本發(fā)明涉及液晶取向控制技術領域，尤其涉及一種偏振相關的平面液晶透鏡及其制備方法。

背景技術：

增強現(xiàn)實技術是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術。能將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成，把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息(視覺信息,聲音,觸覺等)通過電腦模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗，實現(xiàn)真實環(huán)境和虛擬物體實時地疊加到了同一個畫面或空間。

增強現(xiàn)實技術不僅在與虛擬現(xiàn)實技術相類似的應用領域，由于其具有能夠對真實環(huán)境進行增強顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究、精密儀器制造和維修、軍用飛機導航、工程設計和遠程機器人控制等領域，具有比vr技術更加明顯的優(yōu)勢。

現(xiàn)有的液晶透鏡主要是液晶曲面透鏡或柱狀透鏡，需借助樹脂模具制成，加工難度高、成本高，且產(chǎn)品合格率低，所得二元透鏡器件的衍射效率最高僅為41％。且因現(xiàn)有的液晶透鏡大多數(shù)為非平面的光學元件，其使用也受到限制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設計一種偏振相關的平面液晶透鏡，第一基板與第二基板相對而置，間隔粒子保持二者間距，二基板內側面覆有電極膜和光控取向膜，基板之間為液晶層，光控取向膜中分子指向矢方向周期漸變的多個同心圓的微區(qū)圖形控制液晶層中的液晶分子指向矢按其同心圓的周期性漸變分布。本液晶透鏡的效率提高，且結構簡單，成本低。

本發(fā)明的另一目的是設計一種偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法，在基板上形成電極膜，其上旋涂形成附著于基板一側的光控取向膜，在第一基板內側均勻噴灑間隔粒子，二基板相對用ab膠連接封裝。對二基板上的光控取向膜多步部分重疊曝光，形成周期漸變分子指向矢方向的多個同心圓的微區(qū)圖形。二基板上之間灌注液晶層，設置兩個電極膜之間的電壓差，得到液晶透鏡。本方法易于加工，產(chǎn)品的良率提高，制備成本降低。

本發(fā)明設計的一種偏振相關的平面液晶透鏡包括相對設置的透明的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和第二基板之間的液晶層。

所述第一基板與第二基板之間設置有均布的間隔粒子，保持二基板的間距均勻，支撐所述液晶層。所述間隔粒子為相同的直徑3～8微米的絕緣球，相鄰間隔粒子的間距為3～8微米。調整間隔粒子的尺寸控制第一基板和第二基板之間的距離。

所述第一基板與第二基板相對的內側面上分別附有電極膜，所述二電極膜相對的內側面上分別附有光控取向膜。所述光控取向膜具有分子指向矢方向呈二維周期性漸變分布的同心圓結構的微區(qū)圖形，光控取向膜中分子指向矢方向周期漸變的微區(qū)圖形控制液晶層中的液晶分子指向矢的周期性漸變分布，使入射液晶透鏡的圓偏振光轉換為具有聚焦特性的出射光。

所述微區(qū)圖形為n個同心漸變圓環(huán)，2≤n≤50，,每個圓環(huán)為一個漸變周期，同一微區(qū)圖形中n個同心圓環(huán)由中心向外周期逐漸變小，n個同心圓環(huán)由中心向外環(huán)上的光控取向膜分子指向方向從0°漸變到接近180°。

進一步的，所述液晶層為雙頻液晶，雙頻液晶由正性液晶和負性液晶混合而成，在外加低頻電場時其介電各向異性為正，高頻電場時其介電各向異性為負；所述光控取向膜的材料為偶氮染料。

本發(fā)明提供的一種偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法，包括如下步驟：

ⅰ、涂覆電極膜的基板

透明玻璃的一面涂覆有氧化銦錫(ito)導電膜，透明玻璃為基板，ito導電膜為電極膜；

為增加光控取向膜與第一基板和第二基板的浸潤性和粘附性，對基板進行處理，用丙酮和酒精混合的氧化銦錫導電膜洗液對基板進行超聲清洗20～40分鐘，然后再用超純水超聲清洗2～4次，每次清洗時間為8～15分鐘。在110℃～130℃烘箱中烘干30～50分鐘后，進行紫外臭氧(uvo)清洗20～40分鐘。

ⅱ、形成光控取向膜

將光控取向材料旋涂在步驟ⅰ完成的覆有電極膜的基板的電極膜外側，并將旋涂有光控取向材料的基板作退火處理。

可選地，光控取向材料旋涂于覆有電極膜的基板的電極膜外側，低速旋涂4～6秒，轉速700～900轉/分鐘，高速旋涂30～50秒，轉速2800～3200轉/分鐘；之后將旋涂有光控取向材料的基板退火8～12分鐘，退火溫度為80～120℃，形成附著于基板一側的光控取向膜。

ⅲ、基板封裝

取步驟ⅱ完成的2塊附有光控取向膜的基板分別作為第一基板和第二基板，在第一基板附有光控取向膜的面上均勻噴灑間隔粒子，第一基板和第二基板附有光控取向膜的一面相對，兩塊基板用ab膠連接封裝。

ⅳ、光控取向膜的取向處理

對步驟ⅲ封裝為一體的第一基板和第二基板上的光控取向膜進行3～m步部分重疊的曝光，2≤m≤10，形成周期漸變分子指向矢方向的微區(qū)圖形。

本步驟采用數(shù)控微鏡陣光刻系統(tǒng)，根據(jù)曝光次序，選擇對應的曝光圖形，以及對應的誘導光偏振方向，依次進行曝光；相鄰步驟曝光圖形的曝光區(qū)域部分重疊，所述誘導光偏振方向隨曝光次序單調增加或單調減小。

所述平面液晶透鏡的微區(qū)圖形有n個同心圓環(huán)為n個周期，2≤n≤50,由內向外為t1，t2，t3…tn，每個周期沿徑向分為m等份，即同一周期的圓環(huán)分為m個寬度相等的子環(huán)。t1分為t11、t12…t1m，t2分為t21、t22…t2m，……tn分為tn1、tn2…tnm。第一次曝光對應的誘導光偏振方向為0°，第一次曝光圖形的曝光區(qū)域為t1的t11和t12、t2的t21和t22、t3的t31和t32，…tn的tn1和tn2。第二次曝光對應的誘導光偏振方向為(180/m)°，第二次曝光圖形的曝光區(qū)域為t1的t12和t13、t2的t22和t23、t3的t32和t33，…tn的tn2和tn3。依次類推，至第m次曝光對應的誘導光偏振方向為(m-1)×(180/m)°,第m次曝光圖形的曝光區(qū)域為t1的t11和t1m、t2的t21和t2m、t3的t31和t3m，……tn的tn1和tnm。

每次曝光對應的誘導光偏振方向單調增加或單調減小，第二次開始每次曝光圖形的曝光區(qū)域均與前一次的曝光圖形的曝光區(qū)域部分重疊，各周期的各部分均重復曝光兩次。每次的曝光量小于1.3w/cm²，不足以使光控取向膜的分子指向矢方向排布達到穩(wěn)定，兩次曝光劑量的總和使得其處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且光控取向膜的分子指向矢方向介于所經(jīng)歷的兩次曝光的偏振角度的中間態(tài)。

從而在光控取向膜上形成多個同心圓環(huán)構成的、且分子指向矢方向呈由0°向180°周期性漸變分布的微區(qū)圖形。

ⅴ、灌注液晶層

在步驟ⅲ封裝為一體的第一基板和第二基板上之間灌注液晶層，所述二基板水平放置，液晶和二基板加熱至60～90℃，將液態(tài)的液晶注入二基板之間，透明的基板和透明的液晶可清晰地觀察液晶的填充狀態(tài)，當液晶充滿二基板之間的空間，靜置，降溫到液晶恢復晶態(tài)，光控取向膜的微區(qū)圖形控制液晶層中的液晶分子指向矢按其同心圓的周期性漸變分布。即得到本發(fā)明的偏振相關的平面液晶透鏡，在偏光顯微鏡下可清晰看到液晶織構。

使用時若需要則設置本平面液晶透鏡兩個電極膜之間的電壓差，導電夾分別夾在第一、第二基板上，導電夾連接產(chǎn)生交流電信號數(shù)字信號發(fā)生器，第一、第二基板上的電極膜之間形成預設電壓差，為25伏。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明一種偏振相關的平面液晶透鏡的優(yōu)點為：1、光控取向膜中分子指向矢方向的微區(qū)圖形控制液晶層中的液晶分子指向矢的周期性漸變分布，入射本液晶透鏡的圓偏振光轉換為具有聚焦或發(fā)散特性的出射光；2、液晶層為對偏振光敏感的材料，本液晶透鏡的雙聚焦特性可由入射光的偏振狀態(tài)控制熱，通過選擇右旋圓偏振入射光或左旋圓偏振入射光，可以獲得不同偏振狀態(tài)的衍射光斑，由本例透鏡集成的透鏡陣列可滿足增強現(xiàn)實顯示等領域的應用需求；3、設定外加電場為25v,1khz/80khz時，電場作用下獲得亞毫秒量級雙焦點透鏡的工作響應時間；4、本平面液晶透鏡的衍射效率提高顯著，理論效率為100％，實驗測得效率高達95％；5、為平面光學元件，輕便，易集成，且電光可調、偏振可控和寬波段適用，且結構簡單，成本低廉，適于增強現(xiàn)實技術的應用。

本發(fā)明一種液晶透鏡的制備方法的優(yōu)點為：無需借助樹脂模具成型，易于加工，產(chǎn)品的良率提高，制備成本降低。

附圖說明

圖1為本偏振相關的平面液晶透鏡實施例的剖面結構示意圖；

圖2為本偏振相關的平面液晶透鏡實施例光控取向膜的分子指向矢方向呈二維周期性漸變分布的微區(qū)圖形示意圖；

圖3為本偏振相關的平面液晶透鏡實施例液晶層中液晶分子指向矢方向周期漸變分布的模擬示意圖；

圖4a為本偏振相關的平面液晶透鏡實施例的雙聚焦特性焦距f為正的示意圖；

圖4b為本偏振相關的平面液晶透鏡實施例的雙聚焦特性焦距f為負的示意圖；

圖5a為本偏振相關的平面液晶透鏡實施例的非互易特性示意圖；

圖5b為本偏振相關的平面液晶透鏡實施例的非互易特性示意圖；

圖6為本偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法實施例的流程示意圖；

圖7a為本偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法實施例步驟ⅳ的微區(qū)圖形分區(qū)曝光示意圖；

圖7b為本偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法實施例步驟ⅳ的第一次曝光圖形示意圖；

圖7c為本偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法實施例步驟ⅳ的的第二次曝光圖形示意圖；

圖7d為本偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法實施例步驟ⅳ的第三次曝光圖形示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關的部分而非全部結構。

偏振相關的平面液晶透鏡實施例

本偏振相關的平面液晶透鏡實施例剖面結構如圖1所示，包括相對設置的透明的第一基板11和第二基板12，以及位于所述第一基板11和第二基板12的液晶層13；其中，本例第一基板11上均布有直徑為5微米的絕緣球形間隔粒子14，相鄰的間隔粒子的間距為5微米。

本例第一基板11與第二基板12相對的內側面上分別附有電極膜，二電極膜相對的內側面上分別附有光控取向膜。本例光控取向膜具有分子指向矢方向呈二維周期性漸變分布的n＝30個同心圓構成的微區(qū)圖形，每個明暗相間的同心圓環(huán)為一個漸變周期，n個同心圓環(huán)由中心向外周期逐漸變小，n個同心圓環(huán)由中心向外環(huán)上的光控取向膜分子指向方向從0°漸變到180°，如圖2所示；光控取向膜的微區(qū)圖形的錨定作用，控制液晶層中的液晶分子指向矢呈周期性漸變分布的多個同心圓，每個圓環(huán)為一個周期。當入射光的尋常光和非尋常光的相位差等于π的情況下在偏振顯微鏡下本例液晶透鏡實施例的織構如圖3所示，多個同心圓環(huán)每個周期內的液晶指向矢方向呈漸變分布，圖中由暗到亮表示液晶指向矢方向從0°漸變?yōu)?80°。

本例偏振相關的平面液晶透鏡的液晶層為雙頻液晶；本例雙頻液晶使用的是一種特殊的液晶(jc-dflc-01)，由正性液晶和負性液晶混合而成。雙頻液晶具有在外加低頻電場時材料的介電各向異性為正，高頻電場時介電各向異性為負的特性。所述光控取向膜的材料為偶氮染料。

當液晶取向層的空間指向矢呈周期性漸變分布，滿足pb(pancharatnam-berry)相位透鏡的輪廓時，由衍射性原理可知，通過pb相位在空間的不均勻分布，光按不同的衍射角導向不同方向。與傳統(tǒng)的菲涅耳透鏡不同的是，pb相位透鏡在工作狀態(tài)時抑制高級次的衍射，只存在三個衍射級次，分別對應零級和正負一級，其正負一級兩個級次分別表現(xiàn)為匯聚和發(fā)散的狀態(tài)，因此pb相位透鏡衍射效率大大提高。

本例偏振相關的平面液晶透鏡的光控取向膜上設置分子指向矢方向呈二維周期性漸變分布的控制圖形，在所述控制圖形的控制下，所述液晶層中的液晶分子指向矢呈周期性漸變分布，相當于pb相位透鏡，也只存在零級和正負一級三個衍射級次。

本例偏振相關的平面液晶透鏡的二基板之間的間隔粒子可根據(jù)需要選取，以調整第一基板和第二基板之間的距離。本例實驗時選用的直徑為5微米的間隔粒子，實現(xiàn)了入射光在本例液晶透鏡中的尋常光和非尋常光的相位差大于或者等于π，此時控制施加在本例液晶透鏡二電極膜上的電壓差，使零級高斯光束消失，本例液晶透鏡正負一級的衍射效率理論上可達到100％，本例實施中達到95％。

本偏振相關的平面液晶透鏡實施例對入射光的波長沒有限制，可實現(xiàn)對任意波長入射光的聚焦作用。本液晶透鏡實施例對不同偏振模式的入射光產(chǎn)生匯聚或發(fā)散的不同效果。圖4a和圖4b為本液晶透鏡實施例雙聚焦特性示意圖，圖4a表示，當入射光為右旋圓偏振rhc(偏振片與四分之一波片光軸的夾角角度為-45°)時，經(jīng)本液晶透鏡實施例，轉換為負一級衍射的聚焦光斑，即出射光聚焦于另一側的焦點處，轉換后的出射光為左旋圓偏振光，本液晶透鏡實施例的焦距f為正。圖4b表示，當入射光為左旋圓偏振lhc(偏振片與四分之一波片光軸的夾角角度為45°)時，經(jīng)本液晶透鏡實施例，轉換為正一級衍射的發(fā)散光斑，即出射光聚焦于另一側的焦點處，轉換后的出射光為右旋圓偏振光，本液晶透鏡實施例的焦距f為負。

本實施例提供的液晶透鏡具非互易性特點。以入射右旋光為例，當液晶透鏡與光傳播方向一致時表現(xiàn)為凸面透鏡(f＞0)；當液晶透鏡與光傳播方向相反時表現(xiàn)為凹面透鏡(f＜0)。圖5a和圖5b為本液晶透鏡實施例具有的非互易特性示意圖。對于特定偏振的圓偏光，當入射光為右旋圓偏振且傳播方向與透鏡方向相同時，經(jīng)所述液晶透鏡轉換為負一級衍射的聚焦光斑，如圖4a所示；當入射光為右旋圓偏振且傳播方向與透鏡方向相反時，經(jīng)所述液晶透鏡轉換為負一級衍射的發(fā)散光斑，如圖5a所示；同理于左旋圓偏振光，傳播方向與透鏡方向相同時，經(jīng)所述液晶透鏡轉換為負一級衍射的發(fā)散光斑，如圖4b所示；當入射光為左旋圓偏振且傳播方向與透鏡方向相反時，經(jīng)所述液晶透鏡轉換為負一級衍射的聚焦光斑，如圖5b所示。

本例液晶透鏡的液晶層為雙頻液晶；雙頻液晶的顯著特點是其介電各向異性隨外加電場頻率的改變而變化。所述液晶層所用的雙頻液晶介電常數(shù)各向異性隨頻率的升高逐漸減小，到達臨界頻率時介電各向異性為零，超過臨界頻率后變?yōu)樨撝?。本例?khz及以下的低頻電場下，分子沿電場方向排列，入射光在所述液晶透鏡中的尋常光和非尋常光的相位差為零，液晶透鏡不具有匯聚或發(fā)散作用，可作為所述液晶透鏡的關態(tài)；在本例80khz的高頻電場下，分子垂直于電場方向排列，液晶透鏡具有匯聚或發(fā)散的衍射作用，可作為所述液晶透鏡一級衍射開態(tài)。

與向列相液晶盒相比，本例偏振相關的平面液晶透鏡為雙頻液晶盒，具有更快的響應時間和更大的相轉變。以入射右旋圓偏光為例，通過控制施加在本例液晶透鏡第一基板和第二基板上的電壓頻率分別為1khz和80khz，產(chǎn)生高低頻連續(xù)變化的電壓差。在液晶透鏡的工作焦點處測得液晶透鏡在開態(tài)與關態(tài)之間切換的響應時間控制在亞毫秒量級。

偏振相關的平面液晶透鏡的制備方法實施例

本液晶透鏡的制備方法實施例流程圖如圖6所示，包括如下步驟：

ⅰ、涂覆電極膜的基板

透明玻璃的一面涂覆有氧化銦錫(ito)導電膜，透明玻璃為基板，ito導電膜為電膜；

用丙酮和酒精混合的氧化銦錫導電膜洗液對基板進行超聲清洗30分鐘，然后再用超純水超聲清洗2次，每次清洗時間為10分鐘。在120℃烘箱中烘干40分鐘后，進行紫外臭氧(uvo)清洗30分鐘。

ⅱ、形成光控取向膜

光控取向材料室溫10℃～35℃下旋涂于覆有電極膜的基板的電極膜外側，低速旋涂5秒，轉速800轉/分鐘，高速旋涂40秒，轉速3000轉/分鐘；之后將旋涂有光控取向材料的基板退火10分鐘，退火溫度為100℃，形成附著于基板一側的光控取向膜。

ⅲ、基板封裝

取步驟ⅱ完成的2塊附有光控取向膜的基板分別作為第一基板和第二基板，在第一基板附有光控取向膜的面上均勻噴灑間隔粒子，第一基板和第二基板附有光控取向膜的一面相對，兩塊基板用ab膠連接封裝。

選取不同尺寸的間隔粒子調整第一基板和第二基板之間的距離，實現(xiàn)入射光在所述液晶透鏡中的尋常光和非尋常光的相位差大于或者等于π。本例選用間隔粒子直徑5微米。

ⅳ、光控取向膜的取向處理

對步驟ⅲ封裝為一體的第一基板和第二基板上的光控取向膜本例進行3步部分重疊的曝光，形成周期漸變分子指向矢方向的微區(qū)圖形。

本例采用數(shù)控微鏡陣光刻系統(tǒng)，根據(jù)曝光次序，選擇對應的曝光圖形，以及對應的誘導光偏振方向，依次進行曝光；相鄰步驟曝光圖形的曝光區(qū)域部分重疊，所述誘導光偏振方向隨曝光次序單調增加或單調減小。

本例平面液晶透鏡設計的微區(qū)圖形的n＝30個同心圓環(huán)為30個周期，由內向外為t1，t2，t3…tn。圖7a只表示出t1，t2和t3，每個周期沿徑向分為3等份，即同一周期的圓環(huán)分為3個寬度相等的子環(huán)。t1分為t11、t12和t13，t2分為t21、t22和t23，t3分為t31、t32和t33。第一次曝光對應的誘導光偏振方向為0°，第一次曝光圖形如圖7b所示，曝光區(qū)域為t1的t11和t12、t2的t21和t22、t3的t31和t32，t13、t23和t33被遮擋。第二次曝光對應的誘導光偏振方向為(180/3)＝60°，第二次曝光圖形如圖7c所示，曝光區(qū)域為t1的t12和t13、t2的t22和t23、t3的t32和t331，t11、t21和t31被遮擋。依次類推，至第3次曝光對應的誘導光偏振方向為2×(180/3)＝120°,第3次曝光圖形如圖7d所示，曝光區(qū)域為t1的t11和t13、t2的t21和t23、t3的t31和t3，t12、t22和t32被遮擋。

需要說明的是，圖7示例性的選擇三步重疊曝光，即m＝3,并非對本發(fā)明實施例的限制，在實際使用中，可根據(jù)實際需求選擇曝光次數(shù)，以及每個周期均分的數(shù)量。

每次曝光對應的誘導光偏振方向單調增加或單調減小，第二次開始每次曝光圖形的曝光區(qū)域均與前一次的曝光圖形的曝光區(qū)域部分重疊，各周期的各部分均重復曝光兩次。每次的曝光量≤1.3w/cm²使光控取向膜的分子指向矢方向排布達到穩(wěn)定，兩次曝光劑量的總和使得其處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且光控取向膜的分子指向矢方向介于所經(jīng)歷的兩次曝光的偏振角度的中間態(tài)。

從而在光控取向膜上形成多個同心圓環(huán)構成的、且分子指向矢方向呈由0°向180°周期性漸變分布的微區(qū)圖形。

光控取向膜的微區(qū)圖形中的每個周期圓環(huán)均分的子環(huán)數(shù)量m越多，曝光次數(shù)越多，即誘導光偏振光的偏振角度(180/m)°越小，，液晶指向矢方向呈周期性漸變分布得越均勻，本透鏡衍射效率越接近理論值100％。

ⅴ、灌注液晶層

在步驟ⅲ封裝為一體的第一基板和第二基板上之間灌注液晶層，所述二基板水平放置，液晶和二基板加熱至80℃，將液態(tài)的液晶注入二基板之間，透明的基板和透明的液晶可清晰地觀察液晶的填充狀態(tài)，當液晶充滿二基板之間的空間，靜置，降溫到液晶恢復晶態(tài)，光控取向膜的微區(qū)圖形控制液晶層中的液晶分子指向矢按其同心圓的周期性漸變分布。在偏光顯微鏡下可清晰看到液晶織構，得到本偏振相關的平面液晶透鏡。

上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內。