本發(fā)明涉及一種光束偏轉器件，尤其涉及一種液晶陣列光線方向調控器件及其應用。

背景技術：

雙目視差三維顯示是目前普遍采用的傳統(tǒng)三維顯示方法，但該方法存在著視覺混亂和視覺疲勞問題，且設備笨重昂貴。近眼集成光場三維顯示采用高速調制集成光發(fā)射陣列并通過電信號用光線方向調制器控制光場的空間掃描，提高三維光場的數(shù)據(jù)量，減小系統(tǒng)尺寸，是實現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定性和低成本便攜式近眼光場三維顯示系統(tǒng)的一個理想解決方案。

近眼集成光場三維顯示是一種將光子芯片與點陣光線偏轉控制器件結合起來的技術。光子芯片是一種陣列發(fā)光器件，為了實現(xiàn)三維顯示，需要一種光線偏轉器件對單個像素點進行偏轉控制。

目前，光束偏轉器件按其實現(xiàn)的途徑可分為：機械式偏轉器、聲光偏轉器和電光偏轉器。這些偏轉器件一般體積大、重量重、功耗高，且不易集成，因此在實際使用中受到了限制。

液晶光學相控陣(LCOPA)是一種實時可編程光束偏轉器件，它采用驅動電壓低、相位調制深度大的向列相液晶作為相位調制的電光材料，使器件具有重量輕、尺寸小、功耗低和易于實現(xiàn)微電子控制電路等優(yōu)點，不但解決了激光波束的快速指向、靈活控制和空間掃描問題，而且使系統(tǒng)的集成度更高，柔性控制能力更強，制造成本更低廉?，F(xiàn)有液晶光學相控陣由液晶盒以及在液晶盒表面平行排列的若干電極組成，每一根電極及其影響的液晶區(qū)域組成一個移相單元，調控原理圖如圖4所示。但是現(xiàn)有液晶相控陣器件存在著缺陷，一是相位回程區(qū)的存在使得偏轉效率受到限制；二是現(xiàn)有液晶相控陣器件的光線偏轉是通過控制每一根電極的施加電壓來實現(xiàn)的，一般需要幾百到幾千個控制引腳，因而增加了控制成本和控制難度；三是液晶相控陣的電極布線過于復雜，引線容易交叉。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種液晶陣列光線方向調控器件及其應用，能夠滿足近眼集成光場三維顯示的需要，用于對每個像素點的發(fā)光方向進行調控，形成易于與光子芯片集成的點陣光線偏轉器件。傳統(tǒng)液晶相控陣也可以集成陣列光線方向調制器，但是每根電極都需要單獨的控制線，需要多層布線，易于交叉短路，且控制電極極多，加工難度大。相比而言，本發(fā)明只需單層布線，有著很低的控制成本和控制難度。

本發(fā)明所采用的具體技術方案如下：

一種液晶陣列光線方向調控器件，包括液晶盒以及液晶盒表面間隔排列的透明電極，每個透明電極控制對應區(qū)域的液晶偏轉；所有的透明電極被劃分為多個調制單元，各調制單元內包含多個透明電極，同屬一調制單元內的透明電極的一端連接同一電阻材料，該電阻材料的兩側分別引出用于接入施加電壓的電極。

本發(fā)明創(chuàng)造性地引入高阻材料，將每個調制單元一端的電極連在一起。利用液晶的相位調制特性，液晶陣列光線方向調制器由液晶盒以及液晶盒表面排列的一定數(shù)量的條形透明電極組成，每個透明電極控制著一定區(qū)域的液晶偏轉。將一定數(shù)量的電極作為一個調制單元，所有電極的一端與高電阻材料連接在一起，高阻材料的兩端分別引出一個電極，當在高阻材料兩端施加電壓時，內部與之接觸的透明電極根據(jù)高阻材料電阻分配電壓，這樣一個調制單元僅僅需要兩個電極，達到降低控制難度的目的。

作為優(yōu)選的，所述透明電極采用的透明導電材料包括但不限于基于ITO、ZnO等TCO薄膜材料。

作為優(yōu)選的，所述電阻材料(在說明書中也稱為高阻材料)的電阻為1KΩ～1MΩ，此處電阻材料做分壓用，電阻不能太高，此外電阻兩端直接接有正負電極，為了減少器件功率及避免短路，電阻不能過低。進一步優(yōu)選的，所述的電阻材料為ZnO、ITO或GaAs等半導體材料，且所述的電阻材料均勻分布，即長度方向上電阻材料各處的電阻相同。

鍍設的高阻材料的厚度和寬度可以根據(jù)所選液晶材料的相位-電壓分布曲線調整，最終達到將調制范圍內的相位-電壓分布曲線校正為線性的目的，可以固定厚度改變寬度，也可以固定寬度而改變厚度。在誤差允許范圍內，可以認為相位-電壓分布曲線在中間區(qū)域是線性的，因而所鍍高阻材料應均勻分布。

作為優(yōu)選的，所述電極的材料為鉑、金、銀、銅、鋁、鈦、鎳、鈷或鈀。

進一步的，所有調制單元引出的兩條電極分別集成后引出，集成后的兩根電極連接至驅動電壓。也就算是說，各個調制單元的兩根電極可以分別集成，這樣整個器件只需要兩根電極，從而可以不需要多層布線，簡化了布線難度。

作為優(yōu)選的，所述的驅動電壓為交流方波電壓，方波的周期小于液晶偏轉周期，對于同一調制單元，只需要控制兩個電極，且兩個電極的方波相位同步。

作為優(yōu)選的，每個調制單元所控制的液晶區(qū)域應大于發(fā)光像素點發(fā)光光斑的尺寸，同時，為了滿足液晶的光束方向調制特性，發(fā)光像素點發(fā)出的光線必須是平行的，且應當是偏振光。

本發(fā)明還提供一種液晶陣列光線方向調控器件的應用，將兩塊上述的液晶陣列光線方向調控器件進行平行疊加，且兩塊液晶陣列光線方向調控器件內透明電極的相互垂直，用于實現(xiàn)二維點陣光線方向調控。

本發(fā)明的液晶陣列光線方向調控器件，可以實現(xiàn)光線方向的連續(xù)偏轉，且不存在相位回程區(qū)的影響，偏轉效率相比傳統(tǒng)液晶光學相控陣損失較小。此外，由于使用的分布式阻抗分壓技術，使得控制電極的數(shù)量大大減少，降低了控制難度和控制成本，且不會因為電極過多而引起電極交叉。本發(fā)明能夠實現(xiàn)與光子芯片耦合的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所設計的陣列光線方向調制器的下基底平面圖。圖中，101是一個調制單元，205是下基底玻璃，205表面排布有周期分布的調制單元。102是間隔分布的透明電極，103是高阻均勻材料，104和105是一個調控單元引出的兩根電極，分別施加不同的電壓。

圖2是本發(fā)明所涉及的液晶陣列光線方向調控器的截面圖。圖中，201是上基底玻璃，202是公共電極，203是上基底的絕緣層，204是下基底的絕緣層，205是下基底玻璃，206是向列相液晶。

圖3是本發(fā)明等相位面以及調控光線方向的原理示意圖，301是發(fā)光像素點；

圖4是現(xiàn)有液晶相控陣技術的原理圖，每根電極都需要一個單獨的控制線；

圖5是本發(fā)明采用的一種向列相液晶的相位與驅動電壓之間的關系曲線圖；

圖6是本發(fā)明的驅動電壓波形圖；

圖7是液晶陣列光線方向調控器的電極分布圖。

具體實施方式

為使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖對本發(fā)明提供的液晶陣列光線方向調控器及其制造步驟、驅動方式進行詳細描述。

實施例1

圖1為實施例1提供的液晶陣列光線方向調控器的下基底結構示意圖，圖2為實施例1提供的液晶陣列光線方向調控器的截面示意圖，圖3為利用本發(fā)明提供的液晶陣列光線方向調控器的光線方向調制原理圖。如圖1到圖3所示，該液晶陣列光線方向調控器包括：相對設置的上基板201和下基板205，在兩基板之間填充有向列相液晶206，在上基板上形成有第一電極202和絕緣層203，在下基板上形成有等間隔分布的第二電極102和絕緣層204，第二電極102為條形透明電極，同一調制單元中，在每個第二電極102的一端鍍有高阻材料103。

本實施例中，還可以在絕緣層203的下表面和絕緣層204的上表面形成有液晶取向層，經摩擦后可以使液晶分子按照一定的方向排列。高阻材料103可以是半導體材料，例如ZnO、GaAs、ITO。

液晶陣列光線方向調制器的電極分布如圖7所示，時分復用三維顯示允許所有調制單元的電壓同步，因而可以將所有調制單元的控制電極集成在一起，最后引出兩根電極，從而明顯降低器件的加工難度和控制難度。

本實施例的液晶陣列光線方向調控器中，在下基板電極的一端鍍有高阻材料，通過分布式阻抗分壓，可以大大降低電極控制的難度和成本。

實施例2

本實施例用于制備實施例1中液晶陣列光線方向調控器的步驟如下：

步驟S1：提供第一基板(上基板201)和第二基板(下基板205)；

步驟S2：在第一基板(上基板201)形成第一電極202；

步驟S3：在第二基板(下基板205)上獲得等間隔分布的第二電極102；

步驟S4：在第二電極102的一端鍍高阻材料103；

步驟S5：從每個控制單位的高阻材料103兩端引出兩根導電電極，見圖1中的第三電極104和第四電極105；

步驟S6：對盒第一基板(上基板201)和第二基板(下基板205)，灌入向列相液晶206；

步驟S7：重復S1-S6，制作第二塊光線方向調控器；

步驟S8：將兩塊光線方向調控器平行疊加校正，兩者電極方向垂直。

實施例3

本實施例描述陣列光線方向調控器件的驅動方式：

由于液晶在直流電壓作用下易發(fā)生分解，因此，驅動電壓設置為交流方波電壓。矩形方波的電壓有效值為：矩形方波的波形如圖6所示，其中，T為矩形方波的一周期，U為峰值電壓。根據(jù)圖5所示的液晶盒的相位延遲與施加電壓的關系圖可知，電壓有效值在一定范圍內相位變化在0-2π之間，同時可以認為相位-電壓是線性變化的，記電壓范圍的兩端分別為U₁和U₂(U₁＜U₂)。因此，在對一個調制單元兩根電極施加控制電壓的時候，其中一個電極電壓有效值固定為U₁，另外一個電極電壓有效值U在U₁到U₂之間變化，由于高阻材料的分布式阻抗分壓特性，一個單元內的電極的電壓從U₁到U逐漸遞增，相應的，一個調制單元內的各個電極所控制的液晶形成的相位差遞增。當光線從底部透射的時候，就會發(fā)生偏折，如圖3所示。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。