具有可变电控光栅常数的液晶光栅

黄 翀 ，欧阳艳东

(汕头大学 理学院，广东 汕头515063)

1 引 言

近年来，利用液晶材料制作光电转换器件的技术发展较快，液晶光栅作为这类光电转换器件之一，在光学计算处理、三维图像显示、光束控制、光处理器、空间光通信等诸多领域倍受青睐，具有广泛的应用前景［1-6］。目前光栅器件的光栅常数不能变化，若用不同常数的光栅，就必须进行更换，这不但给工作带来很多不便，且易引进定位误差。例如，在用双光栅尺［7-8］测量不同精度的物体时，就需要更换不同常数的光栅，这不仅会影响测量精度，也给测量带来不便［9］。又如，视差栅栏式立体显示技术［1-2，10］是通过光栅来实现立体显示的奇列像素和偶列像素分别通过光栅进入左眼和右眼，再结合左眼和右眼图像形成景深，实现立体显示。但由于光栅常数的不可控，该技术只能限制在某个特定范围内观看，无法进行灵活调整，影响了立体显示的效果。

现有液晶光栅的电极条纹端部是直角状的，直角处的电荷分布比较密集，形成了很强的电场［3］，使得直角附近的液晶分子排列受到影响，会出现尖端放电现象以及更明显的边缘效应［4-5］，从而降低液晶光栅的性能。针对这个问题，本文设计一种光栅电极，提高了液晶光栅的质量。

2 光栅电极设计

液晶光栅的玻璃基板上的透明电极( ITO) 设计如图1 所示［11-12］，图1( a) 、( b) 分别为液晶光栅的上、下电极层，上、下电极层中间夹设着液晶，阴影部分刻有ITO 电极，每个条纹电极宽度相等，均为a，条纹状ITO 之间的空白部分间距亦相等，均为b，空白部分没有设置ITO 电极。如图所示，A、B 导电区均为梳状电极，两梳状电极相互交叉形成栅状电极。同样C、D 导电区两个梳状电极相互交叉形成栅状电极。上电极层和下电极层相互对应，呈镜像对称设计。

图1 新型液晶光栅电极图Fig.1 Schematic diagrams of electrodes of new type of liquid crystal grating

另一方面，如图1 所示，梳状电极端部为圆弧状，这种设计能够避免直角状设计所带来的尖端放电现象，降低了电场边缘效应，提高了液晶光栅的性能。

3 工作原理

该新型液晶光栅的工作原理如图2( a) 所示，系统采用双掷开关和交流电源，当双掷开关处于断开状态时，将图1 所示液晶光栅的上电极层A导电区和下电极层C 导电区接通交流电源VAC，液晶光栅的上电极层A 导电区和下电极层C 导电区之间形成电场，所夹设液晶层里的液晶分子的织构态和指向矢将发生改变。如图2( b) 所示:液晶光栅的上下偏振片是互相平行的，上电极层A 导电区和下电极层C 导电区之间没有形成电场的区域，液晶分子织构态和指向矢没有发生改变，垂直入射的光能够透过液晶光栅; 而上电极层A导电区和下电极层C 导电区之间形成了电场的区域，所夹设的液晶分子织构态和指向矢发生改变，则入射光不能通过。图2( a) 中白色区域为透光部分，宽度为b'，b'=3a，不透光部分的阴影区域宽度为a，该液晶光栅此时的光栅常数为d1，d1=a+b'=a+3a=4a。

图2 新型液晶光栅原理图Fig.2 Principle diagram of new type of liquid crystal grating

图3 电控常数可变的新型液晶光栅Fig.3 New type of liquid crystal grating with variable and electronically controlled constants

如图3( a) 所示，当双掷开关接通B、D 时，将图1 所示液晶光栅的上电极层A 导电区和下电极层C 导电区接通交流电源VAC，液晶光栅的上电极层B 导电区和下电极层D 导电区接通交流电源VBD，液晶光栅的上电极层A、B 导电区和下电极层C、D 导电区之间形成电场，所夹设液晶层里的液晶分子织构态和指向矢发生改变。如图3( b) 所示，液晶光栅的上下偏振片是互相平行的，在上电极层A、B 导电区和下电极层上C、D 导电区之间形成电场之外的液晶分子织构态和指向矢没有发生改变，垂直入射的光能够透过液晶光栅;而A、B 导电区和下电极层C、D 导电区之间形成电场的液晶分子织构态和指向矢发生改变，入射光将不能通过。图3( a) 中白色区域为透光部分，宽度为b，b=a，不透光部分的阴影区域宽度为a，则此时该液晶光栅的光栅常数为d2，d2=a+b=a+a=2a。

因此，当接通交流电源，双掷开关断开时，液晶光栅的光栅常数为4a，双掷开关接通B、D 时，液晶光栅的光栅常数为2a，这样就可以通过一个双掷开关控制液晶光栅上、下电极层中不同导电区的通断电来改变液晶光栅的光栅常数。

通过电路控制来改变液晶光栅的光栅常数是传统光栅所无法比拟的优点。以上只是在同一块光栅上实现了两种光栅常数的转换，下面对液晶光栅的电极进行重新设计以实现更多种光栅常数的转换。液晶光栅的上电极层和下电极层图形设计如图4 所示，把上、下电极层的每一条电极条纹分别引出，再设计一个控制电路进行独立的控制，就可以在同一块光栅上实现更多种光栅常数的转换。

图4 电控多种常数的新型液晶光栅电极设计图Fig.4 Schematic diagrams of electrodes in new type of liquid crystal grating with different electronically-controlled constants

4 测量与分析

采用波长为632.8 nm 的He-Ne 激光作为光源，同时对液晶光栅施加频率为100 Hz 的交流电，通过控制液晶光栅导电区，实现光栅常数的转变，并测出不同电压下不同光栅常数1 级光斑衍射光强的变化情况，如图5 所示。

图5 不同光栅常数液晶光栅1 级衍射光强比较Fig.5 The first order diffractive efficiency of liquid crystal grating with different grating constants

由图5 可知，在0 ～1.8 V 间，由于电压太低不足以驱动液晶分子的织构态发生变化，不同常数的液晶光栅的1 级衍射光强保持不变。在1.8 ～2.0 V 处光强减小，这是由于液晶光栅电极之间的间隔很小，外加电场作用时在电极的边缘处存在边缘效应，实际电场作用区域不同于电极覆盖区域，使液晶光栅占空比发生改变，液晶光栅衍射效率也发生相应改变，从而影响液晶光栅的相位差分布和衍射效率等特性。在2 ～4 V间，3种不同光栅常数的液晶光栅的1 级衍射光强逐渐增强，其中光栅常数为200 μm 的液晶光栅的光强最弱;光栅常数为66.7 μm 的液晶光栅的光强最强; 光栅常数为100 μm 的液晶光栅的光强处在中间。而且在2 ～3.4 V 间，3 种光栅常数的液晶光栅的1 级衍射光强的差值不断增大，这是因为随着电压的增大，液晶分子偏转越来越多，衍射效果越来越明显，这与设计预期目的相吻合，说明通过控制液晶光栅导电区的通断电，能够实现液晶光栅常数的转变。

5 结 论

本文设计的具有可变电控光栅常数的新型液晶光栅能在同一块液晶光栅上实现不同光栅常数的转换，既可以实现光栅常数的增加，又可以实现光栅常数的减少，一块液晶光栅可以起到多块光栅的作用，既节省了资源，也给工作带来了方便，使液晶光栅更广泛地应用于日常生活。当液晶光栅作为立体显示视差栅栏时，可电控改变视差栅栏光栅常数，进而扩大人眼观看立体显示的范围;在用于双光栅尺做高精度测量时，可以根据不同测量精度的需要自由切换光栅常数。此外，圆端梳状电极的设计，避免了直角状电极端产生的尖端放电现象，降低了电场边缘效应的影响，提高了光栅的质量。

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