CN105929474A

CN105929474A - 全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法

Info

Publication number: CN105929474A
Application number: CN201610375325.7A
Authority: CN
Inventors: 郑继红; 刘悠嵘; 王康妮; 刘璐; 李云章; 陆飞跃; 高辉; 桂坤
Original assignee: SHANGHAI LUOMAN LIGHTING (GROUP) Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: SHANGHAI LUOMAN LIGHTING (GROUP) Co Ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-09-07

Abstract

本发明涉及一种全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法，搭建变间距光栅曝光光路，使用分光棱镜进行左右方向分束，制备出左右眼立体分束功能的变间距光栅。曝光光栅时的光路图直观，能较方便的实现立体分束功能。根据变间距光栅的原理，使得显示器上的光均能以不同的衍射角度出射，再根据左右眼图像分束功能，能实现不同范围内的立体显示图像分束，人眼的移动只要在变间距光栅衍射的范围内，都能观看到立体显示效果；使用的聚合物分散液晶材料，能高速响应人眼时间，能进行电路控制，在电控情况下，能快速转化成2D或3D模式。

Description

全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法

技术领域

本发明涉及一种立体显示技术，特别涉及一种全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法。

背景技术

全息聚合物分散液晶(Holographic polymer dispersed liquid crystal，H-PDLC)是一种新型光电信息材料及器件，近年来被广泛研究。所以，当充满预聚物的样品盒被两束相干光产生的干涉条纹照射时，在亮条纹处大量单体发生聚合反应，随之将液晶挤向暗条纹处，亮条纹处的单体在聚合反应中被大量消耗，暗条纹处的单体则不断地向亮条纹处进行扩散和补充，最终，样品盒中就会形成对应于亮条纹区域的富聚合物区和对应于暗条纹区域的富液晶区，这样就形成了H-PDLC光栅结构。H-PDLC光栅的衍射特性可以通过添加电场来进行调节。在不加电压时，光栅将偏折入射光的前进方向，而在一定强度的电场的作用下，向列液晶分子将会发生一定程度的旋转，其指向矢趋向于与电场方向重合，使得液晶微滴的有效折射率与聚合物基质呈相互匹配的趋势，从而光栅的衍射现象减弱，随着电场强度的增加，衍射现象越来越弱直至消失，入射光不再发生偏折，沿原方向射出。电控H-PDLC技术在变焦透镜、光子晶体、电光滤波器、显示系统、分布反馈激光器等领域都具有很好的应用前景。

近年来，随着对核心分光元件平面变间距光栅的研究。开发出一些高分辨能力的掠入射光栅单色器，最早的平面变间距光栅诞生于1875年，和传统的衍射光栅相比它具有自聚焦和消像差特性，且光栅基底为平面，降低了加工难度，适用于高分辨率掠入射单色器。平面变间距光栅的制作可以分为机械刻划和全息曝光两种制作方式。变栅距光栅的相邻栅距变化量十分微小，一般其最大值也不大于纳米量级，因此采用机械刻划过程中会产生难以避免的周期性累计误差引起的鬼线，实际制作十分困难，因此，较少采用机械刻划的方式制作变栅距光栅。全息曝光方式制作变间距光栅是采用两束相干光源(球面波或非球面波)在基底表面上记录两束相干波的干涉条纹来制作变栅距光栅。与机械刻划光栅相比，全息光栅制作简单，便于改变刻槽形状，可制作的基底类型更加丰富，且具有无鬼线，杂散光低和制造周期短等优点，因此，目前较多采用全息曝光的方式制作变栅距光栅。

人眼一般观察物体时，因为有左右眼的水平方向距离存在，将会出现两个不同的视角，根据光学的投影，物体上的像素点会交与左右眼上不同的位置上，出现这种的水平位差被称为双目视差，然后这种不同的视觉在大脑中合成立体视觉。目前，大部分的立体显示系统都是根据左右眼感知不同立体信息的机理来得到立体视觉，一般是通过一些特定的设备或一些利用聚合物分散液晶的开关作用来实现，虽然能够观看立体效果，但是设备存在额外的外在影响和衍射效率低，导致透过的光的光强不高，阻碍着人的自然视觉感受。

现代双目视差原理成像的裸眼立体显示有双液晶物镜显示、反射显示、菲涅尔透镜、狭缝式视差光栅和柱面透镜等分光方法。而目前主流的方法有两种，即狭缝式视差光栅式和微柱面透镜阵列式显示器。

狭缝式视差光栅是让一些垂线来选择性通过组成像素发出的光线，调节光栅的形状来实现观看窗口的位置和角度的改变。但是它将降低光线射入人眼时的强度，造成亮度的损失，影响观赏的效果。而微柱面透镜式立体显示器利用透镜将图像发出的光线分别偏折向左右来实现双眼视差。这种类型的显示器非常适合于现代低功率、低厚度的发展趋势，本发明就使用左右眼立体分束功能，不同的是利用聚合物分散液晶光栅。

近年来，随着立体显示技术的逐渐发展和完善，全息衍射电光器件逐渐成为立体显示不可或缺的一部分。立体显示传统主流的方法有两种，即狭缝式视差光栅式和微柱面透镜阵列式显示器。然而前者存在功率、散热和成本等一系列问题，后者对工艺和设备的要求非常高。

发明内容

本发明是针对现在传统立体显示分束器存在的问题，提出了一种全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法，提出的新型聚合物分散液晶材料制备的光栅能够衍射出不同角度的入射光，并且具有较好的分束效果。能够实现立体显示图像分束功能的全息聚合物分散液晶变间距光栅，能有效解决人眼移动观看显示器系统的立体效果问题。

本发明的技术方案为：一种全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法，具体包括如下步骤：

1)搭建多路激光光束合一光路：将激光器、激光扩束准直系统、分光棱镜、柱面透镜和液晶盒同轴依次搭建，液晶盒里装有聚合物分散液晶材料，光路最终到达液晶盒上，分光棱镜置于转动旋转台上，将两面平面反射镜分别放在分光棱镜左右两侧，接收并反射分光棱镜的反射光；

2)调整光路：先调节激光器，使用较小的激光功率对光路进行调整，激光器输出激光的进入激光扩束准直系统，出来的平行激光打在分光棱镜上，输出两束激光，一束透射激光垂直射入柱面透镜后到达液晶盒，使到达液晶盒光斑宽度与激光扩束准直系统出射光斑宽度相同，另一束反射激光经过左侧平面反射镜反射达到液晶盒上透射光相同位置，反射光与柱面透镜出射的激光成一定的角度辐照在液晶盒上，调整左侧平面反射镜，使经过柱面透镜的水平激光与反射光之间的夹角为设定的衍射角；再旋转分光棱镜90度，调整右侧平面反射镜，使反射激光经过右侧平面反射镜反射到液晶盒上透射光相同位置，反射光与柱面透镜出射的水平激光成设定的衍射角辐照在液晶盒；

3)曝光：使用调整后光路进行曝光，先对右半液晶盒进行全息曝光，激光器以设定功率输出激光，激光通过准直系统的入射光进入分光棱镜时，输出两束光，透射束光进入到柱面透镜，再出射到液晶盒上，另一束反射光会经过左侧平面反射镜反射到右半液晶盒上，在右半液晶盒上两束光形成依次变化的不同角度，进行右半液晶盒的全息曝光，在液晶盒内形成右半的变间距光栅；再进行左半液晶盒进行全息曝光，将液晶盒向左移动半个液晶盒距离，使未曝光另一半对准入射的激光光斑，通过旋转旋转台，使分光棱镜旋转90度，反射光经过右侧平面反射镜时，进行左半液晶盒的全息曝光，在液晶盒内形成左半的变间距光栅，得到全息聚合物分散液晶变间距光栅。

所述柱面透镜对着激光扩束准直系统的面为平面，对着液晶盒面为凸面，液晶盒放置在柱面透镜的2倍焦距处。

所述步骤3)曝光所得聚合物分散液晶变间距光栅上条纹的间距从中间到两边由密到疏，即投射光到聚合物分散液晶变间距光栅上衍射角从左为最大逐渐到中心最小，再到右边为最大角度的衍射。

本发明的有益效果在于：本发明全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法，采用在全息干涉仪的一条光路中插入一柱透镜，使得由柱面镜透射的物光与另一条光路中的平面参考光发生干涉，再利用平面镜将另一束光左右不同方向分束，最后得到条纹间距可变的干涉图形的光路图。这结合了变间距光栅制作方法与左右光分束的光路相结合，只需在分光棱镜上做小的移动，具有方便，误差小等优点。又利用聚合物分散液晶材料，有着高速度响应时间及电控机制。制作出的光栅与显示器相结合，则可以实现不同角度范围的立体视觉，人眼移动不会有立体视觉的改变。，更加舒适、方便观看立体效果。

附图说明

图1为本发明实现立体显示的变间距光栅与显示器结合图；

图2为本发明全息聚合物分散液晶变间距光栅制备光路图；

图3为本发明全息曝光后液晶盒上变间距干涉条纹模拟图。

具体实施方式

本发明利用到光栅得到干涉现象实现立体显示。以公式来描述，当衍射角θ满足关系dsinθ＝mλ时发生干涉加强现象，这里d为狭缝间距，也称为光栅常数。θ为光衍射的角度。m是一个整数，为光谱级数，取值为0，±1，±2，……。λ是入射光的波长。当d一定时，由衍射角的绝对值θ不可能大于90°，sinθ的绝对值不可能大于1，这就限制m的取值，所以有极大值，此方程为光栅方程。(由上述方程可转化为)为计算光栅周期的方程，Λ为光栅周期，当我们知道衍射角度θ时，就可计算出光栅的周期。为本发明中制备变间距光栅提供理论计算。

在一定的临界温度或曝光强度下，PDLC材料进行全息曝光，使PDLC材料引发聚合，液晶在样片中形成离散的周期性通道，被密集的聚合物通道所分隔，得到体光栅。体光栅具有以下性质，当光线以一定的入射角入射体光栅时，满足光栅方程的每个m值(与上述方程m值一样)﹐都有相应的级光谱，每个波长的光能量分散在诸光谱级中。现代曝光光栅的技术﹐能使所有衍射光栅具有人为想要的形状和尺寸。选择适当入射角﹐可使所需的波长及其邻近波段的绝大部分的光能量集中到预定的光谱级中。

变间距光栅是指光栅的刻槽按一定规律变化，可以改变子午光线焦点位置，使自身具有自聚焦和消像差的特性，通过合理选择栅距变化规律，可以消除像差。变间距光栅促进了光栅相差理论的发展。条纹间距逐渐增大或减小。根据上述公式，入射光衍射的角度会随之增大或减小。不同的周期宽度对应着不同的衍射角度，也满足了不同位置的衍射光。

本发明提出将H-PDLC体光栅与立体显示相结合，制备了左右眼分束全息曝光形成的变间距H-PDLC光栅，并利用该材料独特的光敏感特性，在同一液晶盒中集中制备了左右眼激光曝光的斜光栅，分别对应左右眼像素，将该组合光栅与显示器屏幕相贴合，利用不同的衍射光，实现了立体显示中的左眼和右眼图像分束功能。实现了仅通过此变间距光栅就能实现立体效果。

如图1所示实现立体显示的变间距光栅与显示器结合图。1为显示器，2为聚合物分散液晶变间距光栅，3为ITO导电膜，4为人眼，5为人眼移动后的状态。不加ITO电压时，当显示器1将图像的光入射到光栅2内，就会出现左右两种不同的衍射光，分别对应着左右眼观看。光栅2条纹的间距是从图示左方向到右方(向)由密到疏，再到密，则投射光就会逐渐从左为最大的角度衍射到中心最小，再到右边最大角度的衍射。光栅有左右眼分束功能，通过大脑视觉的合成，则会形成立体视觉。可以看出显示屏幕上分成若干个小像素，每个像素图像发出的光会经过相应周期的液晶光栅，然后每个像素点的光会产生不相等的衍射角度，(在左方向到中间方向或右方向到中间方向范围内变化)，从一定的范围内发生变化，所以人眼可以在不同的角度内接受到透射光，当人眼移动的时候，都可以随时接受到光。由于是左右分束光栅，导致透射会有左右两个方向的透射，最后由人眼接受，形成立体显示效果(进行3D模式观看)；当ITO电导膜3通电时，即聚合物分散液晶光栅受到电压控制，将会出现光直接从光栅内投射，无方向的偏转，即转化为2D模式观看。当断开电压，即ITO导电膜3不通电时，本发明的聚合物分散液晶变间距光栅将自动重新对入射光进行调制，使入射光出现不同的衍射角度。对聚合物分散液晶光栅进行通电，则会失去变间距光栅的结构，结构2就会变成透明的状态，使入射光无偏折的投射。

如图2所示为全息聚合物分散液晶光栅制备的光路图，实现立体显示图像分束功能的聚合物分散液晶变间距光栅的制备步骤如下：

1、搭建多路激光光束合一光路：将激光器6、激光扩束准直系统(扩束镜7与凸透镜8)、分光棱镜9、柱面透镜14、液晶盒13依次同轴搭建，液晶盒里面有聚合物分散液晶材料，其中液晶盒放置在柱面透镜的2倍焦距处，保证激光扩束准直系统出射的光斑宽度与最后反射照射在液晶盒上的激光光斑宽度相一致(照射在液晶盒表面的两束相干激光光斑尺寸一致重合)。将平面反射镜10放在分光棱镜9的右侧，而平面反射镜11放在分光棱镜的左侧，一般平面反射镜与分光棱镜宽度大于激光光斑宽度即可。

2、调整光路：先调节输出波长为532nm的激光器至较低功率。激光沿水平方向进入激光扩束准直系统7、8，出来的激光经过分光棱镜，被分光棱镜分成两束激光，一束透射激光继续沿水平方向射入柱面透镜14，另一束反射激光进入到分光棱镜右侧的平面反射镜10上，调节平面反射镜10的角度，使激光能够照射在曝光平台上的液晶盒，最后由经过柱面透镜的激光和经过平面反射镜的激光依次成不同的角度照射在液晶盒上，并且两束光形成的夹角如图2中θ₁、θ₂、θ₃(θ₁<θ₂<θ₃),其中θ₂(经过柱面透镜的水平激光与反射光之间的夹角)一般设定为8°。旋转转动旋转台12，使分光棱镜旋转90度，使另一束激光经过平面反射镜11，同样最后两束激光成不同的角度照射在液晶盒上。

3、曝光：再调节激光器，使用1W的激光功率。当激光通过分光棱镜9时，就会出现两束激光，一束激光进入到柱面透镜14，再出射到液晶盒上13。另一束激光会经过平面反射镜10，再反射到液晶盒13上，最后两束激光以不同的角度照射在液晶盒上，来曝光放入液晶盒内的聚合物分散液晶，曝光时间为1分钟，这个实验是进行右半液晶盒的全息曝光(对应着图1是曝光出右眼方向的全息光栅)，则在液晶盒内会形成右半的变间距光栅。接下来要进行左半液晶盒全息曝光，将液晶盒向左移动半个液晶盒距离，使未曝光另一半对准入射的激光光斑。分光棱镜9是置于转动旋转台12上，通过旋转旋转台，可以使分光棱镜旋转90度，同样使激光分成两束光，一束激光经过柱面透镜，另一束激光经过平面反射镜11，同样两束激光以不同的角度照射在液晶盒上，来曝光另一半聚合物分散液晶，则会形成左半的变间距光栅。最终聚合物分散液晶形成聚合物分散液晶变间距光栅2。图1中所示夹角θ，为图像分束角度，反应到图2可知图像分束角度为θ₂，即θ＝θ₂，θ₂角度通过理论计算，一般设定为8°。图3为全息曝光后液晶盒上变间距干涉条纹模拟图的一小部分，可以清楚看到光栅之间的条纹距离的改变。

方程Λ为光栅周期，由实验图2可知，当做右眼方向曝光时，有图所示到达，经过平面镜反射10的三条光线与经过柱面透镜的三条光线到达在液晶盒上的形成的角度是不一样的，即为θ₁、θ₂、θ₃，(由图可知θ₁<θ₂<θ₃)则有上述公式,曝光后的光栅周期Λ由大变小大，这点可从图3看出光栅的干涉条纹的变间距变化。因为图2为俯视图来看，即从上到下角度看，是由密到疏。同理当曝光左眼方向时，从上到下角度看光栅周期Λ由小变大，即由疏到密。综合到图1所示的光栅的条纹间距就变为从左边方向开始由密到疏，再到密。

以下为实例，曝光波长为532nm,光栅尺寸为2cm,柱透镜材料折射率为1.5163,柱透镜的焦距为10cm，曝光时柱透镜到光栅的距离为20cm,(对应图2)可通过理论计算，计算出当人眼距光栅距离为25cm时(对应图1)，衍射光束角度变化为2.2450°-13.8377°，人眼可移动距离为0.9801cm-6.1581cm。

虽然有人提出过利用液晶聚合物的电控开关作用来实现立体显示功能，所用的是多层液晶聚合物，这样会影响光的透光率，但是本发明所用的是单层液晶聚合物光栅，通过可变间距光栅实现了人眼的移动追踪功能，并且单层光透光率几乎没什么损失，这样能提高立体的效果。如图1所示位于分束图样的右侧和左侧经过全息彩色光栅后以不同的角度分别向左右眼方向进行分束，被人的左眼和右眼接收后，存在差异的两图像之间可以形成视差，从而产生立体感。又因为是变间距光栅，有不同的角度的衍射光，所以人眼可在不同的角度内移动观看。因此，H-PDLC变间距体光栅左右分束的思路为实现立体显示提供了新的方法。

综上所述。本发明具备以下优点：

其一，裸眼观看显示器，可移动眼睛在不同角度之间内观察，能在较舒适的范围内观看立体效果。

其二，显示器屏幕2D与3D互转速度快。

其三，制备光栅方法简单，易操作。可根据实际需求，制成不同中心角度的光栅。

其四，显示器在立体效果下画面清晰，明亮，色彩，分辨率能在模式切换保持一致，人眼的移动观看的效果不变。

Claims

1.一种全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）搭建多路激光光束合一光路：将激光器、激光扩束准直系统、分光棱镜、柱面透镜和液晶盒同轴依次搭建，液晶盒里装有聚合物分散液晶材料，光路最终到达液晶盒上，分光棱镜置于转动旋转台上，将两面平面反射镜分别放在分光棱镜左右两侧，接收并反射分光棱镜的反射光；

2）调整光路：先调节激光器，使用较小的激光功率对光路进行调整，激光器输出激光的进入激光扩束准直系统，出来的平行激光打在分光棱镜上，输出两束激光，一束透射激光垂直射入柱面透镜后到达液晶盒，使到达液晶盒光斑宽度与激光扩束准直系统出射光斑宽度相同，另一束反射激光经过左侧平面反射镜反射达到液晶盒上透射光相同位置，反射光与柱面透镜出射的激光成一定的角度辐照在液晶盒上，调整左侧平面反射镜，使经过柱面透镜的水平激光与反射光之间的夹角为设定的衍射角；再旋转分光棱镜90度，调整右侧平面反射镜，使反射激光经过右侧平面反射镜反射到液晶盒上透射光相同位置，反射光与柱面透镜出射的水平激光成设定的衍射角辐照在液晶盒；

3）曝光：使用调整后光路进行曝光，先对右半液晶盒进行全息曝光，激光器以设定功率输出激光，激光通过准直系统的入射光进入分光棱镜时，输出两束光，透射束光进入到柱面透镜，再出射到液晶盒上，另一束反射光会经过左侧平面反射镜反射到右半液晶盒上，在右半液晶盒上两束光形成依次变化的不同角度，进行右半液晶盒的全息曝光，在液晶盒内形成右半的变间距光栅；再进行左半液晶盒进行全息曝光，将液晶盒向左移动半个液晶盒距离，使未曝光另一半对准入射的激光光斑，通过旋转旋转台，使分光棱镜旋转90度，反射光经过右侧平面反射镜时，进行左半液晶盒的全息曝光，在液晶盒内形成左半的变间距光栅，得到全息聚合物分散液晶变间距光栅。

2.根据权利要求1所述全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法，其特征在于，所述柱面透镜对着激光扩束准直系统的面为平面，对着液晶盒面为凸面，液晶盒放置在柱面透镜的2倍焦距处。

3.根据权利要求1所述全息聚合物分散液晶变间距光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤3）曝光所得聚合物分散液晶变间距光栅上条纹的间距从中间到两边由密到疏，即投射光到聚合物分散液晶变间距光栅上衍射角从左为最大逐渐到中心最小，再到右边为最大角度的衍射。