CN108828842A - 相位调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于偏振光的相位调制器，包括：具有第一表面(5)的第一基板(2)、具有第二表面(6)的第二基板(3)、两个基板(2，3)之间的液晶层(9)以及电极布置(4)。本发明还涉及一种用于生产这种相位调制器的方法。这种相位调制器应当避免现有的相位调制器的缺点，并且也可用作可变偏转光栅，且目前常规的液晶材料应当在用于这样的相位调制器的生产中可用。这是通过具有紧邻两个表面的液晶分子的平面外角度的相位调制器实现的，所述平面外角度的大小是大于0但小于或等于45度，以及通过电极布置(4)实现的，电极布置(4)可以以这样一种方式进行控制，即液晶分子定向的平面内分量可以在高达180度的角度范围内进行设置，并且紧邻第一表面(5)的液晶分子(10)的旋转方向与紧邻第二表面(6)的液晶分子的旋转方向相反。

Description

相位调制器
本申请是申请号为201480011054.6，国际申请号为PCT/EP2014/053667，国际申请日为2014年2月26日，申请人为视瑞尔技术公司，发明名称为相位调制器的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于偏振光的相位调制器，包括具有第一表面的第一基板和具有第二表面的第二基板，两个基板之间的液晶层(也称为LC层)和基于具有大的预倾角的LC取向(LC＝液晶)的电极布置，以及涉及一种用于产生这种相位调制器的方法。
背景技术
WO 2011/067265 A1描述了一种相位调制器，其用于调制与相位调制器相互作用的光线。用于调制圆形偏振光的相位的WO 2011/067265A1中所描述的相位调制器尤其包含第一和第二基板及在两个基板之间的液晶层，配置所述基板的表面以便将紧邻第一表面的液晶分子定向在实质上平行于第一表面的方向中，并将紧邻第二表面的液晶分子定向在实质上垂直于第二表面的方向中。这种定向也称为向列型(HAN)液晶的混合取向。
如WO 2011/067265 A1所公开的，使用这种HAN配置以便选择性地实现液晶分子定向的平面内分量的旋转——例如从0到90度或从0到-90度——这根据施加给电极的电场的符号，因此通过所施加的电场的这种控制整体实现从0到2π的相位调制。LC层的厚度在这种情况下优选以其光学功能对应于λ/2板这样的方式来选择。
电场中的符号依赖旋转在这种情况下是基于挠曲电极化。该极化是基于通过混合取向的LC或LC分子的机械变形。
WO 2011/067265 A1还描述了这样一种相位调制器，其以这样一种方式被配置，即作为在可预定方向中的衍射的结果，与相位调制器相互作用的光线可以可变地偏离，并且因此可以实现可变地可调节的偏转光栅的功能。
以与DE 10 2009 028 626 A1中所描述的相当的方式所使用的，基于相位调制的可变偏转光栅可通过单独的平面内电极的单独驱动来产生。
由于混合取向，LC分子被部分定向在平面外，特别是作为大致以45度、在从液晶层的一个表面到另一个表面的大致0到90度之间的线性变化的情况下随层厚度的平均值。
用于穿过LC层的光、相对于光在其中穿过的方向以角度β倾斜的LC分子的有效双折射率是
其中，n1和n2是具有双折射率Δn＝n2-n1的液晶的普通和特别的折射率。
对于混合取向，角度β随着层厚度在0度和90度之间变化，Δneff因此也随着LC层的厚度变化。有效光程差(opd)——在均匀的LC定向的情况下通常以层厚度d和双折射率Δn被描述为opd＝dΔn，在这种情况下为
对于混合定向，随层厚度的平均有效双折射率大致为并且光程差是为opdHAN≈0.5dΔn。
用于垂直穿过液晶层的光线的有效光路差小于液晶分子在其中被定向在平面内的液晶层的情况。为了实现λ/2板的光学功能，LC层的层厚度和LC材料的双折射率的乘积因此必须相对大。在3微米的层厚度的情况下，大约需要0.18的Δn以便调整用于绿色光的λ/2板。具体地，利用对应于大约绿色光的波长值的一半的这些数值opdHAN≈0.5·0.18·3μm＝0.27μm。
通常，很难实现0.18的双折射率或类似的值作为同时与低粘度相结合的材料性能。然而，具有增加的粘度的LC材料的使用损害了可变可调节相位调制器的最大可调节的调节速度。
面内电场中的液晶分子的符号依赖旋转是基于挠曲电极化。极化与场的相互作用是线性的。除了挠曲电极化，也发生介电各向异性Δε与场的二次相互作用。
具体地，介电相互作用可以具有的影响是，利用较高的场，除了LC分子定向的平面内分量的所需旋转之外，在场内也发生LC分子定向的平面外分量的与其耦合的所不需要的旋转。这种LC分子定向的平面外分量的旋转具有的影响是，LC层不再满足λ/2板的光学功能。在最坏的情况下，穿过LC层的光程可能加倍。这是因为，如果所有的LC分子被定向在平面内，即平行于基板，则所述光程将为
opd平行＝dAn＝2·opdHAN。
光程随平面内旋转角的改变导致偏转光栅的降低的衍射效率，特别是当使用相位调制器作为可变偏转光栅时。因而更少的光进入所需的衍射级，并且在一定情况下，不需要的扰动光进入其他衍射级。
作为可变偏转光栅的HAN相位调制器的正确的功能因此需要具有高挠曲电系数，并且同时具有低介电各向异性Δε的液晶材料。优选地，Δε处于小于2，理想地小于0.2的范围内。如上所述，结合液晶材料的高的双折射率Δn，介电各向异性被要求是优选在0.15至0.2的范围内。
令人期待的是具有避免所述缺点的用作可变偏转光栅的相位调制器，所述相位调制器特别是使使用材料参数位于更接近当前使用的材料的标准值的液晶材料成为可能。
例如，目前在显示器中使用的液晶材料的双折射率Δn通常位于从0.8到0.10的范围内，介电各向异性Δε通常位于从5到10的范围内。
US 7,564,510 B2描述了一种液晶显示装置，其包含像素，每个像素被分成若干区域，并且在一个区域中的电场的方向——实质上平行于基板—与在另一区域中的场方向相反，并且在这种情况中，当没有施加场时此外存在在液晶层中的偏振。US 7,564,510 B2因此描述了一种像素结构，其产生用于大的观察者角度的均匀亮度感应在于像素的不同区域在用于不同观察方向的像素的总体亮度中相互补偿。例如，当从一个特定的方向被观察时，像素的第一区域显得较明亮，并且第二区域显得较暗。从另一方向观察时，情况正好相反。然而由于眼睛不能单独地分辨像素的区域，因此存在有均匀的亮度感应。
为此，在US 7,564,510 B2中，使用根据电场符号的液晶分子定向的旋转，从而使在像素的不同区域中的液晶分子因此相反地旋转。对这种符合依赖旋转可以同样是基于挠曲电极化进行描述。
US 7,564,510 B2的附图3描述了一种具有在基板的两个表面上平行摩擦的配置。这导致两个基板上的LC分子的镜面对称相等取向(在LC层的中间具有平行于基板的镜面平面)和在两个基板之间的LC层中的展曲变形。这种展曲变形产生挠曲电极化。
然而，在US 7,564,510 B2中所描述的布置将不能用作相位调制器，因为像素的不同区域将分别产生不同的相位值，从而使完整的像素将不具有均匀的相位调制。
发明内容
因此，本发明的一个目的是描述一种避免上述缺点的相位调制器，其可以进一步用作可变偏转光栅，并且对于其的生产，特别是有可能使用目前常规的液晶材料。
所述目的通过如权利要求1中所述的相位调制器来实现。
一种相位调制器，其具体地用于调制总体上是圆形偏振光的与相位调制器相互作用的偏振光的相位，所述相位调制器包括：具有第一表面的第一基板；以及具有第二表面的第二基板，两个基板被设置为面对彼此；设置在两个基板之间并包含液晶分子的液晶层；在至少一个基板上的电极布置，配置基板的两个表面以便紧邻各自表面的液晶分子定位在以各自基板的各自表面各自形成平面外角度的方向中。
在根据本发明的相位调制器中，平面外角度的大小大于0度但小于或等于45度。平面外角度，或极角——即液晶分子的光学长轴与各自基板的表面产生的角度——也被称为预倾角，关于此描述了与各自基板相关联的这些液晶分子的定向，——即无需借由电极布置通过施加电场重新定向。在此，定向总是要意味着液晶分子的或另一种可取向的双折射材料的光学长轴的取向。
此外，在根据本发明的相位调制器中，电极布置可以以这样一种方式被驱动，即液晶分子定向的平面内分量——也被称为方位角分量——可以在高达180度的角度范围内进行调节，并且紧邻第一表面的液晶分子的旋转方向与紧邻第二表面的液晶分子的旋转方向相反。
换言之，避免了或者至少减少了上述问题的相位调制器配置如下：
其包括第一和第二基板、电极布置和包括液晶分子的液晶层。第一基板被设置成面对第二基板。液晶层被设置在两个基板之间。第一基板具有第一表面，并且第二基板具有第二表面。配置第一表面，以便将紧邻第一表面的液晶分子定向在相对于第一基板的第一表面形成第一平面外角度α(0)或第一极角的方向中。α(0)的大小在这种情况下大于0度但小于或等于45度。配置第二表面，以便将紧邻第二表面的液晶分子定向在相对于第二基板的第二表面形成第二平面外角度α(d)或极角的方向中。α(d)的大小同样大于0度但小于或等于45度。根据本发明，平面外角度α(0)和α(d)的，以及因此紧邻表面的液晶分子的旋转方向相对于表面相反。换言之，角度α(0)和α(d)的符号是不同的。此外，角度α对应于用于光垂直穿过相位调制器的特殊情况的上述角度β。在根据本发明的相位调制器的使用的优选情况下，光垂直进入相位调制器，尽管可以设想任何其他进入角度。
在这种情况下，电极布置可以以这样一种方式来驱动，即液晶分子定向的平面内分量或方位角分量可以在高达180度的角度范围内进行调节。
这确保了带有其平面内分量的液晶分子可以采取任何可能的位置，因为液晶分子是光学对称的分子，其因此形成与它们的光学性质相关的椭圆体。
在由相位调制器执行的偏振光的相位调制中，也可能发生光的偏转。这里所描述的光调制器因此也可以用作相位偏转器。
在根据本发明的相位调制器的具体实施例中，设置在两个基板之间的“液晶层”在这种情况下包含代替液晶分子的不同的可取向的双折射材料或除了液晶分子之外还包括不同的可取向的双折射材料。通常，相位调制器被配置有包括多种具体液晶材料的最佳特征材料组的液晶材料，其用于这种光学用途。然而，原则上，这里也可以使用其他可取向的双折射材料，例如不同材料的非球形纳米粒子，即不同的电介质材料或金属，特别是碳纳米管。这些随后可以以类似的方式用于这里所描述的液晶分子。它们相对于它们的光学性质是同样对称的。
在根据本发明的相位调制器的一个实施例中，平面内分量可以以 相对于对应于未施加电压时的定向的可预定平均定向在和度之间进行调节。以的的值在这种情况下是优选的。
在根据本发明的一特别优选的相位调制器中，平面内分量可以相对于可预定的平均定向在-90和90度之间进行调节。
根据优选实施例，角度α(0)和α(d)大小相等，但符号不同，所以存在在两个表面处相对于彼此的LC分子的镜像方向。
如果在两个表面上的液晶分子的这种相互镜像方向分别以与距两个表面相等的距离随平行于该表面的平面继续，并且如果相对于镜像方向的镜面平面或对称平面可以被想象是在两个基板的两个表面之间的液晶层的中间，那么在根据本发明的优选实施例中的相位调制器具有横跨液晶层的展曲变形。
平面外角度α(0)和α(d)的大小在根据本发明的相位调制器的一个特别优选的实施例中，分别处于20和40度之间的范围内。具体地，角度α(0)，α(d)的大小可以实质上相等。
更为特别优选的，相位调制器以这样一种方式被配置，即，与相位调制器相互作用的光可以由于衍射在可预定的方向中被可变地偏转。根据本发明的相位调制器，特别是当其以作为相位偏转器操作这样的一种方式被配置和被驱动时，可以以相当于WO 2011/039286 A1中所描述的相位偏转器的方式使用。WO 2011/039286 A1的公开内容因此全文并入本文。可以在用于观察者跟踪的全息显示器中使用的衍射元件，例如相位调制器或相位偏转器例如在DE 10 2009 028 626 A1中或WO 2010/149587 A2中进行了描述，其中，它们被称为衍射装置。因为根据本发明的相位调制器或相位偏转器尤其是可以以相当于DE 102009 028 626 A1中或WO 2010/149587 A2中所描述的衍射装置的方式使用，DE 10 2009028 626 A1和WO 2010/149587 A2的公开内容全文并入本文。
其中α(0)和α(d)大小相等但符号不同，因此存在在两个平面处的相对于彼此的LC分子的镜像方向，以及其中α(0)和α(d)的大小处于20度和40度之间的范围内的相位调制器的优选配置具有以下优点：
LC定向的平面外角度的大小的LC层厚度的平均值对应于α(0)的大小的一半。在α(0)＝30度的情况下，例如，LC分子以平均15度定向在平面外。
以15度的角度，例如，Δneff≈0.95Δn
相应地作为在LC层的厚度上的积分被给出的光程差，显著地大于混合定向的情况。
为了调节λ/2板所需要的层厚度和双折射率的乘积因此与完全的平面内定向的LC没有实质上不同。
例如，以液晶分子的完全平面内定向，为了产生用于绿色光的λ/2板，将需要3微米的层厚度和0.09的Δn。在所描述的具有30度的α(0)(以及具有-30度的α(d))的布置中，大约0.095的Δn将代替为了生产用于绿色光的λ/2板被需要。该Δn处于典型的用于显示器中的LC混合物的范围内。
在两个平面处具有角度的不同符号的液晶分子的定向产生展曲变形。挠曲电极化通过所述变形产生。这允许LC分子的符号依赖切换，或取向。
挠曲电极化被定义为
这里，n是导向器，即，在LC分子的长轴方向中的矢量，是德尔(倒三角算子)运算符，是导向器n的散度，x表示交叉乘积，是导向器n的旋度，es是展曲挠曲电系数，以及eb是弯曲挠曲电系数。
挠曲电系数es和eb代表材料常数，其值依赖于LC分子的几何形状和这些LC分子的电偶极和四极矩。
在挠曲电极化的理论模型中，例如描述了电四极矩即使在理想的米粒状的LC分子的情况下有助于两个系数es和eb。
当存在LC分子从米粒模型形状的偏差时，电偶极矩会有帮助。结合纵向电偶极矩(即被放置在长分子轴的方向中)的更加梨子形的分子形状有利于高的展曲挠曲电系数es。结合横向电偶极矩(横向于长分子轴放置)的更加香蕉形的分子形状有利于更高的弯曲挠曲电系数eb。
根据上述公式的展曲挠曲电系数es对挠曲电极化的帮助特别是当引导器的散度为非零值时出现。
在以一个基板上的平面外角度α(0)和另一个基板上的不同于α(0)的角度α(d)的LC定向的情况下，存在引导器n的这种非零散度。
然而，在LC分子的这种定向的情况下的引导器n的旋度小，所以弯曲挠曲电系数eb在这种情况下仅稍微有助于挠曲电极化。
有利的是，具有高的展曲挠曲电系数es的这种LC分子因而在此布置中使用。
根据电场符号，例如从0至+90度，或从0至-90度的液晶分子定向的平面内分量的旋转选择性地发生。
然而，对于固定的LC材料，展曲变形及因此的挠曲电极化有利地随角度α(0)和α(d)的大小而增加。小的角度，例如5度，通常将只导致小的极化。在大角度，例如45度的情况下，虽然存在大的挠曲电极化，但在大角度的情况下，Δneff不利地变得更小。用于α(0)和α(d)的从20度到40度的优选的角度范围表示这两个因子之间的折衷。
也是在这种情况下，与电场的相互作用既经由挠曲电极化也经由介电各向异性发生。介电各向异性Δε可以具有影响，即，在强的平面内场的情况下，液晶的平面外定向发生变化。
然而，由于如上述所示，在完整的液晶面内定向和在表面上的具有例如+/-30度的定向之间的光程差很小，作为相位调制器、特别是也作为可变偏转光栅的介电相互作用对光学功能的负面影响很小。也就是说，可变偏转光栅的衍射效率仅仅由Δε非实质性降低。
另一方面，稍微较高的介电各向异性Δε有利地使使用较低的电压来驱动相位调制器成为可能。
因此，在优选实施例中，使用包含带有Δε≥5的介电各向异性的液晶材料的液晶层。因此，在优选配置中，双折射率的Δn(如上所述)和介电各向异性Δε二者处于诸如在显示器中所使用的典型的用于液晶材料的范围内。然而，除此之外，增加的挠曲电系数是进一步优选的，特别是增加的展曲–挠曲系数es，例如，es≥5pC/m(微微库伦(picocoulomb)/米)或者甚至es≥10.pC/m。
在一个实施例中，电极仅设置在第一基板上。在第一基板上的电极优选是独立可控的。
在另一实施例中，平面内电极被用在两个基板上，在一个基板上的电极被定向在相对于另一个基板上的电极大约90度的角度。在这种情况下，“平面内”电极或“平面内”电极布置意味着涉及平行于基板表面的电极布置。
这里再一次地，优选使用增加的介电各向异性Δε。第一基板上的电极随后用于通过挠曲电和电介质相互作用的结合的电场的符号依赖接通。利用增加的旋转角度，以增加的Δε，在此情况下的挠曲电极化也减少，因为LC分子由电介质相互作用更强地定向在平面内。第二基板上的电极用于主动断开电场。LC分子的旋转被执行，同时由介质相互作用来支配。以这种方式，可以在两个方向上进行快速切换。
具体地，包含第一基板上的电极布置和第二基板上的电极布置的这种相位调制器可以有利地具有两个相互接合的梳或梳状结构形式的第二基板上的电极布置，在其之间全局电压值可以进行调节。第二基板上的电极的单独控制因此不是必须的。根据本发明的该实施例允许快速切换行为：两个切换过程，既接通和断开二者因此可以分别通过电场主动控制。
在另一个不是太优选的实施例中，也有可能使用具有非常高的展曲挠曲电系数es≥20pC/m和非常低的介电各向异性Δε≤0.2的LC材料。在这种情况下，带有电场的挠曲电极化的相互作用将也支配LC分子的大的平面内旋转角，并且主动断开可以通过带有相反符号的电场来执行。具有快速切换时间的相位调制器可以同样地以这种方式来生产。所述实施例有利地仅需要在一个基板上的电极。它是较不优选的，仅仅是因为具有所描述的特性的LC材料是更难以生产的。
根据本发明的相位调制器现在可以用在空间光调制器中。大量像素被规则地紧邻其中的另一个进行设置，均匀的可调节相位值通过使用根据本发明的相位调制器的上述结构在像素的整个表面上相应地被生成。
有利的是，在此情况下每个像素被分成两个区域，其分别具有接近基板表面的液晶分子的镜面对称相反的方向。
为了生产根据本发明的相位调制器，使用一种方法，其中，在第一基板和第二基板上，以创建取向层的方式形成表面，通过所述取向层，进入该表面的周围区域上或内的液晶分子调节具有所需的平面外角度的预期定向。两个基板随后通过使用间隔件面对彼此组装，中间空间填充有液晶材料。在这种情况下，根据本发明，在该初始定向中也称为预倾角的平面外角度，以及两个基板上的锚定能量通过取向层的化学特性、取向层的生产的工艺参数、以及液晶材料的化学特性的结合来进行调节，在两个基板上的各自的平面外角度，或预倾角处于0和45度的范围内，优选在20和40度之间。
用于调节基板上的LC分子的特定定向(取向)和表面锚定的在LC显示器的工业生产中常规的最知名的方法是定向层(取向层)的机械摩擦(或抛光)。聚酰亚胺通常用作定向层。
通过取向层的化学特性和摩擦处理(例如应用压力)的参数的结合，锚定能量以及预倾角被调节。预倾角进一步地还取决于LC材料的化学特性。
在根据本发明所描述的布置中，第一基板上的预倾角将因此对应于平面外角度α(0)，并且第二基板上的预倾角将对应于平面外角度α(d)。当通过摩擦预先处理的基板通过使用间隔件组装及中间空间用LC填充时设置这些角度。
利用常规使用的聚酰亚胺取向材料和摩擦，可实现在约1度至8度的范围内的预倾角。
其中角度α(0)和α(d)通过聚酰亚胺的常规机械摩擦来调节的本发明的配置将优选使用调节通过摩擦可实现的范围的上端的角度，即7-8度的预倾角的聚酰亚胺。LC材料的化学特性对预倾角具有影响也是公知的。优选地，使用其化学组成有助于稍微较高的预倾角的LC混合物。
对于根据本发明的相位调制器的切换速度，如果角度可以被调节，则其高于由常规机械摩擦可实现的范围将无论如何是有利的。
因此，在本发明的另一种配置中，平面外角度α(0)和α(d)不是通过摩擦而是通过光学取向来进行调节。
代替用于摩擦的常规聚酰亚胺取向层，反而使用光学-可定向的取向层。这种取向是通过UV光来曝光的。平面外或预倾角可以在这种情况下通过适应UV光的曝光量来进行调节。
以相应地适应曝光剂量曝光的两个基板随后被组装以形成一单元，从而在两个基板上设置角度α(0)和α(d)。
可以以其调节高预倾角，并且可以因此用于本发明的其他配置的进一步的方法是
-取向层的使用包括倾斜地蒸汽沉淀的SiO2或SiNx层，
-混合物的使用分别是用于垂直取向的一种聚酰亚胺和用于水平取向的一种聚酰亚胺。通过合适的混合比，在这种情况下可以通过常规摩擦调节增加的预倾斜。
-其中聚酰亚胺的表面能通过掺杂剂来改性的掺杂的聚酰亚胺层的使用和预倾斜通过影响表面能的方式来调节。
本发明不限于所描述的配置。
对于有利地配置和完善本发明的教导，现在有各种各样的可能性。在这方面，一方面对从属于专利权利要求1和15的权利要求，另一方面对在附图的帮助下的本发明的优选示例性实施例的以下说明做出参考。所述教导的第一种配置和完善也将总体上在附图的帮助下结合本发明的优选示例性实施例进行说明。
附图说明
附图分别以示意性表示示出：
图1a根据现有技术的相位调制器的截面图；
图1b图1a的相位调制器旋转90度的截面图；
图2a根据本发明的相位调制器的第一示例性实施例的截面图；
图2b电场断开的情况下图2a的相位调制器旋转90度的截面图；
图3电场接通情况下根据本发明的相位调制器的示例性实施例的截面图；
图4a根据本发明的相位调制器的第二示例性实施例的截面图；
图4b电场断开情况下图4a的相位调制器旋转90度的截面图；
图4c电场接通情况下图4a和4b的相位调制器的截面图；以及
图5a至5d根据本发明的相位调制器的第三示例性实施例的各种截面图。
具体实施方式
在附图中，相同部件或元件由相同的附图标记表示。
图1a示意性地示出了穿过根据现有技术的相位调制器1的截面。该相位调制器1包括两个玻璃基板2，3。原则上，玻璃基板2、3中的至少一个也可以以另一基板材料替换。基板之一可以例如也被配置为是光学反射的。然而，至少一个基板总体上被配置为对于与其相互作用的光是光学透明的。电极4被设置在第一玻璃基板2上。电极4示意性表示在附图的平面中。在该电极4和被设置附图平面之前或之后的其他电极(未示出)之间，有可能施加本质上垂直于附图平面的电场。图1a示出了各自以“米粒形状”的、被表示的电场断开的LC定向的LC分子10。玻璃基板2、3分别具有表面5、6。在本示例中，玻璃基板2、3的表面分别涂覆有聚酰亚胺7、8(PI)，从而使各自的聚酰亚胺层7、8的表面5、6充当用于LC分子10或用于LC层9的边界层。接近于聚酰亚胺层7，LC层9的LC分子10被定向，因为聚酰亚胺层7的表面结构以大致平行于表面5的方式来定向。表达大致平行也可以包括在约1至3度的范围内的一小的角度α(0)。聚酰亚胺层7的表面结构在此通过“摩擦”，即聚酰亚胺层7的机械拂擦产生。接近于上聚酰亚胺层8的表面6，因为聚酰亚胺层8的表面特性，LC分子10被定向为大致垂直于表面6。
为了更好的理解，图1b示出了与根据现有技术的相同相位调制器1的图1a相比旋转90度的视图的细节。这里，位于彼此接近的三个电极4示出在下基板2上。但是，具体的在可变偏转光栅中的电极4的实际数量可以是更大的。在此视图中，可以施加在电极4之间的电场将处于该附图的平面中。通过单独电极4的单独控制，可以例如提供可变偏转光栅。
图2a以与图1a相当的方式示出了根据本发明的相位调制器1的配置。所述配置同样包括两个玻璃基板2、3和下玻璃基板2上的电极4。电极4和电场的分布基本上对应于图1a的相位调制器1的电极和电场的分布。
所述配置同样包括两个聚酰亚胺层7、8和液晶层9。然而，根据本发明，接近于两个表面5、6的LC分子(＝液晶分子)10的定向与图1中所示的现有技术的LC分子的定向不同。接近于下表面5的LC分子10以角度α(0)定向，并且接近于上表面6的LC分子10以角度α(d)定向。在下和上表面5、6处的角度α(0)、α(d)的旋转方向(即符号)是相反的。
在示例性实施例中，在两个表面5、6处的角度α(0)、α(d)的大小是相同的。这对应于在与下表面5相对比的上表面6处的LC分子10的镜像定向，假想的镜平面11延伸穿过液晶层9的中间并平行于基板2、3或它们的表面5、6。为了说明，这种镜平面11也表示为虚线。
在(不太优选的)的其它配置中，角度α(0)和α(d)也可以具有不同的大小。例如，有可能是|α(0)|＝20°和|α(d)|＝40°。
图2b以与图1b相当的方式示出了根据本发明的相位调制器1的示例性实施例旋转90度的视图的细节。这里同样，只有三个电极4被示意性示出，其代表更大数量的电极。
在WO 2011/067265 A1中，其图1描述了圆形偏振光的相位调制和充当λ/2板的布置。其中的图4示出了具有用于可变偏转光栅的单独可控的电极的这种布置。其中的图5示出了具有根据现有技术的固定光栅周期的偏振光栅。其中的图9和图10示出了电压的示例，所述电压被施加到电极，以产生具有特定光栅周期的偏转光栅。这些图也类似地可以用于说明本发明。在这个意义上，关于对WO 2011/067265 A1的进一步解释做出参考，WO 2011/067265 A1的公开内容全文并入本文。
图3非常示意性地示出了由挠曲电极化诱导的电场中的LC分子10的符号依赖的旋转。在本示例中，中心电极4处于0伏，左和右电极4分别处于相同的电压V1下。电场的符号因此在左、右两半是不同的。相应地，LC分子10的旋转方向在如图3所示的相位调制器1的细节的这些半部也不同。以类似于WO 2011/067265 A1的图9的方式，电压序列可以施加在更大数量的电极4上，以便产生可变偏转光栅。
图4a和4b以两个不同视图示出了类似于图2a和2b的布置。此外，这里的上基板3包含其他电极12，其以到电极4的大约90度的角度设置在下基板2上。上基板3上的电极12之间的场将因而在图4a中大致处于所述附图的平面内，并且在图4b中大致垂直于所述附图的平面。图4b示出了电场既不施加到下电极4也不施加到上电极12时的液晶10的定向。
图4c以如图4b的相同视图示意性示出了当电场施加在下基板2上的电极4之间时的液晶10的定向。在本示例性实施例中，液晶的材料参数以这样一种方式进行调节，即其具有Δε≥5的介电各向异性。挠曲电系数es是例如大约10pC/m。当施加电场时，发生LC分子10的平面内旋转。由于挠曲电极化，LC分子10的旋转方向取决于电场的符号。这也适用于电介质和挠曲电与电场相互作用的结合。这是因为，由于挠曲电相互作用引起的LC分子10上的转矩表现为与LC分子10的挠曲电极化的极化矢量和E场矢量之间的角度的余弦值成比例，即当该角度为90度时所述转矩更大。但是，由电介质相互作用所引起的转矩与余弦乘以LC分子10的定向的电场之间的角度的正弦的乘积成比例。在精确的90度的角度的情况下，该转矩具有零值。
但是，两个转矩的比率随角度的正弦变化。此外，随着增加的电场，介电相互作用的支配增加。因此，其根据比率Δε/es支配超过特定旋转角度的电介质相互作用。
此外，在相对强的电场的情况下，电介质相互作用有利地也引起LC分子10的平面外定向的变化。由于这种随正在增加的平面内旋转角度的平面外定向的变化，展曲变形也变得更少并因此挠曲电极化也变得更少。在足够大的Δε或足够大的比率Δε/es的情况下，对于接近90度的旋转角度，LC分子则几乎完全定向在平面内，并且挠曲电极化非常小。
利用施加到上基板3上的电极12的电场，回到其原始定向的LC分子10的快速主动旋转随后发生。当LC材料的参数Δε和es以这样一种方式——即极化随增加的旋转角度变得更少来进行调整时，电介质相互作用有利地支配旋转返回(尽管电场和由于电场的改性方向引起的LC定向之间的接近于90度的改性角度)。与液晶中的弹性力和表面锚定相结合，LC分子10随后不依赖电场符号而旋转回其原始定向。有利地，在上部结构3上的电极12可以具有相互接合的梳子的结构。在基板3上的电极12的单独控制因此不是必须的，而是仅仅对于在梳子之间施加全局电压值是必须的。有利地，这样的配置也具有非常快速切换的行为，因为两个切换过程——接通和断开——可以分别通过电场主动进行控制。
另一方面，由改性的平面外定向引起的穿过LC层的光程的变化对于LC层9是足够小的，以大致表现为不依赖平面内旋转角度的λ/2板。可变偏转光栅或相位调制器1的衍射效率因此仅由所描述的配置非实质性减小。
图5a到5d示出了相位调制器1的示例性实施例，其可以在空间光调制器的功能中使用。在本示例性实施例中，相位调制器1因此不是作为偏转光栅使用，而是作为空间光调制器(SLM)使用，其具有多个规则设置的像素13并具有相位值，所述相位值可以被调节为如在整个像素13的表面上一样均匀。图5a和5b分别示出了相位调制器1的相位调制的像素13的沿着根据图5d的线5a-5a和5b-5b的截面。图5d示出了沿根据图5c的线5d-5d的像素13的截面图，也生成示出在图5c中的LC分子10的取向的电场在区域14、15中被施加至图5d中的电极4。相位调制的像素13被分成两个区域14、15，其分别具有接近表面5或6的LC分子10的镜面对称地相反定向。区域14、15的大致分离由图5c和5d中的垂直虚线所指示。在区域14中，LC分子10以角度α(0)在表面5上的下侧并以角度α(d)在表面6上的上侧进行设置或取向。在区域15中，LC分子10以角度-α(0)在表面5上的下侧上并以角度-α(0)在表面6上的上侧进行设置或取向。
图5c示出了当施加电场时像素13旋转90度的视图(沿图5d中的5c-5c线)。图5a中的截面图的区域14可以在图5c的左侧部分看到。图5b的两个截面中的一个的区域15可以在图5c的右侧部分中看到。
尽管电场的改性方向，LC分子10的匀速旋转发生在像素13的两个区域中，参见表面5、6之间集中指示的箭头。均匀相位值因此在整个像素13中生成。常规电极结构随后可以有利地用于像素13。
总之，更具体地指出的是如上所述的配置仅仅用于描述所要求保护的教导，但并不将其限制为所述配置。具体地，上述结构能够——只要是可能的——被彼此组合。

Claims (18)

1.一种用于偏振光的相位调制器，包括：
-具有第一表面(5)的第一基板(2)，以及具有第二表面(6)的第二基板(3)，所述两个基板被设置为面对彼此，
-设置在所述两个基板(2、3)之间的液晶层(9)，所述液晶层包含液晶分子(10)，
-在至少一个所述基板(2、3)上的电极布置(4)，
-所述基板(2、3)的所述两个表面(5、6)被配置，以便将紧邻各自表面(5、6)的所述液晶分子(10)定位在与各自基板(2、3)的各自表面(5、6)分别地形成平面外角度(α(0)、α(d))的方向中，以及
-所述电极布置以如下方式是可控的，即液晶分子定向的平面内分量根据电场的符号可在高达180度的角度范围内选择性地调节。
2.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，紧邻所述第一表面(5)的平面外角度的符号与紧邻所述第二表面(3)的平面外角度的符号相反。
3.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，圆形偏振光的相位被调制。
4.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，所述平面外角度的大小大于0度但小于或等于45度。
5.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，挠曲电极化通过所述液晶分子的展曲变形在所述液晶层(9)中产生。
6.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，设置在所述两个基板(2、3)之间的所述液晶层(9)包含除所述液晶分子(10)之外的不同的可取向的双折射材料。
7.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，所述平面内分量相对于可预定平均定向在和度之间可调节，其中度，尤其地
8.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，所述两个平面外角度(α(0)、α(d))大小相等但符号不同。
9.根据权利要求7所述的相位调制器，其中，跨越所述液晶层(9)提供展曲变形。
10.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，所述两个平面外角度(α(0)、α(d))的大小被设置为分别处于20和40度之间的范围内。
11.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，单独可控的电极被设置在所述第一基板(2)上。
12.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，所述平面内电极布置(4)被设置在所述两个基板(2、3)上，所述第一基板(2)上的所述电极(4)被定向为相对于所述第二基板(3)上的所述电极(4)成90度的相对角度。
13.根据权利要求12所述的相位调制器，其中，所述电极布置以两个相互接合的梳或梳状结构的形式设置在所述第二基板(3)上，在所述两个相互接合的梳或梳状结构之间能够调节全局电压值。
14.根据权利要求1所述的相位调制器，其中所述液晶层(9)被设置为包括具有大于或等于5的介电各向异性Δε的液晶材料。
15.根据权利要求1所述的相位调制器，其中，所述液晶层(9)被设置为包括具有小于或等于0.2的介电各向异性Δε和大于或等于20pC/m的展曲挠曲电系数es的液晶材料。
16.一种包含根据权利要求1所述的相位调制器的空间光调制器，其中，多个像素(13)被布置为规则地彼此紧邻，均匀的可调节相位值在所述像素(13)的整个表面上相应地被生成。
17.根据权利要求16所述的空间光调制器，每个所述像素(13)被划分成两个区域(14、15)，所述区域(14、15)分别具有接近所述基板(2、3)的表面(5、6)的镜面对称地相反定向的所述液晶分子(10)。
18.一种全息显示器，其包含以下至少一个：根据权利要求1所述的相位调制器和根据权利要求16所述的空间光调制器。
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