大口径菲涅尔液晶透镜的设计及应用

作     者：黄振豪 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶茂

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：菲涅尔液晶透镜 大口径 自适应成像 电控调焦 

摘      要：液晶透镜具有可电控调焦、体积小、功耗低等特点,可以应用于各种光学系统,取代传统的机械移动变焦,实现自动变焦、智能成像、深度测量等功能。但是传统的液晶透镜口径小,无法应用于大口径近眼设备,限制了其应用范围。本文所研究的菲涅尔液晶透镜,就是利用菲涅尔透镜原理,将液晶透镜分为多个菲涅尔瓣,大幅提高液晶透镜的口径,同时保持快速的响应时间和较大的光焦度可调节范围,拓宽液晶透镜的应用场景。本文重点研究了菲涅尔液晶透镜的结构设计、内部电场仿真、高阻抗膜阻值,并成功制备出口径为1cm的液晶透镜,测试其参数并应用于各种光学系统,检测其电控调焦功能。本文所研究的主要内容及成果概述如下:首先,本文对菲涅尔液晶透镜进行设计和仿真。将菲涅尔结构应用于液晶透镜,并在中心透镜区域增加了环形辅助电极和圆盘电极,提高中心透镜的相位调节能力,实现正、负光焦度的调节效果,增大调焦范围;由于本结构的图案电极层的电极线只有5μm宽,传统氧化铟锡(Indium tin oxide,ITO)电极的阻值大,会影响透镜的驱动,所以选用金电极代替;采用有限差分法对透镜内部的电场进行仿真,根据电势分布,计算得到透镜的折射率分布以及中心透镜的相位分布,与菲涅尔透镜进行对比,验证本文结构的合理性。然后,本文解决了该结构最大的难题——高阻抗膜。液晶分子可以等效为一个电阻和一个电容并联,计算本文结构所需高阻抗膜的方阻,约为10Ω/,对比旋涂聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)溶液和磁控溅射两种方法制作高阻抗膜的结果,最终选用磁控溅射法制备阻值稳定的高阻抗膜,解决了高阻抗膜难题,同时降低了透镜的驱动电压。最后,测试透镜参数并应用于各个成像系统。将制备好的透镜放在干涉光路中,采集干涉条纹图,观察透镜的光学性能;遍历驱动电压,获取各电压下的光焦度和像差;将透镜应用于变焦成像、矫正人眼、AR(Augmented Reality)成像系统,能够利用电控调焦功能提高系统性能。本文设计的菲涅尔液晶透镜口径大、可电控调焦、驱动电压低、变焦范围大,可以应用在各变焦成像、近人眼成像系统,应用前景广阔。