CN103424941A - 液晶光栅及其制造方法、驱动方法和光学相控阵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶光栅及其制造方法、驱动方法和光学相控阵装置，在下基板上形成有若干第一电极，相邻第一电极之间形成有第一间隔，第一间隔的上方还设置有第二电极，相邻第二电极之间形成有第二间隔，第一电极和第二电极之间设置有绝缘层，当对第一电极和第二电极加载电压时，在该液晶光栅内部产生连续平缓变化的电场，进而可以对入射光的相位进行连续平缓的控制，直接的提高了液晶光栅对光束的调制能力。

Description

液晶光栅及其制造方法、驱动方法和光学相控阵装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别涉及一种液晶光栅及其制造方法、驱动方法和光学相控阵装置。

背景技术

液晶型光学相控阵(Liquid Crystal Optical Phased Array,简称：LCOPA)装置的核心器件是一个电极平行排列的液晶光栅。在平行电极间加载电压，使得平行电极间形成电场，通过电场来控制液晶的偏转。

图1为现有技术中的液晶型光学相控阵装置中的液晶光栅的结构示意图，图2为图1中所示的液晶光栅内部的电场等势线的示意图，图3为利用图1中所示的液晶光栅控制的入射光的相位曲线图。如图1至图3所示，该液晶光栅包括：相对设置的上基板1和下基板4，所述上基板1和所述下基板4之间填充有液晶8，所述上基板1上形成有公共电极2，所述下基板4上形成有若干电极201，相邻所述电极201之间形成有间隔202。进一步地，公共电极2上还形成有取向层301，电极201上还形成有取向层302。通过对若干个电极201分别加载电压，使得电极201与公共电极2之间形成电场，通过电场驱动液晶8进行偏转，进而实现对入射光的相位控制。图2和图3是对图1中所示的液晶光栅内部电场和对入射光相位的控制的模拟，而且图2与图3是相对应的。其中电极201的宽度为3um，间隔202的宽度为2um，液晶盒厚为5um，电压从左端至右端逐渐减小，图3中只描绘了在液晶光栅上50um的距离所对应入射光的相位的变化。需要说明的是，图2只是对内部电场进行模拟的示意图，图2中的液晶光栅的长度与宽度的比例不作参考。

参考图2，现有技术中的液晶光栅内部的电场等势线在间隔202处会突然下降，且相邻的两条等势线之间的距离也突然增大。由于等势线的方向与电场线的方向处处垂直，等势线的密度反应出电场强度，所以，间隔202处的电场的方向会发生突然的变化，间隔202处的电场的强度也会突然的减小，因此，液晶光栅内部的电场不是连续平缓的变化。

参考图3，由于间隔处的电场的方向会发生突然的变化，间隔处的电场的强度也会突然的减小，从而使得在间隔处的入射光的相位突然变大，则入射光的相位曲线在对应间隔处会“凸起”，例如：横坐标为3um-5um处的对应的相位曲线。

综上所述，由于下基板上的电极不连续，当对电极加载电压时，则导致在间隔区域的电场会下降，使得液晶光栅内部的电场不能连续平缓的变化，进而使得现有的液晶光栅无法对入射光的相位进行连续平缓的控制。

发明内容

本发明提供一种液晶光栅及其制造方法、驱动方法和光学相控阵装置，该液晶光栅在内部产生连续平缓变化的电场，进而可以对入射光的相位进行连续平缓的控制。

为实现上述目的，本发明提供一种液晶光栅，该液晶光栅包括：相对设置的上基板和下基板，所述上基板和所述下基板之间形成有液晶，所述上基板上形成有公共电极，所述下基板上形成有若干第一电极，相邻所述第一电极之间形成有第一间隔，所述第一间隔的上方还设置有第二电极，相邻所述第二电极之间形成有第二间隔，所述第一电极和所述第二电极之间设置有绝缘层。

可选地，所述第一电极上加载的电压U₃′为：

${U_3}^{\′}=(1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LC}}{d}_p}{{\mathrm{\ϵ}}_p{d}_{\mathrm{LC}}})U_3$

其中，U₃为所述绝缘层上表面的理论电压，ε_LC为在电压U₃作用下的液晶相对介电常数，d_LC为液晶盒厚，ε_p为所述绝缘层的相对介电常数，d_p为所述绝缘层的厚度。

可选地，所述第一电极和第二电极的形状为条状。

可选地，所述第二间隔的中心线在下基板上的投影和所述第一电极的中心线在下基板上的投影重合。

可选地，所述第一电极的宽度大于或等于所述第二间隔的宽度。

可选地，所述第二电极的宽度大于或等于所述第一电极的宽度。

可选地，所述下基板上还设置有驱动芯片，所述驱动芯片与所述第一电极和所述第二电极连接。

可选地，所述驱动芯片包括：第一驱动子芯片和第二驱动子芯片，所述第一驱动子芯片和所述第二驱动子芯片中的一个与所述第一电极连接，另一个与所述第二电极连接。

为实现上述目的，本发明提供一种液晶光栅的制造方法，该制造方法包括：在上基板上形成公共电极；在下基板上形成第一电极，相邻所述第一电极之间形成有第一间隔；在形成有所述第一电极的下基板上形成绝缘层；在形成有所述绝缘层的下基板上形成第二电极，所述第二电极位于所述第一间隔的上方，且相邻所述第二电极之间形成有第二间隔；将所述上基板和下基板进行对盒，所述上基板和所述下基板之间形成有液晶。

为实现上述目的，本发明提供一种液晶光栅的驱动方法，所述液晶光栅采用上述的液晶光栅，所述驱动方法包括：向所述第一电极和所述第二电极分别加载电压，所述第一电极和所述公共电极之间形成第一电场，所述第二电极和所述公共电极之间形成第二电场，所述第一电场和所述第二电场驱动所述液晶进行偏转。

为实现上述目的，本发明提供一种光学相控阵装置，该光学相控阵装置包括：液晶光栅，所述液晶光栅上述的液晶光栅。

本发明提供一种液晶光栅及其制造方法、驱动方法和光学相控阵装置，在下基板上形成有若干第一电极，相邻所述第一电极之间形成有第一间隔，所述第一间隔的上方还设置有第二电极，所述第二电极之间形成第二间隔，所述第一电极和所述第二电极之间设置有绝缘层，当对第一电极和第二电极加载电压时，在该液晶光栅内部产生连续平缓变化的电场，进而可以对入射光的相位进行连续平缓的控制，直接的提高了液晶光栅对光束的调制能力。

附图说明

图1为现有技术中的液晶型光学相控阵装置中的液晶光栅的结构示意图；

图2为图1中所示的液晶光栅内部的电场等势线的示意图；

图3为利用图1中所示的液晶光栅控制的入射光的相位曲线图；

图4为本发明实施例一提供的液晶光栅的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的液晶光栅内部的电场等势线的示意图；

图6为利用本发明实施例一提供的液晶光栅控制的入射光的相位曲线图；

图7为本发明实施例一提供的液晶光栅的电极加载电压的示意图；

图8为利用同一驱动芯片控制本实施例一中的下基板上的电极的示意图；

图9为利用第一驱动芯片和第二驱动子芯片控制本实施例一中的下基板上的电极的示意图；

图10为本发明实施例二提供的液晶光栅的制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种液晶光栅及其制造方法、驱动方法和光学相控阵装置进行详细描述。

实施例一

图4为本发明实施例一提供的液晶光栅的结构示意图，图5为本发明实施例一提供的液晶光栅内部的电场等势线的示意图，图6为利用本发明实施例一提供的液晶光栅控制的入射光的相位曲线图。如图4至图6所示，该液晶光栅包括：相对设置的上基板1和下基板4，上基板1和下基板4之间填充有液晶8，上基板1上形成有公共电极2，下基板4上形成有若干第一电极6，相邻第一电极6之间形成有第一间隔601，第一间隔601的上方还设置有第二电极7，相邻第二电极7之间形成有第二间隔701，第一电极6和第二电极7之间设置有绝缘层5。

可选地，在公共电极2的上方还可以设置取向层301，在第二电极7的上方还可以设置取向层302。

需要注意的是：本发明中第二电极7与第一电极6形成了双层电极结构；且包含了第一电极6是位于第二间隔701的下方，第二电极7位于第一间隔601的上方的结构特点。

较优地，第一电极6上加载的电压U₃′为：

${U_3}^{\′}=(1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LC}}{d}_p}{{\mathrm{\ϵ}}_p{d}_{\mathrm{LC}}})U_3$

其中，U₃为绝缘层5上表面的理论电压，ε_LC为在电压U₃作用下的液晶相对介电常数，d_LC为液晶盒厚，ε_p为绝缘层5的相对介电常数，d_p为绝缘层5的厚度。为使本领域的技术人员更好地理解第一电极6上加载电压U₃′的取值，下面将进行详细的说明。

图7为本发明实施例一提供的液晶光栅的电极加载电压的示意图。如图7所示，两个相邻第二电极7的电压分别为U₁和U₂，第一电极6上方的绝缘层5的上表面的等效电压U₃可根据线性插值法或双线性插值法等方法计算，这里为简化计算方法而采用线性插值法，则U₃=(U₁+U₂)/2。若在等效电压U₃作用下的液晶相对介电常数为ε_LC，且液晶盒厚为d_LC，绝缘层5的相对介电常数为ε_p，绝缘层5的厚度为d_p，公共电极2提供参考电压（在本实施例中设定该参考电压为0），根据两种电介质分界面的电场强度关系ε₀ε_r1E₁cosα₁=ε₀ε_r2E₂cosα₂，其中，α₁和α₂分别表示电场在电介质分界面（例如图7中绝缘层5的表面）的入射角和出射角，这里α₁=α₂=π/2，及电压与电场的关系U=E/d，可得出：

ε₀ε_p（U₃′-U₃）/d_pcosα₁=ε₀ε_LCU₃/d_LCcosα₂

进一步地，则加载到第一电极6上的电压U₃′为：

${U_3}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_p{d}_{\mathrm{LC}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LC}}{d}_p}{{\mathrm{\ϵ}}_p{d}_{\mathrm{LC}}}{U}_3=(1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LC}}{d}_p}{{\mathrm{\ϵ}}_p{d}_{\mathrm{LC}}})U_3$

需要注意的是，液晶8在不同电场强度下的相对介电常数是不同的，实际计算时应根据等效电压下的液晶介电常数计算加载在第一电极6上的电压。

可选地，第一电极6和第二电极7的形状为条状；较优地，如图4所示，所述第二间隔701的中心线在下基板4上的投影与所述第一电极6的中心线在下基板4上的投影重合。其中，所述第二间隔701的中心线指的是第二间隔701在第二电极形成的平面上、沿第二间隔701的延伸方向的中心线；同样地，所述第一电极6的中心线为第一电极6在第一电极形成的平面上、沿第一电极延伸的方向上的中心线。第二电极7的中心线与第一间隔601的中心线在下基板4上的投影，能使得第一电极6与公共电极2之间形成的电场较好的弥补第二间隔701上方的电场，而且使得液晶光栅内的电场变化均匀。

较优地，第一电极6的宽度大于或等于第二间隔701的宽度。为最优的弥补第二间隔701上方的电场，使液晶光栅内的电场变化均匀，将第一电极6的宽度设定的大于或等于第二间隔701的宽度。这种情况下，由于第一电极6和第二电极7在空间上可存在交叠，因此能够更好地实现连续空间电场，而避免工艺精度造成的错位等问题。

由于第一电极6与公共电极2的距离比第二电极7与公共电极2的距离要远，为了有效的利用电能，则将第一电极6作为下基板4的辅助电极，将第二电极7作下基板4的主电极；较优地，第二电极7的宽度大于或等于第一电极6的宽度。第一电极6与公共电极2形成第一电场，第二电极7与公共电极2之间形成第二电场，第一电场为控制液晶8偏转的辅助电场，第二电场是控制液晶8偏转的主要电场。进一步地，为了有效的利用的电能，主电极的宽度大于或等于辅助电极的宽度，因此第二电极7的宽度大于或等于第一电极6的宽度。

可选地，下基板4上还设置有驱动芯片，驱动芯片与第一电极6和第二电极7连接。例如，图8为利用同一驱动芯片控制本实施例一中的下基板上的电极的示意图。如图8所示，驱动芯片通过薄膜导线12与第一电极6和第二电极7连接，当外部的控制器接收到输入数据时，控制器与驱动芯片9根据输入数据将电压加载到第一电极6和第二电极7上。将控制第一电极6和第二电极7上加载电压大小的驱动芯片9设置在下基板4上，有效的提高了下基板4的利用率。

可选地，设置在下基板4上的驱动芯片也可以包括：第一驱动子芯片10和第二驱动子芯片11，第一驱动子芯片10和第二驱动子芯片11中的一个与第一电极6连接，另一个与第二电极7连接。图9为利用第一驱动子芯片和第二驱动子芯片控制本实施例一中的下基板上的电极的示意图，图9所示，第一驱动子芯片10通过薄膜导线12与第一电极6连接，第二驱动子芯片11通过薄膜导线12与第二电极7连接。该方案将驱动芯片分为第一驱动子芯片10和第二驱动子芯片11，第一驱动子芯片10用来控制加载在第一电极6上的电压，第二驱动子芯片11用来控制加载在第二电极7上的电压，这种控制方式能有效的提高驱动芯片的控制效率，间接的提高了液晶光栅的性能。当然，驱动芯片中也可以包含若干个驱动子芯片，通过若干个驱动子芯片实现对第一电极6和第二电极7的加载电压的控制。其中，薄膜导线12可由ITO（氧化铟锡）、Mo、Al、AlNd或Cu中任一材料构成，驱动芯片可通过COG(Chip On Glass)封装、COF(Chip OnFilm)封装或TAB（Tape Automated Bonding）封装方式安装于下基板4上。

为了对比本发明实施例一中的技术方案较现有技术的改进，对本发明实施例一种中液晶光栅内部电场和对入射光相位的控制的模拟，其中第二电极7的宽度为3um，第二间隔701的宽度为2um，第一电极6的宽度为2um，第一间隔601的宽度为3um，液晶盒厚为5um，电压从左端至右端逐渐减小，且在图6中只描绘了在液晶光栅上50um的距离所对应入射光的相位的变化。

参考图5，本发明实施例一中的液晶光栅内部的电场等势线在第二间隔701处是连续平缓的下降，相邻的两条等势线之间的距离没有发生突然的变化，因此，液晶光栅内部的电场是连续平缓的变化的。

参考图6，整个相位曲线呈现的是连续平缓的变化的趋势，没有出现相位突然变化的区域。

本发明实施例一提供了一种液晶光栅，在下基板上形成有若干第一电极，相邻第一电极之间形成有第一间隔，第一间隔的上方还设置有第二电极，相邻第二电极之间形成有第二间隔，第一电极和第二电极之间设置有绝缘层，当对第一电极和第二电极加载电压时，在该液晶光栅内部产生连续平缓变化的电场，进而可以对入射光的相位进行连续平缓的控制，直接的提高了液晶光栅对光束的调制能力。

实施例二

图10为本发明实施例二提供的液晶光栅的制造方法的流程图，如图10所示，该制造方法包括：

步骤101：在上基板上形成公共电极。

步骤102：在下基板上形成第一电极，相邻所述第一电极之间形成有第一间隔。

步骤103：在形成有所述第一电极的下基板上形成绝缘层。

步骤104：在形成有所述绝缘层的下基板上形成第二电极，所述第二电极位于所述第一间隔的上方，且相邻所述第二电极之间形成有第二间隔。

步骤105：将所述上基板和下基板进行对盒，所述上基板和所述下基板之间形成有液晶。

其中，在进行对盒时，液晶盒周边由密封剂粘合，在注入液晶之前可在基板上散布球状隔垫物，或制作柱状隔垫物使其维持液晶盒的单元间隙。

可选地，步骤101可在步骤105之前的任意位置。

本发明实施例二提供了一种液晶光栅的制造方法，通过在下基上设计双层的电极结构，且第二电极位于第一间隔的上方，相邻所述第二电极之间形成有第二间隔，当对第一电极和第二电极加载电压时，在该液晶光栅内部产生连续平缓变化的电场，进而可以对入射光的相位进行连续平缓的控制，直接的提高了液晶光栅对光束的调制能力。

实施例三

本发明实施例三提供了一种液晶光栅的驱动方法，液晶光栅采用上述实施例一中的液晶光栅，该驱动方法包括：向第一电极和第二电极分别加载电压，第一电极和公共电极之间形成第一电场，第二电极和公共电极之间形成第二电场，第一电场和第二电场共同驱动液晶进行偏转。

本发明实施例三提供了一种液晶光栅的驱动方法，通过驱动芯片实现对第一电极和第二电极上加载的电压的控制，当对第一电极和第二电极加载电压时，由于第一电场和第二电场的共同作用使得在该液晶光栅内部产生连续平缓变化的电场，进而可以对入射光的相位进行连续平缓的控制，直接的提高了液晶光栅对光束的调制能力。

实施例四

本发明实施例四提供一种光学相控阵装置，该光学相控阵装置包括：液晶光栅，所述液晶光栅采用上述实施例一中的液晶光栅，具体可参照实施例一，此处不再赘述。

本发明实施例四提供了一种光学相控阵装置，在下基板上形成有若干第一电极，相邻第一电极之间形成有第一间隔，第一间隔的上方还设置有第二电极，相邻第二电极之间形成有第二间隔，第一电极和第二电极之间设置有绝缘层，当对第一电极和第二电极加载电压时，在该液晶光栅内部产生连续平缓变化的电场，进而可以对入射光的相位进行连续平缓的控制，直接的提高了液晶光栅对光束的调制能力。

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 (11)

1.一种液晶光栅，包括：相对设置的上基板和下基板，所述上基板和所述下基板之间形成有液晶，所述上基板上形成有公共电极，其特征在于，所述下基板上形成有若干第一电极，相邻所述第一电极之间形成有第一间隔，所述第一间隔的上方还设置有第二电极，相邻所述第二电极之间形成有第二间隔，所述第一电极和所述第二电极之间设置有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于，所述第一电极上加载的电压U₃′为：

${U_3}^{\′}=(1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LC}}{d}_p}{{\mathrm{\ϵ}}_p{d}_{\mathrm{LC}}})U_3$

其中，U₃为所述绝缘层上表面的理论电压，ε_LC为在电压U₃作用下的液晶相对介电常数，d_LC为液晶盒厚，ε_p为所述绝缘层的相对介电常数，d_p为所述绝缘层的厚度。

3.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于，所述第一电极和第二电极的形状为条状。

4.根据权利要求3所述的液晶光栅，其特征在于，所述第二间隔的中心线在所述下基板上的投影和所述第一电极的中心线在所述下基板上的投影重合。

5.根据权利要求1或3所述的液晶光栅，其特征在于，所述第一电极的宽度大于或等于所述第二间隔的宽度。

6.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于，所述第二电极的宽度大于或等于所述第一电极的宽度。

7.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于，所述下基板上还设置有驱动芯片，所述驱动芯片与所述第一电极和所述第二电极连接。

8.根据权利要求7所述的液晶光栅，其特征在于，所述驱动芯片包括：第一驱动子芯片和第二驱动子芯片，所述第一驱动子芯片和所述第二驱动子芯片中的一个与所述第一电极连接，另一个与所述第二电极连接。

9.一种液晶光栅的制造方法，其特征在于，包括：

在上基板上形成公共电极；

在下基板上形成第一电极，相邻所述第一电极之间形成有第一间隔；

在形成有所述第一电极的下基板上形成绝缘层；

在形成有所述绝缘层的下基板上形成第二电极，所述第二电极位于所述第一间隔的上方，且相邻所述第二电极之间形成有第二间隔；

将所述上基板和下基板进行对盒，所述上基板和所述下基板之间形成有液晶。

10.一种液晶光栅的驱动方法，其特征在于，所述液晶光栅采用权利要求1至8中任一所述液晶光栅，所述驱动方法包括：

向所述第一电极和所述第二电极分别加载电压，所述第一电极和所述公共电极之间形成第一电场，所述第二电极和所述公共电极之间形成第二电场，所述第一电场和所述第二电场驱动所述液晶进行偏转。

11.一种光学相控阵装置，其特征在于，包括：液晶光栅，所述液晶光栅采用权利要求1至8中任一所述液晶光栅。

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