CN106896614A - 一种液晶阵列光线方向调控器件及其应用 - Google Patents

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杨青
汤明炜
李海峰
王喆超
徐鹏飞
刘旭
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering

Abstract

本发明公开一种液晶阵列光线方向调控器件，包括液晶盒以及液晶盒表面间隔排列的透明电极，每个透明电极控制对应区域的液晶偏转；所有的透明电极被划分为多个调制单元，各调制单元内包含多个透明电极，同属一调制单元内的透明电极的一端连接同一电阻材料，该电阻材料的两侧分别引出用于接入施加电压的电极。本发明还公开上述液晶阵列光线方向调控器件在实现二维点阵光线方向调控上的应用。本发明可以实现光线方向的连续偏转，偏转效率相比传统液晶光学相控阵损失较小；采用分布式阻抗分压技术，使得控制电极的数量大大减少，降低了控制难度和控制成本，且不会因为电极过多而引起电极交叉。

Description

一种液晶阵列光线方向调控器件及其应用
技术领域
本发明涉及一种光束偏转器件，尤其涉及一种液晶阵列光线方向调控器件及其应用。
背景技术
双目视差三维显示是目前普遍采用的传统三维显示方法，但该方法存在着视觉混乱和视觉疲劳问题，且设备笨重昂贵。近眼集成光场三维显示采用高速调制集成光发射阵列并通过电信号用光线方向调制器控制光场的空间扫描，提高三维光场的数据量，减小系统尺寸，是实现小型化、高稳定性和低成本便携式近眼光场三维显示系统的一个理想解决方案。
近眼集成光场三维显示是一种将光子芯片与点阵光线偏转控制器件结合起来的技术。光子芯片是一种阵列发光器件，为了实现三维显示，需要一种光线偏转器件对单个像素点进行偏转控制。
目前，光束偏转器件按其实现的途径可分为：机械式偏转器、声光偏转器和电光偏转器。这些偏转器件一般体积大、重量重、功耗高，且不易集成，因此在实际使用中受到了限制。
液晶光学相控阵(LCOPA)是一种实时可编程光束偏转器件，它采用驱动电压低、相位调制深度大的向列相液晶作为相位调制的电光材料，使器件具有重量轻、尺寸小、功耗低和易于实现微电子控制电路等优点，不但解决了激光波束的快速指向、灵活控制和空间扫描问题，而且使系统的集成度更高，柔性控制能力更强，制造成本更低廉。现有液晶光学相控阵由液晶盒以及在液晶盒表面平行排列的若干电极组成，每一根电极及其影响的液晶区域组成一个移相单元，调控原理图如图4所示。但是现有液晶相控阵器件存在着缺陷，一是相位回程区的存在使得偏转效率受到限制；二是现有液晶相控阵器件的光线偏转是通过控制每一根电极的施加电压来实现的，一般需要几百到几千个控制引脚，因而增加了控制成本和控制难度；三是液晶相控阵的电极布线过于复杂，引线容易交叉。
发明内容
本发明提供了一种液晶阵列光线方向调控器件及其应用，能够满足近眼集成光场三维显示的需要，用于对每个像素点的发光方向进行调控，形成易于与光子芯片集成的点阵光线偏转器件。传统液晶相控阵也可以集成阵列光线方向调制器，但是每根电极都需要单独的控制线，需要多层布线，易于交叉短路，且控制电极极多，加工难度大。相比而言，本发明只需单层布线，有着很低的控制成本和控制难度。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种液晶阵列光线方向调控器件，包括液晶盒以及液晶盒表面间隔排列的透明电极，每个透明电极控制对应区域的液晶偏转；所有的透明电极被划分为多个调制单元，各调制单元内包含多个透明电极，同属一调制单元内的透明电极的一端连接同一电阻材料，该电阻材料的两侧分别引出用于接入施加电压的电极。
本发明创造性地引入高阻材料，将每个调制单元一端的电极连在一起。利用液晶的相位调制特性，液晶阵列光线方向调制器由液晶盒以及液晶盒表面排列的一定数量的条形透明电极组成，每个透明电极控制着一定区域的液晶偏转。将一定数量的电极作为一个调制单元，所有电极的一端与高电阻材料连接在一起，高阻材料的两端分别引出一个电极，当在高阻材料两端施加电压时，内部与之接触的透明电极根据高阻材料电阻分配电压，这样一个调制单元仅仅需要两个电极，达到降低控制难度的目的。
作为优选的，所述透明电极采用的透明导电材料包括但不限于基于ITO、ZnO等TCO薄膜材料。
作为优选的，所述电阻材料(在说明书中也称为高阻材料)的电阻为1KΩ～1MΩ，此处电阻材料做分压用，电阻不能太高，此外电阻两端直接接有正负电极，为了减少器件功率及避免短路，电阻不能过低。进一步优选的，所述的电阻材料为ZnO、ITO或GaAs等半导体材料，且所述的电阻材料均匀分布，即长度方向上电阻材料各处的电阻相同。
镀设的高阻材料的厚度和宽度可以根据所选液晶材料的相位-电压分布曲线调整，最终达到将调制范围内的相位-电压分布曲线校正为线性的目的，可以固定厚度改变宽度，也可以固定宽度而改变厚度。在误差允许范围内，可以认为相位-电压分布曲线在中间区域是线性的，因而所镀高阻材料应均匀分布。
作为优选的，所述电极的材料为铂、金、银、铜、铝、钛、镍、钴或钯。
进一步的，所有调制单元引出的两条电极分别集成后引出，集成后的两根电极连接至驱动电压。也就算是说，各个调制单元的两根电极可以分别集成，这样整个器件只需要两根电极，从而可以不需要多层布线，简化了布线难度。
作为优选的，所述的驱动电压为交流方波电压，方波的周期小于液晶偏转周期，对于同一调制单元，只需要控制两个电极，且两个电极的方波相位同步。
作为优选的，每个调制单元所控制的液晶区域应大于发光像素点发光光斑的尺寸，同时，为了满足液晶的光束方向调制特性，发光像素点发出的光线必须是平行的，且应当是偏振光。
本发明还提供一种液晶阵列光线方向调控器件的应用，将两块上述的液晶阵列光线方向调控器件进行平行叠加，且两块液晶阵列光线方向调控器件内透明电极的相互垂直，用于实现二维点阵光线方向调控。
本发明的液晶阵列光线方向调控器件，可以实现光线方向的连续偏转，且不存在相位回程区的影响，偏转效率相比传统液晶光学相控阵损失较小。此外，由于使用的分布式阻抗分压技术，使得控制电极的数量大大减少，降低了控制难度和控制成本，且不会因为电极过多而引起电极交叉。本发明能够实现与光子芯片耦合的目的。
附图说明
图1是本发明所设计的阵列光线方向调制器的下基底平面图。图中，101是一个调制单元，205是下基底玻璃，205表面排布有周期分布的调制单元。102是间隔分布的透明电极，103是高阻均匀材料，104和105是一个调控单元引出的两根电极，分别施加不同的电压。
图2是本发明所涉及的液晶阵列光线方向调控器的截面图。图中，201是上基底玻璃，202是公共电极，203是上基底的绝缘层，204是下基底的绝缘层，205是下基底玻璃，206是向列相液晶。
图3是本发明等相位面以及调控光线方向的原理示意图，301是发光像素点；
图4是现有液晶相控阵技术的原理图，每根电极都需要一个单独的控制线；
图5是本发明采用的一种向列相液晶的相位与驱动电压之间的关系曲线图；
图6是本发明的驱动电压波形图；
图7是液晶阵列光线方向调控器的电极分布图。
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液晶阵列光线方向调控器及其制造步骤、驱动方式进行详细描述。
实施例1
图1为实施例1提供的液晶阵列光线方向调控器的下基底结构示意图，图2为实施例1提供的液晶阵列光线方向调控器的截面示意图，图3为利用本发明提供的液晶阵列光线方向调控器的光线方向调制原理图。如图1到图3所示，该液晶阵列光线方向调控器包括：相对设置的上基板201和下基板205，在两基板之间填充有向列相液晶206，在上基板上形成有第一电极202和绝缘层203，在下基板上形成有等间隔分布的第二电极102和绝缘层204，第二电极102为条形透明电极，同一调制单元中，在每个第二电极102的一端镀有高阻材料103。
本实施例中，还可以在绝缘层203的下表面和绝缘层204的上表面形成有液晶取向层，经摩擦后可以使液晶分子按照一定的方向排列。高阻材料103可以是半导体材料，例如ZnO、GaAs、ITO。
液晶阵列光线方向调制器的电极分布如图7所示，时分复用三维显示允许所有调制单元的电压同步，因而可以将所有调制单元的控制电极集成在一起，最后引出两根电极，从而明显降低器件的加工难度和控制难度。
本实施例的液晶阵列光线方向调控器中，在下基板电极的一端镀有高阻材料，通过分布式阻抗分压，可以大大降低电极控制的难度和成本。
实施例2
本实施例用于制备实施例1中液晶阵列光线方向调控器的步骤如下：
步骤S1：提供第一基板(上基板201)和第二基板(下基板205)；
步骤S2：在第一基板(上基板201)形成第一电极202；
步骤S3：在第二基板(下基板205)上获得等间隔分布的第二电极102；
步骤S4：在第二电极102的一端镀高阻材料103；
步骤S5：从每个控制单位的高阻材料103两端引出两根导电电极，见图1中的第三电极104和第四电极105；
步骤S6：对盒第一基板(上基板201)和第二基板(下基板205)，灌入向列相液晶206；
步骤S7：重复S1-S6，制作第二块光线方向调控器；
步骤S8：将两块光线方向调控器平行叠加校正，两者电极方向垂直。
实施例3
本实施例描述阵列光线方向调控器件的驱动方式：
由于液晶在直流电压作用下易发生分解，因此，驱动电压设置为交流方波电压。矩形方波的电压有效值为：矩形方波的波形如图6所示，其中，T为矩形方波的一周期，U为峰值电压。根据图5所示的液晶盒的相位延迟与施加电压的关系图可知，电压有效值在一定范围内相位变化在0-2π之间，同时可以认为相位-电压是线性变化的，记电压范围的两端分别为U1和U2(U1＜U2)。因此，在对一个调制单元两根电极施加控制电压的时候，其中一个电极电压有效值固定为U1，另外一个电极电压有效值U在U1到U2之间变化，由于高阻材料的分布式阻抗分压特性，一个单元内的电极的电压从U1到U逐渐递增，相应的，一个调制单元内的各个电极所控制的液晶形成的相位差递增。当光线从底部透射的时候，就会发生偏折，如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液晶阵列光线方向调控器件，包括液晶盒以及液晶盒表面间隔排列的透明电极，每个透明电极控制对应区域的液晶偏转；其特征在于：
所有的透明电极被划分为多个调制单元，各调制单元内包含多个透明电极，同属一调制单元内的透明电极的一端连接同一电阻材料，该电阻材料的两侧分别引出用于接入施加电压的电极。
2.如权利要求1所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：所述透明电极的材料为基于ITO或者ZnO的TCO薄膜材料。
3.如权利要求1所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：所述电阻材料的电阻范围为1KΩ～1MΩ。
4.如权利要求3所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：所述的电阻材料为ZnO、ITO或GaAs。
5.如权利要求1或3所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：所述的电阻材料的电阻均匀分布。
6.如权利要求1所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：所述电极的材料为铂、金、银、铜、铝、钛、镍、钴或钯。
7.如权利要求1所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：所有调制单元引出的两条电极分别集成后引出，集成后的两根电极连接至驱动电压。
8.如权利要求7所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：所述的驱动电压为交流方波电压，方波的周期小于液晶偏转周期。
9.如权利要求1所述的液晶阵列光线方向调控器件，其特征在于：每个调制单元所控制的液晶区域应大于发光像素点发光光斑的尺寸。
10.一种液晶阵列光线方向调控器件的应用，其特征在于：将两块如权利要求1～9任一项所述的液晶阵列光线方向调控器件进行平行叠加，且两块液晶阵列光线方向调控器件内透明电极的相互垂直，用于实现二维点阵光线方向调控。
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