CN117970722A - 一种二维液晶光学相控阵器件集成化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维液晶光学相控阵器件集成化结构，包括两个单元器件依次层叠而成，从上向下依次为第一单元液晶光学相控阵器件和第二单元液晶光学相控阵器件，分别为7层三明治结构和9层三明治结构，两单元器件之间通过光学胶水粘结，在第二液晶光学相控阵的内部嵌入一个液晶聚合物薄膜作为半波片，使两个一维液晶光学相控阵在级联过程中所需的偏振方向旋转90°。本发明的集成结构更加紧凑，厚度更薄，光强损失更低，且省去了半波片独立单元器件的装配过程，降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域，尤其涉及一种更加紧凑、厚度更薄、光强损失更低的二维液晶光学相控阵器件集成化结构。
背景技术
液晶光学相控阵器件的核心单元是液晶盒，在制作过程中液晶盒中的取向层一般都是均匀取向的，且取向方向与相控阵长条形电极的长度方向相垂直。其效果是使液晶分子指向矢在电场作用下能够保持在入射光的偏振平面内进行转动，因此能够实现对入射光场的纯相位调控。
单个液晶光学相控阵器件是一个一维光栅器件，可以实现一维方向的角度偏转与扫描。要实现二维方向的角度偏转与扫描，现有的技术方案是将两个液晶光学相控阵器件正交层叠放置，且两者之间放置一个半波片，其晶轴方向与前后两个正交放置的液晶光学相控阵器件的液晶取向方向的夹角均为45°。
半波片的作用是实现两个正交液晶光学相控阵器件的偏振匹配。具体来说就是，工作的时候，为保证第一个液晶光学相控阵器件的偏振方向与第二个液晶光学相控阵器件的偏振方向为正交垂直关系，在两个器件之间放置一个半波片，其晶轴方向与前后两个正交放置的液晶光学相控阵器件的液晶取向方向的夹角均为45°。这样的效果是，第一个液晶光学相控阵器件的偏振方向，在经过半波片后，旋转了90°，然后入射到第二个液晶光学相控阵器件，从而满足第二个液晶光学相控阵器件对入射光的偏振要求。
现有的二维液晶光学相控阵器件集成结构不足之处在于三个方而：一是半波片的加入增加了二维器件模组的总厚度；二是半波片作为独立单元器件加入到两个正交一维液晶光学相控阵器件之间时，需要精确标校波片的角度关系，使波片的晶轴方向与前后两个液晶光学相控阵器件的取向方向之间保持45°夹角，增加了装配的难度和加工成本；三是半波片作为独立单元器件加入到两个正交一维液晶光学相控阵器件之间时，需要考虑三个单元器件之间的光学界面匹配问题，以降低菲涅尔反射和空气间隙干涉问题，虽然可采用光学胶水解决该问题，但是增加了工序的难度和制造成本，同时也降低了二维器件模组总的光学透射率。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种更加紧凑、厚度更薄、光强损失更低的二维液晶光学相控阵器件集成化结构。
技术方案：本发明包括两个单元器件依次层叠而成，从上向下依次为第一单元液晶光学相控阵器件和第二单元液晶光学相控阵器件，分别为7层三明治结构和9层三明治结构，两单元器件之间通过光学胶水粘结，在第二液晶光学相控阵的内部嵌入一个液晶聚合物薄膜作为半波片，使两个一维液晶光学相控阵在级联过程中所需的偏振方向旋转90°。
进一步地，所述第一单元液晶光学相控阵器件，从上向下依次为上玻璃基板层、上公共电极层、上取向层、液晶层、下取向层、下阵列电极层和下玻璃基板层。
进一步地，所述上取向层和下取向层取向方向一致，为X轴方向，两者共同作用使夹在其中间的液晶层的分子指向矢方向与上取向层和下取向层的取向方向一致。
进一步地，所述上取向层、下取向层和附加取向层均采用摩擦取向剂或光取向剂材料。
进一步地，所述第二单元液晶光学相控阵器件从上向下依次为上玻璃基板层、附加取向层、液晶聚合物层、上公共电极层、上取向层液晶层、下取向层、下阵列电极层和下玻璃基板层。
进一步地，所述上公共电极层为一层透明导电薄膜，与下阵列电极层成对使用，形成电压差。
进一步地，所述上取向层和下取向层取向方向一致，为Y轴方向，两者共同作用下，使夹在其中间的液晶层的分子指向矢方向与上取向层和下取向层的取向方向一致。
进一步地，所述下阵列电极层由多个周期性条状电极组成，每个条状电极为一个阵列单元，不同条状电极之间有一个微米级的间距，下阵列电极层中，各条状电极的长边方向与X轴平行，短边方向与Y轴平行。
进一步地，所述附加取向层对与其相邻的液晶聚合物层进行取向，其取向方向与X轴和Y轴的夹角均为45°。
进一步地，所述液晶聚合物层紧邻附加取向层，且液晶分子取向方向与X轴和Y轴的夹角均为45°，假设液晶聚合物的厚度为d，双折射率为Δn，入射光波长为λ，则满足如下等式：
Δn×d＝λ/2
其中，液晶聚合物层为一个半波片，将第一单元液晶光学相控阵器件出射的线偏振光的偏振方向旋转90°。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：通过在第二个液晶光学相控阵的内部嵌入一个液晶聚合物薄膜作为半波片，实现两个一维液晶光学相控阵在级联过程中所需的偏振方向90°旋转功能，使得集成结构更加紧凑，厚度更薄，光强损失更低，且省去了半波片独立单元器件的装配过程，降低了制造成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为第一单元液晶光学相控阵器件结构示意图；
图3为第二单元液晶光学相控阵器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明包括两个单元器件依次层叠而成。从上往下依次为第一个单元液晶光学相控阵器件(简称LCOPA1)和第二个单元液晶光学相控阵器件(简称LCOPA2)。
两个单元器件之间通过光学胶水12粘结在一起。光学胶水主要有两个作用，一个是机械连接，将相邻的两个单元器件粘结固定，二是光学增透作用，光学胶水的折射率与相邻的两个单元器件的玻璃基板尽量相等，以减小由于光的菲涅尔反射而造成的能量损失。
两个单元液晶光学相控阵器件均为三明治结构。
其中，第一个单元液晶光学相控阵器件LCOPA1由7层三明治结构所构成，如图2所示。从上向下依次为上玻璃基板层101、上公共电极层102、上取向层103、液晶层104、下取向层105、下阵列电极层106、下玻璃基板层107。
其中，上玻璃基板层101和下玻璃基板层107为单元器件的衬底，可采用光学玻璃、熔融石英玻璃、蓝宝石玻璃等透明材料制作为一个平板结构，两面抛光，厚度范围为0.1～5mm。
上取向层103和下取向层105可采用摩擦取向剂(如聚酰亚胺薄膜)或光取向剂材料(如SD1或灿烂黄)，其取向方向一致，为X轴方向；两者共同作用下，使夹在其中间的液晶层104(例如E7液晶材料)的分子指向矢方向与上取向层103和下取向层105的取向方向一致，也是X轴方向。假设液晶取向方向与X轴夹角为θ，则有θ＝0°。
下阵列电极层106由许多周期性条状电极组成，形成一个一维电极阵列结构，每个条状电极为一个阵列单元。电极材料为透明导电薄膜(如ITO)，既满足透光条件，也满足导电条件，用于控制一个阵列单元区域内的液晶分子排列状态。每个条状电极之间有一个微米级的间距(如0.5～3um)，使各个相邻电极单元之间保持绝缘，从而实现阵列电极电压的可编程独立控制。下阵列电极层106中，各条状电极的长边方向与Y轴平行，短边方向与X轴平行。
第二个单元液晶光学相控阵器件LCOPA2由9层三明治结构所构成，如图3所示。从上向下依次为上玻璃基板层201、附加取向层208、液晶聚合物层209、上公共电极层202、上取向层203、液晶层204、下取向层205、下阵列电极层206、下玻璃基板层207。
其中，上玻璃基板层201和下玻璃基板层207为单元器件的衬底，可采用光学玻璃、熔融石英玻璃、蓝宝石玻璃等透明材料制作为一个平板结构，两面抛光，厚度范围为0.1～5mm。
附加取向层208用于对与其相邻的液晶聚合物层209进行取向。附加取向层208可采用摩擦取向剂(如聚酰亚胺薄膜)或光取向剂材料(如SD1或灿烂黄)，其取向方向与X轴和Y轴的夹角均为45°。
液晶聚合物层209紧邻附加取向层208，且液晶分子取向方向与附加取向层208方向一致，也是与X轴和Y轴的夹角均为45°。
假设液晶聚合物209的厚度为d，双折射率为Δn，入射光波长为λ，则满足如下等式：
Δn×d＝λ/2
这种条件下，液晶聚合物层209形成一个半波片，用于将LCOPA1出射的线偏振光的偏振方向旋转90°，即将LCOPA1出射的线偏振光的偏振方向从X轴方向旋转为Y轴方向。
例如，液晶聚合物材料为RM257，其双折射率为Δn＝0.18，假设入射光波长为λ＝0.633um，则液晶聚合物RM257的厚度为：d＝λ/2/Δn＝1.76um。
上公共电极层202为一层透明导电薄膜(例如ITO薄膜材料)，既满足透光条件，也满足导电条件。与下阵列电极层206(例如ITO薄膜材料)成对使用，形成电压差，用于控制各阵列单元区域内的液晶分子排列状态。
上取向层203和下取向层205可采用摩擦取向剂(如聚酰亚胺薄膜)或光取向剂材料(如SD1或灿烂黄)，其取向方向一致，为Y轴方向；两者共同作用下，使夹在其中间的液晶层204(例如E7液晶材料)的分子指向矢方向与上取向层203和下取向层205的取向方向一致，也是Y轴方向。
下阵列电极层206由许多周期性条状电极组成，形成一个一维电极阵列结构，每个条状电极为一个阵列单元。电极材料为透明导电薄膜，例如ITO薄膜材料，既满足透光条件，也满足导电条件，用于控制一个阵列单元区域内的液晶分子排列状态。每个条状电极之间有一个微米级的间距(例如0.5～3um)，使各个相邻电极单元之间保持绝缘，从而实现阵列电极电压的可编程独立控制。
下阵列电极层206中，各条状电极的长边方向与X轴平行，短边方向与Y轴平行。
Claims (10)
1.一种二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：包括两个单元器件依次层叠而成，从上向下依次为第一单元液晶光学相控阵器件和第二单元液晶光学相控阵器件，分别为7层三明治结构和9层三明治结构，两单元器件之间通过光学胶水粘结，在第二液晶光学相控阵的内部嵌入一个液晶聚合物薄膜作为半波片，使两个一维液晶光学相控阵在级联过程中所需的偏振方向旋转90°。
2.根据权利要求1所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述第一单元液晶光学相控阵器件，从上向下依次为上玻璃基板层(101)、上公共电极层(102)、上取向层(103)、液晶层(104)、下取向层(105)、下阵列电极层(106)和下玻璃基板层(107)。
3.根据权利要求2所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述上取向层(103)和下取向层(105)取向方向一致，为X轴方向，两者共同作用使夹在其中间的液晶层(104)的分子指向矢方向与上取向层(103)和下取向层(105)的取向方向一致。
4.根据权利要求2所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述上取向层(103)、下取向层(105)和附加取向层(208)均采用摩擦取向剂或光取向剂材料。
5.根据权利要求1所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述第二单元液晶光学相控阵器件从上向下依次为上玻璃基板层(201)、附加取向层(208)、液晶聚合物层(209)、上公共电极层(202)、上取向层(203)、液晶层(204)、下取向层(205)、下阵列电极层(206)和下玻璃基板层(207)。
6.根据权利要求5所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述上公共电极层(202)为一层透明导电薄膜，与下阵列电极层(206)成对使用，形成电压差。
7.根据权利要求5所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述上取向层(203)和下取向层(205)取向方向一致，为Y轴方向，两者共同作用下，使夹在其中间的液晶层(204)的分子指向矢方向与上取向层(203)和下取向层(205)的取向方向一致。
8.根据权利要求5所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述下阵列电极层(206)由多个周期性条状电极组成，每个条状电极为一个阵列单元，不同条状电极之间有一个微米级的间距，下阵列电极层(206)中，各条状电极的长边方向与X轴平行，短边方向与Y轴平行。
9.根据权利要求5所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述附加取向层(208)对与其相邻的液晶聚合物层(209)进行取向，其取向方向与X轴和Y轴的夹角均为45°。
10.根据权利要求5所述的二维液晶光学相控阵器件集成化结构，其特征在于：所述液晶聚合物层(209)紧邻附加取向层(208)，且液晶分子取向方向与X轴和Y轴的夹角均为45°，假设液晶聚合物(209)的厚度为d，双折射率为Δn，入射光波长为λ，则满足如下等式：
Δn×d＝λ/2
其中，液晶聚合物层(209)为一个半波片，将第一单元液晶光学相控阵器件出射的线偏振光的偏振方向旋转90°。
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