电控液晶多谱成像关键技术研究

论文摘要

本文基于液晶材料介电行为的场控制效应,通过构造灵巧的液晶电光结构,对液晶材料的折射率及其空间分布施加有序调控,使得液晶结构的光学性能可以使用电控调节。根据液晶弹性连续体理论,建立了液晶分子在电场作用下形成特定的折射率空间分布的数学模型。在上述基础上,设计和制作了多种电控液晶元件,获得了主要的电光和光学性能。所发展的电控液晶微光学技术,对发展小型化的高速动平台（末）制导技术具有重要意义。主要工作见下述内容。1.通过采用聚酰亚胺制作液晶分子的初始定向和电隔离结构,以及将电极内置,设计和制作了单圆孔电极单元液晶透镜。由于电场直接作用于液晶分子,使透镜的工作电压降低,液晶层内的电场被显著增强,液晶分子更易于驱动和控制。器件的典型参数有：通光孔径2.0 mm,最低工作电压1.1 Vrms（显著低于国际上的常规情形）,不同驱控电压下的MTF值高于0.5,在0.4～1.1μm谱段内的透过率大于60%。基于几何光学和液晶弹性连续体理论所建立的模型,分析了液晶材料折射率呈梯度分布的内在原因,获得了与复杂的常规方法等效的液晶聚焦解析关系和相位分布函数。2.在成功研制单元液晶透镜这一基础上,进一步设计和制作了128×128元电控液晶微透镜阵列。其图案化电极由128×128元微圆孔构成,每个微圆孔直径50μm,相邻圆孔间距100μm,液晶层厚度20μm。器件的典型参数有：面阵器件中的每个单元微透镜的通光孔径50μm,变焦范围50-400μm,工作电压1.2～5.0 Vrms,焦点的焦斑尺寸最大约10μm。通过该微透镜阵列,可以有效生成目标的多重像。3.设计和制作了128×128元电控液晶柱微透镜阵列。其图案化电极由128×128元微长方孔构成,每个微长方孔尺寸60×200μm2,相邻长方孔间距50μm,液晶层厚度20μm。器件的典型参数有：变焦范围60-450μm,工作电压1.4～5.0 Vrms。通过建立液晶材料的折射率梯度分布模型,对所实现的白光聚集、远场白光干涉以及谱激光干涉等,进行了详细讨论与分析。4.基于熔融石英衬底,设计和制作了太赫兹（THz）电控液晶透镜。其典型参数有：通光孔径1.0 mm,阈值电压1.15 Vrms,最小焦距10.0 mm。基于THz-TDS技术和液晶材料的梯度折射率分布模型,测试和分析了器件光学特性,如THz透过率和聚集属性。实验显示,THz透镜在15Vrms电压驱控下,对118μm波长的THz光存在明显的聚焦作用。5.基于液晶材料的电驱控信号频率响应属性,发展了液晶器件的频率调控技术,进一步降低了液晶器件的工作电压。根据液晶材料的介电响应行为,建立了液晶成像元件的等效电路模型和频率驱控模式。典型参数有：驱控信号频率范围0.1～100KHz,驱控信号电压低于1.0Vrms,变焦范围300～500μm,液晶结构的响应时间亚毫秒级。6.基于电控液晶微透镜阵列,设计和制作了原理性的Shack-Hartmann波前探测结构。该结构具有双模（波前和强度图像）成像特征,可有效提高波前的探测灵敏度和动态范围,降低阵列结构间的串扰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外液晶技术和液晶器件发展现状
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 1.4 本论文的课题来源及研究内容安排
• 2 电控单圆孔电极单元液晶透镜
• 2.1 引言
• 2.2 电控单圆孔电极单元液晶透镜的结构及制作工艺流程
• 2.3 基于几何光学和液晶弹性连续体理论的模型
• 2.4 器件光电特性、光学成像能力的测试与分析
• 2.5 本章小结
• 3 电控太赫兹液晶透镜
• 3.1 引言
• 3.2 THz液晶透镜的结构及制作工艺流程
• 3.3 THz液晶透镜时域特性
• 3.4 液晶材料的折射率梯度分布模型
• 3.5 器件在THz透过、聚集及成像特性的测试与分析
• 3.6 本章小结
• 4 电控128×128元液晶微透镜阵列
• 4.1 引言
• 4.2 电控128×128元液晶微透镜阵列的结构及制作工艺流程
• 4.3 液晶材料的折射率梯度分布模型
• 4.4 器件光电、多重像特性的测试与分析
• 4.5 本章小结
• 5 电控128×128元液晶柱微透镜阵列
• 5.1 引言
• 5.2 电控128×128元液晶柱微透镜阵列的结构及制作工艺流程
• 5.3 二维液晶材料的折射率梯度分布模型
• 5.4 器件白光聚集、远场白光干涉及谱激光干涉特性的测试与分析
• 5.5 本章小结
• 6 液晶器件的频率调节技术
• 6.1 引言
• 6.2 液晶器件的结构
• 6.3 基于液晶介电响应行为的液晶器件等效电路模型
• 6.4 器件频率驱控特性的测试与分析
• 6.5 本章小结
• 7 基于液晶微透镜阵列的Shack-Hartmann波前探测
• 7.1 引言
• 7.2 Shack-Hartmann模型
• 7.3 器件波前、强度图像特性的测试与分析
• 7.4 本章小结
• 8 全文总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文情况
• 附录2 攻读博士学位期间所从事的科研课题
• 附录3 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系
• 附录4 英文缩写对照表