液晶透鏡
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-05
液晶透鏡的實例教程
亞毫米尺度的光學(xué)透鏡是各種微型系統(tǒng)中不可或缺的光學(xué)元件，廣泛應(yīng)用于光學(xué)互連，光束整形，微型機(jī)器人視覺系統(tǒng)，發(fā)光二極管顯示，波前傳感，以及虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實等領(lǐng)域。微透鏡可以劃分為折射式和衍射式。對折射式微透鏡，鏡片的球面形狀導(dǎo)致低填充因子和球面相差。衍射式微透鏡依通過微納表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相位梯度來改變光學(xué)波前，其幾何形狀不受限制，因而更容易實現(xiàn)高的填充因子和低焦比（f-number）. 但是，衍射式透鏡往往需要非常復(fù)雜的加工手段實現(xiàn)。透鏡也可以通過設(shè)計Pancharatnam-Berry（PB）相位，又叫幾何相位來實現(xiàn)。液晶PB微透鏡的優(yōu)越性是他的效率可以接近100%，和并且可以實現(xiàn)焦距的可調(diào)和開關(guān)。一直到最近，液晶PB微透鏡焦比還局限在>10的范圍，透鏡成像質(zhì)量也沒有達(dá)到衍射極限。
近日，肯特州立大學(xué)液晶研究所的韋齊和教授所率領(lǐng)的研究組（包括江淼博士，郭玉冰博士，于皓，周子淵，和合作者Taras Turiv， Oleg D. Lavrentovich）成功地展示一個用液晶聚合物設(shè)計和制造高質(zhì)量PB微透鏡的方法。他們利用該課題組開創(chuàng)的等離子基元超掩模板光刻技術(shù)，精準(zhǔn)控制液晶分子的空間取向來產(chǎn)生所需的PB相位。實驗實現(xiàn)了1.5微米的液晶分子的排列最小周期（對應(yīng)于液晶分子旋轉(zhuǎn)180度的距離），這是目前可達(dá)到這個分辨率的唯一方法。這保證了低焦比微透鏡所需要的相對較大的相位梯度。韋教授課題組采用液晶聚合物單體分子（RM257）作為原料旋涂到經(jīng)過光取向的基底上，然后利用光聚合成按照設(shè)計方向排列的高分子。每一個液晶PB微透鏡需要經(jīng)過幾次旋涂-聚合的過程來達(dá)到需要的相位延遲。
該文設(shè)計并制作了一些列不同尺寸和焦比的液晶PB微透鏡，實現(xiàn)了焦比低至2的微透鏡（對應(yīng)1.5微米的最小周期）。通過實驗測量和擬合得到的這些微透鏡的點擴(kuò)散函數(shù)表明它們的成像質(zhì)量都達(dá)到了衍射極限。
展開 LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優(yōu)點，在光學(xué)系統(tǒng)中被認(rèn)為是一個很有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調(diào)節(jié)，因此可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過TechWiz Ray 2D進(jìn)行光程差和焦距的計算，并進(jìn)行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務(wù)
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~200
邊界條件：Periodic
偏移角度：0°
單位長度：0.5
1.2堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1創(chuàng)建堆棧結(jié)構(gòu)
2.2修改各層參數(shù)和創(chuàng)建掩膜
3. 結(jié)果分析
3.1 延遲和指向矢分布情況
3.2 光線追跡情況
3.3 Screen Map生成
展開 LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優(yōu)點，在光學(xué)系統(tǒng)中被認(rèn)為是一個很有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調(diào)節(jié)，因此可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過TechWiz Ray 2D進(jìn)行光程差和焦距的計算，并進(jìn)行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務(wù)
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~200
邊界條件：Periodic
偏移角度：0°
單位長度：0.5
1.2堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1創(chuàng)建堆棧結(jié)構(gòu)
2.2修改各層參數(shù)和創(chuàng)建掩膜
3. 結(jié)果分析
3.1 延遲和指向矢分布情況
3.2 光線追跡情況
3.3 Screen Map生成
展開 LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優(yōu)點，在光學(xué)系統(tǒng)中被認(rèn)為是一個很有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調(diào)節(jié)，因此可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過TechWiz Ray 2D進(jìn)行光程差和焦距的計算，并進(jìn)行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務(wù)
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~200
邊界條件：Periodic
偏移角度：0°
單位長度：0.5
1.2堆棧結(jié)構(gòu)
2. 建模過程
2.1創(chuàng)建堆棧結(jié)構(gòu)
2.2修改各層參數(shù)和創(chuàng)建掩膜
3. 結(jié)果分析
3.1 延遲和指向矢分布情況
3.2 光線追跡情況
3.3 Screen Map生成
展開 利用TAC材料，F(xiàn)lexEnable能夠制造出具有優(yōu)良光學(xué)性能的柔性液晶盒單元，這些液晶盒單元薄而輕，并且符合AR/VR光學(xué)應(yīng)用的雙軸曲線需求（如圖4所示）。
圖4. FlexEnable使用TAC基板制作的液晶盒結(jié)構(gòu)示意圖，圖片來源：FlexEnable
通過進(jìn)一步結(jié)合OTFT陣列甚至OTFT驅(qū)動電路，設(shè)計人員理論上還可以實現(xiàn)像素級功能（例如，像素級調(diào)節(jié)環(huán)境光）。
在FlexEnable制作的樣品中，有一個孔徑為25mm、厚度約為100微米的柔性液晶盒，它的質(zhì)量小于40mg，可以進(jìn)一步集成有源矩陣和使用有機(jī)電子器件的集成驅(qū)動，所有這些都能夠制造在獨立的TAC膜基板上。
如下圖5顯示了一款制作在TAC膜上的、可實現(xiàn)環(huán)境光調(diào)節(jié)的可調(diào)諧透鏡。即使這些液晶盒被多次堆疊，其整體結(jié)構(gòu)仍然非常輕薄。如前述，這些液晶盒單元可以通過堆疊在一起來增加各種不同的功能（例如，可著色透鏡）或增加動態(tài)范圍（例如，兩個相同液晶盒透鏡的堆疊可以3倍提高屈光度）。在某些情況下，設(shè)計人員還可以將不同的LC透鏡插入到光路內(nèi)的不同位置，與不同的固定光學(xué)器件配對。
圖5.（a）基于TAC膜基板制作的可調(diào)節(jié)環(huán)境光的液晶盒單元，以及（b）在TAC膜基板上制作的可調(diào)諧透鏡（0.25屈光度），來源：FlexEnable
基于TAC薄膜基板制作的液晶盒單元，還有另一個優(yōu)點，那就是它們可以在制造后，進(jìn)一步通過雙軸熱成型工藝，與其他雙軸彎曲的固定光學(xué)器件或護(hù)目鏡貼合在一起。
雙軸曲率與熱成形工藝潛力
柔性液晶盒通常通過將柔性基板材料涂覆或貼附在玻璃載體上，在平面狀態(tài)下制造出來的。這樣做是為了在加工過程中保持產(chǎn)品的平面度和尺寸穩(wěn)定性。
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液晶透鏡的最新內(nèi)容
[15] 消費(fèi)級方面，2026年初IXI Eyewear推出了重量僅22克的超輕自適應(yīng)液晶透鏡眼鏡。根據(jù)行業(yè)報告，液體聚焦透鏡市場預(yù)計將以7.60%的年復(fù)合增長率增長。[16]
2.3 超構(gòu)表面：像素級先驗的硬件化載體
超構(gòu)表面是三類工具中最晚興起的技術(shù)，由亞波長結(jié)構(gòu)組成的二維平面光學(xué)元件，代表了“平面光學(xué)”的新范式。[17]
超構(gòu)表面的研究熱潮始于2010年代。
Techwiz LCD 2D新的Lens掩膜結(jié)構(gòu)
1. 摘要
Techwiz LCD 2D新增Lens掩膜結(jié)構(gòu)，可以方便快捷的對LC 透鏡進(jìn)行建模分析。 LC透鏡由于體積小、焦距可變等優(yōu)點，被認(rèn)為是光學(xué)系統(tǒng)中一個很有前景的研究領(lǐng)域。在有限的空間內(nèi)改變焦距是可能的，因為LC材料的折射率可以通過施加電壓來調(diào)節(jié)。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過TechWiz LCD 2D進(jìn)行光程差和焦距的計算，以及包括施加電壓的
LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優(yōu)點，在光學(xué)系統(tǒng)中被認(rèn)為是一個很有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調(diào)節(jié)，因此可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過TechWiz Ray 2D進(jìn)行光程差和焦距的計算，并進(jìn)行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務(wù)
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~200
邊界條件：Periodic
TechWiz
在光學(xué)設(shè)置中包含透鏡系統(tǒng)液晶相位光柵
建模任務(wù)
液晶光柵利用了液晶折射率等光學(xué)特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產(chǎn)生的相位差及偏轉(zhuǎn)特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學(xué)計算處理、衍射光學(xué)、三維 圖像顯示和光電開關(guān)等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優(yōu)點，在光學(xué)系統(tǒng)中被認(rèn)為是一個很有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調(diào)節(jié)，因此可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過TechWiz Ray 2D進(jìn)行光程差和焦距的計算，并進(jìn)行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務(wù)
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~200
邊界條件：Periodic
LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優(yōu)點，在光學(xué)系統(tǒng)中被認(rèn)為是一個很有前途的研究領(lǐng)域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調(diào)節(jié)，因此可以在有限的空間內(nèi)改變焦距。在LC透鏡結(jié)構(gòu)中，可以通過TechWiz Ray 2D進(jìn)行光程差和焦距的計算，并進(jìn)行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務(wù)
1.1 模擬條件
模擬區(qū)域：0~200
邊界條件：Periodic
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TechWiz
在光學(xué)設(shè)置中包含透鏡系統(tǒng)液晶相位光柵
建模任務(wù)
液晶光柵利用了液晶折射率等光學(xué)特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產(chǎn)生的相位差及偏轉(zhuǎn)特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學(xué)計算處理、衍射光學(xué)、三維 圖像顯示和光電開關(guān)等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
微軟研究中，用戶觀看虛擬現(xiàn)實畫面的最佳或“舒適區(qū)域”
液晶解決方案：使用一種可調(diào)諧液晶透鏡來控制焦距
目前開發(fā)方向中，快速可調(diào)型液晶透鏡是一種能夠在克服（校正）上述VAC問題的同時，擴(kuò)大焦點舒適區(qū)的方法，它能夠有效地、動態(tài)地調(diào)整顯示器的焦距以適應(yīng)其所需要虛像的預(yù)期深度。FlexEnable幾個小組利用專門設(shè)計的液晶材料開發(fā)了各種結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧液晶透鏡。
以下將以幾種特征液晶平面光學(xué)元件為例，以展示該類新型平面光學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢：
（1）可調(diào)液晶平面透鏡
圖4展示的是可調(diào)諧液晶平面透鏡，一種基于入射光的偏振態(tài)實現(xiàn)對光束會聚或發(fā)散的衍射光學(xué)元件。平板透鏡經(jīng)過精密設(shè)計的連續(xù)變化的周期結(jié)構(gòu)，使其具有無球差特性，經(jīng)過有效孔徑的所有光線在徑向不同周期位置處發(fā)生衍射使得所有光線正好能聚到一點。
該屏幕是一個超高清分辨率的2D面板，上面有一個液晶透鏡，通過光學(xué)方式可以使屏幕在2D和3D模式之間切換，顯示器頂部的眼球追蹤立體相機(jī)陣列決定如何為每只眼睛分割圖形。
其結(jié)果是能夠使視覺效果 "漂浮"在顯示屏表面。事實上，我們已經(jīng)在汽車應(yīng)用中看到了類似的東西，Genesis的3D儀表盤使用了同樣的方法來制作有感知深度的虛擬儀表板。
