可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜及工作方法

本发明属于光学成像，特别涉及一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜及工作方法。

背景技术：

1、年轻人的眼睛具有动态聚焦远近物体的能力。随着人年龄的增长，水晶体逐渐失去弹性，其表现为近点远移，眼睛的调节范围变小，即调焦能力减弱。有几种方法可以治疗老花眼并恢复一些近视力功能。这些包括光学辅助，例如，隐形眼镜、人工晶状体或角膜激光治疗的形式，旨在产生多焦或扩大焦深。同步视觉透镜包括双焦点或三焦点衍射和折射设计，或非球面设计来调节眼睛的球差。通过设计实现不同透镜区域的焦距不同，即可以同时提供对远，近，中距离的视野。

2、目前提出的多焦点透镜大多为衍射型器件，通过对光刻胶不均匀曝光，形成不连续的阶梯状的非对称相位分布。虽然可以实现，但是该方法依靠精密微加工和注塑技术，有着工艺复杂、成本较高、色散严重且无法电控调焦的缺点，难以应用在眼疾矫正、扩展景深成像等领域。

3、液晶多焦点透镜是利用液晶材料各向异性的特点，在外加电场或磁场的作用下，液晶分子的指向会随所在电场或磁场发生摆动。不同位置液晶分子的摆动角度的不同会造成折射率的不同，形成梯度折射率透镜，从而会聚或者发散入射光。此外，液晶多焦点透镜可以通过调节驱动电压调节液晶透镜的光学性质，被认为是替代或简化笨重的传统光学器件的潜在候选者，其优点是具有可电控调焦，体积小，重量轻，成本低，功耗低等优点。本发明将利用液晶材料来制备折射型液晶多焦点透镜。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，以解决现有多焦点透镜工艺复杂、成本较高、色散严重且无法电控调焦的问题。

2、为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

3、一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，包括从上往下依次设置的第一玻璃基板1、第一取向层2、液晶层8、第二取向层4、平板电极层5、第二玻璃基板6，第一取向层2内部设有图案电极7，液晶层8内设有间隔子3；

4、其中，图案电极7由n个子单元ai串联组成，i＝1.2……n，2≤n≤50；每个子单元包括圆弧段71和平直段72，所有子单元的平直段72将等整个图案电极等分为n个相同扇形，平直段72构成各扇形的分界线，圆弧段71在各扇形区域内同心设置，每个子单元ai各圆弧段71的长度以图案电极中心为圆心沿径向线性增加，且相邻圆弧段71分别用平直段72串联，每个子单元的圆弧段71为该圆弧段所在图案电极整体圆弧的1/n；

5、图案电极7的最外围设有电极引脚b，中心连接电极引脚c；图案电极7和平板电极层5为透明导电薄膜，平板电极层5用作接地电极；图案电极7施加两种相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶层8的液晶分子偏转，形成多焦点透镜；

6、第一取向层2和第二取向层4表面取向方向反向平行；

7、间隔子3用于控制液晶层的厚度。

8、作为优选方式，间隔子3直径为30微米。

9、作为优选方式，n等于4或5。

10、作为优选方式，第一玻璃基板1和第二玻璃基板6厚度相同，都为0.2～0.5mm。

11、作为优选方式，图案电极7和平板电极层5为透明的ito导电薄膜。

12、作为优选方式，第一取向层2和第二取向层4为涂覆聚酰亚胺的薄膜、倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜，其表面取向分别为0°和180°；

13、作为优选方式，所述液晶多焦点透镜的图案电极7由光学刻蚀的方法获得，材料为氧化铟锡ito。

14、作为优选方式，液晶层8的相对折射率δn＝0.25。

15、本发明还提供一种所述可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜的工作方法，其为：图案电极7中的两个电极引脚b、c，在未施加驱动电压的情况下，液晶分子指向矢方向与其所靠近的取向层的取向方向相同，分别为0°和180°，没有透镜效果；当施加驱动电压时，给电极引脚b、c分别接v1、v2，驱动电压v1、v2用于在各个子单元电极上形成电压压降且在单个子单元形成抛物线电压压降，得到所需的非对称不均匀的电场，液晶分子的指向矢受电场作用发生变化，达到光焦度在各个子单元变化的效果。

16、每个子单元的ito图案串联且ito线的长度沿径向线性增加。在圆孔透镜内部，电势差将会随着角向的每个子单元变化，每个子单元内部沿径向电势为抛物线分布。因而，本发明可以得到液晶透镜的光焦度随角向变化，且取液晶的相位随电压变化的线性区可获得每个子单元的相位分布为抛物线分布，从而达到多焦点透镜的效果。

17、本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明的折射型液晶多焦点透镜的光焦度角向的每个子单元变化，色散相对不明显，工艺简单，成本较低，体积小并且可以电控调焦。通过调节图案电极的电压，可以得到不同的光焦度变化范围，即不同的景深大小；也可以通过调节电压，切换多焦点透镜的正、负透镜效果。

技术特征：

1.一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：包括从上往下依次设置的第一玻璃基板(1)、第一取向层(2)、液晶层(8)、第二取向层(4)、平板电极层(5)、第二玻璃基板(6)，第一取向层(2)内部设有图案电极(7)，液晶层(8)内设有间隔子(3)；

2.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：间隔子(3)直径为30微米。

3.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：n等于4或5。

4.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：第一玻璃基板(1)和第二玻璃基板(6)厚度相同，都为0.2～0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：图案电极(7)和平板电极层(5)为透明的ito导电薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：第一取向层(2)和第二取向层(4)为涂覆聚酰亚胺的薄膜、倾斜蒸镀的一氧化硅薄膜、或液晶光取向薄膜，其表面取向分别为0°和180°。

7.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：所述液晶多焦点透镜的图案电极(7)由光学刻蚀的方法获得，材料为氧化铟锡ito。

8.根据权利要求1所述的一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜，其特征在于：液晶层(8)的相对折射率δn＝0.25。

9.权利要求1至8任意一项所述可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜的工作方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种可电控调焦的折射型液晶多焦点透镜及工作方法：包括从上往下依次设置的第一玻璃基板、第一取向层、液晶层、第二取向层、平板电极层、第二玻璃基板，第一取向层内部设有图案电极，液晶层内设有间隔子；图案电极由N个子单元A<subgt;i</subgt;串联组成，每个子单元包括圆弧段和平直段，图案电极施加两种相同频率、不同幅值的电压，形成非对称的电场，驱动液晶层的液晶分子偏转，形成多焦点透镜；本发明的透镜的光焦度角向的每个子单元变化，色散相对不明显，工艺简单，成本较低，体积小并且可以电控调焦。通过调节图案电极的电压，可以得到不同的光焦度变化范围，即不同的景深大小；也可以通过调节电压，切换多焦点透镜的正、负透镜效果。

技术研发人员：刘志强,冯文斌,刘豪,甘大为,叶茂
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12