液晶消色差偏振旋转器

第３４卷㊀第１２期
２０１９年１２月㊀㊀
㊀㊀㊀
㊀㊀液晶与显示
㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y
s ㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．３４㊀N o ．１２㊀D e c ．２０１９
㊀㊀收稿日期:２０１９Ｇ０７Ｇ１８;修订日期:２０１９Ｇ０９Ｇ１５．
㊀㊀基金项目:国家重点研发计划(N o ．２０１８Y F B ０７０３７０１);国家自然科学基金(N o ．６１４７５０４２
)S u p p o r t e db y N a t i o n a lK e y R&D P r o g
r a m o fC h i n a (N o ．２０１８Y F B ０７０３７０１);N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c e F o u n d a t i o no fC h i n a (N o ．６１４７５０４２)．
㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :s u n _y u b a o ＠１６３．c o m
文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０１９)１２Ｇ１１３１Ｇ０５
液晶消色差偏振旋转器
杨艳灵,张㊀弛,孙㊀岩,马红梅,孙玉宝∗
(河北工业大学应用物理系,天津３００４０１)
摘要:液晶消色差偏振旋转器是一种可以改变入射偏振光状态的光学元件.为了在不移动偏振器件的情况下,实现偏振光在正交方向的转变,并在宽波段具有良好的消色差特性,本文提出了一种由３个低扭曲向列相液晶盒组成的消色差偏振旋转器,通过施加电压来控制液晶分子分布从而控制偏振光的状态.用T e c h W i zL C D１D 软件进行模拟,在不加电压和平行偏光片情况下,消色差偏振旋转器在４５０~６５０n m 范围内的漏光率小于０．０１,可见光范围内的漏光率低于４．５％,
与传统的一个扭曲向列相液晶盒组成的旋转器相比漏光率较低.施加电压之后,透过率可达到９７．９％以上,并且液晶盒厚度在２．２~２．５μm 之间变化时,消色差特性几乎不受影响,这种结构的消色差偏振旋转器的对比度较高,消色差性能良好,响应时间快,达到了偏振旋转器件的要求.关㊀键㊀词:消色差;透过率;偏振旋转;对比度;响应时间
中图分类号:T N ２７㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７８８/Y J Y X S ２０１９３４１２．１１３１
L i q u i d c r y
s t a l a c h r o m a t i c p o l a r i z a t i o n r o t a t o r Y A N G Y a n Ｇl i n g ,Z H A N GC h i ,S U N Y a n ,MA H o n g
Ｇm e i ,S U N Y u Ｇb a o ∗
(D e p a r t m e n t o f A p p l i e dP h y s i c s ,H e b e iU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,T i a n j i n ３００４０１,C h i n a )A b s t r a c t :L i q u i dc r y s t a l a c h r o m a t i c p o l a r i z a t i o nr o t a t o r i sa no p t i c a l e l e m e n tw h i c hc a nc h a n g
et h e s t a t e o f i n c i d e n t p o l a r i z e d l i g h t ．I no r d e r t o r e a l i z e t h e t r a n s f o r m a t i o no f p o l a r i z e d l i g h t i no r t h o g
o n a l d i r e c t i o na n dh a v e g o o d a c h r o m a t i c p e r f o r m a n c e i nw i d e b a n dw i t h o u tm o v i n gp o l a r i z i n g c o m p o n e n t s ,a na c h r o m a t i c p o l a r i z a t i o nr o t a t o rc o m p o s e do f t h r e e l o w Ｇt w i s t e dn e m a t i c l i q u i dc r y s t a l c e l l s i s p r o Ｇp o s e d t o c o n t r o l t h e d i s t r i b u t i o no f l i q u i d c r y s t a lm o l e c u l e s b y a p p l y i n g v o l t a g
e t o c o n t r o l t h e s t a t e o
f t h e p o l a r i z e d l i
g
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i z L C D１Ds o f t w a r e i s u s e d f o r s i m u l a t i o n ．I n t h e c a s e o f n o v o l t a g
e a n d p a r Ｇa l l e l p o l a r i z e r ,t h e l i g h t l e a k a g e r a t e o
f t h e c h r o m a t i c p o l a r i z a t i o n r o t a t o r i n t h e r a n
g e o f ４５０~６５０n m i s l e s s t
h a n０．０１,a n d t h e l
i g h t l e a k a g e r a t e i n t h e r a n g eo f v i s i b l e l i g h t i s l e s s t h a n４ ５％,w h i c h i s l o w e r t h a n t h a t o f t h e r o t a t o r c o m p o s e do f a t r a d i t i o n a l t w i s t e dn e m a t i c l i q u i dc r y
s t a l c e l l ．W h e n t h e v o l t a g e i s a p p l i e d ,t h e t r a n s m i t t a n c e c a n r e a c hm o r e t h a n ９７．９％,a n dw h e n t h e t h i c k n e s s o f t h e l i q u i d c r y s t a l c e l l c h a n g
e sb e t w e e n２．２~２．５μm ,t h ea c h r o m a t i cc h a r a c t e r i s t i c i sa l m o s tu n a
f f e c t e d ．T h i s s t r u c t u r e o f a c h r o m a t i c p o l a r i z a t i o n r o t a t o r h a s h i
g hr a t i o ,g
o o da c h r o m a t i c p e r f o r m a n c e a n d f a s t r e Ｇ. All Rights Reserved.
s p o n s e t i m ew h i c hm e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f p o l a r i z a t i o n r o t a t o r d e v i c e s．
K e y w o r d s:a c h r o m a t i c;t r a n s m i t t a n c e;p o l a r i z a t i o n r o t a t i o n;c o n t r a s t;r e s p o n s e t i m e
１㊀引㊀㊀言
㊀㊀利用偏振旋转技术来控制光的偏振态在液晶显示㊁偏振成像㊁光通信等[１Ｇ３]方面有着广泛的应用,设计偏振旋转器最简单的方法就是用半波片来转换线偏振光的方向,然而这种偏振旋转器[４Ｇ７]的缺点是只能通过移动偏振器件来实现偏振光状态的转变.而液晶消色差偏振旋转器具有电控制能力㊁响应时间快㊁带宽宽㊁对比度高等优点,可以达到消色差偏振旋转器的基本要求.
目前为止,人们提出了许多关于偏振旋转器的设计方法,文献[８Ｇ９]中提出了由一个T N盒和两个单轴补偿膜组成的消色差偏振光开关,带宽较宽,对比度较高,在４００~７００n m范围内透过率大于９７．８％,但响应时间为３５m s,响应速度不够快;文献[１０]提出由两个均匀盒和一个T N盒组成的消色差偏振旋转器,但带宽不够宽,并且只工作于不加电压一种情况;文献[１１Ｇ１２]提出的结构虽然可以达到较好的消色差效果,但在参数设置上比较复杂,变量较多.以上结构中使用的液晶层的相位延迟量都很大,从而在使用普通液晶材料时,液晶层厚度会很厚(通常大于５μm),５μm厚的液晶盒响应时间是２０~３０m s,再考虑到扭曲向列相液晶盒在响应过程中存在背流效应(B a c k f l o we f f e c t),所以这些结构的响应速度不够快.针对之前人们提出的偏振旋转器存在的问题,在本文中我们提出了一种由３个低扭曲液晶盒组成的消色差偏振旋转器,在低扭曲液晶盒中不存在背流效应,并且３个液晶盒厚度都为２．５μm,小于传统盒厚的一半.不加电压时漏光率较低,加电压后透过率可以达到９７．９％以上,并对这种结构偏振旋转器的对比度和响应时间进行了模拟计算,在４５０~６５０n m之间具有大于１００的对比度,上升时间为０．１７４m s,下降时间为６．３１６m s,参数设置等相对简单.这种偏振旋转器可以在不移动偏振器件的情况下,通过改变对液晶盒施加的电压来控制液晶指向矢分布从而达到控制偏振光方向的目的.液晶显示的带宽要求是可见光范围内(４００~７００n m),对比度在５０以上,本
文提出的液晶消色差偏振旋转器对比度能达到１００以上,响应时间远低于２０m s,因此符合液晶显示等领域的应用需求.
２㊀基本原理
三层低扭曲液晶盒组成的偏振旋转器结构,如图１所示,入射偏振光的偏振方向与入射侧的液晶分子取向方向相同,３个液晶盒中相邻的界面处的液晶取向相同,液晶盒中的液晶旋转方向相同.针对该液晶器件设置,使用琼斯矩阵来表示偏振光的偏振状态,E i n是光轴沿X方向的线偏振光,经过３个T N液晶盒之后,出射光的偏振状态用E o u t表示:
E o u t＝M L C１M L C２M L C３E i n
M L C１＝c o sφ１＋φ２＋φ３
()－s i nφ１＋φ２＋φ３
() s i nφ１＋φ２＋φ３
()c o sφ１＋φ２＋φ３
()é
ë
ê
ê
ù
û
ú
úc o s X１－i R２s i n X１X
１
φ１
s i n X１
X１
－φ１s i n X１X
１
c o s X１＋i R２s i n X１X
１é
ë
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
úú
, M L C２＝c o sφ２＋φ３
()－s i nφ２＋φ３
()
s i nφ２＋φ３
()c o sφ２＋φ３
()
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú, c o s X２－i R２s i n X２X
２
φ２
s i n X２
X２
－φ２s i n X２X
２
c o s X２＋i R２s i n X２X
２é
ë
ê
ê
ê
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ù
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ú
ú
ú
úú
,
M L C３＝c o sφ３－s i nφ３
s i nφ３c o sφ３
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú,
c o s X３－i R２s i n X３X
３
φ３
s i n X３
X３
－φ３s i nX３X
３
c o s X３＋i R２s i n X３X
３é
ë
ê
ê
ê
êê
ù
û
ú
ú
ú
úú
,
R＝
２πdΔn
λ㊀㊀,
X i＝
㊀
φi２＋R２æèçöø÷２㊀㊀,
E i n＝１０éëêêùûúú㊀㊀,
其中:M L C１,M L C２,M L C３分别表示３个T N液晶
２３１１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３４卷㊀. All Rights Reserved.
盒的琼斯矩阵,φ１,φ２,φ３分别为３个扭曲向列相液晶盒的扭曲角,d ㊁Δn ㊁λ分别为液晶盒厚㊁液晶材料的双折射率㊁入射光的波长.
３㊀模拟计算与分析
模拟计算中,采用的液晶材料的双折射率为
Δn ＝０．１０８４５０n m (),０．１５５０n m (),０．０９５(６５０n m ),介电各向异性为５．３,
转动粘滞系数为１００m P a s ,弹性常数分别为１０．８,９．５,１５．４p N ,液晶层厚度都为２．５μm .设置３个液晶盒的扭曲角度为变量,总扭曲角度为９０ʎ,预倾角为２ʎ,平行偏光片角度为０ʎ,使用T e c h W i zL C D１D 软件计算了由３个扭曲向列相液晶盒组成的偏振旋转器的透光特性,得到３个液晶盒的扭曲情况分别为:φ１(９０ʎ~６５ʎ),φ２(６５ʎ~２０ʎ),φ
３(２０ʎ~０ʎ)时,该设置具有最好的偏振旋转效应.如图１所示,在平行偏光片情况下,左图为不加电压时液晶的排列情况,入射线偏振光经过３个T N 液晶盒之后,偏振方向旋转９０ʎ,光线不透过.右图是施加电压之后的液晶排列图,液晶分子被驱动到垂直于基板平面排列,此时液晶的延迟量为０,入射偏振光的状态不发生变化,由于偏振片平行放置,
所以光线透过
.
图１㊀３ＧT N 盒的结构示意图
F i g ．１㊀S c h e m a t i c d i a g
r a mo f t h e ３ＧT N L Cc e l l 图２是透过率随电压的变化曲线,当施加电
压后,透过率逐渐增大,电压在大于１２V 时接近稳定,因此在计算这种偏振旋转器的消色差性能时,为了达到更好的效果,我们对每个T N 液晶盒施加２０V 的电压.响应过程如图３所示,上升时间约为０．１７４m s ,下降时间约为６．３１６m s
.图４分别为偏振旋转器在驱动状态和未驱动
状态下的透过率曲线.施加电压后光线透过,透过率为９７．９％~９９．２％,
如图中红线所示.在
不图２㊀T N 盒的电光特性
F i g ．２㊀E l e c t r o Ｇo p
t i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f t h eT N L
C 图３㊀三个T N 盒结构的偏振旋转器的响应过程
F i g ．３㊀R e s p
o n s e p r o c e s s o f ３ＧT NL C 图４㊀３ＧT N L C 结构的透过率(
驱动&未驱动)F i g
．４㊀T r a n s m i t t a n c e o ft h e ３ＧT N L C (w i t h a n d w i t h o u t d r i v i n g
)加电压时,透过率在可见光范围内具有很低的漏光率,漏光率低于４．５％,尤其在４５０~６５０n m 之间,透过率小于０．０１,如图中黑线所示.在４５０~
６５０n m 范围内,具有大于１００的对比度,
如图５所示,在４８５~６２５n m 范围内,具有８００以上的对比度.
作为对比,我们计算了一个普通T N 液晶盒３
３１１第１２期
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀杨艳灵,
等:液晶消色差偏振旋转器. All Rights Reserved.
组成的消色差偏振旋转器在不加电压时的透过率,设置T N 液晶盒的厚度为２０μm ,
预倾角设为２ʎ,液晶材料的折射率与上述相同,使用T e c h W i z L C D１D 软件模拟计算了它的透过率光谱.图６是３个T N L C 偏振旋转器和一个T N L C 旋转器透过率的比较,从图中可以看出,一个传统的９０ʎT N L C 偏振旋转器在不加电压时的漏光率较高,
且透过率波动比较大(图中黑线),而我们提出的这种结构具有较低的漏光率(图中红线),在４５０~６５０n m 范围内,透过率小于０．０１,
在可见光范围内,透过率低于４．５％.图５㊀３ＧT N L C 结构的对比度与波长的关系
F i g ．５㊀C o n t r a s t r a t i o v s ．w a v e l e n g
t ho f t h e ３ＧT N L
C 图６㊀３ＧT N 与一个T N 液晶盒的透过率比较(未驱动)F i g
．６㊀T r a n s m i t t a n c eo ft h e３ＧT N L Ca n d１ＧT N L C (u n d r i v i n g
)接下来计算了液晶盒厚对消色差性能的影响,图７是不加电压时,液晶盒厚为２．２~２．５μm 时的透过率,当液晶盒厚分别为２．２,２．３,２．４,２．５
μ
m 时,透过率分别低于６％,４％,３．５％,４．５％,在４８０~６００n m 之间,透过率都很小,当施加２０V
的电压后,液晶分子沿着平行于入射线偏振光的方向排列,此时光线透过,理想的透过率为１,由
于液晶盒两侧有I T O 薄膜,光经过薄膜表面会发生折射,因此实际透过率低于１.透过率光谱如图８所示,当液晶盒厚分别为２．２,２．３,２．４,２．５
μ
m 时,最低透过率分别为９８．２％,９８．１％,９８％,９７．９％,
消色差效果较好.通过计算液晶盒厚度对消色差效果的影响,说明盒厚在一定范围内变化时,透过率几乎是不受影响的
.
图７㊀液晶盒厚对透过率的影响(未驱动)
F i g
．７㊀E f f e c t o f c e l l t h i c k n e s so n t r a n s m i t t a n c e (u n Ｇd r i v i n g
)图８㊀液晶盒厚对透过率的影响(驱动)
F i g
．８㊀E f f e c t o fc e l lt h i c k n e s s o n t r a n s m i t t a n c e (d r i v i n g
)４㊀结㊀㊀论
本文对由３个低扭曲液晶盒组成的消色差偏
振旋转器的消色差性能以及响应时间进行了模拟计算,不加电压时可见光范围内的透过率低于
４ ５％,在４５０~６５０n m 之间,透过率小于０．０１,加电压后的透过率在９７．９％以上,在４５０~６５０n m 之间具有大于１００的对比度,在４８５~６２５n m 之间具有８００以上的对比度.３个T N 盒结构的４
３１１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀
第３４卷㊀
. All Rights Reserved.
旋转器与一个T N 盒结构的旋转器相比,具有漏光率低和响应速度快的优点.这种消色差性能较
好的液晶消色差偏振旋转器在光通信中有着广泛
的应用.
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g a f i l m Ｇc o m p e n s a t e d t w i s t e d n e m a t i c l i q u i d c r y s t a l c e l l [J ]．L i q u i dC r y s t a l s ,２００４,３１(４):５３５Ｇ５３９．[１０]㊀Z HU A N GZZ ,K I M YJ ,P A T E LJ S ．A c
h r o m a t
i c l i n e a r p o l a r i z a t i o n r o t a t o r u s i n g t w i s t e dn e m a t i c l i q u i d c r y s t a l s [J ]．A p p l i e dP h y
s i c sL e t t e r s ,２０００,７６(２６):３９９５Ｇ３９９７．[１１]㊀WU T X ,HU A N G Y H ,WU ST．D e s i g no p t i m i z a t i o no f b r o a d b a n d l i n e a r p o l a r i z a t i o nc o n v e r t e ru s i n g t w i s t e d n e m a t i c l i q u i d c r y s t a l [J ]．J a p a n e s eJ o u r n a l o f A p p l i e dP h y
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no fb r o a d b a n d l i n e a r p o l a r i z a t i o nc o n v e r t e r s /s w i t c h e s [J ]．J o u r n a l o f O p t i c sA :P u r e a n dA p p l i e dO p
t i c s ,２００５,７(１):４７Ｇ５０．作者简介
:
㊀
杨艳灵(１９９４－),女,河北衡水人,硕士研究生,２０１７年于邢台学院获得学士学位,主要从事液晶器件方面的研究.
E Ｇm a i l :５９７２６６４６７＠q q
．c o
m ㊀
孙玉宝(１９７５－),男,河北沧州人,教授,２０１０年于河北工业大学获得博士学位,主要从事液晶显示器件方面的研究.E Ｇm a i l :s u n _y u b a o ＠１６３．c o m
５
３１１第１２期
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀杨艳灵,
等:液晶消色差偏振旋转器. All Rights Reserved.。