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一种电控快速变焦的光学成像透镜制作方法
技术领域
本发明涉及一种电控光学元件领域，具体涉及一种用电场调控实现快速电控光学变焦透镜的实现方法。
背景技术
目前在光学器件的应用中采用的变焦方法，大多数是机械变焦方式，及采用马达驱动光学透镜的位置的挪动而发生焦距的变化。但是，随着器件的小型化和快速反应的需要，传统的机械运动方式已经落后于器件的发展速度。因此，又出现很多种变焦方式的透镜，例如电控折变效应，电湿效应等利用电场作用控制下焦距发生变化的光学元器件。其中做为电控折变效应的典型代表是液晶材料的光学器件，例如基于电控液晶调焦的透镜已经出现。也有很多关于聚合物分散液晶，聚合物铁电液晶，等掺杂类型的液晶混合物，采用面型，结构，或者全息，刻蚀，掩模等多种方法实现电控变焦光学元件的手段。每个方法各有利弊。例如在聚合物分散液晶材料的电控透镜研究中，有全息，面型，偏振和电极改变等多种方法研究和实施到聚合物分散液晶材料当中，研究效果，手段，方法，结果都不尽相同，但是到目前为止，由于各个方面的原因，材料性质的限制，工艺的优化，使用条件的限制，如驱动电源，孔径大小等方面的原因，仍然没有一种方法真正用于大面积变焦电控变焦成像系统。
近年来倍受关注的纳米聚合物分散液晶(PDLC)是一种新型电光材料。当施加电压时，材料中液晶微滴的指向矢受电场的调控将发生扭转，致使纳米聚合物分散液晶材料的有效折射率也跟着发生变化，纳米聚合物分散液晶材料的这种电控折变性质以及良好的可见光透过率(聚合物基质中液晶微滴尺寸达亚微米级，基本不散射可见光)使其在电控光学元件这一领域具有很好的应用前景，也包括可能制作成大孔径的变焦透镜。聚合物分散液晶的配方和性质非常复杂和多样，从发展阶段而言，分为微米尺寸的聚合物分散液晶材料和纳米级的聚合物分散液晶材料。液晶微滴大小和相分离结构对于器件产生重大的影响，但是配方比例和实现工艺有很多问题需要优化，解决。
发明内容
本发明是针对现有变焦方法存在的问题，提出了一种电控液晶光斩波器阵列及制作方法，非机械式的、快速度、低功耗、利于系统小型化、制作简单，可通过非均匀电极实现电控变焦透镜及系统的制作方法。
本发明的技术方案为：一种电控快速变焦的光学成像透镜制作方法，制作方法包括以下具体步骤：
1)首先制备两片直径相同的圆形玻璃液晶盒基板，根据需要孔径为10mm-100mm，其中一片整个表面镀有氧化铟锡(ITO)透明导电膜，另一片是圆环形氧化铟锡(ITO)透明导电膜，园环带宽5mm-10mm，圆环形导电膜的圆心与液晶盒基板同心，将两个ITO膜相对并对心，制备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预聚混合物，将液晶材料、聚合物单体、适量的交联剂、活化剂和引发剂，在遮光条件下混合加热到60～70℃，使其处于各向同性的状态，在充分搅拌并用超声波乳化使其均匀混合从而制备出聚合物分散液晶预聚物混合材料，混合溶液中以质量比计算，液晶材料占30％～40％，聚合物单体占40％～60％，交联剂占5％～16％，活化剂占6％～12％，引发剂占0.3％～2％；超声波乳化时间要超过2小时；
3)将光致固化预聚物和液晶材料组成的混合物注入液晶盒中，将预留的材料注入口封住，并把液晶盒放在的514nm均匀光场下曝光，曝光功率为10-12mw/cm²，曝光时间为60到120秒，经相分离固化后形成具有纳米尺寸液晶微滴镶嵌在固化后聚合物中的结构的透明膜层；
4)在两块玻璃片的导电膜上加上一超过纳米聚合物分散液晶材料的驱动阈值电压时，两块玻璃片之间形成了由环形电极向整个下基板辐射式电场分布，电场分布以圆心呈现圆对称状态，液晶微滴的光轴方向沿电力线方向分布，液晶盒内部的有效折射率呈现中间大，边缘小，折射率从中心向边缘逐渐减小的形式；
5)将环带ITO导电膜的宽度增大或者减小，电场电力线的分布随之产生变化，液晶微滴沿电场方向分布，有效折射率分布随之而改变，得到不同的焦距大小。
所述514nm均匀光场可采用514nm的氩离子激光，辐照能量为10毫瓦每平方厘米。
所述纳米聚合物分散液晶材料配方比例如下表所示：

  单体  三羟甲基丙烷三丙烯酸酯  35％-41wt％  表面活性剂  辛酸  7wt％-16％  交联剂  N-乙烯基吡咯烷酮  8％-16wt％  协同引导剂  N-苯基甘氨酸  1％-1.3wt％  光引导剂  孟加拉红培养基  0.7wt％-2％  液晶材料  E7  34wt％-40％
本发明的有益效果在于：本发明电控快速变焦的光学成像透镜制作方法具有无运动部件，响应时间短，调焦准确，易于小型化，制作简单等优良品质。电控变焦透镜在摄像手机光学头，变焦信息码读取系统，视频探测监控摄像系统，光存储，DVD机光学头等方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明圆形导电电极玻璃基片俯视示意图；
图2为本发明圆形导电电极玻璃基片剖面示意图；
图3为本发明圆环形导电电极玻璃基片俯视示意图；
图4为本发明圆环形导电电极玻璃基片剖面示意图；
图5为本发明空液晶盒剖面示意图；
图6为本发明空液晶盒俯视示意图；
图7为本发明加电压后液晶盒内电场线剖面示意图；
图8为本发明加电压后液晶盒内位相光程变化曲线；
图9为本发明加电压后液晶盒内电场线俯视示意图；
图10为本发明加电压后液晶盒内液晶微滴光轴取向分布剖面示意图；
图11为本发明加电压后液晶(紧靠环形电极液晶层)微滴光轴取向分布俯视示意图；
图12为本发明圆环不对称电极变焦聚合物在电场作用下的透镜效果；
图13为本发明不对称电极液晶透镜与固焦透镜组合的双聚焦焦点。
图14为本发明N片不对称电极液晶盒串联实现2^N个焦点。
具体实施方式
电控快速变焦的光学成像透镜制作方法步骤为：
1、制备两片玻璃基片(圆形)，孔径根据需要通常为10mm-100mm，其中一片整个表面镀有氧化铟锡(ITO)透明导电膜，如图1、2所示，另一片在表面上镀上环心在玻璃片中心的圆环形氧化铟锡(ITO)透明导电膜，圆环带的宽度是5mm-10mm如图3、4所示。并将圆环形导电电极用遮光薄膜遮住，然后把这两片玻璃片相对方向叠放(镀有透明导电膜的面朝里)，并控制好腔体厚度在5um至20um的范围内制成液晶盒(预留材料注入口)如图5、6所示。图1、2是圆形导电电极玻璃基片俯视和剖面示意图，图1是俯视图，101是遮光薄膜，102是圆形ITO透明导电膜，图2是剖面示意图，103是圆形ITO透明导电膜，104是玻璃基片，105是遮光薄膜；图3、4是圆环形导电电极玻璃基片俯视和剖面示意图，其中图3是俯视图，201是玻璃基板，202是遮光薄膜，图4是剖面示意图，203是圆环形ITO导电电极，204是玻璃基板，205是遮光薄膜；图5和图6分别是空液晶盒剖面示意图和俯视图，在图5中，301是上下玻璃基板，302是液晶盒环氧密封圈，303和304分别是圆环形和圆形ITO透明导电膜，305是遮光薄膜。2、准备好聚合物分散液晶材料，将液晶材料、聚合物单体、适量的交联剂、活化剂和引发剂，在遮光条件下混合加热到60~70℃，使其处于各向同性的状态，在充分搅拌并用超声波乳化使其均匀混合从而制备出聚合物分散液晶预聚物混合材料，混合溶液中以质量比计算，液晶材料占30％~40％，聚合物单体占40％~60％，交联剂占5％~16％，活化剂占6％~12％，引发剂占0.3％~2％；超声乳化时间要超过2小时。实验中，常用的纳米聚合物分散液晶材料配方如表1所示：
表1纳米聚合物分散液晶材料选用及配方比例表
  单体TMPTA(trimethylolpropane triacrylate)(美国Aldrich公司)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯  35％-41wt％
  表面活性剂  OA(octanoic acid)(美国Aldrich公司)  辛酸  7wt％-16％  交联剂  NVP(N-vinylpyrrollidone)(美国Aldrich  公司)N-乙烯基吡咯烷酮  8％-16wt％  协同引导剂  NPG(N-phenylglycine)(美国Aldrich公  司)N-苯基甘氨酸  1％-1.3wt％  光引导剂  RB(rose bengal)(美国Aldrich公  司)孟加拉红培养基  0.7wt％-2％  液晶材料  E7(德国Merck公司产品)  34wt％-40％
3、将光致固化预聚物和液晶等材料组成的混合物注入此液晶盒中，将预留的材料注入口封住，并把液晶盒放在514nm均匀光场下曝光，曝光强度为10mw/cm²至12mw/cm²之间，曝光时间为120秒左右。曝光完成后放在紫外光源中固化十分钟，形成更加稳定的结构。经相分离固化后形成具有纳米尺寸液晶微滴镶嵌在固化后聚合物中的结构的透明膜层。514nm的均匀光场可以采用Ar离子激光束，激光功率为100mw，用滤波片调节光强，再通过小孔滤波和准直透镜完成滤波和准直，光路再通过可调节光阑将00模高斯光束的中心均匀部分留下，而去处边缘能量低的部分，即采用切趾法获得最佳的激光曝光光束强度和分布。曝光固化完成后的液晶盒样品，外表清亮，无散射和吸收，正是由于液晶微滴以纳米微滴尺寸分散在聚合物基质当中。
4、在两块玻璃片的ITO导电膜上加上较高电压，由于纳米聚合物分散液晶材料的驱动阈值电压非常高，因此即使是加入降低驱动电压的活化剂辛酸，仍然保持25V/μm的驱动电压水平，所施加的完全驱动电压在200V-300V交流电压，具体需要根据液晶盒厚度成正比。在由于两透明导电膜特殊的圆对称形状，在两玻璃片之间形成非均匀的、关于玻璃片中心圆对称的电场，如图7、8所示。图7是加电压后液晶盒内电场线剖面示意图，501和502是玻璃基片，503是加电压后液晶盒过中心剖面电场线分布，图8是由于曲线的电力线分布，产生的光学位相差曲线示意图，圆环形不对称电极结构将产生中间折射率大，外围折射率小的分布情形，类似于凸透镜的光程差分布。图9是加电压后液晶盒内电场线俯视图，液晶盒中电场大小和方向都呈圆对称规律分布，而由于液晶材料电学各向异性，液晶盒中特定位置液晶微滴的光轴取向受该处电场的大小和方向的调控，致使液晶微滴光轴取向也形成关于玻璃基片中心圆对称的规律分布，如图10、11所示，图10是加电压后液晶盒内液晶微滴光轴取向分布剖面示意图，图11是加电压后液晶微滴光轴取向分布俯视图。液晶微滴指向矢排列与电场分布一样呈圆对称分布，由于液晶折射率各向异性，膜层的折射率亦呈圆对称分布，沿径向方向按特定曲线变化，膜层变成一有一定焦距的透镜。图12是非对称圆形电极结构液晶盒在电场作用下的透镜功能，类似于凸透镜功能。由于液晶光轴的转动程度不同造成折射率的逐渐变化，从而实现透镜的变焦功能。1是玻璃基板，2是环氧密封圈，3是环形氧化铟锡(ITO)透明电极，4是圆形ITO透明电极，5是液晶盒电场分布，6是遮光薄膜。
5、将此电控变焦透镜和一个具有固定焦距的透镜组合实现不同焦距调控范围的电控变焦透镜，其像差可通过像差平衡的方法在系统设计时进行优化，改善像质。图13是非均匀圆对称电场变焦透镜与固焦透镜组合调焦示意图，该图说明与固定焦距的透镜结合，可以实现两个焦距。
6、不对称结构液晶透镜是通过电力线方向的变化造成液晶有效折射率的改变，如果将环带的ITO导电膜玻璃的环带宽度做一定程度的修改和变化，例如从5mm增加到10mm，则电力线分布将产生一定相应的变化，则折射率分布曲线和变化程度分布也产生一定的改变，从而影响到聚焦焦点位置。将具有不同焦点位置的液晶透镜串联叠加可以获得更多的焦点。图14描述的是将N片电控液晶透镜叠加获得2^N个焦点位置。
本发明采用快速电控反应时间的纳米聚合物分散液晶材料，设计不对称环-盘型结构电极的透明ITO导电膜的液晶盒，首先制备两片圆形玻璃液晶盒基板，其中一片整个表面镀有氧化铟锡(ITO)透明导电膜，另一片是圆环形氧化铟锡(ITO)透明导电膜，该圆环形导电膜的圆心与液晶盒基板同心，将两个ITO膜相向并制备液晶盒并控制厚度在5μm-20μm。再将纳米聚合物分散液晶预聚物材料注入液晶盒内，用514nm的扩束激光辐照液晶盒并固化。经相分离固化后形成纳米级液晶微滴分散在固化后的聚合物基质中的结构，对入射可见光没有吸收和散射，相当于一块平行平板，其折射率为聚合物同液晶混合物的平均折射率。当在两块玻璃片的导电膜上加上一超过阈值的电压时，形成了由环形电极向整个下基板辐射式电场分布，电场分布以圆心呈现圆对称状态。液晶微滴的光轴方向沿电力线方向分布。这就决定了液晶盒内部的有效折射率呈现中间大(部分液晶光轴垂直于入射光方向，异常折射率，约为1.7左右，根据所选用的液晶种类不同)，边缘小(刚好等于液晶的寻常折射率n_o＝n_p，约在1.5左右，根据选用的液晶种类不同)，折射率从中心向边缘逐渐减小的形式，由此而产生了光程差的变化，类似平凸透镜功能，具有聚焦焦点。当拆除电场，液晶微滴呈现自由随机取向，液晶盒恢复平行平板功能。当改变上玻璃基板导电圆环的宽度，则加电压时电力线分布状态发生改变，引起有效折射率分布的变化，产生另外的焦距。普通纯液晶器件，电控开关响应时间在10ms以上，而纳米聚合物分散液晶材料的响应时间可以达到微秒量级，最快可以实现60微秒。本方法具有实现简单，响应时间短，易于集成等优良特点。此外，该方法能实现电场快速调整光学系统的焦距，在电场“开”和“关”两个状态下，系统具有两个焦距。采用不同的电极尺寸设计可以实现不同的焦距，因此将不同焦距的单片元件叠加可实现一定范围内的连续变焦功能。