專利名稱：一種純位相透射式tft液晶波前校正器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，具體地說是一種純位相調(diào)制的透射式TFT液晶波前校正器的制備方法。
背景技術(shù)：
光在大氣中傳輸時(shí)由于受到大氣湍流的影響，波前會(huì)發(fā)生畸變，從而影響正常傳輸信息。液晶波前校正器可以有效地校正波前畸變，因而在激光通訊、天文成像等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。
能夠?qū)崟r(shí)校正波前畸變的光學(xué)系統(tǒng)稱為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心是波前傳感器和波前校正器。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用迄今仍限于世界上少數(shù)幾個(gè)天文觀察站，沒有廣泛應(yīng)用的主要原因之一是傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)的波前校正集光、機(jī)、電、算于一體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難，價(jià)格昂貴。液晶波前校正器成本低，分辨率高，體積小，重量輕，控制、運(yùn)算簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電壓低，可與集成電路(IC)匹配，極具應(yīng)用前景。
液晶波前校正器的工作介質(zhì)是向列相液晶。向列相液晶呈細(xì)長(zhǎng)棒狀，介電常數(shù)和折射率有明顯的各向異性，在電場(chǎng)作用下液晶分子很容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向電場(chǎng)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電場(chǎng)，那么不同強(qiáng)度的電場(chǎng)會(huì)使液晶分子的傾斜角度不同。如使偏振光垂直入射液晶介質(zhì)，且光偏振方向與液晶初始的取向方向平行，隨著電場(chǎng)增加偏振矢量與液晶取向之間產(chǎn)生夾角，入射光在液晶層中的有效折射率就會(huì)發(fā)生變化，使光束在液晶層中的有效光程不同。因此通過給液晶施加電壓的方法可控制入射光的光程。如果將液晶屏劃分成許多小單元，即象素，就可逐點(diǎn)控制入射光的位相，進(jìn)而校正畸變的波前。
波前校正器要求至少有一個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)的調(diào)整量和優(yōu)于1/10波長(zhǎng)的校正精度。根據(jù)前者要求，應(yīng)該選擇折射率各向異性差值較大的液晶材料，且在滿足響應(yīng)速度的情況下增加液晶層厚度，另外要盡量消除構(gòu)成液晶波前校正器的基板和偏振片的不平度；對(duì)于后者精度方面的要求，要調(diào)整液晶象素尺寸，使其盡可能小，還要保證足夠的透過率，不產(chǎn)生衍射影響，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓分度值要足夠精細(xì)。
Rensheng Dou在專利(U.S.Pat.No.5,684,545，1995年7月)中提到自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的液晶波前校正器，但沒有具體描述液晶波前校正器的結(jié)構(gòu)，更沒有描述制備方法。G.D Love在專利(U.S.Pat.No.6,107,617，1998年6月)中描述了一種透射式液晶波前校正器，由127個(gè)六角形象素組成，由于沒有采用TFT，象素?cái)?shù)很少，校正精度不高。1998年Samuel T.Thurman(Samuel T.Thurmanet al，opt.lett.23，969(1998))報(bào)道了128×128象素的液晶波前校正器，也沒有采用TFT，所以象素?cái)?shù)仍較少，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))發(fā)表了對(duì)透過式平行排列的液晶波前校正器的衍射、折射效果的研究，他們實(shí)驗(yàn)使用的波前校正器為640×480象素，精度應(yīng)該較高，但報(bào)道中沒有描述液晶校正器的制備方法。2003年四川大學(xué)的李大海(李大海等，中國(guó)激光，30，614(2003))報(bào)道了扭曲型液晶波前校正器，特點(diǎn)是兩基板間的液晶呈90度扭曲排列，這是一種非純位相波前校正器，不但校正范圍小，不到半個(gè)波長(zhǎng)，而且校正時(shí)有局部亮度變化。2004年美國(guó)Kent大學(xué)制作了LCOS液晶波前校正器(Xinghua Wang，et al.，SID Tech.Digest，1522(2004))，還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，但由于后基板為硅基板，只能形成反射式波前校正器，另外LCOS液晶波前校正器的口徑都很小，目前直徑都在20mm以下，這在遠(yuǎn)程大口徑成像系統(tǒng)中應(yīng)用困難。在有些場(chǎng)合，需要透射式波前校正器，但目前還未見這方面的公開報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用TFT液晶屏的生產(chǎn)技術(shù)并加以改造，目的是提供一種制備純位相透射式TFT液晶波前校正器的方法。
本發(fā)明所述的純位相透射式TFT液晶波前校正器由TFT液晶屏、偏振片、驅(qū)動(dòng)軟件三部分組成。
第一部分TFT液晶屏的制作方法是選取兩塊透明基板，在其中一塊基板上首先鍍制ITO透明導(dǎo)電薄膜，然后制作TFT薄膜晶體管陣列，形成TFT薄膜晶體管陣列層，將這塊基板作為下基板。在另一塊基板上，對(duì)應(yīng)下基板上的TFT薄膜晶體管陣列制備黑矩陣，然后鍍制ITO透明導(dǎo)電薄膜，將這塊基板作為上基板。分別在下基板的TFT薄膜晶體管陣列側(cè)和上基板的ITO透明導(dǎo)電薄膜側(cè)印刷聚酰亞胺取向膜，并對(duì)上下兩基板上的取向膜進(jìn)行反平行摩擦處理。將下基板上的TFT薄膜晶體管陣列與上基板上的黑矩陣對(duì)準(zhǔn)制成屏。向屏中注入折射率各向異性差值較大的純向列相液晶，液晶呈平行取向排列，液晶層厚為5～10微米。
第二個(gè)部分偏振片需置于液晶屏的入射光一側(cè)，與有黑矩陣的上基板緊鄰相互平行放置，并使偏振片的透光軸與液晶屏上的取向膜的摩擦方向平行。
第三部分驅(qū)動(dòng)軟件依據(jù)液晶位相延遲與灰度級(jí)的關(guān)系編制，所述的液晶位相延遲是非尋常光與尋常光的光程差，與波前畸變光程量等數(shù)值?；叶燃?jí)對(duì)應(yīng)的是驅(qū)動(dòng)電壓。
為更好理解本發(fā)明內(nèi)容，下面詳述純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備過程(1)如圖1所示，選擇透射光束面積上平行度與平整度優(yōu)于1/5波長(zhǎng)的兩片透明基板；(2)在一片透明基板上鍍制ITO透明導(dǎo)電薄膜4作為下基板2，然后制作TFT薄膜晶體管陣列層6，TFT薄膜晶體管陣列版圖的設(shè)計(jì)為單元TFT所占面積為25微米×55微米，象素單元85微米×300微米，象素間距25微米；(3)在另一片透明基板上，對(duì)應(yīng)下基板2上的TFT薄膜晶體管陣列6鍍上黑矩陣3作為上基板1，以使液晶屏在接受入射光時(shí)TFT薄膜晶體管陣列中不產(chǎn)生光電流，之后在黑矩陣3上鍍制ITO透明導(dǎo)電薄膜4；(4)分別在上、下基板1、2的ITO透明導(dǎo)電薄膜4側(cè)和TFT薄膜晶體管陣列層6側(cè)印刷聚酰亞胺(PI)膜作為取向膜5，按液晶顯示器工藝進(jìn)行熱處理后，在PI膜即取向膜5上沿一基板邊作平行摩擦，且上、下基板1、2上的摩擦方向互相反平行；(5)在上基板1上噴灑上5～10微米直徑的玻璃球隔墊物，以控制液晶層厚；(6)在有TFT薄膜晶體管陣列層6的下基板2上印刷封屏膠框，并留有液晶注入口；(7)將有隔墊物的上基板1與有TFT薄膜晶體管陣列層6的下基板2對(duì)準(zhǔn)對(duì)疊，并使上、下基板1、2上的取向膜5摩擦方向互為反平行，平壓上、下基板1、2，并使膠框固化，形成屏；(8)向屏中注入折射率各向異性值為0.15～0.4的純向列相液晶7，封口，完成TFT液晶屏的制作；(9)選擇平行度與平整度優(yōu)于1/8波長(zhǎng)、消光比優(yōu)于500∶1的偏振片8；(10)將偏振片8置于液晶屏的入射光一側(cè)，與液晶屏中有黑矩陣3的上基板1緊鄰，相互平行放置，并且偏振片8的透光軸與液晶屏取向膜5的摩擦方向平行；(11)在光譜型橢偏儀上測(cè)量液晶屏的相位延遲與灰度級(jí)的關(guān)系曲線，灰度級(jí)選用64級(jí)以上；(12)用多項(xiàng)式模擬測(cè)得的相位延遲與灰度級(jí)的關(guān)系曲線，再用相位延遲與灰度級(jí)的多項(xiàng)式關(guān)系編寫驅(qū)動(dòng)控制軟件，并根據(jù)探測(cè)器測(cè)得的波面對(duì)TFT液晶屏位相延遲在波面區(qū)域的分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，使位相延遲在波面區(qū)域的分布與波前畸變互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)波前校正功能。
本發(fā)明制備的這種透射式液晶波前校正器是純位相調(diào)制，調(diào)制的光程量可達(dá)1微米以上，調(diào)制精度優(yōu)于1/10波長(zhǎng)，衍射干擾造成的透過率在工作電壓范圍內(nèi)的波動(dòng)小于1.5％，穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)的變形鏡校正器，可在5～40℃溫度區(qū)間保持正常工作狀態(tài)。與IC電路匹配，很容易進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制。器件制作成本低。


圖1是本發(fā)明中TFT液晶屏的結(jié)構(gòu)示意圖1為上基板，2為下基板，3黑矩陣，4為ITO透明導(dǎo)電膜，5為取向膜，箭頭方向代表取向膜上的摩擦方向，6為TFT薄膜晶體管陣列層，7為液晶。
圖2是檢測(cè)液晶波前校正器性能的實(shí)驗(yàn)光路圖8為偏振片，9為畸變介質(zhì)，10為TFT液晶屏，具有黑矩陣3的上基板1面向入射光，11為平面反射鏡，12為計(jì)算機(jī)，13為ZYGO干涉儀。
圖3是實(shí)驗(yàn)制得的液晶波前校正器的位相延遲和透過光強(qiáng)隨灰度級(jí)變化的關(guān)系曲線圖中的△和○是位相延遲與灰度級(jí)的依賴關(guān)系，分別為相隔3天的兩次測(cè)量結(jié)果，可以看出液晶屏的電光特性很穩(wěn)定，畸變校正范圍0.717微米，超過1個(gè)波長(zhǎng)0.633微米，可控步長(zhǎng)0.050微米，各位置不重復(fù)度小于1％；圖中■是測(cè)得的透過率與灰度級(jí)的關(guān)系，確認(rèn)透過率隨灰度級(jí)變化范圍的波動(dòng)小于1.5％。
圖4是在ZYGO干涉儀13上測(cè)得的液晶波前校正器對(duì)波前的校正效果，其中(a)為校正前的畸變波前，波面最大峰谷差值為0.291波長(zhǎng)，峰谷差值的方均根值為0.059波長(zhǎng)；(b)為校正后的無畸變波前，波面峰谷差值為0.098波長(zhǎng)，即小于1/10波長(zhǎng)，峰谷差值的方均根值為0.017波長(zhǎng)。可見液晶波前校正器的校正精度很高。
具體實(shí)施例方式
(1)使用平行度與平整度優(yōu)于1/5波長(zhǎng)、尺寸為160毫米×210毫米的玻璃基板作為下基板2，在下基板2上鍍制ITO透明導(dǎo)電薄膜4，然后加工a-SiTFT薄膜晶體管陣列(彩晶數(shù)碼公司，長(zhǎng)春)，形成TFT薄膜晶體管陣列層6。單元TFT薄膜晶體管所占面積為25微米×55微米，TFT陣列對(duì)角線尺寸為10.4英寸，1920×480象素，象素單元85微米×300微米，象素間距25微米；(2)使用平行度與平整度優(yōu)于1/5波長(zhǎng)的玻璃基板作為上基板1，按照彩晶數(shù)碼公司顯示屏工藝在上基板1上加工Cr黑矩陣3，并在黑矩陣3上鍍上ITO透明導(dǎo)電薄膜4；(3)分別在上基板1的ITO透明導(dǎo)電薄膜4側(cè)和下基板2的TFT薄膜晶體管陣列層6側(cè)印刷聚酰亞胺(PI)膜，即取向膜5，按顯示器工藝進(jìn)行熱處理后，在取向膜5上作定向摩擦；(4)在上基板1噴灑上5微米直徑的玻璃球隔墊物；(5)在有TFT薄膜晶體管陣列層6的下基板2上印刷封屏膠框，并留有液晶注入口；
(6)將上基板1的黑矩陣3與下基板2的TFT薄膜晶體管陣列層6對(duì)準(zhǔn)對(duì)疊，并使上基板1和下基板2上的取向膜5摩擦方向互為反平行，平壓上、下基板1、2，并使膠框固化，形成屏；(7)向屏中注入由大日本油墨公司生產(chǎn)的折射率各向異性值為0.198的純向列相液晶RDP-92975，封口，完成液晶屏的制作；(8)選擇平行度與平整度優(yōu)于1/8波長(zhǎng)的石英偏振片8，直徑40mm，厚5mm，消光比為1000∶1，P光成分大于95％；(9)將石英偏振片8置于液晶屏的入射光一側(cè)，與液晶屏有黑矩陣3的上基板1緊鄰，相互平行放置，并使偏振片8的透光軸與液晶屏的取向膜5摩擦方向平行；(10)采用64灰度級(jí)控制模塊驅(qū)動(dòng)液晶波前校正器；(11)在光譜型橢偏儀UVISEL(法國(guó)JOBIN YVON公司)上測(cè)量液晶波前校正器的位相延遲—灰度級(jí)關(guān)系測(cè)試光束直徑為1毫米，選7個(gè)不同位置，每個(gè)位置分別測(cè)量5次取平均值，得到的結(jié)果如圖3所示，圖中的△和○是位相延遲與灰度級(jí)的依賴關(guān)系，分別為相隔3天的兩次測(cè)量結(jié)果，可以看出液晶屏的電光特性很穩(wěn)定，畸變校正范圍0.717微米，超過1個(gè)波長(zhǎng)0.633微米，可控步長(zhǎng)0.050微米，各位置不重復(fù)度小于1％；圖中■是透過率與灰度級(jí)的關(guān)系，確認(rèn)透過率隨灰度級(jí)的變化小于1.5％；(12)用多項(xiàng)式模擬圖3中位相延遲與灰度級(jí)的關(guān)系曲線，如圖3中實(shí)線Y＝-O.00407+0.00642X-4.92111×10-4X2+2.99085×10-5X3-7.12419×10-7X4+6.06207×10-9X5其中，X表示灰度級(jí)，Y表示位相延遲。依據(jù)上述多項(xiàng)式編寫驅(qū)動(dòng)控制軟件，并根據(jù)ZYGO干涉儀13測(cè)得的波面對(duì)液晶屏進(jìn)行灰度級(jí)分布的計(jì)算機(jī)控制，使通過液晶屏的波前得到校正。
檢測(cè)液晶屏的波前校正功能按圖2所示的方法布置好光路；校正器以入射光的偏振方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)2度，以克服上下基板表面的反射光對(duì)干涉條紋的干擾，使干涉條紋對(duì)比度增強(qiáng)；在液晶波前校正器上選擇10mm×10mm的被校正面積，用ZYGO干涉儀13進(jìn)行波前探測(cè)，并使校正器上的象素與CCD象素位置對(duì)準(zhǔn)；根據(jù)圖4測(cè)得的波面進(jìn)行校正，校正前的波面如圖4(a)所示峰谷差值為0.291波長(zhǎng)，校正后的波面如圖4(b)所示峰谷差值減小到0.098波長(zhǎng)，即小于1/10波長(zhǎng)，方均根值由校正前的0.059波長(zhǎng)達(dá)到校正后的0.017波長(zhǎng)，可見本發(fā)明的液晶波前校正器具有很高的校正精度。
權(quán)利要求
1.一種純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備方法，其特征是1)制備TFT液晶屏；選取兩塊透明基板，其中一塊基板作為下基板(2)，下基板(2)上首先鍍制ITO透明導(dǎo)電膜(4)，然后制作TFT薄膜晶體管陣列，形成TFT薄膜晶體管陣列層(6)；另一塊基板作為上基板(1)，在上基板(1)上對(duì)應(yīng)下基板(2)上的TFT薄膜晶體管陣列制備黑矩陣(3)，然后鍍制ITO透明導(dǎo)電膜(4)；分別在下基板(2)的TFT薄膜晶體管陣列(6)側(cè)和上基板(1)的ITO透明導(dǎo)電膜(4)側(cè)印刷聚酰亞胺取向膜(5)，并對(duì)上下兩基板上的取向膜(5)進(jìn)行反平行摩擦處理；將下基板(2)上的TFT薄膜晶體管陣列(6)與上基板(1)上的黑矩陣(3)對(duì)準(zhǔn)制成屏；向屏中注入折射率各向異性差值為0.15～0.4的純向列相液晶(7)，液晶(7)呈平行取向排列，液晶層厚為5～10微米；2)偏振片(8)需置于液晶屏的入射光一側(cè)，與有黑矩陣(3)的上基板(1)緊鄰相互平行放置，并使偏振片(8)的透光軸與液晶屏上的取向膜(5)的摩擦方向平行；3)依據(jù)液晶位相延遲與灰度級(jí)的關(guān)系編制驅(qū)動(dòng)控制軟件，所述的液晶位相延遲是非尋常光與尋常光的光程差，與波前畸變光程量等數(shù)值；灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的是驅(qū)動(dòng)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備方法，其特征是所述的偏振片(8)的平行度與平整度優(yōu)于1/8波長(zhǎng)、消光比優(yōu)于500∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備方法，其特征是TFT薄膜晶體管陣列版圖的設(shè)計(jì)為單元TFT所占面積為25微米×55微米，象素單元85微米×300微米，象素間距25微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備方法，其特征是偏振片(8)與液晶屏中有黑矩陣(3)的上基板(1)緊鄰，相互平行放置；偏振片(8)的透光軸與液晶屏取向膜(5)的摩擦方向平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備方法，其特征是液晶(7)是折射率各向異性值為0.198的純向列相液晶RDP-92975。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備方法，其特征是在光譜型橢偏儀UVISEL上測(cè)量TFT液晶屏的位相延遲與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系，用多項(xiàng)式模擬測(cè)得的相位延遲與灰度級(jí)的關(guān)系曲線，再用相位延遲與灰度級(jí)的多項(xiàng)式關(guān)系編寫驅(qū)動(dòng)控制軟件，并根據(jù)探測(cè)器測(cè)得的波面對(duì)TFT液晶屏位相延遲在波面區(qū)域的分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，使位相延遲在波面區(qū)域的分布與波前畸變互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)波前校正功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的純位相透射式TFT液晶波前校正器的制備方法，其特征是所用的多項(xiàng)式為Y＝-0.00407+0.00642X-4.92111×10-4X2+2.99085×10-5X3-7.12419×10-7X4+6.06207×10-9X5其中，X表示灰度級(jí)，Y表示位相延遲。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種純位相調(diào)制的透射式TFT液晶波前校正器的制備方法。在上基板鍍制ITO透明導(dǎo)電薄膜，制作TFT薄膜晶體管陣列層。在上基板制備黑矩陣，鍍制ITO透明導(dǎo)電薄膜。分別在上下基板印刷聚酰亞胺取向膜，并進(jìn)行反平行摩擦處理后制成屏。向屏中注純向列相液晶，層厚為5～10微米。偏振片需置于液晶屏的入射光一側(cè)，使偏振片的透光軸與液晶屏上的取向膜的摩擦方向平行。依據(jù)液晶位相延遲與灰度級(jí)的關(guān)系編制驅(qū)動(dòng)軟件。本發(fā)明是純位相調(diào)制，調(diào)制光程可達(dá)1微米以上，精度優(yōu)于1/10波長(zhǎng)，無衍射干擾，穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)的變形鏡校正器，可在5～40℃溫度區(qū)間保持正常工作狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01J9/00GK1727967SQ200410011218
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者宣麗, 劉永軍, 胡立發(fā), 李大禹, 曹召良, 穆全全, 魯興海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所