CN1132556A - 液晶螺旋性开关和彩色滤光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液晶偏振螺旋性开关(10，20)，以及使用此螺旋性开关结合敏感于入射光的螺旋性的光学器件。此螺旋性开关(10，20)接收非偏振光，并把它转换成螺旋性可调的圆偏振光。与胆甾醇型圆偏振器(30，35)结合，还提供了可调的彩色滤光器。本发明的彩色滤光器包括模拟X-Y偏振开关和彩色局部偏振器。本发明的彩色滤光器中使用的液晶包括SmC*、SmA*、反铁电、DHF、非手性铁电和扭转向列型液晶。

Description

液晶螺旋性开关和彩色滤光器
发明领域
本发明涉及一种偏振螺旋性开关，用于接收光并把它转换成可切换螺旋性的圆偏振光，本发明还涉及使用螺旋性开关并结合胆甾醇(cholesteric)圆偏振器的彩色滤光器。
背景技术
根据分子的排列次序可把液晶分为三类：向列型、层列(smectic)型、和胆甾醇型。向列型液晶以分子取向平行排列，而不分离成层。在层列型液晶中，分子以一系列层的形式并排。在胆甾醇相(有时认为是向列相的子集)中，分子以层排列。在每层中分子取向是平行的，但不以行排列。每层中分子取向的排列线稍稍偏离邻近的层，从而分子取向形成一个螺旋状结构。
向列型液晶可以毫秒数量级的响应次数提供可变延迟。它们已经应用于一些包括显示器、空间光调制器、开关和可调滤光器的装置中。在扭转向列型元件中，贴近一个衬底处的分子取向的方位角与第二衬底处的方位角成一角度，中间的液晶分子的定向使形成扭转结构，其扭转角介于可进行电子调谐的两个衬底方位角之间。扭转向列型元件是可由扭转角旋转偏振的波导。扭转向列型元件可提供两种状态的90度偏振变化。
手征性层列型液晶(CSLCs)提供了微秒数量级的响应次数。当装在平面排列几何元件(层列型层的定向垂直于衬底壁)中时，应用垂直于元件壁的电场对分子取向重新定向，结果提供了电光切换。SmA*和扭转螺旋状铁电体(DHF)等类似CSLC材料在元件壁的平面上显示了元件光轴的类似倾角。在使用铁电液晶(FLC)SmC*或SmH*或反铁电相等的分立的多稳态元件中，应用超出某一阈值电压的电场导致了转换分立的稳态之间的CSLC分子的倾角。近来也在非手性液晶中观测到铁电效应。
胆甾醇型液晶以螺距来表征，它是分子取向示踪整个360度周期所要求的穿过薄膜的距离。在入射偏振光的旋向与胆甾醇的螺旋方向一致以及由胆甾醇的波长除以反射率的值近似等于螺距时，观测到光的反射。于是，胆甾醇型液晶形成胆甾醇型圆偏振器(CCPs)，也被认为是使非偏振光转换成右和左旋的圆偏振分量的胆甾醇型滤光器。当波长落在反射带中时，反射与胆甾醇的螺旋性一致的分量并以其它波长传输。具有相反螺旋性的分量以所有的波长传输。与镜子的反射相反，反射光不经过180度的相移。
液晶分子可象侧链一样连接成聚合物构架，以形成具有液晶的光学特性的和聚合物的玻璃状态的结构。可产生玻璃状态的胆甾醇型液晶侧链聚合物，而不改变胆甾醇的光特性。此聚合物也可涂上不同的表面。
第二个相关技术是彩色显示技术。对于彩色显示，使用具有白色输入频谱的高速三色滤光器可看到所有的全部色彩。最佳的滤光器可对红、绿和蓝色的原色带产生高通过速度和高纯度的频谱。注意蓝绿色、深红色和黄色是通过分别从白光中除去红、绿和蓝色的看到的色彩。
上述产生液晶可调彩色滤光器的方法集中于偏振干扰滤光器。然而，因为通过速度和频谱纯度之间最佳的协调，对实现一个三色滤光器来说Lyot结构不是最佳的。
已有报告使用胆甾醇型圆偏振器(Buzak〔1988〕，美国专利4,726,663，和Kalmanash〔1992〕，美国专利5,082,354)或线偏振滤光器(Buzak〔1987〕，美国专利4,674,841，Buzak〔1988〕，美国专利4,770,500，和Kalmanash〔1991]，美国专利4,991,941)的彩色滤光器。这些滤光器一般包括用于调制光的偏振的装置和具有与传输频谱有关的偏振器的线性或胆甾醇型偏振滤光器。它们一般使用可改变向列型液晶可变延迟器的结构，在其中改变延迟量的大小来改变输出的偏振光。它们不使用具有可旋转垂直于光传播方向的光轴的方位角的层列型液晶元件，事实上它们的器件结构与方位角可变的液晶元件不能兼容。
发明内容
本发明提供了一种液晶偏振螺旋性开关，以及使用螺旋性开关结合敏感于入射光螺旋性的光元件的光器件。螺旋性开关接收非偏振光并把它转换成具有可换向的螺旋性的圆偏振光。结合胆甾醇型圆偏振器，提供了可调彩色滤光器。因为CCPs具有宽的、高通过速度的反射带，所以这些滤光器用于彩色显示器是理想的。
本发明的螺旋性开关包括线性输入偏振器和可包括层列型液晶元件的四分之一波延迟装置。在螺旋性开关的第一个实施例中，液晶元件是四分之一波延迟器，它可根据线偏振光在+π/4和-π/4的方位角之间进行电光转换。它改变了右和左旋圆偏振光的输出。在第二个实施例中，液晶元件是半波延迟器，再跟一个方位角为±π/4的无源四分之一波延迟器。可在与线性输入状态平行或垂直的第一方位角和根据线性输入状态±π/4的第二方位角之间对液晶半波延迟器进行电光转换。转换半波延迟器使偏振光旋转π/2，这样倒转了无源四分之一波延迟器传输的光的螺旋性。用层列型液晶半波延迟器可达到微秒级的响应次数。半波延迟器可替换为用于使偏振光旋转π/2的任意装置，包括扭转向列型元件、PLZT或LiNbO3电光调制器、磁光调制器，或声光调制器。在螺旋性开关的类似实施例中，液晶四分之一波或半波延迟器的方位角可连续变化，于是产生右和左旋圆偏振光联合的连续可变线性系统。
逆向应用的螺旋性开关(即，在四分之一波板上而不是在偏振器上入射光)是圆形检偏振器，它可把圆偏振光转换成线偏振光并可在把右旋或左旋偏振光转换成平行于偏振器的线偏振光之间进行转换。其它螺旋性的光变成垂直于偏振器的线偏振光，于是可以区分。
本发明的螺旋性开关可结合敏感于入射偏振光的螺旋性的器件，即，其光特性(传输、反射或延迟)与入射光的螺旋性有关的器件一起使用。本发明包括具有结合胆甾醇型圆偏振器的螺旋性开关的彩色滤光器。CCPs反射选定的波长范围内特定的螺旋性的圆偏振光，而传输超出反射带的波长。相反螺旋性的圆偏振光被全部传输。于是，转换入射光的螺旋性可通过CCPs改变传输和反射。本发明的滤光器使用结合CCPs的液晶螺旋性开关，以提供例如一个、两个和三个彩色滤光器等。
本发明的一色两状态滤光器包括螺旋性开关和CCP。在反射中，滤光器在反射一种色彩和不反射光(彩色/关)之间转换。在传输中，滤光器在传输小范围的色彩和传输所有波长(彩色/关)之间转换。
本发明的两色滤光器包括螺旋性开关和至少一个左旋CCP和至少一个右旋CCP。选择CCPs的反射带，从而在传输或反射中滤光器可在两个选择的色彩之间转换。例如，通过使螺旋性开关结合一个左旋和一个右旋CCP可实现简单的两色滤光器。第一CCP反射用于左旋光的特定色彩(例如蓝色)，并传输右旋光的所有波长。另一个CCP反射右旋光的第二色彩(例如红色)，并传输所有左旋的圆偏振光。于是，在左和右旋圆偏振光之间调制螺旋性开关可获得在反射蓝色和红光之间的转换。
本发明的三色滤光器可用两个串联的螺旋性开关而处于传输或反射模式。在传输模式中，单个偏振器可形成正向和反向螺旋性开关的一部分。在偏振器的两面上是液晶四分之一波板。在四分之一波板的两面是至少一个右旋CCP和至少一个左旋CCP。转换液晶的方位角可在三个不同的色彩传输之间进行转换。
在操作的波长范围中，螺旋性开关最好是消色差的。对彩色滤光器，它可以是整个可见频谱。使用无源延迟器与液晶延迟器结合的组合螺旋性开关可减少螺旋性开关的色差。
在本发明的范围内，包括螺旋性开关和右和左旋CCPs的彩色滤光器可选择具有x-y偏振开关和x和y取向的彩色局部偏振器结构。x-y偏振开关可具有线偏振器和液晶半波板结构，此半波板可在平行于偏振器和与偏振器成π/4的方位角之间进行转换。
本发明包括液晶螺旋性开关和应用螺旋性开关的彩色滤光器。此螺旋性开关可用于包括螺旋性光敏元件的任意装置。使用胆甾醇型圆偏振器的滤光器是使用螺旋性开关的一个例子。它可用于具有其它彩色圆偏振器的相同结构中。这里描述的彩色滤光器仅是可由本发明的螺旋性开关构成的彩色滤光器的几个例子。可对给定的装置改装其它的滤光器设计，这对本领域中的技术人员是很明显的。本发明的彩色滤光器包括结合彩色局部偏振器的类似x-y偏振开关。在本发明的螺旋性开关中使用的液晶可包括SmC*、SmA*、反铁电的、DHF、非手性铁电的和扭转向列型液晶。CCPs可包含在衬底之间或可成为聚合物的形式。本发明的内容不限于这里包括的特殊例子。对本领域的熟练技术人员来说，螺旋性开关和彩色滤光器的结构和应用的变化是明显的。
附图概述
图1是使用偏振器和FLC半波板(图1a)或FLC半波板结合无源四分之一波板(图1b)的螺旋性开关。
图2是使用液晶螺旋性开关的一色开关。
图3是使用液晶螺旋性开关的两色滤光器(图3a)，用开关操作滤光器而产生左旋光(图3b)和右旋光(图3c)。
图4是使用液晶螺旋性开关的反射模式两色滤光器。
图5是由产生红、绿和蓝色输出带的减色模式中两级的三色传输滤光器产生的频谱的概念图。
图6是使用两个液晶螺旋性开关的传输模式的两级的三色滤光器(图6a)，以及三色滤光器的消色差的实施例(图6b)。
图7是使用两个液晶螺旋性开关的反射模式的两级的三色滤光器。
图8是使用彩色局部偏振器和两个液晶偏振开关的两级的三色传输模式滤光器。
图9是偏振干扰滤光器(图9a)和混合的偏振干扰/彩色局部偏振器滤光器(图9b)。
图10是使用液晶螺旋性开关和圆检偏振器的强度调制器。
本发明较佳实施例
现在参考附图，相似的标号指相似的元件，不止一个图中出现的相同的标号指相同的元件。位置指有关光传播的轴。方位角指垂直于光传播轴的平面中的光轴的取向。本领域的技术人员可把这些器件用于非法向入射的光或不在垂直于光传播轴的平面内的方位角。偏振器由示出偏振轴的箭头代表。延迟器由顶部列出延迟量和底部列出相对偏振器的光轴的方位角的方框代表。±π/4的方位角的意思是方位角可以是π/4或-π/4，而不是指在这两个方位角之间切换。在这些例子中，层列型液晶元件是铁电液晶。对FLC板，都列出了可转换之间的方位角。胆甾醇型圆偏振器由顶部列出反射带的螺旋性和中间列出反射带的色彩(R用于红色、G用于绿色、B用于蓝色、RG用于黄色、GB用于蓝绿色、RB用于深红色、RGB用于白色)的方框代表。CCP的螺旋性指反射带的螺旋性。线偏振滤光器(LPFs)由顶部列出局部传输的偏振光的极性并在中间列出传输带的方框代表。在图示的器件中，光元件光耦合串联。当光传播轴穿过元件时叫做光耦合。虽然作用不同，但光可从器件的任何一端入射。传输模式指入射光反向端的光输出，反射模式指同向端的光输出。
在图1中示出本发明的层列型液晶螺旋性开关。在图1a的实施例中，它包括与铁电液晶四分之一延迟器20光耦合的线偏振器10。液晶元件的方位角可以在相对偏振器的光轴的π/4和-π/4之间进行电光方式切换。
如下操作螺旋性开关。对入射到偏振器的非偏振光，由偏振器传输极性平行于偏振器光轴即y轴的光的分量。当FLC四分之一波板取向为π/4时，光的偏振转换成左旋圆偏振光。当FLC四分之一波板转换到-π/4时，输出光的偏振转换成右旋圆偏振光。
螺旋性开关可如操作非偏振光那样操作偏振光。对入射到偏振器10的偏振光，传输平行于偏振器的光的分量并耦合至FLC20。全部传输沿偏振器光轴的线偏振光(忽略偏振器上的损耗)。对线偏振取向沿y轴的激光等线偏振光源，可省去装在光源中的线偏振装置和偏振振器10。
在相反的螺旋性开关中，非偏振光入射FLC四分之一波板上。当FLC位于π/4方位角时，左旋圆偏振分量转换成平行于偏振器的线偏振光并被偏振器输出。在-π/4的方位角中，右旋分量变成平行于偏振器的线偏振光。
对入射到反向螺旋性开关的FLC四分之一波板上的圆偏振光，转换作用是一个在FLC消色差范围内的开/关振幅调制器。在FLC板的一个方位角中，由偏振器传输光，而在另一个方位角的光被吸收。
图1b示出本发明的螺旋性开关的第二个实施例。在此实施例中，FLC半波板22光耦合至无源四分之一波板24。FLC半波板的方位角可在相对偏振器10的0到π/4之间转换。等价地，可改变半波板的方向，而其轴控制π/2和π/4或-π/4之间转换。此组合在作用上等价于图1a的实施例。由图1a的实施例中的延迟器20和由图1b的实施例中延迟器22和24的组合提供四分之一波延迟装置。在图1b中，对入射到偏振器10的非偏振光，传输平行于偏振器的分量。当FLC板取向为0(或π/2)时，不改变极性且取向为π/4的无源四分之一波板24把光转换成左旋圆偏振光。当FLC半波板的方位角转换成π/4(或-π/4)时，偏振光从平行到垂直于偏振器而反射，无源四分之一波板把它转换成右旋圆偏振光。
在螺旋性开关的其它类似实施例中，可由组合延迟器代替有源或无源波板。组合延迟器可起到消色差延迟器的功用(见S.Pancharatnam(1955)，《印度科学院会刊》，41卷，130页、或C.J.koester(1959)，《美国光学协会杂志》，49卷，303页、或A.M.Title(1975)，《应用光学》，14卷，229页等)。例如，由Title提出的消色差半波板代替具有取向为-30度、+30度、-30度的串联的三个半波板的0度的半波板。
半波板22可由用于使极性旋转90度的的任何装置代替。它可以是扭转向列型液晶元件、PLZT或LiNbO3电光调制器、磁光调制器、或声光调制器。
本发明的螺旋性开关也可产生两个正交圆偏振光的线性组合。在此实施例中，液晶四分之一波板20的方位角除了相对偏振器10的轴±π/4以外的角。当方位角为0或π/2时，偏振光保持线性，这等价于右左旋圆偏振光的相等的振幅分量。当角从0增加到π/4时，右旋分量减小而左旋分量增加。在0和π/2之间的转换不改变输出极性，但在任何其它两个方位角之间转换会产生右和左旋光的两个不同线性组合。反铁电的液晶延迟器等多稳态层列型液晶延迟器产生多个分立的偏振状态和一个SmA*延迟器等连续可调液晶延迟器，并产生连续的偏振状态范围。
类似地，在图1b的实施例中，除了0、π/2、±π/4以外的液晶半波板22的方位角产生两个圆偏振光的线性组合。此实施例最好用于连续可调SmA*液晶延迟器，因为SmA*倾角的限制范围目前是可获得的。为了在右和左旋输出光之间转换，液晶半波板22必须旋转π/4，这可由使最大倾角为±π/8来得到。与之相比，图1a的实施例需要把液晶四分之一波板20旋转π/2。为了增加单个液晶半波板产生的旋转角，可使用串联的两个液晶半波板，它们的光轴沿反方向旋转。
本发明的螺旋性开关可结合敏感于入射光极性的螺旋性的器件一起使用。本发明的彩色滤光器包括螺旋性开关和一个或多个胆甾醇型液晶圆偏振器。CCPs反射波长带内光的一个螺旋性，而传输超出反射带的光和反螺旋性的光。本发明的一色开关(图2)包括偏振器10和可形成螺旋性开关的FLC四分之一波板20，以及胆甾醇型圆偏振器30。在彩色滤光器的这个和以下例子中，图1a的螺旋性开关用于说明，而可使用螺旋性开关的任何实施例。CCP30可以是右或左旋的并可具有以任何波长为中心反射带。在此例子中，它是具有红色反射带的右旋滤光器。
当FLC20取向为π/4时，入射到偏振器10的光转换成左旋光，它由CCP30全部传输。当FLC处于-π/4时，此光变成右旋光。由CCP反射右旋红光并存在偏振器中，而传输其它波长的右旋光。于是对入射到偏振器的白光，滤光器在反射中是红色/关的开关，而在传输中是蓝绿色/开的开关。对入射的红光，它在反射和传输中都是红色/关的开关。
虽然图2中示出的滤光器具有两态螺旋性开关，它也可应用一个多个分立的状态或连续可调螺旋性开关。用连续可旋转液晶四分之一波板，输出可在两个极值输出之间连续调制。例如，当液晶四分之一波板的取向平行于偏振器时，一半光转换成右旋圆偏振光，而另一半转换成左旋圆偏振光。由CCP反射红色右旋光。当四分之一波板在π/4和-π/4之间变化时连续可调反射模式滤光器实际在关和红色两者的极值之间进行调制。
对相反的操作，对与入射到偏振器10相反的入射到CCP30的非偏振白光，由CCP反射右旋红色分量，其它分量被传输。结果，螺旋性开关相反地旋转，传输取向为π/4的左旋白色分量，并传输取向为-π/4的右旋蓝绿色分量。于是，滤光器是一个传输的蓝绿色/开的开关。转换FLC的方位角而反射的频谱不变化。对入射到CCP的非偏振红光，它是一个传输红色/关的开关。图3中示出本发明的两色滤光器。除了螺旋性开关，它还包括右旋CCP30和左旋CCP35。在此实施例中，一个CCP以蓝色反射，而另一个以红色反射。可使用其它的色彩组合。在这个和其它彩色滤光器中，邻近的CCPs可以任何次序排列。对入射到偏振器的白光，它是一个反射的蓝色/红色滤光器，以及传输的黄色/蓝绿色滤光器。图3b中示出取向为π/4的FLC的操作。在此方位角中，以螺旋性开关产生左旋光。左旋CCP反射蓝色分量，而传输也可由右旋CCP传输的分量。当FLC的取向为-π/4时(图3c)，产生右旋光。由左旋CCP传输这个光。右旋CCP反射红色分量而传输其它的波长。对入射到CCP30的非偏振白光，与偏振器的情况相反此滤光器反射深红光，它是一个传输的蓝绿色/黄色开关。改变邻近CCPs的次序不改变滤光器频谱。注意右旋CCP等价于左旋CCP与半波延迟器的结合，并可由其代替。
两色滤光器可由多个分立的状态液晶或连续可调液晶构成，从而使滤光器具有三个或更多输出频谱。当液晶四分之一波板的取向与偏振器平行或垂直时，螺旋性开关产生右和左旋分量等幅的圆偏振光。右旋光的红色分量和左旋光的蓝色分量反射回螺旋性开关，以产生蓝绿色输出频谱。用连续可旋转的四分之一波板，输出可连续从红色、通过蓝绿色、变化到蓝色。
图3的两色滤光器在反射的原色之间和传输的混合色彩之间转换。图4中示出以传输产生两个原色的两色滤光器。除了螺旋性开关，它还包括左旋CCPs35和33，以及右旋CCP30和32。一个右和一个左旋CCP具有相同的反射带，而其它两个具有不同的反射带。对入射到偏振器的白光，它是一个传输的红色/蓝色滤光器和一个反射的蓝绿色/黄色滤光器。对入射到CCP32的非偏振白光，它是一个传输的红色/蓝色滤光器。
使用两个FLC螺旋性开关，产生了三色滤光器。它在彩色显示中有特殊的应用，其中红、绿和蓝光可时间上或空间上混合，以产生整个可见频谱。图5示出用于两级、三色滤光器的一般的系统。在此实施例中，滤光器是以原色红色为基础的。可使用类似的蓝色和绿色的系统。在此滤光器系统中，第一级在红色和蓝绿色之间转换，而第二级在黄色和深红色之间转换。每级的两个可切换频谱叫做“开”和“关”。第一级“开”而第二级“开”或“关”时，滤光器传输红光。第一级“关”时，对第二级“开”输出是绿色的，对第二级“关”输出是蓝色的。同样地，对以绿色为基础的滤光器，第一级可在绿和深红色之间选择，而第二级可在蓝绿色和黄色之间选择。对以蓝色为基础的滤光器，第一级可在蓝色和黄色之间选择，而第二级可在蓝绿色和深红色之间选择。在所有的三种情况下，两级一起可在红、绿和蓝色之间选择。
根据此滤光器系统，图6a中示出本发明的两级三色滤光器。一级包括偏振器、液晶元件、和至少一个CCP。两级可共用单个偏振器。第一级包括FLC四分之一波板20a和与左旋CCPs35a和33，以及右旋CCP30一起形成反向螺旋性开关的偏振器10。对入射到CCP35a的非偏振白光，当FLC20a取向为π/4时，第一级传输的输出是红色的，对-π/4传输的输出是深红色的。第二级共用偏振器10并包括与左旋CCP35b和右旋CCP32一起以形成螺旋性开关的FLC四分之一波板20b。这个级本身可以是一个传输的黄色/蓝绿色滤光器。与第一级结合，此器件是一个传输的红色/绿色/蓝色开关。对入射到CCP32的非偏振白光，此器件也是一个传输的红色/绿色/蓝色开关。因为非偏振光的两个正交偏振分量中只有一个是通过螺旋性开关耦合的，所以此滤光器的最大传输是50％。
在本发明的彩色滤光器中，螺旋性开关最好在整个操作的波长范围内消色差的，这里单词消色差的意思是对不同输入的波长一个元件的作用基本上保护不变。如果它不是消色差的，则一些波长的光不能完全转换成圆偏振光。这可引起通过量和频谱纯度的损耗。用合成延迟器可实现消色差性。此外，FLC波板可设计成用于转换滤光器波长的最佳操作，如图6b所示。因为FLC四分之一波板20b用于在具有蓝色和绿色反射带的CCPs之间转换，它优化为蓝绿色波长中四分之一波的延迟量。包括FLC半波板22和无源四分之一波板24的第一螺旋性开关特别适用于消色差操作。已有技术中大致已知消色差无源四分之一波板(π/2)。当液晶半波板的取向为0，平行于偏振器时，由第一级传输右旋蓝绿色光。在此方位角中，FLC不调制光的极性，于是它的色度是无关的。当FLC的取向为π/4时，第一级只传输左旋红光。于是FLC设计成用于红光的半波板。本发明的所有滤光器可做到使FLC板与所用的波长相匹配。
图7示出反射模式的两级红色/绿色/蓝色滤光器。第一级包括偏振器10a和形成螺旋性开关的FLC四分之一波板20a，以及左旋CCP31。当FLC20a的取向为π/4时，这个级反射红光，而在-π/4时，不反射光。第二级包括偏振器10b和形成第二个螺旋性开关的FLC四分之一波板20b，以及左旋CCP35和右旋CCP32。在此实施例中，偏振器10b平行于偏振器10a。它可与偏振器10a偏离一个角，其中波板26和20b可相应调节。当FLC20b的取向为π/4时，此级反射蓝光，而当-π/4时，反射绿光。为了获得纯净的红色反射匹配，必须有转换结构，以阻塞由第二级反射的绿和蓝光。取向为π/4的四分之一波板26位于两级之间，以提供此作用。当FLC20a的取向为π/4时，从第一级反射红光，无源四分之一波板26与FLC四分之一波板20a的组合把所有从第二级反射的光转换成正交于偏振板10a的线偏振光，从而由偏振器10a吸收。当FLC四分之一波板20a的取向为-π/4时，第一级不反射光，但它传输从第二级反射的绿或蓝光。
为了说明，已描述了红色/绿色/蓝色滤光器。本发明的三色滤光器也可以任何三个波长带为基础。此外，在本发明的范围内能制造四、五、六或更多色彩的滤光器。
本发明的滤光器也可以红外传输或反射带构成。它与Fabry-Perot滤光器结合特别有用。Fabry-Perot滤光器具有一系列增序的窄带宽传输峰n。本发明的滤光器可用一个序列的分类器件，以选择Fabry-Perot滤光器的一个传输峰。对可调Fabry-Perot滤光器，本发明的三色滤光器可通过在三个滤光器序列之间转换把调制范围增加二倍。在光学通信中，它可使通信通道增加二倍。
以用于圆偏振光的螺旋性开关为基础的本发明的彩色滤光器可由液晶线偏振开关结合彩色局部偏振器类似地构成。线性彩色局部偏振器(也称作线偏振滤光器)传输一个线性偏振中给定波长带的光，而传输其正交偏振的所有的光。线性彩色局部偏振器和胆甾醇型圆偏振器是偏振敏感波长滤波装置的两个例子，这里该单词指对入射的不同偏振的白光提供不同输出频谱的器件。它不特指可对入射的不同偏振的白光提供不同灰度的非彩色线偏振器。
图8中示出的本发明的线偏振开关两级三色滤光器类似于图6的圆偏振开关滤光器。偏振器110和FLC半波板120b形成一个偏振开关。当FLC的取向为0(或等效地取向π/2)时，由偏振器传输的y偏振光不变，当方位角为±π/4时，此光转换成x偏振光。同样地，FLC半波板120a和偏振器110形成一个反向的偏振开关。当FLC的取向为0时，由偏振器传输y偏振光。当方位角为+π/4时，x偏振光转换成由偏振器传输的y偏振光。
对入射到局部偏振器131的非偏振光，滤光器的作用如下。局部偏振器131传输x偏振的蓝绿光和y偏振的白光。它耦合入传输x偏振蓝绿光和y偏振光的红色分量的局部偏振器130。第一偏振开关在红和蓝绿光传输之间选择。第二滤光器级对FLC120b的任一方位角传输红色。当第一级传输蓝绿光时，对方位角分别为0和π/4的FLC120b，第二级在蓝和绿色的传输之间转换。由圆偏振螺旋性开关示出的本发明的其它色彩的转换可同样地由线偏振开关构成。
可使用本发明的彩色滤光器与其它光学器件混合构成混合滤光器。例如，图9中示出偏振开关彩色滤光器和偏振干扰滤光器之间的混合。偏振干扰滤光器包括位于线偏振器之间的一个或更多的延迟器。它们利用波长与延迟器的关系提供彩色滤波。这与其中抑制了波长与延迟器的关系的本发明的偏振开关形成对照。图9的混合滤光器包括位于非彩色线偏振器140和线偏振滤光器160和161之间的FLC延迟器150和151。在此混合中，FLC板的延迟量是与波长有关的，且出口的偏振装置是一对线偏振滤光器。此滤光器具有与两个FLC延迟器的转换状态i、j有关的四个输出频谱，这里对方位角是0或π/4的FLC150，i分别是0或1，j给出了FLC151的方位角。输出频谱T(i，j)如下：
T(0，0)＝T1(λ)
T(0，1)＝T1(λ)cos2(ΓA/2)＋T2(λ)sin2(ΓA/2)
T(1，0)＝T1(λ)cos2(ΓB/2)＋T2(λ)sin2(ΓB/2)
T(1，1)＝T1(λ)cos2(ΓA±ΓB)＋T2(λ)sin2(ΓA±ΓB)
                         2                          2此混合滤光器分别在接收到的来自FLCs的x和y光分量上叠加LPFs160和161的传输频谱。混合滤光器超出偏振干扰滤光器的一个优点是关态的输出T(0，0)是与白光或无光相反的彩色频谱。可构成的其它混合滤光器对本领域内的技术人员是明显的。例如，LPFs可以被CCPs代替。
已经说明了结合CCPs形成彩色滤光器的螺旋性开关的功用。螺旋性感光元件的其它例子是一个圆检偏振器。螺旋性开关与圆检偏振器的结合形成了一个强度调制器。在一个实施例中(图10)，圆检偏振器包括与元件10和20形成的螺旋性开关结合的无源四分之一波延迟器40和线偏振器45。偏振器45的方位角相对于偏振器10有任意角θ。四分之一波延迟器的方位角相对于偏振器45是±π/4。由偏振器45传输的光的强度是由螺旋性开关产生的光的螺旋性的函数。图10的强度调制器也可对入射到偏振器45的光起作用。此实施例在光通信中有用，其中螺旋性开关可传输由圆检偏振器接收到的二进制数据。它对通信特别有用，因为强度调制器对接收器的方位角θ不敏感。
本发明是一个螺旋性开关和使用螺旋性开关结合偏振感光元件的器件。尤其是，它可提供包括液晶螺旋性开关和胆甾醇型圆偏振器的彩色滤光器。类似地，本发明提供了包括液晶线偏振开关和彩色局部偏振器的彩色滤光器。本发明也提供了包括螺旋性开关结合圆检偏振器的强度调制器。
这里提供的实施例是本发明的例示，而不限定本发明的范围和内容。这里说明了两个液晶螺旋性开关的实施例。延迟器可由组合的延迟器代替例如以提供增加消色差性。包括CCPs的本发明的彩色滤光器也可用例如线偏振器和可以机械方式转动的四分之一波板等非液晶螺旋性开关的结构。
在此实施例提供的液晶元件是铁电液晶元件或扭转向列型元件。在本发明中，它可以是能在两个方位角之间作电光转换的任何液晶元件。此元件可包含SmC*、SmA*、反铁电、DHF、或非手性铁电液晶等。偏振装置是线偏振器和偏振分光器等对光进行线性偏振的任何元件。本发明的胆甾醇型圆偏振器可以是液态的或聚合物形式的胆甾醇型液晶。此聚合物CCPs特别适用于本发明，因为可将不同螺旋性和反射带的多层层叠在一起而不明显增加器件的厚度和制造的复杂性。
本发明的彩色滤光器在结构和应用上具有多样形式。这里已经包括了一和两级滤光器的一些例子，以向技术人员传授本发明。很明显，此滤光器的结构可以传输和反射感兴趣的任何彩色带。通过改变器件的温度或压力或通过把它加入不同的化合物中可调谐一些CCPs的反射带。通过对CCP加上电场，可破坏此螺旋结构，从而消除了相关的反射带。可改变CCPs的数目、定位、和反射带从而改变输出频谱。可用本发明的螺旋性开关来构成具有两级以上和三个输出色彩以上的滤光器。与非彩色线偏振器反向的线偏振滤光器可用作本发明螺旋性开关中的偏振装置，以提供附加的彩色滤光器。使用线偏振滤光器的一级可与使用胆甾醇型圆偏振器的第二级相结合。此滤光器也可用于具有Lyot滤光器等偏振干扰滤光器的混合结构中。线偏振滤光器可代替偏振干扰滤光器中的非彩色线偏振器。本发明的滤光器可与Fabry-Perot滤光器或其它光学器件结合用作序列分类器件。此滤光器作为彩色滤光器用于偏振的或非偏振的白光。它们也可作为开/关开关等用于彩色光。此滤光器可在两个或多个输出频谱之间时间上多路复用，以产生用于人眼等慢响应检测器的附加的色彩。它们可用于显示装置等的多个像素阵列。此滤光器也可以是由光寻址的。本发明的附加的变化、组合、和应用对本领域的技术人员是明显的。

Claims (70)

1.一种用于光的液晶波长滤光器，其特征在于包括：
用于沿偏振轴使光偏振的第一线偏振装置；
第一液晶延迟器装置，其光轴可相对于所述偏振轴在至少两个方位角之间调节，用于接收来自所述第一偏振装置的光并把它转换成可在第一偏振光和第二偏振光之间转换的偏振光，所述第一液晶延迟装置包括层列型或扭转向列型液晶元件；以及
第一偏振敏感波长滤波装置，用于接收来自所述第一液晶延迟器装置的光并对所述第一偏振光传输第一频谱而对所述第二偏振光传输第二频谱。
2.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述第一和第二偏振光是正交的偏振光。
3.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述光轴可相对于所述偏振轴的所述两个方位角之间连续旋转。
4.如权利要求2所述的波长滤光器，其特征在于所述第一液晶延迟装置包括一个液晶四分之一波延迟器装置，所述液晶四分之一波延迟器装置具有可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间转换的光轴，从而所述第一和第二正交的偏振光是左和右旋圆偏振光。
5.如权利要求4所述的波长滤光器，其特征在于所述液晶四分之一波延迟装置包括具有可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间转换的光轴的液晶四分之一波延迟器。
6.如权利要求4所述的波长滤光器，其特征在于所述液晶四分之一波延迟装置包括：
无源四分之一波延迟器，其光轴相对于所述偏振轴取向为±π/4；以及
液晶半波延迟器，位于所述第一偏振装置和所述无源四分之一波延迟器之间，其光轴可相对于所述偏振轴在0或π/2的第一方位角和±π/4的第二方位角之间转换。
7.如权利要求4所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振敏感波长滤波装置包括第一螺旋性的第一胆甾醇型圆偏振器。
8.如权利要求7所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振敏感波长滤波装置还包括第二螺旋性的第二胆甾醇型圆偏振器。
9.如权利要求8所述的波长滤光器，其特征在于所述第二螺旋性正交于所述第一螺旋性。
10.如权利要求8所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振敏感波长滤波装置还包括第三胆甾醇型圆偏振器。
11.如权利要求2所述的波长滤光器，其特征在于所述第一液晶延迟器装置包括液晶半波延迟器，所述半波延迟器具有可相对于所述偏振轴在0或π/2的第一方位角和±π/4的第二方位角之间转换的光轴，从而所述第一和第二正交的偏振光是平行于和正交于所述偏振轴的线偏振光。
12.如权利要求11所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振敏感波长滤波装置包括第一偏振光的第一线性彩色局部偏振器。
13.如权利要求12所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振敏感波长滤波装置还包括第二偏振光的第二线性彩色局部偏振器。
14.如权利要求13所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振光正交于所述第二偏振光。
15.如权利要求2所述的波长滤光器，其特征在于还包括：
第二液晶延迟器装置，其光轴可在第一和第二方位角之间调节，它光学耦合至所述第一偏振装置并位于与所述第一液晶延迟器装置的正相反的所述第一偏振装置的一边上；
第二偏振敏感波长滤波装置，它光学耦合至所述第二液晶延迟器装置并位于与所述第一偏振装置正相反的所述第二液晶延迟器装置的一边上。
16.如权利要求15所述的波长滤光器，其特征在于所述第二液晶延迟器装置包括液晶四分之一波延迟装置，其光轴可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间转换。
17.如权利要求16所述的波长滤光器，其特征在于所述液晶四分之一波延迟装置包括具有可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间转换的光轴的四分之一波延迟器。
18.如权利要求16所述的波长滤光器，其特征在于所述液晶四分之一波延迟装置包括：
无源四分之一波延迟器，其光轴相对于所述偏振轴取向为±π/4；以及
液晶半波延迟器，位于所述第一偏振装置和所述无源四分之一波延迟器之间，其光轴可相对于所述偏振轴在0或π/2的第一方位角和±π/4的第二方位角之间转换。
19.如权利要求16所述的波长滤光器，其特征在于所述第二偏振敏感波长滤波装置包括胆甾醇型圆偏振器。
20.如权利要求15所述的波长滤光器，其特征在于所述第二液晶延迟器装置包括液晶半波延迟器，其光轴可相对于所述偏振轴在0或π/2的第一方位角和±π/4的第二方位角之间转换。
21.如权利要求20所述的波长滤光器，其特征在于所述第二偏振敏感波长滤波装置包括线性彩色局部偏振器。
22.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述液晶元件是从包含SmC*、SmA*、DHF、反铁电、和非手性的铁电液晶元件的组中选出来的。
23.如权利要求2所述的波长滤光器，其特征在于所述液晶元件是SmC*液晶元件。
24.如权利要求2所述的波长滤光器，其特征在于还包括：
第二线偏振装置，用于接收来自所述第一偏振敏感波长滤波装置的光并对接收到的光进行线偏振；
其光轴可在第一和第二方位角之间转换的第二液晶延迟器装置，用于接收来自所述第二偏振装置的线偏振光并把它转换成可在第三和第四偏振光之间转换的偏振光，所述第三偏振光正交于所述第四偏振光；以及
第二偏振敏感波长滤波装置，用于接收来自所述第二液晶延迟器装置的光并对所述第三偏振光传输第一频谱而对所述第四偏振光传输第二频谱。
25.如权利要求1所述的使用光寻址信号的波长滤光器，其特征在于还包括与所述寻址信号光学连接并与所述第一液晶延迟器装置电气连接的光传感器装置，用于把所述光轴的方位角响应所述寻址信号进行转换。
26.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于还包括与所述第一液晶延迟器装置电气连接的时间多路复用装置，用于周期性地转换所述光轴的方位角，从而慢响应检测器可察觉所述第一和第二频谱的平均值。
27.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述第一液晶延迟器装置是消色差的。
28.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述第一液晶延迟器装置具有与波长有关的延迟量。
29.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述第一液晶延迟器装置是包括一个以上延迟器元件的组合延迟器装置。
30.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振装置是线偏振器。
31.如权利要求1所述的波长滤光器，其特征在于所述第一偏振装置是非彩色线偏振滤光器。
32.一种多像素阵列波长滤光器，其特征在于包括一个以上权利要求1所述的波长滤光器，它们光学上平行地排列以形成一个阵列。
33.一种螺旋性开关，用于接收光并把它转换成可在左旋和右旋圆偏振光的至少两个线性组合之间转换的偏振光，包括：
用于沿偏振轴对光进行偏振的第一线偏振装置；以及
用于使光延迟四分之一波的第一四分之一波延迟装置，它光学上耦合至所述第一偏振装置，并具有可相对于所述偏振轴在至少两个方位角之间转换的光轴，其特征在于所述四分之一波延迟装置包括层列型液晶。
34.如权利要求33所述的螺旋性开关，其特征在于所述第一四分之一波延迟装置是消色差的。
35.如权利要求33所述的螺旋性开关，其特征在于所述第一四分之一波延迟装置具有可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间分别转换的光轴。
36.如权利要求33所述的螺旋性开关，其特征在于所述四分之一波延迟装置具有可相对于所述偏振轴在所述两个方位角之间旋转的光轴。
37.如权利要求35所述的螺旋性开关，其特征在于所述第一四分之一波延迟装置包括液晶四分之一波延迟器，其光轴可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间转换。
38.如权利要求35所述的螺旋性开关，其特征在于所述第一四分之一波延迟装置包括：
无源四分之一波延迟器，相对于所述偏振轴其光轴取向在±π/4；以及
液晶装置，位于所述第一偏振装置和所述无源四分之一波延迟器之间，用于从平行于所述第一偏振装置的位置使极性旋转π/2，到垂直于所述第一偏振装置。
39.如权利要求38所述的螺旋性开关，其特征在于所述液晶装置是液晶半波延迟器，其光轴可相对于所述偏振轴在0或π/2的第一方位角和±π/4的第二方位角之间转换。
40.如权利要求39所述的螺旋性开关，其特征在于所述液晶装置是SmC*液晶元件。
41.如权利要求35所述的螺旋性开关，其特征在于所述第一四分之一波延迟装置是包括一个以上延迟元件的组合延迟器装置。
42.如权利要求33所述的螺旋性开关，其特征在于所述液晶元件是从包括SmC*、SmA*、DHF、反铁电、和非手性铁电液晶元件中选出来的。
43.如权利要求36所述的螺旋性开关，其特征在于所述液晶元件是SmA*液晶元件。
44.如权利要求35所述的螺旋性开关，其特征在于所述第一偏振装置是SmC*液晶元件。
45.如权利要求35所述的螺旋性开关，其特征在于所述第一偏振装置是非彩色线偏振器。
46.一种调制器，其特征在于包括权利要求33的螺旋性开关，还包括光学耦合至所述第一四分之一波延迟装置并位于与所述第一偏振装置的正相反的所述第一四分之一波延迟装置一边的第一螺旋性敏感器件。
47.如权利要求46所述的调制器，其特征在于所述第一螺旋性敏感器件包括第一螺旋性的第一胆甾醇型圆偏振器。
48.如权利要求46所述的调制器，其特征在于所述第一四分之一波延迟装置具有可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间分别转换的光轴。
49.如权利要求48所述的调制器，其特征在于所述第一螺旋性敏感器件包括第一螺旋性的第一胆甾醇型圆偏振器。
50.如权利要求49所述的调制器，其特征在于所述胆甾醇型圆偏振器是复合物的胆甾醇型圆偏振器。
51.如权利要求49所述的调制器，其特征在于所述第一螺旋性敏感器件还包括第二螺旋性的第二胆甾醇型圆偏振器。
52.如权利要求51所述的调制器，其特征在于所述第二螺旋性正交于所述第一螺旋性。
53.如权利要求52所述的调制器，其特征在于所述第一胆甾醇型圆偏振器具有第一原色的反射带。
54.如权利要求53所述的调制器，其特征在于所述第二胆甾醇型圆偏振器具有第二原色的反射带。
55.如权利要求51所述的调制器，其特征在于所述第一螺旋性敏感器件还包括所述第一螺旋性的第三胆甾醇型圆偏振器。
56.如权利要求55所述的调制器，其特征在于所述第一螺旋性敏感器件还包括所述第二螺旋性的第四胆甾醇型圆偏振器，其中所述第二螺旋性正交于所述第一螺旋性。
57.如权利要求56所述的调制器，其特征在于所述第一和所述第二胆甾醇型圆偏振器具有第一原色的反射带，所述第三胆甾醇型圆偏振器具有第二原色的反射带，所述第四胆甾醇型圆偏振器具有第三原色的反射带。
58.如权利要求48所述的调制器，其特征在于还包括：
第二四分之一波延迟装置，光学耦合至所述第一偏振装置并位于与所述第一四分之一波延迟装置正相反的所述第一偏振装置的一边上，它包括液晶延迟器，还具有可相对于所述偏振轴在π/4和一π/4的方位角之间转换的光轴；以及
第二螺旋性敏感器件，光学耦合至所述第二四分之一波延迟装置并位于与所述第一偏振装置正相反的所述第二四分之一波延迟装置的一边上。
59.如权利要求58所述的调制器，其特征在于所述第二四分之一波延迟装置包括液晶四分之一波延迟器，其光轴可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间转换。
60.如权利要求58所述的调制器，其特征在于所述第二四分之一波延迟装置包括：
无源四分之一波延迟器，相对于所述偏振轴其光轴可取向在±π/4；以及
液晶四分之一波延迟器，位于所述第一偏振装置和所述无源四分之一波延迟器之间，其光轴可相对于所述偏振轴在0或π/2的第一方位角和±π/4的第二方位角之间转换。
61.如权利要求58所述的调制器，其特征在于所述第一和第二螺旋性敏感光学器件每个都包括胆甾醇型圆偏振器。
62.如权利要求61所述的调制器，其特征在于所述第一螺旋性敏感器件包括具有第一原色的反射带的第一螺旋性的第一胆甾醇型圆偏振器，以及具有第二原色的反射带的第二螺旋性的第二胆甾醇型圆偏振器，所述第一螺旋性正交于所述第二螺旋性。
63.如权利要求62所述的调制器，其特征在于所述第二螺旋性敏感器件包括具有第三原色的反射带的所述第一螺旋性的第三胆甾醇型圆偏振器，以及具有所述第一原色的反射带的所述第二螺旋性的第四胆甾醇型圆偏振器，以及具有所述第二原色的反射带的所述第二螺旋性的第五胆甾醇型圆偏振器。
64.如权利要求63所述的调制器，其特征在于所述第一和第二四分之一波延迟装置是消色差的。
65.如权利要求49所述的调制器，其特征在于还包括：
第二线偏振装置，用于沿第二偏振轴对光进行偏振；
第二四分之一波延迟装置，用于接收来自所述第二线偏振装置的光并把所述光延迟四分之一波，它包括液晶延迟器，并具有可相对于所述偏振轴在π/4和-π/4的方位角之间转换的光轴；
第二螺旋性敏感器件，包括所述第一螺旋性的第二胆甾醇型圆偏振器以及第二螺旋性的第三胆甾醇型圆偏振器，所述第二螺旋性正交于所述第一螺旋性；以及
遮断装置，位于所述第一胆甾醇型圆偏振器和所述第二线偏振装置之间，用于接收来自所述第一胆甾醇型圆偏振器的光并遮断所述第一螺旋性的圆偏振光，从而所述光不通过所述第二线偏振装置耦合至所述第二和第三胆甾醇型圆偏振器。
66.如权利要求65所述的调制器，其特征在于所述遮断装置包括相对于所述第二偏振轴取向在±π/4的无源四分之一波延迟装置，用它把所述第一螺旋性的圆偏振光转换成沿正交于所述第二偏振轴的光轴线偏振的光。
67.如权利要求65所述的调制器，其特征在于所述第一胆甾醇型圆偏振器具有第一原色的反射带，所述第二胆甾醇型圆偏振器具有第二原色的反射带，所述第三胆甾醇型圆偏振器具有第三原色的反射带。
68.如权利要求48所述的调制器，其特征在于所述第一螺旋性敏感器件包括圆检偏振器。
69.如权利要求68所述的调制器，其特征在于所述圆检偏振器包括用于使光沿第二偏振轴偏振的第二线偏振装置，以及无源四分之一波延迟器，所述延迟器位于所述第一四分之一波延迟装置和所述第二线偏振装置之间的，以及相对于所述第二偏振轴取向在±π/4。
70.如权利要求68所述的调制器，其特征在于还包括用于光学耦合所述螺旋性开关和所述圆检偏振器的光纤。
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