一种基于电场叠加原理的位置可调制型液晶透镜

本发明涉及液晶透镜领域，具体为一种透镜位置横向可控的液晶透镜。

背景技术：

1、液晶透镜是一种利用液晶材料的光学特性来调节光线折射的装置，具有集成度高、可调谐性、功耗低等优点。目前在光学设备、激光科学和工程、自适应光学系统、光学通信等领域有广泛应用。

2、在液晶透镜中，透镜位置对于成像效果的影响很大。以透镜中心位置为例，在光学设备中透镜中心位置影响到光线的折射和偏转。若位置不准确，一定程度上会导致光线偏移和畸变，从而影响成像质量和清晰度；此外，透镜中心位置的调整对于实现自适应光学效果至关重要。通过电控技术控制透镜的横向位置，系统可以根据实时的光学情况和环境变化，自动调整透镜的位置，以达到最佳的成像效果。这将增强光学系统的适应性和灵活性，提升其在不同场景下的性能表现。本发明主要是通过电控技术来精确调整透镜的横向位置，从而达成调整光路补偿、提高成像质量、消除像差以及构建高精度自适应光学系统等目标。此外，由克尔效应可知，采用蓝相液晶材料的液晶透镜采用横向电场比纵向电场能提供两倍的折射率差，调焦范围更大。但是在液晶层中实现横向电场往往需要贯穿液晶层的“墙状”或“柱状”电极，将金属或金属氧化物等材料制成的电极刻蚀成液晶层相当的厚度是十分困难的，不利于商业化生成。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种透镜位置横向可控的液晶透镜。在实际生活应用中，为保证成像质量，液晶透镜口径有具体要求，而在调试过程中，调试量往往远小于其口径的大小，此时需要对透镜的位置进行精确调整。例如在立体显示领域，一个透镜需要覆盖诺干像素结构，为了实现良好的显示效果，需要调整透镜位置与像素结构进行精确对位。在本发明中，电极层由多个形状、大小都一致的电极组成，每个电极的电压都是独立控制且任意相邻两个电极的间距均一致。通过将施加在电极上正弦(或余弦)曲线分布的驱动电压进行调制，能够实现透镜折射率分布的横向移动，其中横向移动的最小精度为相邻两个电极之间的距离，进而能够对液晶透镜的位置进行精确调整。此外，针对刻蚀深度大的“墙状”或“柱状”电极成本和工艺制作难度大的问题，本发明提出了一种基于电场叠加原理的液晶透镜，通过两两电极之间的强耦合作用实现横向电场叠加增强，纵向电场叠加相消的效果，从而在单层平面电极架构下的液晶透镜中实现横向电场，降低了电极结构的刻蚀深度。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明结构由上至下依次为：上基板、液晶层、介电层、电极层和下基板。

4、上基板和下基板可选择透明玻璃材料、树脂材料或柔性基底材料。

5、所述的液晶层选用聚合物稳定蓝相液晶材料，在不施加电压的情况下液晶层呈各向同性，不用对液晶层表面做分子取向处理，液晶层厚度均匀。蓝相液晶分子在电场作用下诱导出双折射，随着电场强度的逐渐增加，蓝相液晶的诱导双折射会逐渐增加，当液晶层中的电场接近蓝相液晶材料的饱和电场时，蓝相液晶的诱导双折射会趋近饱和。

6、所述的液晶层中的蓝相液晶折射率的变化是基于宏观条件下的克尔效应：蓝相液晶层中的诱导双折射与电场的平方呈正比(δnind＝λke2)。将蓝相液晶的饱和双折射率定义为δnsat，蓝相液晶的诱导双折射公式如下：

7、

8、

9、

10、当电场为横向电场时，折射率差为ne和niso的差值；当电场为纵向电场时，折射率差为no和niso的差值。基于此，横向电场比纵向电场能够提供更大的折射率差，从而调焦范围也就更大。

11、所述的介电层由高介电系数的材料制备而成，介电系数为5-1000。

12、所述的电极层镀在下基板的内表面，由同一大小和形状的电极依次排列组成，任意两个相邻电极的距离均相等，每个电极都可独立驱动。单个电极制作材料优选氧化铟锡(ito)，电极厚度为0.01～0.15μm，单个电极的形状包括但不局限于长方体、棒状、圆柱体等，单个周期内的驱动电压分布设置为正弦(或余弦)分布。在施加驱动电压状态下，电极层中的驱动电压不同的电极两两之间存在电场，液晶层中的电场满足电场叠加原理，即电场的大小是各电极之间电场的矢量场之和，电场线上各点的切线方向与该点电场强度矢量叠加的方向相一致，经过对不同电极间作用的分类讨论得出在电极层中横向电场叠加增强而纵向电场叠加消除的结论，最终在液晶层形成良好的横向电场。

13、下述的参考附图和实施例说明是以详细解释本发明为目的，而不是作为本发明设计范围的设定。

技术特征：

1.一种基于电场叠加原理的位置可调制型液晶透镜，其特征在于，上基板(1)、液晶层(2)、介电层(3)、电极层(4)和下基板(5)；其中，所述的上基板(1)和下基板(5)为透明玻璃材料、树脂材料或柔性基底材料；所述的液晶层(2)为蓝相液晶材料；所述的介电层(3)由高介电系数的材料制备而成；所述的电极层(4)为氧化铟锡(ito)电极；

2.如权利要求1所述的基于电场叠加原理的位置可调制型液晶透镜，其特征是，所述液晶层(2)选用聚合物稳定的蓝相液晶材料。

3.如权利要求1所述的基于电场叠加原理的位置可调制型液晶透镜，其特征是，所述电极层(4)镀在下基板(5)的内表面，且由多个形状、大小都一致的电极依次排列组成，每个电极为独立驱动且任意两个相邻电极的距离均相等；

4.如权利要求1所述的基于电场叠加原理的位置可调制型液晶透镜，其特征是，所述电极层(4)中移动的最小精度为两个相邻电极之间的距离。

5.如权利要求1所述的基于电场叠加原理的位置可调制型液晶透镜，其特征是，在一个液晶透镜结构内，所述电极层(4)中的相邻两电极之间的电压差不相等；所述液晶层(2)中的等效折射率分布与其下方对应的电极上的驱动电压绝对大小无关，而与其下方对应的相邻两电极之间的电压差值大小正相关。

技术总结
本发明涉及透镜领域，具体为一种基于电场叠加原理的位置可调制型液晶透镜。本发明结构由上至下依次为上基板、液晶层、介电层、电极层和下基板。其中液晶层采用聚合物稳定的蓝相液晶，其液晶层内的电场为横向电场，根据克尔效应及相关原理，其能实现更大的折射率差。本发明是通过电场叠加原理在液晶层中实现的横向电场，即两两电极之间的横向电场叠加增强，纵向电场叠加相消，从而在单层平面电极架构下的液晶透镜中实现横向电场，降低了电极结构的刻蚀深度；本发明还通过将施加在电极上正弦分布的驱动电压进行调制，实现了透镜折射率分布的横向移动，其中横向移动的最小精度为相邻两个电极之间的距离，进而能够对液晶透镜的位置进行精确调整。

技术研发人员：窦虎,王璐,李聪婵,李乐颜,孙培育,史晨辉,但有全,王帅,柴毅,姚峥
受保护的技术使用者：中国民用航空飞行学院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19