液晶电控光束偏转装置及方法与流程

本发明涉及液晶调光器件，具体涉及一种液晶电控光束偏转装置及方法。

背景技术：

非机械的光束偏转装置在光通讯、激光扫描雷达、3d扫描设备等诸多行业，都有着广泛的应用。目前的非机械的光束偏转装置，有些已经成熟应用，有些还处于发展阶段，并未广泛应用。

公告号为cn103703405a的专利中，公开了一种用于通讯行业的波长选择开关，其使用液晶单元和偏振光栅单元组合来实现对光束偏转的控制。液晶单元控制圆偏光的左右旋切换。偏振光栅实现对圆偏光进行不同角度的衍射。但是偏振光栅制造工艺难度大，使得现阶段这种装置很难得到大量生产。

公告号为us7499608的专利中，公开了一种用于通讯行业的波长选择开关，使用液晶单元和楔形双折射棱镜实现对光束偏转的控制。液晶单元控制线偏振光在s偏振和p偏振之间切换。双折射棱镜针对s偏振和p偏振有不同的折射率，从而控制出射光的不同偏转角度。目前这种装置虽然已经得到量产，但是双折射楔形棱镜制作精密度高、价格昂贵，导致整体系统成本较高。

而采用硅上液晶的光束装置，其是通过精确控制硅上液晶屏上每个像素的液晶偏转角，来精确控制每个像素点上反射光的相位，从而精确控制反射光的反射角度。但是，由于其同时涉及半导体行业和液晶显示屏行业两种行业，其制造难度大，成本较高，并且较难进行较大的具有针对性的设计变更。

技术实现要素：

本发明的目的在于液晶电控光束偏转装置及方法，其结构简单易于加工制造，具有更低的成本以及更好地量产性，光束偏转角度控制灵活，适用于更多的应用场景。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供一种液晶电控光束偏转装置，所述装置包括交叉矩阵液晶盒，所述交叉矩阵液晶盒由上至下依次包括：上基板、上导电层、上配向层、液晶层、下配向层、下导电层和下基板；

其中，所述上基板和下基板均为透明玻璃，所述上导电层和下导电层为基于透明导电膜制备而成，并且所述上导电层设置成多个平行排列的行电极，所述行电极的宽度约为入射光束的直径，所述下导电层设置成多个平行排列且与所述行电极垂直的列电极，所述列电极的宽度小于所述行电极的宽度，所述上配向层和下配向层的配向方向互成180度。

优选地，所述液晶层包括向列相液晶。

优选地，定义第一距离为一个行电极宽度和一个行电极间隙之和，所述第一距离为10微米至10毫米之间。

优选地，定义第二距离为一个列电极宽度和一个列电极间隙之和，该第二距离为1微米至10微米之间。

优选地，所述行电极为等间隔排列设置，和/或，所述列电极为等间隔排列设置。

优选地，所述列电极上镀有具有镜面反射功能的金属电极。

本发明的第二方面，还提供了一种液晶电控光束偏转方法，所述方法包括：

提供如上述液晶电控光束偏转装置；

将所述下导电层划分成多个列电极组，其中每个所述列电极组包括相邻且数量相等的列电极；

设置驱动电压为：对于每个所述列电极组中按照固定方向依次增加所述列电极对应的驱动电压，使得每一所述列电极组对应的液晶由偏水平方向向偏垂直方向呈梯度变化；

以每一所述行电极及其对应的列电极为驱动单元，按序对每个驱动单元加载所述驱动电压；其中每个所述驱动单元加载所述驱动电压的时间小于t/x，所述t为完成一次对每个所述驱动单元加载所述驱动电压的总时间，所述x为行电极数量；

将偏振方向平行于所述液晶层中液晶配向的偏振光，由所述下基板垂直入射至所述交叉矩阵液晶盒，使得所述偏振光的传播方向发生偏转。

优选地，所述方法还包括：通过设置所述列电极组中列电极的数量来调整所述偏振光的偏转角度；

所述偏振光偏转角度与所述列电极组中列电极的数量的对应关系如下式所示：

θ＝arcsin[d(nx1-nx2)/(k×d)]

其中，θ为所述偏振光穿经所述交叉矩阵液晶盒后传播方向的偏转角度，并且θ满足：θ≤arcsin[(δn×d)/((k×d)]；δn为非寻常光折射率与寻常光折射率之间的差值；nx1为液晶处于偏水平方向排列时所述偏振光对应的折射率，并且小于或等于所述非寻常光折射率；nx2为液晶处于偏垂直方向排列时所述偏振光对应的折射率，并且大于或等于所述寻常光折射率；d为所述液晶层的厚度，d为一个列电极宽度和一个列电极间隙之和，k为所述列电极组中包含的列电极数量。

本发明的第三方面，还提供一种液晶电控光束偏转方法，所述方法包括：

提供如上述液晶电控光束偏转装置；

将所述下导电层划分成多个列电极组，其中每个所述列电极组包括相邻且数量相等的列电极；

设置驱动电压为：对于每个所述列电极组中按照固定方向依次增加所述列电极对应的驱动电压，使得每一所述列电极组对应的液晶由偏水平方向向偏垂直方向呈梯度变化；

以每一所述行电极及其对应的列电极为驱动单元，按序对每个驱动单元加载所述驱动电压；其中每个所述驱动单元加载所述驱动电压的时间小于t/x，所述t为完成一次对每个所述驱动单元加载所述驱动电压的总时间，所述x为行电极数量；

将偏振方向平行于所述液晶层中液晶配向的偏振光，由所述上基板垂直入射至所述交叉矩阵液晶盒，使得偏振光的传播方向发生偏转。

优选地，所述方法还包括：

通过设置所述列电极组中列电极的数量来调整所述偏振光的偏转角度；

所述偏振光偏转角度与所述列电极组中列电极的数量的对应关系如下式所示：

θ＝arcsin[2d(nx1-nx2)/(k×d)]

其中，θ为所述偏振光穿经所述交叉矩阵液晶盒后传播方向的偏转角度，并且θ满足：θ≤arcsin[(δn×d)/((k×d)]；δn为非寻常光折射率与寻常光折射率之间的差值，nx1为液晶处于偏水平方向排列时所述偏振光对应的折射率，并且小于或等于所述非寻常光折射率；nx2为液晶处于偏垂直方向排列时所述偏振光对应的折射率，并且大于或等于所述寻常光折射率；d为所述液晶层的厚度，d为一个列电极宽度和一个列电极间隙之和，k为所述列电极组中包含的列电极数量。

本发明的优点在于：

本发明提供的液晶电控光束偏转装置及方法，该装置使用结构简单的被动式驱动屏结构，实现了非机械的电控光束偏转功能，该装置易于加工制造，具有更低的成本以及更好地量产性。通过调整该装置的驱动电压以及列电极组中列电极的数量，即可调整光束的偏转角度，使用方法更加灵活，适用于更多的应用场景。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种液晶电控光束偏转装置的主要结构示意图。

图2是本发明实施例中的一种上导电层和下导电层的主要结构示意图。

图3是本发明实施例中的一种液晶电控光束偏转方法的主要步骤示意图。

图4是本发明实施例中的一种列电极组进行光束偏转流程示意图。

图5是本发明实施例中的一种测试交叉矩阵液晶盒的刷新频率的电路结构示意图。

图6是本发明另一实施例的液晶电控光束偏转装置的主要结构示意图。

图7是本发明另一实施例的液晶电控光束偏转方法的主要步骤示意图。

具体实施方式

参阅附图1，图1示例性示出了一种液晶电控光束偏转装置的主要结构。如图1所示，本发明实施例提供的液晶电控光束偏转装置包括交叉矩阵液晶盒10，该交叉矩阵液晶盒10由上至下依次包括：上基板1、上导电层2、上配向层3、液晶层4、下配向层5、下导电层6和下基板7。其中，上基板1和下基板7均为透明玻璃。上导电层2和下导电层6为基于透明导电膜制备而成，并且上导电层2设置成多个平行排列的行电极21，行电极21的宽度约为入射光束的直径，下导电层6设置成多个平行排列且与行电极垂直的列电极61，列电极61的宽度小于行电极的宽度。上配向层3和下配向层5的配向方向互成180度。

具体地，液晶层4中的液晶41采用向列相液晶，液晶41的折射率为nx。当入射偏振光的偏振方向与液晶41长轴方向平行时液晶折射率为ne，本实施例中ne为非寻常光折射率。当入射偏振光的偏振方向与液晶41短轴方向平行时液晶折射率为no，本实施例中no为寻常光折射率。非寻常光折射率与寻常光折射率之间的差值为δn；液晶层4的厚度为d。

参阅附图2，图2示例性示出了上导电层和下导电层的主要结构。如图2所示，上导电层2和下导电层6为基于透明导电膜制备而成。在上导电层2中刻蚀出多个平行排列的行电极21，该多个行电极21可以为等间隔排列设置，行电极21的宽度可以根据需要调整的光束大小进行设计。具体地，行电极21的宽度约为入射光束的直径，或者略大于入射光束的直径。例如，需要调整的入射光束直径为100微米，则行电极21的宽度也设置在100微米左右或略大于100微米，或等于100微米。定义第一距离d1为一个行电极宽度和一个行电极间隙之和，第一距离d1可设置为10微米至1000微米之间。行电极间隙设计的越小越好，可依据工艺能力进行设定。

下导电层6刻蚀出多个平行设置的列电极61，该多个列电极61可以为等间隔排列设置。列电极61与行电极21相互垂直设置。定义第二距离d2为一个列电极宽度和一个列电极间隙之和，即该第二距离d2包含列电极61的宽度和列电极61的间隙。第二距离d2越小，理论上能够实现的光束偏转角度就越大，而受限于工艺能力，该第二距离d2不能够无限小，并且过小的第二距离d2会导致列电极61的有效宽度占比(列电极宽度/列电极间距)偏小，导致光利用率下降。因此，实际应用过程中，第二距离d2通常可设置为1微米至10微米之间。

上配向层3和下配向层5的配向方向互成180度。即上配向层3和下配向层5在成膜时，刷制方向相反。例如，上配向层3由左至右刷制成膜，而下配向层5由右至左刷制成膜。又例如，上配向层3由前至后刷制成膜，而下配向层5由后至前刷制成膜。

基于上述提供的液晶电控光束偏转装置，本发明实施例还提供一种液晶电控光束偏转方法。

参阅附图3，图3示例性示出了一种液晶电控光束偏转方法的主要步骤。如图3所示，本发明实施例提供的液晶电控光束偏转方法可以包括如下步骤：

步骤s101：提供一液晶电控光束偏转装置。

具体地，可以如上述实施例提供的液晶电控光束偏转装置。

步骤s102：将下导电层6划分成多个列电极组，其中每个列电极组包括相邻且数量相等的列电极61。

具体地，将下导电层6划分为多个列电极组，每个列电极组中列电极61的数量相等，并且每个列电极组中的列电极61依次排列。

步骤s103：设置驱动电压为：对于每个列电极组中按照固定方向依次增加列电极61对应的驱动电压，使得每一列电极组对应的液晶41由偏水平方向向偏垂直方向呈梯度变化。

具体地，在列电极组中，按照固定方向，例如，由左至右依次增加列电极61对应的驱动电压，如此，由左至右的方向看，列电极组对应的液晶41由偏水平方向向偏垂直方向呈梯度变化，即液晶41长轴方向与水平方向的夹角从0度至90度成梯度变化。或者由右至左依次增加列电极61对应的驱动电压，如此，由左至右的方向看，列电极组对应的液晶41由偏垂直方向向偏水平方向呈梯度变化。对于每一列电极组中的驱动电压设置相同。需要说明的是，该驱动电压为交流电。可以理解的是，在理想状态下，驱动电压为0时液晶呈水平方向；而实际状态下驱动电压为0时液晶并不是绝对的水平方向，而是呈接近水平方向的偏水平方向。同理，驱动电压为最大时液晶呈垂直方向；而实际状态下驱动电压为最大时液晶并不是绝对的垂直方向，而是呈接近垂直方向的偏垂直方向。

参阅附图4，图4示例性示出了列电极组进行光束偏转流程。如图4所示，该列电极组是由右至左依次增加列电极61对应的驱动电压，此时液晶41排列方向从接近水平方向至逐渐接近垂直方向。其中，

最左侧液晶41分子对应的光程为：nx1×d，nx1≤ne，nx1为液晶处于偏水平方向排列时偏振光对应的折射率，即在液晶处于偏水平方向时，垂直入射交叉矩阵盒且偏振方向与配向方向平行的偏振光对应的折射率。

最右侧液晶41分子对应的光程为：nx2×d，nx2≥no，nx2为液晶处于偏垂直方向排列时偏振光对应的折射率，即在液晶处于偏垂直方向时，垂直入射交叉矩阵盒且偏振方向与配向方向平行的偏振光对应的折射率；

光束偏转角θ为：sin(θ)＝(nx1×d-nx2×d)/(k×d)

并且，sin(θ)≤δnd/(k×d)。

其中，d为一个列电极宽度和一个列电极间隙之和，k为列电极组中包含的列电极61数量。

步骤s104：以每一行电极21及其对应的列电极61为驱动单元，按序对每个驱动单元加载驱动电压，其中每个驱动单元加载驱动电压的时间小于t/x，t为完成一次对每个驱动单元加载驱动电压的总时间，x为行电极数量。

具体地，上导电层2共设有x个行电极21，以每一行电极21及其对应的列电极61为驱动单元。由第1行至第x行，按序对每个驱动单元加载上述驱动电压。每一行电极21在不驱动的时候加载的驱动电压为零。在此过程中，正性液晶分子在加载驱动电压后，会因电场原因迅速向电场方向偏转，偏转幅度由电压大小和加电时间长短共同决定。在撤去电场后，在液晶分子力作用下，迅速向平行于基板平面的方向偏转。若采用常规的显示液晶的刷新率(60hz左右)，则对于某一固定的驱动单元，不加电的时间总是远大于加电的时间，液晶分子有足够的时间回到平行于基板表面方向的角度，液晶分子在电场作用下不停的在平行于基板表面方向和某一偏转角度方向之间不停的摆动，人眼最终看到的是通过交叉矩阵液晶盒10的一个平均光强。因此，若需要得到一个稳定的光束偏转角，交叉矩阵液晶盒10内的液晶分子需要在各自固定的角度保持不变，因此理想情况是在每个驱动单元上都加持续的电压。而x行y列的被动式的交叉矩阵液晶盒10的结构决定每个驱动单元的加电时间占总时间的比例<t/x，因此为了达成液晶分子在固定角度保持近似不变的效果，则需要采用比常规显示更高的刷新频率。针对具体的液晶电控光束偏转装置可以进行测试验证，以获得较优的刷新频率。

下面以8微米的平行摩擦交叉矩阵液晶盒10为例，以测试其较优的刷新频率。测试电路图如5所示，该测试电路包括光源81、起偏器82、交叉矩阵液晶盒10、检偏器83、硅光电管84以及与其电连接的示波器85。该交叉矩阵液晶盒10为8行n列的交叉矩阵液晶盒；配向材料型号：道尔顿dl-2860；液晶型号：烟台显华的x3p-1002。测试结果显示，在对交叉矩阵液晶盒10加载占空比为10％的16v驱动电压时，当刷新频率为500hz时，示波器85显示的波形表明液晶分子在电场作用下有着明显的摆动。使用10％占空比的16v驱动电压驱动时，当刷新频率超过2000hz后，液晶分子在电场下的摆动振幅渐渐趋向于零。而在实际使用中，通常行电极21需要48行或更多的行数设计，因此实际会需要更高的刷新频率。

步骤s105：将偏振方向平行于液晶层4中液晶41配向的偏振光，由下基板7垂直入射至交叉矩阵液晶盒10，使得偏振光的传播方向发生偏转。

具体地，偏振光由下基板7垂直进入交叉矩阵液晶盒10并由上基板1射出，在此过程中，偏振光的传播方向发生偏转。对于具体的液晶电控光束偏转装置，可以通过设置其列电极组中列电极61的数量来调整偏振光的偏转角度。更为具体地，偏振光偏转角度与列电极组中列电极61的数量的对应关系如公式(1)所示：

θ1＝arcsin[d(nx1-nx2)/(k×d)](1)

其中，θ1为偏振光穿经交叉矩阵液晶盒后传播方向的偏转角度，并且θ1满足：θ≤arcsin[(δn×d)/((k×d)]。

综上，基于上述液晶电控光束偏转装置及方法，利用光衍射效应可以使偏振光的传播方向发生固定角度的偏转。

参阅附图6，图6示例性示出了另一实施例的液晶电控光束偏转装置的主要结构。在行电极21数量设计较多或者行间距较大时，列电极61的长度相应也设计的较长，如此使列电极61的电阻较大，使得不同行电极21对应的光偏转效果有很大差别。为此，可以在列电极61上蒸镀有具有镜面反射功能的金属电极62。如果是在可见光场景应用，金属电极62可以用铝材料制作。镀上金属电极62后，列电极61呈不透明状态且具有镜面反射功能，则可以利用金属电极62的反射特性，使得液晶电控光束偏转装置成为反射型应用。

基于该反射型的液晶电控光束偏转装置，本发明实施例还提供一种液晶电控光束偏转方法。

参阅附图7，图7示例性示出了另一种液晶电控光束偏转方法的主要步骤。如图7所示，本发明实施例提供的液晶电控光束偏转方法可以包括：

步骤s201：提供一液晶电控光束偏转装置。具体地，如上述反射型的液晶电控光束偏转装置。

步骤s202：将下导电层6划分成多个列电极组，其中每个列电极组包括相邻且数量相等的列电极61。

步骤s203：设置驱动电压为：对于每个列电极组中按照固定方向依次增加列电极61对应的驱动电压，使得每一列电极组对应的液晶41由偏水平方向向偏垂直方向呈梯度变化。

步骤s204：以每一行电极21及其对应的列电极61为驱动单元，按序对每个驱动单元加载驱动电压；其中每个驱动单元加载驱动电压的时间小于t/x，t为完成一次对每个驱动单元加载所述驱动电压的总时间，x为行电极数量。

步骤s205：将偏振方向平行于液晶层中液晶配向的偏振光，由上基板1垂直入射至交叉矩阵液晶盒10，使得偏振光的传播方向发生偏转。

具体地，步骤s202至s204可以参考上述步骤s102至s104，在此不再赘述。

该反射型的液晶电控光束偏转装置，由上基板1输入偏振光进入交叉矩阵液晶盒10后，并由下导电层6反射后，再次由上基板1射出，在此过程中，偏振光发生固定角度的偏转。更为具体地，可以通过设置列电极组中列电极61的数量来调整偏振光的偏转角度。偏振光偏转角度与列电极组中列电极61的数量的对应关系如公式(2)所示：

θ2＝arcsin[2d(nx1-nx2)/(k×d)](2)

其中，θ2为偏振光穿经交叉矩阵液晶盒后传播方向的偏转角度。

同理，该反射型的液晶电控光束偏转装置也需要更高的驱动频率。针对具体的液晶电控光束偏转装置可以通过测试验证，以获得较优的刷新频率。

综上所述，本发明提供的液晶电控光束偏转装置及方法，该装置使用结构简单的被动式驱动屏结构，实现了非机械的电控光束偏转功能，该装置易于加工制造，具有更低的成本以及更好地量产性。通过调整该装置的驱动电压以及列电极组中列电极的数量，即可调整光束的偏转角度，使用方法更加灵活，适用于更多的应用场景。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。