电控扫描液晶微透镜的设计制作与性质研究

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电控液晶微透镜是应用液晶材料各向异性特性的新型光学器件,近年来在光信息处理、集成光学和三维显示等领域有广泛的应用前景。相比于传统的物理透镜,电控液晶微透镜具有光学特性可调,体积小具有可集成性等优点。本课题旨在对不同尺寸设计的液晶微透镜的光学调制性能和电压响应特性进行深入细致的研究,展开了了一系列工作:利用有限元法(FEM)建立理论模型进行计算,通过解静电场的Laplace方程,对液晶盒中场强分布进行建模。然后基于数值计算结果,设计了光刻掩膜版并进行加工,主要包括单圆孔电极和Fresnel波带片电极,并通过甩胶、离子束刻蚀、涂布取向层、成盒、封装等工艺,完成液晶微透镜的制作,并运用光学测试手段对其性质进行了系统的研究。  实验结果表明,在有取向剂层存在的情况下,当圆孔直径与液晶盒厚的比值在3.3左右时,圆孔透镜可以达到较好的聚焦效果,聚焦中心光强最大,焦斑面积最小,有效驱动电压范围较大,焦点光强增益可达到入射强度20倍左右,且焦距在一定范围内随电压连续可调;相比于单圆孔透镜,Fresnel透镜衍射效率更高、出射光质好、聚焦光强在一定范围内随驱动电压可调,在主焦点处的光强增益可达到入射光强200倍左右,并且具有除主焦点 f之外的一系列次焦点。但是Fresnel透镜不具有很大的焦距可调性,可以认为在有效电压范围内是电控开关型的透镜,且相对于单圆孔透镜体积较大,不具有很大可集成的价值。
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