CN109387984A - 一种液晶光栅、光波导组件以及显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及显示装置技术领域，提供了一种液晶光栅、光波导组件以及显示器，液晶光栅包括光栅单元以及控制单元；光栅单元包括依次设置的第一电极层、第一配向层、液晶层、第二配向层以及第二电极层，其中第一电极层包括公共电极；第二电极层包括多个依次排布的驱动电极，驱动电极在公共电极方向上的投影不重叠，确保每个驱动电极与公共电极形成的电压互不影响；控制单元与公共电极和驱动电极均连接，用于控制每个驱动电极的工作状态；液晶光栅的光栅周期可以随着入射光波长的变化而实时调整，确保不同波长的入射光的光衍射角相同，有效避免色散与色偏的问题，通过一个液晶光栅就可以实现单片全彩显示，有利于显示器的轻薄化。
Description
技术领域
本发明涉及显示装置技术领域，更具体地说，是涉及一种液晶光栅、光波导组件以及显示器。
背景技术
AR(Augmented Reality，即增强现实)技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度、并加上相应虚拟图像的技术，能够实现虚拟世界与现实世界的结合及互动。
目前，AR显示器的制造方案主要包括以下几种：方棱镜方案、自由曲面棱镜方案、共轴曲面反射方案、阵列反射波导方案以及全息光栅波导方案。其中，方棱镜方案视场角太小，无法满足目前AR显示的正常需求；自由曲面棱镜方案需要补偿棱镜，整体重量较大，且加工难度较大，装配精度要求苛刻；共轴曲面反射方案的整体体积较大，厚度厚，使用效果不佳；阵列反射波导方案中镀膜与组装工艺复杂，良产率很低，生产成本很高。全息光栅波导方案是利用光栅衍射代替传统几何光学改变光路传播路径，可以有效缩小整体体积，减轻重量，而且随着光栅复刻工艺的逐渐成熟，此方案量产成本下降潜力巨大，具有非常大的发展潜力。
目前全息光栅波导显示技术在性能方面仍然存在一些瓶颈，例如全息光栅对波长范围敏感，当自然光进入光栅时，不同颜色的光衍射角及衍射效率都不同，显示源中的图像经过光栅传递到人眼时会出现严重的色散及偏色问题，从而使得全息光栅波导在传导全彩图像时颜色串扰严重。行业内通常的解决思路是用3片光栅附着在3片波导上，使得RGB三色光分别经过3个不同的光栅后，再由3片不同的波导进行传播，最终一起汇入到人眼中，避免色散及偏色问题。然而，3片光栅和3片波导的组合方案虽然解决了色散及偏色问题，但是大大增加了显示器的厚度及重量，减弱了该方案的轻薄优势，用户使用体验不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液晶光栅，以解决现有技术中全息光栅波导厚度和重量太大、使用体验不佳的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种液晶光栅，包括光栅单元以及控制单元；
所述光栅单元包括依次设置的：
第一电极层，所述第一电极层包括公共电极；
第一配向层；
液晶层；
第二配向层；
第二电极层，所述第二电极层包括多个依次排布的驱动电极，所述驱动电极在所述公共电极方向上的投影不重叠；
所述控制单元与所述公共电极和所述驱动电极连接，用于控制每个所述驱动电极的工作状态。
在一个实施例中，所述第二电极层内设有多层驱动电极层，每层所述驱动电极层内设有多个所述驱动电极，相邻两所述驱动电极位于不同的驱动电极层。
在一个实施例中，相邻两所述驱动电极层之间的距离为10nm～100nm。
在一个实施例中，所述驱动电极层的数量为两层。
在一个实施例中，所述第二电极层还包括绝缘基板，所述驱动电极设于所述绝缘基板上。
在一个实施例中，所述公共电极和所述驱动电极均为掺锡氧化铟电极。
在一个实施例中，所述控制单元包括电压控制器，所述电压控制器与所述公共电极和所述驱动电极连接，用于控制每个所述驱动电极与所述公共电极之间的电压。
在一个实施例中，所述液晶光栅还包括第一偏振片和第二偏振片，所述第一偏振片设于所述第一电极层远离所述第一配向层的一侧，所述第二偏振片设于所述第二电极层远离所述第二配向层的一侧。
本发明的目的还在于提供一种光波导组件，包括光学耦入端、光波导和光学耦出端；
所述光学耦入端设于所述光波导的输入端，所述光学耦出端设于所述光波导的输出端；
所述光学耦入端和所述光学耦出端均为上述的液晶光栅。
本发明的目的还在于提供一种显示器，包括上述的光波导组件以及显示单元，所述显示单元设于所述光学耦入端的一侧。
本发明提供的一种液晶光栅的有益效果在于：本实施例充分利用了液晶在施加电压的情况下会发生偏转、进而影响光线通过的特性，设计了一种液晶光栅，通过控制单元对第二电极层中的多个驱动电极进行单独控制，使得液晶光栅的光栅周期可以随着入射光波长的变化而实时进行调整，使得光栅周期与入射光波长相一致，确保不同波长的入射光的光衍射角相同，不仅可以有效避免色散与色偏的问题，而且衍射效率高。因此本实施例通过一个液晶光栅就可以实现单片全彩显示，液晶光栅的整体重量和体积较小，可以极大减小采用该液晶光栅的显示器的体积和重量，有利于显示器的轻薄化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的液晶光栅的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的液晶光栅的光栅单元的结构示意图一；
图3为本发明实施例提供的液晶光栅的光栅单元的结构示意图二；
图4为本发明实施例提供的液晶光栅的光栅单元的结构示意图三；
图5为本发明实施例提供的液晶光栅的光栅单元的结构示意图四；
图6为本发明实施例提供的液晶光栅的结构示意图二；
图7为本发明实施例提供的液晶光栅的光栅单元的结构示意图六，其中A部分是光栅单元的截面示意图，B部分是光栅单元的俯视结构示意图；
图8为本发明实施例提供的显示器的结构示意图一；
图9为本发明实施例提供的显示器的结构示意图二。
其中，图中各附图标记：
10-液晶光栅； 11-光栅单元；
111-第一电极层； 1111-公共电极；
112-第一配向层； 113-液晶层；
114-第二配向层； 115-第二电极层；
1151-驱动电极； 1152-绝缘基板；
1153-第一驱动电极层； 1154-第二驱动电极层；
1155-第三驱动电极层；
116-第一偏振片； 117-第二偏振片；
12-控制单元； 20-光波导组件；
21-光学耦入端； 22-光波导；
23-光学耦出端； 30-显示单元；
40-用户眼睛。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，一种液晶光栅10，包括光栅单元11以及控制单元12。光栅单元11包括依次设置的第一电极层111、第一配向层112、液晶层113、第二配向层114以及第二电极层115，其中第一电极层111包括公共电极1111；第一配向层112和第二配向层114均包括配向膜，用于调整液晶的排布方式；第二电极层115包括多个依次排布的驱动电极1151，驱动电极1151在公共电极1111方向上的投影不重叠，从而确保每个驱动电极1151与公共电极1111形成的电压互不影响。控制单元12与公共电极1111和驱动电极1151均连接，用于控制每个驱动电极1151的工作状态。
对于正性液晶来说，在电场的作用下，液晶分子的长轴趋向于沿着电场方向排列，理想情况下液晶的双折射会趋近于0，使得衍射效果消失，在液晶光栅中，衍射级数的大小近似于一个液晶分子的长度，因此在实际计算时，连续通电的驱动电极1151和公共电极1111所形成的电场中对应的液晶可以近似为连续的，从而具有极高的衍射效率。当驱动电极1151不通电时，液晶按照初始方式随机排列，此时光线可通过该液晶层；当驱动电极1151通电时，驱动电极1151和公共电极1111之间会形成电场，液晶层113中的液晶分子在电场的作用下发生偏转形成规则排列，此时光线无法通过该液晶层113。
在一个实施例中，液晶光栅10可用于光波导组件20中供光线入射。根据如下光栅衍射公式：
其中，θ为光衍射角，λ为入射光波长，d为光栅周期，m为衍射级数，其取值为正整数。由于普通光束中通常包含多种波长的光线，而当光栅周期d一定、且衍射级数m相同时，不同波长光线的光衍射角θ和衍射效率均不相同，从而包含多种波长光线的光束通过光栅后会出现严重的色散及偏色问题。
为了避免光束出现色散及偏色问题，本实施例采取的方式是根据光线的波长不同，相应调整液晶光栅10的光栅周期d，从而确保不同波长的光线的光衍射角θ相同。具体地，一种方式为：考虑衍射级数m为1，光栅周期d调整为与光线波长λ一致，从而可得：
此时不同波长光线的光衍射角θ均为90°，不仅解决了光衍射角θ不同的问题，而且衍射效率极高，可达到接近100％。当然，衍射级数m也可以为其他整数，光栅周期d也可以调整为其他值，只要保证不同波长的光线入射时，其波长λ与光栅周期d的比值为一相同固定值即可。
在具体进行光栅周期d的调制时，可通过控制单元12单独控制每一个驱动电极1151的工作状态来实现。具体地，考虑入射光线中包括红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)，其中红光的波长范围为760nm～622nm，绿光的波长范围为577nm～492nm，蓝光的波长范围为450nm～435nm。为了描述方便，此处考虑红光的波长为700nm，绿光的波长为550nm，蓝光的波长为450nm。请参阅图2，驱动电极1151在第二电极层115内依次排列，每个驱动电极1151的宽度a可为50nm，相邻两个驱动电极1151在公共电极1111方向上的投影不重叠且连续。
请参阅图7，当波长为450nm的蓝光入射时，需要将光栅周期d调制为450nm，此时9个驱动电极1151为一个周期，控制单元12可以控制连续设置的5个驱动电极1151通电(光线不能通过，长度对应为b)，同时另连续设置的4个驱动电极1151不通电(光线可以通过，长度对应为c)，此时相当于形成了一个光栅周期d为450nm，占空比为4/9的光栅。
当波长为550nm的绿光入射时，需要将光栅周期d调制为550nm，此时11个驱动电极1151为一个周期，控制单元12可以控制连续设置的6个驱动电极1151通电(光线不能通过)，同时另连续设置的5个驱动电极1151不通电(光线可以通过)，此时相当于形成了一个光栅周期d为550nm，占空比为5/11的光栅。
当波长为700nm的红光入射时，需要将光栅周期d调制为700nm，此时14个驱动电极1151为一个周期，控制单元12可以控制连续设置的8个驱动电极1151通电(光线不能通过)，同时另连续设置的6个驱动电极1151不通电(光线可以通过)，此时相当于形成了一个光栅周期d为700nm，占空比为6/14的光栅。
因此，控制单元12通过上述的调制方式，可以使得液晶光栅10的光栅周期d随着入射光线波长的不同而进行相应调整，使得两者相互匹配，确保不同波长的光线的光衍射角θ均相同。
在一个实施例中，显示器产生的图像信号以红绿蓝(RGB)三色相隔极短的时间间隔周期性发出，从而确保每次入射至液晶光栅10中的光线仅包含一种颜色的光线，此时控制单元12控制每个驱动电极1151的工作状态，其变化周期与显示器保持一致，确保液晶光栅10的光栅周期d始终与入射光的波长一致。
本实施例提供的液晶光栅10的有益效果在于：
目前采用的全息光栅波导中通常设置3片光栅以及3片波导，使得RGB三色光分别经过3个不同的光栅后再由三片不同的波导进行传播，虽然可以避免色散及色偏问题，但是由于增加了光栅和波导的数量，从而使得采用该全息光栅波导的显示器厚度和重量都大大增加了，用户使用时体验不佳。
本实施例则完全采用了另一种设计思路来解决色散及色偏问题。本实施例充分利用了液晶在施加电压的情况下会发生偏转、进而影响光线通过的特性，设计了一种液晶光栅10，通过控制单元12对第二电极层115中的多个驱动电极1151进行单独控制，使得液晶光栅10的光栅周期d可以随着入射光波长的变化而实时进行调整，使得光栅周期d与入射光波长相一致，确保不同波长的入射光的光衍射角θ相同，不仅可以有效避免色散与色偏的问题，而且衍射效率高。因此本实施例通过一个液晶光栅10就可以实现单片全彩显示，液晶光栅10的整体重量和体积较小，可以极大减小采用该液晶光栅10的显示器的体积和重量，有利于显示器的轻薄化。
应当理解的是，驱动电极1151的宽度a也可以为其他值，可以根据需要进行设置，并不仅限于上述的情形。
在一个实施例中，第二电极层115中的多个驱动电极1151排成一行，相邻两个驱动电极1151在公共电极1111方向上的投影不重叠且连续，且多个驱动电极相互平行，此时驱动电极1151与公共电极1111相互平行设置。
请参阅图3，在一个实施例中，第二电极层115中的多个驱动电极1151排成一行，多个驱动电极1151之间不平行，相邻两个驱动电极1151在公共电极1111方向上的投影不重叠且连续，此时驱动电极1151的长度可以不相同，但是其在公共电极1111方向上的投影长度均相同，从而有助于其进行光栅周期d的设置。
请参阅图1和图2，在一个实施例中，第一电极层115中的公共电极1111的数量为一个，此时第二电极层115中的所有驱动电极1151共用该公共电极1111，整体结构简单。
在一个实施例中，第一电极层115中的公共电极1111的数量为多个，其数量与驱动电极1151的数量相同，一个公共电极1111与一个驱动电极1151对应设置，且每个公共电极1111可单独与控制单元12连接，也可以先汇总后再与控制单元12连接。
在一个实施例中，第一电极层115中的公共电极1111的数量为多个，其数量可以少于驱动电极1151的数量，此时可以部分驱动电极1151共用一个公共电极1111。
在一个实施例中，为了避免第二电极层115中相邻驱动电极1151会相互影响，第二电极层115内设有多层驱动电极层，每层驱动电极层内设有多个驱动电极1151，相邻两驱动电极1151位于不同的驱动电极层中，从而使得相邻两驱动电极1151错位设置，避免了相邻两驱动电极1151相互影响。
请参阅图2和图4，在一个实施例中，驱动电极层的数量为两层，分别为第一驱动电极层1153和第二驱动电极层1154，相邻两驱动电极1151分别设于第一驱动电极层1153和第二驱动电极层1154中，第一驱动电极层1153和第二驱动电极层1154之间的距离D为10nm～100nm，从而确保相邻两驱动电极1151之间具有足够的距离，避免相互影响。
请参阅图5，在一个实施例中，驱动电极层的数量可以为三层，分别为第一驱动电极层1153、第二驱动电极层1154和第三驱动电极层1155，连续三个驱动电极1151则分别设于第一驱动电极层1153、第二驱动电极层1154以及第三驱动电极层1155中，相邻两驱动电极层之间的距离D为10nm～100nm，可有效避免相邻两驱动电极1151之间相互影响。
在其他实施例中，驱动电极层的数量也可以为四层或四层以上，可根据需要进行设置，并不仅限于上述的情形。
请参阅图6，在一个实施例中，第二电极层115还包括绝缘基板1152，驱动电极1151设于绝缘基板1152上，从而驱动电极1151之间可以起到更好的绝缘保护作用，避免了相互之间的影响。绝缘基板1152优选为二氧化硅(SiO2)基板，当驱动电极层的数量为两层时，可以采用芯片行业成熟的光刻工艺在二氧化硅基板上蚀刻出宽度为a(例如a为50nm)的驱动电极1151，一个液晶光栅10中，驱动电极1151的数量可以根据需要设置，例如可以为约10万个，也可以为其他数量。当然，当驱动电极层为其他层数时，也可以采用相同的方式将驱动电极1151刻在绝缘基板1152上。
在一个实施例中，公共电极1111和驱动电极1151均为掺锡氧化铟电极(即ITO电极)，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。此时液晶光栅10的其他部件也可以由透明材料制成，从而整个液晶光栅10可以做成透明状，满足更广泛的使用场景的需求。当然，在其他实施例中，公共电极1111和驱动电极1151也可以由其他类型的电极制成，并不仅限于上述的情形。
在一个实施例中，控制单元12包括电压控制器，电压控制器与公共电极1111和驱动电极1151均连接，用于控制每个驱动电极1151与公共电极1111之间的电压，达到控制液晶偏转的目的。可选地，电压控制器设有ISA(Industry Standard Architecture，即工业标准体系结构)集成总线，可以实现单个驱动电极1151任意通电或者断电控制。不仅如此，电压控制器还可以控制每个驱动电极1151与公共电极1111之间的电压强度，从而可以控制施加在液晶上的电场强度，进而控制液晶的偏转角度，通常情况下，电场强度越强，则液晶的偏转角度越大，越有助于液晶的长轴偏转至沿电场方向。
在一个实施例中，入射至液晶光栅10的光线为线偏振光，此时可以通过液晶的偏转来很好地控制光线的通过与否。
当入射至液晶光栅10的光线为自然光或具有多种偏振态的光线时，需要在液晶光栅10中设置偏振片，确保具有特定偏振态的偏振光能够入射至液晶光栅中，并从液晶光栅中出射。请参阅图6和图7，在一个实施例中，液晶光栅10还包括第一偏振片116和第二偏振片117，第一偏振片116和第二偏振片117的偏振态可以根据需要选择。第一偏振片116设于第一电极层111远离第一配向层112的一侧，第二偏振片117则设于第二电极层115远离第二配向层114的一侧，从而外壳光线可通过第一偏振片116入射至液晶光栅10中、从第二偏振片117出射，或者可通过第二偏振片117入射至液晶光栅10中、从第一偏振片116出射。
请参阅图8和图9，本实施例的目的还在于提供一种光波导组件20，包括光学耦入端21、光波导22以及光学耦出端23，其中光学耦入端21设于光波导22的输入端，光学耦出端23设于光波导22的输出端。光学耦入端21和光学耦出端23均为上述的液晶光栅10。光波导22可选为平板光波导，也可以为其他类型光波导。
在一个实施例中，光学耦入端21和光学耦出端23中的光栅周期d的变化一致，从而确保通过光学耦入端21输入的光线能够顺利通过光学耦出端23输出。
请参阅图8和图9，本实施例的目的还在于提供一种显示器，显示器可选为虚拟显示显示器或者增强现实显示器，也可以为其他类型的显示器，包括上述的光波导组件20以及显示单元30，显示单元30设于光学耦入端21的一侧，其产生的图像信号经光波导组件20传输后传输至用户眼睛40，从而用户可以观看到显示单元30的图像。
具体地，显示单元30产生的图像信号以RGB三色相隔极短的时间间隔周期性发射至光学耦入端21，例如当波长为450nm的蓝光入射时，需要将光学耦入端21的光栅周期d调制为450nm，此时9个驱动电极1151为一个周期，控制单元12可以控制连续设置的5个驱动电极1151通电(光线不能通过)，同时另连续设置的4个驱动电极1151不通电(光线可以通过)，此时相当于形成了一个光栅周期d为450nm、占空比为4/9的光栅；同时光学耦出端23的光栅周期d也做同步调整，此时波长为450nm的蓝光可以通过该光学耦入端21入射至光波导20中传播，并通过光学耦出端23输出。
当波长为550nm的绿光入射时，需要将光学耦入端21的光栅周期d调制为550nm，此时11个驱动电极1151为一个周期，控制单元12可以控制连续设置的6个驱动电极1151通电(光线不能通过)，同时另连续设置的5个驱动电极1151不通电(光线可以通过)，此时相当于形成了一个光栅周期d为550nm、占空比为5/11的光栅；同时光学耦出端23的光栅周期d也做同步调整，此时波长为550nm的绿光可以通过该光学耦入端21入射至光波导20中传播，并通过光学耦出端23输出。
当波长为700nm的红入射时，需要将光学耦入端21的光栅周期d调制为700nm，此时14个驱动电极1151为一个周期，控制单元12可以控制连续设置的8个驱动电极1151通电(光线不能通过)，同时另连续设置的6个驱动电极1151不通电(光线可以通过)，此时相当于形成了一个光栅周期d为700nm，占空比为6/14的光栅；同时光学耦出端23的光栅周期d也做同步调整，此时波长为700nm的红光可以通过该光学耦入端21入射至光波导20中传播，并通过光学耦出端23输出。
蓝光、绿光和红光经光学输出端23耦合后传输至用户眼睛40处，从而用户可以看到显示单元30的图像，且由于光学耦入端21和光学耦出端22处各个波长的光线的光衍射角θ和衍射效率都相同，用户在观看时不会出现色散及色偏问题，有效保障了图像质量，改善了用户的观影效果。本实施例提供的显示器可以通过一个液晶光栅10就可以实现单片全彩显示，液晶光栅10的整体重量和体积较小，可以极大减小显示器的体积和重量，有利于显示器的轻薄化，从而用户佩戴更加舒适，具有更好的观影体验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液晶光栅，其特征在于：包括光栅单元以及控制单元，所述光栅单元包括依次设置的：
第一电极层，所述第一电极层包括公共电极；
第一配向层；
液晶层；
第二配向层；
第二电极层，所述第二电极层包括多个依次排布的驱动电极，所述驱动电极在所述公共电极方向上的投影不重叠；
所述控制单元与所述公共电极和所述驱动电极连接，用于控制每个所述驱动电极的工作状态。
2.如权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于：所述第二电极层内设有多层驱动电极层，每层所述驱动电极层内设有多个所述驱动电极，相邻两所述驱动电极位于不同的驱动电极层。
3.如权利要求2所述的液晶光栅，其特征在于：相邻两所述驱动电极层之间的距离为10nm～100nm。
4.如权利要求2所述的液晶光栅，其特征在于：所述驱动电极层的数量为两层。
5.如权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于：所述第二电极层还包括绝缘基板，所述驱动电极设于所述绝缘基板上。
6.如权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于：所述公共电极和所述驱动电极均为掺锡氧化铟电极。
7.如权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于：所述控制单元包括电压控制器，所述电压控制器与所述公共电极和所述驱动电极连接，用于控制每个所述驱动电极与所述公共电极之间的电压。
8.如权利要求1～7任一项所述的液晶光栅，其特征在于：所述液晶光栅还包括第一偏振片和第二偏振片，所述第一偏振片设于所述第一电极层远离所述第一配向层的一侧，所述第二偏振片设于所述第二电极层远离所述第二配向层的一侧。
9.一种光波导组件，其特征在于：包括光学耦入端、光波导和光学耦出端；
所述光学耦入端设于所述光波导的输入端，所述光学耦出端设于所述光波导的输出端；
所述光学耦入端和所述光学耦出端均为权利要求1～8任一项所述的液晶光栅。
10.一种显示器，其特征在于：包括权利要求9所述的光波导组件以及显示单元，所述显示单元设于所述光学耦入端的一侧。
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