大变焦范围电调谐液晶变焦透镜的研究

尹向宝; 刘永军; 张伶莉; 吕月兰; 霍泊帆; 孙伟民

doi:10.7498/aps.64.184212

摘要

基于向列相液晶指向矢随施加电场作用发生变化的特性, 结合几何光学和液晶理论提出了一种液晶透镜结构模型, 研究了电极大小、隔垫物厚度等液晶透镜参数对液晶透镜焦距的影响. 通过优化参数, 得到结构简单、变焦范围较大的新型液晶透镜样品, 在驱动电压0 VRMS–250 VRMS下可调的焦距范围为75–230 mm, 达到155 mm.

关键词:

向列相液晶 /
可变焦距 /
透镜

A novel structure model with different disc-ring radii of liquid crystal lens is proposed, in which liquid crystal director could be controlled by changing the electric field intensity dependence. Then the theory of liquid crystal and the geometric optics are analyzed. By using the finite element method, under the same constant voltage, we obtain the distributions of the electric field intensity at different positions of the liquid crystal layer. Then, the simulation results provide a theoretical guideline for the experimental fabrication. Due to the fact that the electric field intensity at the electrode edges is stronger than that at the circular hole, a shorter focal convergence could be realized by controlling the voltage between the upper and the lower substrates. In this paper, the influences of the electrode size and spacer thickness on the focal length of liquid crystal lens are also discussed experimentally and theoretically. Through optimizing various parameters, a prototype liquid crystal lens with a large zoom range and simple structure is obtained. Its focal length can be controlled to be 75-230 mm in a range of 25 VRMS-250 VRMS.

Keywords:

liquid crystal /
variable focus /
lens

作者及机构信息

1.
哈尔滨工程大学, 纤维集成光学教育部重点实验室, 哈尔滨 150001;

2.
黑龙江科技大学理学院, 哈尔滨 150022;

3.
哈尔滨工业大学理学院, 哈尔滨 150001

通信作者: 刘永军, liuyj@hrbeu.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61107059, 61077047, 61308052, U1531102)、高等学校学科创新引智计划(批准号: B13015)、黑龙江省教育厅科学技术研究项目(批准号: 12511493)和黑龙江省自然科学基金(批准号: QC2015069)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Key Laboratory of In-fiber Integrated Optics, Ministry Education of China, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;

2.
College of Science, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China;

3.
College of Science, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Corresponding author: Liu Yong-Jun, liuyj@hrbeu.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61107059, 61077047, 61308052, U1531102), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant No. B13015) and the Science and Technology Research Project of Education Bureau of Heilongjiang Province, China (Grant No. 12511493), and the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province, China (Grant No. QC2015069).

参考文献

[1]	Ren H W, Fan Y H, Gauza S, Wu S T 2004 Appl. Phys. Lett. 84 4789
[2]	Liu Y J, Sun W M, Liu X Q, Yao L S, Lu X H, Xuan L 2012 Acta Phys. Sin. 61 114211(in Chinese) [刘永军, 孙伟民, 刘晓颀, 姚丽双, 鲁兴海, 宣丽 2012 物理学报 61 114211]
[3]	Dai Q, Li Y, Wu R N, Geng Y, Quan W, Li Y Q, Peng Z H, Yao L S 2013 Acta Phys. Sin. 62 044219(in Chinese) [岱钦, 李勇, 乌日娜, 耿岳, 全薇, 李业秋, 彭增辉, 姚丽双 2013 物理学报 62 044219]
[4]	Beeckman J, Neyts K, Vanbrabant J M 2011 Opt. Eng. 50 081202
[5]	Liu X, Zhang J, Wu L Y, Gan Y 2011 Chin. Phys. B 20 024211
[6]	Sato S 1979 Appl. Phys. 18 167
[7]	Ren H W, Wu S T 2006 Opt. Express. 14 11292
[8]	Schulein R, Daneshpanah M, Javidi B 2009 Opt. Lett. 34 2012
[9]	Shin D, Cho M, Javidi B 2010 Opt. Lett. 35 3646
[10]	Mao Y, Wang B, Kawamura M, Sato S 2007 Appl. Phys. Lett. 46 6776
[11]	Tang X Z, Zhong D Z, Jian Y X, Lu J G, Xie H P 2013 Acta Phys. Sin. 62 164212(in Chinese) [唐先柱, 钟德镇, 简廷宪, 陆建钢, 谢汉萍 2013 物理学报 62 164212]
[12]	Mao Y, Bin W, Masaru U, Satoshi Y, Shingo T, Maki Ya, Susumu S 2010 Jpn. J. Appl. Phys. 49 100204
[13]	Li C H, Jiang H R 2012 Appl. Phys. Lett. 100 231105
[14]	Chen M S, Chen P J, Chen M, Lin Y H 2014 Opt. Express 22 011427
[15]	Hassanfiroozi A, Huang Y P, Javidi B, Shieh H P 2015 Opt. Express 23 000971
[16]	Che J H, Shen C R 2012 Opt. Express 20 4738
[17]	Wang Q, He S L 2001 Acta Phys. Sin. 50 926(in Chinese) [王谦, 何赛灵 2001 物理学报 50 926]
[18]	Guo Y K 2005 Optics (Beijing: Higher Education Press) p236 (in Chinese) [郭永康 2005 光学 (北京: 高等教育出版社) 第236页]

施引文献

[1]	Ren H W, Fan Y H, Gauza S, Wu S T 2004 Appl. Phys. Lett. 84 4789
[2]	Liu Y J, Sun W M, Liu X Q, Yao L S, Lu X H, Xuan L 2012 Acta Phys. Sin. 61 114211(in Chinese) [刘永军, 孙伟民, 刘晓颀, 姚丽双, 鲁兴海, 宣丽 2012 物理学报 61 114211]
[3]	Dai Q, Li Y, Wu R N, Geng Y, Quan W, Li Y Q, Peng Z H, Yao L S 2013 Acta Phys. Sin. 62 044219(in Chinese) [岱钦, 李勇, 乌日娜, 耿岳, 全薇, 李业秋, 彭增辉, 姚丽双 2013 物理学报 62 044219]
[4]	Beeckman J, Neyts K, Vanbrabant J M 2011 Opt. Eng. 50 081202
[5]	Liu X, Zhang J, Wu L Y, Gan Y 2011 Chin. Phys. B 20 024211
[6]	Sato S 1979 Appl. Phys. 18 167
[7]	Ren H W, Wu S T 2006 Opt. Express. 14 11292
[8]	Schulein R, Daneshpanah M, Javidi B 2009 Opt. Lett. 34 2012
[9]	Shin D, Cho M, Javidi B 2010 Opt. Lett. 35 3646
[10]	Mao Y, Wang B, Kawamura M, Sato S 2007 Appl. Phys. Lett. 46 6776
[11]	Tang X Z, Zhong D Z, Jian Y X, Lu J G, Xie H P 2013 Acta Phys. Sin. 62 164212(in Chinese) [唐先柱, 钟德镇, 简廷宪, 陆建钢, 谢汉萍 2013 物理学报 62 164212]
[12]	Mao Y, Bin W, Masaru U, Satoshi Y, Shingo T, Maki Ya, Susumu S 2010 Jpn. J. Appl. Phys. 49 100204
[13]	Li C H, Jiang H R 2012 Appl. Phys. Lett. 100 231105
[14]	Chen M S, Chen P J, Chen M, Lin Y H 2014 Opt. Express 22 011427
[15]	Hassanfiroozi A, Huang Y P, Javidi B, Shieh H P 2015 Opt. Express 23 000971
[16]	Che J H, Shen C R 2012 Opt. Express 20 4738
[17]	Wang Q, He S L 2001 Acta Phys. Sin. 50 926(in Chinese) [王谦, 何赛灵 2001 物理学报 50 926]
[18]	Guo Y K 2005 Optics (Beijing: Higher Education Press) p236 (in Chinese) [郭永康 2005 光学 (北京: 高等教育出版社) 第236页]

[1]	王紫凌, 叶家耀, 黄志军, 宋振鹏, 李炳祥, 肖瑞林, 陆延青. 负性向列相液晶电致缺陷的产生与湮灭过程. 物理学报, 2024, 73(5): 056101. doi: 10.7498/aps.73.20231655
[2]	陈红梅, 李世伟, 李凯靖, 张智勇, 陈浩, 王婷婷. 向列相液晶分子结构与黏度关系研究及BPNN-QSAR模型建立. 物理学报, 2024, 73(6): 066101. doi: 10.7498/aps.73.20231763
[3]	汪浩然, 张银川, 胡巍, 郭旗. 向列相液晶的饱和非线性及双稳态孤子. 物理学报, 2023, 72(7): 074204. doi: 10.7498/aps.72.20222088
[4]	梁德山, 黄厚兵, 赵亚楠, 柳祝红, 王浩宇, 马星桥. 拓扑荷在圆盘状向列相液晶薄膜中的尺寸效应. 物理学报, 2021, 70(4): 044202. doi: 10.7498/aps.70.20201623
[5]	吕月兰, 尹向宝, 杨月, 刘永军, 苑立波. 染料掺杂液晶可调谐光纤荧光光源的研究. 物理学报, 2017, 66(15): 154205. doi: 10.7498/aps.66.154205
[6]	高向军, 朱莉, 郭文龙. 高极化纯度的超表面透镜设计与应用. 物理学报, 2017, 66(20): 204102. doi: 10.7498/aps.66.204102
[7]	胡昌宝, 许吉, 丁剑平. 介质填充型二次柱面等离激元透镜的亚波长聚焦. 物理学报, 2016, 65(13): 137301. doi: 10.7498/aps.65.137301
[8]	郭文龙, 王光明, 李海鹏, 侯海生. 单层超薄高效圆极化超表面透镜. 物理学报, 2016, 65(7): 074101. doi: 10.7498/aps.65.074101
[9]	唐先柱, 钟德镇, 简廷宪, 陆建钢, 谢汉萍. 低压驱动液晶透镜设计的研究. 物理学报, 2013, 62(16): 164212. doi: 10.7498/aps.62.164212
[10]	王强, 关宝璐, 刘克, 史国柱, 刘欣, 崔碧峰, 韩军, 李建军, 徐晨. 表面液晶-垂直腔面发射激光器温度特性的研究. 物理学报, 2013, 62(23): 234206. doi: 10.7498/aps.62.234206
[11]	刘永军, 孙伟民, 刘晓颀, 姚丽双, 鲁兴海, 宣丽. 向列相液晶染料可调谐激光器的研究. 物理学报, 2012, 61(11): 114211. doi: 10.7498/aps.61.114211
[12]	唐先柱, 鲁兴海, 彭增辉, 刘永刚, 宣丽. 铁电液晶螺旋结构的理论近似研究. 物理学报, 2010, 59(6): 4001-4007. doi: 10.7498/aps.59.4001
[13]	左言磊, 曾小明, 黄小军, 赵磊, 王逍, 周凯南, 张颖, 黄征. 大型短脉冲激光装置中脉冲前沿畸变效应的研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8264-8270. doi: 10.7498/aps.58.8264
[14]	朱言午, 石顺祥, 刘继芳, 孙艳玲. 用于THz波段脉冲空间整形的滤波透镜的电磁场分析. 物理学报, 2009, 58(2): 1042-1045. doi: 10.7498/aps.58.1042
[15]	张然, 何军, 彭增辉, 宣丽. 向列相液晶nCB(4-n-alkyl-4′-cyanobiphenyls, n=5—8)的旋转黏度及其奇偶效应的分子动力学模拟. 物理学报, 2009, 58(8): 5560-5566. doi: 10.7498/aps.58.5560
[16]	任常愚, 孙秀冬, 裴延波. 向列相液晶中弱光引致各向异性衍射图样的研究. 物理学报, 2009, 58(1): 298-303. doi: 10.7498/aps.58.298.1
[17]	杨平保, 曹龙贵, 胡巍, 朱叶青, 郭旗, 杨湘波. 向列相液晶中强非局域空间光孤子的相互作用. 物理学报, 2008, 57(1): 285-290. doi: 10.7498/aps.57.285
[18]	龙学文, 胡巍, 张涛, 郭旗, 兰胜, 高喜存. 向列相液晶中强非局域空间光孤子传输的理论研究. 物理学报, 2007, 56(3): 1397-1403. doi: 10.7498/aps.56.1397
[19]	展凯云, 裴延波, 侯春风. 向列相液晶中空间光孤子的观测. 物理学报, 2006, 55(9): 4686-4690. doi: 10.7498/aps.55.4686
[20]	刘红, 王慧. 双轴性向列相液晶的相变理论. 物理学报, 2005, 54(3): 1306-1312. doi: 10.7498/aps.54.1306

计量

文章访问数: 6975
PDF下载量: 285
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板