CN113467135A - 一种用于光场成像的双层液晶透镜及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光场成像的双层液晶透镜及方法，包括从上至下依次设置的第一控制层、第二控制层和第三控制层；所述第一控制层和第二控制层之间设置有第一液晶层；所述第二控制层和第三控制层之间设置有第二液晶层；所述双层液晶透镜还设有第一驱动模块和第二驱动模块；所述所述第一驱动模块一端连接第一控制层、另一端连接第二控制层；所述第二驱动模块一端连接第二控制层、另一端连接第三控制层。本发明制作工艺简单，可自由切换标准光场成像和聚焦光场成像的两种模式，同时能提高光场成像***的景深。

Description

一种用于光场成像的双层液晶透镜及其制作方法
技术领域
本发明属于光场成像技术领域，具体涉及一种用于光场成像的双层液晶透镜及其制作方法。
背景技术
三维(Three-Dimensional,3D)显示能够提供事物的深度信息，更真实地描绘现实世界，从而呈现出独特的视觉表现力与冲击力，是未来显示技术的发展趋势。其中，光场(Light Field，LF)三维成像技术是一种通过光学装置记录空间物体的四维光场信息，然后配合计算机图像处理技术重构出空间物体的三维显示技术。它能准确地表达空间物体间的相互遮挡信息，在光场拍摄和再聚焦、裸眼三维显示和增强现实技术等众多领域有着广泛的应用。
对于光场的采集，常见的方法主要通过多相机阵列、***掩膜以及微透镜阵列来实现。目前最广泛的做法是在图像传感器与主透镜之间添加一个微透镜阵列来获取空间物体的位置与方向信息，从而实现光场信息的采集。目前最广泛的做法是在图像传感器与主透镜之间添加一个微透镜阵列来获取空间物体的位置与方向信息，从而实现光场信息的采集。在标准光场成像***中，微透镜阵列放置于主透镜的像焦平面处，同时微透镜阵列与图像传感器的间距设置为微透镜的焦距大小。成像过程中，空间物体经主透镜成像到微透镜阵列，而后微透镜阵列的图像经二次成像入射到图像传感器，最后图像传感器记录下空间物体的位置和方向信息。然而，标准光场成像由于受到微透镜阵列的限制，图像分辨率比较低。为了提高图像分辨率，在标准光场成像的基础上提出了聚焦光场成像。两者的区别在于聚焦光场成像***将微透镜阵列放置于距离主透镜像面一定距离的地方。聚焦光场成像存在两种模式。当微透镜阵列位于主透镜像面的后方时，图像传感器捕获到实像；当微透镜阵列位于主透镜像面的前方时，图像传感器捕获到虚像。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于光场成像的双层液晶透镜及其制作方法，实现标准光场成像和聚焦光场成像自由切换，同时增大光场成像***的景深。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于光场成像的双层液晶透镜，包括从上至下依次设置的第一控制层、第二控制层和第三控制层；所述第一控制层和第二控制层之间设置有第一液晶层；所述第二控制层和第三控制层之间设置有第二液晶层；所述双层液晶透镜还设有第一驱动模块和第二驱动模块；所述所述第一驱动模块一端连接第一控制层、另一端连接第二控制层；所述第二驱动模块一端连接第二控制层、另一端连接第三控制层。
进一步的，所述第一控制层包括第一透明基板、第一驱动电极、第一高阻抗层、第一取向层；所述第二控制层包括第二取向层、第二公共电极、第二透明基板、第三公共电极、第三取向层；所述第三控制层第三透明基板、第四驱动电极、第四取向层。
进一步的，所述第一驱动电极采用单圆孔电极，设置于第一透明基板的下表面；所述第一高阻抗层设置于第一驱动电极的下表面；所述第一取向层设置于第一高阻抗层的下表面。
进一步的，所述第二公共电极采用面电极，设置于第二透明基板的上表面；所述第二取向层设置于第二公共电极的上表面；所述第三公共电极是面电极，设置于第二透明基板的下表面；所述第三取向层设置于第三公共电极的下表面。
进一步的，所述第四驱动电极采用圆孔电极阵列，设置于第三透明基板的上表面；所述第四取向层设置于第四驱动电极的上表面。
进一步的，所述第一取向层与述第二取向层平行，且取向相反；所述第三取向层与第四取向层平行，且取向相反。
进一步的，所述第一控制层、第二控制层之间设置有封框胶，用于将所述第一液晶层密封于二者之间；所述第二控制层、第三控制层之间设置有封框胶，用于将所述第二液晶层密封于二者之间。
进一步的，所述第一液晶层的液晶分子与所述第二液晶层的液晶分子，均通过液晶分子加热至透明液体形态而后冷却恢复至液晶形态得到。
进一步的，第一液晶层的盒厚与所述第二液晶层的盒厚之比为3:1；
进一步的，所述第一驱动模块连接第一驱动电极和第二公共电极，在所述第一驱动电极和所述第二公共电极之间施加电压形成液晶透镜；所述第二驱动模块连接第三公共电极和第四驱动电极，在所述第三公共电极和所述第四驱动电极之间施加电压形成液晶微透镜。；
进一步的，所述第一驱动电极和所述第二公共电极之间的液晶透镜在光场成像中可充当主透镜模块，用于收集空间物体发出的光；所述第三公共电极和所述第四驱动电极之间的液晶微透镜用于收集主透镜所成的像的光线强度、方向等场景信息。
进一步的，所述第一驱动电极和所述第二公共电极之间的液晶透镜通过改变焦距可以改变主透镜聚焦平面与微透镜阵列的间距，从而实现标准光场成像或聚焦光场成像；所述第三公共电极和所述第四驱动电极之间的液晶微透镜通过改变焦距可以提高光场成像***的景深。
一种用于光场成像的双层液晶透镜的成像方法，包括以下步骤：
调节第一驱动模块使第三公共电极和第四驱动电极之间的液晶微透镜位于第一驱动电极和第二公共电极之间的液晶透镜的像焦平面处，实现标准光场成像；
调节第一驱动模块使第三公共电极和第四驱动电极之间的液晶微透镜位于第一驱动电极和第二公共电极之间的液晶透镜的像焦平面后方，实现聚焦光场成像，成实像；
调节第一驱动模块使第三公共电极和第四驱动电极之间的液晶微透镜位于第一驱动电极和第二公共电极之间的液晶透镜的像焦平面前方，实现聚焦光场成像，成虚像。
一种用于光场成像的双层液晶透镜的制作方法，包括以下步骤：
S1：第一控制层制作：
（1）选取一透明导电玻璃，对其划片、清洗和烘干，利用光刻技术制作单圆孔电极，形成第一驱动电极；
（2）在第一驱动电极表面，利用磁控溅射或原子层沉积技术沉积一层厚度为20-60纳米的高阻抗层，形成第一高阻抗层；
（3）在第一高阻抗层表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第一取向层；
S2：第二控制层制作：
（1）选取一双面导电透明玻璃，对其划片、清洗和烘干，制作第二公共电极和第三公共电极；
（2）在第二公共电极表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第二取向层；
（3）在第三公共电极表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第三取向层；
S3：第三控制层制作：选取一透明导电玻璃，对其划片、清洗和烘干，利用光刻技术制作圆孔电极阵列，形成第四驱动电极；在第四驱动电极表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第四取向层；
S4：双层液晶透镜制作：
（1）在第二控制层的第二取向层四周利用印刷或喷墨打印技术涂覆封框胶，并预留灌晶口；
（2）将第一控制层和第二控制层按第一取向层和第二取向层的取向反向贴合，封框胶融化后形成第一液晶空盒；
（3）利用灌晶设备将液晶分子沿着灌晶口灌入第一液晶空盒，形成第一液晶层，封合灌晶口；
（4）在第二控制层的第三取向层四周利用印刷或喷墨打印技术涂覆封框胶，并预留灌晶口；
（5）将第二控制层和第三控制层按第三取向层和第四取向层的取向反向贴合，封框胶融化后形成第二液晶空盒；
（6）利用灌晶设备将液晶分子沿着灌晶口灌入第二液晶空盒，形成第二液晶层，封合灌晶口后形成双层液晶透镜。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明制作工艺简单，可自由切换标准光场成像和聚焦光场成像的两种模式，同时能提高光场成像***的景深。
附图说明
图1 本发明提供的一种用于光场成像的双层液晶透镜结构示意图；
图2 本发明第一优选实施例的双层液晶透镜第一控制层的制作方法具体步骤示意图；
图3 本发明第一优选实施例的双层液晶透镜第二控制层的制作方法具体步骤示意图；
图4 本发明第一优选实施例的双层液晶透镜第三控制层的制作方法具体步骤示意图；
图5 本发明第一优选实施例的双层液晶透镜控制示意图。；
图中：1-第一控制层、11-第一透明基板、12-第一驱动电极、13-第一高阻抗层、14-第一取向层、2-第二控制层、21-第二取向层、22-第二公共电极、23-第二透明基板、24-第三公共电极、25-第三取向层、3-第三控制层、31-第三透明基板、32-第四驱动电极、33-第四取向层、4-第一液晶层、5-第二液晶层、6-封框胶、7-第一驱动模块、8-第二驱动模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种用于光场成像的双层液晶透镜，镜包括第一控制层1、第二控制层2、第三控制层3、第一液晶层4、第二液晶层5、第一驱动模块7和第二驱动模块8；所述第一控制层1包括第一透明基板11、第一驱动电极12、第一高阻抗层13、第一取向层14；所述第二控制层2包括第二取向层21、第二公共电极22、第二透明基板23、第三公共电极24、第三取向层25；所述第三控制层3包括第三透明基板31、第四驱动电极32、第四取向层33；所述第一液晶层4设置于第一控制层1、第二控制层2之间；所述第二液晶层5设置于第二控制层2、第三控制层3之间；所述第一驱动模块7一端连接第一控制层1、另一端连接第二控制层2；所述第二驱动模块8一端连接第二控制层2、另一端连接第三控制层3。
参考图2-4，本实施例还提供一种用于光场成像的双层液晶透镜的制作方法，具体包括以下步骤：
S1：第一控制层1制作，如图2所示，具体包括如下步骤：
（1）选取ITO透明导电玻璃作为第一透明基板11，根据所需尺寸对该玻璃进行划片，然后将洗玻液喷洒在玻璃表面并用无尘布进行清洗，再置于丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中分别超声清洗25min、25min、15min，经高纯度氮气吹干后放入温度为100℃鼓风干燥箱中保温30min。借助甩胶机将RZJ-304光刻胶旋涂在带有ITO薄膜的玻璃基板表面，置于温度为75℃的加热台上烘烤5min；结合设计好的单圆孔掩模版在光强为4.4mW/cm2曝光机上曝光10s，接着放入浓度为3%的RZX-3038显影液中显影，固化后放入体积比为HCL:H2O=1:1的混合溶液中刻蚀，最后用丙酮溶液去除光刻胶，即第一透明基板11表面上形成第一驱动电极12。
（2）在第一驱动电极12表面利用磁控溅射技术制作厚度为100纳米的AZO薄膜，形成第一高阻抗层13；具体工艺条件如下：采用纯度为99.95%的AZO靶，基板与AZO靶距离5厘米，真空度2.0×10-3Pa，氩气体流量10SCCM，溅射功率1000W。
（3）借助甩胶机将聚酰亚胺（PI）溶液旋涂在第一高阻抗层13表面，放入温度为200℃鼓风干燥箱中高温焙烧后形成取向层薄膜，再利用摩擦机对其摩擦取向，形成第一取向层14。
S2：第二控制层2制作，如图3所示，具体包括如下步骤：
（1）选取双面ITO透明导电玻璃作为第二透明基板23，根据所需尺寸对该玻璃进行划片，然后将洗玻液喷洒在玻璃表面并用无尘布进行清洗，再置于丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中分别超声清洗25min、25min、15min，经高纯度氮气吹干后放入温度为100℃鼓风干燥箱中保温30min，即第二透明导电基板上、下表面分别形成第二公共电极22和第三公共电极24。
（2）借助甩胶机将聚酰亚胺（PI）溶液旋涂在第二公共电极22表面，放入温度为200℃鼓风干燥箱中高温焙烧后形成取向层薄膜，再利用摩擦机对其摩擦取向，形成第二取向层21。
（3）借助甩胶机将聚酰亚胺（PI）溶液旋涂在第三公共电极24表面，放入温度为200℃鼓风干燥箱中高温焙烧后形成取向层薄膜，再利用摩擦机对其摩擦取向，形成第三取向层25。
S3：第三控制层3制作，如图4所示，具体包括如下步骤：
选取ITO透明导电玻璃作为第三透明基板31，根据所需尺寸对该玻璃进行划片，然后将洗玻液喷洒在玻璃表面并用无尘布进行清洗，再置于丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中分别超声清洗25min、25min、15min，经高纯度氮气吹干后放入温度为100℃鼓风干燥箱中保温30min。借助甩胶机将RZJ-304光刻胶旋涂在带有ITO薄膜的玻璃基板表面，置于温度为75℃的加热台上烘烤5min；结合设计好的圆孔阵列掩模版在光强为4.4mW/cm2曝光机上曝光10s，接着放入浓度为3%的RZX-3038显影液中显影，固化后放入体积比为HCL:H2O=1:1的混合溶液中刻蚀，最后用丙酮溶液去除光刻胶，即第三透明基板31表面上形成第四驱动电极32；借助甩胶机将聚酰亚胺（PI）溶液旋涂在第四驱动电极32表面，放入温度为200℃鼓风干燥箱中高温焙烧后形成取向层薄膜，再利用摩擦机对其摩擦取向，形成第四取向层33。
S4：双层液晶透镜制作，具体包括如下步骤：
（1）在封框胶中均匀掺有厚度为120微米的间隔物塑料球，在第二控制层2的第二取向层21四周利用喷墨打印工艺涂覆封框胶，保证第一取向层14和第二取向层21的间距为预定间距，并预留灌晶口。
（2）将第一控制层1和第二控制层2按第一取向层14和第二取向层21的取向反向贴合，经200℃高温封框胶融化后形成第一液晶空盒。
（3）利用灌晶设备将液晶分子沿着灌晶口灌入第一液晶空盒，形成第一液晶层4，封合灌晶口。
（4）在第二控制层的第三取向层四周利用印刷或喷墨打印技术涂覆封框胶，并预留灌晶口；在封框胶中均匀掺有厚度为40微米的间隔物塑料球，在第二控制层2的第三取向层25四周利用喷墨打印工艺涂覆封框胶，保证第三取向层25和第四取向层33的间距为预定间距，并预留灌晶口。
（5）将第二控制层2和第三控制层3按第三取向层25和第四取向层33的取向反向贴合，经200℃高温封框胶融化后形成第二液晶空盒。
（6）利用灌晶设备将液晶分子沿着灌晶口灌入第二液晶空盒，形成第二液晶层5，封合灌晶口；在第一驱动模块7和第二驱动模块8作用下形成用于光场成像的双层液晶透镜。
本实施例提供的用于光场成像的双层液晶透镜的工作原理如图5所示，具体工作原理如下：在所述第一驱动模块7启动时，所述第一液晶层4内的液晶分子在电场的作用下实现抛物线梯度分布，形成光的汇聚；在所述第二驱动模块8启动时，所述第二液晶层5内的液晶分子在电场的作用下在每个圆孔电极内实现梯度偏转形成若干聚光区域。所述第一驱动电极12和所述第二公共电极22之间的液晶透镜在光场成像中可充当主透镜模块，用于收集空间物体发出的光；所述第三公共电极24和所述第四驱动电极32之间的液晶微透镜用于收集主透镜所成的像的光线强度、方向等场景信息。调节第一驱动模块7可通过改变单圆孔液晶透镜的焦距达到改变主透镜聚焦平面与微透镜阵列的间距的目的，从而实现标准光场成像和聚焦光场成像的两种模式自由切换：当所述第三公共电极24和所述第四驱动电极之间32的液晶微透镜位于所述第一驱动电极12和所述第二公共电极22之间的液晶透镜的像焦平面处，实现标准光场成像；当所述第三公共电极24和所述第四驱动电极32之间的液晶微透镜位于所述第一驱动电极12和所述第二公共电极22之间的液晶透镜的像焦平面后方，实现聚焦光场成像，成实像；当所述第三公共电极24和所述第四驱动电极32之间的液晶微透镜位于所述第一驱动电极12和所述第二公共电极22之间的液晶透镜的像焦平面前方，实现聚焦光场成像，成虚像。调节第二驱动模块8可通过改变液晶微透镜的焦距提高光场成像***的景深。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述双层液晶透镜包括从上至下依次设置的第一控制层、第二控制层和第三控制层；所述第一控制层和第二控制层之间设置有第一液晶层；所述第二控制层和第三控制层之间设置有第二液晶层；所述双层液晶透镜还设有第一驱动模块和第二驱动模块；所述所述第一驱动模块一端连接第一控制层、另一端连接第二控制层；所述第二驱动模块一端连接第二控制层、另一端连接第三控制层。
2.根据权利要求1所述的一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述第一控制层包括第一透明基板、第一驱动电极、第一高阻抗层、第一取向层；所述第二控制层包括第二取向层、第二公共电极、第二透明基板、第三公共电极、第三取向层；所述第三控制层第三透明基板、第四驱动电极、第四取向层。
3.根据权利要求2所述的一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述第一驱动电极采用单圆孔电极，设置于第一透明基板的下表面；所述第一高阻抗层设置于第一驱动电极的下表面；所述第一取向层设置于第一高阻抗层的下表面。
4.根据权利要求2所述的一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述第二公共电极采用面电极，设置于第二透明基板的上表面；所述第二取向层设置于第二公共电极的上表面；所述第三公共电极是面电极，设置于第二透明基板的下表面；所述第三取向层设置于第三公共电极的下表面。
5.根据权利要求2所述的一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述第四驱动电极采用圆孔电极阵列，设置于第三透明基板的上表面；所述第四取向层设置于第四驱动电极的上表面。
6.根据权利要求2所述的一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述第一取向层与述第二取向层平行，且取向相反；所述第三取向层与第四取向层平行，且取向相反。
7.根据权利要求1所述的一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述第一控制层、第二控制层之间设置有封框胶，用于将所述第一液晶层密封于二者之间；所述第二控制层、第三控制层之间设置有封框胶，用于将所述第二液晶层密封于二者之间。
8.根据权利要求1所述的一种用于光场成像的双层液晶透镜，其特征在于：所述第一液晶层的液晶分子与所述第二液晶层的液晶分子，均通过液晶分子加热至透明液体形态而后冷却恢复至液晶形态得到。
9.一种用于光场成像的双层液晶透镜的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
调节第一驱动模块使第三公共电极和第四驱动电极之间的液晶微透镜位于第一驱动电极和第二公共电极之间的液晶透镜的像焦平面处，实现标准光场成像；
调节第一驱动模块使第三公共电极和第四驱动电极之间的液晶微透镜位于第一驱动电极和第二公共电极之间的液晶透镜的像焦平面后方，实现聚焦光场成像，成实像；
调节第一驱动模块使第三公共电极和第四驱动电极之间的液晶微透镜位于第一驱动电极和第二公共电极之间的液晶透镜的像焦平面前方，实现聚焦光场成像，成虚像。
10.一种用于光场成像的双层液晶透镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：第一控制层制作：
（1）选取一透明导电玻璃，对其划片、清洗和烘干，利用光刻技术制作单圆孔电极，形成第一驱动电极；
（2）在第一驱动电极表面，利用磁控溅射或原子层沉积技术沉积一层厚度为20-60纳米的高阻抗层，形成第一高阻抗层；
（3）在第一高阻抗层表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第一取向层；
S2：第二控制层制作：
（1）选取一双面导电透明玻璃，对其划片、清洗和烘干，制作第二公共电极和第三公共电极；
（2）在第二公共电极表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第二取向层；
（3）在第三公共电极表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第三取向层；
S3：第三控制层制作：选取一透明导电玻璃，对其划片、清洗和烘干，利用光刻技术制作圆孔电极阵列，形成第四驱动电极；在第四驱动电极表面，利用旋涂、印刷或喷墨打印技术制作一层透明材料，经高温固化后形成取向层薄膜，再对其摩擦取向，形成第四取向层；
S4：双层液晶透镜制作：
（1）在第二控制层的第二取向层四周利用印刷或喷墨打印技术涂覆封框胶，并预留灌晶口；
（2）将第一控制层和第二控制层按第一取向层和第二取向层的取向反向贴合，封框胶融化后形成第一液晶空盒；
（3）利用灌晶设备将液晶分子沿着灌晶口灌入第一液晶空盒，形成第一液晶层，封合灌晶口；
（4）在第二控制层的第三取向层四周利用印刷或喷墨打印技术涂覆封框胶，并预留灌晶口；
（5）将第二控制层和第三控制层按第三取向层和第四取向层的取向反向贴合，封框胶融化后形成第二液晶空盒；
（6）利用灌晶设备将液晶分子沿着灌晶口灌入第二液晶空盒，形成第二液晶层，封合灌晶口后形成双层液晶透镜。
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