面向三维显示的蓝相液晶光线偏转器

The ultimate goal of three dimensional （3D） display technologies is to achieve true 3D display, which is able to provide all the correct depth cues as the real world would. A light field display can reproduce 3D images vividly by simulating the light rays emitted by a real 3D scene. However, due to the lack of fast-responding space light modulator (SLM), most light field displays have to trade spatial resolution for angular information. Here we have proposed a SLM based on blue-phase liquid crystal（BPLC） devices, which has fast response time, wide deflection angle and high deflection resolution. Each pixel of the SLM is consisted of a BPLC display and a BPLC deflector, which modulate the intensity and direction of the light respectively. In our research, we would focus on the study of BPLC deflector. We would employ a saw-shaped electrode structure which, by electronically controlling the refractive index distribution, deflects light by Snell’s Law. With further improvement using polarization multiplexing, double-side electrode, and multi-saw-shaped electrodes methods, it could achieve a large deflection angle that is about 4 times of a traditional SLM. Moreover, by controlling the voltage, we could continuously modulate the deflection angle, resulting in very high angular resolution. Hopefully, our research would be constructive for the development of true 3D light field displays.

真三维显示是三维显示技术发展的最终趋势。高密度光场显示技术利用空间光调制器模仿真实世界中物体发出的光场，以真实地重现三维影像。但是，由于目前缺乏快速响应的空间光调制器，现有的很多光场显示方式需要以多个空间像素点并行提供不同视角信息，从而使三维再现图像分辨率大大降低或显示器体积显著增大。本项目提出一种基于蓝相液晶光线偏转器的快速空间光调制器,可通过时序遍历各个角度的光矢量，无需牺牲空间分辨率，实现三维光场显示。本项目的偏转器采用蓝相液晶材料，可实现快速响应；拟采用锯齿状电极结构，由电压控制折射率变化，在折射率分界面根据斯涅尔定理，产生光线偏转；进一步配合使用偏振复用、双向电极等方法，可获得大偏转角度，约为传统空间光调制器的4倍；通过电压连续控制折射率变化，可连续调制光线偏转角，实现高偏转精度，可望满足真三维光场显示的要求。

本项目针对应用于真三维显示中的蓝相液晶偏振器中的关键科学问题展开研究，探索了大饱和双折射率、快速响应蓝相液晶材料的优化机理，设计了大偏转角度的蓝相液晶偏转器结构并优化其驱动方式，并实现了蓝相液晶偏转器件的光线偏转实验。.具体来说，通过对大饱和双折射率液晶主体、单体等材料组分和聚合工艺的研究，探索出了蓝相液晶材料电光特性的影响机理；分别用可见光和紫外光实现了聚合物稳定蓝相液晶，可得到较大饱和折射率、响应速度400微秒以下、克尔常数达到6 nm/V2的蓝相液晶材料。由于可见激光的高相干性，我们在这基础上，实现了一步曝光的蓝相液晶光栅、菲涅尔透镜等相位调制器件。通过对介电弛豫现象的研究，我们发现并证实在较低频率如100hz驱动蓝相液晶，可以获得较大的克尔常数和较低的驱动电压。本项目还设计了基于蓝相液晶和光波导大角度偏转器，通过多级偏转和双向入射，经过仿真实现了40度的角度调制；制备了快速响应蓝相液晶偏转器的原型器件，实现了光线偏转的验证性实验。本项目提出的蓝相液晶光线偏转器，可实现快速、大角度、高精度偏转，有望实现高性能无视觉疲劳的光场真三维显示。.本项目在Adv. Mater. Technol., Optics Express, J. Disp. Technol., Liquid Crystals等期刊上共发表论文9篇，在重大高水平国际会议如SPIE Optics+Photonics会议上作特邀报告6次，参加显示领域顶级会议SID并作报告，申请中国发明专利2项，在国际合作与交流方面，到美国中佛罗里大学吴诗聪教授课题组就液晶材料与器件、三维显示方面进行访问交流。项目执行过程中，项目负责人获得SCI期刊Optics Express 和Journal of the Society for Information Display的副编辑任职和职称晋升；毕业博士研究生 1人，硕士研究生 3人，本科生4人，在读博士生2人，硕士生1人，其中一人获得上海交通大学电院优异本科毕业生荣誉。