基于FPGA控制的可调焦液晶透镜及设计方法

本发明涉及一种调焦技术，特别涉及一种基于fpga控制的可调焦液晶透镜及设计方法。

背景技术：

1、传统的光学透镜如果没有自动聚焦功能就无法解决不同波长的色差问题，而可调焦液晶透镜技术则可以改善这一情况。液晶透镜具有体积小、厚度薄、易于集成、成像质量好、响应时间快等优点，与传统的单折射率、定焦距玻璃透镜相比，液晶微透镜可以在毫秒的响应时间内实现电场调节下的变焦效果。

2、随后，由于刻蚀技术的发展使得液晶盒电极结构的设计更加复杂，衍生出两种电极结构。一种是wonsuk choi等人提出了一种采用压印技术制作的高填充系数液晶(lc)透镜阵列，但这种结构的透镜并不能阻止厚度的损失，也不足以提供大孔径的聚焦效果；另一种电极结构采用的是菲涅尔透镜结构，即根据相位差精确控制相邻环带的电压，实现透镜功能。这种透镜不仅成本低、厚度小，孔径大，而且还可以避免因厚度增加而导致的响应时间过长等问题。

3、近年来，许多关于基于环形相位的液晶透镜的报道相继而出。huang等人提出了一种衍射效率高达39％的液晶菲涅尔透镜，lou等人使用二元光学步进精密谐波使得菲涅耳波带片透镜的衍射效率接近40.4％。除此以外，美国肯特液晶研究所(kent liquidcrystal institute)报道了一种具有浮动电极结构的液晶透镜，用于控制相位分布，与传统的同轴环形电极相比，液晶透镜在相邻电极之间增加了独特的电阻网络设计，电极由镍线连接，形成寻址网络。这种虽然可以提高图像对比度，但过于复杂的电极结构将增加透镜制造的难度和成本。

技术实现思路

1、针对目前光学系统对可调焦和消色差的迫切需求问题，提出了一种基于fpga控制的可调焦液晶透镜及设计方法，在不使液晶透镜制造复杂化的情况下获得更多的可调焦距，以优化时域消色差的效果。

2、本发明的技术方案为：一种基于fpga控制的可调焦液晶透镜，表面含刻蚀偶数n个ito条纹电极的液晶透镜，n个ito条纹电极按可变间距光栅排列分布，n个ito条纹电极与fpga逻辑门电路排线连接，n个ito条纹电极分为一组或多组，fpga电控将梯度电压施加在任意一组ito条纹电极上，光线通过液晶盒实现不同波长时域内消色差，不同波段焦点的重合。

3、优选的，所述ito条纹电极依照菲涅尔半波带的形式进行排列分布，构成一个128条纹的可变间距光栅结构，使穿过该结构的光线产生一个聚焦的作用且条纹之间的相位差都为π的倍数，不同通道电极的电压改变，使得过各电极通道条纹的光线以π的相位差进行变化，光线聚焦。

4、优选的，所述ito条纹电极条纹间隔从中心到边缘逐渐缩小，结构引导液晶透镜的自主聚焦，对ito条纹电极结构的每个通道施加不同的电压来控制相应液晶相位单元的不同折射率，形成基于梯度折射率的液晶相位分布。

5、优选的，所述128条纹的可变间距光栅最大间距为631μm,最小间距为20μm，整个刻蚀区域尺寸为10mm*10mm，所选用填充液晶为e7液晶，液晶盒厚度为5μm。

6、一种基于fpga控制的可调焦液晶透镜的制备方法，具体包括如下步骤：

7、1)基于权利要求4所述基于fpga控制液晶盒的一维可调焦柱面液晶透镜设计的条纹结构，对ito玻璃进行电极刻蚀具体步骤如下：

8、1.1)ito表面清洗：首先用洗涤剂棉球擦洗，然后用丙酮、蒸馏水超声清洗两次，每次10min，最后放入烘箱中干燥待用；

9、1.2)涂胶：按照光刻胶：光刻胶稀释剂＝1：1通过匀胶机进行涂胶；

10、1.3)前烘：把涂胶完成后的ito玻璃放入烘箱中进行烘干，来去除清除溶剂并增强光刻胶黏附性；

11、1.4)曝光:光刻板面积10mm×10mm，利用紫外光将图像投影到胶上，在透光的地方引起光化学反应；

12、1.5)显影：将ito玻璃放入显影液中，使得没有曝过光的胶留在ito玻璃上；

13、1.6)坚膜：冲洗显影后的ito玻璃，并放在烘箱中坚膜；

14、1.7)刻蚀：选取上述过程后光刻胶保留完整的ito玻璃，利用hcl:h2o＝1：1，并在其中加入一定量的fecl3，对ito玻璃进行刻蚀，将设计光刻图形转移到ito玻璃上；

15、1.8)去胶：采用4％的naoh溶液对刻蚀过的ito玻璃进行去胶处理；

16、1.9)检测：测试ito玻璃上刻蚀的电极是否有短路或断路，选出正常的电极结构进行下一步实验；

17、2)以刻蚀好的ito玻璃作为衬底制作液晶盒，具体包括如下步骤：

18、2.1)清洗：将刻蚀好的ito玻璃用净水洗净，再放入干燥箱中180℃干燥一小时，完成后取出待用；

19、2.2)旋涂：干燥完成的ito玻璃固定在旋涂机上，将pi液滴在玻璃上进行旋涂，使其达到厚度均匀的效果；

20、2.3)干燥：旋涂后的ito玻璃放入干燥箱中进行干燥处理，处理步骤同步骤1)；

21、2.4)摩擦：干燥完成后使用摩擦布按照一个方向进行摩擦，用与控制液晶体的转向；

22、2.5)间隔子微球：将摩擦过的ito玻璃放入喷粉机中，在喷粉机底部容器中放入需求厚度大小的间隔子微球，使其扩散到容器扩散到容器中的封闭空间中，待其自然降落到ito玻璃上；

23、2.6)封装：将两片ito玻璃重叠放置，仅刻蚀其中一片，用ab胶将其中的两端封闭住，其余两端用于液晶的填充；

24、2.7)填充：向封装好的液晶盒中填充e7液晶，即可得到填充完毕的液晶盒；

25、3)将制作好的液晶盒与fpga逻辑门电路系统上刻蚀有128条变间距光栅的ito玻璃进行排线，以形成一个完整的电控液晶盒。

26、一种基于fpga控制的可调焦液晶透镜的调焦系统，光源激光打出的光依次先后经过同光轴的物镜、小孔、透镜、光阑、半波片、液晶透镜，fpga电控液晶透镜上ito条纹电极电压，改变液晶透镜内部的相位分布，获得不同的聚焦效果，最后成像在接收屏上。

27、一种基于fpga控制的可调焦液晶透镜的设计方法，通过模拟分析获得液晶相位单元的电压-折射率变化关系后，基于菲涅尔波带片原理设计一种具有128通道的ito条纹电极结构，并在fpga电控系统上对不同的条纹电极通道实施分区域施加不同电压，使得液晶内部折射率发生变化，从而引起相位谐振，达到可调谐聚焦，使液晶透镜具有离散变焦能力。

28、所述基于fpga控制的可调焦液晶透镜的设计方法，在时域范围内，通过对不同的波段进行特定的条纹分区后，施加特定的梯度电压使不同波段具有相同的焦点，当填充液晶的响应时间小于人眼观察图像的保留时间时，即可达到消色差。

29、本发明的有益效果在于：本发明基于fpga控制的可调焦液晶透镜及设计方法，通过分析与模拟，获得了在不同电压情况下，液晶折射率及相位变化的情况。依据其变化特点在制作液晶盒的ito玻璃上设计控制电压变化的条纹电极结构，通过fpga控制液晶盒上的条纹电极的电压呈梯度变化，使液晶内部折射率发生变化，从而引起相位谐振，实现了该液晶透镜的焦距可调谐功能。同时在时域内不同的波段，进行特定的条纹分区以及条纹电极电压的控制实现了不同波段焦点的重合，这为不同波长的消色差实验提供了基础研究工作。