[发明专利]一种谐衍射型液晶变焦透镜及其阵列

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元器件，具体涉及一种变焦透镜，尤其是一种基于谐衍射结构的液晶变焦透镜及透镜阵列，透镜的焦距可通过施加外加电压信号进行快速调节。

背景技术

变焦透镜在摄影、视力矫正、机器视觉，三维显示等领域都存在广泛应用。根据变焦原理不同主要可分为两大类变焦透镜：第一类通过改变透镜的曲率半径等几何参数实现变焦，如Membrane lens、Surface-tension lens等；第二类通过改变透镜材料的折射率实现变焦，主要包括液晶变焦透镜等。

相对于第一类变焦透镜，第二类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。被认为是最具前景的变焦透镜技术之一。

基于液晶的变焦透镜，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。早期利用液晶实现变焦的技术报导包括有：日本专利JP 52-32348和JP 61-4586、美国专利U.S. Patent 4,190,330和U.S. Patent 4,037,929等。这类变焦透镜通常采用导电的球面透镜和导电平板玻璃组成液晶盒并在液晶盒里填充足量液晶，利用折射原理实现聚焦和变焦。这类折射型变焦透镜的口径小、响应速度慢、透光率低。

日本专利JP 60-50510公开了一种基于连续面型菲涅耳透镜的液晶变焦透镜，在一定程度上缓解了上述折射型变焦透镜存在的问题，但是仍然存在中间区域和边缘区域的液晶响应速度不一致；存在杂散光干扰等问题。美国专利U.S. Patent 4,904,063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。但是这种变焦透镜结构仍然存在响应速度慢、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. Patent 4,909,626、美国专利申请U.S. Patent Application 2006/0164593 A1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，不适合批量制作，而且这种透镜结构还存在色差、衍射效率低等问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种谐衍射型液晶变焦透镜及其阵列，利用谐衍射结构实现变焦，以解决现有技术中液晶变焦透镜响应速度慢、加工难度大、存在色差等问题。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种谐衍射型液晶变焦透镜，包括液晶盒、填充在液晶盒内的液晶和电控装置，所述液晶盒由第一基板、第二基板及连接第一基板和第二基板的间隔物构成，第一基板和第二基板的内表面分别设有导电层，在至少一个基板的导电层上覆盖有定向层，其特征在于：其中至少一个基板的内表面具有谐衍射透镜结构，所述谐衍射透镜结构满足谐衍射条件。

上文中，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。所述电控装置连接两个基板的导电层，为变焦透镜提供电压信号，以改变液晶的折射率。

上述技术方案中，所述谐衍射透镜结构与液晶形成透镜的聚焦功能，所述谐衍射透镜结构应满足的“谐衍射条件”是指衍射透镜的相位深度为2Pπ，其中P为谐衍射级次，取值大于1的整数。本领域技术人员根据普通衍射透镜的谐衍射条件，可以确定本发明的谐衍射透镜结构应当符合的条件。在APPLIED OPTICS第34卷第14期（1995年5月10日）第2469-2475页公开的“Harmonic diffractive lenses”一文中，即对衍射透镜的谐衍射条件进行了说明。