CN1727967A - 一种纯位相透射式tft液晶波前校正器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，是一种纯位相调制的透射式TFT液晶波前校正器的制备方法。在上基板镀制ITO透明导电薄膜，制作TFT薄膜晶体管阵列层。在上基板制备黑矩阵，镀制ITO透明导电薄膜。分别在上下基板印刷聚酰亚胺取向膜，并进行反平行摩擦处理后制成屏。向屏中注纯向列相液晶，层厚为5～10微米。偏振片需置于液晶屏的入射光一侧，使偏振片的透光轴与液晶屏上的取向膜的摩擦方向平行。依据液晶位相延迟与灰度级的关系编制驱动软件。本发明是纯位相调制，调制光程可达1微米以上，精度优于1/10波长，无衍射干扰，稳定性优于传统的变形镜校正器，可在5～40℃温度区间保持正常工作状态。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及自适应光学系统，具体地说是一种纯位相调制的透射式TFT液晶波前校正器的制备方法。
技术背景
光在大气中传输时由于受到大气湍流的影响，波前会发生畸变，从而影响正常传输信息。液晶波前校正器可以有效地校正波前畸变，因而在激光通讯、天文成像等领域有重要的应用前景。
能够实时校正波前畸变的光学系统称为自适应光学系统。自适应光学系统的核心是波前传感器和波前校正器。自适应光学系统的应用迄今仍限于世界上少数几个天文观察站，没有广泛应用的主要原因之一是传统自适应光学的波前校正集光、机、电、算于一体，结构复杂，控制困难，价格昂贵。液晶波前校正器成本低，分辨率高，体积小，重量轻，控制、运算简单，驱动电压低，可与集成电路(IC)匹配，极具应用前景。
液晶波前校正器的工作介质是向列相液晶。向列相液晶呈细长棒状，介电常数和折射率有明显的各向异性，在电场作用下液晶分子很容易发生转动，趋向电场方向。首先使液晶分子平行排列，然后在垂直于排列的方向上加电场，那么不同强度的电场会使液晶分子的倾斜角度不同。如使偏振光垂直入射液晶介质，且光偏振方向与液晶初始的取向方向平行，随着电场增加偏振矢量与液晶取向之间产生夹角，入射光在液晶层中的有效折射率就会发生变化，使光束在液晶层中的有效光程不同。因此通过给液晶施加电压的方法可控制入射光的光程。如果将液晶屏划分成许多小单元，即象素，就可逐点控制入射光的位相，进而校正畸变的波前。
波前校正器要求至少有一个波长量级的调整量和优于1/10波长的校正精度。根据前者要求，应该选择折射率各向异性差值较大的液晶材料，且在满足响应速度的情况下增加液晶层厚度，另外要尽量消除构成液晶波前校正器的基板和偏振片的不平度；对于后者精度方面的要求，要调整液晶象素尺寸，使其尽可能小，还要保证足够的透过率，不产生衍射影响，同时驱动电压分度值要足够精细。
Rensheng Dou在专利(U.S.Pat.No.5,684,545，1995年7月)中提到自适应光学系统的液晶波前校正器，但没有具体描述液晶波前校正器的结构，更没有描述制备方法。G.D Love在专利(U.S.Pat.No.6,107,617，1998年6月)中描述了一种透射式液晶波前校正器，由127个六角形象素组成，由于没有采用TFT，象素数很少，校正精度不高。1998年Samuel T.Thurman(Samuel T.Thurmanet al，opt.lett.23，969(1998))报道了128×128象素的液晶波前校正器，也没有采用TFT，所以象素数仍较少，校正精度不高。1999年Jeffrey A.Davis等人(Jeffrey A.Davis，et.al.，Optical Engineering，Vol.38(6)，1051(1999))发表了对透过式平行排列的液晶波前校正器的衍射、折射效果的研究，他们实验使用的波前校正器为640×480象素，精度应该较高，但报道中没有描述液晶校正器的制备方法。2003年四川大学的李大海(李大海等，中国激光，30，614(2003))报道了扭曲型液晶波前校正器，特点是两基板间的液晶呈90度扭曲排列，这是一种非纯位相波前校正器，不但校正范围小，不到半个波长，而且校正时有局部亮度变化。2004年美国Kent大学制作了LCOS液晶波前校正器(Xinghua Wang，et al.，SID Tech.Digest，1522(2004))，还有其它一些公司也可制作LCOS液晶波前校正器，象素尺寸很小，分辨率高，但由于后基板为硅基板，只能形成反射式波前校正器，另外LCOS液晶波前校正器的口径都很小，目前直径都在20mm以下，这在远程大口径成像系统中应用困难。在有些场合，需要透射式波前校正器，但目前还未见这方面的公开报道。
发明内容
本发明利用TFT液晶屏的生产技术并加以改造，目的是提供一种制备纯位相透射式TFT液晶波前校正器的方法。
本发明所述的纯位相透射式TFT液晶波前校正器由TFT液晶屏、偏振片、驱动软件三部分组成。
第一部分TFT液晶屏的制作方法是：选取两块透明基板，在其中一块基板上首先镀制ITO透明导电薄膜，然后制作TFT薄膜晶体管阵列，形成TFT薄膜晶体管阵列层，将这块基板作为下基板。在另一块基板上，对应下基板上的TFT薄膜晶体管阵列制备黑矩阵，然后镀制ITO透明导电薄膜，将这块基板作为上基板。分别在下基板的TFT薄膜晶体管阵列侧和上基板的ITO透明导电薄膜侧印刷聚酰亚胺取向膜，并对上下两基板上的取向膜进行反平行摩擦处理。将下基板上的TFT薄膜晶体管阵列与上基板上的黑矩阵对准制成屏。向屏中注入折射率各向异性差值较大的纯向列相液晶，液晶呈平行取向排列，液晶层厚为5～10微米。
第二个部分偏振片需置于液晶屏的入射光一侧，与有黑矩阵的上基板紧邻相互平行放置，并使偏振片的透光轴与液晶屏上的取向膜的摩擦方向平行。
第三部分驱动软件依据液晶位相延迟与灰度级的关系编制，所述的液晶位相延迟是非寻常光与寻常光的光程差，与波前畸变光程量等数值。灰度级对应的是驱动电压。
为更好理解本发明内容，下面详述纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备过程：
(1)如图1所示，选择透射光束面积上平行度与平整度优于1/5波长的两片透明基板；
(2)在一片透明基板上镀制ITO透明导电薄膜4作为下基板2，然后制作TFT薄膜晶体管阵列层6，TFT薄膜晶体管阵列版图的设计为：单元TFT所占面积为25微米×55微米，象素单元85微米×300微米，象素间距25微米；
(3)在另一片透明基板上，对应下基板2上的TFT薄膜晶体管阵列6镀上黑矩阵3作为上基板1，以使液晶屏在接受入射光时TFT薄膜晶体管阵列中不产生光电流，之后在黑矩阵3上镀制ITO透明导电薄膜4；
(4)分别在上、下基板1、2的ITO透明导电薄膜4侧和TFT薄膜晶体管阵列层6侧印刷聚酰亚胺(PI)膜作为取向膜5，按液晶显示器工艺进行热处理后，在PI膜即取向膜5上沿一基板边作平行摩擦，且上、下基板1、2上的摩擦方向互相反平行；
(5)在上基板1上喷洒上5～10微米直径的玻璃球隔垫物，以控制液晶层厚；
(6)在有TFT薄膜晶体管阵列层6的下基板2上印刷封屏胶框，并留有液晶注入口；
(7)将有隔垫物的上基板1与有TFT薄膜晶体管阵列层6的下基板2对准对叠，并使上、下基板1、2上的取向膜5摩擦方向互为反平行，平压上、下基板1、2，并使胶框固化，形成屏；
(8)向屏中注入折射率各向异性值为0.15～0.4的纯向列相液晶7，封口，完成TFT液晶屏的制作；
(9)选择平行度与平整度优于1/8波长、消光比优于500∶1的偏振片8；
(10)将偏振片8置于液晶屏的入射光一侧，与液晶屏中有黑矩阵3的上基板1紧邻，相互平行放置，并且偏振片8的透光轴与液晶屏取向膜5的摩擦方向平行；
(11)在光谱型椭偏仪上测量液晶屏的相位延迟与灰度级的关系曲线，灰度级选用64级以上；
(12)用多项式模拟测得的相位延迟与灰度级的关系曲线，再用相位延迟与灰度级的多项式关系编写驱动控制软件，并根据探测器测得的波面对TFT液晶屏位相延迟在波面区域的分布进行计算机控制，使位相延迟在波面区域的分布与波前畸变互补，实现波前校正功能。
本发明制备的这种透射式液晶波前校正器是纯位相调制，调制的光程量可达1微米以上，调制精度优于1/10波长，衍射干扰造成的透过率在工作电压范围内的波动小于1.5％，稳定性优于传统的变形镜校正器，可在5～40℃温度区间保持正常工作状态。与IC电路匹配，很容易进行计算机控制。器件制作成本低。
附图说明
图1是本发明中TFT液晶屏的结构示意图：1为上基板，2为下基板，3黑矩阵，4为ITO透明导电膜，5为取向膜，箭头方向代表取向膜上的摩擦方向，6为TFT薄膜晶体管阵列层，7为液晶。
图2是检测液晶波前校正器性能的实验光路图：8为偏振片，9为畸变介质，10为TFT液晶屏，具有黑矩阵3的上基板1面向入射光，11为平面反射镜，12为计算机，13为ZYGO干涉仪。
图3是实验制得的液晶波前校正器的位相延迟和透过光强随灰度级变化的关系曲线：图中的△和○是位相延迟与灰度级的依赖关系，分别为相隔3天的两次测量结果，可以看出液晶屏的电光特性很稳定，畸变校正范围0.717微米，超过1个波长0.633微米，可控步长0.050微米，各位置不重复度小于1％；图中■是测得的透过率与灰度级的关系，确认透过率随灰度级变化范围的波动小于1.5％。
图4是在ZYGO干涉仪13上测得的液晶波前校正器对波前的校正效果，其中(a)为校正前的畸变波前，波面最大峰谷差值为0.291波长，峰谷差值的方均根值为0.059波长；(b)为校正后的无畸变波前，波面峰谷差值为0.098波长，即小于1/10波长，峰谷差值的方均根值为0.017波长。可见液晶波前校正器的校正精度很高。
具体实施方式
(1)使用平行度与平整度优于1/5波长、尺寸为160毫米×210毫米的玻璃基板作为下基板2，在下基板2上镀制ITO透明导电薄膜4，然后加工a-SiTFT薄膜晶体管阵列(彩晶数码公司，长春)，形成TFT薄膜晶体管阵列层6。单元TFT薄膜晶体管所占面积为25微米×55微米，TFT阵列对角线尺寸为10.4英寸，1920×480象素，象素单元85微米×300微米，象素间距25微米；
(2)使用平行度与平整度优于1/5波长的玻璃基板作为上基板1，按照彩晶数码公司显示屏工艺在上基板1上加工Cr黑矩阵3，并在黑矩阵3上镀上ITO透明导电薄膜4；
(3)分别在上基板1的ITO透明导电薄膜4侧和下基板2的TFT薄膜晶体管阵列层6侧印刷聚酰亚胺(PI)膜，即取向膜5，按显示器工艺进行热处理后，在取向膜5上作定向摩擦；
(4)在上基板1喷洒上5微米直径的玻璃球隔垫物；
(5)在有TFT薄膜晶体管阵列层6的下基板2上印刷封屏胶框，并留有液晶注入口；
(6)将上基板1的黑矩阵3与下基板2的TFT薄膜晶体管阵列层6对准对叠，并使上基板1和下基板2上的取向膜5摩擦方向互为反平行，平压上、下基板1、2，并使胶框固化，形成屏；
(7)向屏中注入由大日本油墨公司生产的折射率各向异性值为0.198的纯向列相液晶RDP-92975，封口，完成液晶屏的制作；
(8)选择平行度与平整度优于1/8波长的石英偏振片8，直径40mm，厚5mm，消光比为1000∶1，P光成分大于95％；
(9)将石英偏振片8置于液晶屏的入射光一侧，与液晶屏有黑矩阵3的上基板1紧邻，相互平行放置，并使偏振片8的透光轴与液晶屏的取向膜5摩擦方向平行；
(10)采用64灰度级控制模块驱动液晶波前校正器；
(11)在光谱型椭偏仪UVISEL(法国JOBIN YVON公司)上测量液晶波前校正器的位相延迟—灰度级关系：测试光束直径为1毫米，选7个不同位置，每个位置分别测量5次取平均值，得到的结果如图3所示，图中的△和○是位相延迟与灰度级的依赖关系，分别为相隔3天的两次测量结果，可以看出液晶屏的电光特性很稳定，畸变校正范围0.717微米，超过1个波长0.633微米，可控步长0.050微米，各位置不重复度小于1％；图中■是透过率与灰度级的关系，确认透过率随灰度级的变化小于1.5％；
(12)用多项式模拟图3中位相延迟与灰度级的关系曲线，如图3中实线：Y＝-O.00407+0.00642X-4.92111×10-4X2+2.99085×10-5X3-7.12419×10-7X4+6.06207×10-9X5
其中，X表示灰度级，Y表示位相延迟。依据上述多项式编写驱动控制软件，并根据ZYGO干涉仪13测得的波面对液晶屏进行灰度级分布的计算机控制，使通过液晶屏的波前得到校正。
检测液晶屏的波前校正功能：
按图2所示的方法布置好光路；校正器以入射光的偏振方向为轴转2度，以克服上下基板表面的反射光对干涉条纹的干扰，使干涉条纹对比度增强；在液晶波前校正器上选择10mm×10mm的被校正面积，用ZYGO干涉仪13进行波前探测，并使校正器上的象素与CCD象素位置对准；根据图4测得的波面进行校正，校正前的波面如图4(a)所示峰谷差值为0.291波长，校正后的波面如图4(b)所示峰谷差值减小到0.098波长，即小于1/10波长，方均根值由校正前的0.059波长达到校正后的0.017波长，可见本发明的液晶波前校正器具有很高的校正精度。
Claims (7)
1、一种纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备方法，其特征是：
1)制备TFT液晶屏；选取两块透明基板，其中一块基板作为下基板(2)，下基板(2)上首先镀制ITO透明导电膜(4)，然后制作TFT薄膜晶体管阵列，形成TFT薄膜晶体管阵列层(6)；另一块基板作为上基板(1)，在上基板(1)上对应下基板(2)上的TFT薄膜晶体管阵列制备黑矩阵(3)，然后镀制ITO透明导电膜(4)；分别在下基板(2)的TFT薄膜晶体管阵列(6)侧和上基板(1)的ITO透明导电膜(4)侧印刷聚酰亚胺取向膜(5)，并对上下两基板上的取向膜(5)进行反平行摩擦处理；将下基板(2)上的TFT薄膜晶体管阵列(6)与上基板(1)上的黑矩阵(3)对准制成屏；向屏中注入折射率各向异性差值为0.15～0.4的纯向列相液晶(7)，液晶(7)呈平行取向排列，液晶层厚为5～10微米；
2)偏振片(8)需置于液晶屏的入射光一侧，与有黑矩阵(3)的上基板(1)紧邻相互平行放置，并使偏振片(8)的透光轴与液晶屏上的取向膜(5)的摩擦方向平行；
3)依据液晶位相延迟与灰度级的关系编制驱动控制软件，所述的液晶位相延迟是非寻常光与寻常光的光程差，与波前畸变光程量等数值；灰度级对应的是驱动电压。
2、根据权利要求1所述的纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备方法，其特征是所述的偏振片(8)的平行度与平整度优于1/8波长、消光比优于500∶1。
3、根据权利要求2所述的纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备方法，其特征是TFT薄膜晶体管阵列版图的设计为：单元TFT所占面积为25微米×55微米，象素单元85微米×300微米，象素间距25微米。
4、根据权利要求3所述的纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备方法，其特征是偏振片(8)与液晶屏中有黑矩阵(3)的上基板(1)紧邻，相互平行放置；偏振片(8)的透光轴与液晶屏取向膜(5)的摩擦方向平行。
5、根据权利要求4所述的纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备方法，其特征是液晶(7)是折射率各向异性值为0.198的纯向列相液晶RDP-92975。
6、根据权利要求1所述的纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备方法，其特征是在光谱型椭偏仪UVISEL上测量TFT液晶屏的位相延迟与驱动电压关系，用多项式模拟测得的相位延迟与灰度级的关系曲线，再用相位延迟与灰度级的多项式关系编写驱动控制软件，并根据探测器测得的波面对TFT液晶屏位相延迟在波面区域的分布进行计算机控制，使位相延迟在波面区域的分布与波前畸变互补，实现波前校正功能。
7、根据权利要求6所述的纯位相透射式TFT液晶波前校正器的制备方法，其特征是所用的多项式为：
Y＝-0.00407+0.00642X-4.92111×10-4X2+2.99085×10-5X3-7.12419×10-7X4+6.06207×10-9X5
其中，X表示灰度级，Y表示位相延迟。
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