CN117608133A - 可电控调焦的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液晶光剑器件及工作方法，包括从上往下依次设置的第一玻璃基板、第一取向层、液晶层、第二取向层、平板电极层、第二玻璃基板，第一取向层中设有图案电极，图案电极包括第一扇形单元A、第二扇形单元B、和一个同心圆弧单元C，还包括电极引脚G、D、E、F；分别对第一扇形单元A和第二扇形单元B施加相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶层的液晶分子偏转，形成液晶光剑器件。本发明器件光焦度连续变化，色散相对不明显，工艺简单，成本较低，体积小且可以电控调焦。通过调节图案电极的电压，可得到不同的光焦度变化范围，即不同的景深大小；也可通过调节电压，切换光剑器件的正、负透镜效果。
Description
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液晶光剑器件及工作方法。
背景技术
焦深是光学系统的一个重要参量之一，它决定了焦平面和像平面的变化范围。大焦深光学系统因其优越的特性，在许多实际应用重要意义，因此长期以来备受关注。研究者们提出了许多扩展焦深的方法，如光学切趾术，波前编码,轴棱锥，光剑光学元件(LSOE)等。相比于其它光学器件，由于光剑具有屈光度分布不随孔径的大小发生变化的特点，所以具有相对较好的成像稳定性。数值模拟和实验已经从斯特列尔比率、调制传递函数(MTF)和视锐度对LOSE的大焦深成像进行了研究并获得了良好的结果。因为光剑是一种旋转非对称结构，即其屈光度随着旋转方位角连续变化，所以光剑也可用于产生涡旋光束和增强图像边缘的对比度，但是旋转非对称性使得它们的制造极其困难且焦深不能发生变化。
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。本发明设计了一种新型的液晶光剑，相比于传统的光剑制作简单且不依赖高阻膜让电场均匀分布，克服了高阻膜特性不稳定，同时在轴向电场分布为抛物线分布且通过改变施加电压来改变其焦深的大小和屈光度的正负。
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，本发明技术方案如下：
一种可电控调焦的液晶光剑器件，包括从上往下依次设置的第一玻璃基板1、第一取向层2、液晶层8、第二取向层4、平板电极层5、第二玻璃基板6，第一取向层2中设有图案电极7，液晶层8中设有间隔子3；
其中，图案电极7包括第一扇形单元A、第二扇形单元B、和一个同心圆弧单元C，还包括电极引脚G、D、E、F；
第一扇形单元A、第二扇形单元B分别设置于图案电极7中心的左右两侧，各扇形单元分别包括圆弧段71和平直段72，各平直段72构成所在扇形单元和同心圆弧单元C的分界线，各圆弧段71在各扇形区域内同心设置，各扇形区域内各圆弧段71的长度以图案电极中心为圆心沿径向线性增加、且相邻圆弧段71分别用平直段72串联；
同心圆弧单元C包括多个同心圆弧，且所述各同心圆弧两端分别与扇形单元的平直段相接，同心圆弧单元C的每一条同心圆弧分别与A扇形单元、B扇形单元对应的圆弧段在周向上对齐相接；
第一扇形单元A的最外层连接电极引脚D，第一扇形单元A的中心连接电极引脚E；电极引脚D和电极引脚E用于控制第一扇形单元A的电压分布，
第二扇形单元B的最外层连接电极引脚G、第二扇形单元B的中心连接电极引脚F，电极引脚G和电极引脚E用于控制第二扇形单元B的电压分布；
第一取向层2和第二取向层4表面取向方向反向平行；图案电极7和平板电极层5为透明导电薄膜，平板电极层5用作接地电极；间隔子3用于控制液晶层的厚度；
分别对第一扇形单元A和第二扇形单元B施加相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶层8的液晶分子偏转，形成液晶光剑器件。
作为优选方式，第一扇形单元A、第二扇形单元B分别作为产生抛物线电场分布的两个发生器。因为第一扇形单元A和第二扇形单元B的圆弧段长度从中心沿径向线性增加，产生了从中心沿径向的抛物线的阻抗分布，因此施加电压后产生抛物线的电场分布。
作为优选方式，间隔子3直径为30微米。
作为优选方式，第一玻璃基板1和第二玻璃基板6厚度相同，都为0.2～0.5mm。
作为优选方式，图案电极7和平板电极层5为透明的ITO导电薄膜。
作为优选方式，第一取向层2和第二取向层4为涂覆聚酰亚胺的薄膜、倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜，其表面取向分别为0°和180°。
作为优选方式，图案电极7由光学刻蚀的方法获得，材料为氧化铟锡ITO。
作为优选方式，液晶层8的相对折射率Δn＝0.25。
本发明的第二个目的是提供一种所述可电控调焦的液晶光剑器件的工作方法，其为：图案电极7中的电极引脚D、E、F、G，在未施加驱动电压的情况下，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，分别为0°和180°，没有透镜效果；当施加驱动电压时，给电极引脚G、F、E、D分别接V1、V2、V3、V4，驱动电压V1、V2、V3、V4用于在给第一扇形单元A、第二扇形单元B，以及从第二扇形单元B到第一扇形单元A或从第一扇形单元A到第二扇形单元B的方向产生旋转非对称电场分布，取液晶材料随电压的响应的线性区，即可获得折射型液晶光剑器件。
本发明提出的液晶光剑器件，可以在不同径向获得连续变化的光焦度。对产生抛物线电场分布的第一扇形单元A和第二扇形单元B两个发生器分别施加不同幅值的驱动电压时，在液晶光剑器件的内部，电势差将会随着同心圆弧单元C圆弧段的径向角度连续变化，电场强度也将随着径向角度连续变化，因而，本发明可以得到随径向角度连续变化的光焦度，达到光剑器件的效果。
本发明的有益效果为：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，如果对第一扇形单元A和第二扇形单元B两个发生器施加相同电压，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为本发明的一种可电控调焦的液晶光剑器件的剖面图。
图2为本发明的图案电极的截面图。
图3为本发明用comsol仿真得到的正光焦度的图案电极的电势分布
图4为本发明用comsol仿真得到的负光焦度的图案电极的电势分布
图5为本发明的液晶光剑器件正光焦度的干涉图。
图6为本发明的液晶光剑器件负光焦度的干涉图。
1为第一玻璃基板，2为第一取向层，3为间隔子，4为第二取向层，5为平板电极层，6为第二玻璃基板，7为图案电极，8为液晶层，71为圆弧段，72为平直段，A为第一扇形单元，B为第二扇形单元，C为同心圆弧单元。
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液晶光剑器件，包括从上往下依次设置的第一玻璃基板1、第一取向层2、液晶层8、第二取向层4、平板电极层5、第二玻璃基板6，第一取向层2中设有图案电极7，液晶层8中设有间隔子3；
如图2所示，图案电极7包括第一扇形单元A、第二扇形单元B、和一个同心圆弧单元C，还包括电极引脚G、D、E、F；
第一扇形单元A、第二扇形单元B分别设置于图案电极7中心的左右两侧，各扇形单元分别包括圆弧段71和平直段72，各平直段72构成所在扇形单元和同心圆弧单元C的分界线，各圆弧段71在各扇形区域内同心设置，各扇形区域内各圆弧段71的长度以图案电极中心为圆心沿径向线性增加、且相邻圆弧段71分别用平直段72串联；
同心圆弧单元C包括多个同心圆弧，且所述各同心圆弧两端分别与扇形单元的平直段相接，同心圆弧单元C的每一条同心圆弧分别与A扇形单元、B扇形单元对应的圆弧段在周向上对齐相接；
第一扇形单元A的最外层连接电极引脚D，第一扇形单元A的中心连接电极引脚E；电极引脚D和电极引脚E用于控制第一扇形单元A的电压分布，
第二扇形单元B的最外层连接电极引脚G、第二扇形单元B的中心连接电极引脚F，电极引脚G和电极引脚E用于控制第二扇形单元B的电压分布；
第一取向层2和第二取向层4表面取向方向反向平行；图案电极7和平板电极层5为透明导电薄膜，平板电极层5用作接地电极；间隔子3用于控制液晶层的厚度；
分别对第一扇形单元A和第二扇形单元B施加相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶层8的液晶分子偏转，形成液晶光剑器件。
第一扇形单元A、第二扇形单元B分别作为产生抛物线电场分布的两个发生器。因为第一扇形单元A和第二扇形单元B的圆弧段长度从中心沿径向线性增加，产生了从中心沿径向的抛物线的阻抗分布，因此施加电压后产生抛物线的电场分布。
优选的，间隔子3直径为30微米。
优选的，第一玻璃基板1和第二玻璃基板6厚度相同，都为0.2～0.5mm。
优选的，图案电极7和平板电极层5为透明的ITO导电薄膜。具有高电导率，可见光范围的高透过率。
优选的，第一取向层2和第二取向层4为涂覆聚酰亚胺的薄膜、倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜，其表面取向分别为0°和180°。
优选的，图案电极7由光学刻蚀的方法获得，材料为氧化铟锡ITO。
优选的，液晶层8的相对折射率Δn＝0.25。
本实施例还提供一种所述可电控调焦的液晶光剑器件的工作方法：图案电极7中的电极引脚D、E、F、G，在未施加驱动电压的情况下，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，分别为0°和180°，没有透镜效果；当施加驱动电压时，给电极引脚G、F、E、D分别接V1、V2、V3、V4，驱动电压V1、V2、V3、V4用于在给第一扇形单元A、第二扇形单元B，以及从第二扇形单元B到第一扇形单元A或从第一扇形单元A到第二扇形单元B的方向产生旋转非对称电场分布，取液晶材料随电压的响应的线性区，即可获得折射型液晶光剑器件。
为了验证本发明结构，利用comsol对本发明结构进行仿真，当V1＝1.5V、V2＝2.5V、V3＝2V、V4＝1.8V时，得到如图3所示的图案电极的电势分布图；当V1＝2.5V、V2＝1.5V、V3＝1.8V、V4＝2V时，得到如图4所示的图案电极的电势分布图。结果与液晶光剑器件所需的电势分布相同。根据本发明的结构，制作了5mm口径的液晶光剑器件，测得的干涉图如图5、图6所示，得到了与光剑器件相同的波前，白色圆内为液晶光剑器件的有效区域。
实施例2
在实施例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，应用于光焦度以及焦深大小可调节的大焦深光学成像系统。
为了观察实施例1所制备的液晶光剑器件的工作情况，实验使用532nm激光干涉光路对该器件进行了测试。通过调节图案电极2上的四个电极引脚D、E、F、G的电压，观察该器件的干涉图：图5为V1＝1.5V、V2＝2.5V、V3＝2V、V4＝1.8V时的情况，此时白色圆内液晶光剑器件的干涉图；图6为V1＝2.5V、V2＝1.5V、V3＝1.8V、V4＝2V时的情况，此时白色圆内为液晶光剑器件的干涉图。由图5，6可以看出条纹数不同以及变化量不同，可以验证，调节驱动电压V1、V2、V3、V4，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
按照实施例1制作两个结构相同且液晶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6与第二个液晶光剑器件的第一玻璃基板1紧靠在一起，有效区域对准，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时，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、焦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。
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 (9)
1.一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：包括从上往下依次设置的第一玻璃基板(1)、第一取向层(2)、液晶层(8)、第二取向层(4)、平板电极层(5)、第二玻璃基板(6)，第一取向层(2)中设有图案电极(7)，液晶层(8)中设有间隔子(3)；
其中，图案电极(7)包括第一扇形单元A、第二扇形单元B、和一个同心圆弧单元C，还包括电极引脚G、D、E、F；
第一扇形单元A、第二扇形单元B分别设置于图案电极(7)中心的左右两侧，各扇形单元分别包括圆弧段(71)和平直段(72)，各平直段(72)构成所在扇形单元和同心圆弧单元C的分界线，各圆弧段(71)在各扇形区域内同心设置，各扇形区域内各圆弧段(71)的长度以图案电极中心为圆心沿径向线性增加、且相邻圆弧段(71)分别用平直段(72)串联；
同心圆弧单元C包括多个同心圆弧，且所述各同心圆弧两端分别与扇形单元的平直段相接，同心圆弧单元C的每一条同心圆弧分别与A扇形单元、B扇形单元对应的圆弧段在周向上对齐相接；
第一扇形单元A的最外层连接电极引脚D，第一扇形单元A的中心连接电极引脚E；电极引脚D和电极引脚E用于控制第一扇形单元A的电压分布，
第二扇形单元B的最外层连接电极引脚G、第二扇形单元B的中心连接电极引脚F，电极引脚G和电极引脚E用于控制第二扇形单元B的电压分布；
第一取向层(2)和第二取向层(4)表面取向方向反向平行；图案电极(7)和平板电极层(5)为透明导电薄膜，平板电极层(5)用作接地电极；间隔子(3)用于控制液晶层的厚度；
分别对第一扇形单元A和第二扇形单元B施加相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶层(8)的液晶分子偏转，形成液晶光剑器件。
2.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：第一扇形单元A、第二扇形单元B分别作为产生抛物线电场分布的两个发生器。
3.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：间隔子(3)直径为30微米。
4.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：第一玻璃基板(1)和第二玻璃基板(6)厚度相同，都为0.2～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：图案电极(7)和平板电极层(5)为透明的ITO导电薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：第一取向层(2)和第二取向层(4)为涂覆聚酰亚胺的薄膜、倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜，其表面取向分别为0°和180°。
7.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：图案电极(7)由光学刻蚀的方法获得，材料为氧化铟锡ITO。
8.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的液晶光剑器件，其特征在于：液晶层(8)的相对折射率Δn＝0.25。
9.权利要求1至8任意一项所述可电控调焦的液晶光剑器件的工作方法，其特征在于：图案电极(7)中的电极引脚D、E、F、G，在未施加驱动电压的情况下，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，分别为0°和180°，没有透镜效果；当施加驱动电压时，给电极引脚G、F、E、D分别接V1、V2、V3、V4，驱动电压V1、V2、V3、V4用于在给第一扇形单元A、第二扇形单元B，以及从第二扇形单元B到第一扇形单元A或从第一扇形单元A到第二扇形单元B的方向产生旋转非对称电场分布，取液晶材料随电压的响应的线性区，即可获得折射型液晶光剑器件。
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| CN202311792672.6A CN117608133A (zh) | 2023-12-25 | 2023-12-25 | 可电控调焦的液晶光剑器件及工作方法 |
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