【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性反應(yīng)的是液晶的導(dǎo)電性。 液晶 的連續(xù)體理論 連續(xù)體理論表明物質(zhì)的宏觀物理性質(zhì)可以通過(guò)構(gòu)成物質(zhì)的原子、分子的微觀狀態(tài)來(lái)描述。特別是在電磁學(xué)、彈性力學(xué)以及流體力學(xué)等方面使用該理論來(lái)解釋液晶的宏觀特性時(shí)，效果非常好。 液晶分子的排列主要受三個(gè) 力的作用：分子間作用力、外力以及界面力。實(shí)際應(yīng)用中，把通過(guò)施加外力改變分子排列狀態(tài)過(guò)程中的液晶看成一個(gè)在外力作用下會(huì)發(fā)生彈性形變的彈性連續(xù)體。 液晶內(nèi)部發(fā)生的彈性形變一般有三種基本形式（圖 22）：展曲 (splay)、扭曲(twist)和彎曲 (bend)。三種彈性形變的彈性常數(shù)各不相同，展曲彈性常數(shù)為 K11，扭曲彈性常數(shù)為 K22，彎曲彈性常數(shù)為 K33，或者總稱為彈性常數(shù)為 Kii。 (a) (b) (c) 圖 22 液晶相列彈性形變圖 (a)展曲 (b)彎曲 (c)扭曲 液晶的 電光 效應(yīng) 液晶的電光效應(yīng)是指液晶的光學(xué)特性會(huì)在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生改變。 液晶 分子具有液體的流動(dòng)性，即沒(méi)有固定的排列，能夠自由移動(dòng)。液晶分子又具有電導(dǎo)各向異性和介電各向異性的電學(xué)特性，因而液晶分子的排列狀態(tài)會(huì)隨著外電場(chǎng)發(fā)生變化。又因?yàn)橐壕Х肿泳哂懈飨虍愋缘墓鈱W(xué)特性，因而整個(gè)液晶盒的光學(xué)效應(yīng)也會(huì)隨著外電場(chǎng)發(fā)生改變。液 晶分子的雙折射特性，使得液晶盒顯現(xiàn)出許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，如光散射、光干涉和旋光等 [11]。 液晶的電光效包括動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)、電控雙折射效應(yīng)、扭曲效應(yīng)、賓主效應(yīng)、熱7 光學(xué)效應(yīng)等等。本文討論的空間光調(diào)制器主要利用了電光效應(yīng)中的電控雙折射效應(yīng)，即在電場(chǎng)作用下液晶指向矢方向會(huì)發(fā)生變化的效應(yīng)。 (1) 動(dòng)態(tài)散射效應(yīng) 動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)是指當(dāng)施加在液晶盒上的交變電場(chǎng)有一定的強(qiáng)度并且頻率比較小時(shí)，液晶分子的運(yùn)動(dòng)會(huì)變得紊亂，從而使得各處折射率隨時(shí)間發(fā)生變化，入射光發(fā)生散射的現(xiàn)象。撤除外電場(chǎng)時(shí)，某些液晶的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)不會(huì)立刻消失，而是 會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，這種現(xiàn)象被稱為具有記憶功能。在低溫的條件下記憶功能的持續(xù)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，甚至可持續(xù)幾個(gè)月，因此動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)多應(yīng)用于液晶顯示和存儲(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用中，加一個(gè)臨界頻率的電場(chǎng)就可以擦除動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)的記憶 [12]。 (2) 液晶的雙折射 效應(yīng) 液晶可以視為一種單軸晶體，能對(duì)經(jīng)過(guò)它的光發(fā)生雙折射（如圖 23）， 這也是液晶對(duì)經(jīng)過(guò)它的光發(fā)生調(diào)制作用的原因。 (a) (b) (c) (d) 圖 23 射入液晶的光線的前進(jìn)方向 (a)垂直入射均勻介質(zhì) (b)垂直入射液晶 (c)垂直紙面的偏振光入射液晶 (d)平行紙面的偏振光入射液晶 液晶是光學(xué)各向異性的物質(zhì)， 分子軸平行 與 垂直 兩個(gè)方向上的折射率是不 同的，液晶分子軸即 是光軸。如圖 23(a)所示， 即使 是 折射率不同， 當(dāng)光線垂直射到 兩個(gè)均勻的各向同性介質(zhì)界面時(shí)，光線 的 傳播方向仍然 不會(huì)發(fā)生改變。如 圖 23(b)所示，光沿著光軸入射，光的傳播方向同樣不會(huì)改變。然而 對(duì)于如圖 23(c)與 (d)來(lái)說(shuō)就不僅要考慮液晶的各向異性，還要考慮到液晶分子軸與入 射光 偏振方向之間的夾角。圖 23(c)中 ，入射光 是 只含有偏振方向 與 紙面垂直 的偏振光。這時(shí)入射光的振動(dòng)方向垂直于光線、 光軸組成的平面 ，因而該光線是 o光即尋常光 ，遵守折反射定律，照直前進(jìn)。圖 23(d)表示 的是入射光只含有與 紙面 平行 的偏振光， 其振動(dòng)方向與光線、 光軸組成 的平面平行，是 e光 即非常光，這時(shí)的 光線有偏轉(zhuǎn)角。對(duì)液晶來(lái)說(shuō) ， 光線向分子軸方向偏折。這和液晶分子 垂直于界面，入射光沿某一角度入射 的情況相同。通常，入射光既含有圖 23(c)所示的偏振光方向，也含有圖 23(d)所示的偏振光8 方向。因此一束光入射時(shí)既產(chǎn)生 e光，也產(chǎn) 生 o光，即 是說(shuō)光在液晶中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙折射。 由于 液晶的雙折射特性，液晶分子在被施加電壓時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生電致雙折射效應(yīng)。當(dāng)施加一個(gè)電壓在液晶盒兩端時(shí)，液晶分子在電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生極化。此時(shí)極化的液晶分子會(huì)受到一個(gè)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，使得液晶分子不再是按照扭曲結(jié)構(gòu)排列，破壞分子原有的排列，結(jié)果會(huì)使液晶盒對(duì)入射偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。 一般來(lái)說(shuō)，在向列扭曲液晶盒兩端加上偏振方向互相垂直的偏振片，在不施加電壓的情況下，輸出光為零。在液晶盒兩端加上電壓，因?yàn)殡娭码p折射效應(yīng)，入射光穿過(guò)液晶 盒后變成橢圓偏振光岀射，因此有一部分光會(huì)通過(guò)檢偏器岀射。 外場(chǎng)的大小和液晶分子間、液晶分子與基片表面間作用力決定了分子長(zhǎng)軸的偏轉(zhuǎn)方向，其值在 0176。~90176。之間。使液晶盒開始產(chǎn)生電致雙折射效應(yīng)的閾值電壓約為2~4V。 由于液晶具有電致雙折射效應(yīng)，因而可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)調(diào)制液晶產(chǎn)生不同的相位。垂直入射光經(jīng)過(guò)液晶盒時(shí)產(chǎn)生的 e光和 o光之間的相位差可以由公式 ()與 ()得到： ? ? 0021 d ezd n d nd???? ??? ? ?????? () ? ? 022s in c o seeennn n? ???? ? () 其中的 θ是液晶指向矢和 z軸（所加電壓方向）之間的夾角角度，由于 θ角的大小和液晶兩端所施加的電壓有關(guān)，因此電控雙折射產(chǎn)生的相位調(diào)制也和液晶兩端所加電壓有關(guān)。 (3) 扭曲向列效應(yīng) 液晶 盒的結(jié)構(gòu)如圖 24所示，基片 B1和 B2經(jīng)過(guò)摩擦定向處理使得摩擦預(yù)定方向互相垂直，從而基片內(nèi)表面的液晶分子可以沿著預(yù)定的互相垂直的方向排列。在基片 B1前放置起偏 器 P，且使其透光軸方向平行于 B1上液晶分子的長(zhǎng)軸方向；在基片B2后放置起偏器 A，且使其透光軸方向垂直于 B2上液晶分子的長(zhǎng)軸方向。 如圖 24(a)所示，入射光自左垂直入射到不施加電壓的液晶盒時(shí)，在液晶盒內(nèi)，起偏器 P產(chǎn)生的線偏振光的偏振方向始終與液晶分子的長(zhǎng)軸方向平行。當(dāng)光波通過(guò)液晶盒后，其偏振方向?qū)?huì)旋轉(zhuǎn) 90176。,此時(shí)偏振方向垂直于檢偏器的偏振方向，光波恰好完全不能通過(guò)。如圖 24(b)所示，由于液晶分子的取向會(huì)受電場(chǎng)的影響，因此當(dāng)在液晶盒上施加一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，大多數(shù)的液晶分子的長(zhǎng)軸將沿著電場(chǎng)方向排列，9 這基 本不會(huì)影響到入射的線偏振光的偏振態(tài)，因此有一部分光可以完全通過(guò)檢偏器A。 (a) (b) 圖 24 液晶的扭曲 (a)液晶盒不加電壓時(shí) (b)液晶盒加電壓時(shí) (4) 相變效應(yīng) 相變效應(yīng)是指因磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用發(fā)生的膽甾相 — 向列相變的電光效應(yīng)。在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí) 膽甾型 液晶內(nèi)部呈現(xiàn)分子團(tuán)結(jié)構(gòu)，不同分子團(tuán)的排列方向是各不相同的，所以液晶總體呈現(xiàn)乳白色不透明狀態(tài)。當(dāng)施加一定值的外電場(chǎng)后，大部分分子會(huì)沿外場(chǎng)排列，分子團(tuán)排列不再 是原有的膽甾型，而是變成接近于垂直排列的向列型液晶，這時(shí)液晶盒時(shí)透明的 [13]。 (5) 賓主效應(yīng) 晶體會(huì)呈現(xiàn)出二向色的光學(xué)性質(zhì)，一些有機(jī)染料只在某一范圍的可見光中表現(xiàn)出二向色性，然而在其它的波長(zhǎng)范圍里，光波不是被全部吸收就是完全不被吸收，這與晶體光矢量的相對(duì)方位無(wú)關(guān)。另一些晶體，光矢量平行于分子長(zhǎng)軸時(shí)，吸收某波長(zhǎng)的光，與長(zhǎng)軸垂直時(shí)，吸收另外波長(zhǎng)的光。這類晶體的軸與光矢量位置的相對(duì)變化會(huì)導(dǎo)致岀射光彩的變化。 (6) 混合場(chǎng)效應(yīng) 混合場(chǎng)效應(yīng)，其實(shí)就是指電致雙折射效應(yīng) 與扭曲效應(yīng) 的結(jié)合。通過(guò) 是否施加電壓 控 制液晶器件的“開關(guān) ” 狀態(tài)。 空間光調(diào)制器的原理 空間光調(diào)制器含有很多排列成一維或二維陣列的獨(dú)立單元，各個(gè)單元都可以完全獨(dú)立地在電學(xué)信號(hào)或者光學(xué)信號(hào)的控制下，利用各種物理效應(yīng)（聲光效應(yīng)、泡克耳斯效應(yīng)、半導(dǎo)體的自電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、光折變效應(yīng)、克爾效應(yīng)等）來(lái)改變光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明在其上的光波進(jìn)行調(diào)制的目的。通常“像素”是指組成空間光調(diào)制器的獨(dú)立小單元，“寫入光”是指控制像素的信號(hào)，照明整個(gè)期間并被調(diào)制的輸出光波被稱為“讀出光”， “輸出光”則是指經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器后岀射的光波；10 形象的說(shuō)，空間光調(diào)制器可以看 做是一塊能夠按照需要快速調(diào)節(jié)透射率或其它光學(xué)參數(shù)分布的透明片，顯然，寫入信號(hào)應(yīng)含有控制調(diào)制器各個(gè)像素的信息，把這些信息分別傳送到相應(yīng)像素位置上去的過(guò)程，即被稱為“尋址” [14]。 最常見的空間光調(diào)制器是液晶光閥 (LCLV)，其原理圖如圖 25所示。 圖 25 液晶光閥原理圖 圖 25中， A和 F表示玻璃，在兩塊玻璃板內(nèi)側(cè)有透明電極，可以施加電壓； B層為液晶，左右兩側(cè)分別裝有經(jīng)過(guò)處理的隔絕層； C層是介質(zhì)鏡； D是光阻擋層； E是光導(dǎo)體，例如硫化鎘。在 寫入光強(qiáng)度較低時(shí) ，光導(dǎo)體的電阻很高，電壓幾乎都加在光 導(dǎo)層上，液晶層上電壓降很小。當(dāng)寫入光的光強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，光導(dǎo)體電阻急劇下降， 液晶層上電壓迅速增大，盒里的液晶分子在電場(chǎng)的作用下會(huì)逐漸沿電場(chǎng)方向排列 ， 軸向與表面垂直的方向偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)程度與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。 空間光調(diào)制器的 分類 空間光調(diào)制器一般按照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射型和透射型，而按照輸入控制信號(hào)的方式不同又可分為光尋址和電尋址（ 圖 26） 。 需要指出的是 ： (1) 光尋址 時(shí) 實(shí)際上是利用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)在空間光調(diào)制器的像素平面上將一個(gè)二維光強(qiáng)進(jìn)行分布成像，使調(diào)制器與寫入信號(hào)的像素在空間上一一對(duì)應(yīng)，以此 來(lái)實(shí)現(xiàn)尋址 。 光尋址是一種并行的尋址方式 ， 這種方式的特點(diǎn)是尋址速度最快，所有像素的尋址幾乎是同時(shí)完成的 ， 并且理論上來(lái)說(shuō)像素的大小只受尋址光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的限制 。 但是要防止寫入光和讀出光之間的串?dāng)_ ，一般是在 空間光調(diào)制器 做成反射式的，并且在中間添加一個(gè)隔離層， 也可以使用不同波長(zhǎng)的光，利用濾光片消除它們之間的串?dāng)_。 (2) 電尋址 時(shí) 像素是由一對(duì)相鄰的行電極和一對(duì)相鄰的列電極之間的區(qū)域構(gòu)成的 。電尋址是一種串行尋址方式， 如果在光信息處理鏈中有一個(gè)電尋址，一維串行處理將會(huì)代替二維并行串行處理，這樣一來(lái)處理速度會(huì)立即降下來(lái) 。 此 外， 由于縮小電極尺寸 有一個(gè)限度， 而 電尋址傳遞信息是通過(guò)條狀電極來(lái)完成的， 因此 像素尺寸也有限度，即有一個(gè)分辨率極限 。 由于電極本身不透明，因此像素的有效通光面積與像素總面11 積之比即開口率較低，光能利用率不高 [15]。 圖 26 空間調(diào)制器示意圖 (a)透射型電尋址 (b)反射型電尋址 (c)透射型光尋址 (d)反射型光尋址 電尋址液晶 空間光調(diào)制器 常見的電尋址液晶空間光調(diào)制器有兩種：一種是矩陣尋址式液晶光閥，另一種是電荷耦合器尋址式液晶光閥 。 CCD是一種陣列器件，內(nèi)部有許多 MOS結(jié)構(gòu)單元。每個(gè) MOS單元中存儲(chǔ)著一定的可以作為信息的電荷。在時(shí)鐘脈沖的控制下 MOS單元中的所有電荷可以整行轉(zhuǎn)移到相鄰單元中區(qū)，不斷重復(fù)就會(huì)形成電荷的面陣，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， CCD電路是一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，它可以實(shí)現(xiàn)串行輸入電壓信號(hào)到電荷面陣的轉(zhuǎn)變。 CCD通過(guò)改變電荷分布來(lái)改變電極電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的二維調(diào)制 [16]。 矩陣尋址液晶光閥的特點(diǎn)是液晶盒上的電極不是整個(gè)面分布的片狀電極而是柵狀電極，前后基片的柵條電極互相垂直，因而使得盒中的液晶呈矩陣排列結(jié)構(gòu)，通常將一個(gè)結(jié)構(gòu)單元看成一 個(gè)像素。這樣一來(lái)將適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)加在兩組柵條電極上，就可以分別控制每個(gè)像素的透過(guò)率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的調(diào)制。 除此之外還有采用性能較好的鐵電晶體制成的表面穩(wěn)定鐵電液晶光閥。這種液晶光閥對(duì)于一般的液晶光閥來(lái)說(shuō)有一個(gè)很大的突破，那就是響應(yīng)速度提高了很多，在室溫下，其響應(yīng)時(shí)間可縮短至 180ns，而且反差也有很大的改善，一般在室溫下可達(dá)到 1500： 1[17~19]。 S L M 寫入 （電）信號(hào) 讀出光 輸出光 S L M 寫入（電）信號(hào) 讀出光 輸出光 (a) (b) SLM 寫入光 輸出光 SLM (c) 寫入光 讀出光 輸出光 (d) 12 本章小結(jié) 本章從液晶的材料出發(fā)，介紹了液晶的各種光學(xué)特性，主要介紹了液晶的電光效應(yīng)，包括電控雙折射效應(yīng)、扭曲效應(yīng)、賓主效應(yīng)、動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)、混合場(chǎng)效應(yīng) 等等。然后簡(jiǎn)單介紹了液晶空間光調(diào)制器的原理和分類，對(duì)電尋址液晶空間光調(diào)制器的主要兩類也做了一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明。 兩種空間光調(diào)制器各有特點(diǎn)：光尋址空間調(diào)制器是并行尋址，電尋址空間光調(diào)制器則是串行尋址，就尋址速度而言，光尋址比電尋址的要快得多。 然而光尋址空間光調(diào)制器的像素大小主要是受光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的限制，如果成像系統(tǒng)分辨率不高，那么制成的空間光調(diào)制器成像就會(huì)比較模糊。電尋址傳遞信息則是由電極完成，雖然像素會(huì)受到電極尺寸的影響，但是和成像系統(tǒng)本身的分