CN1141602C - 连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学器件领域，涉及一种连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件。其特征是上下两个ITO玻璃基板夹一液晶层，ITO导电膜被刻蚀成菲涅耳波带的阵列形式。通过电场的寻址控制阵列上每一微透镜的液晶层折射率，从而达到控制每阵点的焦距长。此器件无需偏振片，光利用率高。又由于液晶的折射率连续可调，可使微透镜的主焦距在0.5f～2f范围内连续变化。

Description

连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件

一.技术领域

本发明属于光学器件领域，涉及一种连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件。其特征是用液晶层弥补半波位相，达到光能损失最小；将若干个菲涅耳微透镜有序排列，每个微透镜形成象素点，若干个相加以增强成像光强；并通过电控液晶的有效折射率达到连续变焦的目的。

二、技术背景

微型透镜是一种重要的光学器件，二维微透镜阵列在照相中的逆反射屏和集成成像屏上，用于提高探测器性能，作为焦平面阵列上的微集光器。此外在光学信息处理、光通讯、光互联以及三维图象显示系统等领域具有广阔的应用前景。目前用传统的工艺法制作微透镜主要有离子交换法、模压成型法、光敏玻璃热成形法和光刻胶热溶成形法。用这些方法制作的微型透镜有一个共同的特性，就是透镜只有一个焦距。要改变透镜的焦距长，需用一组透镜，通过机械地调解透镜间的间距才能实现。使用透镜组机械地变焦不仅增加器件的成本，增大设备体积，而且不易有效地实现所需要的焦距。因此，人们很希望能开发出结构简单、重量轻、低成本的自适应透镜阵列器件。

近年来，人们提出了采用液晶技术制作自适应微透镜，液晶微透镜采用光透射方式，具有控制简单，可靠性强及驱动电压低等优点，这种器件具有巨大的潜在应用性。目前用液晶技术已设计了几种透镜器件，如线型分离电极结构，见U.S.patent 4,572,616(Feb.25，1985)、凸，凹透镜与液晶结合(Liquid-Crystal Lens-Cells with Variable FocalLength，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.24，No.8，1985 pp.L626-628)，孔状电极结构(APPLIED OPTICS/Vol.36，No.20/10 July1997，pp4772-4778)。然而，这些器件的制作技术不仅复杂，而且很难实现二维有源矩阵驱动。

三、发明内容：本发明把菲涅耳波带技术和液晶的特性结合在一起，利用菲涅耳波带的结构和液晶在电场作用下折射率变化的特点制作成微透镜，然后将微透镜进行排列，目的是提供一种连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件。

本发明的设计原理可由图1来说明。图1是菲涅耳液晶波带器件中相邻波带截面结构图。图1(a)为未加电场情况下，液晶层状态和折射率，图1(b)为加电场情况下液晶层状态和折射率。图1所示结构图同常规的液晶器件结构一样由上下两玻璃基板组成，两基板中间所夹的液晶层为手性液晶材料，在未加电场时呈180°沿面扭曲排列。由于电极形状是菲涅耳波带结构，如图1(b)所示，当施加电压时，对应电极区的右半部分液晶将趋向电场取向，液晶分子不再沿面排列，而是形成扭曲旋转排列，螺旋轴在基板表面法线方向，折射率发生变化，由平均折射率n_ave变成有效折射率n_eff。对于垂直入射并透过液晶盒的外来光，在任何光振动方向上，其左右两部分将使光产生相同的相位延迟。调解液晶的取向，则相位延迟将被调解。如果把这种器件的左右两部分看作相邻的菲涅耳奇、偶波带，则这种器件就是菲涅耳位相波带器件。

本发明根据上述设计原则，将每一个菲涅耳相位波带纵横有序排列，形成阵列结构。

本发明由上下两块玻璃基板和在两块玻璃基板间的液晶层构成。两块基板内表面涂覆或镀有ITO电极，电极的形状是由若干个菲涅耳波带结构纵横排列成阵列。上基板的电极形状和下基板电极的形状完全相同，上下基板的菲涅耳环状波带电极图形镜像对称配置，也就是说两者互为映像，每一对上下镜像对称的菲涅耳环状波带电极和其间的液晶层构成连续变焦菲涅耳透镜。需要指出，上基板电极和下基板电极的连接方式不同，如果上基板上排列的菲涅耳波带电极每一行用公共电极连接起来，那么下基板上排列的菲涅耳波带电极的每一列用公共电极连接起来；如果上基板上排列的菲涅耳波带电极每一列用公共电极连接起来，下基板上排列的菲涅耳波带电极的每一行用公共电极连接起来。这样使得上下基板的公用电极是互相垂直的，形成X向和Y向的交叉寻址矩阵系统。在上下基板内表面有一层同液晶层相接触的取向层，上下基板间的液晶层是掺有手性剂的扭曲向列相液晶材料，在未加电场时液晶层的液晶分子呈180°沿面扭曲排列。施加电场时，液晶分子受电场作用，排列脱离原来的面，趋向电场方向形成180°旋转排列形成螺旋体，其螺旋轴沿基板表面法线方向。

本发明上下基板上的菲涅耳波带电级形状及排列如图2所示，图中1为上基板，2为下基板，3菲涅耳波带电级，4为上基板公共电极，6为下基板公共电极。

本发明上下基板涂覆或镀有ITO导电膜，采用光掩膜刻蚀法或其它方式制成菲涅耳波带结构电极，并形成行列有序的阵列方式，每一行或列用公用电极连接。具体地说，在上基板1上采用掩膜或其它方式制成菲涅耳波带电极3，每个菲涅耳波带电极3形成行列有序的阵列方式，并用上基板公用电极4，将每一行的菲涅耳波带电极3连接起来。下基板2上采用掩膜或其它方式制成菲涅耳电极3，每个菲涅耳波带3形成行列有序的阵列方式，并用下基板公用电极6，将每一列的菲涅耳波带电极3连接起来。

本发明菲涅耳环状电极结构的设计可以依照常规菲涅耳波带片的制作方法实现。各环状电极半径表示为 $r_m=\sqrt{m}{r}_1,$ 其中r₁为最内半径，m为环状电极序数。

本发明上下基板内掺有手性剂的扭曲向列相液晶材料，在施加电场后，折射率发生变化。如果折射率变化差值用Δn表示，则Δn＝n_ave-n_eff。对本发明而言，Δn为0.2～0.3。

由于菲涅耳波带的光学性质是受折射率或折射率变化差值和光通过介质的行程影响的，介质的行程对本发明来讲，就是液晶层的厚度，也就是两基板之间的等厚间隙。为了完成本发明的任务，达到理想效果，两基板之间厚度d为4～6μm。

本发明在电场的作用下，折射率发生改变，导致焦距也发生变化。因此本发明的另一个特点是在电场作用下，焦距连续可调。如果不加电场的焦距为f，称原焦距，施加电场时本发明的焦距可在0.5f～2f范围内连续变化。

四、附图说明：图1为菲涅耳液晶波带器件中相邻波带截面结构图。图1(a)为未加电场情况下，液晶层状态和折射率，n_ave为平均折射率；图1(b)为在电场作用下，液晶层状态和折射率，n_eff为有效折射率。1为上基板，2为下基板，3为菲涅耳环状波带电极，5为液晶层。

图2为本发明的上下基板的菲涅耳波带电极形状及排列结构图。图中4为上基板公共电极，6下基板的公共电极。图2也是说明书摘要附图。

五、具体实施方式：采用掩膜光刻法把两玻璃基板上的ITO电极均刻蚀成相同的波带阵列结构，波带数为3×3，如图2所示。其中每一波带的最内半径为0.5mm，每个波带共有16个奇数带。用公共电极把上基板的每一列波带连接起来；用公共电极把下基板的每一行波带连接起来。

在ITO电极表面涂上聚酰亚胺取向层，并被单方向摩擦。

把上下玻璃基板上的电极图形对称放置，摩擦方向反平行，两玻璃基板上的公共电极相垂直，作成液晶盒，液晶盒厚5μm。

把掺有0.5wt％手性剂CB15的向列相液晶注入液晶盒中，液晶沿基板表面法线扭曲180°，液晶的各向异性折射率差值Δn为0.2。

给上下两基板间的任选两公共电极施加电压，则被驱动的波带象素对He-Ne激光起聚焦作用，且焦距随电场强度的变化而被调节，透镜焦距在0.5f～2f范围内连续变化。

Claims (5)

1、一种连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件，其特征是上基板(1)和下基板(2)之间夹有液晶层，上下基板内表面上的ITO层被刻蚀成二维阵列的菲涅耳环状波带电极(3)，上下基板上的菲涅耳环状波带电极(3)图形镜像对称配置，每一对上下镜像对称的菲涅耳环状波带电极和其间的液晶层构成连续变焦菲涅耳透镜；在上基板(1)上，同一行或列上的所有菲涅耳环状波带电极(3)被上基板公共电极(4)所连接，在下基板(2)上，同一列或行上的所有菲涅耳波带电极(3)被下基板公共电极(6)所连接；上基板公共电极(4)和下基板公共电极(6)互相垂直，形成x向和y向的交叉寻址矩阵系统。

2、根据权利要求1所述的连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件，其特征是所述的液晶层是掺有手性剂的扭曲向列相液晶材料。

3、根据权利要求2所述的连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件，其特征是液晶呈180°扭曲旋转排列，其螺旋轴在基板表面法线方向。

4、根据权利要求3所述的连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件，其特征是液晶的各向异性折射率差值Δn为0.2～0.3，上基板(1)和下基板(2)之间的等厚间隙为4～6μm。

5、根据权利要求3所述的连续变焦菲涅耳微透镜阵列器件，其特征是用电场调制液晶的折射率，透镜的焦距在0.5f～2f范围内连续变化。

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