一种液晶变焦透镜、装置及其制造方法 【技术领域】
本发明属于基于液晶透镜技术领域，尤其涉及一种液晶变焦透镜和装置、及其制造方法。
背景技术
在光学透镜的应用中作为镜头的透镜要求焦距可调，如成像系统、显示系统、光学记忆系统、光学信息系统等。传统的光学透镜通常采用均一折射率的媒介物质来制作，目前多利用机械调节的方法来调节透镜焦距。然而这种调焦的机械装置通常体积大，调节缓慢，调焦范围有限，价格昂贵，装置驱动消耗能量大且容易损坏。
为寻找能替代机械调焦的方法，并且能够较大范围的改变焦距，现有技术公开了一种利用电场来控制焦距的液晶变焦透镜，通过在带圆孔的电极上施加电压形成特殊的电场，使电场中的液晶分子发生偏转，从而对光起到分散或是会聚的作用。其实际为一种模拟光学元件，通过在电极之间施加不同的电压，能够方便的实现我们想要的特定的光学透镜特性。
目前，现有技术提供了一种液晶变焦透镜的结构，如图1所示，第一电极21在第一基板111的内表面上形成，在第一电极21的一侧，第二基板112设置成面向第一电极21并平行延伸，在第二基板112的外侧，形成第二电极22，第二电极22具有圆形过孔。液晶层311在第一电极21和第二基板112之间形成。绝缘层113位于第二电极22的上表面，第三电极23形成在绝缘层113上，保护层114设置在第三电极23的上表面。当在上下电极施加电压时，就会在液晶层所占有的空间内形成特定形式的电场，改变液晶分子的排列，从而改变光的传播路径。这种液晶镜头的结构未从产品量产的角度去考虑，如第一、第二及第三基板的结构、液晶层的位置、玻璃基板的厚度、电极层的制作等，都不适合利用现有的LCD产线和彩色滤光片(Color Filter，CF)产线来实现量产。
【发明内容】
本发明实施例的目的在于提供一种液晶变焦透镜，旨在解决现有的液晶透镜结构批量生产较困难的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种液晶变焦透镜，包括：
第一基板，其内表面具有第一电极；
第二基板，其内表面具有第二电极；
第三基板，其内表面具有第三电极，所述第三电极中心处有一圆孔；以及
液晶层；
所述液晶层位于所述第一电极与第二电极之间，所述第三电极设置于所述第一基板或者第二基板的外表面。。
本发明实施例的另一目的在于提供包含上述液晶变焦透镜的电子装置。
本发明实施例的另一目的在于提供一种液晶变焦透镜的制造方法，包括步骤：
一种液晶变焦透镜的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
制造内表面具有第一电极的第一基板，以及内表面具有第二电极的第二基板，并在所述第一电极与第二电极之间封装液晶层；
制造内表面具有第三电极的第三基板，所述第三电极中心处有一圆孔；
将第三电极设置于第一基板或第二基板的外表面。
本发明实施例中，在第一电极和第二电极之间封装液晶层，一个带有圆孔的电极的第三基板设置于第一基板或者第二基板的外表面，分别在其中两个电极之间施加控制电压，通过调节控制电压的大小改变液晶变焦透镜的光学特性，适合利用现有的LCD产线及CF产线进行量产。
【附图说明】
图1是现有技术提供的液晶变焦透镜结构截面图；
图2是本发明实施例提供的液晶变焦透镜结构截面图；
图3是本发明实施例提供的液晶变焦透镜中第三电极的俯视图；
图4是本发明实施例提供的液晶变焦透镜中遮光层的俯视图；
图5是本发明实施例提供的液晶变焦透镜场点电位分布图；
图6是本发明实施例提供的液晶变焦透镜场点电场强度分布图；
图7是本发明实施例提供的光通过液晶变焦透镜后光波的光相位变化示意图；
图8是本发明实施例提供的焦距随控制电压变化曲线的坐标图；
图9是本发明第一实施例提供地液晶变焦透镜结构的截面图；
图10是本发明实施例提供的液晶透镜的制造流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例在第一电极和第二电极之间封装液晶层，一个带有圆孔的电极的第三基板设置于第一基板或者第二基板的外表面，分别在其中两个电极之间施加控制电压，通过调节控制电压的大小改变液晶变焦透镜的光学特性，适合利用现有的LCD产线及CF产线进行量产。
图2示出了本发明实施例提供的液晶变焦透镜结构(截面图)，第一基板11和第一基板12的内表面相对放置，各自所在的平面相互平行，第一基板11的内表面具有第一电极21、第一基板12的内表面具有第二电极22。在第一电极21和第二电极22上分别涂有第一取向层31、第二取向层32，在第一取向层31、第二取向层32之间用粘接物61连接，并在其中封有液晶层50，组成液晶盒，粘接物61用于粘接和密封液晶盒，液晶层50的液晶为向列相液晶，具有各向异性的特性。
液晶变焦透镜还包括内表面具有第三电极23的第三基板13，第三电极23中心处有一圆孔，在第三电极23上涂有遮光层41，用于防止漏光而影响成像效果，第三基板13内表面粘合在液晶盒外部。
在第一电极21和第二电极22之间、第一电极21和第三电极23之间施加互不相干的第一控制电压、第二控制电压，通过控制电压的变化改变镜头的光学特性。
在本发明实施例中，第一取向层31、第二取向层32采用有机高分子薄膜，例如聚酰亚胺。液晶层50上下两表面的第一取向层31和第二取向层32的取向方向一致，或者相互垂直。
在本发明实施例中，第三基板13内表面可以粘合在第一基板11或第二基板12的外表面上。
在本发明实施例中，可以在第一电极21和第三电极23间施加第二控制电压为固定电压Vo，使液晶变焦透镜具有第一种初步光学特性；在第一电极21和第二电极22间施加一个与Vo无关的第一控制电压Vc，从而调节第一种初步光学特性到达第一种最佳光学特性，即液晶变焦透镜可以模拟可变焦的凸透镜。
作为本发明的另一实施例，也可以在第一电极21和第二电极22间施加第一控制电压为固定电压Vo，使液晶变焦透镜具有第二种初步光学特性；在第一电极21和第三电极23间施加一个与o无关的第二控制电压Vc，从而调节第二种初步光学特性到达第二种光学最佳光学特性，即液晶变焦透镜可以模拟可变焦的凹透镜。
在本发明实施例中，可以采用一个可调电阻R0调节第一电极21和第二电极22之间的第一控制电压，第一电极21和第三电极23之间施加固定电压。作为本发明的一个实施例，可以采用一个可调电阻R0调节第一电极21和第三电极23之间的第一控制电压，第一电极21和第二电极22之间施加固定电压。
如图2所示，在第一电极21和第三电极23间施加固定电压Vo＝70V，使液晶镜头具有最佳的初始光学性能，同时，在第一电极21和第二电极22上施加一个与固定电压无关的可变电压Vc来对镜头的光学性能进行调节。
在本发明实施例中，施加的控制电压可以采用交流电压。
在本发明实施例中，上述至少一个液晶变焦透镜任意组合起来，可形成液晶变焦镜头，液晶变焦镜头装配后，应用于光学变焦装置中。
图3示出了本发明实施例提供的第三电极(俯视)，第三电极23中间蚀刻有一直径为R的圆孔。图4示出了本发明实施例提供的遮光层(俯视)，第三电极23上面覆盖的遮光层41中间也蚀刻有一直径为R的圆孔，遮光层41与第三电极23上的圆孔大小相同且完全重合。
图5示出了本发明实施例提供的液晶变焦透镜场点电位分布，液晶变焦透镜在施加电压后可模拟可变焦凸透镜，其所加电压与场点电位的分布如图所示。液晶变焦透镜场点电场强度分布如图6所示，从该图示中可以看到中央圆孔部分电场线(曲线部分)呈凸面形状而第二电极内边沿下面空间的电场线(斜线部分)是向中心汇聚的。采用正性向列相液晶，根据正性液晶的电光效应，液晶分子轴基本上也按图6排布，这样证明该透镜是存在焦点的，它可以等效为一个光学镜片。
在本发明实施例中，液晶变焦透镜对液晶层厚度的要求与LCD中对液晶层厚度的要求有所不同，以下详细叙述如何根据液晶镜头液晶层的厚度来选定液晶的种类：
设液晶变焦透镜的光源为可见光，在可见光波长范围内选择一个波长值λ，假设为λ＝550nm，
要保证镜头的成像效果，光程差为
ΔL＝mλ/2，
即半波长的整数倍，其中m为整数。
给定要设计的液晶变焦透镜液晶层的厚度d，例如液晶层厚度d＝130μm，设能提供的液晶折射率Δn的范围是0.13～0.17，根据液晶折射率公式：
ΔLd=Δn,]]>
其中，m为整数。
m·λ2d=Δn]]>
m·λ2d=Δn]]>
代入数据：
m×550nm2×130μm=Δn]]>
m=2600055Δn]]>
假如选择Δn在0.13≤Δn≤0.17之间的液晶变焦透镜，则：
当Δn＝0.13时，m＝61.45，取m＝62；
当Δn＝0.17时，m＝80.36，取m＝80；
因此，m取62～80的整数，Δn对应于m的取值如下表所示：
m Δn m Δn 62 0.131154... 71 0.15019230769... 63 0.133292... 72 0.1523076923... 64 0.1353846... 73 0.1544230769... 65 0.1375 74 0.15653846... 66 0.1396... 75 0.1586538461... 67 0.1417... 76 0.16076923076... 68 0.143846... 77 0.16288461538... 69 0.14596... 78 0.165 70 0.1480769... 79 0.1671153846... 80 0.169230769230...
根据上表中的数据，液晶折射率Δn可以是0.1375或是0.165。
考虑到相同厚度的液晶层，其Δn值越大，则其汇聚或是发散光线的效果越明显，因此，在给定的Δn范围内，优先选择Δn值较大的液晶种类，例如市场较为普遍的ZOC-5109LA型液晶，或是数种液晶配置而成。
图7示出了本发明实施例提供的光通过液晶变焦透镜后光波的光相位变化示意，即在模拟凸透镜的过程中，随着可变电压Vc的增大，干涉条纹间的间距越长，从而光的折射就越不明显，镜头的焦距就逐渐变长。
图8示出了本发明实施例提供的焦距随控制电压变化曲线，随着可变电压Vc的增加，焦距的变化越来越快。
图9示出了本发明第一实施例提供的液晶变焦透镜结构截面，液晶变焦透镜包括内表面具有第一电极21的第一基板11、内表面具有第二电极22的第二基板12，其中，在第一电极21和第二电极22上分别涂有第一取向层31、第二取向层32；内表面具有第三电极23的第三基板13，第三电极23中心处有一圆孔，在第三电极23上涂有遮光层41，用于防止漏光而影响成像效果；以及上表面涂有第三取向层33、下表面涂有第四取向层34的第四基板14。在第一取向层31与第四取向层34之间用粘接物61连接形成第一液晶盒，并在其中封有第一液晶层51，第二取向层32与第三取向层33之间用粘接物62连接形成第二液晶盒，并在其中封有第二液晶层52。第三基板13内表面粘合在第一基板11或第二基板12的外表面。在第一电极21和第二电极22之间、第一电极21和第三电极23之间施加互不相干的第一控制电压、第二控制电压，通过控制电压的变化改变镜头的光学特性。
与图1的结构相比，本发明第一实施例利用第四基板14将液晶层分为第一液晶层和第二液晶层，由于液晶的响应速度和液晶层厚度的平方成正比，如果将液晶层分层，则在保证镜头的折射率的同时，又能提高镜头的响应速度。
同时，图9中第二液晶层52左边的“○”表示该液晶层液晶分子的取向是垂直纸面向外，第一液晶层51左边的“←”表示该液晶层分子的取向是平行纸面向左，表示第一液晶层51和第二液晶层52液晶分子取向是互相垂直的，通过各液晶层按两个互相垂直的方向摩擦取向，可以起到偏光片的作用。
作为本发明的一个实施例，液晶层上下两表面的第一取向层31和第二取向层32的取向方向可以相互垂直。
作为本发明的一个实施例，第三取向层33和第四取向层34的取向方向可以相互垂直。
图10示出了本发明实施例提供的液晶透镜的制造流程，具体为以下步骤：
在步骤S101中，利用LCD生产线，制造内表面具有第一电极的第一基板，以及内表面具有第二电极的第二基板，并在第一电极与第二电极之间封装液晶层；
在步骤S102中，利用LCD生产线，制造内表面具有第三电极的第三基板，第三电极中心处有一圆孔；
在步骤S103中，利用CF生产线，在蚀刻有第三电极的第三基板上制造遮光层；
在步骤S104中，将第三基板带遮光层的一面设置于第二基板或第一基板的外表面，例如与第二基板或第一基板的外表面粘结在一起。
进一步可以制造第四基板，将液晶层分为至少两层。
本发明实施例提供的液晶变焦透镜可以广泛应用于数码相机、移动电话、PDA等电子装置中。
本发明实施例中，在第一电极和第二电极之间封装液晶层，一个带有圆孔的电极的第三基板设置于第一基板或者第二基板的外表面，分别在其中两个电极之间施加控制电压，通过调节控制电压的大小改变液晶变焦透镜的光学特性，适合利用现有的LCD产线及CF产线进行量产。本发明实施例的液晶变焦透镜质地轻，反应速度快，控制简单，能耗低，高可靠性，价廉，并且能够模仿不同的镜头结构，像球形和柱形镜头等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。