CN103631056B - 可变光学延迟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种次波长光栅，其被放置在液晶可变光学延迟器的内部以降低可变光学延迟器产生的光学延迟的偏振相关性。相对于传统的波片，小厚度的次波长光栅降低了由于次波长光栅的单元内放置所带来的驱动电压的不利后果。

Description

可变光学延迟器
技术领域
本发明涉及一种光学延迟器，特别地，涉及一种使光束产生可变相位延迟的可变光学延迟器。
背景技术
液晶可变光学延迟器通常用于产生可变光学相位延迟，和/或改变光束的偏振状态。在典型液晶可变光学延迟器中，几微米厚的液晶流体层被插在两个透明电极之间。当电压施加到电极时，电极之间的电场定向高度各向异性的液晶分子。液晶分子的场诱导定向改变液晶层的有效折射率，这将影响传播穿过液晶层的光束的光学相位。当光束是以与被称为“指向矢(director)”的液晶分子定向的主要方向成45度线性偏振时，所诱导的光学相位差能够改变光束的偏振态，例如，其能够旋转线性光偏振态。当光束是沿着液晶分子定向的主要方向线性偏振时，由可变光学延迟器使光束产生可变光学相位延迟。
通过在公共的液晶层下面布置单个可控像素的阵列能够构造可变光学延迟器阵列。当线性偏振光束照明这种阵列时，能够将预先确定的光学相位图案施加到光束，允许光束的可变聚焦或转向而不需要任何移动部件。已经发现，可变光学延迟器阵列可以用于诸如光束扫描/转向，光学像差校正等各种应用。
液晶可变延迟器的一个缺点是它们通常需要偏振光束来正确工作。然而，该缺点不是固有的，并且可通过使用适当的偏振差异配置来克服。作为例子，G.D.Love的标题为“用于非偏振光的液晶相位调制器”(《应用光学》，1993年5月1日，第32卷第13期第2222-2223页)(“Liquid-Crystal Phase modulator for unpolarized light”(Appl.Opt.,Vol.32,No 13,p.2222-2223,1May 1993))的文章公开了一种反射偏振不敏感的可变光学延迟器。参考图1，Love的可变光学延迟器10具有设置在液晶单元12和反射镜13之间的四分之一波片(QWP)11。操作中，垂直线性偏振(V-LP)光束14传播穿过液晶单元12，四分之一波片11，并被反射镜13反射，向回传播穿过四分之一波片11和液晶单元12。反射光束如16示出。液晶单元12具有垂直定向的指向矢15；因此，可变光学相位延迟将被施加到第一通道上的光束14上，而不改变其偏振态。四分之一波片11被定向以将垂直偏振态改变到左手-圆偏振(LH-CP)，其一旦从反射镜13反射就相应地改变成右手-圆偏振(RH-CP)。在第二通道上，四分之一波片11将右手-圆偏振改变成水平线性偏振(H-CP)，其将不被液晶单元12改变，因为其指向矢15是与其垂直定向的，也就是说，是垂直定向的。可以看出，如果入射光束14是水平偏振的(为了简洁而没有示出)，不仅在穿过液晶单元12的第一通道，也在穿过液晶单元12的第二通道，其都将被反射成垂直偏振，并产生相同量的相位延迟。因此，如果光束14是非偏振的或任意偏振的，其将被延迟相同量的相位延迟而不管其偏振态。因此，可变光学延迟器10是偏振不敏感的。
图1的可变光学延迟器10的一个缺陷是在液晶单元12和反射镜13之间放置四分之一波片11，这增加了反射镜13和液晶单元12之间的距离D。这是不利的，因为当入射光束14传播穿过距离D时将发生发散。光束发散增加液晶单元12上的光斑尺寸。增加的光斑尺寸在其中的液晶单元12是以像素显示的可变延迟器阵列构造中是不利的，因为其降低了空间分辨率。
可变光学延迟器10的另一个缺点是液晶单元12必须是透射式的，以适应外部四分之一波片11。透射式的液晶单元通常在双通道构造中比反射液晶单元在单通道构造中具有较高的光损耗，因为在透射式单元中，入射光需要两次穿过两个透明电极。透明电极需要具有导电与透射光的双重作用。这些需要有些矛盾，结果，透明电极通常给系统中引入一些额外光损耗。
James等人的标题为“用于可重构光转向的液晶二维空间光调制器的衍射效率和偏振敏感性的模型”(美国光学学会杂志A辑，第24卷第8期第2464-2473页)(“Modeling ofthe diffraction efficiency and polarization sensitivity for a liquid crystal2D spatial light modulator for reconfigurable beam steering”(J.Opt.Soc.Am.A,Vol 24,No.8,p.2464-2473))的文章公开了一种反射偏振不敏感的液晶延迟器阵列，其中一个电极被制成高反射的，并且四分之一波片被放置在液晶单元的内部。最终的光学损耗在这种情况下较低，因为在James的装置中，入射光束两次通过单个透明电极，而不是穿过两个电极。然而，四分之一波片的内部放置降低了横跨液晶层的电场，因此需要高驱动电压来补偿电场降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变光学延迟器，其中偏振敏感性被降低而且也不会带来过多光学损耗或驱动电压的不利后果。
根据本发明，电介质或半导体次波长光栅被放置在液晶可变光学延迟器内部的电极和液晶层之间。次波长光栅起到四分之一波片的作用，同时具有非常小的厚度，所以减少了由于单元内放置次波长光栅而导致的驱动电压的不利影响。次波长光栅也可以被制成高反射的，例如，其能够包括多层电介质高反射器，其相对于金属反射器进一步降低光学损耗。
根据本发明的一个方面，提供一种液晶可变光学延迟器，包括：
第一连续平面电极；
与第一连续平面电极相对的第二基本透明的连续平面电极；
液晶层，其具有指向矢并设置在第一电极和第二电极之间，用于在第一连续平面电极和第二连续平面电极之间施加电压时使入射到第二连续平面电极上的光产生可变光学相移；以及
次波长光栅，其被设置在液晶层和第一连续平面电极之间并具有相对指向矢成锐角，优选地成45度角的光栅线。
根据本发明，还提供一种可变光学延迟器，用于使入射到其上的光束产生可变相位延迟，该光学延迟器包括：
具有像素电极的基底；
设置在像素电极上并与其分离的次波长光栅，用于使入射到其上的光束产生第一光学延迟，该次波长光栅具有彼此平行的光栅线；
次波长光栅上的液晶层，用于使穿过其传播的光束产生第二光学延迟；以及
液晶层上的基本透明的背板电极；
其中，当在像素和背板电极之间施加电压时，第二光学延迟被改变，从而使传播穿过所述液晶层的光束产生可变相位延迟；
其中，液晶层的指向矢与光栅线形成锐角，从而降低可变光学延迟器对光束偏振态的敏感性。
根据本发明的另一方面，提供一种包括调整调整延迟器的硅上液晶空间光调制器，其中调整延迟器包括次波长光栅。
根据本发明的再一个方面，还提供一种使光束产生可变相位延迟的方法，该方法包括：
(a)使光束传播穿过液晶层，并随后穿过次波长光栅，所述次波长光栅具有相对于所述液晶层的指向矢成角度定向的光栅线；
(b)反射在步骤(a)中穿过的光束，以将光束向回传播穿过液晶层；以及
(c)在执行步骤(a)和(b)的同时，通过位于所述液晶层和次波长光栅外部并平行于所述液晶层和次波长光栅的一对平面电极向所述液晶层施加电场，以改变液晶层的光学延迟，从而改变光束的相位延迟；其中，所述电极的平坦度有利于所施加电场的空间均匀性，从而有利于所述液晶层的改变的光学延迟的空间均匀性。
在优选的实施例中，次波长光栅不包含任何金属，这将降低光损耗和电场边缘效应或屏蔽效应。
附图说明
现在将结合附图描述示范性实施例，其中：
图1是现有技术中的偏振不敏感液晶可变光学延迟器的示意图；
图2A和2B分别是本发明的可变光学延迟器的侧面和正面截面图；
图3A是图2A和2B的可变光学延迟器的一个实施例的侧面截面图；
图3B和3C是图3A的可变光学延迟器的两个实施例的像素区域的放大侧面截面图；
图4是图3A的可变光学延迟器的硅上液晶(LCoS)实现方式的侧面截面图；
图5是其内具有次波长光栅形式的调整延迟器的空间光调制器；
图6是根据本发明的使光束产生可变相位延迟的方法的流程图；
图7是用于图2A、2B和3A到3C的可变光学延迟器中的次波长光栅的有效折射率、双折射和高度，与次波长特征的填充因子的函数关系的理论曲线，以远小于波长的光栅节距的近似值进行计算；
图8是铝基底上的氧化钽(Ta2O5)-空气多层光栅例子的光学延迟、偏振-相关损耗以及插入损耗与填充因子的关系曲线，其是在0.8微米的有限光栅节距利用电磁理论计算的；以及
图9是横跨液晶层的电压降相对施加到具有单元内次波长光栅的可变光学延迟器上的电压的关系曲线，与具有单元内传统四分之一波片(取代单元内次波长光栅)的可变光学延迟器中的相应电压降相比较。
具体实施方式
虽然结合了不同实施例和例子描述了本发明的教导，然而本发明的教导并不限于这些实施例。相反，本发明的教导包括本领域技术人员将能意识到的各种替代、改进和等同物。在图2A、2B以及3A、3B和3C中，相同的附图标记指示相同的元件。
参考图2A和2B，本发明的可变光学延迟器20包括第一连续平面电极21和与第一电极21相对的的第二基本透明连续的平面电极22，液晶层26以及设置在液晶层26和第一电极21之间的次波长光栅24。如图2B所示，次波长光栅24具有走向彼此平行的多个光栅线25。液晶层26的指向矢27相对于光栅线25成45度的角α。次波长光栅24在单通道中具有四分之一波长延迟，等于双通道中的半波延迟。
在操作中，光束28穿过第二电极22入射到液晶层26上。在第一电极21和第二电极22之间施加电压V，从而改变液晶层26的光学延迟。结果，使光束28产生可变相位延迟。次波长光栅24起到相对于指向矢27成α＝45度定向的四分之一波片的作用，水平切换和垂直偏振，如上面参照图1所释，导致减少可变光学延迟器20对光束28的偏振态的敏感性。在一些实施例中，角度α不等于45度，但是仍保持锐角。如果需要一些偏振相关性，次波长光栅24的延迟值在单通道中能够偏离四分之一波长。
第一电极21的上表面23的平坦性和平滑性是有益的，因为第一电极21的平坦和平滑表面23，例如，平坦到0.2微米以内，或优选地，0.1微米以内，能够产生比例如波纹表面更平滑的电场，如果次波长光栅24被直接微机械制造在第一电极21中，第一电极21将具有该波纹表面。施加到液晶层26上的电场越平滑，液晶层26将产生越均匀的光学延迟曲线，并因此减少被边缘电场扰乱的液晶层26中的不希望和不可控的衍射效应。
第一电极21的上表面23能够制成高反射的，在这种情况下，次波长光栅24被制成透射式的。然而，次波长光栅24本身可被制成高反射的，例如，其能够包括多层电介质高反射器，未示出，因此不需要第一电极21的表面23是高反射的。因为金属反射器必然招致一些光学损耗，所以次波长光栅24的高电介质反射器能够具有比第一电极21的表面23更高的反射率，从而使得可变光学延迟器20具有较低的整体光损耗。为了进一步降低光损耗并防止电场屏蔽，次波长光栅24优选地由电介质或半导体制成，其内不包括任何金属；例如，次波长光栅24可包括氧化钽(Ta2O5)或氧化硅(SiO2)主体中的硅(Si)的周期结构。
现在参考图3A和3B，本发明的可变光学延迟器30包括具有多个在其内形成的像素电极31的基底34C，设置在像素电极31上并与其分离的次波长光栅34，次波长光栅34上的液晶层36，以及液晶层36上的基本透明的背板电极32。玻璃盖板39支撑由氧化铟锡(ITO)或其他合适材料制成的背板电极32。盖板39具有抗反射(AR)涂层39A。附着到次波长光栅34和背板电极32的对准层37用来对准液晶层36中的液晶分子。次波长光栅34具有多个脊34A形式的光栅线。液晶层36延伸进入脊34A之间的间隙34B。在所示的实施例中，基底34C是二氧化硅基底。
在操作中，光束38传播接连穿过AR涂层39A、盖板39、透明背板电极32、液晶层36，入射到次波长光栅34，并由像素电极31的上表面33反射回去以相反的顺序穿过叠层。液晶层36和次波长光栅34分别使光束38产生第一光学延迟和第二光学延迟。当在像素电极31和背板电极32之间施加电压时，第二光学延迟被改变，从而使传播穿过液晶层36的光束38产生可变相位延迟。液晶层36的指向矢(未示出)与光栅线34A形成45度角，从而降低可变光学延迟器30对于光束38的偏振态的敏感性。
优选地，像素电极31的上表面33是平坦的，以避免如上所述的边缘电场以及相关的液晶折射率空间调制。为了增加反射率，次波长光栅34可以制成反射的。同样在一个实施例中，液晶层36指向矢与光栅线(脊34A)形成不必须等于45度的锐角。除了矩形脊34A之外，还可以利用的光栅线形状包括三角形、梯形等等。优选地，次波长光栅34具有单通道中四分之一波长的光学延迟，也就是说，当图3A中的光束38向下传播时的四分之一波长延迟加上在图3A中光束38被反射向上传播时的四分之一波长延迟。关于图2的可变光学延迟器20如上所述，图3A的可变光学延迟器30的次波长光栅34优选地包括电介质或半导体，更优选地，是其内不包括任何金属的纯电介质，以获得低的光损耗以及对像素电极31和背板电极32所产生的电场的低的干扰。作为非限制性的例子，次波长光栅34的光栅线或脊34A可由氧化钽(Ta2O5)制成。
在图3C所示的可变光学延迟器30的实施例中，氧化钽脊34A在二氧化硅基底34C中，所述二氧化硅基底34C使得次波长光栅34平整，从而下对准层37是平坦的，并且因此液晶层36在两侧是平坦的。这提供更稳定的次波长光栅34，因为其不包括其一部分由液晶材料形成的次波长光栅结构，如图3B所示。
应该理解的是，虽然图3A到3C示出了位于公共的液晶层36、次波长光栅34和背板电极32之下的多个像素电极31，然而可变光学延迟器30可以只包括一个像素电极31，有效地使可变光学延迟器30成为非像素化光学延迟器，其能够被用在整个光束38需要被给定相同可变光学相移的应用中。
图3A到3C的像素化可变光学延迟器30能够被有利地以硅上液晶(LCoS)技术实现。参考图4，示出LCoS可变光学延迟器40。在LCoS可变光学延迟器40中，二氧化硅基底34C是其上具有驱动电路41的硅基底42的覆盖层，驱动电路41位于多个像素电极31之下，用于独立地施加电压到每个像素电极31。硅驱动电路41可以是小体积的，快速的，并且能够适应于非常大量的像素电极31。
LCoS技术的速度和小体积使其成功地用于高清晰度光投影设备的空间光调制器中。根据本发明的一个方面，次波长光栅能够作为调整延迟器用于LCoS基空间光调制器中。调整延迟器提供相对小的双折射，其与LCoS空间光调制器的液晶层的电压控制的双折射相结合，提供了较宽视角和改进的图像对比度。转到图5，空间光调制器50包括硅基底52，驱动电路51，像素化的可变光学延迟器55，次波长光栅调整延迟器54和AR涂层53。
转到图6，并进一步参考图2A和2B，使光束产生可变相位延迟的方法60包括：步骤61，提供次波长光栅24；步骤62，传播光束28穿过液晶层26，然后穿过次波长光栅24；步骤63，反射光束28向回传播穿过液晶层26；以及步骤64，通过一对电极21、22向液晶层施加电场，以改变液晶层26的光学延迟，从而改变光束28的相位延迟。电极21、22的平坦度有利于所施加的电场的空间均匀性，从而有利于液晶层26的变化的光学延迟的空间均匀性。优选地，次波长光栅24在单通道具有四分之一波长光学延迟，并且次波长光栅线被布置成与液晶层26的指向矢27成45±5度角。方法60同等地适用于图3A到3C的可变光学延迟器30。
次波长光栅24和34，和/或次波长光栅调整延迟器54的光学延迟可以以远小于波长的光栅节距的近似值进行计算分析。参考图7，分析计算包括具有折射率2.2的矩形脊的次波长光栅的分别对应于TE和TM偏振的有效折射率nTE71和nTM72，双折射Δn73以及高度74；脊之间的具有1.0折射率的间隙被以填充因子的函数的形式绘出，其中填充因子被定义成脊宽度与光栅节距的比率。计算是以1.55微米的通讯C波段波长执行的。在0.97微米深度处，填充因子为0.6处观察到最大Δn＝0.4，这对应于0.4*0.97＝0.39微米的光学延迟，或者近似等于C波段1.55微米波长的四分之一。这种计算证明在次波长光栅的合理高度74处，能够容易地实现一个四分之一波长延迟。
转到图8，延迟83，偏振相关损耗(PDL)84,以及插入损耗(IL)85是作为上述定义的填充因子的函数而绘出的，所述填充因子用于设置在铝基底上的在0.8微米节距处具有0.97微米高的Ta2O5脊的次波长光栅，其中折射率为1.0的空气延伸到脊之间的凹槽中。延迟83是TM偏振的零级衍射光相位和TE偏振的零级衍射光相位之间的差值。可以看出，半波延迟发生在填充因子大约为0.46处。PDL大约为0.08dB，并且平均IL大约为0.2dB。
图3B的光栅结构可被改进以适应空气填充的凹槽。薄的平坦膜(未示出)可以被设置在光栅结构34的顶部，以产生并密封光栅脊34A之间的空气通道34C，从而防止层36的液晶填充空气通道34C，并为随后设置的对准层37提供平整表面。例如，SiO2膜可以用于此目的。
现在参考图9并进一步参考图3B，横跨液晶层36的电压降是作为施加到像素电极31和透明背板电极32之间的像素电压的函数绘出的。直线91(菱形的)对应于当插入传统的四分之一波长波片(未示出)以取代次波长光栅34的情况。直线92(矩形的)对应于图3B所示的情况，也就是当使用次波长光栅34的时候。可以看出，利用次波长光栅34，在相同的像素电压下能够获得近似两倍的横跨液晶层36的电压降，允许实现非常高水平的可变光学延迟。
已经提出的本发明的一个或多个实施例的上述描述是用于说明和描述的作用。其并不打算是穷举的或者去限制本发明到所公开的精确形式。根据上述教导，很多改进和变形是可能的。本发明的范围并不打算被这里的详细描述所限定，而是由随后的权利要求限定。

Claims (17)

1.一种液晶可变光学延迟器，包括：
第一连续平面电极；
与所述第一连续平面电极相对的透明的第二连续平面电极；
液晶层，其具有指向矢并设置在所述第一连续平面电极和第二连续平面电极之间，用于在所述第一连续平面电极和所述第二连续平面电极之间施加电压时使入射到所述第二连续平面电极上的光产生可变光学相移；以及
次波长光栅，其被设置在所述液晶层和所述第一连续平面电极之间并具有与所述指向矢成锐角的光栅线,
其中，所述光栅线包括在其中限定间隙的脊，
其中，所述脊在基底中形成并且所述第一连续平面电极位于所述基底中，并且
其中，所述基底、所述脊和所述第一连续平面电极每一个位于平面对准层之下，所述平面对准层将所述液晶层从所述脊分离。
2.根据权利要求1所述的液晶可变光学延迟器，其中所述次波长光栅包括电介质光栅或半导体光栅。
3.根据权利要求2所述的液晶可变光学延迟器，其中所述次波长光栅包括其内没有任何金属的反射光栅。
4.根据权利要求1所述的液晶可变光学延迟器，其中所述锐角是45±5度。
5.根据权利要求4所述的液晶可变光学延迟器，其中所述次波长光栅具有单通道中的四分之一波延迟。
6.一种用于使入射到其上的光束产生可变相位延迟的可变光学延迟器，包括：
基底；
像素电极；
设置在所述像素电极上并与其分离的次波长光栅，以使入射到其上的所述光束产生第一光学延迟，所述次波长光栅具有彼此平行的多个光栅线；
所述次波长光栅上的液晶层，用于使穿过其传播的所述光束产生第二光学延迟；以及
所述液晶层上的透明的背板电极；
其中，当在所述像素电极和所述背板电极之间施加电压时，所述第二光学延迟被改变，从而使传播穿过液晶层的所述光束产生可变相位延迟；
其中，所述液晶层的指向矢与所述多个光栅线形成锐角，从而降低所述可变光学延迟器对所述光束的偏振态的敏感性，
其中，所述多个光栅线包括在其中限定间隙的脊，
其中，所述脊在基底中形成并且所述像素电极位于所述基底中，并且
其中，所述基底、所述脊和所述像素电极每一个位于平面对准层之下，所述平面对准层将所述液晶层从所述脊分离。
7.根据权利要求6所述的可变光学延迟器，其中所述像素电极具有连续平坦表面。
8.根据权利要求7所述的可变光学延迟器，其中所述次波长光栅包括电介质光栅或半导体光栅。
9.根据权利要求8所述的可变光学延迟器，其中所述次波长光栅包括其内没有任何金属的反射光栅。
10.根据权利要求9所述的可变光学延迟器，其中所述次波长光栅是反射的。
11.根据权利要求9所述的可变光学延迟器，其中所述电介质光栅包括二氧化硅、氧化钽和硅中的一个或多个。
12.根据权利要求6所述的可变光学延迟器，其中所述锐角是45±5度，并且其中所述次波长光栅具有单通道中的四分之一波延迟。
13.根据权利要求6所述的可变光学延迟器，还包括：位于所述液晶层、所述次波长光栅和所述背板电极之下的多个像素电极。
14.根据权利要求13所述的可变光学延迟器，其中所述基底包括硅基底，所述可变光学延迟器还包括设置在所述硅基底上的位于所述多个像素电极之下的驱动电路，用于向各个像素电极独立地施加电压。
15.一种使光束产生可变相位延迟的方法，所述方法包括：
(a)使光束传播穿过液晶层，并随后穿过次波长光栅，所述次波长光栅具有与所述液晶层的指向矢成锐角定向的光栅线；
(b)反射在步骤(a)中传播的所述光束，以向回传播所述光束穿过所述液晶层；以及
(c)在执行步骤(a)和(b)时，通过位于所述液晶层和所述次波长光栅外部并与它们平行的一对平面电极施加电场到所述液晶层，以改变所述液晶层的光学延迟，从而改变所述光束的所述相位延迟；其中，所述电极的平坦度有利于所施加电场的空间均匀性，从而有利于所述液晶层的改变的所述光学延迟的空间均匀性。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
(d)提供具有在单通道中四分之一波长光学延迟的次波长光栅，并且相对于所述液晶层的指向矢成45±5度角设置所述次波长光栅线；
其中在步骤(a)之前执行步骤(d)。
17.根据权利要求16所述的方法，其中步骤(d)包括提供其内不包含任何金属的次波长光栅。
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