CN111381395A - 一种电控连续变焦透镜、制备方法和曝光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电控连续变焦透镜、制备方法和曝光系统，电控连续变焦透镜包括上基板和下基板，所述上基板和下基板透明，所述上基板和下基板通过密封件封装形成液晶盒；所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料，所述上基板、下基板其中一个面为电极面，所述上基板、下基板分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案；通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料的焦距，能够使光束穿过聚合物液晶材料时按照菲涅尔波带进行汇聚或者发散。可连续变焦且变焦能力大、制备简单、可大批量大面积制备的聚合物液晶变焦透镜。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域，尤其涉及一种电控连续变焦透镜、制备方法和曝光系统。
背景技术
透镜作为一种最常用到的光学元件之一广泛应用在各种光学设备或者实验中。随着光电学科的不断发展，传统光学元件正向集成化、可控化进行蜕变。目前在成像系统中，光学元件焦距的调节通常是通过机械运动的方法改变组合透镜的组合焦距，整体系统体积比较大，变焦速度慢，变焦能力小，不能适应如今设备小型化的要求。
随后发展出一些电控变焦液体透镜，①公开号为“CN1367398A”的发明专利公开了一种连续变焦的菲涅尔透镜，其是在电极上刻蚀菲涅尔波带结构，在液晶盒中添加液晶材料，通过在液晶盒上施加电压来改变液晶的折射率分布，从而得到变焦的目的；②公开号为“CN102608814A”的发明专利也公开了一种连续变焦菲涅尔透镜，其同样在电极上刻蚀了菲涅尔波带结构，将菲涅尔波带环上不同级次的结构分别单独引出单独电控，增大了变焦能力。
以上两种方案将变焦透镜的体积明显缩小了，但是也存在缺点：前者的变焦能力有限，只能在有效焦距的0.5～2倍之间变焦，通光孔径有限；后者是电极控制复杂，调控难度比较高，无法实现焦距的连续变化；两者共同的缺点是：液晶盒中填充液晶材料，液晶盒虽然可以达到通透状态的但纯液晶的响应时间比较长，影响观感，同时纯液晶材料也会增加液晶盒的电控响应时间。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种电控连续变焦透镜、制备方法和曝光系统，电控连续变焦透镜为可连续变焦且变焦能力强、制备简单、可大批量大面积制备。
根据本发明的一个方面，提供一种电控连续变焦透镜，包括：
上基板和下基板，所述上基板和下基板透明，所述上基板和下基板通过密封件封装形成液晶盒；
所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料，所述聚合物液晶材料包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物；
所述上基板、下基板其中一个面为电极面，所述上基板、下基板分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案；
通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料的焦距，能够使光束穿过聚合物液晶材料时按照菲涅尔波带进行汇聚或者发散。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
1、聚合物液晶材料包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物，聚合物在光照情况下会发生聚合反应固化形成包络结构，将液晶分割成多个小的液晶微滴，由于液晶微滴尺寸变小后，加电反应比较灵敏，对响应时间的提高有比较大的贡献，同时，由于聚合物的固化，可以进行连续变焦，可以从无焦距的平板连续调焦至确定焦距，变焦能力强；驱动电压低至4V，响应时间由毫秒量级缩减到微秒量级，可以大批量大面积制备，制备简单、安全、成本低廉，特别适合应用在显示方面，譬如智能眼镜、平视显示器等；若液晶盒的厚度若在5-15μm时，即使聚合物与液晶的折射率不匹配其透明度也会比较高，此时，聚合物的折射率与液晶的寻常光折射率或非寻常光折射率相同均可，液晶盒在不变焦(不加电)时相当于透明基板，优选的，为了控制液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗，选取聚合物的折射率与液晶的寻常光折射率相同。
进一步的，按重量份计，所述聚合物液晶材料包括液晶35～45份，与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物35～45份、引发剂8～12份以及表面活化剂8～12份。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于：聚合物的选择，一是可以使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗；二是通过引发剂、表面活化剂可以缩减聚合物液晶材料的响应时间。
进一步的，所述液晶为混晶，且所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于：混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4，可以增大焦距调节范围，聚合物的选择可以使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗。
进一步的，所述表面活化剂为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯；
和/或
所述引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，通过吸收激光能量引发光聚合反应。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于：引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，譬如当激发光为532nm的绿色激光时，引发剂可以是玫瑰红；当激发光为632.8nm的红色激光时，引发剂可以是亚甲基蓝等，有利于引发光聚合反应。
进一步的，所述菲涅尔波带图案占内表面面积的50％-80％，且所述菲涅尔波带图案位于液晶盒内；
和/或
所述内表面均镀有菲涅尔波带图案的透明导电膜，上下基板透明导电膜的菲涅尔波带图案关于液晶盒中心对称。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于：上下两块菲涅尔波带图案错开相向放置，如图3，两透明导电膜的加电位置距离较远，可以充分调节液晶盒中液晶分子的旋转，同时可以让波带片的级次相对准。
进一步的，所述菲涅尔波带图案中，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出。
进一步的，所述密封件为带有衬垫物的边框胶，所述衬垫物为直径为11～17μm的聚苯乙烯球，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶水。
进一步的，所述上基板和/或下基板上设置有与密封件的位置相对应的标记物。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于：能够方便装配密封件，使菲涅尔波带图案全部落入液晶盒中。
根据本发明的另一个方面，提供一种电控连续变焦透镜的制备方法，包括以下步骤，
在所述上基板和下基板的内表面上涂覆透明导电膜；
对至少一个所述内表面的透明导电膜镀菲涅尔波带图案；
根据各材料的重量比，配制聚合物液晶材料，并将聚合物液晶材料在避光条件下乳化24-48小时；
封装密封件，使所述上基板和下基板通过密封件封装形成液晶盒，向所述液晶盒内填充聚合物液晶材料。
进一步的，对至少一个所述内表面的透明导电膜镀菲涅尔波带图案，包括：
方式一：在所述上基板的透明导电膜上刻蚀菲涅尔波带图案，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出；
或者
方式二：在所述上基板的透明导电膜和所述下基板的透明导电膜上均刻蚀所述菲涅尔波带图案，且两个所述透明导电膜的菲涅尔波带图案关于液晶盒中心对称，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出。
进一步的，封装密封件，使所述上基板和下基板通过密封件封装形成液晶盒，向所述液晶盒内填充聚合物液晶材料，包括：
封装步骤：在透明导电膜上粘接密封件，密封件宽度为1mm左右，留有若干开口，确认菲涅尔波带图案完全落在边框胶范围内后，使用紫外固化灯将边框胶最终固化；
填充步骤：将液晶盒加热至45-60℃，再用滴枪将配制好的聚合物液晶材料滴在液晶盒的一个开口处，至聚合物液晶材料充满液晶盒，完成填充。
根据本发明的另一个方面，提供一种一种曝光系统，包括激光器、小孔滤波器、光阑、透镜和上述任意一项所述的电控连续变焦透镜，
所述激光器发出光束，依次经过小孔滤波器、光阑、透镜后，照射在电控连续变焦透镜的液晶盒上。
进一步的，所述光束的波长可以为457nm、532nm、632.8nm；
和/或
所述小孔滤波器由物镜、滤波器架、针孔组成，所述物镜为35-45倍平场消色差物镜，所述针孔大小为15-25μm；
和/或
所述光束的功率密度为3-5mw/cm2，曝光时间为60-200s。
附图说明
图1为本发明控连续变焦透镜的结构示意图；
图2为本发明菲涅尔波带图案的结构示意图一；
图3为本发明菲涅尔波带图案的结构示意图二；
图4为本发明密封件的结构示意图；
图5为本发明曝光系统的结构示意图；
图6为未通电时光束穿过聚合物液晶材料的结构示意图；
图7为通电时光束穿过聚合物液晶材料的结构示意图；
图8为聚合物液晶材料响应时间测试结果图，(a)为加电时的响应，(b)为关电时的响应。
图中：101、上基板；101’、下基板1；102、I TO膜；103、密封件；104、聚合物液晶材料；105、液晶；106、聚合物；201、菲涅尔波带图案；202、公共电极；203、标记物；501、固体激光器；502、小孔滤波器；503、光阑；504、透镜；505、电控连续变焦透镜。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种电控连续变焦透镜，包括：上基板101和下基板101’，所述上基板101和下基板101’透明，上基板101和下基板101’优选为平面基板；所述上基板101和下基板101’通过密封件103封装形成液晶盒，所述上基板101和/或下基板101’上设置有与密封件103的位置相对应的标记物203，用于确定密封件103的装配位置，所述密封件103为带有衬垫物的边框胶，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶水，衬垫物为直径为11μm的聚苯乙烯球，可以控制液晶盒的厚度在11μm左右。
所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料104，所述聚合物液晶材料104包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物，具体的按重量份计，所述聚合物液晶材料104包括液晶35份，与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物45份、引发剂8份以及表面活化剂12份，聚合物可以根据折射率要求从聚合物库中选取；所述的液晶材料为混晶，所述引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，可以为对激光寻常光折射率与非寻常光折射率差敏感并能够吸收激光的能量的染料，能够吸收激光的能量，引发、促进光聚合反应，所述染料由光束的波长来决定，譬如当激发光为532nm的绿色激光时，引发剂可以是玫瑰红染料；当激发光为632.8nm的红色激光时，引发剂可以是亚甲基蓝染料等；所述表面活化剂用于降低聚合物液晶材料104的表面张力，降低聚合物液晶材料104的驱动电压，本实施例，所述表面活化剂为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯。
所述上基板101、下基板101’其中一个面为电极面，所述上基板101、下基板101’分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，透明导电膜可以为氧化铟锡(ITO)膜、AZO膜(Al2O3掺杂的ZnO薄膜)、纳米银线导电膜，优选为ITO膜，ITO膜具有良好的化学稳定性、热稳定性以及良好的图形加工特性，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案201，所述菲涅尔波带图案201占上基板101或下基板101’面积的50％-80％，根据标记物203调整密封件103装配位置，使所述菲涅尔波带图案201全部位于液晶盒中，所述菲涅尔波带图案201中，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，所述奇数波带、偶数波带为环状，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出；
通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料104的焦距，能够使光束穿过聚合物液晶材料104时按照菲涅尔波带进行汇聚或者发散，本实施例，聚合物液晶材料104包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物，双折率液晶可以增大焦距调节范围，如图6所示，聚合物的选择可以使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗，此时的液晶盒为通透状态，对光线无影响，外界照射光会直接穿透；如图7所示，在曝光后的液晶盒上施加不同强度的电压时，菲尼尔波带图案覆盖下的液晶分子长轴发生转动，折射率发生转变。
施加的电压范围在0-4V，在驱动电压为4V时，设此时电控连续变焦透镜505的焦距为f，则电控连续变焦透镜505的焦距可在0-f范围内连续变化，具体的，液晶盒施加电压后，虚线内的聚合物液晶材料104折射率发生变化，其相当于一个变折射率的凸透镜504，其焦距可以表示为：
其中Δn为半球区域中心折射率与边缘折射率差，r为上面ITO膜102的直径，d为液晶盒厚度。通过控制施加在液晶盒上的电压强度，可以控制液晶分子长轴的转动幅度，即控制半球体内的折射率，最终实现光线聚焦点的变化。
将聚合物液晶材料104与菲涅尔波带技术结合在一起，将聚合物液晶材料104放置在激光场中曝光，使液晶形成小型微滴固化在聚合物基底中，通过在液晶盒上施加电压，使得液晶的折射率发生改变，相当于一个透镜504，由于不同电压下液晶分子转动的程度不同，因此可以通过控制电压的大小来连续改变电控连续变焦透镜505的焦距，使用的聚合物液晶材料104在光照情况下会发生聚合反应，聚合物会固化，形成包络结构，将液晶分割成多个小的液晶微滴，正是由于液晶微滴尺寸的变小，加电时反应比较灵敏，对响应时间的提高有比较大的贡献。同时，由于聚合物的固化，不会发生液晶从液晶盒中渗透出来的问题，如图8所示，聚合物液晶材料104响应时间测试结果图，(a)为加电时的响应，(b)为关电时的响应，响应时间在200微秒以内。
本实施例电控连续变焦透镜505的制备方法，包括以下步骤，
步骤1：在所述上基板101和下基板101’的内表面上涂覆透明导电膜；
步骤2：对至少一个所述内表面的透明导电膜镀菲涅尔波带图案201，具体包括：在所述上基板101的透明导电膜上刻蚀菲涅尔波带图案201，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出；
步骤3：根据各材料的重量比，配制聚合物液晶材料104，并将聚合物液晶材料104在避光条件下乳化48小时；
封装密封件103，使所述上基板101和下基板101’通过密封件103封装形成液晶盒，向所述液晶盒内填充聚合物液晶材料104，具体包括：
封装步骤：在透明导电膜上粘接密封件103，密封件103宽度为1mm左右，留有若干开口，确认菲涅尔波带图案201完全落在边框胶范围内后，使用紫外固化灯将边框胶最终固化；
填充步骤：将液晶盒加热至60℃，再用滴枪将配制好的聚合物液晶材料104滴在液晶盒的一个开口处，至聚合物液晶材料104充满液晶盒，完成填充。
本实施例应用电控连续变焦透镜505的曝光系统，包括激光器、小孔滤波器502、光阑503、透镜504和上述任意一项所述的电控连续变焦透镜505，
所述激光器发出光束，依次经过小孔滤波器502、光阑503、透镜504后，照射在电控连续变焦透镜505的液晶盒上，所述光束的波长可以为457nm、532nm、632.8nm，所述小孔滤波器502由物镜、滤波器架、针孔组成，所述物镜为35-45倍平场消色差物镜，所述针孔大小为25μm，所述光束的功率密度为5mw/cm2，曝光时间为200s。
实施例2：
一种电控连续变焦透镜，包括：上基板101和下基板101’，所述上基板101和下基板101’透明，上基板101和下基板101’优选为平面基板；所述上基板101和下基板101’通过密封件103封装形成液晶盒，所述上基板101和/或下基板101’上设置有与密封件103的位置相对应的标记物203，用于确定密封件103的装配位置，所述密封件103为带有衬垫物的边框胶，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶水，衬垫物为直径为17μm的聚苯乙烯球，可以控制液晶盒的厚度在17μm左右。
所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料104，聚合物液晶材料104由聚合物、引发剂、液晶、表面活化剂组成，按重量份计，确定材料的总重量5g，根据各材料的质量占比确定各组分的质量分别为：1.9g、0.55g、2g、0.55g，液晶选择的是双折射率差为0.2的混合液晶，可以增大焦距调节范围，聚合物的选择可以使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗。所述的液晶材料为混晶，所述引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，可以为对激光寻常光折射率与非寻常光折射率差敏感并能够吸收激光的能量的染料，能够吸收激光的能量，引发、促进光聚合反应，所述染料由光束的波长来决定，譬如当激发光为532nm的绿色激光时，引发剂可以是玫瑰红染料；当激发光为632.8nm的红色激光时，引发剂可以是亚甲基蓝染料等；所述表面活化剂用于降低聚合物液晶材料104的表面张力，降低聚合物液晶材料104的驱动电压，本实施例，所述表面活化剂为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯。
所述上基板101、下基板101’其中一个面为电极面，所述上基板101、下基板101’分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，透明导电膜可以为氧化铟锡(ITO)膜、AZO膜(Al2O3掺杂的ZnO薄膜)、纳米银线导电膜，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案201，所述菲涅尔波带图案201占上基板101或下基板101’面积的50％-80％，根据标记物203调整密封件103装配位置，使所述菲涅尔波带图案201全部位于液晶盒中，所述菲涅尔波带图案201中，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，所述奇数波带、偶数波带为环状，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出；
通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料104的焦距，能够使光束穿过聚合物液晶材料104时按照菲涅尔波带进行汇聚或者发散，本实施例，聚合物液晶材料104包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物，双折率液晶可以增大焦距调节范围，如图6所示，聚合物的选择可以使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗，此时的液晶盒为通透状态，对光线无影响，外界照射光会直接穿透；如图7所示，在曝光后的液晶盒上施加不同强度的电压时，菲尼尔波带图案覆盖下的液晶分子长轴发生转动，折射率发生转变。
施加的电压范围在0-4V，在驱动电压为4V时，设此时电控连续变焦透镜505的焦距为f，则电控连续变焦透镜505的焦距可在0-f范围内连续变化，具体的，液晶盒施加电压后，虚线内的聚合物液晶材料104折射率发生变化，其相当于一个变折射率的凸透镜504，其焦距可以表示为：
其中Δn为半球区域中心折射率与边缘折射率差，r为上面ITO膜102的直径，d为液晶盒厚度。通过控制施加在液晶盒上的电压强度，可以控制液晶分子长轴的转动幅度，即控制半球体内的折射率，最终实现光线聚焦点的变化。
将聚合物液晶材料104与菲涅尔波带技术结合在一起，将聚合物液晶材料104放置在激光场中曝光，使液晶形成小型微滴固化在聚合物基底中，通过在液晶盒上施加电压，使得液晶的折射率发生改变，相当于一个透镜504，由于不同电压下液晶分子转动的程度不同，因此可以通过控制电压的大小来连续改变电控连续变焦透镜505的焦距，使用的聚合物液晶材料104在光照情况下会发生聚合反应，聚合物会固化，形成包络结构，将液晶分割成多个小的液晶微滴，正是由于液晶微滴尺寸的变小，加电时反应比较灵敏，对响应时间的提高有比较大的贡献。同时，由于聚合物的固化，不会发生液晶从液晶盒中渗透出来的问题，如图8所示，聚合物液晶材料104响应时间测试结果图，(a)为加电时的响应，(b)为关电时的响应，响应时间在200微秒以内。
本实施例电控连续变焦透镜505的制备方法，包括以下步骤，
步骤1：在所述上基板101和下基板101’的内表面上涂覆透明导电膜；
步骤2：对至少一个所述内表面的透明导电膜镀菲涅尔波带图案201，具体包括：在所述上基板101的透明导电膜和所述下基板101’的透明导电膜上均刻蚀所述菲涅尔波带图案201，且两个所述透明导电膜的菲涅尔波带图案201关于液晶盒中心对称，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出。
步骤3：根据各材料的重量比，配制聚合物液晶材料104，并将聚合物液晶材料104在避光条件下乳化24小时；
封装密封件103，使所述上基板101和下基板101’通过密封件103封装形成液晶盒，向所述液晶盒内填充聚合物液晶材料104，具体包括：
封装步骤：在透明导电膜上粘接密封件103，密封件103宽度为1mm左右，留有若干开口，确认菲涅尔波带图案201完全落在边框胶范围内后，使用紫外固化灯将边框胶最终固化；
填充步骤：将液晶盒加热至45℃，再用滴枪将配制好的聚合物液晶材料104滴在液晶盒的一个开口处，至聚合物液晶材料104充满液晶盒，完成填充。
本实施例应用电控连续变焦透镜505的曝光系统，包括激光器、小孔滤波器502、光阑503、透镜504和上述任意一项所述的电控连续变焦透镜505，
所述激光器发出光束，依次经过小孔滤波器502、光阑503、透镜504后，照射在电控连续变焦透镜505的液晶盒上，所述光束的波长可以为457nm、532nm、632.8nm，所述小孔滤波器502由物镜、滤波器架、针孔组成，所述物镜为35-45倍平场消色差物镜，所述针孔大小为15μm，所述光束的功率密度为3mw/cm2，曝光时间为60s。
实施例3：
一种电控连续变焦透镜，包括：上基板101和下基板101’，所述上基板101和下基板101’透明，上基板101和下基板101’优选为平面基板；所述上基板101和下基板101’通过密封件103封装形成液晶盒，所述上基板101和/或下基板101’上设置有与密封件103的位置相对应的标记物203，用于确定密封件103的装配位置，所述密封件103为带有衬垫物的边框胶，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶水，衬垫物为直径为15μm的聚苯乙烯球，可以控制液晶盒的厚度在15μm左右。
所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料104，聚合物液晶材料104由聚合物、引发剂、液晶、表面活化剂组成，按重量份计，所述聚合物液晶材料104包括液晶35～45份、聚合物35～45份、引发剂8～12份以及表面活化剂8～12份，液晶选择的是双折射率差为0.35的混合液晶，所述的液晶材料为混晶，所述引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，可以为对激光寻常光折射率与非寻常光折射率差敏感并能够吸收激光的能量的染料，能够吸收激光的能量，引发、促进光聚合反应，所述染料由光束的波长来决定，譬如当激发光为532nm的绿色激光时，引发剂可以是玫瑰红染料；当激发光为632.8nm的红色激光时，引发剂可以是亚甲基蓝染料等；所述表面活化剂用于降低聚合物液晶材料104的表面张力，降低聚合物液晶材料104的驱动电压，本实施例，所述表面活化剂为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯。
所述上基板101、下基板101’其中一个面为电极面，所述上基板101、下基板101’分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，透明导电膜可以为氧化铟锡(ITO)膜、AZO膜(Al2O3掺杂的ZnO薄膜)、纳米银线导电膜，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案201，所述菲涅尔波带图案201占上基板101或下基板101’面积的50％-80％，根据标记物203调整密封件103装配位置，使所述菲涅尔波带图案201全部位于液晶盒中，所述菲涅尔波带图案201中，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，所述奇数波带、偶数波带为环状，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出；
通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料104的焦距，能够使光束穿过聚合物液晶材料104时按照菲涅尔波带进行汇聚或者发散，本实施例，聚合物液晶材料104包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物，双折率液晶可以增大焦距调节范围，如图6所示，聚合物的选择可以使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗，此时的液晶盒为通透状态，对光线无影响，外界照射光会直接穿透；如图7所示，在曝光后的液晶盒上施加不同强度的电压时，菲尼尔波带图案覆盖下的液晶分子长轴发生转动，折射率发生转变。
施加的电压范围在0-4V，在驱动电压为4V时，设此时电控连续变焦透镜505的焦距为f，则电控连续变焦透镜505的焦距可在0-f范围内连续变化，具体的，液晶盒施加电压后，虚线内的聚合物液晶材料104折射率发生变化，其相当于一个变折射率的凸透镜504，其焦距可以表示为：
其中Δn为半球区域中心折射率与边缘折射率差，r为上面ITO膜102的直径，d为液晶盒厚度。通过控制施加在液晶盒上的电压强度，可以控制液晶分子长轴的转动幅度，即控制半球体内的折射率，最终实现光线聚焦点的变化。
将聚合物液晶材料104与菲涅尔波带技术结合在一起，将聚合物液晶材料104放置在激光场中曝光，使液晶形成小型微滴固化在聚合物基底中，通过在液晶盒上施加电压，使得液晶的折射率发生改变，相当于一个透镜504，由于不同电压下液晶分子转动的程度不同，因此可以通过控制电压的大小来连续改变电控连续变焦透镜505的焦距，使用的聚合物液晶材料104在光照情况下会发生聚合反应，聚合物会固化，形成包络结构，将液晶分割成多个小的液晶微滴，正是由于液晶微滴尺寸的变小，加电时反应比较灵敏，对响应时间的提高有比较大的贡献。同时，由于聚合物的固化，不会发生液晶从液晶盒中渗透出来的问题，如图8所示，聚合物液晶材料104响应时间测试结果图，(a)为加电时的响应，(b)为关电时的响应，响应时间在200微秒以内。
本实施例电控连续变焦透镜505的制备方法，包括以下步骤，
步骤1：在所述上基板101和下基板101’的内表面上涂覆透明导电膜；
步骤2：对至少一个所述内表面的透明导电膜镀菲涅尔波带图案201，具体包括：在所述上基板101的透明导电膜和所述下基板101’的透明导电膜上均刻蚀所述菲涅尔波带图案201，且两个所述透明导电膜的菲涅尔波带图案201关于液晶盒中心对称，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出。
步骤3：根据各材料的重量比，配制聚合物液晶材料104，并将聚合物液晶材料104在避光条件下乳化36小时；
封装密封件103，使所述上基板101和下基板101’通过密封件103封装形成液晶盒，向所述液晶盒内填充聚合物液晶材料104，具体包括：
封装步骤：在透明导电膜上粘接密封件103，密封件103宽度为1mm左右，留有若干开口，确认菲涅尔波带图案201完全落在边框胶范围内后，使用紫外固化灯将边框胶最终固化；
填充步骤：将液晶盒加热至52℃，再用滴枪将配制好的聚合物液晶材料104滴在液晶盒的一个开口处，至聚合物液晶材料104充满液晶盒，完成填充。
本实施例应用电控连续变焦透镜505的曝光系统，包括激光器、小孔滤波器502、光阑503、透镜504和上述任意一项所述的电控连续变焦透镜505，
所述激光器发出光束，依次经过小孔滤波器502、光阑503、透镜504后，照射在电控连续变焦透镜505的液晶盒上，所述光束的波长可以为457nm、532nm、632.8nm，所述小孔滤波器502由物镜、滤波器架、针孔组成，所述物镜为35-45倍平场消色差物镜，所述针孔大小为20μm，所述光束的功率密度为4mw/cm2，曝光时间为100s。
实施例4：
一种电控连续变焦透镜包括液晶盒，液晶盒由三部分组成：
1、上下平板玻璃101、101’以及镀在玻璃表面的ITO膜，本实施例采用透明导电氧化铟锡膜102；
2、带有衬垫物的边框胶103；
3、聚合物液晶材料104，两块平板玻璃之间通过添加带有衬垫物的边框胶103形成密封的液晶盒。
所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料，所述聚合物液晶材料包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物，将聚合物液晶材料与菲涅尔波带技术结合在一起，使用时，将聚合物液晶材料放置在激光场中曝光，使液晶形成小型微滴固化在聚合物基底中，通过在液晶盒上施加电压，使得液晶的折射率发生改变，此时液晶盒相当于一个透镜，由于不同电压下液晶分子转动的程度不同，因此可以通过控制驱动电压的大小来连续改变电控连续变焦透镜的焦距。
聚合物液晶材料104由聚合物、引发剂、液晶、表面活化剂组成，确定材料的总重量5g，具体成分如下表所示：
| 聚合物 | 2g | |
| 引发剂 | 0.5g | 根据激光器的波长来决定 |
| 液晶 | 2g | 双折射率差为0.39的混合液晶 |
| 表面活化剂 | 0.5g | 聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯 |
根据各材料的重量比，配制聚合物液晶材料，包括以下步骤：依次添加到置于电子天平上的称量瓶中，并将混合材料在暗室中使用超声波乳化仪乳化24-48小时，液晶选择的是双折射率差为0.39的混合液晶，聚合物的折射率与液晶的寻常光折射率或非寻常光折射率相同，双折率差较大能够增大液晶焦距调节范围，液晶盒包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物，若液晶盒的厚度若在5-15μm时，即使聚合物与液晶的折射率不匹配其透明度也会比较高，因此聚合物的折射率与液晶的寻常光折射率或非寻常光折射率相同均可，液晶盒在不变焦(不加电)时相当于玻璃平板。
本实施例聚合物可以选择与液晶的寻常光折射率相同，使得液晶盒在不工作时处于通透状态，减少能耗，引发剂是一种对激光敏感的染料，能够吸收激光的能量，促进光聚合反应，其选择是根据激光器的波长来决定，譬如当激发光为532nm的绿色激光时，引发剂可以是玫瑰红染料；当激发光为632.8nm的红色激光时，引发剂可以是亚甲基蓝等。表面活化剂的作用是降低材料体系的表面张力，降低材料体系的驱动电压，选择的材料是聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯。
所述上平板玻璃的ITO膜和/或下平板玻璃的ITO膜上镀有菲涅尔波带图案，菲涅尔波带图案形成方式为：将偶数波带或者奇数波带所在区域的ITO膜刻蚀掉，将剩下的菲涅尔波带图案以若干个公共电极引出到未刻蚀区域，具体的，上平板玻璃镀的ITO膜201刻蚀菲涅尔波带图案，所有波带电极由公共电极202引导至未刻蚀区域。下平板玻璃上是一片完整的没有进行刻蚀的ITO膜201。边框胶为热敏胶和紫外胶的混合胶水，热敏胶为预固化，紫外胶水为最终定型。边框胶的涂布方式是：根据标记位403，在平板玻璃ITO膜上涂成一对“L”状的图案401，边框胶宽度为1mm左右，留有两个开口，方便后续材料的填充。
上下平板玻璃101、101’上设计有标记位203，调整边框胶涂布范围，使菲涅尔波带图案全部落入液晶盒中。衬垫物为直径为7μm的聚乙烯小球，可以控制液晶盒的厚度在7μm左右。确认菲涅尔波带图案402完全落在边框胶范围内后，使用紫外固化灯将边框胶最终固化。
将液晶盒放置在加热台上，保持温度为50℃，再用滴枪将配制好的材料滴在液晶盒的一个开口处，由于毛细管效应，最终液晶盒内会充满材料，最后使用紫外固化胶将两个开口密封。
本实施例曝光系统的曝光光路是由固体激光器501发出激光光束，依次经过小孔滤波器502、光阑503、透镜504后，平行激光束照射在液晶盒505上。激光器的波长可以为457nm、532nm、632.8nm等。小孔滤波器502由物镜、滤波器架、针孔组成，物镜为40倍平场消色差物镜，针孔大小为10μm。光阑503的作用是控制光束的直径。透镜504的焦点与针孔重合，即穿过电控连续变焦透镜的光束准直为平行光。控制激光的功率密度为0.38mw/cm2，曝光时间为100s。
在曝光后的液晶盒上施加不同强度的电压时，菲尼尔波带图案覆盖下的液晶分子长轴发生转动，折射率发生转变，施加的电压范围在0-6V，在驱动电压为6V时，此时电控连续变焦透镜的焦距为28mm，则电控连续变焦透镜的焦距在0-28mm范围内连续变化，响应时间为0.2ms左右。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (12)
1.一种电控连续变焦透镜，其特征在于，包括：
上基板和下基板，所述上基板和下基板透明，所述上基板和下基板通过密封件封装形成液晶盒；
所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料，所述聚合物液晶材料包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物；
所述上基板、下基板其中一个面为电极面，所述上基板、下基板分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案；
通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料的焦距，能够使光束穿过聚合物液晶材料时按照菲涅尔波带进行汇聚或者发散。
2.根据权利要求1所述的电控连续变焦透镜，其特征在于，按重量份计，所述聚合物液晶材料包括液晶35～45份、聚合物35～45份、引发剂8～12份以及表面活化剂8～12份。
3.根据权利要求2所述的电控连续变焦透镜，其特征在于，所述液晶为混晶，且所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4。
4.根据权利要求2或3所述的电控连续变焦透镜，其特征在于，所述表面活化剂为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯或聚乙二醇山梨糖醇单油酸酯或山梨醇酐十二酸酯；
和/或
所述引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，通过吸收激光能量引发光聚合反应。
5.根据权利要求1所述的电控连续变焦透镜，其特征在于，
所述菲涅尔波带图案占内表面面积的50％-80％，且所述菲涅尔波带图案位于液晶盒内；
和/或
所述内表面均镀有菲涅尔波带图案的透明导电膜，上下基板透明导电膜的菲涅尔波带图案关于液晶盒中心对称。
6.根据权利要求1所述的电控连续变焦透镜，其特征在于，所述菲涅尔波带图案中，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出。
7.根据权利要求1所述的电控连续变焦透镜，其特征在于，所述密封件为带有衬垫物的边框胶，所述衬垫物为直径为11-17μm的聚苯乙烯球，所述边框胶为紫外胶与热敏胶组成的混合胶水。
8.一种电控连续变焦透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
在所述上基板和下基板的内表面上涂覆透明导电膜；
对至少一个所述内表面的透明导电膜镀菲涅尔波带图案；
根据各材料的重量比，配制聚合物液晶材料，并将聚合物液晶材料在避光条件下乳化24-48小时；
封装密封件，使所述上基板和下基板通过密封件封装形成液晶盒，向所述液晶盒内填充聚合物液晶材料。
9.根据权利要求8所述的电控连续变焦透镜的制备方法，其特征在于，对至少一个所述内表面的透明导电膜镀菲涅尔波带图案，包括：
方式一：在所述上基板的透明导电膜上刻蚀菲涅尔波带图案，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出；
或者
方式二：在所述上基板的透明导电膜和所述下基板的透明导电膜上均刻蚀所述菲涅尔波带图案，且两个所述透明导电膜的菲涅尔波带图案关于液晶盒中心对称，相邻的奇数波带或偶数波带之间绝缘隔开，且各奇数波带或偶数波带分别以一公共引线电极引出。
10.根据权利要求8所述的电控连续变焦透镜的制备方法，其特征在于，封装密封件，使所述上基板和下基板通过密封件封装形成液晶盒，向所述液晶盒内填充聚合物液晶材料，包括：
封装步骤：在透明导电膜上粘接密封件，密封件宽度为1mm左右，留有若干开口，确认菲涅尔波带图案完全落在边框胶范围内后，使用紫外固化灯将边框胶最终固化；
填充步骤：将液晶盒加热至45-60℃，再用滴枪将配制好的聚合物液晶材料滴在液晶盒的一个开口处，至聚合物液晶材料充满液晶盒，完成填充。
11.一种曝光系统，其特征在于，包括激光器、小孔滤波器、光阑、透镜和权利要求1-7任意一项所述的电控连续变焦透镜，
所述激光器发出光束，依次经过小孔滤波器、光阑、透镜后，照射在电控连续变焦透镜的液晶盒上。
12.根据权利要求11所述的曝光系统，其特征在于，所述光束的波长可以为457nm、532nm、632.8nm；
和/或
所述小孔滤波器由物镜、滤波器架、针孔组成，所述物镜为35-45倍平场消色差物镜，所述针孔大小为15-25μm；
和/或
所述光束的功率密度为3-5mw/cm2，曝光时间为60-200s。
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