具有可變電控光柵常數的液晶光柵

黃 翀 ，歐陽艷東

(汕頭大學 理學院，廣東 汕頭515063)

1 引 言

近年來，利用液晶材料制作光電轉換器件的技術發展較快，液晶光柵作為這類光電轉換器件之一，在光學計算處理、三維圖像顯示、光束控制、光處理器、空間光通信等諸多領域倍受青睞，具有廣泛的應用前景［1-6］。目前光柵器件的光柵常數不能變化，若用不同常數的光柵，就必須進行更換，這不但給工作帶來很多不便，且易引進定位誤差。例如，在用雙光柵尺［7-8］測量不同精度的物體時，就需要更換不同常數的光柵，這不僅會影響測量精度，也給測量帶來不便［9］。又如，視差柵欄式立體顯示技術［1-2，10］是通過光柵來實現立體顯示的奇列像素和偶列像素分別通過光柵進入左眼和右眼，再結合左眼和右眼圖像形成景深，實現立體顯示。但由于光柵常數的不可控，該技術只能限制在某個特定范圍內觀看，無法進行靈活調整，影響了立體顯示的效果。

現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，形成了很強的電場［3］，使得直角附近的液晶分子排列受到影響，會出現尖端放電現象以及更明顯的邊緣效應［4-5］，從而降低液晶光柵的性能。針對這個問題，本文設計一種光柵電極，提高了液晶光柵的質量。

2 光柵電極設計

液晶光柵的玻璃基板上的透明電極( ITO) 設計如圖1 所示［11-12］，圖1( a) 、( b) 分別為液晶光柵的上、下電極層，上、下電極層中間夾設著液晶，陰影部分刻有ITO 電極，每個條紋電極寬度相等，均為a，條紋狀ITO 之間的空白部分間距亦相等，均為b，空白部分沒有設置ITO 電極。如圖所示，A、B 導電區均為梳狀電極，兩梳狀電極相互交叉形成柵狀電極。同樣C、D 導電區兩個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應，呈鏡像對稱設計。

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，這種設計能夠避免直角狀設計所帶來的尖端放電現象，降低了電場邊緣效應，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，系統采用雙擲開關和交流電源，當雙擲開關處于斷開狀態時，將圖1 所示液晶光柵的上電極層A導電區和下電極層C 導電區接通交流電源VAC，液晶光柵的上電極層A 導電區和下電極層C 導電區之間形成電場，所夾設液晶層里的液晶分子的織構態和指向矢將發生改變。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 導電區和下電極層C 導電區之間沒有形成電場的區域，液晶分子織構態和指向矢沒有發生改變，垂直入射的光能夠透過液晶光柵; 而上電極層A導電區和下電極層C 導電區之間形成了電場的區域，所夾設的液晶分子織構態和指向矢發生改變，則入射光不能通過。圖2( a) 中白色區域為透光部分，寬度為b'，b'=3a，不透光部分的陰影區域寬度為a，該液晶光柵此時的光柵常數為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，當雙擲開關接通B、D 時，將圖1 所示液晶光柵的上電極層A 導電區和下電極層C 導電區接通交流電源VAC，液晶光柵的上電極層B 導電區和下電極層D 導電區接通交流電源VBD，液晶光柵的上電極層A、B 導電區和下電極層C、D 導電區之間形成電場，所夾設液晶層里的液晶分子織構態和指向矢發生改變。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 導電區和下電極層上C、D 導電區之間形成電場之外的液晶分子織構態和指向矢沒有發生改變，垂直入射的光能夠透過液晶光柵;而A、B 導電區和下電極層C、D 導電區之間形成電場的液晶分子織構態和指向矢發生改變，入射光將不能通過。圖3( a) 中白色區域為透光部分，寬度為b，b=a，不透光部分的陰影區域寬度為a，則此時該液晶光柵的光柵常數為d2，d2=a+b=a+a=2a。

因此，當接通交流電源，雙擲開關斷開時，液晶光柵的光柵常數為4a，雙擲開關接通B、D 時，液晶光柵的光柵常數為2a，這樣就可以通過一個雙擲開關控制液晶光柵上、下電極層中不同導電區的通斷電來改變液晶光柵的光柵常數。

通過電路控制來改變液晶光柵的光柵常數是傳統光柵所無法比擬的優點。以上只是在同一塊光柵上實現了兩種光柵常數的轉換，下面對液晶光柵的電極進行重新設計以實現更多種光柵常數的轉換。液晶光柵的上電極層和下電極層圖形設計如圖4 所示，把上、下電極層的每一條電極條紋分別引出，再設計一個控制電路進行獨立的控制，就可以在同一塊光柵上實現更多種光柵常數的轉換。

圖4 電控多種常數的新型液晶光柵電極設計圖Fig.4 Schematic diagrams of electrodes in new type of liquid crystal grating with different electronically-controlled constants

4 測量與分析

采用波長為632.8 nm 的He-Ne 激光作為光源，同時對液晶光柵施加頻率為100 Hz 的交流電，通過控制液晶光柵導電區，實現光柵常數的轉變，并測出不同電壓下不同光柵常數1 級光斑衍射光強的變化情況，如圖5 所示。

圖5 不同光柵常數液晶光柵1 級衍射光強比較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動液晶分子的織構態發生變化，不同常數的液晶光柵的1 級衍射光強保持不變。在1.8 ～2.0 V 處光強減小，這是由于液晶光柵電極之間的間隔很小，外加電場作用時在電極的邊緣處存在邊緣效應，實際電場作用區域不同于電極覆蓋區域，使液晶光柵占空比發生改變，液晶光柵衍射效率也發生相應改變，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種不同光柵常數的液晶光柵的1 級衍射光強逐漸增強，其中光柵常數為200 μm 的液晶光柵的光強最弱;光柵常數為66.7 μm 的液晶光柵的光強最強; 光柵常數為100 μm 的液晶光柵的光強處在中間。而且在2 ～3.4 V 間，3 種光柵常數的液晶光柵的1 級衍射光強的差值不斷增大，這是因為隨著電壓的增大，液晶分子偏轉越來越多，衍射效果越來越明顯，這與設計預期目的相吻合，說明通過控制液晶光柵導電區的通斷電，能夠實現液晶光柵常數的轉變。

5 結 論

本文設計的具有可變電控光柵常數的新型液晶光柵能在同一塊液晶光柵上實現不同光柵常數的轉換，既可以實現光柵常數的增加，又可以實現光柵常數的減少，一塊液晶光柵可以起到多塊光柵的作用，既節省了資源，也給工作帶來了方便，使液晶光柵更廣泛地應用于日常生活。當液晶光柵作為立體顯示視差柵欄時，可電控改變視差柵欄光柵常數，進而擴大人眼觀看立體顯示的范圍;在用于雙光柵尺做高精度測量時，可以根據不同測量精度的需要自由切換光柵常數。此外，圓端梳狀電極的設計，避免了直角狀電極端產生的尖端放電現象，降低了電場邊緣效應的影響，提高了光柵的質量。

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