曹漢，張士元，穆全全，姜會林

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春 130033）

光控取向技術(shù)是近年來發(fā)展的新式液晶取向方法，相對于傳統(tǒng)的摩擦取向有著獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的摩擦取向技術(shù)是一種非常經(jīng)濟而且簡單有效的方法，自從1911年由Maugin發(fā)明以來，在液晶取向領(lǐng)域一直沿用至今。但是它也存在一些較難克服的缺點，例如在摩擦過程中會有少量絨毛殘留，影響液晶的取向效果；摩擦后容易產(chǎn)生靜電，可能會擊穿薄膜晶體管等［1］。而光控取向技術(shù)這種非接觸式取向方法的出現(xiàn)，可以避免摩擦取向帶來的靜電、機械損傷、雜質(zhì)缺陷等問題，從而逐漸走進了研究人員的視野［2］。

液晶光閥利用液晶雙折射特性，可以根據(jù)外界調(diào)制信號，如電信號或光信號的變化，使液晶分子獲得特定的排列分布，實現(xiàn)對入射光波的強度、偏振、位相和波前等控制，從而達到對光束的多功能調(diào)控，在光信息處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［3］。應(yīng)用BSO晶體做的光控液晶光閥，其本質(zhì)仍是依靠電場驅(qū)動，且制備困難，使用效果不佳。其中光調(diào)制型液晶光閥主要利用了光控取向技術(shù)，相比于電調(diào)制，由于不使用驅(qū)動電極，不但沒有像素“黑柵”結(jié)構(gòu)，光能利用率高，且像素分辨率理論上只受光學(xué)成像系統(tǒng)的限制，無工藝水平的限制；同時在高能應(yīng)用領(lǐng)域中避免了ITO等導(dǎo)電膜系的損傷，因而有著獨特的優(yōu)勢。

文中介紹了一種基于光控取向原理，由薄膜晶體管顯示屏TFT-TNLCD寫入單元和偶氮染料SD1取向轉(zhuǎn)印讀出單元組合的液晶光閥系統(tǒng)，實現(xiàn)了近紫外光寫入，近紅外光讀出，得到了光閥的強度調(diào)制，研究了光閥的工作原理并介紹了其制作工藝。

1 光閥組合系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計要求

1.1 工作原理

圖1顯示了液晶光閥讀出單元的基本結(jié)構(gòu)［4］。它由兩種不同的取向材料構(gòu)成，一種是有機高分子聚酰亞胺（PI），PI材料摩擦取向完成后保持原有的取向方向，不會受到紫外偏振光的影響；另一種是偶氮染料SD1，SD1分子在吸收紫外線偏振光后發(fā)生光異構(gòu)-再配向旋轉(zhuǎn)，分子長軸方向?qū)A向于與入射光的偏振方向垂直排列［5］。這樣就構(gòu)成了紫外光可控的兩種分子排列模式：當紫外光偏振方向與摩擦方向垂直時，SD1分子排列平行于摩擦方向，誘導(dǎo)盒內(nèi)液晶分子平行排列，此時為ECB模式；而當紫外光偏振方向與摩擦方向平行時，SD1分子排列垂直于摩擦方向，誘導(dǎo)盒內(nèi)液晶分子90°扭曲排列，此時為TN模式［6］。在正交偏振器下，使摩擦方向平行于起偏器透振軸，ECB模式下由于液晶分子平行排列，沒有旋光能力，入射讀出光的偏振方向不變將被檢偏器完全阻擋，形成暗態(tài)；而TN模式下，液晶分子扭曲排列，入射讀出光的偏振方向?qū)⒈慌まD(zhuǎn)90°，從而透過檢偏器形成亮態(tài)。液晶光閥通過亮態(tài)和暗態(tài)的對比，形成對讀出光的強度調(diào)制。

圖1 液晶讀出單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 設(shè)計要求

由于光閥本身是對寫入近紫外光的偏振態(tài)進行響應(yīng)，則首先應(yīng)重點設(shè)計寫入系統(tǒng)TFT-TNLCD對寫入光偏振態(tài)的調(diào)制。如圖2所示為E模式常白型TFT-TNLCD顯示系統(tǒng)。當TFT電極基板沒有通電時，液晶相為常態(tài)的扭曲狀態(tài)，此時入射線偏振光穿過液晶層后其振動方向扭轉(zhuǎn)90°；當施加飽和電壓時，液晶分子轉(zhuǎn)動沿電場線方向排列，此時經(jīng)過的線偏振光不改變原來的振動方向。需要特別注意的是，由于寫入光需要兩種偏振模式，使用時應(yīng)移去檢偏器。外部驅(qū)動系統(tǒng)采用8051系列單片機，控制方式簡單且成本較低，能夠根據(jù)所需加載出高精度的多個灰度級的圖像。

圖2 TFT-TNLCD寫入單元的基本結(jié)構(gòu)及工作模式

為了決定液晶盒厚度需要分析光在液晶層中如何傳播?；谝壕Х謱永碚摚瑢⒁壕臃譃镹個子層，每個子層可視為一個均勻的單軸晶體波片，具有相位延遲，層間方位角均勻扭曲。此時適用瓊斯矩陣法進行分析，將這些小薄層的瓊斯矩陣相乘即可得總瓊斯矩陣［7］。

設(shè)每層厚度l，總厚度Nl=d（盒厚）；每層方位角φ，總扭曲Nφ=φT。TN模式中φT=90°。將光分解為晶體的尋常光（o光）和非常光（e光）的線性組合。令ne和no分別為o光和e光分量的折射率。每個液晶子層相位延遲為Γ/N：

式中，λ為光波長，Δnl為每個子層的光調(diào)制量。

忽略平均的絕對位相變化后，每個子層的瓊斯矩陣W0可寫為：

每個子層以方位角φ，2φ，…，Nφ均勻扭曲，可得出整個扭曲液晶層的總瓊斯矩陣M，其中R為坐標旋轉(zhuǎn)矩陣：

TN模式中φT=90°，式中：

定義摩根參數(shù)，代表光調(diào)制量：

則90°扭曲后線偏振的出射光透過率為：

如圖3可知，若想在該偏振態(tài)下得到較好的透過率，需要滿足一定條件，即摩根條件：

圖3 TFT-TNLCD寫入單元透過率與調(diào)制量關(guān)系（T-u）曲線

根據(jù)（7）式，可根據(jù)應(yīng)用的光波長和液晶材料對盒厚進行設(shè)計。

偶氮染料SD1對365 nm的紫外光最敏感，但365 nm波長會對液晶造成一定程度的分解，因此采用405 nm波長的近紫外光LED作為寫入光［8］。對于液晶光閥轉(zhuǎn)印單元的設(shè)計思路同上。

2 液晶光閥的制備與實驗驗證

2.1 液晶光閥的制備

對于TFT-TNLCD寫入單元的制作，首先對TFT基板和ITO玻璃基板進行清洗，烘干備用。對干燥后的基板旋涂取向材料聚酰亞胺PI，并加溫固化。對PI進行摩擦取向處理，并在摩擦后再次對其進行清洗，烘干后在其中一面基板上噴灑合適的襯墊物，涂封框膠，然后將上下基板對位壓盒。真空灌注液晶并封口，檢查盒中無氣泡，確定沒有漏液晶后綁定電極引線。摩擦和壓盒時需注意，上下基板摩擦方向垂直。

對光閥液晶盒的制作過程基本同上。按TFT基板大小切割普通玻璃基板并進行清洗、烘干。將清洗好的玻璃分成兩份，使用旋涂機分別旋涂偶氮染料SD1和聚酰亞胺PI，加溫固化；對PI進行摩擦取向、清洗、干燥、噴灑襯墊物；涂封框膠；上下基板對位壓合；真空灌液晶后封口。

2.2 實驗驗證

實驗光路如圖4所示，LED光源輸出的是非偏振光，且發(fā)散角較大。在TFT-TNLCD寫入屏前放置起偏器，液晶顯示屏上加載預(yù)設(shè)的灰度圖像。利用準直透鏡和濾波器的組合，濾除掉雜散光的同時實現(xiàn)準直；將光閥讀出單元的SD1基板朝向?qū)懭牍馊肷浞较蚍胖茫?f系統(tǒng)和半透半反鏡將TFT-TNLCD寫入屏上加載的圖像成像于光閥SD1基板上，將寫入屏的圖像轉(zhuǎn)印在光閥中。最后，由CCD相機接收讀出的近紅外光。系統(tǒng)實物如圖5所示。

圖4 實驗光路圖

圖5 系統(tǒng)實物圖

在實驗中，需要寫入屏偏振態(tài)關(guān)斷狀態(tài)與開啟狀態(tài)的光透過率之比最大，所以僅需加載灰度值為255（白）和0（黑）明暗兩種狀態(tài)而無需灰度控制。

實驗所用LED光源輸出強度約為40 mW/cm2，入射光通過偏振片和TFT寫入屏后損失了大約80%的能量。目前的取向所需時間約為180 s，如果換用更大功率的LED光源，所需時間能夠大幅減少。

液晶光閥讀出單元初始狀態(tài)如圖6（a）所示，在正交偏振片下呈暗態(tài)。當寫入單元對其進行時長為180 s的照射之后，讀出單元的圖像顯示如圖6（b）所示。通過前文的理論分析可以推導(dǎo)出，圖6（a）中液晶光閥的SD1分子排列平行于PI膜摩擦方向，此時的線偏振光沒有因為液晶分子的旋轉(zhuǎn)改變振動方向，從而無法穿過檢偏器。通過CCD相機的檢測，此時液晶光閥讀出單元在近紅外光的照射下灰度值接近為0。圖6（b）中，TFT顯示屏加載出預(yù)設(shè)的灰度值為0和255的測試圖像，對灰度值為0的區(qū)域加載電壓使其液晶分子轉(zhuǎn)動沿電場線方向排列，不會改變偏振光的偏振方向；灰度值為255的區(qū)域沒有加載電壓，液晶分子呈扭曲態(tài)，改變了偏振光的偏振方向。當液晶光閥摩擦方向與入射光偏振方向垂直時，經(jīng)過TFT亮態(tài)區(qū)域的偏振光變?yōu)榕c液晶光閥摩擦方向平行，使SD1分子垂直于摩擦方向，形成扭曲態(tài)。此時液晶光閥亮態(tài)的區(qū)域灰度值大于220；暗態(tài)區(qū)域灰度值小于5，實現(xiàn)了對比度為1∶44的高對比度的強度調(diào)制。

圖6 液晶光閥轉(zhuǎn)印取向調(diào)制效果

3 結(jié)論

利用液晶分層理論，分析并制備了用作TFT寫入屏和液晶光閥的液晶盒?；诠饪厝∠蛟恚O(shè)計出包含TFT-TNLCD寫入單元和偶氮染料SD1取向轉(zhuǎn)印讀出單元組合的液晶光閥系統(tǒng)，實現(xiàn)了對液晶光閥讀出單元的高對比度強度調(diào)制。結(jié)合具體的實驗情況，目前在光源波長、功率的選擇，液晶盒厚的優(yōu)化上還有一些問題存在，需要后續(xù)的研究工作來解決，該實驗成果對液晶光閥系統(tǒng)在液晶顯示和激光通信領(lǐng)域的應(yīng)用有著一定的指導(dǎo)意義。