基于聚合物突起的液晶透鏡陣列

儲(chǔ) 繁，王瓊?cè)A

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

1 引言

電控可調(diào)焦液晶透鏡陣列是近年來研究的熱點(diǎn)，液晶透鏡陣列技術(shù)廣泛應(yīng)用于光學(xué)信息處理、波前傳感器、光通信和2D/3D 可切換顯示［1-6］。液晶透鏡的基本工作原理是在液晶層中產(chǎn)生電場(chǎng)誘導(dǎo)的梯度折射率分布［7-12］。近些年，專家學(xué)者提出了不同結(jié)構(gòu)的可變焦液晶透鏡，如多電極結(jié)構(gòu)液晶透鏡［13-15］、表面浮雕結(jié)構(gòu)的液晶透鏡［16］、復(fù)合介電層結(jié)構(gòu)的液晶透鏡［17-18］、曲面電極液晶透鏡［19］和藍(lán)相液晶透鏡［20-23］。

多電極結(jié)構(gòu)可以通過對(duì)像素化電極分別尋址來產(chǎn)生近乎理想的拋物線相位分布，然而對(duì)每個(gè)電極施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，復(fù)雜了驅(qū)動(dòng)方式。表面浮雕結(jié)構(gòu)液晶透鏡具有正負(fù)焦距，擴(kuò)大了液晶透鏡的可調(diào)焦范圍，然而這種液晶透鏡的液晶層是非均勻的。復(fù)合介電層結(jié)構(gòu)的液晶透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)較短的焦距可調(diào)，然而微米級(jí)別的曲面介電層結(jié)構(gòu)不容易控制。曲面電極液晶透鏡具有良好的拋物線形相位分布，然而曲面電極的制作過程相對(duì)復(fù)雜?；贙err 效應(yīng)的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶透鏡具有亞毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，無需取向，偏振不相關(guān)，然而，藍(lán)相液晶透鏡存在高工作電壓和磁滯效應(yīng)等缺陷。

為了實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良、工藝簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、電壓低、焦距短、響應(yīng)時(shí)間快的液晶透鏡陣列，我們結(jié)合已有的研究基礎(chǔ)提出了一種基于聚合物突起的液晶透鏡陣列。液晶透鏡陣列的下基板氧化銦錫（ITO）電極鍍?cè)谥芷谛缘木酆衔锿黄鹕?，利用介電層平滑相剖面，上基板平面ITO 電極具有恒定的電勢(shì)。通過這樣的設(shè)計(jì)，在加電情況下，液晶層中的電勢(shì)從液晶透鏡陣列中心到液晶透鏡陣列邊緣呈線性的變化，由此在液晶層中產(chǎn)生梯度垂直電場(chǎng)，并且得到梯度折射率分布。仿真結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為2.5 Vrms時(shí)，該液晶透鏡陣列能獲得最短的焦距。

2 結(jié)構(gòu)和原理分析

圖1 為提出的液晶透鏡陣列在電壓開態(tài)和電壓關(guān)態(tài)下的切面圖（y-z）。該液晶透鏡陣列由上基板、上ITO 電極、液晶層、介電層、下ITO 電極、聚合物層和下基板組成。上ITO 電極作為接地電極，下ITO 電極作為加電電極，下ITO 電極鍍?cè)诰酆衔锿黄鹕?，通過聚合物突起，使加電電極與下基板形成一定的高度差。同時(shí)在下基板鍍上一層介電層使液晶層平面化，抹平液晶層的相剖面。在所提出的結(jié)構(gòu)中，通電狀態(tài)下，液晶透鏡陣列邊緣的電場(chǎng)比液晶透鏡陣列中心的電場(chǎng)強(qiáng)，其原因有兩個(gè)：（1）加電電極與下基板之間存在的高度差有助于降低液晶透鏡陣列中心的電場(chǎng)強(qiáng)度；（2）介電層有利于液晶透鏡陣列中心到邊緣產(chǎn)生線性變化的電勢(shì)并且平滑液晶透鏡的相位分布，如果沒有介電層的作用，液晶層的相位剖面將由拋物線形變?yōu)榉叫?。此外，相?duì)于孔形電極結(jié)構(gòu)的液晶透鏡陣列，所提出的液晶透鏡陣列在介電層的作用下不會(huì)在液晶層產(chǎn)生光的散射，因?yàn)樗岢龅囊壕哥R陣列的電場(chǎng)方向在相同的垂直方向上，并且高介電層有助于降低所提出液晶透鏡陣列的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖1 基于聚合物突起液晶透鏡陣列結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the liquid crystal lens array based on polymer protrusion

為了制作介電層，采用不同比例的聚合物滲透復(fù)合材料混配，配制特定介電常數(shù)的介電材料，例如，聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯P（VDF-TrFE-CTFE 的摩爾分?jǐn)?shù)比為62∶26∶12）與體積濃度為0.23 聚苯胺混配具有很高的介電常數(shù)（100 Hz 時(shí)大于2 000），并且這些材料都是透明的，通常情況下，介電常數(shù)大于2 000 的介電材料一般都是易碎而且不透明，因此，我們選擇介電常數(shù)稍高的材料［24-28］來制作高介電層的液晶透鏡陣列。如傳統(tǒng)透明介電材料TiO2摻雜Ti2O5或BaTiO3的高介電常數(shù)ε可達(dá)到80 以上，而摻雜0.35%Nb 的TiO2介電材料的介電常數(shù)可達(dá)到311，或摻雜0.4%Ce 介電常數(shù)可達(dá)到120［29］。

如圖1 所示，d為液晶層的厚度，w1為加電電極寬度，w2為聚合物突起底部的寬度，h1為聚合物突起的高度，h2為介電層的高度，R為液晶透鏡陣列的有效半徑，介電層介電常數(shù)為ε，所有電極的厚度都相同。液晶分子指向在電壓開態(tài)和關(guān)態(tài)下呈現(xiàn)不同的分布，當(dāng)沒有外加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子平行于上下基板排列，液晶層折射率均勻分布，對(duì)光線沒有聚焦效果。當(dāng)給液晶透鏡陣列提供驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，對(duì)于單個(gè)液晶透鏡區(qū)域，液晶層中的電場(chǎng)從液晶透鏡邊緣到液晶透鏡中心逐漸減小，液晶分子平行于電場(chǎng)方向排列，形成中心對(duì)稱的梯度分布。一般來說，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，液晶分子的傾角θ越大，此時(shí)對(duì)于入射光線的等效折射率由折射率橢球方程表示［30］：

其中：no和ne分別是尋常光和非常光在液晶層中的折射率。采用最終的平均有效雙折射分布，可以計(jì)算出每個(gè)液晶透鏡中心和邊緣之間的相位差。液晶透鏡陣列的焦距可以用菲涅爾近似來計(jì)算［30］：

其中：δn是液晶透鏡陣列中心和液晶透鏡陣列邊緣之間的折射率差。從公式（2）可以看出，為了獲得較短的焦距，需要在液晶透鏡陣列中心和液晶透鏡陣列邊界之間產(chǎn)生較大的折射率差。當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，δn達(dá)到最大，液晶透鏡陣列中心到液晶透鏡陣列邊緣達(dá)到最大的相位差，液晶透鏡陣列焦距f達(dá)到最短。

3 仿真結(jié)果和討論

為了驗(yàn)證所提出電阻層結(jié)構(gòu)液晶透鏡陣列的性能，討論其光學(xué)特性，并將其與理想液晶透鏡的性能進(jìn)行比較，我們使用商業(yè)仿真軟件Tech Wiz-LCD-3D（Sanayi System Company，Ltd.，Korea）和Matlab 進(jìn)行了電光模擬。對(duì)于液晶透鏡陣列，為了避免在焦距改變期間液晶分子響應(yīng)速度緩慢而帶來的液晶透鏡陣列性能差的問題，我們優(yōu)選較薄厚度的液晶層。當(dāng)液晶層厚度較薄時(shí)，單個(gè)液晶透鏡直徑的大小將受到限制。因?yàn)槿绻麊蝹€(gè)液晶透鏡的直徑遠(yuǎn)大于液晶層厚度，即使施加到液晶透鏡的電壓足夠高，梯度電場(chǎng)分布也不會(huì)到達(dá)液晶透鏡中心，因此薄液晶層需要與其相匹配的液晶透鏡直徑。為了獲得短焦距可調(diào)的液晶透鏡陣列，可以選擇具有大雙折射（例如0.2）的液晶材料。雙折射變大，液晶層的厚度可以減小，此時(shí)可以降低液晶透鏡的響應(yīng)時(shí)間，因此，我們?cè)诜抡嬷惺褂玫囊壕Р牧系膮?shù)采用JCTNLC-E7（King Optronics Co.Ltd.）的參數(shù)，飽和雙折射為0.224，Δε=11.4，γ=29 mPa·s，no=1.517，ne=1.741（λ=550 nm）。所提出的液晶透鏡陣列的參數(shù)如下：d=30 μm，R=105 μm，h1=6 μm，h2=7 μm，w1=5 μm，w2=10 μm，ε=94，所有電極的厚度為0.04 μm，在下面的章節(jié)中，我們只研究透鏡的R區(qū)域（-105～+105 μm）。

圖2 為仿真的液晶透鏡陣列的電場(chǎng)分布，此時(shí)Von=2.5 Vrms，其中單個(gè)液晶透鏡液晶層內(nèi)部的電場(chǎng)分布用虛線框圈出表示。從圖2 可以看出，液晶層內(nèi)部的電場(chǎng)分布具有空間非均勻性和軸對(duì)稱性，并且單個(gè)液晶透鏡邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度比液晶透鏡中心的電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)，整個(gè)液晶層內(nèi)部電場(chǎng)呈現(xiàn)產(chǎn)生梯度電場(chǎng)梯度分布。圖3（a）和（b）分別表示仿真的液晶透鏡陣列電勢(shì)分布的切面圖和俯視圖，Von=2.5 Vrms，單個(gè)液晶透鏡區(qū)域的電勢(shì)分布用虛線框標(biāo)出。從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單個(gè)液晶透鏡，液晶層中的等勢(shì)線從液晶透鏡的中心到液晶透鏡的邊緣越來越密集，這表明液晶分子在邊緣的傾斜角度將大于中心的傾斜角度，圖3 中所示的電勢(shì)分布有助于產(chǎn)生拋物線形的相位分布。

圖2 加電情況下液晶透鏡陣列電場(chǎng)分布Fig.2 Electric field distribution of the liquid crystal lens array at voltage-on state

圖3 （a）加電情況下液晶透鏡陣列電勢(shì)分布切面圖；（b）加電情況下液晶透鏡陣列電勢(shì)分布俯視圖。Fig.3 （a）Cross-section view of the liquid crystal lens array potential distribution at voltage-on state；（b）Top view of the liquid crystal lens array potential distribution at voltage-on state.

為了研究液晶分子在液晶透鏡陣列中的指向分布，我們仿真分析了在Von=2.5 Vrms下液晶分子指向的切面圖和俯視圖，如圖4（a）和（b）所示，單個(gè)液晶透鏡液晶分子指向用虛線框標(biāo)出。在給定的電壓下，對(duì)于單個(gè)液晶透鏡，液晶透鏡邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度比液晶透鏡中心的電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)，這意味著液晶分子在液晶透鏡邊緣的傾斜角比液晶透鏡中心傾斜角的大。從圖4（a）和（b）可以看出，液晶分子的指向沿著電場(chǎng)的方向重新定向，液晶分子在單個(gè)液晶透鏡邊緣的傾斜角明顯大于在單個(gè)液晶透鏡中心的傾斜角。非常光的折射率從單個(gè)液晶透鏡中心區(qū)域的ne逐漸降低到單個(gè)液晶透鏡邊緣的no，因此，整個(gè)液晶層形成具有梯度折射率分布的液晶透鏡陣列，對(duì)入射光線產(chǎn)生會(huì)聚作用。此外，液晶分子的角度分布在空間上是逐漸變化和對(duì)稱的，這有助于對(duì)入射線偏振光束提供中心對(duì)稱折射率。從圖4 可以看出提出的液晶透鏡陣列是正性液晶透鏡陣列，因?yàn)橐壕哥R陣列邊緣液晶分子垂直于玻璃基板，液晶透鏡陣列中心的液晶分子平行于玻璃基板。因此，入射平面波被正性液晶透鏡陣列轉(zhuǎn)換成會(huì)聚拋物線波。

圖4 （a）加電情況下液晶透鏡陣列液晶分子分布切面；（b）加電情況下液晶透鏡陣列液晶分子分布俯視圖。Fig.4 （a）Cross section view of the liquid crystal mole‐cules distribution of the liquid crystal lens array at voltage-on state；（b）Top view of the liquid crys‐tal molecules distribution of the liquid crystal lens at voltage-on state.

圖5（a）～（d）分別表示仿真的非常光沿y軸在Von=1.5 Vrms、Von=2 Vrms、Von=2.5 Vrms和Von=3 Vrms下單個(gè)液晶透鏡的折射率分布俯視圖。從圖5 可以看出，在不同的工作電壓下，對(duì)于單個(gè)液晶透鏡其折射率分布是中心對(duì)稱的，最大折射率與最小折射率之差分別為0.053 4、0.108 4、0.143 4、0.145 2。當(dāng)工作電壓為2.5 Vrms時(shí)，梯度折射率分布較好；當(dāng)電壓為3 Vrms時(shí)，液晶透鏡兩端的折射率幾乎沒有梯度變化。因此，液晶透鏡的這部分對(duì)光沒有會(huì)聚作用，液晶透鏡的有效直徑會(huì)變短。這說明所提出的液晶透鏡陣列具有較低的工作電壓。

圖5 不同電壓下單個(gè)液晶透鏡的折射率分布俯視圖。（a）Von=1.5 Vrms；（b）Von=2 Vrms；（c）Von=2.5 Vrms；（d）Von=3 Vrms。Fig.5 Refractive index distribution for the extraordinary ray of a single liquid crystal lens with different operating voltages.（a）Von=1.5 Vrms；（b）Von=2 Vrms；（c）Von=2.5 Vrms；（d）Von=3 Vrms.

為了獲得更多的細(xì)節(jié)，我們繪制了不同工作電壓下單個(gè)液晶透鏡非常光的折射率分布曲線，如圖6 所示。在不同的工作電壓下，對(duì)于單個(gè)液晶透鏡，液晶透鏡的中心到液晶透鏡的邊緣保持良好的梯度折射率分布。當(dāng)工作電壓為0.5 Vrms、1 Vrms、1.5 Vrms、2 Vrms和2.5 Vrms時(shí)，非常光線的最大折射率和最小折射率之差分別為0.000 4、0.001 7、0.043 6、0.108 4 和0.143 4。從圖6 可以看出，當(dāng)工作電壓小于1.5 Vrms時(shí)，折射率分布變化不明顯；當(dāng)工作電壓大于1.5 Vrms時(shí)，液晶透鏡中心與邊緣的折射率差逐漸變大，折射率曲線趨向理想拋物線，這意味著液晶透鏡聚焦光斑直徑逐漸變小。

圖6 不同電壓下單個(gè)液晶透鏡的折射率分布曲線圖Fig.6 Refractive index distribution of a single liquid crys‐tal lens with different operating voltages

通過比較擬合分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓為2.5 Vrms時(shí)，單個(gè)液晶透鏡的折射率分布曲線最趨于理想拋物線，如圖7（a）所示。在這種情況下，從液晶透鏡邊緣到透鏡中心的幾乎所有液晶分子都有利于非常光線的聚焦行為，當(dāng)電壓為2.5 Vrms時(shí)，最小折射率為1.58，最大折射率可達(dá)1.72 以上。液晶層內(nèi)的最大折射率和最小折射率相差很大，故提出的液晶透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)較短的焦距可調(diào)。為了進(jìn)一步研究提出的液晶透鏡的光聚焦效應(yīng)，我們繪制了在Von=2.5 Vrms下入射線偏振光在液晶透鏡中的相位差分布，并與理想的拋物線曲線進(jìn)行了比較。為了便于理解，將單個(gè)液晶透鏡中心的相位設(shè)為0，圖7（b）為提出的液晶透鏡的入射線偏振光的相位差分布（實(shí)心正方形）和理想拋物線（實(shí)線）分布。入射線偏振光的相位分布與理想拋物線匹配得很好，說明提出的液晶透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)很好的聚焦效果，此外，對(duì)于單個(gè)液晶透鏡，液晶透鏡中心與液晶透鏡邊緣的相位差達(dá)到15.64 π。該液晶透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)較短焦距可調(diào)。

圖7 （a）Von=2.5 Vrms時(shí)單個(gè)液晶透鏡的折射率分布曲線圖；（b）Von=2.5 Vrms 時(shí)單個(gè)液晶透鏡的相位分布曲線圖。Fig.7 （a）Refractive index distribution of a single liquidcrystal lens at Von=2.5 Vrms；（b）Phase distribu‐tion of a single liquid crystal lens at Von=2.5 Vrms.

接下來，將高介電層的介電常數(shù)從94 改變?yōu)?20，由于介電層介電常數(shù)的增大，其分壓作用減弱，Von從2.5 Vrms降低為2.2 Vrms，其他參數(shù)保持不變。如圖8（a）所示，當(dāng)電壓為2.2 Vrms時(shí)，液晶層內(nèi)的最大折射率和最小折射率差值仍然較大，故高介電層有利于降低驅(qū)動(dòng)電壓。圖8（b）為Von=2.2 Vrms下入射線偏振光在單個(gè)液晶透鏡中的相位差分布，并與理想的拋物線曲線進(jìn)行了比較。入射線偏振光的相位分布與理想拋物線匹配得很好，說明提出的液晶透鏡陣列在高介電層的作用下也可以實(shí)現(xiàn)很好的聚焦效果。此外，單個(gè)液晶透鏡中心與單個(gè)液晶透鏡邊緣的相位差可以達(dá)到14.81 π，因此，該液晶透鏡陣列可以實(shí)現(xiàn)較短焦距可調(diào)。

圖8 （a）ε=120，Von=2.2 Vrms 時(shí)單個(gè)液晶透鏡的折射率分布曲線圖；（b）ε=120，Von=2.2 Vrms時(shí)單個(gè)液晶透鏡的相位分布曲線圖。Fig.8 （a）Refractive index distribution of a single liquid crystal lens at ε=120，Von=2.2 Vrms；（b）Phase distribution of a single liquid crystal lens at ε=120，Von=2.2 Vrms.

圖9 為仿真的不同介電常數(shù)下液晶透鏡陣列焦距-電壓關(guān)系圖。在V=0 時(shí)，所提出的液晶透鏡陣列的固有焦距很長。隨著電壓的增加，焦距急劇縮短，由公式（2）可以看出焦距f與相位變化成反比。當(dāng)Von=1 Vrms時(shí)，不同介電常數(shù)下的液晶透鏡陣列焦距分別為108 mm 和68 mm，隨著電壓的進(jìn)一步升高，由于在高電場(chǎng)下誘導(dǎo)的雙折射逐漸飽和，曲線斜率變得平坦，在Von=2.5 Vrms時(shí)，提出的液晶透鏡陣列焦距最短（～1.28 mm）。由圖9 可知，在相同電壓下，介電常數(shù)高的液晶透鏡陣列保持更短的焦距，這說明高介電層有助于降低所提出的液晶透鏡陣列的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖9 不同介電常數(shù)下液晶透鏡陣列的焦距隨電壓變化關(guān)系Fig.9 Voltage-dependent focal length of the liquid crys‐tal lens array under different dielectric constant

圖10 為提出的液晶透鏡陣列的響應(yīng)時(shí)間圖，將液晶透鏡陣列置于正交偏振片中，起偏方向?yàn)?45°，檢偏方向?yàn)?5°，液晶分子相對(duì)取向方向?yàn)?°。由圖10 可知，液晶透鏡陣列最短焦距時(shí)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓為2.5 Vrms，故我們以2.5 Vrms為脈沖電壓，計(jì)算液晶透鏡陣列的聚焦和散焦過程的時(shí)間。由圖10 可知，液晶透鏡陣列的聚焦時(shí)間約為34 ms，散焦時(shí)間約為24 ms，可以看出，提出的液晶透鏡陣列響應(yīng)時(shí)間很快，傳統(tǒng)的液晶透鏡陣列的響應(yīng)時(shí)間在幾百毫秒至幾秒之間，由于采用的是低粘度向列相液晶材料，并且液晶層厚度相對(duì)于傳統(tǒng)液晶透鏡陣列厚度減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，此外，用高介電層代替了聚酰亞胺層，也縮短了響應(yīng)時(shí)間。在聚焦末期和散焦的初期，可以看出響應(yīng)時(shí)間不穩(wěn)定，這是因?yàn)榇藭r(shí)液晶層內(nèi)部的液晶分子分布是空間不均勻的，導(dǎo)致計(jì)算的光線透過率不穩(wěn)定，但是不影響提出液晶透鏡的聚焦過程。

圖10 液晶透鏡陣列的響應(yīng)時(shí)間Fig.10 Response time of the liquid crystal lens array

4 結(jié)論

本文提出了一種基于聚合物突起的液晶透鏡陣列，由于液晶層厚度非常均勻，故該液晶透鏡陣列的響應(yīng)時(shí)間非常均勻，并且在聚焦過程中幾乎不發(fā)生光散射。當(dāng)外加電壓超過閾值時(shí)，液晶分子發(fā)生重新定向，液晶透鏡陣列的焦距逐漸減小。這種液晶透鏡陣列的介電層具有逐層結(jié)構(gòu)、單盒厚、電極平面化和單一驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，制作起來相對(duì)容易。所提出的液晶透鏡陣列對(duì)于需要小型化自動(dòng)聚焦方面的應(yīng)用有很好的前景。