明下电极和下玻璃衬底的ITO透明上电极上涂覆PI定向层；

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，包括上玻璃衬底、上玻璃衬底ITO透明上电极、上玻璃衬底ITO透明下电极、PI定向层、下玻璃衬底、下玻璃衬底ITO透明上电极、液晶层以及多个玻璃间隔子，其特征在于，

上玻璃衬底ITO透明上电极和ITO透明下电极分别镀在上玻璃衬底的正反两面；

下玻璃衬底ITO透明上电极镀在下玻璃衬底的正面；

上玻璃衬底ITO透明上电极和ITO透明下电极都具有四个呈十字形对称排列的子电极，且子电极与外界电源相连；

子电极的形状为近似条形，四个子电极所围成的区域为圆形；

上玻璃衬底正反两面的上下电极图案错开45度；

上玻璃衬底的ITO透明上电极的四个子电极所围成的圆形区域其圆心和ITO透明下电极的四个子电极所围成的圆形区域的圆心对齐；

下玻璃衬底的ITO透明上电极为圆形，其圆心与上玻璃衬底圆形区域的圆心对齐；

PI定向层是镀在上玻璃衬底的ITO透明下电极和下玻璃衬底的ITO透明上电极上；

上玻璃衬底和下玻璃衬底是上下设置，且液晶层灌注在上玻璃衬底和下玻璃衬底之间；

玻璃间隔子设置在上玻璃衬底和下玻璃衬底之间，且位于二者的边缘处。

2.根据权利要求1的电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，其特征在于，上玻璃衬底的ITO透明上电极的子电极的条形宽度为192微米，四个子电极所围成的圆形区域的直径为500微米。

3.根据权利要求1的电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，其特征在于，上玻璃衬底的ITO透明下电极的子电极的条形宽度为114微米，四个子电极所围成的圆形区域的直径为300微米。

4.根据权利要求1的电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，其特征在于，下玻璃衬底的ITO透明上电极的圆形电极直径为300微米。

5.根据权利要求1的电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜，其特征在于，上玻璃衬底的ITO透明上电极和下电极所围成的两个圆形区域的圆心和下玻璃衬底的圆形电极的圆心对齐。

6.根据权利要求1的电扫描焦点双通光孔径可摆动液晶微透镜，其特征在于，液晶层为向列型液晶。

7.一种用于制备电扫描双通光孔径焦点可摆动液晶微透镜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)清洗过程：依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对上ITO玻璃衬底和下ITO玻璃衬底进行超声清洗并烘干；

(2)涂胶过程：在干燥后的上ITO玻璃衬底的正反两面和下ITO玻璃衬底的单面上用匀胶机涂覆正性光刻胶并烘干5至20分钟；

(3)双面光刻过程：将光刻模板盖在上玻璃衬底的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，将光刻板盖在经处理后的上玻璃衬底的反面，并在显微镜下通过定位标识精确对齐，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

(4)单面光刻过程：将光刻模板盖在下玻璃衬底的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒；

(5)显影过程：用显影液溶掉上ITO玻璃衬底和下ITO玻璃衬底上感光部分的光刻胶，留下未感光部分，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟；

(6)腐蚀过程：用HCL溶液把上ITO玻璃衬底和下ITO玻璃衬底上未受光刻胶保护的ITO膜腐蚀掉，而将有光刻胶保护的ITO膜保存下来，最终分别形成上玻璃衬底的ITO透明上电极和ITO透明下电极，下玻璃衬底的ITO透明上电极，且上玻璃衬底正反两面的上下电极图案错开45度，上玻璃衬底的ITO透明上电极具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极的形状为近似条形，四个子电极所围成的区域为圆形，上玻璃衬底的ITO透明下电极具有四个呈十字形对称排列的子电极，子电极的形状为近似条形，四个子电极所围成的区域为圆形，下玻璃衬底的ITO透明上电极为圆形，其圆心与四个子电极所围成的圆形的圆心对齐；

(7)清洗过程：用丙酮和去离子水对腐蚀后的上玻璃衬底的ITO透明上电极和ITO透明下电极进行清洗并烘干；

(8)涂覆定向层过程：用匀胶机在ITO透明上电极和ITO透明下电极上涂覆PI定向层；

(9)烘干过程：把涂覆了PI定向层的上下ITO玻璃衬底放入退火炉中进行退火固化处理；

(10)摩擦过程：用绒布沿平行于上下ITO玻璃衬底边缘的方向摩擦PI定向层，形成取向层；

(11)灌注过程：将玻璃间隔子掺入上下ITO玻璃衬底之间，且位于二者的边缘处，用UV胶封住上下ITO玻璃衬底的左右两侧，通过渗透法灌注向列型液晶在二者之间；

(12)封装过程：UV胶封住上下ITO玻璃衬底的上下两侧并烘干。