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1、LensVector可調(diào)式液晶透鏡??????????????????????????LensVector可調(diào)式液晶透鏡?????????TigranGalstian,PeterClark,SureshVenkatraman/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)）及運作原理。介紹偏振獨立透鏡的做法及LensVector自動對焦液晶透鏡（LVAF）的重要特性。1.液晶簡介向列型液晶（NLC）是由瘦長形或碟形的分子所構(gòu)成的液體（圖1）
2、。通常那些分子能像液體般的移動，但它們的軸都指向同一個固定方向（稱為“指向”），也就是向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）進入像NLC這種會雙折射的材質(zhì)時，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
3、，沿著z軸行進。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)期的隨機經(jīng)度。這種隨機經(jīng)度等于NLC的x軸和y軸上兩個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。如圖2所顯示的NLC來說，垂直偏振分量（為異常光，因為它在指向的平面上）所呈現(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，因為它跟指向的平面成直角）所呈現(xiàn)的則
4、是最小折射率n^（一般為~1.5）[參考文獻2]。兩個折射率的差異顯現(xiàn)了材質(zhì)的雙折射性（Δn=nII–n^，一般為~0.2）。就任意動向的分子而言，平常光與異常光的相位延遲為：??????????????????????????????公式（1）其中λ是光在真空環(huán)境中的波長，Δneff是ne和no（異常光和平常光的折射率）的實際差異，L是材質(zhì)的厚度。為了清楚呈現(xiàn)NLC分子相對于紙張平面的動向，我們把它畫成2D圖表呈現(xiàn)，并以紅色（圓點）來顯示跟紙張平面成直角旋轉(zhuǎn)的分子，以藍色（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
5、示意圖除了動向不同外，圖4中所顯示的分子在其他方面都一樣。2.可調(diào)式液晶透鏡的運作原理如圖5所示，一般顯示器的液晶板是由夾在兩個透明導(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的聚酰亞胺），以提供NLC分子“斷電”時的初始位置及角度。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液晶板的示意圖對透明電極提供電力信號（電壓），NLC層內(nèi)就會形成電場。對介電異向性為正的NIC，電場就會引動它的電偶極，
6、使NLC的指向轉(zhuǎn)為跟電場一致。如圖6所示。??圖6：NLC的分子在具電場環(huán)境時的旋轉(zhuǎn)范例電場的強度決定了分子的旋轉(zhuǎn)角度，同時也決定了旋轉(zhuǎn)時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，異常光（ne）所呈現(xiàn)的折射率會從最大值nII（不發(fā)出信號，指向是朝向紙張上方）變成最小值n^（發(fā)出強烈信號，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
7、中，垂直偏振光（為異常光，因為它在指向的平面上）的折射率改變了，水平偏振光則不變。若是把第二個類似的液晶板加到第一個（但不管怎樣，它的光軸相對于第一個液晶板的軸都是轉(zhuǎn)成90°角），水平偏振光也會受影響。因此，試想一種情況是，一模一樣的NLC分子現(xiàn)在的動向是跟紙張的平面成直角，如圖8所示。此時原有水平偏振光（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，整個液晶板內(nèi)的NLC分子旋轉(zhuǎn)是
8、一致的，它表現(xiàn)得像個均勻的玻璃平面，除了折射率改變以外，不會對焦。請參照圖9。圖9：液晶板的分子統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，無法產(chǎn)生對焦作用
