CN111427216B - 一种焦距可调液晶微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种焦距可调液晶微透镜阵列及其制备方法。制备方法包括提供一液晶盒，液晶盒包括第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层，液晶层包括光聚合物单体与液晶的混合材料，第一基板靠近液晶层的一侧设置有取向层；利用灰阶掩模版覆盖第二基板并进行曝光，以使光聚合物单体与液晶分离，光聚合物单体在第二基板靠近液晶层的一侧聚合形成微透镜阵列层。本发明实施例的技术方案，利用梯度光场曝光的方法，实现光聚合物与液晶分离，形成液晶层和聚合物微透镜阵列层，以实现低成本、高精度、可批量化生产的焦距可调液晶微透镜阵列的制备。

Description

一种焦距可调液晶微透镜阵列及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及变焦透镜技术，尤其涉及一种焦距可调液晶微透镜阵列及其制备方法。
背景技术
随着光学技术的发展，微透镜阵列逐渐受到研究者的关注。它在显微成像、自适应光学、传感等光学系统中发挥着不可替代的作用。随着科学技术的进步，各种设备正朝着光、机、电一体化的方向发展。传统的透镜已不能满足当前发展的需要，因此产生了各种新型的微透镜，特别是焦距可调微透镜。这些微透镜具有光学性能可调、体积小、重量轻、稳定性好等优点。它们在成像、自适应光学等领域有着广泛的应用。目前，实现可调谐微透镜的方法有很多，包括压力驱动微透镜、电润湿可调谐微透镜、热效应可调谐微透镜、液晶可调谐微透镜等。
对于压力驱动的可调谐微透镜，主要是利用外部驱动力来调节液体透镜的体积，从而改变微透镜的半径，达到可调谐的效果；对于电润湿可调微透镜，主要是基于电润湿原理，通过电压调节微透镜表面的形貌来达到可调的效果；对于具有热效应的可调谐微透镜，利用材料的热膨胀效应，通过调节温度来改变微透镜的体积，使焦距可调；对于液晶可调谐微透镜，利用液晶的电光效应来改变微透镜的相对折射率，实现微透镜的焦距可调。
对于改变体积实现可调效果的方法，如压力驱动或热效应，往往存在响应速度慢、控制单元结构复杂、无法形成阵列结构等缺点，而且对于环境因素和工艺水平的要求也较高。利用液晶的电光效应改变微透镜的相对折射率，可以实现调节速度快、焦距变化大、无表面形变的可调微透镜阵列，但由于微透镜尺寸较小，现有液晶微透镜阵列存在加工困难、精度低的缺点。
发明内容
本发明实施例提供一种焦距可调液晶微透镜阵列及其制备方法，利用梯度光场曝光的方法，实现光聚合物与液晶分离，形成液晶层和聚合物微透镜阵列层，以实现低成本、高精度、可批量化生产的焦距可调液晶微透镜阵列的制备。
第一方面，本发明实施例提供一种焦距可调液晶微透镜阵列的制备方法，包括：
提供一液晶盒，所述液晶盒包括第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层，所述液晶层包括光聚合物单体与液晶的混合材料，所述第一基板靠近所述液晶层的一侧设置有取向层；
利用灰阶掩模版覆盖所述第二基板并进行曝光，以使所述光聚合物单体与所述液晶分离，所述光聚合物单体在所述第二基板靠近所述液晶层的一侧聚合形成微透镜阵列层。
可选的，所述液晶盒还包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层用于向焦距可调液晶微透镜阵列中的液晶施加不同电场，以实现焦距调节。
可选的，所述第一电极层与所述第二电极层为透明电极氧化铟锡。
可选的，所述第一电极层位于所述第一基板的一侧，所述第二电极层位于所述第二基板的一侧。
可选的，所述光聚合物单体包括紫外固化光学胶NOA65，所述液晶包括向列相液晶E7。
可选的，所述紫外固化光学胶与所述向列相液晶的质量比为1：1。
可选的，所述液晶层的厚度为10μm～12μm。
可选的，所述取向层由旋涂聚酰亚胺至所述第一基板得到，并在固化后通过绒布摩擦形成液晶的取向方向，所述取向方向平行于微透镜阵列的行方向或列方向。
可选的，利用灰阶掩模版覆盖所述第二基板并进行曝光的条件包括在80℃～90℃，光强8mW/cm2～10mW/cm2紫外曝光。
第二方面，本发明实施例还提供一种焦距可调液晶微透镜阵列，采用上述任意一种制备方法形成。
本发明实施例提供的焦距可调液晶微透镜阵列的制备方法，包括提供一液晶盒，液晶盒包括第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层，液晶层包括光聚合物单体与液晶的混合材料，第一基板靠近液晶层的一侧设置有取向层；利用灰阶掩模版覆盖第二基板并进行曝光，以使光聚合物单体与液晶分离，光聚合物单体在第二基板靠近液晶层的一侧聚合形成微透镜阵列层。通过利用灰阶掩模版实现梯度光场曝光，以使光聚合物单体聚合形成微透镜阵列层，液晶层通过取向层取向，并通过液晶的电光效应实现焦距调节，实现低成本、高精度、可批量化生产的焦距可调液晶微透镜阵列的制备。
附图说明
图1是本发明实施例提供的焦距可调液晶微透镜阵列的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种液晶盒的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种曝光过程时的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的焦距可调液晶微透镜阵列在0V电压下的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的焦距可调液晶微透镜阵列在5V电压下的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为本发明实施例提供的焦距可调液晶微透镜阵列的制备方法的流程示意图。参考图1，本实施例提供的制备方法包括：
步骤S110、提供一液晶盒，液晶盒包括第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层，液晶层包括光聚合物单体与液晶的混合材料，第一基板靠近液晶层的一侧设置有取向层。
示例性的，图2所示为本发明实施例提供的一种液晶盒的结构示意图。参考图2，该液晶盒包括第一基板10、第二基板20以及位于第一基板10和第二基板20之间的液晶层30，液晶层30包括光聚合物单体301与液晶302的混合材料，第一基板10靠近液晶层30的一侧设置有取向层40。
其中，第一基板10和第二基板20可以为玻璃基板。光聚合物单体301为一种可以在光照条件下实现聚合固化的物质，在本实施例中，可选的，光聚合物单体包括紫外固化光学胶NOA65，液晶包括向列相液晶E7，紫外固化光学胶与向列相液晶的质量比为1：1。在实施时可以在40℃～60℃条件下均匀混合，注入到第一基板10和第二基板20之间。
可选的，液晶盒还包括第一电极层和第二电极层，第一电极层和第二电极层用于向焦距可调液晶微透镜阵列中的液晶施加不同电场，以实现焦距调节。
可以理解的是，通过在液晶盒上设置第一电极层和第二电极层，对第一电极层和第二电极层加电时可以形成控制液晶分子偏转的电场，具体实施时，可选的，第一电极层和第二电极层可以为透明电极氧化铟锡(ITO)，可以设置在两个基板上，还可以单独设置于液晶盒外，本发明实施例对此不作限定。
示例性的，继续参考图2，第一电极层60位于第一基板10的一侧，第二电极层70位于第二基板20的一侧。
可以理解的是，图2中示出的第一电极层60位于第一基板10的内侧，第二电极层70位于第二基板20的内侧仅是示意性的，在其他实施例中，第一电极层60和第二电极层70还可以分布位于第一基板10和第二基板20的外侧，本发明实施例对此不作限定。
步骤S120、利用灰阶掩模版覆盖第二基板并进行曝光，以使光聚合物单体与液晶分离，光聚合物单体在第二基板靠近液晶层的一侧聚合形成微透镜阵列层。
示例性的，图3所示为本发明实施例提供的一种曝光过程时的结构示意图。参考图3，掩模版50为灰阶掩模版，可以根据实际需求设计不同位置处的透光率不同，从而在对液晶盒曝光时形成梯度分布的光强分布，使光聚合物单体在第二基板20靠近液晶层的一侧聚合形成微透镜阵列层31，液晶302由取向层40控制取向方向，当施加电压时，液晶分子产生偏转，实现焦距可调。
本实施例中，可选的，利用灰阶掩模版覆盖第二基板并进行曝光的条件包括在80℃～90℃，光强8mW/cm2～10mW/cm2紫外曝光。在该条件下曝光30分钟后，使液晶与光聚合物材料相分离，然后关闭光源，缓慢降温使液晶完全从聚合物中析出，由于梯度曝光导致的不均匀光强分布，聚合物层形成微透镜阵列层31。
在制备完成后，可以在偏光显微镜下检测液晶分子的取向情况。例如，分别在0°，45°，90°下用偏振光观测液晶盒。之后间隔30°观测微透镜阵列的焦点及成像，检测微透镜阵列的偏振依赖性。然后是检测所制备的微透镜阵列的可调性。在液晶盒两侧施加电压，由于液晶分子的电光效应，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向。因此对于偏振光而言，液晶分子的折射率发生变化，其与聚合物之间的相对折射率发生变化，导致了微透镜阵列焦距的变化。图4所示为本发明实施例提供的焦距可调液晶微透镜阵列在0V电压下的结构示意图，图5所示为本发明实施例提供的焦距可调液晶微透镜阵列在5V电压下的结构示意图，电压从0V加至5V，在偏光显微镜下观察其焦点以及成像变化。在5V的电压下，液晶分子应该垂直排列。同样在0°，45°，90°下观测液晶盒检测液晶分子的取向情况。
本实施例的技术方案，通过利用灰阶掩模版实现梯度光场曝光，以使光聚合物单体聚合形成微透镜阵列层，液晶层通过取向层取向，并通过液晶的电光效应实现焦距调节，实现低成本、高精度、可批量化生产的焦距可调液晶微透镜阵列的制备。
可选的，液晶层的厚度为10μm～12μm。具体实施时可以根据实际需求设计，本发明实施例对此不作限定。
可选的，取向层由旋涂聚酰亚胺(PI)至第一基板得到，并在固化后通过绒布摩擦形成液晶的取向方向，取向方向平行于微透镜阵列的行方向或列方向。这样可以使液晶分子的初始取向与微透镜匹配。
本发明实施例还提供一种焦距可调液晶微透镜阵列，采用上述实施例提供制备方法形成。
本实施例的提供的焦距可调液晶微透镜阵列，通过利用灰阶掩模版实现梯度光场曝光，以使光聚合物单体聚合形成微透镜阵列层，液晶层通过取向层取向，并通过液晶的电光效应实现焦距调节，具有低成本、高精度、可批量化生产的优点。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种焦距可调液晶微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括：
提供一液晶盒，所述液晶盒包括第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层，所述液晶层包括光聚合物单体与液晶的混合材料，所述第一基板靠近所述液晶层的一侧设置有取向层；
利用灰阶掩模版覆盖所述第二基板并进行曝光，以使所述光聚合物单体与所述液晶分离，所述光聚合物单体在所述第二基板靠近所述液晶层的一侧聚合形成微透镜阵列层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液晶盒还包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层用于向焦距可调液晶微透镜阵列中的液晶施加不同电场，以实现焦距调节。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极层与所述第二电极层为透明电极氧化铟锡。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一电极层位于所述第一基板的一侧，所述第二电极层位于所述第二基板的一侧。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光聚合物单体包括紫外固化光学胶NOA65，所述液晶包括向列相液晶E7。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述紫外固化光学胶与所述向列相液晶的质量比为1：1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液晶层的厚度为10μm～12μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述取向层由旋涂聚酰亚胺至所述第一基板得到，并在固化后通过绒布摩擦形成液晶的取向方向，所述取向方向平行于微透镜阵列的行方向或列方向。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，利用灰阶掩模版覆盖所述第二基板并进行曝光的条件包括在80℃～90℃，光强8mW/cm2～10mW/cm2紫外曝光。
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