CN209215828U - 液晶透镜阵列及成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种液晶透镜阵列及成像装置，涉及液晶透镜技术领域。该液晶透镜阵列包括：第一电极层，第二电极层和第三电极层，以及位于所述第二电极层和所述第三电极层之间的液晶层，所述第一电极层与所述第二电极层之间设有透明绝缘层，所述第一电极层、第三电极层为透明电极层，所述第二电极层包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层分别采用一个独立驱动电压。本实用新型操作简单，成本低，解决了现有技术中液晶透镜阵列焦距变化控制复杂、成本高的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及液晶透镜技术领域，尤其涉及一种液晶透镜阵列及成像装置。
背景技术
液晶透镜阵列器件具有体积小，重量轻，功耗小等优势，其无需机械部件实现可调焦距的特点表现出独有的优势。经过近几年的发展，液晶可变焦透镜及阵列在光通讯器件、光纤开关、光偏转器件、3D显示、集成图像系统及图像处理等各种领域表现出极大的潜在应用价值。
目前可调焦距液晶透镜形成的根本机制在于产生调制透镜中间和边缘的光程差，在液晶透镜中形成梯度折射率变化的轮廓，以实现电场调制焦距的变化。实现梯度折射率的变化按液晶层厚度是否均匀来分类，主要有两种，即均匀液晶层厚度结构和非均匀液晶层厚度结构。
均匀液晶层厚度结构，在由上下两块玻璃基板构成的液晶屏采用平行取向构成平行均匀排列的液晶。前基板从玻璃基板起，分别是公共电极层、取向层；后基板从玻璃基板起，依次是圆孔形电极层、取向层。液晶屏的厚度由分散在玻璃基板内表面的衬垫决定，液晶屏内部灌注向列相液晶。具有圆孔电极结构的液晶可变焦透镜的工作原理是在圆孔行电极层上施加工作电压，在液晶区域产生非均匀电场分布，液晶分子在不均匀电场作用下，发生非均匀偏转，导致其折射率空间分布也发生非均匀变化，从而使光束聚焦在特定位置。当调控电压改变时，微透镜焦点位置发生变化，从而完成了微透镜焦点位置的调控过程。
非均匀液晶层厚度结构，调控区域内的液晶呈凹面或凸面型结构，由聚合物采用光刻或模压等方法控制，上下玻璃基板电极层均为平面或者随聚合物三维结构呈曲面。利用聚合物材料与液晶材料的折射率差，形成一个微透镜结构，使光束聚焦在特定位置。施加电压时，液晶折射率随电压发生变化，从而实现微透镜的焦距控制。
上述方式虽能实现透镜焦距变化，但其控制复杂，制造成本较高。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提出一种液晶透镜阵列及成像装置，旨在解决现有液晶透镜阵列焦距变化控制复杂、成本高的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型一方面提供一种液晶透镜阵列，包括：第一电极层，第二电极层和第三电极层，以及位于所述第二电极层和所述第三电极层之间的液晶层，所述第一电极层与所述第二电极层之间设有透明绝缘层，所述第一电极层、第三电极层为透明电极层，所述第二电极层包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层分别采用一个独立驱动电压。
优选的，多个所述电极单元的驱动电压不同，相同驱动电压的电极单元与同一个驱动电压输入端相连。
优选的，每个所述电极单元通过单独的导线与对应的驱动电压输入端连接。
优选的，所述第二电极层的多个电极单元的几何中心以位于矩形或正六边形的顶点的方式排列，每一所述电极单元的形状为对称图案。
优选的，所述对称图案为圆形、正方形和正六边形中的一种。
优选的，所述液晶透镜阵列还包括：设于所述第二电极层与所述液晶层之间的第一高阻层。
本实用新型另一方面还提供一种液晶透镜阵列成像装置，包括：主透镜、图像传感器及设于所述主透镜与所述图像传感器之间的液晶透镜阵列，所述液晶透镜阵列为上述所述的液晶透镜阵列。
优选的，所述液晶透镜阵列成像装置还包括：固定焦距透镜，所述固定焦距透镜位于所述主透镜与所述液晶透镜阵列之间，或者位于所述图像传感器与所述液晶透镜阵列之间。
优选的，所述液晶透镜阵列成像装置还包括：驱动所述液晶透镜阵列的驱动电路，所述驱动电路包括第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器通过第一总线输出驱动电压至第二电极层；所述第二驱动器通过第二总线输出驱动电压至第一电极层和第三电极层。
优选的，所述固定焦距透镜的焦距与所述液晶透镜阵列的可变焦范围的最大焦距值相等。
本实用新型提供的一种液晶透镜阵列及成像装置，设置包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元的所述第二电极层，其中，所述第一电极层、第二电极层和第三电极层分别采用一个独立驱动电压，通过对电极单元驱动电压的控制可以实现电极单元的焦距可变，操作简单，成本低。因此，本实用新型的液晶透镜阵列及装置操作简单，成本低，解决了现有技术中液晶透镜阵列焦距变化控制复杂、成本高的问题。
附图说明
图1为本实用新型实施例一提供的一种液晶透镜阵列结构示意图；
图2a～2d为本实用新型实施例一提供的第二电极层示意图；
图3a为原始液晶透镜阵列成像装置景深图；
图3b为本实用新型实施例二提供的液晶透镜阵列与微透镜阵列组和景深图；
图4为本实用新型实施例二中多组焦距呈规律变化电压控制示意图；
图5a～5b为本实用新型实施例二提供的两种电极单元与驱动电压输入端连接方式示意图；
图6为本实用新型实施例二提供的另一种电极单元与驱动电压输入端连接方式示意图；
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
实施例一
本实用新型实施例一提供一种液晶透镜阵列，如图1所示，该液晶透镜阵列包括：第一电极层11，第二电极层13和第三电极层21，以及位于所述第二电极层13和所述第三电极层21之间的液晶层30，所述第一电极层11与所述第二电极层13之间设有透明绝缘层12，所述第一电极层11、第三电极层21为透明电极层，所述第二电极层13包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元131，所述第一电极层11、所述第二电极层13和所述第三电极层21分别采用一个独立驱动电压。第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21分别采用一个独立驱动电压，通过对电极单元131驱动电压的驱动可以实现电极单元131的焦距可变，操作简单，成本低。
在本实用新型优选的实施例中，所述液晶透镜阵列还包括第一基板10、第二基板20，所述第一电极层11和第三电极层21分别涂镀于所述第一基板10和所述第二基板20上。
在本实用新型优选的实施例中，所述液晶透镜阵列还包括：设于所述第二电极层13与所述液晶层30之间的第一高阻层14。第一高阻层14把液晶层30与第二电极层13隔开，避免液晶层30对第二电极层13的影响，提高了产品使用寿命。
在本实用新型优选的实施例中，所述液晶透镜阵列还包括：设于所述第三电极层21与所述液晶层30之间的第二高阻层。第二高阻层用于把液晶层30与第三电极层21隔开，避免液晶层30对第三电极层21的影响，提高了产品使用寿命。
液晶层30在外加电场作用下，液晶层30的材料的折射率可发生变化，进而引起透过光束的偏振态和相位的变化。
第一高阻层14的材料应为高电阻率但非绝缘的材料。
在本实用新型优选的实施例中，所述第一电极层11和所述第三电极层21覆盖所述液晶层30。确保通过驱动驱动电压改变整个液晶透镜阵列的焦距。
在本实用新型优选的实施例中，所述第二电极层13的多个电极单元131的几何中心以位于矩形或正六边形的顶点的方式排列，每一所述电极单元131的形状为对称图案，从而增加了液晶透镜阵列的透光率。
在本实用新型优选的实施例中，所述第二电极层13的非透明材料层所在区域的总面积小于所有电极单元131面积之和，从而增加了液晶透镜阵列的透光率。
在本实用新型优选的实施例中，所述第二电极层13的非透明材料层所在区域的总面积小于等于非透明材料层所在区域的总面积与所有电极单元131面积之和的总面积的三分之一，从而增加了液晶透镜阵列的透光率。
在本实用新型优选的实施例中，所述对称图案为圆形、正方形和正六边形中的一种，从而增加了液晶透镜阵列的透光率。
在一种具体的实施方式中，所述对称图案为圆形，如图2a所示，所述第二电极层13包括多个圆形电极单元131的几何中心以位于矩形的顶点方式排列和圆形电极单元131以外的不透明非电极单元132。如图2b所示，所述第二电极层13包括多个圆形电极单元131的几何中心以位于正六边形的顶点方式排列和圆形电极单元131以外的不透明非电极单元132。在另一种具体的实施方式中，所述对称图案为正方形，如图2c所示，所述第二电极层13包括多个正方形电极单元131的几何中心以位于矩形的顶点方式排列和正方形电极单元131以外的不透明非电极单元132。在另一种具体的实施方式中，所述对称图案为正六边形，如图2d所示，所述第二电极层13包括多个正六边形电极单元131的几何中心以位于正六边形的顶点方式排列和正六边形电极单元131以外的不透明非电极单元132。
显然，第二电极层13还可以采用其他对称图案进行排列，本实用新型不作具体限定，本领域普通技术人员在通晓本领域基本技术、在本实用新型的基础的对第二电极层13所做出的任何可替换改进均属于本实用新型的保护范围。
本实用新型提供的一种液晶透镜阵列，设置包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元131的所述第二电极层13，其中，第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21分别与一个独立的驱动电压输入端相连，通过对电极单元131的驱动电压的驱动控制可以实现电极单元131的焦距可变。
实施例二
本实用新型实施例二提供一种液晶透镜阵列成像装置，该液晶透镜阵列成像装置包括：主透镜、图像传感器及设于所述主透镜与所述图像传感器之间的液晶透镜阵列，所述液晶透镜阵列为上述所述的液晶透镜阵列。如图3b所示，主透镜为主镜，图像传感器位于成像探测面所在位置，液晶透镜阵列为液晶阵列。
在本实用新型优选的实施例中，所述液晶透镜阵列成像装置还包括：固定焦距透镜，所述固定焦距透镜位于所述主透镜与所述液晶透镜阵列之间，或者位于所述图像传感器与所述液晶透镜阵列之间。如图3b所示，固定焦距透镜为微镜阵列，用于增加变焦范围，固定焦距透镜从现有技术中选择，详细的结构和原理在本实用新型不再赘述。
在本实用新型优选的实施例中，所述固定焦距透镜的焦距与所述液晶透镜阵列的可变焦范围的最大焦距值相等，从而确保液晶透镜阵列成像装置变焦后成像的清晰度。
在本实用新型优选的实施例中，所述液晶透镜阵列成像装置还包括：驱动所述液晶透镜阵列的驱动电路，所述驱动电路包括第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器通过第一总线输出驱动电压至第二电极层13；所述第二驱动器通过第二总线输出驱动电压至第一电极层11和第三电极层21。通过对第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21输入独立驱动电压，从而实现了液晶透镜阵列焦距可变，操作简单，成本低。
上述液晶透镜阵列可通过如下三种方式进行驱动控制，以实现不同焦距的电极单元131。
方式一：整体驱动控制电极单元131
电极单元131通过可调电压输入端与对应的驱动电压输入端连接。
其中，第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21分别与一个独立的驱动电压输入端相连，电极单元131的驱动电压可调。各个电极单元131是分别供电的，因此可随时调整焦距，且可调范围更大，能够提供更为清晰的显示图像。
当可调电压输入端输入的电压相同时，可实现所有液晶阵列电极单元131焦距具有相同焦距变化；当可调电压输入端在电压控制端根据电极单元131焦距个数预设多组电压值时，可实现多组电极单元131具有不同焦距变化，以拓展液晶阵列的使用场景。例如，在成像装置设计过程中，将微透镜阵列与液晶阵列透镜相结合，拓展景深，如图3a与图3b对比所示。图3a中原始成像装置包括主镜f1，微透镜阵列(或者微镜阵列)f2和图像传感器所在的探测面，OA为物点。O1A1为OA在主镜像面所成的像点，O2A2为OA在图像传感器所在的探测面所成的像点，原始成像装置景深为S，图3b中加入本实用新型的液晶透镜阵列fLC，液晶透镜阵列fLC与微透镜阵列f2组和使整个系统的景深增加SA+S，起到扩展景深的作用。
方式二：相同焦距电极单元131单独驱动控制
多个所述电极单元131的驱动电压不同，相同驱动电压的电极单元131与同一个驱动电压输入端相连。
具体的，对如图2a～2d的电极单元131单独驱动控制，根据实际需求对第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21进行电压输入控制，在同一时刻有多少组不同的驱动电压值则相应对应多少组电压输入端口。例如图4中需要实现具有1、2、3三组呈规律性变化的不同电极单元131焦距变化，则对处于同一驱动电压值的液晶阵列电极单元131与同一驱动电压输入端口连接，总共需要3组驱动电压输入端。在一种实施方式中，每个所述电极单元131通过单独的导线与对应的驱动电压输入端连接，如图5a所示，对每个电极单元131单独设置驱动电压导线与对应的电压控制端连接；在另一种实施方式中，相同焦距的电极单元131对应的电极单元131通过同一个电压线与对应的驱动电压输入端连接。如图5b所示，相同焦距的电极单元131即相同控制电压的电极单元131全部相连，只引出一根导线连接到电压控制端上，具体实施只需保证同组电极单元131全部联通即可，不同电极单元131组之间采用绝缘透明材料进行隔离。
方式三：任意电极单元131单独驱动控制
多个所述电极单元131具有独立的驱动电压，如图6所示，相同驱动电压的电极单元131通过同一行扫描线与第一总线连接，各个电极单元131通过行扫描的方式驱动控制；第一电极层或第三电极层与第二总线连接，用于对第一电极层或第三电极层的驱动电压进行单独驱动控制。具体的，在第一时刻，通过第一总线向第一条行扫描线输入第一驱动电压，驱动第一焦距电极单元131，第二时刻，通过第一总线向第二条行扫描线输入第二驱动电压，驱动第二焦距电极单元131，第三时刻，通过第一总线向第三条行扫描线输入第三驱动电压，驱动第三焦距电极单元131…以此类推，第N时刻，通过第一总线向第N条行扫描线输入第N驱动电压，驱动第N焦距电极单元131。
此种驱动控制方式可应用局部清晰对焦、波前像差补偿等方案，具有调节控制灵活，应用范围广等优势。具体控制方式可选用行扫描方式，实现电极单元131独立控制的要求。
实施例三
本实用新型实施例三提供一种液晶透镜阵列驱动方法，其中，所述液晶透镜阵列包括：第一电极层11，第二电极层13和第三电极层21，以及位于所述第二电极层13和所述第三电极层21之间的液晶层30，所述第一电极层11与所述第二电极层13之间设有透明绝缘层12，所述第一电极层11、第三电极层21为透明电极层，所述第二电极层13包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元131，所述第一电极层11、所述第二电极层13和所述第三电极层21分别采用一个独立驱动电压，所述方法包括：分别向所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层输入一个驱动电压。可以理解的是，分别向所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层输入的驱动电压可以相同，也可以不同。
具体的，可通过如下三种方式实现。
方式一：整体驱动控制电极单元131
电极单元131通过可调电压输入端与对应的驱动电压输入端连接。
其中，第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21分别与一个独立的驱动电压输入端相连，电极单元131的驱动电压可调。各个电极单元131是分别供电的，因此可随时调整焦距，且可调范围更大，能够提供更为清晰的显示图像。
当可调电压输入端在电压控制端根据电极单元131焦距个数预设多组电压值时，可实现多组电极单元131具有不同焦距变化，以拓展液晶阵列的使用场景。例如，在成像装置设计过程中，将微透镜阵列与液晶阵列透镜相结合，拓展景深，如图3a与图3b对比所示。图3a中原始成像装置包括主镜f1，微透镜阵列(或者微镜阵列)f2和图像传感器所在的探测面，OA为物点。O1A1为OA在主镜像面所成的像点，O2A2为OA在图像传感器所在的探测面所成的像点，原始成像装置景深为S，图3b中加入本实用新型的液晶透镜阵列fLC，液晶透镜阵列fLC与微透镜阵列f2组和使整个系统的景深增加SA+S，起到扩展景深的作用。
显然，此种控制方式中，驱动电压均不可调节时，可以实现所有液晶阵列电极单元131焦距具有相同焦距变化。
方式二：相同焦距电极单元131单独驱动控制
多个所述电极单元131的驱动电压不同，相同驱动电压的电极单元131与同一个驱动电压输入端相连。
具体的，对如图2a～2d的电极单元131单独驱动控制，根据实际需求对第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21进行电压输入控制，在同一时刻有多少组不同的驱动电压值则相应对应多少组电压输入端口。例如图4中需要实现具有1、2、3三组呈规律性变化的不同电极单元131焦距变化，则对处于同一驱动电压值的液晶阵列电极单元131采用同一驱动电压值，总共需要3组驱动电压值。在一种实施方式中，每个所述电极单元131通过单独的导线与对应的驱动电压输入端连接，如图5a所示，对每个电极单元131单独设置驱动电压导线与对应的电压控制端连接；在另一种实施方式中，相同焦距的电极单元131对应的电极单元131通过同一个电压线与对应的驱动电压输入端连接。如图5b所示，相同焦距的电极单元131即相同控制电压的电极单元131全部相连，只引出一根导线连接到电压控制端上，具体实施只需保证同组电极单元131全部联通即可，不同电极单元131组之间采用绝缘透明材料进行隔离。
方式三：任意电极单元131单独控制
多个所述电极单元131具有独立的驱动电压，如图6所示，相同驱动电压的电极单元131通过同一行扫描线与第一总线连接，各个电极单元131通过行扫描的方式驱动控制；第一电极层或第三电极层与第二总线连接，用于对第一电极层或第三电极层的驱动电压进行单独驱动控制。具体的，在第一时刻，通过第一总线向第一条行扫描线输入第一驱动电压，驱动第一焦距电极单元131，第二时刻，通过第一总线向第二条行扫描线输入第二驱动电压，驱动第二焦距电极单元131，第三时刻，通过第一总线向第三条行扫描线输入第三驱动电压，驱动第三焦距电极单元131…以此类推，第N时刻，通过第一总线向第N条行扫描线输入第N驱动电压，驱动第N焦距电极单元131。
此种驱动控制方式可应用局部清晰对焦、波前像差补偿等方案，具有调节控制灵活，应用范围广等优势。具体控制方式可选用行扫描方式，实现电极单元131独立控制的要求。
本实用新型提供的一种液晶透镜阵列、装置及驱动方法，设置包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元131的所述第二电极层13，其中，第一电极层11、第二电极层13和第三电极层21分别与一个独立的驱动电压输入端相连，通过对电极单元131驱动电压的控制可以实现电极单元131的焦距可变。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。
Claims (10)
1.一种液晶透镜阵列，其特征在于，包括：第一电极层，第二电极层和第三电极层，以及位于所述第二电极层和所述第三电极层之间的液晶层，所述第一电极层与所述第二电极层之间设有透明绝缘层，所述第一电极层、第三电极层为透明电极层，所述第二电极层包括非透明材料层以及分布于所述非透明材料层中以预定形状排布的多个电极单元，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层分别采用一个独立驱动电压。
2.根据权利要求1所述的液晶透镜阵列，其特征在于，多个所述电极单元的驱动电压不同，相同驱动电压的电极单元与同一个驱动电压输入端相连。
3.根据权利要求2所述的液晶透镜阵列，其特征在于，每个所述电极单元通过单独的导线与对应的驱动电压输入端连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的液晶透镜阵列，其特征在于，所述第二电极层的多个电极单元的几何中心以位于矩形或正六边形的顶点的方式排列，每一所述电极单元的形状为对称图案。
5.根据权利要求4所述的液晶透镜阵列，其特征在于，所述对称图案为圆形、正方形和正六边形中的一种。
6.根据权利要求1所述的液晶透镜阵列，其特征在于，所述液晶透镜阵列还包括：设于所述第二电极层与所述液晶层之间的第一高阻层。
7.一种液晶透镜阵列成像装置，包括：主透镜、图像传感器及设于所述主透镜与所述图像传感器之间的液晶透镜阵列，其特征在于，所述液晶透镜阵列为权利要求1-6任一所述的液晶透镜阵列。
8.根据权利要求7所述的液晶透镜阵列成像装置，其特征在于，所述液晶透镜阵列成像装置还包括：固定焦距透镜，所述固定焦距透镜位于所述主透镜与所述液晶透镜阵列之间，或者位于所述图像传感器与所述液晶透镜阵列之间。
9.根据权利要求7或8所述的液晶透镜阵列成像装置，其特征在于，所述液晶透镜阵列成像装置还包括：驱动所述液晶透镜阵列的驱动电路，所述驱动电路包括第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器通过第一总线输出驱动电压至第二电极层；所述第二驱动器通过第二总线输出驱动电压至第一电极层和第三电极层。
10.根据权利要求8所述的液晶透镜阵列成像装置，其特征在于，所述固定焦距透镜的焦距与所述液晶透镜阵列的可变焦范围的最大焦距值相等。
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