CN113777833B - 一种液晶透镜像差优化方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液晶透镜像差优化方法，包括S1通过获取液晶透镜任一直径方向上位置相关的理想折射率分布曲线；S2建立液晶透镜电场强度与有效折射率的关系；S3利用步骤2和步骤1，得到位置相关的理想电场强度Z方向分量的分布；S4根据电势和电场强度与高阻层高度的关系，以理想的电场强度Z方向分量为目标，得到位置相关的高阻层高度分布。本发明还提供了一种利用液晶透镜像差优化方法的应用。本发明解决了高阻层型液晶透镜在实际使用中，实际的有效折射率与理折射率存在偏差，导致成像的像差大的问题。本发明能够使得高阻层型液晶透镜的实际折射率分布更接近理想的二次抛物型分布曲线，可大大减小液晶透镜成像时的像差。

Description

一种液晶透镜像差优化方法及应用
技术领域
本发明涉及液晶透镜技术领域，更具体地，涉及一种液晶透镜像差优化方法及应用。
背景技术
随着影像领域的发展，透镜在其中扮演着越来越重要的角色，如医学领域、激光领域、影视领域等。液晶透镜的主要工作原理是利用液晶的双折射特性和液晶分子指向矢取向的分布使得入射平面波在液晶透镜中传播的过程中经历了一个类似透镜的相位差，从而形成光的汇聚或发散。Naumov AF等人于1998年提出了模式液晶透镜，其结构与圆孔型液晶透镜类似，不同之处在于通过在液晶透镜的圆孔上镀制了一层高阻薄膜，不仅有效的解决了圆孔型液晶透镜在大孔径情况下所存在的缺陷，并且可以通过调节施加在液晶透镜上的电压的幅值和频率来调节透镜的焦距的大小。李东平等人在光电子技术期刊第34卷第4期公开了《模式液晶透镜的制备与光学成像特性研究》，在原有圆孔型液晶透镜和模式液晶透镜(MLCL)理论的基础上，提出了决定液晶透镜小孔表面电势分布的三个参数重要参数，分别是高电阻层薄膜方阻、液晶电容、施加在透镜上的电压的频率。
以现有技术为理论基础可知，由于液晶具有双折射特性，则透镜不同位置处的折射率也不相同，对于给定孔径大小和高电阻层薄膜方阻的透镜，可以找到最佳频率的电压使透镜形成近似抛物线的理想折射率分布，进而使透镜呈现良好的成像效果。但是实际的有效折射率分布相较理想的折射率分布存在的偏差，会使液晶透镜存在像差，严重影响液晶透镜的成像质量。在一些使用固定焦距的透镜且需要改变焦平面的场景中，往往需要机械结构的驱动来达到目的，这无疑增加了系统的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的高阻层型液晶透镜在实际使用中，实际的有效折射率与理折射率存在偏差，导致成像的像差大的问题，提供一种液晶透镜像差优化方法及应用。本发明能够使得高阻层型液晶透镜的实际折射率分布更接近理想的二次抛物型分布曲线，可大大减小液晶透镜成像时的像差，显著提高成像质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种液晶透镜像差优化方法，具体步骤如下：
步骤1：获得参考液晶透镜在距离液晶透镜中心的不同位置处的理想折射率的分布曲线，可通过将参考液晶透镜的一条直径从圆心向其两端分成N等分，获得参考液晶透镜在该条直径上的每个等分点位置的理想折射率的分布曲线，记为理想曲线；
公式：
其中，nc为透镜中心的折射率；r为透镜半径方向距离圆心的位置，dlc为液晶层的厚度，f为对应的焦距，nideal(r)为每个等分点位置对应的理想折射率；
步骤2：创建参考液晶透镜在电场下的仿真模型，仿真出参考液晶透镜在不同电势下的折射率数据，利用该折射率数据拟合出给定模型下电场强度z方向分量与液晶分子有效折射率的关系式；
公式：
Ez＝f(neff)
其中，Ez为电场强度z方向分量，neff为液晶分子的有效折射率；
步骤3：将步骤1中的理想曲线的理想折射率代入步骤2中电场强度z方向分量与有效折射率的关系式，得到每个等分点位置与其对应的理想电场强度z方向分量，即Eideal(r)；
步骤4：根据参考液晶透镜的高阻层的高度数据与施加的电势和电场强度比值的对应关系，即d＝U/E，以Eideal(r)为目标，通过液晶透镜多物理场仿真，得到每个等分点位置与其对应的高阻层的高度d(r)数据；
其中，d为高阻层的高度，U为液晶透镜上施加的电势，E为液晶透镜的电场强度；
进一步的，步骤2具体步骤如下：
步骤201：使用仿真软件创建参考液晶透镜在电场下的仿真模型，在参考液晶透镜的上电极层施加电势，下电极层接地，通过仿真模型得到在不同电势下的液晶分子倾角数据，利用倾角数据转换为液晶分子有效折射率；
公式：
其中，neff为液晶分子有效折射率，θ为液晶分子的倾角，no为液晶材料的寻常光折射率，ne为非寻常光折射率；
步骤202：利用参考液晶透镜在不同电势下的液晶分子有效折射率数据，拟合出给定模型下电场强度的z方向分量与液晶分子有效折射率的关系式。
公式：
Ez＝f(neff)
需要说明的是，参考液晶透镜为传统的高阻层型液晶透镜，如图1所示，其从上至下结构分别为：玻璃载体(Glass)、环形电极(Ring electrode)与高阻层(Highresistivity layer)、聚酰亚胺薄膜(PI)、液晶层、PI、圆形电极(Circular electrode)、玻璃载体(Glass)；
如图2所示，可将液晶透镜的工作状态用等效电路表示，液晶层用电容层代替，高阻层用离散的电阻表示，把透镜小孔从圆心到其边缘沿着直径方向分成N等分，由电路知识可知，在串联电路中，元件的电阻越大，分到的电压越大。根据这个原理，在透镜边缘的电容，与之连接的电阻的阻值是很小的，那么电容分得的电压是很大的；越靠近透镜的中心的电容区域，与之连接的电阻越大，那么电容分得的电压就越小。这样在高阻层处形成了从透镜边缘到中心电压逐渐变小的分布，由于液晶透镜的厚度是一定的，那么在液晶透镜空间中的Ez分布与电势分布趋势一致；靠近中心的区域的电势较低，靠近圆边缘区域的电势较高，电场强度的z方向分量(Ez)在液晶透镜在直径方向上的空间分布如图3所示；
Ez与液晶分子的倾角的关系曲线一条单调递增的曲线(Ez作为横坐标，液晶分子的倾角为纵坐标)，而液晶分子的倾角与有效折射率的关系曲线为单调递减的曲线。故有效折射率在液晶透镜中沿着直径方向的分布为透镜中心到透两端镜边缘均逐渐减小的分布，如图4所示；
改变驱动电压的幅值和频率可以调节液晶透镜的有效折射率分布，以此来达到变焦的目的。这样，通过优化高阻层的高度来调节透镜的空间电场强度分布，从而进一步实现液晶透镜理想的折射率分布，最终提高液晶透镜的成像质量。
一种液晶透镜像差优化方法的应用，利用高阻层高度数据对目标液晶透镜的高阻层高度分布进行改进，利用步骤4中计算出的每个等分点位置的高阻层的高度数据，用于制作液晶透镜。
利用液晶透镜像差优化方法设计的液晶透镜，包括相对设置的第一基板和第二基板，位于第一基板和第二基板之间的液晶层；分别位于液晶层朝向第一基板和第二基板一侧的第一配向层和第二配向层，位于第二配向层和第二基板之间的第一电极层，位于第一配向层和第一基板之间的高阻层，以及连接高阻层外边缘且位于第一配向层和第一基板之间的第二电极层；高阻层下底面距离第一电极层的高度利用液晶透镜像差优化方法进行确定，高阻层和第一配向层之间的间隙还设有衬垫层9。
进一步的，衬垫层为聚合物层，聚合物层的透光率至少为90％。
需要说明的是，高阻层与第一配向层间的空隙采用聚合物进行填充，而不选择玻璃材料的原因是因为聚合物可以很容易地加工成任何曲面，聚合物选择透光率较高的物质，能够更好的适应折射需求，同时也更容易加工；高阻层距离第一电极层的高度根据液晶透镜像差优化方法进行确定，但是高阻层的厚度由液晶透镜中心位置至边缘位置均保持一致；高阻层与第二电极层为电连接，这样，高阻层通过第二电极层的电连接，工作状态下形成等效电路，高阻层与电极层之间的电势与高阻层与电极层之间的距离成对应关系。
还需说明的是，要想实现高度不一致的高阻层，若通过磁控溅射把高阻层覆盖在玻璃表面上且精准控制其高度在工艺上存在困难，可通过计算出高阻层在不同区域的高度分布后，先制作出衬垫层或第一基板与之匹配的相应弧度高度，最后再进行磁控溅射高阻层，这样精准控制高阻层的高度分布。
这样，对高阻层型液晶透镜的高阻层的高度进行调节来实现液晶透镜理想的折射率分布，从而提高透镜的成像质量，在一些使用固定焦距的透镜且需要改变焦平面的场景中，不需要机械结构的驱动来达到目的，液晶透镜本身所能够达到的有效折射率接近理想折射率，成像效果好，方便使用。
进一步的，第一基板和第二基板由玻璃制成，玻璃的透光率至少为90％。
进一步的，液晶层为向列相液晶。这样，向列相液晶分子间短程相互作用微弱，这种分子长轴彼此相互平行的自发取向过程能够使液晶产生高度的双折射性。
进一步的，第一配向层和第二配向层相对的一侧的摩擦方向相反。
进一步的，高阻层由液晶透镜中心位置至边缘呈水波纹型。
进一步的，第一基板与高阻层接触的一侧与高阻层的水波纹型表面相匹配。
需要说明的是，第二基板的厚度为0.2mm-0.4mm。这样，基板的厚度控制在一定范围内，可以减小透光的损失，保证折射效果。
进一步的，高阻层的制作材料包括但不限于TiOx、ZnO、ZnS、SnO、Sb-Sn-O、ZrO和VO中的任意一种。这样，结合材料的电导率与相对介电常数，高阻层一般选择阻值较高的透明材料，使其达到更好的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过建立高阻层的高度与理想曲线的联系，通过调节透镜的空间电场强度分布，从而进一步实现液晶透镜理想的折射率分布，本发明的高阻层高度变化的液晶透镜的折射率分布更接近理想的二次抛物型分布曲线，可大大减小液晶透镜成像时的像差，最终提高液晶透镜的成像质量。
(2)本发明利用液晶透镜像差优化方法确定高阻层距离电极层之间的高度数据，根据高度数据制作液晶透镜，液晶透镜的有效折射率接近理想折射率，在一些使用固定焦距的透镜且需要改变焦平面的场景中，本发明的液晶透镜不需要机械结构的驱动就能达到很好的成像效果。
附图说明
图1为本发明中参考液晶透镜的结构示意图；
图2为本发明中参考液晶透镜的等效电路图；
图3为本发明中电场强度的z方向分量(Ez)在液晶透镜直径方向上的空间分布图；
图4为本发明中有效折射率在液晶透镜直径方向上的空间分布图；
图5为本发明的步骤流程图；
图6为本发明中的液晶透镜的结构示意图。
图示标记说明如下：
1-第一基板，2-第二基板，3-液晶层，4-第一配向层，5-第二配向层，6-第一电极层，7-高阻层，8-第二电极层，9-衬垫层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1至图4所示，一种液晶透镜像差优化方法，具体步骤如下：
步骤1：获得参考液晶透镜在距离液晶透镜中心的不同位置处的理想折射率的分布曲线，可通过将参考液晶透镜的一条直径从圆心向其两端分成N等分，获得参考液晶透镜在该条直径上的每个等分点位置的理想折射率的分布曲线，记为理想曲线；
公式：
其中，nc为透镜中心的折射率；r为透镜半径方向距离圆心的位置，dlc为液晶层的厚度，f为对应的焦距，nideal(r)为每个等分点位置对应的理想折射率；
步骤2：使用仿真软件创建参考液晶透镜在电场下的仿真模型，仿真出参考液晶透镜在不同电势下的折射率数据，利用该折射率数据拟合出给定模型下电场强度z方向分量与液晶分子有效折射率的关系式；
公式：
Ez＝f(neff)
其中，Ez为电场强度z方向分量，neff为液晶分子的有效折射率；
步骤3：将步骤1中的理想曲线的理想折射率代入步骤2中电场强度z方向分量与有效折射率的关系式，得到每个等分点位置与其对应的理想电场强度z方向分量，即Eideal(r)；
步骤4：根据参考液晶透镜的高阻层的高度数据与施加的电势和电场强度比值的对应关系，即d＝U/E，以Eideal(r)为目标，通过液晶透镜多物理场仿真，得到每个等分点位置与其对应的高阻层的高度d(r)数据；
其中，d为高阻层的高度，U为液晶透镜上施加的电势，E为液晶透镜的电场强度；
本实施例中，步骤2具体步骤如下：
步骤201：使用仿真软件创建参考液晶透镜在电场下的仿真模型，在参考液晶透镜的上电极层施加电势，下电极层接地，通过仿真模型得到在不同电势下的液晶分子倾角数据，利用倾角数据转换为液晶分子有效折射率；
公式：
其中，neff为液晶分子有效折射率，θ为液晶分子的倾角，no为液晶材料的寻常光折射率，ne为非寻常光折射率；
步骤202：利用参考液晶透镜在不同电势下的液晶分子有效折射率数据，拟合出给定模型下电场强度的z方向分量与液晶分子有效折射率的关系式。
公式：
Ez＝f(neff)
本方法的原理为：如图1所示，参考液晶透镜为传统的高阻层型液晶透镜，其从上至下结构分别为：玻璃载体(Glass)、环形电极(Ring electrode)与高阻层(Highresistivity layer)、聚酰亚胺薄膜(PI)、液晶层、PI、圆形电极(Circular electrode)、玻璃载体(Glass)；
如图2所示，可将液晶透镜的工作状态用等效电路表示，液晶层用电容层代替，高阻层用离散的电阻表示，把透镜小孔从圆心到其边缘沿着直径方向分成N等分，由电路知识可知，在串联电路中，元件的电阻越大，分到的电压越大。根据这个原理，在透镜边缘的电容，与之连接的电阻的阻值是很小的，那么电容分得的电压是很大的；越靠近透镜的中心的电容区域，与之连接的电阻越大，那么电容分得的电压就越小。这样在高阻层处形成了从透镜边缘到中心电压逐渐变小的分布，由于液晶透镜的厚度是一定的，那么在液晶透镜空间中的Ez分布与电势分布趋势一致；靠近中心的区域的电势较低，靠近圆边缘区域的电势较高，电场强度的z方向分量(Ez)在液晶透镜在直径方向上的空间分布如图3所示；
Ez与液晶分子的倾角的关系曲线一条单调递增的曲线(Ez作为横坐标，液晶分子的倾角为纵坐标)，而液晶分子的倾角与有效折射率的关系曲线为单调递减的曲线。故有效折射率在液晶透镜中沿着直径方向的分布为透镜中心到透两端镜边缘均逐渐减小的分布，如图4所示；
改变驱动电压的幅值和频率可以调节液晶透镜的有效折射率分布，以此来达到变焦的目的。这样，通过优化高阻层的高度来调节透镜的空间电场强度分布，从而进一步实现液晶透镜理想的折射率分布，最终提高液晶透镜的成像质量。
如图5所示，利用液晶透镜像差优化方法设计的液晶透镜，包括相对设置的第一基板1和第二基板2，位于第一基板1和第二基板2之间的液晶层3；分别位于液晶层3两侧且朝向第一基板1和第二基板2的第一配向层4和第二配向层5，位于第二配向层5和第二基板2之间的第一电极层6，位于第一配向层4和第一基板1之间的高阻层7，以及连接高阻层7外边缘且位于第一配向层4和第一基板1之间的第二电极层8；高阻层7下底面距离第一电极层6的高度利用权利要求1-2任一项的优化方法进行确定，高阻层7和第一配向层4之间的间隙还设有衬垫层9。
本实施例中，衬垫层9为聚合物层，聚合物层的透光率为90％。
需要说明的是，高阻层7与第一配向层4间的空隙采用衬垫层9进行填充，而不选择玻璃材料的原因是因为聚合物可以很容易地加工成任何曲面，衬垫层9选择透光率较高的物质，能够更好的适应折射需求，同时也更容易加工。
这样，对高阻层型液晶透镜的高阻层7的高度进行调节来实现液晶透镜理想的折射率分布，从而提高透镜的成像质量，在一些使用固定焦距的透镜且需要改变焦平面的场景中，不需要机械结构的驱动来达到目的，液晶透镜本身所能够达到的有效折射率接近理想折射率，成像效果好，方便使用。
本实施例中，第一基板1和第二基板2由玻璃制成，玻璃的透光率至少为90％。
本实施例中，液晶层3为向列相液晶。这样，向列相液晶分子间短程相互作用微弱，这种分子长轴彼此相互平行的自发取向过程能够使液晶产生高度的双折射性。
本实施例中，高阻层7与第二电极层8为电连接。这样，高阻层7通过第二电极层8的电连接，工作状态下与电极层6之间形成等效电路，高阻层7与第一电极层6之间的电势与高阻层7与第一电极层6之间的距离成对应关系。
本实施例中，第一配向层4和第二配向层8相对的一侧的摩擦方向相反。
本实施例中，高阻层7由液晶透镜中心位置至边缘呈水波纹型，高阻层7上每处的电场强度与距离液晶透镜中心相同位置处的理想电场强度相匹配。
本实施例中，第一基板1与高阻层7接触的一侧与高阻层7的波浪型表面相匹配，第二基板2的厚度为0.3mm。这样，基板的厚度控制在一定范围内，可以减小透光的损失，保证折射效果。
本实施例中，高阻层7由ZnO制作而成。这样，结合材料的电导率与相对介电常数，高阻层7选择阻值较高的ZnO材料，使其达到更好的效果。
实施例2
一种液晶透镜像差优化方法的应用，利用实施例1中的高阻层高度数据对目标液晶透镜的高阻层高度分布进行改进，具体为：
利用步骤4中计算出的每个等分点位置的高阻层的高度数据先制作出衬垫层9和第一基板1与之对应的高度变化，再在衬垫层上利用溅射技术进行高阻层的制作，所得的液晶透镜其像差小，成像质量高。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液晶透镜像差优化方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：获得参考液晶透镜在距离液晶透镜中心的不同位置处的理想折射率的分布曲线，可通过将参考液晶透镜的一条直径从圆心向其两端分成N等分，获得参考液晶透镜在该条直径上的每个等分点位置的理想折射率的分布曲线，记为理想曲线；
公式：
其中，nc为透镜中心的折射率；r为透镜半径方向距离圆心的位置，dlc为液晶层的厚度，f为对应的焦距，nideal(r)为每个等分点位置对应的理想折射率；
步骤2：创建参考液晶透镜在电场下的仿真模型，仿真出参考液晶透镜在不同电势下的折射率数据，利用该折射率数据拟合出给定模型下电场强度z方向分量与液晶分子有效折射率的关系式；
公式：
Ez＝f(neff)；
其中，Ez为电场强度z方向分量，neff为液晶分子的有效折射率；
步骤3：利用步骤2中的电场强度z方向分量与有效折射率的关系式与步骤1中的理想曲线的理想折射率，得到距离液晶透镜中心的不同位置处的理想电场强度z方向分量，即Eideal(r)；
步骤4：根据参考液晶透镜的高阻层的高度数据与施加的电势和电场强度比值的对应关系，即d＝U/E，以Eideal(r)为目标，通过液晶透镜多物理场仿真，得到每个等分点位置与其对应的高阻层的高度d(r)数据；其中，d为高阻层的高度，U为液晶透镜上施加的电势，E为液晶透镜的电场强度。
2.根据权利要求1所述的一种液晶透镜像差优化方法，其特征在于，所述步骤2具体步骤如下：
步骤201：创建参考液晶透镜在电场下的仿真模型，在参考液晶透镜的上电极层施加电势，下电极层接地，通过仿真模型得到在不同电势下的液晶分子倾角数据，利用倾角数据转换为液晶分子有效折射率；
公式：
其中，neff为液晶分子有效折射率，θ为液晶分子的倾角，no为液晶材料的寻常光折射率，ne为非寻常光折射率；
步骤202：利用参考液晶透镜在不同电势下的液晶分子有效折射率数据，拟合出给定模型下电场强度的z方向分量与液晶分子有效折射率的关系式；
公式：
Ez＝f(neff)，
其中，Ez为电场强度z方向分量，neff为液晶分子有效折射率。
3.根据权利要求1或2所述的液晶透镜像差优化方法设计的液晶透镜，其特征在于，包括相对设置的第一基板(1)和第二基板(2)，位于第一基板(1)和第二基板(2)之间的液晶层(3)；分别位于所述液晶层(3)两侧且朝向所述第一基板(1)和第二基板(2)的第一配向层(4)和第二配向层(5)，位于所述第二配向层(5)和第二基板(2)之间的第一电极层(6)，位于所述第一配向层(4)和所述第一基板(1)之间的高阻层(7)，以及连接所述高阻层(7)外边缘且位于所述第一配向层(4)和所述第一基板(1)之间的第二电极层(8)；所述高阻层(7)下底面距离第一电极层(6)的高度利用步骤4所述的高阻层的高度d(r)数据进行确定，所述高阻层(7)和所述第一配向层(4)之间的间隙还设有衬垫层(9)。
4.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一基板(1)和第二基板(2)由玻璃制成，所述玻璃的透光率至少为90％。
5.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述液晶层(3)为向列相液晶。
6.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述衬垫层(9)为聚合物层，所述聚合物层的透光率至少为90％。
7.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一配向层(4)和第二配向层(5)相对的一侧的摩擦方向相反。
8.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述高阻层(7)由中心至边缘呈水波纹型。
9.根据权利要求8所述的液晶透镜，其特征在于，所述第一基板(1)与所述高阻层(7)接触的一侧与所述高阻层(7)的水波纹型表面相匹配。
10.根据权利要求3所述的液晶透镜，其特征在于，所述高阻层(7)的制作材料包括TiOx、ZnO、ZnS、SnO、Sb-Sn-O、ZrO和VO中的任意一种。
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