一种液晶微透镜及其控制方法与制备方法技术

本发明专利技术公开了一种液晶微透镜，依次包括第一基板、第一透明电极层、垂直取向膜、液晶层、平行取向膜、第二透明电极层和第二基板；垂直取向膜使得液晶层中邻近其的液晶分子的分子指向矢垂直于垂直取向膜表面排布；平行取向膜具有分子指向矢呈特定分布的控制图形，使液晶层中液晶分子自组装成环面焦锥畴微透镜阵列；垂直取向膜与平行取向膜间设置有间隔粒子，用于支撑液晶层。本发明专利技术还公开了一种液晶微透镜的控制方法及其制备方法。本发明专利技术制备工艺简单，成本较低，液晶微透镜的焦距可电控调谐；相比于现有技术中的液晶微透镜阵列，本发明专利技术液晶环面焦锥畴结构，因自组装形成由中心至边缘的渐变折射率分布，能对一侧入射的光束产生光会聚的效果。聚的效果。聚的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种液晶微透镜及其控制方法与制备方法


[0001]本专利技术涉及光学元件及其控制方法和制备方法，具体为一种液晶微透镜及其控制方法与制备方法。

技术介绍

[0002]微透镜阵列是一种由微米至毫米量级通光孔径及浮雕深度的透镜所组成的阵列化光学元件，具备轻量化、微型化、集成化的特点。普通微透镜阵列多采用石英玻璃、光学塑料等材料，利用光刻离子交换、光刻胶热熔、激光刻蚀、喷墨打印、纳米压印等方式制备，工艺复杂，成本昂贵，且器件不具备调谐能力。基于液晶材料的微透镜阵列发挥了其大双折射性与介电各向异性的优势，通常具备焦距调谐、开关切换等能力，同时兼具填充系数高、调制范围大、质量轻、功耗低等固有优势。因此，液晶微透镜阵列装置在显示成像、波前传感、激光整形、光束扫描、光聚能等领域都具有良好的应用前景。
[0003]传统的液晶微透镜阵列一般基于图案化的电极设计或者边界几何结构的限制，需要复杂的加工工艺，成本较高，且不利于大面积制备。如何简单高效地实现液晶微透镜阵列元件的快速制备和参数调控需要进一步研究。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供一种焦距能够大范围电控调谐的液晶微透镜，本专利技术的另一目的是提供一种准确度高的液晶微透镜的控制方法，本专利技术的再一目的是提供一种简单高效的液晶微透镜的制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术所述的一种液晶微透镜，依次包括第一基板、第一透明电极层、垂直取向膜、液晶层、平行取向膜、第二透明电极层和第二基板；垂直取向膜使得液晶层中邻近其的液晶分子的分子指向矢垂直于垂直取向膜表面排布，对液晶层中的液晶分子有垂直锚定作用；平行取向膜具有分子指向矢呈特定分布的控制图形，垂直取向膜与平行取向膜对液晶层中的液晶分子的共同锚定作用，使液晶层中的液晶分子自组装成环面焦锥畴微透镜阵列；垂直取向膜与平行取向膜间设置有间隔粒子，用于支撑液晶层。
[0006]进一步地，控制图形为方形控制图形。方形控制图形由方形子控制图形分别沿行、列方向周期性紧密排布而成。方形子控制图形中的分子指向矢以+1拓扑奇点为中心，分子指向矢由中心沿径向呈放射状分布，相邻四个方形子控制图形的交界点处形成
‑
1拓扑奇点，分子指向矢呈双曲线形分布。方形子控制图形的边长为20～50μm。
[0007]进一步地，液晶层的厚度为8.8～12.4μm。平行取向膜上的控制图形可以通过摩擦取向或光控取向等方式获得，平行取向膜对液晶层中的液晶分子有面内平行锚定作用，使得液晶层中邻近平行取向膜的液晶分子的分子指向矢排布与平行取向膜的分子指向矢排布相同。
[0008]上述液晶微透镜的控制方法为：在第一透明电极层、第二透明电极层上施加不同大小的电压，液晶层中的液晶分子受到电极产生的电场的作用而重排，同时配合加热至向
列相，再降温至近晶相，调谐用于组装环面焦锥畴透镜阵列的液晶层的有效厚度，进而改变环面焦锥畴微透镜阵列的尺寸大小，实现液晶微透镜阵列的焦距调控。
[0009]上述液晶微透镜的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1，在第一基板、第二基板的一侧分别形成第一透明电极层、第二透明电极层；
[0011]S2，在第一透明电极层远离第一基板的一侧形成垂直取向膜；
[0012]S3，在第二透明电极层远离第二基板的一侧形成平行取向膜；
[0013]S4，对平行取向膜进行取向处理，形成具有分子指向矢呈特定分布的控制图形；
[0014]S5，将S2、S4所得物相对设置，垂直取向膜与平行取向膜间设置间隔粒子，封装成盒；
[0015]S6，在垂直取向膜与平行取向膜间形成液晶层，通过多步温控处理，得到环面焦锥畴微透镜阵列。
[0016]进一步地，步骤s1中，第一基板、第二基板为光透过率大于或等于85％的柔性基板或刚性基板，优选为石英玻璃或普通玻璃。第一透明电极层、第二透明电极层为氧化铟锡薄膜。
[0017]进一步地，步骤s2中，垂直取向膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。在旋涂垂直取向膜之前，为增加其与第一基板的浸润性和粘附性，依次用丙酮、酒精混合试剂、超纯水进行超声清洗，烘干后，进行UVO(紫外臭氧)清洗。
[0018]进一步地，步骤s3中，平行取向膜为光控取向膜，光控取向膜由光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的一种或多种制得。为增加其与第二透明电极层的浸润性和粘附性，依次用丙酮、酒精混合试剂、超纯水进行超声清洗，烘干后，进行UVO清洗。
[0019]进一步地，步骤s5中，间隔粒子为二氧化硅小球。为避免二氧化硅小球落入液晶盒中心区域而影响环面焦锥畴结构组装，将二氧化硅小球混入紫外光固胶中，并少量涂覆于基板内侧边缘，将第一基板与第二基板相对设置封装后，采用紫外光照射光固胶涂覆区，以实现固化。
[0020]进一步地，步骤S6中，多步温控处理包括以下步骤：
[0021](1)加热液晶层的材料至各向同性相后，经过各向同性至向列相的相变点退火，进入向列相，在方形子控制图形的行、列方向上的+1拓扑奇点位置交替出现会聚型+1拓扑缺陷点与发散型+1拓扑缺陷点，在方形子控制图形的
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1拓扑奇点位置出现
‑
1拓扑缺陷点；
[0022](2)退火至近晶相，得到以会聚型+1拓扑奇点为中心的环面焦锥畴微透镜阵列。
[0023]或者，多步温控处理包括以下步骤：
[0024](1)加热液晶层的材料至各向同性相后，经过各向同性至向列相的相变点退火，进入向列相，形成大规模规整的连接+1拓扑奇点与
‑
1拓扑奇点的向错线阵列；
[0025](2)经过向列相至近晶相的相变点退火，进入近晶相；
[0026](3)在近晶相至向列相相变点附近反复进行跨相态的升降温处理，直至向列相下的向错线移动并稳定在方形子控制图形的边缘，形成以
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1拓扑奇点为交点的方形缺陷墙网络结构；
[0027](4)退火至近晶相，产生以+1会聚型拓扑奇点为中心、方形缺陷墙网络为边界的环面焦锥畴微透镜阵列。
[0028]工作原理：通过设置垂直取向膜并控制平行取向膜的分子指向矢分布，使得在垂
直取向膜与平行取向膜之间生长出的按设定分布的具有光会聚效果的液晶环面焦锥畴结构，结合第一透明电极层、第二透明电极层间产生的电场驱动，液晶环面焦锥畴结构可产生大小变化和厚度变化，进而使得最终获得的液晶微透镜阵列装置具有焦距可电控调谐的特点。
[0029]采用近晶相液晶材料，液晶环面焦锥畴结构的形成条件是对抗性边界取向，体现在本专利技术中是垂直取向膜所带来的垂直取向作用，以及平行取向膜所带来的平行取向效果；而第一基板与第二基板两侧的透明电极层在液晶层区域产生垂直于层面的电场分布，从而改变液晶层的所受平行取向和垂直取向的比重，进而影响最终结构。即：不加电场时，仅受到垂直取向膜的垂直锚定力，平行取向膜的平行锚定力，以及液晶层内的体弹性力；加电场后，在液晶层区域内施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液晶微透镜，其特征在于：依次包括第一基板(1)、第一透明电极层(2)、垂直取向膜(3)、液晶层(4)、平行取向膜(5)、第二透明电极层(6)和第二基板(7)；所述垂直取向膜(3)使得液晶层(4)中邻近其的液晶分子(12)的分子指向矢垂直于垂直取向膜(3)表面排布；所述平行取向膜(5)具有分子指向矢呈特定分布的控制图形，使液晶层(4)中邻近其的液晶分子(12)的分子指向矢平行于平行取向膜(5)排布，且方向与平行取向膜(5)中控制图形的分子指向矢排布相同；在所述垂直取向膜(3)与平行取向膜(5)的共同作用下，液晶层(4)中的液晶分子(12)自组装成环面焦锥畴微透镜阵列；所述垂直取向膜(3)与平行取向膜(5)间设置有间隔粒子(8)，用于支撑液晶层(4)。2.根据权利要求1所述的一种液晶微透镜，其特征在于：所述控制图形为方形控制图形。3.根据权利要求2所述的一种液晶微透镜，其特征在于：所述方形控制图形由方形子控制图形分别沿行、列方向周期性紧密排布而成。4.根据权利要求3所述的一种液晶微透镜，其特征在于：所述方形子控制图形中的分子指向矢以+1拓扑奇点(9)为中心，分子指向矢由中心沿径向呈放射状分布，相邻四个方形子控制图形的交界点处形成
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1拓扑奇点(10)，分子指向矢呈双曲线形分布。5.根据权利要求3所述的一种液晶微透镜，其特征在于：所述方形子控制图形的边长为20～50μm。6.根据权利要求1所述的一种液晶微透镜，其特征在于：所述液晶层(4)的厚度为8.8～12.4μm。7.根据权利要求1～6任一所述的一种液晶微透镜的控制方法，其特征在于：在第一透明电极层(2)、第二透明电极层(6)上施加不同大小的电压，同时配合加热至向列相，再降温至近晶相，调谐用于组装环面焦锥畴透镜阵列的液晶层(4)的有效厚度，进而改变环面焦锥畴微透镜阵列的尺寸大小，实现液晶微透镜阵列的焦距调控。8.根据权利要求1～6任一所述的一种液晶微透镜的制备方法，其特征在于，包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴赛博，曹慧敏，葛士军，袁瑞，
申请(专利权)人：南京南辉智能光学感控研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：