液晶電控調光鏡研究

董世卓，張路瑤，李博穎，李健飛，范志新

(河北工業大學 理學院，天津 300401)

1 引 言

眾所周知，液晶顯示已經是廣泛應用的如日中天的顯示技術，對于液晶顯示器件的研究已經不是熱點方向，而液晶非顯示器件研究越來越受到重視。液晶非顯示器件的研究包括生物、化學、物理、材料甚至工程等諸多領域：液晶可用于生物學及醫藥學研究的生物傳感器，數據通信的光通訊開關，也可制作成調制遠離可見光波段的中遠紅外( THz) 及微波頻率的相移器。此外，液晶還在激光鑷子(Laser tweezers)，可調FP濾波器和激光器，非線性光學的頻率轉換、液晶電致冷等方面發揮重要作用[1-2]。液晶非顯示器件產品如液晶調光膜、液晶調光眼鏡、液晶電焊面罩、小尺寸液晶黑板等都已經實現產業化，且大尺寸液晶黑板正成為新的投資開發熱點[3-5]。

本文擬在前人的工作基礎上采用TN液晶盒與幾種新型偏光片的組合，對液晶電控調光鏡這種新型液晶非顯示器件進行實驗研究與原理探討。

2 實 驗

采用河北冀雅公司提供的較大面積電焊面罩產品用TN液晶盒(12 cm5 cm)，與吸收偏光片、反射偏光片及散射偏光片組合，制作電焊面罩光閥(樣品1)、吸收-反射電控鏡(樣品2)和散射-反射電控鏡(樣品3)[6]。吸收偏光片由河北冀雅公司提供，反射偏光片由3M公司提供[7]，散射偏光片為自制[8-9]。

2.1 電焊面罩光閥

電焊面罩光閥是由TN液晶盒與吸收偏光片組合而成，即在TN液晶盒的表面貼上透光軸相互垂直的吸收偏光片制作成對比參考樣品1。當不加電場時，TN液晶盒與偏光片的組合，由于旋光效應，構成常白型TN液晶盒，呈現如圖1所示的半透明態玻璃外觀。但當對其施加電場時，旋光效應消失，為兩張吸收偏光片正交，從兩側看上去具有相同的視覺效果，并分別呈現出如圖2和圖3所示對稱的遮光黑態玻璃外觀。

圖1 樣品1通電前的半透明態Fig.1 Translucent state of sample 1 before electrification

圖2 樣品1通電后一側的遮光黑態Fig.2 Shading black state on one side of sample 1 after electrification

圖3 樣品1通電后另一側的遮光黑態Fig.3 Shading black state on the other side of sample 1 after electrification

2.2 吸收-反射電控鏡

吸收-反射電控鏡是由TN液晶盒與吸收偏光片和吸收-反射復合偏光片組合而成，在TN液晶盒的一面是貼吸收偏光片，另一面則是貼吸收-反射復合偏光片(反射偏光片朝向玻璃，吸收偏光片朝外，即內置反射偏光片)，即得到樣品2。當不加電場時，呈現如圖4所示的半透明態玻璃外觀。當對其施加電場時，從吸收偏光片一側看上去，為吸收偏光片與反射偏光片正交，一半光被吸收，一半光被反射，呈現如圖5所示的遮光鏡子態外觀；但從吸收-反射復合偏光片一側看上去，效果是兩張吸收偏光片正交，呈現如圖6所示的遮光黑態玻璃外觀。

2.3 散射-反射電控鏡

散射-反射電控鏡是由TN液晶盒與散射偏

圖4 樣品2通電前的半透明態Fig.4 Translucent state of sample 2 before electrification

圖5 樣品2通電后的遮光鏡子態Fig.5 Shading mirror state after sample 2 after electrification

圖6 樣品2通電后的遮光黑態Fig.6 Shading black state of sample 2 after electrification

光片和散射-反射復合偏光片組合而成，TN液晶盒的一個表面是貼散射偏光片，而另一表面則是貼散射-反射復合偏光片(反射偏光片朝向玻璃，散射偏光片朝外，即內置反射偏光片)，即得到樣品3。當不加電場時，呈現如圖7所示的半透明態玻璃外觀。當對其施加電場時，從散射-反射復合偏光片一側觀察的效果為兩張散射偏光片正交，呈現如圖8所示的遮光霧態玻璃外觀；但從僅貼有散射偏光片一側觀察，為散射偏光片與反射偏光片正交，一半光被散射，一半光被反射，視覺效果呈現出如圖9所示的遮光淡霧鏡子態外觀。

圖7 樣品3通電前的半透明態Fig.7 Translucent state sample 3 before electrification

圖8 樣品3通電后的遮光霧態Fig.8 Shading fog state sample 3 before electrification

圖9 樣品3通電后的遮光淡霧鏡子態Fig.9 Light-shielding fog mirror state sample 3 before electrification

3 樣品測試

采用FX2000L-RD光纖光譜儀對液晶盒樣品進行電光特性測試，測試波長為632 nm。從電光特性測試曲線可知樣品的閾值電壓為2.4 V，飽和電壓為5.2 V。

3.1 電焊面罩光閥

電焊面罩光閥(樣品1)的電光特性曲線如圖10所示，樣品1開態時透過率為27.3%，關態時透過率為0.5%，該樣品在不同狀態時具有顯著透過率對比變化。

圖10 樣品1的電壓與透過率關系Fig.10 Relationship between voltage and transmittance of sample 1

3.2 吸收-反射電控鏡

吸收-反射電控鏡(樣品2)的電光特性曲線如圖11所示，樣品2開態時透過率為25.3%，關態時透過率為0.7%，樣品在不同狀態時樣品具有良好的透過率對比變化，且在關態時具有很好的反射效果。

圖11 樣品2的電壓與透過率關系Fig.11 Relationship between voltage and transmittance of sample 2

3.3 散射-反射電控鏡

散射-反射電控鏡(樣品3)的電光特性曲線如圖12所示，樣品3開態時透過率為20.8%，關態時透過率為10.1%，由于散射膜的存在使得樣品開關態的透射率對比度降低。

圖12 樣品3的電壓與透過率關系Fig.12 Relationship between voltage and transmittance of sample 2

由測試結果可知，電焊面罩光閥比吸收-反射電控鏡的開態透過率高2%，關態透過率低0.2%；比散射-反射電控鏡的開態透過率高6.5%，關態透過率低9.6%。吸收-反射電控鏡比散射-反射電控鏡的開態透過率高4.5%，關態透過率低9.4%。因此，電焊面罩光閥和吸收-反射電控鏡與散射-反射電控鏡相比具有更明顯的透過率對比變化。

4 原理分析

4.1 偏光片原理分析

常用偏光片是吸收型偏光片，其原理眾所周知[10-12]。為描述出射光的偏振狀態，采用瓊斯矢量法定義的轉換矩陣即瓊斯矩陣來分別描述入射光和出射光。

(1)

反射偏光片為多層膜雙折射偏光片，是由拉伸光學各向異性雙折射小的薄膜材料與拉伸光學各向異性雙折射大的薄膜材料交替重疊組成的。假設兩種薄膜材料垂直拉伸方向折射率都是n，而沿拉伸方向折射率分別是n1和n2，沿拉伸方向的非常光就會被全反射，而垂直于拉伸方向的尋常光就會全透射通過。反射偏光片也是已經商業化的產品，在大面板TFT-LCD上作為增亮膜而具有特殊應用。

因為吸收偏光片的瓊斯矩陣為式(1)，且光正入射時的透射瓊斯矩陣和反射瓊斯矩陣分別為：

(2)

如果光束沿透射正方向傳播振幅設為1，光束被吸收為0，光束反射為-1。反射偏光片若在相同的矩陣單元上表示透射和反射，會出現正負抵消的不正確結果。反射偏光片的透射瓊斯矩陣等同于吸收偏光片瓊斯矩陣，而反射瓊斯矩陣應“互補”于透射瓊斯矩陣，即如果垂直入射的線偏振光偏振方向與透光軸方向夾角為θ時，則與反射軸方向的夾角就是/2-θ。所以反射偏光片的瓊斯矩陣分為相互獨立的透射矩陣和反射矩陣：

(3)

散射偏光片是新型偏光片，還處在待產業化之中，是由聚乙烯醇分散液晶流延膜經過拉伸后再復合保護膜而制成。其原理是沿拉伸方向液晶微滴折射率與聚乙烯醇折射率有比較大的差異，造成光散射，而垂直拉伸方向，液晶微滴折射率與聚乙烯醇折射率一致造成光透射。根據吸收偏光片瓊斯矩陣形式，假設散射偏光片是弱偏振器件，其光學特性指標都還是與樣品相關而非理想的。瓊斯矩陣表達式的形式如下：

(4)

其中：θ為偏振光與散射偏光片的夾角，a2、b2、c2表示由于漏光以及樣品光學性能不理想等因素形成的基底，a1、b1、c1是散射振幅系數。

兩吸收偏振片分別水平平行、正交放置，散射偏光片放置兩偏光片正中間，使水平偏振光入射到散射偏光片上，然后將散射偏光片旋轉一定角度，得到相應的出射光表達式如式(5)所示：

(5)

因散射偏光片的瓊斯矩陣與樣品的液晶摻雜濃度以及拉伸倍數等因素都有關系，因此對散射-反射電控鏡樣品所用的散射偏光片進行測試，并依據激光透過散射偏光片前后的光強變化量測得了式(5)中各系數的平均值：a1=0.62，a2=0.05，b1=0.75，b2=0.07。

再將兩吸收偏振片分別豎直平行、正交放置，散射偏光片放置兩偏光片正中間，使垂直偏振光入射到散射偏光片上，然后旋轉散射偏光片一定角度，此時夾角與兩吸收偏振片分別水平平行、正交放置時夾角互余，所以對應的系數a1=c1，a2=c2。所以，散射偏光片的瓊斯矩陣為：

(6)

4.2 電控鏡原理分析

4.2.1 吸收-反射電控鏡原理

(7)

自然光從吸收-反射電控鏡貼有吸收偏光片一側入射，經過吸收偏光片后其瓊斯矩陣為：

(8)

其中一些光透過，而其余的光被吸收，透過的光P1′再入射到反射偏光片，其瓊斯矩陣為：

(9)

由式(9)可知，入射的自然光被反射，無透射。因此在電控鏡貼有吸收偏光一側觀察時，呈現遮光鏡子態。

當自然光從電控鏡貼有吸收-反射復合偏光片一側入射時，入射光等同于經過兩個正交的吸收偏光片。自然光經過第一個吸收偏光片后轉換為偏振光P2′，當偏振光P2′經過第二個吸收偏振片后形成的出射光表達式如式(10)所示：

(10)

此過程中自然光被完全被吸收，無透射和反射。因此從吸收-反射復合偏光片一側觀察時，電控鏡呈現遮光黑態。

4.2.2 散射-反射電控鏡原理

對散射-反射電控鏡施加電壓后，旋光效應消失。此時，散射偏光片和電控鏡另一側散射-反射復合偏光片的透光軸正交。

自然光P從散射-反射復合偏光片一側入射時，相當于僅穿過散射偏光片，其瓊斯矩陣為：

(11)

其中一些光透過，而其余的光被散射，透過的光會入射到電控鏡另一側的散射偏光片，瓊斯矩陣為：

(12)

因此在散射-反射復合偏光片一側觀察電控鏡時，電控鏡呈現遮光霧態。

自然光在僅貼有散射偏光片一側入射時，經過散射偏光片后其瓊斯矩陣等同于(11)式。一部分光被散射，一部分光被散射-反射復合偏光片反射，其瓊斯矩陣為：

(13)

此過程中自然光被散射和反射后使得電控鏡呈現遮光淡霧鏡子態。

5 結 論

采用TN液晶盒與吸收偏光片、反射偏光片和散射偏光片的不同組合，制作出具有不對稱視覺效果的吸收-反射電控鏡和散射-反射電控鏡樣品。吸收-反射電控鏡與散射-反射電控鏡相比具有更明顯的透過率對比變化和視覺效果，散射偏光片的質量還有待于提高。本文對兩種液晶電控調光鏡的實驗研制和分析討論，具有開發液晶非顯示器件新應用的探索意義。兩種液晶電控鏡所呈現的不同視覺效果，可望作為新型高檔裝修材料找到應用市場。