四路電壓驅(qū)動(dòng)液晶可變光闌的器件性能

周心晨，譚奇璞，李光勇，尹 伊，陳曉西

（電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611731）

1 引言

在成像實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，需要對(duì)成像光束限制，滿足像面和透鏡大小的要求。光闌是限制成像光束或成像范圍的光孔或框。在成像系統(tǒng)中按作用不同分為孔徑光闌、視場(chǎng)光闌、漸暈光闌和消雜光光闌，數(shù)值孔徑、分辨率和景深都與其有關(guān)［1］。在非成像領(lǐng)域中，環(huán)形光闌可用于高通空間濾波與減小熱流標(biāo)定系統(tǒng)的熱流源密度［2］，方形光闌可用于燈具主件中調(diào)節(jié)光斑形狀［3］，還有可減少小尺度自聚焦的軟邊光闌［4］等元件。隨著工業(yè)科技的發(fā)展，在攝影鏡頭、顯微鏡的照明等應(yīng)用中，需要用到可變光闌控制照明光束的寬度以改變成像面的照度、襯度來(lái)控制照明范圍，限制雜散光進(jìn)入成像空間，例如謝瓊碧等人研發(fā)了一款兩片式方形孔徑光闌結(jié)構(gòu)，為顯微鏡的應(yīng)用提供了更好的照明環(huán)境［5］?，F(xiàn)有的可變光闌機(jī)構(gòu)分為手動(dòng)式和電控式。手動(dòng)式可變光闌不便于控制光闌的開(kāi)啟速度，存在精度低、重復(fù)性差等問(wèn)題。傳統(tǒng)電控式可變光闌多采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、渦輪和蝸桿結(jié)構(gòu)，存在傳動(dòng)精度低、摩擦力大和壽命短等問(wèn)題［6］。Murade 等人在上下玻璃間填充不透明的油性液體與添加電場(chǎng)，通過(guò)改變電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率來(lái)改變油層直徑從而改變光通量這種電潤(rùn)濕的方法改進(jìn)了電控式可變光闌［7］。中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密器械研究所的趙懷學(xué)等人采用改變光闌結(jié)構(gòu)為雙弧形有效解決了圓形收縮光闌存在的最小光闌孔徑問(wèn)題［8］。Haan 等人則通過(guò)加裝熱驅(qū)動(dòng)器，以外加電壓控制金屬的熱膨脹和收縮來(lái)控制光闌的通光，改善電控式可變光闌［9］。液晶材料具有優(yōu)異的電光效應(yīng)，液晶分子在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。人們采用液晶材料設(shè)計(jì)和制備如光開(kāi)光、液晶可調(diào)波片、液晶透鏡等光學(xué)元件［10-14］。早在1986 年，Ooba 等人便提出了4 種電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)的具有扭曲向列效應(yīng)的液晶光闌［15］。

本文介紹了一種基于反平行排列液晶盒的可變光闌，通過(guò)四路電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)光闌大小、橢圓率和中心位置的改變。

2 液晶可變光闌結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 液晶可變光闌的結(jié)構(gòu)

圖1 為液晶可變光闌的俯視結(jié)構(gòu)圖，該器件由上偏振片、上玻璃基板、液晶層、下玻璃基板和下偏振片構(gòu)成。在每塊透明玻璃基板兩端鍍置條狀金屬或氧化銦錫（ITO）電極，其余部分鍍有方塊電阻為104～106Ω/mm2的高阻抗膜。兩塊透明基板垂直交疊排列形成具有矩形通光口徑的液晶可變光闌。如圖1 所示，上玻璃基板兩端電極為A 和B、下玻璃基板兩端電極為C 和D。通過(guò)改變4 個(gè)電極A、B、C、D 上的電壓V（Vi，fi，φi）來(lái)實(shí)現(xiàn)有效區(qū)域內(nèi)平均電場(chǎng)分布的改變，進(jìn)而控制液晶分子的排列分布，其中V為輸入電壓的幅值，f為輸入電壓的頻率，φi為輸入電壓的初相位。器件結(jié)構(gòu)截面圖如圖2 所示，由于采用負(fù)性液晶的垂面取向，在低電壓驅(qū)動(dòng)下，負(fù)性液晶使器件呈透過(guò)態(tài)。

圖1 液晶光闌俯視圖Fig.1 Top view of the liquid crystal diaphragm

圖2 液晶光闌結(jié)構(gòu)截面圖Fig.2 Cross section view of the liquid crystal diaphragm

2.2 液晶可變光闌的工作原理

液晶可變光闌通過(guò)在ITO 電極上施加函數(shù)電壓使阻抗膜間產(chǎn)生合適的平均電壓差分布，即液晶層內(nèi)產(chǎn)生合適的電場(chǎng)分布。液晶分子指向矢在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生特定偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)程度取決于施加電場(chǎng)的頻率電壓等參數(shù)。選用透過(guò)率高、穩(wěn)定性良好的摻鋁氧化鋅（AZO）導(dǎo)電薄膜為高阻層，采用射頻磁控濺射法在玻璃基板表面鍍膜。如圖3所示，位于器件中心的負(fù)性液晶在低于閾值電壓的電場(chǎng)作用下基本不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在這種狀態(tài)下，中心區(qū)域液晶分子對(duì)經(jīng)過(guò)檢偏器入射的線偏振光沒(méi)有明顯的調(diào)制作用，線偏光維持原有偏振態(tài)通過(guò)檢偏器，達(dá)到透光的效果。在高于閾值電壓的電場(chǎng)作用的區(qū)域，對(duì)入射線偏振光加入特定的相位延遲量，使線偏光的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，從而無(wú)法通過(guò)檢偏器，達(dá)到消光的效果。由此產(chǎn)生的可調(diào)光闌可以通過(guò)電極施加的電壓進(jìn)行調(diào)制。

圖3 光闌原理Fig.3 Diaphragm principle

同一基板兩電極之間的電壓分布如圖4 所示。光闌中心區(qū)域d達(dá)到閾值，維持入射線偏光偏振特性不變，其他區(qū)域偏振態(tài)被改變，液晶器件前后偏振片方向平行，從而使該區(qū)域光無(wú)法通過(guò)檢偏器，形成光闌效果。

圖4 電壓位置分布圖Fig.4 Voltage distribution diagram

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 液晶可變光闌電場(chǎng)仿真計(jì)算

通過(guò)控制幅值、相位和頻率3 個(gè)變量，分別控制液晶器件的4 個(gè)電極。根據(jù)液晶分子指向矢分布受電壓控制的特點(diǎn)，達(dá)到電控驅(qū)動(dòng)液晶光闌的目的。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)液晶光闌的圓形有效區(qū)域進(jìn)行仿真計(jì)算。如圖5 所示，建立歸一化坐標(biāo)系。有效區(qū)域中心處為坐標(biāo)原點(diǎn)，4 個(gè)電極對(duì)應(yīng)中心點(diǎn)A、B、C、D 的坐標(biāo)分別為（-1，0）、（1，0）、（0，-1）、（0，1）。

圖5 有效區(qū)域歸一化坐標(biāo)系Fig.5 Normalized coordinate system of the effective area

鍍有高阻膜的液晶器件上電壓近似呈線性分布，可以得到所取有效區(qū)域內(nèi)液晶層內(nèi)有效電壓為：

其中：Vupper和Vlower分別表示上基板和下基板的瞬時(shí)電壓。在保證積分時(shí)間T小于液晶響應(yīng)時(shí)間，并且同一基板兩電極所加電壓頻率相等，即f1=f2、f3=f4條件下進(jìn)一步化簡(jiǎn)，令上下基板頻率不相等，可以得到：

其中：φ21=φ2-φ1，φ43=φ4-φ3?？梢缘贸銎潆妶?chǎng)分布是橢圓分布，且由橢圓方程Ax2+By2+Cxy+Dx+Ey+F=0 可以得到該橢圓方程系數(shù)為：

橢圓方程對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)坐標(biāo)為：

將式（3）代入式（4）計(jì)算可得，有效區(qū)域電場(chǎng)的中心點(diǎn)坐標(biāo)表示為：

可以看出，當(dāng)V1=V2且V3=V4時(shí)，有x=y=0。此時(shí)，有效電場(chǎng)滿足中心位置條件。由式（2）可知，在保證有效電場(chǎng)中心位置條件的基礎(chǔ)上，當(dāng)x2和y2系數(shù)相等時(shí)，即可形成圓形分布電場(chǎng)，即：

簡(jiǎn)單滿足φ21=φ43=φ時(shí)，有4 個(gè)電極輸出幅值相等，且f1=f2≠f3=f4，V1=V2=V2=V4。仿真過(guò)程中默認(rèn)f1=f2=1 kHz，f3=f4=2 kHz，取V1=V2=V3=V4=5 V，φ=120°時(shí)，仿真結(jié)果如圖6 所示。選取的有效區(qū)域滿足中心電場(chǎng)分布，并且電場(chǎng)梯度分布呈良好的圓形分布。

圖6 液晶光闌圓形電場(chǎng)分布Fig.6 Circular electric field distribution of liquid crystal diaphragm

液晶器件有效區(qū)域光場(chǎng)分布的橢圓比由式（3）中系數(shù)A與B的比值決定，取V1=V2=5 V，V3=V4=10 V，根據(jù)式（2）得出均方根電壓Vrms電場(chǎng)分布為橢圓，由于低壓驅(qū)動(dòng)液晶器件橢圓特性比較復(fù)雜，在本文實(shí)驗(yàn)中不考慮橢圓中心偏移的情況，仿真結(jié)果如圖7 所示，形成了長(zhǎng)軸短軸比為2的橢圓中心電場(chǎng)分布。

圖7 液晶光闌橢圓電場(chǎng)分布Fig.7 Elliptical electric field distribution of liquid crystal diaphragm

根據(jù)式（5）可得，可以通過(guò)改變同一基板上兩電極初始相位差φ21和φ43以及電壓幅值來(lái)改變電場(chǎng)中心位置并實(shí)現(xiàn)預(yù)期橢圓比的分布。當(dāng)V1=5.7 V，V2=3.5 V，V3=5.4 V，V4=3.8 V，φ21=120°，φ43=108°，得到仿真結(jié)果如圖8（a）所示；當(dāng)V1=3.8 V，V2=5.4 V，V3=3.5 V，V4=5.7 V，φ21=108°，φ43=120°，得到仿真結(jié)果如圖8（b）所示；當(dāng)V1=V2=V3=V4=4.5 V，φ21=φ43=120°，得到仿真結(jié)果如圖8（c）所示，此時(shí)電場(chǎng)為中心圓形分布電場(chǎng)?？梢钥闯鲈陔妶?chǎng)梯度分布基本不改變的情況下達(dá)到了移動(dòng)中心的效果。

圖8 電場(chǎng)分布。（a）V1=5.7 V，V2=3.5 V，V3=5.4 V，V4=3.8 V；（b）V1=3.8 V，V2=5.4 V，V3=3.5 V，V4=5.7 V；（c）V1=V2=V3=V4=4.5 V。Fig.8 Electric field distribution.（a）V1=5.7 V，V2=3.5 V，V3=5.4 V，V4=3.8 V；（b）V1=3.8 V，V2=5.4 V，V3=3.5 V，V4=5.7 V；（c）V1=V2=V3=V4=4.5 V.

3.2 液晶可變光闌特性測(cè)量

測(cè)試系統(tǒng)光路示意圖如圖9 所示。測(cè)試系統(tǒng)由激光器出射532 nm 綠光經(jīng)過(guò)偏振片1 后轉(zhuǎn)化為線偏振光，由于液晶分子的雙折射特性，線偏振光通過(guò)液晶器件后，液晶器件將線偏光分解為o 光和e 光兩種成分，液晶只對(duì)e 光有調(diào)制作用。經(jīng)過(guò)檢偏器時(shí)，e 光經(jīng)過(guò)液晶的調(diào)制偏振態(tài)發(fā)生改變，o 光偏振態(tài)不改變，由圖像傳感器記錄。通過(guò)分析對(duì)比成像區(qū)域大小和形狀觀察光闌特性變化。

圖9 測(cè)試系統(tǒng)光路示意圖Fig.9 Test system optical path

根據(jù)式（3）得出的中心圓電場(chǎng)條件，使用圖9測(cè)試光路，在f1=f2=1 kHz，f3=f4=2 kHz 的條件下測(cè)量得出滿足中心位置條件的圓形光闌，如圖10（a）所示，由于測(cè)試光路中偏振片等器件的影響，產(chǎn)生了部分細(xì)微條紋，但基本實(shí)現(xiàn)了光闌圓形分布的功能。改變相鄰電極輸入電壓幅值，在長(zhǎng)短軸比為2 的條件下采集圖像如圖10（b）所示，基本實(shí)現(xiàn)了橢圓光闌的功能。

圖10 液晶光闌橢圓分布Fig.10 Elliptic distribution of liquid crystal diaphragm

3.3 液晶可變光闌光軸移動(dòng)測(cè)量

液晶器件可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電壓，在保持電場(chǎng)梯度變化的情況下，改變電場(chǎng)中心。若選取合適的驅(qū)動(dòng)參數(shù)讓液晶可變光闌正常工作，則可以通過(guò)電場(chǎng)移動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)光軸可調(diào)節(jié)的液晶光闌。由于液晶可調(diào)光闌橢圓分布特性較為復(fù)雜，本文只考慮圓形中心偏移的情況，如圖11 所示。

圖11 電場(chǎng)中心移動(dòng)Fig.11 Electric field center movement

根據(jù)式（5）計(jì)算4 個(gè)電極輸入電壓幅值和相位差改變時(shí)的電場(chǎng)中心移動(dòng)情況。通過(guò)圖9 所示的測(cè)試光路，得到器件電場(chǎng)中心移動(dòng)后的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。在電場(chǎng)平移的過(guò)程中，條紋沒(méi)有發(fā)生明顯的堆積或其他形狀變化。在有效區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)平移沒(méi)有使得器件電場(chǎng)梯度發(fā)生改變。

表1 電場(chǎng)移動(dòng)下的測(cè)試參數(shù)Tab.1 Test parameters of electric field movement

取r2=x2+y2，計(jì)算移動(dòng)后的中心位置距器件中心的距離與仿真結(jié)果對(duì)比，如圖12 所示，具體電壓參數(shù)條件見(jiàn)表1?？梢钥闯?，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果基本吻合，計(jì)算得到其平均誤差為3.33%，在電壓參數(shù)（a）的條件下的誤差較大可能是由于器件制作時(shí)實(shí)際中心與仿真中心的偏差導(dǎo)致。制作的四路低壓驅(qū)動(dòng)液晶光闌能夠?qū)崿F(xiàn)光闌中心發(fā)生預(yù)想中的移動(dòng)，對(duì)不同場(chǎng)景有更好的適用性。

圖12 仿真結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of simulation results

4 結(jié)論

本文根據(jù)更高效可變光闌的需求，設(shè)計(jì)了一種四路低壓驅(qū)動(dòng)鍍有方塊電阻范圍為104～106Ω/mm2的高阻膜的液晶可變光闌結(jié)構(gòu)，并通過(guò)數(shù)值仿真得出了器件的相位特性和不同驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)方法。實(shí)際測(cè)量結(jié)果證明：所制備的四路低壓驅(qū)動(dòng)液晶器件具有良好的可變光闌性能，能在f1=f2=1 kHz，f3=f4=2 kHz 的頻率下以4 V 電壓幅值驅(qū)動(dòng)為基準(zhǔn)，根據(jù)電壓幅值和相位差改變電場(chǎng)中心位置，移動(dòng)平均誤差為3.33%。