黃 翀 ，歐陽(yáng)艷東

(汕頭大學(xué) 理學(xué)院，廣東 汕頭515063)

1 引 言

近年來(lái)，利用液晶材料制作光電轉(zhuǎn)換器件的技術(shù)發(fā)展較快，液晶光柵作為這類光電轉(zhuǎn)換器件之一，在光學(xué)計(jì)算處理、三維圖像顯示、光束控制、光處理器、空間光通信等諸多領(lǐng)域倍受青睞，具有廣泛的應(yīng)用前景［1-6］。目前光柵器件的光柵常數(shù)不能變化，若用不同常數(shù)的光柵，就必須進(jìn)行更換，這不但給工作帶來(lái)很多不便，且易引進(jìn)定位誤差。例如，在用雙光柵尺［7-8］測(cè)量不同精度的物體時(shí)，就需要更換不同常數(shù)的光柵，這不僅會(huì)影響測(cè)量精度，也給測(cè)量帶來(lái)不便［9］。又如，視差柵欄式立體顯示技術(shù)［1-2，10］是通過(guò)光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)立體顯示的奇列像素和偶列像素分別通過(guò)光柵進(jìn)入左眼和右眼，再結(jié)合左眼和右眼圖像形成景深，實(shí)現(xiàn)立體顯示。但由于光柵常數(shù)的不可控，該技術(shù)只能限制在某個(gè)特定范圍內(nèi)觀看，無(wú)法進(jìn)行靈活調(diào)整，影響了立體顯示的效果。

現(xiàn)有液晶光柵的電極條紋端部是直角狀的，直角處的電荷分布比較密集，形成了很強(qiáng)的電場(chǎng)［3］，使得直角附近的液晶分子排列受到影響，會(huì)出現(xiàn)尖端放電現(xiàn)象以及更明顯的邊緣效應(yīng)［4-5］，從而降低液晶光柵的性能。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種光柵電極，提高了液晶光柵的質(zhì)量。

2 光柵電極設(shè)計(jì)

液晶光柵的玻璃基板上的透明電極( ITO) 設(shè)計(jì)如圖1 所示［11-12］，圖1( a) 、( b) 分別為液晶光柵的上、下電極層，上、下電極層中間夾設(shè)著液晶，陰影部分刻有ITO 電極，每個(gè)條紋電極寬度相等，均為a，條紋狀I(lǐng)TO 之間的空白部分間距亦相等，均為b，空白部分沒(méi)有設(shè)置ITO 電極。如圖所示，A、B 導(dǎo)電區(qū)均為梳狀電極，兩梳狀電極相互交叉形成柵狀電極。同樣C、D 導(dǎo)電區(qū)兩個(gè)梳狀電極相互交叉形成柵狀電極。上電極層和下電極層相互對(duì)應(yīng)，呈鏡像對(duì)稱設(shè)計(jì)。

圖1 新型液晶光柵電極圖Fig.1 Schematic diagrams of electrodes of new type of liquid crystal grating

另一方面，如圖1 所示，梳狀電極端部為圓弧狀，這種設(shè)計(jì)能夠避免直角狀設(shè)計(jì)所帶來(lái)的尖端放電現(xiàn)象，降低了電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，提高了液晶光柵的性能。

3 工作原理

該新型液晶光柵的工作原理如圖2( a) 所示，系統(tǒng)采用雙擲開(kāi)關(guān)和交流電源，當(dāng)雙擲開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，將圖1 所示液晶光柵的上電極層A導(dǎo)電區(qū)和下電極層C 導(dǎo)電區(qū)接通交流電源VAC，液晶光柵的上電極層A 導(dǎo)電區(qū)和下電極層C 導(dǎo)電區(qū)之間形成電場(chǎng)，所夾設(shè)液晶層里的液晶分子的織構(gòu)態(tài)和指向矢將發(fā)生改變。如圖2( b) 所示:液晶光柵的上下偏振片是互相平行的，上電極層A 導(dǎo)電區(qū)和下電極層C 導(dǎo)電區(qū)之間沒(méi)有形成電場(chǎng)的區(qū)域，液晶分子織構(gòu)態(tài)和指向矢沒(méi)有發(fā)生改變，垂直入射的光能夠透過(guò)液晶光柵; 而上電極層A導(dǎo)電區(qū)和下電極層C 導(dǎo)電區(qū)之間形成了電場(chǎng)的區(qū)域，所夾設(shè)的液晶分子織構(gòu)態(tài)和指向矢發(fā)生改變，則入射光不能通過(guò)。圖2( a) 中白色區(qū)域?yàn)橥腹獠糠郑瑢挾葹閎'，b'=3a，不透光部分的陰影區(qū)域?qū)挾葹閍，該液晶光柵此時(shí)的光柵常數(shù)為d1，d1=a+b'=a+3a=4a。

圖2 新型液晶光柵原理圖Fig.2 Principle diagram of new type of liquid crystal grating

圖3 電控常數(shù)可變的新型液晶光柵Fig.3 New type of liquid crystal grating with variable and electronically controlled constants

如圖3( a) 所示，當(dāng)雙擲開(kāi)關(guān)接通B、D 時(shí)，將圖1 所示液晶光柵的上電極層A 導(dǎo)電區(qū)和下電極層C 導(dǎo)電區(qū)接通交流電源VAC，液晶光柵的上電極層B 導(dǎo)電區(qū)和下電極層D 導(dǎo)電區(qū)接通交流電源VBD，液晶光柵的上電極層A、B 導(dǎo)電區(qū)和下電極層C、D 導(dǎo)電區(qū)之間形成電場(chǎng)，所夾設(shè)液晶層里的液晶分子織構(gòu)態(tài)和指向矢發(fā)生改變。如圖3( b) 所示，液晶光柵的上下偏振片是互相平行的，在上電極層A、B 導(dǎo)電區(qū)和下電極層上C、D 導(dǎo)電區(qū)之間形成電場(chǎng)之外的液晶分子織構(gòu)態(tài)和指向矢沒(méi)有發(fā)生改變，垂直入射的光能夠透過(guò)液晶光柵;而A、B 導(dǎo)電區(qū)和下電極層C、D 導(dǎo)電區(qū)之間形成電場(chǎng)的液晶分子織構(gòu)態(tài)和指向矢發(fā)生改變，入射光將不能通過(guò)。圖3( a) 中白色區(qū)域?yàn)橥腹獠糠?，寬度為b，b=a，不透光部分的陰影區(qū)域?qū)挾葹閍，則此時(shí)該液晶光柵的光柵常數(shù)為d2，d2=a+b=a+a=2a。

因此，當(dāng)接通交流電源，雙擲開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，液晶光柵的光柵常數(shù)為4a，雙擲開(kāi)關(guān)接通B、D 時(shí)，液晶光柵的光柵常數(shù)為2a，這樣就可以通過(guò)一個(gè)雙擲開(kāi)關(guān)控制液晶光柵上、下電極層中不同導(dǎo)電區(qū)的通斷電來(lái)改變液晶光柵的光柵常數(shù)。

通過(guò)電路控制來(lái)改變液晶光柵的光柵常數(shù)是傳統(tǒng)光柵所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。以上只是在同一塊光柵上實(shí)現(xiàn)了兩種光柵常數(shù)的轉(zhuǎn)換，下面對(duì)液晶光柵的電極進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更多種光柵常數(shù)的轉(zhuǎn)換。液晶光柵的上電極層和下電極層圖形設(shè)計(jì)如圖4 所示，把上、下電極層的每一條電極條紋分別引出，再設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路進(jìn)行獨(dú)立的控制，就可以在同一塊光柵上實(shí)現(xiàn)更多種光柵常數(shù)的轉(zhuǎn)換。

圖4 電控多種常數(shù)的新型液晶光柵電極設(shè)計(jì)圖Fig.4 Schematic diagrams of electrodes in new type of liquid crystal grating with different electronically-controlled constants

4 測(cè)量與分析

采用波長(zhǎng)為632.8 nm 的He-Ne 激光作為光源，同時(shí)對(duì)液晶光柵施加頻率為100 Hz 的交流電，通過(guò)控制液晶光柵導(dǎo)電區(qū)，實(shí)現(xiàn)光柵常數(shù)的轉(zhuǎn)變，并測(cè)出不同電壓下不同光柵常數(shù)1 級(jí)光斑衍射光強(qiáng)的變化情況，如圖5 所示。

圖5 不同光柵常數(shù)液晶光柵1 級(jí)衍射光強(qiáng)比較Fig.5 The first order diffractive efficiency of liquid crystal grating with different grating constants

由圖5 可知，在0 ～1.8 V 間，由于電壓太低不足以驅(qū)動(dòng)液晶分子的織構(gòu)態(tài)發(fā)生變化，不同常數(shù)的液晶光柵的1 級(jí)衍射光強(qiáng)保持不變。在1.8 ～2.0 V 處光強(qiáng)減小，這是由于液晶光柵電極之間的間隔很小，外加電場(chǎng)作用時(shí)在電極的邊緣處存在邊緣效應(yīng)，實(shí)際電場(chǎng)作用區(qū)域不同于電極覆蓋區(qū)域，使液晶光柵占空比發(fā)生改變，液晶光柵衍射效率也發(fā)生相應(yīng)改變，從而影響液晶光柵的相位差分布和衍射效率等特性。在2 ～4 V間，3種不同光柵常數(shù)的液晶光柵的1 級(jí)衍射光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，其中光柵常數(shù)為200 μm 的液晶光柵的光強(qiáng)最弱;光柵常數(shù)為66.7 μm 的液晶光柵的光強(qiáng)最強(qiáng); 光柵常數(shù)為100 μm 的液晶光柵的光強(qiáng)處在中間。而且在2 ～3.4 V 間，3 種光柵常數(shù)的液晶光柵的1 級(jí)衍射光強(qiáng)的差值不斷增大，這是因?yàn)殡S著電壓的增大，液晶分子偏轉(zhuǎn)越來(lái)越多，衍射效果越來(lái)越明顯，這與設(shè)計(jì)預(yù)期目的相吻合，說(shuō)明通過(guò)控制液晶光柵導(dǎo)電區(qū)的通斷電，能夠?qū)崿F(xiàn)液晶光柵常數(shù)的轉(zhuǎn)變。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的具有可變電控光柵常數(shù)的新型液晶光柵能在同一塊液晶光柵上實(shí)現(xiàn)不同光柵常數(shù)的轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)光柵常數(shù)的增加，又可以實(shí)現(xiàn)光柵常數(shù)的減少，一塊液晶光柵可以起到多塊光柵的作用，既節(jié)省了資源，也給工作帶來(lái)了方便，使液晶光柵更廣泛地應(yīng)用于日常生活。當(dāng)液晶光柵作為立體顯示視差柵欄時(shí)，可電控改變視差柵欄光柵常數(shù)，進(jìn)而擴(kuò)大人眼觀看立體顯示的范圍;在用于雙光柵尺做高精度測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)不同測(cè)量精度的需要自由切換光柵常數(shù)。此外，圓端梳狀電極的設(shè)計(jì)，避免了直角狀電極端產(chǎn)生的尖端放電現(xiàn)象，降低了電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響，提高了光柵的質(zhì)量。

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