菲涅尔液晶透镜的制备及偏光织构研究

黄 翀,邹 敏,欧阳艳东,吴永俊

(1.汕头大学物理系,广东 汕头,515063;2.汕头超声显示器有限公司,广东 汕头,515041)

0 引言

菲涅尔波带片FZP(Fresnel Zone Plate)是菲涅尔衍射的一个重要应用,它是一种多焦点的光学衍射器件,已广泛应用于远程通讯、天文观察、同步辐射等领域[1].与一般透镜相比,FZP没有球差和慧差等象差[2].菲涅尔波带透镜是具有离散相位台阶的多相位器件,可消除高衍射级次,使光尽可能地集中到一个主焦点上来,并具有透镜的性质,已广泛应用于光信息处理、毫米波器件、光互联、三维显示等领域[3-6].如果改变透镜材料的折射率,相应的焦距会随之一同改变[7].为制造焦距可变的菲涅尔波带透镜,需要物理特性可电控的材料[8].液晶是一种各向异性材料,通过施加低电压就可以显著地改变折射率,因此,液晶是制备电控可调光学器件的优良材料[9].将菲涅尔波带片和液晶材料结合,制备成菲涅尔液晶透镜,就可利用液晶的电光特性和低工作电压来实现电动变焦.

近年来,对菲涅尔液晶透镜的研究已引起国内外学者的极大兴趣[10-12].菲涅尔液晶透镜的传统制备方法有电子束直写法和薄膜沉积技术[13-14],但制造工艺复杂且衍射效率不可调.聚合物稳定液晶(PSLC)菲涅尔透镜与聚合物分散液晶(PDLC)菲涅尔透镜虽然

项目资助:国家自然科学基金资助项目(NO.60778032)工艺简单,但工作电压高[10-11].针对上述缺陷,本文提出了一种制备工艺简单、工作电压低的新型菲涅尔液晶透镜.将光刻掩膜版进行一次紫外曝光,得到了菲涅尔波带式电极,灌注TN型液晶并制备为样品.此外,对菲涅尔波带电极下液晶分子的微观变化鲜有报道.本文用XP-203E型偏光显微镜对其在不同外加电压下进行了观察.

1 基本原理

根据菲涅尔半波带理论,若用一屏把波面上奇数半波带或偶数半波带遮掉,只让偶数或奇数半波带透光,这屏就成为一菲涅尔波带片[2].如图1所示,(a)为只让奇数半波带透光,(b)为只让偶数半波带透光的菲涅尔波带片.从图1中可以看出,菲涅尔波带片是一组透光圆环和不透光圆环相隔组成的特殊光栅[15].第m环的半径为

其中,r1为最内环的半径.焦距f与半径的关系[16]为

其中,λ为入射光的波长.

在对菲涅尔衍射作傅立叶变换的过程中,由于高阶衍射级次的存在,在,,……等处有不为零的光场振幅,形成次焦点[17-18].

图1 菲涅尔波带片环带结构

2 设计

根据公式(1)和(2),设菲涅尔波带片焦距f=1500 mm,入射光波长λ=550 nm,得到菲涅尔波带片各环带的半径r及环带宽度d,如表1所示.

由于液晶盒两电极上的电压通过ITO薄膜施加,可以将光刻掩膜版设计为菲涅尔波带片样式,并用紫外光曝光,得到相应的ITO电极.在电极上施加电压后,形成菲涅尔波带式电场,从而改变液晶分子对异常光的折射率.基于上述方法,本文将光刻掩膜版设计为菲涅尔波带样式,图2为对光刻掩膜版紫外曝光后形成的ITO薄膜电极图样.其中,暗环带表示具有ITO薄膜,而明环带没有ITO薄膜.

液晶盒由两块ITO电极组成,图2为其中一块ITO薄膜电极,对于另一块ITO薄膜的设计如图3所示,一块ITO薄膜为菲涅尔波带样式,另一块为圆板样式.这种设计无需校准两块ITO薄膜的位置,加工工艺比较简单,容易形成流水线作业.

表1 各环带半径及宽度

图2 紫外曝光后形成ITO薄膜电极

图3 ITO电极样式

3 制备

在制备菲涅尔液晶透镜前,需要根据表1中的具体参数进行制版,包括两张电极菲林版(面电极和背电极)、一张边框菲林版、一张银点菲林版和一张APR凸版菲林[19].此外,向ITO玻璃供应商采购相应玻璃,玻璃厚度为0.55 mm,方块电阻为80Ω/□.

该样品的制备是在温度25℃的洁净室内进行的,生产的整个工艺流程如图4:

图4 工艺流程图

其中成盒工艺流程如图5示[20],一块ITO玻璃用菲涅尔波带式的光刻掩膜版进行紫外光曝光约5 s,另一块ITO玻璃不作任何处理,经摩擦贴合后成盒.

按照上述生产流程制成盒厚为7.5 μm的样品,灌注TN型液晶(由八亿时空液晶材料公司生产),其工作电压为3.0 V,占空比为1:1,偏压为1:1.

图5 菲涅尔液晶透镜成盒工艺示意图

4 偏光织构

制备成样品后,液晶分子在断电和通电下的排列分布如图6所示[21].(a)中断电时,液晶分子以一定的预倾角在盒内均匀排列.通电后,盒内的电场线分布如(b)所示,在奇数半波带与偶数半波带交界处由于边缘效应,电场分布不再均匀,导致对应处的液晶分子受不同的电场力而偏转,形成(c)中不均匀排列.相邻波带处的相位差Δδ为[22]

其中,nj与nj+1分别为j、j+1波带层液晶分子的有效折射率,np与l分别为电极层的折射率和厚度,d为液晶层的厚度.由折射率椭球[23-24]分析可知,nj与nj+1会随着液晶分子偏转角度的不同而发生改变.

测试所采用的设备是与计算机相连的XP-203E型偏光显微镜,用DF1028B低频信号发生器对样品施加频率为100 Hz的交流方波信号,改变外加电压大小(用数字万用表测电压的有效值),观察样品的偏光织构变化并进行拍照.

图6 断电(a)与通电(b,c)下液晶分子的分布

图7 为在0-5.5 V下样品经正交偏光显微镜放大40倍后某一固定区域的偏光织构图.0 V时,视场呈现亮态,看不到菲涅尔波带条纹结构,细微的颜色变化可能是由于液晶盒厚度不均匀造成的,其中的黑点可能为成盒过程中的尘埃颗粒或者玻璃表面附着的灰尘等杂质.逐渐增大外加电压,到1.0 V时图案开始显现但不清晰.随着电压的进一步增大,条纹越来越清晰,相邻波带颜色的对比度越来越强.在3.0 V左右,黑条纹的边界开始向相邻波带扩张,并随电压的增加扩展范围逐渐增大,宏观上表现为越来越粗,同时黑条纹颜色进一步加深.这种现象主要是由于内部的电极结构造成的,如图6所示,外加电压越高,液晶分子所受的电场力越大,偏转得也越厉害,因而黑条纹变得更加黑.电极对应部分的不吻合造成边界处的电场分布不均匀,液晶分子在电场力的作用下发生偏转.此外,波带间距很小,随着电压的增大,波带边界处的电场线分布越密集并向外扩展,导致更多的液晶分子发生偏转,宏观上表现出黑条纹变粗.

图7 不同电压下菲涅尔液晶透镜的偏光织构

5结论

基于菲涅尔衍射原理,利用液晶的双折射特性,设计了一种TN型菲涅尔液晶透镜,并制备为样品,其工作电压为3.0 V,占空比为1:1,偏压为1:1.与电子束直写和薄膜沉积等制造方法相比,本设计的制备工艺简单,容易形成流水线作业.

在用正交偏光显微镜观察的过程中,偏光织构随着外加电压的改变呈连续性的变化.1.0 V为样品的阈值电压.增大电压可以提高图像的对比度,但是由于边缘效应的存在,会产生误差.这种电极设计,虽然制备简单,但边缘效应是不可避免的,因此需要进一步改善电极结构或开发新材料.

[1]杨绍光,贾成芝,赵永飞,等.菲涅尔波带片衍射性质的数值模拟[J].中国科学技术大学学报,1997,27(2):216-219.

[2]张军.菲涅尔波带片的制备和验证[J].兰州石化职业技术学院学报,2005,5(1):37-39.

[3]Kitaura N,Ogata S,Mori Y.Spectrometer employing a micro-Fresnel lens[J].Opt Eng,1995,34(2):584-588.

[4]Ferstl M,Frisch A M.Static and dynamic Fresnel zone lenses for optic interconnections[J]. J Mod Opt,1996,43(7):1451-1462.

[5]Hain M,Spiegle W,Schmiedchen M,et al. 3D integral imaging using diffractive Fresnel lens arrays[J].Opt Express,2005,13(1):315-326.

[6]Sobel F,Wentworth L,Wiltse J.C.Quasi-optical surface waveguide and other components for the 100 to 300 Ge region[J].IRE Trans Microw Tech,1961,9:512-518.

[7]吉建华,陈家壁,曹俊卿,等.可变焦菲涅尔波带透镜的理论分析与模拟计算[J].上海理工大学学报,2000,22(1):57-60.

[8]Lin T H,Huang Y H,Fuh A Y G,et al.Polarization controllable Fresnel lens using dye-doped liquid crystals[J].Opt Express,2006,14(6):2359-2364.

[9]Patel J S,Rastani K.Electrically controlled polarization-independent liquid-crystal Fresnel lens arrays[J].Opt Lett,1991,16(7):532-534.

[10]Fan Y.H,Ren H,Wu S T.Switchable Fresnel lens using polymer-stabilized liquid crystals[J].Opt Express,2003,11(23):3080-3086.

[11]Ren H,Fan Y H,Wu S.T.Tunable Fresnel lens using nanoscale polymer-stabilized liquid crystals[J].Appl Phys Lett,2003,83(8):1515-1517.

[12]Lin L C,Jau H C,Lin T H,et al.Highly efficient and polarization-independent Fresnel lens based on dye-doped liquid crystal[J].Opt Express,2007,15(6):2900-2906.

[13]Fujita T,Nishihara H,Koyama J.Fabrication of micro lenses using electron-beam lithography[J].Opt Lett,1981,6(12):613-615.

[14]Jahns J,Walker S J.Two-dimensional array of diffractive microlenses fabricated by thin film deposition[J].Appl Opt,1990,29(7):931-936.

[15]李平.基于半波带分析法的菲涅尔波带片衍射特性的讨论[J].物理与工程,2003,13(4):23-26.

[16]Dammann H.Blazed synthetic phase-only holograms[J].Optik,1970,31(1):95-104.

[17]陈家璧,苏显渝.光学信息技术原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2002,37-38.

[18]王维强,任洪文,凌志华.电控位相型液晶菲涅耳波带片的特性[J].液晶与显示,1999,14(4):250-256.

[19]范志新.液晶器件工艺基础[M].北京:北京邮电大学出版社,2000:15-18.

[20]Jeng S C,Hwang S J,Horng J S,et al.Electrically switchable liquid crystal Fresnel lens using UV-modified alignment film[J].Opt Express,2010,18(25):26325-26331.

[21]Huang W C,Chen Y J,Lin C H,et al.Sensitive voltage-dependent diffraction of a liquid crystal Fresnel lens[J].Appl Opt,2009,48(11):2094-2098.

[22]Lou Y M,Liu Q K,Wang H,et al.Rapid fabrication of an electrically switchable liquid crystal Fresnel zone lens[J].Appl Opt,2010,49(26):4995-5000.

[23]李晖,张新宇,张天序.一种新型液晶透镜的光学成像特性研究[J].红外与毫米波学报,2009,28(6):428-431.

[24]李晖,张新宇,张天序,等.基于液晶自适应透镜的设计与制备[J].红外与激光工程,2009,38(5):879-890