一种偏振相关的平面液晶透镜及其制备方法与流程

本发明涉及液晶取向控制技术领域，尤其涉及一种偏振相关的平面液晶透镜及其制备方法。

背景技术：

增强现实技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术。能将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成，把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,触觉等)通过电脑模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，实现真实环境和虚拟物体实时地叠加到了同一个画面或空间。

增强现实技术不仅在与虚拟现实技术相类似的应用领域，由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比vr技术更加明显的优势。

现有的液晶透镜主要是液晶曲面透镜或柱状透镜，需借助树脂模具制成，加工难度高、成本高，且产品合格率低，所得二元透镜器件的衍射效率最高仅为41％。且因现有的液晶透镜大多数为非平面的光学元件，其使用也受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种偏振相关的平面液晶透镜，第一基板与第二基板相对而置，间隔粒子保持二者间距，二基板内侧面覆有电极膜和光控取向膜，基板之间为液晶层，光控取向膜中分子指向矢方向周期渐变的多个同心圆的微区图形控制液晶层中的液晶分子指向矢按其同心圆的周期性渐变分布。本液晶透镜的效率提高，且结构简单，成本低。

本发明的另一目的是设计一种偏振相关的平面液晶透镜的制备方法，在基板上形成电极膜，其上旋涂形成附着于基板一侧的光控取向膜，在第一基板内侧均匀喷洒间隔粒子，二基板相对用ab胶连接封装。对二基板上的光控取向膜多步部分重叠曝光，形成周期渐变分子指向矢方向的多个同心圆的微区图形。二基板上之间灌注液晶层，设置两个电极膜之间的电压差，得到液晶透镜。本方法易于加工，产品的良率提高，制备成本降低。

本发明设计的一种偏振相关的平面液晶透镜包括相对设置的透明的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和第二基板之间的液晶层。

所述第一基板与第二基板之间设置有均布的间隔粒子，保持二基板的间距均匀，支撑所述液晶层。所述间隔粒子为相同的直径3～8微米的绝缘球，相邻间隔粒子的间距为3～8微米。调整间隔粒子的尺寸控制第一基板和第二基板之间的距离。

所述第一基板与第二基板相对的内侧面上分别附有电极膜，所述二电极膜相对的内侧面上分别附有光控取向膜。所述光控取向膜具有分子指向矢方向呈二维周期性渐变分布的同心圆结构的微区图形，光控取向膜中分子指向矢方向周期渐变的微区图形控制液晶层中的液晶分子指向矢的周期性渐变分布，使入射液晶透镜的圆偏振光转换为具有聚焦特性的出射光。

所述微区图形为n个同心渐变圆环，2≤n≤50，,每个圆环为一个渐变周期，同一微区图形中n个同心圆环由中心向外周期逐渐变小，n个同心圆环由中心向外环上的光控取向膜分子指向方向从0°渐变到接近180°。

进一步的，所述液晶层为双频液晶，双频液晶由正性液晶和负性液晶混合而成，在外加低频电场时其介电各向异性为正，高频电场时其介电各向异性为负；所述光控取向膜的材料为偶氮染料。

本发明提供的一种偏振相关的平面液晶透镜的制备方法，包括如下步骤：

ⅰ、涂覆电极膜的基板

透明玻璃的一面涂覆有氧化铟锡(ito)导电膜，透明玻璃为基板，ito导电膜为电极膜；

为增加光控取向膜与第一基板和第二基板的浸润性和粘附性，对基板进行处理，用丙酮和酒精混合的氧化铟锡导电膜洗液对基板进行超声清洗20～40分钟，然后再用超纯水超声清洗2～4次，每次清洗时间为8～15分钟。在110℃～130℃烘箱中烘干30～50分钟后，进行紫外臭氧(uvo)清洗20～40分钟。

ⅱ、形成光控取向膜

将光控取向材料旋涂在步骤ⅰ完成的覆有电极膜的基板的电极膜外侧，并将旋涂有光控取向材料的基板作退火处理。

可选地，光控取向材料旋涂于覆有电极膜的基板的电极膜外侧，低速旋涂4～6秒，转速700～900转/分钟，高速旋涂30～50秒，转速2800～3200转/分钟；之后将旋涂有光控取向材料的基板退火8～12分钟，退火温度为80～120℃，形成附着于基板一侧的光控取向膜。

ⅲ、基板封装

取步骤ⅱ完成的2块附有光控取向膜的基板分别作为第一基板和第二基板，在第一基板附有光控取向膜的面上均匀喷洒间隔粒子，第一基板和第二基板附有光控取向膜的一面相对，两块基板用ab胶连接封装。

ⅳ、光控取向膜的取向处理

对步骤ⅲ封装为一体的第一基板和第二基板上的光控取向膜进行3～m步部分重叠的曝光，2≤m≤10，形成周期渐变分子指向矢方向的微区图形。

本步骤采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；相邻步骤曝光图形的曝光区域部分重叠，所述诱导光偏振方向随曝光次序单调增加或单调减小。

所述平面液晶透镜的微区图形有n个同心圆环为n个周期，2≤n≤50,由内向外为t1，t2，t3…tn，每个周期沿径向分为m等份，即同一周期的圆环分为m个宽度相等的子环。t1分为t11、t12…t1m，t2分为t21、t22…t2m，……tn分为tn1、tn2…tnm。第一次曝光对应的诱导光偏振方向为0°，第一次曝光图形的曝光区域为t1的t11和t12、t2的t21和t22、t3的t31和t32，…tn的tn1和tn2。第二次曝光对应的诱导光偏振方向为(180/m)°，第二次曝光图形的曝光区域为t1的t12和t13、t2的t22和t23、t3的t32和t33，…tn的tn2和tn3。依次类推，至第m次曝光对应的诱导光偏振方向为(m-1)×(180/m)°,第m次曝光图形的曝光区域为t1的t11和t1m、t2的t21和t2m、t3的t31和t3m，……tn的tn1和tnm。

每次曝光对应的诱导光偏振方向单调增加或单调减小，第二次开始每次曝光图形的曝光区域均与前一次的曝光图形的曝光区域部分重叠，各周期的各部分均重复曝光两次。每次的曝光量小于1.3w/cm²，不足以使光控取向膜的分子指向矢方向排布达到稳定，两次曝光剂量的总和使得其处于稳定状态，并且光控取向膜的分子指向矢方向介于所经历的两次曝光的偏振角度的中间态。

从而在光控取向膜上形成多个同心圆环构成的、且分子指向矢方向呈由0°向180°周期性渐变分布的微区图形。

ⅴ、灌注液晶层

在步骤ⅲ封装为一体的第一基板和第二基板上之间灌注液晶层，所述二基板水平放置，液晶和二基板加热至60～90℃，将液态的液晶注入二基板之间，透明的基板和透明的液晶可清晰地观察液晶的填充状态，当液晶充满二基板之间的空间，静置，降温到液晶恢复晶态，光控取向膜的微区图形控制液晶层中的液晶分子指向矢按其同心圆的周期性渐变分布。即得到本发明的偏振相关的平面液晶透镜，在偏光显微镜下可清晰看到液晶织构。

使用时若需要则设置本平面液晶透镜两个电极膜之间的电压差，导电夹分别夹在第一、第二基板上，导电夹连接产生交流电信号数字信号发生器，第一、第二基板上的电极膜之间形成预设电压差，为25伏。

与现有技术相比，本发明一种偏振相关的平面液晶透镜的优点为：1、光控取向膜中分子指向矢方向的微区图形控制液晶层中的液晶分子指向矢的周期性渐变分布，入射本液晶透镜的圆偏振光转换为具有聚焦或发散特性的出射光；2、液晶层为对偏振光敏感的材料，本液晶透镜的双聚焦特性可由入射光的偏振状态控制热，通过选择右旋圆偏振入射光或左旋圆偏振入射光，可以获得不同偏振状态的衍射光斑，由本例透镜集成的透镜阵列可满足增强现实显示等领域的应用需求；3、设定外加电场为25v,1khz/80khz时，电场作用下获得亚毫秒量级双焦点透镜的工作响应时间；4、本平面液晶透镜的衍射效率提高显著，理论效率为100％，实验测得效率高达95％；5、为平面光学元件，轻便，易集成，且电光可调、偏振可控和宽波段适用，且结构简单，成本低廉，适于增强现实技术的应用。

本发明一种液晶透镜的制备方法的优点为：无需借助树脂模具成型，易于加工，产品的良率提高，制备成本降低。

附图说明

图1为本偏振相关的平面液晶透镜实施例的剖面结构示意图；

图2为本偏振相关的平面液晶透镜实施例光控取向膜的分子指向矢方向呈二维周期性渐变分布的微区图形示意图；

图3为本偏振相关的平面液晶透镜实施例液晶层中液晶分子指向矢方向周期渐变分布的模拟示意图；

图4a为本偏振相关的平面液晶透镜实施例的双聚焦特性焦距f为正的示意图；

图4b为本偏振相关的平面液晶透镜实施例的双聚焦特性焦距f为负的示意图；

图5a为本偏振相关的平面液晶透镜实施例的非互易特性示意图；

图5b为本偏振相关的平面液晶透镜实施例的非互易特性示意图；

图6为本偏振相关的平面液晶透镜的制备方法实施例的流程示意图；

图7a为本偏振相关的平面液晶透镜的制备方法实施例步骤ⅳ的微区图形分区曝光示意图；

图7b为本偏振相关的平面液晶透镜的制备方法实施例步骤ⅳ的第一次曝光图形示意图；

图7c为本偏振相关的平面液晶透镜的制备方法实施例步骤ⅳ的的第二次曝光图形示意图；

图7d为本偏振相关的平面液晶透镜的制备方法实施例步骤ⅳ的第三次曝光图形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

偏振相关的平面液晶透镜实施例

本偏振相关的平面液晶透镜实施例剖面结构如图1所示，包括相对设置的透明的第一基板11和第二基板12，以及位于所述第一基板11和第二基板12的液晶层13；其中，本例第一基板11上均布有直径为5微米的绝缘球形间隔粒子14，相邻的间隔粒子的间距为5微米。

本例第一基板11与第二基板12相对的内侧面上分别附有电极膜，二电极膜相对的内侧面上分别附有光控取向膜。本例光控取向膜具有分子指向矢方向呈二维周期性渐变分布的n＝30个同心圆构成的微区图形，每个明暗相间的同心圆环为一个渐变周期，n个同心圆环由中心向外周期逐渐变小，n个同心圆环由中心向外环上的光控取向膜分子指向方向从0°渐变到180°，如图2所示；光控取向膜的微区图形的锚定作用，控制液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布的多个同心圆，每个圆环为一个周期。当入射光的寻常光和非寻常光的相位差等于π的情况下在偏振显微镜下本例液晶透镜实施例的织构如图3所示，多个同心圆环每个周期内的液晶指向矢方向呈渐变分布，图中由暗到亮表示液晶指向矢方向从0°渐变为180°。

本例偏振相关的平面液晶透镜的液晶层为双频液晶；本例双频液晶使用的是一种特殊的液晶(jc-dflc-01)，由正性液晶和负性液晶混合而成。双频液晶具有在外加低频电场时材料的介电各向异性为正，高频电场时介电各向异性为负的特性。所述光控取向膜的材料为偶氮染料。

当液晶取向层的空间指向矢呈周期性渐变分布，满足pb(pancharatnam-berry)相位透镜的轮廓时，由衍射性原理可知，通过pb相位在空间的不均匀分布，光按不同的衍射角导向不同方向。与传统的菲涅耳透镜不同的是，pb相位透镜在工作状态时抑制高级次的衍射，只存在三个衍射级次，分别对应零级和正负一级，其正负一级两个级次分别表现为汇聚和发散的状态，因此pb相位透镜衍射效率大大提高。

本例偏振相关的平面液晶透镜的光控取向膜上设置分子指向矢方向呈二维周期性渐变分布的控制图形，在所述控制图形的控制下，所述液晶层中的液晶分子指向矢呈周期性渐变分布，相当于pb相位透镜，也只存在零级和正负一级三个衍射级次。

本例偏振相关的平面液晶透镜的二基板之间的间隔粒子可根据需要选取，以调整第一基板和第二基板之间的距离。本例实验时选用的直径为5微米的间隔粒子，实现了入射光在本例液晶透镜中的寻常光和非寻常光的相位差大于或者等于π，此时控制施加在本例液晶透镜二电极膜上的电压差，使零级高斯光束消失，本例液晶透镜正负一级的衍射效率理论上可达到100％，本例实施中达到95％。

本偏振相关的平面液晶透镜实施例对入射光的波长没有限制，可实现对任意波长入射光的聚焦作用。本液晶透镜实施例对不同偏振模式的入射光产生汇聚或发散的不同效果。图4a和图4b为本液晶透镜实施例双聚焦特性示意图，图4a表示，当入射光为右旋圆偏振rhc(偏振片与四分之一波片光轴的夹角角度为-45°)时，经本液晶透镜实施例，转换为负一级衍射的聚焦光斑，即出射光聚焦于另一侧的焦点处，转换后的出射光为左旋圆偏振光，本液晶透镜实施例的焦距f为正。图4b表示，当入射光为左旋圆偏振lhc(偏振片与四分之一波片光轴的夹角角度为45°)时，经本液晶透镜实施例，转换为正一级衍射的发散光斑，即出射光聚焦于另一侧的焦点处，转换后的出射光为右旋圆偏振光，本液晶透镜实施例的焦距f为负。

本实施例提供的液晶透镜具非互易性特点。以入射右旋光为例，当液晶透镜与光传播方向一致时表现为凸面透镜(f＞0)；当液晶透镜与光传播方向相反时表现为凹面透镜(f＜0)。图5a和图5b为本液晶透镜实施例具有的非互易特性示意图。对于特定偏振的圆偏光，当入射光为右旋圆偏振且传播方向与透镜方向相同时，经所述液晶透镜转换为负一级衍射的聚焦光斑，如图4a所示；当入射光为右旋圆偏振且传播方向与透镜方向相反时，经所述液晶透镜转换为负一级衍射的发散光斑，如图5a所示；同理于左旋圆偏振光，传播方向与透镜方向相同时，经所述液晶透镜转换为负一级衍射的发散光斑，如图4b所示；当入射光为左旋圆偏振且传播方向与透镜方向相反时，经所述液晶透镜转换为负一级衍射的聚焦光斑，如图5b所示。

本例液晶透镜的液晶层为双频液晶；双频液晶的显著特点是其介电各向异性随外加电场频率的改变而变化。所述液晶层所用的双频液晶介电常数各向异性随频率的升高逐渐减小，到达临界频率时介电各向异性为零，超过临界频率后变为负值。本例在1khz及以下的低频电场下，分子沿电场方向排列，入射光在所述液晶透镜中的寻常光和非寻常光的相位差为零，液晶透镜不具有汇聚或发散作用，可作为所述液晶透镜的关态；在本例80khz的高频电场下，分子垂直于电场方向排列，液晶透镜具有汇聚或发散的衍射作用，可作为所述液晶透镜一级衍射开态。

与向列相液晶盒相比，本例偏振相关的平面液晶透镜为双频液晶盒，具有更快的响应时间和更大的相转变。以入射右旋圆偏光为例，通过控制施加在本例液晶透镜第一基板和第二基板上的电压频率分别为1khz和80khz，产生高低频连续变化的电压差。在液晶透镜的工作焦点处测得液晶透镜在开态与关态之间切换的响应时间控制在亚毫秒量级。

偏振相关的平面液晶透镜的制备方法实施例

本液晶透镜的制备方法实施例流程图如图6所示，包括如下步骤：

ⅰ、涂覆电极膜的基板

透明玻璃的一面涂覆有氧化铟锡(ito)导电膜，透明玻璃为基板，ito导电膜为电膜；

用丙酮和酒精混合的氧化铟锡导电膜洗液对基板进行超声清洗30分钟，然后再用超纯水超声清洗2次，每次清洗时间为10分钟。在120℃烘箱中烘干40分钟后，进行紫外臭氧(uvo)清洗30分钟。

ⅱ、形成光控取向膜

光控取向材料室温10℃～35℃下旋涂于覆有电极膜的基板的电极膜外侧，低速旋涂5秒，转速800转/分钟，高速旋涂40秒，转速3000转/分钟；之后将旋涂有光控取向材料的基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成附着于基板一侧的光控取向膜。

ⅲ、基板封装

取步骤ⅱ完成的2块附有光控取向膜的基板分别作为第一基板和第二基板，在第一基板附有光控取向膜的面上均匀喷洒间隔粒子，第一基板和第二基板附有光控取向膜的一面相对，两块基板用ab胶连接封装。

选取不同尺寸的间隔粒子调整第一基板和第二基板之间的距离，实现入射光在所述液晶透镜中的寻常光和非寻常光的相位差大于或者等于π。本例选用间隔粒子直径5微米。

ⅳ、光控取向膜的取向处理

对步骤ⅲ封装为一体的第一基板和第二基板上的光控取向膜本例进行3步部分重叠的曝光，形成周期渐变分子指向矢方向的微区图形。

本例采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序，选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光；相邻步骤曝光图形的曝光区域部分重叠，所述诱导光偏振方向随曝光次序单调增加或单调减小。

本例平面液晶透镜设计的微区图形的n＝30个同心圆环为30个周期，由内向外为t1，t2，t3…tn。图7a只表示出t1，t2和t3，每个周期沿径向分为3等份，即同一周期的圆环分为3个宽度相等的子环。t1分为t11、t12和t13，t2分为t21、t22和t23，t3分为t31、t32和t33。第一次曝光对应的诱导光偏振方向为0°，第一次曝光图形如图7b所示，曝光区域为t1的t11和t12、t2的t21和t22、t3的t31和t32，t13、t23和t33被遮挡。第二次曝光对应的诱导光偏振方向为(180/3)＝60°，第二次曝光图形如图7c所示，曝光区域为t1的t12和t13、t2的t22和t23、t3的t32和t331，t11、t21和t31被遮挡。依次类推，至第3次曝光对应的诱导光偏振方向为2×(180/3)＝120°,第3次曝光图形如图7d所示，曝光区域为t1的t11和t13、t2的t21和t23、t3的t31和t3，t12、t22和t32被遮挡。

需要说明的是，图7示例性的选择三步重叠曝光，即m＝3,并非对本发明实施例的限制，在实际使用中，可根据实际需求选择曝光次数，以及每个周期均分的数量。

每次曝光对应的诱导光偏振方向单调增加或单调减小，第二次开始每次曝光图形的曝光区域均与前一次的曝光图形的曝光区域部分重叠，各周期的各部分均重复曝光两次。每次的曝光量≤1.3w/cm²使光控取向膜的分子指向矢方向排布达到稳定，两次曝光剂量的总和使得其处于稳定状态，并且光控取向膜的分子指向矢方向介于所经历的两次曝光的偏振角度的中间态。

从而在光控取向膜上形成多个同心圆环构成的、且分子指向矢方向呈由0°向180°周期性渐变分布的微区图形。

光控取向膜的微区图形中的每个周期圆环均分的子环数量m越多，曝光次数越多，即诱导光偏振光的偏振角度(180/m)°越小，，液晶指向矢方向呈周期性渐变分布得越均匀，本透镜衍射效率越接近理论值100％。

ⅴ、灌注液晶层

在步骤ⅲ封装为一体的第一基板和第二基板上之间灌注液晶层，所述二基板水平放置，液晶和二基板加热至80℃，将液态的液晶注入二基板之间，透明的基板和透明的液晶可清晰地观察液晶的填充状态，当液晶充满二基板之间的空间，静置，降温到液晶恢复晶态，光控取向膜的微区图形控制液晶层中的液晶分子指向矢按其同心圆的周期性渐变分布。在偏光显微镜下可清晰看到液晶织构，得到本偏振相关的平面液晶透镜。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。