CN1220073C - 用于传感器的复合液晶微透镜 - Google Patents

Abstract

在中间玻璃板的两边配备有第一液晶透镜和第二液晶透镜。提供第一液晶透镜以形成物体的倒像，而提供第二液晶透镜以将倒像倒置，从而形成物体的正像。

Description

用于传感器的复合液晶微透镜

技术领域

本发明涉及液晶微透镜，所述液晶微透镜作为用于在扫描仪和传真机的接触型传感器的透镜阵列中形成图像的装置。

背景技术

通常知道的是具有诸如图14和图15之类结构的接触型传感器。

参考图14，传感器110有框架108，在框架108中安装了一个线性发光元件(LED)阵列105、柱状透镜阵列106和光接收元件阵列104。光接收元件阵列104包含了一个在框架108底部形成的基片103、一个安装在基片103上的保护膜102以及一个包含多个光电转换器的传感器集成电路(IC)101。在框架108的顶部安装一个透明板107，在板107上安装一个文本片109。

在操作中，来自LED阵列105的光束照射文本片109。在片109的特定读出线上散射并反射的光束通过柱状透镜阵列106，从而通过光接收元件阵列104的传感器IC在文本片上形成图案。由反射光传送的关于文本片阴影的信息，以光强的形式，通过传感器IC101转换成电信号并沿着扫描方向串行地输出。在扫描了扫描方向上的一行之后，就对在与扫描方向垂直方向上的下一行进行扫描。通过重复扫描操作，把在文本片109上的两维信息按照时间顺序转换成电信号。图15示出了在图14中所示的接触型传感器110的柱状透镜阵列106的布局及其操作。

这里以下参考图16a到16c对柱状透镜阵列106的原理和结构进行描述。柱状透镜阵列106的每个柱状透镜是渐变折射率透镜，每个渐变折射率透镜具有在图16a中所示的折射率分布。图16b示出了通过柱状透镜的光束的透射。

在图16a中，折射率n的分布可近似表示为

n＝n₀(1-(A/2)r²)                            (1)

其中，n₀是光轴上的折射率，r是半径方向上离开光轴的距离，而A是折射率的常数。光束在折射率大的范围内传播得较慢，而在折射率小的范围内传播得较快。

参考图16b，在具有等式(1)的折射率分布和长度Z的渐变折射率柱状透镜中，可以把出射光束的条件(r2，r’2)、入射光束的条件式(r1，r’1)表示如下。

$\left[\begin{array}{c}r2\\ r^{\′}2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos \sqrt{A}Z)+(\sin \sqrt{A}Z/n_0\sqrt{A})\\ -n_0\sqrt{A}\sin \left(\sqrt{A}Z\right)+\cos \left(\sqrt{A}Z\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}r1\\ r^{\′}1\end{array}\right]---\left(2\right)$

等式(2)的意思是指，尽管有入射位置和入射角的差异，但是每个光源具有相同的提升间歇时间(winding interval) $(P=2\mathrm{\π}/\sqrt{A}),$ 而且如图16c所示，通过设置适当的与弯曲间隔相关的柱状透镜长度，可在柱状透镜对面相隔TC的距离处形成与图像Q大小相同的正像Q”。

图16c中的标记L₀是柱状透镜和物体Q(Q”)之间的工作距离。

因此，即使端面是平的，由于折射率的分布，柱状透镜仍然具有透镜效应。也就是说，柱状透镜具备以下特征。

(1)形成一个大小与原始物体相同的正像。

(2)可以根据柱状透镜的长度改变所形成图像的条件，因此图像的宽度可变得比透镜的直径大得多。

因此，如图15所示，当安排多个柱状透镜与其它透镜相邻时，使通过柱状透镜形成的大小相同的正像相重叠，从而可在光接收阵列104上无间隙地形成文本片上的图像。

将折射率分布赋予玻璃杆的方法包括植入法、分子填料法和离子交换法。在柱状透镜的例子中，使用离子交换法，使分布变得平滑和对称。

参考图17，离子交换法应用一个包含高温熔盐113的窑炉。把玻璃杆116浸入盐113中，从而玻璃杆中的碱离子A和盐113中的碱离子B彼此交换。结果，在玻璃杆116中形成了与上述的折射率分布成正比的离子浓度分布。

然而，这样形成的柱状透镜有以下的问题。

(1)为了制造柱状透镜，需要提供用于离子转换处理的设备，从而提高了生产成本。

(2)只能从柱状透镜产品系列挑选在原始物体和形成的图像之间的结合距离TC。因此，距离TC不能缩短以制造薄的接触型传感器。

发明内容

本发明的一个目的是为接触型传感器提供一种透镜装置，其中，解决了上述问题，从而可制造不昂贵且薄的接触型传感器。

根据本发明，提供一种复合液晶透镜，它包含一个形成物体倒像的第一液晶透镜、一个将倒像倒置从而可形成物体的正像的第二液晶透镜以及一个以轴对称支持第一和第二液晶透镜的支持构件。

每个第一和第二液晶透镜都包含一对彼此隔开的透明基片、一对位于基片之间的电极、一种在电极之间间隔当中的充电的液晶材料、至少一个具有圆孔的电极以及同心地分布的第一和第二液晶透镜的相对着的圆孔。

支持构件为一透明的玻璃板。

在本发明的一方面，每个第一和第二液晶透镜包含一个透明的基片、一对位于基片和玻璃板之间的间隔中的电极、一种在电极之间的间隔中的充电的液晶材料，两个电极都具有相对着的同心圆孔，第一和第二液晶透镜的相对着的圆孔是同心地分布的。

参考附图从以下的详细描述中这些和本发明的其它目的和特征将变得更加明显。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的复合液晶微透镜的横截面图；

图2是示出用于图1的复合液晶微透镜的电极的立体图；

图3a到图3c是示出在图2液晶单元中电势分布的简图；

图4是示出液晶单元中的电场强度和折射率之间关系的曲线图；

图5a到图5c是示出液晶单元中尺寸的简图；

图6是示出液晶单元中的焦距和施加电压之间关系的曲线图；

图7是描述液晶单元操作的简图；

图8是示出液晶单元中的工作距离和图像距离之间关系的曲线图；

图9是描述当装配两个液晶单元时的操作简图；

图10是接触型传感器的图解，其中应用了本发明的复合液晶微透镜；

图11是描述图10的传感器中的复合液晶微透镜操作的简图；

图12是根据本发明第二实施例的复合液晶微透镜的横截面图；

图13a是本发明第三实施例的复合液晶微透镜中液晶单元的横截面图；

图13b是示出图13a的液晶单元中电势分布的简图；

图14是传统接触型传感器的图解；

图15是描述在图14的传统传感器中应用的柱状透镜阵列的操作简图；

图16a到图16c是解释柱状透镜阵列工作原理的简图；以及

图17是描述用于赋予折射率分布的柱状透镜阵列的离子交换法的简图。

具体实施方式

首先，总的解释一下液晶透镜。在所知的出版物OplusE.1998年10月第20卷第10号的Kabushiki Kaisha Shingijutsu Communication中描述过液晶透镜的结构和特征，具有液晶光学元件的特征及其应用：液晶微透镜。文章的内容将在下文中描述。

为了形成用作带液晶的透镜的光学元件，成为媒质的液晶层成形为透镜，如在玻璃透镜中那样。另一方面，可构成光学元件，从而可赋予空间折射率。在向列型液晶单元中，使液晶分子在电场方向上排列。从而，由于电场中液晶分子关于轴对称且不均匀的分布效果，可提供一具有空间折射率分布的透镜。因此，同样在具有平行平面结构的液晶中，在折射率空间分布的情况下，使入射光有效地聚焦和散射。尤其，在折射率有第二功率特性的情况下，可达到透镜效果。本发明涉及用液晶构造的透镜，在其中提供了这样的折射率空间分布。

下文中参考图1和图2，描述复合液晶微透镜的第一实施例。图1是示出用于接触型传感器的复合液晶微透镜的横截面图，而图2是用于图1微透镜的电极的立体图。

参考图1和图2，用于接触型传感器的复合液晶微透镜40包含一个作为第一液晶透镜的第一向列型液晶单元20、作为第二液晶透镜的第二向列型液晶单元30以及插在第一和第二液晶单元20和30之间的中间透明玻璃板41。

第一向列型液晶单元20包含一个在底部的透明玻璃基片23、一个在顶部的透明玻璃基片22、一个在底部透明玻璃基片23上的图案电极24a、一个在顶部透明玻璃基片22上的图案电极24c、一个在电极24a上的透明排列层25a、一个在电极24c上的透明排列层25b以及在排列层25a和25b之间提供的封闭构件27。由导电的电极膜形成图案电极24a并且具有多个圆孔24b，而同样由导电的电极膜形成图案电极24c并且具有多个圆孔24d。每个圆孔24d与相对着的24b同心地形成。把液晶材料28注入由封闭构件27以及排列层25a和25b确定的空间内。摩擦排列层25a和25b，从而使每层的排列都与另一层反平行且同质。在本实施例中，图案电极24a和24c不必为透明的。如此地布置，图案电极24a和24c，以使孔24b和孔24d相一致。

同样地，第二液晶单元30包含一个底部的透明玻璃基片33、一个具有多个圆孔34b的图案电极34a、和一个施加在电极34a上的排列层35a以及一个在排列层35a的外围部分上的封闭构件37。在封闭构件37上安装了一个在顶部的透明玻璃基片32和一个排列层35b，在透明玻璃基片32上的图案电极34c具有多个圆孔34d，每个圆孔34d都与孔34b同心。一对孔34b和34d与一对相对着的孔24b和24d同心。把液晶材料28注入由封闭构件37以及排列层35a和35b确定的空间内。摩擦排列层35a和35b，从而使每层的排列都与另一层反平行且同质。第一液晶单元20的底部玻璃23和第二液晶单元的顶部玻璃32互相粘附并插入中间玻璃板41，从而形成微透镜40。适配第一单元20的孔24b和24d以及第二单元30的孔34b和34d使之彼此一致。

当对第一液晶单元20施加电压时，使电势的分布如图3a中的轮廓线所示。在这里，电场强度与轮廓线之间的间隔成反比。如图4所示，第一液晶单元20的电场强度E具有这样的空间分布，它随着沿着半径方向离开图案电极24a(24c)的孔24b(24d)的中心r0的距离r的增加而增加。图4中示出的强度E0是孔24b中心的强度。

解释一下液晶材料28的导向偶极子(director)的方向，当施加的电压为零时，导向偶极子是水平的，与图3b所示的摩擦方向平行。当施加电压时，导向偶极子的倾斜程度便根据电场强度如图3c所示地增加了。

在图3c中，通过轮廓线和垂直分割线把液晶材料28的一部分分割成多个区域，在图中示出了每个区域的典型的导向偶极子。如图中所示，在轮廓线之间的间隔不大且电场强度不小的地方，朝垂直方向的倾斜程度增加了。随着倾斜的增加，在垂直方向上的折射率n减小了。结果，如图4所示，根据距离r的增加折射率成平方地减少。曲线图中的折射率n0是在孔24b中心的折射率。第一和第二液晶单元20和30中的每一个都有这样的与折射率n相关的特性。

现在将参考图5a到图5b，在下文中描述第一实施例的复合液晶微透镜40，在图中示出了其特定的尺寸。如图5a所示，第一液晶单元20的顶部玻璃22和底部玻璃23，以及第二液晶单元30的顶部玻璃32和底部玻璃33中的每一个都具有包括电极膜和排列层的1.1mm的厚度。由液晶材料28组成的液晶层的厚度为0.11mm，而中间玻璃板41的厚度为3.3mm。如图5b所示，分别为电极24a、24c、34a、和34c的孔24b、24d、34b和34d中的每一个都具有0.22mm的直径D，而孔之间的间隔P为0.293mm。如图5a所示，孔24b、24d、34b和34d为同心地形成的。排列层的摩擦方向用图5b中的箭头示出。

描述了当单独使用时在第一液晶单元20中形成图像的特性。正如已经描述过的，当对电极24a和24c施加电压时，发生了折射率分布。分布根据施加的电压而变化，从而使第一液晶单元20的焦距f如图6所示地变化。当施加4V电压时，在第一液晶单元20中稳定地提供了1.4mm的最小焦距f。

参考图7，它示出了第一液晶单元20的操作过程，使固定于距液晶单元工作距离L1的物体Q在与单元20相对着的图像距离L2处倒置地形成了图像Q’。图8示出了在具有1.4mm最小焦距的液晶单元中，图像距离L2随着工作距离L1的变化而变化。也就是说，当工作距离L1大大超过焦距时，图像距离L2根据工作距离L1的增加而减少。另一方面，测量结果示出，所形成图像Q’的大小与原始物体Q的比例，即图像放大倍率m总是为L2/L1。因此，如果选择了适当的工作距离，可在一定的范围内获得理想的放大倍率m。

与第一液晶单元一起装配了具有相同大小和相同焦距的第二液晶单元30，以形成复合液晶微透镜40，在其中每个单元都适用上述的原理。如图9所示，放置第一液晶单元20和第二液晶单元30使之成轴对称。由第一液晶单元20形成的物体Q的倒像Q’通过第二液晶单元30在图像距离L2处被再一次倒置，结果形成了正像Q”。根据上述原理，大小与物体Q相同的倒像Q’的位置随着工作距离L1的变化而变化，而且还随着图像距离L2的变化而变化。测量结果示出，正像Q”的大小与原始物体Q的比例，也就是最终的图像放大倍率M，基本上是L2/L1。因此，通过设置适当的工作距离L1使L1＝L2＝L0(图5c)，图像放大倍率M变为1。液晶单元之间像这样的结合关系使得提供与物体Q大小相同的正像Q”成为可能。

图5c描述了在具有如图5a和图5b所示尺寸的复合液晶微透镜40中形成与物体大小相同的正像Q”的操作。在该例子中，工作距离L0为6.5mm。本实施例的复合液晶微透镜40以与图16中所示传统柱状透镜阵列相同的方式，提供了与所扫描的物体大小相同的连续的正像。

工作距离L0可通过选择任意厚度的中间玻璃板41来任意地设置。当设置了适当的TC长度(其为原始物体和所成图像之间的距离)或结合长度时，不仅文本片可以容易地照射文本片，而且片上的扫描范围和光接收元件上的成像范围也可充分放大。尤其，当工作距离太短时，文本片和复合液晶微透镜在接触型传感器中彼此太靠近，以致于不能充分照射文本片。即使照射到片，但聚集的深度会变得太浅，从而使所成图像模糊。因此，像在本实施例中那样设置适当的工作距离就变得必要。由于可通过改变工作距离L0来改变TC长度，所可通过改变中间玻璃板41的厚度来控制TC长度。然而，也可通过改变每个液晶单元20和30的焦距来控制TC长度。当焦距变得较短时，TC长度会趋向较短。

参考示出接触型传感器50的图10，在其中，装配了复合液晶微透镜40代替传统的柱状透镜阵列，传感器50具有框架58，在框架中安装了一个线性LED阵列55和光接收元件阵列54。光接收元件阵列54包含在框架58底部形成的基片53、安装在基片53上的保护膜52以及包含多个光电转换器的传感器IC51。在框架58的上部安装了透明板57，在透明板上设置了文本片59。把复合液晶微透镜40安装在透明板57和光接收元件阵列54之间的框架58的中间部分。

图11示出了复合液晶微透镜的操作，图中省略了玻璃基片和其它。如图11所示，复合液晶微透镜40包含多个微透镜，每个微透镜具有与孔24b、24d、34b和34d相同的直径。在操作中，来自LED阵列55的光束照射文本片59。在片59特定的读出线处散射和反射的光束通过24b、24d、34b和34d的每个组以及液晶材料28，从而在光接收元件阵列54的传感器阵列上形成图像。由反射光传送的关于文本片阴影的信息，以光强的形式，通过传感器转换成电信号，并根据扫描方向串行地输出。在扫描方向上扫描完一行后，就对在与扫描方向垂直的方向上的下一行进行扫描。通过重复扫描，把在文本片59上的两维图像信息按时间顺序转换成电信号。

由于可通过重合孔24b、24d、34b和34d的每一组读遍的文本片59上的区域要大大地大于这些孔的直径，因此读遍毗邻孔的区域相重叠。结果，可以在光接收元件阵列54的传感器IC51上形成了连续且重叠的图像，从而能够形成与文本片59上的物体大小相等的正像。

参考图12，在本发明第二实施例的复合液晶微透镜60中，免除了第一实施例的第一液晶单元20的底部玻璃基片23以及第二液晶单元30的顶部玻璃基片32，而中间玻璃板41作为基片23和32。也就是说，在中间玻璃板41的上表面上形成了图案电极24a和排列层25a，在玻璃板41的下表面上形成了图案电极34c和排列层35b。微透镜60的厚度总体上与第一实施例微透镜40的厚度相同，光特性也同样相同。

由于第一和第二液晶单元20和30是最初整体形成的，不仅可免除将中间玻璃板41粘附到液晶单元的制造过程，当在玻璃板41上安装图案电极24a和34b时，第一和第二液晶单元20和30的光轴也可准确地排列。

图13a和图13b示出了用于本发明第三实施例的复合液晶微透镜的液晶单元70。参考图13a，尽管如第一实施例一样，在底部基片23上形成了具有多个孔24b的图案电极24，在上部基片22的下侧仍然形成了透明电极44。其它的结构同第一实施例中的相同。

当对电极24a和44施加电压时，如图13b的轮廓线所示的，产生了电势分布。尤其，随着在孔24b半径方向上离孔24b中心越来越远，电场变得越来越强，从而形成了与图4所示类似的折射率分布。装配了液晶单元70以形成与第一实施例的复合液晶透镜40相类似的复合液晶透镜。

本发明的复合液晶透镜具有以下好于传统柱状透镜阵列的优点。

(1)可构成不昂贵且紧密的透镜阵列。尤其，虽然柱状透镜阵列如前述地变得昂贵了，但在复合液晶微透镜中，包含多个液晶透镜的透镜阵列通过与普通液晶单元相同的工艺，在一个液晶单元中同时制造而可以是低成本的。另外，在柱状透镜阵列中，不能大大地减小透镜的直径，因为折射率必须由离子交换法产生。而相反地，在复合液晶微透镜中，可通过蚀刻容易地形成大小为数十个微米的图案电极的孔，从而可减小透镜的直径。

此外，在柱状透镜阵列的情况中，透镜的长度受到光的提升间歇时间(winding interval)的限制，因此不能充分地减短长度。然而，液晶的厚度可为数十个微米，因此可在工作距离L0允许的范围内选择任意厚度的中间玻璃板41，从而大大地减少了透镜的长度。

(2)柱状透镜阵列的TC长度只能从系列产品中挑选，因此减小TC长度以制造薄接触型传感器是不可能的。然而，复合液晶微透镜使形成任意TC长度的透镜从而可制造薄的接触型传感器成为可能。

(3)由于在本发明的复合液晶微透镜中，可提供直径比传统柱状透镜阵列小的透镜，所以当得到适当的工作距离时，聚焦深度就增加了，从而提高了图像的分辨率。此外，由于在这种情况下透镜的密度升高了，图像的亮度未被破坏。

虽然已结合本发明的较佳的特定实施例描述了本发明，但是应该理解，该描述旨在示意而不是限制本发明的范围，本发明的范围由以下的权利要求来定义。

Claims (5)

1.一种复合液晶透镜，其特征在于包括：

一个形成物体倒像的第一液晶透镜；

一个将倒像倒置从而形成物体正像的第二液晶透镜；

一个以轴对称支持第一和第二液晶透镜的支持构件，其中，每个第一和第二液晶透镜都包含一对间隔的透明基片、一对置于基片中间的电极、在电极之间空间里充电的液晶材料、至少一个电极具有圆孔，第一和第二液晶透镜相对着的圆孔是同心设置的。

2.根据权利要求1的透镜，其特征在于，所述的支持构件是透明玻璃板。

3.根据权利要求1的透镜，其特征在于，还包含一对配备在每个第一和第二液晶透镜电极上的透明排列层。

4.一种复合液晶透镜，其特征在于，包括：

一个形成物体倒像的第一液晶透镜；

一个将倒像倒置从而形成物体正像的第二液晶透镜；

一个介于第一和第二液晶透镜之间的透明玻璃板；

其中，每个第一和第二液晶透镜包含一个透明基片、一对设置于基片和玻璃板之间空间里的电极、在电极间空间内的充电的液晶材料，两个电极都具有多个横向间隔的相对着的圆孔，第一和第二液晶透镜相对着的圆孔是同心设置的。

5.根据权利要求4的透镜，其特征在于，还包括一对配备在每个第一和第二液晶透镜电极上的透明排列层。

Images