提升液晶透镜成像质量的方法：减少由液晶材料取向波动引起的雾度

液晶（LC）透镜的雾度一直是虚拟现实（VR）/增强现实（AR）及其它光学应用中存在的问题，但是一项新的研究成果为工程师和研究人员增进了对雾度产生的根本原因的理解。理论和实验结果证实，弹性常数和电场有助于最大限度地降低雾度。

据麦姆斯咨询介绍，具有电可调焦距的液晶透镜因其在眼科、三维显示、智能手机、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）方面的应用潜力而备受关注。梯度折射率（GRIN）液晶透镜的光学机制主要是通过液晶的分子取向对入射偏振波的折射率分布进行电调节。

尽管液晶透镜于1979年首次提出，但由于液晶的化学和物理限制，许多挑战阻碍了液晶透镜的应用。例如，同时拥有大光圈尺寸和短焦距（或大透镜倍率）的梯度折射率液晶透镜一直是一项挑战。为了在大孔径尺寸（>10 mm）下获得短焦距，必须通过多层液晶结构来加厚液晶层。该多层液晶结构在不牺牲响应时间的情况下表现出偏振无关性、大孔径尺寸和透镜倍率的大可调范围。然而，这种方式的高驱动电压（∼90 Vrms）和不可避免的雾度影响了液晶透镜的成像质量并阻碍了实际应用落地。

使用棒状液晶分子的梯度折射率液晶透镜中的雾度是由于液晶分子的不良排列和取向波动而导致光散射造成的。取向波动源于液晶的热致特性。许多研究提出了减少液晶相位延迟器中由取向波动引起的光散射的方法，例如增大工作电压或磁场、更薄的液晶层以及增加锚定能（anchoring energy），以帮助液晶分子沿着某些方向更好地排列以及抵抗扰动。

国立阳明交通大学林怡欣（Yi-Hsin Lin）教授表示：“雾度是梯度折射率液晶透镜中长期存在的一个问题，特别是因为我们希望在眼科应用中采用大孔径尺寸（30 mm甚至更大）。我们讨论了液晶分子取向波动导致液晶透镜雾度的根本原因。”

理论和实验结果证实，弹性常数和电场有助于最小化或抑制雾度。此外，雾度与双折射率的平方除以弹性常数成线性比例。因此，在考虑这些因素后，液晶透镜的成像质量得到了改善，雾度降低了50%。通过去除液晶透镜结构中的缓冲层，驱动电压也降低了4倍，从80Vrms降至18Vrms。

液晶透镜的结构图：（a）采用LN3；（b）采用LCM1790。（c）液晶透镜的透镜倍率与施加电压的函数关系。

液晶透镜在环境白光下的成像性能和测量的对比度：改进型液晶透镜（LN3） vs. 旧型液晶透镜（LCM-1790）

基于向列液晶的弹性连续介质理论，弹性常数较大的液晶需要接收更多的能量才能扰动液晶分子，就像必须施加更多的力或能量来拉动具有大弹性常数的弹簧一样。因此，采用具有较高弹性常数的液晶材料的液晶透镜可以减少由取向波动引起的雾度。林怡欣教授的最新研究成果可以为工程师和研究人员提供更好的理解，以开发更好的梯度折射率液晶透镜。此类可调焦透镜的应用非常广泛：智能眼镜、AR/VR、便携式成像系统和机器视觉等。

审核编辑：刘清