CN117687250A - 可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜及工作方法 - 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多焦点透镜及工作方法：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，第一取向层内部设有图案电极，液晶层内设有间隔子；图案电极由N个子单元Ai串联组成，每个子单元包括圆弧段和平直段，图案电极施加两种相同频率、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，形成多焦点透镜；本发明的透镜的光焦度角向的每个子单元变化，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，切换多焦点透镜的正、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折射型液晶多焦点透镜及工作方法。
背景技术
年轻人的眼睛具有动态聚焦远近物体的能力。随着人年龄的增长，水晶体逐渐失去弹性，其表现为近点远移，眼睛的调节范围变小，即调焦能力减弱。有几种方法可以治疗老花眼并恢复一些近视力功能。这些包括光学辅助，例如，隐形眼镜、人工晶状体或角膜激光治疗的形式，旨在产生多焦或扩大焦深。同步视觉透镜包括双焦点或三焦点衍射和折射设计，或非球面设计来调节眼睛的球差。通过设计实现不同透镜区域的焦距不同，即可以同时提供对远，近，中距离的视野。
目前提出的多焦点透镜大多为衍射型器件，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。虽然可以实现，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。
液晶多焦点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，液晶多焦点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液晶多焦点透镜。
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多焦点透镜，以解决现有多焦点透镜工艺复杂、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：
一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，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内部设有图案电极7，液晶层8内设有间隔子3；
其中，图案电极7由N个子单元Ai串联组成，i＝1.2……N，2≤N≤50；每个子单元包括圆弧段71和平直段72，所有子单元的平直段72将等整个图案电极等分为N个相同扇形，平直段72构成各扇形的分界线，圆弧段71在各扇形区域内同心设置，每个子单元Ai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，每个子单元的圆弧段71为该圆弧段所在图案电极整体圆弧的1/N；
图案电极7的最外围设有电极引脚B，中心连接电极引脚C；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；图案电极7施加两种相同频率、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，形成多焦点透镜；
第一取向层2和第二取向层4表面取向方向反向平行；
间隔子3用于控制液晶层的厚度。
作为优选方式，间隔子3直径为30微米。
作为优选方式，N等于4或5。
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，所述液晶多焦点透镜的图案电极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。
本发明还提供一种所述可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜的工作方法，其为：图案电极7中的两个电极引脚B、C，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B、C分别接V1、V2，驱动电压V1、V2用于在各个子单元电极上形成电压压降且在单个子单元形成抛物线电压压降，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，达到光焦度在各个子单元变化的效果。
每个子单元的ITO图案串联且ITO线的长度沿径向线性增加。在圆孔透镜内部，电势差将会随着角向的每个子单元变化，每个子单元内部沿径向电势为抛物线分布。因而，本发明可以得到液晶透镜的光焦度随角向变化，且取液晶的相位随电压变化的线性区可获得每个子单元的相位分布为抛物线分布，从而达到多焦点透镜的效果。
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多焦点透镜的光焦度角向的每个子单元变化，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，切换多焦点透镜的正、负透镜效果。
附图说明
图1为本发明的液晶多焦点透镜的剖面图。
图2为N＝4的图案电极的截面图。
图3为N＝5的图案电极的截面图。
图4为用comsol仿真得到图案电极的电势分布。
图5为V1＝1.5V、V2＝2.6V时该液晶多焦点透镜的干涉图。
图6为V1＝1.8V、V2＝2.6V时该液晶多焦点透镜的干涉图。
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。
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多焦点透镜，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内部设有图案电极7，液晶层8内设有间隔子3；
其中，图案电极7由N个子单元Ai串联组成，i＝1.2……N，2≤N≤50；每个子单元包括圆弧段71和平直段72，所有子单元的平直段72将等整个图案电极等分为N个相同扇形，平直段72构成各扇形的分界线，圆弧段71在各扇形区域内同心设置，每个子单元Ai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，线性增加即相邻的两个圆弧段长度相减是常数；且相邻圆弧段71分别用平直段72串联，每个子单元的圆弧段71为该圆弧段所在图案电极整体圆弧的1/N；
图案电极7的最外围设有电极引脚B，中心连接电极引脚C；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；图案电极7施加两种相同频率、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，形成多焦点透镜；
第一取向层2和第二取向层4表面取向方向反向平行；
间隔子3用于控制液晶层的厚度。
优选的，间隔子3直径为30微米。
优选的，N为4或5；N等于4时的图案电极的截面图如图2所示，N等于5时的图案电极的截面图如图3所示，。
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。因为具有高电导率，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，所述液晶多焦点透镜的图案电极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。
本实施例的所述可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜的工作方法为：
图案电极7中的两个电极引脚B、C，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B、C分别接V1、V2，驱动电压V1、V2用于在各个子单元电极上形成电压压降且在单个子单元形成抛物线电压压降，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，达到光焦度在各个子单元变化的效果。
为了验证本发明结构，利用comsol对本发明结构进行仿真，当N＝4时，V1＝1.5V、V2＝2.5V时，得到如图4所示的图案电极的归一化电势分布图；结果与液晶多焦点透镜所需的电势分布相同。根据本发明的结构，制作了5mm口径的液晶多焦点透镜，测得的干涉图如图5所示，黑色圆内为液晶多焦点透镜的有效区域。
实施例2
在实施例1提供的液晶多焦点透镜的第一玻璃基板1外侧放置一个偏振片，偏振片的偏光轴与液晶多焦点透镜的取向方向平行，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。通过调节图案电极上的电极引脚B、C的电压，观察该器件的干涉图：图5为V1＝1.5V、V2＝2.6V时的情况，此时黑色色圆内为N＝4的多焦点透镜的干涉图；图6为V1＝1.8V、V2＝2.6V时的情况，此时黑色色圆内为N＝4的多焦点透镜的干涉图。由图5、图6可以看出每个子单元的纹数不同以及变化量不同，可以验证，调节驱动电压V1、V2，该液晶多焦点透镜的光焦度大小、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多焦点透镜，第一个液晶多焦点透镜的第二玻璃基板6与第二个液晶多焦点透镜的第一玻璃基板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。
对两个液晶多焦点透镜施加相同的电压，产生多焦点透镜效果。当自然光进入第一个液晶多焦点透镜，分为e光和o光，e光被调制，o光不进行调制；进入第二个液晶多焦点透镜时，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折射型液晶多焦点透镜，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)内部设有图案电极(7)，液晶层(8)内设有间隔子(3)；
其中，图案电极(7)由N个子单元Ai串联组成，i＝1.2……N，2≤N≤50；每个子单元包括圆弧段(71)和平直段(72)，所有子单元的平直段(72)将等整个图案电极等分为N个相同扇形，平直段(72)构成各扇形的分界线，圆弧段(71)在各扇形区域内同心设置，每个子单元Ai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，每个子单元的圆弧段(71)为该圆弧段所在图案电极整体圆弧的1/N；
图案电极(7)的最外围设有电极引脚B，中心连接电极引脚C；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；图案电极(7)施加两种相同频率、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，形成多焦点透镜；
第一取向层(2)和第二取向层(4)表面取向方向反向平行；
间隔子(3)用于控制液晶层的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：间隔子(3)直径为30微米。
3.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：N等于4或5。
4.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，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折射型液晶多焦点透镜，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折射型液晶多焦点透镜，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折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：所述液晶多焦点透镜的图案电极(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折射型液晶多焦点透镜，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折射型液晶多焦点透镜的工作方法，其特征在于：
图案电极(7)中的两个电极引脚B、C，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B、C分别接V1、V2，驱动电压V1、V2用于在各个子单元电极上形成电压压降且在单个子单元形成抛物线电压压降，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，达到光焦度在各个子单元变化的效果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |