近年來，可變焦透鏡陣列因其結(jié)構(gòu)簡單和無需機(jī)械移動等特性而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中，作為代表的電控變焦液晶透鏡陣列更是具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢：

（1）輕薄化，無需加工非球面，表面平整并且厚度很??；

（2）響應(yīng)快，可通過電壓精準(zhǔn)和快速地調(diào)節(jié)焦距大小；

（3）功耗低，液晶透鏡陣列的驅(qū)動電壓一般在5V左右。因此電控變焦液晶透鏡陣列在光學(xué)信息處理、波前傳感器、光通信和2D/3D可切換顯示領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

近日，北京航空航天大學(xué)王瓊?cè)A教授團(tuán)隊(duì)在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄，中文核心期刊）2023年第1期發(fā)表了題為“基于聚合物突起的液晶透鏡陣列”的研究文章。

該文介紹了一種基于聚合物突起液晶透鏡陣列，通過在氧化銦錫（ITO）電極下方鍍聚合物突起，增加了液晶透鏡陣列折射率分布的梯度性的同時，又增加了液晶透鏡陣列中心到邊緣的折射率差值，從而減小了液晶透鏡陣列的像差和縮短了液晶透鏡陣列的焦距。仿真結(jié)果表明，通過改變驅(qū)動電壓，該液晶透鏡陣列的焦距可以從無窮大連續(xù)調(diào)節(jié)到1.28 mm。

▍背景

液晶透鏡陣列作為基本的光學(xué)元件之一，具有焦距可調(diào)、輕薄化、響應(yīng)快、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過近些年的發(fā)展，液晶微透鏡陣列的研究日趨成熟，不同結(jié)構(gòu)和應(yīng)用于不同場景的液晶微透鏡陣列層出不窮。如多電極結(jié)構(gòu)液晶透鏡陣列、復(fù)合介電層結(jié)構(gòu)的液晶透鏡陣列和曲面電極液晶透鏡陣列。多電極結(jié)構(gòu)可以通過對像素化電極分別尋址來產(chǎn)生近乎理想的透鏡效果，然而對每個電極施加不同的驅(qū)動電壓，復(fù)雜了驅(qū)動方式。復(fù)合介電層結(jié)構(gòu)的液晶透鏡陣列能夠?qū)崿F(xiàn)較短的焦距可調(diào)，然而微米級別的曲面介電層結(jié)構(gòu)不容易控制。曲面電極液晶透鏡陣列具有良好的拋物線形相位分布，然而曲面電極的制作過程相對復(fù)雜。

為了實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的液晶透鏡陣列，該文結(jié)合已有的研究基礎(chǔ)提出了一種基于聚合物突起的液晶透鏡陣列。液晶透鏡陣列的下基板ITO電極鍍在周期性的聚合物突起上，利用介電層平滑相剖面，上基板平面ITO電極具有恒定的電勢。通過這樣的設(shè)計，在加電情況下，液晶層中的電勢從液晶透鏡陣列中心到液晶透鏡陣列邊緣呈線性的變化，由此在液晶層中產(chǎn)生梯度垂直電場，并且得到梯度折射率分布，減小了液晶透鏡陣列的像差。仿真結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動電壓為2.5Vrms時，該液晶透鏡陣列能獲得最短的焦距。

▍結(jié)構(gòu)及原理

圖1為提出的液晶透鏡陣列在電壓開態(tài)和電壓關(guān)態(tài)下的切面圖(y-z)。該液晶透鏡陣列由上基板、上ITO電極、液晶層、介電層、下ITO電極、聚合物層和下基板組成。上ITO電極作為接地電極，下ITO電極作為加電電極，下ITO電極鍍在聚合物突起上，通過聚合物突起，使加電電極與下基板形成一定的高度差。同時在下基板鍍上一層介電層使液晶層平面化，抹平液晶層的相剖面。在所提出的結(jié)構(gòu)中，通電狀態(tài)下，液晶透鏡陣列邊緣的電場比液晶透鏡陣列中心的電場強(qiáng)，其原因有兩個：(1)加電電極與下基板之間存在的高度差有助于降低液晶透鏡陣列中心的電場強(qiáng)度；(2)介電層有利于液晶透鏡陣列中心到邊緣產(chǎn)生線性變化的電勢并且平滑液晶透鏡的相位分布，如果沒有介電層的作用，液晶層的相位剖面將由拋物線形變?yōu)榉叫?。此外，相對于孔形電極結(jié)構(gòu)的液晶透鏡陣列，所提出的液晶透鏡陣列在介電層的作用下不會在液晶層產(chǎn)生光的散射，因?yàn)樗岢龅囊壕哥R陣列的電場方向在相同的垂直方向上，并且高介電層有助于降低所提出液晶透鏡陣列的驅(qū)動電壓。

圖1：基于聚合物突起液晶透鏡陣列結(jié)構(gòu)圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):10-17. Fig.1

如圖1所示，液晶透鏡陣列的主要參數(shù)為：d為液晶層的厚度，w?為加電電極寬度，w?為聚合物突起底部的寬度，h?為聚合物突起的高度，h?為介電層的高度，R為液晶透鏡陣列的有效半徑，介電層介電常數(shù)為ε，所有電極的厚度都相同。液晶分子指向在電壓開態(tài)和關(guān)態(tài)下呈現(xiàn)不同的分布，當(dāng)沒有外加電場的時候，液晶分子平行于上下基板排列，液晶層折射率均勻分布，對光線沒有聚焦效果。當(dāng)給液晶透鏡陣列提供驅(qū)動電壓的時候，對于單個液晶透鏡區(qū)域，液晶層中的電場從液晶透鏡邊緣到液晶透鏡中心逐漸減小，液晶分子平行于電場方向排列，形成中心對稱的梯度分布，從而對入射光線產(chǎn)生聚焦效果。

▍結(jié)果與討論

如圖2(a)所示，從液晶透鏡邊緣到透鏡中心的幾乎所有液晶分子都有利于非常光線的聚焦行為，當(dāng)電壓為2.5Vrms時，最小折射率為1.58，最大折射率可達(dá)1.72以上。液晶層內(nèi)的最大折射率和最小折射率相差很大，故提出的液晶透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)較短的焦距可調(diào)。為了進(jìn)一步研究提出的液晶透鏡的光聚焦效應(yīng)，該文繪制了在Von =2.5Vrms下入射線偏振光在液晶透鏡中的相位差分布，并與理想的拋物線曲線進(jìn)行了比較。為了便于理解，將單個液晶透鏡中心的相位設(shè)為0，圖2(b)為液晶透鏡的入射線偏振光的相位差分布和理想拋物線分布。入射線偏振光的相位分布與理想拋物線匹配得很好，說明提出的液晶透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)很好的聚焦效果和成像質(zhì)量。此外，對于單個液晶透鏡，液晶透鏡中心與液晶透鏡邊緣的相位差達(dá)到15.64π。該液晶透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)較短焦距可調(diào)。

圖2：(a)  Von= 2.5Vrms時單個液晶透鏡的折射率分布曲線圖，(b)  Von= 2.5Vrms時單個液晶透鏡的相位分布曲線圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):10-17. Fig.7

圖3(a)為仿真的不同介電常數(shù)下液晶透鏡陣列焦距-電壓關(guān)系圖，在Von = 0時，所提出的液晶透鏡陣列的固有焦距很長。隨著電壓的增加，焦距急劇縮短，這是由于焦距f與相位變化成反比。當(dāng)Von=1Vrms時，不同介電常數(shù)下的液晶透鏡陣列焦距分別為108mm和68mm，隨著電壓的進(jìn)一步升高，由于在高電場下誘導(dǎo)的雙折射逐漸飽和，曲線斜率變得平坦，在Von = 2.5Vrms時，提出的液晶透鏡陣列焦距最短（～1.28mm）。由圖3(a)可知，在相同電壓下，介電常數(shù)高的液晶透鏡陣列保持更短的焦距，這說明高介電層有助于降低提出液晶透鏡陣列的驅(qū)動電壓。圖3(b)為提出的液晶透鏡陣列的響應(yīng)時間圖，將液晶透鏡陣列置于正交偏振片中，起偏方向?yàn)?45°，檢偏方向?yàn)?5°，液晶分子相對取向方向?yàn)?°。由圖3(b)可知，液晶透鏡陣列最短焦距時對應(yīng)的驅(qū)動電壓為2.5Vrms，故以2.5Vrms為脈沖電壓，計算液晶透鏡陣列的聚焦和散焦過程的時間。由圖3(b)可知，液晶透鏡陣列的聚焦時間約為34ms，散焦時間約為24ms，可以看出，提出的液晶透鏡陣列響應(yīng)時間較快。

圖3：(a) 不同介電常數(shù)下液晶透鏡陣列的焦距隨電壓變化關(guān)系, (b) 液晶透鏡陣列的響應(yīng)時間
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(1):10-17. Fig.9-10

▍結(jié)論

該文提出了一種基于聚合物突起的液晶透鏡陣列，由于液晶層厚度非常均勻，故該液晶透鏡陣列的響應(yīng)時間非常均勻，并且在聚焦過程中幾乎不發(fā)生光散射，成像質(zhì)量較好。當(dāng)外加電壓超過閾值時，液晶分子發(fā)生重新定向，液晶透鏡陣列的焦距逐漸減小。這種液晶透鏡陣列的介電層具有逐層結(jié)構(gòu)、單盒厚、電極平面化和單一驅(qū)動等優(yōu)點(diǎn)，制作起來相對容易。所提出的液晶透鏡陣列對于需要小型化自動聚焦方面的應(yīng)用有很好的前景。

| 論文信息 |

儲繁, 王瓊?cè)A. 基于聚合物突起的液晶透鏡陣列[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(1):10-17.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0065

| 通訊作者介紹 |

王瓊?cè)A，北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師、教育部長江學(xué)者特聘教授、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、國際信息顯示學(xué)會（SID）和美國光學(xué)學(xué)會（OPTICA）Fellow、中國物理學(xué)會液晶分會副主任、中國圖象圖形學(xué)學(xué)會三維成像與顯示副主任委員、  Journal of the Society for Information Display等國際期刊Associate Editor和 PhotoniX、《液晶與顯示》等期刊編委。1992年、1995年和2001年于電子科技大學(xué)先后獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，1995-2001年在電子科技大學(xué)任助教、講師和副教授，2001-2004年在美國中佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)中心任Research Scientist，2004-2018年在四川大學(xué)任教授和博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)轱@示與成像技術(shù)，負(fù)責(zé)完成了國家級科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，現(xiàn)為國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目和國家重大科研儀器研制項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。研制了裸眼3D顯示器、3D攝像機(jī)、新型液晶顯示器、液晶透鏡、可變焦液體透鏡和連續(xù)光學(xué)變焦顯微鏡等；獲得省部級科技獎勵數(shù)項(xiàng)，獲準(zhǔn)授權(quán)美國專利5件和中國發(fā)明專利160余件，出版著作3部，發(fā)表了SCI收錄論文300余篇。
E-mail: qionghua@buaa.edu.cn

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