液晶光柵及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種液晶光柵結(jié)構(gòu)，其包括：上基板，其上設(shè)透明導(dǎo)電薄膜；下基板，其上依次光刻形成條狀下接地電極層，在所述下接地電極上沉積第一電介質(zhì)層，在所述電介質(zhì)層上形成與所述下接地電極平行交錯(cuò)的尋址電極，在所述尋址電極上再次沉積第二電介質(zhì)層，再在所述第二沉積電介質(zhì)層形成與下接地電極重疊的條狀上接地電極；液晶，夾設(shè)在所述上基板和所述下基板之間。本發(fā)明通過(guò)下玻璃基板上的上接地電極和下接地電極對(duì)尋址電極電力線的屏蔽作用，有效抑制了傳統(tǒng)液晶光柵中尋址電極與上玻璃基板接地電極之間的橫向電場(chǎng)，從而抑制擴(kuò)展到非尋址電極區(qū)的邊緣電場(chǎng)。本發(fā)明可用于設(shè)計(jì)高分辨率、大偏轉(zhuǎn)角的液晶光柵器件。
【專利說(shuō)明】液晶光柵及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，尤其是涉及一種抑制邊緣電場(chǎng)的液晶光柵。
【背景技術(shù)】
[0002]液晶光柵(liquid crystal grating)與傳統(tǒng)的機(jī)械器件相比具有體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、分辨率高、衍射特性改變方便等各種優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛地用于衍射光學(xué)、光譜測(cè)量、光束偏轉(zhuǎn)控制、光信息處理、光計(jì)算、光通信領(lǐng)域等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]液晶相位光柵的基本器件結(jié)構(gòu)如圖1所示:在上玻璃基板16和下玻璃基板11之間填充著具有介電常數(shù)各向異性的向列相液晶14，形成一個(gè)液晶盒。在下玻璃基板11上制有透明的尋址電極12和液晶取向膜13a，在上玻璃基板16上制有透明的接地電極15和液晶取向膜13b。
[0004]由于液晶具有光學(xué)各向異性和介電各向異性，因此液晶光柵在外電場(chǎng)的作用下，其光學(xué)特性可被調(diào)節(jié)。若對(duì)使液晶分子均勻排列的液晶盒施加周期性的電場(chǎng)，就會(huì)引起液晶分子周期性地重新排列，從而使液晶層的折射率發(fā)生周期性的變化。此時(shí)入射光在透過(guò)液晶層時(shí)，產(chǎn)生光程長(zhǎng)度的周期性變化，形成相位光柵。液晶光柵中折射率產(chǎn)生連續(xù)變化，即按正弦規(guī)律對(duì)入射光進(jìn)行相位調(diào)制，正弦相位可以通過(guò)使光柵的光學(xué)厚度(幾何厚度或折射率)呈正弦型變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于正弦相位光柵，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相位調(diào)制度來(lái)控制各級(jí)主極大的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)能量在不同級(jí)次上的重新分配。
[0005]對(duì)于液晶光柵在衍射光學(xué)方面的各種應(yīng)用都需要獲得大的衍射角(偏轉(zhuǎn)角)。而衍射角由液晶光柵常數(shù)，即由尋址電極的間距決定。這就需要分辨率高的光刻掩膜去刻蝕間距更小的電極。
[0006]如圖2所示，在液晶光柵中，當(dāng)尋址電極21的間距P與上下基板的間距(液晶盒厚d)大小相當(dāng)?shù)膱?chǎng)合，在尋址電極21的邊緣，電場(chǎng)就會(huì)泄露到非尋址區(qū)域22。這種邊緣電場(chǎng)的存在，使得尋址區(qū)域21與非尋址區(qū)域22的電場(chǎng)不再是分立的，而是連成一體。非尋址區(qū)域的液晶會(huì)受到邊緣電場(chǎng)的影響而發(fā)生不應(yīng)有的偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象被稱為邊緣場(chǎng)效應(yīng)。它會(huì)導(dǎo)致液晶光柵的相位調(diào)制能力嚴(yán)重下降，進(jìn)而使入射光的衍射效率顯著降低。同時(shí)，因?yàn)橐壕Ч鈻乓酝干涫綖橹鳎瑸榱双@得較大的相位調(diào)制深度，在液晶材料特性一定的前提下需要較大的液晶盒厚。如果要減少液晶盒厚，就要選擇具有高折射率差的液晶材料，這樣邊緣場(chǎng)效應(yīng)的出現(xiàn)就不可避免。
[0007]邊緣場(chǎng)效應(yīng)的存在，使得在尋址區(qū)域的液晶分子31發(fā)生偏轉(zhuǎn)的同時(shí)，非尋址區(qū)域的液晶分子32發(fā)生了不應(yīng)有的偏轉(zhuǎn)，如圖3所示。而這會(huì)導(dǎo)致相位調(diào)制曲線的展寬與相位調(diào)制深度的減小，如圖4所示。最終反映在衍射效率上的降低，如圖5所示，正負(fù)一級(jí)的衍射效率不到10%，而零級(jí)的衍射效率超過(guò)80%，表明大部分的入射光都無(wú)法進(jìn)行有效的偏轉(zhuǎn)。
[0008]為了克服現(xiàn)有液晶光柵的邊緣場(chǎng)效應(yīng)，本發(fā)明提出一種新型的液晶光柵結(jié)構(gòu)，能夠有效地抑制邊緣電場(chǎng)?；诒景l(fā)明提出的方案，可以有效地抑制非尋址區(qū)域的邊緣電場(chǎng)，從而為實(shí)現(xiàn)高分辨率、大偏轉(zhuǎn)角液晶光柵器件的制作創(chuàng)造了條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)的一種或多種不足，本發(fā)明提出了一種液晶光柵及其制造方法，其解決高分辨率、大偏轉(zhuǎn)角液晶光柵器件的邊緣場(chǎng)效應(yīng)。
[0010]本發(fā)明提出了一種液晶光柵，其包括:上基板，其上設(shè)透明導(dǎo)電薄膜；下基板，其上依次光刻形成條狀下接地電極層，在所述下接地電極上沉積第一電介質(zhì)層，在所述電介質(zhì)層上形成與所述下接地電極平行交錯(cuò)的尋址電極，在所述尋址電極上再次沉積第二電介質(zhì)層，再在所述第二沉積電介質(zhì)層形成與下接地電極重疊的條狀上接地電極；液晶，夾設(shè)在所述上基板和所述下基板之間。
[0011]優(yōu)選地，所述第一、二電介質(zhì)層為透明的絕緣電介質(zhì)，絕緣性好且透明度高。
[0012]優(yōu)選地，所述上接地電極、所述尋址電極或所述下接地電極都為透明的ITO電極，以便使入射光透過(guò)。
[0013]優(yōu)選地，對(duì)所述尋址電極施加尋址電壓，所述下接地電極、所述上接地電極和所述上玻璃基板的所述透明導(dǎo)電薄膜層接地。
[0014]其中，下接地電極與上接地電極圖案一致并且上下重疊，上下接地電極與尋址電極位置錯(cuò)開(kāi)排列。在液晶光柵工作時(shí)，下接地電極與上接地電極都接地電壓，尋址電極施加尋址電壓。上下接地電極施加了穩(wěn)定的電壓后，由于耦合電容的存在會(huì)與尋址電極之間形成橫向電場(chǎng)，從而抵制尋址電極與上玻璃基板上接地電位的透明導(dǎo)電薄膜層之間位于非尋址區(qū)域的邊緣電場(chǎng)。
[0015]其中，上玻璃基板上接地電位的透明導(dǎo)電薄膜層作為第三層接地電極，也是尋址電極的參考電壓電極。在液晶光柵工作時(shí)，與尋址電極間形成電壓差，產(chǎn)生電場(chǎng)，驅(qū)使液晶分子偏轉(zhuǎn)。
[0016]優(yōu)選地，所述上、下基板為鍍有ITO導(dǎo)電薄膜的玻璃基板。
[0017]本發(fā)明還提出了一種光柵器件的制造方法，其包括以下步驟:
[0018]a、在下基板上通過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕工藝形成條狀下接地電極的圖案；
[0019]b、在所述下接地電極的上方涂覆第一電介質(zhì)層，然后沉積ITO薄膜，再經(jīng)過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕工藝形成與所述下接地電極平行交錯(cuò)的條狀尋址電極的圖案；
[0020]C、在所述尋址電極的上方涂覆第二電介質(zhì)層，然后沉積ITO薄膜，再經(jīng)過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕工藝形成與下接地電極重疊的條狀上接地電極的圖案；
[0021]d、在所述下基板的所述上接地電極上旋涂取向劑聚乙酰胺并用摩擦機(jī)進(jìn)行摩擦取向，取向方向?yàn)槠叫腥∠?，在上玻璃基板的ITO接地電極層上旋涂取向劑聚乙酰胺并用摩擦機(jī)進(jìn)行摩擦取向，取向方向?yàn)槠叫腥∠颍?br> [0022]e、在所述下基板的三層電極外圍空間噴涂隔離子；
[0023]f、用點(diǎn)膠機(jī)對(duì)上玻璃基板進(jìn)行點(diǎn)膠封框，框定液晶所在區(qū)域，并留一個(gè)開(kāi)口以便灌注液晶。將上基板與下基板對(duì)位貼合；
[0024]g、利用含浸法從封盒后的開(kāi)口處灌注液晶，灌注完成后，進(jìn)行封口。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于:[0026]本發(fā)明提供的液晶光柵，下玻璃基板上的上接地電極和下接地電極對(duì)尋址電極的電力線起到屏蔽作用，同時(shí)上述接地電極與上玻璃基板上的接地電極構(gòu)成等效的兩個(gè)串聯(lián)電容。邊緣電場(chǎng)會(huì)在非尋址區(qū)域產(chǎn)生等效電壓。而三層電極構(gòu)成的串聯(lián)等效電容會(huì)對(duì)此等效電壓進(jìn)行分壓。如此，進(jìn)一步減小了施加在非尋址區(qū)域的液晶層上的電壓。
[0027]在上述液晶光柵器件中灌注液晶，在上下基板附近的液晶做平行排列取向。本發(fā)明優(yōu)選E7液晶，因其具有較高的雙折射率差，使得器件可以具有較小的盒厚；且具有較高的介電常數(shù)差，可以用較低的電壓驅(qū)動(dòng)。在上下基板對(duì)液晶分子進(jìn)行平行排列取向，使得通過(guò)液晶分子的光只有相移的改變，而沒(méi)有偏振度的改變，從而保證器件的純相位調(diào)制工作狀態(tài)。
[0028]采用本發(fā)明提供的液晶光柵及其制造方法，位于非尋址電極區(qū)域的上下接地電極與尋址電極之間形成橫向電場(chǎng)，抵制了尋址電極在非尋址電極區(qū)域的邊緣電場(chǎng)。同時(shí)這兩層接地電極與上基板的接地電極一起構(gòu)成了等效的串聯(lián)電容。等效電容對(duì)由于邊緣電場(chǎng)產(chǎn)生的在非尋址區(qū)域的等效電壓進(jìn)行分壓，進(jìn)一步降低了施加在非尋址區(qū)域的液晶層上的電壓。從而有效的抑制了邊緣電場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)高分辨率、大偏轉(zhuǎn)角液晶光柵器件提供依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是傳統(tǒng)液晶光柵器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是傳統(tǒng)液晶光柵電場(chǎng)分布仿真結(jié)果圖；
[0031]圖3是傳統(tǒng)液晶光柵的液晶分子指向矢分布仿真圖；
[0032]圖4是傳統(tǒng)液晶光柵的相位分布圖；
[0033]圖5是傳統(tǒng)液晶光柵的衍射特性圖；
[0034]圖6是本發(fā)明的液晶光柵的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖7是本發(fā)明的液晶光柵的下基板立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖8是本發(fā)明的液晶光柵的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果圖；
[0037]圖9是本發(fā)明的液晶光柵的液晶分子指向矢分布仿真圖；
[0038]圖10是本發(fā)明的液晶光柵的相位分布圖；
[0039]圖11是本發(fā)明的液晶光柵的衍射特性圖；
[0040]圖12是傳統(tǒng)液晶光柵與本發(fā)明的液晶光柵的相位調(diào)制深度曲線圖；
[0041]圖13是傳統(tǒng)液晶光柵與本發(fā)明的液晶光柵的衍射效率曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]圖6是本發(fā)明的液晶光柵的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示，本發(fā)明提出了一種液晶光柵，在下玻璃基板61和上玻璃基板68之間灌注有液晶66。在下玻璃基板61上依次分布著下接地電極62、絕緣電介質(zhì)層69a、尋址電極63、絕緣電介質(zhì)層69b、上接地電極64、液晶取向?qū)?5a，在上玻璃基板68上依次分布著接地電極67、液晶取向?qū)?5b。本發(fā)明優(yōu)選銦錫氧化物薄膜(ITO)作為下接地電極62、尋址電極63、上接地電極64、接地電極67的材質(zhì)。
[0043]圖7是本發(fā)明的液晶光柵的下基板立體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，在下玻璃基板71上依次分布下接地電極72、尋址電極73、上接地電極74，上接地電極74和下接地電極72圖案一致并且上下重疊，上接地電極74和下接地電極72之間為尋址電極73。在本實(shí)施例中，下接地電極72、尋址電極73、上接地電極74優(yōu)選電極寬度為3μπι，長(zhǎng)度2cm，電極間距為3 μ m，厚度為0.1 μ m。本實(shí)施例中優(yōu)選電介質(zhì)層總厚度為0.3 μ m。
[0044]如圖6所示，所述液晶光柵的下接地電極62、上接地電極64、和接地電極67構(gòu)成串聯(lián)電容，根據(jù)串聯(lián)電容分壓原理，可以通過(guò)控制接地電極之間的間距和電介質(zhì)調(diào)控施加在非尋址區(qū)域液晶層的電壓值。位于非尋址電極區(qū)域的下接地電極62、上接地電極64與尋址電極63之間形成橫向電場(chǎng)，抵制了尋址電極63在非尋址電極區(qū)域的邊緣電場(chǎng)。
[0045]如圖8所示，采用本發(fā)明的液晶光柵，尋址電極上的電場(chǎng)明顯收斂在尋址電極的上方。由于抑制了非尋址電極區(qū)域的邊緣電場(chǎng)，在尋址區(qū)域的液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的同時(shí)，非尋址區(qū)域的液晶分子并沒(méi)有發(fā)生有效的偏轉(zhuǎn)，如圖9所示。相應(yīng)的相位調(diào)制深度大幅提高，如圖10所不。最終反映在衍射效率上的提聞，如圖11所不，正負(fù)一級(jí)的衍射效率達(dá)到理論極限值33.86%，而零級(jí)的衍射效率只有10%左右，表明大部分的入射光都進(jìn)行了有效的偏轉(zhuǎn)。
[0046]圖12比較了本發(fā)明液晶光柵結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)液晶光柵結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制深度與外加電壓之間的變化關(guān)系，本發(fā)明液晶光柵的相位調(diào)制深度比傳統(tǒng)液晶光柵結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制深度大。
[0047]圖13比較了本發(fā)明液晶光柵結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)液晶光柵結(jié)構(gòu)的衍射效率與外加電壓之間的變化關(guān)系，本發(fā)明液晶光棚的衍射效率比傳統(tǒng)液晶光棚結(jié)構(gòu)的衍射效率大。
[0048]如圖6所示的本發(fā)明液晶光柵器件，制造過(guò)程如下:
[0049]a、使用ITO玻璃，直接在下玻璃基板61上通過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕等工藝形成下接地電極62的圖案。
[0050]b、在下接地電極62的上方涂覆絕緣電介質(zhì)層69a，然后采用磁控濺射的方法沉積ITO薄膜，再經(jīng)過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕等工藝形成尋址電極63的圖案。
[0051]C、在尋址電極63的上方涂覆絕緣電介質(zhì)層69b，然后采用磁控濺射的方法沉積ITO薄膜，再經(jīng)過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕等工藝形成上接地電極64的圖案。上接地電極64與下接地電極62使用同一張掩膜版，兩層圖案在曝光時(shí)進(jìn)行精確的對(duì)準(zhǔn)。
[0052]d、在下玻璃基板61的上接地電極64上旋涂取向劑聚乙酰胺(PI)并用摩擦機(jī)進(jìn)行摩擦取向，取向方向?yàn)槠叫腥∠?。在上玻璃基?8的ITO接地電極層上旋涂取向劑聚乙酰胺(PD并用摩擦機(jī)進(jìn)行摩擦取向，取向方向?yàn)槠叫腥∠颉?br> [0053]e、在下玻璃基板的三層電極外圍留出空間噴涂隔離子。隔離子的選擇要考慮到該厚度液晶能夠?qū)崿F(xiàn)2π以上相移，較低的驅(qū)動(dòng)電壓和工藝的可操作性。本實(shí)施例中優(yōu)選3μπι隔離子，均勻噴涂在下基板四周。
[0054]f、用點(diǎn)膠機(jī)對(duì)上玻璃基板進(jìn)行點(diǎn)膠封框，框定液晶所在區(qū)域，并留一個(gè)開(kāi)口以便灌注液晶。將上基板與下基板對(duì)位貼合。
[0055]g、本實(shí)施例中優(yōu)選E7液晶，利用含浸法從封盒后的開(kāi)口處灌注液晶。灌注完成后，進(jìn)行封口。
[0056]在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0057]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【權(quán)利要求】
1.一種液晶光柵,其包括: 上基板，其上設(shè)透明導(dǎo)電薄膜； 下基板，其上依次光刻形成條狀下接地電極層，在所述下接地電極上沉積第一電介質(zhì)層，在所述電介質(zhì)層上形成與所述下接地電極平行交錯(cuò)的尋址電極，在所述尋址電極上再次沉積第二電介質(zhì)層，再在所述第二電介質(zhì)層形成與下接地電極重疊的條狀上接地電極； 液晶，夾設(shè)在所述上基板和所述下基板之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光柵，其特征在于:所述第一、二電介質(zhì)層為透明的絕緣電介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光柵，其特征在于:所述上接地電極、所述尋址電極和所述下接地電極都為透明的ITO電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光柵，其特征在于:對(duì)所述尋址電極施加尋址電壓，所述下接地電極、所述上接地電極和所述上基板的所述透明導(dǎo)電薄膜層接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶光柵，其特征在于:所述上、下基板為鍍有ITO導(dǎo)電薄膜的玻璃基板。
6.一種光柵器件的制造方法，其包括以下步驟: a、在下基板上通過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕工藝形成條狀下接地電極的圖案； b、在所述下接地電極的上方涂覆第一電介質(zhì)層，然后沉積ITO薄膜，再經(jīng)過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕工藝形成與所述下接地電極平行交錯(cuò)的條狀尋址電極的圖案； C、在所述尋址電極的上方涂覆第二電介質(zhì)層，然后沉積ITO薄膜，再經(jīng)過(guò)光刻膠涂布、曝光、顯影、刻蝕工藝形成與下接地電極重疊的條狀上接地電極的圖案； d、在所述下基板的所述上接地電極上旋涂取向劑聚乙酰胺并用摩擦機(jī)進(jìn)行摩擦取向，取向方向?yàn)槠叫腥∠?，在上玻璃基板的ITO接地電極層上旋涂取向劑聚乙酰胺并用摩擦機(jī)進(jìn)行摩擦取向，取向方向?yàn)槠叫腥∠颍? e、在所述下基板的三層電極外圍空間噴涂隔離子； f、用點(diǎn)膠機(jī)對(duì)上玻璃基板進(jìn)行點(diǎn)膠封框，框定液晶所在區(qū)域，并留一個(gè)開(kāi)口以便灌注液晶，將上基板與下基板對(duì)位貼合； g、利用含浸法從封盒后的開(kāi)口處灌注液晶，灌注完成后，進(jìn)行封口。
【文檔編號(hào)】G02F1/1337GK104035229SQ201410243264
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】楊磊, 夏軍, 張曉兵 申請(qǐng)人:東南大學(xué)