屈光单元及屈光单元制作方法与流程

本发明涉及光学透镜领域，具体而言，涉及一种屈光单元及屈光单元制作方法。

背景技术：

现有的具有偏振选择性的屈光透镜多为普通薄透镜和双折射晶体例如方解石晶体的组合，其孔径受制于透镜整体厚度而难以做大，较大的孔径通常带来较高的盒厚导致响应速度大幅降低，使其在不同屈光状态之间的转换效果较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种屈光单元，其通过光配向层对液晶涂层内液晶分子的作用实现偏振选择性，整体厚度更薄，相对孔径更大。

本发明的另一目的在于提供一种屈光单元制作方法，其能够使液晶涂层具有较高的环向配向均匀性。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种屈光单元，包括透明基底、光配向层和液晶涂层，所述光配向层位于所述透明基底与所述液晶涂层之间，所述透明基底为具有本征屈光度的透镜，与所述光配向层接触的所述液晶涂层内的液晶分子按照预设规则排列，以使所述液晶涂层对处于第一偏振方向的偏振光具有与所述透明基底相同折射率，对处于第二偏振方向的偏振光具有与所述透明基底不同的折射率。

在本发明较佳的实施例中，所述透明基底与所述光配向层接触的表面设有同心环状纹理结构。

在本发明较佳的实施例中，所述光配向层通过旋涂工艺覆盖于所述同心环状纹理结构表面。

在本发明较佳的实施例中，所述液晶涂层将涂覆有所述光配向层的所述同心环状纹理结构填平。

在本发明较佳的实施例中，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向正交。

第二方面，本发明实施例还提供一种屈光单元制作方法，应用于屈光单元制作系统，所述系统包括旋转平台、掩模、起偏器、旋光器和辐照装置，所述方法包括：

将设有光配向层的透明基底放置于所述旋转平台上，其中，所述透明基底为具有本征屈光度的透镜；

驱动所述旋转平台以第一角速度旋转；

开启所述辐照装置，所述辐照源射出的辐照光依次经过所述起偏器、所述旋光器和所述掩模入射到所述光配向层上，以对所述光配向层进行配向，其中，所述旋光器以第二角速度旋转；

将液晶材料涂布在所述光配向层上形成液晶涂层，以使所述液晶涂层内的液晶分子受所述光配向层作用按照预设规则排列；

对所述液晶涂层进行固化形成屈光单元。

在本发明较佳的实施例中，所述将设有光配向层的透明基底放置于所述旋转平台上之前，所述方法还包括：

将光配向剂通过旋涂的方式涂覆于所述透明基底表面以形成所述光配向层。

在本发明较佳的实施例中，所述辐照装置的出光与所述旋光器的旋转同步开启。

在本发明较佳的实施例中，所述旋光器为二分之一波片时，所述第一角速度为所述第二角速度的两倍。

在本发明较佳的实施例中，所述屈光单元制作系统还包括设置于所述旋光器和所述旋转平台之间的同步装置，以使所述旋转平台旋转一圈之后，穿过所述掩模的辐照光的偏振方向回到初始状态。

本发明实施例提供的屈光单元及屈光单元制作方法，通过利用光配向层对液晶涂层内的液晶分子进行配向，使液晶涂层内各处的液晶分子都能保持较为一致的排列有序度，以使在所有方向上都能够获得较好的偏振选择效果。相对于现有技术，本发明实施例中提供的屈光单元通过将具有本征屈光度的透明基底和光配向层及具有偏振选择性的液晶涂层结合，其在保持较高的屈光度和较短的作用光程即较薄的整体厚度的情况下，能够达到更高的相对孔径，使得其对光束响应速度更快，对处于不同偏振态的偏振光的选择性屈光效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的屈光单元制作系统的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的屈光单元的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的菲涅尔结构的示意图；

图4为本发明第一实施例提供的屈光单元内液晶涂层分子排布的示意图；

图5为本发明第二实施例提供的屈光单元制作方法的流程图；

图6为本发明第二实施例提供的屈光单元制作方法在T＝0时刻的配向示意图；

图7为本发明第二实施例提供的屈光单元制作方法在T＝t时刻的配向示意图。

图标：100-辐照装置；200-起偏器；300-旋光器；400-掩模；500-旋转平台；600-屈光单元；1000-屈光单元制作系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“放置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本发明实施例提供了一种屈光单元制作系统1000，包括辐照装置100、起偏器200、旋光器300、掩模400和旋转平台500，由所述辐照装置100射出的辐照光束可以依次经过所述起偏器200、旋光器300和掩模400入射到旋转平台500上。

在本实施例中，辐照装置100可以为紫外灯管，以输出功率稳定的紫外光。起偏器200可以是偏振片或格兰汤普森棱镜，所述紫外光经过起偏器200之后，出射的光束为具有一定偏振方向的线偏振光。所述旋光器300可以为二分之一波片或法拉第旋转镜等旋光器件，所述线偏振光经过所述旋光器300后，其偏振方向会发生变化，如果旋光器300以某个角速度进行旋转，则穿过旋光器300的线偏振光的偏振方向也会发生相应的旋转。所述掩模400表面涂有消光材料，掩模400形状为圆形且和所述旋转平台500同心设置，以使所述旋转平台500在旋转时，所述掩模400和所述旋转平台500的相对位置不发生改变。所述掩模400上设有扇形开口，所述扇形开口的半径为掩模400自身的半径。

所述旋光器300和旋转平台500都可通过电控机械装置以某个角速度进行旋转，且旋光器300和旋转平台500旋转的角速度可以分别调节。由于机械误差的存在，当所述旋光器300和旋转平台500旋转一定圈数以后，可能会出现偏离理论位置的情况，此时可以通过在所述旋光器300和旋转平台500之间设置额外的同步装置，以使旋光器300和旋转平台500旋转过一定圈数之后调零。在需要长时间辐照的情况下，所述同步装置可以使穿过掩模400的辐照光的偏振方向偏离理论位置的误差减小。

第一实施例

请参照图2，本实施例提供了一种屈光单元600，其包括透明基底、光配向层和液晶涂层，所述光配向层位于所述透明基底与所述液晶涂层之间。

所述透明基底可以是具有本征屈光度的透镜。通常实现透镜本征屈光度的方式有多种，本实施例中，所述透明基底的本征屈光度可以是通过在所述透明基底表面设置同心环状纹理结构来实现的。所述同心环状纹理结构可以是多个半径由大到小的同心环形沟槽，或是多个半径由大到小的同心环形凸缘。

请参照图3，图中左侧所示为同心环状纹理结构的截面图，图中右侧为具有本征屈光度的普通平凸透镜结构的截面图。从图中可以理解的是，同心环状纹理结构和普通平凸透镜结构的各对应位置的凸面曲率是一致的，而设有同心环状纹理结构的透镜厚度相比普通透镜来说更薄。也就是说，在本征屈光本领相同的情况下，所述同心环状纹理结构可以相当程度的减少透镜整体的厚度。由于光的折射只发生在不同介质的交界面，普通的用于屈光的凸透镜的镜片较厚，光在透镜中间传播的路径变长，使得光束发生衰减，如果透镜的厚度变薄，则能够减少光的衰减。使用本实施例中提供的同心环状纹理结构的优势在于，在节省透镜本身材料的同时，通过比较薄的作用光程就能达到较高的相对孔径(通光孔径和焦距之比)，即在屈光度相同的情况下，相比普通凸面屈光镜，本实施例中提供的设有同心环状纹理结构的透明基底能够做到更大的通光孔径，使透镜的成像效果更为理想。

所述光配向层通过旋涂的方式均匀涂覆在所述透明基底设有同心环状纹理结构的表面，以使所述同心环状纹理结构的每个环形沟槽内壁都覆盖有所述光配向层。使用旋涂方式将光配向剂涂敷在所述透明基底表面，以形成所述光配向层的优势在于，光配向层内分子的排列分布更为均匀，使得在所述透明基底涂覆有所述光配向层的表面的每一处，其配向初始环境都相同，利于之后对所述光配向层配向以及对所述液晶涂层配向。所述光配向层可以是各种具有光配向性质的材料，例如偶氮类材料、光降解类材料或光交联类材料。

所述液晶涂层涂覆在覆盖有所述光配向层的所述透明基底的表面上，且所述液晶涂层将所述同心环状纹理结构的环形凹槽填平，以使穿过所述透明基底的任意方向的光都能经过所述液晶涂层。本实施例中，所述液晶涂层可以是聚合物液晶材料，所述液晶涂层经由电磁辐射诱导聚合的方式获得固化，以使所述透明基底上表面的每一处的所述液晶涂层都经过所述光配向层的充分作用，并具有稳定的偏振选择性。

请参照图4，在本实施例中，所述液晶涂层经过所述光配向层的配向完成之后，所述液晶涂层内的液晶分子都按照预设规则进行排列，即每个液晶分子的长轴方向一致。由于所述液晶涂层内每个液晶分子的排列方向都相同，使得所述液晶涂层的每一处对于入射光的偏振选择性都相同，既具有高度均匀的偏振选择性。所述液晶涂层对处于第一偏振方向的偏振光具有与所述透明基底相同折射率，对处于第二偏振方向的偏振光具有与所述透明基底不同的折射率。在本实施例中，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向正交，这是由于，所述液晶涂层对偏振方向正交的两束线偏振光产生的屈光效果差异最明显。

本实施例中提供的液晶涂层对处于所述第一偏振方向的入射光，与所述透明基底有着相同的折射率，即所述液晶涂层对具有所述第一偏振方向的入射光相当于一面平光透镜，经过所述液晶涂层之后，处于所述第一偏振方向的光的方向并不发生改变。与此相对，对处于所述第二偏振方向的入射光，所述液晶涂层具有和所述透明基底不同的折射率，此时所述液晶涂层就相当于一面具有屈光本领的屈光透镜，且当所述第二偏振方向与所述第一偏振方向正交时，所述液晶涂层对处于所述第二偏振方向的入射光的屈光作用最精确，所述精确可以理解为，对全部处于所述第二偏振方向的入射光都产生了相同效果的折射。而处于所述第一偏振方向和所述第二偏振方向之间的偏振光，所述液晶涂层的屈光作用比较复杂，即会出现部分屈光、部分直透，或出现屈光度不一致等混合的情况。

在本实施例中，所述透明基底的材料可以是，对于形成所述光配向层的光配向剂的相应作用波段的紫外光具有较好透光率的玻璃或聚合物材料，例如聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，有机玻璃)。所述透明基底表面的所述同心环状纹理结构的每个环形沟槽的间距和深度，可以根据其应该达到的本征屈光度或在空气中的焦距f₀计算获得；而f₀则由所述屈光单元600的总体设计焦距f，和拟定填充的所述液晶涂层的液晶材料对于寻常光(以下简称o光)和非寻常光(以下简称e光)的折射率差求得。

对于负性液晶材料，n_o>n_e，如果基底的折射率与n_e相同，则

f₀＝f(n_o-n_e)/n_e，

若与n_o相同，则

f₀＝-f(n_o-n_e)/n_o；

对于正性液晶材料，n_e>n_o，如果基底的折射率与n_o相同，则

f₀＝f(n_e-n_o)/n_o，

若与n_e相同，则

f₀＝-f(n_e-n_o)/n_e。

由上述计算推导过程易于理解的是，聚合物液晶材料对于o光和e光的折射率差越高，越利于通过设计边缘曲面斜率更小、环形沟槽深度更浅的同心环状纹理结构，来获得同等的屈光度或相对孔径。可以这样理解，在具有同等屈光度或相对孔径的情况下，所述同心环状纹理结构的边缘曲面越平缓，在屈光单元600成像时边角变暗甚至模糊的现象就会得到越大的改善；而环形沟槽的深度越浅，其上覆盖的光配向层在深度方向的分子间作用力的分布就会更均匀，对靠近和远离所述光配向层的具有一定厚度的液晶涂层的配向效果差异就越小，对配向的要求也就越低。因此为了同时获得较短的焦距或者排列有序度，尽量选用具有较高折射率差值的材料来作为所述透明基底的材料。

第二实施例

请参照图5，本实施例提供了一种屈光单元制作方法，应用于屈光单元制作系统，所述系统包括旋转平台、掩模、起偏器、旋光器和辐照装置，所述方法包括：

步骤S700：将光配向剂通过旋涂的方式涂覆于所述透明基底表面以形成所述光配向层；

所述旋涂的具体步骤可以是，

将设置有同心环状纹理结构的所述透明基底放置于所述旋转平台上；

将选用的合适剂量的光配向剂滴在所述透明基底的所述同心环状纹理结构的中心；

驱动所述旋转平台旋转，直至所述光配向剂均匀覆盖所述透明基底设有所述同心环状纹理结构的表面；

固化经过旋涂后的所述光配向剂已形成所述光配向层。

步骤S710：将设有光配向层的透明基底放置于所述旋转平台上，其中，所述透明基底为具有本征屈光度的透镜；

本实施例中，所述透明基底设有所述同心环状纹理结构以形成其本征屈光本领，其中，所述透明基底设有所述同心环状纹理结构的一侧朝上放置在所述旋转平台上；

步骤S720：驱动所述旋转平台以第一角速度旋转；

可利用电控驱动装置驱动所述旋转平台按所述第一角速度旋转，所述旋转平台也可以是本身具有电控驱动功能来实现按所述第一角速度旋转，所述第一角速度可以根据具体实施方案的需求进行调节。

步骤S730：开启所述辐照装置，所述辐照源射出的辐照光依次经过所述起偏器、所述旋光器和所述掩模入射到所述光配向层上，以对所述光配向层进行配向，其中，所述旋光器以第二角速度旋转；

本实施例中提供的所述辐照装置可以为紫外灯管以输出恒定功率的紫外光，此时光配向层材料的选择要求是必须能够在紫外光下产生光配向反应。所述旋光器同样可以通过电控机械装置进行驱动并以所述第二角速度进行旋转。所述掩模设有扇形开口，以实现对光配向层的分区配向。特别的，本实施例中，选取的所述光配向层材料，在紫外光辐射下配向后的分子排列方向，与入射紫外光的偏振方向正交；所述辐照装置的出光与所述旋光器的旋转同步开启；所述旋光器可以是二分之一波片，此时，所述旋光器旋转的所述第二角速度为所述旋转平台旋转的所述第一角速度的二分之一。选择这样的角速度关系及光配向层材料的目的在于，可使位于具有旋转对称的同心环状纹理结构的所述透明基底表面各处的液晶分子在笛卡尔坐标系中具有均匀、一致的排列方向和有序度。

步骤S740：将液晶材料涂布在所述光配向层上形成液晶涂层，以使所述液晶涂层内的液晶分子受所述光配向层作用按照预设规则排列；

涂布液晶材料也可以使用旋涂或其他能够实现均匀涂布的方法，不过需要注意的是，涂布液晶材料时不能对光配向层造成损坏。

步骤S750：对所述液晶涂层进行固化形成屈光单元。

本实施例中提供的液晶涂层的材料可以是聚合物液晶材料，此时通过电磁辐射诱导聚合的方式可以使所述液晶涂层固化更快，以形成均匀且稳定的液晶分子配向，完成固化后聚合物液晶在基底上形成稳定的膜层，即屈光单元制作完成。

本实施例中，为了使具有同心环状纹理结构的屈光单元各处的液晶分子获得均匀且高有序度的排列，即为了使光配向层各处具有均匀且高有序度的分子排列，在涂布液晶的步骤S740之前，对光配向层采取了分区配向的方法。

请参照图6，将附着有配向层的透明基底固定于以角速度ω旋转的旋转平台上，而留有扇形开口的掩模则固定相对不动。在T＝0时刻，同步开启所述辐照装置和所述旋光器，所述旋光器的旋转角速度为ω/2，此时光配向层内分子排列方向和经过所述掩模入射到所述光配向层的辐照光的方向如图6中所示。所述光配向层内的分子在水平面内沿横向排列，而穿过所述掩模的辐照光在水平面内按纵向偏振。

请参照图7，在T＝t时刻，所述旋光器转过了角度θ＝ωt/2，所述旋转平台即所述光配向层转过了角度θ＝ωt，穿过所述掩模的辐照光和所述光配向在水平面内的偏振方向偏转了角度θ＝ωt，而受到所述辐照光辐照的所述光配向层内的分子排列方向始终与所述辐照光的偏振方向正交，此时所述光配向层内的分子排列方向也相对初始位置偏转了角度θ＝ωt。

当所述光配向层旋转一周过后，所述光配向层的每个区域内的分子按照预设规则排列，即所有分子在水平面内的排列方向一致。有时由于光源功率或穿过所述掩模的辐照光强度较低，难以在一圈以内完成均匀且高有序度的排列，此时需要重复配向多圈，而旋转多圈容易产生不能忽略的机械误差，此时通过在所述旋光器和所述旋转平台之间设置额外的同步装置，来保证所述旋转平台转过一圈之后，穿过所述掩模扇区窗口的辐照光偏振方向回到T＝0即初始时刻的状态。

本实施例提供的方法，将光配向技术、具有同心环状纹理结构的透明基底和液晶涂层结合，制作完成的具有偏振选择性的屈光单元，能够达到较高的环向配向均匀性、较大的单一相对孔径，以及较好的预倾角控制精度和排列有序度。

综上所述，本发明实施例提供的屈光单元及屈光单元制作方法，通过利用光配向层对液晶涂层内的液晶分子进行配向，使液晶涂层内各处的液晶分子都能保持较为一致的排列有序度，以使在所有方向上都能够获得较好的偏振选择效果。相对于现有技术，本发明实施例中提供的屈光单元通过将具有本征屈光度的透明基底和光配向层及具有偏振选择性的液晶涂层结合，其在保持较高的屈光度和较短的作用光程即较薄的整体厚度的情况下，能够达到更高的相对孔径，使得其对光束响应速度更快，对处于不同偏振态的偏振光的选择性屈光效果更好。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。