电控聚合物分散液晶全息透镜研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.62MB 62 页 15积分

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摘要

全息聚合物分散液晶(Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal-HPDLC)作

为一种新型光电子信息功能材料具有衍射效率高、响应快速、制作简单等特点，

这使得它在光通讯、平板显示、信息存储、集成光学等领域有着广泛的应用前景。

另一方面，随着信息技术、集成光学和自适应光学的发展，传统光学透镜在很多

场合下已不再适应，人们对光学透镜小型集成化和可快速变焦等性能的要求日益

迫切。为此我们对电控聚合物分散液晶全息透镜进行了深入的研究，并在实验上

采用全息的方法成功制作了电控聚合物分散液晶全息透镜。

本文首先在详细介绍了电控聚合物分散液晶全息透镜原理的基础上，对液晶

微滴分布及其指向矢指向进行了分析，利用对折射率及振幅吸收系数矩形函数进

行傅立叶级数展开近似得到折射率及振幅吸收系数的分布表达式，再利用耦合波

理论，得到电控聚合物分散液晶全息透镜的具体衍射效率公式，并对影响衍射效

率的各因素进行了详细的分析，提出了电控聚合物分散液晶全息透镜饱和厚度的

概念，对电控全息透镜的电控特性也进行了分析。

在实验上，研究了聚合物分散液晶相分离过程，分析了与电控全息透镜特性

有关的两个重要形貌特征（液晶微滴半径及液晶微滴分布对曝光条纹的响应程度）

的影响因素。成功制作了电控聚合物分散液晶全息透镜，并对其性能进行了测试

与分析。

为了给制作好的全息透镜配备小型化、集成化、便携式的电源以及演示光路

支撑装置，我们为全息透镜设计了驱动电路，并将演示光路和驱动电路组装在一

起制成一个小型轻便的电控全息透镜演示装置。

关键词：全息聚合物分散液晶电控变焦透镜全息透镜衍射效率

ABSTRACT

As a kind of novel photoelectronic information materials,holographic polymer

dispersed liquid crystal(HPDLC)has many perfect characters including high diffraction

efficiency,rapid response and easy manufacturing,which makes it have extensive

application prospects in fields such as photo-communication, panel display, information

storage as well as integrated optics.On the other hand, with the development of optical

information technology 、integrated optics and adaptive optics,micro lens and rapid

focusing lens are needed,but the traditional optics lenses are not effective in many

situations.Taking this into consideration,we have conducted the thorough research to

electrical-controlled PDLC lens and adopt the holographic technique to make it

experimentally.

This article introduces the electrically controlled PDLC hololens in detail and

analyze the liquid crystal droplet distribution and director configuration firstly.Then, we

obtained the distribution formula for the refractive index and amplitude absorption

coefficient by using rectangular function and Fourier expansion. We employ coupled

wave theory to acquire the diffraction efficiency formula of PDLC lens and carry on

detailed analysis to every factor which influence diffraction efficiency. Furthermore,the

concept of the electrically controlled polymer disperser liquid crystal hololens saturated

thickness has been put forward and the analysis to the electrically controlled hololens

electrically controlled characteristic has also been made.

In experiments,we studied the polymer disperser liquid crystal phase separation

process and analyzed two important morphological characteristics (liquid crystal droplet

radius and the response degree of liquid crystal droplet distribution to exposure stripe)

which are relative with the property of electrical-controlled focus holographic

lens.Besides,we manufactured the electrically controlled PDLC hololens,the test and

analysis about its performance are also carried on.

In order to make a portable demo for the holographic lens, we designed the driving

circuit and assembled it to form a small-scale device to demonstrate the electrically

controlled polymer disperser liquid crystal hololens conveniently.

Key Words: Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal,Electri

cal-controlled Switchable Focus Lens,Holographic Len

s,Diffractive Eficiency

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 电控变焦透镜研究现状...................................................................................1

§1.2 本课题研究介绍...............................................................................................2

§1.2.1 课题意义.................................................................................................2

§1.2.2 研究内容.................................................................................................3

§1.2.3 实施方案.................................................................................................3

§1.2.3 主要关键技术.........................................................................................5

第二章电控聚合物分散液晶全息透镜原理.................................................................7

§2.1 全息聚合物分散液晶(HPDLC)材料...............................................................7

§2.1.1 全息聚合物分散液晶材料的发展.........................................................7

§2.1.2 全息聚合物分散液晶材料的制备.........................................................8

§2.1.3 全息聚合物分散液晶材料的特性.......................................................11

§2.2 全息透镜原理.................................................................................................13

§2.3 聚合物分散液晶全息透镜电控变焦原理.....................................................18

第三章电控聚合物分散液晶全息透镜性能优化研究...............................................19

§3.1 电控聚合物分散液晶全息透镜衍射效率.....................................................19

§3.1.1 电控聚合物分散液晶全息透镜衍射效率理论...................................19

§3.1.2 电控聚合物分散液晶全息透镜衍射效率影响因素分析...................24

§3.1.2.1 电控聚合物分散液晶全息透镜厚度对衍射效率的影响.........25

§3.1.2.2 液晶折射率各向异性对衍射效率的影响.................................26

§3.1.2.3 液晶微滴半径对衍射效率的影响.............................................27

§3.1.2.4 液晶含量对衍射效率的影响.....................................................29

§3.1.2.5 聚合相分离程度对衍射效率的影响.........................................30

§3.1.2.6 曝光光场可见度对衍射效率的影响.........................................31

§3.1.2.7 工作波长对衍射效率的影响.....................................................33

§3.1.2.8 光栅间距对衍射效率的影响.....................................................34

§3.2 电控聚合物分散液晶全息透镜阈值电压.....................................................35

§3.3 电控聚合物分散液晶全息透镜响应时间.....................................................37

§3.4 电控聚合物分散液晶全息透镜实验优化.....................................................38

§3.4.1 实验优化方法.......................................................................................38

§3.4.2 实验结论...............................................................................................39

第四章电控聚合物分散液晶全息透镜制作及测试...................................................43

§4.1 电控聚合物分散液晶全息透镜制作.............................................................43

§4.1.1 配方.......................................................................................................43

§4.1.2 光路搭建...............................................................................................44

§4.1.3 待曝光液晶盒制作...............................................................................45

§4.1.4 曝光.......................................................................................................46

§4.2 电控聚合物分散液晶全息透镜测试.............................................................46

§4.2.1 微观形貌结构观测...............................................................................46

§4.2.2 成像观测及焦距测量...........................................................................47

§4.2.3 衍射效率及电控特性测试...................................................................48

第五章驱动电路及演示装置.......................................................................................51

§5.1 驱动电路设计.................................................................................................51

§5.2 装置结构设计.................................................................................................53

第六章总结...................................................................................................................57

第一章绪论

随着材料科学的发展，出现了许多新兴的功能材料，全息聚合物分散液晶

(Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal, HPDLC)材料就是其中一种新型的光

电子信息功能材料，于 1993 年开始被研究。光学全息术与液晶技术的新结合，不

仅使其易于制作，更重要的是其具有独特的优良性能，如体积薄、质量轻、易于

小型集成、快速的响应时间、高的衍射效率等。这些特点使得它在光通讯(包括光

开关、光衰减器、均衡器等)、集成光学、平板显示、信息存储等领域有着广阔的

应用前景。目前，HPDLC 材料与器件成为科学研究的热点之一，特别是随着信息

技术、集成光学、二元光学和自适应光学的发展，在实际应用中，许多场合传统

光学变焦透镜已不再适应，人们对无机械运动光学变焦透镜、小型可集成化和可

快速变焦等性能的要求日益迫切，光学透镜急需朝着小型集成化和性能可调控的

新型现代光学透镜目标前进，利用 HPDLC 制作电控变焦透镜的研究具有重要的科

学意义和潜在的应用价值。

§1.1 电控变焦透镜研究现状

变焦透镜按其构成有无运动部件可分为两大类：有运动部件变焦透镜和无运

动部件变焦透镜。

有运动变焦透镜目前已经应用得非常广泛，大部分需要用到变焦镜头的场合

用的都是有运动部件的变焦透镜，它是利用改变透镜组中各个单透镜之间的距离

来达到变焦的目的，这种变焦透镜目前已经非常成熟，但是它的缺点是调焦速度

比较慢，整个器件体积比较大也比较笨重，随着信息技术及集成光学发展，各种

器件都在朝着小型化的方向前进，这种变焦透镜在很多场合都已经无法满足人们

的需要，于是迫切需要一种体积小、质量轻、易于小型集成、快速的响应时间的

无运动部件的电控变焦透镜。

国内外无运动部件电控变焦透镜基本上是基于液晶材料制作的，取得了一定

的成果，一大批基于不同原理无运动部件的电控变焦透镜已被报道[1-7]。

目前国外学者报道的聚合物分散液晶变焦透镜既有折射型的，也有衍射型，

还有折衍混合型的；既有电控调焦的，也有其他一些方式调焦的，例如通过改变

入射光的偏振方向来实现调焦[8]；既有连续调焦的，也有离散调焦的，具体可归纳

为以下几种：

电控聚合物分散液晶全息透镜研究

利用聚合物分散液晶（Polymer Dispersed Liquid Crystal ，PDLC）或者纯液晶

和其他无电控折变性质的材料制作双胶合透镜，其中一个是平凹透镜，一

个是平凸透镜，组合起来整个透镜还是平板式的，当给透镜施加电压时，

液晶有效折射率发生改变，透镜的焦距也随之改变，这种透镜是折射型的

连续变焦透镜[8-11]；

将特殊结构的电极产生中心对称的、沿径向方向渐变的非均匀电场或者轴

对称的渐变电场施加到聚合物分散液晶（PDLC）或者纯液晶材料（液晶

盒）上来制作变焦透镜，通过调节电场来达到变焦的目的。例如，将球冠

型电极和平板电极产生的电场加在液晶盒上制作变焦透镜，或者将由如图

1-1 所示的电极产生的电场加到液晶盒制成柱面变焦透镜[12,13]；

图1-1

利用菲涅耳波带片掩模板或制作环行电极等方法制作聚合物分散液晶

（PDLC）变焦透镜，当给透镜施加电场时，可实现透镜变焦[14-20]。

国内学者在聚合物分散液晶变焦透镜方面也做了积极的研究，开展研究的有复旦

大学、华东理工大学、北方液晶工程中心、长春理工大学、上海理工大学等单位，

主要对聚合物分散液晶（PDLC）的聚合固化条件对 PDLC 电光特性的影响作了比

较深入的研究，关于 PDLC 电控可调光栅、液晶窗等器件也有过一些研究，但是

从目前文献来看，国内外对于用全息的方法制作全息聚合物分散液晶（HPDLC）

电控透镜的研究报道较少，开展的研究还不足。

§1.2 本课题研究介绍

§1.2.1 课题意义

传统的光学透镜一般采用折射率不变的光学材料制作，其焦距的调控一般都

是用机械运动的方式来实现，调焦速度比较慢，整个器件体积比较大也比较笨重。

随着信息技术、集成光学、二元光学和自适应光学的发展，在实际应用中，许多

场合传统光学变焦透镜已不在适应，人们对光学变焦透镜无机械运动部件、小型

电极

第一章绪论

可集成化和可快速变焦等性能的要求日益迫切，光学透镜急需朝着小型集成化和

性能可调控的新型现代光学透镜目标前进，例如，照相机的光学镜头，尤其如带

摄像功能的手机，需要体积、质量小，可快速变焦的光学透镜。

本课题基于对聚合物分散液晶（HPDLC：Holographic Polymer Dispersed Liquid

Crystal）材料的研究，以聚合物分散液晶（PDLC）为材料，采用全息的方法制作

电控聚合物分散液晶全息透镜。这种电控全息透镜呈平板式设计，无机械运动部

件，具有电控速度快、适合小型化集成、制作方法简单、光利用率高、偏振无关

等优点，弥补了传统透镜调焦速度慢体积大不利于小型集成等不足。

本课题是和美国 Omnivision 公司的国际合作项目，亦受到 973 项目和上海市

教委重点基金 T0501 的资助。

§1.2.2 研究内容

1. 将全息透镜看成是位相和振幅的混合型体全息，利用耦合波理论，结合聚

合物分散液晶全息透镜的具体情况，理论上研究 PDLC 全息透镜性能的影

响因素；

2. 聚合物分散液晶（PDLC）材料配方研究，结合理论研究的结果，研究不

同配方在不同聚合相分离条件下形成聚合物分散液晶的电光特性，结合聚

合相分离的化学机理，找出得到衍射效率高、驱动电压低（制作电控光栅

以便研究这些特性）、响应时间短、结构稳定全息聚合物分散液晶的配方

及相分离条件；

3. 全息光路研究,结合聚合物分散液晶相分离条件、曝光特性及微观结构，找

出得到高衍射效率全息透镜全息曝光光路；结合全息理论，研究全息透镜

参数与全息光路各因素的关系。

4. 电控全息透镜特性测试研究。

§1.2.3 实施方案

选购好所需材料、光学器件及仪器，按如下方案实施：

1. 理论研究

查阅相关文献及资料，在理论上研究电控聚合物分散液晶全息透镜

性能的影响因素；

2. 材料配方及聚合相分离条件的确定

根据理论研究结果、聚合相分离原理及所用预聚物、液晶等材料的

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摘要：

摘要全息聚合物分散液晶(HolographicPolymerDispersedLiquidCrystal-HPDLC)作为一种新型光电子信息功能材料具有衍射效率高、响应快速、制作简单等特点，这使得它在光通讯、平板显示、信息存储、集成光学等领域有着广泛的应用前景。另一方面，随着信息技术、集成光学和自适应光学的发展，传统光学透镜在很多场合下已不再适应，人们对光学透镜小型集成化和可快速变焦等性能的要求日益迫切。为此我们对电控聚合物分散液晶全息透镜进行了深入的研究，并在实验上采用全息的方法成功制作了电控聚合物分散液晶全息透镜。本文首先在详细介绍了电控聚合物分散液晶全息透镜原理的基础上，对液晶微滴分布及...

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