用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)，包括像素電極層，所述像素電極層由第一金屬電極層、電介質(zhì)層和第二金屬電極層構(gòu)成，所述電介質(zhì)層覆蓋第一金屬電極層，所述第二金屬電極層位于電介質(zhì)層上，由多個(gè)金屬納米塊依次間隔排列構(gòu)成；所述多個(gè)金屬納米塊，其在入射偏振光磁場方向上的尺寸相同，其在入射偏振光電場方向上的尺寸各異。本實(shí)用新型利用金屬納米結(jié)構(gòu)，將LCOS器件的像素單元?jiǎng)澐殖啥鄠€(gè)子單元，通過改變各個(gè)子單元的相位調(diào)制，產(chǎn)生梯度相位分布，將入射光反射至全息視頻顯示所需的一級衍射，從而提高LCOS器件的衍射效率。
【專利說明】用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及信息光學(xué)及微納光學(xué)應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種用于全息視頻顯 不的娃基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 三維（3D)感知在人類的信息獲取中占有極其重要的地位。為了滿足現(xiàn)代TV、醫(yī)學(xué) 成像、地質(zhì)勘探、娛樂、軍事、科學(xué)等方面的需求，把顯示技術(shù)從高清推向3D是必然的趨勢。 全息視頻顯示可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)為觀察者提供逼真的三維體驗(yàn)，可能是3D可視化工具的最終 目標(biāo)?？臻g光調(diào)制器是全息視頻顯示系統(tǒng)的核心器件，通過動(dòng)態(tài)地加載全息圖對入射光進(jìn) 行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)波陣面重構(gòu)。在論述基于離散像素結(jié)構(gòu)SLM實(shí)現(xiàn)全息視頻顯示的技術(shù)要求時(shí)， 大多采用傅里葉光學(xué)中的空間帶寬積概念，依據(jù)這一概念，最終3D顯示技術(shù)是否能在離散 像素結(jié)構(gòu)SLM的基礎(chǔ)上建立仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0003] 液晶技術(shù)具有驚人的資源和多功能性。大多數(shù)液晶SLM采用電尋址方式，可以用 于形成透射或反射裝置。作為液晶SLM的一種，硅基液晶LC0S在基于強(qiáng)度調(diào)制的2D顯示 應(yīng)用領(lǐng)域，與液晶顯示器LCD相比沒有突出的優(yōu)勢，但是在全息顯示、自適應(yīng)光學(xué)、光束偏 轉(zhuǎn)、激光材料加工等領(lǐng)域，LC0S具有廣泛的應(yīng)用前景。LC0S嫁接了 LC與CMOS兩種技術(shù)優(yōu) 勢，具有物理尺寸小、分辨率高、填充率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，通過將全息衍射和液晶光電物理相 結(jié)合，其有望成為實(shí)現(xiàn)全息視頻顯示的關(guān)鍵器件。但是，目前該技術(shù)只能提供概念性驗(yàn)證系 統(tǒng)，市場上已有的LC0S的信息容量和視場角無法滿足高質(zhì)量3D重構(gòu)的需要。
[0004] 基于衍射成像的全息視頻顯示期望得到較大的視場角，這就要求LC0S器件的像 素單元尺寸足夠小，比較理想的尺度為可見光的波長尺度（〈1 μ m)。而目前商業(yè)上銷售的主 流LC0S的像素尺寸達(dá)到6.4 μ m。近期開發(fā)的LC0S的像素尺寸為3.74 μ m。與此同時(shí)，面 向全息視頻顯示的LC0S器件期望得到較高的衍射效率（1級）。在其它參數(shù)（如照明光源 波長、液晶材料等）確定的情況下，目前的LC0S器件面臨的問題是，隨著像素單元尺寸的減 小引發(fā)的1級衍射效率降低。這對于實(shí)現(xiàn)全息視頻顯示是不利的。
[0005] 近期，得益于表面等離子體特殊的電磁特性，金屬納米結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)微型化和高效 率的光學(xué)元件方面具有顯著的優(yōu)勢。利用表面等離子體的高度局域性和亞波長特性，基于 金屬納米結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)對光場的操控和調(diào)節(jié)。為了滿足全息視頻顯示的要求，LC0S 器件需要提供較大的衍射角以及較高的衍射效率（1級）。將金屬納米結(jié)構(gòu)引入LC0S器件 的制作中，從而改變相應(yīng)的能量分布，對于設(shè)計(jì)制造面向全息視頻顯示的高衍射效率LC0S 器件將發(fā)揮重要的促進(jìn)作用。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0006] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的 像素結(jié)構(gòu)，其像素電極結(jié)構(gòu)簡單，一級衍射效率高。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案為：
[0008] 用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)，包括像素電極層，所述 像素電極層由第一金屬電極層、電介質(zhì)層和第二金屬電極層構(gòu)成，所述電介質(zhì)層覆蓋第一 金屬電極層，所述第二金屬電極層位于電介質(zhì)層上，由若干個(gè)金屬納米塊依次間隔排列構(gòu) 成；所述金屬納米塊，其在入射偏振光磁場方向上的尺寸相同，其在入射偏振光電場方向上 的尺寸各異，并滿足以下條件：
[0009] Lh < pH/NH,
[0010] LEi sSpe/Ne+, n=l, 2，…Ne+，
[0011] 其中，lh表不各個(gè)金屬納米塊在入射偏振光磁場方向上的尺寸，pH表不第一金屬 電極層在入射偏振光磁場方向上的尺寸，N H表不在入射偏振光磁場方向上每一行金屬納 米塊的個(gè)數(shù)，^^^表不在入射偏振光電場方向上每一行的第個(gè)金屬納米塊在該方向上的尺 寸，PE表不第一金屬電極層在入射偏振光電場方向上的尺寸，NE表不在入射偏振光電場方 向上每一行金屬納米塊的個(gè)數(shù)。
[0012] 所述的用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)，所述第一金屬電 極層采用鋁電極層，所述電介質(zhì)層采用二氧化硅層，所述金屬納米塊采用鋁納米塊。
[0013] 本實(shí)用新型將金屬納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用到LC0S的像素電極設(shè)計(jì)中，充分利用了現(xiàn)有的 LC0S技術(shù)的工藝，易于器件生產(chǎn)；本實(shí)用新型利用金屬納米結(jié)構(gòu)，將LC0S器件的像素單元 劃分成多個(gè)子單元，通過改變各個(gè)子單元的相位調(diào)制，產(chǎn)生梯度相位分布，將入射光反射至 全息視頻顯示所需的一級衍射，從而提高LC0S器件的衍射效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本實(shí)用新型的LC0S像素單元原理圖；
[0015] 圖2是光柵衍射示意圖；
[0016] 圖3是本實(shí)用新型的像素電極層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖4是本實(shí)用新型的單一的金屬-電介質(zhì)-金屬（M-I-M)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面，結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
[0019] LC0S器件是一種反射型的空間光調(diào)制器，LC0S結(jié)構(gòu)包括MXN個(gè)像素單元（可以 為1024X768、1280X1024或1920X1080)。如圖1所示，LC0S像素單元（二維截面）從上 之下依次為玻璃基板層1、IT0電極層2、液晶層3、取向?qū)?、像素電極層5、硅基板層6。像 素電極層5包括Μ-Ι-Μ結(jié)構(gòu)，從上至下依次為鋁納米塊53、二氧化硅層52和鋁電極層51。
[0020] 線性偏振的入射光（以ΤΜ偏振光為例）照射到LC0S器件，先后經(jīng)過玻璃基板層 1、ΙΤ0電極層2、液晶層3、取向?qū)?到達(dá)像素電極層5,經(jīng)像素電極層5反射后，再依次經(jīng)過 取向?qū)?、液晶層3、ΙΤ0電極層2、玻璃基板層1后從器件出射。LC0S器件的照明光源要求 為相干光或部分相干光（例如激光或窄帶的LED)，照明光源的波長為λ (以氦氖激光器為 例，λ = 632. 8nm)。
[0021] ΙΤ0電極層2通常為透明導(dǎo)電薄膜，ΙΤ0是銦錫金屬氧化物，具有很好的導(dǎo)電性和 透光性，此處作為公共電極。取向?qū)?主要由一層取向膜構(gòu)成，并進(jìn)行相應(yīng)的取向處理，提 供液晶分子初始的排列方向。間隔子7用于在玻璃基板層1與娃基板層6之間形成一定的 間隙，方便后期灌入液晶。
[0022] 硅基板層6中包含掃描驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器以及尋址開關(guān)矩陣等。驅(qū)動(dòng)電壓加 載至像素電極層5,從而改變液晶層3中液晶分子的指向矢分布，達(dá)到產(chǎn)生光程差的目的， 實(shí)現(xiàn)對入射偏振光的相位調(diào)制。液晶層3中液晶類型設(shè)置為平行取向的向列型液晶。
[0023] 生成相位全息圖并加載至像素結(jié)構(gòu)的LC0S上，根據(jù)不同的相位值分布控制加載 至每個(gè)像素上的驅(qū)動(dòng)電壓值，每個(gè)像素代表了相位全息圖對應(yīng)的最小衍射單元，像素之間 的干涉形成了最終的衍射圖樣。衍射圖樣的分辨率和視場角由像素尺寸決定。
[0024] 為了充分利用LC0S的光學(xué)數(shù)據(jù)處理能力，使得生成的相位全息圖與LC0S相匹配， 根據(jù)LC0S的像素尺寸以及分辨率確定相位全息圖的抽樣間隔為Λρ、像素?cái)?shù)為MXN。LC0S 可以看成是二維離散光柵像素結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖2所示的光柵衍射示意圖，簡單描述全息再現(xiàn) 生成衍射圖樣的過程，出射角9_,"1與入射角0 in之間滿足光柵公式：
[0025] s?e〇iit，m = m7- + Sm0in ( 1 ) ?Ρ
[0026] 其中，m表示衍射級次（本實(shí)用新型研究1級衍射）。
[0027] 如圖1、圖3所示，本實(shí)用新型的像素電極層5設(shè)計(jì)成金屬-電介質(zhì)-金屬（M-I-M) 的三層結(jié)構(gòu)，單一的金屬納米結(jié)構(gòu)（3D結(jié)構(gòu)）單元如圖4所示，此結(jié)構(gòu)可被看成是一個(gè)縫隙 表面等離子共振子，可以采用Fabry-Perot共振子公式描述其共振位置?？紤]到已有的工 藝中像素電極層選用鋁，為了方便大規(guī)模生產(chǎn)，本實(shí)用新型選取鋁代替表面等離子技術(shù)中 常用的貴金屬，如金、銀等。從上至下依次為鋁納米塊53 (厚度t)、二氧化硅層52 (厚度為 d)和鋁電極層51 (厚度為h)。
[0028] 以TM偏振光（電場E方向平行于X軸，磁場方向Η平行于y軸）入射為例，底部的 鋁電極層51和中間的二氧化硅層52(考慮2D截面圖）在X方向上連續(xù)，它們在X方向上的 尺寸大小均等于一個(gè)像素單元在X方向上的尺寸大小P E，上層的鋁納米塊53在X方向上每 一行的個(gè)數(shù)為Ne，且這Ne個(gè)錯(cuò)納米塊在X方向上的寬度各異，記為Lx w(n= 1,2,...,Ne)。 同理，鋁電極層51和中間的二氧化硅層52在y方向上連續(xù)，它們在y方向上的尺寸大小均 等于一個(gè)像素單元在y方向上的尺寸大小P H，上層的鋁納米塊53在y方向上每一行的個(gè)數(shù) 為乂，且這NH個(gè)鋁納米塊在y方向上的長度相同，記為Ly。最終，將一個(gè)像素單元?jiǎng)澐殖?NEXNH 個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)單元，若 pE = pH = p，NE = NH，則有 ρΕ/ΝΕ = ρΗ/ΝΗ = Λ，Lx^、Ly 需 滿足條件：Lxn S Λ，Ly < Λ。
[0029] 考慮圖4所示的金屬納米結(jié)構(gòu)單元，在照明光源的照射下，兩層鋁金屬材料中產(chǎn) 生誘導(dǎo)電流形成磁響應(yīng)?？刂粕蠈用總€(gè)鋁納米塊的寬度Lx n，可以使反射光產(chǎn)生0到2 π之 間不同的相位偏移。每個(gè)金屬納米單元的相位調(diào)制量Φ (X)為關(guān)于對應(yīng)Lxn的非線性分布 函數(shù)。通過設(shè)置鋁/二氧化硅/鋁的三層結(jié)構(gòu)，在原先尺度為P的像素電極中產(chǎn)生相位梯 度Ψ = 2 π /p，當(dāng)入射光照射至像素電極層5的不同金屬納米結(jié)構(gòu)單元時(shí)，所產(chǎn)生的輻射場 相位互不相同，呈現(xiàn)線性分布，根據(jù)廣義Snell定理，得到反射角Θ ^大小為
[0030] Θ r = sirf1 (sin θ ,ψ/--。） (2)
[0031] 其中，Θ i為入射角，Ψ為相位梯度項(xiàng)，1?為波矢。
[0032] 當(dāng)采用本實(shí)用新型的LC0S器件進(jìn)行全息視頻顯示時(shí)，液晶指向矢變化引起的相 位調(diào)制單元尺度由像素電極層5決定，對應(yīng)相應(yīng)的全息重構(gòu)光場。而像素電極層5中的金 屬納米結(jié)構(gòu)改變了全息重構(gòu)光場的能量分布，類似于閃耀光柵的功能，將入射光反射至由 公式（1)決定的特定（m= 1)衍射級次，從而獲得較高的一級衍射效率。此時(shí)，LC0S器件 仍然通過MXN個(gè)像素單元尋址，可以有效地利用現(xiàn)有LC0S工藝的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
[0033] 同理，當(dāng)TE偏振光（電場E方向平行于y軸，磁場方向Η平行于X軸）入射時(shí)，設(shè) 計(jì)上層錯(cuò)納米塊53的寬度一致為Lx,長度分別為Ly^Oi = 1,2, ...,ΝΗ)，且滿足Lx < Λ , Lyn 彡 Λ。
[0034] 綜上，本實(shí)用新型將ΜΜ結(jié)構(gòu)引入到現(xiàn)有LC0S器件的像素電極設(shè)計(jì)中，在每個(gè)像 素單元中構(gòu)建多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)單元，通過控制金屬納米塊的尺寸，確定相應(yīng)的參數(shù)，改變 金屬納米結(jié)構(gòu)單元的相位調(diào)制，產(chǎn)生梯度相位分布，將入射光反射至全息視頻顯示時(shí)像素 決定的一級衍射，從而提1? LC0S器件的衍射效率。
[0035] 以上所述實(shí)施方式僅僅是對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本實(shí)用 新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本 實(shí)用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型的權(quán)利要求書確定的保 護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)，包括像素電極層，其特征 在于：所述像素電極層由第一金屬電極層、電介質(zhì)層和第二金屬電極層構(gòu)成，所述電介質(zhì)層 覆蓋第一金屬電極層，所述第二金屬電極層位于電介質(zhì)層上，由若干個(gè)金屬納米塊依次間 隔排列構(gòu)成；所述金屬納米塊，其在入射偏振光磁場方向上的尺寸相同，其在入射偏振光電 場方向上的尺寸各異，并滿足以下條件： lh < ph/nh， b = Is 2.，…Ng：， 其中，LH表不各個(gè)金屬納米塊在入射偏振光磁場方向上的尺寸，pH表不第一金屬電極 層在入射偏振光磁場方向上的尺寸，NH表不在入射偏振光磁場方向上每一行金屬納米塊的 個(gè)數(shù)，Leb表不在入射偏振光電場方向上每一行的第η個(gè)金屬納米塊在該方向上的尺寸，pE 表不第一金屬電極層在入射偏振光電場方向上的尺寸，NE表不在入射偏振光電場方向上每 一行金屬納米塊的個(gè)數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于全息視頻顯示的硅基液晶空間光調(diào)制器的像素結(jié)構(gòu)，其 特征在于：所述第一金屬電極層采用鋁電極層，所述電介質(zhì)層采用二氧化硅層，所述金屬納 米塊采用鋁納米塊。
【文檔編號】G02F1/1343GK203909441SQ201420352509
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】沈川, 劉凱峰, 倪蕾, 祖慈, 韋穗 申請人:安徽大學(xué)