液晶光栅及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种液晶光栅结构，其包括：上基板，其上设透明导电薄膜；下基板，其上依次光刻形成条状下接地电极层，在所述下接地电极上沉积第一电介质层，在所述电介质层上形成与所述下接地电极平行交错的寻址电极，在所述寻址电极上再次沉积第二电介质层，再在所述第二沉积电介质层形成与下接地电极重叠的条状上接地电极；液晶，夹设在所述上基板和所述下基板之间。本发明通过下玻璃基板上的上接地电极和下接地电极对寻址电极电力线的屏蔽作用，有效抑制了传统液晶光栅中寻址电极与上玻璃基板接地电极之间的横向电场，从而抑制扩展到非寻址电极区的边缘电场。本发明可用于设计高分辨率、大偏转角的液晶光栅器件。
【专利说明】液晶光栅及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学器件，尤其是涉及一种抑制边缘电场的液晶光栅。
【背景技术】
[0002]液晶光栅(liquid crystal grating)与传统的机械器件相比具有体积小、驱动电压低、功耗小、分辨率高、衍射特性改变方便等各种优点，可以广泛地用于衍射光学、光谱测量、光束偏转控制、光信息处理、光计算、光通信领域等各个领域。
[0003]液晶相位光栅的基本器件结构如图1所示:在上玻璃基板16和下玻璃基板11之间填充着具有介电常数各向异性的向列相液晶14，形成一个液晶盒。在下玻璃基板11上制有透明的寻址电极12和液晶取向膜13a，在上玻璃基板16上制有透明的接地电极15和液晶取向膜13b。
[0004]由于液晶具有光学各向异性和介电各向异性，因此液晶光栅在外电场的作用下，其光学特性可被调节。若对使液晶分子均匀排列的液晶盒施加周期性的电场，就会引起液晶分子周期性地重新排列，从而使液晶层的折射率发生周期性的变化。此时入射光在透过液晶层时，产生光程长度的周期性变化，形成相位光栅。液晶光栅中折射率产生连续变化，即按正弦规律对入射光进行相位调制，正弦相位可以通过使光栅的光学厚度(几何厚度或折射率)呈正弦型变化来实现。对于正弦相位光栅，可以通过调节相位调制度来控制各级主极大的强度，从而实现能量在不同级次上的重新分配。
[0005]对于液晶光栅在衍射光学方面的各种应用都需要获得大的衍射角(偏转角)。而衍射角由液晶光栅常数，即由寻址电极的间距决定。这就需要分辨率高的光刻掩膜去刻蚀间距更小的电极。
[0006]如图2所示，在液晶光栅中，当寻址电极21的间距P与上下基板的间距(液晶盒厚d)大小相当的场合，在寻址电极21的边缘，电场就会泄露到非寻址区域22。这种边缘电场的存在，使得寻址区域21与非寻址区域22的电场不再是分立的，而是连成一体。非寻址区域的液晶会受到边缘电场的影响而发生不应有的偏转，这种现象被称为边缘场效应。它会导致液晶光栅的相位调制能力严重下降，进而使入射光的衍射效率显著降低。同时，因为液晶光栅以透射式为主，为了获得较大的相位调制深度，在液晶材料特性一定的前提下需要较大的液晶盒厚。如果要减少液晶盒厚，就要选择具有高折射率差的液晶材料，这样边缘场效应的出现就不可避免。
[0007]边缘场效应的存在，使得在寻址区域的液晶分子31发生偏转的同时，非寻址区域的液晶分子32发生了不应有的偏转，如图3所示。而这会导致相位调制曲线的展宽与相位调制深度的减小，如图4所示。最终反映在衍射效率上的降低，如图5所示，正负一级的衍射效率不到10%，而零级的衍射效率超过80%，表明大部分的入射光都无法进行有效的偏转。
[0008]为了克服现有液晶光栅的边缘场效应，本发明提出一种新型的液晶光栅结构，能够有效地抑制边缘电场。基于本发明提出的方案，可以有效地抑制非寻址区域的边缘电场，从而为实现高分辨率、大偏转角液晶光栅器件的制作创造了条件。
【发明内容】
[0009]有鉴于此，为了解决现有技术的一种或多种不足，本发明提出了一种液晶光栅及其制造方法，其解决高分辨率、大偏转角液晶光栅器件的边缘场效应。
[0010]本发明提出了一种液晶光栅，其包括:上基板，其上设透明导电薄膜；下基板，其上依次光刻形成条状下接地电极层，在所述下接地电极上沉积第一电介质层，在所述电介质层上形成与所述下接地电极平行交错的寻址电极，在所述寻址电极上再次沉积第二电介质层，再在所述第二沉积电介质层形成与下接地电极重叠的条状上接地电极；液晶，夹设在所述上基板和所述下基板之间。
[0011]优选地，所述第一、二电介质层为透明的绝缘电介质，绝缘性好且透明度高。
[0012]优选地，所述上接地电极、所述寻址电极或所述下接地电极都为透明的ITO电极，以便使入射光透过。
[0013]优选地，对所述寻址电极施加寻址电压，所述下接地电极、所述上接地电极和所述上玻璃基板的所述透明导电薄膜层接地。
[0014]其中，下接地电极与上接地电极图案一致并且上下重叠，上下接地电极与寻址电极位置错开排列。在液晶光栅工作时，下接地电极与上接地电极都接地电压，寻址电极施加寻址电压。上下接地电极施加了稳定的电压后，由于耦合电容的存在会与寻址电极之间形成横向电场，从而抵制寻址电极与上玻璃基板上接地电位的透明导电薄膜层之间位于非寻址区域的边缘电场。
[0015]其中，上玻璃基板上接地电位的透明导电薄膜层作为第三层接地电极，也是寻址电极的参考电压电极。在液晶光栅工作时，与寻址电极间形成电压差，产生电场，驱使液晶分子偏转。
[0016]优选地，所述上、下基板为镀有ITO导电薄膜的玻璃基板。
[0017]本发明还提出了一种光栅器件的制造方法，其包括以下步骤:
[0018]a、在下基板上通过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀工艺形成条状下接地电极的图案；
[0019]b、在所述下接地电极的上方涂覆第一电介质层，然后沉积ITO薄膜，再经过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀工艺形成与所述下接地电极平行交错的条状寻址电极的图案；
[0020]C、在所述寻址电极的上方涂覆第二电介质层，然后沉积ITO薄膜，再经过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀工艺形成与下接地电极重叠的条状上接地电极的图案；
[0021]d、在所述下基板的所述上接地电极上旋涂取向剂聚乙酰胺并用摩擦机进行摩擦取向，取向方向为平行取向，在上玻璃基板的ITO接地电极层上旋涂取向剂聚乙酰胺并用摩擦机进行摩擦取向，取向方向为平行取向；
[0022]e、在所述下基板的三层电极外围空间喷涂隔离子；
[0023]f、用点胶机对上玻璃基板进行点胶封框，框定液晶所在区域，并留一个开口以便灌注液晶。将上基板与下基板对位贴合；
[0024]g、利用含浸法从封盒后的开口处灌注液晶，灌注完成后，进行封口。
[0025]本发明与现有技术相比，其优点在于:[0026]本发明提供的液晶光栅，下玻璃基板上的上接地电极和下接地电极对寻址电极的电力线起到屏蔽作用，同时上述接地电极与上玻璃基板上的接地电极构成等效的两个串联电容。边缘电场会在非寻址区域产生等效电压。而三层电极构成的串联等效电容会对此等效电压进行分压。如此，进一步减小了施加在非寻址区域的液晶层上的电压。
[0027]在上述液晶光栅器件中灌注液晶，在上下基板附近的液晶做平行排列取向。本发明优选E7液晶，因其具有较高的双折射率差，使得器件可以具有较小的盒厚；且具有较高的介电常数差，可以用较低的电压驱动。在上下基板对液晶分子进行平行排列取向，使得通过液晶分子的光只有相移的改变，而没有偏振度的改变，从而保证器件的纯相位调制工作状态。
[0028]采用本发明提供的液晶光栅及其制造方法，位于非寻址电极区域的上下接地电极与寻址电极之间形成横向电场，抵制了寻址电极在非寻址电极区域的边缘电场。同时这两层接地电极与上基板的接地电极一起构成了等效的串联电容。等效电容对由于边缘电场产生的在非寻址区域的等效电压进行分压，进一步降低了施加在非寻址区域的液晶层上的电压。从而有效的抑制了边缘电场，为实现高分辨率、大偏转角液晶光栅器件提供依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是传统液晶光栅器件的剖面结构示意图；
[0030]图2是传统液晶光栅电场分布仿真结果图；
[0031]图3是传统液晶光栅的液晶分子指向矢分布仿真图；
[0032]图4是传统液晶光栅的相位分布图；
[0033]图5是传统液晶光栅的衍射特性图；
[0034]图6是本发明的液晶光栅的剖面结构示意图；
[0035]图7是本发明的液晶光栅的下基板立体结构示意图；
[0036]图8是本发明的液晶光栅的电场分布仿真结果图；
[0037]图9是本发明的液晶光栅的液晶分子指向矢分布仿真图；
[0038]图10是本发明的液晶光栅的相位分布图；
[0039]图11是本发明的液晶光栅的衍射特性图；
[0040]图12是传统液晶光栅与本发明的液晶光栅的相位调制深度曲线图；
[0041]图13是传统液晶光栅与本发明的液晶光栅的衍射效率曲线图。
【具体实施方式】
[0042]图6是本发明的液晶光栅的剖面结构示意图，如图6所示，本发明提出了一种液晶光栅，在下玻璃基板61和上玻璃基板68之间灌注有液晶66。在下玻璃基板61上依次分布着下接地电极62、绝缘电介质层69a、寻址电极63、绝缘电介质层69b、上接地电极64、液晶取向层65a，在上玻璃基板68上依次分布着接地电极67、液晶取向层65b。本发明优选铟锡氧化物薄膜(ITO)作为下接地电极62、寻址电极63、上接地电极64、接地电极67的材质。
[0043]图7是本发明的液晶光栅的下基板立体结构示意图，如图7所示，在下玻璃基板71上依次分布下接地电极72、寻址电极73、上接地电极74，上接地电极74和下接地电极72图案一致并且上下重叠，上接地电极74和下接地电极72之间为寻址电极73。在本实施例中，下接地电极72、寻址电极73、上接地电极74优选电极宽度为3μπι，长度2cm，电极间距为3 μ m，厚度为0.1 μ m。本实施例中优选电介质层总厚度为0.3 μ m。
[0044]如图6所示，所述液晶光栅的下接地电极62、上接地电极64、和接地电极67构成串联电容，根据串联电容分压原理，可以通过控制接地电极之间的间距和电介质调控施加在非寻址区域液晶层的电压值。位于非寻址电极区域的下接地电极62、上接地电极64与寻址电极63之间形成横向电场，抵制了寻址电极63在非寻址电极区域的边缘电场。
[0045]如图8所示，采用本发明的液晶光栅，寻址电极上的电场明显收敛在寻址电极的上方。由于抑制了非寻址电极区域的边缘电场，在寻址区域的液晶分子发生偏转的同时，非寻址区域的液晶分子并没有发生有效的偏转，如图9所示。相应的相位调制深度大幅提高，如图10所不。最终反映在衍射效率上的提闻，如图11所不，正负一级的衍射效率达到理论极限值33.86%，而零级的衍射效率只有10%左右，表明大部分的入射光都进行了有效的偏转。
[0046]图12比较了本发明液晶光栅结构与传统液晶光栅结构的相位调制深度与外加电压之间的变化关系，本发明液晶光栅的相位调制深度比传统液晶光栅结构的相位调制深度大。
[0047]图13比较了本发明液晶光栅结构与传统液晶光栅结构的衍射效率与外加电压之间的变化关系，本发明液晶光棚的衍射效率比传统液晶光棚结构的衍射效率大。
[0048]如图6所示的本发明液晶光栅器件，制造过程如下:
[0049]a、使用ITO玻璃，直接在下玻璃基板61上通过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀等工艺形成下接地电极62的图案。
[0050]b、在下接地电极62的上方涂覆绝缘电介质层69a，然后采用磁控溅射的方法沉积ITO薄膜，再经过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀等工艺形成寻址电极63的图案。
[0051]C、在寻址电极63的上方涂覆绝缘电介质层69b，然后采用磁控溅射的方法沉积ITO薄膜，再经过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀等工艺形成上接地电极64的图案。上接地电极64与下接地电极62使用同一张掩膜版，两层图案在曝光时进行精确的对准。
[0052]d、在下玻璃基板61的上接地电极64上旋涂取向剂聚乙酰胺(PI)并用摩擦机进行摩擦取向，取向方向为平行取向。在上玻璃基板68的ITO接地电极层上旋涂取向剂聚乙酰胺(PD并用摩擦机进行摩擦取向，取向方向为平行取向。
[0053]e、在下玻璃基板的三层电极外围留出空间喷涂隔离子。隔离子的选择要考虑到该厚度液晶能够实现2π以上相移，较低的驱动电压和工艺的可操作性。本实施例中优选3μπι隔离子，均匀喷涂在下基板四周。
[0054]f、用点胶机对上玻璃基板进行点胶封框，框定液晶所在区域，并留一个开口以便灌注液晶。将上基板与下基板对位贴合。
[0055]g、本实施例中优选E7液晶，利用含浸法从封盒后的开口处灌注液晶。灌注完成后，进行封口。
[0056]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0057]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种液晶光栅,其包括: 上基板，其上设透明导电薄膜； 下基板，其上依次光刻形成条状下接地电极层，在所述下接地电极上沉积第一电介质层，在所述电介质层上形成与所述下接地电极平行交错的寻址电极，在所述寻址电极上再次沉积第二电介质层，再在所述第二电介质层形成与下接地电极重叠的条状上接地电极； 液晶，夹设在所述上基板和所述下基板之间。
2.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于:所述第一、二电介质层为透明的绝缘电介质。
3.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于:所述上接地电极、所述寻址电极和所述下接地电极都为透明的ITO电极。
4.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于:对所述寻址电极施加寻址电压，所述下接地电极、所述上接地电极和所述上基板的所述透明导电薄膜层接地。
5.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于:所述上、下基板为镀有ITO导电薄膜的玻璃基板。
6.一种光栅器件的制造方法，其包括以下步骤: a、在下基板上通过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀工艺形成条状下接地电极的图案； b、在所述下接地电极的上方涂覆第一电介质层，然后沉积ITO薄膜，再经过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀工艺形成与所述下接地电极平行交错的条状寻址电极的图案； C、在所述寻址电极的上方涂覆第二电介质层，然后沉积ITO薄膜，再经过光刻胶涂布、曝光、显影、刻蚀工艺形成与下接地电极重叠的条状上接地电极的图案； d、在所述下基板的所述上接地电极上旋涂取向剂聚乙酰胺并用摩擦机进行摩擦取向，取向方向为平行取向，在上玻璃基板的ITO接地电极层上旋涂取向剂聚乙酰胺并用摩擦机进行摩擦取向，取向方向为平行取向； e、在所述下基板的三层电极外围空间喷涂隔离子； f、用点胶机对上玻璃基板进行点胶封框，框定液晶所在区域，并留一个开口以便灌注液晶，将上基板与下基板对位贴合； g、利用含浸法从封盒后的开口处灌注液晶，灌注完成后，进行封口。
【文档编号】G02F1/1337GK104035229SQ201410243264
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】杨磊, 夏军, 张晓兵 申请人:东南大学