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●文/東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院顯示技術(shù)研究中心李青 嚴(yán)靜 崔勇?lián)P

　　摘要：聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶具有響應(yīng)速度達(dá)到亞毫秒量級(jí)，偏振光獨(dú)立及工藝無需取向工藝等特點(diǎn)，在顯示技術(shù)及光電子器件領(lǐng)域有潛在的巨大應(yīng)用空間。本文論述了PSBPLC微觀相變模型、宏觀克爾效應(yīng)等特性。在此基礎(chǔ)上，論述了藍(lán)相液晶微透鏡技術(shù)的發(fā)展。介紹了PSBPLC實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列的主要結(jié)構(gòu)，包括圓孔電極的藍(lán)相液晶透鏡；曲面電極的藍(lán)相液晶透鏡；多電極藍(lán)相液晶GRIN透鏡；模式控制的藍(lán)相液晶透鏡，以及采用ZnO納米棒為電極實(shí)現(xiàn)藍(lán)相液晶透鏡，對(duì)比了上述幾種透鏡的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

　　引言

　　藍(lán)相液晶是介于液晶的各向同性相和膽甾相之間的狀態(tài)，宏觀上藍(lán)相態(tài)是各項(xiàng)同性的。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，藍(lán)相液晶又分為BPI、BPII、BPIII三種相態(tài)。宏觀上表現(xiàn)為藍(lán)相只能存在于很窄的溫度區(qū)間內(nèi)，通常只有0.5—2K的存在范圍，長(zhǎng)期以來沒有應(yīng)用價(jià)值。直到2002年，Kikuchi等人提出了聚合物穩(wěn)定的藍(lán)相液晶，使藍(lán)相液晶的存在溫度范圍擴(kuò)大到包括室溫在內(nèi)的60K范圍，從而具備了巨大的應(yīng)用潛力。

　　藍(lán)相液晶的工作機(jī)理完全不同于傳統(tǒng)的向列相液晶器件。宏觀上說，藍(lán)相液晶的工作機(jī)理是基于克爾效應(yīng)，不加電場(chǎng)時(shí)，藍(lán)相液晶是各向同性的；施加電場(chǎng)后，分子沿長(zhǎng)軸方向變化，表現(xiàn)出物理特性的各向異性，而其分子的變化是在局部位置發(fā)生，因此，藍(lán)相液晶最大的優(yōu)點(diǎn)是具有超快的響應(yīng)時(shí)間，其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到亞毫秒量級(jí)。

　　藍(lán)相液晶在顯示技術(shù)領(lǐng)域已引起了巨大的沖擊，將對(duì)現(xiàn)有的LCD技術(shù)帶來革命性的變革，從而引起相關(guān)研究領(lǐng)域的高度重視。亞毫秒的快速響應(yīng)特性使時(shí)序掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)彩色成為可能；無需取向?qū)蛹皩?duì)盒厚變化的不敏感性使顯示器件的制備技術(shù)更加簡(jiǎn)單，成本進(jìn)一步降低?？梢灶A(yù)期，這些特性也使藍(lán)相液晶在新型光電子器件研制中將產(chǎn)生極大競(jìng)爭(zhēng)力，成為一種需要重點(diǎn)研究的液晶材料，雖然這些研究才剛剛起步。

　　藍(lán)相液晶在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生相位延遲特性，使其在微透鏡陣列方面應(yīng)用成為可能，將藍(lán)相液晶應(yīng)用于微透鏡技術(shù)公開的研究成果見于2010年。本文在綜述藍(lán)相液晶特性基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)介紹藍(lán)相液晶在微透鏡技術(shù)的研究結(jié)果，并分析其特點(diǎn)。

　　1、聚合物穩(wěn)定的藍(lán)相液晶

　　1.1 雙扭曲微觀物理模型

　　藍(lán)相液晶只有在波矢q0增加到一定值時(shí)才出現(xiàn)的一種液晶態(tài)，根據(jù)晶態(tài)結(jié)構(gòu)不同分為BPI、BPII、BPIII三種相，見圖1，可以看出藍(lán)相液晶存在的溫度范圍很小，波矢較小時(shí)通常只看到隨溫度升高，膽甾相直接變成各向同性相，因此，藍(lán)相液晶是在一些特定條件下產(chǎn)生的一種液晶態(tài)。目前研究藍(lán)相液晶的基本模型是雙扭曲結(jié)構(gòu)模型，見圖2所示。雙扭曲模型是目前研究藍(lán)相液晶物理變化過程基本的微觀模型。此模型是對(duì)理想的藍(lán)相液晶建立的。從已有的微觀實(shí)驗(yàn)觀察可得，基本表現(xiàn)為疇結(jié)構(gòu)的變化及其邊界間的相互影響。其中BPI和BPII微觀結(jié)構(gòu)上，雙扭曲柱體交錯(cuò)排列形成一個(gè)個(gè)立方晶格單元。對(duì)應(yīng)藍(lán)相液晶BPI、BPII晶體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，圖3中(a)示意了具有雙扭曲結(jié)構(gòu)的圓柱，它構(gòu)成了藍(lán)相液晶結(jié)構(gòu)中的支架，（b）表示了對(duì)應(yīng)于BPI、BPII相的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，(c)示意了相應(yīng)的向錯(cuò)線。由于雙扭曲柱體結(jié)構(gòu)無法填滿晶格空間，立方結(jié)構(gòu)存在缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，因此理想的藍(lán)相液晶溫區(qū)很窄，不能實(shí)用。

　　圖4所示的是一種由kakuchi在文獻(xiàn)中提出的PSBPLC結(jié)構(gòu)的一種構(gòu)想，它形象地表示了聚合物在藍(lán)相液晶晶態(tài)結(jié)構(gòu)中所起的作用，即，使藍(lán)相液晶中存在的向錯(cuò)線更加穩(wěn)定，從而使藍(lán)相液晶的疇結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，這是導(dǎo)致PSBPLC在較寬穩(wěn)定范圍存在的根本原因。但隨著聚合物的添加，帶來的負(fù)面影響就是驅(qū)動(dòng)電壓增高，響應(yīng)時(shí)間變慢。而對(duì)于PSBPLC，聚合物添加后，宏觀上表現(xiàn)穩(wěn)定溫度范圍擴(kuò)大，但響應(yīng)時(shí)間變慢，相變電壓提高，液晶材料在電場(chǎng)中相變的微觀過程變得十分復(fù)雜?；陔p扭曲模型，結(jié)合液晶向錯(cuò)理論，以PSBPLC為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究聚合物網(wǎng)絡(luò)如何影響藍(lán)相液晶的相變過程，如何影響其物理參數(shù)的變化及響應(yīng)時(shí)間的變化等基本理論問題，是研究PSBPLC的微觀相變模型的思路。

　　1.2 克爾效應(yīng)

　　藍(lán)相液晶在不加電場(chǎng)情況下表現(xiàn)為各向同性，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子沿電場(chǎng)方向拉長(zhǎng)（對(duì)于正性液晶）或者垂直于電場(chǎng)方向拉長(zhǎng)（對(duì)于負(fù)性液晶），表現(xiàn)出各向異性。其特性宏觀上在低電場(chǎng)滿足克爾效應(yīng)：

　　Dnind=lKE2           (1)

　　其中，Dnind為場(chǎng)致雙折射，l為入射光波長(zhǎng)，E為外加電場(chǎng)，K為克爾系數(shù)。

　　隨著電場(chǎng)的提高，對(duì)于藍(lán)相液晶，Dn趨于飽和，達(dá)到液晶材料的飽和雙折射值Dnsat，因此，擴(kuò)展的克爾效應(yīng)模型被提出，如公式(2)所示。

　　Dnind=Dnsat{1-exp[-(E/Es)2]}                                       (2)

　　克爾系數(shù)K = Δnsat/(λES2)?？藸栂禂?shù)與波長(zhǎng)有依存關(guān)系，隨波長(zhǎng)增大而降低。K還與溫度變化相關(guān)，隨溫度升高而減小。同時(shí)，K還受到頻率的影響，隨著頻率增加而減小，文獻(xiàn)提出了K(f)滿足擴(kuò)展的Cole-Cole方程。

　　圖5為Yan.Li等人測(cè)出的PSBPLC液晶在不同電場(chǎng)下折射率的變化。可以看出在高場(chǎng)區(qū)場(chǎng)致雙折射有明顯的飽和趨勢(shì)，并且在低場(chǎng)、高場(chǎng)情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式的擬合得很好。

　　可以看出，藍(lán)相液晶的分子在克爾效應(yīng)下實(shí)現(xiàn)了各向同性與各向異性的轉(zhuǎn)變，并不依賴于傳統(tǒng)向列相液晶是依賴于取向?qū)拥玫揭恍┨囟ǖ姆肿优帕校@就形成了藍(lán)相液晶在制造時(shí)的優(yōu)勢(shì)，無需取向?qū)?，并?duì)盒厚微變不敏感，帶來制造工藝的便利。

　　2、藍(lán)相液晶微透鏡技術(shù)

　　由于藍(lán)相液晶具有短的相干長(zhǎng)度使響應(yīng)時(shí)間加快至亞毫秒級(jí)，使其不僅在液晶顯示技術(shù)方面，而且在光電子器件方面具有潛在的應(yīng)用空間。尤其，隨著3D技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自適應(yīng)液晶透鏡陣列的響應(yīng)速度有了進(jìn)一步的需求，采用快速響應(yīng)的藍(lán)相液晶用于透鏡陣列的研究成為一種方向。下面介紹幾種藍(lán)相液晶的透鏡技術(shù)。

　　2.1 圓孔電極的藍(lán)相液晶透鏡

　　Y.H.Lin在文獻(xiàn)提出了一種基于PSBPLC純相位調(diào)制的圓孔電極微透鏡陣列，具有偏振光無關(guān)、快速響應(yīng)的特點(diǎn)。由于入射光沿PSBPLC光軸傳播使光學(xué)相移是偏振光無關(guān)的，而克爾效應(yīng)形成的場(chǎng)致雙折射產(chǎn)生了電場(chǎng)控制的自適應(yīng)相移特性。圖6是圓孔電極藍(lán)相液晶透鏡結(jié)構(gòu)示意圖，圖中表示了在電場(chǎng)作用下的有效光學(xué)折射率橢球變化。PSBPLC放在兩片玻璃之間，上面玻璃基板內(nèi)表面光刻為Al膜的直徑為w的圓孔電極。下基板為ITO公共電極。當(dāng)V=0，有效光學(xué)折射率橢球?yàn)榍驙睿馕吨鈱W(xué)各向同性。當(dāng)施加電壓并超過閾值時(shí)，由于克爾效應(yīng)有效光學(xué)折射率橢球變長(zhǎng)，并且光軸方向平行于z軸。在圓孔中心及邊緣產(chǎn)生的不均勻電場(chǎng)，中心電壓逐步低于邊緣電壓，因此邊緣的有效光學(xué)折射率橢球變長(zhǎng)的程度強(qiáng)于中心，這樣的折射率空間分布使PSBPLC形成了類似于透鏡的相位輪廓，產(chǎn)生了偏振光無關(guān)的自適應(yīng)透鏡。

　　透鏡的焦距可用公式(3)表示，

　　其中，為邊緣電壓與中間電壓差產(chǎn)生的相位移，可表示為

　　可以看到，這種透鏡的焦距取決于圓孔直徑及中間與邊緣的相移量，對(duì)于微透鏡陣列，w一般在1mm左右，而對(duì)于PSBPLC，變化量較小，由于相移量較小使焦距較大，這對(duì)于微透鏡的短焦距應(yīng)用受到局限。

　　2.2 曲面電極的藍(lán)相液晶透鏡

　　圓孔電極藍(lán)相液晶微透鏡雖然實(shí)現(xiàn)了透鏡的基本功能，還存在一些需要改進(jìn)的地方，如由于折射率不能得到理想的透鏡形狀導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，由于圓孔邊緣較強(qiáng)的橫向場(chǎng)導(dǎo)致兩個(gè)正交的偏振光產(chǎn)生焦距分離的現(xiàn)象等。

　　Y.Li在文獻(xiàn)針對(duì)上述問題，提出了一種基于PSBPLC的曲面電極微透鏡陣列，同樣具有偏振光無關(guān)、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，并且改進(jìn)了透鏡特性。該透鏡是利用曲面電極和平板電極間產(chǎn)生的梯度電場(chǎng)，控制BPLC分子由克爾效應(yīng)產(chǎn)生的場(chǎng)致雙折射變化，從而獲得所需的透鏡相位陣面。通過優(yōu)化電極形狀設(shè)計(jì)，可以得到理想的拋物線相位陣面。圖7是曲面電極藍(lán)相液晶透鏡結(jié)構(gòu)示意圖，上基板呈微透鏡狀，在上基板內(nèi)表面鍍有ITO電極，并且填充有聚合物，PSBPLC在聚合物及平面下基板玻璃之間。當(dāng)V=0，PSBPLC分子有效光學(xué)折射率橢球呈球狀，即光學(xué)各向同性。當(dāng)施加電壓并超過閾值時(shí)，在克爾效應(yīng)作用下，PSBPLC分子有效光學(xué)折射率橢球變長(zhǎng)，且光軸方向平行于z軸。由于上基板微透鏡中心部分存在較多的聚合物，產(chǎn)生較大壓降，故電場(chǎng)強(qiáng)度從邊緣向中心遞減，因此邊緣的有效光學(xué)折射率橢球變長(zhǎng)的程度強(qiáng)于中心，這樣的折射率空間分布使PSBPLC形成了類似于透鏡的相位輪廓，產(chǎn)生了偏振光無關(guān)的自適應(yīng)透鏡。通過設(shè)計(jì)上基板曲面電極形狀，為凸透鏡狀，凹透鏡狀或者埃菲爾鐵塔狀，可以得到不同的凹凸透鏡，并且可以優(yōu)化得到理想的拋物線狀相位分布如圖8所示。

　　圖8顯示，通過對(duì)曲面電極形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以改善TE、TM的透鏡相位輪廓，從而改善焦距分離的現(xiàn)象。

　　2.3 多電極的藍(lán)相液晶透鏡

　　文獻(xiàn)采用曲面電極對(duì)透鏡性能有所改善，但在制備工藝上難度較大。為了獲得更理想的拋物線相位陣面，同時(shí)可以采用平面電極的工藝，Chao-Te Lee在文獻(xiàn)中提出了多電極控制的藍(lán)相液晶透鏡。該結(jié)構(gòu)液晶透鏡同樣具有偏振無關(guān)，快速響應(yīng)及相位陣面為理想拋物線狀等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖9所示。PSBPLC位于上下玻璃基板之間，上基板電極上覆蓋有高介電常數(shù)的介質(zhì)層，用來平滑垂直方向的電場(chǎng)分布情況。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)各電極尺寸及驅(qū)動(dòng)電壓分布，可以得到近似理想的拋物線相位分布。

　　2.4 模式控制的藍(lán)相液晶透鏡

　　多電極的藍(lán)相液晶透鏡為實(shí)現(xiàn)理想透鏡相位輪廓分布，必須對(duì)多電極尋址，并且需要制備高介電常數(shù)的介質(zhì)層，以克服不同偏振光對(duì)焦距特性的影響。Y.Li在文獻(xiàn)中提出了利用電阻膜的模式控制藍(lán)相液晶柱透鏡，利用低場(chǎng)區(qū)的線性克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)單一電極尋址即可獲得透鏡相位的輪廓分布。