专利名称：偏振独立相位调制器的制作方法
液晶(LC)被用于较宽范围的应用，包括全色显示器、温度指示器、和可转换相位调制器如光栅和透镜。常规液晶单元选择性控制偏振光，因此一般与偏振器层叠。然而，偏振器一般吸收大于50％的入射光，因此影响由此得到的亮度。
对于用作自适应光学系统，液晶相位调制器由于其光透射操作、简单的控制、可靠性、以及低功耗而具有很大潜力。在许多应用中，低位像差如散焦和象散的校正占据主要的重要性。
已经提出聚合物分散液晶(PDLC)以便提供偏振独立显示器。在这种显示器中，液晶分子在聚合网络中任意取向，导致光的散射。电场的施加诱导分子沿该施加电场的方向单轴取向。聚合物的折射率和液晶的寻常折射率匹配，以便沿施加电场的方向传播的光不经历任何折射率改变，因此不发生散射。
然而，在其中需要偏振独立开关的光学器件如可转换透镜和衍射光栅中，PDLC作用不能使用，因为它引起不希望的光散射。为了减小这个问题，已经提出具有亚微米小滴的PDLC。然而，由于该系统中大百分比聚合物的存在，因此在电场施加时这种系统的折射率仅在边缘改变。
得到液晶相位调制器如透镜的最简单的方法例如是用液晶替代普通微距透镜的玻璃。也已经提出更薄的构造，其中将液晶放置在表面浮雕全息图的上方或者其中(微)透镜浸入在向列液晶中以便得到电可控的焦距(例如见US 6014197)。这种结构可以在透明电极如铟锡氧化物上利用光刻胶或光复制技术制造。
其他自适应透镜通过单独电极的阵列进行控制，由通过分区校正原理的阶跃函数近似波阵面。在这些调制器中对于连续波阵面轮廓的良好近似需要大量的离散控制电极。
图案化电极的使用也有利于液晶微透镜的制造。这种单元利用在基底上形成具有互相对准的孔的图案的电极进行构造，以便在这些电极之间的边缘场使液晶分子将它们自己取向成为光学上的透镜结构。利用这些电极，更复杂的射束控制功能可以实现。
允许在器件上相位分布的连续变化的所谓的模态寻址也可以用于LC波阵面校正器和模态LC透镜中。在该技术中，使用具有不同电阻的两个电极区域。控制电压施加到围绕透镜的有效区域的低电阻环形电极上。加在透镜上的电压向透镜的中心径向降低，这是由于通过高电阻控制电极和LC层的电容形成的分压器，即其阻抗向透镜中心径向增加。这意味着电压向中心径向降低。相反地，LC层的光路长度从边缘向孔径中心增加。
另一可能性是利用光掩模照射单元。在该情况下，在利用较高UV强度固化的区域中的单体导致较高的聚合物网络浓度。相反地，利用较弱的UV曝光的区域导致较低的聚合物网络浓度。当施加均匀的电压时，具有较低浓度的区域将转换，而其他区域不改变其取向，这样得到横过单元的延迟变化。
然而，在文献中描述的几乎所有的相位调制器使用单轴对准向列相，其仅对于一种偏振方向起作用。利用非偏振光的操作需要采取复杂的措施，例如使用两个具有互相正交取向的相同透镜。
为此，本发明的目的是提供一种偏振独立的相位调制器(波延迟器)。这种元件可以用于多种器件如光学数据存储系统(CD，DVD等)的光学单元中，在用于照明的发光体前，用于光学互连，光学布线(optical routing)，印刷和扫描，机器视觉(图案产生)，光学计算，显微术，CCD照相机中的自动聚焦和变焦功能，以及用于图案产生器中。
从而，根据本发明的一个方面，提供一种用于光的偏振独立相位调制器。相位调制器包括两个基底和提供在所述基底之间的手性液晶混合物的层。手性液晶混合物以螺旋取向基态取向，通过电场在所述基态和倾斜态之间可控，具有取决于所述液晶混合物状态的有效折射率，以及具有节距(pitch)，节距足够小以使得有效折射率的值基本上独立于光的偏振。有效折射率是具有预定偏振态的光束经历的折射率。光束优选沿基本上垂直于层的表面的方向入射。
在液晶混合物的螺旋取向基态中，液晶分子的指向矢(directors)基本上平行于层的表面取向。指向矢描述了具有垂直于表面的长轴的螺旋线。当电场沿优选垂直于表面的方向施加时，可以实现倾斜态。在倾斜态中，分子的指向矢相对于层表面成一定角度取向，螺旋线长轴的方向保持不变。倾斜随着电场的增加而增加。沿螺旋线长轴的方向传播的光经历独立于光的偏振态的有效折射率。该状态包括偏振方向和偏振模式如线性或圆形。在液晶混合物的倾斜态中，沿螺旋线长轴方向传播的光也经历独立于偏振态的有效折射率，但是不同于在基态中经历的有效折射率。
从而本发明提供一种利用基本上不反射可见光的小节距手性液晶混合物实现光的偏振独立相位转换的方法。利用导致凝胶的原位聚合(例如通过聚合物网络膨胀的不反应液晶)，手性液晶混合物的有效折射率可以以可逆和可控的方式实现可转换。此外，认识到相位调制器可以电寻址以产生多种光学效果，其可以用于动态元件如透镜，微透镜阵列，偏转器，扇出元件，光束剖面测量仪(beam profiler)，光束控制，光束整形器，波阵面校正器。
手性或手型性是不对称分子的性质。手性分子具有唯一的三维形状，结果手性分子和其镜像不完全相同。
当显示向列相的液晶混合物掺杂有手性分子时，得到手性向列液晶相。在手性相中，液晶分子的长轴(指向矢n)绕螺旋线旋转。在该相中，具有与螺旋线相同的旋转方向的入射圆偏振光的波段被反射，而具有相反方向的波段被透射。然而，给出反射波段的限制为λmax＝p*ne和λmin＝p*no，其中p是相应于长度的节距，在其上方指向矢旋转360°，以及ne和no分别是单轴定向相的非常和寻常折射率。节距通过手性组分的浓度来确定并随着手性部分的增加而降低。在文献中描述了多种手性分子，其可以用于在向列液晶中诱导所需节距。在反射波段中对于光提供的反射从而是偏振相关的。
然而，认识到偏振独立器件可以设置在反射波段之外起作用。从而，发现具有特别低节距的液晶混合物的使用(否则这不是所关心的)对于可见光提供极好的偏振独立透射相位调制器。在本发明的上下文中，将偏振独立解释为对于偏振态以及对于偏振方向基本上偏振独立。从而，根据本发明的相位调制器提供基本上偏振独立的可转换相移。作为边界副效应可能发生的任何微小的偏振相关不影响总的操作，从而从操作观点看可以忽略。作为对于偏振相关的测量，可以使用由传播通过相位调制器的两个线性偏振正交光束经历的折射率的差别。在本文中，一种可替换方式是使用绝对数。在该情况下，为了本发明的偏振独立需要绝对折射率差别低于0.10，优选甚至低于0.05。可替换地，可以用相对数测量该差别，在该情况下为了本发明的偏振独立需要相对折射率差别低于5％，优选低于2.5％。
结果，沿平行于螺旋线的轴的方向传播的光束经历偏振独立折射率，其粗略等于(ne+no)/2。换句话说，沿平行于螺旋线的轴的方向传播的平面偏振光束对于所有的偏振方向经历粗略等于(ne+no)/2的相同折射率。这种系统可以描述为具有负双折射的单轴。当足够高的电场沿螺旋线的方向施加时(即垂直加在液晶混合物的层上)，可以在液晶分子中诱导单轴取向。在这种单轴取向态中沿电场的方向传播的光经历偏振独立折射率no。
实际上，通过在层上施加电场，改变分子的取向，由传播通过层的光束经历的折射率可以独立于其偏振方向进行转换。电场有利地施加在两个或多个电极之间，所述电极设置在液晶层的相对侧。
从而，根据一个实施例，相位调制器对于波长大于预定波长λ的光是有效的(即偏振独立)，以及节距小于λ/n，其中n是在单轴定向相中的液晶混合物的非常折射率和寻常折射率的较大者。对于大多数液晶混合物，非常折射率大于寻常折射率。例如可以设置预定波长λ以便相位调制器对于可见光的整个光谱(例如λ＝400nm或甚至λ＝350nm)是有效的。
在一般的液晶混合物中，单轴定向相的非常折射率ne在1.3和1.7之间。从而，在250nm量值中的节距对于具有ne为1.5的材料给出大约375nm(250nm*1.5)的λmax。因此，根据本发明的一个实施例，节距小于250nm。这种相位调制器对于波长的整个可见光谱是可操作的。然而，也可设想较大的节距，例如350nm，给出取决于临近的折射率的约525nm(350nm*1.5＝525nm)的阈值波长。这种调制器仅对于波长的一部分可见光谱(例如大于525nm的部分)偏振独立；然而这对于某些应用可能是足够的。根据一个实施例，以及如上所述，节距足够小以对于可见光的整个光谱即具有大于400nm或甚至大于350nm的波长(即λ)的光提供偏振独立。由此，整个可见光谱包括在偏振独立操作的波长范围中。这对于许多应用是非常希望的。
为了得到快速且可逆的转换，存储态需要建立在这种手性系统中。此外，为了对于沿垂直于单元表面的方向传播的光束得到渐进的偏振独立转换，需要圆锥变形模式，其中分子沿施加电压的方向开始倾斜。这可以通过产生分散在不反应液晶分子中的轻交联网络来实现。从而，根据一个实施例，手性液晶混合物包括分散在网络材料中的液晶分子。
网络材料可以例如是在有不反应手性液晶分子的情况下通过原位聚合提供的各向异性聚合物网络。为了得到分子的可控和可逆转换，液晶混合物优选具有足够高的聚合物网络密度，其是足够交联的。理想地，在混合物中交联分子的浓度高于按重量计0.5％，以及形成线性聚合物链的分子(其是交联的)具有超过按重量计20％的浓度。然而，根据一个更一般的实施例，液晶混合物包括按重量计10-60％的形成聚合物链的线性部分的分子，其通过按重量计0.5-1％的交联分子连接，该交联分子提供聚合物链的线性部分之间的交联。
根据本发明的相位调制器可以设计具有多种可控的光学特性。例如，取决于液晶分子的倾斜角度的横向变化，它可以操作为聚焦透镜或操作为光栅。横向变化倾斜角度导致液晶混合物中相应变化的折射率。这种变化可以以不同方式提供。
例如，根据一个实施例，聚合物网络材料具有横向变化浓度，以便在均匀电场施加在液晶混合物的层上时提供所述倾斜态以及从而所述偏振独立有效折射率的横向变化。当对于电场曝光液晶分子时，网络材料中的变化可以使得在具有增加的聚合物网络浓度的区域中局部妨碍倾斜态。变化可以例如通过利用光掩模的光聚合处理来提供。该实施例是有利的，因为变化或构造的折射率可以利用均质电场提供。实际上，其中分子运动被阻碍的区域的折射率将基本上与螺旋取向基态中的折射率(即寻常和非常折射率的平均值)保持相同。在聚合物网络浓度变化存在的情况下，上述规定的浓度值可能仅适用于具有较高聚合物网络浓度的区域。
可替换地，构造的折射率可以通过变化电场，仅将液晶层的某些区域设置为倾斜态来提供。从而根据一个实施例，至少基底之一设有构造电极，其有效地在液晶混合物的所述层上施加横向变化电场，以及其从而提供所述倾斜态的横向变化以及作为结果提供所述偏振独立折射率的横向变化。
然而，横向变化光学特性不是必须起源于液晶混合物中的变化折射率。另一替换方式是将静电透镜结构放置在液晶混合物的内部。
从而，根据一个实施例，光调制器进一步包括布置在所述基底之间的光学静态结构，其并且具有不同于在至少一种液晶混合物状态中的液晶混合物的有效折射率的折射率。由此，光调制特性通过所述静态结构和所述液晶混合物的层之间的界面提供。光学静态结构例如可以具有透镜形状，以及在该情况下，它限定与液晶混合物的凸起界面。
根据一个实施例，光学静态结构具有与基态中的液晶混合物的有效折射率相同的折射率。由此，该结构在基态中是光学不可见的。然而，在液晶混合物上施加电场将改变液晶混合物的有效折射率以及从而提供具有不同折射率的区域之间的界面。在该结构是透镜形状的情况下，界面由此提供光聚焦(或散焦)作用。然而，使用其他静态结构也是可能的，例如提供光栅作用的伸长棱镜的系统。
根据本发明的相位调制器可以在多种光学器件中实现。例如，根据本发明的一个方面，提供包括发明的相位调制器的可转换透镜。根据一个实施例，在发明的可转换透镜中的相位调制器进一步包括圆形对称电极，其布置在所述基底上并且有效地在液晶混合物的层上施加圆形对称电场。由此，对于发明透镜提供圆形对称折射特性。在该构形中，与现有技术相比，元件的厚度可以显著减小。
根据本发明的另一方面，提供一种包括发明的相位调制器的可转换光栅。这种可转换光栅可以选择性衍射某个波长的光，并且可以例如用于利用两个不同波长光束的光学记录器中。
根据本发明的又一方面，提供一种包括发明的相位调制器的光源。在发明的光源中的相位调制器由此有效地控制从所述光源发射的光的形状和/或方向。
根据本发明的又一方面，提供一种光学数据存储系统，其具有光路并包括沿所述光路布置的发明的相位调制器。这种调制器可以用于动态改变光束的聚焦位置，以及补偿在光学记录载体的扫描期间产生的多种光学像差。像差校正的例子是对于需要利用相同光路读取的多种记录载体类型的层厚度的差别的校正。根据一个实施例，数据存储系统是压密盘系统，数字化视频光盘系统，或Blu-ray系统。
当阅读和理解一些优选实施例的下面详细描述时，本发明的进一步特征和目的将理解。在下述说明中，将参考所附附图，在附图中
图1是偏振独立相位调制器的示意截面。
图2说明了液晶混合物中的螺旋取向，以及限定了混合物中的一些空间角度。
图3是说明了在液晶混合物中作为温度函数的折射率的图。
图4说明了对于测量不同角度的光强度的实验设置。
图5是说明了作为施加电压的函数的透射强度的图。
图6说明了作为施加电压的函数的有效双折射和倾斜角度。
图7说明了对于不同的液晶混合物作为电压的函数的倾斜角度。
图8示意性示出了当电压施加以及当没有电压施加时发明的相位调制器的横截面。
图9是说明了当没有电压施加时作为波长的函数的透射强度以及当电压施加时理论的和实际的强度的图。
图10说明了在制造和随后的使用期间发明的相位调制器的横截面。
图11和12示出了对于本发明实施例的不同的电极设计。
图13和14示出了在液晶混合物层中具有静态结构的不同实施例的横截面。
图15至19示意性说明了发明的相位调制器的不同实现方式。
液晶单元100的总的设计在图1中示出。该单元包括基底101、107，透明电极102、106，和取向层103、105。液晶混合物的层104插入在取向层之间。电极102、106有效地在液晶层104上施加电场，由此将液晶分子从螺旋取向态重新取向为倾斜态。在根据本发明的单元中，液晶分散在提供稳定的存储态的聚合物网络中，以便当电场去除时液晶分子的取向总是返回到其螺旋取向的基态。
单元中多个坐标的限定在图2中给出。图2示意性示出了根据本发明的相位调制器的五层，当没有电场施加时(V0＝0)，这些层在一半节距的距离(P/2)处具有沿螺旋线的不同的分子取向。可以看出，分子可以限定为在平行(即横向)层中单轴排列，所述层层叠在彼此之上，以及其中在各层中分子的平均取向方向绕螺旋线旋转180°。对于旋转360°的垂直距离当然会等于节距。
同样在图2中示出了三个示意的倾斜取向Φ0、Φ1和Φ2，其分别相应于电压V0＝0、V1＞V0和V2＞V1。可以看出，在单元平面内的角度分子取向独立于任何施加的电场，而关于单元平面的角度分子取向(倾斜角度α)随着电场强度的增加而增加。
液晶混合物掺杂有提供螺旋取向的手性分子。为了对于可见光透明，节距必须足够小。
根据一个例子，液晶混合物包含20％手性单丙烯酸盐(monoacrylate)CBC，其在聚合时形成主要的聚合物链，45％不反应手性掺杂物CB15，35％不反应液晶BL59(从Merck，Darmstadt得到)，0.5％Irgacure 651(从Ciba Geigy得到)，和多种浓度的二丙烯酸盐(diacrylate)C6M，其在聚合时形成交联键和产生光引发剂。下面示出了可以聚合的反应分子的结构以及CB15和光引发剂的结构。
为了试验的目的，混合物被放置在单元中，如同图1中所示，该单元包含铟锡氧化物(ITO)电极以及覆盖有聚酰亚胺层，其缓冲有柔软的织物。利用基底之间的玻璃衬垫料将单元间隙设置到4μm。在图3中，对于在聚合之前和之后的混合物，将单轴向列相的折射率绘制为温度的函数。在本工作中，对于包含手性分子的多个部分的液晶混合物，在利用分光计测量反射波段最大值λmax和利用折射计测量非常折射率ne以后，利用关系P＝λmax/ne来确定节距。节距被绘制为手性组分浓度的函数，以及混合物的节距被推断为大约200nm。也存在其他方式测量节距，例如利用X射线衍射或电子显微术。估计节距的另一常规方法是使用楔形单元，借此有可能从楔形角以及所谓的向错线的位置估计手性材料的节距。从图3中可以看出，材料的各向同性转变温度和非常折射率在聚合时增加(黑点相应于聚合混合物，白点相应于非聚合混合物)。如上所述，混合物的节距为约200nm，聚合后混合物的非常折射率ne为约1.74，从图3中可以看出。这使得λmax＝348nm(1.74*200)，表示该材料适合于波长的整个可见范围以及适合于更长的波长。
具有这种小节距的手性液晶混合物的层具有负双折射。因此，当包含这种层的单元被放置在交叉的偏振器之间以便入射光束垂直于单元平面时，偏振方向不改变，因此单元显现黑色。实际上，单元对于垂直于单元入射的光偏振独立。
仅当单元以某个角度放置时，对于该入射光束显现双折射。为了进一步研究发明单元的特性，样品单元相对于光束以θ＝45°的角度放置。这在图4中示意性说明，图4示出了具有强度I0的光线以角度θ入射到根据本发明的液晶单元401中。透射光强度I通过光检测器402进行测量。
利用具有波长550nm的光进行试验。图5示出了作为电压函数的通过单元的光强度。可以看出，随着电压增加，强度在增加前经历最小值。这种特性可以通过有效双折射随着电压的增加而改变来解释。有效双折射(Δneff)与透射强度I的关系为I=I0sin2(πdΔneffλ)---(1)]]>其中I0为当偏振器和分析器设置为彼此平行时最大的透射强度，d是液晶层中光束的路径长度，以及λ是单色光的波长。
利用来自图5的数据和等式(1)，Δn(ch)eff被绘制为电压的函数，并且结果在图6中示出(实线601，参考左边的纵轴)。可以看出，在较高电压处到达饱和值以前，有效双折射在约50伏处降低到零。双折射的连续改变与圆锥变形有关，其中当液晶分子向施加电场开始倾斜时手性螺旋线和节距保持原样。最终，所有分子沿施加电场的方向取向。在图2所示的坐标中，这相应于随着电压增加，α增加。手性相中非常折射率ne(ch)和寻常折射率no(ch)与单轴向列相的非常折射率ne和寻常折射率no以及分子的倾斜角度α的关系为no(ch)=none{no2cos2(α)+nc2sin2(α)}1/22{no2cos2(α)+no2sin2(α)}1/2---(2)]]>no(ch)=nono{no2cos2(α)+no2sin2(α)}1/2---(3)]]>手性相的有效寻常折射率no(ch)eff不取决于角度θ(光束和包含液晶混合物的单元的表面之间的角度)，而手性相的非常折射率ne(ch)eff角度θ的关系为ne(ch)eff=no(ch)no(ch){[no(ch)cos(θ)]2+[no(ch)sin(θ)]2}1/2---(4)]]>手性相的有效双折射Δn(ch)eff与角度θ的关系为Δn(ch)eff=no(ch)-no(ch)no(ch){[no(ch)cos(θ)]2+[no(ch)sin(θ)]2}1/2---(5)]]>利用等式2，3和5，倾斜角度α根据有效双折射进行估计并在图6中被绘制为电压的函数。可以看出，超过临界电压引起圆锥变形并且倾斜角度α随着电压增加而连续增加(虚线602，参考右边的纵轴)。
这里，很重要地注意到由凝胶示出的转换特性是完全可逆的，分子在施加的电压去除时回复到其初始的取向态。在这些凝胶中，交联的小浓度的存在(C6M)在液晶分子的倾斜期间保持手性序(chiralorder)。因此研究交联浓度对于转换过程的作用。在图7中，对于包含多个浓度的交联剂(cross-linker)C6M的凝胶，倾斜角度α被绘制为电压的函数。可以看出，对于包含0.4％和0.5％C6M的凝胶，倾斜角度在低电压时已经开始逐渐增加。超过临界电压，倾斜角度明显增加，后面再是当倾斜角度α倾向于到达90°时适度增加。然而，包含较高浓度(0.6％和0.7％)C6M的凝胶显示出微小不同的特性。在低电压处，倾斜角度保持不变，直到达到阈值电压，超过阈值电压以后，倾斜角度开始随着电压增加而连续增加。当将包含0.6％和0.7％C6M的凝胶进行比较时，可以看出具有较高交联浓度的凝胶显示较低的斜率。
在根据本发明的单元中提供光栅功能的直接方法是布置条状电极810，如图8所示。有效光栅周期从而是电极条纹810之间的间隔的函数。当在液晶层812的每侧上的电极之间施加电压V时，光栅被激活并且对于具有正入射的光作用为偏振独立。利用在图8所示配置中的小节距混合物，对于在施加电压之前801以及在施加电压之后802的非偏振光，作为波长函数的强度通过孔径811进行测量，结果在图9中示出。
在图9中，也存在示出了对于未被孔径811阻碍的光束的作为波长函数的理论预期特性的曲线，其中在等式5中对于两个区域假定两个各向同性的折射率(分别为n1和n2)。折射率n1和n2相应于光栅区域，其中分子分别为基态或倾斜态。
I=Iocos(πd(n1-n2)λ)---(6)]]>根据本发明的相位调制器可以利用不同方法制造。方法之一包含通过掩模或全息装置的凝胶照射。以该方式，具有局部变化结构以及多个阈值电压的凝胶可以得到。在电压施加时，建立在凝胶中的结构以折射率变化的形式变得可见，如图10所示。从而提供这种元件包含五个设计步骤0.提供液晶混合物单元，其包括在两个透明基底1001，1003之间插入的液晶混合物1002，所述基底设有电极和取向层。
1.通过适当的掩模将紫外光照射到液晶混合物1002上，借此混合物被局部聚合。
2.将紫外光均匀地照射到混合物1002上，借此在混合物的所有区域中确保某个水平的聚合，以便提供稳定的存储态。
3.将电源电压连接到与每个基底平行布置的电极。
4.在电极之间施加电压，从而在液晶混合物1002上产生均匀电场。具有较高聚合物网络密度(即已经接收紫外光的较高曝光量)的区域将保持在螺旋态，或者至少不与具有较低聚合物网络密度的区域一样倾斜。
当然，可以使用许多不同的掩模图案，当施加电场时导致多种折射率图案。
得到折射率图案的另一种方式是使用图案化的电极。这种电极的一些例子在图11和12中示出。在图11中，电极1101提供光栅图案，电极1102提供微透镜阵列，以及电极1103提供具有可变圆形对称折射特性的透镜，其例如可以用于透镜或相位校正元件(取决于每个单独电极上设置的电压)。图12说明了具有圆形区域1202的电极，其具有高于其周围1201的电阻。对根据本发明的单元中的这种电极施加电压导致向单元的中心逐渐减弱的电场，从而提供折射率的相应渐进改变。
除了偏振独立光栅以外，可转换透镜如菲涅耳和Gabor透镜或透镜阵列也可以利用上述方法制造。
此外，偏振不灵敏几何光学元件如可转换透镜和光栅也可以通过在液晶单元中放置光学静态物体来制造，如图13和14所示。结构优选是透明的，并且可能例如具有与液晶混合物在其基态中的折射率相同的折射率。由此，结构是不旋光的(没有折射率界面)，除非将混合物暴露在电场中，倾斜液晶分子从而改变混合物的折射率。该结构可以利用光复制或光压纹技术施加到透明表面上。
复制所需结构最简单的方式是使用设有所需结构的模子。然后在基底和模子之间挤压具有反应基的液体单体。在单体聚合时，液体玻璃化，然后可以去除模子，在基底的顶部上留下复制层(具有所需表面结构的层)。
在图13中，具有不同静态结构的两个实施例1310，1320以基态(V＝0)和倾斜态(V＞0)示出。实施例1320中的结构提供凸起的折射率界面1321。实施例1320说明单个透镜结构，然而它也可以是以相同方式工作的微透镜阵列。实施例1310提供棱镜阵列，其导致在倾斜态中的光束弯曲。在图14中，说明了提供衍射效果、具有规则的光栅结构阵列的实施例。
与所选设计(例如聚合物网络变化，结构电极，或包括光学静态结构)无关，根据本发明的相位调制器可以用于许多不同的应用。
例如，图15说明了一种灯装置，其包括灯1501，反射器1502，以及控制光束的形状和/方向的发明的相位调制器。利用相位调制器如可转换透镜或透镜阵列，可以改变光束的形状，而图13中所示的棱镜阵列(1310)可以用于光束控制。对于该应用，复杂的光束整形器也可以利用图案化网络生产。以该方式，可以避免复杂的电极结构。
图16说明了用于压密盘(CD)或数字化视频光盘(DVD)1606的读取单元，其包括激光源1601，二极管1602，光栅1603，根据本发明的可转换波阵面补偿器或透镜1604，和透镜1605。可以使用这种波阵面补偿器以便校正在记录器的使用期限期间产生的像差以及由温度变化引起的像差。它也可以校正色差，如果在单元的光路中使用多于一个的波长。此外，波阵面补偿器可以校正光盘中的由在光盘旋转期间的倾斜引起的光路变化。在多种光盘中，载有信息的层被放置在相对于光盘表面的多个不同距离处。这种根据本发明的补偿器也可以处理由在多种光盘中信息深度引起的光路变化。
图17说明了用于CD或DVD 1706的另一读取单元，其包括激光源1701，二极管1702，可转换光栅1703，和静电透镜1705。这种光栅优选可以利用图14所示的技术制造，因为其性能要求非常高。这种可转换光栅再次可以用于利用多于一个波长的单元中，以便得到最大的衍射效率。
图18说明了用于CCD(电荷耦合器件)照相机的聚焦透镜器件，用于将物体1805成像在CCD检测器1804上。聚焦透镜器件包括静电透镜1801和可转换透镜1802。图19说明了用于CCD照相机的可转换变焦透镜器件，用于将物体1905成像在CCD检测器1904上。变焦透镜器件包括第一静电透镜1901，可转换透镜1902和第二静电透镜1903。例如，在图12中示出的基于模态寻址的透镜适合于在上述涉及图18和19的应用中使用。
本质上，本发明提供一种包括手性液晶混合物层的用于光的偏振独立相位调制器，所述层具有足够低的节距以对于可见光提供有效折射率的偏振独立。液晶混合物在螺旋取向基态和倾斜态之间可控，该倾斜态由在液晶混合物层上施加的电场诱导。液晶混合物优选分散在网络材料中，该材料确保螺旋取向基态在去除电场时恢复。
权利要求
1.一种用于光的偏振独立相位调制器(100)，包括两个透明基底(101，107)；和在所述基底之间的手性液晶混合物的层(104)；其中所述手性液晶混合物以螺旋取向基态取向；通过电场在所述基态和倾斜态之间可控；具有取决于所述液晶混合物状态的有效折射率；以及具有节距，其足够小以使得有效折射率的值基本上独立于光的偏振。
2.根据权利要求1的偏振独立相位调制器(100)，用于波长大于预定波长λ的光，其中所述节距小于λ/n，n是在单轴定向相中的液晶混合物的非常折射率和寻常折射率的较大者。
3.根据权利要求2的偏振独立相位调制器(100)，其中所述预定波长λ是400nm，或优选为350nm。
4.根据权利要求1的偏振独立相位调制器(100)，其中所述节距小于350nm，优选小于250nm。
5.根据权利要求1的偏振独立相位调制器(100)，其中手性液晶混合物包括分散在网络材料中的液晶分子。
6.根据权利要求5的偏振独立相位调制器(100)，其中所述网络材料是各向异性聚合物网络，以及其中所述分散的混合物包括按重量计10-60％的线性聚合物分子，其通过按重量计0.5-1％的交联分子连接。
7.根据权利要求5的偏振独立相位调制器(100)，其中所述网络材料具有横向变化浓度(1002)，以便在将均匀电场施加在所述液晶混合物的层上时提供所述倾斜态以及从而所述偏振独立折射率的横向变化。
8.根据权利要求1的偏振独立相位调制器(100)，其中至少一个所述基底(101，107)设有构造电极(1101，1102，1103，1200)，构造电极能有效地在所述液晶分子上施加横向变化电场，由此提供所述倾斜态的横向变化以及作为结果提供所述偏振独立折射率的横向变化。
9.根据权利要求1的偏振独立相位调制器(100)，进一步包括布置在所述基底之间的光学静态结构(1311，1321，1404)，并且具有不同于在至少一种液晶混合物状态中的液晶混合物的有效折射率的折射率，以便通过所述静态结构和所述液晶混合物的层之间的界面来提供光调制特性。
10.一种可转换透镜(1502，1802)，包括根据权利要求1的偏振独立相位调制器(100)。
11.根据权利要求10的可转换透镜(1502，1802)，其中所述偏振独立相位调制器(100)进一步包括圆形对称电极(1103，1200)，圆形对称电极(1103，1200)布置在所述基底(101，107)上并且有效地在液晶混合物的层(104)上施加圆形对称电场，用于诱导所述透镜的圆形对称折射特性。
12.一种可转换光栅(1703)，包括根据权利要求1的偏振独立相位调制器(100)。
13.一种光源(1501，1502)，包括根据权利要求1的偏振独立相位调制器(1503)，其中所述相位调制器有效地控制从所述光源发射的光的形状或方向。
14.一种光学数据存储系统(1601-1605；1701-1705)，其具有光路并包括沿所述光路布置的根据权利要求1的偏振独立相位调制器(1604；1703)。
15.根据权利要求14的光学数据存储系统(1601-1605；1701-1705)，所述数据存储系统是压密盘系统，数字化视频光盘系统，或Blu-ray系统。
16.一种照相机系统，具有光路并包括沿所述光路布置的根据权利要求1的偏振独立相位调制器(1802；1902)。
全文摘要
本发明提供一种用于光的偏振独立相位调制器，包括手性液晶混合物的层，其具有足够小的节距以对于可见光提供有效折射率的偏振独立。液晶混合物在螺旋取向基态和倾斜态之间可控，所述倾斜态通过在液晶混合物层上施加电场进行诱导。液晶混合物优选分散在网络材料中，该材料确保螺旋取向基态在去除电场时恢复。
文档编号G02F1/29GK1871545SQ200480031261
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月11日 优先权日2003年10月23日
发明者R·A·M·希克梅特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司