CN112859462A - 一种透反射一体式液晶光阀 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于液晶空间光调制领域，公开了一种透反射一体式液晶光阀，包括沿光路依次设置的第一液晶盒、第二液晶盒和偏振分光器件，第二液晶盒包括90度扭曲的扭曲向列型液晶层，本发明的透反射一体式液晶光阀光路决定于第二液晶盒的工作状态，第二液晶盒在完全上电状态下，液晶旋光效应消失，光线偏振分量不发生改变，液晶光阀工作在反射模式下，第二液晶盒在完全下电状态下，在液晶的旋光效应作用下，入射光的偏振方向改变90°，液晶光阀工作在透射模式，还可以通过第二液晶盒加电量的大小对透射光和反射光强进行调控，例如可以实现半透半反模式，因此通过控制第二液晶盒加电量的大小实现在反射式、透射式、半透半反式的工作模式之间切换。

Description

一种透反射一体式液晶光阀
技术领域
本发明涉及液晶空间光调制领域，尤其涉及一种透反射一体式液晶光阀。
背景技术
液晶空间光调制器是一种基于液晶的光电特性，对光场进行相位和振幅的二维调制的器件，已广泛应用于教学、科研、光通讯、显示以及工业等领域。液晶空间光调制器由于具有光振幅调制、光相位调制、图案加载灵活等优点，受到微显示、全息投影、光通讯等领域的广泛关注。液晶光阀是液晶空间光调制器的核心器件，液晶分子在电场作用下发生偏转，改变液晶光阀的光学特性，从而实现对光场调制。液晶光阀根据光路分为透射式和反射式，根据基板类型分为薄膜晶体管(TFT)和硅基液晶(LCoS)两类，TFT基板一般用于透射式液晶光阀，光路搭建简单；LCoS基板一般用于反射式液晶光阀，其光利用率高，衍射效率高。由于液晶空间光调制器的液晶光阀基板类型的差异，导致空间光调制器只能实现单一的反射或者透射，无法对应透反射一体式需求。对于需要切换光路的光学系统，必须对光路进行调整甚至重搭光路，而调整光路需要耗费大量精力和时间，限制了液晶光阀在实际场景中的应用。目前市场上并无透反射一体式液晶光阀产品，因此对于透反射一体式液晶光阀的需求迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种透反射一体式液晶光阀，其能够实现在反射式、透射式、半透半反式的工作模式之间切换。
为达到上述目的，本发明提供的方案是：
一种透反射一体式液晶光阀，包括沿光路依次设置的第一液晶盒、第二液晶盒和偏振分光器件，定义偏振方向平行于所述偏振分光器件的偏振分光面的入射面为第一偏振方向，偏振方向垂直于所述偏振分光器件的偏振分光面的入射面为第二偏振方向，入射光经所述第一液晶盒调整后输出具有第二偏振方向的入射光，所述第二液晶盒包括90度扭曲的扭曲向列型液晶层，当扭曲向列型液晶层处于完全下电状态时，经所述第一液晶盒调整后的入射光通过所述第二液晶盒后偏振方向发生90度旋转，输出具有第一偏振方向的入射光，具有第一偏振方向的入射光入射至所述偏振分光器，所述偏振分光器件输出透射光；当扭曲向列型液晶层处于完全上电状态时，经过所述第一液晶盒调整后的入射光通过所述第二液晶盒后偏振方向不发生改变，输出具有第二偏振方向的入射光，具有第二偏振方向的入射光入射至所述偏振分光器，所述偏振分光器件输出反射光；当扭曲向列型液晶层处于不完全加电状态时，经过所述第一液晶盒调整后的入射光通过所述第二液晶盒后偏振方向发生旋转，旋转角度大于0度，小于90度，入射光入射至所述偏振分光器件，所述偏振分光器件输出透射光和反射光。
优选地，所述第一液晶盒包括沿光路依次设置的第一偏光片、第一基板、第一液晶层、第一像素基板和第二偏光片，所述第二偏振片和所述第一偏光片平行设置，入射光经所述第一偏光片和所述第二偏光片调整后输出具有第二偏振方向的入射光。
优选地，所述第二液晶盒还包括第二基板和第二像素板，所述第二基板、所述扭曲向列型液晶层和所述第二像素板沿光路依次设置。
优选地，所述偏振分光器件包括偏振分光棱镜和设于所述偏振分光棱镜侧边的反射镜，所述反射镜与所述偏振分光棱镜之间形成夹角，所述反射镜镀有增反膜。
优选地，所述反射镜与所述偏振分光棱镜侧面之间形成的夹角范围为0°-10°。
本发明的透反射一体式液晶光阀光路决定于第二液晶盒的工作状态，第二液晶盒在完全上电状态下，液晶旋光效应消失，光线偏振分量不发生改变，液晶光阀工作在反射模式下，第二液晶盒在完全下电状态下，在液晶的旋光效应作用下，入射光的偏振方向改变90°，液晶光阀工作在透射模式，还可以通过第二液晶盒加电量的大小对透射光和反射光强进行调控，例如可以实现半透半反模式。因此，本发明的透反射一体式液晶光阀可以通过控制第二液晶盒加电量的大小实现在反射式、透射式、半透半反式的工作模式之间切换，即通过本发明实施例的透反射一体式液晶光阀能够实现透射式光场调控和反射式光场调控集于同一设备上，达到一设备多用，实现光路实时切换效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的透反射一体式液晶光阀的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的透反射一体式液晶光阀不同工作模式的原理图；
图3是本发明实施例提供的偏振分光器件的结构示意图。
附图标号说明：
1、第一液晶盒；11、第一偏光片；12、第一基板；13、第一液晶层；14、第一像素基板；15、第二偏光片；
2、第二液晶盒；21、第二基板；22、扭曲向列型液晶层；23、第二像素板；
3、偏振分光器件；31、偏振分光棱镜；32、反射镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1至图3所示，其为发明的一种实施例的透反射一体式液晶光阀。
可以理解地，入射至偏振分光器件3的入射光经偏振分光器件3后，分成偏振方向平行于偏振分光面的入射面的光束和偏振方向垂直于偏振分光面的入射面的光束；当入射光偏振方向平行于偏振分光面的入射面时，入射至偏振分光器件3的入射光经偏振分光器件3后仅输出方向平行于入射面的光束，该光束从偏振分光器件3透射；当入射光偏振方向垂直于偏振分光面的入射面时，入射至偏振分光器件3的入射光经偏振分光器件3后仅输出方向垂直于偏振分光面的入射面的光束，该光束被偏振分光器件3反射；当入射光偏振方向既不平行于偏振分光面的入射面，也不垂直于偏振分光面的入射面时入射至偏振分光器件3的入射光经偏振分光器件3后，分成偏振方向平行于偏振分光面的入射面的光束和偏振方向垂直于偏振分光面的入射面的两束光束。
请参阅图1-图3，本发明实施例的透反射一体式液晶光阀包括沿光路依次设置的第一液晶盒1、第二液晶盒2和偏振分光器件3，定义偏振方向平行于偏振分光器件3的偏振分光面的入射面为第一偏振方向(如图2中Y方向)，偏振方向垂直于偏振分光器件3的偏振分光面的入射面为第二偏振方向(如图2中X方向)，入射光经第一液晶盒1调整后输出具有第二偏振方向的入射光，第二液晶盒2包括90度扭曲的扭曲向列型液晶层22，用改变入射光的偏振态，当扭曲向列型液晶层22完全下电时，经过第一液晶盒1调整后的入射光经第二液晶盒2后偏振方向发生90度旋转，输出具有第一偏振方向的入射光，具有第一偏振方向的入射光入射至偏振分光器，偏振分光器件3输出透射光；当扭曲向列型液晶层22处于完全上电状态时，经过第一液晶盒1调整后的入射光通过第二液晶盒2后偏振方向不发生改变，输出具有第二偏振方向的入射光，具有第二偏振方向的入射光入射至偏振分光器，偏振分光器件3输出反射光；当扭曲向列型液晶层22处于不完全加电状态时，经过第一液晶盒1调整后的入射光通过第二液晶盒2后偏振方向发生旋转，旋转角度大于0度，小于90度，入射光入射至偏振分光器件3，偏振分光器件3输出透射光和反射光。
本发明实施例的透反射一体式液晶光阀光路决定于第二液晶盒2的工作状态，第二液晶盒2在完全上电状态下，液晶旋光效应消失，光线偏振分量不发生改变，液晶光阀工作在反射模式下，第二液晶盒2在完全下电状态下，在液晶的旋光效应作用下，入射光的偏振方向改变90°，液晶光阀工作在透射模式，还可以通过第二液晶盒2加电量的大小对透射光和反射光强进行调控，例如可以实现半透半反模式，此外，此液晶空间光调制器反射光与透射光均有起偏作用。
因此，本发明实施例的透反射一体式液晶光阀可以通过控制第二液晶盒2加电量的大小实现在反射式、透射式、半透半反式的工作模式之间切换，即通过本发明实施例的透反射一体式液晶光阀能够实现透射式光场调控和反射式光场调控集于同一设备上，达到一设备多用，实现光路实时切换效果。
第一液晶盒1用于对入射光的相位和振幅进行调制，第一液晶盒1包括沿光路依次设置的第一偏光片11、第一基板12、第一液晶层13、第一像素基板14和第二偏光片15，第二偏振片和第一偏光片11平行设置，且平行于第二液晶盒2的第二基板21液晶光轴的方向(如图2中X方向)，入射光经第一偏光片11和第二偏光片15调整后输出具有第二偏振方向的入射光。
第二液晶盒2还包括第二基板21和第二像素板23，第二基板21、扭曲向列型液晶层22和第二像素板23沿光路依次设置。
偏振分光器件3工作原理如图3所示，其中，透射光为P光，反射光为S光，偏振分光器件3包括偏振分光棱镜31和设于偏振分光棱镜31侧边的反射镜32，反射镜32与偏振分光棱镜31侧面形成夹角，反射镜32镀有增反膜，经过第一液晶盒1和第二液晶盒2调整后的入射光经过偏振分光棱镜31的偏振选择面，偏振方向平行于入射面的的偏振光从偏振分光棱镜31的对侧透射过去；偏振方向垂直于入射面的入射光，反射到偏振分光棱镜31一侧的增反膜上面，经增反膜小角度反射后，与入射光形成一定夹角，实现反射光与入射光分离；通过控制第二液晶盒2的加电量，可以调节两种偏振光强度大小，从而实现透反射光路的切换。
可选地，反射镜32与偏振分光棱镜31侧面形成的夹角(如图3中a角)为0°-10°。
本发明实施例的偏振分光器件3能够实现对入射光与反射光小角度分离反射，且小角度包含0°。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种透反射一体式液晶光阀，其特征在于，包括沿光路依次设置的第一液晶盒、第二液晶盒和偏振分光器件，定义偏振方向平行于所述偏振分光器件的偏振分光面的入射面为第一偏振方向，偏振方向垂直于所述偏振分光器件的偏振分光面的入射面为第二偏振方向，入射光经所述第一液晶盒调整后输出具有第二偏振方向的入射光，所述第二液晶盒包括90度扭曲的扭曲向列型液晶层，当扭曲向列型液晶层处于完全下电状态时，经所述第一液晶盒调整后的入射光通过所述第二液晶盒后偏振方向发生90度旋转，输出具有第一偏振方向的入射光，具有第一偏振方向的入射光入射至所述偏振分光器，所述偏振分光器件输出透射光；当扭曲向列型液晶层处于完全上电状态时，经过所述第一液晶盒调整后的入射光通过所述第二液晶盒后偏振方向不发生改变，输出具有第二偏振方向的入射光，具有第二偏振方向的入射光入射至所述偏振分光器，所述偏振分光器件输出反射光；当扭曲向列型液晶层处于不完全加电状态时，经过所述第一液晶盒调整后的入射光通过所述第二液晶盒后偏振方向发生旋转，旋转角度大于0度，小于90度，入射光入射至所述偏振分光器件，所述偏振分光器件输出透射光和反射光。
2.如权利要求1所述的透反射一体式液晶光阀，其特征在于，所述第一液晶盒包括沿光路依次设置的第一偏光片、第一基板、第一液晶层、第一像素基板和第二偏光片，所述第二偏振片和所述第一偏光片平行设置，入射光经所述第一偏光片和所述第二偏光片调整后输出具有第二偏振方向的入射光。
3.如权利要求1所述的透反射一体式液晶光阀，其特征在于，所述第二液晶盒还包括第二基板和第二像素板，所述第二基板、所述扭曲向列型液晶层和所述第二像素板沿光路依次设置。
4.如权利要求1所述的透反射一体式液晶光阀，其特征在于，所述偏振分光器件包括偏振分光棱镜和设于所述偏振分光棱镜侧边的反射镜，所述反射镜与所述偏振分光棱镜之间形成夹角，所述反射镜镀有增反膜。
5.如权利要求4所述的透反射一体式液晶光阀，其特征在于，所述反射镜与所述偏振分光棱镜侧面之间形成的夹角范围为0-10°。
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