一种液晶变焦曲面透镜及其制备方法、成像系统与流程

1.本发明涉及液晶透镜领域，尤其是涉及一种液晶变焦曲面透镜及其制备方法、成像系统。


背景技术：

2.近视眼和老花眼是人们一直关注的视力问题，随着科学技术的蓬勃发展，用于视力矫正的眼镜层出不穷。但是这些眼镜往往只有单一的屈光度，显然无法满足看远看近时不同的视力需求。尽管光学变焦系统由来已久，但传统光学变焦成像系统是借助机械运动改变焦距的多层组合眼镜，存在体积笨重、变焦范围小、响应速度慢等缺点。
3.近年发展出的电控液晶变焦眼镜，对提高人眼观测能力具有重要的意义。中国专利cn 102608814 a公开了一种连续变焦菲涅尔透镜，通过刻蚀菲涅尔波带结构的电极，对不同级的带环单独电控，从而实现较大的变焦能力。中国专利cn 111381395 a揭示了一种电控连续变焦透镜，同样是基于菲涅尔波带的结构设计对液晶盒的焦距进行连续电控，并采用混合液晶以提升液晶盒的响应速度。
4.上述两种方案在变焦能力、响应速度等方面做出了突破，前者借助菲涅尔电极两级调控的方式具备灵活性，但电压控制较为复杂；后者基于平行板液晶盒与菲涅尔带环组合的组合，通常只能获得凸透镜或凹透镜中的一种，变焦能力有限，难以同时满足近视眼和老花眼对屈光要求，且存在尺寸大、功耗高等问题。而且，考虑到框架眼镜存在便捷性和隐蔽性不够、长期佩戴影响面型等问题，因此消费者对可变焦角膜接触镜的诉求越来越强烈。此外，当前工业变倍镜头普遍存在的机械驱动响应慢、体积笨重、变焦不连续等问题也亟待攻克。


技术实现要素：

5.本发明针对当前液晶透镜的技术问题，旨在提供了一种液晶变焦曲面透镜及其制备方法、成像系统，可实现工业视觉检测镜头和角膜接触镜的连续电控变焦，兼具变焦能力强、驱动电压低、轻薄小巧、制作简便等优点。
6.为实现上述技术目的，本发明的方案为：本发明实施例的第一方面提供了一种液晶变焦曲面透镜，包括：外曲面透镜和内曲面透镜；所述外曲面透镜和内曲面透镜间封装有液晶层；所述外曲面透镜靠近液晶层的一侧设有电极层，所述内曲面透镜靠近液晶层的一侧设有电极层；电极层为透明导电层，用于控制液晶层内电场强度分布；所述电极层具备与外曲面透镜或外曲面透镜表面契合的菲涅尔环状图案；所述电极层由外电极和内电极组成，两电极对心并反平行放置；对电极层施加连续改变的电压以控制液晶层的焦距；液晶层为用于改变光学焦距的混合液晶，其分子取向受电场分布调控；其外围圆周均匀分布有封装胶水；
取向层为沉积于电极层靠近液晶层的表面的透明聚合物，用于保证液晶层的分子初始朝向和分布。
7.进一步地，所述外曲面透镜和内曲面透镜选自包括聚二甲基硅氧烷、甲基丙烯酸羟乙酯在内的软质材料，在液晶变焦曲面透镜外部还包裹有硅水凝胶。
8.进一步地，所述电极层的材料选自对可见光的透过率80%以上的透明导电薄膜或中心透光区半径占透镜直径1/4~1/2的不透明金属箔。
9.进一步地，所述电极层设置为环状电极，该环状电极沿轴线对称；该环状电极的两引脚的夹角大于15度，以适应曲面透镜轮廓且不发生重叠。
10.进一步地，所述液晶层为具有通透性的混合液晶，且液晶态温度区间涵盖常温，其寻常光和非寻常光的折射率之差为0.1~0.25。
11.进一步地，适用于工业检测的液晶变焦曲面透镜口径在25~80 mm之间，适用人眼的液晶变焦曲面透镜口径小于15 mm，内、外曲面透镜的中心厚度为0.1~0.2 mm，液晶变焦曲面透镜总厚度小于0.5 mm，电极层的厚度应小于0.05 mm，其线宽不应低于0.1 mm，公共引线宽度不低于3 mm。
12.本发明实施例的第二方面提供了一种液晶变焦曲面透镜的制备方法，其特征在于，采用各镜片和电极单独成型、后组装填充液晶的制备方案，具体包括以下步骤：步骤（1）：设计并加工曲面透镜的模具：步骤（2）：将软质聚合物和固化液按质量比10:1充分搅拌混合，作为软质聚合物混合液；将软质聚合物混合液注入步骤（1）得到的曲面透镜的模具中，模压成型，即得内、外曲面透镜；对内、外曲面透镜的内表面均匀旋涂未固化的软质聚合物，得到涂胶的内、外曲面透镜；步骤（3）：切割电极形状，分别与涂胶的内、外曲面透镜对心贴紧，热压，使得电极与内、外曲面透镜贴合；步骤（4）：对步骤（3）得到的覆盖有电极的内、外曲面透镜进行等离子处理，再在其内表面均匀涂覆取向层，半硬化后单向摩擦取向层表面，形成朝向一致且分布均匀的划痕；最后经等离子处理使涂覆取向层的内、外曲面透镜硬化；步骤（5）：灌注液晶和封装：在曲面透镜边缘设置封装胶水，在封装胶水完全固化之前，将已真空除泡的液晶注入外曲面透镜和内曲面透镜间，再将两片透镜沿着划痕相反的方向对准，挤压封装成一体，在透镜表面均匀涂覆硅水凝胶涂层，并从电极层引出导线，得到液晶变焦曲面透镜。
13.进一步地，所述步骤（1）中按照屈光度逆向确定镜片曲率半径、直径、厚度在内的尺寸参数，分别设计内、外曲面透镜对应的作为公模的基弧面模和作为母模的光学面模，本发明实施例的第三方面提供了一种成像系统，包括上述的液晶变焦曲面透镜或由上述的制备方法制得的液晶变焦曲面透镜。
14.本发明实施例的第四方面提供了一种上述的液晶变焦曲面透镜或由上述的制备方法制得的液晶变焦曲面透镜在工业视觉检测镜头和可变焦角膜接触镜中的应用。
15.本发明公开的液晶变焦曲面透镜之有益效果主要体现在以下方面：（1）较强的人眼环境适应性。基于眼球轮廓的精准尺寸设计、亲和的变焦范围、高透光性和柔韧的镜片材料、低电压的驱动电路、生物相容性良好的镜片和封装材料等优势
有助于实现在人眼环境的使用。
16.（2）灵活的可设计性。本发明公开了若干设计实例以适应不同人群对视力矫正的需求，提高了可变焦液晶接触镜的适用性；可通过调节镜片的曲率半径、厚度等尺寸和筛选特定双折射率范围的液晶，既实现了视光学变焦的连续可控，也兼顾了变焦范围的精准制定。
17.（3）变焦范围广，通电后可获得未通电状态1~3倍的屈光度，具体变焦效果可定制和优化，能满足不同视距物体的观测需要，同时基于液晶电光特性的调控方案在集成变焦、望远、检测等多功能接触镜方面具备较大的潜力；驱动电压低、轻薄小巧、制作简便等优点，能适应正负范围内的屈光度和变焦调控，对拓展视觉检测镜头、角膜接触镜和望远系统的连续可控变焦、紧凑型设计具有启示作用。
18.（4）结合了混合液晶和透明电极薄膜的电学和视光学特性，能够对低电压刺激做出灵敏的响应，有效降低了驱动变焦的功耗，同时保障了使用的安全性。
19.（5）轻薄便携，结构简单，加工方法简便，可应用于现有的柔性曲面透镜生产设备，有效降低制作成本。
附图说明
20.图1为本发明液晶变焦曲面镜的结构示意图；图2为液晶变焦曲面镜的制备流程图；图3为适应透镜曲面的菲涅尔环带电极的平面设计图；图4为液晶变焦曲面透镜对应的焦距测量实验平台；图5为适用于液晶变焦曲面透镜的夹持器；图6为基于液晶变焦曲面透镜的成像检测实验平台；图中，1-液晶变焦曲面透镜；111-外曲面透镜；121-外电极；122-内电极；131-上取向层；112-内曲面透镜；132-下电极；140-封装胶水；150-液晶层；21-氦氖激光器；22-空间滤波器；23-扩束镜；24-光阑；25-起偏镜；26-检偏镜；27-光强检测器；28-数显电源；29-滑轨；3-曲面透镜夹持器；31-镜托；32-镜盖；33-螺纹孔；34卡齿；35-导线孔；41-平行白光；42光阑；43-分辨力测试板；44-凸透镜；45-cd相机；5-基弧模；6-光学模。
具体实施方式
21.为便于阐述本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例作进一步说明。
22.本发明公开的一种液晶变焦曲面透镜及其制备方法、成像系统，按照功能性可划分为曲面透镜、变焦角膜接触镜、望远变焦透镜系统、工业视觉检测镜头，以广泛适应不同的尺寸规格和应用场景，以及不同近视和远视变焦的需求，其共同结构如图1所示，包括：自上而下分布的外曲面透镜111、外电极层121、上取向层131、液晶层150、下电极132、内电极122和内曲面透镜112。
23.外曲面透镜111为靠近被观测物的镜片；其曲率半径可依据目标变焦的屈光度大小及正负性而设定，口径按照角膜接触镜、望远镜、工业镜头的应用需求而定。
24.电极层为介于透镜与液晶之间的透明导电层，用于控制液晶层内电场强度分布；
所述电极层具备与外曲面透镜或外曲面透镜表面契合的菲涅尔环状图案；所述电极层由外电极121和内电极122组成，两电极对心并反平行放置，并接入精密电源。对电极层施加连续改变的电压信号以控制液晶层的焦距。
25.液晶层150为改变透镜系统视光学焦距的混合液晶，其分子取向受电场分布调控；液晶层外围圆周均匀分布有封装胶水140，依靠封装胶水140密闭，以防液晶漏出。
26.取向层由上取向层131和下电极132组成，为沉积在电极表面的透明聚合物，用于保证液晶层的分子初始朝向和分布；内曲面透镜112为靠近观测者一侧的镜片；曲率半径可依据目标变焦的屈光度大小及正负性而设定，与外曲面透镜口径一致，但屈光度不同。
27.不同于传统的变焦透镜，本发明公开的液晶变焦曲面透镜将内外曲面透镜的尺寸作为重要的设计参数，尤其是透镜的曲率半径和中心厚度，奠定了视光学变焦的基准，而液晶层的尺寸和折射率等物性是决定变焦能力的关键因素，同时多层镜片的集成方案将进一步提升变焦效果。
28.在设计曲面透镜的尺寸参数时，是将曲面透镜对可见光的屈光度作为参考依据，以理论焦距来反向设计透镜。由于透镜组中的内曲面透镜、外曲面透镜、液晶层的前后光学面曲率半径不同，因此都具备屈光能力，需单独计算各自的屈光度，公式如下：其中、为该镜片前后光学面中心曲率半径，为镜片中心厚度，为透镜本身的折射率，为入射光在曲面透镜前介质的折射率。
29.最终液晶变焦曲面透镜的整体屈光度是由内、外透镜和液晶层三者的屈光度相加获得，而其余透明导电层和取向层等因厚度较薄且前后光学面无较大曲率变化，因此屈光度忽略不计。事实上，多重透镜由于厚度的影响，光轴和光路会产生较大偏移，总体屈光度与理论值有所偏差。经过多次的zemax数值软件模拟与理论公式的对比，液晶变焦曲面透镜总体屈光度可修正为：其中， 和分别为内、外透镜层的视光学焦距，为液晶层的视光学焦距。常数为视光学模拟获得的修正系数，取值一般在1.1~1.4区间内，受内外透镜与液晶层的中心厚度比例所影响，内外曲面透镜占总体的厚度比例越高，修正系数越大。
30.优选地，所述外曲面透镜和内曲面透镜选自包括pdms（聚二甲基硅氧烷）、hema（甲基丙烯酸羟乙酯）在内的延展性较好的软质聚合物，在液晶变焦曲面透镜外部还包裹有生物相容性良好的硅水凝胶。
31.优选地，如图3所示，所述电极层设置为环状电极，其材料选自对可见光的透过率80%以上的透明导电薄膜、中心透光区半径占透镜直径1/4~1/2的不透明金属箔；电极沿轴线对称，两引脚的夹角大于15度，以适应曲面透镜轮廓且不发生重叠。该角度是建模所得的两引脚不重叠的最小值。或者为实现完全覆盖透镜曲面而不重叠，以其中一只引脚为直线，另一引脚的曲线半径及两引脚的切线夹角、曲面透镜基弧的半径、与透镜中心的方位角满足：。
32.进一步地，所述的环状电极可为银纳米线、ito等导电性薄膜，在可见光范围内的透光性应在80%以上，也可采用蒸镀或溅射成型的金属箔，但要保证中心的透光区直径不低于6 mm（瞳孔的一般直径）。本发明公开的实例中主要采用0.05μm厚度的纳米银线导电透明导电薄膜，按照目标焦距来反向设计电极的尺寸和图案，借助激光切割或刻蚀完成电极的成型。
33.进一步地，所述的环状电极为两片，分别紧贴内、外曲面透镜，按照菲涅尔带环的原理设计电极的半径、环宽等参数，各菲涅尔圆环同心并与内外接触镜轮廓契合，所有的菲涅尔环由一个公共引脚连接并接入电路。
34.由菲涅尔环带的光学效应，可由平面透镜的折射率、入射光波长和焦距，确定菲涅尔环带第 i 环内径：以及第 i 环外径：优选地，所述液晶层为具有通透性的混合液晶，且液晶态温度区间涵盖常温，其寻常光和非寻常光的折射率之差为0.1~0.25。本发明公开的实例中主要采用北京八亿时空液晶科技股份有限公司生产的bhr28100-400型混合液晶，寻常光和非寻常光的折射率之差为0.23。
35.优选地，所述的取向层优选为低粘度的聚酰亚胺溶液或pva（聚乙烯醇），需保证一定的透光性，取向液粘度越高，旋涂转速和时间以及等离子处理、烘烤等时间越长。本发明公开的实例中主要采用北京波米科技有限公司的3022l型低粘度聚酰亚胺溶液，经过等离子处理透镜表面，借助匀胶机涂匀，待烘烤固化后，用绒毛刷定向形成纹理。
36.优选地，适用于工业的液晶变焦曲面透镜口径在25~80 mm之间，与当前工业相机
接口匹配；适用人眼的变焦接触镜口径小于15 mm，总厚度应小于0.3 mm，以符合接触镜的尺寸指标；其最小线宽不应低于0.1 mm，以保证电极图案之间的良好隔绝，公共引线宽度不低于3 mm，便于与外部进行电学连接。
37.进一步地，所述封装胶水优选为硅橡胶，或是紫外胶与热敏胶组成的混合胶。胶层须保证均匀且细密，单丝直径不宜超过2 mm。为保证打胶的均匀、细密、精准，应设计打印路径，尽量由直写型3d打印机来进行打胶。
38.实施例一基于摄像机、工业相机镜头等透镜的变焦需求，本发明公开了一种液晶变焦曲面透镜，其透镜直径一般为25~80 mm，按照如图2的流程开展：步骤（1）：设计曲面透镜的模具，按照屈光度来逆向确定符合镜片曲率半径、直径、厚度等尺寸参数，分别设计基弧模5（公模）和光学模6（母模），内、外曲面透镜的模具需分开设计，借助cnc精密金属加工获得模具，还需用电磨机研磨表面以提高光洁度。
39.步骤（2）：将pdms前驱液（康道宁184）和固化液按质量比10:1混合，置于离心机以2000 ~5000rpm搅拌一分钟以上，并注入曲面模具，放置在真空箱中充分除泡后，压紧公母模并在烘箱中65℃烘烤2小时，冷却后拔模，去除镜片毛刺和超声波清洗处理，即得到（内）外接触镜片，将镜片按凹凸性分别置入接触镜公母模具中，滴入未固化的pdms混合液作为粘合剂，在匀胶机上以3000~5000 rpm的速度转半分钟涂匀，再置入烘箱65℃烘烤20分钟后取出，以便粘贴电极。
40.步骤（3）：按图纸切割电极形状，借助模具与涂胶的曲面镜片对心贴紧，之后放入烘箱以65℃热压1小时以上，使得电极与镜片轮廓贴合。
41.步骤（4）：对步骤（3）得到的覆盖有电极的内、外曲面透镜进行要40~100w等离子处理5分钟，在覆盖电极的曲面透镜表面涂覆取向层，所述取向层通常用pi（聚酰亚胺）制作，选用3000 ~4000转每分钟可形成均匀的涂层，再用步进电机带动绒毛刷摩擦取向层表面，形成朝向一致且分布均匀的划痕。置入烘箱烘烤10分钟，取出并等离子处理5分钟，使涂覆取向层的内、外曲面透镜硬化。
42.步骤（5）：灌注液晶和封装，利用直写型3d打印机在曲面透镜边缘打一圈硅橡胶，在硅橡胶完全固化之前，将已真空除泡的液晶用移液管注入凹曲面透镜中，再将两片镜片沿着划痕相反的方向对准，借助模具挤压封装成一体，在镜片表面做硅水凝胶涂层，并从曲面透镜的电极引出导线，接入电路形成可控变焦的液晶曲面透镜。
43.本实施例应用于液晶变焦曲面透镜的焦距测量实验平台，包括按序布置的氦氖激光器21（632.8nm）、空间滤波器22、扩束镜23、光阑24、起偏镜25、液晶变焦曲面透镜1（liquid crystal，lc）、曲面透镜夹持器3，检偏镜26、光强检测器27、数显电源28、滑轨29，如图4所示。当平直光束从氦氖激光器发出，通过空间滤波器准直，再经扩束镜和光阑将光束调整至与变焦曲面透镜大小一致。为降低光强以便观测，在待测的变焦曲面透镜前后设置线性偏振片分别作为起偏镜和检偏镜，且偏振方向与透镜的摩擦取向方向呈45度，即两偏振片方向垂直。曲面透镜的焦点为光强最大点，由滑轨上的光强检测器捕捉，当接通电源时，焦点（最大光强）位置发生移动，进而可记录焦距的变化。需要注意，各光学元件需严格对心，且与滑轨平行。通过施加不同电压，获得如下表1所示的液晶变焦曲面透镜的电压与焦距、屈光度倍数的关系。
44.表1：液晶变焦曲面透镜测量实验数据表如上表1所示，本发明提供的液晶变焦曲面透镜变焦范围广，通电后可获得未通电状态1~3倍的屈光度。
45.实施例二用于改善近视或远视的角膜接触镜，按照视力矫正的需求，在内外角膜接触镜设计参数方面有所不同，如矫正近视的变焦接触镜是由凸的外接触镜、凹的液晶层和凸的内接触镜构成，而矫正远视的变焦接触镜是由凹的外接触镜、凸的液晶层和凹的内接触镜构成。然而两者除了镜片模具上的差异，仍遵循相同的制作流程：本发明公开了一种液晶变焦接触镜与制备方法，包括以下步骤：步骤（1）：设计角膜接触镜的模具，按照屈光度来逆向确定符合镜片曲率半径、直径、厚度等尺寸参数，分别设计基弧面模（公模）和光学面模（母模），内、外接触镜的模具需分开设计，借助cnc精密金属加工获得模具（cnc精密金属加工最高精度达到0.025 mm），还需用电磨机研磨表面以提高光洁度。
46.步骤（2）：将制备的pdms的前驱液（康道宁184）和固化液按质量比10:1混合，置于离心机以2000 ~5000rpm搅拌一分钟以上，并注入接触镜模具，放置在真空箱中充分除泡后，压紧公母模并在烘箱中65℃烘烤2小时，冷却后拔模，去除镜片毛刺和超声波清洗处理，即得到（内）外接触镜片，将镜片按凹凸性分别置入接触镜公母模具中，滴入未固化的pdms混合液作为粘合剂，在匀胶机上以3000~5000 rpm的速度转半分钟涂匀，再置入烘箱65℃烘烤20分钟后取出，以便于粘贴电极。
47.步骤（3）：按图纸切割电极形状，借助模具与涂胶的接触镜片对心贴紧，之后放入烘箱以80℃热压1小时以上，使得电极与接触镜片轮廓贴合。
48.步骤（4）：对步骤（3）得到的覆盖有电极的内、外曲面透镜进行要40~100w等离子处理5分钟，在覆盖电极的角膜接触镜表面涂覆取向层，所述取向层通常用pi（聚酰亚胺）制作，选用3000 ~4000转每分钟可形成均匀的涂层，用步进电机带动绒毛刷摩擦pi层表面，形成朝向一致且分布均匀的划痕。置入烘箱烘烤10分钟，取出并等离子处理5分钟，使涂覆取向层的内、外曲面透镜硬化。
49.步骤（5）：灌注液晶和封装，利用直写型3d打印机在角膜接触镜边缘打一圈硅橡胶，在硅橡胶完全固化之前，将已真空除泡的液晶用移液管注入凹接触镜中，再将两片镜片沿着划痕相反的方向对准，借助模具挤压封装成一体，在镜片表面做硅水凝胶涂层，并从角膜接触镜的电极引出导线，接入电路形成可控变焦的接触镜组。
50.通过如图4所示的液晶变焦曲面透镜的焦距测量实验平台进行焦距测试，通过施加不同电压，获得如下表2所示的液晶变焦曲面透镜的电压与焦距、屈光度倍数的关系。
51.表2：液晶变焦角膜接触镜测量实验数据表
*液晶角膜接触镜驱动电压最低为1.6 v如上表2所示，本发明提供的液晶变焦曲面透镜变焦范围较广。
52.本发明还公开了一种适用变焦曲面透镜的夹持器3，可与现有的光学镜架、滑轨等兼容。因为上述实施例中的曲面透镜，尤其变焦接触镜，软而轻薄，基于硬质透镜的镜架已不再适用，因此本发明实施例提供了可锁紧软质镜片的镜架，包括镜托31、镜盖32、螺纹孔33、卡齿34、导线孔35等结构，如图5所示。镜托31上表面设置有中空的与曲面透镜轮廓匹配的圆壳状突起，将液晶变焦曲面透镜1固定于镜托31中，以避免损伤透镜，其上开有的螺纹孔33可通过连杆接入滑轨或光学平台。镜托31通过卡齿34与镜盖32连接。镜盖32的底部设有若干导线孔35。液晶变焦曲面透镜1中与电极层连接的导线，穿过镜盖的导线孔35，以保证液晶曲面透镜的电路连通。为保证液晶曲面透镜与夹持器的电学阻隔，本发明实施例通过3d打印技术，制备了树脂材质的夹持器。
53.实施例三本发明进一步揭示了微小工件或远距观测的成像检测系统，为获得良好的出瞳效果，将成像一侧曲面透镜的口径设定为瞳孔大小，可基于实施例二中的变焦角膜接触镜配合工业透镜的方式实现连续缩放的成像功能。成像检测系统实质为可实现望远或放大图像的装置，本发明为获得正立的放大影像，采取了伽利略型望远镜的构筑方案。此方案为人工检测和机器识别工件表面缺陷、远距观测景物的智能化和精准化开拓了途径。
54.在实施例二公开的凹变焦接触镜基础之上，在被观测物一侧固定一面凸透镜，使得两者的焦点大致重合，则图像放大倍数为凸凹透镜焦距之比。凸透镜是按照凹变焦接触镜的初始焦距来选择，焦距值等于两透镜中心的距离加上凹变焦接触镜焦距的绝对值，为方便起见，主要选用该焦距值附近的常规凸透镜。在凹变焦接触镜通电后，其焦距随着电压连续变化，因此成像系统的放大倍数也随之连续改变。两透镜需严格对心放置，两光轴水平且共线，若透镜间距过大，可用两面相对放置的反光镜，通过反射来缩短距离。
55.本实施例应用于液晶变焦曲面透镜的成像检测实验平台，包括按序布置的平行白光41、光阑42、分辨力测试板（1951usaf）43、凸透镜44、液晶变焦曲面透镜1、ccd相机45、数显电源28、滑轨29，如图6所示。由灯管发出的平行白光，先后透过分辨力测试板、凸透镜和液晶变焦曲面透镜1，从而在ccd相机中形成放大的分辨条纹。随电压引起液晶折射改变，透过接触镜的条纹图像也相应改变，从而测算出望远系统的放大倍数。实验平台中的分辨力测试板可相应地更换为待测的工件，并在图像接收端增设图像处理系统，以实现工业化的应用。
56.以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明之权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。