TWI772125B - 電控偏振旋轉裝置 - Google Patents

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曾衡逸
李承璋
郭端毅
張立旻
林冠吾
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國立中山大學
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Abstract

一種電控偏振旋轉裝置，用以解決習知偏振旋轉裝置需要透過機械調控及色散現象的問題。係包含：二基板，分別為水平配向及垂直配向，該二基板之間的距離係一液晶厚度，該二基板之間形成可調整大小之一轉換電場，一偏振光入射於水平配向之該基板，且該偏振光之偏振方向正交或平行於水平配向之該基板的配向方向；及一液晶層，位於該二基板之間，該液晶層之雙折射率與該液晶厚度的乘積除以該偏振光之波長係大於或等於10，該偏振光的偏振方向對應該轉換電場的大小在該液晶層旋轉。

Description

電控偏振旋轉裝置
本發明係關於一種光學元件，尤其是一種體積小且對於寬頻譜光線無色散現象的電控偏振旋轉裝置。
藉由導引光線穿透特殊偏振介質，例如：起偏器(Polarizer)、檢偏器(Analyzer)、相位延遲片(Waveplate)等，係可以改變光的偏振型態及偏振方向，而利用偏振光的特性係可以在光學系統中調控光線的穿透度、反射率等光學性質，而使用習知的偏振旋轉裝置可以連續轉換線偏振光的偏振方向，習知的偏振旋轉裝置除了應用於顯示面板、智慧玻璃、照明裝置等家電用品的切換控制，可微型化的偏振旋轉裝置還能夠用於積體光路、光通訊等先進技術。
上述習知的偏振旋轉裝置僅適用於特定波長的光線，當不同波長的光線入射習知的偏振旋轉裝置時，會形成不同的偏振調製效果，係導致寬頻譜偏振光經過偏振旋轉後發生色散現象，並在通過後續光學元件的穿透度或吸收率大小產生震盪變化，將降低影像色調或光訊號傳遞的品質。又，另一種習知的偏振旋轉裝置係藉由機械轉軸旋轉偏振片，可以對寬頻譜光線做偏振轉換，惟，機械裝置的體積限制使偏振旋轉裝置難以微型化，而無法適用於積體光路等精密光學系統。
有鑑於此，習知的偏振旋轉裝置確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種電控偏振旋轉裝置，用於寬頻譜光線無色散現象。
本發明的次一目的是提供一種電控偏振旋轉裝置，係可以微型化。
本發明的又一目的是提供一種電控偏振旋轉裝置，係可以提升光訊號的品質及利用率。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明全文所述「結合」、「組合」或「組裝」等近似用語，主要包含連接後仍可不破壞構件地分離，或是連接後使構件不可分離等型態，係本領域中具有通常知識者可以依據欲相連之構件材質或組裝需求予以選擇者。
本發明的電控偏振旋轉裝置，包含：二基板，分別為水平配向及垂直配向，該二基板之間的距離係一液晶厚度，該二基板之間形成可調整大小之一轉換電場，一偏振光入射於水平配向之該基板，且該偏振光之偏振方向正交或平行於水平配向之該基板的配向方向；及一液晶層，位於該二基板之間，該液晶層之雙折射率與該液晶厚度的乘積除以該偏振光之波長係大於或等於10，該偏振光的偏振方向對應該轉換電場的大小在該液晶層旋轉。
據此，本發明的電控偏振旋轉裝置，藉由對液晶材料施加配向力及該轉換電場，使該偏振光的偏振方向對應電場大小變化做旋轉，而不需 要使用佔體積的機械式調控，另外，選擇液晶層的厚度及旋性力，可以使特定寬波長範圍的光線達到近似的偏振旋轉效果，係具有可微型化、避免色散現象及提升光學有效利用率等功效。
其中，該二基板之二配向方向的夾角係一旋轉角，該旋轉角大於0度且小於等於90度，該液晶厚度與該液晶層之螺距的比值小於等於1/4，該偏振光的偏振方向在零度角至該旋轉角之間旋轉。如此，該偏振光的偏振方向可以在直角範圍或任意銳角範圍做旋轉，係具有選擇偏振旋轉角度範圍功效。
其中，該液晶層之材料係由負型液晶摻旋性分子，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由0度角至該旋轉角。如此，偏振旋轉裝置在不施加電場時不做偏振旋轉，且偏振旋轉角度隨電場強度增加，係具有電控偏振旋轉的功效。
其中，該二基板之二配向方向的夾角係一旋轉角，該旋轉角大於90度且小於等於180度，該液晶厚度與該液晶層之螺距的比值大於1/4且小於等於3/4。如此，該偏振光的偏振方向可以在180度之內的任意角度範圍做旋轉，係具有選擇偏振旋轉角度範圍的功效。
其中，該液晶層之材料係由負型液晶摻旋性分子，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至該旋轉角。如此，偏振旋轉裝置在不施加電場時有最小偏振旋轉角度，且偏振旋轉角度隨電場強度增加，係具有電控偏振旋轉的功效。
其中，該液晶層之材料係由正型液晶摻旋性分子，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至0度角。如此，偏振旋轉裝置在施加飽和電場時不做偏振旋轉，且電場強度越低偏振旋轉角度越大，在不施加飽和電場時有最大偏振旋轉角度，係具 有不耗電進行偏振旋轉的功效。
其中，該液晶層之材料係由雙頻液晶摻旋性分子，該轉換電場切換為一低頻頻率及一高頻頻率，該低頻頻率係小於該液晶層之交叉頻率，該高頻頻率係大於該液晶層之交叉頻率，當該轉換電場切換為該低頻頻率時，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至0度角；當該轉換電場切換為該高頻頻率時，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至該旋轉角。如此，切換該轉換電場的頻率及強度，係可以使該偏振光的偏振方向做順時針或逆時針旋轉，係具有選擇偏振旋轉方向的功效。
其中，該二基板分別具有一導電層，由一可調電源分別電性連接該二導電層，該二導電層的材料是氧化銦錫、奈米銀線或奈米金屬粒子。如此，該二導電層係可以在該二基板之間形成可調整強度之電場，係具有電控液晶分子扭轉幅度的功效。
其中，該二基板的材料是玻璃、壓克力或塑膠。如此，該二基板係可以限制流體移動，係具有控制液晶層範圍及厚度的功效。
1:基板
2:液晶層
P:偏振光
d:液晶厚度
S:可調電源
E:轉換電場
EM:飽和電場
FL:低頻頻率
FH:高頻頻率
〔第1圖〕本發明一較佳實施例的立體透視圖。
〔第2圖〕本發明一較佳實施例的負型液晶施加電壓情形圖。
〔第3圖〕本發明另一較佳實施例的負型液晶施加電壓情形圖。
〔第4圖〕本發明另一較佳實施例的正型液晶施加電壓情形圖。
〔第5圖〕本發明另一較佳實施例的雙頻液晶施加電壓情形圖。
〔第6圖〕本發明一較佳實施例以90度角扭轉狀態在二正交偏振片之間的 穿透度與△n．d/λ數值關係圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明電控偏振旋轉裝置的較佳實施例，係包含二基板1及一液晶層2，該液晶層2位於該二基板1之間，一偏振光P係入射於一該基板1，在該液晶層2進行偏振轉換後，自另一基板1射出。
該二基板1之間的距離係一液晶厚度d，該二基板1分別為水平配向(Homogeneous Alignment)及垂直配向(Vertical Alignment)，該偏振光P係入射於水平配向之該基板1，且該偏振光P的線偏振方向較佳正交或平行入射之該基板1的配向方向，該二基板1可以分別具有一導電層，由一可調電源S分別電性連接該二導電層，當該可調電源S逐步提升供應的電壓時，該二導電層係可以在該二基板1之間形成漸強之一轉換電場E，且該轉換電場E的大小與該液晶厚度d成反比。該二基板1可以是透明密閉材質，例如：玻璃、壓克力、塑膠(PET、PC及PI)等材料，用於限制在該二基板1之間的流體物質；該二導電層可以是透明導電材料，例如：氧化銦錫(ITO)、奈米銀線、奈米金屬粒子等材料。
該液晶層2之材料係包含向列型液晶及旋性分子，該液晶層2之規格條件式為：△n．d/λ≧10，其中，△n是光線入射該液晶層2的雙折射率(Birefringence)；d是該液晶層2之厚度，即該二基板1之間的距離；λ是該偏振光P之波長，當該液晶層2符合上述條件式時，偏振轉換之該偏振光P的偏振旋轉角度誤差量可以被限制在3度角以內，使該偏振光P偏振轉 換的色散現象不明顯而不易被察覺。
請參照第1及2圖所示，其係本發明電控偏振旋轉裝置施加該轉換電場E改變液晶的排列情形，該轉換電場E係由0漸增至一飽和電場EM，該二基板1之二配向方向的夾角係一旋轉角θ，該旋轉角θ大於0度且小於等於90度，該液晶厚度d與該液晶層2之螺距的比值小於等於1/4，該旋轉角θ係該偏振光P可以進行偏振旋轉的角度範圍，在本實施例中，該液晶層2的材料係由負型液晶摻旋性分子，當該轉換電場E為0時，液晶排列依據該二基板1之配向，使液晶分子在該二基板1之間的排列方式係由水平基板面逐漸轉為垂直基板面，而在該二基板1之平行面上僅有微小扭轉，該偏振光P此時通過該液晶層2則偏振方向不改變；當該轉換電場E漸增時，液晶分子開始傾向垂直電場方向排列，原本垂直基板面的液晶分子逐漸轉為水平基板面，並在該二基板1之平行面上扭轉成為扭轉向列型液晶，且該轉換電場E越強則扭轉角度越大，此時該偏振光P的偏振方向朝液晶扭轉方向旋轉，且該偏振光P偏振方向的旋轉角度變化係依據該轉換電場E的強度增減；當該轉換電場E增至該飽和電場EM時，液晶分子完全垂直電場方向排列而全數轉為水平基板面，且液晶分子扭轉為該旋轉角θ的扭轉向列型液晶，此時該偏振光P的偏振方向旋轉該旋轉角θ。
請參照第1及3圖所示，其係本發明電控偏振旋轉裝置施加該轉換電場E的另一實施例，該旋轉角θ大於90度且小於等於180度，該液晶厚度d與該液晶層2之螺距的比值大於1/4且小於等於3/4，在本實施例中，該液晶層2的材料係由負型液晶摻旋性分子，當該轉換電場E為0時，液晶分子在該二基板1之間的排列方式係由水平基板面逐漸轉為垂直基板面，等效接近半個該旋轉角θ的扭轉向列型液晶，該偏振光P此時通過該液晶層2則偏振方向旋轉該旋轉角θ的一半(θ/2)；當該轉換電場E漸增時，液晶分 子由中央逐漸降低傾角，使該偏振光P被扭轉角度增大，且該轉換電場E越強則扭轉角度越大；當該轉換電場E增至該飽和電場EM時，液晶分子完全垂直電場方向排列而全數轉為水平基板面，且液晶分子扭轉為該旋轉角θ的扭轉向列型液晶，此時該偏振光P的偏振方向旋轉該旋轉角θ。
請參照第1及4圖所示，其係本發明電控偏振旋轉裝置施加該轉換電場E的另一實施例，該旋轉角θ大於90度且小於等於180度，該液晶厚度d與該液晶層2之螺距的比值大於1/4且小於等於3/4，在本實施例中，該液晶層2的材料係由正型液晶摻旋性分子，當該轉換電場E為0時，該偏振光P通過該液晶層2則偏振方向旋轉該旋轉角θ的一半(θ/2)；當該轉換電場E漸增時，液晶分子由中央逐漸增大傾角，使該偏振光P被扭轉角度減小，且該轉換電場E越強則扭轉角度越小；當該轉換電場E增至該飽和電場EM時，液晶分子完全平行電場方向排列而全數轉為垂直基板面，此時該偏振光P的偏振方向不改變。
請參照第1及5圖所示，該旋轉角θ大於90度且小於等於180度，該液晶厚度d與該液晶層2之螺距的比值大於1/4且小於等於3/4，在本實施例中，該液晶層2的材料係由雙頻液晶摻旋性分子，該轉換電場E可以切換為一低頻頻率FL及一高頻頻率FH，該低頻頻率FL係小於該液晶層2之交叉頻率(Cross Over Frequency)，該高頻頻率FH係大於該液晶層2之交叉頻率，當該轉換電場E切換為該低頻頻率FL時，該轉換電場E由零增至一飽和電場EM的過程中，該偏振光P被扭轉角度逐漸減小，該偏振光P的偏振方向旋轉由該旋轉角θ的一半(θ/2)至0度角；當該轉換電場E切換為該高頻頻率FH時，該轉換電場E由零增至一飽和電場EM的過程中，該偏振光P被扭轉角度逐漸增大，該偏振光P的偏振方向旋轉由該旋轉角θ的一半(θ/2)至該旋轉角θ。
請參照第1及5圖所示，對不同波長λ之該偏振光P進行偏振旋轉，透過選擇該二基板1之間的距離以調整該液晶厚度d，及配製該液晶層2之材料成分以調整該雙折射率△n，使對應各種波長λ所計算的△n．d/λ數值可以維持在10以上，舉例而言，由負型液晶HNG726200-100(HCCH)摻旋性分子R811(HCCH)形成之液晶材料的雙折射率△n為0.256，若對波長400奈米的藍光做偏振旋轉，則該液晶厚度d必須至少是15.625微米；若對波長800奈米的紅外光做偏振旋轉，則該液晶厚度d必須至少是31.25微米，因此，在該雙折射率△n的大小受限於材料選擇的狀況下，用於偏振旋轉之該偏振光P的最大波長值越大，必須增厚該液晶厚度d，惟，該二基板1之間的距離增加，係導致該轉換電場E減弱而不足以達到該飽和電場EM，必須由該可調電源S提供更高的電壓。
請參照第6圖所示，其係本發明的電控偏振旋轉裝置以90度角扭轉狀態在二正交偏振片之間的穿透度震盪情形，請再參照第1圖所示，該液晶層2之規格與該偏振光P之波長λ所計算的△n．d/λ數值變化，係對應不同的偏振旋轉狀態而導致高低變化的穿透度，該液晶層2的偏振旋轉效果偏差3度角以內可以對應到99.7%以上的穿透度，由第6圖的穿透度震盪趨勢可知，限制△n．d/λ≧10可以控制該偏振光P(波長λ)的穿透度大於99.7%，即施加該轉換電場E形成偏振旋轉的誤差範圍為正負3度角，此範圍內的偏振方向角度變化係肉眼無法辨識，因此，不會觀測到該偏振光P偏振旋轉後的色散現象。
綜上所述，本發明的電控偏振旋轉裝置，藉由對液晶材料施加配向力及該轉換電場，使該偏振光的偏振方向對應電場強度變化做旋轉，而不需要使用佔體積的機械式調控，另外，選擇液晶層的厚度及旋性力，可以使特定寬波長範圍的光線達到近似的偏振旋轉效果，係具有可微型化、避免 色散現象及提升光學有效利用率等功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1:基板
2:液晶層
P:偏振光
d:液晶厚度
S:可調電源
E:轉換電場

Claims (9)

  1. 一種電控偏振旋轉裝置，包含：二基板，分別為水平配向及垂直配向，該二基板之間的距離係一液晶厚度，該二基板之間形成可調整大小之一轉換電場，一偏振光入射於水平配向之該基板，且該偏振光之偏振方向正交或平行於水平配向之該基板的配向方向；及一液晶層，位於該二基板之間，該液晶層之雙折射率與該液晶厚度的乘積除以該偏振光之波長係大於或等於10，該偏振光的偏振方向對應該轉換電場的大小在該液晶層旋轉。
  2. 如請求項1之電控偏振旋轉裝置，其中，該二基板之二配向方向的夾角係一旋轉角，該旋轉角大於0度且小於等於90度，該液晶厚度與該液晶層之螺距的比值小於等於1/4，該偏振光的偏振方向在零度角至該旋轉角之間旋轉。
  3. 如請求項2之電控偏振旋轉裝置，其中，該液晶層之材料係由負型液晶摻旋性分子，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由0度角至該旋轉角。
  4. 如請求項1之電控偏振旋轉裝置，其中，該二基板之二配向方向的夾角係一旋轉角，該旋轉角大於90度且小於等於180度，該液晶厚度與該液晶層之螺距的比值大於1/4且小於等於3/4。
  5. 如請求項4之電控偏振旋轉裝置，其中，該液晶層之材料係由負型液晶摻旋性分子，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至該旋轉角。
  6. 如請求項4之電控偏振旋轉裝置，其中，該液晶層之材料係由正型液晶摻旋性分子，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振 光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至0度角。
  7. 如請求項4之電控偏振旋轉裝置，其中，該液晶層之材料係由雙頻液晶摻旋性分子，該轉換電場切換為一低頻頻率及一高頻頻率，該低頻頻率係小於該液晶層之交叉頻率，該高頻頻率係大於該液晶層之交叉頻率，當該轉換電場切換為該低頻頻率時，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至0度角；當該轉換電場切換為該高頻頻率時，該轉換電場由零增至一飽和電場的過程中，該偏振光的偏振方向旋轉由該旋轉角的一半至該旋轉角。
  8. 如請求項1之電控偏振旋轉裝置，其中，該二基板分別具有一導電層，由一可調電源分別電性連接該二導電層，該二導電層的材料是氧化銦錫、奈米銀線或奈米金屬粒子。
  9. 如請求項1之電控偏振旋轉裝置，其中，該二基板的材料是玻璃、壓克力或塑膠。
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