反射式液晶显示器的导波研究

张志东，司立彬，叶文江，李志广

（河北工业大学 理学院，天津 300401）

在液晶显示（LCD）应用中，薄膜晶体管（TFT）无疑已经成为电视、笔记本电脑、手机等产品的主流显示方式。随着液晶应用的深入研究，出现了硅基液晶（LCOS）[1]。LCOS是 LCD 与 CMOS集成电路有机结合的显示技术，其结构是在硅片上利用半导体技术蚀刻驱动面板，研磨并镀铝作为反射镜，形成CMOS基板，再与氧化铟锡（ITO）玻璃贴合并注入液晶[2]。LCOS采用反射显示模式。事实上，反射式液晶显示模式研究的最大驱动源之一也就是LCOS[3]。本文使用改进型的全漏光导波方法[4－7]，研究混合模式扭曲向列相（MTN）反射模式[8－9]，扭曲角为90°。液晶样品盒在深圳市长江力伟股份有限公司制备。

1 实验原理

关于各向同性平面波导的理论和实验研究参见文献[10]。如果波导层是液晶，那么情况将有所不同，最大的区别就是液晶为各向异性材料。具有各向异性的液晶作为波导层时，除了一些特殊的、具有高对称性的结构外，波导结构的本征模将不再是纯TE偏振（s光）或TM偏振（p光）。现在通过一些特殊的情形来说明液晶波导的特点。如图1所示，液晶夹在两块折射率为ng的玻璃基板之间，液晶的光轴（指向矢）为N，平行和垂直于液晶指向矢的折射率分别为ne和no，假设液晶为正光学各向异性，则ne＞no。在液晶层中指向矢与z轴的夹角为θ，相对于－y轴的扭曲角为φ，玻璃基板位于x－y平面，入射光在x－z平面内传播。对于一般标准的商业用液晶盒来说，都希望折射率满足ng＜ne，且ng≈no。现在由于上下玻璃基板折射率相同，故不存在临界角，并且导模将“全漏”。假设光的入射角为α，液晶层中寻常光的折射角为βo，非寻常光的折射角为βe。根据Snell定律有：

图1 各向异性单轴晶体折射率椭球及光的传播

其中，no是寻常光折射率，n′e为非常光折射率。由液晶折射率椭球的几何关系可以得到：

显然有ne＞n′e＞no，Ψ是液晶光轴与液晶层中入射光的夹角，可由下式给出：

在图1所示的液晶波导结构中，若光轴沿x轴方向，则TE本征模只依赖于no，而TM本征模依赖于ne和no；光轴若沿z轴，则情形与沿x轴相似；若光轴沿y轴，则TE本征模只依赖于ne，而TM本征模只和no有关。在上述3种情况下，液晶波导中传播的本征模为纯TE或TM模。若光轴在x-y面或y-z面内且与y轴有夹角（如图1所示），本征模将不是纯TE和TM模。通过实验发现，当用一束线偏振光（p光或s光）入射到这样的液晶导波结构时，将发生偏振转换，反射和透射光中有正交偏振分量[2]。由于偏振转换信号对液晶指向矢的倾角和扭曲角非常敏感，所以这些信号对于研究液晶指向矢的分布是很有利的。在图1所示的情形中，s光的电场在y轴方向，p光的电场在面内，对于任意形式的入射光，液晶层中将激发两种本征模，一种本征模的电场沿OB方向，另一种的电场沿OF方向。因此可以通过－y轴和OB的夹角Ω来判断s或p偏振光入射到液晶层时的偏振转换。从图1中可以得到：显然当Ω为0或π／2时没有偏振转换信号。

为了将导波技术用于一般的商业用液晶盒，只能选择使用低折射率棱镜耦合的全漏光导波技术。使用低折射率棱镜耦合的全漏光导波技术，所有的波导模式将全漏并且与之对应的反射信号有显著的光学特性，这可能严重地限制液晶盒内指向矢的扭曲角和倾角的精确性。另外，低折射率玻璃基板意味着将不再存在液晶折射率的临界角。1999年杨傅子对全漏导波技术进行了改进，建立了改进型全漏光导波技术[4]。所做的改进主要包括两方面：（1）利用了全部的反射和透射数据，包括偏振保存信号（Rpp、Rss、Tpp、Tss）和偏振转换信号（Rps、Rsp、Tps、Tsp），因为偏振转换信号对于指向矢的扭曲角和倾角非常敏感；（2）由于在棱镜和基板之间有折射率匹配液的存在，液晶盒可以自由旋转，将其旋转到偏振信号对指向矢的扭曲角和倾角最敏感的位置，并得到一系列不同方位角下的实验数据，通过拟合这些数据进一步精确地确定液晶盒内的指向矢分布[11]。

改进型的全漏光导波几何结构如图2所示，它是一个对称结构，液晶盒由内表面镀有ITO和取向层的低折射率玻璃基板组成，液晶盒与棱镜之间有折射率匹配液，棱镜、玻璃基板和匹配液的折射率都约为1.52。液晶盒可以在垂直于入射面的方向上（即棱镜的底面）自由转动。在本文实验中，样品为反射式MTN盒，它的上基板为ITO透明电极，下基板为铝电极。因此实验中主要观测反射信号。

图2 改进型全漏波导几何结构

2 实验仪器

本实验所用仪器和构件（见图3）主要有：He-Ne激光器，波长632.8nm，功率5mW；光阑2个；斩波器（NF电子仪器公司，5584A），它的作用是将激光的频率调制成1.86kHz以便于后面相位敏感探测器的接收；可调式衰减器；旋转式偏振片3个；旋转式1／4波片；探测器2个（北京卓立汉光仪器有限公司的DSi200型硅光电探测器）；θ—2θ转台（北京卓立汉 光 仪 器 有 限 公 司，Zolix SC300-2B），精 度 为0.00125°，当放在转台中间的液晶盒转动θ角时，为了接收反射信号，固定在转台外侧的探测器正好转动2θ角；玻璃板，反射约5%的入射光作为参考光，因为激光的光源并不稳定，其光强可能受到干扰信号的影响；锁相放大器（NF电子仪器公司，LI5640），与电脑相连，输出值正比于输入的通过探测器转换的光电流的值。另外，还有信号发生器（石家庄数英电子仪器有限公司，SUING TFG1000），频率精度10－5数量级，电压有效值精度为0.001V，可以产生多种信号，如方形波、锯齿形波、正弦波等；Labview软件（NI，MAX），进行数据采集。

转台中间放置制作好的棱镜耦合的反射式90°MTN液晶盒波导结构。信号发生器给液晶盒施加正弦波形的交流电压，频率可以根据实验需要进行调整，由于液晶盒是反射式盒，所以只有反射信号。

图3 实验装置图

3 实验步骤

（1）电源开启后，打开氦氖激光、锁相放大器、斩波器、转台控制器、转台控制软件和数据采集软件，检查光路是否水平，调节两光阑的高度使光束同时穿过并打到固定在转台外侧的探测器的中央位置，此时接收到的光的频率为1.86kHz，并检查转台是否处于设定的零位置。

（2）调节圆偏振光

（3）p光和s光的确定。最后确定反射光的偏振态：让调好的p光或s光直接通过反射光电探测器前的偏振片，偏振态相同时，探测器接收到的反射光强最大，若偏振方向互相垂直，则反射光强为零。

（4）制作反射式90°MTN液晶盒的导波结构。用无水乙醇将盒和棱镜擦拭干净后，一块棱镜固定在铝制的框架上，在棱镜的底面上滴上适量的折射率匹配液，然后将液晶盒轻轻地放在匹配液上，放的时候一定要水平放置，以免盒与棱镜之间产生气泡，再按同样的方法在液晶盒上滴上适量的匹配液，放上另一块棱镜，并将其固定在框架内。

（5）将制作好的导波结构固定在转台中间，并且使入射光垂直于棱镜表面，同时使通过耦合导波结构反射的光也正好打在探测器的中央位置，因为接收面积有限（约100mm2），偏高或偏低都会影响实验精度。

（6）测量。用信号发生器给液晶盒加电压，电压信号是频率为1kHz、电压电效值为0～7V的正弦电压。开始进行测量并采集数据。通过SC300系统软件控制转台的转动，设定液晶盒转动的角度为20°，固定转动步长为0.05°／s，用 MEASUREMENT＆EXPLORER软件进行同步数据采集。改变入射光和反射光的偏振态，测得4组随入射角变化的反射数据：Rss、Rpp、Rsp、Rps。由于硅光电探测器接收的光波波长范围为200～1100nm，为了防止其他光线的干扰，测量在暗室中进行。

4 实验结果

得到不同驱动电压下的实验数据后，应用基于液晶弹性理论和多层介质光学的软件进行拟合，拟合得到的各光学参数范围见表1，从而得到液晶盒内部结构的所有信息。3V、1kHz驱动电压下的实验曲线和拟合曲经见图4。在这次拟合中使用的参数为：波长为632.8nm时玻璃基板折射率为1.517；ITO的光学介电常数为εi＝3.25＋i0.079，对应厚度d＝30nm；铝膜有εAl＝63.5＋i26.823，d＝28nm；取向层有εPI＝2.05＋i0.005，d＝35nm；液晶有K11＝13.1pN，K22＝10pN，K33＝22.3pN，ε⊥＝2.165＋i0.0008，ε／／＝2.4359＋i0.001，d＝3.13μm。

图4 实验和理论拟合曲线

表1中的光学参数为光学介电常数，ε一般为复数，用ε＝εr＋iεi表示，εr和εi分别为介电常数的实部和虚部。通过所有的拟合结果得到的指向矢分布的信息为：上基板θ＝85.5°±0.5°；下基板θ＝86.5°±0.3°。

表1 多层光学理论拟合得到的90°MTN液晶盒光学参数

5 结论

（1）本文通过改进型全漏光导波技术对LCOS用的反射式90°MTN液晶盒进行了研究。改进型全漏光导波技术可以研究液晶盒内指向矢分布的信息，同时也可以测得ITO、取向层、液晶的光学参数及厚度等，还可以进一步测得液晶盒的极角和方位角及液晶盒的动态响应。

（2）在光导波测量的过程中，本方法与以往的方法相比有两点不同：一是入射光偏振态的确定，以前是通过Brewster角来确定p光或s光，但我们使用的是偏振分光棱镜（PBS）来确定，并与Brewster角测定的结果比较，发现两者基本一致，但是使用PBS快且方便；二是考虑了确定反射光偏振态的偏振片对光的吸收，这样在后期的处理过程中使计算的反射率更接近实际结果。

（3）实验中使用的是测试盒，与实际的LCOS盒不同的是它的下基板为玻璃基板而不是硅基。测量以不同入射角入射的线偏振光（p光或s光）在液晶盒内传播后的偏振保存信号和偏振转换信号，由于下基板铝膜的存在，其反射信号都很强，尤其是偏振转换信号Rsp和Rps，而这些信号对于液晶指向矢的扭曲角和倾角非常敏感。然后使用基于液晶连续体理论和4×4多层光学矩阵理论的程序进行拟合，通过调节指向矢在上下基板的倾角和扭曲角，并结合调节不同光学层的参数和厚度，使理论曲线与模拟曲线达到最好的符合，测试到液晶盒的相关参数。从拟合结果可以看出，上下基板上的预倾角不同，我们认为这是由于铝膜和ITO对取向层的影响不同而造成的，故在实际过程中也要考虑取向层基底对液晶取向的影响。

（4）全漏光导波技术不仅可以很好地确定液晶盒内指向矢分布的信息，同时对于一般的液晶盒（如VA盒、TN盒），在盒的结构和指向矢分布的理论模拟非常清楚的情况下，它也是确定液晶盒其他参数的一个有力的工具，例如可以得到取向层光学介电常数的实部和虚部及对应的厚度、液晶盒的盒厚等[12]。

（References）

[1]杨傅子.近期液晶研究中的几个新方向：液晶非显示应用基础研究进展[J].物理学进展，2008，28（2）：107-129.

[2]代永平.LCOS微显示技术[J].液晶与显示，2009，24（4）：471-477.

[3]范伟，姜丽，张志东，等.硅基液晶（LCOS）与电光特性[J].现代显示，2010（9）：17-21.

[4]Yang F Z，Sambles J R.Optical fully leaky mode characterization of standard liquid-crystal cell[J].J Opt Soc Am B，1999，16（3）：488-497.

[5]Yang F Z，Sambles J R，Dong Y M，et al.Fully leaky guided wave determination of the polar anchoring energy of a homogeneously aligned nematic liquid crystal [J].J Appl Phys，2000，87（6）：2726-2735.

[6]Yang F Z，Gao H J，Sambles J R.Fully leaky guided wave determination of the original alignment direction for the directors at the walls in a twisted nematic liquid crystal cell[J].J Appl Phys，2002，92（4）：1744-1751.

[7]Yang F Z，Samble J R.Guided mode studies of liquid crystal layers[M].in：Iwamoto M，Kaneto K，Mashiko S（Eds），Nanotechnology and Nano-Interface Controlled Electronic Devices，Oxford：Elsevier Science Ltd，2003：271-312.

[8]Wu S T，Wu C S.Mixed-mode twisted nematic liquid crystal cells for reflective displays[J].Appl Phys Lett，1996，68（11）：1455-1457.

[9]Wu S T，Yang D K.Reflective Liquid Crystal Displays[M].New York：John Wiley ＆Sons，2001.

[10]李玉权，崔敏.光波导理论与技术[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[11]邢红玉，叶文江，司立彬，等.混合排列向列相液晶导模中挠曲电效应的影响[J].光学学报，2013，33（2）：0223002-1-0223002-7.

[12]叶文江，王欣，李志广，等.用光导波方法确定扭曲向列相液晶盒指向矢剖面[J].液晶与显示，2011，26（1）：13-18.