基于独立电压驱动控制环带带宽的同心圆环菲涅耳液晶透镜

赵卓然; 刘志强; 叶茂

doi:10.37188/CJLCD.2026-0047

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基于独立电压驱动控制环带带宽的同心圆环菲涅耳液晶透镜

器件物理及器件制备 | 更新时间：2026-09-12

- 基于独立电压驱动控制环带带宽的同心圆环菲涅耳液晶透镜
- Concentric Fresnel liquid crystal lens with ring bandwidth controlled by independent voltage driving
- 液晶与显示 2026年41卷第5期页码：637-648
- 作者机构：
  
  电子科技大学光电科学与工程学院，四川成都 611731
- 作者简介：
  
  赵卓然，男，硕士研究生，2024年于电子科技大学获得学士学位，主要从事液晶透镜方面的研究。E-mail：15982980856@163.com
  叶茂，男，博士，教授，1994年于中国科学院物理研究所获得博士学位，主要从事液晶透镜方面的研究。E-mail：mao_ye@uestc.edu.cn
- 基金信息：
- DOI：10.37188/CJLCD.2026-0047
  中图分类号： O435.1;O753.2
- CSTR：32172.14.CJLCD.2026-0047
- 收稿：2026-03-19，
  
  修回：2026-04-12，
  
  纸质出版：2026-05-05
- 稿件说明：
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赵卓然, 刘志强, 叶茂. 基于独立电压驱动控制环带带宽的同心圆环菲涅耳液晶透镜[J]. 液晶与显示, 2026,41(5):637-648.

ZHAO Zhuoran, LIU Zhiqiang, YE Mao. Concentric Fresnel liquid crystal lens with ring bandwidth controlled by independent voltage driving[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2026, 41(5): 637-648.
赵卓然, 刘志强, 叶茂. 基于独立电压驱动控制环带带宽的同心圆环菲涅耳液晶透镜[J]. 液晶与显示, 2026,41(5):637-648. DOI： 10.37188/CJLCD.2026-0047. CSTR： 32172.14.CJLCD.2026-0047.

ZHAO Zhuoran, LIU Zhiqiang, YE Mao. Concentric Fresnel liquid crystal lens with ring bandwidth controlled by independent voltage driving[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2026, 41(5): 637-648. DOI： 10.37188/CJLCD.2026-0047. CSTR： 32172.14.CJLCD.2026-0047.

摘要

针对传统菲涅耳液晶透镜外层环带带宽随环带数增加急剧减小，造成光学性能降低、有效孔径受限的问题，本研究提出一种基于叉指电极的同心圆环菲涅耳液晶透镜结构，通过独立控制各环带驱动电压拓宽外层环带带宽。将驱动电压控制在液晶线性响应区并经理论计算使各环带电压满足导数连续条件，实现抛物面电压分布。实验制备了孔径为2 mm、液晶层厚30 μm、环带带宽分别为0.4 mm、0.3 mm、0.3 mm 的液晶透镜，其外层环带较具有同等最大光焦度的双总线电压驱动结构分别增大5 μm和73 μm。偏振干涉测试表明，相位分布抛物线拟合优度高于99%，正负透镜最大相位变化分别为20.9π和22π，与理论值21.8π基本一致；光焦度在-9.7~10.1 D内连续可调，且与电压差近似呈线性关系。成像测试显示，该结构的MTF50值达0.151 cycles/pixel，优于传统双总线驱动结构的0.132 cycles/pixel，变焦成像清晰。结果表明，该设计可有效扩展外层环带带宽，实现高质量抛物相位分布与优良成像性能。

Abstract

In order to solve the problem that the bandwidth of the outer zone of traditional Fresnel liquid crystal lens decreases sharply with the increase of the number of zones， which leads to the decrease of optical quality and the limitation of effective aperture， this study proposes a concentric ring Fresnel liquid crystal lens structure which uses interdigital electrode structure to independently control the driving voltage of Fresnel zone and then control the bandwidth of Fresnel zone， in order to broaden the bandwidth of the outer zone. Firstly， the driving voltage is limited in the linear response region of liquid crystal， and the driving voltage of each ring zone satisfies the derivative continuity condition through theoretical calculation to form a parabolic voltage distribution. Subsequently， a liquid crystal lens with an aperture of 2 mm， a liquid crystal layer thickness of 30 μm and three Fresnel zones （bandwidths of 0.4 mm， 0.3 mm and 0.3 mm） was fabricated. Compared with the traditional concentric ring design with maximum power， the outer zone increased by 5 μm and 73 μm respectively. Then， the polarization interference optical path is used to collect interference fringes and extract phase information. Experiments show that the goodness of fit of lens phase distribution and parabola is more than 99%， the maximum phase variation of positive and negative lenses is 20.9π and 22π， which is highly consistent with the theoretical reference value of 21.8π， and the power can be continuously adjusted in the range of -9.7~10.1 D， and it is approximately linear with the driving voltage difference. In addition， the imaging performance of the designed Fresnel liquid crystal lens is tested and evaluated. Based on ISO12233 resolution plate， the MTF50 value is 0.151 cycles/pixel，which is higher than that of Fresnel liquid crystal lens （0.132 cycles/pixel） designed by traditional formula and driven by double bus voltage. This result proves that increasing the bandwidth of Fresnel zone on the outer layer of the lens can effectively improve its optical imaging quality. The experimental results of zoom imaging also show that the liquid crystal lens has outstanding zoom ability. This design effectively realizes the expansion of the outer ring bandwidth and the parabolic phase distribution with high quality.

关键词

Keywords

references

SATO S . Liquid-crystal lens-cells with variable focal length ［J］. Japanese Journal of Applied Physics ， 1979 ， 18 （ 9 ）： 1679 - 1684 . doi: 10.1143/jjap.18.1679 http://dx.doi.org/10.1143/jjap.18.1679

ZHOU Z ， ZHANG Y H ， XIE Y X ， et al . Electrically tunable planar liquid-crystal singlets for simultaneous spectrometry and imaging ［J］. Light： Science & Applications ， 2024 ， 13 （ 1 ）： 242 . doi: 10.1038/s41377-024-01608-w http://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01608-w

BAGRAMYAN A ， GALSTIAN T ， SAGHATELYAN A . Motion-free endoscopic system for brain imaging at variable focal depth using liquid crystal lenses ［J］. Journal of Biophotonics ， 2017 ， 10 （ 6/7 ）： 762 - 774 . doi: 10.1002/jbio.201500261 http://dx.doi.org/10.1002/jbio.201500261

ZHAO Z B ， ZHANG Q ， LI X Y ， et al . High-resolution non-line-of-sight imaging based on liquid crystal planar optical elements ［J］. Nanophotonics ， 2024 ， 13 （ 12 ）： 2161 - 2172 . doi: 10.1515/nanoph-2023-0655 http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2023-0655

GALSTIAN T ， SOVA O ， ASATRYAN K ， et al . Optical camera with liquid crystal autofocus lens ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 24 ）： 29945 - 29964 . doi: 10.1364/oe.25.029945 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.029945

BAI Y C ， CHEN X X ， MA J C ， et al . Transient property of liquid crystal lens and its application in extended depth of field imaging ［J］. Optics Communications ， 2020 ， 473 ： 125974 . doi: 10.1016/j.optcom.2020.125974 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2020.125974

XIONG J H ， WU S T . Planar liquid crystal polarization optics for augmented reality and virtual reality： from fundamentals to applications ［J］. eLight ， 2021 ， 1 （ 1 ）： 3 . doi: 10.1186/s43593-021-00003-x http://dx.doi.org/10.1186/s43593-021-00003-x

CHU F ， GUO Y Q ， ZHANG Y X ， et al . Four-mode 2D/3D switchable display with a 1D/2D convertible liquid crystal lens array ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 23 ）： 37464 - 37475 . doi: 10.1364/oe.441386 http://dx.doi.org/10.1364/oe.441386

LI S X ， YANG C L ， PENG Z H ， et al . Continuously focus tunable 2D/3D switchable cylindrical liquid crystal microlens arrays for autostereoscopic displays ［J］. Optics Express ， 2025 ， 33 （ 1 ）： 1594 - 1608 . doi: 10.1364/oe.550589 http://dx.doi.org/10.1364/oe.550589

WANG D ， LI Y L ， CHU F ， et al . Color liquid crystal grating based color holographic 3D display system with large viewing angle ［J］. Light： Science & Applications ， 2024 ， 13 （ 1 ）： 16 . doi: 10.1038/s41377-023-01375-0 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-023-01375-0

KAUR S ， KIM Y J ， MILTON H ， et al . Graphene electrodes for adaptive liquid crystal contact lenses ［J］. Optics Express ， 2016 ， 24 （ 8 ）： 8782 - 8787 . doi: 10.1364/oe.24.008782 http://dx.doi.org/10.1364/oe.24.008782

YE M ， SATO S . Optical properties of liquid crystal lens of any size ［J］. Japanese Journal of Applied Physics ， 2002 ， 41 （ 5B ）： L571 - L573 . doi: 10.1143/jjap.41.l571 http://dx.doi.org/10.1143/jjap.41.l571

NAUMOV A F ， LOKTEV M Y ， GURALNIK I R ， et al . Liquid-crystal adaptive lenses with modal control ［J］. Optics Letters ， 1998 ， 23 （ 13 ）： 992 - 994 . doi: 10.1364/ol.23.000992 http://dx.doi.org/10.1364/ol.23.000992

NAUMOV A F ， LOVE G D ， LOKTEV M Y ， et al . Control optimization of spherical modal liquid crystal lenses ［J］. Optics Express ， 1999 ， 4 （ 9 ）： 344 - 352 . doi: 10.1364/oe.4.000344 http://dx.doi.org/10.1364/oe.4.000344

YE M ， WANG B ， SATO S . Realization of liquid crystal lens of large aperture and low driving voltages using thin layer of weakly conductive material ［J］. Optics Express ， 2008 ， 16 （ 6 ）： 4302 - 4308 . doi: 10.1364/oe.16.004302 http://dx.doi.org/10.1364/oe.16.004302

KOTOVA S P ， PATLAN’ V V ， SAMAGIN S A . Tunable liquid-crystal focusing device. 1. Theory ［J］. Quantum Electronics ， 2011 ， 41 （ 1 ）： 58 - 64 . doi: 10.1070/qe2011v041n01abeh014406 http://dx.doi.org/10.1070/qe2011v041n01abeh014406

ALGORRI J F ， MORAWIAK P ， BENNIS N ， et al . Positive-negative tunable liquid crystal lenses based on a microstructured transmission line ［J］. Scientific Reports ， 2020 ， 10 （ 1 ）： 10153 . doi: 10.1038/s41598-020-67141-z http://dx.doi.org/10.1038/s41598-020-67141-z

ALGORRI J F ， MORAWIAK P ， ZOGRAFOPOULOS D C ， et al . Multifunctional light beam control device by stimuli-responsive liquid crystal micro-grating structures ［J］. Scientific Reports ， 2020 ， 10 （ 1 ）： 13806 . doi: 10.1038/s41598-020-70783-8 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-020-70783-8

STEVENS J ， GALSTIAN T . Electrically tunable liquid crystal lens with a serpentine electrode design ［J］. Optics Letters ， 2022 ， 47 （ 4 ）： 910 - 912 . doi: 10.1364/ol.447853 http://dx.doi.org/10.1364/ol.447853

冯文斌，刘志强，徐律涵，等 . 一种高性能液晶透镜的设计方法［J］. 光学学报， 2023 ， 43 （ 2 ）： 0223001 ． doi: 10.3788/AOS221137 http://dx.doi.org/10.3788/AOS221137

FENG W B ， LIU Z Q ， XU L H ， et al . Design method for high-performance liquid crystal lens ［J］. Acta Optica Sinica ， 2023 ， 43 （ 2 ）： 0223001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS221137 http://dx.doi.org/10.3788/AOS221137

FENG W B ， LIU Z Q ， LIU H ， et al . Design of tunable liquid crystal lenses with a parabolic phase profile ［J］. Crystals ， 2023 ， 13 （ 1 ）： 8 . doi: 10.3390/cryst13010008 http://dx.doi.org/10.3390/cryst13010008

FENG W B ， YE M . Refractive Fresnel liquid crystal lenses driven by two voltages ［J］. Optics Express ， 2024 ， 32 （ 1 ）： 662 - 676 . doi: 10.1364/oe.512132 http://dx.doi.org/10.1364/oe.512132

SHIBUYA G ， YAMANO S ， YOSHIDA H ， et al . Active liquid-crystal deflector and lens with Fresnel structure ［C］// Proceedings of SPIE 10125 ， XII . San Francisco ： SPIE ， 2017 ： 101250V . doi: 10.1117/12.2261113 http://dx.doi.org/10.1117/12.2261113

黄振豪，刘志强，林弘峻，等 . 大口径光焦度可电调菲涅耳液晶透镜［J］. 激光与光电子学进展， 2023 ， 60 （ 19 ）： 1923002 ． doi: 10.3788/LOP221247 http://dx.doi.org/10.3788/LOP221247

HUANG Z H ， LIU Z Q ， LIN H J ， et al . Tunable Fresnel liquid crystal lens with large aperture ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2023 ， 60 （ 19 ）： 1923002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/LOP221247 http://dx.doi.org/10.3788/LOP221247

KHOO I C ， WU S T . Optics and Nonlinear Optics of Liquid Crystals ［M］. Singapore ： World Scientific ， 1993 . doi: 10.1142/1630 http://dx.doi.org/10.1142/1630

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