液晶光學
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
液晶光學的視頻教程
使用Ansys Lumerical 和SPEOS設計顯示器的新流程
畢業后曾就職于顯示器產業，研究液晶光學以及液晶顯示器光學設計，有六年液晶顯示器的設計經驗。在2020年加入Ansys/Lumerical擔任應用工程師，熟悉FDTD和MODE仿真工具。主要負責亞太地區客戶的技術支持，幫助客戶排除問題以及實現仿真目標，同時也協助介紹和推廣公司產品，不定期參加或協助舉辦研討會，分享光學相關領域的產品應用實例。
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液晶光學的實例教程
與傳統折射/反射光學元件不同，這種元件的設計理念通過光學幾何相位或PB相位（Pancharatnam–Berry phase）來實現，即液晶分子的二維空間有序排布（圖2）。液晶材料是一種具有單軸光學各向異性的材料，具有相對較高的雙折射率（Δn≈0.2），通過高分辨圖案化液晶配向技術（例如光配向）控制液晶分子的取向，可實現復雜相位波前，在數個微米厚度內高效操控光場，實現各種光學功能，不涉及顯影、蝕刻等結構轉移步驟，被譽為第四代光學技術。
圖1 （a）傳統光學元件，（b）液晶聚合物平面透鏡
圖2基于PB相位液晶元器件中液晶分子的指向矢分布。(a)透鏡，(b)光柵，(c)液晶分子從0到2π變化，對應相位在0到4π之間變化，在2π位置由于液晶分子自組裝作用，不存在相位突變。
圖3 基于液晶聚合物的平面光學元件制備流程
基于幾何相位的液晶超表面器件，利用液晶分子在平面內0-180°指向變化，來控制光學波前0-2π相位變化，從而實現復雜光學相位器件（圖2）。該新型光學元器件的制備流程由圖3中給出，主要包括旋涂偏振光敏薄膜、圖案化偏振曝光、灌注液晶（LC）或者涂敷液晶聚合物（LCP）材料，即可完成主動可控的液晶光子器件或者耐用薄膜液晶聚合物光子器件，其中器件效率通過半波延遲量來控制。幾何相位液晶平面光學有以下特點：
輕薄、易集成：液晶或者液晶聚合物材料具有相對較高的雙折射率(約0.15)，僅需<2 um的厚度即可滿足可見光至近紅外器件的半波延遲需求。液晶聚合物薄膜可通過層壓、膠粘等工藝與多種光學元件進行對準集成。
分子指向電場可控，便于面向主動光學器件應用。
展開 一旦治工具和生產工藝確定下來，設計人員就很難在通過改變光學器件來降低最終產品的重量。因此，制造商有必要從一開始，就要平衡好產品性能和重量。
放棄使用玻璃：增加功能，減輕重量，提高舒適度
盡管玻璃基液晶盒已經存在了幾十年了，但在AR和VR設備開發中，它的重量和厚度一直為人詬病，這一點對于某些設計尤為明顯，這些產品的設計中，每個光學模塊通常都包括多個液晶盒。使用多個液晶盒的原因有兩個，第一是聚焦非偏振光，在這種應用中，設計人員通常會將兩個液晶盒以吸收軸正交的方式貼合在一起。第二是增加顯示的動態范圍，在這種應用中，設計人員通常需要將多個液晶盒堆疊在一起（以增加總的屈光度）。這些過程中，幾乎所有的增加重量都源自液晶單元的玻璃基板。
所以從這個角度出發，取消液晶盒中的玻璃基板將能夠帶來很大的好處。這其中就包括調節環境光和引入可調諧透鏡，這樣做與玻璃基液晶盒方案相比，基本不會增加成品重量。
制造工藝
直到最近，無玻璃型液晶盒光學器件的制造一直都具有非常大的挑戰性。與形成晶體管和其他必要薄膜組件所需工藝溫度兼容的非玻璃基板，其光學性能一般都不能和玻璃基板媲美。但是現在，隨著有機電子器件的發展，它為我們帶來了一種獨特的解決方案，它能夠提供一種光學效果非常理想的柔性基板。
針對于此，FlexEnable開發了一套完整的低溫制造工藝，用于在超薄柔性基板上生產液晶盒光學器件和有機薄膜晶體管（OTFT）。該制造過程是在重新調整用途的平板顯示器（FPD）生產線中進行的。由此制造出的柔性液晶盒光學元件可以進一步通過熱成型工藝，貼附到具有復雜雙軸曲率的光學表面上。這樣的柔性方案能夠在為AR和VR應用提供功能的同時，幾乎不增加額外的重量或厚度，實際上，一個典型的柔性液晶單元只有100μm厚。
展開 由于高亮度的背光占據LCD功耗的絕大部分，因此針對戶外強光環境下的公共顯示需求，例如公園、車站動態告示牌等，無需高亮背光的反射屏相比普通液晶或小間距LED電子標牌有無與倫比的功耗優勢，配合夏普強大的技術實力，一舉將這款90” VA全反射屏的功耗降至僅需20W（60Hz模式），而32” IGZO產品僅需1.8W（60Hz模式），極限低功耗低至0.5W（1Hz模式），大大降低電力需求。同時反射模式對比度達到了18:1，支持16.7M全彩色并能夠播放60Hz視頻的特點又使其在動態顯示上相對電子墨水屏具有獨到優勢。此外，在32”產品上夏普還實現了反射（白天）與透射（夜晚）可切換模式，在光照不足時也可打開背光，拓展使用場景。未來夏普還將開發更具普適性的55”反射屏，進一步挖掘該技術的應用潛力。
2023夏普光學新技術展會之90”與32”商用反射顯示屏
高性能彩色MIP（Memory in Pixel）液晶屏
在追求極限低功耗的道路上，夏普還推出了一款采用了新型電極結構的高性能彩色MIP液晶屏，通過在像素電路內部構建存儲器，記憶灰階狀態，可以在1Hz刷新率的低功耗基礎上進一步實現像素靜止模式，進而大幅壓低功耗，從而極大延長了諸如GPS手表等專業應用的續航能力。夏普第三代MIP可以實現更高的反射與透射效果，針對戶外穿戴產品，使其背光透射與強光反射時顯示效果更佳。夏普MIP技術已在專業戶外穿戴產品上獲得長期應用。
2023夏普光學新技術展會之高性能彩色MIP（Memory in Pixel）液晶屏
XR應用超高速自動對焦攝像頭、超緊湊「IR」和「B/W」攝像頭
除顯示領域外，夏普在光學與半導體領域也有長期而豐富的積累。
展開 研究人員通過3D打印方案將光子膜涂覆在柔性塑料基板上，顯示出軸向不對稱的顏色反射和基于入射角的可變圓偏振選擇性
為了進一步確保墨水可以按目標正確打印，該研究團隊使用低分子量液晶作為墨水材料。該墨水中的分子會自組裝成預定結構，進而顯示出與自然界中發現的彩虹色相似的顏色。
“傳統上，這種層面的控制只能通過非常專業的制造設備才能實現，因此使用我們的新墨水和DIW 3D打印方案能做到這一點是一個真正的突破，”Sol 說。
在材料科學模仿自然的一個例子中，研究人員利用這種技術打印合成了蝴蝶翅膀。這對蝴蝶翅膀可以模仿生物界蝴蝶身上看到的彩虹色，甚至連不同角度觀察時出現的顏色變化也可以栩栩如生地模仿。
在使用棒式涂層制作10 cm2數量級的薄膜后，研究人員進一步使用DIW方案生成了一套復雜地、具有特定空間定義的光學圖案，這其中他們通過改變沉積速率調整了墨水的手性特性。
盡管膽甾型液晶的特性可用于許多應用，但其傳統形式的材料粘性不夠，無法形成穩定的固體結構，而且很難排列其分子以產生特定顏色。不過現在，研究人員開發出的這種液晶墨水兼具了非常高的粘度。
圖2. 研究人員利用上述液晶墨水開發出的蝴蝶展示品
從基材上移除后，上述蝴蝶結構的彈性體在拍攝時呈現出獨立的光子橡膠形態。該墨水將簡單的處理與在逐個體素的基礎上自由選擇反射光的虹彩和圓偏振相結合，可用于制造一些能夠與佩戴者進行視覺交互的可穿戴生物傳感器。
展開 如今，越來越多的光學系統會同時使用微結構和宏觀光學元件。而對設計者而言，如何在優化的同時，兼顧這兩種不同的光學理論是一大挑戰。本次網絡研討會我們將以抬頭顯示器（HUD）為例，介紹全新的設計流程，借助Ansys Lumerical內置的優化工具，能夠優化微結構參數，得到均勻的反射頻譜以及低光損耗，接下來把這些數據輸出給Ansys SPEOS，在SPEOS中整合不同光源及光學器件，實現整個光學系統的仿真，分析和評價現行設計的光學效果。會上將詳細介紹結合波動光學工具Ansys Lumerical及幾何光學工具Ansys SPEOS，討論如何在兩個工具間傳遞仿真分析所需的資料，并對光學系統性能做出評估。
會議主題
融合Ansys Lumerical 和Ansys SPEOS的全新設計流程-以抬頭顯示器為例
時間
12月9日（星期三），16:00-17:00
講師介紹
陳致豪
大學就讀於清華大學電機系，在臺灣大學光電工程研究所取得碩士學位。畢業後曾就職於顯示器產業，研究液晶光學以及液晶顯示器光學設計，有六年液晶顯示器的設計經驗。在2020年加入Ansys/Lumerical擔任應用工程師，熟悉FDTD和MODE仿真工具。
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通過高精度的環境模擬測試設備和材料試驗機，慧通測控能夠精準捕捉材料在不同溫區下的應力變化數據，幫助企業在研發階段就篩選出那些“扛得住”的液晶材料與OCA光學膠 。
二、 觸摸不到的“云泥之別”：靈敏與失靈的一瞬之間
你有沒有遇到過這樣的情況？屏幕上落了一滴水，觸控就開始瘋狂亂跳；或者僅僅是戴了一副厚手套，怎么劃拉屏幕都沒反應。
這背后是觸控屏信噪比與算法的博弈。
考慮到液晶分子的光學各向異性，TechWiz Polar可根據偏振器和補償膜精確地分析光的偏振狀態。
結果分析
1.透過率隨盒厚的變化
TN模式下不同波長透過率隨液晶盒厚度d(um)的變化(常白模式opt.Axis:phi -135和常黑模式opt.Axis.phi -45)
可以看出透過率隨著Δnd的增大而周期性變化，選擇第一處極值(2.5um)為液晶盒厚分析光學特性。
Materials, National Academy of Science of Belarus, Minsk, Belarus
**Dept. of Physical Optics & Applied Informatics, Physics Faculty, Belarussian State University, Belarus
摘要
雙折射取向層有利于液晶盒的光學性能
New Materials, National Academy of Science of Belarus, Minsk, Belarus
**Dept. of Physical Optics & Applied Informatics, Physics Faculty, Belarussian State University, Belarus
摘要
雙折射取向層有利于液晶盒的光學性能
TechWiz
在光學設置中包含透鏡系統液晶相位光柵
建模任務
液晶光柵利用了液晶折射率等光學特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產生的相位差及偏轉特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學計算處理、衍射光學、三維 圖像顯示和光電開關等許多領域具有廣泛的應用前景。
· 光學技術文章分享 ·
TechWiz
在光學設置中包含透鏡系統液晶相位光柵
建模任務
液晶光柵利用了液晶折射率等光學特性周期變化引起的尋常光與非尋常光產生的相位差及偏轉特性變化的器件。液晶光柵的這一電光特性在光學計算處理、衍射光學、三維 圖像顯示和光電開關等許多領域具有廣泛的應用前景。
結果分析
1.透過率隨盒厚的變化
TN模式下不同波長透過率隨液晶盒厚度d(um)的變化(常白模式opt.Axis:phi -135和常黑模式opt.Axis.phi -45) 可以看出透過率隨著Δnd的增大而周期性變化，選擇第一處極值(2.5um)為液晶盒厚分析光學特性。
CINNO Research
針對于此，FlexEnable開發了一套完整的低溫制造工藝，用于在超薄柔性基板上生產液晶盒光學器件和有機薄膜晶體管（OTFT）。該制造過程是在重新調整用途的平板顯示器（FPD）生產線中進行的。由此制造出的柔性液晶盒光學元件可以進一步通過熱成型工藝，貼附到具有復雜雙軸曲率的光學表面上。
