CN113917719A - 一种实现偏振无关液晶器件大相位大fov的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液晶调制器件技术领域，提供了一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法，本发明将手性掺杂剂和向列液晶的混合剂加入液晶盒中，得到液晶器件，通过控制向列液晶的扭曲角，实现液晶器件的大相位偏振无关，或同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；当所述向列液晶的扭曲角为90°、180°、270°或360°时，实现液晶器件的大相位偏振无关，当所述向列液晶的扭曲角为180°或360°时，同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV。本发明提供的方法步骤简单，容易操作，仅需要单层液晶，最大相位深度可达到9π。

Description

一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法
技术领域
本发明涉及液晶器件技术领域，尤其涉及一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法。
背景技术
液晶材料是一种介于固体(分子排列完全规则状态)与液体(分子排列不规则状态)之间的流体介质，广泛应用于各类器件中，尤其是在显示器件以及光调制器件中。
按照液晶分子排列方式，可将液晶材料为近晶相液晶、向列相液晶和手性相液晶。近晶相液晶的分子排列整齐规整，在液晶相态中最为接近晶体，向列相液晶的分子排列无序，具有流动性，手性相液晶是指由手性剂诱导向列相液晶而产生的具有螺旋结构的液晶，具有周期性结构。其中，向列相液晶由于具有电控双折射效应，在显示器件和液晶空间光调制器中应用最为广泛。
液晶空间光调制器是指在主动控制下，通过液晶分子调制光场的振幅，相位、偏振态等参数，将一定的信息写入光波中，达到光波调制目的的器件。它可以方便地将信息加载到一维或二维的光场中，利用光的宽带宽，多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理。
液晶光空间调制器的相位是指相位延迟(或称为相位深度)。由于光的相位在透过具有二相性或多向性的物质时发生偏转所产生的相位的延后作用称为相位延迟。液晶光空间调制器的FOV是指视场角，具体为以光学仪器为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，FOV大可以使观看者在不同视角观看时，影像的质量和正面观看时保持一致，即在更大角度范围内光学性质保持一致。偏振无关是指各偏振状态的光束在液晶层中能够得到相同程度的调制，即实现偏振无关调制，偏振无关的液晶器件不是需要偏光片等器件，可以大大减小系统的复杂程度，降低成本。
目前，大部分液晶空间光调制器所使用的调制深度为2π相位深度，或者低于2π。例如现有技术中的双层结构液晶相位调制器，其中两个正交的液晶层被两个超薄的各向异性聚合物薄膜隔开，这种调制器件需要双层液晶，结构复杂，且最大相位深度仅为2π。
然而，由于相邻两个光栅周期的相位深度曲线之间存在相位深度断层，即存在相位深度差，而液晶材料具有一定的粘滞性，液晶分子只能连续偏转，因而在断层处相位深度曲线只能连续变化，从而导致了回程区域的存在，回程区域的存在导致LCoS器件的衍射效率较低，无法实现光束的大角度偏转，大大降低液晶器件的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法。本发明提供的方法无需设置双层液晶，器件的结构简单，且最大相位深度可达到9π。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法，将手性掺杂剂和向列液晶的混合剂加入液晶盒中，得到液晶器件，通过控制向列液晶的扭曲角，实现液晶器件的大相位偏振无关，或同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；
当所述向列液晶的扭曲角为90°、180°、270°或360°时，实现液晶器件的大相位偏振无关；所述大相位是指液晶器件的相位深度为2π以上；
当所述向列液晶的扭曲角为180°或360°时，同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；所述大FOV是指在不同光入射角的条件下，该视场角下的光学相位深度与0度角时的光学相位深度的差值不大于0度角时的光学相位深度的20％。
优选的，所述向列液晶的扭曲角通过所述混合剂中手性掺杂剂的浓度进行控制。
优选的，所述混合剂中手性掺杂剂的浓度通过以下步骤确定：
(1)根据向列液晶的目标扭曲角以及液晶盒的厚度，按照公式(I)计算向列液晶的螺距；
Figure BDA0003305306180000021
公式(I)中：d表示液晶盒的厚度，p表示向列液晶的螺距，
Figure BDA0003305306180000033
表示向列液晶的扭曲角；
(2)根据步骤(1)中计算得到的向列液晶的螺距，按照公式(II)计算得到手性掺杂剂的浓度；
Figure BDA0003305306180000031
公式(II)中：p表示向列液晶的螺距，HTP表示手性掺杂剂的螺旋扭曲力常数，C表示混合剂中手性剂掺杂剂的浓度；
所述C通过公式(III)进行计算：
C＝m1/(m1+m2) 公式(III)；
公式(III)中：m1表示手性掺杂剂的质量，m2表示向列液晶的质量。
优选的，所述手性掺杂剂为S811、R011或R5011。
本发明提供了一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法，本发明将手性掺杂剂和向列液晶的混合剂加入液晶盒中，得到液晶器件，通过控制向列液晶的扭曲角，实现液晶器件的大相位偏振无关，或同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；当所述向列液晶的扭曲角为90°、180°、270°或360°时，当所述向列液晶的扭曲角为180°或360°时，同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV。本发明提供的方法步骤简单，容易操作，仅需要单层液晶，最大相位深度可达到9π，且当向列液晶的扭曲角为180°或360°时，能够在实现大相位偏振无关的基础上，同时得到大FOV。
附图说明
图1为向列液晶在无电压(a)和有电压(b)情况下的转动情况示意图；
图2实施例1中扭曲角为180°时的液晶器件在不同电压下的相位深度；
图3为实施例1中扭曲角为180°时的液晶器件在不同相位深度下的偏振相关度。
具体实施方式
本发明的发明原理在于：
液晶的相位深度计算公式见公式(IV)：
Figure BDA0003305306180000032
公式(IV)中：δ表示相位深度，λ表示波长，Δn表示折射率差，d表示液晶盒厚度。
在额定环境下，波长(λ)是额定的，液晶盒厚底(d)是额定的，能改变液晶相位深度的只有折射率差(Δn)这个参数，液晶在不同电压的电场中能够发生转动，这也意味着电场能改变液晶折射率椭球的旋转轴的方向，从而改变液晶分子的折射率，进而改变液晶的相位深度。向列相液晶是由长径比很大的棒状分子所组成，种分子长轴彼此相互平行的自发取向过程使液晶产生高度的双折射性，向列液晶在无电压和有电压情况下的转动情况示意图如图1所示。
发明人研究发现，扭曲角在360°以上的情况下，实际测试得到的相位深度远小于理论值，而通过通过控制液晶的扭曲角，可以实现对液晶相位深度的控制，基于此发现，提出了本发明的方案，下面对本发明的方案进行详细说明：
本发明提供了一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法，将手性掺杂剂和向列液晶的混合剂加入液晶盒中，得到液晶器件，通过控制向列液晶的扭曲角，实现液晶器件的大相位偏振无关，或同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；
当所述向列液晶的扭曲角为90°、180°、270°或360°时(即扭曲角≤360°，且为90°的整数倍)，实现液晶器件的大相位偏振无关；所述大相位是指液晶器件的相位深度为2π以上，具体为2π～9π，更具体为2π、3π、4π、5π、6π、7π、8π或9π；
当所述向列液晶的扭曲角为180°或360°时(即，扭曲角≤360°，且为180°的整数倍)，能够同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；所述大FOV是指在不同光入射角的条件下，该视场角下的光学相位深度与0度角时(即垂直入射)的光学相位深度的差值不大于0度角时的光学相位深度的20％，优选≤15％。
当扭曲角为上述角度时，在入射光的偏振方向不同的情况下，液晶器件的相位深度的偏振相关度较小(偏振相关度为20％以下)，即可实现偏振无关。
当所述向列液晶的扭曲角＞360°时，能够实现偏振无关，但是相位深度＜2π，无法实现大相位偏振无关。
在本发明中，所述向列液晶的扭曲角通过所述混合剂中手性掺杂剂的浓度进行控制，所述混合剂中手性掺杂剂的浓度优选通过以下步骤确定：
(1)根据向列液晶的目标扭曲角以及液晶盒的厚度，按照公式(I)计算向列液晶的螺距；
Figure BDA0003305306180000051
公式(I)中：d表示液晶盒的厚度，p表示向列液晶的螺距，
Figure BDA0003305306180000053
表示向列液晶的扭曲角；
(2)根据步骤(1)中计算得到的向列液晶的螺距，按照公式(II)计算得到手性掺杂剂的浓度；
Figure BDA0003305306180000052
公式(II)中：p表示向列液晶的螺距，HTP表示手性掺杂剂的螺旋扭曲力常数，C表示混合剂中手性剂掺杂剂的浓度；
所述C通过公式(III)进行计算：
C＝m1/(m1+m2) 公式(III)；
公式(III)中：m1表示手性掺杂剂的质量，m2表示向列液晶的质量。
计算得到手性掺杂剂的浓度后，按照计算得到的浓度将手性掺杂剂和向列液晶混合，然后加入液晶盒中即可
根据公式(I)～公式(III)可知，随着手性掺杂剂的HTP值(螺旋扭曲力常数，表征手性物质扭曲能力的指标)和手性掺杂剂浓度的改变，液晶的螺距也会发生改变，手性掺杂剂浓度和它的HTP值共同作用，决定螺距，而螺距和液晶盒的厚度最终决定液晶分子是扭曲了多少度。换言之，扭曲角一定，可知螺距，进一步可以计算得到确定手性剂浓度。
在本发明中，所述手性掺杂剂优选为S811、R011或R5011；所述手性掺杂剂S811的HTP值为11μm-1。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
液晶盒的厚度d＝12μm，采用的手性掺杂剂为S811，S811的HTP值为11μm-1。
根据向列液晶的目标扭曲角以及液晶盒的厚度，按照公式(1)计算向列液晶的螺距，然后根据螺距，按照公式(2)计算得到手性掺杂剂的浓度；
根据计算所得浓度将手性掺杂剂和向列液晶混合，得到混合剂；
将所述混合剂加入液晶盒中，得到液晶器件。
不同扭曲角条件下手性掺杂剂的浓度见表1：
表1不同扭曲角条件下手性掺杂剂的浓度
Figure BDA0003305306180000061
性能测试：
测试d＝12μm、p＝2d(即扭曲角为180°)平行(具体是指液晶盒的上下基板的取向方向平行)的液晶器件不同偏振方向的相位深度，进一步得到偏振相关度，入射光的偏振方向分别为0°、30°、45°、60°和90°。
不同电压下液晶器件的相位深度如图2所示。根据图2可以看出，本发明的液晶器件的最大相位深度可达到9π左右，并且入射光的偏振方向不同时，液晶期间的相位深度基本不受影响，说明液晶器件具有偏振无关的特性。
入射光的偏振角度与相位深度的关系图如图3所示。
液晶器件不同相位深度下的偏振相关度的数据见表2：
表2液晶器件不同相位深度下的偏振相关度
相位深度 1π 2π 3π 4π 5π 6π 7π 8π
偏振相关度 12％ 20％ 4％ 17％ 9％ 12％ 10％ 9％
根据图3和表2可以看出，液晶器件不同相位深度下的偏振相关度均较小，说明其具有偏振无关的特性。
不同入射角下的相位深度误差(相位深度误差＝(在某一入射角下的光学相位深度-0度角时的光学相位深度)/0度角时的光学相位深度)见表3：
表3不同入射角下的相位深度误差
入射角/° -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
相位深度误差 12％ 9％ 5％ 2％ 0％ 0％ 2％ 7％ 14％
根据表3可以看出，液晶器件在不同入射角下的相位深度差均在20％以下，说明当扭曲角为180°，液晶器件不仅能实现大相位偏振无关，还能实现大FOV的特性。
按照相同的方法，对扭曲角为90°、270°和360°时的液晶器件进行相位深度、偏振无关度和相位深度误差测试，结果显示，扭曲角为90°、270°和360°时，电压为10V以上时，液晶器件的最大相位深度为10π、4π和3π，且均能实现偏振无关，当相位深度为360°时，相位深度误差≤20％，还具有大FOV的特性。
按照相同的方法，对扭曲角为720°、1080°和1440°时的液晶器件进行相位深度、偏振无关度测试，结果表明，扭曲角为720°、1080°和1440°的液晶器件能实现偏振无关，但是相位深度小于2π，无法实现大相位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种实现偏振无关液晶器件大相位大FOV的方法，其特征在于，将手性掺杂剂和向列液晶的混合剂加入液晶盒中，得到液晶器件，通过控制向列液晶的扭曲角，实现液晶器件的大相位偏振无关，或同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；
当所述向列液晶的扭曲角为90°、180°、270°或360°时，实现液晶器件的大相位偏振无关；所述大相位是指液晶器件的相位深度为2π以上；
当所述向列液晶的扭曲角为180°或360°时，同时实现液晶器件的大相位偏振无关和大FOV；所述大FOV是指在不同光入射角的条件下，该视场角下的光学相位深度与0度角时的光学相位深度的差值不大于0度角时的光学相位深度的20％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向列液晶的扭曲角通过所述混合剂中手性掺杂剂的浓度进行控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述混合剂中手性掺杂剂的浓度通过以下步骤确定：
(1)根据向列液晶的目标扭曲角以及液晶盒的厚度，按照公式(I)计算向列液晶的螺距；
Figure FDA0003305306170000011
公式(I)中：d表示液晶盒的厚度，p表示向列液晶的螺距，
Figure FDA0003305306170000013
表示向列液晶的扭曲角；
(2)根据步骤(1)中计算得到的向列液晶的螺距，按照公式(II)计算得到手性掺杂剂的浓度；
Figure FDA0003305306170000012
公式(II)中：p表示向列液晶的螺距，HTP表示手性掺杂剂的螺旋扭曲力常数，C表示混合剂中手性剂掺杂剂的浓度；
所述C通过公式(III)进行计算：
C＝m1/(m1+m2) 公式(III)；
公式(III)中：m1表示手性掺杂剂的质量，m2表示向列液晶的质量。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述手性掺杂剂为S811、R011或R5011。
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