CN114296266B - 可电控调焦的折射型液晶光剑器件及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件及工作方法，包括：第一玻璃基板、图案电极、高阻抗膜、第一取向层、第二取向层、平板电极层、第二玻璃基板，液晶层和间隔子；液晶光剑器件的图案电极包括中心圆盘电极A、环形电极B、引脚D和引脚E、引脚C，高阻抗膜处于圆盘电极A和环形电极B之间；本发明的折射型液晶光剑器件光焦度连续变化，色散相对不明显，工艺简单，成本较低，体积小并且可以电控调焦。通过调节图案电极的电压，可以得到不同的光焦度变化范围，即不同的景深大小；也可以通过调节电压，切换光剑器件的正、负透镜效果；此外，如果对环形电极两端施加相同电压，可以得到单一光焦度的液晶透镜，此时景深最小。

Description

可电控调焦的折射型液晶光剑器件及工作方法
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件及工作方法。
背景技术
光学系统的景深是指在保证像平面能获得清晰像时，物体在物方空间的前后移动的最大距离。传统的成像系统景深比较小，物体一旦离焦，图像将迅速模糊。光剑器件是一种能增大景深的光学元件，当单色平面波照射在光剑器件上时，以器件中心为原点，不同方位角的光焦度是不同的，将会在光剑后形成一段焦线，在焦线范围内所成的像不会因离焦量的增大而迅速模糊，从而达到增大景深的目的。
大景深的光学成像系统有如下几个优点：其一，大景深可以拥有更大的成像空间；其二，不需要进行机械调焦；其三，可以更方便地进行三维显示。因此，利用光剑器件增大成像系统的景深意义深远，可以用于扩展景深成像，深度测量，眼疾矫正等领域。
目前提出的光剑器件大多为衍射型器件，通过对光刻胶不均匀曝光，形成不连续的阶梯状的非对称相位分布。虽然可以进行大景深成像，但是该方法依靠精密微加工和注塑技术，有着工艺复杂、成本较高、色散严重且无法电控调焦的缺点，难以应用在眼疾矫正、扩展景深成像等领域。
液晶透镜是利用液晶材料各向异性的特点，在外加电场或磁场的作用下，液晶分子的指向会随所在电场或磁场发生摆动。不同位置液晶分子的摆动角度的不同会造成折射率的不同，形成梯度折射率透镜，从而会聚或者发散入射光。此外，液晶透镜可以通过调节驱动电压调节液晶透镜的光学性质，被认为是替代或简化笨重的传统光学器件的潜在候选者，其优点是具有可电控调焦，体积小，重量轻，成本低，功耗低等优点。本发明将利用液晶材料来制备折射型光剑器件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，以解决现有光剑器件工艺复杂、成本较高、色散严重且无法电控调焦的问题。
为实现上述发明目的，本发明具体技术方案如下：
一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，包括：第一玻璃基板1、第一玻璃基板1下方的图案电极2和高阻抗膜3、第一取向层4、第一取向层4下方的第二取向层6、第二取向层6下方的平板电极层7、平板电极层7下方的第二玻璃基板8，第一取向层4覆盖第一玻璃基板1、图案电极2和高阻抗膜3的下表面，第一取向层4和第二取向层6之间设有液晶层5和间隔子9，间隔子9位于液晶层5的外侧，所述的第一取向层4和第二取向层6取向方向反向平行；
所述液晶光剑器件的图案电极2包括中心圆盘电极A、与中心圆盘电极A同心的环形电极B、环形电极B的引脚D和引脚E、中心圆盘电极A的引脚C，中心圆盘电极A、环形电极B的材料为导电材料，平板电极层7的材料为透明导电材料；高阻抗膜3处于圆盘电极A和环形电极B之间。
作为优选方式，平板电极层7用作接地电极，图案电极2施加三种相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶分子偏转，在图案电极2和高阻抗膜3正下方区域形成光剑透镜器件的工作区。
作为优选方式，高阻抗膜3的方阻大于105Ω/□。
作为优选方式，第一取向层4和第二取向层6为涂覆的聚酰亚胺薄膜、或倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜。
作为优选方式，所述导电材料为氧化铟锡ITO、铝、金、铬，所述透明导电材料为氧化铟锡ITO。
作为优选方式，高阻抗膜3选用铝掺杂氧化锌薄膜AZO。
作为优选方式，图案电极2和平板电极层7为厚度100-500nm的透明导电薄膜。
作为优选方式，第一玻璃基板1和第二玻璃基板8厚度相同，都为0.4mm的玻璃基板。
本发明还提供一种所述的可电控调焦的折射型液晶光剑器件的工作方法，在环形电极B两端的引脚D和E施加不同幅值的驱动电压，在环形电极B上得到连续的线性电压压降，对中心圆盘电极A的引脚C施加固定的电压，从而环形电极B上的各部分与中心圆盘电极A的电势差，将随着环形电极B包围的圆形区域径向角度的变化而连续变化，电场强度也将随之连续变化，因而，得到随所述径向角度连续变化的光焦度，达到光剑器件的效果。
作为优选方式，所述工作方法进一步为：
图案电极2中的引脚D、引脚C、引脚E，在未施加驱动电压的情况下，液晶层5的液晶分子指向矢方向与其所靠近的取向层的取向方向相同，没有透镜效果；当施加驱动电压时，给电极引脚D、引脚C、引脚E分别接V1、V2、V3，驱动电压V1、V3用于在环形电极B上形成均匀的电压压降，驱动电压V2接中心圆盘电极A，中心圆盘电极A与环形电极B之间有高阻抗膜3，使得环形电极B上的各部分与中心圆盘电极A的电势差不同，且连续增大或减小，得到本发明所需的非对称不均匀的电场，液晶分子的指向矢受电场作用发生变化，达到光焦度连续变化的效果。
与现有技术相比，本发明的折射型液晶光剑器件光焦度连续变化，色散相对不明显，工艺简单，成本较低，体积小并且可以电控调焦。通过调节图案电极的电压，可以得到不同的光焦度变化范围，即不同的景深大小；也可以通过调节电压，切换光剑器件的正、负透镜效果；此外，如果对环形电极两端施加相同电压，可以得到单一光焦度的液晶透镜，此时景深最小。
附图说明
图1为本发明的折射型液晶光剑器件的整体结构剖面图。
图2为本发明的图案电极与高阻抗膜的剖面俯视图。
图3为用comsol仿真得到的本发明正光焦度的图案电极与高阻抗膜的电势分布。
图4为用comsol仿真得到的本发明负光焦度的图案电极与高阻抗膜的电势分布。
图5为本发明液晶光剑器件正光焦度的干涉图。
图6为本发明液晶光剑器件负光焦度的干涉图。
1为第一玻璃基板、2为图案电极、3为高阻抗膜、4为第一取向层、5为液晶层、6为第二取向层、7为平板电极层、8为第二玻璃基板、9为间隔子。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，包括：第一玻璃基板1、第一玻璃基板1下方的图案电极2和高阻抗膜3、第一取向层4、第一取向层4下方的第二取向层6、第二取向层6下方的平板电极层7、平板电极层7下方的第二玻璃基板8，第一取向层4覆盖第一玻璃基板1、图案电极2和高阻抗膜3的下表面，第一取向层4和第二取向层6之间设有液晶层5和间隔子9，间隔子9位于液晶层5的外侧，所述的第一取向层4和第二取向层6取向方向反向平行；
所述液晶光剑器件的图案电极2包括中心圆盘电极A、与中心圆盘电极A同心的环形电极B、环形电极B的引脚D和引脚E、中心圆盘电极A的引脚C，中心圆盘电极A、环形电极B的材料为导电材料，平板电极层7的材料为透明导电材料；高阻抗膜3处于圆盘电极A和环形电极B之间。
平板电极层7用作接地电极，图案电极2施加三种相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶分子偏转，在图案电极2和高阻抗膜3正下方区域形成光剑透镜器件的工作区。
高阻抗膜3的方阻大于105Ω/□。
第一取向层4和第二取向层6为涂覆的聚酰亚胺薄膜、或倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜。
所述导电材料为氧化铟锡ITO、铝、金、铬，所述透明导电材料为氧化铟锡ITO。
高阻抗膜3选用铝掺杂氧化锌薄膜AZO薄膜，具有高电导率，可见光范围的高透过率；
图案电极2和平板电极层7为厚度100-500nm的透明导电薄膜。
第一玻璃基板1和第二玻璃基板8厚度相同，都为0.4mm的玻璃基板。
液晶层5采用Δn＝0.2左右的液晶即可；液晶层的厚度本发明不作限制。
本实施例还提供一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件的工作方法，在环形电极B两端的引脚D和E施加不同幅值的驱动电压，在环形电极B上得到连续的线性电压压降，对中心圆盘电极A的引脚C施加固定的电压，从而环形电极B上的各部分与中心圆盘电极A的电势差，将随着环形电极B包围的圆形区域径向角度的变化而连续变化，电场强度也将随之连续变化，因而，得到随所述径向角度连续变化的光焦度，达到光剑器件的效果。
图案电极2中的引脚D、引脚C、引脚E，在未施加驱动电压的情况下，液晶层5的液晶分子指向矢方向与其所靠近的取向层的取向方向相同，没有透镜效果；当施加驱动电压时，给电极引脚D、引脚C、引脚E分别接V1、V2、V3，驱动电压V1、V3用于在环形电极B上形成均匀的电压压降，驱动电压V2接中心圆盘电极A，中心圆盘电极A与环形电极B之间有高阻抗膜3，使得环形电极B上的各部分与中心圆盘电极A的电势差不同，且连续增大或减小，得到本发明所需的非对称不均匀的电场，液晶分子的指向矢受电场作用发生变化，达到光焦度连续变化的效果。
为了验证本发明结构，利用comsol对本发明结构进行仿真，当V1＝1V、V2＝0.5V、V3＝1.5V时，得到如图3所示的图案电极与高阻抗膜的电势分布图；当V1＝1V、V2＝1.5V、V3＝0.5V时，得到如图4所示的图案电极与高阻抗膜的电势分布图。结果与液晶光剑器件所需的电势分布相同。
实施例2
根据本发明实施例1的可电控调焦的折射型液晶光剑器件结构，制作了5mm口径的液晶光剑器件，测得的干涉图如图5、6所示，白色圆内为液晶光剑器件的工作区。在本实施例1提供的液晶光剑器件的第一玻璃基板1外侧放置一个偏振片，偏振片的偏光轴与液晶光剑器件的取向方向平行，应用于光焦度以及景深大小可调节的大景深光学成像系统。
为了观察本实施例所制备的液晶光剑器件的工作情况，实验使用457nm激光干涉光路对该器件进行了测试。通过调节图案电极2上的三个电极引脚D、C、E的电压，观察该器件的干涉图：图5为V1＝0.7V、V2＝0.1V、V3＝1V时的情况，此时白色圆内为正光焦度的光剑器件；图6为V1＝1.5V、V2＝3V、V3＝0.5V时的情况，此时白色圆内为负光焦度的光剑器件。由图5、6条纹数不同以及变化量不同，可以验证，调节驱动电压V1、V2和V3，该液晶光剑器件的光焦度大小、焦深即景深大小可以改变，能够应用于光焦度以及景深大小可调节的大景深成像系统。
实施例3
根据本发明实施例1的可电控调焦的折射型液晶光剑器件结构，制作两个结构相同且液晶层5厚度相等的液晶光剑器件，第一个液晶光剑器件的第二玻璃基板8与第二个液晶光剑器件的第一玻璃基板1紧靠在一起，工作区对准，两个液晶光剑器件的取向方向垂直，可以去除偏振片，进行无偏成像，提高器件的透过率，应用于光焦度以及景深大小可调节的大景深光学成像系统。
对两个液晶光剑器件施加相同的电压，产生光剑透镜效果。当自然光进入第一个液晶光剑器件，分为e光和o光，e光被调制，o光不进行调制；进入第二个液晶光剑器件时，被调制的e光变成o光，不再被调制，此前未被调制的o光，变成e光，被调制然后出射，实现了无偏振成像，提高了器件的透过率。使用此方法，可以去除偏振片，而器件的光焦度大小、景深大小仍然可以改变，能够应用于光焦度以及景深大小可调节的大景深成像系统。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于，包括：第一玻璃基板(1)、第一玻璃基板(1)下方的图案电极(2)和高阻抗膜(3)、第一取向层(4)、第一取向层(4)下方的第二取向层(6)、第二取向层(6)下方的平板电极层(7)、平板电极层(7)下方的第二玻璃基板(8)，第一取向层(4)覆盖第一玻璃基板(1)、图案电极(2)和高阻抗膜(3)的下表面，第一取向层(4)和第二取向层(6)之间设有液晶层(5)和间隔子(9)，间隔子(9)位于液晶层(5)的外侧，所述的第一取向层(4)和第二取向层(6)取向方向反向平行；
所述液晶光剑器件的图案电极(2)包括中心圆盘电极A、与中心圆盘电极A同心的环形电极B、环形电极B的引脚D和引脚E、中心圆盘电极A的引脚C，中心圆盘电极A、环形电极B的材料为导电材料，平板电极层(7)的材料为透明导电材料；高阻抗膜(3)处于圆盘电极A和环形电极B之间。
2.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于：平板电极层(7)用作接地电极，图案电极(2)施加三种相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶分子偏转，在图案电极(2)和高阻抗膜(3)正下方区域形成光剑透镜器件的工作区。
3.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于：高阻抗膜(3)的方阻大于105Ω/□。
4.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于：第一取向层(4)和第二取向层(6)为涂覆的聚酰亚胺薄膜、或倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于：所述导电材料为氧化铟锡ITO、铝、金、铬，所述透明导电材料为氧化铟锡ITO。
6.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于：高阻抗膜(3)选用铝掺杂氧化锌薄膜AZO。
7.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于：图案电极(2)和平板电极层(7)为厚度100-500nm的透明导电薄膜。
8.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶光剑器件，其特征在于：第一玻璃基板(1)和第二玻璃基板(8)厚度相同，都为0.4mm的玻璃基板。
9.权利要求1至8任意一项所述的可电控调焦的折射型液晶光剑器件的工作方法，其特征在于：在环形电极B两端的引脚D和E施加不同幅值的驱动电压，在环形电极B上得到连续的线性电压压降，对中心圆盘电极A的引脚C施加固定的电压，从而环形电极B上的各部分与中心圆盘电极A的电势差，将随着环形电极B包围的圆形区域径向角度的变化而连续变化，电场强度也将随之连续变化，得到随所述径向角度连续变化的光焦度，达到光剑器件的效果。
10.根据权利要求9所述的可电控调焦的折射型液晶光剑器件的工作方法，其特征在于：
图案电极(2)中的引脚D、引脚C、引脚E，在未施加驱动电压的情况下，液晶层(5)的液晶分子指向矢方向与其所靠近的取向层的取向方向相同，没有透镜效果；当施加驱动电压时，给电极引脚D、引脚C、引脚E分别接V1、V2、V3，驱动电压V1、V3用于在环形电极B上形成均匀的电压压降，驱动电压V2接中心圆盘电极A，中心圆盘电极A与环形电极B之间有高阻抗膜(3)，使得环形电极B上的各部分与中心圆盘电极A的电势差不同，且连续增大或减小，得到所需的非对称不均匀的电场，液晶分子的指向矢受电场作用发生变化，达到光焦度连续变化的效果。
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