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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(shuō)明為何液晶適合并如何以它來(lái)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(zhǎng)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(dòng)，但它們的軸都指向同一個(gè)固定方向（稱(chēng)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(lài)），所以它們才被稱(chēng)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(yáng)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(guò)程分為快線性偏振分量（稱(chēng)為“平常光”）與慢線性偏振分量（稱(chēng)為“異常光”）。舉例說(shuō)明，假設(shè)光是穿過(guò)厚度為L(zhǎng)、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(jìn)。入射光沒(méi)有偏振，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，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軸上兩個(gè)直角偏振振幅分量的向量和（參見(jiàn)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(lái)說(shuō)，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
4、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（Δn=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（1）其中λ是光在真空環(huán)境中的波長(zhǎng)，Δneff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(huà)成2D圖表呈現(xiàn)，并以紅色（圓點(diǎn)）來(lái)顯示跟紙張平面成直角旋轉(zhuǎn)的分子，以藍(lán)色（橢圓）來(lái)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(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(guò)磨刷處理過(guò)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(lái)說(shuō)，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，
6、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
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(lèi)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
8、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(wú)法產(chǎn)生對(duì)焦作用
