锥透镜、锥透镜最小底角调整装置和调整方法

1.本发明涉透镜技术领域，尤其涉及一种锥透镜、锥透镜最小底角调整装置和调整方法。


背景技术：

2.锥透镜是一种重要的光学元器件，它可以将入射光线按照一定的角度进行折射。通过这些折射后的光束之间的干涉和衍射，使得锥透镜的焦线可以变得很长，能沿着光轴产生的一条长的焦距线。当一束高斯光束透过锥透镜时，会变成一束贝塞尔光束，从而可以大大减少衍射的影响，并在焦线上光场有一个均匀的强度分布，锥透镜的这些特性使它得到了广泛的应用，比如用于产生非共线的谐波，用于高敏感的巧光测量，用来进行纳米粒子筛选，用锥透镜替代球透镜解决离焦问题等。锥透镜的还有一个显著的优势是能得到一个成像物体的深度信息。
3.现在技术中也有不少可以产生贝塞尔光束的方法，例如：
4.1.利用在传统会聚透镜后焦面加入一个带环形通光孔径的光阑产生贝塞尔光束；
5.2.利用空间光调制器产生贝塞尔光束；
6.3.利用tag lens产生贝塞尔光束；
7.4.利用锥透镜产生贝塞尔光束。
8.但是利用在传统会聚透镜后焦面加入一个带环形通光孔径的光阑的方法所产生贝塞尔光束的焦深不如传统锥透镜的焦深大；利用空间光调制器产生贝塞尔光束的方法成本高，且调制函数复杂；利用tag lens产生贝塞尔光束的方法所形成的锥透镜的最小底角受锥形腔体和液体介质的影响，而无法对其最小底角进行方便，快速，实时地调节。
9.实际应用中，采用锥透镜来产生贝塞尔光束的情况较多。但是使用锥透镜产生贝塞尔光束时，由于贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离与锥透镜的最小底角成反比，因此要想获得更大的贝塞尔-高的斯光束的最大无衍射距离，就需要最小底角值更小的锥透镜，但是传统的锥透镜由于工艺的限制，锥透镜的最小底角受到限制，为0.5度至1度左右，这严重限制了所产生的贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离，因此采用现有技术的锥透镜也无法获得更大景深和清晰度更高的图像。并且，由于传统的锥透镜制造完成后锥透镜最小底角就已经固定，如果要改变其最小底角，只有更换锥透镜，因此在实际应用中没法实现快速实时地进行最小底角的调整，因此传统的锥透镜无法适用于需要快速实时地改变最小底角的应用场合。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明提供一种锥透镜、锥透镜最小底角调整装置和调整方法来解决现有技术中锥透镜最小底角值过大，致使锥透镜产生的贝塞尔-高斯光束的最大无衍射距离短，以及锥透镜最小底角无法快速实时调整的问题。
11.为解决上述技术问题，本发明的通过以下技术方案来实现：
12.第一方面，本发明提供一种锥透镜，所述锥透镜包括液晶透镜元件，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；
13.所述电极包括第一电极和第二电极，所述第二电极为圆孔状电极；
14.所述液晶层位于第一电极和第二电极之间；
15.在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为0.1mm至0.7mm；
16.所述电极用于接收第一驱动电压v1，所述第一驱动电压为第一电极与第二电极之间的电压。
17.优选的，在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为0.2mm至0.5mm；
18.所述第一驱动电压v1的范围为0v至35。
19.第二方面，本发明提供一种锥透镜，所述锥透镜包括液晶透镜元件，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；
20.所述电极包括第一电极和第二电极，所述第二电极为圆孔状电极；
21.所述液晶层位于第一电极和第二电极之间；
22.所述电极还包括第三电极，所述第二电极位于第一电极和第三电极之间，所述液晶层位于第一电极和第二电极之间，在沿第一电极的平面的法向方向上，所述第一电极与第二电极之间的距离为d1，所述第二电极的与第三电极之间的距离为d2，其中0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm；
23.所述电极用于接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，所述第一驱动电压v1为第一电极与第二电极之间的电压，所述第二驱动电压v2为第二电极和第三电极之间的电压。
24.优选地，其中v1和v2满足：0≤v2≤40，0≤v1≤3
×
v2/4+30，其中v1和v2的单位为v。
25.第三方面，本发明提供一种锥透镜最小底角调整装置，包括驱动电源和第一方面中所述的锥透镜，所述驱动电源用于提供所述第一驱动电压v1，所述驱动电源为可调电源。
26.优选的，还包括驱动电压调整模块，所述驱动电压调整模块用于调整驱动电源提供的第一驱动电压v1值,其中v1的调整量δv的取值范围为δv1/v1≤0.07。
27.第四方面，本发明提供一种锥透镜最小底角调整装置，包括驱动电源和第一方面中所述的锥透镜，所述驱动电源用于提供第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，驱动电源所提供的第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2为可调电压。
28.优选的，还包括驱动电压调整模块，所述驱动电压调整模块用于调整第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2；
29.其中v1的调整量δv1的取值范围为δv1/v1≤0.07，其中v2的调整量δv2的取值范围为δv2/v2≤0.07。
30.第五方面，本发明提供一种锥透镜最小底角调整方法，包括第一方面中的锥透镜的电极接收第一驱动电压v1；
31.调整第一驱动电压v1的取值。
32.优选的，其中v1的调整量δv1的取值范围为δv1/v1≤0.07。
33.第六方面，本发明提供一种锥透镜最小底角调整方法，包括：
34.第一方面中所述锥透镜的电极接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2；
35.调整第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2的取值。
36.优选的，其中v1的调整量δv1的取值范围为δv1/v1≤0.07，其中v2的调整量δv2的取值范围为δv2/v2≤0.07。
37.本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供的锥透镜，锥透镜最小底角调整装置和调整方法，通过将第一电极与第二电极之间的距离设置在0.1mm至0.7mm之间，并给第一电极和第二电极之间加上第一驱动电压，利用其形成的电场驱动液晶分子呈近似的圆锥形排布，使所有通过液晶层的入射光线都以—个相同的角度进行折射，从而形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。并通过调整第一驱动电压的值来控制电场在空间中的分布情况，从而调整液晶锥透镜的最小底角，其调整过程不需要改变锥透镜的外形，不需要对锥透镜进行重新加工，因此不会受到加工工艺的限制，可以获得比现有技术的锥透镜更小的最小底角。由于锥透镜的最小底角随着驱动电压v1连续变化而迅速地连续改变，因此利用本技术的锥透镜最小底角调整装置和方法，可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整。
附图说明
38.图1是本发明实施例1的液晶透镜元件的结构示意图。
39.图2是本发明实施例2的液晶透镜元件的结构示意图。
40.图3是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.02mm，v1＝40v，v2＝20v时的波前图。
41.图4是本发明中当d1＝0.7mm，d2＝0.02mm，v1＝40v，v2＝20v时的波前图。
42.图5是本发明中当d1＝0.5mm，d2＝0.4mm，v1＝40v，v2＝20v时的波前图。
43.图6是本发明中当d1＝0.35mm，d2＝0.1mm，v1＝40v，v2＝20v时的波前图。
44.图7是本发明中当d1＝0.65mm，d2＝0.1mm，v1＝40v，v2＝20v时的波前图。
45.图8是本发明中当d1＝0.4mm，d2＝0.2mm，v1＝40v，v2＝20v时的波前图。
46.图9是本发明中当d1＝0.6mm，d2＝0.2mm，v1＝40v，v2＝20v时的波前图。
47.图10是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝0v，v2＝30v时的波前图。
48.图11是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝20v，v2＝0v时的波前图。
49.图12是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝20v，v2＝40v时的波前图。
50.图13是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝30v，v2＝0v时的波前图。
51.图14是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝40v，v2＝40v时的波前图。
52.图15是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝50v，v2＝40v时的波前图。
53.图16是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝60v，v2＝40v时的波前图。
54.图17是本发明中当d1＝0.3mm，d2＝0.1mm，v1＝37.5v，v2＝10v时的波前图。
55.图18是本发明的实施例13的结构示意图。
56.主要元件符号说明：第一透明基板11、第二透明基板12、第三透明基板13、第一电极21、第二电极22、第三电极23、液晶层3、绝缘层4、间隔子5、激光器6、偏振片7、高反镜8、锥透镜9、光电探测器10和示波器12。
57.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
58.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用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
59.需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
60.实施例1
61.本实施例提供一种锥透镜。如图1所示，本实施方式中的锥透镜，包括液晶透镜元件，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层3；
62.所述电极包括第一电极21和第二电极22，所述第二电极22为圆孔状电极；
63.所述液晶层3位于第一电极21和第二电极22之间；
64.在沿第一电极21的平面的法向方向上，所述第一电极21与第二电极22之间的距离为0.1mm至0.7m；
65.所述电极用于接收第一驱动电压v1，所述第一驱动电压为第一电极21与第二电极22之间的电压。
66.其中第一电极21可选用透明电极，如ito电极或者azo电极，第二电极22可以选用透明电极或者非透明电极例如金属电极，其中金属电极材料包括但不限于al、pt、cr。
67.当第一电极21与第二电极22之间的距离为0.1mm至0.7m时，给第一电极21和第二电极22之间加上电压，可以在第一电极21和第二电极22之间形成电场，该电场可以使液晶分子呈圆锥形或近似的圆锥形排布，使所有通过液晶层3的入射光线都以—个相同的角度进行折射，从而形成可以靠电压驱动的液晶锥透镜。并通过调整第一驱动电压的值来控制电场在空间中的分布情况，从而调整液晶锥透镜的最小底角，其调整过程不需要改变锥透镜的外形，不需要对锥透镜进行重新加工，因此不会受到加工工艺的限制，可以获得比现有技术的锥透镜更小的最小底角由于锥透镜的最小底角随着驱动电压v1连续变化而迅速连续改变，因此利用本实施例的锥透镜可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整。
68.实施例2
69.本实施例在实施例1的基础上在将第一电极21与第二电极22之间的距离限制0.2mm至0.5mm范围内，将第一驱动电压v1的限制在0v至35v范围内。在前述距离和电压范围内液晶分子的排布最接近圆锥形，使用该锥透镜的成像效果也最好。
70.实施例3
71.如图2所示，本实施例提供另一种结构的液晶锥透镜，本实施例的液晶锥透镜包括液晶透镜元件，所述液晶透镜元件包括电极和液晶层；
72.所述电极包括第一电极21和第二电极22，所述第二电极22为圆孔状电极；
73.所述液晶层位于第一电极21和第二电极22之间；
74.所述电极还包括第三电极23，所述第二电极22位于第一电极21和第三电极23之间，所述液晶层位于第一电极21和第二电极22之间，在沿第一电极21的平面的法向方向上，所述第一电极21与第二电极22之间的距离为d1，所述第二电极22的与第三电极23之间的距离为d2，其中0＜d2＜0.4，d2/2+0.3＜d1＜-d2/2+0.7，其中d1和d2的单位为mm；
75.所述电极用于接收第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，所述第一驱动电压v1为第一电极21与第二电极22之间的电压，所述第二驱动电压v2为第二电极和第三电极23之间的电压。
76.本实施例增加了第三电极23，并使第一电极21，第二电极22第三电极23之间的距离满足0≤d2≤0.4，d2/2+0.3≤d1≤-d2/2+0.7。本实施例可以为液晶锥透镜同时提供第一驱动电压和第二驱动电压，采用前述结构后，在第一驱动电压和第二驱动电压的综合作用下，液晶分子成圆锥形排布，使所有通过液晶层3的入射光线都以—个相同的角度进行折射。采用前述结构的波前图如图3至图9所示，图3至图9为保持第一驱动电压和第二驱动电压不变的情况下采用不同的电极间隔距离得到的波前图。从图中可以看出满足前述距离关系的液晶锥透镜的波前图接近圆锥形。
77.本实施例可以通过对第一驱动电压或者第二驱动电压的搭配来增加锥透镜最小底角调节的灵活性，还可以通过对第一驱动电压或者第二驱动电压之间相对大小的设置来使锥透镜在正锥透镜和负锥透镜两种状态之间进行方便快速地切换。例如当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1大于v2时，液晶透镜为正锥透镜，当第一驱动电压和第二驱动电压设置为v1小于v2时，液晶透镜为负锥透镜。由于锥透镜的最小底角可以随着驱动电压v1或者v2的改变而快速改变，因此本实施例可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，通过调第一驱动整驱动电压v1或/和第二驱动电压v2来方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整。
78.实施例4
79.本实施例在实施例3的基础上将v1和v2的取值范围进一步限定为0≤v2≤40，0≤v1≤3
×
v2/4+30，其中v1和v2的单位为v。本实施例在实施例3的基础上，将第一驱动电压和第二驱动电压之间的差值限制在前述范围内时液晶分子的排布最接近圆锥形，使用该锥透镜的成像效果也最好。
80.实施例5
81.本实施例提供一种锥透镜最小底角调整装置，包括驱动电源和实施例1或实例2中的锥透镜，所述驱动电源用于提供所述第一驱动电压v1，所述驱动电源为可调电源。本实例利用可调电源为实施例1或实施例2提供第一驱动电压，这样通过调整可调电源输出的电压值就可以改变液晶层3中液晶分子的排布从而改变锥透镜的最小底角。本装置通过改变电压来调整锥透镜的最小底角，不需要改变锥透镜的外形结构，可以快速实时地实现对锥透镜最小底角的调整。
82.实施例6
83.本实例在实例5的基础上增加了驱动电压调整模块，包括驱动电压调整模块，所述驱动电压调整模块用于调整驱动电源提供的第一驱动电压v1值,其中v1的调整量δv的取值范围为δv1/v1≤0.07。本装置可以利用驱动电压调整模块连续实时改变第一驱动电压
来连续实时地调整锥透镜的最小底角，并且在δv1/v1≤0.07的范围内调整v1的值时，锥透镜最小底角相对v1的变化率较小，使得本装置对锥透镜最小底角调整的精确度更高。
84.实施例7
85.本实施例提供的锥透镜最小底角调整装置，包括驱动电源和实施例3或4中所的锥透镜，所述驱动电源用于提供第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，驱动电源所提供的第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2为可调电压。本实施例利用驱动电源为锥透镜提供可以调整的第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2，这样一方面可以通过改变第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2压的值来快速，实时地调整锥透镜的最小底角，另一方面通过改变第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2之间的大小关系来实现正锥透镜状态和负锥透镜状态之间的切换。
86.实施例8
87.本实施例在实施例7的基础上，利用驱动电压调整模块对第一驱动电压v1或/和第二驱动电压v2，进行调整，并且调整的范围为δv1/v1≤0.07，其中v2的调整量δv2的取值范围为δv2/v2≤0.07，本装置可以利用驱动电压调整模块连续实时改变第一驱动电压和第二驱动电压来连续实时地调整锥透镜的最小底角，在前述调整范围内锥透镜最小底角相对v1或者v2的变化率较小，使得对锥透镜最小底角调整的精确度更高。
88.实施例9
89.本实施例提供一种锥透镜最小底角调整方法，本实施例的方法给实施例1或2中的锥透镜的电极加上第一驱动电压v1，在第一电极21和第二电极22之间形成电场，利用形成的电场使液晶分子呈近似的圆锥形排布，并通过调整第一驱动电压v1的值来控制电场在空间中的分布情况，从而调整液晶锥透镜的最小底角，前述调整过程不需要改变锥透镜的外形，不需要对锥透镜进行重新加工，因此不会受到加工工艺的限制，可以获得比现有技术的锥透镜更小的最小底角。由于锥透镜的最小底角可以随着驱动电压v1的改变而快速改变，因此本实施例可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整。
90.实施例10
91.本实施例在实施例8的基础上，在δv1/v1≤0.07的范围内对v1进行调整，在前述范围内锥透镜最小底角相对δv1的变化率小，使得对锥透镜最小底角调整的精确度更高。
92.实施例11
93.本实施例提供一种锥透镜最小底角调整方法，包括：实施例3或4中的锥透镜的电极加上第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，在第一驱动电压v1和第二驱动电压v2的综合作用下形成电场，利用形成的电场使液晶分子呈近似的圆锥形排布，并通过调整第一驱动电压v1和第二驱动电压的v2值来控制电场在空间中的分布情况，从而调整液晶锥透镜的最小底角，前述调整过程不需要改变锥透镜的外形，不需要对锥透镜进行重新加工，因此不会受到加工工艺的限制，可以获得比现有技术的锥透镜更小的最小底角。由于锥透镜的最小底角可以随着驱动电压v1或者v2的改变而快速改变，因此本实施例可以在不用改变锥透镜外形结构和尺寸的情况下，通过调第一驱动整驱动电压v1或/和第二驱动电压v2来方便，快捷，实时地对锥透镜的最小底角进行调整。此外，通过改变v1或者v2之间的大小关系还可以使锥透镜在正锥透镜和负锥透镜之间切换。
94.例如可以设置电极接收第一组电压，在该组电压中第一驱动电压v1设置为0v，第二驱动电压压v2设置为30v，这时通过仿真得到的波前如图10所示，这时锥透镜为负锥透镜。
95.例如可以设置电极接收第二组电压，在该组电压中第一驱动电压v1设置为20v，第二驱动电压压v2设置为0v，这时通过仿真得到的波前如图11所示，这时锥透镜为正锥透镜。这时第一驱动电压v1保持20v不变，第二驱动电压设置v2调整为40v后作为第三组电压，按照前述设定使电极接收第三组电压，这时通过仿真得到的波前图如图12所示。前述过程中第二驱动电压v1小于第一驱动电压v2，这时液晶透镜形成负锥透镜。
96.还可以设置电极接收第四组电压，在该组电压中第二驱动电压v2设置为0v，第一驱动电压v1设置为30v，这时通过仿真得到的波前图如图13所示。
97.还可以设置电极接收第五组电压，在该组电压中第二驱动电压v2设置为40v，第一驱动电压v1设置为40v，这时通过仿真得到的波前图如图14所示。
98.这时第二驱动电压v2保持40v不变，第一驱动电压v1v2调整为50v后作为第六组电压，电压驱动模块按照前述设置输出第六组电压，这时通过仿真得到的波前图如图15所示。前述过程中第二驱动电压v2小于第一驱动电压v1，这时液晶透镜形成正锥透镜。
99.还可以使第二驱动电压v2保持40v不变，第一驱动电压v1调整为60v后作为第七组电压，电压驱动模块按照前述设置输出第七组电压，这时通过仿真得到的波前图如图16所示。
100.还可以设置电极接收第八组电压，在该组电压中第二驱动电压v2设置为10v，第一驱动电压v1设置为37.5v，这时通过仿真得到的波前图如图17所示。
101.实施例12
102.本实施例在实施例11的基础上，在δv1/v1≤0.07或/和δv2/v2≤0.07的范围内对v1和v2进行调整，在前述范围内锥透镜最小底角相对v1和v2的变化率小，使得对锥透镜最小底角调整的精确度更高。
103.实施例13
104.如图18所示，本实施例在实施例3或4的锥透镜9的基础上增加激光器6、偏振片7，光电探测器10和示波器12，其中锥透镜9、光电探测器10和示波器12依次排列。打开激光器6，给液晶透镜施加电场，调节v1等于50v，v2等于40v，此时液晶锥透镜的光学性质就是一个正锥透镜的光学性质，使用光电探测器10扫描，并在在示波器12上呈现出出射光的光强分布保持v2不变，调节v1等于60，使用光电探测器10扫描，在示波器12上呈现出射光的光强分布。通过对光强分布的分析可以发现，出射光束传播过程中光强分布不同，且峰值光强出现的位置随外加电场的改变而改变。故通过改变外加电场的大小可以改变液晶锥透镜的最小底角。本实施例中还可以采用一组或者多种高反镜8对入射激光进行准直调整。
105.本发明还可以在第一电极21和第二电极22之间以及第二电极22和第三电极23之间设置绝缘部件，其中在第一电极21和第二电极22之间的绝缘部件为绝缘层4，通过绝缘层4将第一电极21和第二电极22有效阻隔开，防止两个电极之间短路。其中，第二电极22和第三电极23之间的绝缘部件为设置在液晶层3中的间隔子5。间隔子5设置在液晶层3的径向方向的边缘处，一方面将液晶层3支撑起预设的厚度，另一方面在第二电极22和第三电极23之间起到绝缘作用。本实施方式的锥透镜还包括第一透明基板11、第二透明基板12、第三透明
基板13，所述第一电极21设置在第一透明基板11上，所述第二电极22设置在第二透明基板12上，所述第三电极23设置在第三透明基板13上。三块透明基板可以对三个电极起到很好的支撑和保护的作用，使液晶锥透镜的结构和性能更加稳固。
106.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。