菲涅爾液晶透鏡的制備及偏光織構研究

黃 翀,鄒 敏,歐陽艷東,吳永俊

(1.汕頭大學物理系,廣東 汕頭,515063;2.汕頭超聲顯示器有限公司,廣東 汕頭,515041)

0 引言

菲涅爾波帶片FZP(Fresnel Zone Plate)是菲涅爾衍射的一個重要應用,它是一種多焦點的光學衍射器件,已廣泛應用于遠程通訊、天文觀察、同步輻射等領域[1].與一般透鏡相比,FZP沒有球差和慧差等象差[2].菲涅爾波帶透鏡是具有離散相位臺階的多相位器件,可消除高衍射級次,使光盡可能地集中到一個主焦點上來,并具有透鏡的性質,已廣泛應用于光信息處理、毫米波器件、光互聯、三維顯示等領域[3-6].如果改變透鏡材料的折射率,相應的焦距會隨之一同改變[7].為制造焦距可變的菲涅爾波帶透鏡,需要物理特性可電控的材料[8].液晶是一種各向異性材料,通過施加低電壓就可以顯著地改變折射率,因此,液晶是制備電控可調光學器件的優良材料[9].將菲涅爾波帶片和液晶材料結合,制備成菲涅爾液晶透鏡,就可利用液晶的電光特性和低工作電壓來實現電動變焦.

近年來,對菲涅爾液晶透鏡的研究已引起國內外學者的極大興趣[10-12].菲涅爾液晶透鏡的傳統制備方法有電子束直寫法和薄膜沉積技術[13-14],但制造工藝復雜且衍射效率不可調.聚合物穩定液晶(PSLC)菲涅爾透鏡與聚合物分散液晶(PDLC)菲涅爾透鏡雖然

項目資助:國家自然科學基金資助項目(NO.60778032)工藝簡單,但工作電壓高[10-11].針對上述缺陷,本文提出了一種制備工藝簡單、工作電壓低的新型菲涅爾液晶透鏡.將光刻掩膜版進行一次紫外曝光,得到了菲涅爾波帶式電極,灌注TN型液晶并制備為樣品.此外,對菲涅爾波帶電極下液晶分子的微觀變化鮮有報道.本文用XP-203E型偏光顯微鏡對其在不同外加電壓下進行了觀察.

1 基本原理

根據菲涅爾半波帶理論,若用一屏把波面上奇數半波帶或偶數半波帶遮掉,只讓偶數或奇數半波帶透光,這屏就成為一菲涅爾波帶片[2].如圖1所示,(a)為只讓奇數半波帶透光,(b)為只讓偶數半波帶透光的菲涅爾波帶片.從圖1中可以看出,菲涅爾波帶片是一組透光圓環和不透光圓環相隔組成的特殊光柵[15].第m環的半徑為

其中,r1為最內環的半徑.焦距f與半徑的關系[16]為

其中,λ為入射光的波長.

在對菲涅爾衍射作傅立葉變換的過程中,由于高階衍射級次的存在,在,,……等處有不為零的光場振幅,形成次焦點[17-18].

圖1 菲涅爾波帶片環帶結構

2 設計

根據公式(1)和(2),設菲涅爾波帶片焦距f=1500 mm,入射光波長λ=550 nm,得到菲涅爾波帶片各環帶的半徑r及環帶寬度d,如表1所示.

由于液晶盒兩電極上的電壓通過ITO薄膜施加,可以將光刻掩膜版設計為菲涅爾波帶片樣式,并用紫外光曝光,得到相應的ITO電極.在電極上施加電壓后,形成菲涅爾波帶式電場,從而改變液晶分子對異常光的折射率.基于上述方法,本文將光刻掩膜版設計為菲涅爾波帶樣式,圖2為對光刻掩膜版紫外曝光后形成的ITO薄膜電極圖樣.其中,暗環帶表示具有ITO薄膜,而明環帶沒有ITO薄膜.

液晶盒由兩塊ITO電極組成,圖2為其中一塊ITO薄膜電極,對于另一塊ITO薄膜的設計如圖3所示,一塊ITO薄膜為菲涅爾波帶樣式,另一塊為圓板樣式.這種設計無需校準兩塊ITO薄膜的位置,加工工藝比較簡單,容易形成流水線作業.

表1 各環帶半徑及寬度

圖2 紫外曝光后形成ITO薄膜電極

圖3 ITO電極樣式

3 制備

在制備菲涅爾液晶透鏡前,需要根據表1中的具體參數進行制版,包括兩張電極菲林版(面電極和背電極)、一張邊框菲林版、一張銀點菲林版和一張APR凸版菲林[19].此外,向ITO玻璃供應商采購相應玻璃,玻璃厚度為0.55 mm,方塊電阻為80Ω/□.

該樣品的制備是在溫度25℃的潔凈室內進行的,生產的整個工藝流程如圖4:

圖4 工藝流程圖

其中成盒工藝流程如圖5示[20],一塊ITO玻璃用菲涅爾波帶式的光刻掩膜版進行紫外光曝光約5 s,另一塊ITO玻璃不作任何處理,經摩擦貼合后成盒.

按照上述生產流程制成盒厚為7.5 μm的樣品,灌注TN型液晶(由八億時空液晶材料公司生產),其工作電壓為3.0 V,占空比為1:1,偏壓為1:1.

圖5 菲涅爾液晶透鏡成盒工藝示意圖

4 偏光織構

制備成樣品后,液晶分子在斷電和通電下的排列分布如圖6所示[21].(a)中斷電時,液晶分子以一定的預傾角在盒內均勻排列.通電后,盒內的電場線分布如(b)所示,在奇數半波帶與偶數半波帶交界處由于邊緣效應,電場分布不再均勻,導致對應處的液晶分子受不同的電場力而偏轉,形成(c)中不均勻排列.相鄰波帶處的相位差Δδ為[22]

其中,nj與nj+1分別為j、j+1波帶層液晶分子的有效折射率,np與l分別為電極層的折射率和厚度,d為液晶層的厚度.由折射率橢球[23-24]分析可知,nj與nj+1會隨著液晶分子偏轉角度的不同而發生改變.

測試所采用的設備是與計算機相連的XP-203E型偏光顯微鏡,用DF1028B低頻信號發生器對樣品施加頻率為100 Hz的交流方波信號,改變外加電壓大小(用數字萬用表測電壓的有效值),觀察樣品的偏光織構變化并進行拍照.

圖6 斷電(a)與通電(b,c)下液晶分子的分布

圖7 為在0-5.5 V下樣品經正交偏光顯微鏡放大40倍后某一固定區域的偏光織構圖.0 V時,視場呈現亮態,看不到菲涅爾波帶條紋結構,細微的顏色變化可能是由于液晶盒厚度不均勻造成的,其中的黑點可能為成盒過程中的塵埃顆粒或者玻璃表面附著的灰塵等雜質.逐漸增大外加電壓,到1.0 V時圖案開始顯現但不清晰.隨著電壓的進一步增大,條紋越來越清晰,相鄰波帶顏色的對比度越來越強.在3.0 V左右,黑條紋的邊界開始向相鄰波帶擴張,并隨電壓的增加擴展范圍逐漸增大,宏觀上表現為越來越粗,同時黑條紋顏色進一步加深.這種現象主要是由于內部的電極結構造成的,如圖6所示,外加電壓越高,液晶分子所受的電場力越大,偏轉得也越厲害,因而黑條紋變得更加黑.電極對應部分的不吻合造成邊界處的電場分布不均勻,液晶分子在電場力的作用下發生偏轉.此外,波帶間距很小,隨著電壓的增大,波帶邊界處的電場線分布越密集并向外擴展,導致更多的液晶分子發生偏轉,宏觀上表現出黑條紋變粗.

圖7 不同電壓下菲涅爾液晶透鏡的偏光織構

5結論

基于菲涅爾衍射原理,利用液晶的雙折射特性,設計了一種TN型菲涅爾液晶透鏡,并制備為樣品,其工作電壓為3.0 V,占空比為1:1,偏壓為1:1.與電子束直寫和薄膜沉積等制造方法相比,本設計的制備工藝簡單,容易形成流水線作業.

在用正交偏光顯微鏡觀察的過程中,偏光織構隨著外加電壓的改變呈連續性的變化.1.0 V為樣品的閾值電壓.增大電壓可以提高圖像的對比度,但是由于邊緣效應的存在,會產生誤差.這種電極設計,雖然制備簡單,但邊緣效應是不可避免的,因此需要進一步改善電極結構或開發新材料.

[1]楊紹光,賈成芝,趙永飛,等.菲涅爾波帶片衍射性質的數值模擬[J].中國科學技術大學學報,1997,27(2):216-219.

[2]張軍.菲涅爾波帶片的制備和驗證[J].蘭州石化職業技術學院學報,2005,5(1):37-39.

[3]Kitaura N,Ogata S,Mori Y.Spectrometer employing a micro-Fresnel lens[J].Opt Eng,1995,34(2):584-588.

[4]Ferstl M,Frisch A M.Static and dynamic Fresnel zone lenses for optic interconnections[J]. J Mod Opt,1996,43(7):1451-1462.

[5]Hain M,Spiegle W,Schmiedchen M,et al. 3D integral imaging using diffractive Fresnel lens arrays[J].Opt Express,2005,13(1):315-326.

[6]Sobel F,Wentworth L,Wiltse J.C.Quasi-optical surface waveguide and other components for the 100 to 300 Ge region[J].IRE Trans Microw Tech,1961,9:512-518.

[7]吉建華,陳家壁,曹俊卿,等.可變焦菲涅爾波帶透鏡的理論分析與模擬計算[J].上海理工大學學報,2000,22(1):57-60.

[8]Lin T H,Huang Y H,Fuh A Y G,et al.Polarization controllable Fresnel lens using dye-doped liquid crystals[J].Opt Express,2006,14(6):2359-2364.

[9]Patel J S,Rastani K.Electrically controlled polarization-independent liquid-crystal Fresnel lens arrays[J].Opt Lett,1991,16(7):532-534.

[10]Fan Y.H,Ren H,Wu S T.Switchable Fresnel lens using polymer-stabilized liquid crystals[J].Opt Express,2003,11(23):3080-3086.

[11]Ren H,Fan Y H,Wu S.T.Tunable Fresnel lens using nanoscale polymer-stabilized liquid crystals[J].Appl Phys Lett,2003,83(8):1515-1517.

[12]Lin L C,Jau H C,Lin T H,et al.Highly efficient and polarization-independent Fresnel lens based on dye-doped liquid crystal[J].Opt Express,2007,15(6):2900-2906.

[13]Fujita T,Nishihara H,Koyama J.Fabrication of micro lenses using electron-beam lithography[J].Opt Lett,1981,6(12):613-615.

[14]Jahns J,Walker S J.Two-dimensional array of diffractive microlenses fabricated by thin film deposition[J].Appl Opt,1990,29(7):931-936.

[15]李平.基于半波帶分析法的菲涅爾波帶片衍射特性的討論[J].物理與工程,2003,13(4):23-26.

[16]Dammann H.Blazed synthetic phase-only holograms[J].Optik,1970,31(1):95-104.

[17]陳家璧,蘇顯渝.光學信息技術原理及應用[M].北京:高等教育出版社,2002,37-38.

[18]王維強,任洪文,凌志華.電控位相型液晶菲涅耳波帶片的特性[J].液晶與顯示,1999,14(4):250-256.

[19]范志新.液晶器件工藝基礎[M].北京:北京郵電大學出版社,2000:15-18.

[20]Jeng S C,Hwang S J,Horng J S,et al.Electrically switchable liquid crystal Fresnel lens using UV-modified alignment film[J].Opt Express,2010,18(25):26325-26331.

[21]Huang W C,Chen Y J,Lin C H,et al.Sensitive voltage-dependent diffraction of a liquid crystal Fresnel lens[J].Appl Opt,2009,48(11):2094-2098.

[22]Lou Y M,Liu Q K,Wang H,et al.Rapid fabrication of an electrically switchable liquid crystal Fresnel zone lens[J].Appl Opt,2010,49(26):4995-5000.

[23]李暉,張新宇,張天序.一種新型液晶透鏡的光學成像特性研究[J].紅外與毫米波學報,2009,28(6):428-431.

[24]李暉,張新宇,張天序,等.基于液晶自適應透鏡的設計與制備[J].紅外與激光工程,2009,38(5):879-890