CN113534556A - 一种振幅与相位独立可控型液晶光阀 - Google Patents

一种振幅与相位独立可控型液晶光阀 Download PDF

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Abstract

本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀，属于液晶空间光调制技术领域，包括第一液晶盒、第二液晶盒；所述第一液晶盒实现对光场纯相位调制，所述第二液晶盒实现对光场纯振幅调制。本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀，能够实现相位调控，且调制过程中振幅不变；能够实现振幅调控，且调制过程中相位不变；能够实现纯相位与纯振幅同时调控，且互不干扰；满足了全息显示、光束整形、裸眼3D成像等方面对相位振幅独立可控型液晶光阀的迫切需求。

Description

一种振幅与相位独立可控型液晶光阀
技术领域
本发明属于液晶空间光调制技术领域，是一种振幅与相位独立可控型液晶 光阀。
背景技术
液晶光阀作为液晶空间光调制器中的核心器件，具有图案加载灵活、分辨 率高、调制精度高等优点，作为对光场振幅和相位进行调制的器件已被广泛应 用于科研、工业、通讯、传感、显微成像、教学、科研等领域。现有液晶光阀 根据调制内容分为相位型液晶光阀、振幅型液晶光阀、相位兼振幅型液晶光阀。 按照工作原理分为双折射型液晶光阀和旋光型液晶光阀。常见双折射型液晶光 阀液晶工作模式一般为ECB(Electronic ControlledBirefringence)或者VA (Vertical Alignment)。常见旋光型液晶光阀液晶工作模式有TN(Twist Nematic)和STN(Super TN)。相位型液晶光阀一般使用无手性剂的相列型液 晶，各层分子取向一致，前偏光片透光轴方向与液晶光轴方向一致，利用双折 射原理以实现纯相位调控。振幅型液晶光阀按工作原理分为旋光型和双折射型 液晶光阀，旋光型液晶光阀在调节振幅的过程中相位基本保持不变，而双折射 型液晶光阀是通过相位的改变实现振幅调节的。相位兼振幅型液晶光阀使用双 折射原理，相位模式下，前后偏振片与液晶光轴夹角0°，相位随着液晶偏转 角度变化而变化，但由于没有O光分量因此振幅不会发生改变；需要使用振幅 模式的时候，通过软件将相位调制量调整为π，同时转动起偏角度和液晶光轴夹角成45°，检偏角度-45°，此时O光和E光均有份量，液晶分子转动过程 中既有E光和O光相位差发生变化，从而引起偏振态的改变，通过检偏器实 现振幅的调节，不能在调节振幅的同时保持相位不变，即，相位和振幅不是独 立调控的。
综上，现有液晶光阀仅局限于对相位或者振幅的调控，不能对振幅和相位 同时且独立调控。因此，急需研究一种振幅相位独立可控型液晶光阀，能够在 满足对光场纯相位调制的同时实现纯振幅调制。
发明内容
有鉴如此，本发明的目的是提供一种振幅与相位独立可控型液晶光阀，通 过对光场振幅和相位分开调控，实现纯振幅与纯相位的独立调制。
为实现上述目的，本发明提供一种振幅与相位独立可控型液晶光阀，包括 第一液晶盒、第二液晶盒；
所述第一液晶盒实现对光场纯相位调制，所述第二液晶盒实现对光场纯振 幅调制；
相位调制模式下，所述第一液晶盒处于工作状态，所述第二液晶盒处于非 工作状态；振幅调制模式下，所述第一液晶盒处于非工作状态，所述第二液晶 盒处于工作状态；相位与振幅同时调制模式下，所述第一液晶盒、第二液晶盒 相互独立工作，分别对相位和振幅进行调控，且互不干扰。
进一步地，所述第一液晶盒为透射式液晶盒，沿光路方向依次包括前偏振 片、第一基板、第一液晶层、第一像素基板、后偏光片。
进一步地，所述第一液晶层采用ECB或者VA工作模式，液晶各层分子 取向一致，且取向方向与前后偏光片的透光轴方向一致。
进一步地，所述第二液晶盒为反射式液晶盒，沿光路方向依次包括第二基 板、第二液晶层和第二像素基板。
进一步地，所述第二液晶层90°扭曲的TN模式，液晶分子从上到下扭曲 排列，且扭曲角为90°。
进一步地，所述第二像素基板为反射式TFT基板或者LCOS基板。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀，包括第一液晶盒、第二液晶盒， 第一液晶盒采用VA或者ECB模式，利用液晶的双折射效应，实现对光场纯 相位调制；第二液晶盒采用TN模式，利用液晶的旋光作用对入射偏振态进行 调整，并结合偏振器件实现纯振幅调制，本发明的振幅与相位独立可控型液晶 光阀，能够实现相位调控，且调制过程中振幅不变；能够实现振幅调控，且调 制过程中相位不变；能够实现纯相位与纯振幅同时调控，且互不干扰；满足了 全息显示、光束整形、裸眼3D成像等方面对相位振幅独立可控型液晶光阀的 迫切需求。
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获得其它的附图。
图1是本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀的结构示意图；
图2是本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀的工作示意图；
图3是本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀的纯相位调制曲线；
图4是本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀的纯振幅调制曲线。
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做出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀的结构示意图， 包括第一液晶盒、第二液晶盒；所述第一液晶盒实现对光场纯相位调制，所述 第二液晶盒实现对光场纯振幅调制。如图2所示，本发明的振幅与相位独立可 控型液晶光阀的工作示意图，相位调制模式下，所述第一液晶盒处于工作状态， 所述第二液晶盒处于非工作状态；振幅调制模式下，所述第一液晶盒处于非工 作状态，所述第二液晶盒处于工作状态；相位与振幅同时调制模式下，所述第 一液晶盒、第二液晶盒相互独立工作，分别对相位和振幅进行调控，且互不干 扰。
第一液晶盒对光场进行纯相位调制，由前偏振片、第一基板、第一液晶层、 第一像素基板、后偏光片组成。其中，第一液晶层采用ECB或者VA工作模式， 液晶各层分子取向一致，且取向方向与前后偏光片的透光轴方向一致。在电场 作用下液晶分子在垂直方向的面内偏转，E光折射率发生改变，引起光程和相 位的改变，而偏振状态不发生改变，因此透过率不变。根据光的叠加原理可以 得到ECB液晶盒的相位和透过率曲线，如图3所示，从图中可以看到随着液 晶旋转角度的增加，出射光的相位(虚线表示)发生改变，但透过率(实线表 示)保持不变，即调制相位过程中不会对振幅产生影响，也就是纯相位调制。
第二液晶盒为90°扭曲的TN液晶盒，用于对光场进行纯振幅的调制，包 含第二基板、第二液晶层和第二像素基板，其中第二像素基板为反射式TFT 基板或者LCOS基板。第二液晶盒采用TN模式，TN模式的液晶从上到下分 子扭曲排列，且扭曲角为90°，TN模式利用旋光作用对入射光的偏振方向进 行调节，而对相位基本没有太大的调制作用，因此往往用于纯振幅型液晶光阀。 图4为本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀的相位和透过率特性曲线，图 中虚线表示相位，实线表示透过率，横坐标为液晶偏转角度。在液晶刚开始偏 转的时候，会有一定的相位增大，透过率保持不变，但随着液晶偏转角度的增 加，旋光效应明显，相位保持不变，透过率降低，表现为纯振幅调制。
本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀的工作示意图如图2所示，在相 位模式下，入射光经过偏光片，偏振方向沿液晶光轴方向，在第一液晶盒相位 调制作用下，相位调制量发生改变，经过第二液晶盒的旋光作用，偏振角度旋 转90°，在第二基板表面反射，产生180°相位反转，但偏振面的方向不变， 反射光的偏振面经第二液晶盒再次旋转90°，与进入第二液晶盒的偏振方向相 同，穿过后偏光片的光振幅保持不变，经过第一液晶盒对其相位再次进行调制， 此为纯相位调制。在纯振幅调制模式下，第一液晶盒对相位分布没有调制作用， 第二液晶盒处于工作状态，液晶分子从水平扭曲状态向直立状态改变，液晶旋 光效应降低，经第二基板反射到后偏振片的光偏振从线偏光变为椭圆偏振光， 经过后偏振片的光强发生了改变，而相位没有发生改变，此为纯振幅调制。相 位与振幅同时调制模式下，第一液晶盒与第二液晶盒独立工作，分别对相位和 振幅进行调控，且互不干扰。
本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀，纯相位模式下，第一液晶盒处 于工作状态，第二液晶盒处于待机状态，液晶光阀对振幅没有调制作用，为纯 相位调制；纯振幅模式下，第一液晶盒处于待机状态，第二液晶盒处于工作状 态，液晶光阀没有相位调制作用，为纯振幅模式；振幅与相位独立可控模式下， 第一液晶盒和第二液晶盒均处于工作状态，此时既可以对相位进行性调制也可 以对振幅进行调制，且互不干扰。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀，包括第一液晶盒、第二液晶盒， 第一液晶盒采用VA或者ECB模式，利用液晶的双折射效应，实现对光场纯 相位调制；第二液晶盒采用TN模式，利用液晶的旋光作用对入射偏振态进行 调整，并结合偏振器件实现纯振幅调制，本发明的振幅与相位独立可控型液晶 光阀，能够实现相位调控，且调制过程中振幅不变；能够实现振幅调控，且调 制过程中相位不变；能够实现纯相位与纯振幅同时调控，且互不干扰；满足了 全息显示、光束整形、裸眼3D成像等方面对相位振幅独立可控型液晶光阀的 迫切需求。
当然本发明的振幅与相位独立可控型液晶光阀还可具有多种变换及改型， 并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对 于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (6)

1.一种振幅与相位独立可控型液晶光阀，其特征在于，包括第一液晶盒、第二液晶盒；
所述第一液晶盒实现对光场纯相位调制，所述第二液晶盒实现对光场纯振幅调制；
相位调制模式下，所述第一液晶盒处于工作状态，所述第二液晶盒处于非工作状态；振幅调制模式下，所述第一液晶盒处于非工作状态，所述第二液晶盒处于工作状态；相位与振幅同时调制模式下，所述第一液晶盒、第二液晶盒相互独立工作，分别对相位和振幅进行调控，且互不干扰。
2.根据权利要求1所述的振幅与相位独立可控型液晶光阀，其特征在于，所述第一液晶盒为透射式液晶盒，沿光路方向依次包括前偏振片、第一基板、第一液晶层、第一像素基板、后偏光片。
3.根据权利要求2所述的振幅与相位独立可控型液晶光阀，其特征在于，所述第一液晶层采用ECB或者VA工作模式，液晶各层分子取向一致，且取向方向与前后偏光片的透光轴方向一致。
4.根据权利要求1所述的振幅与相位独立可控型液晶光阀，其特征在于，所述第二液晶盒为反射式液晶盒，沿光路方向依次包括第二基板、第二液晶层和第二像素基板。
5.根据权利要求4所述的振幅与相位独立可控型液晶光阀，其特征在于，所述第二液晶层90°扭曲的TN模式，液晶分子从上到下扭曲排列，且扭曲角为90°。
6.根据权利要求4所述的振幅与相位独立可控型液晶光阀，其特征在于，所述第二像素基板为反射式TFT基板或者LCOS基板。
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