一种衍射装置的制作方法

本发明涉及衍射透镜领域，特别涉及一种衍射装置。

背景技术：

透镜是基本的光学器件，在光学设备中随处可见，随着光学技术的发展，对透镜的要求越来越高。例如透镜的形貌,由球面到非球面，其中尤其是柱面和抛物面的应用最为广泛；还有对透镜的体积和重量的要求，比如菲涅耳透镜，它具有体积小、重量轻、便于复制等优点而被广泛的应用。但现有的透镜的缺点是功能简单，衍射效果以及焦距固定,不可根据需要灵活改变。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是，提供一种衍射装置，该衍射装置具有多个焦距不同且能够根据外加电场的不同而变换衍射模式的衍射单元，且该多个衍射单元的工作模式可分别根据用户需要随意切换。

为了解决上述问题，本发明提供一种衍射装置,包括第一衍射单元，所述第一衍射单元包括:

第一基板,其一侧设有第一偏光片,另一侧设有第一电极；

第一衍射透镜，其设于所述第一电极上；

第二基板，其与所述第一基板相对设置，所述第二基板的与所述第一基板的所述另一侧相对的一侧设有第二电极；以及

第一液晶层，其设于所述第二电极与第一衍射透镜之间，所述第一液晶层中的液晶能够处于所述液晶的长轴方向与所述第一偏光片的透光轴的轴向平行的状态或者所述液晶的长轴方向与所述第一偏光片的透光轴的轴向垂直的状态。

作为优选，还包括第二衍射单元，所述第二衍射单元包括：

第三电极，其设于所述第二基板背离所述第一基板的一侧上；

第三基板，其相对所述第二基板与所述第一基板位置对称，所述第三基板朝向所述第二基板的一侧上设有第四电极,所述第三基板背离所述第四电极的一侧上设有第二偏光片；

第二衍射透镜，其设于所述第四电极上；以及

第二液晶层，其设于所述第二衍射透镜与第三电极之间，所述第二液晶层中的液晶能够处于所述液晶的长轴方向与所述第二偏光片的透光轴的轴向平行的状态或者所述液晶的长轴方向与所述第二偏光片的轴向垂直的状态。

作为优选，包括多个分别由所述第一衍射单元和第二衍射单元组成的衍射单元对，多个所述衍射单元对沿所述第一偏光片的透光轴的轴向布置。

作为优选，所述第一衍射透镜的焦距与所述第二衍射透镜的焦距值不同。

作为优选，当所述第一液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第一偏光片的透光轴的轴向垂直的状态且所述第二液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第二偏光片的透光轴的轴向平行的状态时，所述衍射装置所处物方空间的物方焦距值与所处的像方空间的像方焦距值分别为f1和f1′，当所述第一液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第一偏光片的透光轴的轴向平行的状态且所述第二液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第二偏光片的透光轴的轴向垂直的状态时，所述衍射装置所处物方空间的物方焦距值与所处的像方空间的像方焦距值分别为f2和f2′，当所述第一液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第一偏光片的透光轴的轴向垂直的状态且所述第二液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第二偏光片的透光轴的轴向垂直的状态时,所述衍射装置所处物方空间的物方焦距值与所处的像方空间的像方焦距值分别为f和f′,其中：

其中,n1为所述衍射装置所处物方空间介质的折射率，n2为所述衍射装置所处像方空间介质的折射率，n3为所述第一衍射单元与所述第二衍射单元之间的介质折射率，d为所述第一衍射透镜与第二衍射透镜间的距离。

作为优选，所述第一衍射透镜与第二衍射透镜均具有多个台阶,同一衍射透镜中的多个所述台阶划分为多个光栅单元,位于同一所述光栅单元中的所述台阶的高度为:

其中,λ为入射光波长，n0为所述第一液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第一偏光片的透光轴的轴向垂直的状态时的折射率或为所述第二液晶层中的液晶处于所述液晶的长轴方向与所述第二偏光片的透光轴的轴向垂直的状态时的折射率,n为所述第一衍射透镜或第二衍射透镜的折射率,n为每个所述光栅单元中包含的所述台阶的数量。

作为优选，每个所述光栅单元中的各级台阶对应的环带半径分别为rj，1和rj，2，其中：

其中，f1代表所述第一衍射透镜或第二衍射透镜的焦距，j代表光栅单元的排列号，n1代表衍射装置所处的物方空间介质的折射率。

作为优选，所述第二基板朝向所述第一基板的一侧上还设有第五电极，所述第五电极上设有第一绝缘层，所述第二电极设置在所述第一绝缘层上，且第二电极的极性与所述第五电极相反；所述第二基板的另一侧上设有第六电极，所述第六电极上设有第二绝缘层，所述第三电极设置在所述第二绝缘层上，且第三电极的极性与所述第六电极相反。

作为优选，所述第二电极与第三电极为条形电极，所述第一电极、第四电极、第五电极以及第六电极为面型电极。

作为优选，

当所述第一液晶层的液晶的长轴方向与所述第一偏光片的透光轴的轴向平行时，所述第一液晶层的折射率与所述第一衍射透镜的折射率相同；

当所述第二液晶层的液晶的长轴方向与所述第二偏光片的透光轴的轴向平行时，所述第二液晶层的折射率与所述第二衍射透镜的折射率相同。

本发明的衍射装置的有益效果在于，设置具有不同焦距的衍射单元,在各衍射单元中通过电极对液晶层的液晶的排布方向的控制，使液晶相对于入射偏振光具有两种不同的折射率，分别为高折射率和低折射率。当液晶相对入射偏振光处于低折射率状态时，该衍射单元起可根据设计的衍射光栅的形状而起到球面透镜或柱面透镜的作用；当液晶相对入射偏振光处于高折射率状态时，该衍射单元又可起到平板玻璃的作用。故,用户可通过选择性的使不同的衍射单元处于不同的工作模式，使衍射装置能够在不同焦距的透镜与平板玻璃之间切换。

附图说明

图1为本发明的衍射装置的一结构示意图(图中示出了第一液晶层中的液晶在竖直电场作用下发生偏转后的状态)。

图2为本发明的衍射装置的一结构示意图(图中示出了第一液晶层中的液晶在水平电场作用下发生偏转后的状态)。

图3为本发明的衍射装置的一结构示意图(图中示出了第一液晶层与第二液晶层中的液晶均在竖直电场作用下发生偏转后的状态)。

图4为本发明的衍射装置的又一结构示意图(图中示出了第一液晶层与第二液晶层中的液晶均在水平电场作用下发生偏转后的状态)。

图5为本发明的衍射透镜为球面透镜时的结构图(图中示出了衍射透镜中各级台阶与光栅单元间的关系以及对应的台阶宽度)。

图6为本发明的衍射透镜为柱面透镜时的结构图(图中示出了衍射透镜中各级台阶与光栅单元间的关系以及对应的台阶宽度)。

附图标记：

1-第一基板；2-第一衍射透镜；3-第二基板；4-第一液晶层；5-第三基板；6-第二衍射透镜；7-第二液晶层；8-第一电极；9-第二电极；10-第三电极；11-第四电极；12-第五电极；13-第六电极；14-第一绝缘层；15-第二绝缘层；16-第一偏光片；17-第二偏光片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

如图1和图2所示,本发明提供一种衍射装置,包括第一衍射单元，该第一衍射单元包括:

第一基板1,其一侧上设有第一偏光片16,另一侧上设有第一电极8；

第一衍射透镜2，其设于第一电极8上；

第二基板3，其与第一基板1相对设置，第二基板3的朝向第一基板1的上述另一侧的一侧上设有第二电极9；以及

第一液晶层4，其设于第二电极9与第一衍射透镜2之间，当向第一电极8与第二电极9通电时，第一电极8与第二电极9间产生垂直第一基板1和第二基板3的竖直电场,第一液晶层4中的液晶在该竖直电场的作用下偏转,使液晶的长轴方向与第一偏光片16的透光轴的轴向垂直,此时,第一液晶层4中的液晶相对入射偏振光的折射率为a0，第一衍射单元整体起到衍射透镜的效果。当需要使得第一衍射单元能够起到球面透镜、柱面透镜的效果，可通过在第一基板1或第二基板3上贴附刻蚀环形或条形的相位衍射光栅来达到球面透镜或柱面透镜的效果(如图5和图6所示)。当不向第一电极8通电，向相邻的各第二电极9分别施加正负电压时，第一基板1与第二基板3间产生水平电场，第一液晶层4中的液晶在水平电场的作用下偏转，使液晶的长轴方向与第一偏光片16的透光轴的轴向平行，此时，第一液晶层4相对入射偏振光的折射率为a1(a1>a0)，第一衍射单元相当于平板玻璃，也即，此时第一液晶层4中的液晶的折射率与第一衍射透镜2的折射率相同。

通过本发明中的衍射装置，用户可通过改变第一电极8与第二电极9的通断电方式来使第一衍射单元在透镜与平板玻璃间随意切换，使第一衍射单元能够随着用户的需要而改变功能。

进一步地，如图3和图4所示，本实施例中的衍射装置还包括第二衍射单元，该第二衍射单元包括：

第三电极10，其设于第二基板3背离第一基板1的一侧上；

第三基板5，其相对第二基板3与第一基板1位置对称，第三基板5朝向第二基板3的一侧上设有第四电极11,第三基板5背离第四电极11的一侧上设有第二偏光片17，该第二偏光片17的透光轴与第一偏光片16的透光轴平行,且均与第二基板3与第三基板5间的水平电场方向平行；

第二衍射透镜6，其设于第四电极11上；以及

第二液晶层7，其设于第二衍射透镜6与第三电极10之间，当向第三电极10与第四电极11通电时，两电极间产生垂直第三基板5和第二基板3的竖直电场，第二液晶层7中的液晶在该竖直电场的作用下发生偏转，使第二液晶层7中的液晶的长轴方向与第二偏光片17的透光轴的轴向垂直,此时,第二液晶层7相对入射偏振光的折射率为a2(与第二衍射透镜6的折射率不同)，第二衍射单元可根据在第三基板5或第二基板3上设置的衍射光栅来达到球面透镜或柱面透镜的效果；当不向第三电极10通电而向第四电极11通电时，第三基板5与第二基板3间产生水平电场，第二液晶层7中的液晶在水平电场的作用下偏转，使液晶的长轴方向与第二偏光片17的透光轴的轴向平行，此时，第二液晶层7相对入射偏振光的折射率为a3(a3>a2)，第二衍射单元相当于平板玻璃，也即，此时第二液晶层7中的液晶的折射率与第一衍射透镜2的折射率相同。

第一衍射单元与第二衍射单元的数量不限，本发明实施例的衍射装置可包括多个衍射单元对，每个衍射单元对由第一衍射单元和第二衍射单元组成，多个衍射单元对可以沿例如第一偏光片的透光轴的轴向布置。

进一步地，第二电极9与第三电极10可分别通过正负交替的设置方式使得其在通电时能够产生水平电场，但，为了加强水平电场的稳定性，继续结合图3和图4，本实施例中电极可采用如下设置方式：

在第二基板3朝向第一基板1的一侧上设置第五电极12，在第五电极12上设置第一绝缘层14，将第二电极9设置在第一绝缘层14上，且将第二电极9的极性设置为与第五电极12的极性相反，以使其能够和第五电极12生成水平电场；同时在第二基板3的另一侧上设置第六电极13，在第六电极13上设置第二绝缘层15，将第三电极10设置在第二绝缘层15上，且将第三电极10的极性设置为与第六电极13的极性相反，以使其能够和第六电极13生成水平电场。其中,第二电极9与第三电极10为条形电极，第一电极8、第四电极11、第五电极12以及第六电极13为面型电极。当然,第二电极9与第三电极10还可为环形电极。

具体应用时，用户可根据需要随意选择使两个衍射单元中的任一个成为衍射透镜，也可均选择形成衍射透镜，使两个衍射单元的衍射效果混合，达到一不同于任一个衍射单元的衍射效果。具体地，当第一液晶层4的折射率为a0且第二液晶层7的折射率为a3时(即，向第五电极12与第二电极9、第三电极10与第六电极13通电，第一电极8和第四电极11不通电，使第二衍射单元相当于平板玻璃，同时使第二电极9与第五电极12产生竖直电场，导引第一液晶层4中的液晶发生偏转，使液晶的长轴方向垂直第一偏光片16的透光轴，该状态的第一衍射单元起聚焦透镜的作用)，衍射装置所处物方空间的物方焦距值与衍射装置所处的像方空间的像方焦距值分别为f1和f1′(该值可实际测量得出)，并满足如下关系式：

当第一液晶层4的折射率为a1且第二液晶层7的折射率为a2时(即，向第二电极9与第五电极12、第六电极13与第四电极11通电，第三电极10与第一电极8不通电，使第一衍射单元相当于平板玻璃，同时使第四电极11与第六电极13产生竖直电场，导引第二液晶层7中的液晶发生偏转，使液晶的长轴方向垂直第二偏光片17的透光轴，该状态的第二衍射单元起聚焦透镜的作用)，衍射装置所处物方空间的物方焦距值与衍射装置所处的像方空间的像方焦距值分别为f2和f2′(该值可实际测量得出)，并满足如下关系式：

当第一液晶层4的折射率为a0，且第二液晶层7的折射率为a2时(即，同时向第六电极13、第四电极11、第五电极12以及第一电极8通电，而第二电极9与第三电极10不通电，使第四电极11与第六电极13、第一电极8与第五电极12间均产生竖直电场，以分别导引第一液晶层4和第二液晶层7中的液晶均发生偏转，使液晶的长轴方向垂直对应的偏光片的透光轴，该状态的第一衍射单元与第二衍射单元均起聚焦透镜的作用),衍射装置所处物方空间的物方焦距值与所处的像方空间的像方焦距值分别为f和f′,其计算公式为：

式1-4中,n1为衍射装置所处物方空间介质的折射率，n2为衍射装置所处像方空间介质的折射率，n3为第一衍射单元与第二衍射单元之间的介质的折射率，d为第一衍射透镜2与第二衍射透镜6间的距离。用户可根据该公式计算出当同时使两个衍射单元均起衍射透镜的作用时，衍射装置整体的折射率。

进一步地，本实施例中的第一衍射透镜2的焦距与第二衍射透镜6的焦距值不同。用户可根据实际需要而选取适配的衍射透镜来制备衍射装置。采用该种设置方式可增加衍射透镜的使用范围，满足用户的更多需要，使用户可根据需要选择开启具有不同焦距的衍射单元以达到所需的效果。

结合图3所示，第一衍射透镜2与第二衍射透镜6均具有多级台阶,具有不同台阶级数的衍射透镜的衍射效率不同，台阶级数越多，其衍射效率越高，例如具有四级台阶的衍射透镜的衍射效率要低于具有八级台阶的衍射透镜的衍射效率。进一步地，同一衍射透镜中的多级台阶划分为多组，每组台阶形成一个光栅单元,例如衍射透镜包括第一至第m个相位光栅单元，m为正整数。其中，每个光栅单元中包括n＝2^m(m＝1、2、3……)个台阶，相邻两个台阶的相位差为2π/n。由于台阶高度主要决定了衍射透镜的折射率，为了用户能够根据所需要衍射透镜具有的折射率来预先计算出所需要的衍射透镜的各级台阶的高度，使用户可依次高度来选择合适的衍射透镜，本实施例提供一公式，用于计算各级台阶的高度，具体为:

其中,λ为入射光波长，n0为a0或a2,n为第一衍射透镜2或第二衍射透镜6的折射率,n为每个光栅单元中包含的台阶的级数。

优选地，为了使用户能够根据所需的衍射透镜的折射率更精准选取适配的衍射透镜，使衍射装置能够达到用户所要求的衍射效果，还可对每个光栅单元中的各级台阶对应的环带半径(分别为rj，1和rj，2)进行限制，具体可通过以下公式进行计算：

其中，f1代表第一衍射透镜2或第二衍射透镜6的焦距，j代表光栅单元的排列号，n1代表衍射装置所处的物方空间介质的折射率。

结合图3所示，以j＝2为例，也即以二级台阶为例，根据式6和7可知衍射透镜的二级台阶的两台阶宽度分别为：

dj,1＝rj,1-rj-1,2式8

dj,2＝rj,2-rj,1式9

对于具有n级台阶的衍射透镜，每个光栅单元中具有n-1级相同宽度的台阶，剩余台阶的宽度与上述n-1级台阶的宽度不同，例如，第j光栅单元中连续n-1个台阶的宽度为：

第j光栅单元中剩余台阶的宽度为：

举例而言，以具有八级台阶的衍射透镜而言，根据式10和11可以确定出第一光栅单元(j＝1)中7个相同台阶的宽度为剩余一个台阶的宽度为第二光栅单元中7个相同台阶的宽度为剩余一个台阶的宽度为第三光栅单元中7个相同台阶的宽度为剩余一个台阶的宽度为以此类推，也即，通过式10～式11可以确定二级、四级、八级、十六级以及更多台阶数量时的各台阶的宽度，此处不再赘述。

另外，不论衍射透镜是柱面透镜还是球面透镜，其台阶的高度以及宽度的计算方式相同，此处不再赘述。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。