CN105425503A - 电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列，包括上玻璃衬底、PI定向层、上玻璃衬底ITO透明电极、液晶层、多个玻璃间隔子、下玻璃衬底以及下玻璃衬底ITO透明电极，上玻璃衬底的反面镀有ITO透明电极，下玻璃衬底的正面镀有ITO透明电极，上玻璃衬底反面的ITO透明电极具有四个被二氧化硅层分隔开的层叠式子电极并且可以分别进行加电控制，上玻璃衬底反面的四个层叠式子电极的图案为条形阵列，四个垂直对称分布的子电极阵列组成一个圆孔阵列，PI定向层是镀在上玻璃衬底的ITO透明上电极和下玻璃衬底的ITO透明下电极上。本发明能够解决现有技术中存在的圆孔液晶微透镜阵列不能电控摆焦的技术问题。

Description

电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于液晶透镜技术领域，更具体地，涉及一种电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列及其制备方法。
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。
目前，已经研制出利用单个圆孔电极进行调焦和摆焦的液晶微透镜，而当今微光学器件越来越体现出微型化、阵列化、集成化和智能化的特征，为了充分利用光信息的并行特性，也要求采用规则排列的、密集的微透镜阵列，以达到对光信息进行传输和变换的目的。随着半导体微加工技术的迅猛发展，人们已经能够使用紫外，离子束等先进光刻技术制作出微米及纳米数量级的单元液晶微透镜，制作大规模的阵列化液晶微透镜已不存在技术问题，使得液晶光学元件向着微型和集成化方向发展。阵列化结构与单单元结构相比有以下特性：
1)并行性：整个阵列由在水平方向和垂直方向上均匀分布的单个圆孔单元构成，每个单元互补干扰且可独立地实现光学传输功能，光学并行性是各单元所固有的特性，称为成像并行性。阵列中的每个单元都具有这种特性，并且各单元之间还存在元间并行性即存在二维的并行微光路，它们能够对每个微光路分别进行相应的光传输、变换和成像。
2)非线性：对于单个圆孔的液晶微透镜，其对光信息的处理相当于对入射光进行线性变换的一个光学传递函数，满足系统的线性不变性。但在阵列结构中，各单元的光信息可以相互叠加使输入和输出之间不再保持相似性，改变了单单元的线性不变性。
3)维数变化：阵列结构中的每个单元都是一个维数不变子系统，二维的图像信息通过单元结构处理转换后依然是二维的图像信息，但是如果经过阵列元件的处理转换后，像空间的维数就有可能发生改变，如n×n维的信息经过n×n的阵列变换后可能变为n2×n2维的信息，维数是原来的n2倍。
4)非独立性：对于阵列结构中的每个单元而言，其光路对光学信息的传输和变换是相当独立的，彼此间没有任何干扰。但对整个阵列结构来说，虽然各单元的光信息处理是独立的，但各阵列间的线性关系已不存在，不同阵列单元之间的光信息由于叠加和相关，所以不再保持独立性。
基于单圆孔可调焦摆焦液晶微透镜结构以及微透镜阵列的设计思想提出了电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列的结构。
发明内容
针对现有技术的改进需求，本发明提供了电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列，其目的在于解决现有的液晶微透镜技术中存在的圆孔阵列液晶微透镜各单元不能摆焦给实际应用带来的困难。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电控可调焦摆焦的微透镜面阵列，包括上玻璃衬底、PI定向层、上玻璃衬底ITO透明上电极、液晶层、多个玻璃间隔子以及下玻璃衬底ITO透明下电极，上玻璃衬底反面的ITO透明电极分别为四个层叠的面阵式子电极，四个子电极图案为均匀对称分布的条形阵列，各层之间用二氧化硅薄层隔开，下玻璃衬底的ITO透明下电极为平板电极，PI定向层是镀在上玻璃衬底的ITO透明上电极和下玻璃衬底ITO透明下电极上，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，玻璃间隔子是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透明上电极的四个面阵式子电极图案为均匀对称分布的条形阵列，由四个条形所组成的圆孔直径为100微米。
优选地，上玻璃衬底的ITO透明的四层子电极被二氧化硅层相互分割开，二氧化硅层厚度为20-30纳米。
优选地，下玻璃衬底的ITO透明下电极的为平板电极。
优选地，上玻璃衬底和下玻璃衬底被玻璃间隔子分割开并且保持严格平行。
优选地，上玻璃衬底的ITO透明上电极的定向层摩擦方向与下玻璃衬底的ITO透明下电极的定向层摩擦方向反向平行。
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、由于本发明采用了新型的图案电极，上玻璃衬底的ITO透明上电极的四层子电极分别与电源相连，可以单独对四层子电极进行控制，当对四层子电极施加相同电压幅值时可以实现圆孔液晶微透镜阵列的功能，即沿光轴方向的调焦功能，如果对四层子电极的电压幅值单独控制时就可以实现微透镜阵列在焦平面的摆焦功能。
本发明的另一目的在于提供一种用于制备电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列的方法，旨在解决现有技术中尚不存在的制备电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列的技术问题。
按照本发明的另一方面，提供了一种用于制备电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列的方法，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ITO玻璃衬底进行超声清洗并烘干；
(2)涂胶过程：在干燥后的ITO玻璃衬底的反面上用匀胶机涂覆正性光刻胶并烘干5至20分钟；
(3)单面光刻过程：将光刻模板盖在玻璃衬底的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至20秒。
(4)显影过程：用显影液溶掉ITO玻璃衬底上感光部分的光刻胶，留下未感光部分，显影时间为90至120秒，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟。
(5)腐蚀过程：用HCL溶液把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，最终分别形成玻璃衬底的ITO透明电极；
(6)清洗过程：用丙酮和去离子水对腐蚀后的玻璃衬底的ITO透明电极进行清洗并烘干；
(7)涂覆二氧化硅层过程：在烘干后的玻璃衬底的ITO透明上电极上涂覆20-30纳米厚的二氧化硅层，清洗后烘干。
(8)镀ITO透明电极层过程：在烘干后的二氧化硅层上镀450-650纳米厚的ITO透明电极层。
(9)重复(1)至(8)过程，在上玻璃衬底上制作四层被分隔开的ITO透明子电极，光刻过程要在光学显微镜下完成并保证四层子电极严格同轴形成圆孔阵列，并用相同方法制作下玻璃衬底ITO透明平板电极。
(10)涂覆定向层过程：用匀胶机在上玻璃衬底的ITO透明上电极和下玻璃衬底的ITO透明下电极上涂覆PI定向层；
(11)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；
(12)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；
(13)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；
(14)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透明上电极具有四层子电极，四层子电极层叠在一起形成圆孔阵列，下玻璃衬底的ITO透明下电极为平板电极，上玻璃衬底与下玻璃衬底由用玻璃间隔子割开并且保持严格平行。
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、由于采用了步骤(1)至步骤(9)，可以得到设计所需要的ITO透明图案电极，四层子电极都可以单独控制，使阵列中的每一个圆孔电极都可以实现同步调焦摆焦功能。
2、由于采用了步骤(12)，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(13)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是本发明的电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列的结构剖面图。
图2是本发明的上玻璃衬底的ITO透明上电极的俯视图。
图3是图2中上玻璃衬底的ITO透明子电极①的俯视图。
图4是本发明的上玻璃衬底的四个ITO透明子电极的立体图。
图5是本发明的电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列结构立体图。
图6是本发明制备电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列的方法流程图。
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-下玻璃衬底；2-上玻璃衬底；3-下玻璃衬底的ITO透明下电极；4-上玻璃衬底的ITO透明上电极；5-PI(polyimide)定向层；6-液晶分子；7-液晶层；8-二氧化硅层；9-玻璃间隔子。
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，本发明电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列包括下玻璃衬底1、上玻璃衬底2、下玻璃衬底的ITO(IndiumTinOxide,铟锡氧化物，简称ITO)透明下电极3、上玻璃衬底的ITO透明上电极4、PI(polyimide)定向层5、液晶分子6、液晶层7、二氧化硅层8、玻璃间隔子9。
ITO透明下电极3镀在下玻璃衬底的正面上。
ITO透明上电极4镀在上玻璃衬底的反面上。
上玻璃衬底的ITO透明上电极4具有四个面阵式子电极，子电极与外界电源相连。在本实施方式中，子电极的形状为条形阵列，条形宽50微米。
下玻璃衬底的ITO透明上电极3为平板电极。
PI定向层5是镀在下玻璃衬底的ITO透明下电极3和上玻璃衬底的ITO透明上电极4上。
下玻璃衬底1和上玻璃衬底2是上下设置，且液晶层7灌注在上玻璃衬底2和下玻璃衬底1之间。在本实施方式中，液晶层7为向列型液晶。
玻璃间隔子8设置在下玻璃衬底1和上玻璃衬底2之间，且位于下玻璃衬底1和上玻璃衬底2的边缘处。
以下详细描述本发明的工作原理：
因为四个条形子电极阵列组成了一个圆孔阵列，现以单个圆孔为例进行说明：当外界电源对四个子电极提供相同电压时，在上玻璃衬底的ITO透明上电极与下玻璃衬底的ITO透明下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，在圆的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no,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no，在椭圆的长轴方向入射光的非常光折射率为ne(θ)＝none/(ne 2sin2θ+no 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。当加载到四个子电极的电压幅值同步变化时圆孔电极起到在光轴上的调焦功能，当四个电压幅值单独控制时可以使焦点在焦平面上实现摆动，以达到摆焦功能。
如图6所示，本发明用于制备电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列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ITO玻璃衬底进行超声清洗并烘干；
(2)涂胶过程：在干燥后的ITO玻璃衬底的反面上用匀胶机涂覆正性光刻胶并烘干5至20分钟；
(3)单面光刻过程：将光刻模板盖在玻璃衬底的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至20秒。
(4)显影过程：用显影液溶掉ITO玻璃衬底上感光部分的光刻胶，留下未感光部分，显影时间为90至120秒，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟。
(5)腐蚀过程：用HCL溶液把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，最终分别形成玻璃衬底的ITO透明电极；
(6)清洗过程：用丙酮和去离子水对腐蚀后的玻璃衬底的ITO透明电极进行清洗并烘干；
(7)涂覆二氧化硅层过程：在烘干后的玻璃衬底的ITO透明上电极上涂覆20-30纳米厚的二氧化硅层，清洗后烘干。
(8)镀ITO透明电极层过程：在烘干后的二氧化硅层上镀450-650纳米厚的ITO透明电极层。
(9)重复(1)至(8)过程，在上玻璃衬底上制作四层被分隔开的ITO透明子电极，光刻过程要在光学显微镜下完成并保证四层子电极严格同轴形成圆孔阵列，并用相同方法制作下玻璃衬底ITO透明平板电极。
(10)涂覆定向层过程：用匀胶机在上玻璃衬底的ITO透明上电极和下玻璃衬底的ITO透明下电极上涂覆PI定向层；
(11)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；
(12)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；
(13)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；
(14)封装过程：UV胶封住上下ITO玻璃衬底的上下两侧并烘干。
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 (7)

1.一种电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列，包括上玻璃衬底、上玻璃衬底ITO透明上电极、PI定向层、下玻璃衬底、下玻璃衬底ITO透明下电极、液晶层以及多个玻璃间隔子，其特征在于，
上玻璃衬底ITO透明上电极镀在上玻璃衬底的反面；
下玻璃衬底ITO透明下电极镀在下玻璃衬底的正面；
上玻璃衬底ITO透明上电极为四个面阵式子电极，且子电极与外界电源相连；
四个面阵式子电极的图案为条形阵列，且四个面阵式子电极被二氧化硅层分割开；
四个面阵式子电极相互垂直对称分布并组成一个圆孔阵列图案；
下玻璃衬底的ITO透明下电极为平板电极；
PI定向层是镀在上玻璃衬底的ITO透明上电极和下玻璃衬底的ITO透明下电极上；
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的电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列，其特征在于，上玻璃衬底的ITO透明上电极的四个子电极均为条形图案。
3.根据权利要求1的电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列，其特征在于，上玻璃衬底的由四个面阵式子电极组成的圆孔阵列中其圆心的行间距和列间距都相同。
4.根据权利要求1的电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列，其特征在于，上玻璃衬底的ITO透明上电极的圆孔阵列的圆心距为250微米。
5.根据权利要求1的电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列，其特征在于，液晶层为向列型液晶。
6.一种用于制备权利要求1－5任一项电控可调焦摆焦液晶微透镜阵列的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)清洗过程：依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对ITO玻璃衬底进行超声清洗并烘干；
(2)涂胶过程：在干燥后的ITO玻璃衬底的反面上用匀胶机涂覆正性光刻胶并烘干5至20分钟；
(3)单面光刻过程：将光刻模板盖在玻璃衬底的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至20秒。
(4)显影过程：用显影液溶掉ITO玻璃衬底上感光部分的光刻胶，留下未感光部分，显影时间为90至120秒，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟。
(5)腐蚀过程：用HCL溶液把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，最终分别形成玻璃衬底的ITO透明电极；
(6)清洗过程：用丙酮和去离子水对腐蚀后的玻璃衬底的ITO透明电极进行清洗并烘干；
(7)涂覆二氧化硅层过程：在烘干后的玻璃衬底的ITO透明上电极上涂覆20-30纳米厚的二氧化硅层，清洗后烘干。
(8)镀ITO透明电极层过程：在烘干后的二氧化硅层上镀450-650纳米厚的ITO透明电极层。
(9)重复(1)至(8)过程，在上玻璃衬底上制作四层被分隔开的ITO透明子电极，光刻过程要在光学显微镜下完成并保证四层子电极严格同轴形成圆孔阵列，并用相同方法制作下玻璃衬底ITO透明平板电极。
(10)涂覆定向层过程：用匀胶机在上玻璃衬底的ITO透明上电极和下玻璃衬底的ITO透明下电极上涂覆PI定向层；
(11)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；
(12)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；
(13)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；
(14)封装过程：UV胶封住上下ITO玻璃衬底的上下两侧并烘干。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，
上玻璃衬底的ITO透明上电极具有四个层叠在一起的面阵式子电极，各子电极图案为由条形阵列，四个条形阵列组成一个圆孔阵列，四个子电极被二氧化硅层相互分割开；
下玻璃衬底的ITO透明下电极为平板电极；
上玻璃衬底和下玻璃衬底用直径为50微米的玻璃间隔子割开，两玻璃衬底保持严格平行；
上玻璃衬底的定向层的摩擦方向与下玻璃衬底的定向层的摩擦方向为反向平行。
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