LensVector可调式液晶透镜.doc

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1、LensVector可调式液晶透镜                          LensVector可调式液晶透镜         TigranGalstian,PeterClark,SureshVenkatraman/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

2、液体般的移动，但它们的轴都指向同一个固定方向（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

3、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

4、折射率的差异显现了材质的双折射性（Δn=nII–n^，一般为~0.2）。就任意动向的分子而言，平常光与异常光的相位延迟为：                              公式（1）其中λ是光在真空环境中的波长，Δneff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

5、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

6、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

7、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，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