液晶微光学结构建模与大孔径电控液晶透镜研究

发布时间：2017-07-28 09:37

  本文关键词：液晶微光学结构建模与大孔径电控液晶透镜研究

  更多相关文章： 电控液晶透镜 建模与仿真 点扩散函数 摆焦 大通光孔径

【摘要】：液晶材料具有介电各向异性,目前被广泛应用于平板显示领域和多种光电器件中。基于液晶材料的电控液晶透镜具有独特的电调焦电摆焦功能,常以阵列形式存在,通光孔径一般较小,从而限制了其应用领域的扩展。迄今为止,发展大通光孔径电控液晶透镜技术,已成为国内外的一个研究热点并受到广泛关注。本论文针对该种液晶结构,较为深入地开展了理论分析和实验技术研究。首先,基于连续体弹性理论,开展了电控液晶透镜其指向矢和空间电势的三维建模。然后,对经典的电控液晶透镜和摆焦透镜进行了仿真,以检验建模的正确性。最后,从液晶透镜的通光孔径限制因素出发,结合理论计算和仿真分析,提出了大孔径电控液晶透镜器件结构和图案电极的设计方法,完成了器件的制作、测试与评估。本论文的主要工作和创新点包括如下几个方面。首先,用有限元法完成了电控液晶透镜的三维建模,详细分析了数值计算难点。通过坐标变换把不同形状的四面体离散单元变换成了规则的四面体,使各离散单元区域内的积分限同质化,从而显著降低了建模难度。然后,对常规电控液晶透镜进行了再仿真,更为精确地给出其指向矢和电势的空间分布特征,提出了点扩散函数的动态再现算法,进而得到透镜结构的精细焦距和焦斑属性,从而克服了传统方法基于相位延迟分布曲率来粗略估算焦距这一缺陷。接着,模拟和分析了电摆焦液晶透镜的电光和光学性能,讨论了关键性的向错线问题,提出了通过抑制向错线改善电摆焦液晶透镜性能的方法和途径。最后,基于发展大通光孔径电控液晶透镜这一目标,设计了新的液晶器件结构和图案化电极形态。为了进一步提升聚光效能,发展了四层电极结构。通过在层化液晶内产生陡峭电场,使波前更接近理想情况。所制作的通光孔径为2mm的原理性电控液晶透镜初步展现了所预测的聚光效能,从而验证了大通光孔径电控液晶透镜设计方法的有效性。
【关键词】：电控液晶透镜 建模与仿真 点扩散函数 摆焦 大通光孔径
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 常规微透镜概述9-10
• 1.2 电控液晶微透镜研究进展10-14
• 1.3 课题来源及论文主要工作14-15
• 2 电控液晶微光学基本特征15-26
• 2.1 液晶材料的分类15-17
• 2.2 液晶的基本物理性质17-20
• 2.3 液晶的连续体弹性理论20-22
• 2.4 电控液晶微透镜的基本物理特征22-25
• 2.5 小结25-26
• 3 液晶微透镜的三维有限元建模26-60
• 3.1 液晶微透镜的数值计算方法26-30
• 3.2 离散化与插值函数30-33
• 3.3 单元矩阵与向量33-36
• 3.4 坐标变换下单元矩阵的数值计算36-39
• 3.5 单元向量的数值计算39-46
• 3.6 总体矩阵与向量46-51
• 3.7 边界条件51-57
• 3.8 计算指向矢与电势的算法57-59
• 3.9 小结59-60
• 4 液晶微透镜的仿真结果与分析60-79
• 4.1 经典液晶微透镜仿真60-63
• 4.2 平行光传播过程模拟63-67
• 4.3 光强分布仿真再现67-72
• 4.4 电摆焦液晶微透镜72-78
• 4.5 小结78-79
• 5 大通光孔径液晶透镜79-103
• 5.1 液晶透镜通光孔径的限制和解决方法79-81
• 5.2 大通光孔径电控液晶透镜设计81-84
• 5.3 结构及性能优化84-90
• 5.4 大通光孔电控液晶透镜的电子学制作方法90-94
• 5.5 光学测试与分析94-102
• 5.6 小结102-103
• 6 总结与展望103-106
• 6.1 全文总结103-104
• 6.2 设计展望104-106
• 致谢106-107
• 参考文献107-113
• 附录 硕士期间的成果113

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本文编号：583442