專利名稱：用于傳感器的復(fù)合液晶微透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶微透鏡，所述液晶微透鏡作為用于在掃描儀和傳真機的接觸型傳感器的透鏡陣列中形成圖像的裝置。
背景技術(shù)：
通常知道的是具有諸如圖14和圖15之類結(jié)構(gòu)的接觸型傳感器。
參考圖14，傳感器110有框架108，在框架108中安裝了一個線性發(fā)光元件(LED)陣列105、柱狀透鏡陣列106和光接收元件陣列104。光接收元件陣列104包含了一個在框架108底部形成的基片103、一個安裝在基片103上的保護(hù)膜102以及一個包含多個光電轉(zhuǎn)換器的傳感器集成電路(IC)101。在框架108的頂部安裝一個透明板107，在板107上安裝一個文本片109。
在操作中，來自LED陣列105的光束照射文本片109。在片109的特定讀出線上散射并反射的光束通過柱狀透鏡陣列106，從而通過光接收元件陣列104的傳感器IC在文本片上形成圖案。由反射光傳送的關(guān)于文本片陰影的信息，以光強的形式，通過傳感器IC101轉(zhuǎn)換成電信號并沿著掃描方向串行地輸出。在掃描了掃描方向上的一行之后，就對在與掃描方向垂直方向上的下一行進(jìn)行掃描。通過重復(fù)掃描操作，把在文本片109上的兩維信息按照時間順序轉(zhuǎn)換成電信號。圖15示出了在圖14中所示的接觸型傳感器110的柱狀透鏡陣列106的布局及其操作。
這里以下參考圖16a到16c對柱狀透鏡陣列106的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。柱狀透鏡陣列106的每個柱狀透鏡是漸變折射率透鏡，每個漸變折射率透鏡具有在圖16a中所示的折射率分布。圖16b示出了通過柱狀透鏡的光束的透射。
在圖16a中，折射率n的分布可近似表示為n＝n0(1-(A/2)r2) (1)其中，n0是光軸上的折射率，r是半徑方向上離開光軸的距離，而A是折射率的常數(shù)。光束在折射率大的范圍內(nèi)傳播得較慢，而在折射率小的范圍內(nèi)傳播得較快。
參考圖16b，在具有等式(1)的折射率分布和長度Z的漸變折射率柱狀透鏡中，可以把出射光束的條件(r2，r’2)、入射光束的條件式(r1，r’1)表示如下。r2r′2=cosAZ)+(sinAZ/n0A)-n0Asin(AZ)+cos(AZ)r1r′1----(2)]]>等式(2)的意思是指，盡管有入射位置和入射角的差異，但是每個光源具有相同的提升間歇時間(winding interval)(P=2π/A)]]>，而且如圖16c所示，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)呐c彎曲間隔相關(guān)的柱狀透鏡長度，可在柱狀透鏡對面相隔TC的距離處形成與圖像Q大小相同的正像Q”。
圖16c中的標(biāo)記L0是柱狀透鏡和物體Q(Q”)之間的工作距離。
因此，即使端面是平的，由于折射率的分布，柱狀透鏡仍然具有透鏡效應(yīng)。也就是說，柱狀透鏡具備以下特征。
(1)形成一個大小與原始物體相同的正像。
(2)可以根據(jù)柱狀透鏡的長度改變所形成圖像的條件，因此圖像的寬度可變得比透鏡的直徑大得多。
因此，如圖15所示，當(dāng)安排多個柱狀透鏡與其它透鏡相鄰時，使通過柱狀透鏡形成的大小相同的正像相重疊，從而可在光接收陣列104上無間隙地形成文本片上的圖像。
將折射率分布賦予玻璃桿的方法包括植入法、分子填料法和離子交換法。在柱狀透鏡的例子中，使用離子交換法，使分布變得平滑和對稱。
參考圖17，離子交換法應(yīng)用一個包含高溫熔鹽113的窯爐。把玻璃桿116浸入鹽113中，從而玻璃桿中的堿離子A和鹽113中的堿離子B彼此交換。結(jié)果，在玻璃桿116中形成了與上述的折射率分布成正比的離子濃度分布。
然而，這樣形成的柱狀透鏡有以下的問題。
(1)為了制造柱狀透鏡，需要提供用于離子轉(zhuǎn)換處理的設(shè)備，從而提高了生產(chǎn)成本。
(2)只能從柱狀透鏡產(chǎn)品系列挑選在原始物體和形成的圖像之間的結(jié)合距離TC。因此，距離TC不能縮短以制造薄的接觸型傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是為接觸型傳感器提供一種透鏡裝置，其中，解決了上述問題，從而可制造不昂貴且薄的接觸型傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種復(fù)合液晶透鏡，它包含一個形成物體倒像的第一液晶透鏡、一個將倒像倒置從而可形成物體的正像的第二液晶透鏡以及一個以軸對稱支持第一和第二液晶透鏡的支持構(gòu)件。
每個第一和第二液晶透鏡都包含一對彼此隔開的透明基片、一對位于基片之間的電極、一種在電極之間間隔當(dāng)中的充電的液晶材料、至少一個具有圓孔的電極以及同心地分布的第一和第二液晶透鏡的相對著的圓孔。
支持構(gòu)件為一透明的玻璃板。
在本發(fā)明的一方面，每個第一和第二液晶透鏡包含一個透明的基片、一對位于基片和玻璃板之間的間隔中的電極、一種在電極之間的間隔中的充電的液晶材料，兩個電極都具有相對著的同心圓孔，第一和第二液晶透鏡的相對著的圓孔是同心地分布的。
參考附圖從以下的詳細(xì)描述中這些和本發(fā)明的其它目的和特征將變得更加明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的復(fù)合液晶微透鏡的橫截面圖；圖2是示出用于圖1的復(fù)合液晶微透鏡的電極的立體圖；圖3a到圖3c是示出在圖2液晶單元中電勢分布的簡圖；圖4是示出液晶單元中的電場強度和折射率之間關(guān)系的曲線圖；圖5a到圖5c是示出液晶單元中尺寸的簡圖；圖6是示出液晶單元中的焦距和施加電壓之間關(guān)系的曲線圖；圖7是描述液晶單元操作的簡圖；圖8是示出液晶單元中的工作距離和圖像距離之間關(guān)系的曲線圖；圖9是描述當(dāng)裝配兩個液晶單元時的操作簡圖；圖10是接觸型傳感器的圖解，其中應(yīng)用了本發(fā)明的復(fù)合液晶微透鏡；圖11是描述圖10的傳感器中的復(fù)合液晶微透鏡操作的簡圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的復(fù)合液晶微透鏡的橫截面圖；圖13a是本發(fā)明第三實施例的復(fù)合液晶微透鏡中液晶單元的橫截面圖；圖13b是示出圖13a的液晶單元中電勢分布的簡圖；圖14是傳統(tǒng)接觸型傳感器的圖解；圖15是描述在圖14的傳統(tǒng)傳感器中應(yīng)用的柱狀透鏡陣列的操作簡圖；圖16a到圖16c是解釋柱狀透鏡陣列工作原理的簡圖；以及圖17是描述用于賦予折射率分布的柱狀透鏡陣列的離子交換法的簡圖。
具體實施例方式
首先，總的解釋一下液晶透鏡。在所知的出版物OplusE.1998年10月第20卷第10號的Kabushiki Kaisha Shingijutsu Communication中描述過液晶透鏡的結(jié)構(gòu)和特征，具有液晶光學(xué)元件的特征及其應(yīng)用液晶微透鏡。文章的內(nèi)容將在下文中描述。
為了形成用作帶液晶的透鏡的光學(xué)元件，成為媒質(zhì)的液晶層成形為透鏡，如在玻璃透鏡中那樣。另一方面，可構(gòu)成光學(xué)元件，從而可賦予空間折射率。在向列型液晶單元中，使液晶分子在電場方向上排列。從而，由于電場中液晶分子關(guān)于軸對稱且不均勻的分布效果，可提供一具有空間折射率分布的透鏡。因此，同樣在具有平行平面結(jié)構(gòu)的液晶中，在折射率空間分布的情況下，使入射光有效地聚焦和散射。尤其，在折射率有第二功率特性的情況下，可達(dá)到透鏡效果。本發(fā)明涉及用液晶構(gòu)造的透鏡，在其中提供了這樣的折射率空間分布。
下文中參考圖1和圖2，描述復(fù)合液晶微透鏡的第一實施例。圖1是示出用于接觸型傳感器的復(fù)合液晶微透鏡的橫截面圖，而圖2是用于圖1微透鏡的電極的立體圖。
參考圖1和圖2，用于接觸型傳感器的復(fù)合液晶微透鏡40包含一個作為第一液晶透鏡的第一向列型液晶單元20、作為第二液晶透鏡的第二向列型液晶單元30以及插在第一和第二液晶單元20和30之間的中間透明玻璃板41。
第一向列型液晶單元20包含一個在底部的透明玻璃基片23、一個在頂部的透明玻璃基片22、一個在底部透明玻璃基片23上的圖案電極24a、一個在頂部透明玻璃基片22上的圖案電極24c、一個在電極24a上的透明排列層25a、一個在電極24c上的透明排列層25b以及在排列層25a和25b之間提供的封閉構(gòu)件27。由導(dǎo)電的電極膜形成圖案電極24a并且具有多個圓孔24b，而同樣由導(dǎo)電的電極膜形成圖案電極24c并且具有多個圓孔24d。每個圓孔24d與相對著的24b同心地形成。把液晶材料28注入由封閉構(gòu)件27以及排列層25a和25b確定的空間內(nèi)。摩擦排列層25a和25b，從而使每層的排列都與另一層反平行且同質(zhì)。在本實施例中，圖案電極24a和24c不必為透明的。如此地布置，圖案電極24a和24c，以使孔24b和孔24d相一致。
同樣地，第二液晶單元30包含一個底部的透明玻璃基片33、一個具有多個圓孔34b的圖案電極34a、和一個施加在電極34a上的排列層35a以及一個在排列層35a的外圍部分上的封閉構(gòu)件37。在封閉構(gòu)件37上安裝了一個在頂部的透明玻璃基片32和一個排列層35b，在透明玻璃基片32上的圖案電極34c具有多個圓孔34d，每個圓孔34d都與孔34b同心。一對孔34b和34d與一對相對著的孔24b和24d同心。把液晶材料28注入由封閉構(gòu)件37以及排列層35a和35b確定的空間內(nèi)。摩擦排列層35a和35b，從而使每層的排列都與另一層反平行且同質(zhì)。第一液晶單元20的底部玻璃23和第二液晶單元的頂部玻璃32互相粘附并插入中間玻璃板41，從而形成微透鏡40。適配第一單元20的孔24b和24d以及第二單元30的孔34b和34d使之彼此一致。
當(dāng)對第一液晶單元20施加電壓時，使電勢的分布如圖3a中的輪廓線所示。在這里，電場強度與輪廓線之間的間隔成反比。如圖4所示，第一液晶單元20的電場強度E具有這樣的空間分布，它隨著沿著半徑方向離開圖案電極24a(24c)的孔24b(24d)的中心r0的距離r的增加而增加。圖4中示出的強度E0是孔24b中心的強度。
解釋一下液晶材料28的導(dǎo)向偶極子(director)的方向，當(dāng)施加的電壓為零時，導(dǎo)向偶極子是水平的，與圖3b所示的摩擦方向平行。當(dāng)施加電壓時，導(dǎo)向偶極子的傾斜程度便根據(jù)電場強度如圖3c所示地增加了。
在圖3c中，通過輪廓線和垂直分割線把液晶材料28的一部分分割成多個區(qū)域，在圖中示出了每個區(qū)域的典型的導(dǎo)向偶極子。如圖中所示，在輪廓線之間的間隔不大且電場強度不小的地方，朝垂直方向的傾斜程度增加了。隨著傾斜的增加，在垂直方向上的折射率n減小了。結(jié)果，如圖4所示，根據(jù)距離r的增加折射率成平方地減少。曲線圖中的折射率n0是在孔24b中心的折射率。第一和第二液晶單元20和30中的每一個都有這樣的與折射率n相關(guān)的特性。
現(xiàn)在將參考圖5a到圖5b，在下文中描述第一實施例的復(fù)合液晶微透鏡40，在圖中示出了其特定的尺寸。如圖5a所示，第一液晶單元20的頂部玻璃22和底部玻璃23，以及第二液晶單元30的頂部玻璃32和底部玻璃33中的每一個都具有包括電極膜和排列層的1.1mm的厚度。由液晶材料28組成的液晶層的厚度為0.11mm，而中間玻璃板41的厚度為3.3mm。如圖5b所示，分別為電極24a、24c、34a、和34c的孔24b、24d、34b和3以d中的每一個都具有0.22mm的直徑D，而孔之間的間隔P為0.293mm。如圖5a所示，孔24b、24d、34b和34d為同心地形成的。排列層的摩擦方向用圖5b中的箭頭示出。
描述了當(dāng)單獨使用時在第一液晶單元20中形成圖像的特性。正如已經(jīng)描述過的，當(dāng)對電極24a和24c施加電壓時，發(fā)生了折射率分布。分布根據(jù)施加的電壓而變化，從而使第一液晶單元20的焦距f如圖6所示地變化。當(dāng)施加4V電壓時，在第一液晶單元20中穩(wěn)定地提供了1.4mm的最小焦距f。
參考圖7，它示出了第一液晶單元20的操作過程，使固定于距液晶單元工作距離L1的物體Q在與單元20相對著的圖像距離L2處倒置地形成了圖像Q’。圖8示出了在具有1.4mm最小焦距的液晶單元中，圖像距離L2隨著工作距離L1的變化而變化。也就是說，當(dāng)工作距離L1大大超過焦距時，圖像距離L2根據(jù)工作距離L1的增加而減少。另一方面，測量結(jié)果示出，所形成圖像Q’的大小與原始物體Q的比例，即圖像放大倍率m總是為L2/L1。因此，如果選擇了適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x，可在一定的范圍內(nèi)獲得理想的放大倍率m。
與第一液晶單元一起裝配了具有相同大小和相同焦距的第二液晶單元30，以形成復(fù)合液晶微透鏡40，在其中每個單元都適用上述的原理。如圖9所示，放置第一液晶單元20和第二液晶單元30使之成軸對稱。由第一液晶單元20形成的物體Q的倒像Q’通過第二液晶單元30在圖像距離L2處被再一次倒置，結(jié)果形成了正像Q”。根據(jù)上述原理，大小與物體Q相同的倒像Q’的位置隨著工作距離L1的變化而變化，而且還隨著圖像距離L2的變化而變化。測量結(jié)果示出，正像Q”的大小與原始物體Q的比例，也就是最終的圖像放大倍率M，基本上是L2/L1。因此，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯xL1使L1＝L2＝L0(圖5c)，圖像放大倍率M變?yōu)?。液晶單元之間像這樣的結(jié)合關(guān)系使得提供與物體Q大小相同的正像Q”成為可能。
圖5c描述了在具有如圖5a和圖5b所示尺寸的復(fù)合液晶微透鏡40中形成與物體大小相同的正像Q”的操作。在該例子中，工作距離L0為6.5mm。本實施例的復(fù)合液晶微透鏡40以與圖16中所示傳統(tǒng)柱狀透鏡陣列相同的方式，提供了與所掃描的物體大小相同的連續(xù)的正像。
工作距離L0可通過選擇任意厚度的中間玻璃板41來任意地設(shè)置。當(dāng)設(shè)置了適當(dāng)?shù)腡C長度(其為原始物體和所成圖像之間的距離)或結(jié)合長度時，不僅文本片可以容易地照射文本片，而且片上的掃描范圍和光接收元件上的成像范圍也可充分放大。尤其，當(dāng)工作距離太短時，文本片和復(fù)合液晶微透鏡在接觸型傳感器中彼此太靠近，以致于不能充分照射文本片。即使照射到片，但聚集的深度會變得太淺，從而使所成圖像模糊。因此，像在本實施例中那樣設(shè)置適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x就變得必要。由于可通過改變工作距離L0來改變TC長度，所可通過改變中間玻璃板41的厚度來控制TC長度。然而，也可通過改變每個液晶單元20和30的焦距來控制TC長度。當(dāng)焦距變得較短時，TC長度會趨向較短。
參考示出接觸型傳感器50的圖10，在其中，裝配了復(fù)合液晶微透鏡40代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柱狀透鏡陣列，傳感器50具有框架58，在框架中安裝了一個線性LED陣列55和光接收元件陣列54。光接收元件陣列54包含在框架58底部形成的基片53、安裝在基片53上的保護(hù)膜52以及包含多個光電轉(zhuǎn)換器的傳感器IC51。在框架58的上部安裝了透明板57，在透明板上設(shè)置了文本片59。把復(fù)合液晶微透鏡40安裝在透明板57和光接收元件陣列54之間的框架58的中間部分。
圖11示出了復(fù)合液晶微透鏡的操作，圖中省略了玻璃基片和其它。如圖11所示，復(fù)合液晶微透鏡40包含多個微透鏡，每個微透鏡具有與孔24b、24d、34b和34d相同的直徑。在操作中，來自LED陣列55的光束照射文本片59。在片59特定的讀出線處散射和反射的光束通過24b、24d、34b和34d的每個組以及液晶材料28，從而在光接收元件陣列54的傳感器陣列上形成圖像。由反射光傳送的關(guān)于文本片陰影的信息，以光強的形式，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，并根據(jù)掃描方向串行地輸出。在掃描方向上掃描完一行后，就對在與掃描方向垂直的方向上的下一行進(jìn)行掃描。通過重復(fù)掃描，把在文本片59上的兩維圖像信息按時間順序轉(zhuǎn)換成電信號。
由于可通過重合孔24b、24d、34b和34d的每一組讀遍的文本片59上的區(qū)域要大大地大于這些孔的直徑，因此讀遍毗鄰孔的區(qū)域相重疊。結(jié)果，可以在光接收元件陣列54的傳感器IC51上形成了連續(xù)且重疊的圖像，從而能夠形成與文本片59上的物體大小相等的正像。
參考圖12，在本發(fā)明第二實施例的復(fù)合液晶微透鏡60中，免除了第一實施例的第一液晶單元20的底部玻璃基片23以及第二液晶單元30的頂部玻璃基片32，而中間玻璃板41作為基片23和32。也就是說，在中間玻璃板41的上表面上形成了圖案電極24a和排列層25a，在玻璃板41的下表面上形成了圖案電極34c和排列層35b。微透鏡60的厚度總體上與第一實施例微透鏡40的厚度相同，光特性也同樣相同。
由于第一和第二液晶單元20和30是最初整體形成的，不僅可免除將中間玻璃板41粘附到液晶單元的制造過程，當(dāng)在玻璃板41上安裝圖案電極24a和34b時，第一和第二液晶單元20和30的光軸也可準(zhǔn)確地排列。
圖13a和圖13b示出了用于本發(fā)明第三實施例的復(fù)合液晶微透鏡的液晶單元70。參考圖13a，盡管如第一實施例一樣，在底部基片23上形成了具有多個孔24b的圖案電極24，在上部基片22的下側(cè)仍然形成了透明電極44。其它的結(jié)構(gòu)同第一實施例中的相同。
當(dāng)對電極24a和44施加電壓時，如圖13b的輪廓線所示的，產(chǎn)生了電勢分布。尤其，隨著在孔24b半徑方向上離孔24b中心越來越遠(yuǎn)，電場變得越來越強，從而形成了與圖4所示類似的折射率分布。裝配了液晶單元70以形成與第一實施例的復(fù)合液晶透鏡40相類似的復(fù)合液晶透鏡。
本發(fā)明的復(fù)合液晶透鏡具有以下好于傳統(tǒng)柱狀透鏡陣列的優(yōu)點。
(1)可構(gòu)成不昂貴且緊密的透鏡陣列。尤其，雖然柱狀透鏡陣列如前述地變得昂貴了，但在復(fù)合液晶微透鏡中，包含多個液晶透鏡的透鏡陣列通過與普通液晶單元相同的工藝，在一個液晶單元中同時制造而可以是低成本的。另外，在柱狀透鏡陣列中，不能大大地減小透鏡的直徑，因為折射率必須由離子交換法產(chǎn)生。而相反地，在復(fù)合液晶微透鏡中，可通過蝕刻容易地形成大小為數(shù)十個微米的圖案電極的孔，從而可減小透鏡的直徑。
此外，在柱狀透鏡陣列的情況中，透鏡的長度受到光的提升間歇時間(winding interval)的限制，因此不能充分地減短長度。然而，液晶的厚度可為數(shù)十個微米，因此可在工作距離L0允許的范圍內(nèi)選擇任意厚度的中間玻璃板41，從而大大地減少了透鏡的長度。
(2)柱狀透鏡陣列的TC長度只能從系列產(chǎn)品中挑選，因此減小TC長度以制造薄接觸型傳感器是不可能的。然而，復(fù)合液晶微透鏡使形成任意TC長度的透鏡從而可制造薄的接觸型傳感器成為可能。
(3)由于在本發(fā)明的復(fù)合液晶微透鏡中，可提供直徑比傳統(tǒng)柱狀透鏡陣列小的透鏡，所以當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x時，聚焦深度就增加了，從而提高了圖像的分辨率。此外，由于在這種情況下透鏡的密度升高了，圖像的亮度未被破壞。
雖然已結(jié)合本發(fā)明的較佳的特定實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，該描述旨在示意而不是限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由以下的權(quán)利要求來定義。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合液晶透鏡，其特征在于包括一個形成物體倒像的第一液晶透鏡；一個將倒像倒置從而形成物體正像的第二液晶透鏡；一個以軸對稱支持第一和第二液晶透鏡的支持構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡，其特征在于，每個第一和第二液晶透鏡都包含一對間隔的透明基片、一對置于基片中間的電極、在電極之間空間里充電的液晶材料、至少一個電極具有圓孔，第一和第二液晶透鏡相對著的圓孔是同心設(shè)置的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡，其特征在于，所述的支持構(gòu)件是透明玻璃板。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的透鏡，其特征在于，還包含一對配備在每個第一和第二液晶透鏡電極上的透明排列層。
5.一種復(fù)合液晶透鏡，其特征在于，包括一個形成物體倒像的第一液晶透鏡；一個將倒像倒置從而形成物體正像的第二液晶透鏡；一個介于第一和第二液晶透鏡之間的透明玻璃板；其中，每個第一和第二液晶透鏡包含一個透明基片、一對設(shè)置于基片和玻璃板之間空間里的電極、在電極間空間內(nèi)的充電的液晶材料，兩個電極都具有相對著的同心圓孔，第一和第二液晶透鏡相對著的圓孔是同心設(shè)置的。
全文摘要
在中間玻璃板的兩邊配備有第一液晶透鏡和第二液晶透鏡。提供第一液晶透鏡以形成物體的倒像，而提供第二液晶透鏡以將倒像倒置，從而形成物體的正像。
文檔編號G02F1/29GK1405583SQ02131679
公開日2003年3月26日 申請日期2002年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月10日
發(fā)明者奧脇大作, 佐藤進(jìn) 申請人:株式會社西鐵城電子