液晶（LC）透鏡的霧度一直是虛擬現實（VR）/增強現實（AR）及其它光學應用中存在的問題，但是一項新的研究成果為工程師和研究人員增進了對霧度產生的根本原因的理解。理論和實驗結果證實，彈性常數和電場有助于最大限度地降低霧度。

據麥姆斯咨詢介紹，具有電可調焦距的液晶透鏡因其在眼科、三維顯示、智能手機、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）方面的應用潛力而備受關注。梯度折射率（GRIN）液晶透鏡的光學機制主要是通過液晶的分子取向對入射偏振波的折射率分布進行電調節。

盡管液晶透鏡于1979年首次提出，但由于液晶的化學和物理限制，許多挑戰阻礙了液晶透鏡的應用。例如，同時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挑戰。為了在大孔徑尺寸（>10 mm）下獲得短焦距，必須通過多層液晶結構來加厚液晶層。該多層液晶結構在不犧牲響應時間的情況下表現出偏振無關性、大孔徑尺寸和透鏡倍率的大可調范圍。然而，這種方式的高驅動電壓（～90 Vrms）和不可避免的霧度影響了液晶透鏡的成像質量并阻礙了實際應用落地。

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而導致光散射造成的。取向波動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引起的光散射的方法，例如增大工作電壓或磁場、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。

國立陽明交通大學林怡欣（Yi-Hsin Lin）教授表示：“霧度是梯度折射率液晶透鏡中長期存在的一個問題，特別是因為我們希望在眼科應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導致液晶透鏡霧度的根本原因。”

理論和實驗結果證實，彈性常數和電場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成線性比例。因此，在考慮這些因素后，液晶透鏡的成像質量得到了改善，霧度降低了50%。通過去除液晶透鏡結構中的緩沖層，驅動電壓也降低了4倍，從80Vrms降至18Vrms。

液晶透鏡的結構圖：（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關系。

液晶透鏡在環境白光下的成像性能和測量的對比度：改進型液晶透鏡（LN3） vs. 舊型液晶透鏡（LCM-1790）

基于向列液晶的彈性連續介質理論，彈性常數較大的液晶需要接收更多的能量才能擾動液晶分子，就像必須施加更多的力或能量來拉動具有大彈性常數的彈簧一樣。因此，采用具有較高彈性常數的液晶材料的液晶透鏡可以減少由取向波動引起的霧度。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，以開發更好的梯度折射率液晶透鏡。此類可調焦透鏡的應用非常廣泛：智能眼鏡、AR/VR、便攜式成像系統和機器視覺等。

審核編輯：劉清