技术领域
[0001] 本
发明涉及透镜技术领域，具体涉及一种电控变焦平面透镜。
背景技术
[0002] 光学成像系统在现代人们的日常生活以及工业应用中发挥着越来越重要的作用，而透镜是其中不可或缺的元器件，基于对光的分散或汇聚作用实现对目标的成像。小型可集成化、无机械运动部件、可快速变焦特点的平面透镜在精简光学系统结构，减轻重量，增强
稳定性，提高系统智能化
水平等方面具有的重要的应用价值。目前已经发展的一些平面透镜，例如二元光学平面透镜、菲涅尔
液晶透镜和基于超材料的
超平面透镜，存在焦距固定、色散问题严重等
瓶颈问题，离实际应用仍有具有较大的差距。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是：存在焦距固定、色散问题严重等瓶颈问题，本发明提供了解决上述问题的一种电控变焦平面透镜，基于级联设置的液晶透镜与超透镜组合，使平面透镜组具有电控变焦功能，对偏振不敏感，同时实现高
质量的成像效果，推动平面透镜技术的实际应用。
[0004] 本发明通过下述技术方案实现：
[0005] 一种电控变焦平面透镜，包括依次排布的第一液晶透镜、第二液晶透镜和平面透镜、且三者镜面均相互平行；所述第一液晶透镜和第二液晶透镜为电控变焦透镜；第一液晶透镜包括第一液晶层，第二液晶透镜包括第二液晶层，在未加
电场状态下，第一液晶层中分子排布方向与第一液晶透镜整体镜面方向平行，第二液晶层中分子排布方向与第二液晶透镜整体镜面方向平行，且第一液晶层中分子和第二液晶层中分子的排布方向相互垂直；通过分别对第一液晶层和第二液晶层施加电场、并调控电场强度实现调整第一液晶层和第二液晶层分子排布状态；所述平面透镜为焦距固定透镜，平面透镜采用超透镜。
[0006] 进一步地，所述第一液晶透镜和第二液晶透镜结构相同；第一液晶透镜包括第一玻璃
基板和第二玻璃基板，所述第一玻璃基板和第二玻璃基板相对
板面上分别对应设有第一导电膜层和第二导电膜层；所述第一导电膜层和第二导电膜层相对膜面上分别对应设有第一取向层和第二取向层；所述第一取向层取向方向平行于第一玻璃基板，第二取向层取向方向平行于第二玻璃基板，且第一取向层和第二取向层两者取向方向互为反平行；第一取向层和第二取向层之间填充第一液晶层；所述第二液晶透镜包括第三玻璃基板和第四玻璃基板，所述第三玻璃基板和第四玻璃基板相对板面上分别对应设有第三导电膜层和第四导电膜层；所述第三导电膜层和第四导电膜层相对膜面上分别对应设有第三取向层和第四取向层；所述第三取向层取向方向平行于第三玻璃基板，第四取向层取向方向平行于第四玻璃基板，且第三取向层和第四取向层两者取向方向互为反平行；第三取向层和第四取向层之间填充第二液晶层；所述第三取向层、第四取向层的取向方向与第一取向层、第二取向层的取向方向垂直。
[0007] 所述的第一取向层、第二取向层之间的第一液晶层在
工作温度范围内为
向列相状态(只有方向序无
位置序)，在第一取向层、第二取向层的作用下液晶分子沿反向平行方式排列；利用所述的第一导电膜层的一组独立
电极、第二导电膜层的公共电极施加一组经过设定幅值的电场，达到稳态后，所述的第一液晶层中的液晶分子按照预先设计的图案有序排列，实现具有光线汇聚或发散效果的
光学透镜；通过调整在所述的第一导电膜层、第二导电膜层施加的交流电场，第一液晶层中的分子取向将按预期重新排列，从而调整实现第一液晶透镜焦距的目的。同理实现第二液晶透镜焦距的目的。
[0008] 进一步地，所述第二玻璃基板与第三玻璃基板通过胶合层连接以实现第一液晶透镜和第二液晶透镜的连接；或者第二玻璃基板与第三玻璃基板共用一
块玻璃基板以实现第一液晶透镜和第二液晶透镜的连接。
[0009] 进一步地，所述超透镜包括玻璃基板和设置在玻璃基板板面上的微纳结构层；所述玻璃基板采用独立的第五玻璃基板、或者采用所述第一玻璃基板、或者采用所述第四玻璃基板；所述微纳结构层采用若干微纳柱阵列分布构成。
[0010] 所述的微纳结构层通过对光场的强度、
相位以及偏振态的精确调控，在工作波段内修正所述第一透镜、第二透镜的色散，消除或降低色散对宽波段成像的影响，实现对光线的完美聚焦并获得高质量的成像；所述的微纳阵列结构尺寸与所述的第一液晶透镜的有效尺寸匹配。
[0011] 进一步地，所述第一取向层和第二取向层之间还设有第一隔垫，所述第一隔垫用于控制第一取向层和第二取向层之间的间距；所述第三取向层和第四取向层之间设有第二隔垫，所述第二隔垫用于控制第三取向层和第四取向层之间的间距。
[0012] 进一步地，所述第一导电膜层和第二导电膜层均采用透明导电
薄膜，
方块电阻200Ω/□～500Ω/□，膜层透过率不低于95％。
[0013] 进一步地，所述的第一
透明导电膜层采用若干个独立的同心的环形导电结构，每一个环形导电结构引出一个独立的电极至边缘区域形成一组独立电极，所述的环形导电结构的最外缘构成了所述第一透镜的有效区域；所述的第二导电膜层为一个均匀的公共电极；所述的第三透明导电膜层采用若干个独立的同心的环形导电结构，每一个环形导电结构引出一个独立的电极至边缘区域形成一组独立电极，所述的环形导电结构的最外缘构成了所述第一透镜的有效区域；所述的第四导电膜层为一个均匀的公共电极。
[0014] 进一步地，在第一导电膜层和第二导电膜层上沿垂直与第一玻璃基板和第二玻璃基板方向上施加设定
阈值的电场，第一液晶层中的分子由平行于第一玻璃基板和第二玻璃基板的方向向垂直于电场的方向发生偏转或倾斜，从而实现光线汇聚或发散效果、以及焦距调整；在第三导电膜层和第四导电膜层上沿垂直与第三玻璃基板和第四玻璃基板方向上施加设定阈值的电场，第二液晶层中的分子由平行于第三玻璃基板和第四玻璃基板的方向向垂直于电场的方向发生偏转或倾斜，从而实现光线汇聚或发散效果、以及焦距调整。
[0015] 进一步地，所述第一取向层和第二取向层均由聚酰亚胺溶液涂敷到对应的第一导电膜层和第二导电膜层上，经高温
烘烤后通过绒布磨擦的方式产生
沟道用于取向；所述第三取向层和第四取向层均由聚酰亚胺溶液涂敷到对应的第三导电膜层和第四导电膜层上，经高温烘烤后通过绒布磨擦的方式产生沟道用于取向。
[0016] 进一步地，所述的第一取向层和第二取向层均由光致取向剂通过线偏振的紫外光照射，以光裂解、光聚合或光致形变的方式实现取向。
[0017] 本发明具有如下的优点和有益效果：
[0018] 单个的液晶透镜需要结合偏振片使用，偏振片的起偏方向与液晶分子的取向方向平行，从而对e光实现位相延迟调节达到变焦的目的，焦距的调节范围受限于液晶材料的双折射率差Δn＝ne-no。单个的液晶透镜对偏振光是敏感的，但采用本发明的液晶透镜组合形式，可以消除液晶对偏振的依赖，其原理是：在两个液晶层中，液晶分子的取向是相互垂直的，任何偏振态的入射光都可以认为是相互垂直的两个偏振态的光的
叠加，在第一个液晶透镜中，e光被聚焦，o光不受影响；在第二个液晶透镜中，原来的o光变成了e光，被透镜聚焦，而原来的e光变成o光，因此不受第二个液晶透镜的影响。这样任意偏振态的入射光经过两个液晶透镜组合后都会被聚焦，从而消除了对偏振态的依赖性。
[0019] 对于光学成像透镜来说，变焦能
力和聚焦效果是两个重要的能力表征因素，二者对实际的成像应用来说都是非常重要的。目前，实现超透镜的变焦功能有若干方案，比如采用电、热、光、磁、机械拉伸、MEMS技术等，但实现起来相对复杂。本发明中，采用两个液晶透镜与纳米超透镜组合的方式可以实现透镜组对任意光偏振态的聚焦或发散。另外，由于液晶材料的色散效应，液晶透镜通常只能工作在特定
波长，在宽波段使用时会出现不同波长的光焦点不一致的情况，采用基于色散控制的超表面技术，可以针对液晶透镜的色散特性(具体来说就是在预期的工作波段内的色散曲线)，合理设计超透镜的微纳光学谐振子及其排布方式，使组合后的平面透镜在连续的宽波段上实现消色差聚焦效果，同时具有变焦能力。
[0020] 目前的液晶透镜制备技术中，采用
腐蚀减薄工艺，单个液晶透镜的厚度可以控制在0.2mm～0.3mm。因此本
专利的组合透镜(两个液晶透镜加上超透镜)的厚度可以控制在1mm以内。本发明应用于光学成像探测领域，可在
机器视觉和
人工智能等领域具有广泛的应用前景。综合优点如下所示：
[0021] 1、本发明通过两层液晶透镜和超透镜级联的优势互补，获得具有电控无机械变焦功能的高成像质量平面透镜；
[0022] 2、本发明的平面透镜组对偏振不敏感，因此不要工作在特殊的偏振态，从而可以实现对自然光的成像，系统光
能量利用率高，有助于实现对暗弱场景的成像；
[0023] 3、本发明的电控变焦平面透镜可以做到毫米和微米级的厚度，可部分甚至全部替代现有的传统光学透镜，大大简化现有成像和光束控制系统的结构，提高系统集成度，并且增强稳定性更高。
附图说明
[0024] 此处所说明的附图用来提供对本发明
实施例的进一步理解，构成本
申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0025] 图1为本发明的一种电控变焦平面成像透镜结构示意图；附图1中标记及对应的零部件名称：101-第一玻璃基板，102-第二玻璃基板，103-第三玻璃基板，104-第四玻璃基板，105-第五玻璃基板，106-第一导电膜层，107-第二导电膜层，108-第三导电膜层，109-第四导电膜层，110-第一取向层，111-第二取向层，112-第三取向层，113-第三取向层，114-第一隔垫，115-第二隔垫，116-第一液晶层，117-第二液晶层，118-微纳结构层，119-第一胶合层，120-第二胶合层。
[0026] 图2为本发明的一种薄型电控变焦平面成像透镜结构示意图；附图2中标记及对应的零部件名称：201-第一玻璃基板，202-第二玻璃基板，203-第三玻璃基板，204-第一导电膜层，205-第二导电膜层，206-第三导电膜层，207-第四导电膜层，208-第一取向层，209-第二取向层，210-第三取向层，211-第三取向层，212-第一隔垫，213-第二隔垫，214-第一液晶层，215-第二液晶层，216-微纳结构层。
[0027] 图3为液晶透镜的独立电极结构示意图；附图3中标记及对应的零部件名称：301-玻璃基板，302-环形电极，303-导电引线，304-电极
端子。
[0028] 图4为本发明的焦距固定的平面透镜结构示意图；附图4中标记及对应的零部件名称：401-玻璃基板，402-微纳结构层。
具体实施方式
[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0030] 实施例1
[0031] 本实施例提供了一种电控变焦平面透镜，如图1所示，包括5个玻璃基板(第一玻璃基板101、第二玻璃基板102、第三玻璃基板103、第四玻璃基板104和第五玻璃基板105)、4层透明导电层(第一导电膜层106、第二导电膜层107、第三导电膜层108和第四导电膜层109)、4层取向层(第一取向层110、第二取向层111、第三取向层112和第四取向层113)、盒厚控制隔垫(第一隔垫114和第二隔垫115)、液晶层(第一液晶层116和第二液晶层117)和微纳结构层(微纳结构层118)以及胶合层(第一胶合层119和第二胶合层120)。
[0032] 其中，第一玻璃基板101、第二玻璃基板102、第一导电膜层106、第二导电膜层107、第一取向层110、第二取向层111、第一隔垫114和第一液晶层116构成第一液晶透镜；第三玻璃基板103、第四玻璃基板104、第三导电膜层108、第四导电膜层109、第三取向层112、第四取向层113、第二隔垫115和第二液晶层117构成第二液晶透镜；第五玻璃基板105和微纳结构层118构成超透镜。第一液晶透镜、第二液晶透镜为电控变焦透镜，超透镜为固定焦距透镜，第一液晶透镜和第二液晶透镜通过第一胶合层119粘合、第二液晶透镜和超透镜通过胶合层120粘合最终构成本发明的一种电控变焦平面成像透镜组件。
[0033] 第一玻璃基板101和第二玻璃基板102相互平行，第一取向层110和第二取向层111的取向方向平行于第一玻璃基板101和第二玻璃基板102，且第一取向层110和第二取向层111的取向方向互为反平行。第三玻璃基板103和第四玻璃基板104相互平行，第三取向层
112和第四取向层113的取向方向平行于第三玻璃基板103和第四玻璃基板104，且第三取向层112和第四取向层113的取向方向互为反平行。但第三取向层112和第四取向层113的取向方向与第一取向层110和第二取向层111的取向方向垂直。在这种设置下，第一液晶层116和第二液晶层117中的液晶分子排列在无外加电场时也是互相垂直的，并且都沿平行于四个玻璃基板(第一玻璃基板101、第二玻璃基板102、第三玻璃基板103、第四玻璃基板104)的方向排列，从而消除本发明器件的偏振敏感性，相对于同类对偏振敏感的液晶透镜，不仅可以简化器件结构，同时在对自然光成像时，大大提高了光能利用率，从而有利于应用在光照条件不佳的场合。
[0034] 微纳结构层118在单独的第五玻璃基板105上制备，通过对光场的强度、相位以及偏振态的精确调控，在工作波段内修正上述液晶层对光的色散效应，消除或降低色散对宽波段成像的影响，实现对光线的完美聚焦并获得高质量的成像。除了粘合作用外，第一胶合层119和第二胶合层120的折射率与四个玻璃基板(第一玻璃基板101、第二玻璃基板102、第三玻璃基板103、第四玻璃基板104)的折射率是匹配的，从而降低了光在第一玻璃基板101和第二玻璃基板102、以及第三玻璃基板103和第四玻璃基板104之间的反射损耗。
[0035] 在透明第一导电膜层106和第二导电膜层107上施加垂直于第一玻璃基板101和第二玻璃基板102的方向的电场并超过设定阈值，在透明第三导电膜层108和第四导电膜层109上施加垂直于第三玻璃基板103和第四玻璃基板104的方向的电场并超过设定阈值，则第一液晶层116和第二液晶层117中的分子将由平行于玻璃基板(第一玻璃基板101、第二玻璃基板102、第三玻璃基板103、第四玻璃基板104和第五玻璃基板105)的方向向垂直于电场的方向发生偏转或倾斜，从而改变第一液晶层116和第二液晶层117对入射光的光学延迟量，进而调整本发明的平面透镜组的焦距。
[0036] 实施例2
[0037] 本实施例提供了一种电控变焦平面透镜，如图2所示，包括三个玻璃基板(第一玻璃基板201、第二玻璃基板202和第三玻璃基板203)、四个透明导电层(第一导电膜层204、第二导电膜层205、第三导电膜层206和第四导电膜层207)、四个取向层(第一取向层208、第二取向层209、第三取向层210和第四取向层211)、两个盒厚控制隔垫(第一隔垫212和第二隔垫213)、两个液晶层(第一液晶层214和第二液晶层215)和一个微纳结构层(微纳结构层216)。该结构与实施例1提供的电控变焦平面透镜结构相似，不同之处在于：为了减小透镜器件的厚度，在制作透镜组时，将第一液晶透镜和第二液晶透镜共用一个玻璃基板(第二玻璃基板202)、将第二液晶透镜和超透镜共用一个玻璃基板(第三玻璃基板203)，对应地取消原来的第二玻璃基板102和第三玻璃基板103、以及第四玻璃基板104和第五玻璃基板105；
将原来被胶合层(第一胶合层119和第二胶合层120)隔开的第二玻璃基板102和第三玻璃基板103、以及第四玻璃基板104和第五玻璃基板105两组玻璃基板均合并为一个玻璃基板，并且省去了胶合层(第一胶合层119和第二胶合层120)。这种薄型结构不仅降低了透镜组的厚度，同时也减小了光的反射损耗和吸收损耗，因此更加有利于提高透镜组的光能利用率。
[0038] 实施例3
[0039] 基于实施例1和实施例2的
基础上进一步改进，液晶透镜的独立电极结构如图3所示，包括玻璃基板301(此处的玻璃基板对于实施例1是指第一玻璃基板101和第三玻璃基板103)；对于实施例2是指第一玻璃基板201和第二玻璃基板202一侧板面)，用于独立延迟控制的多个同心衍射环形电极302，用于连接驱动
电路的电极端子304，以及将独立环形电极
302与电极端子304连接的透明导电引线303。环形电极302的宽度根据液晶透镜的设计焦距、液晶层的厚度和双折射率差等参数综合设计。透明导电引线303在保证良好
导电性能的前提下尽量细，每一个环形电极302由透明导电引线303独立引出至边缘区域形成一组独立电极，所述的环形电极302的最外缘构成了所述第一透镜的有效区域。依据位相调制型菲涅
耳透镜原理，对环形电极302的多个区域进行单独控制，从而模拟普通光学玻璃透镜对光的聚焦或
散焦功能，形成所谓的液晶透镜。对应地，第二玻璃基板102、第四玻璃基板104、第二玻璃基板202另一侧板面和第三玻璃基板203上的导电膜层均采用一个均匀的公共电极与上述独立电极匹配使用。透明导电薄膜方块电阻200Ω/□～500Ω/□，膜层透过率不低于
95％。
[0040] 焦距固定的平面透镜结构如图4所示，包括玻璃基板401(此处的玻璃基板对于实施例1是指第五玻璃基板105，对于实施例2是指第三玻璃基板203)和微纳结构层402。微纳结构层402通过采用不同形状、长度的微纳柱，对入射光的强度、相位以及偏振态进行精确调控，弥补第一液晶透镜、第二液晶透镜对光的色散，实现宽波段的完美聚焦，从而形成具有良好成像品质的可变焦平面透镜组。
[0041] 对于各取向层(对于实施例1的第一取向层110、第二取向层111、第三取向层112和第四取向层113，对于实施例2的第一取向层208、第二取向层209、第三取向层210和第四取向层211)可采用聚酰亚胺溶液通过辊涂或
旋涂的方式涂敷到对应的透明导电层上，经高温烘烤后通过绒布磨擦的方式产生沟道用于取向。或者可采用光致取向剂通过线偏振的紫外光照射，以光裂解、光聚合或光致形变的方式实现取向。
[0042] 第一取向层、第二取向层之间的第一液晶层为在工作温度范围内处于向列相状态(只有方向序无位置序)，在第一取向层、第二取向层的作用下沿反向平行方式排列；利用所述的第一导电膜层的一组独立电极、第二导电膜层的公共电极施加一组经过设定幅值的电场，达到稳态后，所述的第一液晶层中的液晶分子按照预先设计的图案有序排列，实现具有光线汇聚或发散效果的光学透镜；通过调整在所述的第一导电膜层、第二导电膜层施加的交流电场，第一液晶层中的分子取向将按预期重新排列，从而调整实现第一液晶透镜焦距的目的。同理实现第二液晶透镜焦距的目的。
[0043] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
