CN107632466A - 液晶光栅及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种液晶光栅及其控制方法。该液晶光栅包括：相对设置的第一偏振器和第二偏振器；设置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的液晶层；设置在所述第一偏振器的靠近所述液晶层的一侧的多个第一电极；以及设置在所述第二偏振器的靠近所述液晶层的一侧的第二电极，其中，每个第一电极的宽度被设定在纳米数量级。本发明实施例提供的液晶光栅的光栅常数在纳米数量级，能够产生光的干涉和衍射的现象。

Description

液晶光栅及其控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及晶体光学技术领域，尤其涉及一种液晶光栅及其控制方法。
背景技术
光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。它不仅用于光谱学，还广泛应用于计量、光通信、信息处理、显示等方面。通常，光栅是在不透明的障板上刻出一系列等宽等间距的平行狭缝而制成，狭缝为透光部分，两个狭缝之间的部分为不透光部分。如图1所示，透光狭缝的宽度为a，两个狭缝之间的不透光部分的宽度为b，光栅常数d＝a+b。当光入射到透射光栅上时，由于光栅的狭缝的衍射和干涉的作用，形成明暗相间的衍射条纹。
发明内容
本发明实施例提供了一种液晶光栅及其控制方法，该液晶光栅的光栅常数为纳米数量级，能够实现光的干涉和衍射。
根据本发明的第一方面，提供一种液晶光栅，包括：
相对设置的第一偏振器和第二偏振器；
设置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的液晶层；
设置在所述第一偏振器的靠近所述液晶层的一侧的多个第一电极；以及
设置在所述第二偏振器的靠近所述液晶层的一侧的第二电极，
其中，每个第一电极的宽度被设定在纳米数量级。
在一个示例中，所述液晶光栅还包括控制单元，所述控制单元被配置为控制施加到所述第一电极和所述第二电极的电压信号，以使所述液晶层中的液晶分子偏转，以形成彼此交替布置多个透光区和非透光区。
在一个示例中，所述控制单元还被配置为通过对所述第一电极的电压信号的控制来改变对应于所述透光区和所述非透光区的第一电极的数量，以改变所述透光区和所述非透光区的宽度。
在一个示例中，所述第一电极为条状电极，所述第二电极为面电极。
在一个示例中，所述第一电极的宽度范围为5纳米至50纳米。
在一个示例中，每个所述透光区和每个所述非透光区对应于3-20个第一电极。
在一个示例中，所述液晶层为TN型液晶层。
在一个示例中，所述液晶光栅还包括设置在所述第一偏振器和所述第一电极之间的第一基板，和设置在所述第二偏振器和所述第二电极之间的第二基板。
在一个示例中，所述液晶光栅还包括分别设置在所述第一电极的面向所述液晶层一侧的第一取向膜，和设置在所述第二电极的面向所述液晶层的第二取向膜。
根据本发明的第二方面，提供一种液晶光栅的控制方法，用于本文描述的实施例提供的液晶光栅，所述方法包括：控制施加到所述第一电极和所述第二电极电压信号，以使所述液晶层中的液晶分子偏转，以形成彼此交替布置的多个透光区和非透光区。
在一个示例中，所述方法还包括：通过控制施加到所述第一电极的电压信号来改变对应于所述透光区和所述非透光区的第一电极的数量，以改变所述透光区和所述非透光区的宽度。
在一个示例中，所述第一电极的宽度范围为5纳米至50纳米。
在一个示例中，每个所述透光区和每个所述非透光区对应于3-20个第一电极。
在本发明的实施例中，基于第一电极和第二电极的电压控制液晶分子的取向，以形成具有交替布置的透光区和非透光区的液晶光栅，形成的液晶光栅的光栅常数处于纳米数量级，可以实现波动光学中的光学现象，如光的干涉和衍射。此外，通过改变对应于透光区和非透光区的第一电极的数量，可以方便地改变光栅常数，以适应不同波长的光。
适应性的进一步的方面和范围从本文中提供的描述变得明显。应当理解，本申请的各个方面可以单独或者与一个或多个其他方面组合实施。还应当理解，本文中的描述和特定实施例旨在仅说明的目的并不旨在限制本申请的范围。
附图说明
本文中描述的附图用于仅对所选择的实施例的说明的目的，并不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本申请的范围，其中：
图1示例性示出现有技术中狭缝光栅的示意图；
图2示例性示出本发明的一个实施例提供的液晶光栅的结构图；
图3示例性示出本发明一个具体实施例提供的液晶光栅的示意图；
图4示出本发明实施例提供的液晶光栅的形成原理的示意图；
图5示出本发明实施例提供的液晶光栅产生光程差的示意图；
图6为本发明实施例提供的用于液晶光栅的驱动方法的示意性流程图。
贯穿这些附图的各个视图，相应的参考编号指示相应的部件或特征。
具体实施方式
现将参照附图更全面地描述示例性的实施例。
图2示例性示出本发明的一个实施例提供的液晶光栅的结构图。如图2所示，一种液晶光栅，包括相对设置的第一偏振器201和第二偏振器202；设置在第一偏振器201和第二偏振器202之间的液晶层203；设置在第一偏振器201的靠近液晶层的一侧的多个第一电极204；设置在第二偏振器202的靠近液晶层203的一侧的第二电极205。在该实施例中，每个第一电极204的宽度被设定在纳米数量级。
在本发明的实施例中，可以通过控制第一电极和第二电极的电压大小来形成具有透光区和遮光区交替布置的液晶光栅。由于将第一电极的宽度设定在纳米数量级，例如，几个纳米至几十纳米，因此形成的纳米光栅的光栅常数具有纳米数量级。这种液晶光栅为物理光学意义上的光栅，当光照射到这种液晶光栅上时，可以产生波动光学的现象，例如光的干涉和衍射。
在一个实施例中，第一电极可以为条状电极，第二电极可以为面电极。第一电极的宽度可以被设置为在5nm至50nm之间。
为了方便地控制第一电极和第二电极的电压信号，在该实施例中，纳米液晶光栅还可以包括与第一电极204和第二电极205连接的控制单元。控制单元被配置为控制施加到第一电极204和第二电极205的电压信号，以使液晶层203中的液晶分子偏转，以形成彼此交替布置多个透光区和非透光区。
此外，在该实施例中，由于第一电极的宽度设定在纳米数量级，为了避免不同电极之间的电压的耦合或者相互干扰，在形成光栅时，可以向第一电极施加较小的电压。相应地，也可以减少液晶层的厚度，以便于利用较小的电压控制液晶分子的偏转，例如，可以将液晶层的厚度也设置在纳米数量级。
在一个实施例中，控制单元还被配置为通过对第一电极204的电压信号的控制来改变对应于透光区和非透光区的第一电极204的数量，以改变透光区和非透光区的宽度。
在本发明的实施例中，由于第一电极的宽度设置在纳米数量级，可以改变对应于透光区和非透光区的第一电极的数量，以便根据需要改变液晶光栅的光栅常数，因此可以适于不同波长的光的干涉或衍射，而不需要更换光栅。
图3示例性示出本发明的一个具体实施例提供的液晶光栅的示意图。如图3所示，在图1所示的实施例的基础上，本实施例提供的液晶光栅还可以包括设置在第一偏振器201和第一电极204之间的第一基板206；以及设置在第二偏振器202和第二电极205之间的第二基板207。第一基板206和第二基板207用作第一偏振器201、第二偏振器202、第一电极204和第二电极205的支撑物。
下面以液晶层为TN型液晶为例并结合附图对本实施例提供的液晶光栅的形成原理进行详细说明。
可以理解，为了控制通过液晶层的光的透过，第一偏振器和第二偏振器的透光轴方向相互垂直。第一偏振器将入射的自然光转变成线偏振光射入液晶层。例如，当液晶层未施加电压时，线偏振光经过液晶层后偏转方向旋转90°，可以透过第二偏振器，因此处于透光状态；当施加电压时，线偏光经过液晶层后不改变偏振方向，偏振方向与第二偏振器的透光轴垂直，不能透过第二偏振器，因此处于遮光状态。在本发明实施例中，通过控制第一电极的电压，可以形成具有在空间上交替布置的透光区和非透光区的液晶光栅。
图4示出本发明实施例提供的液晶光栅的形成原理的示意图。在图4中，按照从左到右的顺序，对第1至第4个第一电极204施加5V电压，液晶层203中的液晶分子不改变偏振光的偏振状态，光不能透过第二偏振器202，因此形成液晶光栅的非透光区，其宽度为a；对第5至第9个第一电极施加0V电压，液晶层203中的液晶分子将偏振光的偏振状态旋转90°，光能够透过第二偏振器202，因此形成液晶光栅的透光区，其宽度为b；依次类推，对第9n-8(n大于或等于1)至第9n-5个第一电极施加5V电压，形成非透光区，对第9n-4至第9n个第一电极施加0V电压，形成透光区。
由于第一电极的宽度被设定在纳米数量级，因此可以形成光栅常数d(d＝a+b)在纳米数量级的液晶光栅，这种液晶光栅可以起到真正的光学意义上的光栅的作用，可以实现光的干涉、衍射。此外，根据本实施例提供的液晶光栅的配置，可以改变对应于透光区和非透光区的电极的数量，从而方便地改变液晶光栅的光栅常数，因此可以适于不同的应用，而无需更换新的光栅。
图4示出的实施例中，每个透光区对应于4个第一电极，每个非透光区对应于5个第一电极，可以理解，在本发明的实施例中，每个透光区和每个非透光区还可以对应于其他数量的电极。而且，通过改变对应于每个透光区和每个非透光区的第一电极的数量，可以实现光栅常数在纳米数量级上的改变，实现更精细的控制。
图5示出本发明实施例提供的液晶光栅产生光程差的示意图。如图5所示，光经过光栅后，对应点衍射线间的光程差ΔL＝d*sinθ，其中θ为光线的垂线与液晶光栅的表面的夹角。两个相邻透光区的光线的相位差δ＝(2πd/λ)*sinθ。由此可见，衍射参数(例如，包括光程差和相位差)均与光栅常数d有关，如果改变第一电极上的电压信号，可以影响衍射因子，从而能够使液晶光栅适于不同波长的光，达到对不同波长的光的干涉和衍射的效果。
在本发明的一个示例中，第一基板和第二基板可以是玻璃基板或石英基板。第一电极和第二电极由透明导电材料制成，例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)或氧化铝锌等。在制备时，可以采用磁控溅射或热蒸发的工艺，在第一基板和第二基板上沉积一层透明导电膜，采用普通掩膜板通过构图工艺形成第一电极图形和第二电极图形。
在一个实施例中，第一偏振器和第二偏振器可以为金属线栅偏振器。可以使用金属靶材形成金属薄膜，然后通过蚀刻工艺形成线栅偏振器，其中，线栅偏振器的透光轴方向与线栅偏振器上的金属线栅的方向垂直。
在另一个实施例中，第一偏振器和第二偏振器也可以为碘系列偏振器，具体可以通过以下方法形成：用具有网状结构的高分子化合物聚乙烯醇薄膜作为基片，再浸染具有强烈二向色性的碘，经硼酸水溶液还原稳定后，再将其单向拉伸4～5倍制成。拉伸后，碘分子则整齐地被吸附在排列在该薄膜表面，具有起偏或检偏性能。
另外，为了便于液晶层中液晶分子的排列，本发明实施例提供的液晶光栅还可以包括分别设置在第一电极和第二电极上的第一取向膜和第二取向膜，用于对液晶层中的液晶分子取向。具体地，可以在形成第一电极和第二电极的第一基板和第二基板上涂覆一层聚酰亚胺(PI)层，并进行摩擦取向，使得PI层的表面分子依照固定均一的方向排列，从而形成用于液晶分子取向的取向膜。
图6为本发明实施例提供的用于液晶光栅的驱动方法的示意性流程图。如图6所示，根据本发明的一个实施例，提供一种用于液晶光栅的驱动方法，包括：
步骤601：控制施加到第一电极和第二电极的电压信号，以使液晶层中的液晶分子偏转，以形成具有多个交替布置的透光区和非透光区的等效光栅。
在一个实施例中，用于液晶光栅的驱动方法还包括改变光栅常数的步骤：通过控制施加到第一电极的电压信号来改变对应于透光区和非透光区的第一电极的数量，以改变透光区和非透光区的宽度，从而改变光栅常数。
在一个示例中，第一电极的宽度被设置为在5纳米至50纳米之间。
在一个示例中，每个透光区和每个非透光区对应于3-20个第一电极。
在本发明实施例提供的液晶光栅的控制方法中，通过控制第一电极和第二电极的电压的大小，可以形成光栅常数在纳米数量级的液晶光栅；并且，通过改变对应于透光区和非透光区的第一电极的数量，可以方便地改变光栅常数，以适应不同波长的光的干涉和衍射。
本发明中描绘的流程图仅仅是一个例子。在不脱离本发明精神的情况下，可以存在该流程图或其中描述的步骤的很多变型。例如，所述步骤可以以不同的顺序进行，或者可以添加、删除或者修改步骤。这些变型都被认为是所要求保护的方面的一部分。
出于下文表面描述的目的，如其在附图中被标定方向那样，术语“上”、“下”、“左”、“右”“垂直”、“水平”、“顶”、“底”及其派生词应涉及发明。术语“上覆”、“在……顶上”、“定位在……上”或者“定位在……顶上”意味着诸如第一结构的第一要素存在于诸如第二结构的第二要素上，其中，在第一要素和第二要素之间可存在诸如界面结构的中间要素。术语“直接接触”意味着连接诸如第一结构的第一要素和诸如第二结构的第二要素，而在两个要素的界面处没有任何中间导电、绝缘或者半导体层。
除非上下文中另外明确地指出，否则在本文和所附权利要求中所使用的词语的单数形式包括复数，反之亦然。因而，当提及单数时，通常包括相应术语的复数。相似地，措辞“包含”和“包括”将解释为包含在内而不是独占性地。同样地，术语“包括”和“或”应当解释为包括在内的，除非本文中明确禁止这样的解释。
以上为了说明和描述的目的提供了实施例的前述描述。其并不旨在是穷举的或者限制本申请。特定实施例的各个元件或特征通常不限于特定的实施例，但是，在合适的情况下，这些元件和特征是可互换的并且可用在所选择的实施例中，即使没有具体示出或描述。同样也可以以许多方式来改变。这种改变不能被认为脱离了本申请，并且所有这些修改都包含在本申请的范围内。

Claims (13)

1.一种液晶光栅，其特征在于，包括：
相对设置的第一偏振器和第二偏振器；
设置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的液晶层；
设置在所述第一偏振器的靠近所述液晶层的一侧的多个第一电极；以及
设置在所述第二偏振器的靠近所述液晶层的一侧的第二电极，
其中，每个第一电极的宽度被设定在纳米数量级。
2.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于，所述液晶光栅还包括控制单元，所述控制单元被配置为控制施加到所述第一电极和所述第二电极的电压信号，以使所述液晶层中的液晶分子偏转，以形成彼此交替布置多个透光区和非透光区。
3.根据权利要求2所述的液晶光栅，其特征在于，所述控制单元还被配置为通过对所述第一电极的电压信号的控制来改变对应于所述透光区和所述非透光区的第一电极的数量，以改变所述透光区和所述非透光区的宽度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的液晶光栅，其特征在于，所述第一电极为条状电极，所述第二电极为面电极。
5.根据权利要求4所述的液晶光栅，其特征在于，所述第一电极的宽度范围为5纳米至50纳米。
6.根据权利要求3所述的液晶光栅，其特征在于，每个所述透光区和每个所述非透光区对应于3-20个第一电极。
7.根据权利要求1至3、5至6中任一项所述的液晶光栅，其特征在于，所述液晶层为TN型液晶层。
8.根据权利要求1至3、5至6中任一项所述的液晶光栅，其特征在于，还包括设置在所述第一偏振器和所述第一电极之间的第一基板，和设置在所述第二偏振器和所述第二电极之间的第二基板。
9.根据权利要求8所述的液晶光栅，其特征在于，还包括分别设置在所述第一电极的面向所述液晶层一侧的第一取向膜，和设置在所述第二电极的面向所述液晶层的第二取向膜。
10.一种用于权利要求1所述的液晶光栅的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
控制施加到所述第一电极和所述第二电极电压信号，以使所述液晶层中的液晶分子偏转，以形成彼此交替布置的多个透光区和非透光区。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过控制施加到所述第一电极的电压信号来改变对应于所述透光区和所述非透光区的第一电极的数量，以改变所述透光区和所述非透光区的宽度。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述第一电极的宽度范围为5纳米至50纳米。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，每个所述透光区和每个所述非透光区对应于3-20个第一电极。
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