Abstract

We demonstrate an innovative variable-focus flat liquid-crystal diffractive lens (LCDL) with 95% diffraction efficiency and millisecond switching times using a ±2.4 V ac input. This lens is based on the electrical modulation of a 3μm layer of nematic liquid-crystal sandwiched between a Fresnel zone electrode structure and a reference substrate. Each zone is divided into 12 subzones to digitize the phase profiles and define the phase wrapping points. The focusing power can rapidly be switched by electrically changing the number of subzones and re-establishing the wrapping points. Potential applications include zooms with no moving parts and autofocus lenses for compact imaging devices.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. H. Ren, S. Xu, Y. J. Lin, and S. T. Wu, Opt. Photonics News 19(10), 42 (2008).
    [CrossRef]
  2. C. A. López, C. Lee, and A. H. Hirsa, Appl. Phys. Lett. 87, 134102 (2005).
    [CrossRef]
  3. M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
    [CrossRef]
  4. H. Ren, Y. H. Fan, and S. T. Wu, Appl. Phys. Lett. 83, 1515 (2003).
    [CrossRef]
  5. G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
    [CrossRef]
  7. G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
    [CrossRef]
  8. P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
    [CrossRef]
  9. B. Kress and P. Meyrueis, Digital Diffractive Optics (Wiley, 2000).
  10. T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
    [CrossRef]
  11. B. Apter, U. Efron, and E. Bahat-Treidel, Appl. Opt. 43, 11 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. S. T. Wu, Appl. Opt. 28, 48 (1989).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. D. W. Sweeney and G. E. Sommargren, Appl. Opt. 34, 2469 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]

2008 (1)

H. Ren, S. Xu, Y. J. Lin, and S. T. Wu, Opt. Photonics News 19(10), 42 (2008).
[CrossRef]

2007 (1)

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

2006 (3)

T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

2005 (1)

C. A. López, C. Lee, and A. H. Hirsa, Appl. Phys. Lett. 87, 134102 (2005).
[CrossRef]

2004 (1)

2003 (1)

H. Ren, Y. H. Fan, and S. T. Wu, Appl. Phys. Lett. 83, 1515 (2003).
[CrossRef]

2001 (1)

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

1996 (1)

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

1995 (1)

1989 (1)

Apter, B.

Ayras, P.

T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
[CrossRef]

Äyräs, P.

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Bahat-Treidel, E.

Bhattacharya, S.

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

Corkum, D. L.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Dias, D.

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

Dorschner, T. A.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Efron, U.

Fan, Y. H.

H. Ren, Y. H. Fan, and S. T. Wu, Appl. Phys. Lett. 83, 1515 (2003).
[CrossRef]

Friedman, L. J.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Giridhar, M. S.

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

Glöckner, R.

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

Haddock, J. N.

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Hain, M.

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

Hirsa, A. H.

C. A. López, C. Lee, and A. H. Hirsa, Appl. Phys. Lett. 87, 134102 (2005).
[CrossRef]

Hobbs, D. S.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Hoda, T.

T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
[CrossRef]

Holz, M.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Honkanen, S.

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Kippelen, B.

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Kress, B.

B. Kress and P. Meyrueis, Digital Diffractive Optics (Wiley, 2000).

LaRussa, L.

T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
[CrossRef]

Lee, C.

C. A. López, C. Lee, and A. H. Hirsa, Appl. Phys. Lett. 87, 134102 (2005).
[CrossRef]

Li, G.

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Liberman, S.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Lin, Y. J.

H. Ren, S. Xu, Y. J. Lin, and S. T. Wu, Opt. Photonics News 19(10), 42 (2008).
[CrossRef]

López, C. A.

C. A. López, C. Lee, and A. H. Hirsa, Appl. Phys. Lett. 87, 134102 (2005).
[CrossRef]

Mathine, D. L.

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

McManamon, P. F.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Meredith, G.

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

Meredith, G. R.

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Meyrueis, P.

B. Kress and P. Meyrueis, Digital Diffractive Optics (Wiley, 2000).

Nguyen, H. Q.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Peyghambarian, N.

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
[CrossRef]

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Ren, H.

H. Ren, S. Xu, Y. J. Lin, and S. T. Wu, Opt. Photonics News 19(10), 42 (2008).
[CrossRef]

H. Ren, Y. H. Fan, and S. T. Wu, Appl. Phys. Lett. 83, 1515 (2003).
[CrossRef]

Resler, D. P.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Schwiegerling, J.

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Sharp, R. C.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Sommargren, G. E.

Stankovic, S.

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

Sweeney, D. W.

Tschudi, T.

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

Valley, P.

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

Watson, E. A.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Williby, G.

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Wu, S. T.

H. Ren, S. Xu, Y. J. Lin, and S. T. Wu, Opt. Photonics News 19(10), 42 (2008).
[CrossRef]

H. Ren, Y. H. Fan, and S. T. Wu, Appl. Phys. Lett. 83, 1515 (2003).
[CrossRef]

S. T. Wu, Appl. Opt. 28, 48 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Xu, S.

H. Ren, S. Xu, Y. J. Lin, and S. T. Wu, Opt. Photonics News 19(10), 42 (2008).
[CrossRef]

Appl. Opt. (3)

Appl. Phys. Lett. (4)

C. A. López, C. Lee, and A. H. Hirsa, Appl. Phys. Lett. 87, 134102 (2005).
[CrossRef]

H. Ren, Y. H. Fan, and S. T. Wu, Appl. Phys. Lett. 83, 1515 (2003).
[CrossRef]

G. Li, P. Valley, M. S. Giridhar, D. L. Mathine, G. Meredith, J. N. Haddock, B. Kippelen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 89, 141120 (2006).
[CrossRef]

G. Li, P. Valley, P. Äyräs, D. L. Mathine, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Appl. Phys. Lett. 90, 111105 (2007).
[CrossRef]

Electron. Lett. (1)

T. Hoda, P. Ayras, L. LaRussa, N. Peyghambarian, and D. L. Mathine, Electron. Lett. 42, 1 (2006).
[CrossRef]

Opt. Commun. (1)

M. Hain, R. Glöckner, S. Bhattacharya, D. Dias, S. Stankovic, and T. Tschudi, Opt. Commun. 188, 291 (2001).
[CrossRef]

Opt. Photonics News (1)

H. Ren, S. Xu, Y. J. Lin, and S. T. Wu, Opt. Photonics News 19(10), 42 (2008).
[CrossRef]

Proc. IEEE (1)

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1)

G. Li, D. L. Mathine, P. Valley, P. Äyräs, J. N. Haddock, M. S. Giridhar, G. Williby, J. Schwiegerling, G. R. Meredith, B. Kippelen, S. Honkanen, and N. Peyghambarian, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 6100 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Other (1)

B. Kress and P. Meyrueis, Digital Diffractive Optics (Wiley, 2000).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic of flat LCDL. (a) Side view. (b) Top view of the central zone and the shunting concept. In this example, every four electrodes are shunted to construct a three-level lens from a 12-level lens. Electrodes with the same color share the same voltages.

Fig. 2
Fig. 2

Diffraction efficiency measurements for various aperture sizes when f = 40   cm (circles) and for various focal lengths when the aperture diameter is 6 mm (triangles).

Fig. 3
Fig. 3

Focusing and defocusing response of the lens as a function of time for lowest optimal operating voltages.

Fig. 4
Fig. 4

Images taken from the object at different distances employing different focal lengths of the lens. (a) When LCDL is off (no voltages applied). (b) f = 40.0   cm . (c) f = 20.0   cm . (d) f = 13.3   cm . (e) f = 10.0   cm . (f) f = 6.6   cm .

Metrics