电控可变焦128元×128元自适应液晶微透镜阵列

　　1　引　言

　　液晶是分子排列取向有序的液体。其电学和光学性质都呈现与排列有关的类似于晶体的各向异性;另外,液晶也具有与普通液体相类似的流动性。虽然液晶结合了液体和晶体的性质,但是又展示出不同于晶体和液体的、非常特殊的电光特性,因此,液晶不同于晶体和液体。利用液晶电控双折射以及液晶分子受电场强迫取向而改变光学及电学特性这两种光电特性,可以制作出液晶相位调制器[1-2],液晶透镜以及微透镜。

　　液晶透镜是由日本科学家Sato在1979年提出的[3],历经多年,发展出了单圆孔电极的液晶透镜[4]、模式电极的液晶透镜[5]、聚合物液晶微透镜阵列[6]以及外形浮雕结构的液晶微透镜阵列[7]等。用液晶制作的透镜及微透镜共同特点是:在固定透镜及微透镜与CCD位置后具有电控变焦功能,而且体积较小,厚度较薄,可以与其他光学元件进行搭配使用,是传统光学变焦系统的替代品。聚合物液晶微透镜阵列具有较好的光学特性,但是制作工艺复杂、制作成本较高,还存在电控变焦范围较小、形成的焦点光斑尺寸较大、不易制作出大面阵的问题。

　　本文借鉴单圆孔液晶透镜的结构[4],发展了一种新型的液晶微透镜阵列。该液晶微透镜阵列中的每个圆孔的直径为50μm,液晶层的厚度为20μm,即圆孔的直径与液晶层的厚度比值约为3∶1[4-8]。该液晶微透镜阵列为128元×128元的大阵列微透镜,采用光刻技术和盐酸腐蚀方法制作,与聚合物液晶微透镜[6]相比,工艺更加简单、制作成本更低、具有更大的变焦范围、焦点光斑尺寸更小;采用的聚酰亚胺层既作为定向层又作为绝缘层,与外形浮雕结构的液晶微透镜[7]相比,电场可更加有效地加载在液晶层上使得液晶分子旋转速度加快,降低了工作电压。较低工作电压、较大变焦范围、较小焦点尺寸可以使得该液晶微透镜阵列在光互联、光存储以及图像处理中有极大的应用潜力。

　　本文通过3组不同的实验,验证所设计的液晶微透镜阵列的光学特性,测试实验结果表明:该微透镜阵列是聚焦的面阵微透镜,其点扩展函数值与理论值接近,焦距与工作电压成反比例关系,且可以生成清晰多重像。

　　2　结构与制作工艺

　　面阵液晶微透镜结构如图1(a)所示,分为上、中、下3层,其中上层依次为玻璃衬底、ITO膜、聚酰亚胺层,中层为液晶层(采用的是德国Merck的E44)以及玻璃微球间隔子,下层依次为聚酰亚胺层、ITO膜、玻璃衬底。上电极将ITO膜通过光刻和盐酸腐蚀方法得到了128元×128元圆孔阵列图案;而下电极就是ITO膜。上电极的圆孔阵列排列整齐,每个圆孔的直径为50μm,圆孔之间的间隔为100μm。夹在上下基板之间的液晶层的厚度为20μm。控制电压为1 kHz的方波,加载在上、下电极之间。图1(b)为制作好的样品图。