CN107436499B - 一种蓝相液晶柱透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种蓝相液晶柱面透镜包括上基板、液晶层、高介电层、下基板；上基板包括上基板玻璃层和透明公共电极；液晶层采用蓝相液晶，并且液晶层的厚度是均匀的；高介电层是由透明材料金属颗粒掺杂氧化物制作而成；下基板包括透明突起电极、透明面内转换电极和下玻璃基板层。通过在透明面内转换电极和透明突起电极上分别施加不同的电压V1和V2，且V2大于V1，改变液晶层内部的折射率分布，在液晶层中形成期望的梯度折射率分布。所述蓝相液晶柱面透镜的焦距通过等比例改变在所述透明突起电极和透明面内转换电极上施加的电压进行调节。所述透明公共电极、透明突起电极和透明面内转换电极采用氧化铟锡（ITO）或氧化铟锌（IZO）制作。

Description

一种蓝相液晶柱透镜
技术领域
本发明涉及液晶透镜领域，具体是一种蓝相液晶柱透镜。
背景技术
液晶透镜具有焦距可控、功耗低、结构轻巧等优点，因此在很多领域都有广泛的应用，例如三维显示、成像系统、显微放大系统、图像处理、眼镜和光通信等。目前，大多数液晶透镜都采用向列相液晶，由于向列相液晶的双折射比较大，所以能够实现更短的焦距。但是，向列相液晶透镜主要存在两个问题：响应速度慢和偏振依赖性。
为了解决向列相液晶透镜存在的问题，人们提出了蓝相液晶透镜，它主要存在以下几个方面的优势：（1）响应时间在亚毫秒范围，比向列相液晶快了10倍；（2）不需要取向层，制作工艺非常简单。近些年，专家学者提出了几种蓝相液晶透镜结构，例如曲面电极结构、表面浮雕结构、孔形电极结构、多电极结构等。其中，基于曲面电极的蓝相液晶透镜具有完美抛物线形的相位分布，但是曲面电极的制作过程比较复杂，对工艺要求比较高；基于表面浮雕结构的蓝相液晶透镜能够实现正、负焦距的切换，但是它的液晶层的厚度不均匀，制作难度比较大；基于孔形电极结构的蓝相液晶透镜其器件结构非常简单，但是它的相位分布不是理想抛物线形的，透镜效果比较差；基于多电极结构的蓝相液晶透镜通过给每个电极施加不同的电压可以得到完美抛物线形的相位分布，但是传统多电极结构透镜焦距变化范围比较小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种结构简单、制作容易且性能优良的蓝相液晶柱透镜。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括上基板1、液晶层4、高介电层5和下基板9；所述上基板1包括上玻璃基板2和透明公共电极3；所述下基板9包括下玻璃基板8、透明突起电极6和透明面内转换电极7。
所述的液晶层4采用蓝相液晶，并且蓝相液晶层的厚度是均匀的。
所述的高介电层5是由透明材料金属颗粒掺杂氧化物制作而成，高介电层5用于平滑透明突起电极6与透明面内转换电极7边缘的相位分布和分担透明突起电极6与透明面内转换电极7之间的水平电场，高介电层5的厚度d大于透明面内突起电极6的高度h。
所述透明公共电极3、透明突起电极6和透明面内转换电极7采用氧化铟锡（ITO）或氧化铟锌（IZO）等透明导电材料，并且透明公共电极3和透明面内转换电极7的厚度相同。
本发明提供的蓝相液晶柱透镜采用平面的透明公共电极3、透明突起电极6、透明面内转换电极7、高介电层5和厚度均匀的液晶层4，结构简单并且制作容易。同时通过在透明面内转换电极7和透明突起电极6上分别施加不同的电压V1和V2，且V2大于V1，改变液晶层4内部的折射率分布，从而得到最优抛物线形的相位分布。此外，通过等比例改变透明突起电极6和透明面内转换电极7上施加的电压来调节所述蓝相液晶柱透镜的焦距。
附图说明
图1是本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的折射率分布图。
图3是本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的相位分布图。
图4是本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的电压-焦距曲线图。
上述附图中的图示标号为：
1上基板，2上基板玻璃，3透明公共电极，4液晶层，5高介电层，6透明突起电极，7透明面内转换电极，8下基板玻璃，9下基板。
具体实施方式
为使本领域的技术人员能更进一步了解本发明，下面将结合附图详细地说明本发明的具体实施方式。需要说明的是，附图仅以说明为目的，并未依照原始尺寸作图。
附图1是本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的结构示意图，该蓝相液晶柱透镜包括上基板1、液晶层4、高介电层5和下基板9；上基板1包括上基板玻璃层2和透明公共电极3；液晶层4采用蓝相液晶，并且液晶层4的厚度是均匀的；高介电层5是由透明材料二氧化钛（TiO2）和铈（Ce）掺杂而成，高介电层5用于平滑透明突起电极6与透明面内转换电极7边缘的相位分布和分担透明突起电极6与透明面内转换电极7之间的水平电场；下基板9包括透明突起电极6、透明面内转换电极7和下玻璃基板层8。所述透明公共电极3、透明突起电极6和透明面内转换电极7采用氧化铟锡（ITO）制作。通过在透明面内转换电极7 和透明突起电极6 上分别施加不同的电压V1和V2，且V2大于V1，改变液晶层内部的折射率分布，在液晶层4中形成期望的梯度折射率分布，从而得到抛物线形的相位分布；所述蓝相液晶柱透镜的焦距通过等比例改变在所述透明突起电极6和透明面内转换电极7上施加的电压进行调节。
本实施例中使用的液晶材料的特性参数为：蓝相液晶的材料折射率为n o=1.4794，n e=1.5763；在波长λ=550nm时，饱和双折射为0.09，饱和电场为4.15V/μm，克尔系数K=16.3nm/V2。
本实施例中蓝相液晶盒盒厚D=25μm，液晶层4的厚度d LC =10um，高介电层5的厚度d=15um，介电常数为120，透明突起电极6和透明面内转换电极7的宽度l=4μm，透明突起电极6的高度h=8μm，蓝相液晶柱透镜曲率半径R=52um，特别的，透明公共电极3和透明面内转换电极的厚度均为0.04um。
附图2为本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的折射率分布图，此时施加在透明突起面内转换电极7上的电压V1=9.8Vrms，施加在透明突起电极上6的电压V2=50Vrms，虚线和点线分别表示o光和e光的折射率分布，实线表示理想的抛物线。从附图2可以看出，透镜中心与透镜边缘之间的折射率差为0.0258，因此，所述的蓝相液晶柱透镜能够实现较大范围的焦距可调，并且液晶层4内的折射率分布呈中心对称，折射率分布具有良好的抛物线形。此外，o光和e光的折射率重合得良好。
附图3为本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的相位分布图，此时施加在透明突起面内转换电极7上的电压V1=9.8Vrms，施加在透明突起电极6上的电压V2=50Vrms，虚线和点线分别表示o光和e光的相位分布，实线表示理想的抛物线。特别的，令液晶透镜中心处的相位设为零。从附图3可以看出，透镜中心与透镜边缘之间的相位差为0.95π，并且相位分布与理想抛物线匹配的很好，这有助于减小球差，提高透镜成像质量。此外，由于液晶层4中的电场主要是垂直电场，其水平电场分量基本可以忽略，所以o光和e光的相位重合得非常好，因此该蓝相液晶柱透镜是偏振无关的。
附图4是本发明实施例提供的蓝相液晶柱透镜的焦距-电压曲线图。带方框的曲线和带圆圈的曲线和分别表示o光和e光的焦距与电压变化的关系。从附图4可以看出，当施加在透明突起电极6上的电压从0Vrms增加到50Vrms时，透镜的焦距可以从无穷远连续调节到5.8mm，并且o光和e光对应的焦距的变化始终保持一致，这进一步说明了该蓝相液晶柱透镜是偏振无关的，此外，该蓝相液晶柱透镜不需要太高的驱动电压就能实现小焦距调节。
以上所述仅为本发明的优选实施例，但本发明不限于此实施例。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离由权利要求书限定的本发明的精神实质和范围的情况下对其形式和细节做出的各种改变，皆应属本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种蓝相液晶柱透镜，其特征是，包括上基板(1)、液晶层(4)、高介电层(5)和下基板(9)；所述的液晶层(4)采用蓝相液晶，并且蓝相液晶层的厚度是均匀的；高介电层(5)是由透明材料金属颗粒掺杂氧化物制作而成；上基板(1)包括上基板玻璃层(2)和透明公共电极(3)；下基板(9)包括透明突起电极(6)、透明面内转换电极(7)和下玻璃基板层(8)；高介电层(5)位于下基板(9)上，高介电层(5)的厚度d大于透明面内突起电极(6)的高度h。
2.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶柱透镜，其特征是，施加在透明面内转换电极(7)上的电压V1与施加在透明突起电极(6)上的电压V2不相等，且V2大于V1。
3.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶柱透镜，其特征是，等比例改变透明突起电极(6)和透明面内转换电极(7)上施加的电压来调节所述蓝相液晶柱透镜的焦距。
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