CN110703513A - 一种可变焦球形空腔结构液晶透镜 - Google Patents

一种可变焦球形空腔结构液晶透镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变焦球形空腔结构液晶透镜，包括上电极、下电极、取向层、第一保护层、液晶层、第二保护层和电压驱动模块。本发明将液晶盒内部灌注液晶的形状制作成均匀的球形状，在灌注液晶之后，可以使得里面的液晶分子按照均匀球形状填充空间而均匀分布，这样会使得在未加外电场的时候，液晶分子会有一定的偏转角度。即相当于对液晶分子进行了一个偏转角度的预处理。后续需要进行更大范围变焦时，液晶分子需要通过外加电压去转动更大的角度，在已有一定偏转角度液晶分子的基础上增加角度，会使所加的外部电场的电压会相对降低；相对现有技术而言，水平液晶分子转过相同度数需要施加的电压要比本发明大，其响应速度也比本发明的慢。

Description

一种可变焦球形空腔结构液晶透镜
技术领域
本发明涉及液晶透镜领域，尤其涉及一种可变焦球形空腔结构液晶透镜。
背景技术
随着科技的不断发展和研究的不断深入，人们的工作研究以及日常生活的众多领域对于透镜特别是焦距可调透镜也有了更多且更高的要求。
众所周知，传统透镜焦距是单一固定的，因此传统的变焦系统都是由多个焦距不同的单一焦距的透镜组合而成，并且需要进行机械的调焦。这样的变焦系统缺点众多，如结构复杂、操作繁琐且操作要求高、制作过程复杂且成本高，更令人不满意的是它的调焦范围有限，不能满足众多工作的调焦要求，很大程度上限制了它的发展和应用。而电控变焦液晶透镜的出现，很大程度上解决了传统变焦透镜或者变焦系统的诸多问题。电控变焦液晶透镜利用液晶的电光效应(电控双折射效应)，即通过施加电场改变液晶分子的排列方向,使对应的非寻常光的折射率ne连续变化到寻常光的折射率no,通过电压控制盒内液晶分子的取向,改变折射率,相应地也就调节了焦距,达到实现透镜功能的目的。
具体而言是因为液晶具有晶体的各异性，即一束光线穿过液晶层时，会分成两束偏振方向不同的光线：o光和e光，其中o光是寻常光，e光是非寻常光。o光在液晶中传播时，不管朝哪个方向，折射率都是固定不变的，而e光刚好和o光相反，它的振动方向始终与o光垂直，所以朝不同方向传播时会有不同的折射率。正是由于此，给液晶外加电场，由于某些液晶分子的指向矢有沿电场方向取向的趋势，故随着电压的改变，液晶分子的指向矢偏转角度也就会随之改变，在同一方向的等效折射率会不同，从而可形成梯度折射率，当偏振光射入时，会使偏振光形成汇聚或发散的效果。正是由于这些特性的综合，才使得液晶透镜具有电控变焦的功能。简单来说就是在电场的作用下液晶分子发生转向，液晶分子产生不同的折射率，从而使通过透镜的偏振光线产生折射达到聚焦效果，实现电控变焦，变焦的范围可以通过电压大小去控制，具体的工作原理如图5所示。这也使得变焦透镜的结构更加简单且小型化，制作简易且成本低，变焦灵活且变焦级数多，使得变焦更加方便精准且细腻。这也使得电控变焦液晶透镜迅速成为研究热点，进而应用广泛而丰富，在很多领域已相继取代了传统变焦透镜。
现今研究出的变焦液晶透镜的种类很多，而且在应用领域和功能上也不断在扩展。如在科学研究领域有很多的变焦液晶透镜：单圆孔电极型、条形电极型、圆环-圆盘电极型、单、双层型液晶透镜等等；医学领域的光场显微镜液晶透镜、内窥镜液晶透镜等等；娱乐生活中的3D显示型液晶透镜、裸眼3D液晶透镜显示器件等等。液晶透镜在众多领域中有着相当广泛的应用。
但是由于液晶透镜的一些关键技术问题尚未解决完善，所以其进一步应用也有一定的限制。现今许多研究人员遇到和一直在改善的问题是变焦液晶透镜的驱动电压过大、调焦范围不够大和响应速度不够快的问题。因此，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、驱动电压更低、响应速度更快的可变焦球形空腔结构液晶透镜。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种可变焦球形空腔结构液晶透镜，该液晶透镜主要包括上电极、下电极、使液晶分子按照所需方向进行取向排列的取向层、用于保护液晶透镜的第一保护层、液晶层、用于支撑及固定液晶层结构的第二保护层、以及电压驱动模块。
具体的，所述上电极与下电极互相平行设置，且下电极中部位置设有圆孔。所述液晶层位于上电极与下电极之间，且液晶层设为向上拱起的半球形结构，其底部设置在下电极上，顶部与上电极相切，中部为镂空结构。所述取向层分别设置在液晶层的外侧和内侧位置，并将液晶层包裹。所述第一保护层设置在液晶透镜的外侧，分别位于上电极的上侧和下电极的下侧，将液晶透镜包裹。所述第二保护层设置在上电极与下电极之间，将上下电极之间的空隙填满并维持半球形液晶层的结构不变形。所述电压驱动模块的两端分别与上电极和下电极电连接，以施加电压来改变液晶层内部分子的排列方向。
作为本发明的优选方案，所述上电极和下电极均采用板式电极结构。
作为本发明的优选方案，所述上电极和下电极均采用透明的ITO(Indium tinoxide，氧化铟锌)圆形电极。
作为本发明的优选方案，所述取向层采用PI(Polyimide，聚酰亚胺)材料制成。
作为本发明的优选方案，所述第一保护层和第二保护层均采用光学玻璃材料制成。
作为本发明的优选方案，所述液晶层采用向列相液晶材料制成。
作为本发明的优选方案，所述液晶层内采用长棒状分子结构的液晶分子。
作为本发明的优选方案，所述圆孔的孔径设为2mm至4mm之间。优选的，所述圆孔的孔径设为3mm。
本发明的工作过程和原理是：本发明通过球形液晶填充空腔的设计，然后通过PI取向层使液晶分子按照球形空腔的形状进行取向排列，使得液晶分子在初始状态就存在一定的角度，简而言之就是对液晶分子进行一个预处理，使得整个液晶透镜的初始状态等同于平板液晶透镜在施加某一个电压时液晶分子转动一定角度的状态；当未加电压时，所述液晶变焦透镜由于球形状空壳的预处理，所以当一束偏振光线射入液晶透镜时，由于液晶分子存在初始偏转角度，使得其在初始状态就会有一个聚焦效果；而当加上外部电压后，其可以使得进行预处理的的液晶分子进一步产生偏转，从而在初始的聚焦基础上实现进一步的变焦效果，因此可以明显降低液晶透镜的驱动电压和响应速度。而这个预处理的角度可以按照透镜和实际的需求去改变，但是该预处理角度不宜过大，预处理角度过大会导致整个透镜的调焦范围严重缩小，从而极大地影响液晶透镜的调焦功能和实用性。因为预处理角度太大，直接表现为液晶透镜中的液晶分子的偏转角度很大，那么后续通过电压去调控的液晶分子的转动角度空间就减少，从而可调焦的范围也就变小。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的可变焦球形空腔结构液晶透镜可在液晶分子具有一定角度的基础上进一步加驱动电压使其转向，从而可以使其达到与平板液晶变焦透镜分子所转动相同角度时驱动电压更低，从而也就会相应地提高透镜的响应速度。
(2)本发明所提供的可变焦球形空腔结构液晶相对于以往的平板液晶透镜而言，在液晶分子上相当于进行了一个偏转角度的预处理，从而使得其在驱动电压上有所降低，也对液晶透镜的响应速度会有所改善。
(3)本发明所提供的可变焦球形空腔结构液晶透镜相对于凹液晶透镜或者凸液晶透镜而言，可以解决凹凸液晶透镜在中部和两端存在液晶分子分布不均匀的问题，更加有利于光线的透过聚焦，也能减弱或消除由于液晶分布不均与而造成聚焦效果差和成像畸变的问题。
(4)本发明所提供的可变焦球形空腔结构液晶透镜在制作方面结构简单，电极设计以及液晶灌注、封盒等技术手段可以直接沿用以往现有成熟的方法和手段，为透镜的制作解决了诸多问题。
附图说明
图1是本发明所提供的可变焦球形空腔结构液晶透镜的结构示意图。
图2是本发明所提供的可变焦球形空腔结构液晶透镜的剖面图。
图3是本发明所提供的液晶分子折射率椭球示意图。
图4是本发明所提供的液晶透镜在施加电压前后对光线的折射程度示意图。
图5是现有常见的平面式/平板式液晶透镜在施加电压前后的对光线的折射程度示意图。
上述附图中的标号说明：
1-上电极，2-下电极，3-取向层，4-第一保护层，5-液晶层，6-第二保护层，7-电压驱动模块，8-圆孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1至图4所示，本实施例公开了一种可变焦球形空腔结构液晶透镜，该液晶透镜主要包括上电极1、下电极2、使液晶分子按照所需方向进行取向排列的取向层3、用于保护液晶透镜的第一保护层4、液晶层5、用于支撑及固定液晶层5结构的第二保护层6、以及电压驱动模块7。
具体的，所述上电极1与下电极2互相平行设置，且下电极2中部位置设有圆孔8。所述液晶层5位于上电极1与下电极2之间，且液晶层5设为向上拱起的半球形结构，其底部设置在下电极2上，顶部与上电极1相切，中部为镂空结构。所述取向层3分别设置在液晶层5的外侧和内侧位置，并将液晶层5包裹。所述第一保护层4设置在液晶透镜的外侧，分别位于上电极1的上侧和下电极2的下侧，将液晶透镜包裹。所述第二保护层6设置在上电极1与下电极2之间，将上下电极2之间的空隙填满并维持半球形液晶层5的结构不变形。所述电压驱动模块7的两端分别与上电极1和下电极2电连接，以施加电压来改变液晶层5内部分子的排列方向。
作为本发明的优选方案，所述上电极1和下电极2均采用板式电极结构。
作为本发明的优选方案，所述上电极1和下电极2均采用透明的ITO(Indium tinoxide，氧化铟锌)圆形电极。
作为本发明的优选方案，所述取向层3采用PI(Polyimide，聚酰亚胺)材料制成。
作为本发明的优选方案，所述第一保护层4和第二保护层6均采用光学玻璃材料制成。
作为本发明的优选方案，所述液晶层5采用向列相液晶材料制成。
作为本发明的优选方案，所述液晶层5内采用长棒状分子结构的液晶分子。
作为本发明的优选方案，所述圆孔8的孔径设为2mm至4mm之间。优选的，所述圆孔8的孔径设为3mm。
本发明的工作过程和原理是：本发明通过球形液晶填充空腔的设计，然后通过PI取向层3使液晶分子按照球形空腔的形状进行取向排列，使得液晶分子在初始状态就存在一定的角度，简而言之就是对液晶分子进行一个预处理，使得整个液晶透镜的初始状态等同于平板液晶透镜在施加某一个电压时液晶分子转动一定角度的状态，所述液晶变焦透镜其实际工作状态原理如图4所示：当未加电压时，所述液晶变焦透镜由于球形状空壳的预处理，所以当一束偏振光线射入液晶透镜时，由于液晶分子存在初始偏转角度，使得其在初始状态就会有一个聚焦效果；而当加上外部电压后，其可以使得进行预处理的的液晶分子进一步产生偏转，从而在初始的聚焦基础上实现进一步的变焦效果，因此可以明显降低液晶透镜的驱动电压和响应速度。而这个预处理的角度可以按照透镜和实际的需求去改变，但是该预处理角度不宜过大，预处理角度过大会导致整个透镜的调焦范围严重缩小，从而极大地影响液晶透镜的调焦功能和实用性。因为预处理角度太大，直接表现为液晶透镜中的液晶分子的偏转角度很大，那么后续通过电压去调控的液晶分子的转动角度空间就减少，从而可调焦的范围也就变小。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
实施例2：
本实施例公开了一种可变焦的液晶透镜，所述透镜包括：上电极1、下电极2、上下PI层(液晶取向层3)、玻璃保护层、向列相液晶、以及外接电压驱动模块7。
其中所述的上电极1是可根据需要而可蚀刻图案的透明ITO(Indium tin oxide，氧化铟锌)圆形电极。ITO拥有导电能力强，高透过率等优良特质，其对可见光有很高的透明度，其透过率在80％以上，特别适合用于液晶透镜的导电电极；
所述下电极2是常用的、能提供所需电场的圆孔8ITO圆形电极；
所述取向层3是沿球形液晶填充空腔敷设的PI(Polyimide，聚酰亚胺)取向层3，可使液晶分子按照球形空腔或者实际所需的方向进行取向排列。本征态液晶分子的取向都是杂乱不一的，故需要在液晶层5表面加一层取向层3，以使液晶分子的初始取向均匀一致。在不加驱动电压时，液晶分子指向矢的排列会趋于所预定的方向，以使其初始自由能为最小，加上外部驱动电压后，液晶分子的指向矢将随外加电场转向，使液晶分子表面的锚泊力与外加电场的作用相平衡而保持其整体自由能最小，为后续电压改变液晶分子的偏转角度提供帮助；
所述玻璃保护层包括上下两块玻璃基板以及其他除球形空腔部分的同材质玻璃隔垫部分组成，其玻璃材料的光透过率也相当高，可以起到保护液晶和规范整个透镜形状作用的同时也不会对入射光线产生大的干扰的作用；
所述液晶采用的是常见的、性能稳定优良的向列相液晶；
所述电压驱动模块7为透镜提供变焦电压，其与上电极1和下电极2相连，通过所述电极与外部驱动电路相连可提供透镜改变焦距的不同电压。所述液晶变焦透镜其结构的横截面图如图2所示，图3是液晶分子折射率椭球原理示意图，图4是本发明所述液晶透镜工作原理示意图。
本发明光线射入液晶后的偏振光折射聚焦现象可用液晶折射率椭球来解释说明：如图4所示，本发明所用液晶的分子是长棒状分子结构，是正单光轴光电属性优良的材料，上述文中也讲到，液晶分子具有随电场变化而改变排列方式的性质。因此液晶变焦透镜主要利用圆孔8电极产生的非均匀电场，使液晶分子的排列偏转角度发生一个梯度变化，从而使液晶分子的折射率发生梯度变化，呈现一个类似透镜的折射率梯度分布。图3为液晶分子折射率椭球原理图，当光沿着不同方向入射到液晶分子时，折射率是不同的，换而言之就是当液晶分子的偏转角度发生改变时，光线射入液晶后，所得到的折射率是不同的。当入射光的偏振方向平行于液晶分子的长轴方向时，折射率为ne；当入射光的偏振方向垂直于液晶分子长轴方向时，折射率为no，当入射光的偏振方向与液晶分子长轴的夹角为θ时，折射率为neff(θ)，其表达式如下所示：
Figure BDA0002184921210000071
其中：式中no≤neff(θ)≤ne，ne表示入射光的偏振方向平行于液晶分子的长轴方向时的折射率；no表示入射光的偏振方向垂直于液晶分子长轴方向时的折射率；θ表示入射光的偏振方向与液晶分子长轴的夹角。
由上所述可知本发明的液晶变焦透镜的工作示意图如图4所示。
本发明通过球形液晶填充空腔的设计，然后通过PI取向层3使液晶分子按照球形空腔的形状进行取向排列，使得液晶分子在初始状态就存在一定的角度，简而言之就是对液晶分子进行一个预处理，使得整个液晶透镜的初始状态等同于平板液晶透镜在施加某一个电压时液晶分子转动一定角度的状态，所述液晶变焦透镜其实际工作状态原理如图4所示：当未加电压时，所述液晶变焦透镜由于球形状空壳的预处理，所以当一束偏振光线射入液晶透镜时，由于液晶分子存在初始偏转角度，使得其在初始状态就会有一个聚焦效果；而当加上外部电压后，其可以使得进行预处理的的液晶分子进一步产生偏转，从而在初始的聚焦基础上实现进一步的变焦效果，因此可以明显降低液晶透镜的驱动电压和响应速度。而这个预处理的角度可以按照透镜和实际的需求去改变，但是该预处理角度不宜过大，预处理角度过大会导致整个透镜的调焦范围严重缩小，从而极大地影响液晶透镜的调焦功能和实用性。因为预处理角度太大，直接表现为液晶透镜中的液晶分子的偏转角度很大，那么后续通过电压去调控的液晶分子的转动角度空间就减少，从而可调焦的范围也就变小。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，包括上电极、下电极、使液晶分子按照所需方向进行取向排列的取向层、用于保护液晶透镜的第一保护层、液晶层、用于支撑及固定液晶层结构的第二保护层、以及电压驱动模块；
所述上电极与下电极互相平行设置，且下电极中部位置设有圆孔；所述液晶层位于上电极与下电极之间，且液晶层设为向上拱起的半球形结构，其底部设置在下电极上，顶部与上电极相切，中部为镂空结构；所述取向层分别设置在液晶层的外侧和内侧位置，并将液晶层包裹；所述第一保护层设置在液晶透镜的外侧，分别位于上电极的上侧和下电极的下侧，将液晶透镜包裹；所述第二保护层设置在上电极与下电极之间，将上下电极之间的空隙填满并维持半球形液晶层的结构不变形；所述电压驱动模块的两端分别与上电极和下电极电连接，以施加电压来改变液晶层内部分子的排列方向。
2.根据权利要求1所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述上电极和下电极均采用板式电极结构。
3.根据权利要求1所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述上电极和下电极均采用透明的ITO圆形电极。
4.根据权利要求1所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述取向层采用PI材料制成。
5.根据权利要求1所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述第一保护层和第二保护层均采用光学玻璃材料制成。
6.根据权利要求1所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述液晶层采用向列相液晶材料制成。
7.根据权利要求1所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述液晶层内采用长棒状分子结构的液晶分子。
8.根据权利要求1所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述圆孔的孔径设为2mm至4mm之间。
9.根据权利要求8所述的可变焦球形空腔结构液晶透镜，其特征在于，所述圆孔的孔径设为3mm。
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