大口径レンズに対応した高複屈折液晶

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14603 (2022) この記事を引用

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この研究は、大口径レンズにおける実験的なネマチック液晶 (LC) 混合物 (1929 年) の応用を示しています。 LC 材料は、イソチオシアネート末端基とフッ素化側置換基を備えたターフェニルおよびビフェニル誘導体化合物で構成されています。極性の強いイソチオシアネート基と芳香族の剛直コアによる置換により \(\pi\)-電子結合が生じ、高い複屈折 (\(\Delta n = 0.3375\)、636 nm、23 °C で) と低い粘度 (\ (\eta\) = 17.03 mPa s)。さらに、近赤外でも高い値の複屈折 (1550 nm で 0.318) を示します。融点が高い材料を比較する場合、合成プロセスは簡単です。この LC 混合物の優れた特性は、透過型電極構造に基づく大口径 LC チューナブルレンズで実証されています。この混合物の特殊な特性により、光学パワーが高くなります。高い複屈折により、この LC は、可視領域と赤外領域の両方で、レンズ、光位相変調器およびデバイスにとって特に興味深いものになります。

低/中程度の複屈折 (\(\Delta\)n = 0.09/0.12) を持つ液晶 (LC) は、現在でもディスプレイ用途に使用されています 1、2、3。それらの複屈折は、大型テレビ画面やコンピュータモニター、携帯電話、自動車機器、プロジェクターの小型フラットパネルに十分な性能を持っています4。新しい LC 混合物の生成とピクセルの厚さの減少 (5 μm から 3 μm へ) のおかげで、応答時間は数ミリ秒に短縮されました。それにもかかわらず、現在の LC ディスプレイはミリ秒未満のスイッチング時間を必要とするため、複屈折性の高い LC (\(\Delta n>0.3\)) が必要です。この特性を必要とする他のアプリケーションは、LC によって生成される光位相シフトがその複屈折と動作周波数に正比例するため、電磁スペクトルの低周波数 (赤外線から THz および GHz まで) です。たとえば、それらはメタマテリアルおよびメタ表面 5、6、THz 7、8、9、GHz 10、11、および赤外線デバイス 12 の活性媒体として提案されています。

過去 10 年間、E7、BL037、MDA-98-1602、LCMS-107、GT3-23001、182513 など、これらのスペクトル範囲の一般的な LC の研究が注目を集めてきました。さらに、いくつかの新規な高複屈折混合物は、提案された。これを達成するには、直線的に共役した分子が好ましい候補です。共役の長さは、剛直なコア内の複数の結合または不飽和環によって延長できます 14、15。包括的なレビューは 4 にあり、正の誘電異方性を持つ高複屈折 LC がレビューされています。ビフェニル、ターフェニル、クォーターフェニル、トラン、フェニルトラン、フェニルエチニルトラン、およびビフェニルトランの複屈折は 0.2 ～ 0.54 の範囲で比較されます。

この分野は依然として非常に活発であり、最近ではいくつかの研究が報告されています。たとえば、著者らは 16 で、末端にアルキル、アルコキシ、およびアルキルスルファニル鎖を持ち、側方にメチルまたはエチル基をもつ対称および非対称ビストランの両方である 20 種類の LC 混合物を合成しました。広い温度範囲でネマチック相を有する化合物は、高い複屈折値 (> 0.4) を示しました。同様の値は、チエノ[3,2-b]チオフェンベースの化合物17、-C \(\equiv\) C – 三重結合 (0.40–0.48)18 を持つチエノ[3,2-b]チオフェンにも基づいて示されています。、および異なる位置にフルオロ置換基を有するベンゾオキサゾール末端メソゲン化合物 (0.45)19。イソチオシアネート基とナフチル基を備えた LC 化合物では、より高い値 (0.66) も実証されています。これらの LC 化合物の融点とエンタルピー値は、フェニル基を持つ対応する化合物よりも高かった 20。最後に、一部のイソチオシアナトビフェニルビストラン化合物では超高複屈折が実証されています (0.7 ～ 0.8)14。

これらの超高 \(\Delta n\) 混合物の主な問題の 1 つは粘度が高いことであり、これにより応答時間と可視範囲での分散が増加します。もう 1 つの問題は、長い吸収尾部による UV 安定性である可能性があります 14。このため、高速スイッチング時間とより優れた光学品質を必要とする一部のアプリケーション (光通信 22 や適応 LC レンズ 23 など) は、より低い \(\Delta n\) 値 (0.3 ～ 0.4)21 に限定されます。最初の研究では、2 つの高複屈折および低粘度のネマチック混合物 (LCM-1107 および LCM-2018) が、6G 通信向けの位相限定 LCoS パネルで動作することが実証されました。複屈折は、LCM-1107 では 0.312、LCM-2018 では 0.344 です。 2 番目の研究では、3 つの異なる棒状 LC から構成される新しい LC 混合物を提案しています。構造は、フッ素置換アルキル-アルキルフェニル-トラン、アルキル-アルキルビストラン、およびフッ素置換 4-[(4-シアノフェノキシ)カルボニル]フェニル 4-アルキルベンゾエートに属します。この材料は、高い複屈折 (\(\Delta\)n = 0.32) と高い誘電異方性 (\(\Delta \varepsilon\) = 6.3) を持ち、二重構造のように周波数制御された位相変調という独特の特性を備えています。 - 周波数液晶。高周波では誘電異方性が負ではなくゼロになる点が異なります24。

LC 調整可能レンズの分野は、現在非常に活発です 25,26。例を挙げると、眼科用アプリケーション 27,28,29、携帯電話 30、裸眼立体視装置 31,32、プレノプティックキャプチャシステム 33,34、仮想現実ディスプレイ 35 などに使用できます。キー対応アプリケーション。近年、例えば、湾曲電極３６、３７、内蔵誘電体層３８、３９、４０、多重電極４１、４２、４３、４４、およびモーダルレンズ２７、３０、４５、４６を使用することによって、多数の構造が提案されている。湾曲した電極と誘電体層のいくつかの欠点は、電極から LC 層までの距離に起因して高い電圧が必要になることです。この影響は、通常 LC に接触して配置される多電極技術によって回避されます。さらに、異なる電圧を印加できるため、位相プロファイルを正確に制御できます。それにもかかわらず、電圧制御は通常、複数の電圧源が必要なため複雑であり、その結果、ファンイン (入力信号の数) が大きくなります。モーダルレンズは、この問題を解決するために、アクティブエリア全体に電圧を分散する高抵抗層を使用します。双曲線電圧プロファイルは、1 つまたは 2 つの電圧源のみを使用して取得できます。しかし、（高い抵抗率を達成するための）非常に薄い層の使用は、複雑な製造（均一性および部品間のばらつきによる）、環境の不安定性、温度感受性など、いくつかの問題を引き起こします47、48。

透過電極技術は、高アスペクト比（幅に対する長さ）の ITO 電極で構成されているため、これらの問題をすべて解決します。生成される抵抗は高く、電流を低く維持しますが、モーダルレンズと同様に電圧を分配します。高抵抗層を回避したおかげで、それに伴う欠点はなくなりました。この技術は、アキシコン 47、49、50、パウエル 51、非球面レンズ 48、52、53 など、さまざまな種類の LC レンズで実証されています。 In48では送信電極がスパイラル状で接点が1つしかないため、周波数掃引により位相変化を行います。 LC レンズの主な課題の 1 つは、大口径と組み合わせて高い光学パワーを生成することです。すでにコメントしたように、複屈折の高い LC 混合物が数多くあり、その中には複屈折が 0.8 の極値に達するものもあります。しかし、LC レンズの場合、より穏やかな複屈折を持ちながら、より優れた光学品質と応答時間を備えた新しい混合物が明らかに必要とされています。このため、この研究では、以前に化学的に発表された高複屈折かつ低粘度のネマチック混合物 (1929) が、新しい透過型電極技術に基づいた大口径 LC レンズで動作することを実証しています 52。前にコメントしたように、実験用 LC 混合物は、20 °C で \(\Delta n = 0.3167\) という高い複屈折と、低い粘度 \(\eta\) = 17.03 mPa s54 を持っています。本研究では分散分析が行われ、この LC が近赤外アプリケーション (636 nm で \(\Delta n = 0.3375\) および 1550 nm、23 ° で \(\Delta n = 0.318\) にも使用できることが明らかになりました。 C)。溶融温度が高い材料と比較すると、製造プロセスが簡単です。さらに、レンズの光学品質は、位相プロファイル、点広がり関数、および画像のリフォーカスを通じて実証されます。

この研究で使用したネマチック液晶材料は、図 1 に示すように、イソチオシアネート末端基とフッ素化された側位置換基を備えたターフェニルおよびビフェニル誘導体化合物で構成されています。液晶化合物の一般式は、フッ素原子が置換されている可能性があることを示しています。ベンゼン環上の任意の位置。芳香族の剛直なコアと一緒に極性の強いイソチオシアネート基で置換すると \(\pi\) 電子結合が生じ、材料の複屈折が増加します: 636 nm、23 °C で \(\Delta n=0.364\)。フッ素原子の存在により溶融温度と透明温度が低下し、溶融温度が高い材料と比較して調製プロセスが簡素化されます。ネマチック相から等方相への相転移温度は 96.2 °C です。具体的には、混合物は、化合物図１ｂのエチル、ブチル、ペンチルメンバーおよび４'－プロピル－３－フルオロ－４－イソチオシアナトビフェニルを含む共晶組成物としてＣＳＬ方程式５５から計算された。図1bの化合物は、2、3、4、5個の炭素原子を含むアルキル鎖を持っています。それらの範囲は n = 2 から n = 5 です。これらの相同体シリーズのうち 4 つのファミリーに属するいくつかのメンバーは以前に調製されました (参考文献 56、57 を参照)。フッ素原子の位置は主に、\(\pi\)-電子共役の減少の原因となる隣接するベンゼン環のねじれを制限するように選択されました。混合物は、適切な量の個々の成分を秤量し、次に転移温度以上に加熱して等方性液体にし、撹拌することによって調製した。次に、冷却した混合物にシリカゲルを加え、混合し、２４時間後、真空システムを通して濾過した。

(a) 混合物 1929 の一般式。(b) 調製されたイソチオシアナトターフェニルの化学式 54。

2 種類のセルにこの LC 混合物を充填しました。 1 つ目は、LC の電気光学特性を測定するために使用される単一ピクセルセルです。この場合、両方の基板に 1 cm\(^{2}\) のアクティブ領域を持つ連続電極が使用されました。測定したセルの厚さは１０μｍであった。 2 番目のものは、図 2a に示すように、LC レンズへの使用を実証することを目的としています。透過型電極技術が実現技術として選択されています52。この技術は、基本的なサンドイッチ型 LC 構造が使用されるため、製造が簡単です。図2bからわかるように、上部基板コンタクトは非線形電圧プロファイル（\(W_1\)から\(W_1'\)まで）を生成する透過型電極で構成されています。 \(V_1\) と \(V_2\) に電圧を印加すると、\(R_1\) と \(R_2\) で形成される分圧器が \(V_C\) に制御された電圧を生成します。この電圧は、高密度に配置された同心電極 (赤い線) を通じてアクティブ領域全体に分配されます。アクティブエリアの直径は 1 cm、隣接する同心電極間のギャップは 10 μm です。 1 つの ITO コーティング基板 (表面抵抗 \(R_\text {s}=100\) \(\Omega\)/sq を持つ) をフォトリソグラフィーエッチングして、フォトマスクを使用して電極構成を作成します。平面配向のために、基板をポリイミド配向層ＳＥ－１３０（日産化学工業株式会社製）でコーティングした。次に、それらを機械的にこすって、表面上の液晶分子の配向方向を定義します。光学接着剤と混合された直径 80 µm のスペーサーを堆積して、上部基板と底部基板を分離し、アクティブ LC セルの厚さを固定しました。最後に、調査された実験用 LC 混合物 1929 がキャビティに浸透しました。

(a) LC チューナブル大口径レンズとそのさまざまな構成部品の概略図。上部基板は、印加電圧プロファイルの分布のための電極構成を示しています。 (b) 上部基板電極の詳細。この図は、バージョン番号 1000 の Inkscape ソフトウェアを使用して生成されました。 1 とリンク https://inkscape.org/es/。

重要な LC パラメータの 1 つは、LC のしきい値電圧を決定する誘電率です。このパラメータは周波数と温度に大きく依存するため、このセクションでは詳細な検討を示します。さらに、LC のもう 1 つの重要な特性は、光学異方性または複屈折です。この機能は、外部低周波 AC 電圧を印加することで動的に調整でき、2 つの異なる電圧に対する屈折率を測定することで特徴づけられました。誘電率の場合と同様に、このパラメータは周波数または波長 (分散) によって変化します。複屈折は、異なる波長を考慮した場合の位相変調の違いなどの重要な特性を決定します。これについては、このセクションで説明します。また、温度変化に対する良好な応答を実証するために、熱安定性の研究も示されています。最後に、高い複屈折値が実証されるとともに、提案された LC 材料を使用した大口径 LC レンズがケーススタディとして提示されます。結果は、口径 1 cm のレンズで \(\pm 1\) ディオプターを超える光学パワーを示しています。

80 µm サンプルの透過率は、2 つの異なる分光計を使用して測定されます。すべての層 (ガラス、ITO、配向、LC) が含まれることに注意してください。紫外 (UV) および可視 (VIS) 範囲のスペクトルを測定するには、UV-3600 SHIMADZU 分光光度計 (SHIMADZU、日本) を使用します。これは、高性能の回折格子ダブルモノクロメータをベースにしており、高解像度で低い迷光レベルを実現します。 UV-3600 は、紫外から近赤外の領域で正確な透過率または反射率を測定します。従来の分光光度計は、紫外および可視領域にはPMT（光電子増倍管）、近赤外領域にはPbS検出器を使用していました。ただし、どちらの検出器も 900 nm の波長付近ではあまり感度が高くないため、この範囲での高感度測定は妨げられます。 UV-3600 は、InGaAs 検出器を搭載することにより、切り替え範囲での高感度測定が可能です。 PMT と InGaAs 検出器間の切り替えは 700 ～ 1000 nm の範囲で可能です (デフォルトの切り替え波長は 830 nm)。 1 ～ 5.5 μm のスペクトルの場合、フーリエ変換赤外 (FT-IR) 分光光度計 (Thermo Scientific の NICOLETiS10) が使用されます。このデバイスには、ダイヤモンド回転ミラーと所定の位置に固定された光学素子が含まれており、スペクトル補正用のソフトウェアを必要とせずに優れた波長精度を提供します。自動大気干渉抑制機能により、参照スペクトルを選択することなく、スペクトルから水と二酸化炭素が除去されます。さらに、ダイナミックアライメントにより、優れたスイープ速度とパフォーマンスが実現します。図 3 の結果は、NIR (2.5 μm まで) における混合物 1929 の優れた性能を示しており、このスペクトル範囲での使用が検証されています。

透過スペクトル: (a) UV-VIS および (b) NIR。

セットアップはプリズムカプラー (Metricon、モデル 2010) に基づいています。 Metricon モデル 2010 プリズムカプラーは、高度な光導波技術を利用して、誘電体およびポリマーフィルムの厚さと屈折率/複屈折、およびバルク材料の屈折率の両方を迅速かつ正確に測定します。このデバイスは、高精度 (\(\pm 0.0005\))、迅速な特性評価 (20 秒)、広い屈折率測定範囲 (1.0 ～ 3.35) など、偏光解析や分光測光に基づく従来の屈折計や機器にはない独自の利点を提供します。入射角の関数としての結合プロファイルは、2010 システムソフトウェアを使用して分析されました。測定された異常および常光のLC屈折率が図4aにプロットされています。記号は実験データであり、実線はコーシーフィットです。前のデータに基づいて、複屈折は \(\Delta n = n_\text {e}-n_\text {o}\) として計算できます (図 4b)。

次の波長分散: (a) 異常 (\(n_\text {e}\)) および通常の \(n_\text {o}\) LC 指数 (記号は実験データ、実線はコーシーフィット) および (b ) LC 複屈折 (\(\Delta n = n_\text {e}-n_\text {o}\))。

特性評価の波長範囲は 400 ～ 1600 nm で、複屈折の変化はそれぞれ 0.490 ～ 0.318 です。これは、近赤外線用途でも非常に高い複屈折を示します。見てわかるように、波長が高くなるほど、複屈折は低くなります。この傾向は通常、さまざまなモデルによって捉えられますが、その中で最も受け入れられているものの 1 つはコーシー方程式です。したがって、LC インデックスの分散は次のように記述されます。

LC 混合物 1929 の指数のコーシー係数は、測定データを式 1929 に当てはめることによって得られました。これらのパラメータは、さまざまなシミュレーションで LC の挙動をモデル化するのに役立ちます。

LC と電気信号の相互作用を決定するために使用されるパラメーターは、多くの場合、誘電率 \(\varepsilon\) (屈折率の二次比例に関係する) で表されます。絶対誘電率は、特定の媒体内で電場が受ける抵抗、つまり、電場を伝達する材料の能力を意味します。比誘電率は、真空の誘電率に対する比率で表される誘電率です。このパラメータは一般に誘電率として知られており、LC 分子の細長い形状にも影響されます。誘電率は複素数であり、虚数部は誘電損失に関係し、実数部は材料の分極の程度を表します。複屈折と同様、各分子軸における誘電率間の最大差は、誘電異方性 (\(\Delta \varepsilon = \varepsilon _\parallel -\varepsilon _\perp\)) として知られています。調査したネマチック混合物の電気的特性を確認するために、誘電分光測定を実行しました。金電極を備えた 3 µm の薄いセルを使用しました。標準セル58は弊社クリーンルームで作製しました。平面配向を得るには、ポリイミド SE130 を使用しました。セルは等方相（約 110 °C の温度）で毛細管現象で満たされました。測定は冷却サイクル中に実行されました。 HP 4192A インピーダンスアナライザーを使用しました。温度は、Linkam TMS 92 および加熱ユニット THMSE 600 を使用して制御されました。金電極により、最大 5MHz の周波数で寄生歪み 59 のない測定が可能になりました。結果は、複素誘電率対周波数 (図 5) と対温度 (図 6) の 2 つの形式で表示されます。平面配向 (\(\varepsilon _\perp '\)) およびホメオトロピック配向 (\(\varepsilon _\Parallel '\)) は、それぞれ 0 および 15 の DC 電圧を印加することによって得られます。正の電気異方性により、液晶は DC 電界下で再配向されました。サンプルは十分に精製されているため、イオンは重要ではありません。

図 5a で観察できるように、実際の誘電率では、20 °C で約 10 kHz と 100 kHz で 2 つのよく見える緩和が検出されます。それらは、誘電率の虚数部でも観察できます (図 5b)。これらは、調査対象の混合物を構築するさまざまな分子の分子 S モードです。図 6 では、平面 (\(\varepsilon _\perp '\)) およびホメオトロピック (\(\varepsilon _\Parallel '\)) 配向の複素誘電率と温度の関係がいくつかの周波数について示されています。平面セル (\(\varepsilon _\perp '\)—wing) では分散が見られないことがわかります。これは、分子が分子軸に垂直な双極子モーメントを持たないか、または双極子モーメントのこの成分を持っていることを意味します。それでも、分子の長軸の周りの回転の緩和周波数は、実験で得られる周波数よりも高い。ホメオトロピック配向 (\(\varepsilon _\Parallel '\)— wing) では、強い分散が見られます。図 6 では傾きが均一ではないため、調査した混合物では複数の緩和が観察できます。電気応答に寄与する分子は、双極子モーメントの縦成分を持っています。電気応答では、2 つの強い S モード (分子の短軸の周りの動き) が見られます。調査された混合物が二周波ネマチック混合物を得る良い候補に近いことを強調する価値があります60: \(\varepsilon _\Parallel '\)—翼は \(\varepsilon _\perp '\) と交差しています。 - 低温での翼 (温度 23 °C での 1 MHz のプロットを参照)。 1 kHz で 30\(^{\circ }\)C の誘電異方性は \(\Delta \varepsilon\) = 17.7 であるのに対し、1kHz で 20 °C では \(\Delta \varepsilon\) = であることがわかります。 18.8。より高い周波数を使用すると、電気異方性は低下し、たとえば 1 MHz、30 °C で \(\Delta \varepsilon\) = 4.8 に達します。最後に、観察できるように、相転移は 104 °C で起こります。

複素比誘電率の周波数依存性。 (a) 実数 (\(\varepsilon '\)) と (b) 虚数 \(\varepsilon ''\)。インデックス。

複素比誘電率の温度依存性。 (a) 実数 (\(\varepsilon '\)) と (b) 虚数 \(\varepsilon ''\)。インデックス。

熱安定性の調査は、示差走査熱量計 (DSC) によって実行されました。 DSC は、基準物質の存在下で物質を加熱、冷却、または一定温度に維持しながら、その物質の熱流を測定する熱分析手法です。これにより、吸熱効果と発熱効果の検出、反応エンタルピーの測定、さまざまな熱転移を特徴付ける温度の決定、熱容量の決定が可能になります。ポリマー、医薬品、食品などの研究に応用できます。DSC は、各相転移に伴うエンタルピー変化を検出することにより、LC 内の相転移の存在を明らかにします。相転移に伴うエンタルピー変化のレベルから、関与する相の種類に関する情報が得られます。 LC サンプルの加熱および冷却サイクルにおける温度 (℃) による熱流量 (mW) の変化を示す DSC サーモグラムは、DSC Netsch 204 F1 Phoenix を使用して測定されます。 DSC 測定セルは、サンプルチャンバー内の幅広い熱対称性 (3D 対称性) を実現するための統合加熱コイル、液体窒素または圧縮空気冷却用の冷却ポート、およびイントラクーラー接続用の冷却リングを備えた高導電性の円筒形銀ブロックで構成されています (同時に液体窒素冷却も行います)。パージガスとシールドガス用の気密構造と統合されたマスフローコントローラにより、ガス分析用のフーリエ変換赤外線または質量分析計との接続が可能になります。

ＤＳＣは、加熱および冷却サイクルにおける混合物１９２９の熱流量（ｍＷ／ｍｇ）を測定した（図７のシアンおよび赤色の曲線）。材料を 80\(^{\circ }\)C で 3 時間保管した後、DSC 測定を繰り返しました。最初のサイクルは 5 °C/分の速度で 110 °C まで上昇し、その後同じ速度で 85 °C まで低下しました (図 7 の青と黒の曲線)。加熱時と冷却時の対応するピークの温度は、IN 遷移の場合にはわずかに異なります。加熱に伴う 1 つの吸熱ピークは、ネマチック相から等方相 (NI) への相転移温度 (加熱サイクルで測定) が、材料を 80 °C で 3 時間保存する前は 94.7 °C、保存後は 94.9 °C であることを示しています。保管プロセス。冷却サイクルで測定された温度は、保管テストの前後で 96.2 °C と 96.3 °C に等しくなります。これらの結果は、材料を 80 °C で 3 時間保持した後でも、NI からの相転移温度が変化しないことを示しており、材料の熱安定性が良好であることを示しています。分解生成物の出現の場合、この温度は数度低くなります。研究は酸素のない窒素雰囲気の存在下で実施されたことに注意することが重要です。

混合物 1929 の加熱/冷却サイクルにおける DCS サーモグラフィー。

実際のアプリケーションで LC の性能を実証するために、図 2 の構造で説明したレンズの特性を示します。図8aに示す光学システムを使用して、透過型電極LCレンズ（TELCL）の縞パターンを測定しました。このデータから、位相遅延と光パワーが推定されます。光源にはコリメートHe-Neレーザー（波長632.8nm）を使用します。 TELCL は、異常光線と常光線の間の干渉パターンを測定するために、交差した偏光子の間に配置されます。

(a) (a) 交差偏光子の間に LC レンズを配置して縞パターン、(b) TELCL の焦点距離、(c) MTF 関数を測定するための光学系の概略図。この図は、バージョン番号 1000 の Inkscape ソフトウェアを使用して生成されました。 1 とリンク https://inkscape.org/es/。

干渉パターンの画像は、画像のサイズを変更する 2 つの両凸レンズ (L2 および L3) を介して CMOS 1 センサーに適合されます。干渉パターンのおかげで、連続するリング (最大-最小透過率) を測定することで位相遅延を推定でき、これにより \(\pi\) ステップで位相プロファイルが得られます。対称的な正負の光学パワーのいくつかの例を図 9 に示します。さらに、TELCL の光学特性とその焦点調節能力および焦点ぼけ能力を確認するために焦点距離測定を実行しました。正および負のモードで焦点距離を推定するための設定は、図 8b にあります。光源にはコリメートHe-Neレーザー（波長632.8nm）を使用します。光ビームは、偏光軸が液晶ディレクターに平行な偏光子を通過します。 TELCL の正の焦点距離を測定する場合、セットアップには L0 レンズがありません (光線は赤い線で表されます)。したがって、焦点の推定値は、CMOS1 カメラで最小の光スポットを取得できる TELCL からの距離です。負の焦点距離を測定するには、追加の両凸レンズ (L0) を TELCL の近くに追加します (光線は青と緑の線で表されます)。したがって、CMOS カメラで最小のスポットが見える距離は、2 つのレンズ系 (両凸と TELCL) の焦点距離になります。それらは互いに近くにあったので、それらの光学的パワーが合計されたと仮定できます。両凸レンズの焦点距離を知ることにより、TELCL の負の焦点距離が計算されました。最後に、TELCL の MTF を計算するために、点光源を結像するためのセットアップを図 8c に示します。 SLS2021 広帯域光源 (LS) が 40 µm 空間フィルター (SF) を照射し、球面波面を作成します。光線は、偏光軸が液晶ディレクターと平行な偏光子 (P) を通過します。 TELCL は、点光源から \(x = 185\) cm の距離、つまり推定されたレンズの焦点距離よりも長い距離に配置されました。最大強度の最小スポットは、倍率 4 \(\times\) の追加の対物レンズを備えた CMOS カメラ (FLIR BFS-U3-28S5M) を使用して、ある程度の距離からスポットされました。

交差した偏光子の間に LC レンズを配置して測定した干渉パターン。正レンズ (V\(_{\text {RMS}}\) 値): (a) \(V_1=1.75\)、\(V_2=0.5\)、(b) \(V_1=1.5\)、\ (V_2=0.5\)、(c) \(V_1=1.35\)、\(V_2=0.5\)、(d) \(V_1=1.25\)、\(V_2=0.5\)。負のレンズ (V\(_{\text {RMS}}\) 値): (e) \(V_1=1.25\)、\(V_2=3.5\)、(f) \(V_1=1.4\)、\ (V_2=3.5\)、(g) \(V_1=1.55\)、\(V_2=3.5\)、(h) \(V_1=1.65\)、\(V_2=3.5\)。この図は、バージョン番号 1000 の Spinview ソフトウェアを使用して生成されました。 3.1 およびリンク https://www.flir.es/products/spinnaker-sdk/?vertical=machine+vision &segment=iis。

(a) 図 5 の縞パターンから抽出された実験的な位相シフトプロファイル。(b) 異なる印加電圧に対する光パワー。

レンズの中央を通る線を考慮することにより、測定された位相ステップは 2D 位相プロファイルを表します。図9のパターンに対応するプロファイルはMATLAB\(^{\circledR }\) R2020aを使用して計算され、結果は図10aに示されています。観察できるように、可変透過電極の電圧分布により、形状はほぼ放物線状になっています。図 10b では、ジオプター単位の光パワーは、最大光パワーがほぼ \(-1.5\) ディオプター (1/f) であることを示しています。これは、同じ構造を使用するが、標準的な適度な複屈折を備えた以前のレポートよりも 3 倍高いです。 LC52。さらに、図 11 は、3 つの異なる光学パワーに対する負レンズの良好な焦点スポット品質を示しています。

(a) \(\hbox {f} = -200\) cm、(b) \(\hbox {f} = -147\) cm、(c) \(\hbox {f} = -120\)cm。

(a) \(V_1= 1.75\) V\(_{\text {RMS}}\) と \(V_2 = 4.5\) V\(_{\text {RMS}}\) の異なる PSF。 (b) \(V_1= 1.80\) V\(_{\text {RMS}}\) および \(V_2 = 0.6\) V\(_{\text {RMS}}\) (c) \(V_1 = 1.85\) V\(_{\text {RMS}}\) および \(V_2 = 0.6\) V\(_{\text {RMS}}\)。

セットアップの他のレンズもこの効果に影響を与えることに注意する必要があります。このため、図8cの設定から取得した真のPSFを図12に示します。取得したPSFを通じて選択した断面に対して、フーリエ解析を実行しました。断面強度信号は、さまざまな周波数の正弦波信号と畳み込まれました。畳み込み信号の振幅の減少は、特定の周波数の変調の減少に対応します。計算は、すべての画像の 4 つの断面 (垂直、水平、斜め) に対して実行されました。

結果は適切な断面について比較されました。さらに、焦点距離 1 m、絞り 10 mm の完全無収差レンズの MTF 曲線をグラフ上に配置しました。焦点距離の値は TELCL で達成されるものと同様であり、直径も同じです。回折限界の MTF 曲線は Lambda OSLO ソフトウェアでシミュレーションされました (図 13 の差)。

異なる印加電圧に対する (a) 水平断面および (b) 斜め断面の MTF と回折限界 (Diff.)。

MTF 曲線は、異なる光パワーに対して TELCL の分解能が同様であることを示しています。出力が高くなると、わずかに向上しますが、大幅に向上するわけではありません。一方、異なる断面の MTF 曲線には大きな違いがあります。水平および垂直の場合、コントラストの最大値の半分は 1 mm あたり 2 ～ 3 本の線に現れます。カットオフ周波数 (20\(\%\) のコントラスト) は 5 ～ 7 本/mm です。斜めの断面では、コントラストの最大値の半分は 4 ～ 6 本/mm で現れ、カットオフは 9 ～ 11 本/mm で現れます。 LCの厚さを薄くすることでMTFが向上することに注意する必要があります。

レンズ性能の異なる画像 (a) \(V_1\)= 1.4 V\(_{\text {RMS}}\) および \(V_2 = 4.5\) V\(_{\text {RMS}}\) （集中）。 (b) レンズのスイッチがオフになっている。 (c) \(V_1= 1.85\) V\(_{\text {RMS}}\) および \(V_2\) = 0.6 V\(_{\text {RMS}}\) (注目)。

最後に、この実験用 LC 混合物によって生成された画質を実証するために、図 14 にさまざまな集束ケースを示します。テキストを TELCL レンズの前に置き、カメラでキャプチャします。この場合、配向方向に平行な偏光子が 1 つだけ使用されます。黄色の円は、直径 1 cm のアクティブ領域を表します。図 14b では、開始点として電圧がオフになります。 TELCL の LC セルの厚さは 80 µm ですが、大きな散乱は観察されません。次に、電圧 \(V_1=1.4\) V\(_{\text {RMS}}\) および \(V_2 = 4.5\) V\(_{\text {RMS}}) を適用する負のレンズに切り替えます。 \)、カメラの対物レンズを調整することによって焦点が合わない画像が生成されます (文字のサイズが縮小されます)、図 14a)。同様に、正レンズを使用した場合 (\(V_1= 1.85\) V\(_{\text {RMS}}\) と \(V_2 = 0.6\) V\(_{\text {RMS} }\))、図 14c、文字のサイズが大きくなります。

LC 混合物が提案され、大口径 LC 球面レンズで機能することが実験的に実証されています。この混合物は、イソチオシアネート末端基とフッ素化側置換基を備えたターフェニルおよびビフェニル誘導体である化合物でできています。極性の強いイソチオシアネート基と芳香族の剛直なコアによる置換により \(\pi\) 電子結合が生じ、高い複屈折が得られます。具体的には、測定された複屈折は、400 nm ～ 1600 nm の波長で 0.49 ～ 0.318 の範囲にあります。この LC 混合物の優れた特性は、同じ構造を使用した以前の報告よりも 3 倍高い、ほぼ -1.5 ジオプターの最大光学パワーを備えた大口径 LC レンズで実証されています。複屈折の値が高いため、この液晶はレンズだけでなく、可視領域と赤外領域の両方において、あらゆる種類の光位相変調器や光学デバイスにとって特に興味深いものとなっています。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20631-8

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この作品は、MCIN/AEI/10.13039/501100011033 によって資金提供されたプロジェクト PID2019-107270RB-C21 および PID2019-109072RB-C31、および MCIN/AEI/10.13039/ によって資金提供された FEDER「ヨーロッパを作る方法」、PDC2021-121172-C21 の一部です。 501100011033 および欧州連合「次世代 EU」/PTR およびプロジェクト S2018/NMT-4326 は、マドリッド共同体と FEDER プログラムによって資金提供されています。 N. Bennis と A. Spadlo はまた、欧州社会基金の下での研究プロジェクト UGB 22-791 (軍事工科大学) および NAWA PROM プロジェクト nr POWR.03.03.00-00-PN13/18 を認めています。 JFAは、Juan de la Cierva-Incorporación助成金に基づき、スペインのMinistryio de Ciencia, Innovación y Universidadesから資金提供を受けました。

Institute of Applied Physics, Military University of Technology、Kaliskiego 2、00-908、ワルシャワ、ポーランド

N. ベニス、A. パクワ、P. ペルコウスキー

ワルシャワ工科大学メカトロニクス学部、Św. Andrzeja Boboli 8、02-525、ワルシャワ、ポーランド

T. ヤンコウスキー & A. パクラ

軍事工科大学化学研究所、Kaliskiego 2、00-908、ワルシャワ、ポーランド

O. 保管してください

National Research Council、マイクロエレクトロニクスおよびマイクロシステム研究所 (CNR-IMM)、00133、ローマ、イタリア

DC ゾグラフォプロス

カルロス 3 世大学電子技術学部、28911、マドリッド、スペイン

JM サンチェスペーニャ

フォトニクスエンジニアリンググループ、カンタブリア大学、39005、サンタンデール、スペイン

JM ロペスフィグ & JF アルゴリ

CIBER of Bioengineering、Biomaterials and Nanomedicine、Carlos III Health Institute、28029、マドリッド、スペイン

JM ロペスフィグ & JF アルゴリ

Valdecilla Health Research Institute (IDIVAL)、39011、サンタンデール、スペイン

JM ロペスフィグ & JF アルゴリ

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NB、DCZ、JFAが原稿を執筆し、NB、AP、TJ、OSが実験を発案、NB、PP、TJ、OSが実験を実施、NB、AP、DCZ、JFAが結果を分析した。 JFA、JMP、JMLHが監修した。著者全員が原稿をレビューしました。

JFアルゴリへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事の元のオンライン版は改訂されました。この記事の元のバージョンには、著者 A. Pakuła のスペルに誤りがあり、誤って A. Pakua と記載されていました。

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受信日: 2022 年 5 月 23 日

受理日: 2022 年 8 月 16 日

公開日: 2022 年 8 月 26 日

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