CN104808415B - 一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于变焦透镜技术领域，具体涉及一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法。大变焦范围电调谐液晶透镜，包括：上玻璃基板、圆环形氧化铟锡导电薄膜、向列相液晶、隔垫物、圆盘形氧化铟锡导电薄膜和下玻璃基板。本发明提出的同轴圆盘‑圆环电极结构，通过优化盒厚、电极尺寸、垂直排列向列相液晶等结构参数，得到制作工艺简单、变焦范围较大的液晶透镜结构，很好实现了电场调谐特性。

Description

一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法
技术领域
本发明属于变焦透镜技术领域，具体涉及一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法。
背景技术
透镜作为一种光学元件，具有汇聚或发散光线的作用，广泛应用于日常生活、天文、军事、交通等领域，传统的玻璃透镜为固定焦距，而在摄影、摄像、精密测量等许多领域要用到焦距可调谐的变焦透镜。传统机械式变焦透镜通常利用透镜组合来产生变焦效果，但体积大、质量重。与传统变焦透镜相比，液晶透镜不需要机械式移动透镜组合产生变焦的效果，体积小、质量轻。目前采用较多的一种方法是通过改变向列相液晶的指向矢分布来改变液晶透镜的焦距。由于液晶分子经取向后可以引起较大的光学各向异性，是极佳的电光材料，利用向列相液晶电控双折射以及液晶分子空间分布随外加电场变化而改变的电学特性，可以应用在液晶透镜。
电调谐液晶变焦透镜的研究起始于上世纪70年代，早在1979年日本科学家Sato提出并完成首个电控液晶透镜。许多研究者在结构上做了一系列的改进，有的用圆柱形的液晶透镜结构，有的在电极之间加了玻璃层，也有的用圆筒结构的设计方法，制作了一种电润湿可调透镜，这些研究取得了一定的效果。变焦透镜类型多样，目前多采用单圆孔电极平行排列向列相液晶透镜模型，利用在电调谐时折射率差值的改变进行液晶透镜变焦特性的研究，但变焦范围较小仍然不能令人满意。本发明一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法，同轴圆盘-圆环电极结构使得加载在液晶上的电场呈圆对称，圆盘中心处的有效折射率较圆盘-圆环边缘处大，沿径向不同位置处液晶材料的折射率分布呈梯度变化，实现光束聚焦，当实施不同电场时实现变焦的功能。设计一种实现良好透镜效果的大变焦范围透镜，容易实现阵列化，可以进一步拓宽在该领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种变焦范围更大的大变焦范围电调谐液晶透镜，本发明的目的还在于提供一种大变焦范围电调谐液晶透镜制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
大变焦范围电调谐液晶透镜，包括：上玻璃基板1、圆环形氧化铟锡导电薄膜2、向列相液晶3、隔垫物4、圆盘形氧化铟锡导电薄膜5和下玻璃基板6，上玻璃基板1和下玻璃基板6上下相对设置，上玻璃基板1的下端设有圆环形氧化铟锡导电薄膜2连接电源正极导线7，下玻璃基板6的上端设有圆盘形氧化铟锡导电薄膜5连接电源负极导线8，所述圆环形氧化铟锡导电薄膜2和圆盘形氧化铟锡导电薄膜5上下同轴设置，上玻璃基板1和下玻璃基板6之间放置有隔垫物4，上玻璃基板1、下玻璃基板6和隔垫物4围成的空间内设有垂直排列向列相液晶3。
大变焦范围电调谐液晶透镜制备方法，包括如下步骤：上玻璃基板和下玻璃基板选用厚度为1.1毫米的镀有厚100纳米氧化铟锡导电薄膜的玻璃，隔垫物厚度为d微米，液晶折射率差为Δn，且满足d·Δn≥15微米；对上下玻璃基板ITO导电薄膜利用盐酸腐蚀15分钟—20分钟做圆盘和圆环图案处理，在电极侧旋涂上聚酰亚胺垂直取向膜，用干燥箱设置温度80摄氏度干燥20分钟，再升温至120摄氏度干燥20分钟，用摩擦机对两玻璃基板的PI膜进行摩擦取向处理后，将两极板的摩擦方向呈垂直排列制作出样品空盒，利用隔垫物对液晶层厚度进行控制。
本发明的有益效果在于：
本发明设计出一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法，由于向列相液晶具有明显的介电各向异性，且垂直排列向列相液晶较平行排列向列相液晶更容易使液晶分子出现不同转向，通过加载在液晶上的圆对称电场可以改变垂直排列向列相液晶指向矢分布，使液晶指向矢倾角分布呈圆对称，沿径向不同位置处液晶材料的折射率分布会呈梯度变化，达到汇聚光束的效果。同轴圆盘-圆环电极结构较单圆孔电极结构在不同的非均匀圆对称电场下，同一入射位置处的光束，经过透镜具有不同的光程，从而实现液晶透镜的焦距可调。
本发明提出的同轴圆盘-圆环电极结构，通过优化盒厚、电极尺寸、垂直排列向列相液晶等结构参数，得到制作工艺简单、变焦范围较大的液晶透镜结构，很好实现了电场调谐特性。
附图说明
图1为本发明一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施。
一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法，包括：上玻璃基板、圆环形氧化铟锡导电薄膜、垂直排列向列相液晶、隔垫物、圆盘形氧化铟锡导电薄膜和下玻璃基板，所述上玻璃基板和下玻璃基板上下相对设置，上玻璃基板的下端设有圆环形氧化铟锡导电薄膜，下玻璃基板的上端设有圆盘形氧化铟锡导电薄膜，电极侧旋涂上聚酰亚胺(PI)垂直取向膜，进行摩擦取向处理，所述圆环形氧化铟锡导电薄膜和圆盘形氧化铟锡导电薄膜上下同轴设置，上玻璃基板和下玻璃基板之间放置有隔垫物，上玻璃基板、下玻璃基板和隔垫物围成的空间内设有垂直排列向列相液晶。
如图1～图3所示，本实施例所涉及的一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法，包括：上玻璃基板1、圆环形氧化铟锡导电薄膜2、向列相液晶3、隔垫物4、圆盘形氧化铟锡导电薄膜5和下玻璃基板6，所述上玻璃基板1和下玻璃基板6上下相对设置，上玻璃基板1的下端设有圆环形氧化铟锡导电薄膜2，连接电源正极导线7，下玻璃基板6的上端设有圆盘形氧化铟锡导电薄膜5，连接电源负极导线8，所述圆环形氧化铟锡导电薄膜2和圆盘形氧化铟锡导电薄膜5上下同轴设置，上玻璃基板1和下玻璃基板6之间放置有隔垫物4，上玻璃基板1、下玻璃基板6和隔垫物4围成的空间内设有垂直排列向列相液晶3。图中的附图标记，1为上玻璃基板，2为圆环形氧化铟锡(ITO)导电薄膜，3为垂直排列向列相液晶，4为隔垫物，5为圆盘形氧化铟锡(ITO)导电薄膜，6为下玻璃基板，7为连接电源正极导线，8为连接电源负极导线。
一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法的制作方法：上玻璃基板1和下玻璃基板6选用厚度为1.1毫米的镀有厚100纳米氧化铟锡(ITO)导电薄膜的玻璃，隔垫物4厚度为d微米，液晶折射率差为Δn，且满足d·Δn≥15微米；对上下玻璃基板ITO导电薄膜(电极)利用盐酸腐蚀15分钟—20分钟做圆盘和圆环图案处理，并在电极侧旋涂上聚酰亚胺(PI)垂直取向膜(jals-2021-R1)，用干燥箱设置温度80摄氏度干燥20分钟，再升温至120摄氏度干燥20分钟，用摩擦机对两玻璃基板的PI膜进行摩擦取向处理后，将两极板的摩擦方向呈垂直排列制作出样品空盒，利用隔垫物对液晶层厚度进行控制(如图1所示)。
所用的向列相液晶3是向列相液晶(BHR33200)。圆盘形氧化铟锡导电薄膜5的半径R为1毫米至2毫米区间；圆环形氧化铟锡导电薄膜2的内半径R1为0.5毫米—1毫米区间，圆环形氧化铟锡导电薄膜2的外半径R2为2毫米—4毫米区间，且满足R＝(R1+R2)/2。
本实施例提出的同轴圆盘-圆环电极结构，通过优化盒厚、电极尺寸等结构参数，得到制作工艺简单、变焦范围较大的液晶透镜结构，很好的实现了电场调谐特性。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本发明提供了一种大变焦范围电调谐液晶透镜及其制备方法，属于变焦透镜技术领域。本发明所述上玻璃基板和下玻璃基板上下相对设置，上玻璃基板的下端设有圆环形氧化铟锡导电薄膜，下玻璃基板的上端设有圆盘形氧化铟锡导电薄膜，所述圆环形氧化铟锡导电薄膜和圆盘形氧化铟锡导电薄膜上下同轴设置，上玻璃基板和下玻璃基板之间放置有隔垫物，上玻璃基板、下玻璃基板和隔垫物围成的空间内设有垂直排列向列相液晶。本发明提出的垂直排列向列相液晶透镜的同轴圆盘-圆环电极结构，通过优化盒厚、电极尺寸等结构参数，得到制作工艺简单、变焦范围较大的液晶透镜结构，很好的实现了电场调谐特性。
上玻璃基板1和下玻璃基板6之间空间内设有垂直排列向列相液晶3。
圆盘形氧化铟锡导电薄膜5的半径为1毫米至2毫米区间。
圆环形氧化铟锡导电薄膜2的内半径为0.5毫米—1毫米区间，圆环形氧化铟锡导电薄膜2的外半径为2毫米—4毫米区间。
上玻璃基板1和下玻璃基板6之间放置隔垫物4厚度为50微米—100微米区间。

Claims (1)

1.一种大变焦范围电调谐液晶透镜，包括：
上玻璃基板、圆环形氧化铟锡导电薄膜、向列相液晶、隔垫物、圆盘形氧化铟锡导电薄膜和下玻璃基板，所述上玻璃基板和下玻璃基板上下相对设置，上玻璃基板的下端设有圆环形氧化铟锡导电薄膜，连接电源正极导线，下玻璃基板的上端设有圆盘形氧化铟锡导电薄膜，连接电源负极导线，所述圆环形氧化铟锡导电薄膜和圆盘形氧化铟锡导电薄膜上下同轴设置，上玻璃基板和下玻璃基板之间放置有隔垫物，上玻璃基板、下玻璃基板和隔垫物围成的空间内设有垂直排列向列相液晶；
上玻璃基板和下玻璃基板选用厚度为1.1毫米的镀有厚100纳米氧化铟锡导电薄膜的玻璃，隔垫物厚度为d微米，液晶折射率差为Δn，且满足d·Δn≥15微米；对上下玻璃基板ITO导电薄膜利用盐酸腐蚀15分钟—20分钟做圆盘和圆环图案处理，并在电极侧旋涂上聚酰亚胺垂直取向膜，用干燥箱设置温度80摄氏度干燥20分钟，再升温至120摄氏度干燥20分钟，用摩擦机对两玻璃基板的PI膜进行摩擦取向处理后，将两极板的摩擦方向呈垂直排列制作出样品空盒，利用隔垫物对液晶层厚度进行控制；所用的向列相液晶是向列相液晶；圆盘形氧化铟锡导电薄膜的半径R为1毫米至2毫米区间；圆环形氧化铟锡导电薄膜的内半径R1为0.5毫米—1毫米区间，圆环形氧化铟锡导电薄膜的外半径R2为2毫米—4毫米区间，且满足R＝(R1+R2)/2；
上玻璃基板和下玻璃基板之间放置隔垫物厚度为50微米—100微米区间。
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