LensVector可调式液晶透镜

LensVector

可调式液晶透镜

LensVector

可调式液晶透镜

Tigran Galstian, Peter Clark, Suresh Venkatraman / LensVector

摘要

介绍液晶的一般特性。

说明为何液晶适合并如何以它来制作可调式透镜，

阐述可调式透镜的光电

特性、光学功率（它是透镜厚度与通光口径宽度的函数）

及 LensVector

自动对焦液晶透镜（

及运作原理。

介绍偏振独立透镜的做法

LVAF ）的重要特性。

1.

液晶简介

向列型液晶（ NLC ）是由瘦长形或碟形的分子所构成的液体（图 1 ）。通常那些分子能像液体般的移动，但它们的轴都指向同一个固定方向（称为 “指向 ”），也就是向列型液晶的局部光轴。这种现象使得这种液体在光学上具有水晶般的异向性或双折射性 （即方向性依赖） ，所以它们才被称为液晶 [ 参考文献

1] 。

图 1 ：一般的液晶结构（左）与示意形状（右）

当任意偏振的光（例如）进入像 NLC 这种会双折射的材质时，我们可以把光的传输过程分为快线性偏

振分量（称为 “平常光 ”）与慢线性偏振分量（称为 ”）。

“异常光

举例说明，假设光是穿过厚度为

所示。

L、分子位于

x-z

平面上的

NLC （指向与

x 轴平行），如图

2

图 2 ：液晶的排列与双折射性

在图 2 中，光是从左到右，沿着

z 轴行进。入射光没有偏振，或者更准确地说，它是被线性偏

NLC 的 x 轴和 y 轴上两个直角偏振振幅分

振、并具有不可预期的随机经度。这种随机经度等于

量的向量和（参见图

子的方位之外。

3 ）。我们把它们定义为入射光的垂直与水平偏振分量，并独立于

NLC

分

图 3 ：入射光的任意偏振角可分解为水平与垂直偏振分量

由于

NLC

会双折射，因此光的垂直与水平偏振分量是以不同的相位速度行进。如图

NLC

来说，垂直偏振分量（为异常光，因为它在指向的平面上）所呈现的是最大可能折射率

2 所显示的

nII

（一般为

~1.7

），水平偏振分量（为平常光，因为它跟指向的平面成直角）所呈现的则是最小

折射率 n

（一般为

~1.5 ） [参考文献 2] 。两个折射率的差异显现了材质的双折射性（

n = nII –

n ，一般为 ~0.2

）。就任意动向的分子而言，平常光与异常光的相位延迟为：

公式（

1 ）

其中 λ是光在真空环境中的波长，

Δneff

是

n

e 和

n

o（异常光和平常光的折射率）的实际差异，

是材质的厚度。

为了清楚呈现 NLC 分子相对于纸平面的动向， 我们把它画成 2D 图表呈现，并以红（圆点）来显示跟纸平面成直角旋转的分子，以蓝（椭圆）来显示跟纸平面成平行旋转的分子。如图所示。

图 4 ： NLC

分子的

2D

示意图

除了动向不同外，图

4 中所显示的分子在其他方面都一样。

2. 可调式液晶透镜的运作原理

如图 5 所示，一般显示器的液晶板是由夹在两个透明导电层（电极）之间的

NLC 分子所组成，而导电层通常是由沉积在玻璃基板上的铟锡氧化物（

ITO ）所制成。透明导电层上涂有指向涂料

（通常是通过磨刷处理过的聚酰亚胺），以提供

NLC 分子 “断电 ”时的初始位置及角度。如图

所显示的液晶板来说，

NLC

的分子是跟纸的平面平行，指向则是朝向纸的上方。

L

4

5

图 5：一般

NLC

液晶板的示意图

NIC

，电场就

对透明电极提供电力信号（电压）， NLC 层就会形成电场。对介电异向性为正的会引动它的电偶极，使 NLC 的指向转为跟电场一致。如图 6 所示。

图 6 ： NLC

的分子在具电场环境时的旋转例

电场的强度决定了分子的旋转角度，

显示了光线从左行进到右，水平（

同时也决定了旋转时在同一平面上偏振的光线折射率。

H ）偏振跟纸成直角，垂直（

图

7

V）偏振则跟纸的平面平行。当

nII （不发出信

NLC 的分子跟纸的平面成平行旋转时，异常光（

号，指向是朝向纸上方）变成最小值

下，平常光（ no ）所呈现的折射率则都是

n 。

n

e ）所呈现的折射率会从最大值

n

（发出强烈信号，指向是朝向纸右方）。而在三种情况

图 7 ： NLC 的分子跟纸的平面成平行旋转，并影响到垂直偏振的光线

图 7 中，垂直偏振光（为异常光，因为它在指向的平面上）的折射率改变了，水平偏振光则不

变。若是把第二个类似的液晶板加到第一个（但不管怎样， 它的光轴相对于第一个液晶板的轴都

是转成 90 角），水平偏振光也会受影响。因此，试想一种情况是，一模一样的 NLC 分子现在的动向是跟纸的平面成直角，如图 8 所示。此时原有水平偏振光（现在是异常光）的折射率就改变了，垂直偏振光则不变。注意图 7 和图 8 都是液晶板的异常折射率改变，但平常折射率不变。

图 8 ： NLC

的分子转为跟纸平面成

，并影响到水平偏振光

在平常 NLC

液晶板的例子中， 例如图

5 所显示的情况，

整个液晶板的

它表现得像个均匀的玻璃平面，除了折射率改变以外，不会对焦。请参照图

NLC 分子旋转是一致的，

9 。

图 9 ：液晶板的分子统一旋转，无法产生对用

LensVector

在透明的 ITO

电极之间采用了专利的控制机制

包含了两种商用材料

HiddenLayer?

，而得以靠电力的

变化来对焦光线。 HiddenLayer?

射率 n ），但电气特性不同（介电质

Mat

1 和 Mat

2 ，它们的光学特性相同

（折

）。请参照图

10 。

图 10 ： NLC

分子结合

HiddenLayer?

控制机制

对透明电极发出电力信号，

Mat1

和 Mat2 不同的介电质就会使电场强度随着空间坐标而变化

（从

液晶板的中心到周边）。

NLC 的分子会依照局部电场的强度比例来旋转，并在

11 。

NLC

的分子形成

梯度式折射率。请参照图

图 11 ： HiddenLayer?

形成梯度式折射率

n （ r ）

因此，对结合

HiddenLayer?

（下文以 “可调式透镜组件 ”表示）的 NLC 分子发出信号时，

NLC

分子就会表现得像个梯度式折射率透镜（ GRIN ）。 GRIN 透镜的光学功率（ OP ，即焦距公尺数的逆数）

在定义上是指透镜所能聚光的程度，它是透镜中心与周边折射率差的函数。

公式（

2 ）

其中 OP 是以屈光度来表示， L 和 A 则是以公尺来表示。 A 是通光口径的直径， L 是 NLC 厚度，

ΔnLC

的最大值则受限于

NLC

层的双折射性（

Δn），参见公式

1。

层的

ΔnLC

= n ec

- n ep

是中心（

n ec

）和周边（

n ep

）异常光（透镜的中心与周边）穿越时的实际折射率差。

电力信号的强度不同会改变可调式透镜组件的折射率梯度，

号）时的动向，这时

因而形成不同的光学功率与可调式透

镜。请参照图

12 。下图（图 12-a ）显示的是 NLC 的分子在可调式透镜组件断电（即未发出信

NLC 分子的动向是取决于指向涂料。在通电时，可调式透镜组件会受到驱

12-c ）。此时可微调驱动信

12-b ）。

。

动，并使所有的

NLC 分子完全旋转，所以还是不会有光学功率（图

号，以便使电场强度产生所需的折射率梯度，以及连带所需要的光学功率（图

调整电力信号的频率也可以改变

NLC 分子的排列 （进而改变透镜的折射率与对应的光学功率）

HiddenLayer?

）两种材料的介电质则相去甚远

ε 2 =

上述讨论的着眼点在于驱动频率，而（

ε2 >>

ε1。但要是驱动频率选择得宜，那这些介电质就会变得相等（

ε1）。这会造成

NLC 的分

就能改变透镜的

子统一排列，进而降低透镜的光学功率。因此，我们只要调整电力信号的频率，

光学功率。

图 12 ：液晶板出现非统一的分子旋转，并形成不同的光学功率

3. 打造偏振独立的液晶透镜

单一可调式透镜元件只对一个偏振分量的光产生对焦，

学作用。 请参照图 13 。下图中的蓝分子代表，

而对直角 （直角光） 的偏振分量不产生光

可调式透镜元件的

NLC 分子跟纸平面成平行旋

转。图 7 中曾讨论过，这些分子只会影响到垂直偏振光。下图中的红分子代表，可调式透镜

元件的 NLC 分子跟纸平面成直角旋转。图

8 中曾讨论过，这些分子只会影响到水平偏振光。

图

13

：一个可调式组件只锁定光的一个偏振分量

因此， LensVector 自动对焦液晶透镜（ LVAF ）是由两个彼此相连、直角动向的可调式透镜所组成。

并形成请参照图 14 。当 LVAF 发出信号，两个 NLC 液晶板里就会产生相同的电场分布，相同的折射率梯度。

如此一来， 两个可调式透镜组件就会以同步的方式对两个直角偏振分量产生作用，并使可调式透镜得以对焦，而不受入射光的偏振的影响。

图 14 ： LVAF

是由两个直角动向的液晶板所组成。右侧显示的是同样的光学模型

由于跟透镜的焦距比起来，

LVAF 的两个可调式透镜组件隔得很近，因此垂直与水平偏振图像等

15 显示了由 LVAF 驱动的照相模块所拍

于是重叠在一起。

LVAF 对于图像质量几乎无影响。图

摄的近景和远景聚焦图像，它所采用的是 1/5 ”光学格式； 300 万像素传感器，以及由三片塑胶镜片组成的 F/2.8 定焦镜头。

图 15 ：使用 LVAF 1/5 ”

照相模块

300

万像素所拍摄的图像

4. 可调式液晶透镜的重要特性

图 16 所显示的是 LVAF 的可调式液晶透镜示意图，以及它的一些主要特性。

图 16 ： LVAF

的主要属性

光圈环是可以让光穿过透镜的开口。

是用来防止受到边缘的影响。

通光口径是 LVAF 的可用光学面积， 比光圈环的直径小一点，

LVAF 有四个电接点，驱动信号就是由此传送的。

，重 22 mg ， LVAF 能让小到 4.5 x 4.5 mm

LVAF 的大小为 4.5 x 4.5 x 0.5 mm

块产生从无限远到 10 cm

的照相模

的焦距。值得注意的是， 现有量产的最小机械式自动对焦模块是8.5 x

VCM ）来移动相当于 LVAF 厚度的镜身距离，来达到从无限

LVAF 装在传统自动对焦模块的现有定焦镜头上，并不会增

X-Y 维的大小。事实上，音圈马达对于X-Y

维的长宽要求

X-Y 维与音

请参照图 17 。

8.5 mm ，而且它使用音圈马达（

远到 10 cm 的对焦。因此，要是把

加模块的 Z 维厚度，但却能大幅降低

很高，因为它必须提供足够的空间来容纳线圈和磁铁来有效的移动镜头。若在外部

圈马达（ VCM ）相同的情况下， 采用 LVAF 的模块就能使用进光孔径较大的透头。

要好。

因此，由 LVAF 驱动的自动对焦模块在低光度时的效果会比传统由音圈马达驱动的自动对焦模块

图

17

：在

X-Y

维固定的情况下，

LVAF

可以采用口径较大的透镜

最后，由于 LVAF 可以装在镜头的任何地方，

式自动对焦镜头设计）。

所以镜头可以设计得比较薄

（而有别于传统的机械

以公式 2 来说，当两个 LVAF 的厚度相同时，通光口径较小的同样地，当两个 LVAF 的通光口径相同时， NLC 液晶板较厚的

LVAF

会产生比较大的光学功率。

LVAF

会产生比较大的光学功率。

光学功率、通光口径和透镜厚度的关系如下：

公式（

3 ）

当液晶板的厚度缩小时， NLC 的分子回转（松弛）得比较快。因此，当 LVAF 的自动对焦（比较薄的

AF ）

时候，它聚光的速度就比较快。比较薄的 LVAF 也具有较好的传输率（光线穿过的百分比）。对焦速LVAF

度、透光率和厚度的关系如下 [ 参考文献 3] ：

公式（

4 ）公式（

5

）

事实上，要注意的重点是， NLC 分子重新定向和松弛的速度并不相同。这就是为什么采用标准的自动对焦搜寻算法，虽然能提供不错的对焦时间，但我们还是强力推荐使用 LensVector 开发并取得专利的自动对焦算法，因为它适用于 NLC 透镜，在对焦时间上也快得多。

参考文献

[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 Crystal Materials,

（Springer-Verlag, N.Y., 1994

） , pp. 459.

[3]. K. Asatryan, V. Presnyakov, A. Tork, A. Zohrabyan, A. Bagramyan, T.

Galstian,

” Optical lens with electrically variable focus using an optically hidden

dielectric structure,

” Optics Express, Vol. 18, Issue 13, pp. 13981

-13992

（ 2010

所

） .