CN111722423A - 液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像和光学信息处理领域，公开了一种在可见光至红外波段可连续变焦的透镜设计方案。包括：利用超表面优异的相位调制能力设计一个固定焦距的超透镜，紧贴超透镜的下方增加了一层液晶和复合层，利用复合层为液晶层提供抛物面型的电压，从而在液晶层中产生抛物面型的相位调制，该相位叠加到超透镜相位上共同决定了透镜的焦距，通过改变电压可以改变液晶层中的抛物面型相位分布，从而达到变焦的效果。本文采用超透镜和液晶相结合的方法提出了一种连续可变焦超透镜的方法。该方法在实现连续变焦的前提下只使用了单个电极，降低了加工的复杂度，在结构上，保持了超表面超微超薄的优点，特别适合用于手机镜头中。

Description

液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜
技术领域
本发明涉及成像和光学信息处理领域，尤其涉及一种液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜的结构设计。
背景技术
超表面是一种能够有效操控波前的平面结构，其优点是可以做到超微超薄，调制精准，自提出以来，就被应用于各种光学元器件的设计制作中，包括透镜，波片，偏振片等等。但是，到目前为止，有关可调谐的超表面器件却鲜见报端，对于已有的报道，结构也略显复杂，效果不甚理想，这是由于缺乏有效的调制手段和精密的加工技术。
透镜是最简单的光学器件，也是使用最广，研究最多的器件，即便如此，有关可变焦超透镜的工作仍然寥寥无几，并且效果也并不理想。其中，部分工作为两个或者多个焦点间的切换，意义不大。目前已有的方案有基于弹性基底的变焦透镜，可以连续变化，但是结构比较复杂，而且需要很高的电压，在实际使用中非常不方便，聚焦效果也不理想。基于液晶空间光调制器的变焦透镜在结构上非常复杂，需要非常多的电极，而且由于像元尺寸太大，存在多级衍射，能量利用率低。
发明内容
本发明的目的在于产生可连续变焦的透镜功能，利用液晶的折射率随电压可调谐的功能结合超表面器件优异的相位调制功能，可以产生连续变焦超透镜，在尺寸上保持了超表面微小的特点。
为解决上述技术问题，本发明结合了液晶的可调谐性和超透镜优异的相位控制能力，提出一种简单有效，使用方便的连续变焦超透镜。
本发明的技术解决方案如下：
一种液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜，其特点在于，包括由上至下依次粘接的超透镜层(1)、第一电极层(2)、液晶层(3)、复合层(4)和第二电极层(5)；
所述的超透镜层(1)的像元尺寸在亚波长级别,且可以产生一个固定焦距的焦点；
所述的液晶层(3)的液晶分子在无偏压时均匀排列，并且在不同的偏压下，在竖直平面内旋转不同的角度；
所述的复合层(4)由两种介质组成，其中一种介质为拱形，另一介质嵌入在拱形两端的凹陷处，该复合层(4)为所述的液晶层(3)提供抛物面型的电压；
在所述的第一ITO层(2)和第二ITO层(5)上施加均匀电压，电压大小可调。
所述的超透镜层(1)采用高折射率(n>2)的介质。
所述的复合层(4)的两种介质的介电常数相差越大越好，且对工作波长具有很高的透过率(T>0.8)。
所述第一电极层(2)和第二电极层(5)的材料使用透明导电玻璃。另外，透明电极层仅仅起到施加偏压的功能，厚度越薄越好。
经第二电极层(5)垂直入射的光的偏振方向与无偏压时液晶分子层的取向保持一致。
液晶层(3)提供可变的传输相位；复合层提供抛物面型的电压分布。
本发明实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：采用了复合层提供梯度电压，只需要单个电极控制，制作简单，变焦时不需要太大的偏压。采用超表面作为相位主控，像元尺寸小，整体上保持了超表面的微型特点，可连续变焦，变焦范围大。
相较于传统球面透镜组而言，变焦过程中不需要涉及机械的运动，更加方便，适合于手机镜头中。
整体相位由超表面和液晶共同决定，由于液晶层厚度相对于横向尺寸很小，相位可近似视为两者的叠加。
通过合理地设计取向膜，可以使液晶分子在无偏压下长轴沿水平方向排列。
液晶层的厚度决定了焦距的变化范围，厚度越大，变焦范围越大。
该方案的优势如下，其一，只需要单个电极控制，制作简单，变焦时不需要太大的偏压，其二，像元尺寸小，整体上保持了超表面的微型特点，其三，可连续变焦，变焦范围大。
附图说明
图1是本发明液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜的结构示意图；
图2是本发明制作超透镜结构的单元模拟示意图，其中，(a)为侧视图，(b)为俯视图；
图3是本发明优化超透镜参数时透过率和相位随介质柱半径变化的关系，其中(a)对应透过率，(b)对应相位；
图4是焦距为120μm的透镜具有的理想相位分布以及八阶离散化之后的结果，其中(a)为理想相位分布，(b)为八阶离散化之后对应的介质柱分布；
图5是采用复合层之后，液晶层的偏压在液晶层沿径向分布的模拟结果，其中，(a)为模拟示意图，(b)为V0＝10V时的模拟结果；
图6是采用本发明中的参数时，焦距的位置随液晶层相位变化的数值计算结果，其中，(a)为无偏压时的聚焦结果，(b)施加一定电压后的聚焦结果，(c)为继续增加电压后的聚焦结果；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
图1是根据本发明实施方式的结构示意图，功能的实现主要由三层结构组成，由上至下分别有超透镜结构，液晶分子和复合层。超透镜结构的主要功能是实现一个具有固定焦距的相位分布，这就有别于纯液晶型的变焦透镜方案，毕竟液晶分子的折射率变化有限，若只采用液晶产生变焦效果，液晶层的厚度需要非常大，丧失了微型化的优势。液晶层主要起调谐作用，在外加电压下，液晶分子极化角发生旋转，对于特定偏振光折射率也发生相应的变化，因此传输相位也不同，该相位调制叠加到超透镜结构上决定了最终的相位输出，液晶层的可调谐性决定了整体结构的可调谐性，同时借助于超透镜结构，液晶层只需要小的相位变化便会产生变焦效果，因此可以做到很薄。复合层的结构是为了给液晶层提供抛物面型的电场强度，因为如果电场强度在XY面内是均匀的，那么液晶分子在XY平面内的传输相位也是均匀的，那么该相位因子只是给超透镜增加了一个常数因子，并没有实际的意义。复合层由两种不同的材料组成，其中一中为呈拱型，近似抛物面型，另外一种作为填充，模拟结果表明，当在液晶层和复合层两端施加偏压时，液晶层中的场强将会呈现抛物面型，对液晶分子的修饰也将呈现抛物面型，传输相位也呈现抛物面型，当施加不同的偏压时，抛物面的曲率将发生变化，对光线的聚焦能力发生变化，从而实现变焦功能。
在本发明实施方案中，超透镜层由不同半径的硅材料介质柱组成。ITO层为透明电极，主要为液晶层提供偏压，液晶层中的分子在无偏压下呈现水平分布，当施加偏压后，发生旋转，电压越大，极化角越大。复合层的两种材料分别为TiO2(∈1＝6.76)和SiO2(∈2＝2.56)。
本发明实施方案中，结构整体的输出相位由超透镜相位和液晶层传输相位的共同决定，超透镜的相位分布由公式(1)给出：
Figure BDA0002550118730000041
对于液晶层的传输相位，假设满足理想的抛物面型，则相位分布公式可表示如下：
Figure BDA0002550118730000042
其中，Δψ为液晶层中心点和边缘的相位差，R为透镜的半径，通过改变偏压的大小，可以改变Δψ的值。由于液晶层的相位梯度小并且相对于整个横向尺寸而言非常薄，我们简单的将出射相位视为超透镜相位和传输相位的叠加。
ψ＝ψm+ψt (3)
因此可以通过施加电压，改变Δψ的大小，进而改变***的焦点位置。
本发明实施方案中，超透镜结构中介质柱的材料为硅，根据超表面理论，介质柱的相位调制和占空比相关，因此我们设计了不同半径的介质柱，结构单元如图2所示，由于介质柱的截面为圆形，结构对偏振不敏感。
考虑一个实际的结构，假设波长为940nm，液晶层的厚度为7.5μm,透镜的直径为100μm，无偏压时的焦距为120μm，通过扫描介质柱的半径，我们得到介质柱半径和相位调制的关系如图3所示，选取其中八个等间距排列的相位进行量化，得到具体参数如表1。
表1
Figure BDA0002550118730000051
根据公式(1)，我们可以得到本发明实施方案中对应参数下超透镜的相位分布，如图4，将相位压缩到2π范围以内，并且进行离散化，便可以对应到实际的介质柱结构上。
在本发明实施方式中，为了检验复合层结构是否能够为液晶层提供抛物面型的电压分布，我们利用COMSOL软件进行了仿真，仿真示意图如图5(a)所示，液晶层的厚度取7.5μm，介电常数取2.56，复合层的厚度为2.5μm，其中，∈1＝6.76,∈2＝2.56。液晶层的电压分布结果如图5(b)，可以看到当给整体结构施加10V电压时，在液晶层将会产生抛物面型的电压分布。
在本发明实施方式中，为了验证超表面的变焦能力，我们以前文的参数为例进行计算，考虑液晶分子的最大折射率差值一般为0.2，理想情况下，中心点与边缘处的相位差最大为Δψ＝2πΔnh/λ＝3.2π，其中，h为液晶层的厚度，所以传输相位可以从平面到Δψ＝3.2π对应的抛物面中连续变化。利用公式(3)，通过光线追迹模拟，当Δψ＝3.2π时，焦距的变化Δf≈25μm，结果如图6所示，Δf/f约为20％，通过增加液晶层的厚度可以获得更大的Δψ，从而实现更大的焦距变化。
本发明实施方式提出的液晶和超表面相结合的变焦透镜方案，相比于传统的球面透镜，该方案的优点是结构尺寸大大缩小，制作简单，调谐方便而且可以连续变焦，变焦时只需要改变电压，不需要位置上的移动，非常适合于手机镜头中。

Claims (4)

1.一种液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜，其特征在于，包括由上至下依次粘连的超透镜层(1)、第一电极层(2)、液晶层(3)、复合层(4)和第二电极层(5)；
所述的超透镜层(1)的像元尺寸在亚波长级别,且可以产生一个固定焦距的焦点；
所述的液晶层(3)的液晶分子在无偏压时均匀排列，并且在不同的偏压下，在竖直平面旋转不同的角度；
所述的复合层(4)由两种介质组成，其中一种介质为拱形，另一介质嵌入在拱形两端的凹陷处，该复合层(4)为所述的液晶层(3)提供抛物面型的电压；
在所述的第一电极层(2)和第二电极层(5)上施加均匀电压，电压大小可调。
2.根据权利要求1所述的液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜，其特征在于，所述的超透镜层(1)采用高折射率(n>2)的介质。
3.根据权利要求1所述的液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜，其特征在于，所述的复合层(4)的两种介质的介电常数相差越大越好。
4.根据权利要求1所述的液晶和超表面相结合的连续可变焦超透镜设计方法，其特征在于，所述的所述的第一电极层(2)和第二电极层(5)的材料使用透明导电玻璃。
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