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多模态电控液晶微结构及其成像技术研究

康胜武  
【摘要】:常规成像光学系统通过改变透镜间的轴向距离实现调焦,微调透镜间的横向位置实现摆焦,其典型缺陷包括:体积和质量大,难以小/微型化,存在较大机械惯性,无法实现快捷甚至实时响应,在高速或强振动条件下易产生位形改变,难以实时复位校准,以及基于光场压缩的微纳控光能力严重不足等。上述问题难以通过常规光学手段获得彻底解决。本文发展的针对成像探测应用的电控液晶微透镜技术,为摆脱上述缺陷提供了新的技术途径和解决方案。本文根据向列相液晶材料特殊的光电特性,发展了多模态控光的功能化液晶微结构。多模态控光是指为执行成像探测操作所设置的多种控光模式,包括管控光的波前、波谱、波矢、偏振、能流、会聚和发散等模态。通过双模电控液晶微透镜所具有的光会聚和光发散效能,对成像视场、焦深、通光孔径和光强等参量进行调节;通过电控液晶FP结构,实现对目标光波其波谱模态的电控凝固和电调变;通过电选液晶微透镜阵列规模,实现成像空间分辨率的电调变。论文主要内容如下: 首先,以液晶弹性连续体理论为基础,开展了对基于图案化电极驱控的液晶微透镜的研究。对多种图案化电极的液晶微透镜进行了计算机仿真,分析了液晶层中的电场分布以及液晶分子在外电场作用下的相位延迟和指向矢分布等情况,制作了多种基于图案化电极的液晶微透镜原理样片并获得了常规光学性能。 其次,在对电场分布进行仿真基础上,发展了基于对称分布的四个条形子电极的电调焦电摆焦液晶微透镜,制作了原理样片并获取了常规光学性能。典型参数和特征包括:焦点最大摆动距离80μm,焦斑半高宽12μm,焦点既可以沿光轴电控移动,也可以在焦平面上电控摆动。在单层图案化电极基础上,进一步发展了基于双层图案化电极的电调焦摆焦的液晶微透镜,分析了电调焦摆焦原理以及微透镜加电后有效通光孔径与设计参数间的相互关系,测试了不同孔径微透镜的焦距与驱控电压信号关系,以及不同尺寸的圆形通光孔径与驱控电压信号关系。 基于应用需求,发展了双模(光会聚、光发散)一体化以及复合型的液晶微透镜阵列,设计和制作了原理样片并获取了常规光学性能。实验显示所发展的微透镜阵列既具有光会聚光发散功能,还具有抗强光干扰能力。基于液晶微透镜的电调焦特性又发展了可寻址控光仿生复眼液晶微透镜阵列,实现了可执行调摆焦及电选通光孔径等操作的新一代液晶基复眼成像功能。另外,文中对功能化液晶微透镜的关键制备工艺进行了总结,研制了相应的阵列化微透镜电控装置。 最后,开展了目前国家急需的红外电控液晶波谱器件和液晶微透镜的初步研究。以镀铝膜硒化锌为衬底,发展了红外液晶FP成像波谱结构以及红外微透镜阵列,测试了常规红外光学性能,为研究工作的深入开展奠定了基础。


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