●文/東南大學電子科學與工程學院顯示技術研究中心李青 嚴靜 崔勇揚
摘要：聚合物穩定藍相液晶具有響應速度達到亞毫秒量級，偏振光獨立及工藝無需取向工藝等特點，在顯示技術及光電子器件領域有潛在的巨大應用空間。本文論述了PSBPLC微觀相變模型、宏觀克爾效應等特性。在此基礎上，論述了藍相液晶微透鏡技術的發展。介紹了PSBPLC實現微透鏡陣列的主要結構，包括圓孔電極的藍相液晶透鏡；曲面電極的藍相液晶透鏡；多電極藍相液晶GRIN透鏡；模式控制的藍相液晶透鏡，以及采用ZnO納米棒為電極實現藍相液晶透鏡，對比了上述幾種透鏡的結構和特點。
引言
藍相液晶是介于液晶的各向同性相和膽甾相之間的狀態，宏觀上藍相態是各項同性的。根據結構的不同，藍相液晶又分為BPI、BPII、BPIII三種相態。宏觀上表現為藍相只能存在于很窄的溫度區間內，通常只有0.5—2K的存在范圍，長期以來沒有應用價值。直到2002年，Kikuchi等人提出了聚合物穩定的藍相液晶，使藍相液晶的存在溫度范圍擴大到包括室溫在內的60K范圍，從而具備了巨大的應用潛力。
藍相液晶的工作機理完全不同于傳統的向列相液晶器件。宏觀上說，藍相液晶的工作機理是基于克爾效應，不加電場時，藍相液晶是各向同性的；施加電場后，分子沿長軸方向變化，表現出物理特性的各向異性，而其分子的變化是在局部位置發生，因此，藍相液晶最大的優點是具有超快的響應時間，其響應時間可以達到亞毫秒量級。
藍相液晶在顯示技術領域已引起了巨大的沖擊，將對現有的LCD技術帶來革命性的變革，從而引起相關研究領域的高度重視。亞毫秒的快速響應特性使時序掃描技術實現彩色成為可能；無需取向層及對盒厚變化的不敏感性使顯示器件的制備技術更加簡單，成本進一步降低?？梢灶A期，這些特性也使藍相液晶在新型光電子器件研制中將產生極大競爭力，成為一種需要重點研究的液晶材料，雖然這些研究才剛剛起步。
藍相液晶在外電場作用下產生相位延遲特性，使其在微透鏡陣列方面應用成為可能，將藍相液晶應用于微透鏡技術公開的研究成果見于2010年。本文在綜述藍相液晶特性基礎上，將重點介紹藍相液晶在微透鏡技術的研究結果，并分析其特點。
1、聚合物穩定的藍相液晶
1.1 雙扭曲微觀物理模型
藍相液晶只有在波矢q0增加到一定值時才出現的一種液晶態，根據晶態結構不同分為BPI、BPII、BPIII三種相，見圖1，可以看出藍相液晶存在的溫度范圍很小，波矢較小時通常只看到隨溫度升高，膽甾相直接變成各向同性相，因此，藍相液晶是在一些特定條件下產生的一種液晶態。目前研究藍相液晶的基本模型是雙扭曲結構模型，見圖2所示。雙扭曲模型是目前研究藍相液晶物理變化過程基本的微觀模型。此模型是對理想的藍相液晶建立的。從已有的微觀實驗觀察可得，基本表現為疇結構的變化及其邊界間的相互影響。其中BPI和BPII微觀結構上，雙扭曲柱體交錯排列形成一個個立方晶格單元。對應藍相液晶BPI、BPII晶體結構示意圖如圖3所示，圖3中(a)示意了具有雙扭曲結構的圓柱，它構成了藍相液晶結構中的支架，（b）表示了對應于BPI、BPII相的晶態結構，(c)示意了相應的向錯線。由于雙扭曲柱體結構無法填滿晶格空間，立方結構存在缺陷，導致結構的不穩定，因此理想的藍相液晶溫區很窄，不能實用。
圖4所示的是一種由kakuchi在文獻中提出的PSBPLC結構的一種構想，它形象地表示了聚合物在藍相液晶晶態結構中所起的作用，即，使藍相液晶中存在的向錯線更加穩定，從而使藍相液晶的疇結構更加穩定，這是導致PSBPLC在較寬穩定范圍存在的根本原因。但隨著聚合物的添加，帶來的負面影響就是驅動電壓增高，響應時間變慢。而對于PSBPLC，聚合物添加后，宏觀上表現穩定溫度范圍擴大，但響應時間變慢，相變電壓提高，液晶材料在電場中相變的微觀過程變得十分復雜。基于雙扭曲模型，結合液晶向錯理論，以PSBPLC為研究對象，重點研究聚合物網絡如何影響藍相液晶的相變過程，如何影響其物理參數的變化及響應時間的變化等基本理論問題，是研究PSBPLC的微觀相變模型的思路。
1.2 克爾效應
藍相液晶在不加電場情況下表現為各向同性，當施加電場時，液晶分子沿電場方向拉長（對于正性液晶）或者垂直于電場方向拉長（對于負性液晶），表現出各向異性。其特性宏觀上在低電場滿足克爾效應：
Dnind=lKE2 (1)
其中，Dnind為場致雙折射，l為入射光波長，E為外加電場，K為克爾系數。
隨著電場的提高，對于藍相液晶，Dn趨于飽和，達到液晶材料的飽和雙折射值Dnsat，因此，擴展的克爾效應模型被提出，如公式(2)所示。
Dnind=Dnsat{1-exp[-(E/Es)2]} (2)
克爾系數K = Δnsat/(λES2)?？藸栂禂蹬c波長有依存關系，隨波長增大而降低。K還與溫度變化相關，隨溫度升高而減小。同時，K還受到頻率的影響，隨著頻率增加而減小，文獻提出了K(f)滿足擴展的Cole-Cole方程。
圖5為Yan.Li等人測出的PSBPLC液晶在不同電場下折射率的變化?？梢钥闯鲈诟邎鰠^場致雙折射有明顯的飽和趨勢，并且在低場、高場情況下實驗數據和公式的擬合得很好。
可以看出，藍相液晶的分子在克爾效應下實現了各向同性與各向異性的轉變，并不依賴于傳統向列相液晶是依賴于取向層得到一些特定的分子排列，這就形成了藍相液晶在制造時的優勢，無需取向層，并對盒厚微變不敏感，帶來制造工藝的便利。
2、藍相液晶微透鏡技術
由于藍相液晶具有短的相干長度使響應時間加快至亞毫秒級，使其不僅在液晶顯示技術方面，而且在光電子器件方面具有潛在的應用空間。尤其，隨著3D技術的發展，對自適應液晶透鏡陣列的響應速度有了進一步的需求，采用快速響應的藍相液晶用于透鏡陣列的研究成為一種方向。下面介紹幾種藍相液晶的透鏡技術。
2.1 圓孔電極的藍相液晶透鏡
Y.H.Lin在文獻提出了一種基于PSBPLC純相位調制的圓孔電極微透鏡陣列，具有偏振光無關、快速響應的特點。由于入射光沿PSBPLC光軸傳播使光學相移是偏振光無關的，而克爾效應形成的場致雙折射產生了電場控制的自適應相移特性。圖6是圓孔電極藍相液晶透鏡結構示意圖，圖中表示了在電場作用下的有效光學折射率橢球變化。PSBPLC放在兩片玻璃之間，上面玻璃基板內表面光刻為Al膜的直徑為w的圓孔電極。下基板為ITO公共電極。當V=0，有效光學折射率橢球為球狀，意味著光學各向同性。當施加電壓并超過閾值時，由于克爾效應有效光學折射率橢球變長，并且光軸方向平行于z軸。在圓孔中心及邊緣產生的不均勻電場，中心電壓逐步低于邊緣電壓，因此邊緣的有效光學折射率橢球變長的程度強于中心，這樣的折射率空間分布使PSBPLC形成了類似于透鏡的相位輪廓，產生了偏振光無關的自適應透鏡。
透鏡的焦距可用公式(3)表示，
其中，為邊緣電壓與中間電壓差產生的相位移，可表示為
可以看到，這種透鏡的焦距取決于圓孔直徑及中間與邊緣的相移量，對于微透鏡陣列，w一般在1mm左右，而對于PSBPLC，變化量較小，由于相移量較小使焦距較大，這對于微透鏡的短焦距應用受到局限。
2.2 曲面電極的藍相液晶透鏡
圓孔電極藍相液晶微透鏡雖然實現了透鏡的基本功能，還存在一些需要改進的地方，如由于折射率不能得到理想的透鏡形狀導致圖像質量下降，由于圓孔邊緣較強的橫向場導致兩個正交的偏振光產生焦距分離的現象等。
Y.Li在文獻針對上述問題，提出了一種基于PSBPLC的曲面電極微透鏡陣列，同樣具有偏振光無關、快速響應的特點，并且改進了透鏡特性。該透鏡是利用曲面電極和平板電極間產生的梯度電場，控制BPLC分子由克爾效應產生的場致雙折射變化，從而獲得所需的透鏡相位陣面。通過優化電極形狀設計，可以得到理想的拋物線相位陣面。圖7是曲面電極藍相液晶透鏡結構示意圖，上基板呈微透鏡狀，在上基板內表面鍍有ITO電極，并且填充有聚合物，PSBPLC在聚合物及平面下基板玻璃之間。當V=0，PSBPLC分子有效光學折射率橢球呈球狀，即光學各向同性。當施加電壓并超過閾值時，在克爾效應作用下，PSBPLC分子有效光學折射率橢球變長，且光軸方向平行于z軸。由于上基板微透鏡中心部分存在較多的聚合物，產生較大壓降，故電場強度從邊緣向中心遞減，因此邊緣的有效光學折射率橢球變長的程度強于中心，這樣的折射率空間分布使PSBPLC形成了類似于透鏡的相位輪廓，產生了偏振光無關的自適應透鏡。通過設計上基板曲面電極形狀，為凸透鏡狀，凹透鏡狀或者埃菲爾鐵塔狀，可以得到不同的凹凸透鏡，并且可以優化得到理想的拋物線狀相位分布如圖8所示。
圖8顯示，通過對曲面電極形狀的優化設計，可以改善TE、TM的透鏡相位輪廓，從而改善焦距分離的現象。
2.3 多電極的藍相液晶透鏡
文獻采用曲面電極對透鏡性能有所改善，但在制備工藝上難度較大。為了獲得更理想的拋物線相位陣面，同時可以采用平面電極的工藝，Chao-Te Lee在文獻中提出了多電極控制的藍相液晶透鏡。該結構液晶透鏡同樣具有偏振無關，快速響應及相位陣面為理想拋物線狀等特點。其結構如圖9所示。PSBPLC位于上下玻璃基板之間，上基板電極上覆蓋有高介電常數的介質層，用來平滑垂直方向的電場分布情況。通過優化設計各電極尺寸及驅動電壓分布，可以得到近似理想的拋物線相位分布。
2.4 模式控制的藍相液晶透鏡
多電極的藍相液晶透鏡為實現理想透鏡相位輪廓分布，必須對多電極尋址，并且需要制備高介電常數的介質層，以克服不同偏振光對焦距特性的影響。Y.Li在文獻中提出了利用電阻膜的模式控制藍相液晶柱透鏡，利用低場區的線性克爾效應實現單一電極尋址即可獲得透鏡相位的輪廓分布。
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