液晶消色差偏振旋轉器

楊艷靈，張 弛，孫 巖，馬紅梅，孫玉寶

(河北工業(yè)大學 應用物理系，天津 300401)

1 引 言

利用偏振旋轉技術來控制光的偏振態(tài)在液晶顯示、偏振成像、光通信等[1-3]方面有著廣泛的應用，設計偏振旋轉器最簡單的方法就是用半波片來轉換線偏振光的方向，然而這種偏振旋轉器[4-7]的缺點是只能通過移動偏振器件來實現(xiàn)偏振光狀態(tài)的轉變。而液晶消色差偏振旋轉器具有電控制能力、響應時間快、帶寬寬、對比度高等優(yōu)點，可以達到消色差偏振旋轉器的基本要求。

目前為止，人們提出了許多關于偏振旋轉器的設計方法，文獻[8-9]中提出了由一個TN盒和兩個單軸補償膜組成的消色差偏振光開關，帶寬較寬，對比度較高，在400～700 nm范圍內透過率大于97.8%，但響應時間為35 ms，響應速度不夠快；文獻[10]提出由兩個均勻盒和一個TN盒組成的消色差偏振旋轉器，但帶寬不夠寬，并且只工作于不加電壓一種情況；文獻[11-12]提出的結構雖然可以達到較好的消色差效果，但在參數(shù)設置上比較復雜，變量較多。以上結構中使用的液晶層的相位延遲量都很大，從而在使用普通液晶材料時，液晶層厚度會很厚(通常大于5 μm)，5 μm厚的液晶盒響應時間是20～30 ms，再考慮到扭曲向列相液晶盒在響應過程中存在背流效應(Backflow effect)，所以這些結構的響應速度不夠快。針對之前人們提出的偏振旋轉器存在的問題，在本文中我們提出了一種由3個低扭曲液晶盒組成的消色差偏振旋轉器，在低扭曲液晶盒中不存在背流效應，并且3個液晶盒厚度都為2.5 μm，小于傳統(tǒng)盒厚的一半。不加電壓時漏光率較低，加電壓后透過率可以達到97.9%以上，并對這種結構偏振旋轉器的對比度和響應時間進行了模擬計算,在450～650 nm之間具有大于100的對比度，上升時間為0.174 ms,下降時間為6.316 ms，參數(shù)設置等相對簡單。這種偏振旋轉器可以在不移動偏振器件的情況下，通過改變對液晶盒施加的電壓來控制液晶指向矢分布從而達到控制偏振光方向的目的。液晶顯示的帶寬要求是可見光范圍內(400～700 nm)，對比度在50以上，本文提出的液晶消色差偏振旋轉器對比度能達到100以上，響應時間遠低于20 ms，因此符合液晶顯示等領域的應用需求。

2 基本原理

三層低扭曲液晶盒組成的偏振旋轉器結構，如圖1所示，入射偏振光的偏振方向與入射側的液晶分子取向方向相同，3個液晶盒中相鄰的界面處的液晶取向相同，液晶盒中的液晶旋轉方向相同。針對該液晶器件設置，使用瓊斯矩陣來表示偏振光的偏振狀態(tài)，Ein是光軸沿X方向的線偏振光，經過3個TN液晶盒之后，出射光的偏振狀態(tài)用Eout表示：

其中：MLC1，MLC2，MLC3分別表示3個TN液晶盒的瓊斯矩陣，φ1，φ2，φ3分別為3個扭曲向列相液晶盒的扭曲角，d、Δn、λ分別為液晶盒厚、液晶材料的雙折射率、入射光的波長。

3 模擬計算與分析

模擬計算中，采用的液晶材料的雙折射率為Δn=0.108(450 nm),0.1(550 nm)，0.095(650 nm)，介電各向異性為5.3，轉動粘滯系數(shù)為100 mPa·s，彈性常數(shù)分別為10.8，9.5，15.4 pN，液晶層厚度都為2.5 μm。設置3個液晶盒的扭曲角度為變量，總扭曲角度為90°，預傾角為2°，平行偏光片角度為0°，使用TechWiz LCD 1D軟件計算了由3個扭曲向列相液晶盒組成的偏振旋轉器的透光特性，得到3個液晶盒的扭曲情況分別為：φ1(90°～65°)，φ2(65°～20°)，φ3(20°～0°)時，該設置具有最好的偏振旋轉效應。如圖1所示，在平行偏光片情況下，左圖為不加電壓時液晶的排列情況，入射線偏振光經過3個TN液晶盒之后，偏振方向旋轉90°，光線不透過。右圖是施加電壓之后的液晶排列圖，液晶分子被驅動到垂直于基板平面排列，此時液晶的延遲量為0，入射偏振光的狀態(tài)不發(fā)生變化，由于偏振片平行放置，所以光線透過。

圖1 3-TN盒的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the 3-TNLC cell

圖2是透過率隨電壓的變化曲線，當施加電壓后，透過率逐漸增大，電壓在大于12 V時接近穩(wěn)定，因此在計算這種偏振旋轉器的消色差性能時,為了達到更好的效果，我們對每個TN液晶盒施加20 V的電壓。響應過程如圖3所示，上升時間約為0.174 ms,下降時間約為6.316 ms。

圖2 TN盒的電光特性Fig.2 Electro-optical characteristic of the TNLC

圖3 三個TN盒結構的偏振旋轉器的響應過程Fig.3 Response process of 3-TN LC

圖4分別為偏振旋轉器在驅動狀態(tài)和未驅動狀態(tài)下的透過率曲線。施加電壓后光線透過，透過率為97.9%～99.2%，如圖中紅線所示。在不加電壓時，透過率在可見光范圍內具有很低的漏光率，漏光率低于4.5%，尤其在450～650 nm之間，透過率小于0.01，如圖中黑線所示。在450～650 nm范圍內，具有大于100的對比度，如圖5所示，在485～625 nm范圍內，具有800以上的對比度。

圖4 3-TNLC結構的透過率(驅動&未驅動)Fig.4 Transmittance of the 3-TNLC (with and without driving)

圖5 3-TNLC結構的對比度與波長的關系Fig.5 Contrast ratio vs.wavelength of the 3-TNLC

作為對比，我們計算了一個普通TN液晶盒組成的消色差偏振旋轉器在不加電壓時的透過率，設置TN液晶盒的厚度為20 μm，預傾角設為2°，液晶材料的折射率與上述相同，使用TechWiz LCD 1D軟件模擬計算了它的透過率光譜。圖6是3個TNLC偏振旋轉器和一個TNLC旋轉器透過率的比較，從圖中可以看出，一個傳統(tǒng)的90°TNLC偏振旋轉器在不加電壓時的漏光率較高，且透過率波動比較大(圖中黑線)，而我們提出的這種結構具有較低的漏光率(圖中紅線)，在450～650 nm范圍內，透過率小于0.01，在可見光范圍內，透過率低于4.5%。

圖6 3-TN與一個TN液晶盒的透過率比較(未驅動)Fig.6 Transmittance of the 3-TNLC and 1-TNLC(undriving)

接下來計算了液晶盒厚對消色差性能的影響，圖7是不加電壓時，液晶盒厚為2.2～2.5 μm時的透過率，當液晶盒厚分別為2.2，2.3，2.4，2.5 μm時，透過率分別低于6%，4%，3.5%，4.5%，在480～600 nm之間，透過率都很小，當施加20 V的電壓后，液晶分子沿著平行于入射線偏振光的方向排列，此時光線透過，理想的透過率為1，由于液晶盒兩側有ITO薄膜，光經過薄膜表面會發(fā)生折射，因此實際透過率低于1。透過率光譜如圖8所示，當液晶盒厚分別為2.2，2.3，2.4，2.5 μm時，最低透過率分別為98.2%，98.1%，98%，97.9%，消色差效果較好。通過計算液晶盒厚度對消色差效果的影響，說明盒厚在一定范圍內變化時，透過率幾乎是不受影響的。

圖7 液晶盒厚對透過率的影響(未驅動)Fig.7 Effect of cell thickness on transmittance (undriving)

圖8 液晶盒厚對透過率的影響(驅動)Fig.8 Effect of cell thickness on transmittance (driving)

4 結 論

本文對由3個低扭曲液晶盒組成的消色差偏振旋轉器的消色差性能以及響應時間進行了模擬計算，不加電壓時可見光范圍內的透過率低于4.5%，在450～650 nm之間，透過率小于0.01，加電壓后的透過率在97.9%以上，在450～650 nm之間具有大于100的對比度，在485～625 nm之間具有800以上的對比度。3個TN盒結構的旋轉器與一個TN盒結構的旋轉器相比，具有漏光率低和響應速度快的優(yōu)點。這種消色差性能較好的液晶消色差偏振旋轉器在光通信中有著廣泛的應用。