液晶光阀的光学特性及应用

1.液晶结构

液晶是某些有机物质（例如芳香族、脂肪族、硬脂酸等）在一定条件下呈现的一种特殊的物质状态，其结构介于液体与固体之间，称为中间态或中间相，又叫液晶相（Liquid Crystal Phase）。液晶也存在于生物结构中，目前已发现或经人工合成的液晶有上千种之多。这类物质在温度升高时其相变过程是由固相变成液晶相，再到液相。换言之，存在一个相当宽的温度范围，使其处于固-液相之间的过渡状态（即液晶相）。这种在一定温度范围内呈现液晶相的物质称为热致液晶（Thermotropic Liquid Crystal）。还有一种液晶物质，将其溶解于水或有机溶剂中形成浓的溶液而进入液晶相，称为溶致液晶（Lyotropic Liquid Crystal）。溶致液晶与生物组织有关，研究其与活细胞的关系是当今生物物理学的热门课题。不过在空间光调制器应用中，大多使用热致液晶。

液晶分子具有细长的棒状结构，长度在几纳米量级，直径在零点几纳米量级，它们的分子排列介于完全规则的晶体和各向同性的液体之间，每个液晶分子的中心在液晶空间的分布是随机的，但分子的取向具有有序性，亦即长棒状分子的长轴方向在一定的温度范围内倾向于彼此平行，该方向n称为液晶分子的指向矢（Directed Vector）方向。按分子排列的有序性来区分液晶，大致可将其分为3类：层状（近晶型）液晶（Smectic Liquid Crystal）；丝状（向列型）液晶（Nematic Liquid Crystal）；螺旋状（胆甾型）液晶（Cholesteric Liquid Crystal）。这3种典型的液晶结构如图7.7.2所示。

图7.7.2　3种典型的液晶分子结构

其中近晶型液晶分子的排列，其指向矢n在较大范围内有很好的规律性，使其大体上呈层状排列，每层内的指向矢n相互平行，但分子中心在各层内是随机分布的，如图7.7.2（a）所示。向列型液晶分子的中心在整个体积内是随机分布的，不再分层，但所有分子指向矢的方向大体一致，如图7.7.2（b）所示。目前在SLM中应用最多的液晶正是向列型液晶，其指向矢的方向可以用外界条件来控制。胆甾型液晶分子也呈分层排列，每层内的分子指向矢大体一致，并平行于层面，但相邻层中分子指向矢的方向依次转过一个角度，它是近晶型液晶的一种扭曲形式，总体呈现螺旋状结构，如图7.7.2（c）所示。

综上所述，液晶具有双重性质，既具有液体的流动性、黏度和形变，又具有晶体所特有的各向异性。分子结构的各向异性必然导致电、磁、光、力学性质的各向异性。由于液晶分子之间的相互作用力远低于固体分子之间的相互作用力，所以液晶的各向异性在外场下会发生显著变化，这种变化远比各向异性晶体强烈。这一特性使我们可以把液晶作为调制介质，构成低耗能、低电压的空间光调制器。光寻址的液晶光阀就属于这类SLM。

2.液晶盒对分子指向矢的作用

在实际应用中，一般是把一薄层液晶注入两片玻璃片基中，构成液晶盒（Liquid Crystal Cell）。若用纤维性物质定向擦磨基片，即在玻璃片上以表面摩擦的形式施加应力，可使液晶分子的指向矢n顺着擦磨方向平行于基片排列。若此时相对的两基片上n的排列取向相互平行，称为沿面排列液晶盒；若在基片的表面涂一层特殊材料（如卵酸酯），可使n垂直于基面表面排列，这时称为垂面排列液晶盒。

如果在外部条件下液晶中各处的指向矢n偏离了它们在平衡状态下的方向，则称液晶发生了形变。液晶的形变包括3种类型：展曲、弯曲和扭曲。当把液晶盒的两个基片做成尖劈形时，沿面排列的液晶产生的展曲形变如图7.7.3（a）所示，而垂面排列的液晶产生的弯曲形变如图7.7.3（b）所示。如果把沿面排列的液晶盒的一个玻璃基片绕垂直于它表面的轴转过一个角度φ0（0＜φ0＜π），例如，使两块玻璃基片的擦磨方向正交，则贴近两块玻璃片的液晶分子的排列方向仍与该玻璃片上的擦磨方向一致，而中间的一些液晶分子的取向则会逐步地从平行于一块玻璃片的擦磨方向偏转到平行于另一块玻璃片的擦磨方向，于是出现如图7.7.4所示的扭曲形变。φ0称为扭曲角。这种扭曲形变是在玻璃基片对液晶长棒分子施加的扭力矩和长棒分子之间产生的回复力矩两者的共同作用下发生的，它使液晶盒中不同位置的分子取向转过不同的角度，这样的液晶盒称为扭曲排列向列液晶盒。

图7.7.3　向列液晶的两种形变示意图

图7.7.4　向列液晶扭曲形变（90°扭曲液晶盒）示意图

3.液晶的双折射(www.xing528.com)

液晶具有双折射性质，其介电常量和折射率表现出各向异性。常用ε∥和ε⊥分别表示沿液晶分子长轴方向和垂直于液晶分子长轴方向上的介电常量，ε∥＞ε⊥的液晶称为正性液晶或P型液晶；而ε∥＜ε⊥的液晶则称为负性液晶或N型液晶。多数液晶只有一个光轴，光波在液晶中沿光轴方向传播时不发生双折射。向列型液晶的分子长轴方向就是其光轴方向。实验表明：向列型液晶在光频范围内相当于一个正单轴晶体，其在平行于晶体长轴的偏振方向折射率较大（非常光折射率ne），而在所有垂直于长轴的偏振方向有较小的均匀折射率（寻常光折射率no），且其Δn=ne-no在0.1～0.3之间，随材料和温度不同而异。由此可见，液晶的双折射效应十分显著。近晶型液晶具有类似于负单轴晶体的光学特性（ne＜no）。胆甾型液晶的光轴垂直于层面而平行于螺旋轴，也具有负单轴晶体的光学特性。

4.光寻址液晶光阀

光寻址液晶光阀（Liquid Crystal Light Valve，LCLV）是一种利用液晶对偏振光的作用而制成的空间光调制器，是常用的非相干光-相干光图像转换器，其结构如图7.7.5所示。它是一个由多层薄膜材料组成的夹层结构，在两片玻璃衬底的里面是两层由铟-锡氧化物制成的透明电极，电极里面是硫化镉（CdS）光电导层（厚度为5～10μm）、碲化镉（Cd Te）光阻挡层、介质反射膜和液晶盒。向列液晶层作为光调制层，其厚度一般取d＜10μm，很多情况下仅为2μm。硫化镉（光电导层）为光敏材料，在无外界光写入时，其电阻率很高，而当外界光写入时，由于光电效应其电阻率急剧下降。光阻挡层的作用是阻挡左侧的写入光与右侧的读出光相互串扰。介质反射膜反射率达90%，用于反射读出光，使其两次通过液晶层形成出射光，同时还用作俩透明电极之间的绝缘体，以防止外加电源直流电流流过液晶层。两基片（又叫定向层）的取向互成45°夹角，液晶盒内表面的定向层使液晶分子在前后玻璃基片表面都沿面平行排列，因此没有外加电压时液晶分子有45°的扭曲^[1]。在器件的两个电极上加了音频交流电压（其频率值在1～10 k Hz，电压在5～10 V）。器件的面积可达50×50 mm2。这种器件要外接一个起偏器和检偏器，并让起偏器的透振方向与前表面的液晶分子排列方向平行，检偏器的透振方向则与起偏器的透振方向正交。

图7.7.5　硫化镉液晶光阀（LCLV）结构示意图

工作时将待处理的非相干图像从左侧成像在光电导层上，把它作为写入光。读出光束采用相干激光，经扩束准直后从右侧入射，经起偏器使其偏振方向与液晶右侧（前表面）分子指向矢方向一致。因此当其通过液晶层时，偏振方向跟随着液晶分子的扭曲方向转动，到达电介质反射镜时偏振方向转过了45°，反射之后光第二次通过液晶往回走，其偏振方向又一次跟随分子的排列方向，回到其原始状态。由于检偏器的透振方向垂直于起偏器的透振方向，故在没有写入光时产生一个均匀的暗场输入图像。如果有写入光加到此器件上，则在液晶层两侧会建立起一个空间变化的交流电场，不紧靠定向层的液晶分子的长轴开始沿场的方向排列，指向垂直于玻璃基片的方向，部分地倾斜越出横断面，从而产生双折射效应，其倾斜量与写入光强度成正比。双折射效应使非常光和寻常光通过液晶后产生位相差，从而使得线偏振的输入光转换成输出的椭圆偏振光，其椭圆度取决于外场（写入光）的强度。椭圆偏振光场有一个平行于输出检偏器方向的分量，因此有一些反射光通过检偏器。

加在两透明电极上的外电压，作用在液晶层、反射膜、光阻挡层和光电导层上。由于光阻挡层和反射膜都很薄，交流阻抗很小，外电压主要降落在光电导层和液晶层上。在无光写入（或对于写入图像的暗区）时，光电导层的电阻率很高，光阀上所加的电压几乎全部降在光电导层上，液晶层上的电场很小，不足以产生明显的双折射效应，也不能使液晶分子离开原来的扭曲状态，仍保持45°扭曲排列结构，则读出光在相应的暗区像素上基本没有受到调制作用，输出光几乎为0。反之，当有外界光写入（或对于写入图像的亮区）时，由于光电效应使光电导层的电阻率急剧下降，外加电压将穿过光电导层直接加到液晶层上，使液晶的光轴在外电压的作用下发生偏转（电光效应），从而产生双折射，使在液晶出射端的输出光变成椭圆偏振光。通过偏振分束板（常采用偏振分光棱镜），获得在检偏器上的透射分量，从而可观察到读出光的亮暗变化，实现光调制。由于液晶层和光电导层的电阻率相对较高，横向相邻点间的亮暗变化引起的电位变化不会相互影响，因此当写入光为一幅图像时，液晶层的读出光也会输出一幅图像，在写入图像亮度不同的区域，输出光强也不同。于是输出光的光强空间分布就按照写入光图像的空间分布来调制。通常写入光可以是非相干光（用非相干光写入可以避免相干噪声，获得较高的分辨率），而读出光则为相干光。于是它显然实现了非相干光-相干光图像转换功能。从检偏器输出的光信号直接进入相干光学处理系统做下一步处理。

液晶光阀的响应时间在数十毫秒左右，其分辨率可达30～100线对/毫米。它是一种光并行寻址器，不仅可以将非相干光图像转换成相干光图像，还可以提供图像增强功能，亦即可以将写入的非相干弱光图像用一个强的相干光源读出，还可以提供波长转换功能，例如，一幅红外的非相干光图像可以用来控制一个可见光波段器件的振幅透过率。因此，LCLV在光学信息处理、光计算和图像显示等领域获得了广泛的应用。

本章重点

1.图像相减和匹配滤波识别。

2.半色调网屏对图像的非线性处理。

3.光学微分处理过程。

4.空间光调制器。