CN112346279A - 光学器件、成像装置、变焦驱动方法及透镜中心移动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学器件技术领域，解决现有低压驱动可变焦透镜技术中阻抗膜的阻抗值不稳定导致液晶透镜无法准确调节焦距的问题，提供了一种光学器件、成像装置、变焦驱动方法及透镜中心移动方法。该透镜包括沿通光方向依次设置的第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层和第二电极层，第一电极层包括第一电极、第二电极和设于第一电极与第二电极之间的第一阻抗膜，第一电极、第二电极分别连接在第一阻抗膜的相对两端；第二电极层结构与第一电极层相同。各电极在通光方向上形成的通光孔的形状呈平行四边形。本发明不仅解决了现有的液晶透镜阻抗膜的阻抗值不稳定导致无法准确调节焦距的问题，还实现了透镜中心移动、柱镜和棱镜等新功能。

Description

光学器件、成像装置、变焦驱动方法及透镜中心移动方法

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体是一种光学器件、成像装置、变焦驱动方法及透镜中心移动方法。

背景技术

液晶透镜是一种通过控制驱动电压改变液晶分子排布从而改变焦距的光学器件。液晶分子具有介电各向异性与双折射效应，在外加电场中，液晶分子指向矢取向随电场变化而变化，相应方向的有效折射率也会随之变化，液晶透镜正是利用这一特性来实现传统玻璃透镜的会聚与发散等功能。与传统透镜相比，液晶透镜具有体积小、焦距可调节等优点。目前，一般的液晶透镜通光口径相对较小，这限制了液晶透镜在成像领域的应用。

为了得到口径大且成像效果好的液晶透镜，相关研究人员做了大量工作。日本科学家S.Sato在上世纪70年代首次提出液晶透镜的概念并于1979年制备出了首个电控液晶透镜，随后对其改进并提出了圆孔电极结构。Naumov,A.F.等人于1998年提出了模式控制型液晶透镜(Modal liquid crystal lenses，MLCL)结构，其与圆孔型液晶透镜结构类似，不同的是在圆孔ITO电极上多了一层高阻抗膜层以调整电场分布从而获得孔径较大、光学品质较好的液晶透镜。可以通过调节施加在液晶透镜上的电压的幅值或频率来调节透镜的焦距。2002年Ye(JJAP 41(2002)L571)等提出用电介质隔离开孔状电极与液晶层，从而实现较大孔径液晶透镜。但是，这种结构带来了驱动电压增高的问题。为了降低驱动电压，Ye(JJAP49(2010)100204)等提出了在孔状电极和液晶层之间设置高阻抗膜以调整电场的空间分布，从而成功实现了低电压驱动液晶透镜。但是高阻抗膜层的不稳定性问题仍未解决，主要体现在：目前主要的高阻抗膜层材料是金属氧化物、导电有机聚合物，随着后期工艺条件或环境变化，其电学性质发生变化，进而影响液晶透镜成像效果；其次，高阻抗膜层性能随时间和环境条件，电学性质发生变化使液晶透镜的稳定性变差。

为解决液晶变焦透镜结构中高阻抗膜层不稳定的问题，发明专利(公开号：CN109031811A)公开了一种焦距和相位延迟量可变的液晶光学器件，如图1所示，该技术方案将高阻抗膜层沉积在第三平面电极的开孔区域，使得整个高阻抗膜层被绝缘层、第一取向层和第三平面电极包裹，进而防止其氧化状态发生变化，以此来提高高阻抗膜层的化学稳定性。同时，当器件工作，在第三平面电极与第二平面电极之间施加第一电压V1，在第一平面电极与第二平面电极之间施加第二电压V2时，由于高阻抗膜层在横向和纵向上都有稳定的电场分布，即高阻抗膜层具有稳定的边界值，从而保证了液晶光学器件处于工作状态时的稳定性。但由于生产工艺的限制，生产规定阻抗值的阻抗膜较为困难，所以制备该技术方案中的液晶光学器件成本较高；同时，就算高阻抗膜具有稳定的边界值，高阻抗膜在使用过程中其阻抗值仍然会随时间发生改变；然而高阻抗膜的阻抗值的改变会导致焦距调节不确定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光学器件、成像装置、变焦驱动方法及透镜中心移动方法，用以解决现有技术中存在的阻抗膜的阻抗值不稳定导致液晶透镜无法准确调节焦距的问题。

本发明采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种光学器件，包括沿通光方向依次设置的第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层和第二电极层，

所述第一电极层包括第一电极、第二电极和设于第一电极与第二电极之间的第一阻抗膜，所述第一电极、第二电极分别连接在所述第一阻抗膜的相对两端；所述第二电极层包括第三电极、第四电极和设于第三电极与第四电极之间的第二阻抗膜，所述第三电极、第四电极分别连接在所述第二阻抗膜的相对两端，其中，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极在所述通光方向上形成的通光孔的形状呈平行四边形。

作为上述光学器件的优选方案，所述光学器件为椭圆透镜，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压满足：

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

作为上述光学器件的优选方案，所述光学器件为柱透镜，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压满足：

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

作为上述光学器件的优选方案，所述光学器件为棱镜，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压的频率相等。

作为上述光学器件的优选方案，所述通光孔的形状呈矩形。

作为上述光学器件的优选方案，所述矩形为方形。

作为上述光学器件的优选方案，所述第一电极层与第一配向层之间还设有第一保护层，所述第二电极层与第二配向层之间还设有第二保护层。

作为上述光学器件的优选方案，沿所述通光方向上第一电极层背离第一配向层的一侧设有第一基板，沿所述通光方向上第二电极层背离第二配向层的一侧设有第二基板。

作为上述光学器件的优选方案，沿所述通光方向，所述第一电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部，所述第二电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部；所述第三电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部，所述第四电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部。

第二方面，本发明提供了一种成像装置，所述成像装置包括上述任意一种光学器件。

第三方面，本发明提供了一种光学器件的变焦驱动方法，所述光学器件为上述任意一种光学器件，所述变焦驱动方法包括以下步骤：

向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，其中第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上交流电压的幅值分别为V₁、V₂、V₃和V₄，所述液晶层处于第一变焦状态；

分别切换第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上施加交流电压的幅值为nV₁、nV₂、nV₃和nV₄，所述液晶层处于第二变焦状态，其中n为正数。

作为上述光学器件的变焦驱动方法的优选方案，所述第一电极层与第一配向层之间还设有第一保护层，所述第二电极层与第二配向层之间还设有第二保护层。

作为上述光学器件的变焦驱动方法的优选方案，沿所述通光方向上第一电极层背离第一配向层的一侧设有第一基板，沿所述通光方向上第二电极层背离第二配向层的一侧设有第二基板。

作为上述光学器件的变焦驱动方法的优选方案，沿所述通光方向，所述第一电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部，所述第二电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部；所述第三电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部，所述第四电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部。

第四方面，本发明提供了一种光学器件的变焦驱动方法，所述光学器件为上述任意一种光学器件，所述变焦驱动方法包括以下步骤：

向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，其中第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上交流电压的初始相位分别为

和

其中

所述液晶层处于第一变焦状态；

切换第二电极和第四电极上施加交流电压的初始相位均为

所述液晶层处于第二变焦状态。

作为上述光学器件的变焦驱动方法的优选方案，所述第一电极层与第一配向层之间还设有第一保护层，所述第二电极层与第二配向层之间还设有第二保护层。

作为上述光学器件的变焦驱动方法的优选方案，沿所述通光方向上第一电极层背离第一配向层的一侧设有第一基板，沿所述通光方向上第二电极层背离第二配向层的一侧设有第二基板。

作为上述光学器件的变焦驱动方法的优选方案，沿所述通光方向，所述第一电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部，所述第二电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部；所述第三电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部，所述第四电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部。

第五方面，本发明提供了一种光学器件的透镜中心移动方法，所述光学器件为上述任意一种光学器件，所述光学器件的透镜中心移动方法包括以下步骤：

向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，所述光学器件的透镜中心位于第一位置，所述光学器件的透镜中心的坐标为：

改变V₁、V₂、V₃、V₄、

和/或

所述光学器件的透镜中心位于第二位置；

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

作为上述光学器件的透镜中心移动方法的优选方案，所述第一电极层与第一配向层之间还设有第一保护层，所述第二电极层与第二配向层之间还设有第二保护层。

作为上述光学器件的透镜中心移动方法的优选方案，沿所述通光方向上第一电极层背离第一配向层的一侧设有第一基板，沿所述通光方向上第二电极层背离第二配向层的一侧设有第二基板。

作为上述光学器件的透镜中心移动方法的优选方案，沿所述通光方向，所述第一电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部，所述第二电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第一基板的外部；所述第三电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部，所述第四电极一端沿所述通光方向的投影延伸至所述第二基板的外部。

综上所述，本发明的有益效果如下：

1、本发明中光学器件的液晶层中电场的空间分布与阻抗膜的阻值无关，仅与阻抗模的阻值的均匀性相关；而阻抗模的阻值均匀性在生产过程中更容易保证，阻抗模的阻值均匀性受经时效应的影响较小，因此本发明的光学器件更容易保证电压分布的稳定性，从而保证光学器件能够稳定调焦；

2、本发明中光学器件的通光孔为平行四边形，能够使液晶分子指向矢在较大孔径范围内实现高斯形相位分布，在保证光学器件具有变焦效果的同时，又增大了光学器件的通光孔径；

3、本发明中光学器件的通光孔为平行四边形，相比传统的光学器件圆形通光孔其占空比更大，因此能够获得更高的光能利用率。

附图说明

图1为现有技术中液晶透镜的工作原理图；

图2为本发明实施方式1中光学器件的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2中A-A处的剖视图；

图5为本发明实施方式1中光学器件各电极沿通光方向的投影图；

图6为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为90°时，液晶层内的等电势线分布图。

图7为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为80°时，液晶层内的等电势线分布图。

图8为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为60°时，液晶层内的等电势线分布图。

图9为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为45°时，液晶层内的等电势线分布图。

图10为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为20°时，液晶层内的等电势线分布图。

图11为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为10°时，液晶层内的等电势线分布图。

图12为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为5°时，液晶层内的等电势线分布图。

图13为本发明实施方式1中模拟光学器件中四边形通光孔的对角α为0°时，液晶层内的等电势线分布图。

图14为本发明实施例1中光学器件的结构示意图；

图15为图14的俯视图；

图16为图14中C-C处的剖视图；

图17为本发明实施例1中光学器件各电极沿通光方向的投影图；

图18为本发明实施例2中光学器件的结构示意图；

图19为图18的俯视图；

图20为图18中B-B处的剖视图；

图21为本发明实施例2中光学器件各电极沿通光方向的投影图；

图22为本发明实施例4中光学器件各电极沿通光方向的投影图；

图23为本发明实施方式2中光学器件的结构示意图；

图24为本发明实施方式3中光学器件的结构示意图；

图25为本发明实施例5中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图26为本发明实施例6中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图27为本发明实施例7中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图28为本发明实施例8中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图29为本发明实施例9中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图30为本发明实施例10中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图31为本发明实施例11中相位漂移量ψ与x坐标的关系图；

图32为本发明实施例11中光焦度与第二电极、第四电极上电压的初始相位角的关系图；

图33为本发明实施例12中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图34为本发明实施例13中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图35为本发明实施例14中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图36为本发明实施例15中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图37为本发明实施例16中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图38为本发明实施例17中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图39为本发明实施例18中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图40为本发明实施例19中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图41为本发明实施例20中光学器件所采集的干涉条纹图；

图42为本发明实施例21中光学器件所采集的干涉条纹图；

图43为本发明实施例22中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图44为本发明实施例23中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图45为本发明实施例24中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图46本发明实施例23和实施例24中光学器件液晶层内V_rms值与x坐标的关系图；

图47为本发明实施例25中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图48为本发明实施例26中光学器件所采集的干涉条纹图；

图49为本发明实施例27中光学器件所采集的干涉条纹图；

图50为本发明实施例28中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图51为本发明实施例29中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图52为本发明实施例30中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图53为本发明实施例31中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图54为本发明实施例32中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图55为本发明实施例33中光学器件液晶层内的等电势线分布图；

图56为本发明实施例32和实施例33中光学器件液晶层内V_rms值与x坐标的关系图。

附图标记说明：

101a、第三基板；101b、第四基板；102a、第一平面电极；102b、第二平面电极；103、第三平面电极；104、绝缘层；105a、第一取向层；105b、第二取向层；106、第一液晶层；107、阻抗膜层；201、第一基板；202、第二基板；211a、第一电极；211b、第二电极；211c、第一阻抗膜；212a、第三电极；212b、第四电极；212c、第二阻抗膜；221、第一配向层；222、第二配向层；231、液晶层；203、第一保护层；204、第二保护层；205、通光孔。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施方式1：

如图2至图5所示，本发明实施方式1提供了一种光学器件，包括沿通光方向依次设置的第一基板、第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层、第二电极层和第二基板。第一基板、第二基板为透明玻璃材料。第一配向层、第二配向层材料为有机高分子材料，也可以是聚苯乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂或聚酰亚胺，第一配向层的配向方向与第二配向层的配向方向反向平行。

第一电极层包括第一电极、第二电极和设于第一电极与第二电极之间的第一阻抗膜，第一电极、第二电极分别连接在第一阻抗膜的左右两端；第二电极层包括第三电极、第四电极和设于第三电极与第四电极之间的第二阻抗膜，第三电极、第四电极分别连接在第二阻抗膜的前后两端。第一电极、第二电极、第三电极、第四电极的材料为Al、Pt或Cr。第一电极、第二电极、第三电极和第四电极在通光方向上形成平行四边形通光孔，该平行四边形的对角为α。

实施方式1中光学器件的变焦工作原理为：

由于液晶指向矢排列可电控调节，在非均匀电场中呈现不同的折射率梯度分布；所以施加具有一定梯度分布的电压，就能诱导液晶指向矢为非均匀分布，使经液晶层中传播的出射光产生高斯形的相位分布，入射平面波的波前被弯折成会聚或发散的球面波，即呈现光学器件(透镜)的变焦功能(实施方式1中的光学器件为一种光学透镜)。

在每个电极上施加交流电压

其中V是电压幅值，t是电压瞬时时间，f是电压频率，

是电压初始相位。

可为方波电压、正弦电压、三角波电压或任何波形的电压。由于任何周期函数都可以用正弦函数构成的无穷级数来表示，为了便于推导，取电压为正弦信号，即分别给第一电极、第二电极、第三电极、第四电极施加正弦电压

其中：

其中，V₁、f₁、

分别为第一电极上获取电压的幅值、频率、初始相位，V₂、f₂、

分别为第二电极上获取电压的幅值、频率、初始相位，V₃、f₃、

分别为第三电极上获取电压的幅值、频率、初始相位，V₄、f₄、

分别为第四电极上获取电压的幅值、频率、初始相位。

假设施加到第一基板(第二基板)的电势从第一电极(第三电极)到第二电极(第四电极)是线性分布的，如图5所示，第一电极与第二电极之间的距离为L₁，第三电极与第四电极之间的距离为L₂。以图5中0点为坐标原点，沿第三电极至第四电极方向为y轴，沿与y轴相垂直的方向为x轴建立坐标系，则上基板的电势分布V_up和下基板的电势分布V_down为：

上基板与下基板形成的电势差U为：

U＝V_up-V_down (1-7)

则在T时间周期内给液晶施加的有效电压为：

即液晶层内施加的有效电压与电压幅值(V₁，V₂，V₃，V₄)、频率

及相位

相关，即：

从上式可以看出实施方式1中的液晶层的电场的空间分布与阻抗膜的阻值无关，所以就算阻抗膜的阻值发生变化，也不会影响液晶层电场的空间分布。

同时，本实施方式中光学器件通过改变各交流电压的幅值、频率或相位的至少一项即可驱动光学器件变焦。并且，本实施方式中光学器件能够使液晶分子指向矢在较大孔径范围内实现高斯形相位分布，在保证光学器件具有变焦效果的同时，又增大了光学器件的通光孔径。

上述所有公式均为假设基板上电势线性分布(即阻抗模的阻值是均匀的)得到的，最终得到的(1-8)式也说明本发明的光学器件(透镜)的液晶层中电场的空间分布与阻抗膜的阻值无关，仅与阻抗模的阻值的均匀性相关；而阻抗模的阻值均匀性在生产过程中更容易保证，阻抗模的阻值均匀性受经时效应的影响较小，因此本发明的光学器件更容易保证电压分布的稳定性，从而保证光学器件能够稳定调焦。

设置实施方式1中光学器件的L₁＝5mm，L₂＝5mm，在光学器件的各电极上施加电压，使各电极上处于第一电压状态，即V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V，f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

根据(1-8)式，利用Matlab可以计算α为90°时液晶层内的有效电压分布，进而可画出等电势线的分布图。通过Matlab内置的旋转函数imrotate3()函数模拟α为不同角度时有效电压的分布。具体来说，选择上基板的电势分布Vup为旋转目标，以三维数据Vup的时间轴为旋转轴，自定义旋转角度模拟出α分别为不同角度时Vup的分布，然后分别带入到式(1-8)中，得出液晶层内的有效电压分布与等电势线分布。

采用上述方式模拟光学器件中四边形通光孔的对角α分别为90°、80°、45°、30°、20°、10°、5°、0°时，液晶层内的等电势线分布图如图6至图13所示(对角α为90°代表在垂直于通过方向的平面上，第一电极至第二电极的方向与第三电极至第四电极的方向垂直；对角α减小代表第一电极至第二电极的方向相对第三电极至第四电极的方向逆时针旋转，第一基板和第一配向层也同时旋转，且对角α与逆时针旋转的角度互余；对角α为0°代表在垂直于通过方向的平面上，第一电极至第二电极的方向与第三电极至第四电极的方向平行)。

从图6至图13可以看出对角α为0°至90°时在光学器件各电极上施加电压，该光学器件的液晶层内均产生轴对称的不均匀电场，从而引起液晶层中液晶分子指向矢轴对称不均匀取向，液晶层的有效折射率呈光学透镜状的折射率分布。

实施例1：如图14至图16所示，本发明实施例1提供了一种光学器件，其包括从上至下依次设置的第一基板、第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层、第二电极层和第二基板，第一配向层与第二配向层的摩擦方向反向平行。第一基板、第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层、第二电极层和第二基板沿通光方向的投影为尺寸相同的正方形。

第一电极层包括第一电极、第一阻抗膜和第二电极，第一阻抗膜在水平方向的截面为正方形，第一电极和第二电极分别设于第一阻抗膜的左侧和右侧，且第一阻抗膜的左侧与第一电极连接，第一阻抗膜的右侧与第二电极连接。第二电极层包括第三电极、第二阻抗膜和第四电极，第三电极和第四电极分别设于第二阻抗膜的前侧和后侧，且第二阻抗膜的左侧与第三电极连接，第一阻抗膜的右侧与第四电极连接。

如图17所示，第一电极、第二电极、第三电极、第四电极沿通光方向(通光方向为垂直于液晶层表面的方向)的投影围成正方形(即平行四边形的对角α为90°)。

实施例2：如图18至图20所示，本发明实施例2提供了一种光学器件，其包括从上至下依次设置的第一基板、第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层、第二电极层和第二基板，第一配向层与第二配向层的摩擦方向反向平行。

第一电极层包括第一电极、第一阻抗膜和第二电极，第一阻抗膜在水平方向的截面为正方形，第一电极和第二电极分别设于第一阻抗膜的左侧和右侧，且第一阻抗膜的左侧与第一电极连接，第一阻抗膜的右侧与第二电极连接。第二电极层包括第三电极、第二阻抗膜和第四电极，第三电极和第四电极分别设于第二阻抗膜的前侧和后侧，且第二阻抗膜的左侧与第三电极连接，第一阻抗膜的右侧与第四电极连接。

第一基板、第一电极层、第一配向层、第二配向层、第二电极层和第二基板沿通光方向的投影为尺寸相同长方形，液晶层沿通光方向的投影为正方形。第一电极层、第一配向层、第二配向层的长度方向沿左右设置，第二配向层、第二电极层和第二基板的长度方向沿前后设置，从而使在通光方向上，第一电极的左端、第二电极的右端的投影延伸至第二基板投影的外部，第三电极的前端、第四电极的后端的投影延伸至第一基板投影的外部。如此设置后，实施例2与实施例1相比，各电极的延伸出的一端将作为接线端，方便导线接入电极。

如图21所示，第一电极、第二电极、第三电极和第四电极沿通光方向(通光方向为垂直于液晶层表面的方向)的投影围成正方形(即平行四边形的对角α为90°)。在第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压。

为模拟实施例2中光学器件的液晶层内的等电势线的分布结果，将(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式进行简化，令

f₁＝f₂，f₃＝f₄，且f₁≠f₃，即施加在上基板上的电压频率都相同，施加在下基板上的电压频率都相同，且上下基板之间电压频率不同，上基板两端电压相位差和下基板两端电压相位差分别为

和

则公式(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)简化为：

F_A(V₁,t,f₁,0)＝V₁sin(2πf₁t) (1-10)

F_C(V₃,t,f₃,0)＝V₃sin(2πf₃t) (1-12)

以图21中0点为坐标原点，沿第三电极至第四电极方向为y轴，沿与y轴相垂直的方向为x轴建立坐标系，则上基板的电势分布V_up和下基板的电势分布V_down为：

令

其中，M是U函数的周期T或周期T的整数倍。

取f₁M，f₃M为整数，则：

将

代入(1-18)式，则：

令

则(1-19)式为：

根据上式可分为以下两种情况：

(1)当

N＝0,±1,±2,±3...且V₁＝V₂,V₃＝V₄时，则

此时电压与坐标值无关，坐标轴内任意位置的电压分布相同，实施例2中光学器件(透镜)为可变相位延迟器。

(2)当

且

N＝0,±1,±2,±3...m₁＝m₂≠0时，公式(1-22)可配方为：

可得液晶层内的等电势线的分布是椭圆型分布，其圆心位置为

即圆心位置为：

该等电势线的圆心位置即为光学器件的透镜中心。

实施例3：本发明实施例3按照实施例2中光学器件的结构制备实体光学器件(实体光学透镜)进行测试，其结构如图18至图20所示，实体光学器件的结构参数如表1所示，实体光学器件的通光面积为5mm×5mm，电极V₁到电极V₂之间以及电极V₃到电极V₄之间的距离都为5mm，液晶层厚度为80μm，使用的液晶材料的双折射率差△n＝0.259。

参数	数值	描述
			D	5mm*5mm	通光面积大小
d	80μm	液晶层厚度
			R<sub>HR</sub>	10<sup>6</sup>Ω/□	阻抗膜的面阻
ε<sub>∥</sub>	10.6	液晶分子在平行于分子长轴方向上的介电常数
			ε<sub>⊥</sub>	3.7	液晶分子在垂直于分子长轴方向上的介电常数
△n	0.295	液晶双折射率差
			n<sub>O</sub>	1.525	液晶o光折射率
n<sub>e</sub>	1.820	液晶e光折射率

表1

实施例4：

如图22所示，本发明实施例4提供了一种光学器件，实施例4中光学器件在实施例2中光学器件结构的基础上进行改进，具体是：将第一电极、第二电极、第三电极、第四电极沿通光方向的投影围成长方形，即实施例4中光学器件的第一电极与第二电极之间的距离为L1大于第三电极与第四电极之间的距离为L2。

实施例4的其余工作原理同实施例2。

实施方式2：

如图23所示，本发明实施方式2提供了一种光学器件，实施方式2中光学器件在实施方式1中光学器件结构的基础上进行改进，具体是：取消了第一基板和第二基板，同时在第一阻抗膜与第一配向层之间设置了第一保护层，在二阻抗膜与第二配向层之间设置了第二保护层。第一保护层和第二保护层厚度为1微米，绝缘层起到保护阻抗膜及电极的作用，同时使电极、阻抗膜与配向层相接的表面平整。

实施方式2的其余工作原理同实施方式1。

实施方式3：

如图24所示，本发明实施方式3提供了一种光学器件，实施方式3中光学器件在实施方式1中光学器件结构的基础上进行改进，具体是：在第一阻抗膜与第一配向层之间设置了第一保护层，在第二阻抗膜与第二配向层之间设置了第二保护层。如此设置第一保护层和第二保护层能够保护光学器件(光学透镜)内部的液晶层。如此设置能在实施例2的基础上，第一保护层和第二保护层能够保护光学器件内部的液晶层。

实施方式3的其余工作原理同实施方式1。

实施方式4：

本发明实施方式4为一种成像装置，该成像装置包括各实施方式及各实施例中任意一种光学器件。

实施方式5：

本发明实施方式5提供了一种光学器件的变焦驱动方法，所述光学器件为上述任意一种光学器件，所述变焦驱动方法包括以下步骤：

S1、向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，其中第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上交流电压的幅值分别为V₁、V₂、V₃和V₄，所述液晶层处于第一变焦状态；

S2、分别切换第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上施加交流电压的幅值为nV₁、nV₂、nV₃和nV₄，所述液晶层处于第二变焦状态，其中n为正数。

实施例5：

本发明实施例5采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝6V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图25所示。

实施例6：

本发明实施例6采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝8V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图26所示。

光学器件的液晶层折射率随液晶层上的有效电压变化。从图25、图26和(1-23)式可以看出，本发明中的光学器件在各电压幅值保持相同情况下，通过调整各电压幅值等比例扩大，从而减小两相邻等电势线之间的距离(即等电势线越密集)，从而改变光学器件(光学透镜)的光焦度，实现光学器件(光学透镜)电控调焦。同理，光学器件在各电压幅值保持相同情况下，亦可调整各电压幅值等比例缩小，扩大两相邻等电势线之间的距离(即等电势线越稀疏)，从而改变光学器件的光焦度。

实施方式6：

本发明实施方式6提供了一种光学器件的变焦驱动方法，所述光学器件为实施方式1至实施方式5中任意一种光学器件，所述变焦驱动方法包括以下步骤：

S1、向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，其中第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上交流电压的初始相位分别为

和

其中

所述液晶层处于第一变焦状态；

S2、切换第二电极和第四电极上施加交流电压的初始相位均为

所述液晶层处于第二变焦状态。

实施例7：

本发明实施例7采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图27所示。

实施例8：

本发明实施例8采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图28所示。

实施例9：

本发明实施例9采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图29所示。

实施例10：

本发明实施例10采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图30所示。

光学器件的液晶层折射率随液晶层上的有效电压变化。从图27至图30和(1-23)式可以看出，本发明中的光学器件在第一电极、第三电极上电压的初始相位角为0°，第二电极、第四电极上电压的初始相位角保持一致的情况下，通过减小第二电极、第四电极上电压的初始相位角，从而扩大了两相邻等电势线之间的距离(即等电势线越稀疏)，改变电场强度，从而改变光学器件的光焦度，实现光学器件电控调焦。同理，亦可通过增大第二电极、第四电极上电压的初始相位角，减小两相邻等电势线之间的距离(即等电势线越密集)，从而改变光学器件的光焦度。

实施例11：

本发明实施例11采用实施例3中的实体光学器件进行实验，其在实施例3中实体光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝2.5V，f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

分别取

值分别为96°，128°，152°时，测量得到实体光学器件在5mm直径范围内的相位漂移量ψ与坐标x关系的测试结果如图31所示。当

时，利用二次曲线拟合实验测量值，得到的拟合曲线是ψ＝-1.33302x²+6.44362x+0.43098；当

时，利用二次曲线拟合实验测量值，得到的拟合曲线ψ＝-3.09024x²+14.66995x+0.23841；当

时，利用二次曲线拟合实验测量值，得到的拟合曲线是ψ＝-5.91129x²+28.43714x-1.55301。

结果表明，由于液晶层厚不均匀的原因导致测试的相移中心位置实验值往一侧移动，而且实验结果与实施例7至实施例10中通过调整光学器件各电极上相位实现光学器件电控调焦的仿真结果一致。

同时，图32为实体光学器件光焦度与驱动电压相位

的关系图，利用线性函数对实际数据进行拟合，从图32可以看出，驱动电压相位

在88°至140°区间内，光焦度随着驱动电压相位

的增大，光焦度从0.52(1/m)变化到3.2(1/m)且利用二次曲线拟合实验测量值，得到的拟合曲线

光焦度基本随电压相位变化接近线性变化。结果也表明，本发明的光学器件具有电控调焦的功能。

实施方式7：

本发明实施方式7提供了一种光学器件的透镜中心移动方法，所述光学器件为上述任意一种光学器件，所述光学器件的透镜中心移动方法包括以下步骤：

S1、向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，所述光学器件的透镜中心位于第一位置；

S2、改变第一电极和/或第三电极上的电压幅值，所述光学器件的透镜中心位于第二位置。

实施例12：

本发明实施例12采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心(圆中心即透镜中心)位置在(5/2mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图33所示。

实施例13：

本发明实施例13采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₄＝1V，V₂＝V₃＝4V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(1mm，4mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图34所示。

实施例14：

本发明实施例14采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝2V，V₂＝4V，V₃＝V₄＝3V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/3mm，5/2mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图35所示。

实施例15：

本发明实施例15采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝3V，V₃＝4V，V₄＝2V，根据(1-23)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，10/3mm)，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图36所示。

从图33至图36和(1-23)式可以看出，本发明光学器件在同一基板上电压相位差为固定值(即各电压的频率和相位固定不变)时，可以通过调整各电压的幅值大小来控制等电势线的的圆心位置(即光学器件的透镜中心的位置)。

实施例12至实施例15证明实施方式7中的光学器件的透镜中心移动方法可以实现，则实施方式7中的光学器件的透镜中心移动方法可应用在光镊技术中。在1986年，亚瑟·阿斯金(Arthur Ashkin)根据激光的力学效应，利用单光束强聚焦的激光产生的梯度力三维光势阱实现了微小粒子的捕获，标志着光镊技术的诞生。这种技术可以非接触、无损伤地操纵活体物质，成为生物学领域的重要研究工具之一，同时，光镊技术可以实现对微小粒子的操控和微小力的测量等，在物理或化学领域也得到广泛的应用。

实施方式7中的光学器件的透镜中心移动方法可应用在光镊技术中具体为：控制光线(激光)穿过本发明中的光学器件的中心捕获微粒，通过实施方式7中的方法改变光学器件的透镜中心，从而控制光线(激光)移动随着透镜中心移动，从而移动所捕获的微粒。

实施方式8：

本发明实施方式8提供了一种光学器件，该光学器件包括沿通光方向依次设置的第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层和第二电极层，所述第一电极层包括第一电极、第二电极和设于第一电极与第二电极之间的第一阻抗膜，所述第一电极、第二电极分别连接在所述第一阻抗膜的相对两端；所述第二电极层包括第三电极、第四电极和设于第三电极与第四电极之间的第二阻抗膜，所述第三电极、第四电极分别连接在所述第二阻抗膜的相对两端，其中，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极在所述通光方向上形成的通光孔的形状呈平行四边形，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压满足：

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

由(1-22)式，可得当m₁≠m₂且m₁≠0，m₂≠0时，光学器件光学器件液晶层内的等电势线为椭圆型分布，该椭圆中心位置为

即中心位置为：

该椭圆的长短半轴之比为：

其中，a为x轴方向上的半轴长，b为y轴方向上的半轴长。

由(1-26)式可知，可通过改变驱动电压幅值及相位可实现光学器件液晶层内的等电势线呈不同椭圆率的椭圆型分布。

实施例16：

本发明实施例16采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝5V，V₃＝V₄＝10V，根据(1-22)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为椭圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，根据(1-26)式可得长短半轴之比为2，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图37所示。

实施例17：

本发明实施例17采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝10V，V₃＝V₄＝5V，根据(1-22)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为椭圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，5/2mm)，根据(1-26)式可得长短半轴之比为1/2，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图38所示。

实施例18：

本发明实施例18采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝1V，V₂＝2V，V₃＝V₄＝4V，根据(1-22)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为椭圆型分布，圆中心位置在(10/3mm，5/2mm)，根据(1-26)式可得长短半轴之比为8/3，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图39所示。

实施例19：

本发明实施例19采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝4V，V₃＝2V，V₄＝1V，根据(1-22)式可得此时光学器件液晶层内的等电势线为椭圆型分布，圆中心位置在(5/2mm，10/3mm)，根据(1-26)式可得长短半轴之比为3/8，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图40所示。

从图37至图40和(1-26)式可以看出，当本发明中光学器件的同一基板端电压频率相同f₁＝f₂，f₃＝f₄，不同基板之间频率不同f₁≠f₃，且m₁≠m₂，m₁≠0，m₂≠0时，液晶层内的等电势线呈椭圆型分布。

比较图37与图39、图38与图40可以看出，当光学器件同一基板上电压相位差为固定值(即各电压相位固定不变)时，可以通过调整各电压的幅值大小来调整电压分布的中心位置；同时，可以通过调整各电压的幅值大小来调整椭圆长短半轴之比。

实施例20：

本发明实施例20采用实施例3中的实体光学器件进行实验，其在实施例3中实体光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝5V，V₃＝V₄＝10V，采集此条件下实体光学器件的干涉条纹图如图41所示，干涉条纹图中干涉环为椭圆型，椭圆的长短半轴之比约为2。

实施例21：

本发明实施例21采用实施例3中的实体光学器件进行实验，其在实施例3中实体光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝10V，V₃＝V₄＝5V，采集此条件下实体光学器件的干涉条纹图如图42所示，干涉条纹图中干涉环为椭圆型，椭圆的长短半轴之比约为1/2。

比较图37与图41、图38与图42可以看出：实验结果与仿真结果基本一致，因此本发明实施方式8中的光学器件为一种椭圆透镜，其具有椭圆透镜的功能。但实验结果与仿真结果存在一定的差异，主要由于仿真结果是未考虑液晶分子的电学各项异性仿真出液晶层内有效电压的分布情况，液晶层厚度均匀性也对电压分布有一定的影响，同时，从图41和图42中可看出实体光学器件的正下方的阻抗膜层被划伤，影响了光学器件电压分布的形状。

实施方式9：

本发明实施方式9提供了一种柱光学器件，该柱光学器件包括沿通光方向依次设置的第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层和第二电极层，所述第一电极层包括第一电极、第二电极和设于第一电极与第二电极之间的第一阻抗膜，所述第一电极、第二电极分别连接在所述第一阻抗膜的相对两端；所述第二电极层包括第三电极、第四电极和设于第三电极与第四电极之间的第二阻抗膜，所述第三电极、第四电极分别连接在所述第二阻抗膜的相对两端，其中，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极在所述通光方向上形成的通光孔的形状呈平行四边形，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压满足：

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

由(1-22)式，当m₁≠0，m₂＝0时，可得：

此时，光学器件光学器件液晶层内的有效电压呈抛物面分布，且抛物面旋转对称轴位于

处。

由(1-22)式，当m₁≠0，m₂＝0时，可得：

此时，光学器件光学器件液晶层内的有效电压呈抛物面分布，且抛物面旋转对称轴位于

处。

实施例22：

本发明实施例22采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝2V，V₃＝V₄＝4V时，根据(1-20)式可得，此时m₁＝0；根据(1-28)式可得此时光学器件液晶层内的有效电压呈抛物面分布，抛物面旋转对称轴位于(x,5/2mm)处。通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图43所示。通过(1-28)式可以看出此时光学器件液晶层内的V_rms值与y坐标无关，通过式(1-28)计算各x坐标对应的V_rms值，各V_rms值与x坐标的关系如图46所示。

实施例23：

本发明实施例23采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝2V，V₃＝V₄＝8V时，根据(1-20)式可得，此时m₁＝0；根据(1-28)式可得此时光学器件液晶层内的有效电压呈抛物面分布，抛物面旋转对称轴位于(x,5/2mm)处。通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图44所示。通过(1-28)式可以看出此时光学器件液晶层内的V_rms值与y坐标无关，通过式(1-28)计算各x坐标对应的V_rms值，各V_rms值与x坐标的关系如图46所示。

从图46中可以看出，实施例22和实施例23的光学器件液晶层内V_rms值沿x轴方向呈抛物面分布，由于液晶分子的排布由驱动电压确定，因此实施例22和实施例23中的光学器件也呈与该抛物面相同的柱状。

实施例24：

本发明实施例24采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝2V，V₃＝7V，V₄＝4V时，根据(1-20)式可得，此时m₁＝0；根据(1-28)式可得此时光学器件液晶层内的有效电压呈抛物面分布，抛物面旋转对称轴位于(x,35/11mm)处。通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图45所示。

实施例25：

本发明实施例25采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝2V，V₃＝5V，V₄＝7V时，根据(1-20)式可得，此时m1＝0；根据(1-28)式可得此时光学器件液晶层内的有效电压呈抛物面分布，抛物面旋转对称轴位于(x,25/12mm)处。通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图47所示。

从图46中可以看出当施加光学器件各电极的电压值满足m₁＝0且m₂≠0时，光学器件液晶层内的V_rms值随x坐标呈抛物面分布。当同一基板幅值相同时，光学器件旋转轴位于(x,5/2)处，改变其中一基板上的幅值可实现改变柱光学器件在x方向上的光焦度；当其中一基板上电压幅值相同，相位差为0，另一基板幅值不同且相位差不为0时，柱分布的旋转对称轴位于(x，-n₂/2m₂)处，柱分布的旋转对称轴随另一基板幅值的大小变化而变化。

同理，当施加光学器件各电极的电压值满足m₂＝0且m₁≠0时，光学器件液晶层内的等电势线沿y方向上呈抛物面分布。当同一基板幅值相同时，光学器件旋转轴位于(5/2,y)处，改变其中一基板上的幅值可实现改变柱光学器件在y方向上的光焦度。

实施例26：

本发明实施例26采用实施例3中的实体光学器件进行实验，其在实施例3中实体光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝3V，V₃＝V₄＝6V，采集此条件下实体光学器件在632.8nm红光条件下的干涉条纹，干涉条纹图如图48所示，干涉条纹为条状分布，从干涉条纹图中可得柱光学器件的透镜中心位置大约在方形通光口径的横向对称中心处。

实施例27：

本发明实施例27采用实施例3中的实体光学器件进行实验，其在实施例3中实体光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝1kHz，f₃＝f₄＝2kHz，

V₁＝V₂＝3V，V₃＝V₄＝9V，采集此条件下实体光学器件在632.8nm红光条件下的干涉条纹，干涉条纹图如图49所示，干涉条纹为条状分布，从干涉条纹图中可得柱光学器件的透镜中心位置大约在方形通光口径的横向对称中心处。

比较图43与图48、图44与图49可以看出：实验结果与仿真结果基本一致，因此本发明实施方式9中的光学器件为一种柱透镜，其实现了柱透镜的功能。但实验结果与仿真结果有一定的差异，主要因为仿真结果是未考虑液晶分子的电学各项异性仿真出液晶层内有效电压的分布情况，同时，液晶层厚度均匀性也对电压分布有一定的影响。

实施方式10：

本发明实施方式10提供了一种光学器件，该光学器件包括沿通光方向依次设置的第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层和第二电极层，所述第一电极层包括第一电极、第二电极和设于第一电极与第二电极之间的第一阻抗膜，所述第一电极、第二电极分别连接在所述第一阻抗膜的相对两端；所述第二电极层包括第三电极、第四电极和设于第三电极与第四电极之间的第二阻抗膜，所述第三电极、第四电极分别连接在所述第二阻抗膜的相对两端，其中，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极在所述通光方向上形成的通光孔的形状呈平行四边形，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压的频率相等。

由(1-10)、(1-11)、(1-12)和(1-13)式，当f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝f时(即施加的各电压频率相同)，可得：

F_A(V₁,t,f,0)＝V₁sin(2πft) (1-29)

F_C(V₃,t,f,0)＝V₃sin(2πft) (1-31)

则上基板的电势分布V_up和下基板的电势分布V_down为：

令

则：

式中

将

代入(1-36)式，则：

当

时，则液晶层内的等电势线的变化梯度为：

当施加到基板两端电压幅值相同(V₁＝V₂，V₃＝V₄)时，(1-37)式简化为：

V_rms变化梯度为：

当V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝V时，(1-37)式变化为：

此时，光学器件光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形。

实施例28：

本发明实施例28采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V时，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，此时光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，如图50所示，电压变化梯度dy/dx＝-1。

实施例29：

本发明实施例29采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz，

V₁＝V₂＝2V，V₃＝V₄＝4V时，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，此时光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，如图51所示，电压变化梯度dy/dx＝-1/2。

实施例30：

本发明实施例30采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz，

V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝4V时，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，此时光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，如图52所示，电压变化梯度dy/dx＝1。

实施例31：

本发明实施例31采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz，

V₁＝V₂＝2V，V₃＝V₄＝4V时，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，此时光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，如图53所示，电压变化梯度dy/dx＝1/2。

从图50至图53可以看出，当液晶光学器件的四端电压频率都相同时，光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，可使液晶分子折射率呈棱柱状分布；通过改变各电压的幅值，能够改变电压变化梯度，使棱形的棱边方向发生旋转。

实施例32：

本发明实施例32采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz，

V₁＝V₂＝3V，V₃＝V₄＝6V时，根据(1-39)式可得此时光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，光学器件液晶层内的等电势线分布图如图54所示。取y坐标等于2.5mm，通过(1-39)式计算此时的光学器件液晶层内各x坐标对应的V_rms值，各V_rms值与x坐标的关系如图56所示。

实施例33：

本发明实施例33采用实施例2中的光学器件进行仿真，其在实施例2中光学器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上分别施加(1-1)、(1-2)、(1-3)和(1-4)式中的电压，各电极的电压参数为：f₁＝f₂＝f₃＝f₄＝1kHz，

V₁＝V₂＝4V，V₃＝V₄＝8V时，通过(1-8)式对此时的光学器件液晶层进行模拟仿真，此时光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，如图55所示。取y坐标等于2.5mm，通过(1-39)式计算此时的光学器件液晶层内各x坐标对应的V_rms值，各V_rms值与x坐标的关系如图56所示。

从图56中可以看出，实施例32和实施例33的光学器件液晶层内V_rms值沿x轴方向呈折线形分布，由于液晶分子的排布由驱动电压确定，因此实施例32和实施例33中的光学器件也呈与折线形形状相同的棱柱状。

从图54和图55可以看出，当液晶光学器件的四端电压频率都相同时，光学器件液晶层内的有效电压分布为棱形，可使液晶分子折射率呈棱柱状分布，则本发明实施方式10中的光学器件为一种棱镜。从图54至图56中可以看出，当光学器件(棱镜)棱边方向(斜率)固定时，通过控制各电压幅值等比例扩大，缩小两相邻等电势线之间的距离，从而实现光学器件(棱镜)底角γ变化，图56中γ₁为实施例32中光学器件(棱镜)的底角，γ₂为实施例33中光学器件(棱镜)的底角。

以上对本发明所提供的一种光学器件、成像装置、变焦驱动方法及光学器件的透镜中心移动方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光学器件，包括沿通光方向依次设置的第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层和第二电极层，其特征在于，

所述第一电极层包括第一电极、第二电极和设于第一电极与第二电极之间的第一阻抗膜，所述第一电极、第二电极分别连接在所述第一阻抗膜的相对两端；所述第二电极层包括第三电极、第四电极和设于第三电极与第四电极之间的第二阻抗膜，所述第三电极、第四电极分别连接在所述第二阻抗膜的相对两端，其中，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极在所述通光方向上形成的通光孔的形状呈平行四边形。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件为椭圆透镜，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压满足：

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件为柱透镜，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压满足：

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件为棱镜，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上获取的交流电压的频率相等。

5.根据权利要求1至4任一项所述的光学器件，其特征在于，所述通光孔的形状呈矩形。

6.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述矩形为方形。

7.一种成像装置，其特征在于，所述成像装置包括如权利要求1至6任一项所述的光学器件。

8.一种光学器件的变焦驱动方法，其特征在于，所述光学器件为权利要求1至6任一项所述的光学器件，所述变焦驱动方法包括以下步骤：

向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，其中第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上交流电压的幅值分别为V₁、V₂、V₃和V₄，所述液晶层处于第一变焦状态；

分别切换第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上施加交流电压的幅值为nV₁、nV₂、nV₃和nV₄，所述液晶层处于第二变焦状态，其中n为正数。

9.一种光学器件的变焦驱动方法，其特征在于，所述光学器件为权利要求1至6任一项所述的光学器件，所述变焦驱动方法包括以下步骤：

向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，其中第一电极、第二电极、第三电极和第四电极上交流电压的初始相位分别为

和

其中

所述液晶层处于第一变焦状态；

切换第二电极和第四电极上施加交流电压的初始相位均为

所述液晶层处于第二变焦状态。

10.一种光学器件的透镜中心移动方法，其特征在于，所述光学器件为上述任意一种光学器件，所述光学器件的透镜中心移动方法包括以下步骤：

向所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极施加交流电压，所述光学器件的透镜中心位于第一位置，所述光学器件的透镜中心的坐标为：

改变V₁、V₂、V₃、V₄、

和/或

所述光学器件的透镜中心位于第二位置；

其中，L₁为第一电极与第二电极之间的距离，L₂为第三电极与第四电极之间的距离，V₁、

分别为第一电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₂、

分别为第二电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₃、

分别为第三电极上获取的交流电压的幅值和初始相位，V₄、

分别为第四电极上获取的交流电压的幅值和初始相位。

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