液晶電光特性簡(jiǎn)介

作為一種凝聚態(tài)物質(zhì)，液晶的特性與結(jié)構(gòu)介于固態(tài)晶體與各向同性液體之間，是有序性的流體。從宏觀物理性質(zhì)看，它既具有液體的流動(dòng)性、粘滯性，又具有晶體的各向異性，能像晶體一樣，產(chǎn)生雙折射、布拉格反射、衍射及旋光效應(yīng)，也能在外場(chǎng)作用下，產(chǎn)生熱光、電光或磁光效應(yīng)。現(xiàn)在，液晶技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，例如在空間光調(diào)制器應(yīng)用方面。

液晶的電光特性

液晶的雙折射現(xiàn)象

01

液晶的重要特性之一，就是像晶體那樣，因折射率的各向異性而發(fā)生雙折射現(xiàn)象。單軸晶體有兩個(gè)不同的主折射率，分別為o光折射率n0 ，e光折射率ne，因折射率的各向異性，導(dǎo)致液晶的雙折射性，從而呈現(xiàn)出許多有用的光學(xué)性質(zhì)。如能使入射光的前進(jìn)方向偏于分子長(zhǎng)軸方向，能夠改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)或方向，能使入射偏振光以左旋光或右旋光進(jìn)行反射或透射，這些光學(xué)性質(zhì)，都是液晶能作為顯示材料應(yīng)用的重要原因。

電控雙折射效應(yīng)

02

對(duì)液晶施加電場(chǎng)使液晶的排列方向發(fā)生變化，因此，按照一定的偏振方向入射的光，將在液晶中發(fā)生雙折射的現(xiàn)象。這一效應(yīng)說(shuō)明，液晶盒的光軸可以由外電場(chǎng)改變，光軸的傾斜隨電場(chǎng)的變化而變化，因而兩雙折射光束間的位相差也隨之變化，當(dāng)入射光為復(fù)色光時(shí)，出射光的顏色也隨之變化。因此液晶具有遠(yuǎn)比晶體靈活多變的電光性質(zhì)。

動(dòng)態(tài)散射

03

當(dāng)在液晶盒兩極上加電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，因電光效應(yīng)，液晶將產(chǎn)生不穩(wěn)定性，原來(lái)透明的液晶會(huì)出現(xiàn)一排排均勻的黑條紋，這些平行條紋彼此間隔數(shù)10微米，可以用作光柵。進(jìn)一步提高電壓，盒內(nèi)不穩(wěn)定性加強(qiáng)，出現(xiàn)湍流，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的光散射，透明的液晶變得混濁不透明了。斷電后，液晶又恢復(fù)透明狀態(tài)。這就是液晶的動(dòng)態(tài)散射。它是由于液晶性質(zhì)相反的介電性和導(dǎo)電性競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。如果其介電各向異性為負(fù)，在電場(chǎng)作用下要垂直于電場(chǎng)排列；若導(dǎo)電各向異性為正，則要沿著電場(chǎng)排列。在少量雜質(zhì)的參與下，就出現(xiàn)了復(fù)雜的不穩(wěn)定現(xiàn)象。液晶材料的動(dòng)態(tài)散射是制造顯示器件的重要依據(jù)。

動(dòng)態(tài)散射

04

在液晶盒中充入向列相液晶，把兩玻璃片繞與它們互相垂直的軸相對(duì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)90°角度，這樣向列相液晶的內(nèi)部就發(fā)生了扭曲，于是形成一個(gè)具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。在這樣的液晶盒前后放置起偏振片和檢偏振片，并使其偏振方向平行，在不施加電場(chǎng)時(shí)，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光軸順從液晶分子的扭曲而旋轉(zhuǎn)90°。因而光進(jìn)入檢偏片時(shí)，由于偏振光軸互相垂直，光不能通過(guò)檢偏片，液晶盒不透明，外視場(chǎng)呈暗態(tài)。增加外加電壓，超過(guò)某一電壓時(shí)，外視場(chǎng)呈亮態(tài)，由此可得黑底白像。若起偏片與檢偏片的偏振方向互相垂直，可得白底黑像。

動(dòng)態(tài)散射

05

將二向色性染料摻入液晶中，并均勻混合起來(lái)，處在液晶分子中的染料分子將順著液晶指向矢方向排列。在電壓為零時(shí)，染料分子與液晶分子均平行基片排列，對(duì)可見(jiàn)光有一吸收峰，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)，吸收峰值大為降低，使透射光的光譜發(fā)生變化?？梢?jiàn)，用外加電場(chǎng)就能改變液晶盒的顏色，從而實(shí)現(xiàn)彩色顯示。由于染料少，且以液晶方向?yàn)闇?zhǔn)，故為“賓”，液晶則為“主”，故得名“賓主”效應(yīng)。

液晶的應(yīng)用

隨著液晶空間光調(diào)制器的發(fā)展，它被應(yīng)用到了許多領(lǐng)域中，例如光學(xué)相關(guān)器，光學(xué)運(yùn)算，圖像處理，全息影像等等。

目前為止，液晶空間光調(diào)制器應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域仍然是顯示方面。利用液晶的光電效應(yīng)，即液晶分子的排列在電場(chǎng)的作用下發(fā)生變化，影響液晶單元的反射率或透光率，從而影響光學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生具有不同灰度層次及顏色的圖像。

光學(xué)相關(guān)運(yùn)算是光學(xué)信息處理中最重要的手段之一。光學(xué)相關(guān)器在機(jī)器人視覺(jué)、光學(xué)計(jì)算、目標(biāo)追蹤、物體檢測(cè)等諸多領(lǐng)域里有重要應(yīng)用。液晶空間光調(diào)制器就是實(shí)現(xiàn)光學(xué)相關(guān)器實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵元件。在光學(xué)信息處理中，由于相干光能夠攜帶的信息比非相干光更多，人們更偏向于使用相干光系統(tǒng)。光尋址空間光調(diào)制器通常被運(yùn)用于非相干光到相干光圖像的轉(zhuǎn)換輸入，以便對(duì)輸入光信息進(jìn)行相干處理。

液晶空間光調(diào)制器由于相位噪聲小、轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的圖像預(yù)處理中。由于物體的邊緣信息即高頻信息，常在識(shí)別過(guò)程中起著重要作用，因此，調(diào)整液晶空間光調(diào)制器的電壓或者工作頻率便可以輸入邊緣增強(qiáng)的圖像。復(fù)雜一點(diǎn)的圖像預(yù)處理如坐標(biāo)變換則通常需要電子系統(tǒng)來(lái)完成。人們?cè)兄七^(guò)一種采用對(duì)數(shù)掃描線路的電子束尋址空間光調(diào)制器，輸入圖像由電子硬件直接實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)變換。此外，在圖像處理中常用到的空間濾波器，可以通過(guò)使用電尋址液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)濾波函數(shù)的高速更換。

利用液晶空間光調(diào)制器生成計(jì)算全息圖，可以應(yīng)用于遠(yuǎn)場(chǎng)預(yù)想圖像的重現(xiàn)，動(dòng)態(tài)控制光束偏轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)光學(xué)全息就是通過(guò)光波的干涉和衍射實(shí)現(xiàn)的。由于這種技術(shù)保留了物光波的全部振幅和位相信息，人們?cè)谟^察全息三維圖像時(shí)就會(huì)得到與觀察原物時(shí)完全相同的視覺(jué)效果，獲得貫有的視覺(jué)深度暗示。計(jì)算全息就是利用計(jì)算機(jī)形成全息圖，通過(guò)空間光調(diào)制器或者液晶光閥顯示其全息圖，利用相干光照明重現(xiàn)預(yù)想的物圖像。計(jì)算機(jī)形成全息圖通常分為以下幾個(gè)步驟：讀圖、二維離散傅立葉變換、編碼。假如在編碼過(guò)程中選擇一定變換參數(shù)作為逆變換的密鑰，還可以實(shí)現(xiàn)加密存儲(chǔ)和傳輸。

液晶學(xué)已成為一門(mén)新興科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于當(dāng)代各個(gè)領(lǐng)域。此外，液晶顯示與同一時(shí)期迅速發(fā)展的大規(guī)模集成電路，微型電池及其他微型電子元件相匹配，更是如虎添翼。

中科微星作為國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，在空間光調(diào)制器硬件、軟件方面不斷研究開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，讓我們拭目以待。
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