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CN108388025B - 镜片及其制作方法、眼镜和光学系统 - Google Patents

镜片及其制作方法、眼镜和光学系统 Download PDF

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CN108388025B CN201810195898.0A CN201810195898A CN108388025B CN 108388025 B CN108388025 B CN 108388025B CN 201810195898 A CN201810195898 A CN 201810195898A CN 108388025 B CN108388025 B CN 108388025B
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Abstract

本发明提出了镜片及其制作方法、眼镜和光学系统，该镜片包括依次层叠设置的菲涅尔液晶透镜和几何透镜。本发明所提出的镜片，其菲涅尔液晶透镜可电控制调整镜片的焦距，并且将菲涅尔液晶透镜还与几何透镜组合使用，菲涅尔液晶透镜的焦距和波长呈反比，而几何透镜的焦距和波长呈正比，这两者的组合可有效地减少普通光学原件的色差问题。

Description

镜片及其制作方法、眼镜和光学系统
技术领域
本发明涉及光学器件领域，具体的，本发明涉及镜片及其制作方法、眼镜和光学系统。
背景技术
在光学原理中，当一个发光点P经过衍射效应后在观察屏上接收到的光强分布为很多组亮暗交替的同心圆环，其中，以圆心C为起点到发光点P的距离为z1，且各个圆环外径和P点距离分别为z1+λ/2、z1+λ、…；再根据光路可逆原理，采用一组明暗交替的圆环作为光学调制膜，参考图1，则可以实现透镜一样的聚焦功能，这种奇数波带或者偶数波带被挡住的特殊光阑被称为菲涅尔波带片。
在制造菲涅尔波带片时，除了上述的偶数遮挡法以外，还可用相位补偿法，参考图2。具体就是，减小或者增加奇数带的厚度，从而使得光通过偶数带相对于奇数带产生π相位差，于是光通过奇数波带和偶数波带后会变成相同相位，进而互相加强，实现菲涅尔透镜的聚焦功能。
现阶段，补偿相位所用的台阶目前大部分是使用玻璃上刻蚀或者薄膜沉积实现浮雕形结构。但是，上述方法获得的菲涅尔透镜的焦距不可调，并且，由于菲涅尔透镜的焦距与波长呈反比，而容易存在色差的技术问题。
因此，目前的菲涅尔透镜的结构设计仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
本发明的发明人在研究过程中发现，采用不同电压控制液晶的转动进而得到液晶不同有效折射率，如此同样可以得到所需的相位分布台阶形貌，还可电控制调整镜片的焦距；并且，将上述的菲涅尔液晶透镜还与几何透镜组合使用，从而可有效地减少色差问题。
有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种可电控制调焦或者消除色差的镜片。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种镜片。
根据本发明的实施例，所述镜片包括依次层叠设置的菲涅尔液晶透镜和几何透镜。
发明人意外地发现，本发明实施例的镜片，其菲涅尔液晶透镜可电控制调整镜片的焦距，并且将菲涅尔液晶透镜还与几何透镜组合使用，菲涅尔液晶透镜的焦距和波长呈反比，而几何透镜的焦距和波长呈正比，这两者的组合可有效地减少普通光学原件的色差问题。
另外，根据本发明上述实施例的镜片，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述几何透镜为平凸透镜或平凹透镜。
根据本发明的实施例，所述菲涅尔液晶透镜包括依次层叠设置的第一基板、第一电极、液晶层、第二电极和第二基板，其中，所述第一电极包括：多个第一子电极，所述多个第一子电极间隔设置在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上；钝化层，所述钝化层设置在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上，且覆盖所述多个第一子电极；多个第二子电极，所述多个第二子电极间隔设置在所述钝化层靠近所述第二基板的表面上；并且，所述多个第一子电极和所述多个第二子电极都是同心设置的圆环，且所述第一子电极在所述第一基板上的正投影与所述第二子电极在所述第一基板上的正投影交替设置。
根据本发明的实施例，相邻的所述第一子电极在所述第一基板上的正投影和所述第二子电极在所述第一基板上的正投影之间没有间隙。
根据本发明的实施例，所述菲涅尔液晶透镜的每个环带中包括1-4个所述第一子电极和1-4个所述第二子电极。
根据本发明的实施例，所述几何透镜作为所述第一基板或所述第二基板。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种制作镜片的方法。
根据本发明的实施例，所述方法包括：提供菲涅尔液晶透镜；在所述菲涅尔液晶透镜的表面上形成几何透镜。
发明人意外地发现，采用本发明实施例的制作方法，可在菲涅尔液晶透镜的表面上形成几何透镜，从而可制作出菲涅尔液晶透镜还与几何透镜组合的镜片，其可电控制调整镜片的焦距，且其色差问题被有效地减少。
另外，根据本发明上述实施例的制作方法，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述提供菲涅尔液晶透镜的步骤包括在第一基板的表面上依次形成第一电极、液晶层、第二电极和第二基板；其中，所述形成第一电极的步骤包括：在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上，形成多个间隔的第一子电极；在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上，形成钝化层，且所述钝化层覆盖所述多个第一子电极；在所述钝化层靠近所述第二基板的表面上，形成多个间隔的第二子电极；而且，所述多个第一子电极和所述多个第二子电极都是同心设置的圆环，且所述第一子电极在所述第一基板上的正投影与所述第二子电极在所述第一基板上的正投影交替设置。
根据本发明的实施例，所述几何透镜作为所述第一基板或所述第二基板。
在本发明的第三方面，本发明提出了一种眼镜。
根据本发明的实施例，所述眼镜包括上述的镜片。
发明人意外地发现，本发明实施例的眼镜，其镜片的焦距可电控制调整、且色差问题更小，从而使该眼镜的度数可调、颜色更逼真。本领域技术人员能够理解的是，前面针对镜片所描述的特征和优点，仍适用于该眼镜，在此不再赘述。
在本发明的第四方面，本发明提出了了一种光学系统。
根据本发明的实施例，所述光学系统包括上述的镜片。
发明人意外地发现，本发明实施例的光学系统，其镜片的焦距可电控制调整、且色差问题更小，从而使该光学系统的放大倍率可调、颜色更逼真。本领域技术人员能够理解的是，前面针对镜片所描述的特征和优点，仍适用于该光学系统，在此不再赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有技术的菲涅尔波带片的聚焦原理示意图；
图2是现有技术刻蚀后形成的菲涅尔波带片的台阶结构的截面示意图；
图3是本发明一个实施例的镜片的截面结构示意图；
图4是本发明另一个实施例的镜片的截面结构示意图；
图5是本发明一个实施例的第一子电极和第二子电极排布方式的俯视示意图；
图6是本发明一个实施例的菲涅尔液晶透镜一个环带区域中六阶的截面结构示意图；
图7是本发明另一个实施例的镜片的截面结构示意图；
图8是本发明一个实施例的制作镜片的方法流程示意图。
附图标记
100 几何透镜
200 菲涅尔液晶透镜
210 第一基板
220 第一电极
221 第一子电极
222 钝化层
223 第二子电极
230 液晶层
240 第二电极
250 第二基板
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种镜片。参照图3～7，对本发明的镜片进行详细的描述。
根据本发明的实施例，参照图3，该镜片包括依次层叠设置的菲涅尔液晶透镜200和几何透镜100，且菲涅尔液晶透镜200和几何透镜100配合可调整该镜片的焦距。需要说明的是，本文中的“几何透镜”具体是指用透明物质制成的表面为球面一部分的内部结构均匀的光学元件，且该几何透镜可由玻璃或树脂等透明材料形成的；并且，“依次层叠设置”具体是指沿着光的方向层叠设置。
本发明的发明人在研究过程中发现，虽然菲涅尔液晶透镜200可通过电压控制液晶转动而实现镜片焦距的改变，但是菲涅尔液晶透镜200的焦距f2和波长λ呈反比(f＝100/D，D为度数)，会使得不同波长的光的焦距范围扩大，而容易存在色差问题。所以，发明人进一步在菲涅尔液晶透镜200的表面设置几何透镜100，由于几何透镜100的焦距f1和波长λ呈正比(几何透镜材料的折射率会随波长增加而减小)，从而对不同波长的光的焦距范围有缩小的效果，进而有效地减少色差问题。
根据本发明的实施例，几何透镜100的具体类型不受特别的限制，本领域技术人员可根据该镜片具体的功能进行相应地设计。在本发明的一些实施例中，可以为平凸透镜或平凹透镜，如此，可直接将平凸透镜或平凹透镜的几何透镜100贴附在菲涅尔液晶透镜200的表面上，从而使该镜片具有放大或缩小的功能。
根据本发明的实施例，参照图4，菲涅尔液晶透镜200包括依次层叠设置的第一基板210、第一电极220、液晶层230、第二电极240和第二基板250；其中，第一电极220(图4中未标出)可包括多个第一子电极221、钝化层222和多个第二子电极223，多个第一子电极221间隔设置在第一基板210靠近第二基板250的表面上，钝化层222设置在第一基板210靠近第二基板250的表面上且覆盖多个第一子电极221，多个第二子电极223间隔设置在钝化层222靠近第二基板250的表面上；并且，参照图5，多个第一子电极221和多个第二子电极223都是同心设置的圆环，且第一子电极221在第一基板210上的正投影与第二子电极223在第一基板210上的正投影交替设置。如此，通过控制第一电极与第二电极之间不同的驱动电压，从而可调控液晶的转动进而获得液晶的不同有效折射率，就可实现光程的等效台阶分布，即可等效出菲涅尔波带片，即可增强或减弱该镜片的lens power(度数)。并且，将第一电极中的第一子电极221与第二子电极223通过钝化层222错开且不同层设置，可有效地防止不同电压的第一子电极221与第二子电极223之间的短路问题。
在本发明的一些实施例中，参照图5，相邻的第一子电极221在第一基板210上的正投影和第二子电极223在第一基板210上的正投影之间可以没有间隙。如此，不同层设置的第一子电极221与第二子电极223在基板210上的正投影之间没有间隙，相对于现有的同层设置的第一子电极与第二子电极之间还需设置绝缘区域，通电后形成的菲涅尔波带片的准确度更高、汇聚效果更显著。
根据本发明的实施例，钝化层222的具体材料不受特别的限制，只要该种类的绝缘材料能使第一子电极221与第二子电极223相互绝缘即可，本领域技术人员可根据各个子电极的具体驱动电压进行相应地选择，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，菲涅尔液晶透镜200中环带的具体个数不受特别的限制，本领域技术人员可根据菲涅尔液晶透镜200所需的度数进行设计，在此不再赘述。根据本发明的实施例，第一子电极221和第二子电极223的具体个数都不受特别的限制，图4和图5中只画出了3个第一子电极221和3个第二子电极223作为示例，本领域技术人员可根据菲涅尔液晶透镜200中设计的环带个数进行相应地设计，在此不再赘述。
在本发明的一些实施例中，菲涅尔液晶透镜200的每个环带中可以包括1～4个第一子电极221和1～4个第二子电极223，如此，每个环带中的第一子电极221和第二子电极223分别处于不同的电位，从而可等效出每个环带中的多相位台阶的组合，进而可使菲涅尔液晶透镜200的聚焦效果更好、光效更好。
在一些具体示例中，每个环带中可包括3个第一子电极221和3个第二子电极223，参照图6，如此，在工作状态下，六个子电极从内至外分别处于V1～V6的不同电压，从而使不同位置的液晶转动不同角度而得到n1～n6的折射率分布。并且，这六组电压还需满足(n6-n1)·d＝5λ/6且(ni+1-ni)·d＝λ/6，其中，i为从内往外数的第i个第一子电极和第二子电极，n为调控的折射率，λ为波长。如此，采用上述的驱动电压可使菲涅尔液晶透镜200的每个环带中都等效形成六阶的多相位台阶，从而使菲涅尔液晶透镜200的光效更高。
根据本发明的实施例，工作状态下的各个子电极的具体电压值，都不受特别的限制，本领域技术人员可根据液晶层230具体的液晶材料和每个环带中相邻的两个子电极之间所需的光程差进行相应地设计和调整，在此不再赘述。根据本发明的实施例，液晶层230具体的材料不受特别的限制，只要该种类的液晶材料在不同的驱动电压下能形成不同的折射率即可，具体例如双折射率Δn为0.1～0.5的向列液晶，等等，本领域技术人员可根据所需的相位差进行相应地选择，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，各个第一子电极221和第二子电极223的具体宽度都不受特别的限制，只要各个子电极的宽度能满足菲涅尔透镜的汇聚条件即可，本领域技术人员可根据菲涅尔液晶透镜200的具体焦距和光波的波长进行相应地设计。在本发明的一些实施例中，第一子电极221和第二子电极223的宽度可以为
Figure BDA0001593089040000061
其中，i为从内往外数的第i个第一子电极和第二子电极，λ为波长。如此，采用上述各个宽度的子电极，菲涅尔液晶透镜200在工作状态下可实现圆形的菲涅尔波带片，从而使该镜片的lenspower(度数)进一步增强或减弱。
根据本发明的实施例，第一子电极221和第二子电极223的具体材料不受特别的限制，只要该材料的子电极具有导电功能和透明性即可，具体例如氧化铟锡(ITO)等，本领域技术人员可根据该子电极的具体位置进行相应地选择，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，菲涅尔液晶透镜200还可进一步包括信号线，信号线可设置在第一基板210与多个第一子电极221之间，如此，信号线可与第一子电极221直接电连接，而信号线通过钝化层222上的过孔可与第二子电极223电相连，从而对各个子电极的驱动电压实现电控制。根据本发明的实施例，信号线的具体材料不受特别的限制，具体例如氧化铟锡(ITO)等，本领域技术人员可根据驱动电压的大小进行选择。根据本发明的实施例，信号线的具体个数也不受特别的限制，本领域技术人员可根据每个环带中子电极的具体个数进行相应地设置，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，几何透镜100可以作为第一基板210或第二基板250，如此，可使镜片的厚度更薄、且制造成本更低。在本发明的一些实施例中，参照图7，几何透镜100可作为第二基板，如此，作为平凹透镜的几何透镜100，在起到第二基板作用的同时，还可使该镜片具有放大的功能。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种镜片，其菲涅尔液晶透镜可电控制调整镜片的焦距，并且将菲涅尔液晶透镜还与几何透镜组合使用，菲涅尔液晶透镜的焦距和波长呈反比，而几何透镜的焦距和波长呈正比，这两者的组合可有效地减少普通光学原件的色差问题。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种制作镜片的方法。参照图8，对本发明的制作方法进行详细的描述。根据本发明的实施例，参照图8，该制作方法包括：
S100：提供菲涅尔液晶透镜。
在该步骤中，提供制作好的菲涅尔液晶透镜200。根据本发明的实施例，制作菲涅尔液晶透镜200具体的方法和步骤不受特别的限制，本领域技术人员可根据菲涅尔液晶透镜200具体的结构进行相应地设计。
在本发明的一些实施例中，形成菲涅尔液晶透镜200的步骤可包括在第一基板210的表面上依次形成第一电极220、液晶层230、第二电极240和第二基板250；其中，形成第一电极的步骤还可包括：S110在第一基板210靠近第二基板250的表面上，形成多个间隔的第一子电极221；S120在第一基板210靠近第二基板250的表面上，形成钝化层222，且钝化层222覆盖多个第一子电极221；在钝化层222靠近第二基板250的表面上，形成多个间隔的第二子电极223；而且，多个第一子电极221和多个第二子电极223都是同心设置的圆环，且第一子电极221在第一基板210上的正投影与第二子电极223在第一基板210上的正投影交替设置。如此，采用上述方法可形成能增强或减弱该镜片度数的菲涅尔液晶透镜200。
根据本发明的实施例，相邻的第一子电极221在第一基板210上的正投影和第二子电极223在第一基板210上的正投影之间没有间隙。如此，形成的菲涅尔液晶透镜200的准确度更高、汇聚效果更显著。
S200：在菲涅尔液晶透镜的表面上形成几何透镜。
在该步骤中，在菲涅尔液晶透镜200的表面上形成几何透镜100，且几何透镜100和菲涅尔液晶透镜200配合可调整镜片的焦距。根据本发明的实施例，该几何透镜100可以为平凸透镜或平凹透镜，如此，可使该镜片具有放大或缩小的功能。
在本发明的一些实施例中，几何透镜100可作为第一基板210或第二基板250，如此，可形成厚度更薄的镜片且制造成本更低。在一些具体示例中，可将第二基板250抛光形成平凸透镜形状的几何透镜100，如此，该步骤获得的镜片可参考图7。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种制作方法，可在菲涅尔液晶透镜的表面上形成几何透镜，从而可制作出菲涅尔液晶透镜还与几何透镜组合的镜片，其可电控制调整镜片的焦距，且其色差问题被有效地减少。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种眼镜。根据本发明的实施例，该眼镜包括上述的镜片。
根据本发明的实施例，该眼镜的具体类型不受特别的限制，具体例如近视眼镜、远视眼镜、老花眼镜、散光眼镜和智能眼镜，等等，本领域技术人员可根据该眼镜的具体用途和实际使用者进行相应地设计，在此不再赘述。
需要说明的是，该眼镜除了上述的镜片以外，还包括其他必要的部件和结构，以近视眼镜为例，具体例如眼镜框、电线、控制面板和电源，等等，本领域技术人员可根据该眼镜的实际用途进行相应地补充，在此不再赘述。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种眼镜，其镜片的焦距可电控制调整、且色差问题更小，从而使该眼镜的度数可调、颜色更逼真。本领域技术人员能够理解的是，前面针对镜片所描述的特征和优点，仍适用于该眼镜，在此不再赘述。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种光学系统。根据本发明的实施例，该光学系统包括上述的镜片。
根据本发明的实施例，该光学系统的具体类型不受特别的限制，本领域技术人员可根据该光学系统的具体用途进行相应地设计，在此不再赘述。
需要说明的是，该光学系统了上述的镜片以外，还包括其他必要的部件和结构，本领域技术人员可根据该光学系统的具体种类进行相应地补充，在此不再赘述。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种光学系统，其镜片的焦距可电控制调整、且色差问题更小，从而使该光学系统的放大倍率可调、颜色更逼真。本领域技术人员能够理解的是，前面针对镜片所描述的特征和优点，仍适用于该光学系统，在此不再赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种镜片，其特征在于，包括依次层叠设置的菲涅尔液晶透镜和几何透镜，所述菲涅尔液晶透镜的焦距与波长呈反比，所述几何透镜的焦距与波长呈正比；
其中，所述菲涅尔液晶透镜包括依次层叠设置的第一基板、第一电极、液晶层、第二电极和第二基板，其中，所述第一电极包括：
多个第一子电极，所述多个第一子电极间隔设置在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上；
钝化层，所述钝化层设置在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上，且覆盖所述多个第一子电极；
多个第二子电极，所述多个第二子电极间隔设置在所述钝化层靠近所述第二基板的表面上；
并且，所述多个第一子电极和所述多个第二子电极都是同心设置的圆环，且所述第一子电极在所述第一基板上的正投影与所述第二子电极在所述第一基板上的正投影交替设置；
而且，所述第一子电极和所述第二子电极的宽度为
Figure FDA0002823417480000011
其中，i为从内往外数的第i个所述第一子电极和所述第二子电极，λ为波长；
所述菲涅尔液晶透镜的每个环带包括3个所述第一子电极和3个第二子电极，且6个所述子电极的电压不同，并且，6个所述电压满足(n6-n1)·d＝5λ/6且(ni+1-ni)·d＝λ/6，其中，i为从内往外数的第i个所述第一子电极和所述第二子电极，n为所述子电极对应位置的液晶折射率，λ为波长，d为所述第一子电极和所述第二子电极的宽度。
2.根据权利要求1所述的镜片，其特征在于，所述几何透镜为平凸透镜或平凹透镜。
3.根据权利要求1所述的镜片，其特征在于，相邻的所述第一子电极在所述第一基板上的正投影和所述第二子电极在所述第一基板上的正投影之间没有间隙。
4.根据权利要求1所述的镜片，其特征在于，所述几何透镜作为所述第一基板或所述第二基板。
5.一种制作镜片的方法，其特征在于，包括：
提供菲涅尔液晶透镜，所述菲涅尔液晶透镜的焦距与波长呈反比；
在所述菲涅尔液晶透镜的表面上形成几何透镜，所述几何透镜的焦距与波长呈正比；
其中，所述提供菲涅尔液晶透镜的步骤包括在第一基板的表面上依次形成第一电极、液晶层、第二电极和第二基板；其中，所述形成第一电极的步骤包括：
在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上，形成多个间隔的第一子电极；
在所述第一基板靠近所述第二基板的表面上，形成钝化层，且所述钝化层覆盖所述多个第一子电极；
在所述钝化层靠近所述第二基板的表面上，形成多个间隔的第二子电极；
而且，所述多个间隔的第一子电极和所述多个间隔的第二子电极都是同心设置的圆环，且所述第一子电极在所述第一基板上的正投影与所述第二子电极在所述第一基板上的正投影交替设置；
并且，所述第一子电极和所述第二子电极的宽度为
Figure FDA0002823417480000021
其中，i为从内往外数的第i个所述第一子电极和所述第二子电极，λ为波长；
所述菲涅尔液晶透镜的每个环带包括3个所述第一子电极和3个第二子电极，且6个所述子电极的电压不同，并且，6个所述电压满足(n6-n1)·d＝5λ/6且(ni+1-ni)·d＝λ/6，其中，i为从内往外数的第i个所述第一子电极和所述第二子电极，n为所述子电极对应位置的液晶折射率，λ为波长，d为所述第一子电极和所述第二子电极的宽度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述几何透镜作为所述第一基板或所述第二基板。
7.一种眼镜，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的镜片。
8.一种光学系统，包括权利要求1-4中任一项所述的镜片。
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