强光源下液晶光阀光斑的消除

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摘 要：文章研究了液晶光阀强光源下的光斑现象，分析了光斑产生的原理和加工条件，开发出没有光斑的液晶光阀新产品。

关键词： 强光源；光斑；液晶光阀

中图分类号：TN141.9 文献标识码：B

The Eliminate of Flare Under Strong Light Source by Liquid Crystal Shutter

KANG Wei-hua, WANG Xiao-yan, LIU Yan-jun

(Hebei Jiya Electronics Co., Ltd., Shijiazhuang Hebei 050071, China)

Abstract: Research the flare under strong light source by liquid crystal shutter.Analyze the theorem and conditions how the flare happen. Developed the new type of liquid crystal shutter without the flare.

Keywords: strong light source; liquid crystal shutter; flare

引 言

自动变光电焊面罩，可以预防眼睛焊接职业病及解脱双手进行操作，在欧美等发达地区已相当普及，近来，在国内劳保市场应用也开始增量。

这种电焊面罩的主要部件是液晶光阀，然而，用普通液晶光阀制作的电焊面罩由于焊接时的光斑现象使焊点附近模糊不清，致使不能用于舰船业、汽车业等高精密焊接行业。

本文首先模拟出这种强光源下的光斑现象，对光斑现象进行原理分析，然后对应到实际加工过程，从液晶光阀生产加工工艺和材料选型方面着手研究改进，从而消除液晶光阀强光源下的光斑现象，使本产品制作的电焊面罩能够用于高精密的焊接行业。

1 光斑分析

1.1 强光源下的光斑模拟

用专业的强射灯光源和背景模拟电焊弧光和焊接环境，给液晶光阀加比饱和电压高0.3V的128Hz方波电压，透过变黑的液晶光阀拍摄射灯和背景的照片，就可以模拟出焊接时透过电焊护目镜看到的现象。图1到图3是用不同工艺制作的3种普通液晶光阀模拟出的3种有代表性的光斑现象。

图1中，光斑是一圈彩色光晕围在光源周围，光斑分布均匀，没有极性；图2中，光斑成直线对称分布，光斑只在某一条直线上呈对称强烈分布；图3中，光斑呈四角分布，有的呈梅花瓣状四角对称，有的在一条直线上对称长距离分布而在其垂线上对称短距离分布。

所有这些光斑使光源附近的图像模糊不清，影响了对光源周边情况的判断。本文研究的就是如何消除光斑，使射灯周边不再有光斑存在，从而使通过液晶光阀看到的光源边缘清晰、无杂光。

1.2 液晶光阀屏结构

图4所示为液晶光阀屏结构示意图，其中起透镜作用的主要是前后偏光片、前后ITO玻璃、前后取向层、液晶层以及盒内垫片。液晶屏前后偏光片光轴呈90°贴附，不加电时，液晶分子在盒内呈90°扭曲，光通过前偏光片后，在盒内被液晶分子扭曲90°，分子长轴平行后偏光片光轴，光线也就通过后偏光片，此时屏呈透明的亮态；加电后，液晶分子顺向电场分布，旋光作用消失，光线通过前偏光片后不改变方向射向后偏光片，线性偏振光与后偏光片光轴垂直，被后偏光片挡住不能通过，此时屏呈不透明的暗态。焊接时就是靠光阀的暗态来遮挡光线的。

1.3 光斑现象分析

由光斑模拟图像结合液晶光阀屏结构，我们分析：光斑是因光源向四周发光，其中透过液晶屏的一部分光线进入我们的视野，由我们眼睛反向看过去的光线图像形成了光斑。

其中的介质就是液晶光阀屏。光线通过作为一个整体的液晶光阀屏后，其方向发生了改变，沿其方向逆回去并不能与入射前的光线重合，无数条这样的光线被眼睛逆回去，相互影响，达到一定程度就产生了光斑。其模型可用薄膜干涉原理图来分析。

图5所示为薄膜干涉原理图，其中光程差公式：Δ=2ntcosθt±λ/2。式中，n为薄膜的折射率，t为入射点的薄膜厚度，θt为薄膜内的折射角，±λ/2是由于两束相干光在性质不同的两个界面（一个是光疏-光密界面，另一个是光密-光疏界面）上反射而引起的附加光程差。

通过薄膜干涉原理图可知，一束入射光在入射前其一部分被界面反射回去，其余部分进入介质，在介质内整合后再形成出射光。

在此，实际情况要比原理图复杂的多。

结合液晶光阀屏结构可知：n1是前偏光片、前ITO玻璃、前定向层综合的一个参数；n2是液晶层、盒内垫片以及盒内杂质综合的一个参数；n3是后偏光片、后ITO玻璃、后定向层综合的一个参数；其中前后定向层上还有摩擦产生的摩擦沟槽在起作用。

对应于液晶光阀屏的结构分析，影响n的主要有液晶材料本身的折射率，有盒内垫片的影响，有盒内杂质粒子的影响，是多种因素的综合影响；影响t的主要就是液晶层的厚度，也就是液晶盒的盒厚；θt主要受定向材料的影响，盒内垫片及杂质的影响。整体分析，有因液晶盒厚度不均匀引起的等厚干涉，有因光线入射点位置不同引起的等倾干涉，还有盒内垫片等引起的光的折射、衍射。等倾干涉、等厚干涉和折射、漫射、衍射混合作用，经过复杂的整合后，作为一个总的折射光输出，就是这总的折射光逆回去产生了不同形状和大小的光斑：有光环、有光瓣、有光束，造成了光源边缘模糊、有杂光。

1.4 生产加工参数分析

1.4.1 液晶盒厚度的影响

根据透过率极值理论优化Δnd值，经过对几种厚度的盒厚进行优化实验，用前述方法进行光学评价，实验表明，5.7±0.2μm范围内盒厚的光阀屏，光源边界的清晰度较好，光斑现象较轻。

1.4.2 支撑垫片的影响

液晶盒内支撑盒厚度的支撑垫片，对光会产生折射、漫射、衍射等光干扰现象，减小支撑垫片的光干扰有利于消减光斑现象。在保证支撑强度的前提下，经过对垫片密度的实验，发现在40～60、60～80、80～100、100～120每平方毫米四个密度区间内，40～60个/mm2这一区间，对光的干扰综合影响最小，用前述评价方案可见，光源边界的清晰度最高。

支撑垫片的玻璃化硬度和垫片的折射率有很大的关系，经过对不同材质的垫片进行实验分析，评价出硬度低、塑性强的垫片更有利于提高光阀产品的清晰度。近来，更有专用于针对减少可见光干涉的着色垫片量产，此垫片对减小光干扰效果十分明显，可以大大提高光阀的清晰度，不过价位较高。

1.4.3 定向层的影响

定向层直接承载着液晶分子的有序排列任务，其平整度优劣直接影响光的通过质量；定向层摩擦密度，与液晶畴密度息息相关，直接影响了光密度，从而影响了光阀的黑度，对清晰度影响很大；定向层的预倾角对光的折射影响也很大。

摩擦痕迹受定向层的固化程度和摩擦条件的匹配影响很大，不同于离散的微小的摩擦沟槽，连成线的摩擦痕迹对光斑的影响尤为严重。

1.4.4 盒内杂质的影响

净化车间的洁净度级别影响盒内污染程度，清洗水平高低影响盒内杂质数量，盒内杂质影响液晶分子有序排列，其本身也产生光干扰。杂质的折射率和液晶层的折射率不同，使光通过时干扰严重，光阀黑度降低，清晰度变差，光斑现象增强。提高清洗工艺水平，尤其是摩擦工艺后，成盒工艺前的清洗程度对光阀的光斑消除尤其重要。

1.4.5 偏光片色度的影响

由光的合成分解以及色度学可知，偏光片材料的色度对液晶屏的颜色及加电后黑度影响很大，对液晶光阀光斑的影响明显。优选合适的偏光片和优化的液晶盒匹配，可以对光进行很好的调制，消减彩色，增加黑度，减弱光干扰现象，弱化光斑的产生。

2 实验结果

通过分析、研究、实验，我们开发出一整套解决方案：

用预倾角1～3°的聚酰亚胺定向材料，涂覆厚度1,100埃，用260℃、1小时的固化条件，采用转速1,000、移速100、压入量0.35的摩擦条件，摩擦后用纯水清洗并烘干。

采用SP57的塑料球垫片，喷洒密度40～60个/mm2，配以对应5.7μm盒厚的框胶、点胶及成盒条件。

选用Δn值为0.09的液晶材料。

偏光片前后片选用NPF-G1220DU / LN-1823T的搭配。

利用这套方案生产的液晶光阀可以很好地整合光干扰，消除光斑的产生。

图6所示为此方案生产的液晶光阀屏加电变黑后，用照相机透过它拍摄的强光源的图片，可以看到，强光源周围已经没有了彩色光斑。

3 讨论与分析

经过实验验证，分析为前述光圈型光斑主要为垫片喷洒密度过大、垫片材质玻璃化性强、塑性差及盒内杂质多造成，尤其是在多于120个/mm2后，光圈型光斑十分严重，是为漫射严重引起；直线型光斑主要是与光斑所在直线相垂直摩擦方向的那片定向层摩擦痕迹重引起，摩擦痕迹形成细密的断续成线的平行的微弱栅条，致使光的衍射现象严重引起；而四角型光斑则是两片定向层摩擦痕迹都重引起的，相垂直的两个方向上光衍射都比较严重，如果两片定向层摩擦受损程度相当，则两垂向的光衍射严重程度也就会相当，则为梅花瓣状四角对称分布光斑，如果一片比另一片重，则光斑表现为一条直线上光斑对称长距离分布而在其垂线上光斑对称短距离分布，重轻程度相差越大，则分布时长距离和短距离的距离差也越大。

此处分析的是主要因素，更多的因素综合在一起组成的次要因素对光斑产生的影响也不容小觑。如果只抓主要因素而忽视了次要因素，那么问题还是解决不了。总之，消除光斑是一个综合性的问题，需要整体考虑，采取综合措施。

4 结 论

通过对光斑现象产生的原因分析，对应到相关各影响因素，再具体到产品加工过程，开发出特定工艺生产的液晶光阀，可以消除强光源下的光斑现象，使本工艺生产的液晶光阀电焊面罩可用于舰船业、汽车业等高端精密焊接行业，同时讨论分析了各种不同光斑的对应主要产生因素。

参考文献

[1] 黄锡珉，黄辉光，李之熔. 液晶器件手册[M]. 北京：航空工业出版社.

[2] （印）加塔克. 光学[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[3] 李维，郭 强. 液晶显示应用技术[M]. 北京：电子工业出版社.

[4] Personal eye-protection Optical test methods. BS EN167: 2002.省略。