CN103926699B - 一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置 - Google Patents

Abstract

一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，属于裸眼三维立体显示技术领域。依次由光源，折射率匹配层，上、下表面均有纳米周期结构的贵金属薄膜，液晶层和透明导电层组成；纳米周期结构使光与表面等离激元在贵金属薄膜表面有效地耦合，产生表面等离激元共振，使只有在表面等离激元共振角下入射的光才会透过贵金属薄膜，液晶层通过电信号来调控折射率从而改变表面等离激元共振角，以此实现通过光发射角度的电信号调制。本发明的装置可以实现在空间上光发射方向和强度的连续扫描。由本发明所述的像元阵列构成的立体显示器可以用来虚拟和重现物体的散射光场，或者在不同角度下投射不同的显示图像，达到自然逼真的三维影像的显示效果。

Description

一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置

技术领域

本发明属于裸眼三维立体显示技术领域，特别涉及一种可作为三维立体显示器像元的利用表面等离激元调制的光发射角度调制装置。

背景技术

三维立体显示的原理是利用人的左眼和右眼观察到的图像的差异，即双眼视差，来形成立体感。裸眼三维显示技术指不用佩戴特殊眼镜就可以观察到三维图像的技术。现有的裸眼三维显示技术一般通过在显示面板前方加装一些光学装置，如视差栅栏，透镜阵列等，使图像在发射方向上左右分开，从而使人的左右眼观察到不同的图像，形成立体感。这种仅由两种图像形成的立体显示技术只能提高立体视差，不能提供运动视差，即头部运动时不能提供视景变化，与真实的物体形成的立体感有显著差异。此外，长时间观看这类常规立体显示的图像容易产生视觉疲劳，这是由于观看这类立体显示图像与观察真实的立体物体时人的用眼习惯不同，因为观察常规立体显示图像时，人眼需要聚焦到屏幕上而不是现实观察时聚焦到物体上。要形成自然逼真的立体显示效果，需要将多幅图像以不同角度投射出来，如YASUHIRO TAKAKI（PROCEEDINGS OF THE IEEE,VOL.94,NO.3,2006）报道的采用多条定向发射的光束以不同角度下发射。然而这种显示技术也存在很大缺陷，如会显著降低屏幕的分辨率，技术很复杂等。全息显示技术也是一种自然逼真的三维显示技术，其显示过程的原理是利用衍射原理将记录在底片上的物体散射光场还原，即将物体的空间发射的光场再现，形成一个三维立体的虚像。

光发射方向的调制是实现三维显示技术的关键和难点所在。传统的平面显示器只能显示图像的位置和亮度，而要形成3D显示效果必须对光的发射方向进行调制。通常光发射方向是借助反射镜的转动等实现，然而在微观领域，如微纳米尺度的像元上，只能借助光的干涉或者衍射实现光发射方向的调控。

表面等离激元（surface plasmons，也称作表面等离子体）是一种金属表面电子的自由震荡形成的电子疏密波，可以通过光在特定耦合条件下（如在周期结构或者棱镜作用下）在金属表面激发出来。由于其可以在亚波长尺度下有效调控光，近年来受到广泛的研究。表面等离激元作为一种可以在微纳领域下有效调控光的一种载体，利用其对周围折射率敏感的特性，借助电光调制材料，如液晶，可以实现电信号对光的调控。

本发明根据表面等离激元诱导的异常光透过（Nature1998,391,667-669）及液晶调控表面等离激元进而调控光波的（J.Phys.Chem.C2013,117,19154-19159，Applied Physics Letters2013,102,051107）原理，设计了一种可以用电信号自由调控光发射方向的装置，可以作为三维立体显示器的像元。所谓的表面等离激元诱导的异常光透过是指对于不透明的金属膜（厚度大于100nm）光的透过率很低，而在金属膜上修饰有周期结构的纳米条带或者孔，其透过率会大大增强，其原因是由于周期结构使光能通过衍射激发在金属表面产生表面等离激元，通过表面等离激元的作用可以增加光的透过率，由于表面等离激元具有角度依赖性，因此只有特定角度的光可以透过。所谓的液晶调控表面等离激元进而调控光波的原理是根据表面等离激元对环境折射率的敏感，而液晶的折射率可以通过电信号调节，因此利用表面等离激元与液晶为媒介可以通过电信号来调节光信号。

本专利与以往的三维立体显示的专利有很大不同，如专利CN200610107609.4，及CN200610103070.5等，都是基于传统的视差栅栏，透镜阵列等方式形成两幅不同画面，然后将这两幅画面发射方向分开并分别入射到人的左右两眼，其像元并不能自由的控制光发射方向。

本专利与文章中报道的全息成像，如SPIE-OSA-IEEE，2009，763576350M等报道通过空间相位调制器调控光束等原理与结构也不同。本专利是结合了表面等离激元引起的异常光透过与液晶调控表面等离激元的原理，是基于电信号调制表面等离激元这一新科学发现而设计提出的一种新型电信号自由调控光发射方向的装置，具有构造简单，与现有液晶显示器生产工艺匹配性好等优点，易于实现产业化。

发明内容

本发明提供了一种基于液晶和表面等离激元调制的光发射角度调制装置，可以实现用电信号对光发射角度的调控。本发明装置可以用于三维显示器的像元，以达到自然逼真立体显示效果。

本发明所述装置依次由光源（光源可以为平面光源，也可以为点光源）、折射率匹配层、上、下表面均有纳米周期结构的贵金属薄膜（金、银、铜）、液晶层和透明导电层组成；纳米周期结构的作用是通过衍射效应使光与表面等离激元在贵金属薄膜表面有效地耦合，产生表面等离激元共振，使只有在表面等离激元共振角下入射的光才会透过贵金属薄膜，从而实现光发射角度的调制；贵金属薄膜的厚度为20纳米到20微米，为条带或者点阵结构，条带或点阵结构的周期为50纳米到1微米，占空比为10%～90%；液晶层用来调节表面等离激元的共振角，材料为向列型液晶，厚度为1微米至100微米。折射率匹配层的厚度大于10nm，所述的折射率匹配层的折射率与液晶层相近，两者折射率差小于0.3，作用是使贵金属薄膜两面的折射率近似相等，从而增加光的透过率。

所述光源可是LED光源、激光光源、热光源或者荧光光源，所发出的为单色光（波长半峰宽小于30nm），也可以是多色光通过滤光片形成单色光。光源发出的光从多个角度（角度范围大于4度）激发具有纳米周期结构的贵金属薄膜上的表面等离激元，即形成表面等离激元共振。表面等离激元的共振角与液晶的折射率有密切关系，通过调节液晶层上施加的电场（电场范围为0-10伏特/微米）可以调控液晶的折射率，从而改变表面等离激元的共振角。根据表面等离激元引起的异常光透过的原理，只有共振角方向的光才能透过具有纳米周期结构的贵金属薄膜，这样通过调节液晶层上施加的电场就可以实现光透过方向的调控。同时通过调控光源的亮度和发光时间，就可以实现不同角度下光场的自由调控，从而模拟真实物体的散射光场，实现三维立体显示。

通过由本发明提出的三维显示像元阵列构成的显示器，可以模拟出三维物体的空间发射光场，或者在不同角度下投射不同的显示图像，来达到立体显示的效果。具体来说，通过液晶层上施加电场强度的快速扫描实现光透射角度的快速扫描，通过调节光源的开关时间，即可实现在不同方向发射不同强度的光线。如果三维显示像元阵列按一定的调制信号工作就可以形成一个三维虚像，人眼在不同位置看到的图像也不同，形成自然逼真的三维立体显示效果。

本发明的优点：本发明提供的通过电信号调控光透过方向的装置，可以实现在空间上光发射方向和强度的连续扫描，可以用来虚拟和重现物体的散射光场，用本发明制成的显示器可以实现自然逼真的三维影像的显示。

本发明提供的表面等离激元调制的光发射角度调制装置相对于其他微观尺度上调制光方向的器件，如空间相位调制器等，结构更简单，与现有的液晶显示器生产线兼容性好，容易实现产业化。

附图说明

图1：本发明提出的一种可作为三维立体显示器像元的表面等离激元调制的光发射角度调制装置结构1示意图；其中：1为面光源，2为纳米周期结构的贵金属薄膜，3为液晶层，4为折射率匹配层，5为透明导电玻璃。

图2：本发明提出的一种可作为三维立体显示器像元的表面等离激元调制的光发射角度调制装置结构2示意图；其中1为点光源，6为光学透镜，7为玻璃基底。

图3：本发明提出的基于表面等离激元调制的三维立体显示器像元在不同电场强度下的光场分布曲线。

图4：本发明提出的基于表面等离激元调制的三维立体显示器像元结构1在不同电场强度下的光场分布照片，（a）未施加电场（b）施加电场。

图5：本发明提出的基于表面等离激元调制的三维立体显示器像元结构2在不同电场强度下的光场分布照片，（a）未施加电场（b）施加电场。

具体实施方式

实施例1：平面光源激发的表面等离激元调制的光发射角度调制装置结构。

如图1所示，1为平面光源，这里采用的是发光二极管（LED）发射波长630nm。2为纳米周期结构的贵金属薄膜，这里为银光栅纳米周期结构薄膜，采用模板法制备（以蓝光光盘上的条带结构为模板，在上面真空蒸镀银膜获得），100nm厚，在该银膜上下两侧有周期为320nm（条带的宽度160nm，条带的间距160nm），高度为15nm的矩形光栅纳米周期结构。3为液晶层，这里用的是向列型液晶（采用河北诚志永华公司的TEB50通用型液晶），液晶层厚度50微米，折射率变化范围1.5～1.7（随施加电压增大折射率升高）。4为折射率匹配层，这里用的是100nm的聚酰亚胺涂层，其折射率1.7左右。5为透明导电玻璃。

LED光源1发出单色光以各个角度入射到银光栅纳米周期结构薄膜2上，只有表面等离激元共振角下的光才能透过银光栅纳米周期结构薄膜2。表面等离激元共振角与银光栅纳米周期结构薄膜2两侧的折射率密切相关，通过改变液晶层3上施加的电压，就可以调控液晶的折射率进而改变表面等离激元共振角，从而改变透过光的角度。这里透明导电玻璃5和银光栅纳米周期结构薄膜2为液晶层3的两个电极。

图3为本实施例所述的结构在不同电场强度下的光场分布。在0伏/微米（电场强度的单位）的电场下发射角度为18度，在1.2伏/微米的电场下发射角度为15度，在2.4伏/微米的电场下发射角度为13度。证明该像元可以在5度角度范围内调控光的发射方向。

图4为本实施例所述的结构在不同电场强度下的光场分布照片。图4（a）为未施加电场时发射的光束形成的光斑，施加2.4伏/微米的电场后光斑位置有着明显变化，即发射角度有明显改变。有两条光斑是因为在银光栅纳米周期结构薄膜上通过平面光源照射形成的表面等离激元会沿着正一级和负一级两个共振方向发射。

实施例2：聚焦光束照明的表面等离激元调制的光发射角度调制装置结构。

如图2所示，本实施例与实施例1结构不同之处在于采用光学透镜6将平面光源1（同实施例1）发出的单色光聚焦到银光栅纳米周期结构薄膜2上，其余结构相同。由于光束经过聚焦，入射到银光栅纳米周期结构薄膜2的角度范围约0至30度，而不是实施例1中的接近-90度至90度。这样就提高了光能利用率，而且可以消除负一级发射的光斑。但是结构上比实施例1复杂一些。

图5为该实施例所述的结构在不同电场强度下的光场分布照片。在未施加电场时，如图5（a）所示，光斑接近坐标纸网格左侧，施加电场后如图5（b）所示，光斑接近该网格右侧。网格为1厘米/格，坐标纸平面离像元距离约6厘米，可以估算出光发射角度可调范围约5～10度。从图5可以看出，光束只是沿着正一级方向发射，由于没有负一级光束的干扰，有利于在三维显示时消除共轭像。

Claims (9)

1.一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：依次由光源，折射率匹配层，上、下表面均有纳米周期结构的贵金属薄膜，液晶层和透明导电层组成；纳米周期结构使光源发出的光与表面等离激元在贵金属薄膜表面有效地耦合，产生表面等离激元共振，使只有在表面等离激元共振角下入射的光才会透过贵金属薄膜，液晶层通过电信号来调控折射率从而改变表面等离激元共振角，以此实现通过光发射角度的电信号调制；该光发射角度调制装置用于三维显示器的像元，通过液晶层上施加电场强度的快速扫描实现光透射角度的快速扫描，通过调节光源的开关时间，光发射角度调制装置在不同方向发射不同强度的光线，用于模拟真实物体的散射光场，光发射角度调制装置按一定的调制信号工作形成一个三维虚像，人眼在不同位置看到的图像也不同，从而实现裸眼三维立体显示；其中，折射率匹配层的折射率与液晶层相近，两者折射率差小于0.3。

2.如权利要求1所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：光源发出的光为单色光，或者是多色光通过滤光片形成单色光，所述的单色光的波长半峰宽小于30nm。

3.如权利要求1所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：贵金属为金、银或铜；厚度为20纳米到20微米。

4.如权利要求1所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：纳米周期结构为条带或者点阵结构，周期为50纳米到1微米，占空比为10％～90％。

5.如权利要求1所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：液晶层为向列型液晶，厚度为1微米至100微米。

6.如权利要求1所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：光源为LED光源、激光光源、热光源或者荧光光源。

7.如权利要求6所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：光源为平面光源。

8.如权利要求7所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：平面光源发出的单色光以各个角度入射到纳米周期结构的贵金属薄膜上。

9.如权利要求8所述的一种可用于立体显示器像元的光发射角度调制装置，其特征在于：采用光学透镜将平面光源发出的单色光聚焦到纳米周期结构的贵金属薄膜上。