CN110579921A - 一种基于电阻层各向同性液晶透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种各向同性液晶透镜阵列，它包括上玻璃基板、上透明平面电极、各向同性液晶层、介电层、电阻层、下透明平面电极和下玻璃基板。在下透明平面电极上施加电压，通过常规电阻层的分压作用，在各向同性液晶层内产生空间不均匀的电场分布，从而改变液晶层内部的折射率分布，配合介电层，在各向同性液晶层内部产生梯度折射率分布，从而得到抛物线形的相位分布；通过改变下透明平面电极施加的电压来调节所述各向同性液晶透镜阵列的焦距。该液晶透镜阵列的驱动方式简单并且制作容易。

Description

一种基于电阻层各向同性液晶透镜阵列
技术领域
本发明涉及液晶透镜领域，具体是一种基于电阻层各向同性液晶透镜阵列。
背景技术
液晶透镜具有焦距连续可控、功耗低、无机械移动、结构轻巧等优点，因此在很多领域都有广泛的应用，例如自聚焦器件、2D/3D可切换显示、可调光子器件、图像处理和光通信等。目前，大多数液晶透镜都采用向列相液晶，由于向列相液晶的固有双折射比较大，所以能够实现较短的焦距可调。但是，向列相液晶透镜主要存在响应速度慢和偏振依赖性两个缺陷。
为了解决向列相液晶透镜存在的缺陷，人们提出了各向同性液晶透镜，它主要存在以下几个方面的优势：(1)亚毫秒级别的响应时间，比普通向列相液晶快了将近10倍；(2)纵向场驱动模式下可以实现偏振无关；(3)不需要取向层，制作工艺简单。近些年，专家学者提出了多种各向同性液晶透镜结构，例如方环形电极结构、梯度电极结构、孔型电极匹配玻璃透镜结构、多电极结构等。其中，基于方环形电极的各向同性液晶透镜能够实现偏振无关，但是方环形电极下不同方向上的透镜半径不相等，达不到理想的聚焦效果；基于梯度电极结构的各向同性液晶透镜能够实现良好的抛物线形相位分布，但是梯度电极的分布不在同一水平面，需要引入额外的光刻工艺，增加的制作工艺难度；基于孔型电极匹配玻璃透镜结构的各向同性液晶透镜能够实现较大的调焦范围，并且能够实现正负透镜的切换，但是匹配玻璃透镜增加了整体器件的厚度；基于多电极结构的各向同性液晶透镜能够实现较短焦距可调，但是需要对每个电极施加不同的驱动电压，驱动方式较为复杂。
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、制作容易且性能优良的各向同性液晶透镜阵列。
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、上透明平面电极、各向同性液晶层、介电层、电阻层、下透明平面电极和下玻璃基板。
所述上透明平面电极和下透明平面电极采用氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)等透明导电材料制作；上透明平面电极和下透明平面电极的厚度相同，下透明平面电极的间隙小于下透明平面电极的宽度；所述上透明平面电极接地，电压施加在下透明平面电极上。
所述的各向同性液晶层采用聚合物稳定的蓝相液晶，蓝相液晶层的厚度是均匀的，并且蓝相液晶层厚度大于介电层的厚度。
所述的介电层采用透明高介电系数的介电材料制作，用于平滑各向同性液晶层内的相位分布。
所述的电阻层采用透明低介电系数的介电材料制作，电阻层覆盖在下透明平面电极间隙的正上方，用于分担施加在下透明平面电极上的电压，使各向同性液晶层内产生梯度折射率分布；所述的电阻层的介电系数远远小于介电层的介电系数，并且电阻层的间隙小于电阻层的宽度，电阻层的厚度小于介电层的厚度，电阻层的宽度大于下透明平面电极的宽度，电阻层的间隙大于下透明平面电极的间隙。
本发明提供的各向同性液晶透镜，在下透明平面电极上施加电压，通过常规电阻层的分压作用，在各向同性液晶层内产生空间不均匀的电场分布，从而改变液晶层内部的折射率分布，配合介电层，在各向同性液晶层内部产生梯度折射率分布，从而得到抛物线形的相位分布；此外，通过改变下透明平面电极施加的电压来调节所述各向同性液晶透镜阵列的焦距。
附图说明
图1是本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列的结构示意图。
图2是本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列的等势线分布。
图3是本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列相邻两个透镜的折射率分布曲线图。
图4是本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列相邻两个透镜的相位分布曲线图。
图5是本发明实施例的各向同性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上透明平面电极、3各向同性液晶层、4介电层、5电阻层、6下透明平面电极、7下玻璃基板。
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各向同性液晶透镜阵列的结构示意图，该各向同性液晶透镜阵列包括上玻璃基板、上透明平面电极、各向同性液晶层、介电层、电阻层、下透明平面电极和下玻璃基板。上透明平面电极和下透明平面电极采用ITO制作，上透明平面电极和下透明平面电极的厚度相同，下透明平面电极的间隙小于下透明平面电极的宽度，上透明平面电极接地，电压施加在下透明平面电极上；各向同性液晶层采用聚合物稳定的蓝相液晶，蓝相液晶层的厚度是均匀的，蓝相液晶层厚度大于介电层的厚度；介电层采用透明高介电系数的介电材料制作，可以采用氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯和聚苯胺按一定比例混合掺杂制作，用于平滑各向同性液晶层内的相位分布；电阻层采用透明低介电系数的介电材料制作，可以采用聚酰亚胺制作，电阻层覆盖在下透明平面电极间隙的正上方，用于分担施加在下透明平面电极上的电压，使各向同性液晶层内产生梯度折射率分布，电阻层的介电系数远远小于介电层的介电系数，并且电阻层的间隙小于电阻层的宽度，电阻层的厚度小于介电层的厚度，电阻层的宽度大于下透明平面电极的宽度，电阻层的间隙大于下透明平面电极的间隙；在下透明平面电极上施加电压，通过常规电阻层的分压作用，在各向同性液晶层内产生空间不均匀的电场分布，从而改变液晶层内部的折射率分布，配合介电层，在各向同性液晶层内部产生梯度折射率分布，从而得到抛物线形的相位分布；此外，通过改变下透明平面电极施加的电压来调节所述各向同性液晶透镜阵列的焦距。附图1中各项参数为：透镜半径为R，下透明平面电极间隙为g2，宽度为w2，蓝相液晶层厚度为d，介电层厚度为h1，电阻层宽度为w1，间隙为g1，厚度为h2。
本实施例中使用的各向同性液晶材料的特性参数为：蓝相液晶的材料折射率为no＝1.4794，ne＝1.6494；在波长λ＝550nm时，饱和双折射为0.17，饱和电场为4.15V/μm，克尔系数K＝13.7nm/V2。
本实施例中液晶层的厚度d＝10μm，透镜半径R＝110μm；介电层的厚度h1＝8μm，介电系数为2000；电阻层的厚度h2＝6μm，间隙g1＝30μm，宽度为w1＝200μm，介电系数为3.8；下透明平面电极的宽度w2＝120μm，间隙g2＝20μm；电阻层的间隙g1为各向同性液晶透镜阵列的相邻透镜过渡区域。
附图2为是本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列的等势线分布，此时施加在下透明平面电极上的电压V＝50Vrms。方框圈出来部分为透镜区域的等势线分布。从附图2可以看出，透镜区域的等势线分别整体呈现空间不均匀状态，透镜中心等势线分布非常稀疏，从透镜中心到透镜两边，等势线分布越来越密集，呈现非常好的梯度性分布，有助于降低成像的像差。
附图3为本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列相邻两个透镜的折射率分布曲线图，规定透镜最左边位置为0μm，此时施加在下透明平面电极上的电压V＝60Vrms。带实心正方形的曲线和带实心圆的曲线分别表示o光和e光的折射率分布曲线，实线表示理想透镜的抛物线。从附图3可以看出，透镜中心与透镜边缘之间的折射率差为0.4496，并且o光和e光的折射率分布曲线呈现良好的抛物线形，这有助于减小球差，提高透镜成像质量。此外，由于液晶层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光的折射率分布重合得非常好，因此该各向同性液晶透镜阵列是偏振无关的。
附图4为本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列相邻两个透镜的相位分布图，规定透镜最左边位置为0μm，此时施加在下透明平面电极上的电压V＝60Vrms。带实心正方形的曲线和带实心圆的曲线分别表示o光和e光的相位分布曲线。特别的，令液晶透镜中心处的相位设为零。从附图4可以看出，透镜中心与透镜边缘之间的相位差为1.82π，并且o光和e光的曲线呈现良好的抛物线形，透镜成像质量很高。此外o光和e光的相位分布重合得非常好，因此该各向同性液晶透镜阵列是偏振无关的。
附图5是本发明实施例的各向同性液晶透镜阵列的焦距-电压曲线图。带实心正方形的实线和带实心圆的虚线分别表示o光和e光的焦距与电压变化的关系。从附图5可以看出，当施加在下透明平面电极上的电压从0Vrms增加到60Vrms时，透镜的焦距可以从无穷远连续调节到13.55mm，并且o光和e光对应的焦距的变化始终保持一致，这进一步说明了该各向同性液晶透镜阵列是偏振无关的。此外，该各向同性液晶透镜阵列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 (5)

1.一种各向同性液晶透镜阵列包括上玻璃基板、上透明平面电极、各向同性液晶层、介电层、电阻层、下透明平面电极和下玻璃基板。
2.根据权利要求1所述的一种各向同性液晶透镜阵列，其特征是，所述的各向同性液晶层的厚度大于介电层的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种各向同性液晶透镜阵列，其特征是，所述的电阻层覆盖在下透明平面电极间隙的正上方，电阻层的介电系数远远小于介电层的介电系数。
4.根据权利要求1所述的一种各向同性液晶透镜阵列，其特征是，所述的电阻层的间隙小于电阻层的宽度，电阻层的厚度小于介电层的厚度，电阻层的宽度大于下透明平面电极的宽度，电阻层的间隙大于下透明平面电极的间隙。
5.根据权利要求1所述的一种各向同性液晶透镜阵列，其特征是，下透明平面电极的间隙小于下透明平面电极的宽度。
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