CN111399263A - 一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列，包括：上导电玻璃基板、上液晶层、上高介电层、上图案电极、绝缘层、下图案电极、下高介电层、下液晶层以及下导电玻璃基板，下图案电极由驱动电极与接地电极组成。由于液晶柱透镜阵列上下液晶层采用不同图案电极驱动，通过梯度折射率补偿，可以增大液晶柱透镜的孔径。该液晶柱透镜阵列有理想的抛物线相位分布，具有较好的成像质量。此外，该液晶柱透镜阵列在低电压下具有较大的调焦范围。

Description

一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列
技术领域
本发明涉及液晶透镜阵列领域，具体为一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列。
背景技术
在光学工程领域，具有电可调焦距与大孔径的液晶透镜阵列在2D/3D可切换显示器、增强现实(AR)系统和图像处理等方面具有广泛的应用前景。由于液晶材料的各向异性，当在液晶透镜上施加电压时，液晶分子重新定向，使液晶层中会产生梯度折射率分布。液晶透镜的类型包括：具有图案化电极的液晶透镜、经过弯曲处理的液晶透镜和具有偏振光转换层的液晶透镜等。
近几十年来，国内外专家学者致力于改善液晶透镜的性能，例如驱动电压、响应时间和孔径。为了降低液晶透镜的驱动电压，可以采用具有特定介电常数分布的介电层；为了减小液晶透镜的响应时间，可以采用聚合物稳定的液晶材料或铁电液晶材料。但是，由于液晶透镜的焦距与半径的平方成正比，因此如何增大液晶透镜的孔径是一项很大的挑战。截至目前，用于增大液晶透镜孔径的方法有：将悬浮电极嵌入液晶透镜、通过空间扩展的相位分布扩大液晶透镜的孔径、制作几何位相类型的液晶透镜以及菲涅耳类型的液晶透镜。梯度折射率补偿与空间扩展的相位分布类似，可以达到扩大液晶透镜孔径的效果，但是更适用于百微米级到毫米级孔径的液晶透镜。其基本原理是两种不同的液晶材料通过折射率大小的匹配，增大液晶透镜中央与边缘的累积相位差，得到理想的抛物线相位分布。
发明内容
本发明提出一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列，其包括：上导电玻璃基板、上液晶层、上高介电层、上图案电极、绝缘层、下图案电极、下高介电层、下液晶层以及下导电玻璃基板；下图案电极由驱动电极与接地电极组成。
所述上液晶层和下液晶层采用不同参数的正性向列相液晶材料，上液晶层采用的液晶材料的no折射率小于或等于下液晶层采用的液晶材料的ne折射率，但大于其no折射率。其目的是在扩大孔径的基础上，增大液晶透镜中央与边缘的累积相位差。
所述上图案电极中条形电极的宽度大于驱动电极中条形电极的宽度，小于或等于接地电极中条形电极的宽度。因此，上液晶层边缘的液晶分子几乎垂直于导电玻璃基板，其折射率为上液晶层的最小折射率，中央具有梯度的折射率分布。下液晶层中央部分为零电势，液晶分子沿着取向方向排列，边缘的液晶分子沿电场线重新定向，具有梯度折射率分布。
附图说明
附图1为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列。
附图2为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的单个透镜的上液晶层折射率分布曲线图。
附图3为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的单个透镜的折射率分布曲线图。
附图4为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的单个透镜的相位分布曲线图。
附图5为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的电压-焦距曲线图。
上述各附图中的图示标号为：
1上导电玻璃基板，2上液晶层，3上高介电层，4上图案电极，5绝缘层，6下图案电极，61驱动电极，62接地电极，7下高介电层，8下液晶层，9下导电玻璃基板。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员能更进一步了解本发明，下面结合附图详细地说明本发明的具体实施方式。
如附图1所示，本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列，其包括：上导电玻璃基板、上液晶层、上高介电层、上图案电极、绝缘层、下图案电极、下高介电层、下液晶层以及下导电玻璃基板；下图案电极由驱动电极与接地电极组成。上液晶层和下液晶层采用不同参数的正性向列相液晶材料，上液晶层采用的液晶材料的no折射率小于或等于下液晶层采用的液晶材料的ne折射率，但大于其no折射率。其目的是使液晶透镜在扩大孔径的基础上，积累更大的光程差。上图案电极中条形电极的宽度大于驱动电极中条形电极的宽度，小于或等于接地电极中条形电极的宽度。当在上图案电极和驱动电极上施加电压时，由于上图案电极中条形电极具有一定的宽度，上液晶层边缘的液晶分子几乎垂直于导电玻璃基板，上液晶层中央的折射率产生梯度的折射率变化，而边缘的折射率基本保持上液晶层的最小折射率。下液晶层的边缘同样产生梯度的折射率分布。由于接地电极的存在，下液晶层中央部分为零电势，保持下液晶层的最大折射率。通过梯度折射率补偿方法，扩大了液晶透镜的孔径。上高介电层与下高介电层用来平滑液晶透镜的相位分布。
本实施例中使用的液晶材料的特性参数为：在λ＝550nm时，上液晶层采用的液晶材料的折射率为ne＝1.741，no＝1.517，Δn＝0.224，厚度为dLC1＝40μm。下液晶层采用的液晶材料的折射率为ne＝1.625，no＝1.4794，Δn＝0.1456，厚度为dLC2＝50μm。
本实施例中上导电玻璃基板与下导电玻璃基板采用涂覆有氧化铟锡(ITO)材料的导电玻璃。上、下图案电极的周期均为p＝800μm，上图案电极中条形电极的宽度为w1＝220μm，相邻电极之间的宽度为l1＝580μm。驱动电极中条形电极的宽度为w3＝40μm，接地电极中条形电极的宽度为w2＝200μm，相邻驱动电极与接地电极间的距离为l2＝280μm；所有电极均使用ITO涂覆且涂覆厚度均为0.04μm。
本实施例中上高介电层与下高介电层采用的介电材料的介电常数为ε＝20，厚度分别为d1＝120μm和d2＝150μm。
附图2为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的单个透镜的上液晶层折射率分布曲线图。当仅在上图案电极上施加7.5V电压时，在-290μm<x<290μm范围内具有轴对称的梯度折射率分布，最大折射率为1.7234，最小折射率为1.5741，折射率差为0.1493。在x<-290μm和x>290范围内，折射率为～1.575。
附图3为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的单个透镜的折射率分布曲线图。当在上图案电极和驱动电极上施加7.5V电压时，在-210μm<x<210μm范围内，下液晶层的折射率为～1.625，在x<-210μm和x>210μm范围内，下液晶层具有梯度折射率分布，最大折射率为1.625，最小折射率为1.528。在-290μm<x<-230μm和230μm<x<290μm范围内，上液晶层的折射率分布曲线与下液晶层的折射率分布曲线重合，液晶柱透镜的孔径为p1＝760μm，液晶柱透镜阵列的填充比为95％。
附图4为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的单个透镜的相位分布曲线图。当同时在上图案电极和驱动电极上施加7.5V电压时，液晶透镜中央与边缘的累积相位差为～39.4π，其相位分布曲线与理想抛物线完美重合。
附图5为本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列的电压-焦距曲线图。当同时在上图案电极和驱动电极上施加7.5V电压时，单个液晶透镜的孔径为p1＝760μm。随着施加电压从0V增加到7.5V时，液晶透镜的焦距从∞减小到6.67mm。相比于传统的条形电极液晶柱透镜阵列，本发明的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列具有更大的孔径及更小的焦距。
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 (3)

1.一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列，包括：上导电玻璃基板、上液晶层、上高介电层、上图案电极、绝缘层、下图案电极、下高介电层、下液晶层以及下导电玻璃基板；下图案电极由驱动电极与接地电极组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列，其特征是，所述上液晶层和下液晶层采用不同参数的正性向列相液晶材料，上液晶层采用的液晶材料的no折射率小于或等于下液晶层采用的液晶材料的ne折射率，但大于其no折射率。
3.根据权利要求1所述的一种基于梯度折射率补偿的液晶柱透镜阵列，其特征是，上图案电极中条形电极的宽度大于驱动电极中条形电极的宽度，小于或等于接地电极中条形电极的宽度。
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