让人类“看到”更清晰、更广阔的世界——液晶透镜

（转自：飞凯材料）

• 前言

从显微镜下的细胞纹理，到远在浩瀚宇宙的月亮，从演唱会灯光的璀璨流转，到街头巷尾的日常风景，人们用镜头记录世界的宏大与细腻。科技的发展不断丰富着人类“看”世界的方式，更清晰、更广阔、更微小、更轻便......，在这一系列“更”的探索之路上，一种独特的光学器件——液晶透镜，正悄然崭露头角，为我们观世界的方式带来新的可能。

——飞凯材料科普小课堂

什么是液晶透镜

在过去，传统光学镜头通过镜头内部镜片位置的改变来调节焦距，以实现对不同距离物体的聚焦，使其能清晰成像。这种方式虽然有效，却让镜头更加复杂且笨重。正当传统光学系统面对轻量化挑战时，液晶透镜就应运而生，为光学系统带来了全新的调焦思路。

液晶透镜是由液晶材料制作的透镜，搭配电路设计可以通过电场调节实现快速变焦、聚焦，具有轻量化、低功耗等特点。其外形结构为平板式，天然契合器件集成的需求，能够有效节约系统空间和减轻器件重量，广泛应用于消费电子，医疗，照明、光通信等多个领域。

Dr.飞

液晶透镜已进入多种前沿应用场景。在自动对焦相机中，它能够实现快速且精准的聚焦；在医疗成像设备中，例如超声波或光学相干断层扫描系统，通过调节焦点和成像深度，有效提升图像分辨率；在AR/VR设备中，它可灵活调整焦距与视场角，增强虚拟体验的沉浸感与舒适度。

液晶透镜的工作原理

要了解液晶透镜的聚焦原理，我们就需要从“光的折射”说起。当光从一种介质进入另一种折射率不同的介质时，传播方向会发生变化，就像筷子插入水中会弯曲一样。传统光学透镜是由多片凸透镜和凹透镜组合而成，由于不同入射位置的光线的入射角度不同，从而产生不同方向的折射，改变光路从而实现聚焦成像。

光的折射定律

除了通过上述的弯曲的镜面改变光路以外，还可以通过改变介质内部的折射率分布来实现聚焦。这样一来即便是平整的透镜，如果其内部折射率呈梯度分布（Gradient Refractive Index，GRIN），也能让入射光线在透镜内部发生不同角度的折射，从而汇聚成像。这种“梯度折射率”（GRIN）结构，完全由材料内部控制，不需要改变外形，也不依赖于机械移动。

液晶透镜正是基于这一原理：利用液晶材料对电场敏感、具有光学各向异性的特性，通过外加电场控制液晶分子的排列方向，使透镜内部产生可控的梯度折射率分布，进而实现动态调节的聚焦、放大与成像的目的。

什么是光学各向异性？

 小李

Dr.飞

这是个很关键的问题，要了解光学各向异性就需要了解液晶透镜的重要组成材料——液晶。

液晶材料的光学各向异性

液晶透镜之所以能实现折射率梯度，就是因为其背后的组成材料液晶具有光学各向异性——也就是说，不同振动方向的光线穿过液晶时，会对应不同的折射率。这种特性使液晶对光线的传播方向具有“调控力”，光线入射方向与液晶分子指向方向构成主截面，当液晶分子整齐有序排列时，入射的光会产生两个分量：

·寻常光：振动方向垂直于主截面，折射率固定；

·非寻常光：振动方向平行于主截面，折射率会根据光线振动方向与液晶分子指向矢的夹角发生变化。

因此，当我们通过电场改变液晶分子的排列方向时，就能控制非寻常光的折射路径，实现聚焦或发散的效果。这正是液晶透镜实现“电控调焦”的核心原理。

液晶透镜的分类

按照驱动电极的实现方式，液晶透镜可以分为以下几类：

1、边缘电场驱动液晶透镜

通过在液晶层上下布置圆孔状电极，在透镜区域产生边缘电场，使液晶分子由中心向边缘形成规律偏转，进而形成折射率梯度。后来为了解决圆孔电极边缘的缺陷，逐步发展出双层、三层结构，甚至加入悬浮电极优化调控精度。

2、离散电极型液晶透镜

为了达到更精准的电场控制和预期电场分布，离散电极被应用在液晶透镜中，通过优化电极间隙和电极引出线的布局，也就是将电极分成多个独立的小区域以提高电场的连贯性。这种结构能更精准地调控透镜的波前形状，降低像差，还可以用来制作菲涅尔液晶透镜。

3、高阻层/Hidden Layer电极型液晶透镜

为解决电场分布不连续问题并保持大孔径与低功耗等优点，高阻层电极型液晶透镜通过在边缘电场驱动的液晶透镜的圆孔电极表面覆盖一层高电阻材料，实现透镜内连续电场分布，并通过调整高阻层材料与阻值分布，优化电场分布，提高成像质量。

Hidden Layer电极型液晶透镜由LensVector 公司提出，在透明的ITO电极之间采用两种光学特性相同，但介电特性不同的材料，从而使液晶透镜内部产生连续变化的电场分布实现对焦光线。由于驱动方式简单且低功耗，这种液晶透镜的应用范围十分广阔。

Dr.飞

除了上述几种依靠电场调控的液晶透镜外，还有一种基于光的偏振态调控的新路径——双层透镜。

由于液晶的光学各向异性，上述液晶透镜通常需要配合偏振器使用，但偏振器会带来效率损失，使光学效率难以突破50%。因此为了提高光学效率，双层液晶透镜的解决方案被提出，突破了偏振依赖，实现了更高效的成像表现。

不同类型的液晶透镜在结构设计和应用场景上各有侧重，但它们的共同目标，都是为了实现更高效、灵活的光学调控。而支撑这些目标实现的关键因素之一，正是液晶透镜的重要组成——液晶材料。下面，我们进一步走近液晶材料，了解它是如何发挥重要作用的。

关于液晶材料

作为液晶透镜的核心构成材料，透镜的性能优异与否往往与液晶材料有着很大的关系。因此液晶材料必须满足以下条件：

· 快响应——实现透镜焦距的快速切换和调节

· 高折射率——实现更高的折射率梯度，提升透镜焦距的调节范围

· 高稳定性——应对不同温度和光照条件。

提高液晶折射率通常需要引入芳香环、杂环等共轭结构或卤素原子，然而这又可能导致材料出现粘度大，互溶性差、光热稳定性差、结构同质化、合成工艺复杂等问题，这些难点使得大折射率液晶的研发需要在分子设计、合成工艺和性能测试之间反复优化。

飞凯材料大折射率液晶材料探索

面对大折射率液晶的研发挑战，飞凯材料子公司江苏和成显示科技有限公司持续攻关，不断投入研发资源，在大折射率液晶领域已建立坚实的研究基础与丰富的单体储备，同时具备卓越的液晶单体结构设计、路线合成及性能评估的综合能力。目前和成显示已成功开发出多款大折射率液晶产品，能满足多样化的应用需求，其相关性能参数如下所示：

总结

液晶透镜正以其独特性能在光学应用中崭露头角，广阔的市场空间对材料研发提出更多挑战。作为液晶材料领域的深耕者，飞凯材料子公司江苏和成显示科技有限公司始终聚焦新型显示领域，以多元化研发团队与丰富的自主知识产权储备为支撑，在技术攻坚中持续突破，为行业提供高品质、高性能的材料解决方案。未来，和成显示也将携手行业伙伴共同拓展液晶透镜的应用边界，助力新一代显示与光学系统的高质量发展。

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