CN110058436A - 一种短焦距双层液晶透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短焦距双层液晶透镜阵列，其包括：上层玻璃基板、上层透明平面电极、上层顶部取向层、上层液晶层、上层透明低介电层、上层透明直角三棱柱高介电层、上层透明条形电极、上层底部取向层、中部玻璃基板、下层顶部取向层、下层透明条形电极、下层透明直角三棱柱高介电层、下层透明低介电层、下层液晶层、下层底部取向层、下层透明平面电极以及下层玻璃基板。上层与下层透明条形电极间均产生空间不均匀电场，使液晶层内产生梯度的折射率分布。由于上下两层均采用透明直角三棱柱高介电层与透明低介电层交替排列，有效地降低了该液晶透镜的工作电压。双层设计使液晶层内中央与边缘的相位差增大了一倍，从而减小了液晶透镜的焦距。

Description

一种短焦距双层液晶透镜阵列
技术领域
本发明涉及液晶透镜领域，具体是一种短焦距双层液晶透镜阵列。
背景技术
相比于传统的固体透镜，液晶透镜具有轻薄、紧凑和无需机械移动就可以实现焦距可调的特点，因此在二维/三维(2D/3D)可切换显示应用领域内备受关注。目前已提出多种方法来制作液晶透镜，其中最主流的就是利用电场使向列相液晶分子重新定向，在液晶层内产生梯度的折射率分布。由于向列相液晶分子具有较大的双折射，因此可以通过施加电压在很宽的范围内控制光程，从而实现焦距可调的功能。然而，液晶透镜的光焦度反比于半径的平方，使液晶透镜在大口径和短焦距二者之间不可兼得，限制了液晶透镜的应用范围。近年来，专家学者提出了很多方法来制作短焦距液晶透镜，包括：固体透镜与液晶层相结合、同心多环电极结构及孔型图案化电极结构等。但是，固体透镜与液晶层相结合增大了液晶透镜的体积且增加了制作难度；同心圆环电极结构需要设计多个驱动电压，驱动复杂；孔型图案化电极结构需要加入厚介电层来使整个孔径获得不均匀的电场分布，这不仅增大液晶透镜的驱动电压，还减小了液晶透镜的光焦度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种驱动方式简单、制作容易且实现短焦距可调的液晶透镜阵列。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的一种短焦距双层液晶透镜阵列包括上层玻璃基板、上层透明平面电极、上层顶部取向层、上层液晶层、上层透明低介电层、上层透明直角三棱柱高介电层、上层透明条形电极、上层底部取向层、中部玻璃基板、下层顶部取向层、下层透明条形电极、下层透明直角三棱柱高介电层、下层透明低介电层、下层液晶层、下层底部取向层、下层透明平面电极以及下层玻璃基板。
所述的上层透明平面电极、上层透明条形电极、下层透明条形电极及下层透明平面电极具有相同的厚度且均采用氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)等透明导电材料制作，上层透明条形电极和下层透明条形电极具有相同的宽度。
所述的上层顶部取向层、上层底部取向层、下层顶部取向层和下层底部取向层采用平行取向，上层液晶层和下层液晶层具有相同的厚度。
所述的上层透明直角三棱柱高介电层和下层透明直角三棱柱高介电层的边长相同，可以有效地平滑液晶透镜的相剖面；透明直角三棱柱高介电层和透明低介电层的介电系数差用于降低液晶透镜的驱动电压，使液晶层内部产生不均匀的电场分布；上层透明低介电层、上层透明直角三棱柱高介电层、下层透明直角三棱柱高介电层以及下层透明低介电层的厚度和折射率均相同。
本发明提供的一种短焦距双层液晶透镜阵列制作工艺简单且易于驱动。上层透明平面电极和下层透明平面电极上不施加电压，上层透明条形电极和下层透明条形电极上施加相同的电压，使透明条形电极间产生不均匀的电场，从而在液晶层内产生梯度的折射率分布。上、下两层均采用透明直角三棱柱高介电层和透明低介电层交替排列，透明直角三棱柱高介电层可以通过模压或印刷工艺制作。由于透明直角三棱柱高介电层与透明低介电层的介电系数差较大，使液晶透镜在小电压下就可以驱动液晶分子发生偏转，从而降低驱动电压。
附图说明
图1是本发明实施例的一种短焦距双层液晶透镜阵列的结构示意图。
图2是本发明实施例的一种短焦距双层液晶透镜阵列单个透镜的折射率分布曲线图。
图3是本发明实施例的一种短焦距双层液晶透镜阵列单个透镜的相位分布曲线图。
图4是本发明实施例的一种短焦距双层液晶透镜阵列的电压-焦距曲线图。
上述附图中的图示标号为：
1上层玻璃基板，2上层透明平面电极，3上层顶部取向层，4上层液晶层，5上层透明低介电层，6上层透明直角三棱柱高介电层，7上层透明条形电极，8上层底部取向层，9中部玻璃基板，10下层顶部取向层，11下层透明条形电极，12下层透明直角三棱柱高介电层，13下层透明低介电层，14下层液晶层，15下层底部取向层，16下层透明平面电极，17下层玻璃基板。
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一种短焦距双层液晶透镜阵列的结构示意图，该液晶透镜阵列包括上层玻璃基板、上层透明平面电极、上层顶部取向层、上层液晶层、上层透明低介电层、上层透明直角三棱柱高介电层、上层透明条形电极、上层底部取向层、中部玻璃基板、下层顶部取向层、下层透明条形电极、下层透明直角三棱柱高介电层、下层透明低介电层、下层液晶层、下层底部取向层、下层透明平面电极以及下层玻璃基板。上层透明平面电极、上层透明条形电极、下层透明条形电极及下层透明平面电极具有相同的厚度且均采用ITO制作，上层透明条形电极和下层透明条形电极具有相同的宽度。上层顶部取向层、上层底部取向层、下层顶部取向层和下层底部取向层均采用平行取向。上层透明平面电极与下层透明平面电极上不施加电压，上层透明条形电极和下层透明条形电极上施加相同的电压，使透明条形电极间产生不均匀的电场，电场驱动液晶分子偏转，从而在液晶层内产生梯度的折射率分布。上、下两层均采用透明直角三棱柱高介电层和透明低介电层交替排列，且透明直角三棱柱高介电层与透明低介电层的折射率相同，因此透明直角三棱柱高介电层和透明低介电层不影响液晶层的折射作用。由于透明直角三棱柱高介电层与透明低介电层间的介电系数差较大，使液晶透镜在小电压下就可以驱动液晶分子发生偏转，从而降低驱动电压。通过改变上层透明条形电极和下层透明条形电极上的电压可以调节所述液晶透镜阵列的焦距。
本实施例中使用E7向列相液晶材料，其特性参数为：折射率为no＝1.517，ne＝1.741，波长λ＝550nm时，最大双折射为Δn＝0.224，介电各向异性为Δε＝11.4。
本实施例中上层液晶层与下层液晶层的厚度为dLC＝50μm，上层透明低介电层、上层透明直角三棱柱高介电层、下层透明低介电层以及下层透明直角三棱柱高介电层的厚度为d＝190μm，上、下层透明介电层的折射率均为1.68，上层透明直角三棱柱高介电层与下层透明直角三棱柱高介电层的介电系数为1000，边长为l＝210μm，上层透明低介电层与下层透明低介电层的介电系数为3.8，液晶透镜的半径为r＝250μm，上层透明条形电极和下层透明条形电极的宽度为w＝5μm。
附图2为本发明实施例的一种短焦距双层液晶透镜阵列单个透镜的折射率分布曲线图，施加在上层透明平面电极与下层透明平面电极上的电压为V0＝0，施加在上层透明条形电极与下层透明条形电极上的电压为V＝3.3Vrms。从附图2可以看出，所述的一种短焦距双层液晶透镜阵列的液晶层内的折射率分布是中心对称的且与理想抛物线重合，透镜中心与透镜边缘的折射率差为0.1753。
附图3为本发明实施例的一种短焦距双层液晶透镜阵列单个透镜的相位分布曲线图，施加在上层透明平面电极与下层透明平面电极上的电压为V0＝0，施加在上层透明条形电极与下层透明条形电极上的电压为V＝3.3Vrms。从附图3可以看出，所述的一种短焦距双层液晶透镜阵列的相位分布曲线与理想抛物线完美重合，透镜中心与透镜边缘的相位差为63.75π。
附图4是本发明实施例的一种短焦距双层液晶透镜阵列的电压-焦距曲线图。从附图4可以看出，当施加在上层透明条形电极与下层透明条形电极上的电压从0Vrms增加到3.3Vrms时，透镜的焦距从无穷远逐渐减小。当电压为3.3Vrms时，透镜获得最短焦距，为1.7827mm。该液晶透镜阵列可以实现短焦距且有较大的调焦范围。
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 (4)

1.一种短焦距双层液晶透镜阵列包括：上层玻璃基板、上层透明平面电极、上层顶部取向层、上层液晶层、上层透明低介电层、上层透明直角三棱柱高介电层、上层透明条形电极、上层底部取向层、中部玻璃基板、下层顶部取向层、下层透明条形电极、下层透明直角三棱柱高介电层、下层透明低介电层、下层液晶层、下层底部取向层、下层透明平面电极以及下层玻璃基板。
2.根据权利要求1所述的一种短焦距双层液晶透镜阵列，其特征是，上层透明平面电极、上层透明条形电极、下层透明条形电极及下层透明平面电极具有相同的厚度，上层透明条形电极与下层透明条形电极具有相同的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种短焦距双层液晶透镜阵列，其特征是，上层液晶层与下层液晶层具有相同的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种短焦距双层液晶透镜阵列，其特征是，上层透明低介电层、上层透明直角三棱柱高介电层、下层透明直角三棱柱高介电层与下层透明低介电层具有相同的厚度，且它们的折射率均相同，上层透明直角三棱柱高介电层和下层透明直角三棱柱高介电层的边长相同。
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