可变焦液晶透镜的研究

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液晶变焦透镜是液晶材料发现以来除了在显示领域的另一重要的应用。特别是液晶微透镜(Liquid crystal micro-lens)是一种典型的微光学元件(Micro-optical components,MOC),具有体积小、厚度薄、易于集成、响应速度快等优点[1],在微光学成像、微流体传感、精密光电系统、微光电机系统、生物医学、光子学、自适应光学等等诸多领域有着广泛的应用价值[25]。为获得驱动电压小、变焦范围大、整体体积微型化和响应速度快等诸多优点的电控变焦透镜和微透镜,国内外许多研究机构进行了大量的研究。本课题主要通过创新性设计液晶变焦微透镜的结构和改变微透镜的电极结构去获得能够提高大范围变焦、低压驱动、响应速度快和体积更加微型化的新型液晶变焦微透镜,并且通过利用有限元分析法对新型的液晶变焦微透镜进行建模仿真以研究其优良的变焦性能。主要研究内容简要概述如下:第一章绪论对该研究课题的背景意义和国内外研究现状进行了详述;第二章对液晶材料的分类、各种物理属性以及涉及变焦透镜原理的进行详细的分析,建立完善的理论分析依据,为后续的工作提供坚实的理论基础;第三章在大量阅读和研究前人对液晶变焦透镜的基础上,针对某些研究中的不足,创新性提出了三种新结构的液晶变焦微透镜,其中最主要的创新之处是改变了以往方形或者凹凸状的液晶灌注空腔,将空腔改为弧形柱状和均匀的球壳状,这样可以更好地规范液晶的分布,能将液晶分子在初始状态下有一定的预设角度,以此可以实现在0电压下也具有一定的变焦性能;其次是改变以往常见的圆孔电极结构,提出球壳状圆孔电极,使透镜的电场分布更加优化,透镜体积更加小型化,便于实际应用。第四章对第三章提出的创新型液晶微透镜进行有限元建模仿真分析实验,验证所提出的液晶变焦微透镜的优越性能。在仿真实验中,实验验证了在所建模尺寸下的新型变焦微透镜0电压下实现了焦距为573.44μm的变焦功能,在继续增加电压的情况下,透镜实现了从最初的573.44μm变为968.82μm的变焦范围;后续又进一步提出改变球壳液晶空腔的曲率半径去改变液晶分子初始预设角度的想法,通过仿真实验验证,同样实现了良好的变焦。第五章对整个研究工作的总结与问题分析,同时对未来工作做了展望。
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