CN216210364U - 一种双模一体化液晶微透镜阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双模一体化液晶微透镜阵列，包括上极板、下极板以、液晶和两列间隔子，上极板包括第一基片、电极图案和第一PI膜，电极图案包括第一电极和第二电极，第一电极为微孔电极，第一电极包括第一导电层和微孔，第二电极包括中心导电层、第二导电层、多根导电引出线和多根导电连接线，每个中心导电层分别位于一个微孔内。本实用新型的上极板采用单层板，当电压加载于上极板的第一电极和下极板的ITO膜之间时，液晶微透镜阵列工作于凸透镜状态，当电压加载于上极板的第二电极和下极板的ITO膜之间时，液晶微透镜阵列工作于凹透镜状态，实现了结构上的简化。同时上、下极板均为单层板，可增加光的透过率，增加光束能量利用率。

Description

一种双模一体化液晶微透镜阵列

技术领域

本实用新型属于光学成像探测技术领域，更具体地，涉及一种双模一体化液晶微透镜阵列。

背景技术

从20世纪以来，基于液晶的光学透镜被广泛的应用在实际的生产生活中，科研人员通过液晶介电行为的场控制效应，设计出各种灵巧的液晶电极结构，并通过对液晶的折射率以及空间分布进行有规律的调控，达到良好的控光模式，主要包括管控光的波前、波矢、偏振、能流等模态。目前，常规的液晶微透镜通过不对称的电极层结构可以产生一个非均匀的电场分布，在外加电场的作用下，改变液晶层中液晶指向矢的方向，同时这也会导致折射率的轴对称分布，使得液晶单元具有了透镜的功能。目前，电控液晶透镜技术经过多年发展已趋于成熟，但由于其具有结构简单、制作成本低、功耗低、无机械运动部件、易批量生产等特点，仍得到广大研究人员与商界的广泛关注。

在现有的技术条件下，科研人员设计出了具有会聚、发散、调焦、摆焦等各种光学特性的液晶微透镜，并在结构上不断地改进创新。当上层电极板为第一电极时，下层电极板为平面电极，中间增加液晶腔，通过这种不对称的电极结构，可达到会聚光束的效果。目前可以会聚光束的液晶微透镜已经发展的比较成熟，为了达到发散光束的作用，有人提出了双层结构，即上极板分为两层，第一层为平板电极，第二层为微孔阵列电极，下级板同样为平板电极。通过给上极板两层电极加载不同的电压值，可以达到正负透镜的效果。但是这种结构存在一定的弊端，上极板的两层结构中间需要使用绝缘层，以此来隔绝极板间的相互影响，这样就增加了液晶盒的厚度。同时，由于绝缘层的存在，极板所需电压也大大增加。这样就使得液晶制作成本升高，功耗增大，结构更复杂。如何在保持液晶微透镜结构简单、制作成本低、功耗低、易批量生产的前提下实现会聚与发散一体化的作用，成为了目前液晶微透镜技术的一个新的研究发展问题。此外，如何锐化点扩散函数即减小光斑尺寸，如何扩展液晶微透镜的调谐范围，增大焦距范围，如何实现通光口径的扩展即增加电场填充系数，如何实现会聚与发散一体化，仍是液晶微透镜研究的热点。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种双模一体化液晶微透镜阵列，其集会聚与发散功能一体化，而且其上极板采用单层板，通过对上极板与下极板加载不同的电压，可以达到多种控光效果，具有聚光能力可电调、相应速度快、多种控光模式的特点。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种双模一体化液晶微透镜阵列，包括上下布置的上极板、下极板以及设置在所述上极板和下极板之间的液晶和两列间隔子，每个所述间隔子均通过AB胶实现与所述上板板和下板板的胶粘，其特征在于，

所述液晶位于两列所述间隔子之间，并且所述上极板和下极板之间还设置灌封胶，以实现液晶在所述上极板和下极板之间的空间的密封安装，并且两列间隔子之间的空间的每一端也被所述灌封胶封闭；

所述上极板包括从上至下依次设置的第一基片、电极图案和第一PI膜，所述电极图案包括相互绝缘的第一电极和第二电极，所述第一电极为微孔电极，该第一电极包括第一导电层和阵列布置在所述第一导电层中的多个微孔，所述第二电极包括中心导电层、第二导电层、多根导电引出线和多根导电连接线，每个所述中心导电层分别位于一个所述微孔内，所述第一导电层上设置有便于各导电引出线和各导电连接线走线的让位槽，所述导电连接线阵列布置，所述导电引出线相互平行；

在每列的中心导电层中，任意相邻的两个中心导电层分别通过一根导电连接线连接；

各列中心导电层的同一端的各中心导电层分别通过一根导电引出线与所述第二导电层连接；

所述下极板包括从下至上依次设置的第二基片、ITO膜和第二PI膜；

所述第二PI膜的上表面具有多条相互平行的第一微槽，所述第一PI膜的下表面具有多条相互平行的第二微槽，并且所述第二微槽与第一微槽平行，液晶填入各第一微槽和各第二微槽内。

优选地，所述中心导电层呈正方形、五角星形、梯形、圆形、锯齿圆形或十字形。

优选地，所述中心导电层的中心与所述微孔的中心一致。

优选地，所述上极板和下极板之间的间距为18μm～22μm，所述微孔的直径为100μm～128μm，所述中心导电层的外接圆的直径为4μm～8μm，所述导电引出线的宽度为0.8μm～1μm，所述导电连接线的宽度为0.8μm～1μm，所述电极图案的厚度为20nm～30nm，所述第一PI膜的厚度为50nm～60nm，所述第二PI膜的厚度为50nm～60nm。

优选地，所述电极图案的材料选自铬、ITO、银、金中的一种。

优选地，所述第一基片为石英玻璃或苏打玻璃，所述第二基片为石英玻璃或苏打玻璃。

优选地，所述第一基片和第二基片均为长方形，所述第一微槽与所述第一基片的任一边缘平行。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)当电压单独加载于上极板的第一电极和下极板的ITO膜之间时，液晶微透镜阵列工作于凸透镜状态，可以达到良好的会聚光束的作用。此工作状态下，与现在发展比较成熟的第一电极微透镜能达到的功能与效果相当。

(2)当电压单独加载于上极板的第二电极和下极板的ITO膜之间时，液晶微透镜阵列工作于凹透镜状态，即可将入射光束发散。这相对于双层的双模一体化微透镜，实现了结构上的简化从而降低了制作工艺难度。同时单层结构，也可增加光的透过率，增加光束能量的利用率。

(3)通过微透镜阵列工作在凹透镜辅助凸透镜状态下的双模式共同作用，可以使得光束的点扩散函数更加锐利。在现有技术下，液晶微透镜会聚光束的能力也有一定的限度。首先就体现在点扩散函数的半波宽上。通过本实用新型的结构，在凸透镜工作在良好的状态时，适当加载给第二电极电压，改变液晶的分布，从而可以锐利光束的会聚焦斑。

(4)通过凹透镜辅助凸透镜或凸透镜辅助凹透镜状态的双模式共同作用，可以使得液晶微镜的调焦拥有更灵活的方法以及更广的焦距范围。传统的液晶微镜，仅通过改变第一电极的电压实现调焦，其调焦范围较小。本实用新型的结构在拥有传统第一电极微透镜的会聚功能的同时，还可以实现两种模式的重聚焦，当其在凸透镜工作状态下，会聚效果不明显时，即凸透镜没有在最佳会聚电压以及焦距处时，除了可以通过改变加载在凸透镜的电压来实现光束会聚，也可以通过对中心导电层加载电压，来实现聚焦，第二种方法得到的焦距要大于凸透镜单独工作时的焦距。此方法的原理仍是改变了透镜微腔中的液晶分布，通过中心导电层辅助第一电极，实现了等效凸透镜的镜面逐渐趋于平缓，从而达到扩展焦距的目的。

(5)通过双模式共同作用，可以使得液晶微透镜的散焦焦距逐渐增大。当液晶微镜处于负透镜的工作状态下时，对第一电极加载适当的电压，使得液晶分布改变，从而入射光束被收缩，液晶微镜的发散光圈直径明显减小，散焦焦距增加。

(6)通过双模式工作状态，可以增加电场的填充系数。在第一电极单独工作时，其边缘会有一部分与下极板形成均匀电场，而此时给中心的中心导电层加载电压，便会影响到边缘部分，边缘部分的电场不再均匀分布，从而改变边缘部分的液晶分布。

附图说明

图1是本实用新型的双模一体化液晶微透镜阵列的剖面示意图；

图2是本实用新型的双模一体化液晶微透镜阵列的加载电压时的示意图；

图3a～图3f是本实用新型中微孔内的中心导电层的不同形状的示意图；

图4是本实用新型的双模一体化液晶微透镜阵列工作在凸透镜的状态下电场线的分布图；

图5是本实用新型的双模一体化液晶微透镜阵列工作在凹透镜辅助凸透镜状态下电场线的分布图；

图6是本实用新型的双模一体化液晶微透镜阵列工作在凹透镜的状态下电场线的分布图；

图7是本实用新型的双模一体化液晶微透镜阵列工作在凸透镜辅助凹透镜的状态下电场线的分布。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1、图2，一种双模一体化液晶微透镜阵列，包括上下布置的上极板1、下极板2以及设置在所述上极板和下极板之间的液晶4和两列间隔子3，每个所述间隔子3均通过AB胶实现与所述上板板1和下板板2的胶粘；

所述液晶4位于两列所述间隔子3之间，并且所述上极板1和下极板2之间还设置灌封胶，以实现液晶4在所述上极板1和下极板2之间的空间的密封安装，并且两列间隔子之间的空间的每一端也被所述灌封胶封闭；

所述上极板1包括从上至下依次设置的第一基片11、电极图案12和第一PI膜13，所述第一基片11为石英玻璃或苏打玻璃，所述电极图案12的材料选自铬、ITO、银、金中的一种，所述图案化电极层为减小杂散光的干扰，优选铬作为导电金属，首先铬作为惰性金属在制备过程中不与弱酸弱碱反应，其次其表面光泽度与铝相近，可以达到预计抗杂光的效果；所述电极图案12包括相互绝缘的第一电极111和第二电极112，所述第一电极111为微孔1112电极，该第一电极111包括第一导电层1111和阵列布置在所述第一导电层1111中的多个微孔1112，所述微孔1112为M行、N列，其中M、N均为大于1的整数，图1中示出了4行、5列。所述第二电极112包括中心导电层1121、第二导电层1122、多根导电引出线113和多根导电连接线114，每个所述中心导电层1121分别位于一个所述微孔1112内，所述中心导电层1121呈正方形、五角星形、梯形、圆形、锯齿圆形或十字形，并且所述中心导电层1121的中心与所述微孔1112的中心一致，所述第一导电层1111上设置有便于各导电引出线113和各导电连接线114走线的让位槽115，所述导电连接线114阵列布置，所述导电引出线113相互平行；

在每列的中心导电层1121中，任意相邻的两个中心导电层1121分别通过一根导电连接线114连接；

各列中心导电层1121的同一端的各中心导电层1121分别通过一根导电引出线113与所述第二导电层1122连接；

第一电极111和第二电极112为各自独立的电极，ITO膜22作为公共电极，加载电压时，可在第一电极111和ITO膜22之间加载电压(凸透镜状态)和/或在第二电极112和ITO膜22之间加载电压(凹透镜状态)，中心导电层1121通过细线(导电连接线114和导电引出线113)与第二导电层1122电连接，在第二导电层1122和ITO膜22之间加载电压后，第二导电层1122通过细线来实现对中心导电层1121传导电流；

所述下极板2包括从下至上依次设置的第二基片21、ITO膜22和第二PI膜23，所述第二基片21为石英玻璃；

所述第二PI膜23的上表面具有多条相互平行的第一微槽，所述第一PI膜13的下表面具有多条相互平行的第二微槽，并且所述第二微槽与第一微槽平行，液晶4填入各第一微槽和各第二微槽内。

进一步，所述上极板1和下极板2之间的间距为18μm～22μm，优选20μm，所述微孔1112的直径为100μm～128μm，所述中心导电层1121的外接圆的直径为4μm～8μm，所述导电引出线113的宽度为0.8μm～1μm，所述导电连接线114的宽度为0.8μm～1μm，所述电极图案12的厚度为20nm～30nm，所述第一PI膜的厚度为50nm～60nm，所述第二PI膜的厚度为50nm～60nm。

进一步，所述第一基片11和第二基片21均为长方形，所述第一微槽与所述第一基片11的任一边缘平行。

按照本实用新型的另一个方面，还提供了所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)上极板1的制备：

1.1)清洗：依次使用丙酮、异丙醇和水对第一基片11进行超声清洗各5-10分钟并烘干；

1.2)镀膜：采用电子束蒸发镀膜工艺，在经过清洁处理的第一基片11的其中一个表面电镀导电金属，然后经过清洁处理；

1.3)清洗：依次使用丙酮、异丙醇和水对镀有导电金属的第一基片11进行超声清洗各5-10分钟后烘干；

1.4)涂胶：用匀胶机在导电金属上涂敷光刻胶然后烘干5-20分钟；

1.5)无掩膜光刻：采用激光直写技术让光刻胶感光，以便于后续制作电极图案12，此过程处理耗时约20-40分钟；

1.6)显影：用显影液来对光刻胶显影，以让需要去除的一部分光刻胶与需要保留的一部分光刻胶形成色差；

1.7)干法刻蚀：采用感应耦合等离子金属刻蚀工艺，用平行离子束刻蚀掉需要去除的一部分光刻胶和需要去除的一部分导电金属，从而使保留的一部分导电金属形成设定的电极图案12，保留的一部分光刻胶的形状与电极图案12的形状一致；刻蚀时间主要取决于导电金属的厚度，本实施例的导电金属的膜厚30nm，一般刻蚀时间为1-1.5分钟，此次刻蚀时间加至3-3.5分钟；

1.8)切片：采用晶圆切片机，利用刀片对贴附在蓝膜或UV膜上的第一基片11进行切割，切片完成后进行对第一基片11进行清洁；上述第1.7)步保留一部分光刻胶是为了在切片过程中保护电极图案12；

1.9)去胶清洗：依次使用丙酮、异丙醇和水对第一基片11进行超声清洗各5-10分钟，使得第7)步保留的一部分光刻胶被去除，然后将第一基片11烘干；

1.10)电学性质测试：在探针台上将探针与第一电极111和第二电极112接触，确保第一电极111和第二电极112相互绝缘；通过测试第一电极111和第二电极112的导电特性，当探针台测得的电阻达到兆欧级别，即可认为两块区域相互绝缘。

1.11)涂胶：在电极图案12远离第一基板的表面上用匀胶机涂敷第一PI(聚酰亚胺)层；涂胶头的旋转速度、放置时间分别为1200转/分钟、10秒，涂胶时速、涂胶时间分别为3500转/分钟、30秒；

1.12)露出电极：将已涂敷第一PI膜13的第一基片11转移至80℃-100℃的热板上预热，预热5分钟，在第一PI膜13固化前，使用棉签蘸取酒精在第一PI膜13上擦涂，使第一电极111的边缘和第二电极112的边缘均露出，以便于加载电压；

1.13)固化：预热完毕后，将热板升温至220℃～240℃，使第一PI膜13固化；

1.14)摩擦定向：固化结束后，待第一基片11冷却下来后，用戎布摩擦第一PI膜13远离电极图案12的表面，在PI膜上形成第一平行微槽，用于后续液晶4的初始定向，以此方式，形成上极板1；

2)下极板2的制备：

2.1)取与切片后的第一基片11大小一致的第二基片21，在第二基片21的一面镀上ITO膜22，依次使用丙酮、乙醇和水对第二基片21进行超声清洗各5-10分钟后烘干；

2.2)涂胶：在ITO膜22远离第二基板的表面上用匀胶机涂敷第二PI膜23；

2.3)露出ITO膜：将已涂敷第二PI膜23的第二基片21转移至热板上预热，预热温度为80℃～100℃，在第二PI膜23固化前，使用棉签蘸取酒精在第二PI膜23上擦涂，使ITO膜22的边缘露出，以便于加载电压；

2.4)固化：预热完毕后，将热板升温，使第二PI膜23固化；

2.5)摩擦定向：固化结束后，待第二基片21冷却下来后，用戎布摩擦第二PI膜23，在第二PI膜23的表面形成第二平行微槽，以用于后续液晶4的初始定向，以此方式，形成下极板2；

3)组装：

3.1)固定上极板1和下极板2：将上极板1和下极板2的第一PI膜13和第二PI膜23相对，在第一PI膜13和第二PI膜23之间使用直径为20μm的玻璃微球做间隔子，使上极板1与下极板2之间形成腔体，并通过AB胶实现间隔子与第一PI膜13和第二PI膜23的粘结；AB胶一般是放置24小时待胶完全凝固。

3.2)封装：利用虹吸方式将液晶4灌满腔体，并用封装材料譬如灌封胶来封闭腔体，以此方式，制成所述双模一体化液晶微透镜阵列。

按照本实用新型的另一个方面，还提供了所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列的应用，具体如下：

参照图4，在上极板1的第一电极111和下极板2的ITO膜22之间加载电压，使双模一体化液晶微透镜阵列工作于凸透镜状态，从而达到会聚光束的作用；

或者，参照图6，在上极板1的第二电极112与下极板2的ITO膜22之间加载电压，使双模一体化液晶微透镜阵列工作于凹透镜状态，即可将入射光束发散；

或者，参照图5，在上极板1的第一电极111和下极板2的ITO膜22之间加载电压，使双模一体化液晶微透镜阵列工作于凸透镜状态的情况下，在上极板1的第二电极112与下极板2的ITO膜22之间加载设定的电压(实际操作中，此电压根据第一电极111和ITO膜22之间加载的电压来设定)，以改变液晶4的分布，从而达到锐利光束的会聚焦斑以及增加电场的填充系数的效果，此为凹透镜辅助凸透镜的工作状态。

或者，参照图7，在上极板1的第二电极112与下极板2的ITO膜22之间加载电压，使双模一体化液晶微透镜阵列工作于凹透镜状态的情况下，在上极板1的第一电极111和下极板2的ITO膜22之间加载设定的电压(实际操作中，此电压根据第二电极111和ITO膜22之间加载的电压来设定)，从而达到增加焦距的效果，此为凸透镜辅助凹透镜的工作状态。

本实用新型具体制备过程同传统液晶4盒的制备有不同之处，主要区别就在于电极图案12的制备，原因是电极图案12的精度需要控制在μm及以下级别，最窄的细线(导电连接线114和导电引出线113)的宽度也约为0.8μm-1μm，因此紫外光刻无法达到参数要求，采用了激光直写技术。

选取铬作为电极材料而不使用常用的铝电极，是因为在显影步骤中，铝会和显影液反应，制备过程中发现会有细线反应断裂的情况，因此选取铬电极并采用干法刻蚀的工艺。

判断双模一体化液晶微透镜阵列的成品是否达到参数要求可以总结为以下两点：(一)在光学显微镜下观察给中心导电层1121通电的细线是否断裂。(二)使用探针台测试电学性质，主要操作就是将探针接触第一电极111和第二电极112，因为通过分别给它们加载电压(分别需与ITO膜22结合来加载电压)可以分别使液晶4微透镜阵列达到凹透镜和凸透镜的效果，所以第一电极111和第二电极112必须绝缘，在电学性质上不能相互影响，当它们之间的电阻达到兆欧级别甚至更高，便可判断该片达到了参数要求。以上便是本实用新型制备过程中所需注意的内容。

下面详细说明本实用新型实施例的双模一体化液晶微透镜阵列的测试过程：

1)首先，向第一电极111和ITO膜22加载电压，液晶4在电场的驱控下形成设定的空间排布形态，从而产生对应于光的梯度等效折射率分布，通过加载的电压值的不断增加，光束汇聚效果逐渐明显，可以得到一个焦距变化折线图；

2)在中心导电层1121和ITO膜22加载电压，液晶4层的液晶4空间排布形态改变，形成了可以发散光束的凹透镜，通过加载电压不断增加，我们可以得到一个负焦变化折线图，发散光圈也逐渐外扩；

3)在双模式共同作用下，液晶4会出现一种崭新的分布状态，基于此，分别测试了以下内容：

3.1)在凸透镜聚焦效果良好的情况下，逐渐给凹透镜增加电压，此时点扩散函数发生改变，半波宽逐渐减小。当加载凹透镜的电压超过一定阈值，光束会聚效果则会消失。

3.2)加载在中心导电层1121的电压分别固定在较小的几个值，通过给第一电极111加载电压，我们同样可以得到微透镜的焦距变化的折线图，此折线图表明由于中心导电层1121的存在，液晶4微透镜的焦距实现扩展。

3.3)在凹透镜散焦的状态下，逐渐增加凸透镜的电压，散焦焦圈逐渐向中心靠拢，计算所得焦距也逐渐增加。通过对中心导电层1121的研究，我们还得到了其可以扩展电场填充系数的能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双模一体化液晶微透镜阵列，包括上下布置的上极板、下极板以及设置在所述上极板和下极板之间的液晶和两列间隔子，每个所述间隔子均通过AB胶实现与所述上极板和下极板的胶粘，其特征在于，

所述液晶位于两列所述间隔子之间，并且所述上极板和下极板之间还设置灌封胶，以实现液晶在所述上极板和下极板之间的空间的密封安装，并且两列间隔子之间的空间的每一端也被所述灌封胶封闭；

所述上极板包括从上至下依次设置的第一基片、电极图案和第一PI膜，所述电极图案包括相互绝缘的第一电极和第二电极，所述第一电极为微孔电极，该第一电极包括第一导电层和阵列布置在所述第一导电层中的多个微孔，所述第二电极包括中心导电层、第二导电层、多根导电引出线和多根导电连接线，每个所述中心导电层分别位于一个所述微孔内，所述第一导电层上设置有便于各导电引出线和各导电连接线走线的让位槽，所述导电连接线阵列布置，所述导电引出线相互平行；

在每列的中心导电层中，任意相邻的两个中心导电层分别通过一根导电连接线连接；

各列中心导电层的同一端的各中心导电层分别通过一根导电引出线与所述第二导电层连接；

所述下极板包括从下至上依次设置的第二基片、ITO膜和第二PI膜；

所述第二PI膜的上表面具有多条相互平行的第一微槽，所述第一PI膜的下表面具有多条相互平行的第二微槽，并且所述第二微槽与第一微槽平行，液晶填入各第一微槽和各第二微槽内。

2.根据权利要求1所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列，其特征在于，所述中心导电层呈正方形、五角星形、梯形、圆形、锯齿圆形或十字形。

3.根据权利要求2所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列，其特征在于，所述中心导电层的中心与所述微孔的中心一致。

4.根据权利要求1所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列，其特征在于，所述上极板和下极板之间的间距为18μm～22μm，所述微孔的直径为100μm～128μm，所述中心导电层的外接圆的直径为4μm～8μm，所述导电引出线的宽度为0.8μm～1μm，所述导电连接线的宽度为0.8μm～1μm，所述电极图案的厚度为20nm～30nm，所述第一PI膜的厚度为50nm～60nm，所述第二PI膜的厚度为50nm～60nm。

5.根据权利要求1所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列，其特征在于，所述电极图案的材料选自铬、ITO、银、金中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列，其特征在于，所述第一基片为石英玻璃或苏打玻璃，所述第二基片为石英玻璃或苏打玻璃。

7.根据权利要求1所述的一种双模一体化液晶微透镜阵列，其特征在于，所述第一基片和第二基片均为长方形，所述第一微槽与所述第一基片的任一条边平行。

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