液晶透鏡的案例
《先進材料》利用液晶聚合物實現低焦比、衍射極限的液晶微透鏡
亞毫米尺度的光學透鏡是各種微型系統中不可或缺的光學元件，廣泛應用于光學互連，光束整形，微型機器人視覺系統，發光二極管顯示，波前傳感，以及虛擬/增強現實等領域。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構產生的相位梯度來改變光學波前，其幾何形狀不受限制，因而更容易實現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雜的加工手段實現。透鏡也可以通過設計Pancharatnam-Berry（PB）相位，又叫幾何相位來實現。液晶PB微透鏡的優越性是他的效率可以接近100%，和并且可以實現焦距的可調和開關。一直到最近，液晶PB微透鏡焦比還局限在>10的范圍，透鏡成像質量也沒有達到衍射極限。
近日，肯特州立大學液晶研究所的韋齊和教授所率領的研究組（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計和制造高質量PB微透鏡的方法。他們利用該課題組開創的等離子基元超掩模板光刻技術，精準控制液晶分子的空間取向來產生所需的PB相位。實驗實現了1.5微米的液晶分子的排列最小周期（對應于液晶分子旋轉180度的距離），這是目前可達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）作為原料旋涂到經過光取向的基底上，然后利用光聚合成按照設計方向排列的高分子。每一個液晶PB微透鏡需要經過幾次旋涂-聚合的過程來達到需要的相位延遲。
該文設計并制作了一些列不同尺寸和焦比的液晶PB微透鏡，實現了焦比低至2的微透鏡（對應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散函數表明它們的成像質量都達到了衍射極限。
展開 [TechwizD和TX液晶顯示軟件] TechWiz LCD 2D：液晶透鏡模擬
LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優點，在光學系統中被認為是一個很有前途的研究領域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調節，因此可以在有限的空間內改變焦距。在LC透鏡結構中，可以通過TechWiz Ray 2D進行光程差和焦距的計算，并進行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務
1.1 模擬條件
模擬區域：0~200
邊界條件：Periodic
偏移角度：0°
單位長度：0.5
1.2堆棧結構
2. 建模過程
2.1創建堆棧結構
2.2修改各層參數和創建掩膜
3. 結果分析
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 TechWiz LCD 2D：液晶透鏡模擬
LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優點，在光學系統中被認為是一個很有前途的研究領域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調節，因此可以在有限的空間內改變焦距。在LC透鏡結構中，可以通過TechWiz Ray 2D進行光程差和焦距的計算，并進行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務
1.1 模擬條件
模擬區域：0~200
邊界條件：Periodic
偏移角度：0°
單位長度：0.5
1.2堆棧結構
2. 建模過程
2.1創建堆棧結構
2.2修改各層參數和創建掩膜
3. 結果分析
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 TechWiz LCD 2D：液晶透鏡模擬
LC透鏡由于具有體積小、焦距可變等優點，在光學系統中被認為是一個很有前途的研究領域。
由于LC材料的折射率可以通過施加電壓來調節，因此可以在有限的空間內改變焦距。在LC透鏡結構中，可以通過TechWiz Ray 2D進行光程差和焦距的計算，并進行高級LC分析，包括LC指向矢隨外加電壓的分布。
1. 建模任務
1.1 模擬條件
模擬區域：0~200
邊界條件：Periodic
偏移角度：0°
單位長度：0.5
1.2堆棧結構
2. 建模過程
2.1創建堆棧結構
2.2修改各層參數和創建掩膜
3. 結果分析
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
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lexEnable開發柔性液晶薄膜：解決AR和VR設備中光學性能和穿戴舒適性問題
利用TAC材料，FlexEnable能夠制造出具有優良光學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光學應用的雙軸曲線需求（如圖4所示）。
圖4. FlexEnable使用TAC基板制作的液晶盒結構示意圖，圖片來源：FlexEnable
通過進一步結合OTFT陣列甚至OTFT驅動電路，設計人員理論上還可以實現像素級功能（例如，像素級調節環境光）。
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，它的質量小于40mg，可以進一步集成有源矩陣和使用有機電子器件的集成驅動，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、可實現環境光調節的可調諧透鏡。即使這些液晶盒被多次堆疊，其整體結構仍然非常輕薄。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，設計人員還可以將不同的LC透鏡插入到光路內的不同位置，與不同的固定光學器件配對。
圖5.（a）基于TAC膜基板制作的可調節環境光的液晶盒單元，以及（b）在TAC膜基板上制作的可調諧透鏡（0.25屈光度），來源：FlexEnable
基于TAC薄膜基板制作的液晶盒單元，還有另一個優點，那就是它們可以在制造后，進一步通過雙軸熱成型工藝，與其他雙軸彎曲的固定光學器件或護目鏡貼合在一起。
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，在平面狀態下制造出來的。這樣做是為了在加工過程中保持產品的平面度和尺寸穩定性。
展開 [TechwizD和TX液晶顯示軟件] Techwiz LCD 2D應用：二維LC透鏡建模分析
摘要
Techwiz LCD 2D新增Lens掩膜結構，可以方便快捷的對LC 透鏡進行建模分析。 LC透鏡由于體積小、焦距可變等優點，被認為是光學系統中一個很有前景的研究領域。在有限的空間內改變焦距是可能的，因為LC材料的折射率可以通過施加電壓來調節。在LC透鏡結構中，可以通過TechWiz LCD 2D進行光程差和焦距的計算，以及包括施加電壓的LC導向分布在內的高級LC分析。
2. 建模流程
1. 增加了生成2D透鏡(Lens)結構的功能。
1） 添加掩膜:
2） 生成透鏡掩膜結構（Taper Model：Lens）
3） 設置“透鏡厚度”、“曲率半徑”和“分層數”
半徑: 輸入鏡頭的曲率半徑。
分層數: 輸入鏡頭的分層數。(隨著層數的增加，曲面變得更像一個圓)
3. 結果分析
光線追跡和LC透鏡焦點分析
展開 面向大口徑超薄平面光學器件及應用：PB相位液晶光子技術
由于感生偶極矩作用，液晶分子排列能夠通過電場進行操控，進而主動控制液晶器件的特性，便于制造主動液晶光柵、可調液晶微透鏡陣列等核心光學部件。
波前像差小：光學幾何相位分布通過液晶分子取向控制獲得，在0至2π相位突變位置，自組裝液晶分子指向平滑連續，便于消除拼接等成像誤差；
工作參數便于擴展。將多層液晶器件堆疊，能夠擴展光束調控的自由度。例如，將多個偏振光柵堆疊，能夠實現大角度、小間隔光束掃描。將多個渦旋波片堆疊，能夠實現多種拓撲荷光束輸出。將多個透鏡堆疊，能夠實現不同焦距的液晶成像系統。
高透過率>90%：通過材料優化，液晶或者液晶聚合物薄膜能夠在400 nm 至 3000 nm范圍或者特定波段范圍內幾乎無吸收；
高信賴性：LCP薄膜可在-50~200 ℃的極端環境下維持光學效果，且具有優秀的耐濕、耐壓、耐化學腐蝕等性能，光學性能不會因光配向層退化而改變。
光學口徑易拓展：通過旋涂、刮涂等工藝可拓展器件口徑大小，制作滿足低光學畸變、延遲量高度均勻標準的LCP光學元件。
寬波段、大視角應用可行：液晶除了面內指向外，還擁有分子縱向扭曲自由度，通過設計多層扭曲結構，能夠實現寬波段、大視角應用的平面光學器件；
鑒于2010年以來液晶光配向材料和工藝的蓬勃發展，這種基于液晶光學幾何相位的平面光學元件在近年來受到科研學者和光學研發工程師的廣泛關注，產生大量的材料、工藝解決方案與終端產品，包括液晶光配向材料、圖形化液晶光配向工藝以及各類平面光學器件，如液晶偏振光柵、液晶平板透鏡、液晶渦旋波片、液晶艾里光模板和各類計算全息設計等。
展開 NB｜宏碁展示概念筆記本電腦，屏幕可實現裸眼3D
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陣列決定如何為每只眼睛分割圖形。
其結果是能夠使視覺效果 "漂浮"在顯示屏表面。事實上，我們已經在汽車應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。不過，宏碁正在推動它作為一種方式，讓三維設計師對他們的手工作品有一個更直觀的觀察方式，同時支持旋轉、移動和放大三維模型。
"能夠以1:1的比例看到他們的創作，可以加快發現問題的過程，并確保三維設計與他們的原始概念設計相匹配，"宏碁建議表示。"例如，產品設計師可以使用SpatialLabs模型瀏覽器，在投入時間和資源進行打印或加工之前，了解他們正在制作的物品的外觀。此外，像改變模型的HDRI背景的功能可以讓它們在一個自然、真實的環境中被展示出來"。
默認情況下，宏碁ConceptD SpatialLabs原型筆記本使用2D模式以獲得最大分辨率。然而，當使用SpatialLabs體驗中心的應用程序被加載時，它會自動切換到3D模式，內置的3D模型查看器支持Blender和Autodesk Fusion 360等主要格式，并能隨著查看者的頭部移動自動移動模型。
同時，SpatialLabs Go是宏碁自己開發的應用，用于將并排的全屏內容渲染成3D。例如，一旦你創建了一個Blender對象，宏碁的工具就可以把它轉換成特殊顯示器可以顯示的3D格式。此外，還包括一個原生的并排立體3D視頻播放器。最后，還有PiStage for Maya。
展開 TechWiz 3D應用：液晶相位光柵
TechWiz
在光學設置中包含透鏡系統液晶相位光柵
建模任務
液晶光柵利用了液晶折射率等光學特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產生的相位差及偏轉特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學計算處理、衍射光學、三維 圖像顯示和光電開關等許多領域具有廣泛的應用前景。
條件設置：
邊界條件：周期邊界條件
預傾角：1°
方位角：90°
液晶參數：Δε=5 Δn=0.139
光源：λ=633nm 水平線偏振光
器件結構(FFS型)
結果
不同位置在不同電壓下產生的相位延遲
施加電壓后產生的衍射圖樣
展開 TechWiz 3D應用：液晶相位光柵
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TechWiz
在光學設置中包含透鏡系統液晶相位光柵
建模任務
液晶光柵利用了液晶折射率等光學特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產生的相位差及偏轉特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學計算處理、衍射光學、三維 圖像顯示和光電開關等許多領域具有廣泛的應用前景。
條件設置：
邊界條件：周期邊界條件
預傾角：1°
方位角：90°
液晶參數：Δε=5 Δn=0.139
光源：λ=633nm 水平線偏振光
器件結構(FFS型)
結果
不同位置在不同電壓下產生的相位延遲
施加電壓后產生的衍射圖樣
展開 Comsol的電潤濕液態鏡頭多物理場耦合仿真 ￥2800
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>電潤濕液態鏡頭</p><p> 電潤濕液態鏡頭與傳統透鏡有所不同，液體透鏡是一種使用一種或多種液體制成的無機械連接的光學元件，可以通過外部控制改變光學元件的內部參數，有著傳統光學透鏡無法比擬的性能。簡單來說就是透鏡的介質由玻璃變為液體。更準確地來說就是一種動態調整透鏡折射率或通過改變其表面形狀來改變焦距的新型光學元件。</p><p> 就目前研究成果來看，液態鏡頭主要分為三大類：漸變折射率透鏡（液晶）、液體填充式透鏡、電潤濕效應透鏡。</p><p>下面分別介紹這三種液態鏡頭：</p><p> 漸變折射率透鏡，是改變施加在液晶上的電壓，從而來調節液晶折射率，從而實現變焦。這種技術的優點是：控制電壓低，容易實現陣列化；但缺點也很明顯：焦距可調范圍小、光能損失大，加上液晶在電場中的非均勻性會造成較大的光學失真，導致成像扭曲。</p><p> 液體填充式透鏡，是通過填充和吸出液體使表面的曲率發生變化而變焦的透鏡，使用機械裝置對腔內液體施加壓力，從而使液體在體腔內重新分配，改變曲率半徑。這種方法驅動功耗小，鏡頭光圈大小靈活、外形僅有薄膜力學性能決定，與填充液體無關、變焦范圍大等優點。其缺點是：鏡頭較大時對震動和重力的影響較為敏感、結構較為復雜。
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五維智能感知——下一代光學的百年演進
[13]
2.2 液體透鏡：可編程的調焦機制
液體透鏡通過改變液體界面曲率來調節焦距，是光收集工具中第二個實現產業化的技術，為五維傳感提供了可編程的“注意力機制”。
液體透鏡的概念提出較早，但真正的產業化始于2000年代。法國Varioptic公司于2002年成立，率先將電潤濕型液體透鏡推向市場。此后，瑞士Optotune、美國Corning等企業相繼進入。
2025年發表于《Sensors and Actuators A》的一項研究實現了在液體透鏡振蕩期間捕獲清晰圖像的自動對焦系統，利用原位視覺處理器實現了0.3ms的實時對焦評估，延遲僅2ms，系統成本僅10美元。[14] OPT Machine Vision于2025年推出的COBRA系列液體定焦鏡頭實現了小于4毫秒的超快速自動對焦。[15] 消費級方面，2026年初IXI Eyewear推出了重量僅22克的超輕自適應液晶透鏡眼鏡。根據行業報告，液體聚焦透鏡市場預計將以7.60%的年復合增長率增長。[16]
2.3 超構表面：像素級先驗的硬件化載體
超構表面是三類工具中最晚興起的技術，由亞波長結構組成的二維平面光學元件，代表了“平面光學”的新范式。[17]
超構表面的研究熱潮始于2010年代。2011年，哈佛大學Capasso課題組在《Science》上發表論文，提出利用V形納米天線實現相位突變的廣義斯涅耳定律，開啟了超構表面的系統性研究。此后，該技術迅速從實驗室走向產業化。
意法半導體與Metalenz的合作是超構光學大規模產業化的里程碑。自2022年以來，ST已累計出貨超過1.4億顆使用Metalenz IP的超構光學元件和FlightSense? dToF模塊。[18] 2025年7月，ST與Metalenz簽署了新的許可協議，將超構光學IP擴展到更廣泛的傳感器領域。
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