基于VA 液晶的激光掃描器件及響應(yīng)速度調(diào)制

劉紅均，邱成峰，劉召軍

（南方科技大學(xué) 電子與電氣工程系，廣東 深圳 518055）

1 引言

近年來，隨著自動駕駛、智能機器人、無人飛行器、掃地機器人等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對于周圍環(huán)境的三維感知變得越來越重要［1-2］。對于不同的環(huán)境感知手段，激光掃描是一項具有獨特之處的技術(shù)路徑。相較于其他的三維環(huán)境感知技術(shù)，激光掃描具有抗干擾性好、探測距離遠、更準確的三維深度感知等特點［1，3-4］。在目前市場中，由于成本因素、可靠性、技術(shù)成熟度等原因，以機械轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的激光掃描器件得到廣泛應(yīng)用。然而，受限于機械慣性，機械式的激光掃描最高掃描頻率受限。并且，此類器件無法快速實現(xiàn)小區(qū)域精細掃描［1，4］。因此，全固態(tài)或基于MEMS 鏡面陣列的半固態(tài)激光掃描器件成為了工業(yè)界和研究人員的重點關(guān)注方向［5-6］。

液晶由于其特殊的光電特性，在眾多光學(xué)器件中得到了應(yīng)用。R.Yuan 等人提出并演示了一種用于快速軌道角動量編碼和光學(xué)渦旋束偏轉(zhuǎn)的全液晶裝置。通過對施加到半波板的二進制信號進行編程，電光渦偏轉(zhuǎn)和32 種不同的軌道角動量編碼速度超過70 μs，總效率超過85%［7］。它為快速光學(xué)渦旋轉(zhuǎn)向和軌道角動量編碼提供了一種實用的策略。T.Wei等人通過精確控制各向異性液晶分子的空間變化方向，在均勻介質(zhì)中展示了各種漸變折射率波導(dǎo)［8］。通過液晶光刻圖形化制備了直線/彎曲波導(dǎo)和環(huán)形的諧振器。而在各種新興的激光掃描技術(shù)中，基于液晶的激光掃描技術(shù)具有體積小，成本低，掃描穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，因此成為研究的熱點。在H.Yang 等人的工作中，在硅基液晶（LCOS）器件上通過小至50 像素×50 像素的小方形相位圖案進行了二維光束控制，適用于波長選擇開關(guān)的應(yīng)用［9］。除此之外，液晶也廣泛應(yīng)用于空間光調(diào)制器中，實現(xiàn)了激光光束的偏轉(zhuǎn)［10］。但是液晶分子的偏轉(zhuǎn)速度限制了其在激光雷達中的廣泛應(yīng)用。針對這一問題，S.R.Davis 等人展示了基于液晶的激光掃描器件的工作機理和器件的掃描效果。在此器件中，液晶層夾在上下兩個基底中，上基底是帶有鋸齒狀圖形排列的ITO 電極的玻璃。下基底是在重摻雜的硅基底上（下電極）依次鍍上低折射率的間隔層SiO2和高折射率的核心層SiN 薄膜。液晶層、核心層和間隔層共同組成波導(dǎo)層，準直激光束被耦合到此波導(dǎo)層中且主要在核心層中傳輸，綜合折射率受液晶層的調(diào)控［11-12］。由于液晶分子的折射率可調(diào)諧的特性，結(jié)合ITO 電極上的鋸齒狀電極圖案，波導(dǎo)層中的激光在傳播時可以根據(jù)施加在液晶上的電壓實現(xiàn)傳播路徑的改變，從而實現(xiàn)激光的偏轉(zhuǎn)。盡管這類器件具有諸多優(yōu)勢，然而由于技術(shù)的敏感性和較高的實現(xiàn)難度，基于此原理的激光掃描器件在公開的報道中所獲信息有限［13-14］。因此其工作機制的可行性和原理有待驗證。

本文制備了具有垂直排列的液晶樣品，其上基底為具有鋸齒圖案ITO 電極的玻璃，下基底為完整的ITO 玻璃作為公共電極。通過引入間隔子，根據(jù)間隔子的大小，液晶層厚度被固定。將準直后的650 nm 偏振激光光斑對準液晶層并直接進行耦合，通過對鋸齒型電極施加電壓，不同電壓下出射光斑的偏轉(zhuǎn)角度得到了表征。隨著ITO 電極上的電壓的增大，激光的出射光斑的偏轉(zhuǎn)角度也逐步增加直至飽和。在僅僅通過2 個鋸齒形偏轉(zhuǎn)電極的情況下，激光光斑偏轉(zhuǎn)了約4°，驗證了此類工作器件的可行性。由于液晶分子的響應(yīng)時間對此類器件的掃描頻率具有極大的影響，我們對液晶分子的驅(qū)動方式進行了優(yōu)化。通過設(shè)置液晶層的偏置電壓，在不明顯犧牲折射率改變的情況下，液晶分子的響應(yīng)速度得到了明顯的提高。此工作對相關(guān)器件的后續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

2 實驗

2.1 液晶材料及光源

實驗中采用的液晶材料為Silichem 5J1131700-500 型號，液晶取向液采用Polyimide Alignment Agent，Thermal Fisher。激光光源采用北京敏光科技的650 nm 單模激光以及準直光斑為1 mm 的Thorlabs 光纖激光準直鏡TC06FC-633。

2.2 ITO 圖案化制備

光刻膠為蘇州瑞紅公司的RZJ304-10，旋涂3 000 r/min，烘烤110 ℃ 90 s；顯影液為蘇州瑞紅公司的RZX3038；ITO 電極采用北京北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司GSE200 plus ICP 干法刻蝕。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 器件制備與表征

通過曝光、濕法刻蝕以及液晶封裝等工藝，所制備的液晶器件及工作原理示意圖如圖1 所示。樣品的上下基底均為ITO 玻璃，用于施加電壓驅(qū)動液晶分子。如圖1（a）所示，上ITO 電極具有鋸齒狀且相互獨立的兩個電極區(qū)域，鋸齒數(shù)量為2～3 個，頂角的角度為20°。為便于測試與驗證，整塊ITO 電極的尺寸約為25 mm×40 mm。為便于連接外部電源，將上下ITO 電極進行一定的錯位，橫截面如圖1（a）所示。準直后的650 nm 單模偏振（TE 偏振，即水平方向偏振）激光從器件左端對準于液晶層且與液晶盒的平面方向平行，使激光耦合進入液晶層中，從右端出射。由于頂部圖形化的ITO 電極且部分區(qū)域施加了電壓，液晶分子旋轉(zhuǎn)，如圖1（b）所示。由于液晶分子長光軸排布方式的改變，黃色非工作區(qū)n1與藍色工作區(qū)n2相較于此偏振光，鋸齒形的電極下的液晶層呈現(xiàn)不同的綜合折射率no和ne（ne＞no），從而使激光在通過每個三角鋸齒區(qū)域時傳播方向被改變，最終在出射端實現(xiàn)激光方向的改變。而由于液晶的折射率隨電壓的增加，折射率可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，因此，出射端的激光光斑可以隨著電壓的增大實現(xiàn)連續(xù)的偏移直至達到飽和工作電壓。

圖1 （a）液晶樣品結(jié)構(gòu)示意圖；（b）工作原理示意圖。圖（b）中藍色區(qū)域為施加電壓區(qū)域，液晶的折射率由初始的no變?yōu)閚e（no＜ne）。Fig.1 （a） Schematic diagram of liquid crystal sample structure；（b） Schematic diagram of working principle. The blue area in Figure （b） represents the applied voltage area，and the refractive index of the liquid crystal changes from initial no to ne （no＜ne）.

為了便于數(shù)據(jù)的采集，在制備的器件中所設(shè)置的偏轉(zhuǎn)鋸齒數(shù)量為2 個且頂角均為20°。將no和ne分別設(shè)置為1.5 與1.75（實驗中所使用液晶材料的折射率變化），根據(jù)COMSOL Multiphysics 射線光學(xué)仿真，預(yù)估的偏轉(zhuǎn)角度為5°。在實際器件中，可以通過簡單的疊加鋸齒電極圖案并調(diào)整鋸齒角度的方式來實現(xiàn)所需的激光偏轉(zhuǎn)的最大范圍。由于液晶盒的出射端不平整，激光在出射端會出現(xiàn)一定的散射。為了對出射激光的偏轉(zhuǎn)角度進行精確測量，我們采用了高清CCD 相機拍照的方法。通過對出射端的拍照，后期采用圖像處理軟件對拍攝照片的灰度值進行比較，可以較準確地測得光斑在出射端的位移從而計算激光的偏轉(zhuǎn)角度。在把CCD 相機對焦好目標區(qū)域后，確定好放大倍數(shù)并對其進行尺寸標定。然后，對樣品施加低頻的交流工作電壓信號，如圖2（a）中0.5 Hz，V0=7 V，占空比50%的方波。在施加高電壓信號和低電壓信號時，依次拍照。

圖2 （a）圖片數(shù)據(jù)采集，高低電壓信號依次拍照；（b）黃色方框中灰度差值數(shù)據(jù)讀??；（c）灰度值沿X 軸的分布。Fig.2 （a） Collection of image data and photos of high and low voltage signals taken in sequence；（b） Reading of the grayscale difference data in the yellow box；（c） Distribution of grayscale values along the X-axis.

如圖2（b），通過選擇相鄰的一組照片，進行灰度值計算并獲得差值。然后，選擇目標區(qū)域框，將目標框里的灰度值沿著Y軸疊加，最終得到疊加后的灰度值在X軸上的分布，如圖2（c）所示。其中最大值和最小值之間的距離d0是光斑受液晶調(diào)控偏轉(zhuǎn)的距離?？紤]樣品液晶盒的長度為L，那么對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度，從而獲得液晶器件的激光偏轉(zhuǎn)角度。

3.2 激光光斑偏轉(zhuǎn)角度

在不同的電壓下，在保持交流低電壓（此處也定義為偏置電壓）為0 V 的情況下，逐步增加交流信號中的高電壓，從2.4 V 增至9.6 V，所整理的灰度值差值沿X軸的分布，如圖3 所示。在不同的高電壓信號下，其灰度值差的波谷位置幾乎沒有改變，即光斑在0 V 時，每次偏轉(zhuǎn)后都回到了原位置。初始位置在X軸上的位置約為4.8 mm，在灰度圖像中表現(xiàn)為黑色區(qū)域。當施加2.4 V 的工作電壓時，灰度差值的波峰出現(xiàn)在沿X軸約6 mm的坐標位置上。此波峰即表明光斑能量的偏移。將工作電壓提升至3.4 V 時，在波谷位置幾乎維持不變的情況下，其波峰的中心位置進一步向右偏移至約6.5 mm 處。隨著方波電壓信號增強至9.6 V，可以觀測到波峰的中心位置隨電壓的增大而偏離初始位置約2.5 mm。隨著電壓增加到液晶層的飽和工作電壓，波峰偏移量的增大也逐步放緩，直至進入一個穩(wěn)定平臺。

圖3 出射端光斑位置隨電壓的偏轉(zhuǎn)Fig.3 Deflection of the exit spot position with voltage

隨后，將不同電壓下所測得的光斑位移量換算成偏轉(zhuǎn)角度，與探測到的光斑的偏移位置整合在一起，可以得到如圖4 所示曲線。隨著施加電壓的增加其偏轉(zhuǎn)角度也逐漸增加，到5.5 V 左右，其偏轉(zhuǎn)角度基本達到飽和，最終其最大偏轉(zhuǎn)角度約為3.6°（朝一個方向的偏轉(zhuǎn)角）。所設(shè)計的鋸齒形電極由2～3 個頂角為20°的三角電極組成，其理論的偏轉(zhuǎn)角度約為5°（一個方向的偏轉(zhuǎn)）。這種與理論偏轉(zhuǎn)角度的差異符合預(yù)期，且這種差異來源于液晶分子在施加電壓前后的折射率差值并沒有到達理論值和液晶器件的尺寸計算所帶來的誤差。圖4 中的數(shù)據(jù)點為3 次不同測量下取的平均值，誤差條為平均值的標準差0.11。

圖4 出射端光斑偏轉(zhuǎn)角度隨電壓信號強度的變化Fig.4 Variation of the deflection angle of the light spot at the exit end with the intensity of the voltage signal

3.3 液晶分子驅(qū)動優(yōu)化

為了進一步優(yōu)化液晶分子的驅(qū)動速度，我們對其驅(qū)動方式進行了探索與優(yōu)化。首先，對其進行了透射光強隨電壓的測試，即將器件置于兩個偏振方向正交的偏振片中間，通過測試光強隨方波的變化來表征液晶分子的響應(yīng)速度。首先，將液晶盒（液晶層厚度約10 μm）的低電壓Vmin保持為4 V（接近此樣品的閾值電壓），逐步增大高電壓Vmax，其透過信號的強度也逐步增大。不同高電壓下的液晶盒響應(yīng)曲線如圖5（a）所示。由圖可見，其透過率隨高電壓的增加而提高，響應(yīng)時間τrise也較明顯地隨高電壓而縮短。通過進一步分析數(shù)據(jù)，可以得到透過率、響應(yīng)時間隨高電壓的變化曲線，如圖5（b）所示。圖5（b）中，透過的光信號隨電壓增加而增加，且在9.5 V之后趨于穩(wěn)定。響應(yīng)時間τrise隨高電壓的提高而快速下降，從約34 ms 下降至約3 ms。與此同時，響應(yīng)時間τoff隨高電壓的提高而有一定增加，從較低的電壓時的約10 ms 增加至高電壓時的約15 ms。綜合比較響應(yīng)時間τrise和τoff，高電壓信號下，液晶盒響應(yīng)時間更快，總的響應(yīng)時間約18 ms。

圖5 （a）液晶盒透過信號強度隨高電壓的響應(yīng)曲線；（b）透過信號強度，響應(yīng)時間隨高電壓Vmax 的變化曲線（無信號通過時，光電探測器信號為3.2 mV）。Fig.5 （a） Response curves of the signal intensity of the liquid crystal box with high voltage；（b） Change curves of response time with high voltage Vmax through signal strength （when there is no signal passing，the photodetector signal is 3.2 mV）.

為進一步提高液晶分子的響應(yīng)速度，可以考慮在施加電壓時，使液晶分子不完全偏轉(zhuǎn)，僅在最大響應(yīng)速度的區(qū)間進行驅(qū)動從而獲得更快的液晶響應(yīng)速度。為此，我們對器件的驅(qū)動信號采用不同的偏置電壓。如圖6 所示，在方波信號下，高壓信號為Vmax，低壓信號為Vmin，保持Vmax的值不變，提高偏置電壓Vmin。為便于敘述，在此將液晶分子的初始態(tài)相位定義為0°，工作時滿偏相位定義為90°。此時，我們所測試到的液晶盒響應(yīng)信號是液晶分子不完全偏轉(zhuǎn)（即不轉(zhuǎn)動90°）的情況下的透過率變化和響應(yīng)時間。

圖6 （a）不同偏置電壓的測試驅(qū)動信號；（b）保持高電壓信號Vmax不變，逐步提高偏置電壓Vmin的液晶盒響應(yīng)信號曲線；（c）對應(yīng)的透過信號強度變化（最大透過信號強度與最小透過之差），響應(yīng)時間隨高電壓變化曲線（無信號通過時，光電探測器信號為3.2 mV）。Fig.6 （a） Test drive signals with different bias voltages；（b） Maintain the high voltage signal Vmax unchanged and gradually increase the response signal curve of the LCD cell with a bias voltage Vmin；（c） Corresponding change in transmission signal strength（difference between maximum and minimum transmission signal strength），response time curve with high voltage （when there is no signal passing，the photodetector signal is 3.2 mV）.

測試中，固定高電壓信號為8.32 V 不變，同時逐步通過提高偏置電壓，提高低電壓Vmin，所測得的液晶盒響應(yīng)信號如圖6（a）所示。由圖6 可知，隨著低電壓的提高，其響應(yīng)速度，特別是τrise快速降低。與此同時，其透過率的變化（透過信號最大值與最小值之差）隨電壓的提高而減少，這對應(yīng)著液晶分子在此時的驅(qū)動電壓信號下，未實現(xiàn)液晶分子的滿偏（即相位轉(zhuǎn)動90°）。通過提取圖6（a）中的數(shù)據(jù)，可以得到如圖6（b）所示的變化曲線。由圖6（b）所知，其透過率的變化值隨Vmin的增加，先有輕微的上升，然后隨Vmin進一步提高而逐步降低，意味著，隨Vmin進一步提高，液晶分子的轉(zhuǎn)動幅度由90°降低，例如降低為45°。雖然，液晶分子的轉(zhuǎn)動幅度變小，即對應(yīng)的有效折射率變化減小，從響應(yīng)時間上看到，τrise隨Vmin提高而呈指數(shù)下降，從初始時的55 ms下降至2.5 ms。而對于τoff，其變化的趨勢與透過率變化的曲線相似，先是有輕微的上升，然后逐步下降至約6 ms。這些響應(yīng)時間的變化驗證了我們之前相關(guān)的理論分析，即液晶分子隨電壓信號在轉(zhuǎn)動90°時（滿偏轉(zhuǎn)），其透過率的變化是最大值，隨著對其驅(qū)動信號的調(diào)制，我們降低了液晶分子的轉(zhuǎn)動幅度，從而降低了透過率的變化值，降低了有效折射率的變化值。但是，由于轉(zhuǎn)動幅度變小，液晶分子所需的總體響應(yīng)時間從滿偏轉(zhuǎn)時的18 ms 降低至約8.5 ms。因此，可以將這種響應(yīng)時間與有效折射率變化值之間的平衡應(yīng)用在不同的場景下，通過電壓信號調(diào)制進行平衡，為之后的工作提供了新的思路與方法。

4 結(jié)論

本文首先在鋸齒形ITO 電極上制備垂直排列的液晶層。然后，將650 nm 的準直激光耦合進兩個ITO 電極之間的液晶層，通過調(diào)控液晶層的驅(qū)動電壓，成功驗證了激光在調(diào)制后的液晶層中光路可以實現(xiàn)連續(xù)的偏轉(zhuǎn)。在2 個鋸齒電極且頂角為20°的情況下，激光的出射光斑實現(xiàn)了約3.6°的偏轉(zhuǎn)，與理論上約5°的偏轉(zhuǎn)角度接近。在后續(xù)的實際應(yīng)用中只需堆疊鋸齒的個數(shù)并且調(diào)整頂角的角度，即可達到所需的偏轉(zhuǎn)角度。除此之外，為了進一步優(yōu)化器件中液晶分子的響應(yīng)時間，通過優(yōu)化偏置電壓的方式，在較少犧牲折射率差值的情況下，使液晶分子響應(yīng)所需的時間τrise隨Vmin提高而呈指數(shù)下降，從初始時的55 ms 下降至2.5 ms，τoff從原來的18 ms 縮短至8.5 ms，為液晶器件的快速響應(yīng)驅(qū)動提供了可行性的探究。