CN110082982A - 一种简单电极结构的液晶透镜阵列 - Google Patents

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储繁
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Abstract

本发明提供的一种简单电极结构的液晶透镜阵列由上玻璃基板、透明公共电极、液晶层、透明条状像素电极、下玻璃基板和线偏振片构成；采用均匀厚度的向列相液晶层，并且水平取向；在单个透镜中心，透明公共电极有一定的间隙，该间隙小于透明公共电极的宽度，透明条状像素电极位于透镜两端，其宽度小于透明公共电极的宽度；透明公共电极接地，施加在透明条状像素电极上的电压相同。本发明的一种简单电极结构的液晶透镜阵列具有制作工艺简单、驱动方式简单、焦距短的特点。

Description

一种简单电极结构的液晶透镜阵列
技术领域
本发明涉及液晶透镜领域，具体是一种简单电极结构的液晶透镜阵列。
背景技术
基于液晶的透镜阵列在集成光学、信息处理、光通信和三维显示等领域具有吸引力和重要的研究价值。
液晶透镜工作机理是基于电场诱导梯度折射率分布，而无需任何机械运动部件，这将有利于获得一个紧凑的系统和更快的响应时间。在透镜上施加外部电压，由于电场诱导液晶分子重新定向，透镜边缘到中心的光程差得到调节从而改变其焦距。
为了制作液晶透镜阵列，专家学者已经开发了几种方法，如表面浮雕轮廓、条状或孔形电极、特殊形状电极、模式控制和聚合物网络液晶。液晶透镜的焦距取决于透镜半径、液晶层厚度及其边缘和中心的折射率差。条状或孔形电极的透镜为了获得较短的焦距，需要较厚的液晶层从而造成很慢的响应时间；由聚合物网络制成的微透镜阵列可以提高响应时间，但是聚合物网络的多域性在通电状态下会引起光散射；多电极结构通过给每个电极施加不同的电压可以得到中心对称的梯度折射率分布，但是驱动方式比较复杂；具有表面浮雕轮廓的液晶微透镜容易得到较好的聚焦效果，然而，每个透镜的浮雕面难以制作为完美的球面，此外，液晶分子的取向不均匀也会导致光散射。因此，工艺的简单化、液晶层轻薄化、驱动方式容易、无散射现象同时获得良好光学性能的液晶透镜仍然是一项很艰巨的任务。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种简单电极结构的液晶透镜阵列。该液晶透镜阵列的制作工艺简单、驱动方式简单、液晶层轻薄且无散射现象。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括上玻璃基板、透明公共电极、液晶层、透明条状像素电极、下玻璃基板和线偏振片。
所述的液晶层为正性向列相液晶，厚度均匀，上下平行取向。
所述透明公共电极、透明条状像素电极均采用氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)等透明的导电材料；在透镜中心，透明公共电极有一定的间隙，透明条状像素电极位于透镜两端；所述透明公共电极接地，施加在透明条状像素电极上的电压相同；施加电压时，在透镜中心透明公共电极之间的间隙部分与下玻璃基板之间保持相同的电势从而维持透镜中心液晶分子的水平指向；透明公共电极的间隙小于其宽度，透明条状像素电极的宽度小于透明公共电极的宽度；透明公共电极、透明条状像素电极的厚度相同。
所述线偏振片的透光轴方向与液晶分子的取向方向相同。
本发明提供的一种简单电极结构的液晶透镜阵列采用厚度均匀的液晶层，制作工艺简单并且驱动方式简单；在透明条状像素电极上施加相同的电压，在透镜中心透明公共电极之间的间隙部分与下玻璃基板之间保持相同的电势从而维持透镜中心液晶分子的水平指向，透明条状像素电极配合具有间隙的透明公共电极，在液晶层内部产生中心对称的梯度折射率分布，从而得到理想的相剖面；通过改变透明条状像素电极上的电压来实现连续调节所述的一种简单电极结构的液晶透镜阵列的焦距。
附图说明
图1是本发明实施例的一种简单电极结构的液晶透镜阵列的结构示意图。
图2是本发明实施例的一种简单电极结构的液晶透镜阵列单个透镜的折射率分布与理想抛物线匹配的曲线图。
图3是本发明实施例的一种简单电极结构的液晶透镜阵列单个透镜的相位分布与理想抛物线匹配的曲线图。
图4是本发明实施例的一种简单电极结构的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上玻璃基板、2透明公共电极、3液晶层、4透明条状像素电极、5下玻璃基板、6线偏振片。
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简单电极结构的液晶透镜阵列其中两个周期的结构示意图，该液晶透镜阵列包括上玻璃基板、透明公共电极、液晶层、透明条状像素电极、下玻璃基板和线偏振片；透明公共电极、透明条状像素电极采用ITO制作；在透镜中心，透明公共电极有一定的间隙，透明条状像素电极位于透镜两端；透明公共电极接地，施加在透明条状像素电极上的电压相同；透明公共电极的间隙小于其宽度，透明条状像素电极的宽度小于透明公共电极的宽度；透明公共电极、透明条状像素电极的厚度相同；液晶层采用正性向列相液晶，并且液晶层厚度均匀；上玻璃基板和下玻璃基板分别涂上一层薄的聚酰亚胺取向层，并且进行平行方向摩擦，使液晶分子平行排列。施加电压时，在透镜中心透明公共电极之间的间隙部分与下玻璃基板之间保持相同的电势从而维持透镜中心液晶分子的水平指向，如附图1中虚线圈出的部分所示，透明条状像素电极配合具有间隙的透明公共电极，在液晶层内部产生中心对称的梯度折射率分布，从而得到理想的相剖面。通过改变透明条状像素电极上电压来实现连续调节所述的一种简单电极结构的液晶透镜阵列的焦距。
本实施例中使用的正性向列相液晶材料的特性参数为：折射率no＝1.517，ne＝1.741；在波长λ＝550nm时，饱和双折射为0.224，介电系数为11.4。
本实施例中液晶层的厚度dLC＝30μm，透明公共电极的间隙g＝10μm，透明条状像素电极的间隙l＝120μm，透明公共电极的间隙中心正对透明条状像素电极的间隙中心，它们的间隙中心即为单个透镜的中心，离透明条状像素电极边缘s＝5μm的地方为单个透镜的边缘，令单个透镜中心位置为0，即所述的一种简单电极结构的液晶透镜阵列每个透镜的半径R＝55μm。
附图2为本发明实施例的一种简单电极结构的液晶透镜阵列单个透镜的折射率分布与理想抛物线匹配的曲线图(令单个透镜中心位置为坐标原点，左边半径位置为负，右边半径位置为正)，施加在透明条状像素电极上的电压V＝4.8Vrms。此时，透镜中心与透镜边缘之间的折射率差为0.1373，液晶层内呈中心对称的折射率分布且与理想抛物线基本重合。
附图3为本发明实施例的一种简单电极结构的液晶透镜阵列单个透镜的相位分布与理想抛物线匹配的曲线图，施加在透明条状像素电极上的电压V＝4.8Vrms。特别的，令透镜中心处的相位为零，透镜中心与透镜边缘之间的相位差为14.97818π，入射偏振光的相位分布与理想抛物线基本重合，也就是说该透镜无球差，成像质量较高。
附图4是本发明实施例的一种简单电极结构的液晶透镜阵列的电压-焦距曲线图。当施加在透明条状像素电极的电压0Vrms增加到4.8Vrms时，透镜的焦距可以从无穷远连续调节到0.38137mm，实现了较短的焦距。
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)

1.一种简单电极结构的液晶透镜阵列由上玻璃基板、透明公共电极、液晶层、透明条状像素电极、下玻璃基板和线偏振片构成。
2.根据权利要求1所述的一种简单电极结构的液晶透镜阵列，其特征为，所述透明公共电极在透镜中心位置有一定的间隙，透明条状像素电极位于透镜两端。
3.根据权利要求1所述的一种简单电极结构的液晶透镜阵列，其特征为，所述透明公共电极接地，施加在透明条状像素电极上的电压相同。
4.根据权利要求1所述的一种简单电极结构的液晶透镜阵列，其特征为，所述的透明公共电极的间隙和透明条状像素电极的宽度小于透明公共电极的宽度。
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