四路电压驱动液晶可变光阑的器件性能

周心晨，谭奇璞，李光勇，尹 伊，陈晓西

（电子科技大学 光电科学与工程学院，四川 成都 611731）

1 引言

在成像实际光学系统中，需要对成像光束限制，满足像面和透镜大小的要求。光阑是限制成像光束或成像范围的光孔或框。在成像系统中按作用不同分为孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和消杂光光阑，数值孔径、分辨率和景深都与其有关［1］。在非成像领域中，环形光阑可用于高通空间滤波与减小热流标定系统的热流源密度［2］，方形光阑可用于灯具主件中调节光斑形状［3］，还有可减少小尺度自聚焦的软边光阑［4］等元件。随着工业科技的发展，在摄影镜头、显微镜的照明等应用中，需要用到可变光阑控制照明光束的宽度以改变成像面的照度、衬度来控制照明范围，限制杂散光进入成像空间，例如谢琼碧等人研发了一款两片式方形孔径光阑结构，为显微镜的应用提供了更好的照明环境［5］。现有的可变光阑机构分为手动式和电控式。手动式可变光阑不便于控制光阑的开启速度，存在精度低、重复性差等问题。传统电控式可变光阑多采用驱动电机、涡轮和蜗杆结构，存在传动精度低、摩擦力大和寿命短等问题［6］。Murade 等人在上下玻璃间填充不透明的油性液体与添加电场，通过改变电场强度和频率来改变油层直径从而改变光通量这种电润湿的方法改进了电控式可变光阑［7］。中国科学院西安光学精密器械研究所的赵怀学等人采用改变光阑结构为双弧形有效解决了圆形收缩光阑存在的最小光阑孔径问题［8］。Haan 等人则通过加装热驱动器，以外加电压控制金属的热膨胀和收缩来控制光阑的通光，改善电控式可变光阑［9］。液晶材料具有优异的电光效应，液晶分子在电场作用下会发生偏转。人们采用液晶材料设计和制备如光开光、液晶可调波片、液晶透镜等光学元件［10-14］。早在1986 年，Ooba 等人便提出了4 种电压信号驱动的具有扭曲向列效应的液晶光阑［15］。

本文介绍了一种基于反平行排列液晶盒的可变光阑，通过四路电压驱动实现光阑大小、椭圆率和中心位置的改变。

2 液晶可变光阑结构及其工作原理

2.1 液晶可变光阑的结构

图1 为液晶可变光阑的俯视结构图，该器件由上偏振片、上玻璃基板、液晶层、下玻璃基板和下偏振片构成。在每块透明玻璃基板两端镀置条状金属或氧化铟锡（ITO）电极，其余部分镀有方块电阻为104～106Ω/mm2的高阻抗膜。两块透明基板垂直交叠排列形成具有矩形通光口径的液晶可变光阑。如图1 所示，上玻璃基板两端电极为A 和B、下玻璃基板两端电极为C 和D。通过改变4 个电极A、B、C、D 上的电压V（Vi，fi，φi）来实现有效区域内平均电场分布的改变，进而控制液晶分子的排列分布，其中V为输入电压的幅值，f为输入电压的频率，φi为输入电压的初相位。器件结构截面图如图2 所示，由于采用负性液晶的垂面取向，在低电压驱动下，负性液晶使器件呈透过态。

图1 液晶光阑俯视图Fig.1 Top view of the liquid crystal diaphragm

图2 液晶光阑结构截面图Fig.2 Cross section view of the liquid crystal diaphragm

2.2 液晶可变光阑的工作原理

液晶可变光阑通过在ITO 电极上施加函数电压使阻抗膜间产生合适的平均电压差分布，即液晶层内产生合适的电场分布。液晶分子指向矢在电场作用下产生特定偏转，偏转程度取决于施加电场的频率电压等参数。选用透过率高、稳定性良好的掺铝氧化锌（AZO）导电薄膜为高阻层，采用射频磁控溅射法在玻璃基板表面镀膜。如图3所示，位于器件中心的负性液晶在低于阈值电压的电场作用下基本不发生偏转，在这种状态下，中心区域液晶分子对经过检偏器入射的线偏振光没有明显的调制作用，线偏光维持原有偏振态通过检偏器，达到透光的效果。在高于阈值电压的电场作用的区域，对入射线偏振光加入特定的相位延迟量，使线偏光的偏振状态发生改变，从而无法通过检偏器，达到消光的效果。由此产生的可调光阑可以通过电极施加的电压进行调制。

图3 光阑原理Fig.3 Diaphragm principle

同一基板两电极之间的电压分布如图4 所示。光阑中心区域d达到阈值，维持入射线偏光偏振特性不变，其他区域偏振态被改变，液晶器件前后偏振片方向平行，从而使该区域光无法通过检偏器，形成光阑效果。

图4 电压位置分布图Fig.4 Voltage distribution diagram

3 测量实验与结果

3.1 液晶可变光阑电场仿真计算

通过控制幅值、相位和频率3 个变量，分别控制液晶器件的4 个电极。根据液晶分子指向矢分布受电压控制的特点，达到电控驱动液晶光阑的目的。

通过数值计算对液晶光阑的圆形有效区域进行仿真计算。如图5 所示，建立归一化坐标系。有效区域中心处为坐标原点，4 个电极对应中心点A、B、C、D 的坐标分别为（-1，0）、（1，0）、（0，-1）、（0，1）。

图5 有效区域归一化坐标系Fig.5 Normalized coordinate system of the effective area

镀有高阻膜的液晶器件上电压近似呈线性分布，可以得到所取有效区域内液晶层内有效电压为：

其中：Vupper和Vlower分别表示上基板和下基板的瞬时电压。在保证积分时间T小于液晶响应时间，并且同一基板两电极所加电压频率相等，即f1=f2、f3=f4条件下进一步化简，令上下基板频率不相等，可以得到：

其中：φ21=φ2-φ1，φ43=φ4-φ3。可以得出其电场分布是椭圆分布，且由椭圆方程Ax2+By2+Cxy+Dx+Ey+F=0 可以得到该椭圆方程系数为：

椭圆方程对应的中心点坐标为：

将式（3）代入式（4）计算可得，有效区域电场的中心点坐标表示为：

可以看出，当V1=V2且V3=V4时，有x=y=0。此时，有效电场满足中心位置条件。由式（2）可知，在保证有效电场中心位置条件的基础上，当x2和y2系数相等时，即可形成圆形分布电场，即：

简单满足φ21=φ43=φ时，有4 个电极输出幅值相等，且f1=f2≠f3=f4，V1=V2=V2=V4。仿真过程中默认f1=f2=1 kHz，f3=f4=2 kHz，取V1=V2=V3=V4=5 V，φ=120°时，仿真结果如图6 所示。选取的有效区域满足中心电场分布，并且电场梯度分布呈良好的圆形分布。

图6 液晶光阑圆形电场分布Fig.6 Circular electric field distribution of liquid crystal diaphragm

液晶器件有效区域光场分布的椭圆比由式（3）中系数A与B的比值决定，取V1=V2=5 V，V3=V4=10 V，根据式（2）得出均方根电压Vrms电场分布为椭圆，由于低压驱动液晶器件椭圆特性比较复杂，在本文实验中不考虑椭圆中心偏移的情况，仿真结果如图7 所示，形成了长轴短轴比为2的椭圆中心电场分布。

图7 液晶光阑椭圆电场分布Fig.7 Elliptical electric field distribution of liquid crystal diaphragm

根据式（5）可得，可以通过改变同一基板上两电极初始相位差φ21和φ43以及电压幅值来改变电场中心位置并实现预期椭圆比的分布。当V1=5.7 V，V2=3.5 V，V3=5.4 V，V4=3.8 V，φ21=120°，φ43=108°，得到仿真结果如图8（a）所示；当V1=3.8 V，V2=5.4 V，V3=3.5 V，V4=5.7 V，φ21=108°，φ43=120°，得到仿真结果如图8（b）所示；当V1=V2=V3=V4=4.5 V，φ21=φ43=120°，得到仿真结果如图8（c）所示，此时电场为中心圆形分布电场。可以看出在电场梯度分布基本不改变的情况下达到了移动中心的效果。

图8 电场分布。（a）V1=5.7 V，V2=3.5 V，V3=5.4 V，V4=3.8 V；（b）V1=3.8 V，V2=5.4 V，V3=3.5 V，V4=5.7 V；（c）V1=V2=V3=V4=4.5 V。Fig.8 Electric field distribution.（a）V1=5.7 V，V2=3.5 V，V3=5.4 V，V4=3.8 V；（b）V1=3.8 V，V2=5.4 V，V3=3.5 V，V4=5.7 V；（c）V1=V2=V3=V4=4.5 V.

3.2 液晶可变光阑特性测量

测试系统光路示意图如图9 所示。测试系统由激光器出射532 nm 绿光经过偏振片1 后转化为线偏振光，由于液晶分子的双折射特性，线偏振光通过液晶器件后，液晶器件将线偏光分解为o 光和e 光两种成分，液晶只对e 光有调制作用。经过检偏器时，e 光经过液晶的调制偏振态发生改变，o 光偏振态不改变，由图像传感器记录。通过分析对比成像区域大小和形状观察光阑特性变化。

图9 测试系统光路示意图Fig.9 Test system optical path

根据式（3）得出的中心圆电场条件，使用图9测试光路，在f1=f2=1 kHz，f3=f4=2 kHz 的条件下测量得出满足中心位置条件的圆形光阑，如图10（a）所示，由于测试光路中偏振片等器件的影响，产生了部分细微条纹，但基本实现了光阑圆形分布的功能。改变相邻电极输入电压幅值，在长短轴比为2 的条件下采集图像如图10（b）所示，基本实现了椭圆光阑的功能。

图10 液晶光阑椭圆分布Fig.10 Elliptic distribution of liquid crystal diaphragm

3.3 液晶可变光阑光轴移动测量

液晶器件可以通过改变驱动电压，在保持电场梯度变化的情况下，改变电场中心。若选取合适的驱动参数让液晶可变光阑正常工作，则可以通过电场移动的方式实现光轴可调节的液晶光阑。由于液晶可调光阑椭圆分布特性较为复杂，本文只考虑圆形中心偏移的情况，如图11 所示。

图11 电场中心移动Fig.11 Electric field center movement

根据式（5）计算4 个电极输入电压幅值和相位差改变时的电场中心移动情况。通过图9 所示的测试光路，得到器件电场中心移动后的数据结果如表1 所示。在电场平移的过程中，条纹没有发生明显的堆积或其他形状变化。在有效区域内，电场平移没有使得器件电场梯度发生改变。

表1 电场移动下的测试参数Tab.1 Test parameters of electric field movement

取r2=x2+y2，计算移动后的中心位置距器件中心的距离与仿真结果对比，如图12 所示，具体电压参数条件见表1。可以看出，实际测量结果与仿真数据结果基本吻合，计算得到其平均误差为3.33%，在电压参数（a）的条件下的误差较大可能是由于器件制作时实际中心与仿真中心的偏差导致。制作的四路低压驱动液晶光阑能够实现光阑中心发生预想中的移动，对不同场景有更好的适用性。

图12 仿真结果对比Fig.12 Comparison of simulation results

4 结论

本文根据更高效可变光阑的需求，设计了一种四路低压驱动镀有方块电阻范围为104～106Ω/mm2的高阻膜的液晶可变光阑结构，并通过数值仿真得出了器件的相位特性和不同驱动状态的驱动方法。实际测量结果证明：所制备的四路低压驱动液晶器件具有良好的可变光阑性能，能在f1=f2=1 kHz，f3=f4=2 kHz 的频率下以4 V 电压幅值驱动为基准，根据电压幅值和相位差改变电场中心位置，移动平均误差为3.33%。