液晶消色差偏振旋轉(zhuǎn)器

楊艷靈，張 弛，孫 巖，馬紅梅，孫玉寶

(河北工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系，天津 300401)

1 引 言

利用偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)來(lái)控制光的偏振態(tài)在液晶顯示、偏振成像、光通信等[1-3]方面有著廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)偏振旋轉(zhuǎn)器最簡(jiǎn)單的方法就是用半波片來(lái)轉(zhuǎn)換線偏振光的方向，然而這種偏振旋轉(zhuǎn)器[4-7]的缺點(diǎn)是只能通過(guò)移動(dòng)偏振器件來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振光狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。而液晶消色差偏振旋轉(zhuǎn)器具有電控制能力、響應(yīng)時(shí)間快、帶寬寬、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到消色差偏振旋轉(zhuǎn)器的基本要求。

目前為止，人們提出了許多關(guān)于偏振旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[8-9]中提出了由一個(gè)TN盒和兩個(gè)單軸補(bǔ)償膜組成的消色差偏振光開(kāi)關(guān)，帶寬較寬，對(duì)比度較高，在400～700 nm范圍內(nèi)透過(guò)率大于97.8%，但響應(yīng)時(shí)間為35 ms，響應(yīng)速度不夠快；文獻(xiàn)[10]提出由兩個(gè)均勻盒和一個(gè)TN盒組成的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器，但帶寬不夠?qū)挘⑶抑还ぷ饔诓患与妷阂环N情況；文獻(xiàn)[11-12]提出的結(jié)構(gòu)雖然可以達(dá)到較好的消色差效果，但在參數(shù)設(shè)置上比較復(fù)雜，變量較多。以上結(jié)構(gòu)中使用的液晶層的相位延遲量都很大，從而在使用普通液晶材料時(shí)，液晶層厚度會(huì)很厚(通常大于5 μm)，5 μm厚的液晶盒響應(yīng)時(shí)間是20～30 ms，再考慮到扭曲向列相液晶盒在響應(yīng)過(guò)程中存在背流效應(yīng)(Backflow effect)，所以這些結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度不夠快。針對(duì)之前人們提出的偏振旋轉(zhuǎn)器存在的問(wèn)題，在本文中我們提出了一種由3個(gè)低扭曲液晶盒組成的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器，在低扭曲液晶盒中不存在背流效應(yīng)，并且3個(gè)液晶盒厚度都為2.5 μm，小于傳統(tǒng)盒厚的一半。不加電壓時(shí)漏光率較低，加電壓后透過(guò)率可以達(dá)到97.9%以上，并對(duì)這種結(jié)構(gòu)偏振旋轉(zhuǎn)器的對(duì)比度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了模擬計(jì)算,在450～650 nm之間具有大于100的對(duì)比度，上升時(shí)間為0.174 ms,下降時(shí)間為6.316 ms，參數(shù)設(shè)置等相對(duì)簡(jiǎn)單。這種偏振旋轉(zhuǎn)器可以在不移動(dòng)偏振器件的情況下，通過(guò)改變對(duì)液晶盒施加的電壓來(lái)控制液晶指向矢分布從而達(dá)到控制偏振光方向的目的。液晶顯示的帶寬要求是可見(jiàn)光范圍內(nèi)(400～700 nm)，對(duì)比度在50以上，本文提出的液晶消色差偏振旋轉(zhuǎn)器對(duì)比度能達(dá)到100以上，響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)低于20 ms，因此符合液晶顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

2 基本原理

三層低扭曲液晶盒組成的偏振旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，入射偏振光的偏振方向與入射側(cè)的液晶分子取向方向相同，3個(gè)液晶盒中相鄰的界面處的液晶取向相同，液晶盒中的液晶旋轉(zhuǎn)方向相同。針對(duì)該液晶器件設(shè)置，使用瓊斯矩陣來(lái)表示偏振光的偏振狀態(tài)，Ein是光軸沿X方向的線偏振光，經(jīng)過(guò)3個(gè)TN液晶盒之后，出射光的偏振狀態(tài)用Eout表示：

其中：MLC1，MLC2，MLC3分別表示3個(gè)TN液晶盒的瓊斯矩陣，φ1，φ2，φ3分別為3個(gè)扭曲向列相液晶盒的扭曲角，d、Δn、λ分別為液晶盒厚、液晶材料的雙折射率、入射光的波長(zhǎng)。

3 模擬計(jì)算與分析

模擬計(jì)算中，采用的液晶材料的雙折射率為Δn=0.108(450 nm),0.1(550 nm)，0.095(650 nm)，介電各向異性為5.3，轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)為100 mPa·s，彈性常數(shù)分別為10.8，9.5，15.4 pN，液晶層厚度都為2.5 μm。設(shè)置3個(gè)液晶盒的扭曲角度為變量，總扭曲角度為90°，預(yù)傾角為2°，平行偏光片角度為0°，使用TechWiz LCD 1D軟件計(jì)算了由3個(gè)扭曲向列相液晶盒組成的偏振旋轉(zhuǎn)器的透光特性，得到3個(gè)液晶盒的扭曲情況分別為：φ1(90°～65°)，φ2(65°～20°)，φ3(20°～0°)時(shí)，該設(shè)置具有最好的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。如圖1所示，在平行偏光片情況下，左圖為不加電壓時(shí)液晶的排列情況，入射線偏振光經(jīng)過(guò)3個(gè)TN液晶盒之后，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，光線不透過(guò)。右圖是施加電壓之后的液晶排列圖，液晶分子被驅(qū)動(dòng)到垂直于基板平面排列，此時(shí)液晶的延遲量為0，入射偏振光的狀態(tài)不發(fā)生變化，由于偏振片平行放置，所以光線透過(guò)。

圖1 3-TN盒的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the 3-TNLC cell

圖2是透過(guò)率隨電壓的變化曲線，當(dāng)施加電壓后，透過(guò)率逐漸增大，電壓在大于12 V時(shí)接近穩(wěn)定，因此在計(jì)算這種偏振旋轉(zhuǎn)器的消色差性能時(shí),為了達(dá)到更好的效果，我們對(duì)每個(gè)TN液晶盒施加20 V的電壓。響應(yīng)過(guò)程如圖3所示，上升時(shí)間約為0.174 ms,下降時(shí)間約為6.316 ms。

圖2 TN盒的電光特性Fig.2 Electro-optical characteristic of the TNLC

圖3 三個(gè)TN盒結(jié)構(gòu)的偏振旋轉(zhuǎn)器的響應(yīng)過(guò)程Fig.3 Response process of 3-TN LC

圖4分別為偏振旋轉(zhuǎn)器在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和未驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的透過(guò)率曲線。施加電壓后光線透過(guò)，透過(guò)率為97.9%～99.2%，如圖中紅線所示。在不加電壓時(shí)，透過(guò)率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有很低的漏光率，漏光率低于4.5%，尤其在450～650 nm之間，透過(guò)率小于0.01，如圖中黑線所示。在450～650 nm范圍內(nèi)，具有大于100的對(duì)比度，如圖5所示，在485～625 nm范圍內(nèi)，具有800以上的對(duì)比度。

圖4 3-TNLC結(jié)構(gòu)的透過(guò)率(驅(qū)動(dòng)&未驅(qū)動(dòng))Fig.4 Transmittance of the 3-TNLC (with and without driving)

圖5 3-TNLC結(jié)構(gòu)的對(duì)比度與波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.5 Contrast ratio vs.wavelength of the 3-TNLC

作為對(duì)比，我們計(jì)算了一個(gè)普通TN液晶盒組成的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器在不加電壓時(shí)的透過(guò)率，設(shè)置TN液晶盒的厚度為20 μm，預(yù)傾角設(shè)為2°，液晶材料的折射率與上述相同，使用TechWiz LCD 1D軟件模擬計(jì)算了它的透過(guò)率光譜。圖6是3個(gè)TNLC偏振旋轉(zhuǎn)器和一個(gè)TNLC旋轉(zhuǎn)器透過(guò)率的比較，從圖中可以看出，一個(gè)傳統(tǒng)的90°TNLC偏振旋轉(zhuǎn)器在不加電壓時(shí)的漏光率較高，且透過(guò)率波動(dòng)比較大(圖中黑線)，而我們提出的這種結(jié)構(gòu)具有較低的漏光率(圖中紅線)，在450～650 nm范圍內(nèi)，透過(guò)率小于0.01，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，透過(guò)率低于4.5%。

圖6 3-TN與一個(gè)TN液晶盒的透過(guò)率比較(未驅(qū)動(dòng))Fig.6 Transmittance of the 3-TNLC and 1-TNLC(undriving)

接下來(lái)計(jì)算了液晶盒厚對(duì)消色差性能的影響，圖7是不加電壓時(shí)，液晶盒厚為2.2～2.5 μm時(shí)的透過(guò)率，當(dāng)液晶盒厚分別為2.2，2.3，2.4，2.5 μm時(shí)，透過(guò)率分別低于6%，4%，3.5%，4.5%，在480～600 nm之間，透過(guò)率都很小，當(dāng)施加20 V的電壓后，液晶分子沿著平行于入射線偏振光的方向排列，此時(shí)光線透過(guò)，理想的透過(guò)率為1，由于液晶盒兩側(cè)有ITO薄膜，光經(jīng)過(guò)薄膜表面會(huì)發(fā)生折射，因此實(shí)際透過(guò)率低于1。透過(guò)率光譜如圖8所示，當(dāng)液晶盒厚分別為2.2，2.3，2.4，2.5 μm時(shí)，最低透過(guò)率分別為98.2%，98.1%，98%，97.9%，消色差效果較好。通過(guò)計(jì)算液晶盒厚度對(duì)消色差效果的影響，說(shuō)明盒厚在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，透過(guò)率幾乎是不受影響的。

圖7 液晶盒厚對(duì)透過(guò)率的影響(未驅(qū)動(dòng))Fig.7 Effect of cell thickness on transmittance (undriving)

圖8 液晶盒厚對(duì)透過(guò)率的影響(驅(qū)動(dòng))Fig.8 Effect of cell thickness on transmittance (driving)

4 結(jié) 論

本文對(duì)由3個(gè)低扭曲液晶盒組成的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器的消色差性能以及響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了模擬計(jì)算，不加電壓時(shí)可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透過(guò)率低于4.5%，在450～650 nm之間，透過(guò)率小于0.01，加電壓后的透過(guò)率在97.9%以上，在450～650 nm之間具有大于100的對(duì)比度，在485～625 nm之間具有800以上的對(duì)比度。3個(gè)TN盒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)器與一個(gè)TN盒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)器相比，具有漏光率低和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。這種消色差性能較好的液晶消色差偏振旋轉(zhuǎn)器在光通信中有著廣泛的應(yīng)用。