液晶電控調(diào)光鏡研究

董世卓，張路瑤，李博穎，李健飛，范志新

(河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300401)

1 引 言

眾所周知，液晶顯示已經(jīng)是廣泛應(yīng)用的如日中天的顯示技術(shù)，對(duì)于液晶顯示器件的研究已經(jīng)不是熱點(diǎn)方向，而液晶非顯示器件研究越來(lái)越受到重視。液晶非顯示器件的研究包括生物、化學(xué)、物理、材料甚至工程等諸多領(lǐng)域：液晶可用于生物學(xué)及醫(yī)藥學(xué)研究的生物傳感器，數(shù)據(jù)通信的光通訊開(kāi)關(guān)，也可制作成調(diào)制遠(yuǎn)離可見(jiàn)光波段的中遠(yuǎn)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(diào)FP濾波器和激光器，非線性光學(xué)的頻率轉(zhuǎn)換、液晶電致冷等方面發(fā)揮重要作用[1-2]。液晶非顯示器件產(chǎn)品如液晶調(diào)光膜、液晶調(diào)光眼鏡、液晶電焊面罩、小尺寸液晶黑板等都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，且大尺寸液晶黑板正成為新的投資開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)[3-5]。

本文擬在前人的工作基礎(chǔ)上采用TN液晶盒與幾種新型偏光片的組合，對(duì)液晶電控調(diào)光鏡這種新型液晶非顯示器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與原理探討。

2 實(shí) 驗(yàn)

采用河北冀雅公司提供的較大面積電焊面罩產(chǎn)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(duì)比參考樣品1。當(dāng)不加電場(chǎng)時(shí)，TN液晶盒與偏光片的組合，由于旋光效應(yīng)，構(gòu)成常白型TN液晶盒，呈現(xiàn)如圖1所示的半透明態(tài)玻璃外觀。但當(dāng)對(duì)其施加電場(chǎng)時(shí)，旋光效應(yīng)消失，為兩張吸收偏光片正交，從兩側(cè)看上去具有相同的視覺(jué)效果，并分別呈現(xiàn)出如圖2和圖3所示對(duì)稱的遮光黑態(tài)玻璃外觀。

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

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

圖3 樣品1通電后另一側(cè)的遮光黑態(tài)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(fù)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(fù)合偏光片(反射偏光片朝向玻璃，吸收偏光片朝外，即內(nèi)置反射偏光片)，即得到樣品2。當(dāng)不加電場(chǎng)時(shí)，呈現(xiàn)如圖4所示的半透明態(tài)玻璃外觀。當(dāng)對(duì)其施加電場(chǎng)時(shí)，從吸收偏光片一側(cè)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(xiàn)如圖5所示的遮光鏡子態(tài)外觀；但從吸收-反射復(fù)合偏光片一側(cè)看上去，效果是兩張吸收偏光片正交，呈現(xiàn)如圖6所示的遮光黑態(tài)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(tài)Fig.4 Translucent state of sample 2 before electrification

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

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

光片和散射-反射復(fù)合偏光片組合而成，TN液晶盒的一個(gè)表面是貼散射偏光片，而另一表面則是貼散射-反射復(fù)合偏光片(反射偏光片朝向玻璃，散射偏光片朝外，即內(nèi)置反射偏光片)，即得到樣品3。當(dāng)不加電場(chǎng)時(shí)，呈現(xiàn)如圖7所示的半透明態(tài)玻璃外觀。當(dāng)對(duì)其施加電場(chǎng)時(shí)，從散射-反射復(fù)合偏光片一側(cè)觀察的效果為兩張散射偏光片正交，呈現(xiàn)如圖8所示的遮光霧態(tài)玻璃外觀；但從僅貼有散射偏光片一側(cè)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(jué)效果呈現(xiàn)出如圖9所示的遮光淡霧鏡子態(tài)外觀。

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

圖8 樣品3通電后的遮光霧態(tài)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(tài)Fig.9 Light-shielding fog mirror state sample 3 before electrification

3 樣品測(cè)試

采用FX2000L-RD光纖光譜儀對(duì)液晶盒樣品進(jìn)行電光特性測(cè)試，測(cè)試波長(zhǎng)為632 nm。從電光特性測(cè)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(kāi)態(tài)時(shí)透過(guò)率為27.3%，關(guān)態(tài)時(shí)透過(guò)率為0.5%，該樣品在不同狀態(tài)時(shí)具有顯著透過(guò)率對(duì)比變化。

圖10 樣品1的電壓與透過(guò)率關(guān)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(kāi)態(tài)時(shí)透過(guò)率為25.3%，關(guān)態(tài)時(shí)透過(guò)率為0.7%，樣品在不同狀態(tài)時(shí)樣品具有良好的透過(guò)率對(duì)比變化，且在關(guān)態(tài)時(shí)具有很好的反射效果。

圖11 樣品2的電壓與透過(guò)率關(guān)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(kāi)態(tài)時(shí)透過(guò)率為20.8%，關(guān)態(tài)時(shí)透過(guò)率為10.1%，由于散射膜的存在使得樣品開(kāi)關(guān)態(tài)的透射率對(duì)比度降低。

圖12 樣品3的電壓與透過(guò)率關(guān)系Fig.12 Relationship between voltage and transmittance of sample 2

由測(cè)試結(jié)果可知，電焊面罩光閥比吸收-反射電控鏡的開(kāi)態(tài)透過(guò)率高2%，關(guān)態(tài)透過(guò)率低0.2%；比散射-反射電控鏡的開(kāi)態(tài)透過(guò)率高6.5%，關(guān)態(tài)透過(guò)率低9.6%。吸收-反射電控鏡比散射-反射電控鏡的開(kāi)態(tài)透過(guò)率高4.5%，關(guān)態(tài)透過(guò)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(guò)率對(duì)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(tài)，采用瓊斯矢量法定義的轉(zhuǎn)換矩陣即瓊斯矩陣來(lái)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(xué)各向異性雙折射小的薄膜材料與拉伸光學(xué)各向異性雙折射大的薄膜材料交替重疊組成的。假設(shè)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(huì)被全反射，而垂直于拉伸方向的尋常光就會(huì)全透射通過(guò)。反射偏光片也是已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品，在大面板TFT-LCD上作為增亮膜而具有特殊應(yīng)用。

因?yàn)槲掌馄沫偹咕仃嚍槭?1)，且光正入射時(shí)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(shè)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(huì)出現(xiàn)正負(fù)抵消的不正確結(jié)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(yīng)“互補(bǔ)”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(shí)，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(dú)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(chǎn)業(yè)化之中，是由聚乙烯醇分散液晶流延膜經(jīng)過(guò)拉伸后再?gòu)?fù)合保護(hù)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(jù)吸收偏光片瓊斯矩陣形式，假設(shè)散射偏光片是弱偏振器件，其光學(xué)特性指標(biāo)都還是與樣品相關(guān)而非理想的。瓊斯矩陣表達(dá)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(xué)性能不理想等因素形成的基底，a1、b1、c1是散射振幅系數(shù)。

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(zhuǎn)一定角度，得到相應(yīng)的出射光表達(dá)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(shù)等因素都有關(guān)系，因此對(duì)散射-反射電控鏡樣品所用的散射偏光片進(jìn)行測(cè)試，并依據(jù)激光透過(guò)散射偏光片前后的光強(qiáng)變化量測(cè)得了式(5)中各系數(shù)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(zhuǎn)散射偏光片一定角度，此時(shí)夾角與兩吸收偏振片分別水平平行、正交放置時(shí)夾角互余，所以對(duì)應(yīng)的系數(shù)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(cè)入射，經(jīng)過(guò)吸收偏光片后其瓊斯矩陣為：

(8)

其中一些光透過(guò)，而其余的光被吸收，透過(guò)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(wú)透射。因此在電控鏡貼有吸收偏光一側(cè)觀察時(shí)，呈現(xiàn)遮光鏡子態(tài)。

當(dāng)自然光從電控鏡貼有吸收-反射復(fù)合偏光片一側(cè)入射時(shí)，入射光等同于經(jīng)過(guò)兩個(gè)正交的吸收偏光片。自然光經(jīng)過(guò)第一個(gè)吸收偏光片后轉(zhuǎn)換為偏振光P2′，當(dāng)偏振光P2′經(jīng)過(guò)第二個(gè)吸收偏振片后形成的出射光表達(dá)式如式(10)所示：

(10)

此過(guò)程中自然光被完全被吸收，無(wú)透射和反射。因此從吸收-反射復(fù)合偏光片一側(cè)觀察時(shí)，電控鏡呈現(xiàn)遮光黑態(tài)。

4.2.2 散射-反射電控鏡原理

對(duì)散射-反射電控鏡施加電壓后，旋光效應(yīng)消失。此時(shí)，散射偏光片和電控鏡另一側(cè)散射-反射復(fù)合偏光片的透光軸正交。

自然光P從散射-反射復(fù)合偏光片一側(cè)入射時(shí)，相當(dāng)于僅穿過(guò)散射偏光片，其瓊斯矩陣為：

(11)

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

(12)

因此在散射-反射復(fù)合偏光片一側(cè)觀察電控鏡時(shí)，電控鏡呈現(xiàn)遮光霧態(tài)。

自然光在僅貼有散射偏光片一側(cè)入射時(shí)，經(jīng)過(guò)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(fù)合偏光片反射，其瓊斯矩陣為：

(13)

此過(guò)程中自然光被散射和反射后使得電控鏡呈現(xiàn)遮光淡霧鏡子態(tài)。

5 結(jié) 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(duì)稱視覺(jué)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(guò)率對(duì)比變化和視覺(jué)效果，散射偏光片的質(zhì)量還有待于提高。本文對(duì)兩種液晶電控調(diào)光鏡的實(shí)驗(yàn)研制和分析討論，具有開(kāi)發(fā)液晶非顯示器件新應(yīng)用的探索意義。兩種液晶電控鏡所呈現(xiàn)的不同視覺(jué)效果，可望作為新型高檔裝修材料找到應(yīng)用市場(chǎng)。