CN113703239A - 基于液晶的可电控双通道显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶的可电控双通道显示方法。该液晶单元结构由五层材料构成，包括中间部分的向列型液晶层、上层的光控取向层和玻璃层、以及底部同样的光控取向层和玻璃层，能够在透射空间分别产生一幅平面显示灰度图像和一幅全息图像，实现双通道的信息显示，这两个通道相互独立且互不影响。另外，通过调节外部施加电压的大小，该液晶多功能器件能够实现光开关的转换和工作波长的动态选择。本发明在光学信息的存储、显示、传输以及光谱测量等领域具有潜在的应用价值。

Description

基于液晶的可电控双通道显示方法

技术领域

本发明属于信息光学技术领域，具体涉及一种基于液晶的可电控双通道显示方法。

背景技术

液晶显示技术作为一种成熟的显示技术，一直以其独特的技术特点和优越的物理性能广泛地应用在生活中的方方面面，成为现代显示技术的重要研究内容之一。然而，目前现有的LCD显示技术大多是基于光的强度或偏振态进行调制，局限性比较强，仅能针对光的某一种特性(强度或偏振态)进行设计，即只能同时呈现一幅图像，导致信息密度较低且功能较单一。因此，液晶显示技术亟待一种可调控更多光参量的新技术的出现。

传统显示技术多采用调制强度或偏振态的方式进行光强操控，并外加不同电压以实现可电控的调制，从而达到图像显示的目的。但是这种传统的液晶显示方式作为一种普遍的单光参量调制技术，信息通道单一，导致性能也比较单一。近年来，几何相位作为新兴的相位调制机理，以其优越的光学性能受到越来越多的关注，而液晶材料作为一种各向异性的材料，具有对外界环境刺激的高度灵敏性，将这两者结合以实现可电控的双通道图像显示。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于液晶的可电控双通道显示方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于液晶的可电控双通道显示方法，包括以下步骤：

S1、设定液晶单元的结构参数

设定工作波长λ，入射光束沿长轴和短轴产生的相位延迟量δ可表示为

其中，d为向列型液晶层的厚度，n_o为液晶分子慢轴方向的折射率，n_e为液晶分子快轴方向的折射率。通过设定向列型液晶层的厚度d，确定相位延迟与液晶的各向异性及其工作波长之间的动态关系。

S2、确定液晶分子平面内转向角的选择范围

向列型液晶层由250×250个上述设定好的液晶单元结构在X轴、Y轴方向上等间隔排列构成。选择由250×250个像素组成的一幅灰度图像作为通道一的目标图像。根据马吕斯定律，该液晶器件中透射光的归一化强度可表示为

I＝I₀sin²(2θ). (2)

其中，I₀为入射光的强度，θ为液晶分子的平面内转向角。该液晶器件可以实现连续的强度调制，其透射光的强度和液晶分子的平面内转向角之间存在一到四的映射关系，即目标图像每一个像素的强度I都有对应的四个转角θ、π/2–θ、π/2+θ、π–θ可供选择。因此，由通道一目标图像的强度，能够计算出对应的液晶分子平面内转向角的选择范围。

S3、确定液晶分子的平面内转向角

选择由250×250个像素组成的一幅全息图像作为通道二的目标图像。根据几何相位原理，液晶器件中透射光束的相位延迟为Ψ＝±2θ(对于左旋圆偏光入射取正，右旋圆偏光入射取负)，即对于左旋圆偏光的入射，液晶分子的这四个转角θ、π/2–θ、π/2+θ、π–θ对应的相位延迟分别为2θ、π–2θ、π+2θ、2π–2θ。因此，由通道二目标图像的相位分布，利用模拟退火算法进行迭代计算，最终确定液晶分子的平面内转向角，通过诱导剂将向列型液晶分子按照优化后的平面内转向角分布进行排列。

S4、动态调节液晶分子的平面外转向角

通过外部电压的增加，液晶分子将从平面内逐渐切换到平面外。伴随着液晶分子的倾斜，可以通过以下公式计算其快轴方向的等效折射率：

其中，α表示液晶分子的平面外取向角，且随着施加电压的增加，α可以从0逐渐增加到π/2，从而导致n_eff从n_e逐渐变为n_o。对于特定波长λ，相位延迟将重新表示为

因此，外部电场的施加将引起液晶分子各向异性的变化，从而导致其偏振转化效率的变化和最佳工作波长的偏移，以实现对液晶样品光谱特性的动态调控及图像显示中光开关的转换。

S5、实现可电控的双通道图像显示

当x线偏振光正入射至液晶样品时，在样品表面产生一幅平面灰度图像；当左旋圆偏振光正入射至液晶样品时，在透射空间产生一幅全息图像。当对液晶样品施加外部电压时，随着电压大小的变化，液晶样品的光谱特性会发生变化，从而导致图像显示的颜色也会发生变化。

作为优选方案，所述液晶器件由五层材料组成：上层氧化铟锡(ITO)玻璃层和光控取向层，向列型液晶排布层以及底部光控取向层和氧化铟锡(ITO)玻璃层。

进一步地，所述步骤(1)中，当工作波长λ选用560nm时，液晶单元的长度L＝20μm、宽度W＝20μm、高度H＝6μm。

本发明的工作原理如下：

图像显示通道一由起偏器、液晶器件和检偏器构成，利用马吕斯定律实现近场的强度调制。液晶器件以向列型液晶为材料，其功能为任意的波片，其具体的工作方式为透射，其工作距离为液晶器件的表面。此处以透射式液晶的设计为例，所述起偏器的透光轴方向与X轴方向平行，检偏器的透光轴方向与Y轴方向平行，所述液晶器件的面内夹角θ为液晶分子快轴在XOY平面内投影方向与X轴方向的夹角。

图像显示通道二由起偏器、四分之一波片和液晶器件构成，利用几何相位实现远场的全息纯相位调制。所述起偏器的透光轴方向与X轴方向平行，四分之一波片的透光轴方向与X轴方向的夹角为π/4，所述液晶器件的面内夹角θ为液晶分子快轴在XOY平面内投影方向与X轴方向的夹角。

所述透射式液晶器件由向列型液晶材料构成，向列型液晶内部包括若干尺寸一致的液晶分子。所述液晶分子为亚波长尺寸，所述方位角(θ，α)为液晶分子快轴方向，包括液晶分子快轴在XOY平面内的投影方向与X轴方向的面内夹角θ，以及液晶分子快轴方向与XOY平面的面外夹角α。所述X轴方向为液晶器件长轴的方向。所述液晶器件的液晶分子阵列中，液晶分子数目与目标图像的像素数相等，所述各液晶分子的面内夹角由目标图像的强度和相位分布决定；所述各液晶分子的面外夹角由目标图像的颜色决定。

基于液晶的可电控双通道显示方法采用光的强度和相位分别作为双通道显示的两个信息载体，并通过外加电场对液晶分子的面外夹角进行动态调制，实现可电控双通道显示。

本发明的优点及有益效果如下：

1、基于本发明的设计方法可以拓宽光学信息存储系统的容量和增强光学加密安全性，可广泛应用于光学信息存储、显示、加密、隐藏和防伪等研究领域。以液晶材料为基础，从对光波的单次操控(强度或相位)扩展到双重操控(强度和相位)，并使偏振复用成为现实，实现了相互独立的双通道信息显示。

2、通过调节施加的电压，可以实现工作波长的动态选择，几乎能够覆盖可见光波段(从480nm到700nm)且不限于可见光波段，在红外和太赫兹波段也有很好的效果。

3、与超表面器件相比，基于液晶的双显示器具有效率高、光谱响应可调节、能大规模投入制造的优点，与成熟的液晶材料加工技术相结合，更加有利于实际工业应用。

附图说明

图1是具体实施方式中液晶单元的结构示意图；

图2是具体实施方式中显示通道一的光路示意图；

图3是具体实施方式中显示通道二的光路示意图；

图4是具体实施方式中显示通道一的目标图像；

图5是具体实施方式中显示通道二的目标图像；

图6是具体实施方式中经模拟退火算法优化得到的液晶分子平面内转向角分布；

图7是具体实施方式中可见光入射下外加电场的作用导致液晶样品的偏振转化效率变化情况；

图8是具体实施方式中可见光入射下基于液晶的可电控双通道显示方法的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细阐述。

实施例1

液晶器件是双折射结构，由五层材料组成：上层氧化铟锡(ITO)玻璃层和光控取向层，向列型液晶排布层以及底部光控取向层和氧化铟锡(ITO)玻璃层。

可等效于任意波片的电控液晶器件的琼斯矩阵可以表示为：

其中λ₀表示工作波长，θ和α分别表示液晶分子的平面内和平面外转向角，δ为沿其长轴和短轴偏振光的相位延迟。将液晶分子置于图2所示的光路中，其透射光的琼斯矢量可以表示为

因此，对于线偏振光的入射，透射光谱响应可以表示为

其中I₀是入射光的强度，

是液晶分子对线偏振光的偏振转换效率。

对于圆偏振光的入射，其透射光谱响应可以表示为

受相位延迟δ的影响，液晶分子对圆偏振光的偏振转换效率为

因此，透射光谱响应包括两部分：一部分是与液晶分子的平面内转向角相关的连续强度调制；另一部分是与液晶分子的工作波长和平面外转向角有关的相位调制。并且，这两个部分是互不影响的，即对光波的强度、相位和光谱响应的独立调制可以在单个液晶分子中实现。

本实施例的具体设计方法步骤如下。

1、设定液晶单元的结构参数

设定工作波长λ，入射光束沿长轴和短轴产生的相位延迟量δ可表示为

其中，d为向列型液晶层的厚度，n_o为液晶分子慢轴方向的折射率，n_e为液晶分子快轴方向的折射率。通过设定向列型液晶层的厚度，确定相位延迟与液晶各向异性、工作波长之间的动态关系。另外，半波片具有相位调控的功能，当一束圆偏振光通过一个转角为α的液晶器件时，将会变成旋向相反的圆偏振光，并且会附加一个±2α的相位延迟。

图1所示为液晶单元的结构示意图。本发明所采用的坐标系，以基底长和宽的方向分别为X轴和Y轴方向，以基底高的方向为Z轴方向，XOY平面即基底上表面所在平面。几何参数包括液晶单元的长度L、宽度W、高度H。本步骤利用现有的电磁仿真软件平台完成。本实施例中，设定的液晶几何参数为：L＝20μm，W＝20μm，H＝6μm。本实施例中，液晶分子的数目与目标图像像素数保持一致，即一个液晶分子对应着一个目标图像的像素。在本实施例中，选取目标图像大小为250×250个像素。

2、确定液晶分子平面内转向角的选择范围；

当液晶器件置于如图2所示的光路中时，将在近场显示一幅平面图像，根据马吕斯定律，其透射光的归一化强度可以表示为

I＝I₀sin²(2θ). (2)

其中I₀表示入射光的强度，θ表示液晶分子的平面内转向角。基于等式(2)中透射强度I和平面内转向角θ的关系，以液晶分子的平面内转向角分布对如图4所示的目标近场灰度图像的强度进行编码。由于图像强度和转角分布之间一对四的映射关系，对于目标图像的每一个像素，对应液晶分子的平面内转向角都有四种选择：θ、π/2–θ、π/2+θ、π–θ，分别对应不同的几何相位2θ、π–2θ、π+2θ、2π–2θ(入射光为左旋圆偏振光)。

3、确定液晶分子的平面内转向角

当液晶器件置于如图3所示的光路中时，将会在远场显示一幅全息图像。根据几何相位原理，液晶器件中透射光束的相位延迟为Ψ＝±2θ(对于左旋圆偏光入射取正，右旋圆偏光入射取负)，即对于左旋圆偏光的入射，液晶分子的这四个转角θ、π/2–θ、π/2+θ、π–θ对应的相位延迟分别为2θ、π–2θ、π+2θ、2π–2θ。因此，由如图5所示的目标全息图像相位分布，利用模拟退火算法进行迭代计算，可以确定液晶分子的平面内转向角，通过诱导剂将向列型液晶分子按照优化后的平面内转向角分布进行排列，最终面内取向角如图6所示。

4、动态调节液晶分子的平面外转向角

通过施加外部电压的增加，液晶分子将从平面内逐渐切换到平面外。伴随着液晶分子的倾斜，可以通过以下公式计算其快轴方向的等效折射率：

其中，α表示液晶分子的平面外取向角，且随着施加电压的增加，α可以从0变到π/2，从而导致n_eff从n_e变为n_o。对于特定波长λ，相位延迟将重新表示为

因此，在给定液晶厚度的情况下，外部电压的施加将引起液晶分子各向异性的变化，从而导致其偏振转化效率的变化和最佳工作波长的偏移，以实现对液晶样品光谱特性的动态调控。如图7所示，在480nm到700nm的可见光波段，通过改变施加电压的大小，能够实现液晶样品偏振转化效率的动态调节和工作波长的动态选择。显然，在最佳工作波长λ₀和外部施加电压U_a(λ₀)之间存在互相匹配的关系。

在没有外部电压施加的情况下，液晶分子的各向异性保持不变。给定液晶的厚度，其工作波长的变化将引起相位延迟的变化，从而导致其偏振转化效率有一种周期性的起伏，此时的最佳工作波长为560nm。

当x线偏振光正入射至液晶样品时，在样品表面产生一幅平面灰度图像；当左旋圆偏振光正入射至液晶样品时，在透射空间产生一幅全息图像，实现透射空间的双通道信息复用。当对液晶样品施加外部电压时，随着电压大小的变化，液晶样品的光谱特性会发生变化，从而导致图像显示的颜色也会发生变化。如图8所示，实现了透射空间的可电控双通道显示。

本发明基于液晶的可电控双通道显示方法至少包括如下技术效果：

本发明实现了透射空间的双通道信息复用，这两个通道相互独立且互不影响，提高了信息存储的容量和信息传输的密度。另外，通过调节外部施加电压的大小，该液晶多功能器件能够实现光开关的转换和工作波长的动态选择。本发明在光学信息的存储、显示、传输以及光谱测量等领域具有潜在的应用价值。

Claims (3)

1.一种基于液晶的可电控双通道显示方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、设定液晶单元的结构参数：

设定工作波长λ，λ计算工作波长λ对入射光束沿长轴和短轴产生的相位延迟量δ，δ通过设定向列型液晶层的厚度d，确定相位延迟与液晶的各向异性及其工作波长之间的动态关系；

S2、确定液晶分子平面内转向角的选择范围：

向列型液晶层由250×250个上述设定好的液晶单元结构在X轴、Y轴方向上等间隔排列构成；选择由250×250个像素组成的一幅平面图像作为通道一的目标图像；根据马吕斯定律，该液晶器件可以实现连续的强度调制，其透射光的强度和液晶分子的平面内转向角之间存在一到四的映射关系，即目标图像每一个像素的强度I都有对应的四个转角θ、π/2–θ、π/2+θ、π–θ可供选择；因此，由通道一目标图像的强度，能够计算出对应的液晶分子平面内转向角的选择范围；

S3、确定液晶分子的平面内转向角：

选择由250×250个像素组成的一幅全息图像作为通道二的目标图像；根据几何相位原理，液晶器件中透射光束的相位延迟为Ψ＝±2θ，对于左旋圆偏光入射取正，右旋圆偏光入射取负，即对于左旋圆偏光的入射，液晶分子的这四个转向角θ、π/2–θ、π/2+θ、π–θ对应的相位延迟分别为2θ、π–2θ、π+2θ、2π–2θ；因此，由通道二目标图像的相位分布，利用模拟退火算法进行迭代计算，最终确定液晶分子的平面内转向角，通过诱导剂将向列型液晶分子按照优化后的平面内转向角分布进行排列；

S4、动态调节液晶分子的平面外转向角：

通过外部电压的增加，液晶分子将从平面内逐渐切换到平面外；伴随着液晶分子的倾斜，其快轴方向的等效折射率会发生变化，导致其各向异性的变化；因此，外加电压会引起液晶分子偏振转化效率的改变和最佳工作波长的偏移，以实现对液晶样品光谱特性的动态调控及图像显示中光开关的转换；

S5、实现可电控的双通道图像显示：

当x线偏振光正入射至液晶样品时，在样品表面产生一幅平面灰度图像；当左旋圆偏振光正入射至液晶样品时，在透射空间产生一幅全息图像，实现透射空间的双通道信息显示；当对液晶样品施加外部电压时，随着电压大小的变化，液晶样品的光谱特性会发生变化，从而导致图像显示的颜色也会发生变化。

2.根据权利要求1所述的基于液晶的可电控双通道显示方法，其特征在于：所述液晶器件是双折射结构，由五层材料组成：上层氧化铟锡玻璃层和光控取向层，向列型液晶排布层以及底部光控取向层和氧化铟锡玻璃层。

3.根据权利要求1或2所述的基于液晶的可电控双通道显示方法，其特征在于：当工作波长λ选用560nm时，液晶单元的长度L＝20μm、宽度W＝20μm、高度H＝6μm。

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