液晶的電光特性及應(yīng)用

液晶電光特性簡介

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)，也能在外場作用下，產(chǎn)生熱光、電光或磁光效應(yīng)?，F(xiàn)在，液晶技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各個技術(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方向偏于分子長軸方向，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

對液晶施加電場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)說明，液晶盒的光軸可以由外電場改變，光軸的傾斜隨電場的變化而變化，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，出射光的顏色也隨之變化。因此液晶具有遠比晶體靈活多變的電光性質(zhì)。

動態(tài)散射

03

當(dāng)在液晶盒兩極上加電壓驅(qū)動時，因電光效應(yīng)，液晶將產(chǎn)生不穩(wěn)定性，原來透明的液晶會出現(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。進一步提高電壓，盒內(nèi)不穩(wěn)定性加強，出現(xiàn)湍流，從而產(chǎn)生強烈的光散射，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)電性競爭的結(jié)果。如果其介電各向異性為負，在電場作用下要垂直于電場排列；若導(dǎo)電各向異性為正，則要沿著電場排列。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。液晶材料的動態(tài)散射是制造顯示器件的重要依據(jù)。

動態(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扭轉(zhuǎn)一個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，在不施加電場時，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°。因而光進入檢偏片時，由于偏振光軸互相垂直，光不能通過檢偏片，液晶盒不透明，外視場呈暗態(tài)。增加外加電壓，超過某一電壓時，外視場呈亮態(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。

動態(tài)散射

05

將二向色性染料摻入液晶中，并均勻混合起來，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，染料分子與液晶分子均平行基片排列，對可見光有一吸收峰，當(dāng)電壓達到某一值時，吸收峰值大為降低，使透射光的光譜發(fā)生變化?？梢?，用外加電場就能改變液晶盒的顏色，從而實現(xiàn)彩色顯示。由于染料少，且以液晶方向為準(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)器在機器人視覺、光學(xué)計算、目標(biāo)追蹤、物體檢測等諸多領(lǐng)域里有重要應(yīng)用。液晶空間光調(diào)制器就是實現(xiàn)光學(xué)相關(guān)器實時處理的關(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)制器通常被運用于非相干光到相干光圖像的轉(zhuǎn)換輸入，以便對輸入光信息進行相干處理。

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，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，常在識別過程中起著重要作用，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的圖像。復(fù)雜一點的圖像預(yù)處理如坐標(biāo)變換則通常需要電子系統(tǒng)來完成。人們曾研制過一種采用對數(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，可以通過使用電尋址液晶空間光調(diào)制器實現(xiàn)濾波函數(shù)的高速更換。

利用液晶空間光調(diào)制器生成計算全息圖，可以應(yīng)用于遠場預(yù)想圖像的重現(xiàn)，動態(tài)控制光束偏轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)光學(xué)全息就是通過光波的干涉和衍射實現(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，人們在觀察全息三維圖像時就會得到與觀察原物時完全相同的視覺效果，獲得貫有的視覺深度暗示。計算全息就是利用計算機形成全息圖，通過空間光調(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。計算機形成全息圖通常分為以下幾個步驟：讀圖、二維離散傅立葉變換、編碼。假如在編碼過程中選擇一定變換參數(shù)作為逆變換的密鑰，還可以實現(xiàn)加密存儲和傳輸。

液晶學(xué)已成為一門新興科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于當(dāng)代各個領(lǐng)域。此外，液晶顯示與同一時期迅速發(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。

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