提升液晶透鏡成像質(zhì)量的方法：減少由液晶材料取向波動(dòng)引起的霧度

液晶（LC）透鏡的霧度一直是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）及其它光學(xué)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，但是一項(xiàng)新的研究成果為工程師和研究人員增進(jìn)了對(duì)霧度產(chǎn)生的根本原因的理解。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，彈性常數(shù)和電場(chǎng)有助于最大限度地降低霧度。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，具有電可調(diào)焦距的液晶透鏡因其在眼科、三維顯示、智能手機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）方面的應(yīng)用潛力而備受關(guān)注。梯度折射率（GRIN）液晶透鏡的光學(xué)機(jī)制主要是通過(guò)液晶的分子取向?qū)θ肷淦癫ǖ恼凵渎史植歼M(jìn)行電調(diào)節(jié)。

盡管液晶透鏡于1979年首次提出，但由于液晶的化學(xué)和物理限制，許多挑戰(zhàn)阻礙了液晶透鏡的應(yīng)用。例如，同時(shí)擁有大光圈尺寸和短焦距（或大透鏡倍率）的梯度折射率液晶透鏡一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。為了在大孔徑尺寸（>10 mm）下獲得短焦距，必須通過(guò)多層液晶結(jié)構(gòu)來(lái)加厚液晶層。該多層液晶結(jié)構(gòu)在不犧牲響應(yīng)時(shí)間的情況下表現(xiàn)出偏振無(wú)關(guān)性、大孔徑尺寸和透鏡倍率的大可調(diào)范圍。然而，這種方式的高驅(qū)動(dòng)電壓（～90 Vrms）和不可避免的霧度影響了液晶透鏡的成像質(zhì)量并阻礙了實(shí)際應(yīng)用落地。

使用棒狀液晶分子的梯度折射率液晶透鏡中的霧度是由于液晶分子的不良排列和取向波動(dòng)而導(dǎo)致光散射造成的。取向波動(dòng)源于液晶的熱致特性。許多研究提出了減少液晶相位延遲器中由取向波動(dòng)引起的光散射的方法，例如增大工作電壓或磁場(chǎng)、更薄的液晶層以及增加錨定能（anchoring energy），以幫助液晶分子沿著某些方向更好地排列以及抵抗擾動(dòng)。

國(guó)立陽(yáng)明交通大學(xué)林怡欣（Yi-Hsin Lin）教授表示：“霧度是梯度折射率液晶透鏡中長(zhǎng)期存在的一個(gè)問(wèn)題，特別是因?yàn)槲覀兿Ｍ谘劭茟?yīng)用中采用大孔徑尺寸（30 mm甚至更大）。我們討論了液晶分子取向波動(dòng)導(dǎo)致液晶透鏡霧度的根本原因?！?/p>

理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，彈性常數(shù)和電場(chǎng)有助于最小化或抑制霧度。此外，霧度與雙折射率的平方除以彈性常數(shù)成線性比例。因此，在考慮這些因素后，液晶透鏡的成像質(zhì)量得到了改善，霧度降低了50%。通過(guò)去除液晶透鏡結(jié)構(gòu)中的緩沖層，驅(qū)動(dòng)電壓也降低了4倍，從80Vrms降至18Vrms。

液晶透鏡的結(jié)構(gòu)圖：（a）采用LN3；（b）采用LCM1790。（c）液晶透鏡的透鏡倍率與施加電壓的函數(shù)關(guān)系。

液晶透鏡在環(huán)境白光下的成像性能和測(cè)量的對(duì)比度：改進(jìn)型液晶透鏡（LN3） vs. 舊型液晶透鏡（LCM-1790）

基于向列液晶的彈性連續(xù)介質(zhì)理論，彈性常數(shù)較大的液晶需要接收更多的能量才能擾動(dòng)液晶分子，就像必須施加更多的力或能量來(lái)拉動(dòng)具有大彈性常數(shù)的彈簧一樣。因此，采用具有較高彈性常數(shù)的液晶材料的液晶透鏡可以減少由取向波動(dòng)引起的霧度。林怡欣教授的最新研究成果可以為工程師和研究人員提供更好的理解，以開(kāi)發(fā)更好的梯度折射率液晶透鏡。此類可調(diào)焦透鏡的應(yīng)用非常廣泛：智能眼鏡、AR/VR、便攜式成像系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué)等。

審核編輯：劉清