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短焦距液晶透镜阵列：推动便携显示发展

2021-04-07 12:39

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创长光所Light中心中国光学收录于话题#液晶与显示5个

手机和平板等便携显示设备已经成为人类生活不可缺少的一部分，人们渴望在观看这些显示屏时拥有身临3D场景的感觉，但同时显示高清文字等2D信息，因此2D/3D可切换显示设备是十分必要的。头戴AR显示作为一种实用化显示设备，也要求元件轻薄和易于集成。液晶透镜阵列具有轻薄、功耗低、易于驱动的特性，是应用于这些便携显示设备的不二之选。

艺术效果图：头戴AR显示

何为液晶透镜？它是通过外加电场或折射率匹配方式在液晶层中产生梯度的折射率分布，从而达到透镜效果的光学元件，其焦距可以电控。

由于应用于便携显示设备，因此液晶透镜阵列的焦距必须短，与显示屏集成后轻薄，易携带，并且要实现大视角范围内的3D观看体验，要求液晶透镜的节距大，覆盖像素点多。制作聚合物型液晶透镜阵列需要设计具有一定曲率的模具，且需要液晶材料的折射率与曲面基底的折射率匹配，制作费用昂贵，精度要求较高。对于外加电场型液晶透镜，液晶透镜的短焦距与大节距间的制约问题尚未解决。

外加电场型液晶透镜

图源：液晶与显示, 2020, 35(7): 749-761. Fig1

聚合物型液晶透镜

图源：Optics Express, 2020, 28(2): 1621-1630. Fig4

近日，来自北京航空航天大学的王琼华教授和她指导的四川大学博士生李睿提出了采用大Δn液晶材料来制作短焦距的液晶透镜阵列。仿真结果表明，该液晶透镜阵列的相位分布曲线与理想抛物线匹配较好，最小焦距约为1.72mm，完全满足便携显示设备的要求。该研究成果以“基于大Δn液晶材料的短焦距透镜阵列”为题发表于《液晶与显示》2021年第4期，并被选为封面文章。

《液晶与显示》2021年第4期封面

该文所提出的液晶透镜阵列结构如图1所示。上基板由涂覆有平面ITO电极的透明玻璃基板与取向层组成，并沿着x方向取向。下基板由取向层、ITO驱动电极、介电层、ITO接地电极以及玻璃基板组成。

液晶材料的双折射Δn=0.395，位于上基板与下基板之间。单个透镜的节距为400μm。

图1 液晶透镜阵列的结构与原理图

图源：液晶与显示, 2021,36(4):509-515. Fig.1

对于大节距液晶透镜，采用大∆n液晶材料可以累积足够的光程差。ITO接地电极的设计，使梯度电场延伸到透镜中心，从而在低驱动电压下达到理想的梯度折射率分布，降低其功耗。此外，将ITO驱动电极制作于介电层之上，使边缘的垂直电场直接作用于液晶层，由于未被介电层分压，起到再次降低驱动电压的作用。

当偏振方向平行于x方向的线偏振光垂直入射到未施加电压的液晶透镜时，由于液晶分子沿取向方向排列，不发生双折射，此时液晶透镜阵列类似于透明玻璃板。当在ITO驱动电极上施加电压时，液晶分子沿着电场线偏转，由于边缘的电场强度大于中心的电场强度，液晶分子的偏转角从边缘到中心依次减小，并且由于中心ITO接地电极的存在，使其中心位置为零电势，液晶分子不发生偏转，而ITO接地电极边缘存在弱电场，从而在液晶层内产生梯度的折射率分布，此时液晶透镜处于聚焦状态。

当施加0-4V电压时，液晶分子几乎不发生偏转，液晶层内各个位置的折射率不变。随着施加在ITO驱动电极上的电压逐渐增加，液晶层的折射率分布曲线如图2所示。当驱动电压从4.5V逐渐增加到6V时，液晶层内的折射率分布曲线逐渐由“框形”变为抛物线形，并且在施加电压为6V时，可以得到较好的抛物线形折射率分布曲线。

图2 不同电压下液晶透镜的折射率分布曲线图

图源：液晶与显示, 2021,36(4):509-515. Fig.2

图3为当液晶透镜阵列的驱动电压为6V时，液晶层内液晶分子排布的截面图。液晶分子沿着电场线方向排布，由于ITO驱动电极位于单个液晶透镜的边缘，产生较强的纵向电场，因此，边缘的液晶分子几乎垂直于基板排列。而透镜中心由于ITO接地电极的存在，使得透镜边缘到中心的电场强度为梯度增大。随着电场强度从中心到边缘逐渐增强，液晶分子与基板的夹角逐渐增大，从而使液晶层内产生梯度的折射率分布。