CN103064226A - 一种基于液晶的电控可调相位光栅 - Google Patents

Abstract

一种基于液晶的电控可调相位光栅，涉及液晶电控矩形相位光栅的技术领域。本发明包括平行布置的前基板、后基板，前基板包括依次布置的前基底玻璃、像素电极层、前取向层，后基板包括后基底玻璃、公共电极层、后取向层；前取向层与后取向层之间设置若干组聚合物条状周期性三维结构，相邻两个聚合物条状周期性三维结构之间灌入向列相液晶。本发明实现了能够得到理想的二元结构，通过电压控制液晶折射率变化，实现光束的偏转，并且与液晶显示制造工艺相兼容的目的。

Description

一种基于液晶的电控可调相位光栅

技术领域

本发明涉及液晶电控矩形相位光栅的技术领域。

背景技术

衍射光栅是一种重要的光学元件，被广泛的应用于显示、光束偏转、可调谐滤波器和远程通信设备中。按调制方式分，光栅可分为振幅光栅（光振幅受调制）和相位光栅（光相位受调制）。按工作方式分，光栅可分为透射光栅（透射光受调制）和反射光栅（反射光受调制）。透射光栅按透射率函数的不同可分为普通的矩形透射率光栅和正弦光栅两种，闪耀光栅是反射光栅的最常用的一种，有较高的能量利用率。透射式矩形相位光栅与闪耀光栅相比，具有制作工艺简单，成本低的优势。相位光栅可以是浮雕型的，其表面具有槽形结构，可以通过刻蚀等微加工技术制作，也可以是介质内部折射率型的，通常可以采用全息干涉的方法制作。

基于液晶的电控可调衍射光栅具有高双折射率，对外加电场敏感，可实现纯相位调制等独有的优势。经过近几年的发展，液晶电控可调衍射光栅在显示、光束偏转、可调谐滤波器和远程通信等领域具有极大的潜在应用价值。

目前液晶透射式矩形相位光栅的根本机制在于产生周期性的折射率差，入射光经过光栅，形成周期性光程差，产生衍射，通过电压控制液晶的折射率，实现光束的电控偏转。目前利用电压控制液晶分子偏转，产生周期性的光程差，主要由以下几种方法：1、光刻透明导电薄膜电极形成条状电极，加电控制液晶分子偏转，电极上方液晶分子与电极间隙液晶分子偏转不同，实现周期性的折射率差；2、在液晶中掺入紫外光敏感聚合物材料，紫外光通过掩膜板照射，照射到紫外光的部分聚合物聚合，没有照射到紫外光的部分液晶占主要部分，液晶与聚合物在紫外光的作用下相分离，通过掩膜板图案控制周期性的折射率差；3、利用光取向、多步摩擦或者微米/纳米尺度的刻画对液晶进行特定图案的取向形成周期性的折射率差，通过电压控制液晶分子的偏转，可以控制周期性的折射率差值，从而实现光束的可控偏转。然而，在上述的几种方法中，由于横向边缘场作用或者在紫外固化过程中液晶分子沿光栅方向产生的横向扩散，很难得到理想的二元光栅结构，影响器件性能。

发明内容

本发明目的是提供一种能够得到理想的二元结构，通过电压控制液晶折射率变化，实现光束的偏转，并且与液晶显示制造工艺相兼容的液晶电控矩形相位光栅。

一种液晶电控矩形相位光栅，包括平行布置的前基板、后基板，前基板包括依次布置的前基底玻璃、像素电极层、前取向层，后基板包括后基底玻璃、公共电极层、后取向层；前取向层与后取向层之间设置若干组聚合物条状周期性三维结构，相邻两个聚合物条状周期性三维结构之间灌入向列相液晶。

一种基于液晶的电控可调相位光栅，包括平行布置的前基板、后基板，前基板包括依次布置的前基底玻璃、像素电极层，后基板包括后基底玻璃、公共电极层；像素电极层与公共电极层之间设置若干组聚合物条状周期性三维结构，相邻两个聚合物条状周期性三维结构之间灌入蓝相液晶。

比较好的是，本发明的前基板、后基板分别进行摩擦取向，使前基板、后基板摩擦方向平行或者反平行。

比较好的是，本发明的像素电极层、公共电极层由透明导电薄膜制成。

比较好的是，本发明的聚合物条状周期性三维结构采用光刻、压模或者离子刻蚀方法得到。

比较好的是，本发明的向列相液晶、蓝相液晶采用真空法或者毛细作用灌入。

比较好的是，本发明的前基底玻璃、后基底玻璃的厚度为0.4～1.1mm。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1、本发明的新型结构液晶电控矩形相位光栅，利用液晶与聚合物的折射率差形成周期性结构，避免了液晶的边缘场影响，有利于得到理想的二元光栅。

2、本发明的向列相液晶电控矩形相位光栅，驱动电压低，功耗小。

3、本发明的蓝相液晶电控矩形相位光栅，响应速度快，偏振无关。

4、本发明的液晶电控矩形相位光栅，制作工艺与液晶显示制造工艺兼容，工艺成熟。

附图说明

图1是为本发明向列相液晶电控矩形相位光栅的结构示意图。

图2是为本发明蓝相液晶电控矩形相位光栅的结构示意图。

图中：1、前基板2、前基底玻璃；3、像素电极层；4、前取向层；5聚合物条状周期性三维结构；6、后基板；7、后基底玻璃；8、公共电极层；9、后取向层；10、向列相液晶；11、蓝相液晶。

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，向列相液晶电控矩形相位光栅：

如图1所示，一种向列相液晶电控矩形相位光栅，主要由前后玻璃基板构成的液晶屏组成。前基板1包括前基底玻璃2、透明导电薄膜构成的像素电极层3、覆盖在像素电极层上的前取向层4，采用光刻、压模或者离子刻蚀等方法得到的聚合物条状周期性三维结构5。后基板6包括后基底玻璃7、透明导电薄膜、构成的公共电极层8、覆盖在公共电极层上的后取向层9。对前后基板分别进行摩擦取向，使前后基板摩擦方向平行或者反平行。聚合物条状周期性三维结构5同时充当衬垫料，控制液晶盒厚，将前基板1及后基板6封成液晶屏，采用真空法或者毛细作用灌入向列相液晶10，使向列相液晶10充满聚合物条状周期性三维结构5所有间隙区域。

该新型结构的向列相液晶电控矩形相位光栅工作原理如下：向列相液晶10位于聚合物条状周期性三维结构5之间，聚合物条状周期性三维结构折射率5为n_p。像素电极3和公共电极8间施加交流方波电压，向列相液晶10分子在电场作用下发生偏转，沿电场方向排列，液晶等效折射率为n_eff。向列相液晶10等效折射率n_eff与聚合物折射率n_p不同，形成周期性的折射率差。垂直入射的入射光经过向列相液晶10部分和聚合物条状周期性三维结构5的光程不同，存在光程差Δφ，产生衍射，使光束发生偏转。通过控制电压的大小，可以控制液晶的有效折射率n_eff，n_eff由寻常光折射率n_o，非寻常光折射率n_e和液晶分子偏转倾角θ共同决定。改变周期性的折射率差，从而实现位相光栅的电压可调控。光栅的第n级衍射效率η_n由光程差Δφ，光栅周期Λ和聚合物条状周期性三维结构5的宽度/共同决定，其中d为液晶盒盒厚。

$n_{\mathrm{eff}}=-\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_e^2{\cos }^2\mathrm{\θ}\left(z\right)+n_o^2{\sin }^2\mathrm{\θ}\left(z\right)}}---\left(1\right)$

实施例二,蓝相液晶电控矩形相位光栅：

如图2所示，一种蓝相液晶电控矩形相位光栅，其结构主要由前后玻璃基板构成的液晶屏组成。前基板1包括前基底玻璃2、透明导电薄膜、构成的像素电极层3，采用光刻、压模或者离子刻蚀等方法得到的聚合物条状周期性三维结构5。后基板6包括后基底玻璃7、透明导电薄膜构成的公共电极层8。聚合物条状周期性三维结构5同时充当衬垫料，控制液晶盒厚，将前基板1及后基板6封成液晶屏，采用真空法或者毛细作用灌入蓝相液晶11，使蓝相液晶11充满聚合物条状周期性三维结构5所有间隙区域。

该新型结构的蓝相液晶电控矩形相位光栅工作原理如下：在像素电极3和公共电极8之间施加交流方波电压，蓝相液晶11在电场作用下折射率发生改变，蓝相液晶11等效折射率与聚合物折射率n_p不同，形成周期性的折射率差。垂直入射的入射光经过蓝相液晶11部分和聚合物条状周期性三维结构5的光程不同，存在光程差Δφ，产生衍射，使光束发生偏转。对于垂直入射的光，蓝相液晶的等效折射率均为n_o,此时该蓝相液晶电控矩形相位光栅具有偏振无关特性，并且具有亚微妙响应时间。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。

Δn=Δn_s(1-exp(-E/E_s)²)      （5）

$n_o=n_{\mathrm{iso}}-\frac{\mathrm{\Δn}}{3}---\left(6\right)$

$n_o=n_{\mathrm{iso}}+\frac{2\mathrm{\Δn}}{3}---\left(7\right)$

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 (7)

1.一种基于液晶的电控可调相位光栅，其特征在于包括平行布置的前基板（1）、后基板（6），前基板（1）包括依次布置的前基底玻璃（2）、像素电极层（3）、前取向层（4），后基板（6）包括后基底玻璃（7）、公共电极层（8）、后取向层（9）；前取向层（4）与后取向层（9）之间设置若干组聚合物条状周期性三维结构（5），相邻两个聚合物条状周期性三维结构（5）之间灌入向列相液晶（10）。

2.一种基于液晶的电控可调相位光栅，其特征在于包括平行布置的前基板（1）、后基板（6），前基板（1）包括依次布置的前基底玻璃（2）、像素电极层（3），后基板（6）包括后基底玻璃（7）、公共电极层（8）；像素电极层（3）与公共电极层（8）之间设置若干组聚合物条状周期性三维结构（5），相邻两个聚合物条状周期性三维结构（5）之间灌入蓝相液晶（11）。

3.根据权利要求1或2所述的基于液晶的电控可调相位光栅，其特征在于上述前基板（1）、后基板（6）分别进行摩擦取向，使前基板（1）、后基板（6）摩擦方向平行或者反平行。

4.根据权利要求1或2所述的基于液晶的电控可调相位光栅，其特征在于上述像素电极层（3）、公共电极层（8）由透明导电薄膜制成。

5.根据权利要求1或2所述的基于液晶的电控可调相位光栅，其特征在于上述聚合物条状周期性三维结构（5）采用光刻、压模或者离子刻蚀方法得到。

6.根据权利要求1或2所述的基于液晶的电控可调相位光栅，其特征在于上述向列相液晶（10）、蓝相液晶（11）采用真空法或者毛细作用灌入。

7.根据权利要求1或2所述的基于液晶的电控可调相位光栅，其特征在于上述前基底玻璃（2）、后基底玻璃（7）的厚度为0.4～1.1mm。

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