CN104049424A - 用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构，包括像素电极层，所述像素电极层由第一金属电极层、电介质层和第二金属电极层构成，所述电介质层覆盖第一金属电极层，所述第二金属电极层位于电介质层上，由多个金属纳米块依次间隔排列构成；所述多个金属纳米块，其在入射偏振光磁场方向上的尺寸相同，其在入射偏振光电场方向上的尺寸各异。本发明利用金属纳米结构，将LCOS器件的像素单元划分成多个子单元，通过改变各个子单元的相位调制，产生梯度相位分布，将入射光反射至全息视频显示所需的一级衍射，从而提高LCOS器件的衍射效率。

Description

用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构

技术领域

本发明涉及信息光学及微纳光学应用技术领域，具体是一种用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构。

背景技术

三维(3D)感知在人类的信息获取中占有极其重要的地位。为了满足现代TV、医学成像、地质勘探、娱乐、军事、科学等方面的需求，把显示技术从高清推向3D是必然的趋势。全息视频显示可以动态实时为观察者提供逼真的三维体验，可能是3D可视化工具的最终目标。空间光调制器是全息视频显示系统的核心器件，通过动态地加载全息图对入射光进行调制，实现波阵面重构。在论述基于离散像素结构SLM实现全息视频显示的技术要求时，大多采用傅里叶光学中的空间带宽积概念，依据这一概念，最终3D显示技术是否能在离散像素结构SLM的基础上建立仍然是一个挑战。

液晶技术具有惊人的资源和多功能性。大多数液晶SLM采用电寻址方式，可以用于形成透射或反射装置。作为液晶SLM的一种，硅基液晶LCOS在基于强度调制的2D显示应用领域，与液晶显示器LCD相比没有突出的优势，但是在全息显示、自适应光学、光束偏转、激光材料加工等领域，LCOS具有广泛的应用前景。LCOS嫁接了LC与CMOS两种技术优势，具有物理尺寸小、分辨率高、填充率高等诸多优点，通过将全息衍射和液晶光电物理相结合，其有望成为实现全息视频显示的关键器件。但是，目前该技术只能提供概念性验证系统，市场上已有的LCOS的信息容量和视场角无法满足高质量3D重构的需要。

基于衍射成像的全息视频显示期望得到较大的视场角，这就要求LCOS器件的像素单元尺寸足够小，比较理想的尺度为可见光的波长尺度(<1μm)。而目前商业上销售的主流LCOS的像素尺寸达到6.4μm。近期开发的LCOS的像素尺寸为3.74μm。与此同时，面向全息视频显示的LCOS器件期望得到较高的衍射效率(1级)。在其它参数(如照明光源波长、液晶材料等)确定的情况下，目前的LCOS器件面临的问题是，随着像素单元尺寸的减小引发的1级衍射效率降低。这对于实现全息视频显示是不利的。

近期，得益于表面等离子体特殊的电磁特性，金属纳米结构在实现微型化和高效率的光学元件方面具有显著的优势。利用表面等离子体的高度局域性和亚波长特性，基于金属纳米结构可以有效地实现对光场的操控和调节。为了满足全息视频显示的要求，LCOS器件需要提供较大的衍射角以及较高的衍射效率(1级)。将金属纳米结构引入LCOS器件的制作中，从而改变相应的能量分布，对于设计制造面向全息视频显示的高衍射效率LCOS器件将发挥重要的促进作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构，其像素电极结构简单，一级衍射效率高。

本发明的技术方案为：

用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构，包括像素电极层，所述像素电极层由第一金属电极层、电介质层和第二金属电极层构成，所述电介质层覆盖第一金属电极层，所述第二金属电极层位于电介质层上，由若干个金属纳米块依次间隔排列构成；所述金属纳米块，其在入射偏振光磁场方向上的尺寸相同，其在入射偏振光电场方向上的尺寸各异，并满足以下条件：

L_H＜P_H/N_H，

$L_{E_n}\&le;p_E/N_E,n=\mathrm{1,2},...N_E,$

其中，L_H表示各个金属纳米块在入射偏振光磁场方向上的尺寸，P_H表示第一金属电极层在入射偏振光磁场方向上的尺寸，N_H表示在入射偏振光磁场方向上每一行金属纳米块的个数，表示在入射偏振光电场方向上每一行的第n个金属纳米块在该方向上的尺寸，p_E表示第一金属电极层在入射偏振光电场方向上的尺寸，N_E表示在入射偏振光电场方向上每一行金属纳米块的个数。

所述的用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构，所述第一金属电极层采用铝电极层，所述电介质层采用二氧化硅层，所述金属纳米块采用铝纳米块。

本发明将金属纳米结构应用到LCOS的像素电极设计中，充分利用了现有的LCOS技术的工艺，易于器件生产；本发明利用金属纳米结构，将LCOS器件的像素单元划分成多个子单元，通过改变各个子单元的相位调制，产生梯度相位分布，将入射光反射至全息视频显示所需的一级衍射，从而提高LCOS器件的衍射效率。

附图说明

图1是本发明的LCOS像素单元原理图；

图2是光栅衍射示意图；

图3是本发明的像素电极层结构示意图；

图4是本发明的单一的金属-电介质-金属(M-I-M)结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

LCOS器件是一种反射型的空间光调制器，LCOS结构包括M×N个像素单元(可以为1024×768、1280×1024或1920×1080)。如图1所示，LCOS像素单元(二维截面)从上之下依次为玻璃基板层1、ITO电极层2、液晶层3、取向层4、像素电极层5、硅基板层6。像素电极层5包括M-I-M结构，从上至下依次为铝纳米块53、二氧化硅层52和铝电极层51。

线性偏振的入射光(以TM偏振光为例)照射到LCOS器件，先后经过玻璃基板层1、ITO电极层2、液晶层3、取向层4到达像素电极层5，经像素电极层5反射后，再依次经过取向层4、液晶层3、ITO电极层2、玻璃基板层1后从器件出射。LCOS器件的照明光源要求为相干光或部分相干光(例如激光或窄带的LED)，照明光源的波长为λ(以氦氖激光器为例，λ＝632.8nm)。

ITO电极层2通常为透明导电薄膜，ITO是铟锡金属氧化物，具有很好的导电性和透光性，此处作为公共电极。取向层4主要由一层取向膜构成，并进行相应的取向处理，提供液晶分子初始的排列方向。间隔子7用于在玻璃基板层1与硅基板层6之间形成一定的间隙，方便后期灌入液晶。

硅基板层6中包含扫描驱动、时钟电路、存储器以及寻址开关矩阵等。驱动电压加载至像素电极层5，从而改变液晶层3中液晶分子的指向矢分布，达到产生光程差的目的，实现对入射偏振光的相位调制。液晶层3中液晶类型设置为平行取向的向列型液晶。

生成相位全息图并加载至像素结构的LCOS上，根据不同的相位值分布控制加载至每个像素上的驱动电压值，每个像素代表了相位全息图对应的最小衍射单元，像素之间的干涉形成了最终的衍射图样。衍射图样的分辨率和视场角由像素尺寸决定。

为了充分利用LCOS的光学数据处理能力，使得生成的相位全息图与LCOS相匹配，根据LCOS的像素尺寸以及分辨率确定相位全息图的抽样间隔为Δp、像素数为M×N。LCOS可以看成是二维离散光栅像素结构，根据图2所示的光栅衍射示意图，简单描述全息再现生成衍射图样的过程，出射角θ_out，m与入射角θ_in之间满足光栅公式：

$\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{out},m}=m\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&Delta;p}}+{\sin \mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{in}}---\left(1\right)$

其中，m表示衍射级次(本发明研究1级衍射)。

如图1、图3所示，本发明的像素电极层5设计成金属-电介质-金属(M-I-M)的三层结构，单一的金属纳米结构(3D结构)单元如图4所示，此结构可被看成是一个缝隙表面等离子共振子，可以采用Fabry-Perot共振子公式描述其共振位置。考虑到已有的工艺中像素电极层选用铝，为了方便大规模生产，本发明选取铝代替表面等离子技术中常用的贵金属，如金、银等。从上至下依次为铝纳米块53(厚度t)、二氧化硅层52(厚度为d)和铝电极层51(厚度为h)。

以TM偏振光(电场E方向平行于x轴，磁场方向H平行于y轴)入射为例，底部的铝电极层51和中间的二氧化硅层52(考虑2D截面图)在x方向上连续，它们在x方向上的尺寸大小均等于一个像素单元在x方向上的尺寸大小P_E，上层的铝纳米块53在x方向上每一行的个数为N_E，且这N_E个铝纳米块在x方向上的宽度各异，记为Lx_n，(n＝1，２，…，N_E)。同理，铝电极层51和中间的二氧化硅层52在y方向上连续，它们在y方向上的尺寸大小均等于一个像素单元在y方向上的尺寸大小P_H，上层的铝纳米块53在y方向上每一行的个数为N_H，且这N_H个铝纳米块在y方向上的长度相同，记为Ly。最终，将一个像素单元划分成N_E×N_H个金属纳米结构单元，若p_E＝pH＝p，N_E＝N_H，则有p_E/N_E＝p_H/N_H＝Λ，Ly需满足条件：Lx_n≤Λ，Ly＜Λ。

考虑图4所示的金属纳米结构单元，在照明光源的照射下，两层铝金属材料中产生诱导电流形成磁响应。控制上层每个铝纳米块的宽度Lx_n，可以使反射光产生0到2π之间不同的相位偏移。每个金属纳米单元的相位调制量φ(x)为关于对应Lx_n的非线性分布函数。通过设置铝/二氧化硅/铝的三层结构，在原先尺度为p的像素电极中产生相位梯度ψ＝2π/p，当入射光照射至像素电极层5的不同金属纳米结构单元时，所产生的辐射场相位互不相同，呈现线性分布，根据广义Snell定理，得到反射角θ_r大小为

θ_r＝Sin^-1(sinθ_i+ψ/k₀)      (2)其中，θ_i为入射角，ψ为相位梯度项，k₀为波矢。

当采用本发明的LCOS器件进行全息视频显示时，液晶指向矢变化引起的相位调制单元尺度由像素电极层5决定，对应相应的全息重构光场。而像素电极层5中的金属纳米结构改变了全息重构光场的能量分布，类似于闪耀光栅的功能，将入射光反射至由公式(1)决定的特定(m＝1)衍射级次，从而获得较高的一级衍射效率。此时，LCOS器件仍然通过M×N个像素单元寻址，可以有效地利用现有LCOS工艺的驱动技术。

同理，当TE偏振光(电场E方向平行于y轴，磁场方向H平行于x轴)入射时，设计上层铝纳米块53的宽度一致为Lx，长度分别为Ly_n，(n＝1，２…，N_H)，且满足Lx＜Λ，Ly_n≤Λ。

综上，本发明将MIM结构引入到现有LCOS器件的像素电极设计中，在每个像素单元中构建多个金属纳米结构单元，通过控制金属纳米块的尺寸，确定相应的参数，改变金属纳米结构单元的相位调制，产生梯度相位分布，将入射光反射至全息视频显示时像素决定的一级衍射，从而提高LCOS器件的衍射效率。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构，包括像素电极层，其特征在于：所述像素电极层由第一金属电极层、电介质层和第二金属电极层构成，所述电介质层覆盖第一金属电极层，所述第二金属电极层位于电介质层上，由若干个金属纳米块依次间隔排列构成；所述金属纳米块，其在入射偏振光磁场方向上的尺寸相同，其在入射偏振光电场方向上的尺寸各异，并满足以下条件：

L_H＜P_H/N_H，

$L_{E_n}\&le;p_E/N_E,n=\mathrm{1,2},...N_E,$

其中，L_H表示各个金属纳米块在入射偏振光磁场方向上的尺寸，p_H表示第一金属电极层在入射偏振光磁场方向上的尺寸，N_H表示在入射偏振光磁场方向上每一行金属纳米块的个数，表示在入射偏振光电场方向上每一行的第n个金属纳米块在该方向上的尺寸，p_E表示第一金属电极层在入射偏振光电场方向上的尺寸，N_E表示在入射偏振光电场方向上每一行金属纳米块的个数。

2.根据权利要求1所述的用于全息视频显示的硅基液晶空间光调制器的像素结构，其特征在于：所述第一金属电极层采用铝电极层，所述电介质层采用二氧化硅层，所述金属纳米块采用铝纳米块。