近年來，可變焦透鏡陣列因其結構簡單和無需機械移動等特性而成為當前的研究熱點。其中，作為代表的電控變焦液晶透鏡陣列更是具有很多獨特的優勢：

（1）輕薄化，無需加工非球面，表面平整并且厚度很薄；

（2）響應快，可通過電壓精準和快速地調節焦距大小；

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

近日，北京航空航天大學王瓊華教授團隊在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄，中文核心期刊）2023年第1期發表了題為“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。仿真結果表明，通過改變驅動電壓，該液晶透鏡陣列的焦距可以從無窮大連續調節到1.28 mm。

▍背景

液晶透鏡陣列作為基本的光學元件之一，具有焦距可調、輕薄化、響應快、低功耗等優點。經過近些年的發展，液晶微透鏡陣列的研究日趨成熟，不同結構和應用于不同場景的液晶微透鏡陣列層出不窮。如多電極結構液晶透鏡陣列、復合介電層結構的液晶透鏡陣列和曲面電極液晶透鏡陣列。多電極結構可以通過對像素化電極分別尋址來產生近乎理想的透鏡效果，然而對每個電極施加不同的驅動電壓，復雜了驅動方式。復合介電層結構的液晶透鏡陣列能夠實現較短的焦距可調，然而微米級別的曲面介電層結構不容易控制。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雜。

為了實現性能優良的液晶透鏡陣列，該文結合已有的研究基礎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。仿真結果表明，當驅動電壓為2.5Vrms時，該液晶透鏡陣列能獲得最短的焦距。

▍結構及原理

圖1為提出的液晶透鏡陣列在電壓開態和電壓關態下的切面圖(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。在所提出的結構中，通電狀態下，液晶透鏡陣列邊緣的電場比液晶透鏡陣列中心的電場強，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度；(2)介電層有利于液晶透鏡陣列中心到邊緣產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為方形。此外，相對于孔形電極結構的液晶透鏡陣列，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生光的散射，因為所提出的液晶透鏡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動電壓。

圖1：基于聚合物突起液晶透鏡陣列結構圖
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，介電層介電常數為ε，所有電極的厚度都相同。液晶分子指向在電壓開態和關態下呈現不同的分布，當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。當給液晶透鏡陣列提供驅動電壓的時候，對于單個液晶透鏡區域，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，從而對入射光線產生聚焦效果。

▍結果與討論

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，當電壓為2.5Vrms時，最小折射率為1.58，最大折射率可達1.72以上。液晶層內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實現較短的焦距可調。為了進一步研究提出的液晶透鏡的光聚焦效應，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行了比較。為了便于理解，將單個液晶透鏡中心的相位設為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現很好的聚焦效果和成像質量。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到15.64π。該液晶透鏡陣列可以實現較短焦距可調。

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下液晶透鏡陣列焦距-電壓關系圖，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Von=1Vrms時，不同介電常數下的液晶透鏡陣列焦距分別為108mm和68mm，隨著電壓的進一步升高，由于在高電場下誘導的雙折射逐漸飽和，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動電壓。圖3(b)為提出的液晶透鏡陣列的響應時間圖，將液晶透鏡陣列置于正交偏振片中，起偏方向為-45°，檢偏方向為45°，液晶分子相對取向方向為0°。由圖3(b)可知，液晶透鏡陣列最短焦距時對應的驅動電壓為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時間較快。

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

▍結論

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時間非常均勻，并且在聚焦過程中幾乎不發生光散射，成像質量較好。當外加電壓超過閾值時，液晶分子發生重新定向，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構、單盒厚、電極平面化和單一驅動等優點，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用有很好的前景。

| 論文信息 |

儲繁, 王瓊華. 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 |

王瓊華，北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教授/博士生導師、教育部長江學者特聘教授、國家杰出青年科學基金獲得者、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家重點研發計劃項目負責人、國際信息顯示學會（SID）和美國光學學會（OPTICA）Fellow、中國物理學會液晶分會副主任、中國圖象圖形學學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年于電子科技大學先后獲得學士、碩士和博士學位，1995-2001年在電子科技大學任助教、講師和副教授，2001-2004年在美國中佛羅里達大學光學中心任Research Scientist，2004-2018年在四川大學任教授和博士生導師。主要研究方向為顯示與成像技術，負責完成了國家級科研項目20余項，現為國家重點研發計劃項目和國家重大科研儀器研制項目的負責人。研制了裸眼3D顯示器、3D攝像機、新型液晶顯示器、液晶透鏡、可變焦液體透鏡和連續光學變焦顯微鏡等；獲得省部級科技獎勵數項，獲準授權美國專利5件和中國發明專利160余件，出版著作3部，發表了SCI收錄論文300余篇。
E-mail: qionghua@buaa.edu.cn

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