●文/东南大学电子科学与工程学院显示技术研究中心李青 严静 崔勇扬

　　摘要：聚合物稳定蓝相液晶具有响应速度达到亚毫秒量级，偏振光独立及工艺无需取向工艺等特点，在显示技术及光电子器件领域有潜在的巨大应用空间。本文论述了PSBPLC微观相变模型、宏观克尔效应等特性。在此基础上，论述了蓝相液晶微透镜技术的发展。介绍了PSBPLC实现微透镜阵列的主要结构，包括圆孔电极的蓝相液晶透镜；曲面电极的蓝相液晶透镜；多电极蓝相液晶GRIN透镜；模式控制的蓝相液晶透镜，以及采用ZnO纳米棒为电极实现蓝相液晶透镜，对比了上述几种透镜的结构和特点。

　　引言

　　蓝相液晶是介于液晶的各向同性相和胆甾相之间的状态，宏观上蓝相态是各项同性的。根据结构的不同，蓝相液晶又分为BPI、BPII、BPIII三种相态。宏观上表现为蓝相只能存在于很窄的温度区间内，通常只有0.5—2K的存在范围，长期以来没有应用价值。直到2002年，Kikuchi等人提出了聚合物稳定的蓝相液晶，使蓝相液晶的存在温度范围扩大到包括室温在内的60K范围，从而具备了巨大的应用潜力。

　　蓝相液晶的工作机理完全不同于传统的向列相液晶器件。宏观上说，蓝相液晶的工作机理是基于克尔效应，不加电场时，蓝相液晶是各向同性的；施加电场后，分子沿长轴方向变化，表现出物理特性的各向异性，而其分子的变化是在局部位置发生，因此，蓝相液晶最大的优点是具有超快的响应时间，其响应时间可以达到亚毫秒量级。

　　蓝相液晶在显示技术领域已引起了巨大的冲击，将对现有的LCD技术带来革命性的变革，从而引起相关研究领域的高度重视。亚毫秒的快速响应特性使时序扫描技术实现彩色成为可能；无需取向层及对盒厚变化的不敏感性使显示器件的制备技术更加简单，成本进一步降低。可以预期，这些特性也使蓝相液晶在新型光电子器件研制中将产生极大竞争力，成为一种需要重点研究的液晶材料，虽然这些研究才刚刚起步。

　　蓝相液晶在外电场作用下产生相位延迟特性，使其在微透镜阵列方面应用成为可能，将蓝相液晶应用于微透镜技术公开的研究成果见于2010年。本文在综述蓝相液晶特性基础上，将重点介绍蓝相液晶在微透镜技术的研究结果，并分析其特点。

　　1、聚合物稳定的蓝相液晶

　　1.1 双扭曲微观物理模型

　　蓝相液晶只有在波矢q0增加到一定值时才出现的一种液晶态，根据晶态结构不同分为BPI、BPII、BPIII三种相，见图1，可以看出蓝相液晶存在的温度范围很小，波矢较小时通常只看到随温度升高，胆甾相直接变成各向同性相，因此，蓝相液晶是在一些特定条件下产生的一种液晶态。目前研究蓝相液晶的基本模型是双扭曲结构模型，见图2所示。双扭曲模型是目前研究蓝相液晶物理变化过程基本的微观模型。此模型是对理想的蓝相液晶建立的。从已有的微观实验观察可得，基本表现为畴结构的变化及其边界间的相互影响。其中BPI和BPII微观结构上，双扭曲柱体交错排列形成一个个立方晶格单元。对应蓝相液晶BPI、BPII晶体结构示意图如图3所示，图3中(a)示意了具有双扭曲结构的圆柱，它构成了蓝相液晶结构中的支架，（b）表示了对应于BPI、BPII相的晶态结构，(c)示意了相应的向错线。由于双扭曲柱体结构无法填满晶格空间，立方结构存在缺陷，导致结构的不稳定，因此理想的蓝相液晶温区很窄，不能实用。

　　图4所示的是一种由kakuchi在文献中提出的PSBPLC结构的一种构想，它形象地表示了聚合物在蓝相液晶晶态结构中所起的作用，即，使蓝相液晶中存在的向错线更加稳定，从而使蓝相液晶的畴结构更加稳定，这是导致PSBPLC在较宽稳定范围存在的根本原因。但随着聚合物的添加，带来的负面影响就是驱动电压增高，响应时间变慢。而对于PSBPLC，聚合物添加后，宏观上表现稳定温度范围扩大，但响应时间变慢，相变电压提高，液晶材料在电场中相变的微观过程变得十分复杂。基于双扭曲模型，结合液晶向错理论，以PSBPLC为研究对象，重点研究聚合物网络如何影响蓝相液晶的相变过程，如何影响其物理参数的变化及响应时间的变化等基本理论问题，是研究PSBPLC的微观相变模型的思路。

　　1.2 克尔效应

　　蓝相液晶在不加电场情况下表现为各向同性，当施加电场时，液晶分子沿电场方向拉长（对于正性液晶）或者垂直于电场方向拉长（对于负性液晶），表现出各向异性。其特性宏观上在低电场满足克尔效应：

　　Dnind=lKE2           (1)

　　其中，Dnind为场致双折射，l为入射光波长，E为外加电场，K为克尔系数。

　　随着电场的提高，对于蓝相液晶，Dn趋于饱和，达到液晶材料的饱和双折射值Dnsat，因此，扩展的克尔效应模型被提出，如公式(2)所示。

　　Dnind=Dnsat{1-exp[-(E/Es)2]}                                       (2)

　　克尔系数K = Δnsat/(λES2)。克尔系数与波长有依存关系，随波长增大而降低。K还与温度变化相关，随温度升高而减小。同时，K还受到频率的影响，随着频率增加而减小，文献提出了K(f)满足扩展的Cole-Cole方程。

　　图5为Yan.Li等人测出的PSBPLC液晶在不同电场下折射率的变化。可以看出在高场区场致双折射有明显的饱和趋势，并且在低场、高场情况下实验数据和公式的拟合得很好。

　　可以看出，蓝相液晶的分子在克尔效应下实现了各向同性与各向异性的转变，并不依赖于传统向列相液晶是依赖于取向层得到一些特定的分子排列，这就形成了蓝相液晶在制造时的优势，无需取向层，并对盒厚微变不敏感，带来制造工艺的便利。

　　2、蓝相液晶微透镜技术

　　由于蓝相液晶具有短的相干长度使响应时间加快至亚毫秒级，使其不仅在液晶显示技术方面，而且在光电子器件方面具有潜在的应用空间。尤其，随着3D技术的发展，对自适应液晶透镜阵列的响应速度有了进一步的需求，采用快速响应的蓝相液晶用于透镜阵列的研究成为一种方向。下面介绍几种蓝相液晶的透镜技术。

　　2.1 圆孔电极的蓝相液晶透镜

　　Y.H.Lin在文献提出了一种基于PSBPLC纯相位调制的圆孔电极微透镜阵列，具有偏振光无关、快速响应的特点。由于入射光沿PSBPLC光轴传播使光学相移是偏振光无关的，而克尔效应形成的场致双折射产生了电场控制的自适应相移特性。图6是圆孔电极蓝相液晶透镜结构示意图，图中表示了在电场作用下的有效光学折射率椭球变化。PSBPLC放在两片玻璃之间，上面玻璃基板内表面光刻为Al膜的直径为w的圆孔电极。下基板为ITO公共电极。当V=0，有效光学折射率椭球为球状，意味着光学各向同性。当施加电压并超过阈值时，由于克尔效应有效光学折射率椭球变长，并且光轴方向平行于z轴。在圆孔中心及边缘产生的不均匀电场，中心电压逐步低于边缘电压，因此边缘的有效光学折射率椭球变长的程度强于中心，这样的折射率空间分布使PSBPLC形成了类似于透镜的相位轮廓，产生了偏振光无关的自适应透镜。

　　透镜的焦距可用公式(3)表示，

　　其中，为边缘电压与中间电压差产生的相位移，可表示为

　　可以看到，这种透镜的焦距取决于圆孔直径及中间与边缘的相移量，对于微透镜阵列，w一般在1mm左右，而对于PSBPLC，变化量较小，由于相移量较小使焦距较大，这对于微透镜的短焦距应用受到局限。

　　2.2 曲面电极的蓝相液晶透镜

　　圆孔电极蓝相液晶微透镜虽然实现了透镜的基本功能，还存在一些需要改进的地方，如由于折射率不能得到理想的透镜形状导致图像质量下降，由于圆孔边缘较强的横向场导致两个正交的偏振光产生焦距分离的现象等。

　　Y.Li在文献针对上述问题，提出了一种基于PSBPLC的曲面电极微透镜阵列，同样具有偏振光无关、快速响应的特点，并且改进了透镜特性。该透镜是利用曲面电极和平板电极间产生的梯度电场，控制BPLC分子由克尔效应产生的场致双折射变化，从而获得所需的透镜相位阵面。通过优化电极形状设计，可以得到理想的抛物线相位阵面。图7是曲面电极蓝相液晶透镜结构示意图，上基板呈微透镜状，在上基板内表面镀有ITO电极，并且填充有聚合物，PSBPLC在聚合物及平面下基板玻璃之间。当V=0，PSBPLC分子有效光学折射率椭球呈球状，即光学各向同性。当施加电压并超过阈值时，在克尔效应作用下，PSBPLC分子有效光学折射率椭球变长，且光轴方向平行于z轴。由于上基板微透镜中心部分存在较多的聚合物，产生较大压降，故电场强度从边缘向中心递减，因此边缘的有效光学折射率椭球变长的程度强于中心，这样的折射率空间分布使PSBPLC形成了类似于透镜的相位轮廓，产生了偏振光无关的自适应透镜。通过设计上基板曲面电极形状，为凸透镜状，凹透镜状或者埃菲尔铁塔状，可以得到不同的凹凸透镜，并且可以优化得到理想的抛物线状相位分布如图8所示。

　　图8显示，通过对曲面电极形状的优化设计，可以改善TE、TM的透镜相位轮廓，从而改善焦距分离的现象。

　　2.3 多电极的蓝相液晶透镜

　　文献采用曲面电极对透镜性能有所改善，但在制备工艺上难度较大。为了获得更理想的抛物线相位阵面，同时可以采用平面电极的工艺，Chao-Te Lee在文献中提出了多电极控制的蓝相液晶透镜。该结构液晶透镜同样具有偏振无关，快速响应及相位阵面为理想抛物线状等特点。其结构如图9所示。PSBPLC位于上下玻璃基板之间，上基板电极上覆盖有高介电常数的介质层，用来平滑垂直方向的电场分布情况。通过优化设计各电极尺寸及驱动电压分布，可以得到近似理想的抛物线相位分布。

　　2.4 模式控制的蓝相液晶透镜

　　多电极的蓝相液晶透镜为实现理想透镜相位轮廓分布，必须对多电极寻址，并且需要制备高介电常数的介质层，以克服不同偏振光对焦距特性的影响。Y.Li在文献中提出了利用电阻膜的模式控制蓝相液晶柱透镜，利用低场区的线性克尔效应实现单一电极寻址即可获得透镜相位的轮廓分布。