LensVector可调式液晶透镜.docx

1、LensVector可调式液晶透镜LensVector可调式液晶透镜 LensVector 可调式液晶透镜Tigran Galstian, Peter Clark, Suresh Venkatraman / LensVector摘要 介绍液晶的一般特性。说明为何液晶适合并如何以它来制作可调式透镜，阐述可调式透镜的光电特性、光学功率（它是透镜厚度与通光口径宽度的函数）及运作原理。介绍偏振独立透镜的做法及LensVector 自动对焦液晶透镜（LVAF）的重要特性。 1. 液晶简介 向列型液晶（NLC）是由瘦长形或碟形的分子所构成的液体（图1）。通常那些分子能像液体般的移动，但它们的轴都指向同一个

2、固定方向（称为“指向”），也就是向列型液晶的局部光轴。这种现象使得这种液体在光学上具有水晶般的异向性或双折射性（即方向性依赖），所以它们才被称为液晶参考文献1。 图1：一般的液晶结构（左）与示意形状（右） 当任意偏振的光（例如阳光）进入像NLC这种会双折射的材质时，我们可以把光的传输过程分为快线性偏振分量（称为“平常光”）与慢线性偏振分量（称为“异常光”）。 举例说明，假设光是穿过厚度为L、分子位于x-z平面上的NLC（指向与x轴平行），如图2所示。 图2：液晶的排列与双折射性 在图2中，光是从左到右，沿着z轴行进。入射光没有偏振，或者更准确地说，它是被线性偏振、并具有不可预期的随机经度。这种

3、随机经度等于NLC的x轴和y轴上两个直角偏振振幅分量的向量和（参见图3）。我们把它们定义为入射光的垂直与水平偏振分量，并独立于NLC分子的方位之外。 图3：入射光的任意偏振角可分解为水平与垂直偏振分量 由于NLC会双折射，因此光的垂直与水平偏振分量是以不同的相位速度行进。如图2所显示的NLC来说，垂直偏振分量（为异常光，因为它在指向的平面上）所呈现的是最大可能折射率nII（一般为 1.7），水平偏振分量（为平常光，因为它跟指向的平面成直角）所呈现的则是最小折射率n（一般为 1.5） 参考文献2。两个折射率的差异显现了材质的双折射性（n = nII n，一般为 0.2）。就任意动向的分子而言，平

4、常光与异常光的相位延迟为： 公式（1） 其中是光在真空环境中的波长，neff是ne和no（异常光和平常光的折射率）的实际差异，L是材质的厚度。 为了清楚呈现NLC分子相对于纸张平面的动向， 我们把它画成2D图表呈现，并以红色（圆点）来显示跟纸张平面成直角旋转的分子，以蓝色（椭圆）来显示跟纸张平面成平行旋转的分子。如图4所示。 图4：NLC分子的2D示意图 除了动向不同外，图4中所显示的分子在其他方面都一样。 2.可调式液晶透镜的运作原理 如图5所示，一般显示器的液晶板是由夹在两个透明导电层（电极）之间的NLC分子所组成，而导电层通常是由沉积在玻璃基板上的铟锡氧化物（ITO）所制成。透明导电层上

5、涂有指向涂料（通常是通过磨刷处理过的聚酰亚胺），以提供NLC分子“断电”时的初始位置及角度。如图5所显示的液晶板来说，NLC的分子是跟纸张的平面平行，指向则是朝向纸张的上方。 图5：一般NLC液晶板的示意图 对透明电极提供电力信号（电压），NLC层内就会形成电场。对介电异向性为正的NIC，电场就会引动它的电偶极，使NLC的指向转为跟电场一致。如图6所示。图6：NLC的分子在具电场环境时的旋转范例 电场的强度决定了分子的旋转角度，同时也决定了旋转时在同一平面上偏振的光线折射率。图7显示了光线从左行进到右，水平（H）偏振跟纸张成直角，垂直（V）偏振则跟纸张的平面平行。当NLC的分子跟纸张的平面成平

6、行旋转时，异常光（ne）所呈现的折射率会从最大值nII（不发出信号，指向是朝向纸张上方）变成最小值n（发出强烈信号，指向是朝向纸张右方）。而在三种情况下，平常光（no）所呈现的折射率则都是n。 图7：NLC的分子跟纸张的平面成平行旋转，并影响到垂直偏振的光线 图7中，垂直偏振光（为异常光，因为它在指向的平面上）的折射率改变了，水平偏振光则不变。若是把第二个类似的液晶板加到第一个（但不管怎样，它的光轴相对于第一个液晶板的轴都是转成90角），水平偏振光也会受影响。因此，试想一种情况是，一模一样的NLC分子现在的动向是跟纸张的平面成直角，如图8所示。此时原有水平偏振光（现在是异常光）的折射率就改变了

7、，垂直偏振光则不变。注意图7和图8都是液晶板的异常折射率改变，但平常折射率不变。 图8：NLC的分子转为跟纸张平面成，并影响到水平偏振光 在平常NLC 液晶板的例子中，例如图5所显示的情况，整个液晶板内的NLC分子旋转是一致的，它表现得像个均匀的玻璃平面，除了折射率改变以外，不会对焦。请参照图9。 图9：液晶板的分子统一旋转，无法产生对焦作用 LensVector在透明的ITO电极之间采用了专利的控制机制HiddenLayer，而得以靠电力的变化来对焦光线。HiddenLayer包含了两种商用材料Mat1和Mat2，它们的光学特性相同（折射率n），但电气特性不同（介电质）。请参照图10。 图1

8、0： NLC分子结合HiddenLayer控制机制 对透明电极发出电力信号，Mat1和Mat2不同的介电质就会使电场强度随着空间坐标而变化（从液晶板的中心到周边）。NLC的分子会依照局部电场的强度比例来旋转，并在NLC的分子内形成梯度式折射率。请参照图11。 图11：HiddenLayer形成梯度式折射率n（r） 因此，对结合HiddenLayer（下文以“可调式透镜组件”表示）的NLC分子发出信号时，NLC分子就会表现得像个梯度式折射率透镜（GRIN）。GRIN透镜的光学功率（OP，即焦距公尺数的逆数）在定义上是指透镜所能聚光的程度，它是透镜中心与周边折射率差的函数。 公式（2） 其中OP是

9、以屈光度来表示，L和A则是以公尺来表示。A是通光口径的直径，L是NLC层的厚度，nLC= nec - nep是中心（nec）和周边（nep）异常光（透镜的中心与周边）穿越时的实际折射率差。nLC的最大值则受限于NLC层的双折射性（n），参见公式1。电力信号的强度不同会改变可调式透镜组件内的折射率梯度，因而形成不同的光学功率与可调式透镜。请参照图12。下图（图12-a）显示的是NLC的分子在可调式透镜组件断电（即未发出信号）时的动向，这时NLC分子的动向是取决于指向涂料。在通电时，可调式透镜组件会受到驱动，并使所有的NLC分子完全旋转，所以还是不会有光学功率（图12-c）。此时可微调驱动信号，以

10、便使电场强度产生所需的折射率梯度，以及连带所需要的光学功率（图12-b）。 调整电力信号的频率也可以改变NLC分子的排列（进而改变透镜的折射率与对应的光学功率）。上述讨论的着眼点在于驱动频率，而（HiddenLayer）两种材料的介电质则相去甚远2 1。但要是驱动频率选择得宜，那这些介电质就会变得相等（2 = 1）。这会造成NLC的分子统一排列，进而降低透镜的光学功率。因此，我们只要调整电力信号的频率，就能改变透镜的光学功率。 图12：液晶板出现非统一的分子旋转，并形成不同的光学功率 3.打造偏振独立的液晶透镜 单一可调式透镜元件只对一个偏振分量的光产生对焦，而对直角（直角光）的偏振分量不产生

11、光学作用。请参照图13。下图中的蓝色分子代表，可调式透镜元件的NLC分子跟纸张平面成平行旋转。图7中曾讨论过，这些分子只会影响到垂直偏振光。下图中的红色分子代表，可调式透镜元件的NLC分子跟纸张平面成直角旋转。图8中曾讨论过，这些分子只会影响到水平偏振光。 图13：一个可调式组件只锁定光的一个偏振分量 因此，LensVector自动对焦液晶透镜（LVAF）是由两个彼此相连、直角动向的可调式透镜所组成。请参照图14。当LVAF发出信号，两个NLC液晶板里就会产生相同的电场分布，并形成相同的折射率梯度。如此一来，两个可调式透镜组件就会以同步的方式对两个直角偏振分量产生作用，并使可调式透镜得以对焦，

12、而不受入射光的偏振的影响。 图14：LVAF是由两个直角动向的液晶板所组成。右侧显示的是同样的光学模型 由于跟透镜的焦距比起来，LVAF的两个可调式透镜组件隔得很近，因此垂直与水平偏振图像等于是重叠在一起。LVAF对于图像质量几乎无影响。图15显示了由LVAF驱动的照相模块所拍摄的近景和远景聚焦图像，它所采用的是1/5”光学格式；300万像素传感器，以及由三片塑胶镜片组成的F/2.8定焦镜头。 图15：使用LVAF 1/5” 照相模块300万像素所拍摄的图像 4.可调式液晶透镜的重要特性 图16所显示的是LVAF的可调式液晶透镜示意图，以及它的一些主要特性。 图16：LVAF的主要属性 光圈环

13、是可以让光穿过透镜的开口。通光口径是LVAF的可用光学面积，比光圈环的直径小一点，是用来防止受到边缘的影响。LVAF有四个电接点，驱动信号就是由此传送的。 LVAF的大小为4.5 x 4.5 x 0.5 mm，重22 mg，LVAF能让小到4.5 x 4.5 mm的照相模块产生从无限远到10 cm的焦距。值得注意的是，现有量产的最小机械式自动对焦模块是8.5 x 8.5 mm，而且它使用音圈马达（VCM）来移动相当于LVAF厚度的镜身距离，来达到从无限远到10 cm的对焦。因此，要是把LVAF装在传统自动对焦模块内的现有定焦镜头上，并不会增加模块的Z维厚度，但却能大幅降低X-Y维的大小。事实上

14、，音圈马达对于X-Y维的长宽要求很高，因为它必须提供足够的空间来容纳线圈和磁铁来有效的移动镜头。若在外部X-Y维与音圈马达（VCM）相同的情况下，采用LVAF的模块就能使用进光孔径较大的透头。请参照图17。因此，由LVAF驱动的自动对焦模块在低光度时的效果会比传统由音圈马达驱动的自动对焦模块要好。 图17：在X-Y维固定的情况下，LVAF可以采用口径较大的透镜 最后，由于LVAF可以装在镜头内的任何地方，所以镜头可以设计得比较薄（而有别于传统的机械式自动对焦镜头设计）。 以公式2来说，当两个LVAF的厚度相同时，通光口径较小的LVAF会产生比较大的光学功率。同样地，当两个LVAF的通光口径相同

15、时，NLC液晶板较厚的LVAF会产生比较大的光学功率。光学功率、通光口径和透镜厚度的关系如下： 公式（3） 当液晶板的厚度缩小时，NLC的分子回转（松弛）得比较快。因此，当LVAF的自动对焦（AF）比较薄的时候，它聚光的速度就比较快。比较薄的LVAF也具有较好的传输率（光线穿过LVAF的百分比）。对焦速度、透光率和厚度的关系如下参考文献3：公式（4）公式（5） 事实上，要注意的重点是，NLC分子重新定向和松弛的速度并不相同。这就是为什么采用标准的自动对焦搜寻算法，虽然能提供不错的对焦时间，但我们还是强力推荐使用LensVector所开发并取得专利的自动对焦算法，因为它适用于NLC透镜，在对焦时

16、间上也快得多。 参考文献 1. P.G. de Gennes and J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, （Oxford University Press, 1995）, 2nd Edition. 2. L. M. Blinov and V. G. Chigrinov, Electrooptic effects in Liquid Crystal Materials, （Springer-Verlag, N.Y., 1994）, pp. 459. 3. K. Asatryan, V. Presnyakov, A. Tork, A. Zohrabyan, A. Bagramyan, T. Galstian, ”Optical lens with electrically variable focus using an optically hidden dielectric structure,” Optics Express, Vol. 18, Issue 13, pp. 13981-13992 （2010）.