基于叉指电极的液晶盒显示特性研究

【摘要】全息三维显示技术提供了几乎和真实物体一样的3D视觉系统所需要的完整信息,并且没有其他技术中出现的人眼会聚和聚焦的矛盾,被普遍认为是真三维显示的终极工具。经典的光全息显示技术使用全息干板或特殊的胶卷作为全息图的记录介质,能够在空中呈现完美重构的物体像。但是,经典的光全息技术不能够展示实时、动态的物体三维重构。上世纪80年代末,MIT多媒体实验室的科研人员使用声光调制器取代了原有的全息记录干板,实现了动态全息显示,全息显示从此由胶片时代进入了数字时代。此系统的核心部件就是空间光调制器(SpatialLightModulator,SLM)。硅基液晶(liquidcrystalonsilicon,LCOS)器件是液晶空间光调制器的一种,是平板显示技术与硅芯片技术的有机结合,从两种技术获得的益处,具有许多潜在的优势,它已成为了当今备受关注的视频全息显示系统的一种核心器件。但是,目前LCOS的像素尺寸能展现的衍射视角较小,直接用于全息显示,将难以满足人眼三维显示的需求。因此,如何设计一个满足全息显示需要的LCOS成为了一个重要的挑战。根据衍射原理,直接缩小LCOS像素的尺寸就可以实现较大的衍射角度。但是,实际上随着尺寸的减小,LCOS像素中液晶分子出现越来越明显的边缘场效应,严重影响了LCOS的相位调制量和衍射效率。本论文工作目的是通过探讨液晶器件中,驱动电极的大小和形状对实现较大的衍射角度并同时具备较高的衍射效率的影响,其中包括目前已被液晶显示器件广泛使用的交叉指型电极。由于LCOS的像素尺寸比LCD的像素尺寸小1到2个数量级,并且各种工作模式不同,LCD的电压驱动模式是否能移植到LCOS中去,也是本论文工作要着重探讨的问题。全文包括以下几方面研究内容和研究成果：1)调研了目前LCOS器件的现状及其用于视频全息显示所面临的挑战,指出当前最小像素尺寸6.4urm的LCOS仍然不能得到满足人眼需求的大衍射角全息显示。2)针对面向全息视频显示所需的较小像素尺寸LCOS,文中采用吉布斯自由能理论构建液晶指向矢求解模型,应用差分迭代方法求解指向矢的分布情况；传统的矩阵法限制为1D指向矢结果的模拟设计,不适用于小像素和叉指电极下LCOS的指向矢的计算,需要更复杂的、计算多维光学性质的建模工具。考虑到LCOS液晶层中的散射和衍射情况,采用更为严格的时域有限差分算法(Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD),精确地计算液晶的光学性质。论文中,分别采用计算液晶分子指向矢分布的TechwizLCD和计算液晶光学性质的FDTDSolutions两款软件构建仿真实验平台。3)模拟了现有的像素大小为6.4um的LCOS在不同像素间隙宽度、预倾角和盒厚的情况下,相应的远场衍射角度和效率分布的情况。得到在像素间隙为0.5um以下,预倾角在5。以内,其相应的远场衍射效率分布几乎无变化。LCOS的盒厚严重影响了其相位调制量以及远场衍射效率分布。4)研究了交叉指型电极用于液晶装置的光学性质,通过改变电极宽度和间隙大小,观察其对液晶盒边缘场效应的影响,实验结果表明,适当的调节叉指电极液晶盒中电极宽度与间隙的大小,可以实现接近11.5。的衍射角且衍射效率高达14～15%。对于一定范围的盒厚,能实现高达1～1.725π的相位调制量。为进一步将其应用于LCOS电极,实现大衍射角全息重构提供模拟技术方法和实验结果参考。
【作者】李浩；
【导师】韦穗；
【作者基本信息】安徽大学，信号与信息处理，2014，硕士
【关键词】全息显示；液晶空间光调制器；叉指电极；时域有限差分法；衍射效应；

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