浅谈液晶的电光特性及应用

作为一种凝聚态物质，液晶的特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间，是有序性的流体。从宏观物理性质看，它既具有液体的流动性、粘滞性，又具有晶体的各向异性，能像晶体一样，产生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应，也能在外场作用下，产生热光、电光或磁光效应。现在，液晶技术已被广泛应用于各个技术领域，例如在空间光调制器应用方面。

液晶的电光特性

01 液晶的双折射现象

液晶的重要特性之一，就是像晶体那样，因折射率的各向异性而发生双折射现象。单轴晶体有两个不同的主折射率，分别为o光折射率n0 ，e光折射率ne，因折射率的各向异性，导致液晶的双折射性，从而呈现出许多有用的光学性质。如能使入射光的前进方向偏于分子长轴方向，能够改变入射光的偏振状态或方向，能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射，这些光学性质，都是液晶能作为显示材料应用的重要原因。

02 电控双折射效应

对液晶施加电场使液晶的排列方向发生变化，因此，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射的现象。这一效应说明，液晶盒的光轴可以由外电场改变，光轴的倾斜随电场的变化而变化，因而两双折射光束间的位相差也随之变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。因此液晶具有远比晶体灵活多变的电光性质。

03 动态散射

当在液晶盒两极上加电压驱动时，因电光效应，液晶将产生不稳定性，原来透明的液晶会出现一排排均匀的黑条纹，这些平行条纹彼此间隔数10微米，可以用作光栅。进一步提高电压，盒内不稳定性加强，出现湍流，从而产生强烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明了。断电后，液晶又恢复透明状态。这就是液晶的动态散射。它是由于液晶性质相反的介电性和导电性竞争的结果。如果其介电各向异性为负，在电场作用下要垂直于电场排列；若导电各向异性为正，则要沿着电场排列。在少量杂质的参与下，就出现了复杂的不稳定现象。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要依据。

04 动态散射

在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕与它们互相垂直的轴相对扭转一个90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。在这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行，在不施加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转90°。因而光进入检偏片时，由于偏振光轴互相垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态。增加外加电压，超过某一电压时，外视场呈亮态，由此可得黑底白像。若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得白底黑像。

05 动态散射

将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢方向排列。在电压为零时，染料分子与液晶分子均平行基片排列，对可见光有一吸收峰，当电压达到某一值时，吸收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。可见，用外加电场就能改变液晶盒的颜色，从而实现彩色显示。由于染料少，且以液晶方向为准，故为“宾”，液晶则为“主”，故得名“宾主”效应。

液晶的应用

随着液晶空间光调制器的发展，它被应用到了许多领域中，例如光学相关器，光学运算，图像处理，全息影像等等。

目前为止，液晶空间光调制器应用最广泛的领域仍然是显示方面。利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场的作用下发生变化，影响液晶单元的反射率或透光率，从而影响光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。

光学相关运算是光学信息处理中最重要的手段之一。光学相关器在机器人视觉、光学计算、目标追踪、物体检测等诸多领域里有重要应用。液晶空间光调制器就是实现光学相关器实时处理的关键元件。在光学信息处理中，由于相干光能够携带的信息比非相干光更多，人们更偏向于使用相干光系统。光寻址空间光调制器通常被运用于非相干光到相干光图像的转换输入，以便对输入光信息进行相干处理。

液晶空间光调制器由于相位噪声小、转换速度快的优点，常被应用于光学系统的图像预处理中。由于物体的边缘信息即高频信息，常在识别过程中起着重要作用，因此，调整液晶空间光调制器的电压或者工作频率便可以输入边缘增强的图像。复杂一点的图像预处理如坐标变换则通常需要电子系统来完成。人们曾研制过一种采用对数扫描线路的电子束寻址空间光调制器，输入图像由电子硬件直接实现了坐标变换。此外，在图像处理中常用到的空间滤波器，可以通过使用电寻址液晶空间光调制器实现滤波函数的高速更换。

利用液晶空间光调制器生成计算全息图，可以应用于远场预想图像的重现，动态控制光束偏转。传统光学全息就是通过光波的干涉和衍射实现的。由于这种技术保留了物光波的全部振幅和位相信息，人们在观察全息三维图像时就会得到与观察原物时完全相同的视觉效果，获得贯有的视觉深度暗示。计算全息就是利用计算机形成全息图，通过空间光调制器或者液晶光阀显示其全息图，利用相干光照明重现预想的物图像。计算机形成全息图通常分为以下几个步骤：读图、二维离散傅立叶变换、编码。假如在编码过程中选择一定变换参数作为逆变换的密钥，还可以实现加密存储和传输。

液晶学已成为一门新兴科学技术，广泛应用于当代各个领域。此外，液晶显示与同一时期迅速发展的大规模集成电路，微型电池及其他微型电子元件相匹配，更是如虎添翼。

中科微星作为国内重点高新技术企业，在空间光调制器硬件、软件方面不断研究开发新产品，让我们拭目以待。

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