LensVector可調(diào)式液晶透鏡

1、LensVector可調(diào)式液晶透鏡 LensVector 可調(diào)式液晶透鏡Tigran Galstian, Peter Clark, Suresh Venkatraman / LensVector摘要 介紹液晶的一般特性。說明為何液晶適合并如何以它來制作可調(diào)式透鏡，闡述可調(diào)式透鏡的光電特性、光學(xué)功率（它是透鏡厚度與通光口徑寬度的函數(shù)）及運(yùn)作原理。介紹偏振獨(dú)立透鏡的做法及LensVector 自動(dòng)對(duì)焦液晶透鏡（LVAF）的重要特性。 1. 液晶簡(jiǎn)介 向列型液晶（NLC）是由瘦長形或碟形的分子所構(gòu)成的液體（圖1）。通常那些分子能像液體般的移動(dòng)，但它們的軸都指向同一個(gè)固定方向（稱為“指向”），也就是向

2、列型液晶的局部光軸。這種現(xiàn)象使得這種液體在光學(xué)上具有水晶般的異向性或雙折射性（即方向性依賴），所以它們才被稱為液晶參考文獻(xiàn)1。 圖1：一般的液晶結(jié)構(gòu)（左）與示意形狀（右） 當(dāng)任意偏振的光（例如陽光）進(jìn)入像NLC這種會(huì)雙折射的材質(zhì)時(shí)，我們可以把光的傳輸過程分為快線性偏振分量（稱為“平常光”）與慢線性偏振分量（稱為“異常光”）。 舉例說明，假設(shè)光是穿過厚度為L、分子位于x-z平面上的NLC（指向與x軸平行），如圖2所示。 圖2：液晶的排列與雙折射性 在圖2中，光是從左到右，沿著z軸行進(jìn)。入射光沒有偏振，或者更準(zhǔn)確地說，它是被線性偏振、并具有不可預(yù)期的隨機(jī)經(jīng)度。這種隨機(jī)經(jīng)度等于NLC的x軸和y軸上兩

3、個(gè)直角偏振振幅分量的向量和（參見圖3）。我們把它們定義為入射光的垂直與水平偏振分量，并獨(dú)立于NLC分子的方位之外。 圖3：入射光的任意偏振角可分解為水平與垂直偏振分量 由于NLC會(huì)雙折射，因此光的垂直與水平偏振分量是以不同的相位速度行進(jìn)。如圖2所顯示的NLC來說，垂直偏振分量（為異常光，因?yàn)樗谥赶虻钠矫嫔希┧尸F(xiàn)的是最大可能折射率nII（一般為 1.7），水平偏振分量（為平常光，因?yàn)樗赶虻钠矫娉芍苯牵┧尸F(xiàn)的則是最小折射率n（一般為 1.5） 參考文獻(xiàn)2。兩個(gè)折射率的差異顯現(xiàn)了材質(zhì)的雙折射性（n = nII n，一般為 0.2）。就任意動(dòng)向的分子而言，平常光與異常光的相位延遲為： 公式（

4、1） 其中是光在真空環(huán)境中的波長，neff是ne和no（異常光和平常光的折射率）的實(shí)際差異，L是材質(zhì)的厚度。 為了清楚呈現(xiàn)NLC分子相對(duì)于紙張平面的動(dòng)向， 我們把它畫成2D圖表呈現(xiàn)，并以紅色（圓點(diǎn)）來顯示跟紙張平面成直角旋轉(zhuǎn)的分子，以藍(lán)色（橢圓）來顯示跟紙張平面成平行旋轉(zhuǎn)的分子。如圖4所示。 圖4：NLC分子的2D示意圖 除了動(dòng)向不同外，圖4中所顯示的分子在其他方面都一樣。 2.可調(diào)式液晶透鏡的運(yùn)作原理 如圖5所示，一般顯示器的液晶板是由夾在兩個(gè)透明導(dǎo)電層（電極）之間的NLC分子所組成，而導(dǎo)電層通常是由沉積在玻璃基板上的銦錫氧化物（ITO）所制成。透明導(dǎo)電層上涂有指向涂料（通常是通過磨刷處理過

5、的聚酰亞胺），以提供NLC分子“斷電”時(shí)的初始位置及角度。如圖5所顯示的液晶板來說，NLC的分子是跟紙張的平面平行，指向則是朝向紙張的上方。 圖5：一般NLC液晶板的示意圖 對(duì)透明電極提供電力信號(hào)（電壓），NLC層內(nèi)就會(huì)形成電場(chǎng)。對(duì)介電異向性為正的NIC，電場(chǎng)就會(huì)引動(dòng)它的電偶極，使NLC的指向轉(zhuǎn)為跟電場(chǎng)一致。如圖6所示。圖6：NLC的分子在具電場(chǎng)環(huán)境時(shí)的旋轉(zhuǎn)范例 電場(chǎng)的強(qiáng)度決定了分子的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)也決定了旋轉(zhuǎn)時(shí)在同一平面上偏振的光線折射率。圖7顯示了光線從左行進(jìn)到右，水平（H）偏振跟紙張成直角，垂直（V）偏振則跟紙張的平面平行。當(dāng)NLC的分子跟紙張的平面成平行旋轉(zhuǎn)時(shí)，異常光（ne）所呈現(xiàn)的折

6、射率會(huì)從最大值nII（不發(fā)出信號(hào)，指向是朝向紙張上方）變成最小值n（發(fā)出強(qiáng)烈信號(hào)，指向是朝向紙張右方）。而在三種情況下，平常光（no）所呈現(xiàn)的折射率則都是n。 圖7：NLC的分子跟紙張的平面成平行旋轉(zhuǎn)，并影響到垂直偏振的光線 圖7中，垂直偏振光（為異常光，因?yàn)樗谥赶虻钠矫嫔希┑恼凵渎矢淖兞?，水平偏振光則不變。若是把第二個(gè)類似的液晶板加到第一個(gè)（但不管怎樣，它的光軸相對(duì)于第一個(gè)液晶板的軸都是轉(zhuǎn)成90角），水平偏振光也會(huì)受影響。因此，試想一種情況是，一模一樣的NLC分子現(xiàn)在的動(dòng)向是跟紙張的平面成直角，如圖8所示。此時(shí)原有水平偏振光（現(xiàn)在是異常光）的折射率就改變了，垂直偏振光則不變。注意圖7和圖8

7、都是液晶板的異常折射率改變，但平常折射率不變。 圖8：NLC的分子轉(zhuǎn)為跟紙張平面成，并影響到水平偏振光 在平常NLC 液晶板的例子中，例如圖5所顯示的情況，整個(gè)液晶板內(nèi)的NLC分子旋轉(zhuǎn)是一致的，它表現(xiàn)得像個(gè)均勻的玻璃平面，除了折射率改變以外，不會(huì)對(duì)焦。請(qǐng)參照?qǐng)D9。 圖9：液晶板的分子統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，無法產(chǎn)生對(duì)焦作用 LensVector在透明的ITO電極之間采用了專利的控制機(jī)制HiddenLayer，而得以靠電力的變化來對(duì)焦光線。HiddenLayer包含了兩種商用材料Mat1和Mat2，它們的光學(xué)特性相同（折射率n），但電氣特性不同（介電質(zhì)e）。請(qǐng)參照?qǐng)D10。 圖10： NLC分子結(jié)合Hidden

8、Layer控制機(jī)制 對(duì)透明電極發(fā)出電力信號(hào)，Mat1和Mat2不同的介電質(zhì)就會(huì)使電場(chǎng)強(qiáng)度隨著空間坐標(biāo)而變化（從液晶板的中心到周邊）。NLC的分子會(huì)依照局部電場(chǎng)的強(qiáng)度比例來旋轉(zhuǎn)，并在NLC的分子內(nèi)形成梯度式折射率。請(qǐng)參照?qǐng)D11。 圖11：HiddenLayer形成梯度式折射率n（r） 因此，對(duì)結(jié)合HiddenLayer（下文以“可調(diào)式透鏡組件”表示）的NLC分子發(fā)出信號(hào)時(shí)，NLC分子就會(huì)表現(xiàn)得像個(gè)梯度式折射率透鏡（GRIN）。GRIN透鏡的光學(xué)功率（OP，即焦距公尺數(shù)的逆數(shù)）在定義上是指透鏡所能聚光的程度，它是透鏡中心與周邊折射率差的函數(shù)。 公式（2） 其中OP是以屈光度來表示，L和A則是以公尺

9、來表示。A是通光口徑的直徑，L是NLC層的厚度，nLC= nec - nep是中心（nec）和周邊（nep）異常光（透鏡的中心與周邊）穿越時(shí)的實(shí)際折射率差。nLC的最大值則受限于NLC層的雙折射性（n），參見公式1。電力信號(hào)的強(qiáng)度不同會(huì)改變可調(diào)式透鏡組件內(nèi)的折射率梯度，因而形成不同的光學(xué)功率與可調(diào)式透鏡。請(qǐng)參照?qǐng)D12。下圖（圖12-a）顯示的是NLC的分子在可調(diào)式透鏡組件斷電（即未發(fā)出信號(hào)）時(shí)的動(dòng)向，這時(shí)NLC分子的動(dòng)向是取決于指向涂料。在通電時(shí)，可調(diào)式透鏡組件會(huì)受到驅(qū)動(dòng)，并使所有的NLC分子完全旋轉(zhuǎn)，所以還是不會(huì)有光學(xué)功率（圖12-c）。此時(shí)可微調(diào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以便使電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生所需的折射率梯度

10、，以及連帶所需要的光學(xué)功率（圖12-b）。 調(diào)整電力信號(hào)的頻率也可以改變NLC分子的排列（進(jìn)而改變透鏡的折射率與對(duì)應(yīng)的光學(xué)功率）。上述討論的著眼點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)頻率，而（HiddenLayer）兩種材料的介電質(zhì)則相去甚遠(yuǎn)2 1。但要是驅(qū)動(dòng)頻率選擇得宜，那這些介電質(zhì)就會(huì)變得相等（2 = 1）。這會(huì)造成NLC的分子統(tǒng)一排列，進(jìn)而降低透鏡的光學(xué)功率。因此，我們只要調(diào)整電力信號(hào)的頻率，就能改變透鏡的光學(xué)功率。 圖12：液晶板出現(xiàn)非統(tǒng)一的分子旋轉(zhuǎn)，并形成不同的光學(xué)功率 3.打造偏振獨(dú)立的液晶透鏡 單一可調(diào)式透鏡元件只對(duì)一個(gè)偏振分量的光產(chǎn)生對(duì)焦，而對(duì)直角（直角光）的偏振分量不產(chǎn)生光學(xué)作用。請(qǐng)參照?qǐng)D13。下圖中的

11、藍(lán)色分子代表，可調(diào)式透鏡元件的NLC分子跟紙張平面成平行旋轉(zhuǎn)。圖7中曾討論過，這些分子只會(huì)影響到垂直偏振光。下圖中的紅色分子代表，可調(diào)式透鏡元件的NLC分子跟紙張平面成直角旋轉(zhuǎn)。圖8中曾討論過，這些分子只會(huì)影響到水平偏振光。 圖13：一個(gè)可調(diào)式組件只鎖定光的一個(gè)偏振分量 因此，LensVector自動(dòng)對(duì)焦液晶透鏡（LVAF）是由兩個(gè)彼此相連、直角動(dòng)向的可調(diào)式透鏡所組成。請(qǐng)參照?qǐng)D14。當(dāng)LVAF發(fā)出信號(hào)，兩個(gè)NLC液晶板里就會(huì)產(chǎn)生相同的電場(chǎng)分布，并形成相同的折射率梯度。如此一來，兩個(gè)可調(diào)式透鏡組件就會(huì)以同步的方式對(duì)兩個(gè)直角偏振分量產(chǎn)生作用，并使可調(diào)式透鏡得以對(duì)焦，而不受入射光的偏振的影響。 圖1

12、4：LVAF是由兩個(gè)直角動(dòng)向的液晶板所組成。右側(cè)顯示的是同樣的光學(xué)模型 由于跟透鏡的焦距比起來，LVAF的兩個(gè)可調(diào)式透鏡組件隔得很近，因此垂直與水平偏振圖像等于是重疊在一起。LVAF對(duì)于圖像質(zhì)量幾乎無影響。圖15顯示了由LVAF驅(qū)動(dòng)的照相模塊所拍攝的近景和遠(yuǎn)景聚焦圖像，它所采用的是1/5”光學(xué)格式；300萬像素傳感器，以及由三片塑膠鏡片組成的F/2.8定焦鏡頭。 圖15：使用LVAF 1/5” 照相模塊300萬像素所拍攝的圖像 4.可調(diào)式液晶透鏡的重要特性 圖16所顯示的是LVAF的可調(diào)式液晶透鏡示意圖，以及它的一些主要特性。 圖16：LVAF的主要屬性 光圈環(huán)是可以讓光穿過透鏡的開口。通光口

13、徑是LVAF的可用光學(xué)面積，比光圈環(huán)的直徑小一點(diǎn)，是用來防止受到邊緣的影響。LVAF有四個(gè)電接點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)就是由此傳送的。 LVAF的大小為4.5 x 4.5 x 0.5 mm，重22 mg，LVAF能讓小到4.5 x 4.5 mm的照相模塊產(chǎn)生從無限遠(yuǎn)到10 cm的焦距。值得注意的是，現(xiàn)有量產(chǎn)的最小機(jī)械式自動(dòng)對(duì)焦模塊是8.5 x 8.5 mm，而且它使用音圈馬達(dá)（VCM）來移動(dòng)相當(dāng)于LVAF厚度的鏡身距離，來達(dá)到從無限遠(yuǎn)到10 cm的對(duì)焦。因此，要是把LVAF裝在傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦模塊內(nèi)的現(xiàn)有定焦鏡頭上，并不會(huì)增加模塊的Z維厚度，但卻能大幅降低X-Y維的大小。事實(shí)上，音圈馬達(dá)對(duì)于X-Y維的長寬要求

14、很高，因?yàn)樗仨毺峁┳銐虻目臻g來容納線圈和磁鐵來有效的移動(dòng)鏡頭。若在外部X-Y維與音圈馬達(dá)（VCM）相同的情況下，采用LVAF的模塊就能使用進(jìn)光孔徑較大的透頭。請(qǐng)參照?qǐng)D17。因此，由LVAF驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)對(duì)焦模塊在低光度時(shí)的效果會(huì)比傳統(tǒng)由音圈馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)對(duì)焦模塊要好。 圖17：在X-Y維固定的情況下，LVAF可以采用口徑較大的透鏡 最后，由于LVAF可以裝在鏡頭內(nèi)的任何地方，所以鏡頭可以設(shè)計(jì)得比較?。ǘ袆e于傳統(tǒng)的機(jī)械式自動(dòng)對(duì)焦鏡頭設(shè)計(jì)）。 以公式2來說，當(dāng)兩個(gè)LVAF的厚度相同時(shí)，通光口徑較小的LVAF會(huì)產(chǎn)生比較大的光學(xué)功率。同樣地，當(dāng)兩個(gè)LVAF的通光口徑相同時(shí)，NLC液晶板較厚的LVAF會(huì)

15、產(chǎn)生比較大的光學(xué)功率。光學(xué)功率、通光口徑和透鏡厚度的關(guān)系如下： 公式（3） 當(dāng)液晶板的厚度縮小時(shí)，NLC的分子回轉(zhuǎn)（松弛）得比較快。因此，當(dāng)LVAF的自動(dòng)對(duì)焦（AF）比較薄的時(shí)候，它聚光的速度就比較快。比較薄的LVAF也具有較好的傳輸率（光線穿過LVAF的百分比）。對(duì)焦速度、透光率和厚度的關(guān)系如下參考文獻(xiàn)3：公式（4）公式（5） 事實(shí)上，要注意的重點(diǎn)是，NLC分子重新定向和松弛的速度并不相同。這就是為什么采用標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)對(duì)焦搜尋算法，雖然能提供不錯(cuò)的對(duì)焦時(shí)間，但我們還是強(qiáng)力推薦使用LensVector所開發(fā)并取得專利的自動(dòng)對(duì)焦算法，因?yàn)樗m用于NLC透鏡，在對(duì)焦時(shí)間上也快得多。 參考文獻(xiàn) 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.