Adaptive micro-optical phase modulators based on liquid crystal technology

Open Access

Abstract

Mención Internacional en el título de doctor ; This thesis began with the project "Advanced Devices of Liquid Crystal and Electroluminescent Organic Diodes. Hybrid Applications for 3D Vision" funded by the Spanish government. The goal of this project was the development of optical devices to achieve 3D vision in portable devices without glasses or external elements. In order to achieve the goals of this project, solutions based on liquid crystal are considered. Specifically, adaptive micro-optical phase modulators based on liquid crystal technology are researched in depth. The gradient of the refractive index varies spatially the phase delay experienced by an impinging wavefront of a light beam. By using this effect, any refractive optical element may be reproduced with the proper voltage gradient applied to the sample. This is the main operating principle of the micro-optical phase modulators proposed in this thesis. As original contribution of this thesis, a novel algorithm to solve the position of a nematic liquid crystal molecular director is proposed. Once the liquid crystal is completely characterized, the developing of a specific model to know the electro-optic response of the micro-optical phase modulators is also relevant. Another original contribution is a novel equivalent electric circuit for modeling liquid crystal microlenses. An interesting feature of the model is that it provides an analytical solution for microlenses with modal and hole-patterned electrode schemes, by using a simple software tool. The required driving scheme (modal or hole-patterned) can be predicted. These theories have been validated by experimental results. For more complex devices, the equations are solved by Finite Element Method. A new manufacturing protocol is proposed to make the first set of modal microlens arrays. As a first step simple devices (monopixel cells) are fabricated in order to do a complete study of the liquid crystal electro-optical behavior. The characterization of the liquid crystal electro-optical parameters is determinant in order to design more complex devices. Refractive index and permittivity are the most important features considered. These parameters have been characterized to validate the proposed theoretical modelling of the liquid crystal molecular position. These devices have required special fabrication processes as well as a special characterization set-up especially in terms of size resolution or arrangement complexity. A custom micropositioner is developed and control software is programmed in relation to these tasks. The software automates the characterization process giving directly measured results of: phase modulation, focal distance, thickness or aberrations. These results have made it possible to validate experimentally the proposed electrical modeling for micro-optical devices. Demonstration of the viability of the liquid crystal lenticular technology has been carried out for an autostereoscopic application. This scheme provides the observer with the option of changing between horizontal and vertical views through his portable autostereoscopic display. Finally, last research contributions of this work of thesis have taken advantage of the deep knowledge of the electro-optical properties of lenticular devices for autostereoscopic applications, to guide the design of refined micro-optical phase modulators. Adaptive axicons and optical vortices are specially emphasized because their relevance from both, the scientific and technological point of view. ; Esta tesis se inició con el proyecto de investigación "Dispositivos avanzados de cristal líquido y diodos orgánicos electroluminiscentes. Aplicaciones híbridas para visión 3D", financiado por el gobierno español. El objetivo de este proyecto consistía en el desarrollo de dispositivos ópticos para lograr visión 3D en dispositivos portátiles sin necesidad de gafas o elementos externos. Con el fin de alcanzar los objetivos de este proyecto, se consideran soluciones basadas en cristal líquido. En concreto, moduladores adaptativos de fase micro-ópticos basados en tecnología de cristal líquido. El gradiente del índice de refracción varía espacialmente el retardo de fase experimentado por un frente de onda incidente. Mediante el uso de este efecto, cualquier elemento óptico refractivo puede ser reproducido mediante un gradiente de tensión adecuado aplicado a la muestra. Este es el principio de funcionamiento de los moduladores de fase micro-ópticos propuestos en esta tesis. Como aportación original de esta tesis, se propone un nuevo algoritmo para resolver el director molecular de un cristal líquido nemático. Una vez que el cristal líquido está completamente caracterizado, es necesario el desarrollo de un modelo específico para saber la respuesta electro-óptica de los moduladores de fase micro-ópticos. Otra contribución original, consiste en un circuito eléctrico equivalente para el modelado de microlentes de cristal líquido. Una característica interesante del modelo es que proporciona una solución analítica para microlentes con esquemas de electrodos modales y "hole patterned". Se puede predecir la topología necesaria en función de los parámetros de construcción. Estas teorías han sido validadas por resultados experimentales. Para los dispositivos más complejos, las ecuaciones se resuelven por el método de elementos finitos. Se propone un nuevo protocolo de fabricación para hacer microlentes modales. Como primer paso se fabrican dispositivos sencillos (células monopixel) con el fin de hacer un estudio completo del comportamiento electro-óptico del cristal líquido. La caracterización de los parámetros electro-ópticos de cristal líquido es determinante para diseñar dispositivos más complejos. El índice de refracción y la permitividad son las características más importantes. Estos parámetros se han caracterizado para validar el modelo teórico de la posición molecular de cristal líquido. Estos dispositivos han requerido procesos de fabricación complejos, así como montajes de caracterización determinados. Se ha desarrollado un microposicionador y un software de control. El software automatiza el proceso de caracterización dando resultados de: modulación de fase, distancia focal, grosor o aberraciones. Estos resultados han permitido validar experimentalmente el modelado eléctrico propuesto para dispositivos micro-ópticos. La demostración de la viabilidad de la tecnología propuesta se ha llevado a cabo mediante un dispositivo autoestereoscópico. Este dispositivo ofrece al observador la opción de cambiar entre vistas horizontal y vertical a través de su pantalla autoestereoscópica portátil. Finalmente, los últimos aportes de investigación de este trabajo de tesis se han aprovechado del profundo conocimiento de las propiedades electro-ópticas de los dispositivos lenticulares para aplicaciones autoestereoscópicas. Se pueden destacar los axicones adaptativos y vórtices ópticos por su relevancia tanto desde el punto de vista científico como tecnológico. ; Este trabajo ha sido desarrollado en el marco de los proyectos TEC2009-13991-C02-01 financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y FACTOTEM2 S2009/ESP-1781 financiado por la Comunidad de Madrid. ; Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática ; Presidente: Ignacio Raúl Matías Maestro.- Secretario: Antonia Isabel Pérez Garcilópez.- Vocal: Dimitrios C. Zografopoulos