液晶与显示 | 基于聚合物突起的液晶透镜阵列

近年来，可变焦透镜阵列因其结构简单和无需机械移动等特性而成为当前的研究热点。其中，作为代表的电控变焦液晶透镜阵列更是具有很多独特的优势：

（1）轻薄化，无需加工非球面，表面平整并且厚度很薄；

（2）响应快，可通过电压精准和快速地调节焦距大小；

（3）功耗低，液晶透镜阵列的驱动电压一般在5V左右。因此电控变焦液晶透镜阵列在光学信息处理、波前传感器、光通信和2D/3D可切换显示领域有着广泛的应用前景。

近日，北京航空航天大学王琼华教授团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2023年第1期发表了题为“基于聚合物突起的液晶透镜阵列”的研究文章。

该文介绍了一种基于聚合物突起液晶透镜阵列，通过在氧化铟锡（ITO）电极下方镀聚合物突起，增加了液晶透镜阵列折射率分布的梯度性的同时，又增加了液晶透镜阵列中心到边缘的折射率差值，从而减小了液晶透镜阵列的像差和缩短了液晶透镜阵列的焦距。仿真结果表明，通过改变驱动电压，该液晶透镜阵列的焦距可以从无穷大连续调节到1.28 mm。

▍背景

液晶透镜阵列作为基本的光学元件之一，具有焦距可调、轻薄化、响应快、低功耗等优点。经过近些年的发展，液晶微透镜阵列的研究日趋成熟，不同结构和应用于不同场景的液晶微透镜阵列层出不穷。如多电极结构液晶透镜阵列、复合介电层结构的液晶透镜阵列和曲面电极液晶透镜阵列。多电极结构可以通过对像素化电极分别寻址来产生近乎理想的透镜效果，然而对每个电极施加不同的驱动电压，复杂了驱动方式。复合介电层结构的液晶透镜阵列能够实现较短的焦距可调，然而微米级别的曲面介电层结构不容易控制。曲面电极液晶透镜阵列具有良好的抛物线形相位分布，然而曲面电极的制作过程相对复杂。

为了实现性能优良的液晶透镜阵列，该文结合已有的研究基础提出了一种基于聚合物突起的液晶透镜阵列。液晶透镜阵列的下基板ITO电极镀在周期性的聚合物突起上，利用介电层平滑相剖面，上基板平面ITO电极具有恒定的电势。通过这样的设计，在加电情况下，液晶层中的电势从液晶透镜阵列中心到液晶透镜阵列边缘呈线性的变化，由此在液晶层中产生梯度垂直电场，并且得到梯度折射率分布，减小了液晶透镜阵列的像差。仿真结果表明，当驱动电压为2.5Vrms时，该液晶透镜阵列能获得最短的焦距。

▍结构及原理

图1为提出的液晶透镜阵列在电压开态和电压关态下的切面图(y-z)。该液晶透镜阵列由上基板、上ITO电极、液晶层、介电层、下ITO电极、聚合物层和下基板组成。上ITO电极作为接地电极，下ITO电极作为加电电极，下ITO电极镀在聚合物突起上，通过聚合物突起，使加电电极与下基板形成一定的高度差。同时在下基板镀上一层介电层使液晶层平面化，抹平液晶层的相剖面。在所提出的结构中，通电状态下，液晶透镜阵列边缘的电场比液晶透镜阵列中心的电场强，其原因有两个：(1)加电电极与下基板之间存在的高度差有助于降低液晶透镜阵列中心的电场强度；(2)介电层有利于液晶透镜阵列中心到边缘产生线性变化的电势并且平滑液晶透镜的相位分布，如果没有介电层的作用，液晶层的相位剖面将由抛物线形变为方形。此外，相对于孔形电极结构的液晶透镜阵列，所提出的液晶透镜阵列在介电层的作用下不会在液晶层产生光的散射，因为所提出的液晶透镜阵列的电场方向在相同的垂直方向上，并且高介电层有助于降低所提出液晶透镜阵列的驱动电压。

图1：基于聚合物突起液晶透镜阵列结构图

图源：液晶与显示, 2023, 38(1):10-17. Fig.1

如图1所示，液晶透镜阵列的主要参数为：d为液晶层的厚度，w₁为加电电极宽度，w₂为聚合物突起底部的宽度，h₁为聚合物突起的高度，h₂为介电层的高度，R为液晶透镜阵列的有效半径，介电层介电常数为ε，所有电极的厚度都相同。液晶分子指向在电压开态和关态下呈现不同的分布，当没有外加电场的时候，液晶分子平行于上下基板排列，液晶层折射率均匀分布，对光线没有聚焦效果。当给液晶透镜阵列提供驱动电压的时候，对于单个液晶透镜区域，液晶层中的电场从液晶透镜边缘到液晶透镜中心逐渐减小，液晶分子平行于电场方向排列，形成中心对称的梯度分布，从而对入射光线产生聚焦效果。

▍结果与讨论

如图2(a)所示，从液晶透镜边缘到透镜中心的几乎所有液晶分子都有利于非常光线的聚焦行为，当电压为2.5Vrms时，最小折射率为1.58，最大折射率可达1.72以上。液晶层内的最大折射率和最小折射率相差很大，故提出的液晶透镜能够实现较短的焦距可调。为了进一步研究提出的液晶透镜的光聚焦效应，该文绘制了在Von =2.5Vrms下入射线偏振光在液晶透镜中的相位差分布，并与理想的抛物线曲线进行了比较。为了便于理解，将单个液晶透镜中心的相位设为0，图2(b)为液晶透镜的入射线偏振光的相位差分布和理想抛物线分布。入射线偏振光的相位分布与理想抛物线匹配得很好，说明提出的液晶透镜阵列可以实现很好的聚焦效果和成像质量。此外，对于单个液晶透镜，液晶透镜中心与液晶透镜边缘的相位差达到15.64π。该液晶透镜阵列可以实现较短焦距可调。

图2：(a) Von= 2.5Vrms时单个液晶透镜的折射率分布曲线图，(b) Von= 2.5Vrms时单个液晶透镜的相位分布曲线图

图源：液晶与显示, 2023, 38(1):10-17. Fig.7

图3(a)为仿真的不同介电常数下液晶透镜阵列焦距-电压关系图，在Von = 0时，所提出的液晶透镜阵列的固有焦距很长。随着电压的增加，焦距急剧缩短，这是由于焦距f与相位变化成反比。当Von=1Vrms时，不同介电常数下的液晶透镜阵列焦距分别为108mm和68mm，随着电压的进一步升高，由于在高电场下诱导的双折射逐渐饱和，曲线斜率变得平坦，在Von = 2.5Vrms时，提出的液晶透镜阵列焦距最短（∼1.28mm）。由图3(a)可知，在相同电压下，介电常数高的液晶透镜阵列保持更短的焦距，这说明高介电层有助于降低提出液晶透镜阵列的驱动电压。图3(b)为提出的液晶透镜阵列的响应时间图，将液晶透镜阵列置于正交偏振片中，起偏方向为-45°，检偏方向为45°，液晶分子相对取向方向为0°。由图3(b)可知，液晶透镜阵列最短焦距时对应的驱动电压为2.5Vrms，故以2.5Vrms为脉冲电压，计算液晶透镜阵列的聚焦和散焦过程的时间。由图3(b)可知，液晶透镜阵列的聚焦时间约为34ms，散焦时间约为24ms，可以看出，提出的液晶透镜阵列响应时间较快。

图3：(a) 不同介电常数下液晶透镜阵列的焦距随电压变化关系, (b) 液晶透镜阵列的响应时间

图源：液晶与显示, 2023, 38(1):10-17. Fig.9-10

▍结论

该文提出了一种基于聚合物突起的液晶透镜阵列，由于液晶层厚度非常均匀，故该液晶透镜阵列的响应时间非常均匀，并且在聚焦过程中几乎不发生光散射，成像质量较好。当外加电压超过阈值时，液晶分子发生重新定向，液晶透镜阵列的焦距逐渐减小。这种液晶透镜阵列的介电层具有逐层结构、单盒厚、电极平面化和单一驱动等优点，制作起来相对容易。所提出的液晶透镜阵列对于需要小型化自动聚焦方面的应用有很好的前景。

| 论文信息 |

储繁, 王琼华. 基于聚合物突起的液晶透镜阵列[J]. 液晶与显示, 2023, 38(1):10-17.

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

| 通讯作者介绍 |

王琼华，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授/博士生导师、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家重点研发计划项目负责人、国际信息显示学会（SID）和美国光学学会（OPTICA）Fellow、中国物理学会液晶分会副主任、中国图象图形学学会三维成像与显示副主任委员、 Journal of the Society for Information Display等国际期刊Associate Editor和PhotoniX、《液晶与显示》等期刊编委。1992年、1995年和2001年于电子科技大学先后获得学士、硕士和博士学位，1995-2001年在电子科技大学任助教、讲师和副教授，2001-2004年在美国中佛罗里达大学光学中心任Research Scientist，2004-2018年在四川大学任教授和博士生导师。主要研究方向为显示与成像技术，负责完成了国家级科研项目20余项，现为国家重点研发计划项目和国家重大科研仪器研制项目的负责人。研制了裸眼3D显示器、3D摄像机、新型液晶显示器、液晶透镜、可变焦液体透镜和连续光学变焦显微镜等；获得省部级科技奖励数项，获准授权美国专利5件和中国发明专利160余件，出版著作3部，发表了SCI收录论文300余篇。

E-mail: qionghua@buaa.edu.cn

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