CN110609426B

CN110609426B - 一种电控光束偏转装置及级联结构、光束偏转驱动方法

Info

Publication number: CN110609426B
Application number: CN201910902493.0A
Authority: CN
Inventors: 周盼华; 孙刚
Original assignee: Chongqing Jinglang Photoelectric Co ltd
Current assignee: Chongqing jinglang photoelectric Co.,Ltd.
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: CN110609426A

Abstract

本发明公开了一种电控光束偏转装置及级联结构、光束偏转驱动方法。电控光束偏转装置包括沿光轴同轴层叠设置的第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件和偏振光栅，其中：第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件的相位延迟为(1+2n)×λ/4，n取自然数；第一铁电液晶元件与第二铁电液晶元件两者的取向方向相差45°；第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件的铁电液晶层的铁电液晶排列等效圆锥体的半锥角为22.5°；第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件与电控驱动装置连接。本发明实现了快速响应与切换的光束偏转效果，响应速度可缩短至亚毫秒级，满足了光束非机械式快速偏转的需求。

Description

一种电控光束偏转装置及级联结构、光束偏转驱动方法

技术领域

本发明涉及一种非机械式的光束偏转设备，尤指一种具有快速响应特点的电控光束偏转装置及其级联结构、光束偏转驱动方法。

背景技术

非机械方式的光束偏转设备已经在众多行业被普遍应用，如光通讯、激光扫描雷达、3D面部识别等。参见授权公告号为CN103703405B的发明专利“波长选择开关的方法和装置”，其中公开了一种用于通讯行业的光学开关。此光学开关使用液晶单元和偏振光栅单元组合来实现对光束偏转的控制，其中的液晶单元即为一电可控相位延迟装置，可以控制圆偏振光的左右旋切换(不加电时实现左右旋圆偏振光相互转换，加电时维持圆偏振光旋向不变，或正好相反)。类似上述发明专利的技术还有很多，但是这些技术都是应用于向列相液晶，通常响应时间在1ms以上，在很多场合都不能满足快速响应的要求。

与向列相液晶相比，铁电液晶的响应速度要快很多，因此，其在许多要求快速响应的场合有着非常好的应用前景。例如，参见申请公布号为CN108572488A的发明专利申请“一种基于电解螺旋型铁电液晶的光开关”，其公开了一种基于电解螺旋型铁电液晶的光开关，通过匹配盒厚也可以实现半波相位延迟，实现圆偏振光的左右旋切换(不管施加正向电压还是负向电压，功能都相同，无法实现电可控切换功能)，但是其仅相当于一个固定的半波相位延迟片，无法直接用于上述要求快速响应的场合，无良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速响应的电控光束偏转装置及级联结构、光束偏转驱动方法，电控光束偏转装置解决了现有使用向列相液晶制作光束偏转装置时响应速度太慢的问题，可以很好地直接应用于要求快速响应的场合。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电控光束偏转装置，其特征在于：它包括沿光轴同轴层叠设置的第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件和偏振光栅，其中：第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件的相位延迟为(1+2n)×λ/4，n取自然数；第一铁电液晶元件与第二铁电液晶元件两者的取向方向相差45°；第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件的铁电液晶层的铁电液晶排列等效圆锥体的半锥角为22.5°；第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件与电控驱动装置连接。

一种所述的电控光束偏转装置实现的级联结构，其特征在于：它包括沿所述光轴同轴层叠设置的N个所述电控光束偏转装置，其中，N为大于等于1的正整数。

一种所述的电控光束偏转装置实现的光束偏转驱动方法，其特征在于，它包括步骤：

对入射光为一设定旋向的圆偏振光，重复执行1)-4)来实现出射光线在多角度之间的切换控制：

1)通过向所述第一铁电液晶元件施加电压形成具有设定电场强度的第一电场，令所述第一铁电液晶元件的各铁电液晶左旋至解旋位置，与此同时，通过向所述第二铁电液晶元件施加电压形成与第一电场的电场强度相同、电场方向相反的第二电场，令所述第二铁电液晶元件的各铁电液晶右旋至解旋位置，此时所述第一铁电液晶元件与所述第二铁电液晶元件内的各铁电液晶的液晶轴互相正交，以使入射的左/右旋圆偏振光经过所述第一铁电液晶元件和所述第二铁电液晶元件后仍为左/右旋圆偏振光，从而经过所述偏振光栅后发生偏转，以第一出射光线射出，其中：第一出射光线与所述光轴处于同一水平面且与所述光轴形成设定夹角；

2)撤掉施加在所述第一、第二铁电液晶元件上的电压；

3)通过向所述第一铁电液晶元件施加电压形成第二电场，令所述第一铁电液晶元件的各铁电液晶右旋至解旋位置，与此同时，通过向所述第二铁电液晶元件施加电压形成第一电场，令所述第二铁电液晶元件的各铁电液晶左旋至解旋位置，此时所述第一铁电液晶元件与所述第二铁电液晶元件内的各铁电液晶的液晶轴互相平行，以使入射的左/右旋圆偏振光经过所述第一铁电液晶元件和所述第二铁电液晶元件后变为右/左旋圆偏振光，从而经过所述偏振光栅后发生偏转，以第二出射光线射出，其中：第二出射光线与第一出射光线处于同一水平面内，且第二出射光线与第一出射光线以所述光轴对称设置；

4)撤掉施加在所述第一、第二铁电液晶元件上的电压。

本发明的优点是：

本发明电控光束偏转装置基于两个取向方向匹配的第一、第二铁电液晶元件并搭配偏振光栅，通过合理的驱动实现了快速响应与切换的光束偏转效果，将现有使用向列相液晶制作光束偏转装置的1ms以上响应速度缩短到了亚毫秒级，满足了光束非机械式快速偏转的需求。

在本发明电控光束偏转装置可以实现出射光线在两个出射方向(光传播方向)之间切换的基础上，通过级联设计，本发明级联结构可进一步实现更多出射方向之间的切换功能。

附图说明

图1是本发明电控光束偏转装置和级联结构沿光轴设置的分解示意图。

图2是铁电液晶左右旋方向示意图。

图3是驱动前第一铁电液晶元件内的铁电液晶排列示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明电控光束偏转装置60包括沿光轴L同轴层叠设置的第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20和偏振光栅30，第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20和偏振光栅30之间的层叠应尽量避免出现空气缝隙，其中：第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20的相位延迟相同且均为(1+2n)×λ/4，n＝0，1，2，3，...，即n取自然数；第一铁电液晶元件10与第二铁电液晶元件20两者的取向方向相差45°，即第一铁电液晶元件10的取向方向40与第二铁电液晶元件20的取向方向50之间呈45°夹角；第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20的铁电液晶层的铁电液晶排列等效圆锥体74的半锥角θ为22.5°(或说接近22.5°)；第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20与电控驱动装置(图中未示出)连接而受电控驱动装置控制。

在本发明中，第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20的相位延迟为(1+2n)×λ/4，通常n取0、1、2或3。

如图1和图2，图中示出了n取0时，两个相位延迟为λ/4的第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20配合一个偏振光栅30构成的本发明电控光束偏转装置60，需要说明的是，图1是以第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20、偏振光栅30三者之间相分离的分解状态示出的，在实际实施中，片状的第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20与偏振光栅30之间例如通过粘结剂粘接在一起。

在本发明中，第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20均包括两个基体层71，基体层71通常为玻璃材质制成，两个基体层71内表面均设有用于与电控驱动装置连接的驱动电极层72，驱动电极层72通常包括ITO电极，两个驱动电极层72之间设有铁电液晶层，铁电液晶层包括多个铁电液晶73。

图3示出了第一铁电液晶元件10的组成，第二铁电液晶元件20的组成与第一铁电液晶元件10相同，请参考图3来理解。

在本发明中，偏振光栅30为液晶聚合物偏振光栅或液晶偏振光栅。液晶偏振光栅应与电控驱动装置连接。液晶聚合物偏振光栅、液晶偏振光栅为本领域的已有偏振光栅，故不在这里详述。

基于上述本发明电控光束偏转装置，本发明还提出了一种级联结构，它包括沿光轴L同轴层叠设置的N个本发明电控光束偏转装置60，其中，N为大于等于1的正整数，各本发明电控光束偏转装置60之间例如通过粘结剂粘接在一起，各本发明电控光束偏转装置60之间应尽量避免出现空气缝隙。

如图3，铁电液晶层内的各铁电液晶73根据施加在两个驱动电极层72上的电压形成的电场的电场强度大小、方向等来发生转动，但不论怎样转动，铁电液晶73都是在铁电液晶排列等效圆锥体74的范围内进行转动，具体来说，铁电液晶73长轴(又称液晶轴)730的一端如果定义为铁电液晶排列等效圆锥体74的锥尖的话，则铁电液晶73长轴730的另一端可任意运动但不能超出铁电液晶排列等效圆锥体74之外。

如图3，在本领域中，铁电液晶排列等效圆锥体74的轴线740所在方向为取向方向，取向方向平行于基体层71(或说驱动电极层72)表面。铁电液晶排列等效圆锥体74的半锥角θ决定了铁电液晶73实现左/右解旋的解旋位置。当铁电液晶73处于解旋状态时，铁电液晶73的长轴730处于铁电液晶排列等效圆锥体74的外锥面上。

在本发明中，如图1，定义与光轴L处于同一水平面且垂直于光轴L的方向为X方向，垂直于光轴L和X方向所在水平面的方向为Y方向。

在本发明中，如图1、图2，α为第一铁电液晶元件10的取向方向40与第二铁电液晶元件20的取向方向50之间的夹角45°，β为第一铁电液晶元件10的取向方向40与Y方向之间的夹角22.5°，也为第二铁电液晶元件20的取向方向50与X方向之间的夹角22.5°。

在实际实施时，第一铁电液晶元件10与第二铁电液晶元件20两者取向方向相差45°可通过相对于第一铁电液晶元件10来旋转第二铁电液晶元件20的方式来实现，当然不受局限，此为本领域的熟知技术。

基于上述本发明电控光束偏转装置，本发明还提出了一种光束偏转驱动方法，参考图1和图2来理解，包括步骤：

对入射光为一设定旋向的圆偏振光，即入射光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，重复执行下面步骤1)-4)来实现出射光线在多角度之间的切换控制：

1)通过向第一铁电液晶元件10的两个驱动电极层72施加电压形成具有设定电场强度的第一电场，令第一铁电液晶元件10的各铁电液晶73左旋至解旋位置，即如图2，第一铁电液晶元件10的各铁电液晶73左旋至其各自长轴730分别平行于Y方向排列，与此同时，通过向第二铁电液晶元件20的两个驱动电极层72施加电压形成与第一电场的电场强度相同、电场方向相反的第二电场，令第二铁电液晶元件20的各铁电液晶73右旋至解旋位置，即如图2，第二铁电液晶元件20的各铁电液晶73右旋至其各自长轴730分别平行于X方向排列，此时第一铁电液晶元件10与第二铁电液晶元件20内的各铁电液晶73的液晶轴在平行于基体层71表面的同时互相正交(或说接近正交)，以使入射的左/右旋圆偏振光经过第一铁电液晶元件10和第二铁电液晶元件20后仍为左/右旋圆偏振光，即圆偏振光的旋向不变，换句话说，入射的左旋圆偏振光经过第一、第二铁电液晶元件10、20后仍为左旋圆偏振光，入射的右旋圆偏振光经过第一、第二铁电液晶元件10、20后仍为右旋圆偏振光，从而最后经过偏振光栅30后发生光束偏转，以第一出射光线射出，其中：第一出射光线与光轴L处于同一水平面且与光轴L形成设定夹角γ，即如图1所示，第一出射光线偏转γ角度射出；

2)撤掉施加在第一、第二铁电液晶元件10、20驱动电极层72上的电压；

3)通过向第一铁电液晶元件10的两个驱动电极层72施加电压形成具有设定电场强度的第二电场，令第一铁电液晶元件10的各铁电液晶73右旋至解旋位置，即如图2，第一铁电液晶元件10的各铁电液晶73右旋至其各自长轴730沿图2的点划线排列，与此同时，通过向第二铁电液晶元件20的两个驱动电极层72施加电压形成具有设定电场强度的第一电场，令第二铁电液晶元件20的各铁电液晶73左旋至解旋位置，即如图2，第二铁电液晶元件20的各铁电液晶73左旋至其各自长轴730同样沿图2的点划线排列，此时第一铁电液晶元件10与第二铁电液晶元件20内的各铁电液晶73的液晶轴在平行于基体层71表面的同时互相平行(或说接近平行)，以使入射的左/右旋圆偏振光经过第一铁电液晶元件10和第二铁电液晶元件20后变为右/左旋圆偏振光，即圆偏振光的旋向发生变化，换句话说，入射的左旋圆偏振光经过第一、第二铁电液晶元件10、20后变为右旋圆偏振光，入射的右旋圆偏振光经过第一、第二铁电液晶元件10、20后变为左旋圆偏振光，从而最后经过偏振光栅30后发生光束偏转，以第二出射光线射出，其中：第二出射光线与第一出射光线处于同一水平面内，且第二出射光线与第一出射光线以光轴L为对称轴相对称，即如图1所示，第二出射光线同样偏转γ角度射出，与光轴L形成设定夹角γ；

4)撤掉施加在第一、第二铁电液晶元件10、20驱动电极层72上的电压。

在本发明中，第一、第二出射光线的偏转角度γ的大小可通过设置偏振光栅30的取向周期来合理设定。

在本发明中，向第一、第二铁电液晶元件10、20的两个驱动电极层72施加的电压可为直流电压且形成的电压差在1至30伏之间。

在本发明光束偏转驱动方法中：

入射光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，其中：

当偏振光栅30为液晶聚合物偏振光栅时，通过重复执行步骤1)-4)可实现出射光线在两个出射方向之间的切换控制，即图1所示的第一、第二出射光线；

当偏振光栅30为液晶偏振光栅时，由于液晶偏振光栅还具有一全透光状态(加电时，光线直接通过液晶偏振光栅)，所以通过重复执行步骤1)-4)，并同时控制液晶偏振光栅的加电状态(加电或不加电)，来实现出射光线在三个出射方向之间的切换控制，即图1所示的第一、第二出射光线以及沿光轴L射出的光线。

进一步来说，若沿光轴L同轴层叠设置N个本发明电控光束偏转装置60构成本发明级联结构，则还包括步骤：

入射一设定旋向的圆偏振光，前N-1级的各本发明电控光束偏转装置60分别执行步骤1)或2)的同时，对第N级的本发明电控光束偏转装置60重复执行步骤1)-4)，从而可实现出射光线在多角度之间的切换控制。

对于上述本发明级联结构的光束偏转驱动方法：

圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，其中：

当偏振光栅30为液晶聚合物偏振光栅时，上述本发明级联结构可实现出射光线在2^N个出射方向之间的切换控制(原理请参考上述对单个本发明电控光束偏转装置60可得到的出射方向的描述)；

当偏振光栅30为液晶偏振光栅时，由于液晶偏振光栅还具有一全透光状态(光线直接通过液晶偏振光栅)，所以上述本发明级联结构可实现出射光线在3^N个出射方向之间的切换控制(原理请参考上述对单个本发明电控光束偏转装置60可得到的出射方向的描述)。

在本发明中，片状的铁电液晶元件，即第一铁电液晶元件10、第二铁电液晶元件20为本领域的已有液晶元件。铁电液晶元件的组成、调光原理等可参考申请号为201711289580.0的中国发明专利申请“一种基于电解螺旋型铁电液晶的光开关”等专利文献来理解。

本发明的优点是：

1、本发明基于两个取向方向匹配的第一、第二铁电液晶元件并搭配偏振光栅，通过合理的驱动实现了快速响应与切换的光束偏转效果，将现有使用向列相液晶制作光束偏转装置的1ms以上响应速度缩减到了亚毫秒级(小于1毫秒，范围在10微秒-500微秒之间)，满足了光束非机械式快速偏转的需求。

2、在本发明电控光束偏转装置可以实现出射光线在两个出射方向(光传播方向)之间切换的基础上，通过级联设计，本发明级联结构可进一步实现更多出射方向之间的切换功能。

3、本发明可直接应用于要求快速响应的许多场合，如光通讯、波长选择开关、激光扫描雷达、以及配合940波段或其它波段红外线用于3D面部识别等。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种电控光束偏转装置，其特征在于：它包括沿光轴同轴层叠设置的第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件和偏振光栅，其中：第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件的相位延迟相同且均为(1+2n)×λ/4，n取自然数；第一铁电液晶元件与第二铁电液晶元件两者的取向方向相差45°；第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件的铁电液晶层的铁电液晶排列等效圆锥体的半锥角为22.5°；第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件与电控驱动装置连接；第一铁电液晶元件、第二铁电液晶元件均包括两个基体层，两个基体层内表面均设有驱动电极层，两个驱动电极层之间设有铁电液晶层，铁电液晶层包括多个铁电液晶。

2.如权利要求1所述的电控光束偏转装置，其特征在于：

所述偏振光栅为液晶聚合物偏振光栅或液晶偏振光栅。

3.一种权利要求1或2所述的电控光束偏转装置实现的级联结构，其特征在于：它包括沿所述光轴同轴层叠设置的N个所述电控光束偏转装置，其中，N为大于等于1的正整数。

4.一种权利要求1所述的电控光束偏转装置实现的光束偏转驱动方法，其特征在于，它包括步骤：

2)撤掉施加在所述第一铁电液晶元件、所述第二铁电液晶元件上的电压；

4)撤掉施加在所述第一铁电液晶元件、所述第二铁电液晶元件上的电压。

5.如权利要求4所述的光束偏转驱动方法，其特征在于：

所述入射光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，其中：

当所述偏振光栅为液晶聚合物偏振光栅时，通过重复执行所述步骤1)-4)实现出射光线在两个出射方向之间的切换控制；

当所述偏振光栅为液晶偏振光栅时，通过重复执行所述步骤1)-4)，并同时控制液晶偏振光栅的加电状态，来实现出射光线在三个出射方向之间的切换控制。

6.如权利要求4所述的光束偏转驱动方法，其特征在于：

若沿所述光轴同轴层叠设置N个所述电控光束偏转装置构成级联结构，则还包括步骤：

入射一设定旋向的圆偏振光，前N-1级的各所述电控光束偏转装置分别执行所述步骤1)或2)的同时，对第N级的所述电控光束偏转装置重复执行所述步骤1)-4)。

7.如权利要求6所述的光束偏转驱动方法，其特征在于：

所述圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，其中：

当所述偏振光栅为液晶聚合物偏振光栅时，所述级联结构实现出射光线在2^N个出射方向之间的切换控制；

当所述偏振光栅为液晶偏振光栅时，所述级联结构实现出射光线在3^N个出射方向之间的切换控制。