方波驱动超声液晶光学透镜：实现无逆变器的快速变焦新方法

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Square-Wave Driven Ultrasonic Liquid Crystal Optical Lenses

本刊编辑推荐：为解决传统光学透镜系统体积大、响应慢的问题，研究人员开展了方波驱动超声液晶(LC)透镜的研究。研究发现，方波驱动虽在振动分布上产生轻微畸变，但可实现与正弦波驱动相似的光学特性（如相位差分布和焦距变化），其意义在于无需逆变器即可驱动透镜，为消费电子相机模组的小型化和成本降低提供了新方案。

　　

在工业应用、消费电子和医疗设备领域，光学成像系统正不断追求小型化、低成本和低功耗。传统光学透镜通常只有一个固定焦点，要实现变焦功能，往往需要搭载多个透镜和机械致动器的复杂系统，这使得相机模组变得笨重且响应速度较慢。因此，开发一种无需机械移动部件、可通过电信号快速调节焦距的透镜成为研究热点。液晶(LC)材料，特别是向列相液晶，因其光学各向异性和易于通过外部场（如电场、声场）调控的特性，被广泛应用于可变焦距透镜中。以往的研究多采用正弦波信号在谐振频率下驱动超声液晶透镜，但在工业应用中，由直流电源直接产生方波电压信号更具优势，因为它可以省去逆变器，有助于进一步减小设备体积和降低成本。然而，方波包含丰富的频率成分，会激发多个振动模式，其对液晶分子取向的影响尚不明确。为此，发表在《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》上的这项研究，对方波驱动超声液晶透镜的光学特性进行了深入评估。

研究人员采用的主要技术方法包括：1) 制备由两个玻璃圆盘间夹有垂直取向的向列相液晶(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl)层（厚度200 μm）并集成环形PZT换能器的超声LC透镜；2) 使用激光多普勒测振仪(LDV)测量透镜在正弦波和方波驱动下的振动速度分布；3) 利用双折射轮廓仪测量透射光的相位差分布，以评估LC分子取向引起的折射率变化；4) 通过Nelder-Mead单纯形算法对波前进行圆形拟合，计算透镜的焦距。

III. RESULTS AND DISCUSSION

振动特性分析表明，在3 V_pp的驱动电压下，正弦波驱动产生轴对称的弯曲驻波，而方波驱动则产生了以轴对称为主但略有畸变的振动模式，其最大振动速度（250 mm/s）高于正弦波驱动（120 mm/s）。

对方波驱动下振动速度、输入电压和电流的波形及频谱分析发现，振动速度包含多个频率成分，对应玻璃圆盘上的多个高阶谐振模式的叠加，这导致了振动分布的畸变。

光学特性评估

透射光相位差分布的测量结果显示，在18 V_pp正弦波和14 V_pp方波驱动下，透镜中心区域均产生了类似的环形相位差分布图案。

这表明尽管输入电压振幅不同，且振动分布存在差异，但方波驱动能够产生与正弦波驱动相似的LC分子取向分布。相位差随功耗增加而增大，但达到相同光学相位差时，方波驱动需要消耗更多功率，这可能是由于其产生了谐振频率以外的频率成分所致。

焦距变化特性

通过分析有效透镜孔径（约5 mm）内的透射光波前，计算出透镜的焦距。结果表明，无论是正弦波还是方波驱动，透镜的焦距都随着输入电压振幅的增加而减小，表现出凸透镜的变焦特性。

尽管方波驱动下的振动分布存在畸变，但其产生的相位差分布与正弦波驱动相似，从而导致了两者聚焦特性的一致趋势。

IV. CONCLUSION

本研究证实了方波驱动超声液晶透镜的可行性。方波驱动会激发包含基频和高次谐振频率的振动模式，导致透镜基底上的振动分布产生轻微畸变。然而，其光学特性（包括透射光相位差分布和焦距变化）与正弦波驱动表现出高度相似性。这表明作用于LC层的声场主要受驱动信号中心频率成分的影响。该研究成果具有重要意义，方波驱动无需逆变器即可生成驱动信号，为超声液晶透镜在消费电子相机模组等领域的应用提供了更易于实现小型化和低成本的技术路径。