引 言

光学成像透镜,作为一种基本的光学元件,在日常生活、科研、军事、医疗等各个方面都扮演着重要的角色。随着科技的进步和发展,光学系统体积逐渐向小型化和集成化方向发展,而且性能稳定性要求也逐渐提高,因而普通材料的光学透镜已经不能满足精细小型光学系统的要求。近年来,基于液晶材料的微透镜逐渐发展起来,并越来越受到科研工作者和工业界的青睐。液晶微透镜是一种典型的微光学元件,具有体积小、厚度薄、易于集成、成像质量好、响应时间相对较快等优点;相比依赖厚度、折射率与焦距单一的传统固定透镜,液晶微透镜能够在毫秒量级的反应时间内在电场驱动调节下实现焦距的变化功能,因为是一种无机械运动部件的变焦器件,在光学成像、光束的控制与整形、微流体传感、自适应光学、生物医学、光子学等方面都有着广泛的应用价值^{[ 1,2,3,4 ]}。本文主要介绍液晶微透镜的基本原理,分析近年来研究的几种新型液晶微透镜类型,描述研究现状以及发展趋势。

1 液晶微透镜基本原理

传统光学透镜是通过改变均一折射率材料的厚度实现聚焦功能。例如双凸透镜,平凸透镜等。光学透镜采用固定折射率的同种材料,由于透镜面型厚度的不同造成光线的光程差最终形成聚焦的效果。而液晶透镜通常都是平板结构,由两块导电玻璃之间夹层液晶构成液晶盒结构。液晶透镜形成的根本原因是由于折射率的非均匀分布而不是厚度的变化,形成聚焦效果。通常的液晶透镜有两种类型,一种是简单的非对称电极结构,就是将液晶盒的导电玻璃一面刻 蚀出圆孔或者环带等形状,形成上下玻璃导电基板的非对称结构。 例如,如图 1所示的圆孔非对称结构液晶盒,这样在两片ITO导电玻璃施加电压的同时产生非均匀电场分布,对液晶指向矢产生诱导,形成非均匀的有效折射率分布,即液晶样品呈现出光学透镜渐变折射率梯度分布,造成对光线的偏折,达到聚焦效果,形成聚焦光学透镜。图 2是在电场作用下电力线空间分布模拟图。另外一种类型就是在平板对称的导电液晶盒内部制作成突起的球面面型结构,将液晶注入微结构,产生聚焦,但是在电场调控下,液晶光轴的转动产生折射率的变化,实现调节焦距的目的。

图 1

Fig. 1

图 1 圆孔非对称液晶盒结构Fig. 1 Circular and unsymmetrical liquid crystal cell

图 2

Fig. 2

图 2 圆孔型电极的电场和等势线分布模拟图Fig. 2 The electric field and equipotential distribution of the hole-type electrode

通常,液晶材料的电控折变特性得益于液晶是一种双折射物质。液晶材料分为近晶相,胆甾相和向列相。基本上用于制作液晶微透镜的液晶类型是向列相液晶,向列相液晶具有液体流动性,对液晶施加磁场或电场,液晶分子的指向矢会随磁场或电场分布形态的变化而发生转向,这种性质使液晶在光电子领域有着广泛的应用。

当电场施加到液晶上时,液晶的自由能密度表示为^{[ 5 ]}:

2 液晶微透镜的发展 2.1 液晶微透镜

目前,液晶微透镜以其优良的特性而被投入到了广泛的实际应用中,包括电控调焦微型投影机^{[ 6 ]}、电子成像系统^{[ 7,8 ]}、时间扫描立体显示技术^{[ 9 ]}、LED照明系统^{[ 10 ]}、以及与人类健康与工业安全密切相关的内窥镜技术 ^{[ 11 ]},在生产和生活中起到重要的作用。液晶透镜的提出可以追溯到上世纪八十年代末,1989年Nose等^{[ 12 ]}提出了液晶微透镜的单圆孔电极结构,就是将对称的ITO玻璃基板刻蚀成圆孔结构,形成非对称电极;1999年Naumov等^{[ 13 ]}通过改变材料厚度和光束折射率的分布,提出球型灌注式液晶微透镜,基本结构在ITO平板液晶盒的内部通过球形面型灌注液晶方式实现聚焦效果。2005年Ren等^{[ 14 ]}研制了一种90°扭曲向列相液晶正负微透镜,基本结构也属于平板型,如图 3所示,在电压改变的情况下,该液晶透镜的焦距可以从正值转换为负值,也能由负值回到正值。这样液晶透镜就实现了同时包含“正”和“负”两种透镜的功能,这是玻璃透镜所不能实现的。

图 3

Fig. 3

图 3 双胶合液晶微透镜结构Fig. 3 Structure of doublet liquid crystal micro-lens

随着研究的深入,液晶透镜的新方法和新工艺层出不穷,近两年,主要的改进集中在材料微观形貌结构的改善和复杂的电极设计上。例如,2012年,Hsu等 ^{[ 15 ]}报道了用圆孔非对称电极的掩膜光聚合曝光方式制作基于光致聚合固化的液晶透镜,结构如图 4所示,液晶盒经过了摩擦定向工艺,使得液晶和单体的排列有序,在电场作用下能够实现同轴的双焦点可调。

图 4

Fig. 4

图 4 紫外线光聚合同轴透镜Fig. 4 Schemes of a coaxial liquid crystal lens via UV photo polymerization

2013年美国肯特液晶中心(Kent State University)Li等报道^{[ 16,17 ]}了一种能够精确控制液晶位相包络分布而接近衍射极限的非固定电极“Floating Electrode”结构变焦液晶透镜,这种液晶透镜的结构如图 5所示。相对于传统的同轴环形电极,增加了独特的相邻电极之间的电阻网络设计,图 5(a)为白色镍线丝连接相邻电极而形成的寻址网络,图 5(b)为精确的透镜结构设计图,图 5(c)为接近衍射极限的实验用液晶透镜及驱动控制系统。当液晶透镜工作时,通过电极上大量的位相控制点,精确控制液晶透镜位相包络的形貌,因此制作出高效率的可变焦液晶透镜,光学分辨率接近衍射极限,透镜焦距可以实现从400 mm至无穷大。这种新型精确控制位相的液晶透镜为液晶微透镜性能改善提供了新方法。

图 5

Fig. 5

图 5 非固定电极变焦液晶透镜结构Fig. 5 Structure of floating electrode zoom liquid crystal micro-lens

除此之外,液晶透镜出现了多种新型的结构。例如将两层各向异性的聚合物薄膜作为分隔板以及配向膜,放在液晶盒中的结构^{[ 18 ]},以形成双层结构的液晶透镜,能有效降低驱动电压。还有将液晶透镜做成三电极^{[ 19 ]},这种透镜将其上基板分拆为两部分相互分离的电极,三个电极各自独立,这样液晶透镜的聚焦光轴可以实现随着电场驱动而调控。

除了传统的液晶材料,近年来,出现了很多液晶与聚合物混合材料体系的研究。液晶是具有很强流动性的物质,而聚合物则是固态物质,将二者的优势结合,就诞生了诸如在光照下聚合的“固态液晶”,例如聚合物分散液晶,聚合物网络液晶,聚合物稳定的蓝相液晶等新型的电场调控电光材料。在制作工艺难易程度,以及固态化易于集成方面,液晶/聚合物体系都比纯液晶具有更多的优势。

对于聚合物分散液晶材料(Polymer dispersed liquid crystal,PDLC),在光致相分离制备方法中,预聚物体系在光引发剂,光敏剂,交联剂等材料的辅助作用下,通过曝光,吸收光能并发生光聚合反应,预聚物与液晶微滴发生两相分离,预聚物固化聚合形成聚合物,与此同时,液晶迅速析出,之后这些液晶微滴被包围在聚合物网络中。PDLC材料在智能液晶窗和液晶显示技术上具有很好的应用。在PDLC液晶透镜方面,2004年Ren等^{[ 20 ]}利用弧形的电极,如图 6所示,用下层基板为球型ITO电极、上层基板为平面ITO电极的特殊结构液晶盒,产生中心对称的延径向渐变的非均匀电场。将此电场施加到PDLC或者纯液晶盒上制成液晶微透镜,实现焦距的调节。此外,首尔大学的Kim等^{[ 21 ]}研制了新型胶囊型聚合物/液晶透镜,如图 7所示,相对于传统的面型液晶透镜,他们采用了光敏聚合物外包层更加纤薄,液晶透镜的焦距缩短到了3 mm,性能得到了不断的优化。

图 6

Fig. 6

图 6 中心对称液晶盒结构Fig. 6 Centro-symmetric structure of liquid crystal cell

图 7

Fig. 7

图 7 新型胶囊型液晶微透镜结构与聚焦原理Fig. 7 Structure and zoom principle of capsule liquid crystal micro-lens

在近两年的研究趋势中,除了传统的聚合物分散液晶研究在持续外,聚合物稳定蓝相液晶(polymer-stabilized-blue phase liquid crystal,PS-BPLC)的研究受到广泛的关注。蓝相在1888年观察胆甾相液晶的时候就被发现,但是稳定区间非常窄(0.5～2 ℃),直到近年来出现了聚合物稳定的蓝相液晶,工作温度区间大幅度扩展到-10～50 ℃。蓝相液晶具有天然的可调谐光子晶体结构,具备很多特殊的光学特性,例如光学各向同性,可见光范围内的布拉格衍射,更是由于其具有大的科尔(Kerr)效应,在快速响应的液晶显示领域引起广泛的关注和研究。在液晶透镜方面,2010年Lin等^{[ 22 ]}研制了基于蓝相液晶的平板型单圆孔电极液晶微透镜,如图 8所示。利用蓝相液晶在外电场作用下会变成单轴晶体这一特性实现微透镜中折射率的变化,从而改变透镜的焦距。此外,2012年Li等^{[ 23 ]}通过在上层透明导电膜上增加电阻层形成线性渐变的电场梯度,驱动无偏振依赖的蓝相液晶(BPLC)盒,形成了可变焦的柱透镜,液晶盒结构如图 9所示。该技术的优势在于无偏振依赖性同时能保持良好的抛物线型的位相分布,实验显示在优化的13 μm厚度的蓝相液晶透镜上,在0~50 V的有效电压驱动下,焦距从无穷到18 mm连续变化。

图 8

Fig. 8

图 8 聚合物稳定蓝相液晶微透镜结构Fig. 8 Structure of polymer-stabilized-blue phase liquid crystal micro-lens

图 9

Fig. 9

图 9 无偏振依赖的蓝相液晶(BPLC)盒Fig. 9 No polarization dependent BPLC cell

在菲涅耳液晶透镜的研究方面,常见的方法是将菲涅耳波带片制作成掩膜版,通过曝光或者直接刻蚀成菲涅耳环带电极的方式实现液晶菲涅耳透镜的功能。2009年Huang等^{[ 24 ]}研究的液晶菲涅耳透镜的衍射效率值最高为39%。2012年Lou等^{[ 25 ]}报道了利用二元光学台阶式精密的谐波菲涅耳波带片结构研制了电控液晶菲涅耳透镜,其衍射效率最高达到了70%。

除了通过面型,电极,材料等方面的变化研究液晶微透镜技术以外,在液晶透镜的研制中,还有一种类型,即为全息布拉格电控光栅技术的液晶透镜。该技术指的1993年左右美国Air force等机构研究聚合物分散液晶(PDLC),利用两束激光的相干特性,将球面波和平面波干涉,形成的条纹结构在PDLC的两相分离过程中固定于材料的微观结构当中,这种方法制作的布拉格全息光栅或者全息透镜,也称为电控布拉格体全息技术。由于在电场作用下,液晶的有效折射率同聚合物条纹的有效折射率差会消失,所以衍射的透镜效果会消失,而电场拆除之后,由于条纹间折射率差的存在会产生较好的衍射透镜的效果,这种变化如图 10所示。这种简单的“0”,“1”开关的模式,比较易于控制,其多层叠加的形式能够为实现连续变焦提供可能性。

图 10

Fig. 10

图 10 电控布拉格体全息透镜“0”,“1”变化原理示意图Fig. 10 Working principle of electrically controlled Bragg grating lens

3 液晶微透镜展望

融合了液晶与传统透镜的多种长处所形成的液晶微透镜,利用外加电场来改变液晶盒中的折射率分布,从而改变透镜的折射率。现阶段液晶微透镜的研究仍具有巨大的发展空间。其易于集成、外形小巧的特点特别适合应用于精密光电成像系统。而针对响应时间、衍射效率、焦距变化等特性的优化问题,研究人员已经提出改变透镜结构、尝试新型液晶材料等多种办法。特别是随着蓝相液晶,电极精确控制位相技术,电控布拉格全息技术等方面研究的进一步深入,相信电控液晶透镜技术将会有更大的发展,甚至有望能够运用到诸如新型的立体显示技术等下一代高科技产品当中。