CN109696777A - 偏振无关液晶相位调制器 - Google Patents

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Abstract

一种偏振无关相位调制器，包含二基板、二电极、二配向层及液晶层，每一个配向层包括多个第一及第二配向部，每一个配向部具有沿横方向且不大于入射光波长的一半的预定宽度，所述液晶层中，两沿所述横方向彼此相邻的液晶元件被两相邻的第一配向部及第二配向部配向至两彼此正交的预定方向，而令所述入射光的相位调制与所述入射光的偏振无关。

Description

偏振无关液晶相位调制器
技术领域
本发明有关于一种偏振无关相位调制器，特别是指一种含有液晶层的偏振无关相位调制器。
背景技术
第8,570,460B2号美国专利揭示一种含有聚合物稳定液晶材料的液晶光学介质，所述通过聚合物稳定的液晶材料包括一种由聚合物稳定的短节距胆固醇液晶，所述偏振无关的液晶光学介质可通过外部场效应有效调控相位延迟。
一种利用双层结构的偏振无关相位液晶调制器，由Yi-Hsin Lin等人揭示于“Polarization-independent liquid crystal phase modulator using a thinpolymer-separated double-layered structure”,vol.13,no.22/OPTICS EXPRESS 8746(2005)的论文中。
发明内容
本发明的目的，即在提供一种使用单层液晶层的新型偏振无关相位调制器。
本发明偏振无关相位调制器适用于相位调制具有波长的入射光，所述偏振无关相位调制器包含第一基板、第二基板、第一电极、第二电极、第一配向层、第二配向层及液晶层。
所述第一基板及所述第二基板沿垂直于所述第一基板及所述第二基板的法线彼此相间隔，且所述第一基板及所述第二基板的至少一者为透光。
所述第一电极及所述第二电极分别形成于所述第一基板及所述第二基板。
所述第一配向层及所述第二配向层分别形成于所述第一电极及所述第二电极，以于所述第一电极及所述第二电极之间定义填充空间。所述第一配向层及所述第二配向层的每一者具有多个第一配向部及多个第二配向部，所述第一配向部分别沿纵方向延伸，且于相对于所述纵方向的横方向上，以预定宽度彼此隔开，所述第二配向部分别沿所述纵方向延伸，并与所述第一配向部交替排列，所述第二配向部具有与所述第一配向部不同的配向图案，每一个所述第一配向部及每一个所述第二配向部于所述横方向上具有所述预定宽度，且所述预定宽度不大于所述波长的一半。
所述液晶层包括多个液晶元件，所述液晶元件填充于所述填充空间内，并被所述第一配向层及所述第二配向层配向，使所述液晶元件于所述横方向上相邻的两液晶元件为分别被两相邻的第一配向部及第二配向部配向于两个彼此正交的预定位向，从而让所述入射光的相位调制独立于所述入射光的偏振方向。
较佳地，所述偏振无关相位调制器，其中，所述第一配向层的所述第一配向部及所述第二配向部于所述法线的方向上分别对齐于所述第二配向层的所述第一配向部及所述第二配向部。
较佳地，所述偏振无关相位调制器，其中，所述第一配向部及所述第二配向部的每一者具有多个第一区及多个第二区，所述多个第二区设置成于所述纵方向上与所述第一区交替排列，且所述多个第二区具有与所述第一区不同的配向图案，使得所述液晶元件在所述纵方向上的两相邻者分别被所述第一区及所述第二区的两相邻者配向于两个彼此正交的预定位向。
较佳地，所述偏振无关相位调制器，其中，所述第一配向层的所述第一配向部及所述第二配向部的所述第一区及所述第二区的每一者于所述法线的所述方向上对齐于所述第二配向层的所述第一配向部及所述第二配向部的所述第一区及所述第二区中的一对应者。
较佳地，所述偏振无关相位调制器，其中，所述第一基板及所述第二基板的每一者为透光。
较佳地，所述偏振无关相位调制器，其中，所述第一电极被图案化，使得当电压施加于所述第一电极与所述第二电极间时，通过所述液晶层的梯度电场被产生，以便造成所述液晶层的折射率的梯度变化。
较佳地，所述偏振无关相位调制器，其中，所述第一电极具有中央圆形切口部。
较佳地，所述偏振无关相位调制器，其中，所述第一电极具有多个同轴设置的环电极，所述环电极的每一者与其相邻的环电极电性绝缘。
本发明的功效在于：通过所述第一配向部及所述第二配向部，使两相邻所述液晶元件被配向于彼此正交的预定方向，而令所述入射光的于相位调制时不影响所述入射光的偏振方向。
附图说明
图1是一侧视图，说明本发明偏振无关相位调制器的一第一实施例；
图2是所述第一实施例的一俯视图；
图3是一立体分解图，说明所述第一实施例且省略其中的一液晶层；
图4至图6是示意图，说明所述第一实施例中一第一电极的不同实施态样；及
图7是一立体分解图，说明本发明偏振无关相位调制器的一第二实施例且省略所述液晶层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件以相同的编号来表示。
此外，应当注意的是本发明的图式为示意图，各组件间的尺寸并非按照比例绘制，且并不代表本发明实际尺寸或实际相对尺寸。
参阅图1至图3，本发明偏振无关相位调制器适用于相位调制一具有一波长的入射光，所述偏振无关相位调制器的一第一实施例包含一第一基板21、一第二基板31、一第一电极22、一第二电极32、一第一配向层23、一第二配向层33及一液晶层4。
于本说明内容中，偏振无关是指相位调制不受入射光的偏振影响，且所述入射光的偏振不因所述偏振无关相位调制器而改变。
所述偏振无关相位调制器可应用于全像技术(holography)、调适光学(adaptiveoptics)与液晶透镜等领域。
所述第一基板21及所述第二基板31为沿一垂直于所述第一基板21及所述第二基板31的法线N彼此相间隔，且所述第一基板21及所述第二基板31的至少一者为透光。于所述第一实施例中，所述第一基板21及所述第二基板31皆为透光，且可选自玻璃、透光聚合物等材料。
所述第一电极22及所述第二电极32分别形成于所述第一基板21及所述第二基板31的内表面，于所述第一实施例中，所述第一电极22及所述第二电极32为皆透光，材料可选自氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、纳米银线、金属网格、聚二氧乙基噻吩(PEDOT:PSS)或其组合。
所述第一配向层23及所述第二配向层33分别形成于所述第一电极22及所述第二电极32，以于所述第一电极22及所述第二电极32间定义一填充空间40。
所述第一配向层23包括多个第一配向部231及多个第二配向部232，所述第一配向部231分别沿一纵方向X延伸，且于一与所述纵方向X正交的横方向Y以一预定宽度d彼此间隔，所述第二配向部232分别沿所述纵方向X延伸，并与所述一配向部231交错设置，所述第二配向部232具有与所述第一配向部231不同的配向图案。每一个第一配向部231及每一个第二配向部232于所述横方向Y上具有不大于所述波长一半的所述预定宽度d。
类似地，所述第二配向层33包括多个第一配向部331及多个第二配向部332，所述第一配向部331分别沿所述纵方向X延伸，且于所述横方向Y以所述预定宽度d彼此间隔。所述第二配向部332分别沿所述纵方向X延伸，并与所述第一配向部331交错设置，所述第二配向部332具有与所述第一配向部331不同的配向图案。每一个第一配向部331及每一个第二配向部332于所述横方向Y上具有不大于所述波长一半的所述预定宽度d。
所述第一配向层23及所述第二配向层33可由任何合适且此技术领域人员所知悉的材料构成。
于图1至图3所示的所述第一实施例中，所述第一配向层23中的每一第一配向部231及每一第二配向部232分别沿一与所述法线N同向的方向Z与所述第二配向层33中的每一第一配向331部及每一第二配向部332对齐。
于图1至图3所示的所述第一实施例中，所述第一配向层23中的每一第一配向部231及每一第二配向部232的配向方向实质上与其所对应的所述第二配向层33中的所述第一配向部331及所述第二配向部332同向，于图3中，所述第一配向部331及所述第二配向部332的配向方向以箭号表示。
于一些实施例中，所述第一配向层23中的每一个第一配向部231及每一个第二配向部232的配向方向，与其所对应的所述第二配向层33中的所述第一配向部331及所述第二配向部332的配向方向不同且偏离一预定角度，例如：+45°、-45°、90°、180°等。
所述液晶层4包括多个填充于所述填充空间40且被所述第一配向层23及所述第二配向层33配向的液晶元件411，使得沿所述横方向Y彼此相邻的两个液晶元件411被两相邻的第一配向部231、331及第二配向部232、332配向于两彼此正交的预定方向，而令所述入射光的相位调制与所述入射光的偏振无关。
于所述第一配向部231、331及所述第二配向部232、332沿所述横方向Y上具有所述预定宽度d，且于所述预定宽度d不大于所述入射光波长的一半的情况下，所述偏振无关相位调制器可通过光学同向的方式调制所述入射光的相位。
要注意的是，每一个液晶元件411可以是一个液晶分子或是多个沿相同方向排列的液晶分子，可选自向列型液晶(nematic LC)、层列型液晶(sematic LC)，或胆固醇液晶(cholesteric LC)等。
于所述第一电极22及所述第二电极32间施加电压时，可令所述液晶层4的折射率发生变化。每一个液晶分子具有一由所述液晶分子指向矢决定的光轴，于图1及图2中，所述液晶分子的指向矢以箭号表示。当所述入射光的偏振方向垂直于所述光轴时，所述液晶分子具有折射率n0；当所述入射光的偏振方向与所述光轴同向时，所述液晶分子具有折射率ne。由于施加电压，而使得图1及图2中的所述液晶元件411的指向矢可由原本位于X-Y平面改变至指向所述方向Z，同时，在所述液晶层4为正介电异向材料的情况下，所述液晶层4的折射率将由(ne+n0)/2减小至n0，所述入射光的偏振方向也相对应地偏移；在所述液晶层4为负介电异向材料时，所述液晶层4的折射率将由n0增加至(ne+n0)/2。
参阅图4至图6，要说明的是，所述第一电极22也可被图案化，使所述偏振无关相位调制器可当成一液晶透镜使用，要注意的是，为了更好说明，图4至图6中所述第一电极22以灰色表示，实际上所述第一电极22为透光。于所述第一电极22及所述第二电极间32施加电压时，将产生一穿过所述液晶层4的梯度电场，从而让所述液晶层4的折射率产生梯度变化。
于图4中，所述第一电极22具一有中央圆形切口部221。
于图5及图6中，所述第一电极22包括多个同轴设置且与相邻的环电极222电性绝缘的环电极222、及一位于最内侧的环电极222内的中央垫区223，且所述中央垫区223与所述最内侧的环电极222电性绝缘。
图7为本发明所述偏振无关相位调制器的一第二实施例，所述第二实施例与所述第一实施例类似，差别在于所述第二实施例中，每一个第一配向部231具有多个第一区域201及多个第二区域202，所述第二区域202沿所述纵方向X与所述第一区域201交替设置，且所述第二区域202的配向图案与所述第一区域201的配向图案不同。
类似地，每一个第二配向部232具有多个第一区域203及多个第二区域204，所述第二区域204沿所述纵方向X与所述第一区域203交替设置，且所述第二区域204的配向图案与所述第一区域203的配向图案不同。
每一个第一配向部331具有多个第一区域301及多个第二区域302，所述第二区域302沿所述纵方向X与所述第一区域301交替设置，且所述第二区域302的配向图案与所述第一区域301的配向图案不同。
每一个第二配向部332具有多个第一区域303及多个第二区域304，所述第二区域304沿所述纵方向X与所述第一区域303交替设置，且所述第二区域304的配向图案与所述第一区域303的配向图案不同。
据此，两沿所述纵方向X彼此相邻的液晶元件411将分别被两相邻的第一区域201、203、301、303及第二区域202、204、302、304配向至两彼此正交的预定方向。
如图7所示的所述第二实施例的所述第一配向层23中，所述第一配向部231及所述第二配向部232的每一个第一区域201、203及每一个第二区域202、204，沿与所述法线N同向的所述方向Z与所述第二配向层22的所述第一配向部331及所述第二配向部332中的每一个第一区域301、303及每一个第二区域302、304对齐。
综上所述，本发明通过两相邻的液晶元件411被两相邻的第一配向部231、331及第二配向部232、332配向于两彼此正交的预定方向，而令所述入射光的相位调制与所述入射光的偏振无关，且于所述第一配向部231、331及所述第二配向部232、332沿所述横方向Y上具有所述预定宽度d，且于所述预定宽度d不大于所述入射光波长的一半，而令所述偏振无关相位调制器可通过光学同向的方式调制所述入射光的相位，故确实可达成本发明的目的。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种偏振无关相位调制器，适用于相位调制具有波长的入射光，其特征在于，包含：
第一基板及第二基板，沿着垂直于所述第一基板及所述第二基板的法线相隔开，所述第一基板及所述第二基板的至少一个为透光；
第一电极及第二电极，分别形成于所述第一基板及所述第二基板上；
第一配向层及第二配向层，分别形成于所述第一电极及所述第二电极上，以于所述第一电极及所述第二电极之间定义填充空间，所述第一配向层及所述第二配向层的每一个具有：
多个第一配向部，分别沿着纵方向延伸，且于相对于所述纵方向的横方向上，以预定宽度彼此错开，以及
多个第二配向部，分别沿着所述纵方向延伸，且设置成与所述第一配向部交替排列，所述第二配向部具有与所述第一配向部不同的配向图案，所述第一配向部及所述第二配向部的每一个于所述横方向上具有所述预定宽度，所述预定宽度不大于所述波长的一半；及
液晶层，具有多个液晶元件，所述液晶元件填充于所述填充空间内且被所述第一配向层及所述第二配向层配向，使得所述液晶元件在所述横方向上的两相邻液晶元件分别被两相邻的第一配向部及第二配向部配向于两个彼此正交的预定位向，从而让所述入射光的相位调制独立于所述入射光的偏振方向。
2.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制器，其特征在于，所述第一配向层的所述第一配向部及所述第二配向部于所述法线的方向上分别对齐于所述第二配向层的所述第一配向部及所述第二配向部。
3.根据权利要求2所述的偏振无关相位调制器，其特征在于，所述第一配向部及所述第二配向部的每一个具有：
多个第一区；及
多个第二区，设置成于所述纵方向上与所述第一区交替排列，且具有与所述第一区不同的配向图案，使得所述液晶元件在所述纵方向上的两相邻液晶元件分别被所述第一区及所述第二区的两相邻液晶元件配向于两个彼此正交的预定位向。
4.根据权利要求3所述的偏振无关相位调制器，其特征在于，所述第一配向层的所述第一配向部及所述第二配向部的所述第一区及所述第二区的每一个于所述法线的所述方向上对齐于所述第二配向层的所述第一配向部及所述第二配向部的所述第一区及所述第二区中对应的区。
5.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制器，其特征在于，所述第一基板及所述第二基板的每一个为透光。
6.根据权利要求5所述的偏振无关相位调制器，其特征在于，所述第一电极被图案化，使得当电压施加于所述第一电极与所述第二电极间时，通过所述液晶层的梯度电场被产生，以便造成所述液晶层的折射率的梯度变化。
7.根据权利要求6所述的偏振无关相位调制器，其特征在于，所述第一电极具有中央圆形切口部。
8.根据权利要求6所述的偏振无关相位调制器，其特征在于，所述第一电极具有多个同轴设置的环电极，所述环电极的每一个与该环电极相邻的环电极电性绝缘。
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