CN207264069U - 一种胆甾相液晶装置和光束控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种胆甾相液晶装置和光束控制系统，本胆甾相液晶装置为层叠的单基板、光控取向膜和液晶层，光控取向膜控制液晶分子，胆甾相液晶自组装形成特定的螺旋轴平行于基板的螺旋结构，呈现光栅状条纹织构或者同心环状条纹织构。光束控制系统为本胆甾相液晶装置处于光源和图像采集装置之间，三者光轴为同一直线。本实用新型光控取向膜控制胆甾相液晶自组装成螺旋结构，可对入射光强度分布和相位变化进行调制。单基板简化结构，减少光损耗；工艺简单、成本低。配置光束控制系统方便灵活且控制精度高，可用于条纹织构转印。

Description

一种胆甾相液晶装置和光束控制系统

技术领域

本实用新型涉及光束控制技术，尤其涉及一种胆甾相液晶装置和光束控制系统。

背景技术

光束控制技术在光通信、光学神经网络、材料加工、航空航天、医学和军事领域都有广泛的应用前景。新型机械式光束偏转技术，如旋转里斯利棱镜和偏心透镜，与传统机械式光束偏转技术相比，具有无旋转轴和透射率高等优点，但由于是采用棱镜，透镜等传统光学元件，难以实现连续偏转，而且存在结构与控制复杂、体积与功耗大、效率低下、价格昂贵、功能单一等问题。

由于胆甾相液晶分子排列具有周期性螺旋结构，因而近年来胆甾相液晶得到了广泛的关注与研究。如2016年公开的公开号为105647545A的中国发明专利申请“胆甾相液晶组合物、液晶显示面板及其制备方法”，提出了一种基于胆甾相液晶组合物的高对比度液晶显示面板；2016年公开的公开号为106094098A的中国发明专利申请“基于胆甾相液晶填充的光纤光镊”公开了将胆甾相液晶填充于光纤中的光纤光镊；还有2014年公开的公开号为104199137A的中国发明专利申请“一种胆甾相液晶偏光增亮膜及其制备方法”等。但现有的具有不同应用的胆甾相液晶装置大多采用封闭式的结构。这样的结构不仅制备工艺比较复杂，且在实际应用中使用效果大打折扣。例如将胆甾相液晶限制在两个ITO玻璃基板中，当光经过此液晶盒，其双层玻璃基板造成光能量不必要的损耗；如果要耦光到此封闭的液晶装置的胆甾相液晶层中，由于双层玻璃基板的存在也使得耦光效率极低。

胆甾相液晶层因外界对抗锚定会平面内产生了周期性形变，形成相位型胆甾相液晶光栅。由于胆甾相液晶的螺距受多方面外界因素影响，如光、电、压力等，因此通过简单的外部操控，便可以调控胆甾相液晶光栅，实现光束控制。根据文献报道，胆甾相液晶光栅很有希望应用于光束控制系统中，如Alexander Ryabchun和Quan Li等人先后发表在期刊《先进光学材料(Advanced Optical Materials)》上的文章中提到通过紫外光照，光栅方向可以被轻易改变，从而实现光束控制。但是现有的胆甾相液晶光栅在控制衍射光束旋转方向的同时，高级衍射斑离中心的距离也在变化，因此想要唯一精确控制光束角向运动比较困难，而且类似的工作多需要加电或加热辅助控制。如何使光在通过最少元件的基础上，保证出光效率的同时，由一个简单的液晶装置实现对光束的准确控制还需要进一步的研究。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种胆甾相液晶装置，为层叠的单基板、光控取向膜和液晶层，光控取向膜控制液晶分子，胆甾相液晶自组装形成特定的螺旋结构。简化装置，减小重量，减少光损耗；在光控取向膜的控制下胆甾相液晶自组装形成设定的螺旋结构能够对入射光束的强度分布和相位变化进行调制。

本实用新型的另一目的是提供一种光束控制系统，采用本实用新型的胆甾相液晶装置处于光源和图像采集装置之间，三者处于同一直线上。胆甾相液晶装置对入射光的调制，实现对光束强度分布和相位变化进行控制。

本实用新型提供的一种胆甾相液晶装置，包括基板、光控取向膜和液晶层，光控取向膜附于单基板的一侧，光控取向膜的另一侧紧贴液晶层。所述液晶层为胆甾相液晶。所述液晶层中的液晶分子自组装形成设定的液晶螺旋结构，由于液晶分子具有光学各向异性，故其液晶螺旋结构具有周期性和偏振敏感性。所述光控取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形。

光控取向膜控制液晶分子，单基板上的胆甾相液晶在基板平面锚定和空气垂直锚定的情况下自组装形成特定的螺旋结构，其螺旋轴平行于基板，而现有技术中液晶螺旋结构的螺旋轴垂直于基板。

所述光控取向膜中分子指向矢平行排列，所述液晶层中的液晶分子自组装形成平行排布的液晶螺旋结构，所述液晶螺旋结构的螺旋轴平行于基板，呈现光栅状条纹织构。

或者所述光控取向膜具有分子指向矢环绕中心奇点呈角向渐变分布的控制图形，所述液晶层中的液晶分子自组装形成径向分布的液晶螺旋结构，所述液晶螺旋结构的螺旋轴平行于基板，呈现同心环状条纹织构。

所述条纹织构的周期范围为1μm～25μm。

所述液晶为偶氮掺杂的胆甾相液晶或偶氮类手性向列相液晶。

所述偶氮掺杂的胆甾相液晶为向列相液晶和偶氮类手性剂的混合物，向列相液晶和偶氮类手性剂二者混合的重量比为(95～99.5):1。

所述光控取向膜为光致异构型光控取向膜、光交联型光控取向膜和光分解型光控取向膜中的任一种。

本实用新型提供的一种光束控制系统，采用上述本实用新型的胆甾相液晶装置，包括依次排列的入射光源、胆甾相液晶装置和图像采集装置；所述入射光源、胆甾相液晶装置和所述图像采集装置的光轴位于同一直线上；所述胆甾相液晶装置对入射光进行调制；所述图像采集装置采集经所述胆甾相液晶装置调制后的光。

与现有技术相比，本实用新型一种胆甾相液晶装置的优点为：1、单基板简化装置，减小重量，减少光束控制中的光损耗；2、液晶层外侧无基板覆盖，空气垂直锚定液晶层，有利于液晶分子自组装形成设定的液晶螺旋结构，促进了液晶光栅的形成；3、胆甾相液晶分子在光控取向膜的控制下，其螺旋结构能够对入射光束的强度分布和相位变化进行调制；并且适用于各种波长入射光的调制和控制。

与现有技术相比，本实用新型一种光束控制系统的优点为：1、系统配置方便灵活，只需将本实用新型的胆甾相液晶装置插入到特定的光路中即可，系统结构简单、体积小、精度高、不需要任何转动装置；2、极大地提高了光束控制系统的准确性和稳定性，3、轻松实现非机械式精准的二维光谱扫描，可用于诸相位阵列雷达、自由空间光通讯和光适应系统等；4、还可以实现高效大面积地将胆甾相液晶装置上的条纹织构转印到平板上，工艺简单，成本低，可操作性高，适用范围广，大大简化了光刻掩模的工艺，适用于集成电路、平板显示、印刷电路、微机电系统等。

附图说明

图1为本胆甾相液晶装置实施例1的结构示意图；

图2为图1中光控取向膜中分子指向矢呈平行排布的控制图形示意图；

图3为本胆甾相液晶装置实施例1液晶层平行排布的光栅状液晶条纹织构图；

图4为本胆甾相液晶装置实施例1液晶层平行排布的液晶螺旋结构俯视图；

图5为本胆甾相液晶装置实施例2光控取向膜中分子指向矢呈角向分布的控制图形示意图；

图6为本胆甾相液晶装置实施例2液晶层角向分布的同心环状液晶条纹织构图；

图7为本胆甾相液晶装置实施例2液晶层径向分布的液晶螺旋结构示意图；

图8为本胆甾相液晶装置实施例3液晶层波浪光栅状液晶条纹织构图；

图9为本光束控制系统实施例一的结构示意图；

图10为本光束控制系统实施例一的衍射图样；

图11为本光束控制系统实施例一平行排布的液晶条纹织构在紫外光照射下条纹方向和周期变化示意图；

图12为本光束控制系统实施例一平行排布的液晶条纹织构在绿光照射下条纹方向和周期变化示意图；

图13为本光束控制系统实施例一液晶装置在持续的紫外光和绿光照射下衍射图样的变化情况；

图14为本光束控制系统实施例一液晶装置在持续的紫外光照射下衍射图样中1级衍射斑中心的运动轨迹；

图15为本光束控制系统实施例一液晶装置在持续的绿光照射下衍射图样中1级衍射斑中心的运动轨迹；

图16为本光束控制系统实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。为了便于描述，相关附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

胆甾相液晶装置实施例1

本胆甾相液晶装置实施例1的结构如图1所示，光控取向膜120附于基板130的一侧，光控取向膜120的另一侧紧贴液晶层110。本例液晶层为向列相液晶和偶氮类手性剂的混合物，向列相液晶和偶氮类手性剂二者混合的重量比为99:1，本例偶氮类手性剂材料为ChAD-3c-S。

本例光控取向膜为光致异构型光控取向膜。光控取向膜上的控制图形可擦写，同一个光控取向膜可得到多种具有分子指向矢呈不同的设定分布的控制图形。

本例光控取向膜120中分子指向矢平行排列朝着同一方向，光控取向膜120的控制图形控制本例液晶层110中邻近基板的液晶分子指向矢趋向于平行于取向膜中分子指向矢方向排列。液晶层110中邻近基板的液晶分子排布的俯视图如图2所示。液晶层110中的液晶分子自组装形成平行排布的液晶螺旋结构，液晶螺旋结构的螺旋轴平行于基板，如图4所示；液晶螺旋结构中液晶分子分层排列，每层液晶分子的指向矢方向相同，且平行于层平面，但相邻层中分子指向矢方向稍有旋转，沿层面法线方向自组装形成周期性液晶螺旋结构，箭头所指的方向为螺旋轴方向。需要说明的是，空气对液晶层110内分子具有垂直锚定的作用，邻近空气的液晶分子指向矢趋向于垂直基板排列，但由于空气对液晶分子的锚定作用较弱，此处不予考虑。本例液晶层呈现光栅状条纹织构，如图3所示。

本例条纹织构的周期为10μm。

由于液晶层110中液晶分子具有光学各向异性，所述液晶螺旋结构具有周期性和偏振敏感性。能够对入射光进行调制，实现强度和相位的连续可调，本实施例的胆甾相液晶装置可根据需要加入到特定的光路中，方便灵活，结构简单，体积小，精度高，且不需要任何转动装置，可提高了光束控制系统的稳定性。

胆甾相液晶装置实施例2

本胆甾相液晶装置实施例2的结构与实施例1相类似，液晶层110、光控取向膜120和基板130的材质和位置相同。

本实施例2的光控取向膜在以中心奇点为原点的极坐标系中，取向膜中的分子指向矢绕着一个中心奇点呈角向渐变分布的控制图形，在极轴上的初始分子指向矢方向为0°，如图5所示。图5中所设定圆周的半径是为更清楚地表达光控取向膜120中分子的排布状态，在该设定圆周内外的其他区域，光控取向膜中分子的排布状态可以由该设定圆周上的分子排布状态类推得到。

该光控取向膜120的控制图形控制液晶层110中邻近基板的液晶分子绕着中心奇点呈径向渐变分布，自组装形成分子指向矢呈角向分布的同心环状液晶条纹织构，如图6所示。液晶层110内各螺旋轴从中心奇点出发，呈径向分布，如图7所示。

胆甾相液晶装置实施例3

本胆甾相液晶装置实施例3的结构与实施例1相类似，液晶层110、光控取向膜120和基板130的材质和位置相同。本例光控取向膜120的控制图形与实施例1和2不同，液晶层自组装形成分子指向矢呈波浪光栅状液晶条纹织构，如图8所示。

光束控制系统实施例一

本光束控制系统实施例一的结构示意图，如图9所示，包括光源210、胆甾相液晶装置220和图像采集装置230，光源210、胆甾相液晶装置220和图像采集装置230的光轴位于同一直线上。本例的胆甾相液晶装置220为上述胆甾相液晶装置实施例1，即其液晶层具有微米级的光栅状液晶条纹织构，本例入射光源为白光光源，本例图像采集装置230为数码相机，也可采用电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)等图像采集设备。

本例胆甾相液晶装置220对入射白光产生衍射，使出射光束的强度和相位发生相应改变，并伴随明显的色散。设置在光源210相对一侧的图像采集装置230采集经过胆甾相液晶装置调制后的光束。

图10为本例提供的一种衍射图样，该衍射图样中0级衍射斑11的色散较少，1级衍射斑12和2级衍射斑13均有明显的色散，显示本例胆甾相液晶装置的分光作用。

本例胆甾相液晶装置220中液晶层的胆甾相液晶材料中采用光致异构型手性剂材料，胆甾相液晶装置220具有微米级的光栅状液晶条纹织构。

在波长为365nm的紫外光照射下本例胆甾相液晶装置中平行排布的条纹发生旋转，且条纹周期逐渐增大，直至条纹消失，如图11所示。继续紫外光照射，保持无条纹状态。

此时，若再采用波长为532nm的绿光光源照射胆甾相液晶装置220，条纹逐渐产生并反向旋转，条纹周期逐渐减小，恢复为紫外光照射前的状态，如图12所示。继续绿光照射，保持紫外光照射前的状态。

图13所示为本例胆甾相液晶装置220在持续的紫外光和绿光照射下的衍射图样变化情况。图13左侧由上至下是紫外光持续照射胆甾相液晶装置220，衍射级向0级靠拢，且色散减弱，直至除0级衍射斑外的其余所有衍射斑都消失；图13右侧由下至上是改用绿光照射胆甾相液晶装置220，液晶的光栅条纹逐渐恢复，衍射图样中1级和2级衍射斑重新出现，色散逐渐严重，分光明显。图14和图15为衍射图样中1级衍射斑中心在紫外光和绿光照射下的运动轨迹；如图14所示，胆甾相液晶装置在紫外光的持续照射下，1级衍射斑中心螺旋式逐渐靠近0级衍射斑；如图15所示，胆甾相液晶装置在绿光的持续照射下，1级衍射斑中心螺旋式逐渐远离0级衍射斑。与此同时2级衍射斑中心也随1级衍射斑中心同步移动。由此可见，本实施例提供的光束控制系统轻松实现了非机械式精准的二维光谱扫描，可以应用在诸如相位阵列雷达和自由空间光通讯光适应系统中。

光束控制系统实施例二

本光束控制系统实施例二与上述光束控制系统实施例一的结构类似，区别在于，光源210为紫外光源，本例的胆甾相液晶装置220为上述胆甾相液晶装置实施例1，在光源210与胆甾相液晶装置220之间加入一个偏振片240，图像采集装置230为光刻胶，光源210、偏振片240、胆甾相液晶装置220和光刻胶230的光轴位于同一直线上，如图16所示。设置在光源210相对一侧的图像采集装置230光刻胶接受经过胆甾相液晶装置220调制后的光束。当采用的偏振片240的光轴方向是平行于胆甾相液晶装置220平行排列的条纹织构方向，即光源210的光束经过该偏振片240后成为偏振方向平行于胆甾相液晶装置220平行排列的条纹织构方向的偏振光。由于本例胆甾相液晶装置内的液晶分子具有光学各向异性，这些液晶分子组成的液晶螺旋结构具有偏振敏感性和类似于透镜的作用。当一束偏振方向平行于条纹方向的光照射到胆甾相液晶装置时，该胆甾相液晶装置中液晶螺旋结构形成的每一条纹相当于一个柱透镜，将经过胆甾相液晶装置的光束调制成与设定条纹织构匹配的汇聚光，胆甾相液晶装置调制后的光束照射在光刻胶上，胆甾相液晶装置中的条纹织构即转移到光刻胶上。

如果采用的偏振片240的光轴方向是垂直于胆甾相液晶装置220平行排列的条纹织构方向，即光源210的光束经过该偏振片240后成为偏振方向垂直于胆甾相液晶装置220平行排列的条纹织构方向的偏振光，这样的偏振光经过本例胆甾相液晶装置220的光束强度分布不发生改变，光刻胶上无转移图形。示例性地，本例光源210选用波长为365nm的紫外光源，偏振片240采用亚波长金属线栅，胆甾相液晶装置220中的条纹织构如图3所示，图像采集装置230为正性紫外光刻胶。首先，将光刻胶旋涂在硅基板上，并退火，然后，将胆甾相液晶装置220紧贴在硅基板上的光刻胶外侧面，转动偏振片240，调节偏振片的光轴方向平行或者垂直于胆甾相液晶装置中的液晶的条纹织构方向，在这两种情况下打开光源210，用显影液对光刻胶340进行显影，得到光刻胶上的不同显微图。

当偏振片240的光轴方向平行于胆甾相液晶装置220中的条纹方向时，入射紫外光经过胆甾相液晶装置220的调制，产生一个和胆甾相液晶装置220中条纹织构相一致的周期性的条纹光场分布，光刻胶经过该光场照射并显影后，得到和胆甾相液晶装置220中条纹织构相一致的显微图，与图3相同。当偏振片240的光轴方向垂直于胆甾相液晶装置220中的条纹方向时，最终显影后光刻胶上的显微织构看不到条纹相关的图形。

由本实施例可见，本实用新型的光束控制系统可以实现高效大面积地将胆甾相液晶装置220上的条纹织构转印到平板光刻胶上，该系统结构和制作工艺简单，成本低，可操作性高，适用范围广，大大简化了光刻掩模的工艺，适用于诸如集成电路、平板显示、印刷电路、微机电系统等。

光束控制系统实施例三

本光束控制系统实施例二与上述光束控制系统实施例二的结构类似，系统结构如图16所示。本例与实施例二的区别在于，本例的胆甾相液晶装置220为上述胆甾相液晶装置实施例2，即其液晶层自组装形成分子指向矢呈角向分布的同心环状液晶条纹织构。

本例中，当偏振片240的光轴方向为水平，偏振方向相切于(或者说平行于)胆甾相液晶装置220中90度和270度处的环形条纹，那么对应该区域的光刻胶上便可以显影得到条纹结构；而对应胆甾相液晶装置220中0度和180度处的光刻胶显影后将不出现相关条纹图形。与之相似，当偏振片240的光轴方向为竖直，偏振方向相切于(或者说平行于)胆甾相液晶装置220中0度和180度处的环形条纹，那么对应该区域的光刻胶上显影后得到对应的条纹结构；对应胆甾相液晶装置220中90度和270度处的光刻胶显影后将不出现相关条纹图形。偏振片240的光轴方向与胆甾相液晶装置中的条纹方向偏离越大，在对应该区域的光刻胶上显影得到的条纹相关的图形将越模糊；光刻胶上最终显影所得图形就是胆甾相液晶装置220环形条纹的克隆。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种胆甾相液晶装置，包括单基板、取向膜和液晶层，其特征在于：

所述取向膜为光控取向膜、附于单基板的一侧，光控取向膜的另一侧紧贴液晶层；所述液晶层为胆甾相液晶；所述液晶层中的液晶分子自组装形成设定的液晶螺旋结构，其螺旋轴平行于基板，所述光控取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形。

2.根据权利要求1所述的胆甾相液晶装置，其特征在于，

所述光控取向膜中分子指向矢平行排列，所述液晶层中的液晶分子自组装形成平行排布的液晶螺旋结构，呈现光栅状条纹织构；

或者，所述光控取向膜具有分子指向矢环绕中心奇点呈角向渐变分布的控制图形，所述液晶层中的液晶分子自组装形成径向分布的液晶螺旋结构，呈现同心环状条纹织构。

3.根据权利要求1所述的胆甾相液晶装置，其特征在于，

所述液晶为偶氮掺杂的胆甾相液晶或偶氮类手性向列相液晶。

4.根据权利要求1所述的胆甾相液晶装置，其特征在于，

所述光控取向膜为光致异构型光控取向膜、光交联型光控取向膜和光分解型光控取向膜中的任一种。

5.采用权利要求1至4中任一项所述的胆甾相液晶装置设计的一种光束控制系统，其特征在于：

入射光源、所述胆甾相液晶装置和图像采集装置依次排列，三者的光轴位于同一直线上；所述胆甾相液晶装置对入射光进行调制；所述图像采集装置采集经所述胆甾相液晶装置调制后的光。