CN104777685A - 一种蓝相液晶相位调制光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓝相液晶相位调制光学系统，由蓝相液晶相位调制器件和外光学系统两个部分组成，蓝相液晶相位调制器件包括自下而上依次设置的硅基板、像素电极、蓝相液晶、公共电极和上基板；外光学系统包括，用于接收入射光并产生第一反射光和与第一反射光反向的第一透射光的第一光器件，用于产生第二透射光和与第二透射光垂直的第二反射光的第二光器件，以及由第一透射光形成所述第二透射光的第三光器件。蓝相液晶相位调制器件采用硅基反射模式来驱动蓝相液晶来控制相位分布，并且结合外光学系统，使光程为传统的反射模式的2倍。该结构具有低电压，快速响应，并且自动补偿边缘电场带来的相位偏移，可以改善相位调制特性，提高分辨率。

Description

一种蓝相液晶相位调制光学系统

技术领域

本发明涉及一种相位调制光学系统，尤其涉及一种基于蓝相液晶自适应液晶的相位调制光学系统。

背景技术

液晶相位调制器，尤其是纯相位调制的液晶相位调制器可以只对波前相位进行调制,不引起对光能的吸收,因此衍射效率极高,对光波波束的方向、空间分布的控制表现出独有的优势，在光互联、光通信、光计算、光电对抗等领域具有极大的潜在应用价值。

目前采用向列相液晶构成的相位调制器，在有上下两块玻璃基板构成的液晶屏采用平行取向构成平行均匀排列的液晶，产生相位调制。前基板从玻璃基板起，分别是公关电极层、取向层；后基板从玻璃基板起，分别是相控单元控制电极层、取向层。由前后基板制成液晶屏，屏的厚度由分散在玻璃基板内表面的衬垫决定，液晶屏内部灌注向列相液晶。液晶相位调制器的工作原理，在液晶相控单元的控制电极施加不同电压，在前后基板间产生电场。液晶屏中间的液晶分子轴的排列产生改变，对于上述平行均匀排列的液晶分子，在电场作用下，由于液晶非寻常光n_e随着外加电场而变化，使得相位差Δφ也随着外加电场而变化，这样在不同的电压作用下，器件产生对入射光的相位调制作用。通常是通过选择合适的液晶材料参数、液晶盒厚度，在一定电压作用下，产生2π的相位调制量。随着三维显示及光通信等技术的发展，对相位调制器的分辨率要求进一步提高，对相位调制的响应时间进一步加快，目前向列相液晶构成的相位调制器不能满足要求。

蓝相是一种特殊的液晶相态，具有许多优异的物理特性。蓝相液晶的工作机理不同于传统的向列相液晶。宏观上说，蓝相液晶是基于克尔效应(Kerr effect)，不加电场时，蓝相液晶为各向同性；施加电场后，分子沿长轴方向变化，表现出光学和电学的各向异性。由于其分子的变化是在局部位置发生，所以具有亚毫秒量级的响应时间。蓝相液晶的光学各向同性、亚毫秒级响应时间、无需取向和大的光学克尔效应等特性使其成为下一代显示领域和光电子领域极具有竞争力新型材料，具有广泛的应用前景。

本发明提出一种蓝相液晶相位调制光学系统。采用硅基反射模式来驱动蓝相液晶来控制光的相位分布，并且结合外光学系统，使光程为传统的反射模式的2倍。该结构具有低电压，快速响应，并且自动补偿边缘电场带来的相位偏移，可以改善相位调制特性，提高分辨。

发明内容

本发明的目的是针对现有的液晶相位调制器响应速度慢及分辨率低的局限，提出了一种蓝相液晶相位调制光学系统，提高响应速度，改善相位调制特性，提高分辨率。

本发明的技术方案是：

一种蓝相液晶相位调制光学系统，其特征在于：由蓝相液晶相位调制器件和外光学系统两个部分组成，所述蓝相液晶相位调制器件包括自下而上依次设置的硅基板、像素电极、蓝相液晶、公共电极和上基板；所述外光学系统包括，用于接收入射光并产生第一反射光和与第一反射光反向的第一透射光的第一光器件，用于产生第二透射光和与第二透射光垂直的第二反射光的第二光器件，以及由所述第一透射光形成所述第二透射光的第三光器件；所述第一光器件和第二光器件位于所述上基板的上表面，所述第一透射光由第一反射光经所述像素电极反射形成，所述第二反射光由第二透射光依次经所述像素电极和第二光器件反射形成。

其特征在于：在所述第一光器件或第二光器件与第三光器件之间还设置有一二分之一波片。

在所述上基板上表面还设置有光阻挡墙，该光阻挡墙位于所述第一光器件和第二光器件之间。

所述第一光器件和第二光器件为分光棱镜或分光片。

所述第三器件为两个相对设置的直角棱镜或相对设置的光学棱镜及透镜组合。

本发明蓝相液晶相位调制光学系统工作原理如下：

当入射线偏振光垂直入射到第一光器件上，透射部分光穿过第一光器件被光遮挡墙吸收，第一反射光进入到蓝相液晶相位调制器件左半部分。通过在像素电极和公共电极间施加电压，蓝相液晶在克尔效应作用下，折射率空间产生变化，从而实现对入射光相位的调制。经过蓝相液晶相位调制器件的光从像素电极反射，形成第一透射光，回到第一光器件，第一透射光经过二分之一波片，控制二分之一波片与入射光偏振方向夹角为45度，则经过二分之一波片后，第一透射光偏振方向转90度。第一透射光再经过第三光器件后形成第二透射光，经过第二光器件后进入蓝相液晶相位调制器件的右半部分，通过在对应的像素电极和公共电极间施加电压，对入射光相位进行调制。第二透射光经过像素电极反射及第二光器件反射，形成第二反射光输出。该结构光程为传统反射模式液晶相位调制器件的两倍，可以大大降低驱动电压。并且，由于二分一波片的作用，入射光经过蓝相液晶相位调制器件左半部分和右半部分，分别累计的相位由寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e共同带来。对于寻常光折射率n_o产生的相位延迟量在边缘电场作用下比理论的相位延迟量减小，而对于非寻常光折射率n_e产生的相位延迟量在边缘电场作用下比理论的相位延迟量增加而采用我们提出的这个调制光学系统，光经过二分之一波片后，偏振光方向转90度，整个系统的总相位调制量是寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e的累加，因此，可以自动补偿由像素电极间压差导致的边缘场效应带来的相位偏离，从而改善相位调制精度。

当入射自然光垂直入射到第一光器件上，透射部分光穿过第一光器件被光遮挡墙吸收，第一反射光进入到蓝相液晶相位调制器件左半部分。通过在像素电极和公共电极间施加电压，蓝相液晶在克尔效应作用下，折射率空间产生变化，从而实现对入射光相位的调制。经过蓝相液晶相位调制器件的光从像素电极反射，形成第一透射光，回到第一光器件。第一透射光再经过第三光器件后形成第二透射光，经过第二光器件后进入蓝相液晶相位调制器件的右半部分，通过在对应的像素电极和公共电极间施加电压，对入射光相位进行调制。第二透射光经过像素电极反射及第二光器件反射，形成第二反射光输出。该结构光程为传统反射模式液晶相位调制器件的两倍，可以大大降低驱动电压。

比较好的是，本发明的蓝相液晶相位调制光学系统，具有较低的驱动电压。

比较好的是，本发明的蓝相液晶相位调制光学系统，可以自动补偿边缘电场效应带来的相位偏移，有效改善相位调制精度，提高分辨率。

比较好的是，本发明的蓝相液晶相位调制光学系统，无需取向层，可以大大降低工艺制备难度。

比较好的是，本发明的蓝相液晶相位调制光学系统，具有快速的响应时间。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1、本发明的本发明的蓝相液晶相位调制光学系统，利用外光学系统设计，使光程为传统的反射模式的2倍，使蓝相液晶相位调制电压降低。

2、本发明的蓝相液晶相位调制光学系统，采用的是蓝相液晶，响应时间可以大大减小，甚至达到亚微秒量级。

3、本发明的蓝相液晶相位调制光学系统，可以自动补偿边缘电场效应带来的相位偏移，从而可以得到更加精确的相位面控制，有利于制备更小像素尺寸，更高分辨率的蓝相液晶相位调制器件。

附图说明

图1是为本发明的蓝相液晶相位调制光学系统示意图(针对线偏振光入射光)。

图2是为本发明的蓝相液晶相位调制光学系统示意图(针对自然光入射光)。

图中：1、蓝相液晶相位调制器件；2、外光学系统；3、硅基板；4、像素电极；5、蓝相液晶6、公共电极；7、上基板；8、第一光器件；9、二分之一波片；10、第三光器件；11、光遮挡墙；12、第二光器件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一，蓝相液晶相位调制光学系统示意图(针对线偏振光入射光)

一种蓝相液晶相位调制光学系统，其结构如图1所示，其结构由蓝相液晶相位调制器件1和外光学系统2两个部分组成，蓝相液晶相位调制器件1自下而上依次设置硅基板3、像素电极4、蓝相液晶5、公共电极6和上基板7；所述外光学系统2包括，用于接收入射光并产生第一反射光和与第一反射光反向的第一透射光的第一光器件8，用于产生第二透射光和与第二透射光垂直的第二反射光的第二光器件12，以及由所述第一透射光形成所述第二透射光的第三光器件10；所述第一光器件8和第二光器件12位于所述上基板7的上表面，所述第一透射光由第一反射光经所述像素电极4反射形成，所述第二反射光由第二透射光依次经所述像素电极4和第二光器件12反射形成。在所述第一光器件8或第二光器件12与第三光器件10之间还设置有一二分之一波片9。在所述第一光器件8或第二光器件12之间，在所述上基板7上表面还设置有光阻挡墙11。

该蓝相液晶相位调制光学系统工作原理所示如下：当入射线偏振光垂直入射到第一光器件8上，透射部分光穿过第一光器件8被光遮挡墙11吸收，第一反射光进入到蓝相液晶相位调制器件1左半部分。通过在像素电极4和公共电极6间施加电压，蓝相液晶5在克尔效应作用下，折射率空间产生变化，从而实现对入射光相位的调制。经过蓝相液晶相位调制器件1的光从像素电极4反射，形成第一透射光，回到第一光器件8，第一透射光经过二分之一波片9，控制二分之一波片9与入射光偏振方向夹角为45度，则经过二分之一波片9后，第一透射光偏振方向转90度。第一透射光再经过第三光器件10后形成第二透射光，经过第二光器件12后进入蓝相液晶相位调制器件1的右半部分，通过在对应的像素电极4和公共电极6间施加电压，对入射光相位进行调制。第二透射光经过像素电极4反射及第二光器件12反射，形成第二反射光输出。其中，Δn为蓝相液晶电致折射率变化，Δn_s为蓝相液晶饱和折射率变化，E_s为饱和电场大小，E为外加电场大小，n_iso为未加电压时蓝相液晶折射率大小，n_o为寻常光折射率，n_e为非寻常光折射率，n_eff为有效非寻常光折射率，θ为入射光与晶体光轴之间的夹角，λ为入射光波长，d为蓝相液晶相位调制器件1的盒厚，ψ为相位延迟量。因此，该结构与传统的反射性液晶相位调制器相比，具有两倍的光程差，可以有效降低驱动电压，并且采用的是蓝相液晶，具有亚毫秒的响应速度。并且，由于其总相位延迟量由寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e累加得到，可以自动补偿边缘电场效应带来的相位偏离，获得精确的相位控制，提高分辨率。

Δn＝Δn_s(1-exp(-E/E_S)²)   (1)

$n_o=n_{\mathrm{iso}}-\frac{\mathrm{\Δn}}{3}---\left(2\right)$

$n_e=n_{\mathrm{iso}}+\frac{2\mathrm{\Δn}}{3}---\left(3\right)$

$n_{\mathrm{eff}}\left(E\right)=\frac{n_o\left(E\right)n_e\left(E\right)}{\sqrt{{n_o}^2\left(E\right){\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)+{n_e}^2\left(E\right){\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}}---\left(4\right)$

$\mathrm{\ψ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^d(n_{\mathrm{eff}}\left(E\right)+n_o\left(E\right))\mathrm{dz}---\left(5\right)$

实施例二，蓝相液晶相位调制光学系统示意图针对自然光入射光

一种蓝相液晶相位调制光学系统，其结构如图2所示，其结构由蓝相液晶相位调制器件1和外光学系统2两个部分组成，蓝相液晶相位调制器件1自下而上依次设置硅基板3、像素电极4、蓝相液晶5、公共电极6和上基板7；所述外光学系统2包括，用于接收入射光并产生第一反射光和与第一反射光反向的第一透射光的第一光器件8，用于产生第二透射光和与第二透射光垂直的第二反射光的第二光器件12，以及由所述第一透射光形成所述第二透射光的第三光器件10；所述第一光器件8和第二光器件12位于所述上基板7的上表面，所述第一透射光由第一反射光经所述像素电极4反射形成，所述第二反射光由第二透射光依次经所述像素电极4和第二光器件12反射形成。在所述第一光器件8或第二光器件12之间，在所述上基板7上表面还设置有光阻挡墙11。

该蓝相液晶相位调制光学系统工作原理所示如下：当入射线偏振光垂直入射到第一光器件8上，透射部分光穿过第一光器件8被光遮挡墙11吸收，第一反射光进入到蓝相液晶相位调制器件1左半部分。通过在像素电极4和公共电极6间施加电压，蓝相液晶5在克尔效应作用下，折射率空间产生变化，从而实现对入射光相位的调制。经过蓝相液晶相位调制器件1的光从像素电极4反射，形成第一透射光，回到第一光器件8。第一透射光再经过第三光器件10后形成第二透射光，经过第二光器件12后进入蓝相液晶相位调制器件1的右半部分，通过在对应的像素电极4和公共电极6间施加电压，对入射光相位进行调制。第二透射光经过像素电极4反射及第二光器件12反射，形成第二反射光输出。其中，Δn为蓝相液晶电致折射率变化，Δn_s为蓝相液晶饱和折射率变化，E_s为饱和电场大小，E为外加电场大小，n_iso为未加电压时蓝相液晶折射率大小，n_o为寻常光折射率，λ为入射光波长，d为蓝相液晶相位调制器件1的盒厚，ψ为相位延迟量。因此，该结构与传统的反射性液晶相位调制器相比，具有两倍的光程差，可以有效降低驱动电压，并且采用的是蓝相液晶，具有亚毫秒的响应速度。

Δn＝Δn_s(1-exp(-E/E_S)²)   (1)

$n_o=n_{\mathrm{iso}}-\frac{\mathrm{\Δn}}{3}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ψ}=\frac{8\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^d{n}_o\left(E\right)\mathrm{dz}---\left(3\right)$

本实施例仅给出了部分具体的应用例子，但对于从事平板显示器的专利人员而言，还可根据以上启示设计出多种变形产品，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims (5)

1.一种蓝相液晶相位调制光学系统，其特征在于：由蓝相液晶相位调制器件（1）和外光学系统（2）两个部分组成，所述蓝相液晶相位调制器件（1）包括自下而上依次设置的硅基板（3）、像素电极（4）、蓝相液晶（5）、公共电极（6）和上基板（7）；所述外光学系统（2）包括，用于接收入射光并产生第一反射光和与第一反射光反向的第一透射光的第一光器件（8），用于产生第二透射光和与第二透射光垂直的第二反射光的第二光器件（12），以及由所述第一透射光形成所述第二透射光的第三光器件（10）；所述第一光器件（8）和第二光器件（12）位于所述上基板（7）的上表面，所述第一透射光由第一反射光经所述像素电极（4）反射形成，所述第二反射光由第二透射光依次经所述像素电极（4）和第二光器件（12）反射形成。

2.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶相位调制光学系统，其特征在于：在所述第一光器件（8）或第二光器件（12）与第三光器件（10）之间还设置有一二分之一波片（9）。

3.根据权利要求1或者2所述的蓝相液晶相位调制光学系统，其特征在于：，在所述上基板（7）上表面还设置有光阻挡墙（11），该光阻挡墙（11）位于述第一光器件（8）和第二光器件（12）之间。

4.根据权利要求1或2所述的蓝相液晶相位调制光学系统，其特征在于：所述第一光器件（8）和第二光器件（12）为分光棱镜或分光片。

5.根据权利要求1或者2所述的蓝相液晶相位调制光学系统，其特征在于：所述第三光器件（10）为两个相对设置的直角棱镜或相对设置的光学棱镜及透镜组合。