CN102692781A - 一种谐衍射型液晶变焦透镜及其阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐衍射型液晶变焦透镜及其阵列，包括液晶盒、填充在液晶盒内的液晶和电控装置，所述液晶盒由第一基板、第二基板及连接第一基板和第二基板的间隔物构成，第一基板和第二基板的内表面分别设有导电层，在至少一个基板的导电层上覆盖有定向层，其特征在于：其中至少一个基板的内表面具有谐衍射透镜结构，所述谐衍射透镜结构满足谐衍射条件。本发明有利于精确控制液晶层的厚度，有助于液晶分子的排列，减小变焦透镜的响应时间，并可实现消色差，有利于变焦透镜的加工和复制。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元器件，具体涉及一种变焦透镜，尤其是一种基于谐衍射结构的液晶变焦透镜及透镜阵列，透镜的焦距可通过施加外加电压信号进行快速调节。
背景技术
变焦透镜在摄影、视力矫正、机器视觉，三维显示等领域都存在广泛应用。根据变焦原理不同主要可分为两大类变焦透镜：第一类通过改变透镜的曲率半径等几何参数实现变焦，如Membrane lens、Surface-tension lens等；第二类通过改变透镜材料的折射率实现变焦，主要包括液晶变焦透镜等。
相对于第一类变焦透镜，第二类变焦透镜无需微型机械泵、微型伺服电机等机械运动装置和部件，而且对外界环境的干扰不敏感，具有结构简单、性能稳定等优势。被认为是最具前景的变焦透镜技术之一。
基于液晶的变焦透镜，利用液晶材料的双折射性能，通过外加电压改变液晶分子的取向，从而改变液晶材料的折射率，最终实现变焦。早期利用液晶实现变焦的技术报导包括有：日本专利JP 52-32348和JP 61-4586、美国专利U.S. Patent 4,190,330和U.S. Patent 4,037,929等。这类变焦透镜通常采用导电的球面透镜和导电平板玻璃组成液晶盒并在液晶盒里填充足量液晶，利用折射原理实现聚焦和变焦。这类折射型变焦透镜的口径小、响应速度慢、透光率低。
日本专利JP 60-50510公开了一种基于连续面型菲涅耳透镜的液晶变焦透镜，在一定程度上缓解了上述折射型变焦透镜存在的问题，但是仍然存在中间区域和边缘区域的液晶响应速度不一致；存在杂散光干扰等问题。美国专利U.S. Patent 4,904,063提出了两种优化的基于连续面型菲涅耳透镜结构的液晶变焦透镜。但是这种变焦透镜结构仍然存在响应速度慢、加工难度大，不利于液晶分子进行定向排列等问题。
美国专利U.S. Patent 4,909,626、美国专利申请U.S. Patent Application 2006/0164593 A1等公开了基于平面菲涅耳圆环型电极结构的液晶变焦透镜。这种结构改善了液晶分子的定向排列，但是制作这种电极的难度大、成本高，不适合批量制作，而且这种透镜结构还存在色差、衍射效率低等问题。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种谐衍射型液晶变焦透镜及其阵列，利用谐衍射结构实现变焦，以解决现有技术中液晶变焦透镜响应速度慢、加工难度大、存在色差等问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种谐衍射型液晶变焦透镜，包括液晶盒、填充在液晶盒内的液晶和电控装置，所述液晶盒由第一基板、第二基板及连接第一基板和第二基板的间隔物构成，第一基板和第二基板的内表面分别设有导电层，在至少一个基板的导电层上覆盖有定向层，其特征在于：其中至少一个基板的内表面具有谐衍射透镜结构，所述谐衍射透镜结构满足谐衍射条件。
上文中，所述定向层为现有技术，其作用是使液晶分子按特定的方向排列。定向层通常是一薄层高分子有机物，并经摩擦处理；也可以通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。所述电控装置连接两个基板的导电层，为变焦透镜提供电压信号，以改变液晶的折射率。
上述技术方案中，所述谐衍射透镜结构与液晶形成透镜的聚焦功能，所述谐衍射透镜结构应满足的“谐衍射条件”是指衍射透镜的相位深度为2Pπ，其中P为谐衍射级次，取值大于1的整数。本领域技术人员根据普通衍射透镜的谐衍射条件，可以确定本发明的谐衍射透镜结构应当符合的条件。在APPLIED OPTICS第34卷第14期（1995年5月10日）第2469-2475页公开的“Harmonic diffractive lenses”一文中，即对衍射透镜的谐衍射条件进行了说明。
上述技术方案中，所述谐衍射型液晶变焦透镜及其阵列的焦距变化规律满足透镜的谐衍射规律。即： 
’
，其中int[·] 表示取整运算，其中F为谐衍射型液晶变焦透镜的焦距；P为谐衍射级次；f 0为常数；m是透镜的衍射级；α LC 表示由液晶的折射率变化而引起的相位变化因子，可取值
，其中n ’ LC (V)是外加电压值为V时液晶材料的折射率，n 0是外加电压为0时液晶材料的折射率，n p是由于谐衍射透镜结构形成的不同区域的材料的折射率；λ0是设计波长。
上述技术方案中，所述谐衍射型液晶变焦透镜可以在单波长条件下使用，也可以在宽带光源下使用，在宽带光源下使用时可具有谐衍射结构的消色差特性。本领域技术人员根据普通谐衍射透镜结构的消除色差规律，可以确定本发明的谐衍射透镜结构应当符合的条件。
上述技术方案中，所述谐衍射透镜结构可以是连续相位结构、也可以是离散相位台阶结构。
一种谐衍射型液晶变焦透镜阵列，采用上述谐衍射型液晶变焦透镜作为透镜单元，各透镜单元排列构成阵列。
所述透镜单元可以按正交排列、六边形蜂窝状排列、随机排列或其它排列方式构成阵列。
根据具体的制作情况，各透镜单元的液晶盒的第一基板互相连接为一体结构，各第二基板互相连接为一体结构。或者，各透镜单元的液晶盒为分体结构，分别制作后排成阵列。
阵列中的各透镜单元可以分别采用各自的电控装置控制，以实现任意透镜单元的变焦，也可以采用同一电控装置进行整体控制，实现透镜阵列的整体变焦。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明基于谐衍射结构的液晶变焦透镜遵循谐衍射规律进行变焦，这种变焦方式其它透镜无法实现。
2.本发明在基板上设置谐衍射型液晶变焦透镜的结构，有利于精确控制液晶层的厚度，有助于液晶分子的排列，减小变焦透镜的响应时间，并可实现消色差。
3.本发明采用谐衍射结构，有利于变焦透镜的加工和复制。
附图说明
图1是实施例一的侧剖面示意图。
图2是实施例一的谐衍射透镜相位结构的侧剖面示意图。
图3是实施例二的侧剖面示意图。
图4是实施例二的谐衍射透镜相位结构的侧剖面示意图。
图5是实施例三谐衍射型液晶变焦透镜阵列结构的俯视图。
其中，1、液晶盒；2、液晶；3、电控装置；4、第一基板；5、第二基板；6、间隔物；7、谐衍射透镜结构；8、导电层；9、定向层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见附图1至附图2所示，图1是本实施例中由液晶盒，液晶，电控装置构成的谐衍射型液晶变焦透镜的侧剖面示意图，所述液晶盒的一个基板的内表面具有浮雕型离散相位谐衍射透镜结构。图2是本实施例中谐衍射透镜的相位结构的侧剖面示意图。
本实施例的谐衍射型液晶变焦透镜，包括液晶盒1、液晶2、电控装置3，所述液晶盒包括第一基板4、第二基板5、间隔物6，所述液晶2填充在液晶盒1内部的空间中，所述电控装置3连接第一基板4和第二基板5，所述第一基板4的内表面上具有离散相位谐衍射透镜结构7，所述谐衍射结构表面和第二基板内表面镀有导电层8，所述第二基板的导电层上覆盖一层定向层9，用于液晶分子的定向。
本实施例中所述的离散相位谐衍射透镜结构7的相位分布满足图2所示的结构，其中P为谐衍射级次，P大于1。离散相位谐衍射透镜结构是谐衍射透镜结构中的一种，本发明所述谐衍射透镜结构采用离散相位谐衍射透镜结构，但是并不局限于此。
实施例二：参见附图3至附图4所示，图3是本实施例中由液晶盒，液晶，电控装置构成的谐衍射型液晶变焦透镜的侧剖面示意图，所述液晶盒的一个基板的内表面具有连续相位的谐衍射透镜结构。图4是本实施例中谐衍射透镜的相位结构的侧剖面示意图。
本实施例的谐衍射型液晶变焦透镜，包括液晶盒1、液晶2、电控装置3，所述液晶盒包括第一基板4、第二基板5、间隔物6，所述液晶2填充在液晶盒1内部的空间中，所述电控装置3连接第一基板4和第二基板5，所述第一基板4的内表面上具有连续相位的谐衍射透镜结构7，所述谐衍射结构表面和第二基板内表面镀有导电层8，所述第二基板的导电层上覆盖一层定向层9，用于液晶分子的定向。
本实施例中所述的连续相位谐衍射透镜结构7的相位满足图2所示的结构，其中P为谐衍射级次，P大于1。具有连续相位的谐衍射透镜结构是谐衍射结构中的一种，本发明所述谐衍射透镜结构采用连续相位的谐衍射透镜结构，但是并不局限于此。
实施例三：参见附图5所示，图5是本实施例中由液晶盒组成的阵列、液晶、电控装置构成的谐衍射型液晶变焦透镜阵列的俯视示意图。
本实施例的谐衍射型液晶变焦透镜阵列，包括由多个液晶盒1正交排列组成的液晶盒阵列，液晶2、电控装置3。所述液晶盒阵列包括两个基板和间隔物，所述基板至少有一个基板的内表面具有谐衍射透镜结构，所述液晶盒阵列组成的单元图中所示是正交排列，也可以采用六边形蜂窝状排列、随机排列等等。所述电控装置可以对任意透镜单元分别进行控制，实现任意透镜单元的变焦，也可以对透镜阵列整体进行控制，实现透镜阵列的整体变焦。
本实施例中所述的谐衍射透镜结构满足谐衍射条件。
Claims (10)
1. 一种谐衍射型液晶变焦透镜，包括液晶盒、填充在液晶盒内的液晶和电控装置，所述液晶盒由第一基板、第二基板及连接第一基板和第二基板的间隔物构成，第一基板和第二基板的内表面分别设有导电层，在至少一个基板的导电层上覆盖有定向层，其特征在于：其中至少一个基板的内表面具有谐衍射透镜结构，所述谐衍射透镜结构满足谐衍射条件。
2. 根据权利要求1所述的谐衍射型液晶变焦透镜，其特征在于：谐衍射透镜结构满足的谐衍射条件是指衍射透镜的相位深度为2Pπ，其中P为谐衍射级次，取值大于1的整数。
3. 根据权利要求1所述的谐衍射型液晶变焦透镜，其特征在于：所述谐衍射透镜结构是连续相位结构。
4. 根据权利要求1所述的谐衍射型液晶变焦透镜，其特征在于：所述谐衍射透镜结构是离散相位台阶结构。
5. 一种谐衍射型液晶变焦透镜阵列，其特征在于：采用权利要求1至4中任一种谐衍射型液晶变焦透镜作为透镜单元，各透镜单元排列构成阵列。
6. 根据权利要求5所述的谐衍射型液晶变焦透镜阵列，其特征在于：阵列中的各透镜单元分别采用各自的电控装置控制，或者采用同一电控装置进行整体控制。
7. 根据权利要求5所述的谐衍射型液晶变焦透镜阵列，其特征在于：所述透镜单元按正交排列构成阵列。
8. 根据权利要求5所述的谐衍射型液晶变焦透镜阵列，其特征在于：所述透镜单元按六边形蜂窝状排列构成阵列。
9. 根据权利要求5所述的谐衍射型液晶变焦透镜阵列，其特征在于：所述透镜单元按随机排列构成阵列。
10. 根据权利要求5所述的谐衍射型液晶变焦透镜阵列，其特征在于：各透镜单元的液晶盒的第一基板互相连接为一体结构，各第二基板互相连接为一体结构。
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