CN110869836B - 高速光开关引擎 - Google Patents

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Abstract

当以叉指式电极驱动聚合物稳定的蓝相液晶时，在液晶中产生大的电场分布，并且在电极附近产生大的电场，因电伸缩效应引起的聚合物稳定的蓝相液晶的切换速度恶化。使用形成现有薄膜电极的平行平板，在其之间插入聚合物稳定的蓝相液晶，并在其之间插入聚合物稳定的蓝相液晶之后粘粘偏振光栅，由硅制成的横截面与成三角形的两片硅楔以彼此旋转对称的方式被设置或粘贴在其两侧。

Description

高速光开关引擎
技术领域
本发明涉及一种高速光开关引擎。
背景技术
图1示出了现有液晶相位面板的一实施例(非专利文献1)，是在两片平行平板电极面板23之间插入向列液晶24。
在Zero-twisted ECB(electrically controlled birefringence)的情况下，当未施加电压到两片平行板电极时，液晶的导向器(n)相对于板电极平行地配置，射入的光会感受到导向器(n)折射率的椭圆形XZ横截面(椭圆形状的折射率)并接收延迟。此时，通过设定所需的液晶厚度，例如可以作为半波长板进行操作。
另一方面，当将施加电压到两片平行平板电极面板23时，电场变得垂直于平板电极，并且液晶的导向器也跟随电场变得垂直。射入光感受到折射率椭圆形的XZ横截面(圆形状的折射率)，未接收延迟，且作为等向性的介质进行操作。
现有的向列液晶广泛用于显示器中，但因它们的切换速度慢至毫秒，因此不能用于需要高切换速度的应用中。从而，可高速地切换的聚合物稳定的蓝相液晶被探讨。
该液晶利用克尔效应(Kerr effect)，虽然可以快速切换，但必须产生相对于平板电极平行的电场。在所述的平行平板电极面板23中，一般的电场是相对于平板电极垂直，此状态下，不能直接适用在聚合物稳定化的蓝相液晶，因此，如图2所示被称为IPS(In PlaneSwitching)的叉指式电极被探讨。
该电极是向相邻的叉指式电极21施加正负或正或零的电压，并在横向(X方向)上产生电场。
但是，在聚合物稳定的蓝相液晶22中，电场分布不均匀，并且产生大的电场分布，特别是在叉指式电极21附近产生大的电场，因电伸缩效应引起的聚合物稳定的蓝相液晶22的切换速度恶化。
而且，在长波长下，所需的液晶厚度增加，且在液晶中需要更大的电场分布以获得所需的性能。因此，叉指式电极21附近的电场分布进一步增加，导致射出光束中的相位分布，并且发生诸如损耗和串音的各种性能劣化。
与叉指式电极21相比，平行板电极面板23可以获得均匀的电场分布。为了利用该状态，可倾斜地射入光束即可。为具体实现这一点，已有报告指出一实施例，即，将平行平板电极附着到聚合物稳定的蓝相液晶上，且在现有垂直电场驱动，以获得消除滞后(hysteresis)的阶度特性(专利文献1，图3)。然而，该结构在垂直射入的情况下是有效的，但是如果以大角度倾斜射入，则因棱镜片的光折射功效在光束中不均匀，导致在射出光束中产生较大相位。
另一方面，在一报告中已使用液晶和偏振光栅的光开关引擎(专利文献2，图4)。这是以将相位板(LC Half-Waveplate)和偏振光栅(Passive PG)粘贴在一起，且使光近乎垂直地射入为前提。
且使光近乎垂直地射入的原因是，如图8所示(通过模拟计算)，当射入面为(A)的情况下，±1级绕射效率急剧劣化。
因此，该现有结构是在使用普通向列液晶的相位板(LC Half-Waveplate)的情况下是有效的，但是在使用聚合物稳定的蓝相液晶的情况下，需要采用IPS(In PlaneSwitching)型相位板或棱镜片的结构，如上所述，在任意情况下，将导致切换速度、光束相位分布等较大劣化。
现有技术文件
专利文献1：JP2014-186045A。
专利文件2：US2012/0188467A1。
非专利文件1：“Fundamentals of phase-only liquid crystal on silicon(LCOS)devices”，Zichen Zhang et al(Light:Science&Applications(2014)P16)
发明内容
[本发明欲解决的课题]
上述问题总结如下。
(1)在IPS(In Plane Switching)叉指式电极中，在液晶内产生大的电场分布，在电极附近产生大的电场，并且是因电伸缩效应引起的聚合物稳定的蓝相液晶的切换速度恶化。
(2)特别是在长波长下，所需的液晶厚度增加，并且在液晶内产生大的电场分布。
(3)面内电场分布大，导致射出光束中的相位分布，并产生诸如损耗和如串音等的各种性能劣化。
(4)在专利文献1的结构中，当以大角度倾斜射入到蓝相液晶上时，因棱镜片的光折射功效在光束内不均匀，在射出光束内导致相位分布较大。
(5)专利文献2的结构是基于以下前提，即，将相位板(LC Half-Waveplate)和偏振光栅(无源PG)接合在一起，且使光近乎垂直地射入。其原因是，因当模拟PG时，如图8所示，在射入面为(A)的情况下，±1级绕射效率急剧劣化。
因此，为了具体实现现有结构，必须近乎垂直地射入与PG粘贴的相位板，并且默认假设使用普通向列液晶的相位板(LC Half-Waveplate)。
另外，当使用聚合物稳定的蓝相液晶时，必须应用上述的IPS(平面转换)型相位板，或者使用棱镜片的聚合物稳定的蓝相液晶相位板，如上所述，在任意情况下，将导致作为光开关引擎的特性(例如切换速度、损耗、串音等)较大劣化。
因此，本发明为解决上述问题，以实现一种光开关引擎，其具有在聚合物稳定的蓝相液晶中产生均匀的电场分布，而不发生切换速度劣化或射出光束的相位分布的特征为目标。
[解决课题的手段]
为了解决上述问题，关于使用聚合物稳定的蓝相液晶的光开关引擎，本发明为如下构成。
(1)使用形成现有薄膜电极的平行平板(图7)，在其之间插入聚合物稳定的蓝相液晶，且将如图6所示的一组偏振光栅(PG)层粘贴在一起，且层叠多组偏振光栅，由硅制成的横截面与成三角形的两片硅楔以彼此旋转对称的方式被设置或粘贴在其两侧。
(2)而且，所述偏振光栅(PG)是具有如图6(C)所示的也在厚度方向导向器旋转的手性结构的上述偏振光栅(PG)，并且在偏振光栅(PG)表面(XY平面)处导向器的旋转方向上的旋转轴A和硅楔的斜边B以彼此垂直的方式被设置或附着(图7)。
(3)使用两组上述结构，并且通过彼此旋转90°来设置或附着该结构(图10)。
但是，硅楔的楔角θa应满足以下条件。
[公式1]
θa＜sin-1(N2/N1)-θb (1)
在此，θb＝sin-1(No×sinθo/N1)、No作为周围的折射率(例如空气)，N1作为硅的折射率，θo是射入角。
具体地，本发明可以提供以下手段：
(1)一种光开关引擎，其中，使用在从紫外线到所使用的波段的光波长区域中，并使用在透明基板的至少一个表面上所期待的光波长区域中所形成的透明薄膜电极的两片基板；其中，以相对而立的方式使该薄膜电极以所期待的缺口成为平行电极，且在其中间插入聚合物稳定的蓝相液晶，且在通过照射光而稳定的平行平板液晶面板上，在所使用的波长处变成半波长板的厚度的双折射介质(称为导向器)的双折射轴，为由以平面内周期旋转的偏振光栅板附着到平行板液晶面板的射出表面所构成，或由在相同方向上堆栈多个的关液晶相位面板与由折射率比所述基材高的材料组成，且横截面由两片具有直角三角形的楔形基板所组成；将开关液晶相位面板以前述复屈折轴在前述面内回转的轴与前记具有直角三角形横截面的楔形基板的斜边相互垂直的方式，将前述两片楔型基板的斜面相互交迭地层压黏合；从一侧楔形基板的端面(所述开关液晶相位面板的偏振光栅板的相反侧，称为射入面)射入的射入光是从与另一侧楔形基板的所述端面(称为出射面)成平行断面而得到射出所期望的偏振光。
这是本发明的基本结构，是以下实施例1所记载的光开关引擎的形态。
(2)根据(1)所述的光开关引擎，其中，所述偏振光栅板是具有所述导向器的双折射轴也在厚度方向上旋转的掌性结构。
(3)根据(1)所述的光开关引擎，其中，当光从所述一侧楔形基板的端面射入的情况下，当不施加电压到所述相对向的薄膜电极时，作为近乎等向性的介质进行操作，当施加电压时，作为在所述使用波长的所述半波长板块进行操作。
(4)根据(1)至(2)中任意一项所述的光开关引擎，其中，所述基板是将SiO2作为主要成分的玻璃或是Si基板。
(5)根据(1)至(4)中任意一项所述的光开关引擎，其中，所述楔形基板是由硅制成。
(6)根据(1)至(5)中任意一项所述的光开关引擎，其中，对于所述楔形基板的所述斜面与所述射入面或所述射出面相邻的材料的折射率，形成非反射的非反射涂层。
以上是本发明的基本结构，是后续说明的实施例1所记载的另一种形态。
(7)根据(1)至(6)中任意一项所述的光开关引擎，2段式地使用所述的光开关引擎，其中，前段光开关引擎的射出面与后段光开关引擎的射入面分别以90°被旋转并粘贴。
以上是本发明的扩展结构，是后续说明的实施例2所记载的光开关引擎的形态。
(8)根据(7)所述的光开关引擎，其中，所述开关液晶相位面板的所述平行板液晶面板被分段成两片或两片以上的区域，且相对于该段所述开关液晶相位面板是由具有所述不同周期段所形成的偏振光栅板所构成，并且射入到所述段上的射入光可以从偏振光栅板被独立地偏转且射出而得。
以上是本发明的扩展结构，为后续说明的实施例3所记载的光开关引擎的形态。
(9)根据(7)或(8)中任意一项所述的光开关引擎，其中，通过珀耳帖组件使其周围控制在所需的温度。
以上这是本发明的扩展结构，是后续说明的实施例4所记载的光开关引擎的形态。
[本发明的功效]
本发明具有以下功效：
(1)可以实现在现有技术中是困难的高速1×N光开关引擎，其具有在聚合物稳定的蓝相液晶中产生均匀的电场分布，并使光束在平面内偏转，而不会劣化切换速度或射出光束的相位分布的特征。
(2)可以实现现有技术难以实现的高速1×N转向装置。
附图说明
图1是现有的向列液晶相位面板的一例的示意图。
图2是作为现有技术的聚合物稳定的蓝相液晶的被称为IPS(In PlaneSwitching)叉指式电极的说明图。
图3是专利文献1的结构，因大角度倾斜射入到蓝相液晶，使用棱镜片进行输入的示意图。
图4是专利文献2的结构，将相位板(LC Half-Waveplate)和偏振光栅(PassivePG)粘贴在一起的光束转向的以实施例的示意图。
图5是现有技术的聚合物稳定的蓝相液晶的平行电极的说明图。(A)显示未施加电压时，聚合物稳定的蓝相液晶部的各向同性特性的折射率椭圆形，(B)显示当施加电压时，聚合物稳定的蓝相液晶部的折射率椭圆形的示意图。
图6是本发明中使用的偏振光栅(PG)的说明图。(A)是当左旋圆偏振光垂直射入中心时，右旋圆偏振光在X轴方向上改变θ角从相反侧射出。(B)是当右旋圆偏振光垂直射入中心时，左旋圆偏振光在X轴方向的反方向上改变θ角从相反侧出射。另外，(C)显示Z轴方向为手性结构的示意图。
图7是1×2光开关引擎的一实施例的示意图，所述1×2光开关引擎是指使用作为本发明的基本结构的聚合物稳定的蓝相液晶面板和偏振光栅与两片硅楔成彼此点对称的方式粘贴在一起的光开关引擎。
图8是示出相对于偏振光栅(PG)的射入面的±一阶绕射光的效率的计算图。
图9是本发明的另一实施例的示意图。
图10是发明的另一实施例的示意图。
图11是本发明的另一实施例的示意图。
图12是本发明的用于温度控制高速光开关引擎的模块的一实施例的示意图。
具体实施方式
以下，示出本发明中的几个实施例。
实施例1
图7示出了本发明中的1×N光开关引擎的一实施例。
在说明本实施例之前，首先，将针对作为构成本发明的一个元素的聚合物稳定的蓝相液晶进行说明。接着，针对偏振光栅(PG)的基本操作进行说明，最后，说明1×N光开关引擎的实施例。
蓝相液晶处于超过国际稳定性的状态，该状态是指局部稳定性,用以去除磁体系液晶的双重扭曲,可以将空间无损地连结，通常存在于约1℃的非常窄的温度下。通过向其添加聚合物，填充空间缺陷，使其热稳定，并将操作范围扩大到数十摄氏度。
如图5(A)所示，当不施加电场的情况下，聚合物稳定的蓝相液晶变为圆形折射率椭圆形，作为光学等向性的介质进行操作。另一方面，如图5(B)所示，当施加电场的情况下，以几乎是电场的平方产生双折射率，从而成为具有椭圆形的折射率椭圆形。
在(A)的情况下，当使光从折射率椭圆形的长轴方向(Y轴)射入时，光的两片正交的偏振光(相对于光传播矢量垂直地存在)因感受到圆形折射率(相对于折射率椭圆形的长轴垂直地切开的)，所以不会发生延迟，并且有必要如(B)所示的倾斜射入。
在(B)的情况下，折射率椭圆形的切成图片形成为椭圆形，并且光的两片偏振光感受到各自不同的折射率并产生延迟。
图6示出了偏振光栅(PG)的操作。
偏振光栅(PG)是由持有例如液晶聚合物等的双折射材料所构成，并且沿着旋转轴A(17)以某周期(16)进行旋转，其中，所述旋转轴A(17)具有双折射介质的导向器12。其厚度被设计为在使用波长处成为半波长板，并且微小的半波长板等效于沿着旋转轴A(17)旋转。
在如此结构中，射入的圆偏振光是对应于其旋转方向(右旋，左旋)而变化偏振(绕射)方向。
例如，左旋圆偏振光向右绕射而变为右旋圆偏振光。与此相反，右旋圆偏振光向左绕射而变为左旋圆偏振光。其绕射角θ由下公式算出。
[公式2]
sin θ＝±λ/Λ+sin θ o (2)
在此，λ是波长，Λ是导向器的旋转周期，θo是射入角。因此，周期Λ越短越以较大的角度进行绕射。
关于图7中本发明的光开关引擎基本结构的1×2光开关引擎1，(A)是立体图，(B)是分解图，(C)是在施加电压的情况下，聚合物稳定的蓝相液晶面板的放大图。
本发明的光开关引擎1是由聚合物稳定的蓝相液晶面板2、偏振光栅3和具有三角形状的硅楔8的2片横截面所构成。
聚合物稳定的蓝相液晶面板2是平行平板的电极结构，并且所述聚合物稳定的蓝相液晶面板，是在一个侧表面上形成有薄膜电极4的两片基板5之间插入聚合物稳定的蓝相液晶6且通过光照射使其稳定，在聚合物稳定的蓝相液晶面板2上设置或附着偏振光栅3(这个被称为1×2组件9)。
在1×2组件9的两侧使用具有三角形状的硅楔8的2片横截面，夹物是1×2光开关引擎1。
这里重要的是，偏振光栅3是也在如图6C所示的厚度方向上导向器旋转(与XY平面的旋转周期Λ相比，远远小几μm的数量级)的手性结构，另外，构成偏振光栅3的导向器旋转轴A(17)是以与硅楔8的斜边B垂直的方式配置或附着，关于该理由，待后述。
另外，两片硅楔8是以围绕1×2组件9中心，以旋转对称的方式被附着。
在硅楔8的斜边表面上实施有非反射涂层，该非反射涂层是相对于构成聚合物稳定的蓝相液晶面板2的基板5成非反射条件。
另外，构成聚合物稳定蓝相面板2的基板5，薄膜电极4和聚合物稳定蓝相液晶6是形成为几乎相同的折射率。
现在，如图7(A)所示，当光从右以垂直角度射入时(当公式(1)中的θb＝0的情况下)，硅楔8和聚合物稳定的蓝相液晶面板2的边界处是根据后述的公式(3)显示的斯涅耳定律使光折射，并且光是相对于聚合物稳定化的蓝相液晶6的层以角度θ′倾斜地被传播。
因此，因为从右侧以垂直角度射入的光束是为了倾斜地(角度θ′)传播聚合物稳定化的蓝相液晶6，所以感受到双折射并产生延迟。
根据公式(3)，相对于N2，N1越大时，θa越大，该功效变得更加突出，并且光束以更大的角度θ′传播。
如此以来，使用折射率N1大的材料(在此为硅)作为输入是重要的。
以下，将详细说明其理由。现在，考虑构成聚合物稳定的蓝相面板2的基板5为玻璃(折射率N2＝1.5)，硅楔8为硅(折射率N1＝3.5)，楔角θa为20°的情况。
如图7(A)所示，当光从右侧垂直射入时，根据公式(2)θ′＝53°。假如没有硅楔8，并且光直接从空气射入聚合物稳定的蓝相液晶面板2的情况下，则无法实现该该53°，极限为40°(即便如此，实际上很难实现)。
其原因是当周围是空气，在其边界处成全反射，并且不能从外部被激发时，以θ′＝53°传播聚合物稳定的蓝相面板2的光是不能从外部激发(理论上有必要用逝波激发)。因此，在专利文献2中，前提几乎是垂直地射入。
如此，使用折射率N1大的材料(在此为硅)作为输入是极为重要的。由于硅是从1.2μm至6μm几乎不吸收，因此，可以使用该波长区域中作为本发明的楔形材料。
另外，在小于1.2μm的波长下，可以使用高折射率玻璃(例如，OHARA制造的S-LAH79(折射率2.00)，HOYA制造的TAFD40(折射率2.00))或高折射率树脂。另外，即便尺寸变大，也可使用普通玻璃。
另外，楔角θa需要满足公式(4)。其原因是因在硅楔8和聚合物稳定的蓝相液晶面板2的边界处发生全反射，从左侧表面未输出光。另外，公式(4)是在公式(1)中θb＝0的特殊情况。
在这种情况下，对于硅楔8的角度θa的条件需要满足公式(3)。
[公式3]
N1 x sin θ a＝N2 x sin θ’ (3)
[公式4]
θa＜sin-1(N2/N1) (4)
在此，θa是硅楔8的楔角，N1是硅的折射率，N2是基板5的折射率。
另外，假设具有构成聚合物稳定蓝相液晶面板2的薄膜电极4、基板5以及聚合物稳定蓝相液晶6的折射率几乎相同。
如此从右侧以垂直角射入的光束，是倾斜地(角度θ′)传播至聚合物稳定的蓝相液晶6，因此感受到双折射，通过将聚合物稳定的蓝相液晶6作为适当地厚度(T)，可作为半波长板(延迟为π)操作。
因此，在未施加电压到聚合物稳定的蓝相液晶面板2的情况下，因聚合物稳定的蓝相液晶6的折射率椭圆形是球，作为等向性(延迟为0)的介质进行操作，当施加电压时，作为半波长板(延迟为π)操作。
现在，考虑从右侧射入右旋圆偏振光的光束。在未施加电压到聚合物稳定的蓝相液晶面板2的情况(断开)下，因是等向性(延迟为0)的介质，所以在保持偏振的状态下，作为右旋圆偏振光被输出。
另一方面，在施加电压的情况(接通)下，因作为半波长板(延迟为π)操作，所以作为左旋圆偏振光被输出。
在本发明中，在平行平板聚合物稳定的蓝相液晶面板2的后段上设置或附着偏振光栅3。因此，根据射入圆偏振光是右旋或是左旋，在X-Z平面内(水平面)的光束以角度α偏转(绕射)。
在此，重要的是，构成偏振光栅3的导向器的旋转轴A(17)是与硅楔8的斜边B垂直的方式被设置或附着。
图8示出了相对于两片射入面(A和B)的偏振光栅3的效率。
在(A)的情况下，当射入角θ改变时，效率大大劣化，但是在(B)的情况下，效率几乎不劣化。
在构成偏振光栅3的导向器的旋转轴A是以与硅楔8的斜边B垂直的方式被设置或附着的情况是在(B)的情况下，即使以大角度θ'射入，特性也不会劣化。另外，构成偏振光栅3的导向器具有图6(C)所示的手性结构。
图7是指由聚合物稳定化的蓝相液晶面板2和偏振光栅3构成的1×2组件9(称为开关液晶相位面板)为一组的情况。在这种情况下，在X-Z平面(水平面)内作为用于切换开关的1×2光开关引擎1进行操作。
图9是指使用1×2组件9为两组的情况，并在X-Z平面(水平面)内作为用于切换开关的1×4光开关引擎1进行操作。另外，在该实施例中，第二组偏振光栅3的周期Λ为Λ/2。
如此，通过多段式的设置N组1×2组件9，可以实现在X-Z平面(水平面)内上操作的1×2N光开关引擎。
实施例2
图10是本发明的另一实施例。设置或附着在Y-Z平面(垂直面)内用于切换开关的1×4光开关引擎11到在X-Z平面(水平面)内用于切换开关的1×4光开关引擎10的后段。由此，可以实现在X-Y平面内操作的二维1×16光开关引擎。
在这种情况下，通过在前段设置最大偏转角小的光开关引擎，通过组合M个开关引擎和N个开关引擎可以实现离散较小所需的M×N个光开关引擎。
实施例3
图11是本发明的另一实施例。
在一个光开关引擎1内形成有4个偏转角或开关次数不同的光开关引擎A～D(100、101、102、103)。这是通过分割聚合物稳定化的蓝相液晶面板2的电极，或是可以很容易地实现通过根据位置改变偏振光栅图案。
由此可以实现独立地切换紧凑的多光束的多光束光交换引擎。
图12是本发明的另一实施例。
通过用珀尔帖组件201覆盖所述光开关引擎1的周围，并且在其外侧设置散热器202来控制光开关引擎1的温度。由此，即使周围温度变化也可以实现稳定的切换。
产业利用性
根据本发明的1×N开关也可以应用于光学转向装置。
藉由以上较佳具体实施例的描述，本领域具有通常知识者当可更加清楚本发明的特征与精神，惟上述实施例仅是说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，任何对上述实施例进行的修改及变化仍不脱离本发明的精神，且本发明的权利范围应如权利要求书所列。
参考标记清单：
1 光开关引擎
2 聚合物稳定的蓝相液晶面板(平行平板液晶面板)
3 偏光光栅(PG)
4 薄膜电极
5 基材
6 聚合物稳定的蓝相液晶
7 导向器
8 硅楔
9 1×2组件，开关液晶相位面板
10 在Y-Z平面(垂直平面)中进行开关的1×4光开关引擎
11 在X-Z平面(水平面)中进行开关的1×4光学开关引擎
12 导向器
13 光线
14 左旋圆偏振光
15 右旋圆偏振光
16 周期Λ
17 旋转轴A
21 叉指式电极
22 聚合物稳定的蓝相液晶
23 平行板电极面板
24 向列型液晶
100 光开关引擎A
101 光开关引擎B
102 光开关引擎C
103 光开关引擎D
201 珀耳帖组件
202 散热器

Claims (9)

1.一种光开关引擎，其特征在于，由开关液晶相位面板及两个楔形基板构成，
所述开关液晶相位面板由一个层叠体或者在同方向重叠了多个的层叠体构成，
所述层叠体是将偏振光栅板贴合于平行平板液晶面板的出射面而构成，
所述平行平板液晶面板使用两个基板，所述基板从紫外线到所用波长带的光波长区域为透明，且所述基板的至少一个表面形成有在从紫外线到所用波长带的光波长区域为透明的薄膜电极，所述薄膜电极按一定间隔相向而对构成平行电极，在所述平行电极之间插入聚合物稳定蓝相液晶，并利用光照射稳定而成，
所述偏振光栅板的厚度在所用波长带为半波长板，所述偏振光栅板由双折射率介质所构成，所述双折射率介质的指向矢沿着双折射轴在平面内以周期Λ旋转，
所述楔形基板由折射率比所述基板大的材料构成，所述楔形基板的横截面为直角三角形；
将所述开关液晶相位面板以两个所述楔形基板的斜面相互交错地夹着所述开关液晶相位面板的方式贴合，所述指向矢沿着双折射轴旋转，所述双折射轴与所述横截面为直角三角形的楔形基板的斜边相互垂直；
从一个楔形基板的一个端面入射的入射光从另一个楔形基板的平行于所述一个楔形基板的一个端面的端面出射，其中，所述一个楔形基板的一个端面称作入射面，所述入射面位于所述开关液晶相位面板的偏振光栅板的相反侧，所述另一个楔形基板的平行于所述入射面的端面称作出射面。
2.如权利要求1所述的光开关引擎，其特征在于，所述偏振光栅板在厚度方向，所述指向矢为沿着双折射轴旋转的手性结构。
3.如权利要求1所述的光开关引擎，其特征在于，当光从所述一个楔形基板的一个端面入射，未施加电压于相向而对的薄膜电极时，作为近似各向同性介质进行动作，施加电压于相向而对的薄膜电极时，在所用波长带作为所述半波长板进行动作。
4.如权利要求1或2所述的光开关引擎，其特征在于，所述基板为以SiO2为主要成分的玻璃或者Si基板。
5.如权利要求1-4任一项所述的光开关引擎，其特征在于，所述楔形基板由硅制成。
6.如权利要求1-5任一项所述的光开关引擎，其特征在于，在所述楔形基板的所述斜面及所述入射面或所述出射面形成有相对于相邻的材料的折射率为非反射的非反射涂层。
7.一种二重化的光开关引擎，其特征在于，二段式地使用如权利要求1-6任一项所述的光开关引擎，其中，前段光开关引擎的出射面与后段光开关引擎的入射面完成90°旋转贴合。
8.一种多重分段化的光开关引擎，其特征在于，如权利要求7所述的光开关引擎中，所述开关液晶相位面板的所述平行平板液晶面板分段为两个以上的区域，构成由不同周期Λ的分段区域形成的偏振光栅板，以使入射至所述分段区域的入射光独立地从所述偏振光栅板偏振出射。
9.一种光开关引擎，其特征在于，如权利要求7或8所述的光开关引擎，通过珀耳帖组件使周围控制在所需的温度。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3093821B1 (fr) 2019-03-14 2021-04-16 Horiba France Sas Dispositif séparateur de polarisation, interféromètre différentiel et microscope optique à contraste différentiel comprenant un tel dispositif
WO2021020242A1 (ja) 2019-07-26 2021-02-04 株式会社ＳｔｅｒａＶｉｓｉｏｎ 距離及び速度測定装置
JPWO2022181781A1 (zh) * 2021-02-28 2022-09-01

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1599877A (zh) * 2001-12-06 2005-03-23 西铁城时计株式会社 液晶可变波长滤波装置及其驱动方法
CN102246089A (zh) * 2008-10-09 2011-11-16 北卡罗莱纳州立大学 包括多个偏振光栅布置和相关器件的偏振无关液晶显示器件
CN102789102A (zh) * 2012-07-27 2012-11-21 京东方科技集团股份有限公司 一种蓝相液晶面板及蓝相液晶显示装置
CN103969876A (zh) * 2014-05-07 2014-08-06 四川大学 一种基于蓝相液晶的偏振光转换器

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0618940A (ja) * 1992-06-30 1994-01-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光ビームシフタ
WO2011014743A2 (en) 2009-07-31 2011-02-03 North Carolina State University Beam steering devices including stacked liquid crystal polarization gratings and related methods of operation
JP2012242574A (ja) 2011-05-19 2012-12-10 Stanley Electric Co Ltd 液晶素子及び立体表示装置
US8629968B2 (en) * 2011-07-13 2014-01-14 Kyungpook National University Industry-Academic Cooperation Liquid crystal display device
JP2014186045A (ja) 2011-07-13 2014-10-02 Kyungpook National Univ Industry Academic Cooperation Foundation 液晶表示装置
JP2014211457A (ja) 2011-08-30 2014-11-13 シャープ株式会社 液晶表示装置
US9400412B2 (en) * 2014-07-16 2016-07-26 Kent State University Nanosecond liquid crystalline optical modulator
WO2018173813A1 (ja) 2017-03-21 2018-09-27 国立研究開発法人産業技術総合研究所 液晶位相パネル及びそれを用いた光スイッチ、光シャッター

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1599877A (zh) * 2001-12-06 2005-03-23 西铁城时计株式会社 液晶可变波长滤波装置及其驱动方法
CN102246089A (zh) * 2008-10-09 2011-11-16 北卡罗莱纳州立大学 包括多个偏振光栅布置和相关器件的偏振无关液晶显示器件
CN102789102A (zh) * 2012-07-27 2012-11-21 京东方科技集团股份有限公司 一种蓝相液晶面板及蓝相液晶显示装置
CN103969876A (zh) * 2014-05-07 2014-08-06 四川大学 一种基于蓝相液晶的偏振光转换器

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