[发明专利]一种液晶变焦透镜及其变焦控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学透镜领域，具体涉及一种液晶变焦透镜及其变焦控制方法。

背景技术

液晶变焦透镜广泛应用于光学成像、光通信、机器视觉、三维显示等领域。这种变焦透镜无需微型机械泵、微型伺服电机等机械运动装置和部件，而且对外界环境的干扰不敏感，具有结构简单、性能稳定等优势。

液晶变焦透镜利用液晶材料的双折射性能，通过外加电压改变液晶分子的取向，从而改变液晶材料的折射率，最终实现变焦。包括有折射型液晶变焦透镜和衍射型液晶变焦透镜两种。折射型变焦透镜利用折射原理实现聚焦和变焦，如日本专利JP52-32348和JP61-4586，美国专利U.S.Patent4,190,330和U.S.Patent4,037,929等，这类透镜通常口径较小、响应速度慢、透光率低。

衍射型液晶变焦透镜基于衍射原理实现聚焦和变焦。日本专利JP60-50510公开了一种基于连续面型菲涅耳透镜的衍射型液晶变焦透镜。美国专利U.S.Patent4,904,063提出了两种优化的基于连续面型菲涅耳透镜结构的液晶变焦透镜。这类变焦透镜存在响应速度慢、加工难度大，不利于液晶分子进行定向排列等问题。美国专利U.S.Patent4,909,626、美国专利申请U.S.Patent Application2006/0164593A1等公开了基于平面菲涅耳圆环型电极结构的液晶变焦透镜。这种结构改善了液晶分子的定向排列，但是制作这种电极的难度大、成本高，而且这种透镜结构外围控制电路复杂、衍射效率低等问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有液晶变焦透镜技术中存在的不足，提供一种衍射效率高，控制电路可靠，变焦操作简便的液晶变焦透镜及其变焦控制方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是提供一种液晶变焦透镜，包括液晶盒、液晶、电控装置；液晶盒包括第一电极板、第二电极板和连接第一电极板和第二电极板的间隔物，其中至少一块电极板上具有圆环形衍射电极结构，在至少一个电极板的内表面覆盖有用于液晶分子定向的定向层；所述圆环型衍射电极的半径满足：其中r_j表示第j个圆环的半径，λ₀为设计波长，F₀为焦距常数，p为相位深度，取值大于1；相邻圆环形衍射电极结构对应区域之间的光程差l＝Δn_LC(V)*d满足条件l≥2λ_O，其中Δn_LC(V)为外加电压值为V时相邻区域液晶材料的折射率差，d为液晶层的厚度。

在本发明中:

所述的电控装置与第一电极板和第二电极板连接，为变焦透镜提供驱动电压；电控装置通过输出驱动电压改变所述的Δn_LC(V)参数。

所述的圆环形衍射电极结构为平面透明导电结构。

所述的圆环形衍射电极结构为表面镀有均匀透明导电层的相位浮雕结构。

所述的圆环形衍射电极，位于电极板的同一平面上，或位于电极板的不同平面上。

本发明还提供一种如上所述的液晶变焦透镜的变焦控制方法，通过改变电控装置输出的驱动电压，控制相邻区域液晶材料的折射率差Δn_LC(V)，液晶变焦透镜的焦距满足其中，F₀为焦距常数，p为相位深度，m为透镜的衍射级，m=int[α_LCP]，int[·]为取整运算符，α_LC为由液晶的折射率变化而引起的相位变化因子，l为相邻圆环形衍射电极结构对应区域之间的光程差，l=Δn_LC(V)*d，且l≥2λ_O。

在本发明中，所述定向层为现有技术，其作用是使液晶分子按特定的方向排列。定向层通常是一薄层高分子有机物，并经摩擦处理；也可以通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明基于相位深度大于1的圆环形电极结构，有利于降低电极的加工精度要求，提高透镜的衍射效率。

2、本发明设计的透镜避免了电极之间的短接控制，直接通过输出驱动电压实现变焦，简化了外围控制电路，操作简便。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的液晶变焦透镜的侧剖面示意图；

图2是本发明实施例1提供的液晶变焦透镜的俯视示意图；

图3是本发明实施例2提供的液晶变焦透镜的侧剖面示意图；