TWI647513B - 偏振無關液晶相位調制器 - Google Patents

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Abstract

一種偏振無關液晶相位調制器，包含透光的一第一基板、一第二基板，及夾設於該第一、二基板之間的一液晶層。特別的是，該液晶層具有多行沿一第一方向週期排列的液晶列。該等液晶列的排列週期不大於該入射光的波長且任相鄰的液晶列的液晶分子排列方向彼此正交。

Description

偏振無關液晶相位調制器
本發明是有關於一種相位調制器，特別是指一種偏振無關液晶相位調制器。
液晶分子由於具有電控可調的特性，除了可作為光強度的調變之外，近年來更被廣泛的研究於光電元件的應用。
然而，因為液晶分子於電控可調的同時也會有雙折射的特性產生，因此，對不同的偏極化光而言，液晶分子並不是一個等向介質。所以，當利用液晶作為例如液晶透鏡等光電元件時，通常都需要搭配偏振片使用。但是，偏振片的使用會降低液晶透鏡的光穿透率與光利用率，因此，實現偏振無關的液晶透鏡也成為目前相關的重點研究方向之一。
目前用於實現偏振無關之相位調制的方式有利用特殊液晶材料控制，例如利用藍相液晶、奈米聚合物分散式液晶(nano-PDLC)，或是利用雙層液晶結構。前述特殊液晶材料雖可利用單層液晶結構進行相位調制，但是相位變化量小且材料特殊；而利用雙層液晶結構方式雖然相位變化量大，但是需要兩個液晶盒，整體結構較為複雜。
因此，本發明的目的，即在提供一種結構簡單、相位調變量大的偏振無關液晶相位調制器。
於是，本發明偏振無關液晶相位調制器包含一透光的第一基板、一透光的第二基板，及一液晶層。
該第一基板具有一第一板本體，及位於該第一板本體的其中一表面的第一電極。
第二基板與該第一基板間隔設置，具有一第二板本體，及位於該第二板本體的表面且與該第一電極相對設置的一第二電極，且該第一電極及該第二電極可配合施加電壓。
該液晶層夾設於該第一基板及該第二基板之間，具有多行沿與該第一基板平行的一第一方向週期排列的液晶列，且任相鄰的液晶列的液晶分子排列方向彼此正交，定義任相鄰的兩個液晶列為一排列週期，該排列週期不大於該入射光的波長。
本發明的功效在於，藉由令夾設於該第一基板及該第二基板之間的該等液晶列以不大於入射光波長的排列週期排列，並讓任相鄰的液晶列的液晶分子排列方向彼此正交，而得以讓入射光於通過該液晶層時可改變相位而不改變光的偏振態。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
本發明偏振無關液晶相位調制器係用於調控入射至該相位調制器的一入射光的相位，而得以讓入射光於通過該液晶層時可改變相位並不改變光的偏振態，而達到偏振無關的相位調制效果。
該偏振無關液晶相位調制器可應用於全像技術(holography)與成像系統(例如調適光學(adaptive optics))與變焦透鏡(如液晶透鏡)。例如，當將該偏振無關液晶相位調制器作為變焦透鏡，而應用於一般光學鏡頭，則可利用電控變焦改變成像距離，替換機械式對焦結構改為電控對焦，或是利用在投影機時，可利用電控變焦改變焦聚，而投影在不同距離。
參閱圖1、2，本發明偏振無關液晶相位調制器的一第一實施例包含一第一基板2、一第二基板3，及一液晶層4。
該第一基板2為可透光，具有一第一板本體21、位於該第一板本體21的其中一表面的一第一電極22，及一位於該第一電極22表面的第一配向膜23。
該第二基板3為可透光，與該第一基板2間隔設置。具有一第二板本體31、位於該第二板本體31的表面且與該第一電極22相對設置的一第二電極32，及一位於該第二電極32表面的第二配相膜33。
該第一板本體21及該第二板本體31可選自如玻璃、高分子材料等透光材料。該第一電極22及該第二電極32則由透明導電材料，例如ITO、AZO、奈米銀線，或金屬網格等所構成，且可相互配合施加電壓至該液晶層4。
該第一配向膜23及該第二配向膜33的構成材料及相關細部結構為本技術領域者所知悉，因此不再多加說明。其中，該第一配向膜23及該第二配向膜33可為水平配向；或是可令該第一配向膜23及該第二配向膜33彼此呈正負45°夾設或是垂直配向，而可進一步防止該液晶層4不連續或是散射效應。於本實施例中是以該第一電極22及該第二電極32為分別全面地形成於該第一板本體21及該第二板本體31的表面，且該第一配向膜23及該第二配向膜33為彼此呈45°夾設為例說明。
該液晶層4夾設於該第一基板2及該第二基板3之間，具有多行沿一與該第一基板2及該第二基板3平行之第一方向X週期排列的液晶列41，每一液晶列41的液晶分子411沿一方向排列，任相鄰的液晶列41的液晶分子411排列方向彼此正交。定義該每一液晶列41沿該第一方向X的寬度d，任相鄰的兩個液晶列41為一排列週期(alignment period)2d，且該等液晶列的排列週期2d不大於該入射光的波長(l)。
以一維光柵說明，光柵的繞射角度q可以表示為：sinq=l/2d，也就是說，當該排列週期2d大於該入射光的波長(l)時，即會讓入射光產生繞射。因此，當需求為無繞射效應時，則應控制讓繞射角度大於90°，即代表應讓2d≦l。此時，入射至該液晶層4的入射光不會產生繞射而可視為等效，因此該液晶層4可視為一具有電控可調折射率的光均勻介質，而達成與入射光的偏振態無關的相位調制效果。
詳細的說，當利用本發明偏振無關液晶相位調制器調變入射光的相位時，可藉由該第一電極22及該第二電極32施加電壓，此時，該等液晶分子411會隨著電場改變原來的排列方向，而改變該液晶層4的折射率，從而改變入射至該液晶層4的入射光的相位，而因為本發明利用將該等液晶列41的排列週期2d控制在不大於入射光波長的範圍，因此，該液晶層4可視為一具有電控可調折射率的光均勻介質，而達成與入射光的偏振態無關的相位調制效果。
以原始的該等液晶列41的液晶分子411為沿平行該第一基板2的方向說明，當該等液晶分子411隨著電場變成沿垂直方向排列時，該液晶層4的折射率便會開始隨著液晶分子411的轉動而下降，因此，入射至該液晶層4的入射光的整體相位遍隨著折射率由(n e+n 0)/2降低至n 0而降低。而得到一與入射光的偏振態無關的相位調制效果。
其中，n 0：入射光的偏振方向垂直液晶分子指向矢的液晶層折射率；n e：入射光的偏振方向平行液晶分子指向矢的液晶層折射率。
要說明的是，本案主要是藉由令任相鄰的兩液晶列41的液晶分子411的排列方向及該等液晶列41的排列週期控制而達成相位調控目的，與液晶材料的特性較無關聯，因此，該等液晶分子411可選自一般常用的向列型液晶(nematic LC)、層列型液晶(sematic LC)，或膽固醇液晶(cholesteric LC)等並無需特別限制。
參閱圖3~6，要再說明的是，本發明該第一電極22及該第二電極32的其中之一也可以是非平面而為具圖案化的電極結構。例如，該第一電極22可以是如圖3所示具有中間成圓形鏤空形狀的圖案化電極結構(圖3中省略該等液晶分子411，而以箭頭表示圖1所示之液晶分子411的排列方向)，或是該第一電極22也可如圖4~6所示，具有中間成橢圓形鏤空形狀的圖案化電極結構，或是多層的同心環狀結構等均可。此時，利用該第一電極22及該第二電極32配合施加電壓時會產生不均勻電場，而可控制讓該液晶層4的相位分佈為圓對稱，而令本發明偏振無關液晶相位調制器形成一個與偏振無關且可電控變焦的液晶透鏡。該可電控變焦的液晶透鏡則可用於取代傳統光學元件，例如該液晶透鏡可應用於鏡片，而得到一調焦眼鏡。
配合參閱圖1、7，本發明偏振無關液晶相位調制器的一第二實施例其結構與該第一實施例大致相同，不同處在於該第二實施例的每一液晶列41還進一步具有多個液晶區412，且任相鄰的兩個液晶區412的液晶分子411排列方向彼此正交。圖7中僅以箭頭表示該每一個液晶區412中的液晶分子411排列方向。
一般使用液晶的相位調制器為偏振相關的相位調制器，須使用偏光片或者偏振分光鏡(polarized beam splitter)在架構中，改以此結構實現的相位調製器，因不需使用偏光片故不會降低光利用率也可減低系統體積，此外與使用雙層液晶層或雙相位調制器的偏振無關結構比較，單層結構僅需單一元件即可達到偏振無關目的，其體積小光利用率高應用在變焦透鏡等光學元件上可大幅提升使用範圍。
綜上所述，本發明利用空間上的分割，讓該等液晶列41以不大於入射光波長的排列周期進行排列，因此，入射至該液晶層4的入射光不會產生繞射可視為等效，而可將該液晶層4視為一具有電控可調折射率的光均勻介質，達成與入射光的偏振態無關的相位調制，相較習知無需偏振片的相位調變方式，不僅無需特別限制所使用的液晶材料且僅需要單層液晶層即可達成，結構簡單且相位調變量大，且相同結構不僅可應用於可見光的相位調變，也可應用於不可見光的相位調變，而可更廣泛的應用於光電相關元件，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
2‧‧‧第一基板
33‧‧‧第二配向膜
21‧‧‧第一板本體
4‧‧‧液晶層
22‧‧‧第一電極
41‧‧‧液晶列
23‧‧‧第一配向膜
411‧‧‧液晶分子
3‧‧‧第二基板
412‧‧‧液晶區
31‧‧‧第二板本體
d‧‧‧寬度
32‧‧‧第二電極
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一前視示意圖，說明本發明偏振無關液晶相位調制器的一第一實施例； 圖2是一俯視示意圖，輔助說明圖1； 圖3是一立體示意圖，說明該第一實施例的第一電極具有中間圓形鏤空的結構態樣； 圖4是一俯視示意圖，說明該第一實施例的第一電極的另一結構態樣； 圖5是一俯視示意圖，說明該第一實施例的第一電極的又一結構態樣； 圖6是一俯視示意圖，說明該第一實施例的第一電極的再一結構態樣；及 圖7是一立體示意圖，說明本發明偏振無關液晶相位調制器的第二實施例。

Claims (7)

  1. 一種偏振無關液晶相位調制器，用於調控入射至該偏振無關液晶相位調制器的一入射光的相位，包含：一透光的第一基板，具有一第一板本體，及位於該第一板本體的其中一表面的第一電極；一透光的第二基板，與該第一基板間隔設置，具有一第二板本體，及位於該第二板本體的表面且與該第一電極相對設置的一第二電極，且該第一電極及該第二電極可配合施加電壓；及一液晶層，夾設於該第一基板及該第二基板之間，具有多行沿一與該第一基板平行之第一方向週期排列的液晶列，定義任相鄰的兩個液晶列為一排列週期，該排列週期不大於該入射光的波長，且任相鄰的液晶列的液晶分子排列方向彼此正交。
  2. 如請求項1所述的偏振無關液晶相位調制器，其中，該每一液晶列具有多個液晶區，且任相鄰的液晶區的液晶分子排列方向彼此正交。
  3. 如請求項1所述的偏振無關液晶相位調制器，其中，該第一基板及該第二基板分別具有對應形成於該第一電極及該第二電極相對之表面的一第一配向膜及一第二配向膜。
  4. 如請求項3所述的偏振無關液晶相位調制器，其中，該第一配向膜及該第二配向膜可為水平配向或垂直配向。
  5. 如請求項1所述的偏振無關液晶相位調制器，其中，該第一電極及該第二電極可配合產生不均勻電場。
  6. 如請求項5所述的偏振無關液晶相位調制器，其中，該第一電極為圖案化電極。
  7. 如請求項6所述的偏振無關液晶相位調制器，其中，該第一電極可為圓形、橢圓形、同心環狀結構、或是具有位於中央的圓形或橢圓形鏤空結構的圖案化電極。
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