CN113433723A - 光强调制器、光强调制系统及光强调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光强调制器、光强调制系统及光强调制方法，属于显示技术领域，其可解决现有的光强调制过程复杂问题。本发明的光强调制器包括驱动电路和液晶盒结构，驱动电路与液晶盒结构相连，用于向液晶盒结构内的液晶层提供驱动电压，以形成外加电场，液晶层中掺杂有离子。通过在液晶层中掺杂离子，并利用驱动电路在液晶层形成外加电场，在外加电场的作用下，离子呈游离态，可以提高液晶层内游离离子的浓度。游离离子产生内建电场，由此导致残压的产生，相应改变用于驱动液晶层内液晶分子偏转的有效电场，从而实现光强调制。本发明实施例对现有的光强调制器改造小，易于实现，且实现光强调制时，驱动电压的驱动程序简单，易于实现。

Description

光强调制器、光强调制系统及光强调制方法

技术领域

本发明属于显示技术领域，具体涉及一种光强调制器、光强调制系统及光强调制方法。

背景技术

光强调制器通常是指通过改变外加电场从而控制对入射光的反射或吸收来达到光强调制目的光器件，被广泛应用在光通信、光学测量仪器、激光加工和科学实验等领域。由于液晶优越的光电特性，基于液晶的光强调制器件仍是主流的开发热点。

由于需要抑制液晶盒中的残压对外加驱动电压的影响，在实际使用中常采用高频交流的驱动方式实现光强调制，该方式在实现时域上对光强的各种波形、振幅以及频率等参数调制时需要极为复杂的驱动程序。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种结构简单、易于实现的光强调制器、光强调制系统及光强调制方法。

第一方面，本发明实施例提供一种光强调制器，包括驱动电路和液晶盒结构，所述驱动电路与所述液晶盒结构相连，用于向所述液晶盒结构内的液晶层提供驱动电压，以形成外加电场，其特征在于，所述液晶层中掺杂有离子。

第二方面，本发明实施例还提供一种光强调制系统，包括如前所述的光强调制器。

第三方面，本发明实施例还提供一种光强调制方法，应用于如前所述的光强调制装置，所述方法包括：

利用所述驱动电路向所述液晶盒结构加载驱动电压，以形成外加电场，以使所述液晶层中的离子在所述外加电场作用下形成内建电场；

调整所述内建电场，以改变所述液晶层中液晶分子的偏转角度。

附图说明

图1为本发明实施例的光强调制器的结构示意图一；

图2-图3为本发明实施例的光强调制器的工作原理示意图；

图4为本发明实施例的光强调制器的结构示意图二；

图5为本发明实施例的光强调制系统的结构示意图；

图6为本发明实施例的光强调制方法流程示意图；

图7为本发明实施例的正弦波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图；

图8为本发明实施例的频率为500mHz、1Hz、2Hz的正弦波驱动电压下的光强调制波形的示意图；

图9为本发明实施例的振幅为2.5V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图；

图10为本发明实施例的振幅为3V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图；

图11为本发明实施例的振幅为3.5V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图；

图12为本发明实施例的振幅为2.5V、频率为500mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图；

图13为本发明实施例的振幅为3V、频率为500mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图；

图14为本发明实施例的振幅为2.5V、频率为150mHz、正负帧周期占比为 70％的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明实施例提供一种光强调制器，如图1所示，所述光强调制器包括驱动电路1和液晶盒结构2，液晶盒结构2包括液晶层21，驱动电路1与液晶盒结构2相连，用于向液晶盒结构2内的液晶层21提供驱动电压，以形成外加电场，其中，液晶层21中掺杂有离子22。

本发明实施例的光强调制器，通过在液晶层21中掺杂离子22，并利用驱动电路1在液晶层21形成外加电场，在外加电场的作用下，离子22呈游离态，可以提高液晶层21内游离离子的浓度。游离离子产生内建电场，由此导致残压的产生，相应改变用于驱动液晶层21内液晶分子偏转的有效电场，从而实现光强调制。本发明实施例对现有的光强调制器改造小，易于实现，且应用本发明实施例的光强调制器实现光强调制时，驱动电压的驱动程序简单，易于实现，通过简单的驱动手段即可输出复杂的光强调制波形。

如图1所示，所述液晶盒结构2还可以包括：第一基底23、第二基底24、第一电极层25、第二电极层26、第一取向层27和第二取向层28。其中，第一取向层27和第二取向层28分别位于液晶层21的两侧，第一电极层25位于第一取向层27远离液晶层21的一侧，第二电极层26位于第二取向层28远离液晶层21的一侧，驱动电路1分别与第一电极层25和第二电极层26相连，用于向液晶层21提供驱动电压。第一基底23位于第一电极层25远离第一取向层27 的一侧，第二基底24位于第二电极层26远离第二取向层28的一侧。

在一些实施例中，第一基底23和第二基底24可以为玻璃基底，第一电极层25和第二电极层26的材料可以为ITO(Indium Tin Oxide，氧化烟锡)。

以下结合图2和图3对本发明实施例的光强调制器的工作原理进行说明。

如图2所示，在外加电场

作用下，液晶分子211会在特定平面内发生偏转，同时，液晶层21中存在的游离的离子22也会沿外加电场方向运动，且携带电荷相反的离子22运动方向相反。这些运动的带电离子分别在第一取向层27和第二取向层28附近形成电荷相反的离子层。液晶层21内掺杂的离子22的浓度越高，离子22越密集，在外加电场

作用下，游离的离子22在液晶层21内单位时间内形成的残压也越大，产生的内建电场也越强。内建电场与外加电场

叠加形成有效电场，液晶分子211在有效电场的驱动下偏转。如图3所示，当外加电场

反向时，相反电荷的带电离子中和，进而削减内建电场的强度。在外加的反向电场长时间作用下，内建电场的方向也会发生改变。内建电场的大小和方向发生变化，液晶层21内残压也相应变化，而残压的大小和方向与驱动电压的波形、振幅、频率和正负帧的周期占比密切相关，以周期性的交变电压驱动液晶分子211会产生周期性变化的残压，进而实现周期性的光强调制。

需要说明的是，图2和图3示出的是基于VA(vertical alignment，垂直配向) 的液晶层21，但本发明不限于VA结构。为形成VA结构的液晶向列相排列方式，本发明实施例采用了负性液晶，通过在第一取向层27和第二取向层28上进行摩擦取向，负性液晶以微小倾斜角近似垂直于第一取向层27和第二取向层28。

在一些实施例中，离子22包括以下之一或任意组合：两性离子(Zwitterions)、阴性离子(Anions)、阳性离子(Cations)，例如，脱水山梨糖醇单油酸酯、十二烷基硫酸钠、十二烷基三甲基溴化铵等材料的离子。

在一些实施例中，如图4所示，所述光强调制器还包括温度调节装置3，温度调节装置3与液晶盒结构2相连，用于调节液晶盒结构2的工作温度。温度越高，离子在液晶层内的移动速度越快，在外加电场作用下，残压的生长和擦除速率越快，因此，通过改变液晶调制器的工作温度(即液晶盒结构2的工作温度)可以进一步优化对入射光的调制。

在一些实施例中，温度调节装置3包括温度控制单元31和温度调节单元32，温度调节单元32位于液晶盒结构2的至少一侧，用于改变液晶盒结构2的工作温度，温度控制单元31与温度调节单元32相连，用于控制温度调节单元32的温度。在本发明实施例中，如图4所示，温度调节单元32有两个，分别位于液晶盒结构2的两侧。需要说明的是，在一些实施例中，也可以设置一个温度调节单元32。

在一些实施例中，温度控制单元31可以是外部温控电路，通过外部温控电路实现液晶盒的工作温度可调。

在一些实施例中，温度调节单元32的材料可以是透明材料，例如，电阻丝或ITO等加热材料。

在一些实施例中，如图4所示，所述光强调制器还包括隔热单元4和偏振单元5，隔热单元4位于温度调节单元32远离液晶盒结构2的一侧，偏振单元 5为两个，分别位于液晶盒结构2的两侧(在隔热单元4远离温度调节单元32 的一侧)。在本发明实施例中，隔热单元4有两个，两个隔热单元4分别位于同侧的温度调节单元32远离液晶盒结构2的一侧。偏振单元5也为两个，两个偏振单元5分别位于同侧的隔热单元4远离温度调节单元32的一侧。偏振单元5 可以为偏振片，通过在液晶盒结构2的两侧设置偏振单元5，可以对入射偏振光的相位进行调制进而改变出射光偏振态。在一些实施例中，隔热单元4可以为透明隔热层，也可以是空气。

在一些实施例中，如图4所示，所述光强调制器还可以包括滤光单元6，滤光单元6位于其中一个偏振单元5远离液晶盒结构2的一侧。也就是说，滤光单元6可以只在液晶盒结构2的一侧设置，通常，滤光单元6可以设置在液晶盒结构的入光侧。滤光单元6能够保留特定波段的光，实现包括偏振片结构的液晶光强调制器的波长可调，解决了该结构对特定波长难以实现独立调制的问题。

在一些实施例中，滤光单元6包括至少一个滤光片，也就是说，滤光单元6 可以包括一个或多个滤光片，当所述滤光片为多个时，各滤光片用于保留不同波段的光，且各滤光片叠加设置。

结合图4和图1所示，光强调制器在工作时，入射光从光强调制器一侧进入，从另外一侧输出。通过控制用于驱动液晶层21的驱动电压的波形、振幅、频率、正负帧的周期占比等参数实现对入射光的调制。进一步的，利用外部温度控制单元31控制液晶盒结构2的工作温度，进一步细化对光强的调制。

本发明实施例还提供一种光强调制系统，包括如前所述的光强调制器。

基于前述的光强调制器可制作较大面积的调制面，利用该特性搭配外部光路得到光强调制系统，可实现对高功率入射光的调制，该光强调制系统可以应用于如激光材料加工等领域。

本发明实施例的光强调制系统，通过在光强调制器的液晶层中掺杂离子，并利用驱动电路在液晶层形成外加电场，在外加电场的作用下，离子呈游离态，可以提高液晶层内游离离子的浓度。游离离子产生内建电场，由此导致残压的产生，相应改变用于驱动液晶层内液晶分子偏转的有效电场，从而实现光强调制。本发明实施例对现有的光强调制器改造小，易于实现，且应用本发明实施例实现光强调制时，调整驱动电压的驱动程序简单，易于实现，通过简单的驱动手段即可输出复杂的光强调制波形。

在一些实施例中，如图5所示，所述光强调制系统处理包括光强调制器10 之外，还包括光扩束装置20和光收束装置30，光扩束装置10位于光强调制器 10的入光侧，光收束装置30位于光强调制器10的出光侧。

光强调制器10为前述的光强调制器，由温控单元31和驱动电路1分别控制光强调制器10的工作温度和驱动电压，入射光经光扩束装置20进入光强调制器10，调制输出到光收束装置30。

在一些实施例中，光扩束装置20为Keplerian(开普勒)扩束器，由两片凸透镜组成，能够起到削弱入射光光强分布的作用，扩大入射光的出射面积。光收束装置30为具有收束作用的光学器件，可以由光扩束装置20中的透镜组反向排列组成，也可使用Galilean(伽利略)扩束器结构的反向排列实现，其由一片凸透镜和凹透镜的组合排列。

本公开实施例还提供一种光强调制方法，所述方法应用于如前所述的光强调制装置，如图6所示，所述方法包括以下步骤：

步骤61，利用驱动电路向液晶盒结构加载驱动电压，以形成外加电场，以使液晶层中的离子在外加电场作用下形成内建电场。

结合图1、2、3所示，通过驱动电路1分别向液晶盒结构2中的第一电极层25和第二电极层26加载驱动电压，形成外加电场。在外加电场的作用下，液晶层21中的游离离子22沿外加电场方向运动，形成内建电场并产生残压。

步骤62，调整内建电场，以改变液晶层中液晶分子的偏转角度。

内建电场一旦发生变化，残压也相应发生变化，外加电场与内建电场叠加得到的有效电场也相应发生变化，由此液晶层21内液晶分子211的偏转角度也相应发生变化，使得出光强度发生变化，实现光强调制。

在一些实施例中，所述调整内建电场(即步骤62)，包括：调整驱动电压的以下参数之一或任意组合：波形、振幅、频率、正负帧的周期占比。

在一些实施例中，当光强调制装置包括温度调节装置3(即光强调制装置为图4所示的光强调制装置)时，所述调整内建电场(即步骤62)，包括：利用温度调节装置提高液晶盒结构的工作温度。温度越高，离子22在液晶层21内的移动速度越快，在外加电场作用下，残压的生长和擦除速率越快，因此，通过改变光强调制器的工作温度可以进一步优化对入射光的调制。

在一些实施例中，驱动电压的波形可以为正弦波或方波。

以下结合图7-图14，对调整驱动电压的各种参数得到的光强调制波形进行对比说明。

1、基于驱动电压波形的光强调制

图7为本发明实施例的正弦波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，图7中上方曲线表示振幅为5V、频率为5Hz正弦驱动电信号，下方曲线为频率 10Hz的正弦光强调制波形。在正弦波的驱动电压下，光强调制器可输出正弦光强调制波形。由图7可以看出，输出的光强调制波形的频率(10Hz)为驱动电压频率(5Hz)的两倍。也就是说，可以利用正弦波形的驱动电压得到正弦波形的光强调制信号，其中，正弦光强调制波形频率为正弦驱动电压波形频率的两倍，利用该特性可以实现驱动电压的倍频调制。

图8是频率为500mHz、1Hz、2Hz的正弦波驱动电压下的光强调制波形的示意图，如图8所示，频率为500mHz的驱动电压下的光强调制波形的频率为 1Hz，频率为1Hz的驱动电压下的光强调制波形的频率为2Hz，频率为2Hz的驱动电压下的光强调制波形的频率为4Hz，均满足“正弦光强调制波形频率为正弦驱动电压波形频率的两倍”的特性。

外加电场与驱动电压成正比，驱动电压的波形不同，游离的离子22在液晶层21内的运动状态也会相应地发生改变，由此改变输出的光强调制波形。图9- 图11为方波驱动电压及其对应的光强调制波形的示意图，图9为振幅为2.5V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，图10为振幅为3V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，图11 为振幅为3.5V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图。比较图9-11与图7-8发现，驱动电压的波形不同，得到的光强调制波形也不相同，利用该特性可以得到丰富的光强调制波形。

2、基于驱动电压振幅的光强调制

驱动电压的振幅越大，游离的离子22在液晶层21内的运动速度越快，因而内建电场的变化速率也越快。图9-图11为在不同振幅下的方波驱动电压下的输出光强调制波形，其中，图9为振幅为2.5V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，图10为振幅为3V、频率为150mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，图11为振幅为3.5V、频率为150mHz 的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图。比较图9、图10和图11发现，改变驱动电压的振幅(驱动频率不变)，调制波形发生明显变化，可以达到改变输出调制波形的目的。

3、基于驱动频率的光强调制

在不同驱动频率下，外加电场作用于离子22的时间不同，通过改变驱动电压的频率，可以实现对光强调制波形的调控。图12、13显示了相同驱动频率、不同振幅的方波驱动电压下的光强调制波形。图12为振幅为2.5V、频率为 500mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，图13为振幅为3V、频率为500mHz的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图。对比图12和图13发现，改变驱动电压振幅(驱动频率不变)，调制波形发生明显变化，可以达到改变输出调制波形的目的。

4、基于驱动正负帧的周期占比的光强调制

通常，在驱动电压的正帧周期内，残压会达到较高水平；而在驱动电压的负帧周期内，由于外加电场反向，残压会先减少到零。如果外加电场反向时间足够长，外加电场方向还可以反向。通过控制驱动电压正帧和负帧的比例，可以控制残压在驱动周期内的变化曲线，进而实现对入射光的光强调制。图14为振幅为2.5V、频率为150mHz、正负帧周期占比为70％的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，图9为振幅为2.5V、频率为150mHz、正负帧周期占比为50％的方波驱动电压与对应的光强调制波形的示意图，对比图14和图9发现，改变驱动电压正负帧周期占比(驱动频率和振幅不变)，调制波形发生明显变化，可以达到改变输出调制波形的目的。

本发明的光强调制器、光强调制系统及光强调制方法，基于液晶残压原理，通过改变驱动电压的波形、振幅、频率和正负帧的周期占比等参数，以及改变液晶的工作温度，可实现对输出光的波形、振幅和频率的调制。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种光强调制器，包括驱动电路和液晶盒结构，所述驱动电路与所述液晶盒结构相连，用于向所述液晶盒结构内的液晶层提供驱动电压，以形成外加电场，其特征在于，所述液晶层中掺杂有离子。

2.如权利要求1所述的光强调制器，其特征在于，所述离子包括以下之一或任意组合：两性离子、阴性离子、阳性离子。

3.如权利要求1所述的光强调制器，其特征在于，还包括温度调节装置，所述温度调节装置与所述液晶盒结构相连，用于调节所述液晶盒结构的工作温度。

4.如权利要求3所述的光强调制器，其特征在于，所述温度调节装置包括温度控制单元和温度调节单元，所述温度调节单元位于所述液晶盒结构的至少一侧，用于改变所述液晶盒结构的工作温度，所述温度控制单元与所述温度调节单元相连，用于控制所述温度调节单元的温度。

5.如权利要求4所述的光强调制器，其特征在于，还包括隔热单元和偏振单元，所述隔热单元位于所述温度调节单元远离所述液晶盒结构的一侧，所述偏振单元为两个，分别位于所述液晶盒结构的两侧。

6.如权利要求5所述的光强调制器，其特征在于，还包括滤光单元，所述滤光单元位于一个所述偏振单元远离所述液晶盒结构的一侧。

7.如权利要求6所述的光强调制器，其特征在于，所述滤光单元包括至少一个滤光片，当所述滤光片为多个时，各所述滤光片用于过滤不同波段的光，且各所述滤光片叠加设置。

8.一种光强调制系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的光强调制器。

9.如权利要求8所述的光强调制系统，其特征在于，还包括光扩束装置和光收束装置，所述光扩束装置位于所述光强调制器的入光侧，所述光收束装置位于所述光强调制器的出光侧。

10.一种光强调制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的光强调制装置，所述方法包括：

利用所述驱动电路向所述液晶盒结构加载驱动电压，以形成外加电场，以使所述液晶层中的离子在所述外加电场作用下形成内建电场；

调整所述内建电场，以改变所述液晶层中液晶分子的偏转角度。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述调整所述内建电场，包括：

调整所述驱动电压的以下参数之一或任意组合：波形、振幅、频率、正负帧的周期占比。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，应用于如权利要求3-7任一项所述的光强调制装置，所述调整所述内建电场，包括：

利用所述温度调节装置提高所述液晶盒结构的工作温度。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述驱动电压的波形为正弦波或方波。

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