本發(fā)明涉及液晶透鏡領(lǐng)域，具體是一種藍(lán)相液晶透鏡。

背景技術(shù)：

液晶透鏡具有焦距可調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)輕巧、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，比如三維顯示、成像系統(tǒng)、顯微放大系統(tǒng)、圖像處理、眼鏡和光通信等。目前，大多數(shù)液晶透鏡都采用向列相液晶，因?yàn)橄蛄邢嘁壕У碾p折射比較大，可以實(shí)現(xiàn)更短的焦距。但是，向列相液晶透鏡存在兩個(gè)問題：偏振依賴性和響應(yīng)速度慢。

為了克服向列相液晶透鏡的問題，人們提出了藍(lán)相液晶透鏡，它的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面：（1）響應(yīng)時(shí)間在亞毫秒范圍，比向列相液晶快了10倍；（2）偏振無關(guān)，透鏡的性能不依賴入射光的偏振態(tài)；（3）不需要取向?qū)?，制作工藝非常?jiǎn)單。近幾年，人們已經(jīng)提出了幾種藍(lán)相液晶透鏡結(jié)構(gòu)，比如孔形電極結(jié)構(gòu)、多電極結(jié)構(gòu)、曲面電極結(jié)構(gòu)、表面浮雕結(jié)構(gòu)等。其中，基于孔形電極結(jié)構(gòu)的藍(lán)相液晶透鏡具有非常簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)，但它的相位分布不是拋物線形的，所以透鏡效果不好；基于曲面電極的藍(lán)相液晶透鏡具有拋物線形的相位分布，但是曲面電極的制作過程比較復(fù)雜；基于多電極結(jié)構(gòu)的藍(lán)相液晶透鏡通過給每個(gè)電極施加不同的電壓也可以得到拋物線形的相位分布，但是多電極的驅(qū)動(dòng)方案比較復(fù)雜；基于表面浮雕結(jié)構(gòu)的藍(lán)相液晶透鏡具有正、負(fù)焦距，但是液晶層的厚度不均勻，制作難度較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易且性能優(yōu)良的藍(lán)相液晶透鏡。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種藍(lán)相液晶透鏡，包括：上基板、雙介電層、液晶層和下基板；所述液晶層采用藍(lán)相液晶，并且液晶層的厚度是均勻的；所述上基板和下基板內(nèi)側(cè)分別形成有平面的第一透明電極和第二透明電極；所述雙介電層由第一介電層和第二介電層構(gòu)成；所述第一介電層的折射率n₁和第二介電層的折射率n₂相同；所述第一介電層的介電常數(shù)ε₁和第二介電層的介電常數(shù)ε₂不同；所述第二介電層為凸起結(jié)構(gòu)或凹陷結(jié)構(gòu)，并且被第一介電層填平，通過控制所述第二介電層的形狀在所述液晶層中形成期望的梯度電場(chǎng)分布；所述藍(lán)相液晶透鏡的焦距通過所述第一透明電極和第二透明電極施加的電壓進(jìn)行控制。

優(yōu)選的，所述第一透明電極和第二透明電極采用氧化銦錫（ITO）或氧化銦鋅（IZO）等透明導(dǎo)電材料。

本發(fā)明提供的藍(lán)相液晶透鏡采用平面的透明電極和厚度均勻的液晶層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且制作容易，同時(shí)通過控制第二介電層的形狀在液晶層中形成期望的梯度電場(chǎng)分布，從而得到拋物線形的相位分布。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡的電勢(shì)分布圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡的相位分布圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡的電壓-焦距曲線圖。

上述附圖中的圖示標(biāo)號(hào)為：

10是液晶層，11是上基板，12是下基板，13是第一透明電極，14是第二透明電極，22是第二介電層。

具體實(shí)施方式

為使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能更進(jìn)一步了解本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。需要說明的是，附圖僅以說明為目的，并未依照原始尺寸作圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，該藍(lán)相液晶透鏡，包括：上基板11、雙介電層20、液晶層10和下基板12；所述液晶層10采用藍(lán)相液晶，并且液晶層10的厚度是均勻的；所述上基板11和下基板12內(nèi)側(cè)分別形成有平面的第一透明電極13和第二透明電極14；所述雙介電層20由第一介電層21和第二介電層22構(gòu)成；所述第一介電層的折射率n₁和第二介電層的折射率n₂相同；所述第一介電層21的介電常數(shù)ε₁和第二介電層22的介電常數(shù)ε₂不同；所述第二介電層22為凸起結(jié)構(gòu)，并且被第一介電層21填平，通過控制所述第二介電層22的形狀在所述液晶層10中形成期望的梯度電場(chǎng)分布；所述藍(lán)相液晶透鏡的焦距通過所述第一透明電極13和第二透明電極14施加的電壓進(jìn)行控制；所述第一透明電極13和第二透明電極14采用氧化銦錫（ITO）制作。

在本實(shí)施例中，電壓控制部件15通過第一透明電極13和第二透明電極14施加電壓到液晶層10上。當(dāng)不加電壓時(shí)，藍(lán)相液晶呈現(xiàn)光學(xué)各向，其折射率為n_iso。當(dāng)透明電極上施加電壓V_on時(shí)，液晶層10中產(chǎn)生很強(qiáng)的垂直電場(chǎng)。根據(jù)擴(kuò)展的克爾效應(yīng)模型，可以得到電場(chǎng)感應(yīng)雙折射Δn_ind。對(duì)于正入射的光線，o 光和e 光的折射率均為藍(lán)相液晶的尋常折射率n_o(E )，n_o(E )表示如下

(1)

由于第二介電層22是凸起結(jié)構(gòu)，液晶層10中產(chǎn)生梯度分布的垂直電場(chǎng)。液晶透鏡邊緣電場(chǎng)E_b和中心電場(chǎng)E_c分別表示為

(邊緣: x=R) (2)

(中心: x=0) (3)

其中，x 表示到透鏡中心的距離，R 表示透鏡的半徑，d₁是第一介電層21的最大厚度，d₂第二介電層22的最大厚度，d_LC是液晶層10的厚度，ε_LC是藍(lán)相液晶的介電常數(shù)。從(2)和(3)兩式可以看出，第一介電層21和第二介電層22的介電常數(shù)非常關(guān)鍵。當(dāng)ε₁>ε₂時(shí)，液晶透鏡中心位置的電場(chǎng)小于邊緣位置的電場(chǎng)，所以中心位置的感應(yīng)雙折射小于邊緣位置感應(yīng)雙折射，液晶層10中的相位分布如同一個(gè)正透鏡。當(dāng)ε₁<ε₂時(shí)，液晶層10中的相位分布如同一個(gè)負(fù)透鏡。

為了得到拋物線形的相位分布，折射率的變化應(yīng)該正比于x²，即

(4)

其中，a 是比例系數(shù)，K 是克爾系數(shù)，E 表示x 處的電場(chǎng)強(qiáng)度。這里電場(chǎng)強(qiáng)度E 可表示為

(5)

其中，d (x )是第二介電層22在x 處的厚度。

由(4)和(5)兩式可以得到d (x )，表示如下

(6)

最終，我們可以確定第二介電層22的形狀。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡在施加電壓V_on=150V_rms時(shí)的電勢(shì)分布圖。其中，藍(lán)相液晶透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)為R =120μm，d_LC=15μm，ε_LC=51.3，d₁=3.1μm，ε₁=10，d₂=3μm，ε₂=3.8。采用的藍(lán)相液晶的材料參數(shù)為折射率n_iso=1.5，介電各向異性Δε=94，飽和雙折射Δn_s~0.2(λ=550nm)，飽和電場(chǎng)E_s=5.6V/μm，克爾系數(shù)K=11.5nm/V²。從圖2可以看出，由于雙介電層20的作用，液晶層10中形成了期望的梯度電場(chǎng)分布。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡在施加電壓V_on=150V_rms時(shí)的相位分布圖。其中，點(diǎn)線和虛線分別表示o光和e光的相位分布，實(shí)線表示理想的拋物線。為了方便，我們將液晶透鏡中心處的相位設(shè)為零。從圖3可以看出，透鏡中心與透鏡邊緣之間的相位差為1.1π，并且相位分布具有非常好的拋物線形，這有助于減小球差，提高透鏡成像質(zhì)量。此外，由于液晶層10中的電場(chǎng)主要是垂直電場(chǎng)，其水平電場(chǎng)分量基本可以忽略，所以o光和e光的相位重合得非常好，因此該藍(lán)相液晶透鏡是偏振無關(guān)的。

基于相位分布，藍(lán)相液晶透鏡的有效焦距可以用下面公式計(jì)算

(7)

其中，δn(E)表示透鏡中心和透鏡邊緣之間的折射率差。圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的藍(lán)相液晶透鏡的焦距-電壓曲線圖。帶圓圈的曲線和帶方框的曲線分別對(duì)應(yīng)o光和e光。從圖4可以看出，當(dāng)電壓從0V_rms增加到150V_rms時(shí)，透鏡的焦距可以從無窮遠(yuǎn)連續(xù)調(diào)節(jié)到23.5mm，并且o光和e光對(duì)應(yīng)的焦距始終保持一致，這進(jìn)一步說明了該藍(lán)相液晶透鏡是偏振無關(guān)的。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本發(fā)明不限于此實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍的情況下對(duì)其形式和細(xì)節(jié)做出的各種改變，皆應(yīng)屬本發(fā)明的范圍內(nèi)。