CN103792731B - 一种宽视场多级波片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽视场多级波片，包括：数量为偶数的液晶波片和在所述的液晶波片之间填充的匹配液或匹配胶；其中所述的液晶波片以两两相互反向平行的方式贴合。本发明的宽视场多级波片具有对入射角度不敏感、工作视场宽，尺寸和外形不受限制，位相延迟量可细致调节或精确控制等优点，在光学检测、光纤通信、激光技术等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学波片技术领域，具体涉及一种多级波片。
背景技术
目前，光学波片按结构分有多级波片（multiple-order wave plate）、胶合零级波片或称复合波片（compound zero-order wave plate）及真零级波片（true zero-order）。其中真零级波片，延迟量的波长敏感度低，温度稳定性高，接受有效角度大，性能大大优于其他两种波片，但真零级波片往往非常薄，以石英为例，其在可见光部分双折射系数约为~0.0092，一个550nm为中心波长的真零级石英波片，其厚度只有15um，如此薄的波片在制造和使用上都会遇到不少困难。多级波片的厚度等于多个全波厚度加上所需延迟量的厚度，相对比较容易制造，但存在的缺点是其对波长、温度和入射角均很敏感，在很大程度上限制了多级波片的应用。胶合零级波片或称复合波片是将两个多级波片胶合在一起。通过将一个波片的快轴和另一个波片的慢轴对准以消除全波光程差，仅留下所需的光程差。胶合波片可以在一定程度上改善温度对波片的影响，但另一个结果是其增加了波片延迟量对入射角度及波长的敏感性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种宽视场多级波片，可以多级波片降低对入射角度的敏感性，拓展多级波片的视场，提高多级波片在复杂条件下的应用潜力。
本发明提出的宽视场多级波片包括：数量为偶数的液晶波片和在所述液晶波片之间填充的折射率匹配液或匹配胶；其中所述的液晶波片以相邻两两相互反向平行的方式贴合，相邻两液晶波片以垂直于通光面的方向为轴旋转180°后贴合。
根据光学延迟量是否可调，所述的液晶波片可以采用固定液晶波片或可调液晶波片。固定液晶波片的结构包括中间的液晶层、透明隔垫和两侧依次对称设置的取向膜和透明基板。可调液晶波片结构包括中间的液晶层、透明隔垫和两侧依次对称设置的取向膜、透明导电膜和透明基板。
所述每片液晶波片的液晶层两侧的取向膜均采取摩擦方向反向平行的方式布置，液晶层中的液晶分子沿面排列。
本发明具有以下优点：
1）对光的入射角度不敏感，接收有效角度可达±20° ，接收有效角度大。因为两个液晶盒以预倾角相反的方式叠放，可以实现对不同角度入射的光进行自动光学延迟补偿，即光线经过这种结构时，第一个液晶盒里的离轴效应（离轴光线经过波片时，光学延迟量相对正入射有所变化，延迟变化量越大，波片的有效接收角就越小）基本被第二个液晶盒补偿过来了，这种自动补偿机制降低了液晶波片对光线离轴角的敏感性，因而可使其有效接收角度显著增大，参见图5。
2）波片的尺寸和外形不受限制，可根据需要将波片设计成任意形状。
3）波片的位相延迟量可通过电控方式精确控制。
本发明在光学检测、光纤通信、激光技术等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1 为本发明的宽视场多级波片结构示意图；
图2 为本发明中的固定液晶波片的结构示意图；
图3 A和 图3 B为本发明中液晶波片的透明基板及其内表面取向膜的摩擦方向示意图；
图4 为本发明中的可调液晶波片的结构示意图；
图5是本发明的多级波片增大有效接收角度的原理图；
图6是测试光路图；
图7是透射光谱图。
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详细说明。
图1显示的是本发明的一种宽视场多级波片的实施结构，其包括4片固定液晶波片（104，105，106，107），以及在相邻界面之间填充的折射率匹配液或匹配胶（101，102，103），其中第二和第四块固定液晶波片（105，107）相对第一和第三块固定液晶波片（104，106）以垂直于通光面（108，109）的方向为轴旋转了180°，即液晶波片是以相邻两两相互反向平行的方式贴合的。
图2 为固定液晶波片的结构示意图，包括透明基板（201，202）、取向膜（205，206）、透明隔垫（203，204）和液晶层207。其中取向膜（205，206）分别涂敷在透明基板（201，202）的内表面上，经过烘烤、摩擦等工艺处理后，可以诱导液晶层207中的液晶分子按照特定的方向排列，使液晶波片具有晶体的双折射光学特性。液晶层207是在两块透明基板（201，202）之间的夹层内灌注向列相液晶材料形成的，透明基板（201，202）由透明隔垫（203，204）支撑，用于精确控制液晶层207的厚度，使其折射率差Δn在0.05~0.50之间。透明隔垫（203，204）可以采用玻璃纤维，也可采用玻璃微珠或塑料微珠。
图3 为固定液晶波片的两透明基板（201，202）及其内表面取向膜（205，206）的摩擦方向示意图。取向膜（205，206）涂敷在透明基板（201，202）内表面上，在透明基板（201，202）相对贴合成液晶盒时，使其上的黑三角标志（301，302）重合（黑三角为将透明基板（201，202）贴合时的对位标志，防止出现错误的贴合方向），亦即透明基板（201，202）以取向膜（205，206）的摩擦方向反向平行的方式贴合。
图4为采用可调液晶波片的结构示意图，包括透明基板（201，202）、透明导电膜（401，402）、取向膜（205，206）、透明隔垫（203，204）和液晶层207。通过调整液晶材料的双折射率差的方法可精确控制本发明的宽视场多级波片的光学相位延迟，其中一种途经是利用液晶材料的电控双折射效应实现。首先，在透明基板（201，202）上镀透明导电膜（401，402），然后在其上涂敷取向膜（205，206）。透明导电膜（401，402）一般为氧化锡铟ITO,其方块电阻为80~500Ω/□。利用电极在透明导电膜（401，402）施加一定幅度的电压，可为液晶层（207）提供一个沿通光方向的电场，使液晶分子的指向发生旋转，从而改变液晶波片的光学位相延迟。由于电场的大小可以精细控制，因此本发明的宽视场多级波片的光学相位延迟可以细致地调节和精确地控制。
本发明的一个实施例是使用4个完全相同的液晶波片（104，105，106，107），并且让液晶波片（105，107）相对液晶波片（104，106）以垂直于通光面（108，109）的方向为轴旋转180°，构成本发明的宽视场多级波片。所用液晶波片的液晶层厚度为10 um，Δ n=0.251@589nm，25℃。在环境温度25℃时，使用波长为532 nm的连续激光器测量不同角度下位相延迟，测量结果表明，该多级波片在入射角为-5° ~+5 °范围内时，延迟量的变化可以忽略。
本发明的另一个实施例用以证明本发明的液晶波片组的光学延迟量对入射光的角度变化的敏感性：使用如图6所示的测试光路测试光在-20°～+20°之间变化入射角时，液晶波片延迟量随入射角度的变化。
光源经过准直透镜准1直后依次经过由起偏器、液晶波片和检偏器，然后被准直透镜2接收进入光谱仪系统，可以通过转台精确控制入射光相对液晶波片的入射角度，这里以4°为步长，在-20°～+20°之间变化入射角度，得到在不同角度下的透射光谱，如图7所示。可以看出，在-20°～+20°之间变化入射角度时，透射光谱几乎不发生变化。以532nm处的透射峰为例，在-20°～+20°之间变化入射角度时，透射峰对应的波长最大偏移量仅约为1nm，可见液晶波片组的光学延迟量对入射光的角度变化是非常不敏感的。
以上实施例是以4个液晶波片组成的多级波片为例，在实际应用中，根据需要也可以采用其它偶数量的液晶波片，如6、8、10片等。
同时，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的技术方案的宗旨和范围前提下，对本发明的技术方案的修改和等同替换，也均应涵盖在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种宽视场多级波片，其特征在于，包括：数量为偶数的液晶波片和在所述液晶波片之间填充的折射率匹配液或匹配胶；其中所述的液晶波片以相邻两两相互反向平行的方式贴合，即相邻两液晶波片以垂直于通光面的方向为轴旋转180°后贴合；
所述液晶波片为固定液晶波片，即光学延迟量不可调，包括透明基板(201，202)、取向膜(205，206)、透明隔垫(203，204)和液晶层207，其中取向膜(205，206)分别涂敷在透明基板(201，202)的内表面上，诱导液晶层(207)中的液晶分子按照特定的方向排列，使液晶波片具有晶体的双折射光学特性；所述液晶层(207)是在两块透明基板(201，202)之间的夹层内灌注向列相液晶材料形成，透明基板(201，202)由透明隔垫(203，204)支撑，用于精确控制液晶层(207)的厚度；
或者，所述液晶波片为可调液晶波片，即光学延迟量可调，其包括透明基板(201，202)、透明导电膜(401，402)、取向膜(205，206)、透明隔垫(203，204)和液晶层(207)；所述透明基板(201，202)内表面镀有透明导电膜(401，402)，用于改变液晶波片的光学位相延迟；在透明导电膜(401，402)上涂敷有取向膜(205，206)，诱导液晶层(207)中的液晶分子按照特定的方向排列，使液晶波片具有晶体的双折射光学特性；所述液晶层(207)是在两块透明基板(201，202)之间的夹层内灌注向列相液晶材料形成，透明基板(201，202)由透明隔垫(203，204)支撑，用于精确控制液晶层(207)的厚度；
所述液晶层(207)两侧的取向膜摩擦方向反向平行，液晶层中的液晶分子沿面排列。
2.根据权利要求1所述的宽视场多级波片，其特征在于，所述液晶层(207)的厚度通过透明隔垫进行控制，折射率差Δn在0.05～0.50之间。
3.根据权利要求1所述的宽视场多级波片，其特征在于，液晶层(207)厚度为10um，Δn＝0.152。
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