專利名稱：：一種電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種電控光學元件領(lǐng)域，具體涉及一種用電場調(diào)控實現(xiàn)快速電控光學變焦透鏡的實現(xiàn)方法。賴獄目前在光學器件的應用中采用的變焦方法，大多數(shù)是機械變焦方式，及采用馬達驅(qū)動光學透鏡的位置的挪動而發(fā)生焦距的變化。但是，隨著器件的小型化和快速反應的需要，傳統(tǒng)的機械運動方式已經(jīng)落后于器件的發(fā)展速度。因此，又出現(xiàn)很多種變焦方式的透鏡，例如電控折變效應，電濕效應等利用電場作用控制下焦距發(fā)生變化的光學元器件。其中做為電控折變效應的典型代表是液晶材料的光學器件，例如基于電控液晶調(diào)焦的透鏡己經(jīng)出現(xiàn)。也有很多關(guān)于聚合物分散液晶，聚合物鐵電液晶，等摻雜類型的液晶混合物，采用面型，結(jié)構(gòu)，或者全息，刻蝕，掩模等多種方法實現(xiàn)電控變焦光學元件的手段。每個方法各有利弊。例如在聚合物分散液晶材料的電控透鏡研究中，有全息，面型，偏振和電極改變等多種方法研究和實施到聚合物分散液晶材料當中，研究效果，手段，方法，結(jié)果都不盡相同，但是到目前為止，由于各個方面的原因，材料性質(zhì)的限制，工藝的優(yōu)化，使用條件的限制，如驅(qū)動電源，孔徑大小等方面的原因，仍然沒有一種方法真正用于大面積變焦電控變焦成像系統(tǒng)。近年來倍受關(guān)注的納米聚合物分散液晶(PDLC)是一種新型電光材料。當施加電壓時，材料中液晶微滴的指向矢受電場的調(diào)控將發(fā)生扭轉(zhuǎn)，致使納米聚合物分散液晶材料的有效折射率也跟著發(fā)生變化，納米聚合物分散液晶材料的這種電控折變性質(zhì)以及良好的可見光透過率(聚合物基質(zhì)中液晶微滴尺寸達亞微米級，基本不散射可見光)使其在電控光學元件這一領(lǐng)域具有很好的應用前景，也包括可能制作成大孔徑的變焦透鏡。聚合物分散液晶的配方和性質(zhì)非常復雜和多樣，從發(fā)展階段而言，分為微米尺寸的聚合物分散液晶材料和納米級的聚合物分散液晶材料。液晶微滴大小和相分離結(jié)構(gòu)對于器件產(chǎn)生重大的影響，但是配方比例和實現(xiàn)工藝有很多問題需要優(yōu)化，解決。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是針對現(xiàn)有變焦方法存在的問題，提出了一種電控液晶光斬波器陣列及制作方法，非機械式的、快速度、低功耗、利于系統(tǒng)小型化、制作簡單，可通過非均勻電極實現(xiàn)電控變焦透鏡及系統(tǒng)的制作方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法，制作方法包括以下具體步驟1)首先制備兩片直徑相同的圓形玻璃液晶盒基板，根據(jù)需要孔徑為10mm—100mm，其中一片整個表面鍍有氧化銦錫(IT0)透明導電膜，另一片是圓環(huán)形氧化銦錫(IT0)透明導電膜，園環(huán)帶寬5mm-10mm，圓環(huán)形導電膜的圓心與液晶盒基板同心，將兩個ITO膜相對并對心，制備液晶盒并控制厚度在5一20um，留注入口；2)配制聚合物分散液晶的預聚混合物，將液晶材料、聚合物單體、適量的交聯(lián)劑、活化劑和引發(fā)劑，在遮光條件下混合加熱到6070°C，使其處于各向同性的狀態(tài)，在充分攪拌并用超聲波乳化使其均勻混合從而制備出聚合物分散液晶預聚物混合材料，混合溶液中以質(zhì)量比計算，液晶材料占30%40%，聚合物單體占40%60%，交聯(lián)劑占5%16%，活化劑占6%12%，引發(fā)劑占0.3%2%;超聲波乳化時間要超過2小時；3)將光致固化預聚物和液晶材料組成的混合物注入液晶盒中，將預留的材料注入口封住，并把液晶盒放在的514nm均勻光場下曝光，曝光功率為10—12mw/cm2，曝光時間為60到120秒，經(jīng)相分離固化后形成具有納米尺寸液晶微滴鑲嵌在固化后聚合物中的結(jié)構(gòu)的透明膜層；4)在兩塊玻璃片的導電膜上加上一超過納米聚合物分散液晶材料的驅(qū)動閾值電壓時，兩塊玻璃片之間形成了由環(huán)形電極向整個下基板輻射式電場分布，電場分布以圓心呈現(xiàn)圓對稱狀態(tài)，液晶微滴的光軸方向沿電力線方向分布，液晶盒內(nèi)部的有效折射率呈現(xiàn)中間大，邊緣小，折射率從中心向邊緣逐漸減小的形式；5)將環(huán)帶IT0導電膜的寬度增大或者減小，電場電力線的分布隨之產(chǎn)生變化，液晶微滴沿電場方向分布，有效折射率分布隨之而改變，得到不同的焦距大小。所述514nm均勻光場可采用514nm的氬離子激光，輻照能量為10毫瓦每平方厘米。所述納米聚合物分散液晶材料配方比例如下表所示:單體三羥甲基丙烷三丙烯酸酯35%—41wt%表面活性劑辛酸7wt%—16%交聯(lián)劑N-乙烯基吡咯烷酮8%_16wt%協(xié)同引導劑N-苯基甘氨酸1%—I.3wt%光引導劑孟加拉紅培養(yǎng)基0.7wt%—2%液晶材料E734wt%—40%本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法具有無運動部件，響應時間短，調(diào)焦準確，易于小型化，制作簡單等優(yōu)良品質(zhì)。電控變焦透鏡在攝像手機光學頭，變焦信息碼讀取系統(tǒng)，視頻探測監(jiān)控攝像系統(tǒng)，光存儲，DVD機光學頭等方面具有廣泛的應用前景。圖1為本發(fā)明圓形導電電極玻璃基片俯視示意圖2為本發(fā)明圓形導電電極玻璃基片剖面示意圖3為本發(fā)明圓環(huán)形導電電極玻璃基片俯視示意圖4為本發(fā)明圓環(huán)形導電電極玻璃基片剖面示意圖5為本發(fā)明空液晶盒剖面示意圖6為本發(fā)明空液晶盒俯視示意圖7為本發(fā)明加電壓后液晶盒內(nèi)電場線剖面示意圖8為本發(fā)明加電壓后液晶盒內(nèi)位相光程變化曲線；圖9為本發(fā)明加電壓后液晶盒內(nèi)電場線俯視示意圖10為本發(fā)明加電壓后液晶盒內(nèi)液晶微滴光軸取向分布剖面示意圖11為本發(fā)明加電壓后液晶(緊靠環(huán)形電極液晶層)微滴光軸取向分布俯視示意圖12為本發(fā)明圓環(huán)不對稱電極變焦聚合物在電場作用下的透鏡效果；圖13為本發(fā)明不對稱電極液晶透鏡與固焦透鏡組合的雙聚焦焦點。圖14為本發(fā)明N片不對稱電極液晶盒串聯(lián)實現(xiàn)^個焦點。具體實施例方式電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法步驟為1、制備兩片玻璃基片(圓形)，孔徑根據(jù)需要通常為10mm—100mm，其中一片整個表面鍍有氧化銦錫(IT0)透明導電膜，如圖1、2所示，另一片在表面上鍍上環(huán)心在玻璃片中心的圓環(huán)形氧化銦錫(ITO)透明導電膜，圓環(huán)帶的寬度是5mm—10mm如圖3、4所示。并將圓環(huán)形導電電極用遮光薄膜遮住，然后把這兩片玻璃片相對方向疊放(鍍有透明導電膜的面朝里)，并控制好腔體厚度在5um至20um的范圍內(nèi)制成液晶盒(預留材料注入口)如圖5、6所示。圖1、2是圓形導電電極玻璃基片俯視和剖面示意圖，圖1是俯視圖，101是遮光薄膜，102是圓形ITO透明導電膜，圖2是剖面示意圖，103是圓形ITO透明導電膜，104是玻璃基片，105是遮光薄膜；圖3、4是圓環(huán)形導電電極玻璃基片俯視和剖面示意圖，其中圖3是俯視圖，201是玻璃基板，202是遮光薄膜，圖4是剖面示意圖，203是圓環(huán)形ITO導電電極，204是玻璃基板，205是遮光薄膜；圖5和圖6分別是空液晶盒剖面示意圖和俯視圖，在圖5中，301是上下玻璃基板，302是液晶盒環(huán)氧密封圈，303和304分別是圓環(huán)形和圓形IT0透明導電膜，305是遮光薄膜。2、準備好聚合物分散液晶材料，將液晶材料、聚合物單體、適量的交聯(lián)劑、活化劑和引發(fā)劑，在遮光條件下混合加熱到607(TC,使其處于各向同性的狀態(tài)，在充分攪拌并用超聲波乳化使其均勻混合從而制備出聚合物分散液晶預聚物混合材料，混合溶液中以質(zhì)量比計算，液晶材料占30%~40%，聚合物單體占40%60%,交聯(lián)劑占5%16%，活化劑占6%12%，引發(fā)劑占0.3%2%;超聲乳化時間要超過2小時。實驗中，常用的納米聚合物分散液晶材料配方如表1所示表1納米聚合物分散液晶材料選用及配方比例表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表面活性劑OA(octanoicacid)(美國Aldrich公司)辛酸7wt%—腦交聯(lián)劑NVP(N-vinylpyrrollidone)(美國Aldrich公司)N-乙烯基吡咯烷酮8%—16wt%協(xié)同引導劑NPG(N-phenylglycine)(美國Aldrich公司)N-苯基甘氨酸1%—1.3wt%光引導劑RB(rosebengal)(美國Aldrich公司)孟加拉紅培養(yǎng)基0.7wt%—2%液晶材料E7(德國Merck公司產(chǎn)品)34wt%—40%3、將光致固化預聚物和液晶等材料組成的混合物注入此液晶盒中，將預留的材料注入口封住，并把液晶盒放在514nm均勻光場下曝光，曝光強度為10mw/cm2至12mw/cm2之間，曝光時間為120秒左右。曝光完成后放在紫外光源中固化十分鐘，形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。經(jīng)相分離固化后形成具有納米尺寸液晶微滴鑲嵌在固化后聚合物中的結(jié)構(gòu)的透明膜層。514nm的均勻光場可以采用Ar離子激光束，激光功率為lOOmw,用濾波片調(diào)節(jié)光強，再通過小孔濾波和準直透鏡完成濾波和準直，光路再通過可調(diào)節(jié)光闌將00模高斯光束的中心均勻部分留下，而去處邊緣能量低的部分，即采用切趾法獲得最佳的激光曝光光束強度和分布。曝光固化完成后的液晶盒樣品，外表清亮，無散射和吸收，正是由于液晶微滴以納米微滴尺寸分散在聚合物基質(zhì)當中。4、在兩塊玻璃片的ITO導電膜上加上較高電壓，由于納米聚合物分散液晶材料的驅(qū)動閾值電壓非常高，因此即使是加入降低驅(qū)動電壓的活化劑辛酸，仍然保持25V/um的驅(qū)動電壓水平，所施加的完全驅(qū)動電壓在200V-300V交流電壓，具體需要根據(jù)液晶盒厚度成正比。在由于兩透明導電膜特殊的圓對稱形狀，在兩玻璃片之間形成非均勻的、關(guān)于玻璃片中心圓對稱的電場，如圖7、8所示。圖7是加電壓后液晶盒內(nèi)電場線剖面示意圖，501和502是玻璃基片，503是加電壓后液晶盒過中心剖面電場線分布，圖8是由于曲線的電力線分布，產(chǎn)生的光學位相差曲線示意圖，圓環(huán)形不對稱電極結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生中間折射率大，外圍折射率小的分布情形，類似于凸透鏡的光程差分布。圖9是加電壓后液晶盒內(nèi)電場線俯視圖，液晶盒中電場大小和方向都呈圓對稱規(guī)律分布，而由于液晶材料電學各向異性，液晶盒中特定位置液晶微滴的光軸取向受該處電場的大小和方向的調(diào)控，致使液晶微滴光軸取向也形成關(guān)于玻璃基片中心圓對稱的規(guī)律分布，如圖10、11所示，圖10是加電壓后液晶盒內(nèi)液晶微滴光軸取向分布剖面示意圖，圖11是加電壓后液晶微滴光軸取向分布俯視圖。液晶微滴指向矢排列與電場分布一樣呈圓對稱分布，由于液晶折射率各向異性，膜層的折射率亦呈圓對稱分布，沿徑向方向按特定曲線變化，膜層變成一有一定焦距的透鏡。圖12是非對稱圓形電極結(jié)構(gòu)液晶盒在電場作用下的透鏡功能，類似于凸透鏡功能。由于液晶光軸的轉(zhuǎn)動程度不同造成折射率的逐漸變化，從而實現(xiàn)透鏡的變焦功能。1是玻璃基板，2是環(huán)氧密封圈，3是環(huán)形氧化銦錫(ITO)透明電極，4是圓形ITO透明電極，5是液晶盒電場分布，6是遮光薄膜。5、將此電控變焦透鏡和一個具有固定焦距的透鏡組合實現(xiàn)不同焦距調(diào)控范圍的電控變焦透鏡，其像差可通過像差平衡的方法在系統(tǒng)設(shè)計時進行優(yōu)化，改善像質(zhì)。圖13是非均勻圓對稱電場變焦透鏡與固焦透鏡組合調(diào)焦示意圖，該圖說明與固定焦距的透鏡結(jié)合，可以實現(xiàn)兩個焦距。6、不對稱結(jié)構(gòu)液晶透鏡是通過電力線方向的變化造成液晶有效折射率的改變，如果將環(huán)帶的ITO導電膜玻璃的環(huán)帶寬度做一定程度的修改和變化，例權(quán)利要求1、一種電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法，制作方法包括以下具體步驟1)首先制備兩片直徑相同的圓形玻璃液晶盒基板，根據(jù)需要孔徑為10mm-100mm，其中一片整個表面鍍有氧化銦錫(ITO)透明導電膜，另一片是圓環(huán)形氧化銦錫(ITO)透明導電膜，園環(huán)帶寬5mm-10mm，圓環(huán)形導電膜的圓心與液晶盒基板同心，將兩個ITO膜相對并對心，制備液晶盒并控制厚度在5-20μm，留注入口；2)配制聚合物分散液晶的預聚混合物，將液晶材料、聚合物單體、適量的交聯(lián)劑、活化劑和引發(fā)劑，在遮光條件下混合加熱到60～70℃，使其處于各向同性的狀態(tài)，在充分攪拌并用超聲波乳化使其均勻混合從而制備出聚合物分散液晶預聚物混合材料，混合溶液中以質(zhì)量比計算，液晶材料占30％～40％，聚合物單體占40％～60％，交聯(lián)劑占5％～16％，活化劑占6％～12％，引發(fā)劑占0.3％～2％；超聲波乳化時間要超過2小時；3)將光致固化預聚物和液晶材料組成的混合物注入液晶盒中，將預留的材料注入口封住，并把液晶盒放在的514nm均勻光場下曝光，曝光功率為10-12mw/cm2，曝光時間為60到120秒，經(jīng)相分離固化后形成具有納米尺寸液晶微滴鑲嵌在固化后聚合物中的結(jié)構(gòu)的透明膜層；4)在兩塊玻璃片的導電膜上加上一超過納米聚合物分散液晶材料的驅(qū)動閾值電壓時，兩塊玻璃片之間形成了由環(huán)形電極向整個下基板輻射式電場分布，電場分布以圓心呈現(xiàn)圓對稱狀態(tài)，液晶微滴的光軸方向沿電力線方向分布，液晶盒內(nèi)部的有效折射率呈現(xiàn)中間大，邊緣小，折射率從中心向邊緣逐漸減小的形式；5)將環(huán)帶ITO導電膜的寬度增大或者減小，電場電力線的分布隨之產(chǎn)生變化，液晶微滴沿電場方向分布，有效折射率分布隨之而改變，得到不同的焦距大小。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法，其特征在于，所述514nm均勻光場可采用514nm的氬離子激光，輻照能量為10毫瓦每平方厘米。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法，其特征在于，所述納米聚合物分散液晶材料配方比例如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>全文摘要本發(fā)明涉及一種電控快速變焦的光學成像透鏡制作方法，制備兩片直徑相同的圓形玻璃液晶盒，在兩塊玻璃片的導電膜上加上電壓，兩塊玻璃片之間形成了由環(huán)形電極向整個下基板輻射式電場分布，液晶微滴的光軸方向沿電力線方向分布，液晶盒內(nèi)部的有效折射率可根據(jù)電場的變化而變化。該方法能實現(xiàn)電場快速調(diào)整光學系統(tǒng)的焦距，在電場“開”和“關(guān)”兩個狀態(tài)下，系統(tǒng)具有兩個焦距。采用不同的電極尺寸設(shè)計可以實現(xiàn)不同的焦距，因此將不同焦距的單片元件疊加可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的連續(xù)變焦功能。因此對于在電控變焦光學成像，顯示等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。文檔編號G02F1/29GK101592841SQ200910054079公開日2009年12月2日申請日期2009年6月29日優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日發(fā)明者劉徳峰,莊松林,墾溫,鄭繼紅,鐘陽萬,陳洛洋申請人:上海理工大學