柔性液晶微透镜阵列的制备与性能研究

针对集成成像视场角狭小的问题,设计并制备了一种柔性圆孔驱动电极控制液晶分子偏转的可弯曲和焦距可调的柔性液晶微透镜阵列。利用光刻技术在柔性ITO基板表面刻蚀并形成规则的圆孔阵列电极,旋涂工艺制备柔性聚酰亚胺(PI)膜层,PI膜层经60℃加热5 min后,再利用等离子体在功率630 W条件下处理5 min固化成PI取向层。利用液晶盒成盒工艺将上、下基板组装成液晶透镜,研究未弯曲和弯曲曲率半径7.5 cm条件下液晶微透镜阵列的光学性能。实验结果表明,所制备的液晶透镜在未弯曲和曲率半径为7.5 cm的情况下均可实现聚焦功能,且液晶微透镜阵列的干涉圆环均匀,聚焦光斑小。在驱动电压3~5.3 Vrms下,弯曲曲率半径为7.5 cm的液晶微透镜阵列焦距可调的范围为0.43~1.05 mm。     

视点可控液晶光栅的研究

提出一种双层交错结构的驱动电极控制液晶分子偏转的可控液晶光栅.利用光刻和镀膜工艺在玻璃基板上制作掺铝氧化锌-二氧化硅-掺铝氧化锌双层交错结构的驱动电极,采用液晶成盒工艺将制备好的驱动电极基板和公共电极基板组装成液晶盒.与传统单层控制电极相比,双层交错电极实现了基板的无缝覆盖,避免了各电极存在的空白区,使得器件的控制区域变得完整与灵活.光学显微镜测试表明,掺铝氧化锌第一电极和第二电极的宽度为275.8,两者之间通过SiO2介质层隔离并相互交错覆盖在玻璃基板上.结合液晶光栅驱动电路,可控液晶光栅能有效地控制遮光区与透光区的比值,实现不同3D视差图片在同一套系统中的实时切换播放,在多视点3D实时切换显示领域有一定的应用前景.     

时分全分辨率可控液晶光栅设计

设计了一种可实现分光效果的可控液晶光栅.该液晶光栅由双层交错结构的驱动电极来控制液晶偏转,避免了单层控制电极之间的空白区,增加了控制面积,同时还实现了快速切换,补给了因空间分割损失的图像信息,从而使空分与时分结合实现时分全分辨率的自由立体显示.利用光刻和镀膜工艺在玻璃基板上制作氧化铟锡-二氧化硅-掺铝氧化锌双层交错结构的驱动电极,采用液晶成盒工艺将制备好的驱动电极基板和公共电极基板组装成液晶盒.光学显微镜测试表明,氧化铟锡第一电极和掺铝氧化锌第二电极的宽度为275.8μm,两者之间通过SiO2介质层隔离并相互交错覆盖在玻璃基板上.结合液晶光栅驱动电路,能有效地控制遮光区与透光区的切换,从而实现时分全分辨率可控液晶光栅.     

连续变焦的聚合物分散液晶电控透镜

介绍了一种基于聚合物分散液晶材料的连续调焦电控透镜.在聚合物分散液晶盒的上表面电极上刻蚀圆孔,形成一个非对称电极,在液晶盒上下极板之间,诱发一个非均匀电场,从而引起聚合物分散液晶材料的折射率非均匀分布,形成电控变焦透镜.阐述了聚合物分散液晶可调焦透镜的基本原理,分析了透镜孔径对聚合物分散液晶透镜焦距的影响,在直径3mm和6mm的圆孔条件下,分别测量了透镜焦距随电压的变化关系.结果表明:电压从50V加到170V的过程中,透镜焦距逐渐减短,刻蚀3mm圆孔的聚合物分散液晶盒焦距从1.361 63m到0.429 21m,刻蚀6mm圆孔的聚合物分散液晶盒焦距从1.769 92m到0.548 43m.     

大变焦范围电调谐液晶变焦透镜的研究

基于向列相液晶指向矢随施加电场作用发生变化的特性, 结合几何光学和液晶理论提出了一种液晶透镜结构模型, 研究了电极大小、隔垫物厚度等液晶透镜参数对液晶透镜焦距的影响. 通过优化参数, 得到结构简单、变焦范围较大的新型液晶透镜样品, 在驱动电压0 V_RMS–250 V_RMS下可调的焦距范围为75–230 mm, 达到155 mm.     

低电压驱动液晶变焦透镜的设计与优化

在单圆孔电极液晶透镜基础上进行结构改进,形成双层非对称新型液晶透镜。结合几何光学和液晶理论,利用Zemax模拟并优化该双层结构液晶透镜参数。由Zemax分析可知,在相同的低驱动电压(2.5Vrms~20Vrms范围),0°、3.5°、5°视场角中,双层结构透镜相比于单层结构透镜,可获得更宽的调焦范围,短焦焦距f从19.6172mm缩小到9.9059mm;像差显著减小;该光学调制传递函数(MTF)为0.6时,径向分辨率从12.06lp/mm提高到21.02lp/mm,提高近一倍,图像解像力和清晰度显著提高,并且高频部分MTF由0.1增加到0.3。最后,实验验证了20Vrms时,双层结构液晶透镜的衍射光斑最小。     

一种高性能液晶透镜的设计方法

提出了一种高性能液晶透镜的设计方法。该方法结合了电极结构的设计并利用了液晶材料线性响应区。所设计的电极结构用于产生抛物线的电压分布,将驱动电压控制在液晶材料的线性响应区内可以实现抛物线的相位分布。通过该方法设计的液晶透镜,其孔径可以是任意大小,且不依赖高阻膜。所设计的电极结构简单,加工只需要一次光刻。透镜由两个低电压驱动,驱动方法简单,其焦距可通过两个驱动电压进行调节。理论上这种液晶透镜的相位分布在变焦过程中保持理想的抛物线分布,且光焦度正比于两个驱动电压的差值。实验上,通过光刻法加工了所设计的电极结构,测量了液晶材料的线性响应区,制作了液晶层厚度为50μm的液晶透镜。通过偏振干涉原理采集了干涉条纹,并从中提取了相位信息。实验结果表明,透镜的相位服从抛物线分布,且光焦度与驱动电压的差值成正比。实验结果与理论分析一致。     

低压驱动液晶透镜设计的研究

探讨了低压液晶透镜设计的规律. 由五种液晶材料的Δn_eff随驱动电压变化的规律可知: 如果液晶材料归一化Δn_eff控制在 95%以下, 驱动电压可控制在10 V以下; 在能满足透镜性能和制备工艺允许的前提下, 设计液晶透镜时选取的归一化Δn_eff越小, 获得的液晶透镜驱动电压越低. 该规律可为高性能液晶透镜的设计与制备提供指导. 关键词： 液晶透镜 设计 低压驱动 n_eff')" href="#">归一化Δn_eff     

高绒度掺硼氧化锌透明导电薄膜用作非晶硅太阳电池前电极的研究

将自行研制的具有优异陷光能力的掺硼氧化锌用作p-i-n型非晶硅太阳电池的前电极,并且将传统商业用U型掺氟二氧化锡作为对比电极.相比表面较为平滑的掺氟二氧化锡,掺硼氧化锌表面大类金字塔的绒面结构会在本征层生长过程中触发阴影效应,形成大量的高缺陷材料区和漏电沟道,进而恶化电池的开路电压和填充因子.在不修饰掺硼氧化锌表面形貌的情况下,通过调节非晶硅本征层的沉积温度来消弱高绒度表面形貌引起的这种不利影响,对应的电池开路电压和填充因子均出现提升.在仅有铝背电极的情况下,在本征层厚度为200 nm的情况下,以掺硼氧化锌为前电极的非晶硅太阳电池转换效率达7.34%(开路电压为0.9 V,填充因子为70.1%,短路电流密度11.7 mA/cm2).     

基于光控取向技术的液晶元器件研究

从液晶取向技术展开,介绍了液晶几何相位的基本原理和光控取向液晶元器件的制作工艺,通过实验制备了液晶透镜和液晶双焦点透镜样品,并在衍射光路中演示了其效果.相比于传统光学透镜,制备的液晶透镜和双焦点透镜的焦距和焦点位置可以按需预设在液晶样品中,其中双焦点透镜可实现焦距相等和焦距不相等的情况.此外,本实验制备的液晶样品还具备偏振控制的功能,通过调节入射光的偏振态可以切换目标光场的分布.     

双层介电薄膜结构双液体变焦透镜的研究

在双层介电薄膜结构双液体变焦透镜模型的基础上,分析了透镜焦距与外加电压、双层介电薄膜的介电常量、薄膜厚度等参量的关系.并以降低双液体变焦透镜驱动电压为目的,选择了相对介电常量较高的五氧化二钽薄膜作为内层介电层,相对介电常量较低的防水层为外层介电层,分析了双层介电薄膜的厚度以及厚度的匹配对双液体变焦透镜的变焦范围和驱动电压的影响,在保证一定的变焦范围并尽可能降低透镜驱动电压情况下获得最佳透镜工艺参量.模拟结果表明:疏水层薄膜厚度比高介电层薄膜厚度小很多时,双液体变焦透镜可实现低压驱动,且双液体变焦透镜在一定变焦范围内所需驱动电压可下降到10V以下,而疏水层薄膜厚度与高介电层薄膜厚度相当或高于高介电层薄膜厚度都不能有效利用高介电薄膜的高介电性能来降低双液体变焦透镜的驱动电压.     

128×128元频率驱动变焦液晶透镜阵列

理论上分析并从实验上验证了通过改变外加电场的频率来驱动的128×128元变焦液晶透镜阵列。将上电极设计为圆孔阵列,由于圆孔电极在单元区域内形成的非均匀电场分布,从而使液晶分子在不同位置处旋转角度不同,在液晶层内形成了折射率梯度分布,由此单元区域具有了光学聚焦特性。分析了由于外加电场频率改变引起液晶介电常数变化给液晶透镜阵列焦距带来的影响。实验中制作的液晶透镜阵列的焦距调节范围为20～600μm,焦点尺寸为10μm,响应时间为微秒量级,可以呈清晰的多重影像。通过使用外加电场的频率可以得到变焦液晶透镜阵列,降低了液晶透镜阵列的工作电压,提升了液晶透镜阵列工作响应速度。     

电控聚合物分散液晶变焦全息透镜制作

介绍了相位型全息聚合物分散液晶(PDLC)材料全息透镜,在电场作用下液晶微滴折射率逐渐与聚合物折射率匹配,实现透镜电控变焦。研究了微米尺寸和纳米尺寸液晶微滴聚合物分散液晶材料配方特性和微观结构。采用优化纳米尺寸材料配方制作5~6μm聚合物分散液晶盒,采用离轴式平面波和球面波干涉全息写入光路,成功制作电控变焦聚合物分散液晶全息透镜样品。该透镜样品焦距为20 mm,能够正一级衍射放大成像。实现“0”,“1”变焦的驱动电压阈值为60 V。并进一步提出了基于聚合物分散液晶电控变焦元件集成叠加技术实现电控变焦光学成像系统的技术思路。     

液晶棱镜双折射实验

介绍了液晶棱镜盒的制作及利用其测试液晶双折射的实验方法.这种棱镜盒的2片梯形透明导电玻璃的重合部分为等边三角形.不加电场时,液晶盒不是光学各向异性的单轴晶体,没有双折射现象,只能观察到散射现象;在电极上施加电压使液晶垂面排列,液晶盒成双折射单晶,利用三棱镜最小偏向角原理测试液晶双折射率.     

液晶全漏导模的实验研究

夹在2块玻璃基板之间的液晶可以形成波导层,光在其间传播形成导模.通过全漏波导技术,分别对扭曲向列相液晶盒施加不同电压进行测试,得到了依赖于角度变化的反射率(包括偏振保存和偏振转换)实验曲线.液晶指向矢的变化将直接影响反射率变化,验证了液晶全漏波导技术在探索液晶盒内部细微变化方面是有效手段.     

低压双液体变焦透镜的理论及工艺研究

通过对仅有单层介电薄膜双液体变焦透镜模型的相关理论分析,得出介电层薄膜的厚度及均匀性对双液体变焦透镜的性能影响很大,并绘制了双液体变焦透镜焦距与驱动电压、介电层厚度的关系曲线.在此基础上,以降低双液体变焦透镜的驱动电压为目的,对介电层的选择进行了分析,选择既可充当介电层又可充当疏水层的派瑞林材料作为双液体变焦透镜的介电层材料,通过真空蒸发镀膜工艺得到了合适厚度的介电层派瑞林薄膜,并对所镀薄膜表面形貌以及厚度进行了测试.选择氯化钾以及溴代十二烷作为导电液体和油性液体,利用离心方式除去液体中溶有的气体,进而制作完成双液体变焦透镜样品.电驱变焦实验得到低压双液体变焦透镜样品的变焦范围为±20mm,驱动电压约为30V,对于实验过程中出现的迟滞效应,通过对杨氏方程中引入摩擦力项,合理地解释了其原因.     

梳状电极胆甾相液晶激光器的激光辐射谱

设计制作了梳状电极染料掺杂胆甾相液晶激光器件,研究了外加电压下的激光辐射谱。器件的下基板ITO电极刻蚀成梳状条形电极,电极宽度约2 mm,相邻电极间距分别约为1,3,5 mm。上基板无ITO电极。上下基板取向膜平行摩擦取向处理,使胆甾相液晶平面态排列。以532 nm的Nd∶YAG激光器作为泵浦光源,测量器件激光辐射谱。改变外加电压0~100 V,3个区域均出现了多模输出。在1 mm电极间距区域,可获得633.65~621.52 nm（12 nm）和683.15~664.35 nm（18 nm）的可调谐波长范围;在电极间距3,5 mm区域,辐射激光波长变化微小。在外加电压作用下,液晶分子均匀的螺旋周期排列受到扰动,液晶分子层螺旋轴倾斜,各个液晶畴的螺旋轴取向不一致,使有效螺距值缩短并有所浮动,引起出射激光波长蓝移和多模输出。利用光子态密度理论数值模拟了激光辐射谱。当有效螺距为倾斜角的函数时,随着倾斜角增大出射激光波长蓝移。     

氧化锌掺铝绒面薄膜在有机光伏电池中的应用

目前有机光伏电池的吸光活性层电学传输特性和光学吸收特性的不匹配是制约其能量转换效率提升的主要原因之一. 通过陷光结构对入射光进行调控, 提高电池对光的约束和俘获能力从而达到“电学薄”和“光学厚”的等效作用, 是解 决有机光伏电池电学和光学不匹配的有效手段. 本文采用湿法刻蚀技术获得了系列时间梯度的绒面氧化锌掺铝薄膜, 并将其作为有机光伏电池的入射陷光电极, 显著增强了电池的光学吸收. 研究发现, 当使用浓度0.5%的稀HCL腐蚀30 s后的氧化锌掺铝薄膜作为入射电极后, 电池的光电性能和效率显著增强. 基于此绒面电极电池的电流密度比平面结构的电池提高了8.17%, 效率改善了11.29%. 通过对绒面电极表面的修饰处理, 实现了电极与光活性层之间良好的界面接触, 从而减小了对电池的开路电压和填充因子的影响.     

基于亚波长光栅结构的硅基液晶器件模型研究

金(Au)亚波长光栅被溅射到经典硅基液晶(LCoS)的ITO电极上,它与薄液晶盒和底层铝电极组成复合共振波导结构,简称GLCoS。与基于液晶传播效应的LCoS截然不同,在GLCoS中,上电极的表面等离激元与光栅槽中的TM-FP (TM-Fabry Pérot)共振耦合,诱导一个0阶反射的相位调制;铝(Al)电极既是反射背板又与Au光栅、薄液晶盒组成波导,使共振耦合得到增强。在操控光波阵面的同时,GLCoS也作为电控器件,施加电压改变液晶的折射率,进而控制开腔FP的边缘介质条件,达到有源0~2π相位调制。实验结果表明,本文结构可用于1μm量级像素的相位空间光调制器,在高空间带宽积的全息视频显示中具有广阔的应用前景。     

一种液晶透镜盒间隙的测试方法

针对当前液晶透镜盒间隙测试存在的难题, 文中提出采用线偏振干涉法测试方法, 采用光强均匀分布的单色光入射, 检偏器的偏光轴方向与起偏器的偏光轴垂直或者平行, 液晶透镜的液晶取向层的摩擦方向与起偏器偏振轴夹角为45°, 此时干涉条纹亮暗差别最明显. 利用液晶透镜中心保持预倾角不变的透过率以及其他位置透过率最大值来计算液晶透镜的盒间隙, 该方法简单、可靠, 因采用光学手段测试, 其精确度相对较高. 关键词： 液晶透镜 盒间隙 线偏振光干涉 透过率