摘 要：研究了正模式聚合物稳定的胆甾相液晶(PSCT)光阀开、关态时的光透过率在400～1600nm波段的分布特性，通过实验分析了聚合物浓度和胆甾液晶的螺距对光阀在关态时光透过率随波长分布特性的影响。优化制作条件，制作出一种新型的PSCT光阀，配合CCD摄像器和计算机，设计发明了一种火灾监控装置，通过对高温物体辐射出的近红外光的监测，可以准确报警。
关键词：聚合物稳定的胆甾相液晶；光透过率分布；CCD摄像器；红外探测
1 引言
聚合物稳定的胆甾相织构(Polymer stabilized cholesteric texture, PSCT)液晶是一种新型的液晶显示模式［1］，它不需要偏振片，可以实现很高的亮态透过率，并且克服了传统的聚合物分散液晶(PDLC)在亮态时沿倾斜方向上有剩余散射的缺点。PSCT器件在亮态时对各个方向入射的光均可以很好地透射［2］，因而具有更大的应用潜力，受到愈来愈多的研究人员的关注。
正模式PSCT(Normal-Mode PSCT, NM-PSCT)，是将胆甾液晶的焦锥织构用垂直于基板方向的各向异性的聚合物网络稳 定，使之成为零电场下的稳定态。焦锥态是一个多畴态，在每个液晶小畴内液晶分子仍然呈螺旋排列，不同的液晶畴的螺旋轴则随机排列，当光入射时，在相邻的液晶畴边界处，由于折射率的突变，入射光发生折射，经多次折射形成强烈的散射。在液晶盒的两端施加一个电场，当电场强度E＞Ec=2π2( πK2/Δε)1/2/P时，液晶的螺旋结构被打开，所有液晶 分子趋向于沿电场方向排列，液晶层对于各个方向入射的光都是一个折射率均匀一致的介质层，因而均可以很好地透射。NM-PSCT在散射态时，对入射光的散射效率由液晶材料的各向异性折射率、液晶层厚度以及液晶畴的粒径大小决定。在液晶材料和膜厚度一定的条件下，对入射光的散射效率由作为散射中心的液晶畴的粒径大小决定［3］。对于不同波长的入射光，液晶畴的散射效率不同，表现为光阀的光透过率的差异。NM-PSCT在关态的光透射特性对器件的开关特性有着非常重要的影响。研究液晶畴粒径的尺寸大小对NM-PSCT光阀的光透过率的波长分布 特性的影响，对应用于各种特殊条件下的NM-PSCT光阀的设计和制作具有重要的指导意义。
2 NM-PSCT光阀的制作
2.1 材料
实验中选用的胆甾液晶是通过在向列液晶材料PN-001(日本Lotic co.，提供)中掺杂手性材料CM-33(日本Chisso co., 提供)混配得到，通过改变手性材料的浓度来调节胆甾液晶的螺距。选用的聚合物材料是一种双甲基丙烯酸酯类单体(吉林大学化学系合成提供)，其化学分子结构式如图1所示。单体分子的两端各有一个双键，在光敏剂的诱导下通过紫外光照，双键很容易打开相互发生交联形成网络结构。将 液晶材料按照一定的比例与单体材料混合，并掺入少量的光敏剂材料，单体材料和光敏剂的重量比为20∶1。
图1 实验中选用的聚合物单体材料的化学分子结构式
2.2 制作过程
将液晶、单体和光敏剂的混合材料在各向同性状态下搅拌使之充分混合均匀。液晶盒内表面除了洁净之外无需其它的表面处理，盒厚用10μm的玻璃微珠进行控制。将混合好的液晶混合材料在各向同性态条件下注入到液晶盒中。在室温条件下用照度为1mW/cm2的紫外光辐照样品使单体材料发生交联，光照同时在 液晶盒两端施加一个50V的交流电场(1kHz)。辐照时间为30min，辐照结束后去掉电场。
3 测试与结果讨论
3.1 NM-PSCT光阀的电光特性
制作出的样品在零电场下呈乳白色，对可见光的透过率较低，施加合适的电压，呈透明态。其电压-可见光透过率曲线如图2所示。由于无需偏光片，其亮态的光透过率可达到80%左右，其光损失主要来自于玻璃基板的反射、膜吸收及液晶层中聚合物网络和液晶之间的少量的散射。
图2 NM-PSCT光阀的电压-可见光透过 率曲线。
聚合物浓度为2.6wt%, 液晶螺距为1.2μm，盒厚：10μm
3.2 NM-PSCT的光透过率随波 长分布特性
实验证明NM-PSCT在关态时对不同波长的光的散射效 率是不同的，如图3所示。图3为NM-PSCT光阀分别在亮态(Field-On state)和关态 (Field-Off state)状态下在400～1600nm波段的入射光的光透过率分布曲线。
图3 NM-PSCT在亮态和暗态时光透过率随波长的分布曲线
图中可以看出，亮态时NM-PSCT光阀对于400～1600nm区间的各个波长的光均可以很好地透射。在关态时，其散射效率随波长的增 大而降低，可见光波段的散射强度很高，透过率较低，而760～1600nm的近红外光的散射强度较弱，因而透过率相对较高。由于器件对400nm以下的紫外波段的光有 较强的吸收，因此这里我们只考虑可见波段和近红外波段的入射光的散射特性。
NM-PSCT在暗态时对入射光的散射效率取决于液晶畴的粒径大小。当作为 散射中心的液晶畴的粒径大小一定时，所对应散射最强，即透过率最低时的入射光 波长标记为λmin。由于液晶畴的粒径大小有一定的分布，而且其实际 形状的不规则性，因此对应的最佳散射波长λmin也有一定的波长范围 分布，记为Δλmin。由于目前还无法准确测定焦锥态时液晶畴的粒径大小，而且也没有一个较好的理论模型来描述胆甾液晶焦锥态时液晶畴散射特性，因此无法确定液晶畴的粒径大小和最佳散射波段Δλmin的定量关系。在实验基础上，人们通常认为当液晶畴的粒径大小与入射光波长大致相当或略小于 入射光的波长时，对该入射光的散射效果最佳［3］。在器件的制作过程中，改变制作条件可以调节形成的液晶畴的尺寸大小，从而可以改变光透过率随波长的分布特性，调节最佳散射波段Δλmin的分布。
NM-PSCT在暗态时液晶畴的粒径大小与网络的尺寸和液晶材料的螺距有关。聚合物 网络在NM-PSCT中的作用表现在两个方面，一是对液晶分子提供一种垂直于基板方向的取向作用，使液晶稳定在焦锥态；二是网络作为液晶畴的边界，控制液晶畴的 大小。实验已证明，在器件制作过程中改变紫外固化光强或聚合物在液晶中的含量，就可以改变网络的尺寸大小［4］。随着液晶中聚合物含量的增加，网络织构更加致密，网络间隙的尺寸变小，液晶畴的尺寸也随之减小［3～5 ］。图4给出了不同聚合物含量的NM-PSCT光阀在暗态时光透过率在可见和近红外波段随波长分布曲线。从图中可以看出，3条曲线具有相同的波长分布趋势，每条曲线都存在一个波段Δλmin，其对应的光透过率最低，即散射最强。对于波长大于该波段的入射光，其光透过率随波长的增大而增大。由图还可以看出，随着聚合物含量的增加，液晶畴的粒径尺寸减小，对应的关态的光透过率随波长分布曲线及Δλmin的位置向短波方向移动。
图4 聚合物浓度对NM-PSCT光阀关态 光透过率随波长分布的影响。
聚合物浓度依次为：2.0 wt%，3.0 wt%，4.0 wt%， 液晶材料的螺距为1.7μm
胆甾液晶材料的螺距对焦锥态的液晶畴的尺寸也有较大影响。液晶材料的螺距越短，在关态时的液晶畴的粒径尺寸越小［6］。图5是使用4种不同的螺距的液晶材料制作的NM-PSCT器件， 在关态时光透过率随波长分布曲线。从图中可以看出，液晶材料的螺距对光阀关态光透过率随波长分布特性的影响与图4中聚合物浓度的影响非常相似，每条曲线也都存在一个波段，其对应的光透过率最低。而且随着液晶材料螺距的减小，其对应 的Δλmin和光透过率随波长分布曲线均向短波方向移动。
图5 不同螺距的N-PSCT光阀的关态光透过率随波长分布曲线。聚合物浓度均为2.6 wt%
4 NM-PSCT光阀在红外探测方面的一种应用
正确了解分析NM-PSCT光阀的光透过率随波长分布的特性，通过优化器件制作条件，可以使光阀满足某些特殊方面的应用。这里给出了一种NM-PSCT光阀在红外探测方面的应用。
4.1 CCD摄像器的光 谱响应特性
a-Si-CCD摄像器和监视器配合作为图像监控应用非常广泛。从a-Si-CCD光谱响应特性曲线(图6)［7］中可以看出，CCD在400～760nm的可见光波段的响应较强，在760～1200nm的近红外波段的响应逐渐减弱。
图6 CCD摄像器的光谱响应特性曲线
4.2 高/低温物体的辐射特性
一般物体的辐射包括两部分：自身辐射和反射。对于常温物体 反射为主要部分，自身辐射很弱，可以忽略。高温物体(500K以上)的自发辐射逐渐增强，而反射相对较弱，因此反射可以忽略。将一般常温物体和高温物体看作 Planck黑体，因此常温物体和高温物体的辐射可以分别写成下列形式 (1)
 (2)
这里D和ε分别是反射率和辐射系数，Ts和Th分别为光源的温度和辐射物体温度，C1和C2为第一和第二Planck常数。
常见照明光源 (照明灯和太阳)的辐射光谱主要分布在可见光波段。一般常温物体的辐射主要是反射(自身辐射可以忽略)，而反射不改变光源的光谱分布，因此常温物体的辐射主要在可见光波段。实验证明500～1 000K的高温物体(如火焰等)的辐射光谱主要分布在近红外波段，并且随着物体温度的升高，其辐射光谱向短波方向移动［9］ 。图7左边为以太阳为光源时几种不同反射系数的常温物体的辐射光谱曲线 ，右边为几种高温物体的辐射光谱分布曲线(忽略了反射)［10］。 
图7 高温物体的辐射光谱分布
从图7中可以看出，在400～760nm的可见光波段，高温物体的辐射强度较小，但在760～1200nm的近红外波段，高温物体的辐射强度则远远大于常温物体的反射光强度。然而，a-Si-CCD对400～760nm的可见光和 760～1200nm波段近红外光谱均可以响应。我们可以这样设想，通过优化器件的制作条件，调节NM-PSCT光阀的关态光透过率的波长分布特性，使1之对可见光强烈散射，表现为截止；对于760～1200nm范围内的近红外光则相对透射。将这种NM-PSCT 光阀放置在CCD摄像器前，在光阀亮态时，在监视器中可以得到包括高低温所有物 体的图像，象正常CCD摄像器一样使用。在光阀处于暗态时，由于只有近红外光可以透过，因此监视器上只有高温物体的图像出现，即实现了高/低温物体图像分离，相当于一种近红外CCD摄像器。
4.3 高/低温物体图像分离的实现
图8a是CCD摄像器拍摄到的一幅室内物体的图像，物品台上放置了一部玩具车和一只燃烧着的蜡烛。蜡烛的火焰和玩具车作为高/低温物体进行对 比。通过优化器件的制作条件，制作出了一种新型NM-PSCT光阀，其亮/暗态的光透过率的波长分布如图3所示。其关态时对应的光透过率最低的波段Δλ min位于可见光波段，而近红外波段的光透过率相对较高。  
(a)(b)(c)
图8 在监视器上得到的CCD摄像器拍摄的物体图像。
(a)没 有光阀，(b)NM-PSCT光阀开启，(c)NM-PSCT光阀关闭
将光阀放置在CCD摄像器前，施加一个15V的电压 ，光阀开启，则可见光和近红外光都可以很好地透过(图3所示)。在监视器上得到 了玩具车和燃烧着的蜡烛的完整的图像(图8b)，和没有放置光阀时通过CCD摄像器 所得到的图像基本一样，只是图像的亮度略有降低，这是由于光阀在对可见光的透 过率只有80%造成的。当光阀处于关态时，由于可见光被光阀截止，只有近红外光 相对可以透过，这时在监视器上只得到了在近红外波段辐射较强的高温物体的图像(图8c)。
我们与中国科技大学合作，设计发明了一种新型火灾监控装置，它采用特殊设计制作的NM-PSCT光阀和CCD摄像器，由计算机(配有视频卡)控制。采用软件控制的方法，在光阀处于关态时，通过扫描监视器上CCD所采集到的物体图像的灰度值，判断是否有火情出现。一旦监测范围内出现火焰，可及时发出警报，并在必要时自动打开光阀，采集可见光图像，以供确认及分析事故原因。该装置可以探测到距离CCD摄像器4m远处点燃着的香烟的红外图像并发出警报。该装置已申报国家专利。
5 结 论
实验发现NM-PSCT光阀在暗态时光散射效率受入射光波长的影响，通过控制聚合物的浓度和胆甾液晶的螺距值，来改变形成的液晶 畴的粒径大小，以调节光阀在暗态时的光透过率的波长分布特性，实现光阀对400 ～760nm的可见光波段的入射光散射强烈，光透过率很低，表现为相对截止；而对于760～1200nm的近红外波段的入射光散射较弱，表现为相对透射。利用该光阀，配合CCD摄像器和计算机，可以实现高/低温物体图像的分离。利用该原理，发明了一种新型火灾监控装置，通过对近红外光的探测，可以实现火灾报警，实验结果表明该装置具有非常好的灵敏度。
致谢：作者衷心感谢长春物理所液晶研究室宣丽博士对本论文的有益讨论和指导。
参考文献
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