LensVector可調(diào)式液晶透鏡

1、LensVector可調(diào)式液晶透鏡                           LensVector 可調(diào)式液晶透鏡         Tigran Galstian, Peter Clark, Suresh Venkatraman / Len

2、sVector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）。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

3、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，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

4、：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（n = 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：          

5、0;                    公式（1） 其中是光在真空環(huán)境中的波長，neff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示意圖 除了動向不同外，圖4中所顯示的分子在

6、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，使NLC的指向轉(zhuǎn)為跟電場一致。如圖6所示。  圖6：NLC的

7、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

8、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

9、LensVector在透明的ITO電極之間采用了專利的控制機制HiddenLayer，而得以靠電力的變化來對焦光線。HiddenLayer包含了兩種商用材料Mat1和Mat2，它們的光學(xué)特性相同（折射率n），但電氣特性不同（介電質(zhì)e）。請參照圖10。 圖10： NLC分子結(jié)合HiddenLayer控制機制 對透明電極發(fā)出電力信號，Mat1和Mat2不同的介電質(zhì)就會使電場強度隨著空間坐標(biāo)而變化（從液晶板的中心到周邊）。NLC的分子會依照局部電場的強度比例來旋轉(zhuǎn)，并在NLC的分子內(nèi)形成梯度式折射率。請參照圖11。 圖11：HiddenLayer形成梯度式折射率n（r） 因此，對結(jié)合HiddenLa

10、yer（下文以“可調(diào)式透鏡組件”表示）的NLC分子發(fā)出信號時，NLC分子就會表現(xiàn)得像個梯度式折射率透鏡（GRIN）。GRIN透鏡的光學(xué)功率（OP，即焦距公尺數(shù)的逆數(shù)）在定義上是指透鏡所能聚光的程度，它是透鏡中心與周邊折射率差的函數(shù)。                公式（2） 其中OP是以屈光度來表示，L和A則是以公尺來表示。A是通光口徑的直徑，L是NLC層的厚度，nLC= nec - nep是中心（nec）和周邊（nep）異常光（透鏡的中心與周邊）穿越時的

11、實際折射率差。nLC的最大值則受限于NLC層的雙折射性（n），參見公式1。電力信號的強度不同會改變可調(diào)式透鏡組件內(nèi)的折射率梯度，因而形成不同的光學(xué)功率與可調(diào)式透鏡。請參照圖12。下圖（圖12-a）顯示的是NLC的分子在可調(diào)式透鏡組件斷電（即未發(fā)出信號）時的動向，這時NLC分子的動向是取決于指向涂料。在通電時，可調(diào)式透鏡組件會受到驅(qū)動，并使所有的NLC分子完全旋轉(zhuǎn)，所以還是不會有光學(xué)功率（圖12-c）。此時可微調(diào)驅(qū)動信號，以便使電場強度產(chǎn)生所需的折射率梯度，以及連帶所需要的光學(xué)功率（圖12-b）。 調(diào)整電力信號的頻率也可以改變NLC分子的排列（進而改變透鏡的折射率與對應(yīng)的光學(xué)功率）。上述討論的著

12、眼點在于驅(qū)動頻率，而（HiddenLayer）兩種材料的介電質(zhì)則相去甚遠2 >> 1。但要是驅(qū)動頻率選擇得宜，那這些介電質(zhì)就會變得相等（2 = 1）。這會造成NLC的分子統(tǒng)一排列，進而降低透鏡的光學(xué)功率。因此，我們只要調(diào)整電力信號的頻率，就能改變透鏡的光學(xué)功率。 圖12：液晶板出現(xiàn)非統(tǒng)一的分子旋轉(zhuǎn)，并形成不同的光學(xué)功率 3.打造偏振獨立的液晶透鏡 單一可調(diào)式透鏡元件只對一個偏振分量的光產(chǎn)生對焦，而對直角（直角光）的偏振分量不產(chǎn)生光學(xué)作用。請參照圖13。下圖中的藍色分子代表，可調(diào)式透鏡元件的NLC分子跟紙張平面成平行旋轉(zhuǎn)。圖7中曾討論過，這些分子只會影響到垂直偏振光。下圖中的紅色分子

13、代表，可調(diào)式透鏡元件的NLC分子跟紙張平面成直角旋轉(zhuǎn)。圖8中曾討論過，這些分子只會影響到水平偏振光。 圖13：一個可調(diào)式組件只鎖定光的一個偏振分量 因此，LensVector自動對焦液晶透鏡（LVAF）是由兩個彼此相連、直角動向的可調(diào)式透鏡所組成。請參照圖14。當(dāng)LVAF發(fā)出信號，兩個NLC液晶板里就會產(chǎn)生相同的電場分布，并形成相同的折射率梯度。如此一來，兩個可調(diào)式透鏡組件就會以同步的方式對兩個直角偏振分量產(chǎn)生作用，并使可調(diào)式透鏡得以對焦，而不受入射光的偏振的影響。 圖14：LVAF是由兩個直角動向的液晶板所組成。右側(cè)顯示的是同樣的光學(xué)模型 由于跟透鏡的焦距比起來，LVAF的兩個可調(diào)式透鏡組件

14、隔得很近，因此垂直與水平偏振圖像等于是重疊在一起。LVAF對于圖像質(zhì)量幾乎無影響。圖15顯示了由LVAF驅(qū)動的照相模塊所拍攝的近景和遠景聚焦圖像，它所采用的是1/5”光學(xué)格式；300萬像素傳感器，以及由三片塑膠鏡片組成的F/2.8定焦鏡頭。 圖15：使用LVAF 1/5” 照相模塊300萬像素所拍攝的圖像 4.可調(diào)式液晶透鏡的重要特性 圖16所顯示的是LVAF的可調(diào)式液晶透鏡示意圖，以及它的一些主要特性。 圖16：LVAF的主要屬性 光圈環(huán)是可以讓光穿過透鏡的開口。通光口徑是LVAF的可用光學(xué)面積，比光圈環(huán)的直徑小一點，是用來防止受到邊緣的影響。LVAF有四個電接點，驅(qū)動信號就是由此傳送的。

15、LVAF的大小為4.5 x 4.5 x 0.5 mm，重22 mg，LVAF能讓小到4.5 x 4.5 mm的照相模塊產(chǎn)生從無限遠到10 cm的焦距。值得注意的是，現(xiàn)有量產(chǎn)的最小機械式自動對焦模塊是8.5 x 8.5 mm，而且它使用音圈馬達（VCM）來移動相當(dāng)于LVAF厚度的鏡身距離，來達到從無限遠到10 cm的對焦。因此，要是把LVAF裝在傳統(tǒng)自動對焦模塊內(nèi)的現(xiàn)有定焦鏡頭上，并不會增加模塊的Z維厚度，但卻能大幅降低X-Y維的大小。事實上，音圈馬達對于X-Y維的長寬要求很高，因為它必須提供足夠的空間來容納線圈和磁鐵來有效的移動鏡頭。若在外部X-Y維與音圈馬達（VCM）相同的情況下，采用LVA

16、F的模塊就能使用進光孔徑較大的透頭。請參照圖17。因此，由LVAF驅(qū)動的自動對焦模塊在低光度時的效果會比傳統(tǒng)由音圈馬達驅(qū)動的自動對焦模塊要好。 圖17：在X-Y維固定的情況下，LVAF可以采用口徑較大的透鏡 最后，由于LVAF可以裝在鏡頭內(nèi)的任何地方，所以鏡頭可以設(shè)計得比較?。ǘ袆e于傳統(tǒng)的機械式自動對焦鏡頭設(shè)計）。 以公式2來說，當(dāng)兩個LVAF的厚度相同時，通光口徑較小的LVAF會產(chǎn)生比較大的光學(xué)功率。同樣地，當(dāng)兩個LVAF的通光口徑相同時，NLC液晶板較厚的LVAF會產(chǎn)生比較大的光學(xué)功率。光學(xué)功率、通光口徑和透鏡厚度的關(guān)系如下：     &

17、#160;                      公式（3） 當(dāng)液晶板的厚度縮小時，NLC的分子回轉(zhuǎn)（松弛）得比較快。因此，當(dāng)LVAF的自動對焦（AF）比較薄的時候，它聚光的速度就比較快。比較薄的LVAF也具有較好的傳輸率（光線穿過LVAF的百分比）。對焦速度、透光率和厚度的關(guān)系如下參考文獻3：       

18、60;                                 公式（4）公式（5） 事實上，要注意的重點是，NLC分子重新定向和松弛的速度并不相同。這就是為什么采用標(biāo)準(zhǔn)的自動對焦搜尋算法，雖然能提供不錯的對焦時間，但我們還是強力推薦使用LensVector所開發(fā)并取得專利的自動對焦算法，因為它適用于NLC透鏡，在對焦時間上也快得多。 參考文獻 1. P.G. de Gennes and J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, （Oxford University Press, 1995）, 2nd Edition. 2. L. M. Blinov and V. G. Chigrinov, Electrooptic effects in Liquid