CN114967206A - 一种光学器件、光学器件的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学器件、光学器件的制备方法及其应用。光学器件包括相对设置的第一基板、第二基板及位于第一基板和第二基板之间的液晶与聚合物混合层；液晶分子自组装形成环面焦锥畴阵列；液晶与聚合物混合层形成聚合物稳定的液晶微透镜阵列。本发明将功能性聚合物网络引入到近晶相中，使得形成的环面焦锥畴微透镜阵列可以稳定存在于整个向列相温度范围内，结合向列相液晶对外场的良好响应性，可实现其焦距的灵活调节与开关切换功能，克服了近晶相下不可电调的特性。本发明公开的聚合物稳定液晶微透镜阵列基于自组装方式形成，相比于现有其他技术，其制备工艺简单，简化了液晶微透镜阵列的制作流程，同时大大降低了微透镜器件成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种光学器件、光学器件的制备方法及其应用。
背景技术
与电子学的发展类似，光子学正朝着小型化和集成化的方向发展，以实现功能的进一步增强。
其中，微透镜阵列是一种由微米至毫米量级通光孔径及浮雕深度的透镜所组成的阵列化光学元件，具有体积小、重量轻和集成化等优点，在集成光学中发挥着重要作用。动态可调谐微透镜阵列是一个典型的例子，通常对外界刺激有较好的响应，因此它的焦距和偏振可以灵活调节。人们提出了各种方法来制造这种微透镜阵列，包括液滴的电润湿，聚合物材料的机械驱动和响应性水凝胶。然而，这些方法并非没有缺点，因为它们需要昂贵的设备和多个耗时的制造步骤。近年来，由液晶通过自组装方式制成的微透镜阵列已经引起了越来越多的关注，由于其工艺简单、成本低，并为大面积图案化的实现提供了可能性，已被广泛应用于图像处理、波前校正和可切换2D/3D显示。其中，由近晶A相发展而来的环曲面焦锥畴因其易于自组装、能够产生液晶微透镜阵列以及良好的成像性能，已成为设计液晶微透镜阵列的潜在候选材料。然而，由于近晶相液晶高度有序的分子排列，使得它们具有强大的分子间相互作用和恒定的液晶层间距，这也赋予了环曲面焦锥畴结构外场不可逆性，并进一步阻止其焦距的动态可调性。
发明内容
本发明提供了一种光学器件、光学器件的制备方法及其应用，该光学器件可以克服近晶相环曲面焦锥畴制成的微透镜阵列本身不可调谐性的不足，实现焦距能够大范围电控调谐的液晶微透镜阵列。
根据本发明的一方面，提供了一种光学器件，包括：
相对设置的第一基板、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与聚合物混合层，所述液晶与聚合物混合层包括液晶分子和聚合物分子；
所述第一基板的一侧设置有第一电极层，所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第一取向层用于使相邻的液晶分子垂直于所述第一取向层表面排布；
所述第二基板的一侧设置有第二电极层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设置有第二取向层，所述第二取向层包括预设的平面排布的取向图案，所述取向图案用于使相邻的液晶分子具有与所述取向图案一致的排布方式；
在所述第一取向层和所述第二取向层的共同作用下，所述液晶与聚合物混合层中的液晶分子自组装形成环面焦锥畴阵列；
所述液晶与聚合物混合层形成聚合物稳定的液晶微透镜阵列。
可选的，所述第一电极层位于所述第一基板远离所述第二基板的一侧或所述第一基板和所述第一取向层之间；
所述第二电极层位于所述第二基板远离所述第一基板的一侧或所述第二基板和所述第二取向层之间。
可选的，所述液晶与聚合物混合层包括具有近晶相和向列相的液晶材料、聚合物单体和光引发剂。
可选的，所述液晶与聚合物混合层还包括向列相的液晶材料。
可选的，所述取向图案包括多个阵列排布的方形控制图形；
所述方形控制图形的分子指向矢由中心到边界呈径向放射状分布，所述方形控制图形的中心为+1拓扑奇点，相邻四个所述方形控制图形的交界点处形成-1拓扑奇点，所述方形控制图形的分子呈双曲线形分布。
可选的，所述方形控制图形的边长范围为20μm～60μm。
可选的，所述液晶与聚合物混合层的厚度范围为8.5μm～15.3μm。
可选的，所述聚合物分子聚合形成聚合物网络。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学器件的制备方法，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板的一侧形成第一电极层，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向层，在所述第二基板的一侧形成第二电极层，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向层；
将所述第一基板与所述第二基板封装；
向所述第一基板和所述第二基板之间灌入各向同性相下的液晶与聚合物混合层，通过多步温控处理，得到环面焦锥畴微透镜阵列；
其中，所述第一取向层用于使相邻的液晶分子垂直于所述第一取向层表面排布，所述第二取向层包括预设的平面排布的取向图案，所述取向图案用于使相邻的液晶分子具有与所述取向图案一致的排布方式。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于上述的光学器件的应用，当第一电极层和第二电极层之间加载不同的电压时，液晶分子的排布会发生变化，进而改变聚合物稳定的液晶微透镜阵列中微透镜的尺寸大小，实现液晶微透镜阵列的焦距调控和开关切换功能。
本发明实施例的技术方案，通过控制底部第二取向层中的取向图案从而得到不同的液晶分子排布，再结合顶部第一取向层对液晶分子的垂直取向作用，使得在第一取向层与第二取向层之间的液晶与聚合物混合层中的液晶分子按照底部取向图案的诱导从而形成规整的具有光会聚效果的环面焦锥畴结构阵列。通过聚合物分子的聚合，从而形成稳定的聚合物网络，聚合物网络的存在会对邻近的液晶分子起到锚定限制作用，使得环面焦锥畴中的指向矢分布得以稳定保持。结合向列相液晶良好的外场响应性，利用顶部第一电极层和底部第二电极层间产生的电场对液晶分子的驱动作用，环面焦锥畴结构的大小和厚度可产生变化，进而使得最终获得的液晶微透镜阵列元件具有焦距可电控调谐的特点，实现焦距进行大范围电控调谐。与现有技术相比，本发明实施例通过将功能性聚合物网络引入到近晶相液晶中，通过聚合形成稳定的环面焦锥畴微透镜阵列，使其可以稳定存在于整个向列相温度范围内。结合向列相液晶对外场的良好响应性，在外加电场的作用下可实现其焦距的灵活调节与开关切换功能，克服了近晶相下不可电调的特性；聚合物稳定液晶微透镜阵列基于自组装方式形成，相比于现有其他技术，其制备工艺简单，简化了液晶微透镜阵列的制作流程，同时大大降低了微透镜器件成本。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光学器件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种第二取向层的取向图案的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种聚合物稳定液晶微透镜阵列的正交偏光显微镜结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于光学显微系统所搭建的对于聚合物稳定液晶微透镜阵列成像性能表征的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种聚合物稳定液晶微透镜阵列单元焦距与透镜阵列单元直径以及液晶与聚合物混合层厚度的关系示意图；
图6为本发明实施例提供的一种UV光聚合过程的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种聚合物稳定液晶微透镜阵列在温度变化过程中的正交偏光显微图(上行)和相应的成像性能表征(下行)示意图；
图8为本发明实施例提供的掺有不同向列相液晶5CB浓度下液晶与聚合物混合材料的相变示意图；
图9为本发明实施例提供的室温下聚合物稳定液晶微透镜阵列在不同电场强度驱动下的指向矢结构示意图(上行)、正交偏光显微镜图(左下行)和相应的成像性能表征(右下行)示意图；
图10为本发明实施例提供的室温下聚合物稳定液晶微透镜阵列单元焦距的调谐范围与透镜阵列单元直径以及液晶与聚合物混合层厚度的关系示意图；
图11为本发明实施例提供的一种形成取向图案的掩膜版图案变化示意图
图12为本发明实施例提供的一种光学器件的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例提供的一种光学器件的结构示意图。参考图1，该光学器件包括相对设置的第一基板1、第二基板8以及位于第一基板1和第二基板8之间的液晶与聚合物混合层11，液晶与聚合物混合层11包括液晶分子4和聚合物分子5；第一基板1的一侧设置有第一电极层2，第一基板1靠近第二基板8的一侧设置有第一取向层3，第一取向层3用于使相邻的液晶分子4垂直于第一取向层3表面排布；第二基板8的一侧设置有第二电极层7，第二基板8靠近第一基板1的一侧设置有第二取向层6，第二取向层6包括预设的平面排布的取向图案，取向图案用于使相邻的液晶分子4具有与取向图案一致的排布方式；在第一取向层3和第二取向层6的共同作用下，液晶与聚合物混合层11中的液晶分子自组装形成环面焦锥畴阵列；液晶与聚合物混合层11形成聚合物稳定的液晶微透镜阵列。
其中，第一基板1和第二基板8可采用光透过率较高(例如大于或等于85％)的柔性基板或刚性基板。示例性的，第一基板1和第二基板8材料可包括石英玻璃或普通玻璃。第一电极层2和第二电极层7为透明电极，例如用氧化铟锡ITO形成的电极。图1中示出的第一电极层2和第二电极层7的位置仅是示意性的，在其他实施例中，可选的，第一电极层2可以位于第一基板1远离第二基板8的一侧或第一基板1和第一取向层3之间；第二电极层7可以位于第二基板8远离第一基板1的一侧或第二基板8和第二取向层6之间，具体实施时可以根据实际情况选择。在具体实施时，还可以在第一基板1和第二基板8的边缘位置设置间隔粒子(图1中未示出)支撑，从而控制液晶与聚合物混合层11的厚度，在本实施例中，可选的，液晶与聚合物混合层的厚度范围为8.5μm～15.3μm。第一取向层3为垂直取向层，用于使液晶分子垂直于第一取向层3表面排布。第二取向层6为平行取向层，第二取向层6写入具有特定液晶分子排布的取向图案，可以通过摩擦取向或光控取向等方式获得。第二取向层6对液晶与聚合物混合层11中的液晶分子4有面内平行锚定作用，从而使得与其邻近的液晶分子4的排布方式与第二取向层6的取向图案一致。第一取向层3对液晶与聚合物混合层11中的液晶分子4有垂直锚定作用，从而使得与其邻近液晶分子4垂直于第一取向层3排列。在第一取向层3与第二取向层6对液晶与聚合物混合层11中的液晶分子4的共同锚定作用会诱导液晶分子4自组装形成设定分布的环面焦锥畴微透镜阵列。环面焦锥畴结构具有完美的旋转不变性以及自发的由中心至边缘的渐变指向矢分布所引起的梯度折射率变化使其具有变折射率微透镜的功能，能对一侧入射的光束产生光会聚的效果。
可选的，聚合物分子5聚合形成聚合物网络。
当环面焦锥畴结构阵列形成后，利用紫外(UV)光聚合，从而形成聚合稳定的环面焦锥畴微透镜阵列。聚合物网络的存在会对邻近的液晶分子起到锚定限制作用，使得环面焦锥畴中的指向矢分布得以稳定保持。在此情况下，环面焦锥畴微透镜阵列稳定存在于整个向列相温度范围内。将环面焦锥畴微透镜阵列控制在向列相温度范围内，结合向列相液晶良好的外场响应性，本发明实施例以电场控制为例。通过对顶部第一电极层2与底部第二电极层7施加电压，产生电场力作用，使得液晶与聚合物混合层11中的液晶分子4在电场力的作用下发生重新排布，导致结构发生变化，从而对微透镜阵列单元的光会聚能力产生调制。
本发明实施例的技术方案，通过控制底部第二取向层中的取向图案从而得到不同的液晶分子排布，再结合顶部第一取向层对液晶分子的垂直取向作用，使得在第一取向层与第二取向层之间的液晶与聚合物混合层中的液晶分子按照底部取向图案的诱导从而形成规整的具有光会聚效果的环面焦锥畴结构阵列。通过聚合物分子的聚合，从而形成稳定的聚合物网络，聚合物网络的存在会对邻近的液晶分子起到锚定限制作用，使得环面焦锥畴中的指向矢分布得以稳定保持。结合向列相液晶良好的外场响应性，利用顶部第一电极层和底部第二电极层间产生的电场对液晶分子的驱动作用，环面焦锥畴结构的大小和厚度可产生变化，进而使得最终获得的液晶微透镜阵列元件具有焦距可电控调谐的特点，实现焦距进行大范围电控调谐。与现有技术相比，本发明实施例通过将功能性聚合物网络引入到近晶相液晶中，通过聚合形成稳定的环面焦锥畴微透镜阵列，使其可以稳定存在于整个向列相温度范围内。结合向列相液晶对外场的良好响应性，在外加电场的作用下可实现其焦距的灵活调节与开关切换功能，克服了近晶相下不可电调的特性；聚合物稳定液晶微透镜阵列基于自组装方式形成，相比于现有其他技术，其制备工艺简单，简化了液晶微透镜阵列的制作流程，同时大大降低了微透镜器件成本。
可选的，液晶与聚合物混合层11包括具有近晶相和向列相的液晶材料、聚合物单体和光引发剂。
示例性的，近晶相和向列相的液晶材料可以为8CB，聚合物单体可以为RM257。采用液晶、聚合物单体和光引发剂按一定比例混合而成的混合材料，对抗性的边界锚定条件，体现在本发明实施例中是第一取向层对液晶分子的垂直取向作用以及第二取向层对液晶分子的平行取向效果；当环面焦锥畴结构阵列形成后，利用UV LED进行光聚合，从而形成聚合稳定的环面焦锥畴微透镜阵列。在此情况下，将液晶升温到向列相，环面焦锥畴结构可以得到很好的保持，从而使得环面焦锥畴微透镜阵列稳定存在于整个向列相温度范围内。
控制聚合稳定后的环面焦锥畴微透镜阵列处于向列相，第一基板1与第二基板8两侧的透明电极层在加电的情况下会对液晶分子产生垂直于层面的电场作用，从而改变液晶与聚合物混合层11中液晶分子4的排列方式，使其趋向于沿着电场方向排列，进而改变环面焦锥畴微透镜阵列的最终结构。当不存在外加电场时，液晶分子4受到由于形变所产生的体弹性力，以及第一取向层3和第二取向层6所施加的锚定力；当加电场后，除了上述的弹性力和锚定力之外，液晶分子4还会受到电场作用力。通过改变所施加电压的大小，相应产生的电场作用力的大小也会不同，从而使得液晶分子结构发生变化，导致聚合稳定的环面焦锥畴微透镜阵列的焦距具有电控调谐性。
可选的，液晶与聚合物混合层11还包括向列相的液晶材料。
其中，向列相的液晶材料可以为5CB。8CB材料既包括近晶相又包括向列相，通过提高温度可以控制液晶全部处于向列相。通过优化液晶与聚合物混合材料中液晶的组成成分，实现室温下可以直接电控调谐的聚合物稳定液晶微透镜阵列。
图2为本发明实施例提供的一种第二取向层的取向图案的示意图。参考图2，可选的，取向图案包括多个阵列排布的方形控制图形；方形控制图形的分子指向矢由中心到边界呈径向放射状分布，方形控制图形的中心为+1拓扑奇点9，相邻四个方形控制图形的交界点处形成-1拓扑奇点10，方形控制图形的分子呈双曲线形分布。
可以理解的是，第二取向层的取向图案由单个方形控制图形分别沿行、列方向周期性紧密排布而成。其中，可选的，方形控制图形的边长为l，20μm≤l≤60μm。对于单个方形控制图形，其液晶指向矢由中心到边界呈径向放射状分布。单个方形控制图形的中心为+1拓扑奇点9，即，绕着奇点中心顺时针沿角向旋转一圈，路径上液晶分子同样顺时针旋转360°。相邻四个方形控制图形的交界点处形成-1拓扑奇点10，即，绕着奇点中心顺时针沿角向旋转一圈，路径上液晶分子产生逆时针旋转360°，其分子呈双曲线形分布。在边界锚定能与液晶体弹性能的共同作用下，液晶膜内的液晶分子以第二取向层上的+1拓扑奇点9为中心、以方形控制图形的边界为边界自发进行成核组装，形成沿行、列方向上周期性排布的环面焦锥畴微透镜阵列。
图3为本发明实施例提供的一种聚合物稳定液晶微透镜阵列的正交偏光显微镜结构示意图。参考图3，当液晶与聚合物混合层厚度为8.5μm，方形控制图形的边长l＝30μm的情况下，诱导产生的液晶环面焦锥畴微透镜会严格按照取向图案中方形控制图形的周期性进行阵列排布，且环面焦锥畴微透镜的直径与l一致。该液晶环面焦锥畴微透镜阵列单元的焦距为85μm。
图4为本发明实施例提供的一种基于光学显微系统所搭建的对于聚合物稳定液晶微透镜阵列成像性能表征的示意图。参考图4，目标物为一宽度为9.5mm的的“E”字形物体，设置于液晶微透镜阵列一侧11cm处，由于此时物距远大于液晶环面焦锥畴透镜阵列单元的焦距，故可视为近似无穷远处光平行入射成像。因此，像平面探测位置设置于液晶微透镜阵列单元远离目标物一侧的焦平面处。通过移动像平面探测位置，当位于环面焦锥畴透镜对应焦平面处时会呈现出清晰的“E”字形实像。对于液晶环面焦锥畴透镜阵列，通过精确控制其像平面探测位置，计算其移动量，就可得到其对应的焦距及变化量。
图5为本发明实施例提供的一种聚合物稳定液晶微透镜阵列单元焦距与透镜阵列单元直径以及液晶与聚合物混合层厚度的关系示意图。参考图5，控制液晶与聚合物混合层厚度分别为8.5μm、12.6μm和15.3μm，当方形控制图形的边长l由20μm连续变化至60μm时，对应诱导产生的液晶环面焦锥畴微透镜单元的焦距变化分别为43μm连续增大至315μm，70μm连续增大至425μm和125μm连续增大至516μm。本发明实施例中液晶与聚合物混合层厚度为8.5μm～15.3μm。该液晶与聚合物混合层厚度范围能够确保环面焦锥畴阵列稳定产生，避免在生长过程中因层厚过小而转化为油纹结构。
图6为本发明实施例提供的一种UV光聚合过程的示意图。参考图6，当环面焦锥畴微透镜阵列形成后，将其暴露于UV LED下5分钟使得液晶与聚合物混合层中的聚合物分子得以聚合，从而形成聚合物网络。聚合物网络的存在会对邻近的液晶分子起到锚定限制作用，使得环面焦锥畴中的液晶指向矢分布得以稳定保持。
图7为本发明实施例提供的一种聚合物稳定液晶微透镜阵列在温度变化过程中的正交偏光显微图(上行)和相应的成像性能表征(下行)示意图。参考图7，对于所得到的聚合稳定环面焦锥畴微透镜阵列，聚合物网络的存在会对液晶分子产生限制作用，使得环面焦锥畴指向矢结构得以稳定保持。在此情况下，将其由近晶相升温到向列相(22.0℃～40.2℃)。通过正交偏光显微图，可以看到环面焦锥畴结构在整个向列相温度范围内得到了很好的保持，其相对应的成像性能依然存在。当继续升温到各向同性相(40.5℃)，此时环面焦锥畴结构消失，对应的成像性能也会消失，但聚合物网络仍然存在。当由各向同性相降温到近晶相(40.5℃～22.0℃)，环面焦锥畴结构又会出现在原来的位置，对应的成像性能也会再次出现。经过反复多次的升降温处理，环面焦锥畴结构基本不会发生变化。
图8为本发明实施例提供的掺有不同向列相液晶5CB浓度下液晶与聚合物混合材料的相变示意图。参考图8，通过改变液晶与聚合物混合层中液晶的组成成分，由纯8CB变为8CB与5CB的混合物。随着5CB掺杂量的增加(0％～20％)，对于液晶与聚合物的混合材料，其近晶相到向列相的相转变点不断降低(30.9℃～12.8℃)，而向列相到各向同性相的相转变点(清亮点)几乎保持不变(40.2℃～38.5℃)。该掺杂浓度范围能够确保环面焦锥畴结构的生长基本不产生影响且聚合物网络能够稳定生成。当5CB掺杂量超过10％时，液晶与聚合物的混合材料可以在室温下(图中黑色点划线代表的温度)保持向列相。
图9为本发明实施例提供的室温下聚合物稳定液晶微透镜阵列在不同电场强度驱动下的指向矢结构示意图(上行)、正交偏光显微镜图(左下行)和相应的成像性能表征(右下行)示意图。参考图9，由于近晶相液晶存在强烈的分子间相互作用力以及恒定的层间距限制，导致环面焦锥畴结构对外界刺激不敏感，因此具有电压不可逆性，并进一步阻止其焦距的动态可调性。而向列相液晶具有良好的外场响应性，可以轻易实现电可逆调谐。基于上述考虑，实验选用5CB掺杂量为10％的液晶与聚合物混合材料。当环面焦锥畴微透镜阵列形成并被聚合稳定后，室温下处于向列相且由于聚合物网络的存在会对液晶分子产生限制作用，使得环面焦锥畴结构得以稳定保持，相应的成像性能基本不变。结合向列相液晶良好的外场响应性，此时对第一电极层与第二电极层施加电压。随着电场强度由0V/μm增大至8.8V/μm，靠近第一取向层附近和环面焦锥畴外围的液晶分子逐渐沿着电场方向排列，即垂直于第一取向层表面，导致环面焦锥畴结构的有效厚度和尺寸逐渐减小。从而导致焦锥畴透镜单元的尺寸不断减小，直至焦锥畴透镜单元完全消失，相对应的其成像图像也会发生变化。
图10为本发明实施例提供的室温下聚合物稳定液晶微透镜阵列单元焦距的调谐范围与透镜阵列单元直径以及液晶与聚合物混合层厚度的关系示意图。参考图10，室温下在施加不同电场强度的过程中，控制聚合稳定环面焦锥畴微透镜阵列的单元尺寸由20μm连续增大至60μm，以及液晶与聚合物混合层厚度由8.5μm连续增大到15.3μm，其焦距的调谐范围可实现41μm～850μm。
图11为本发明实施例提供的一种形成取向图案的掩膜版图案变化示意图。参考图11，对第二取向层进行取向处理，以形成具有特定液晶分子平面排布的取向图案。共36个掩膜版，每个掩膜版中黑色区域为不曝光区域，白色区域为曝光区域。选用第一个掩膜版，设置诱导光的偏振方向为90°，此处所说的偏振方向为90°指的是，将行方向逆时针旋转90°所对应的方向，进行第一次曝光；选用第二个掩膜版，设置诱导光的偏振方向为95°，进行第二次曝光；然后，按照箭头所示方向依次选用掩膜版，每更换一次掩膜版则设置诱导光的偏振方向增加5°，直至选用第三十六张掩膜版，设置诱导光的偏振方向为265°，进行第三十六次曝光。掩膜版对取向膜进行上述取向处理之后，第二取向层具有由方形控制图形周期性沿行、列方向排布而成的取向图案，其中单个方形控制图形中液晶指向矢由中心到边界呈径向放射状分布，与第一取向层共同作用使得液晶与聚合物混合层中的液晶分子自组装形成液晶环面焦锥畴微透镜阵列。本领域技术人员可根据实际情况选用掩膜版的图案以及曝光次数，只要能够使取向膜中单个方形控制图形的液晶指向矢呈放射状分布即可。
图12为本发明实施例提供的一种光学器件的制备方法的流程示意图，本发明实施例提供的光学器件的制备方法用于制备上述实施例提供的任意一种光学器件，参考图12，该制备方法包括：
S110、提供第一基板和第二基板。
其中，第一基板、第二基板为光透过率大于或等于85％的柔性基板或刚性基板，例如可选为石英玻璃或普通玻璃。
S120、在第一基板的一侧形成第一电极层，在第一基板靠近第二基板的一侧形成第一取向层，在第二基板的一侧形成第二电极层，在第二基板靠近第一基板的一侧形成第二取向层。
其中，第一电极层可以位于第一基板远离第二基板的一侧或第一基板和第一取向层之间；第二电极层可以位于第二基板远离第一基板的一侧或第二基板和第二取向层之间，具体实施时可以根据实际情况选择。第一取向层为聚二甲基硅氧烷薄膜。在旋涂第一取向层之前，为增加其与第一基板的浸润性和粘附性，依次用丙酮、酒精混合试剂、超纯水进行超声清洗，烘干后，进行UVO(紫外臭氧)清洗。进一步地，第二取向层为光控取向膜，光控取向膜由光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的一种或多种制得，例如包括酸性偶氮染料4,4’-二(4-羟基-3-羧基-苯偶氮基)联苯胺-2,2’-二磺酸。为增加其与第二基板的浸润性和粘附性，依次用丙酮、酒精混合试剂、超纯水进行超声清洗，烘干后，进行UVO清洗。
S130、将第一基板与第二基板封装。
在封装第一基板和第二基板时，还可以在第一基板和第二基板之间设置间隔粒子，间隔粒子可以为二氧化硅小球。为避免二氧化硅小球落入液晶盒中心区域而影响环面焦锥畴结构组装，将二氧化硅小球混入紫外光固胶中，并少量涂覆于基板内侧边缘，将第一基板与第二基板相对设置封装后，采用紫外光照射光固胶涂覆区，以实现固化。
S140、向第一基板和第二基板之间灌入各向同性相下的液晶与聚合物混合层，通过多步温控处理，得到环面焦锥畴微透镜阵列。
其中，第一取向层用于使相邻的液晶分子垂直于第一取向层表面排布，第二取向层包括预设的平面排布的取向图案，取向图案用于使相邻的液晶分子具有与取向图案一致的排布方式。
本发明实施例还提供一种基于上述的光学器件的应用，当第一电极层和第二电极层之间加载不同的电压时，液晶分子的排布会发生变化，进而改变聚合物稳定的液晶微透镜阵列中微透镜的尺寸大小，实现液晶微透镜阵列的焦距调控和开关切换功能。其中，开关切换功能指的是当施加的电压较高时，光学器件的液晶功能消失。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学器件，其特征在于，包括：
相对设置的第一基板、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与聚合物混合层，所述液晶与聚合物混合层包括液晶分子和聚合物分子；
所述第一基板的一侧设置有第一电极层，所述第一基板靠近所述第二基板的一侧设置有第一取向层，所述第一取向层用于使相邻的液晶分子垂直于所述第一取向层表面排布；
所述第二基板的一侧设置有第二电极层，所述第二基板靠近所述第一基板的一侧设置有第二取向层，所述第二取向层包括预设的平面排布的取向图案，所述取向图案用于使相邻的液晶分子具有与所述取向图案一致的排布方式；
在所述第一取向层和所述第二取向层的共同作用下，所述液晶与聚合物混合层中的液晶分子自组装形成环面焦锥畴阵列；
所述液晶与聚合物混合层形成聚合物稳定的液晶微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第一电极层位于所述第一基板远离所述第二基板的一侧或所述第一基板和所述第一取向层之间；
所述第二电极层位于所述第二基板远离所述第一基板的一侧或所述第二基板和所述第二取向层之间。
3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述液晶与聚合物混合层包括具有近晶相和向列相的液晶材料、聚合物单体和光引发剂。
4.根据权利要求3所述的光学器件，其特征在于，所述液晶与聚合物混合层还包括向列相的液晶材料。
5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述取向图案包括多个阵列排布的方形控制图形；
所述方形控制图形的分子指向矢由中心到边界呈径向放射状分布，所述方形控制图形的中心为+1拓扑奇点，相邻四个所述方形控制图形的交界点处形成-1拓扑奇点，所述方形控制图形的分子呈双曲线形分布。
6.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述方形控制图形的边长范围为20μm～60μm。
7.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述液晶与聚合物混合层的厚度范围为8.5μm～15.3μm。
8.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述聚合物分子聚合形成聚合物网络。
9.一种光学器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板的一侧形成第一电极层，在所述第一基板靠近所述第二基板的一侧形成第一取向层，在所述第二基板的一侧形成第二电极层，在所述第二基板靠近所述第一基板的一侧形成第二取向层；
将所述第一基板与所述第二基板封装；
向所述第一基板和所述第二基板之间灌入各向同性相下的液晶与聚合物混合层，通过多步温控处理，得到环面焦锥畴微透镜阵列；
其中，所述第一取向层用于使相邻的液晶分子垂直于所述第一取向层表面排布，所述第二取向层包括预设的平面排布的取向图案，所述取向图案用于使相邻的液晶分子具有与所述取向图案一致的排布方式。
10.一种基于权利要求1～8任一所述的光学器件的应用，其特征在于，当第一电极层和第二电极层之间加载不同的电压时，液晶分子的排布会发生变化，进而改变聚合物稳定的液晶微透镜阵列中微透镜的尺寸大小，实现液晶微透镜阵列的焦距调控和开关切换功能。
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