專(zhuān)利名稱(chēng)：連續(xù)變焦菲涅耳透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)器件領(lǐng)域，涉及一種在電場(chǎng)作用下，利用液晶折射率發(fā)生連續(xù)變化的特性，使焦距連續(xù)可調(diào)的菲涅耳透鏡。用液晶層彌補(bǔ)半波位相，達(dá)到光能損失最小，同時(shí)通過(guò)電控液晶的有效折射率實(shí)現(xiàn)透鏡連續(xù)變焦。
背景技術(shù)：
透鏡是基本的光學(xué)器件，在光學(xué)儀器和設(shè)備中隨處可見(jiàn)。隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)透鏡的要求越來(lái)越高。一個(gè)是透鏡的焦距的連續(xù)可變，另一個(gè)是大焦距的透鏡。無(wú)論是那一種，要想滿足要求都會(huì)使得光學(xué)系統(tǒng)變得龐大和復(fù)雜。
微型透鏡也是一種重要的光學(xué)器件，目前用傳統(tǒng)的工藝法制作微透鏡主要有離子交換法、模壓成型法、光敏玻璃熱成形法和光刻膠熱溶成形法。由于所用材料和傳統(tǒng)工藝的限制，使得用這些方法制作的微型透鏡有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是透鏡只有一個(gè)焦距。要改變透鏡的焦距長(zhǎng)，需用一組透鏡，通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)透鏡間的間距才能實(shí)現(xiàn)。使用透鏡組不僅增加器件的成本，增大設(shè)備體積，而且不易有效地實(shí)現(xiàn)所需要的焦距。因此，人們希望能開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、低成本的可變焦透鏡。
近年來(lái)，人們提出了采用液晶技術(shù)制作可變焦微透鏡，液晶微透鏡采用光透射方式，具有控制簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)及驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，這種器件具有巨大的潛在應(yīng)用性。目前用液晶技術(shù)已設(shè)計(jì)了幾種透鏡器件，如線型分離電極結(jié)構(gòu)，見(jiàn)U.S.patent4,572,616(Feb.25，1985)、凸，凹透鏡與液晶結(jié)合(Liquid-Crystal Lens-Cells with Variable FocalLength，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.24，No.8，1985pp.L626-628)，孔狀電極結(jié)構(gòu)(APPLIED OPTICS/Vol.36，No.20/10 July1997，pp4772-4778)。上述結(jié)構(gòu)的透鏡都屬于折射型液晶透鏡，其中有些器件的制作技術(shù)比較復(fù)雜。我們?cè)捎镁酆衔锓稚⒁壕Ъ夹g(shù)制備菲涅耳波帶衍射器件(CN2348405Y，1999，11，10)，通過(guò)對(duì)基板上ITO(氧化銦錫)電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)具有奇數(shù)半波帶或偶數(shù)半波帶起作用的電場(chǎng)可調(diào)菲涅耳液晶波帶器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)常規(guī)的菲涅耳波帶結(jié)構(gòu)，利用液晶在變化電場(chǎng)的作用下，折射率發(fā)生變化的特性，目的是提供一種大焦距或微型的連續(xù)變焦的菲涅耳透鏡。
常規(guī)菲涅耳波帶片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是采用把奇數(shù)半波帶或偶數(shù)半波帶遮蔽起來(lái)，讓具有相同或相差為2π整數(shù)倍位相的光波衍射透過(guò)波帶片，并通過(guò)干涉使光波聚集在波帶的軸線上，從而具有透鏡功能。然而，這種波帶片由于對(duì)光的選擇遮蔽，使光的利用率降低一半，而且其主焦距不可調(diào)節(jié)。從圖1可以看出，如果不遮蔽奇數(shù)半波帶(或偶數(shù)半波帶)，而是讓透過(guò)奇數(shù)半波帶(或偶數(shù)半波帶)的光波再產(chǎn)生π或π的奇數(shù)倍的位相差，則這種波帶片為位相波帶片，采用液晶技術(shù)可以達(dá)到這一目的。
圖2為相同厚度，不同折射率產(chǎn)生的位相差，n1表示液晶盒中上半部液晶的折射率，n2表示下半部分液晶的折射率，Δn為|n1-n2|，d為液晶盒的厚度。如果光通過(guò)兩部分后產(chǎn)生的光程差 ，λ為光波長(zhǎng)，且把這兩部分看作相鄰的兩個(gè)波帶，則相位型液晶波帶片可以設(shè)計(jì)。
根據(jù)上述原理和分析，本發(fā)明設(shè)計(jì)了如圖3所示的波帶結(jié)構(gòu)。圖3為上下玻璃基板的ITO電極刻蝕圖案及公共電極部分。
根據(jù)圖3設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，一玻璃基板上的ITO電極呈環(huán)狀波帶結(jié)構(gòu)、另一塊玻璃基板也帶有環(huán)狀電極，每個(gè)基板上的環(huán)狀波帶用一公共直帶電極連接在一起，上下基板上ITO的環(huán)狀波帶完全相同。用此兩環(huán)狀電極面作內(nèi)表面，上下基板電極圖形鏡像對(duì)稱(chēng)，且公共電極不交迭，兩基板間夾一液晶層。在兩環(huán)狀波帶電極上均涂有液晶取向?qū)泳埘啺?PI)。兩玻璃基板間的液晶層是摻有手性劑的扭曲向列相液晶材料。兩基板的間隙d，也就是液晶層的厚度可以選擇在4～6μm之間。在這種器件中，每一波帶圓的半徑表示為 ，r1為最內(nèi)圓的半徑，m為正整數(shù)是波帶環(huán)的序數(shù)。可以看出，如果給上下基板施加電壓，則只有鏡相對(duì)稱(chēng)的環(huán)狀電極部分之間存在電場(chǎng)，即電場(chǎng)的形狀為波帶狀。用波帶狀的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液晶，則液晶層亦呈波帶狀，因此，液晶和菲涅耳波帶結(jié)合可用來(lái)制作液晶透鏡。
為了便于理解本發(fā)明，用圖4來(lái)進(jìn)一步給出說(shuō)明。圖4表示菲涅耳波帶中液晶分子的排列取向結(jié)構(gòu)，圖4(a)是未加電場(chǎng)時(shí)液晶排列情況，圖4(b)為菲涅耳波帶電極在施加電場(chǎng)時(shí)，液晶排列取向情況。其中，nave為未加電場(chǎng)時(shí)液晶的平均折射率，neff為加電場(chǎng)時(shí)液晶排列取向的有效折射率。在圖4中，1—玻璃基板，2—為ITO電極，3—為取向?qū)樱?—液晶層。
根據(jù)液晶的光學(xué)各向異性特性，要使單色自然光通過(guò)液晶層后在任何光波振動(dòng)方向上產(chǎn)生相同的位相延遲，則液晶應(yīng)呈180°扭曲排列。圖4(a)為未加電壓的情況下，相鄰兩波帶的透光過(guò)程，兩者因折射率相同，透射情形相同。圖4中(b)是相鄰波帶中有一個(gè)施加電場(chǎng)的情況。在液晶被驅(qū)動(dòng)的情況下，被驅(qū)動(dòng)部分的液晶在任何方向上都呈相同的有效折射率neff，而沒(méi)有被驅(qū)動(dòng)的液晶呈平均折射率nave。相鄰兩波帶折射率不同，但透過(guò)的光產(chǎn)生的光程差在任何方向上都相同。通過(guò)對(duì)有效折射率的調(diào)節(jié)，可以對(duì)這種液晶位相波帶片進(jìn)行控制，這樣不僅顯著提高器件對(duì)光的利用率，而且還能改變器件的焦距。
為求出這種波帶器件的結(jié)構(gòu)與焦距的關(guān)系，圖5給出液晶波帶器件的結(jié)構(gòu)。當(dāng)光由器件左邊進(jìn)入并在右側(cè)聚焦時(shí)，相鄰波帶的位相差應(yīng)滿足2π=2πλ[nave-neff(V)]d+2πλb,---(1)]]>其中 為光通過(guò)液晶層時(shí)產(chǎn)生的位相差，b為光由相鄰波帶到聚焦點(diǎn)處產(chǎn)生的光程差，O為焦點(diǎn)。
由(1)式可推導(dǎo)λ＝[nave-neff(V)]d+b(2)根據(jù)傳統(tǒng)波帶片的主焦距公式 由上兩式得fLCFZ=r12/λ=r12[nave-neff(V)]d+b---(4)]]>由(4)式可以看出，菲涅耳液晶波帶片的焦距fLCFZ具有電場(chǎng)連續(xù)可調(diào)性。
圖7為這種液晶波帶片在施加不同電壓情況下用CCD所測(cè)得的聚光特性，液晶器件和CCD的距離保持不變，所用光源為He-Ne激光器。圖7(a)為不加電壓時(shí)，本發(fā)明的聚焦情況，(b)和(c)分別為電壓為3V和4V時(shí)，本發(fā)明的聚焦情況?？梢钥闯?，在不加電壓的情況下，He-Ne激光光束透過(guò)液晶盒而不被聚焦，在施加3V和4V的情況下，透射光束明顯變窄，光強(qiáng)顯著增加。在3V，4V兩種情況下所得到的光強(qiáng)不同，說(shuō)明器件的焦距長(zhǎng)度不同。因此，這種器件的焦距具有電場(chǎng)可調(diào)性。用偏光顯微鏡檢測(cè)透視光的光強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)不呈現(xiàn)偏振性。
根據(jù)公式(3)的表達(dá)式，如果把波帶片看作振幅型波帶片，則其焦距經(jīng)計(jì)算約為40mm，考慮到第1波帶與第2波帶、第2波帶與第3波帶中由于b變化的不一致導(dǎo)致光聚焦能力下降，根據(jù)圖5的幾何結(jié)構(gòu)，由勾股定理可計(jì)算，當(dāng)相鄰波帶的光程差不超過(guò)λ/20，可認(rèn)為仍有聚光能力。于是我們可以得到f2+2r12-f2+r12=f2+3r12-f2-2r12±λ20-----(5)]]>從此公式中可以估算出這種器件焦距的可調(diào)范圍為1cm～100cm，因此我們認(rèn)為有效焦距的可調(diào)范圍大約在原固有焦距的0.5～2倍范圍。
從理論上考慮，如果激光的強(qiáng)度為Io，激光通過(guò)每一波帶在主焦點(diǎn)上產(chǎn)生的振動(dòng)振幅為a(Io＝a2)，則總振動(dòng)振幅為2×16a，其光強(qiáng)為I＝(2×16a)2，即光強(qiáng)將增加1024倍。
四

圖1為常規(guī)菲涅耳波帶片的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明相鄰兩相位型液晶波帶透過(guò)光產(chǎn)生的光程差情況，其中n1，n2為液晶的折射率。
圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明在電場(chǎng)作用下相鄰波帶的折射率變化情況。
圖5為本發(fā)明的聚焦示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施方式在偏光顯微鏡下所觀察的波帶結(jié)構(gòu)。
圖7為本發(fā)明在施加不同電壓情況下，CCD所測(cè)得的聚光特性。
五具體實(shí)施例方式
采用光刻方法把兩玻璃基板上的ITO電極均刻蝕成相同波帶結(jié)構(gòu)，其波帶的最內(nèi)半徑為0.5mm，共有16個(gè)奇數(shù)帶，用公共電極把各自的波帶連接起來(lái)。在ITO電極表面再涂上聚酰亞胺取向?qū)?，并被單方向摩擦。把玻璃板?duì)稱(chēng)放置做成液晶盒，摩擦方向反平行，其公共電極不交迭。在公共電極上施加一適度電壓，在偏光顯微鏡下所觀察的波帶結(jié)構(gòu)如圖6所示。在照片中，奇數(shù)帶為在電場(chǎng)作用下液晶取向部分，偶數(shù)帶為液晶最初取向部分。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)變焦菲涅耳透鏡，由帶透明電極的玻璃基板、液晶層和另一塊帶透明電極的玻璃基板組成，其特征是玻璃基板上的透明電極刻蝕成菲涅耳環(huán)狀波帶電極結(jié)構(gòu)，上下基板電極圖形鏡像對(duì)稱(chēng)，并用一條公共直帶電極把這些波帶電極連接起來(lái)，上下基板公共電極不交迭；以電極面為基板內(nèi)表面，兩環(huán)狀波帶電極上均涂液晶取向?qū)?；上下基板之間的液晶層是摻有手性劑的向列液晶材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)變焦菲涅耳透鏡，其特征是液晶呈180°扭曲旋轉(zhuǎn)排列，其螺旋軸沿基板表面法線方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)變焦菲涅耳透鏡，其特征是液晶的折射率變化差值Δn在0.2～0.3范圍之間，兩基板之間的等厚間隙為4～6μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)變焦菲涅耳透鏡，其特征是用電場(chǎng)調(diào)制液晶的折射率，使透鏡的焦距在原焦距0.5～2倍范圍內(nèi)連續(xù)變化。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)器件領(lǐng)域,涉及一種連續(xù)變焦菲涅耳透鏡。其特征是由上下兩個(gè)玻璃基板和液晶夾層組成,基板內(nèi)表面的ITO導(dǎo)電膜被刻蝕成波帶電極結(jié)構(gòu)。通過(guò)電場(chǎng)控制液晶層的折射率,使穿過(guò)相鄰波帶間的兩光束到主焦點(diǎn)的位相差為2π,因此聚光能力比常規(guī)菲涅耳波帶片更強(qiáng)。另外,經(jīng)液晶排列技術(shù)處理,無(wú)需偏振片,光利用率高。又由于液晶的折射率連續(xù)可調(diào),可使透鏡的主焦距在0.5f～2f范圍內(nèi)連續(xù)變化。
文檔編號(hào)G02B3/14GK1367398SQ01125128
公開(kāi)日2002年9月4日 申請(qǐng)日期2001年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月14日
發(fā)明者任洪文, 宣麗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所