CN104076518A - 一种用于三维光场动态显示的新型像素结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三维光场动态显示的新型像素结构，其包括：第一基板，与第一基板相对的第二基板，设置在第一基板上的第一电极层，设置于第一电极层与第二基板之间的间隔物，填充于第一电极层和第二基板之间的液晶层，设置于第二基板上的多级光栅结构以及设置在第二基板上与多级光栅结构中每级光栅对应位置处的第二电极层。通过控制每级光栅对应的电压，可以实现对出射光出射方向的大角度连续调制；通过时分复用的方法，可以实现对不同方向出射光的强度的调制。克服了现有技术中可视角小、重构光场不连续、结构复杂和不易集成化的问题。

Description

一种用于三维光场动态显示的新型像素结构

技术领域

本发明涉及三维光场动态显示领域，尤其涉及一种用于三维动态显示的新型像素结构。

背景技术

三维光场动态显示通过控制不同方向出射的光的强度重建光场的空间角谱信息，实现动态三维显示的功能。现有的技术主要有：使用投影系统重建多视点信息的光场显示、使用集成全息技术的光场显示、使用方向性背光的光场显示和使用声光调制器的光场显示。

使用投影系统重建的光场显示利用多个投影向不同方向投射对应的角度信息(文章"A scalable hardware and software system for the holographic display ofinteractive graphics applications."Balogh,Tibor,et al.Eurographics Short PapersProceedings(2005):109-112.)，或使用机械光学系统将投影仪投射出的信息时分复用地投射到不同角度(文章"Rendering for an interactive360light field display."Jones,Andrew,et al.ACM Transactions on Graphics(TOG).Vol.26.No.3.ACM,2007.)。投影系统的优点是投影技术成熟、实现简单和视角一般较大；缺点是系统光路复杂、难以缩小简化和重建视场不连续。使用集成全息技术的光场显示(文章"Holographic three-dimensional telepresence using large-area photorefractivepolymer."Blanche,P-A.,et al.Nature468.7320(2010):80-83.)，通过控制微透镜阵列后焦平面的子像素强度控制不同方向出射光的强度；优点是结构、光路简单，易于集成化；缺点是受限于微透镜阵列的制造尺寸和子像素的数目，显示视角偏小(10度)、重建视场不连续。使用方向性背光的光场显示(文章"Amulti-directional backlight for a wide-angle,glasses-free three-dimensional display."Fattal,David,et al.Nature495.7441(2013):348-351.)通过子像素(空间复用)技术控制不同光栅下出射光强度来重建光场空间角谱信息，优点是系统集成度高；缺点是重建视场不连续、视场数较少。使用声光调制器的三维光场显示(文章"Anisotropic leaky-mode modulator for holographic video displays.",Smalley,D.E.,et al.Nature498.7454(2013):313-317.)通过声波在压电材料中形成不同周期的动态传播的光栅，将光耦合到不同的方向；优点是重建光场连续、视角大；缺点是需要较复杂的光路对传播光栅进行静态化，难以集成为大面积的显示器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以应用于三维光场动态显示的新型像素结构，以扩大现有技术方案的可视角、增加显示系统集成度和实现光场空间角谱的连续重构。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明是一种基于光栅耦合原理的新型像素结构，包括：第一基板、第二基板、第一电极层、间隔物、液晶层、多级光栅结构以及第二电极层。其中：所述第二基板与所述第一基板相对；所述第一电极层设置于所述第一基板上；所述间隔物设置于所述第一电极层和所述第二基板之间；所述液晶层填充于所述第一电极层和所述第二基板之间；所述多级光栅结构设置于所述第二基板上；所述第二电极层的电极为透明电极，设置于所述第二基板上与所述多级光栅结构中每级光栅对应的位置。所述间隔物用于支撑第一基板和第二基板，保持第一基板和第二基板之间的间隙，所述液晶层中的液晶位于所述第一基板和第二基板之间的间隔物的外围。

所述液晶层同所述第一基板和所述第二基板构成单模波导结构。

优选地，所述液晶层中的液晶为各向异性液晶，如向列相液晶，此时通过水平配向使液晶指向平行于光栅结构排列；所述液晶层中的液晶或者为各向同性液晶，如蓝相液晶，此时不需要配向。

优选地，所述多级光栅结构的每级光栅的周期不同，这样可以在液晶折射率调制的配合下实现出射光出射角度的连续调制。

优选地，在所述第一电极层和所述第二电极层之间加载偏置电压，用于调节生产或制备的误差和液晶预倾斜角等造成的折射率不匹配。

优选地，所述的多级光栅结构使用的材料的折射率和加载偏置电压情况下液晶折射率相匹配。

优选地，所述多级光栅结构使用导电材料制造，当使用导电材料制造所述多级光栅结构时，可以省略所述第二电极层，使用多级光栅结构作为对应的电极层。

优选地，所述多级光栅结构使用经过离子掺杂调整折射率的玻璃制造。

优选地，所述间隔物的材质和所述多级光栅结构的材质相同，间隔物同第一基板和第二基板形成单模波导结构。

优选地，所述第二电极层的电极长度不超出对应的所述多级光栅结构的每级光栅的长度。

优选地，所述第一电极层对于相邻像素加载相同的电压，缓解了所述第一基板和所述第二基板对准的问题。

所述单模波导中的单模光从侧面进入液晶区域，但不限于从侧面进入像素结构。

所述的新型像素结构使用时分复用的方式进行各个方向出射光强度的调制，即通过控制电压信号(具体为控制每个电压保持的时间长短)，使光在每个方向上出射的总能量(经过时间的积累)和拟重构的光场在对应方向上的光强相匹配。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种用于三维光场动态显示的新型像素结构，结合多级光栅结构和液晶折射率调制，实现了出射光出射角度的大范围连续调制；通过时分复用的方法实现不同角度光强度的调制。克服了现有技术中可视角小、光场不连续的问题。同时，本发明提出像素化的三维光场动态显示结构，有利于三维光场动态显示器件的集成化和平板化，解决了现有技术结构复杂的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的新型像素结构的示意图；

图2为本发明光栅耦合原理示意图；

图3为本发明的新型像素结构中选择光栅级数和确定多级光栅周期的说明图；

图4为本发明全波模拟的液晶指向分布图；

图5为本发明全波模拟的远场分布图；

图6为本发明在不同驱动信号下的归一化远场分布图；

图7a为使用本发明的第一种方案的结构示意图；

图7b为使用本发明的第二种方案的结构示意图；

图8a为使用本发明的第一种方案的工作模式示意图；

图8b为使用本发明的第二种方案的工作模式示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1，图1为本发明的用于三维光场动态显示的新型像素结构的示意图。本发明提出一种基于光栅耦合原理的新型像素结构，包括第一基板1、第二基板2、第一电极层4、间隔物7、液晶层3、多级光栅结构6以及第二电极层5。其中：第二基板2与第一基板1相对；第一电极层4设置于第一基板1上；间隔物7设置于第一电极层4和第二基板2之间；液晶层3填充于第一电极层4和第二基板2之间；多级光栅结构6设置于第二基板2上，与液晶层3接触；第二电极层5的电极为透明电极，设置于第二基板2上与多级光栅结构6中每级光栅对应的位置。间隔物7用于支撑第一基板1和第二基板2，保持第一基板1和第二基板2之间的间隙，液晶层3中的液晶位于第一基板1和第二基板2之间的间隔物7的外围。

在本实施例中，液晶层3使用各向异性的向列相液晶，具体为E7。液晶分子经过配向，液晶指向平行于多级光栅结构6(液晶指向方向垂直于示意图)。在偏置电压的作用下，此时液晶层3和使用的多级光栅结构6折射率相匹配，它们同第一基板1和第二基板2组成单模波导结构。间隔物7和多级光栅结构6使用相同的材料，亦同第一基板和第二基板形成单模波导结构。

整个显示过程是：TE光(s偏振)在间隔物7和液晶层3形成单模分布。仅加偏置电压的情况下，从液晶层的侧面进入液晶层的单模TE光以导模的形式传播，不会从第二基板下方出射；在多级光栅结构6的某一级光栅对应的第二电极层5的电极上加载特定电压，对应区域液晶指向发生改变，液晶对TE光折射率发生变化，TE光被光栅结构耦合到特定的方向。本发明使用时分复用的技术对不同方向的光的强度进行调制，即通过控制电压信号(具体为控制每个电压保持的时间长短)，使光在每个方向上出射的总能量(经过时间的积累)和拟重构的光场在对应方向上的光强相匹配。

请参阅图2，根据耦合波理论，波导中的光由传播模式被光栅耦合到自由空间，从第二基板下方出射，出射光的方向角和光栅区域传播模有效折射率以及光栅周期满足如下关系：

cos(θ_out)＝n_eff-(λ/Λ)

其中θ_out为空气中的出射角，n_eff为光栅部分的有效折射率，λ为使用光在真空中的波长，Λ为耦合光栅周期。

光栅部分模式的有效折射率与液晶对TE光折射率的关系在傍轴近似下可以写为：

$n_{\mathrm{eff}}=\sqrt{n^2\left(V\right)-n_{\mathrm{eff}0}^2+n_e^2}{\≈n}_{\mathrm{eff}0}-n_e(n_e-n\left(V\right))/n_{\mathrm{eff}0}$

其中n_eff0为在加偏置电压情况下传播模的有效折射率，n_e为在加偏置电压情况下液晶的折射率，也是多级光栅结构的折射率，n(V)为加电压后液晶的折射率。

由以上两公式可以看出，通过适当设计不同级光栅的周期，配合液晶折射率的调制，可以实现对出射光出射角度的大范围、连续调制。

具体的，每一级光栅最大、最小出射角可以根据以下公式求出：

cos(θ_max)＝n_min-(λ/Λ)

cos(θ_min)＝n_max-(λ/Λ)

其中n_max和n_min分别为最大和最小导模有效折射率，实际设计中，可以分别代入液晶的最大、最小折射率进行估计。

请参阅图3，图3表示从上述两式相减得到的θ_min和θ_max的关系。图3用于设计各级光栅的最大、最小出射角度，根据计算的结果可以确定需要使用的光栅级数和各级光栅的周期大小。具体为：使用需要的最小出射角度作为第一级光栅的最小出射角，根据图3可以找到对应的最大出射角，将第一级的最大出射角作为第二级光栅的最小出射角，又可以求出第二级光栅的最大出射角。以此类推，直到某一级的最大出射角大于系统设计的最大出射角，过程结束。每一级光栅的周期可以进一步由上述两个公式得到。

本实施例使用波长为488纳米的激光作为光源；第一基板和第二基板使用二氧化硅，折射率为1.45；液晶层厚度为400纳米，使用E7液晶。本实施例采用三级光栅结构，光栅结构厚度为100纳米，三级光栅结构的周期分别为293纳米、310纳米和328纳米，每级光栅周期个数为100；间隔物长度为5微米。每一级光栅之间的间隔为2微米，光栅结构和间隔物折射率为1.653；像素总长度为108微米。本实施例没有使用偏置电压。

请参阅图4。图4为本发明全波模拟的液晶指向分布图。图中箭头表示液晶分子取向在平面内的投影，灰度表示液晶分子取向垂直于纸面的分量。从图中可以看到，在加电压的光栅部分(右侧)，液晶指向倾向于垂直于第一基板1和第二基板2，在没有加电压的光栅部分，液晶指向倾向于平行于第一基板1和第二基板2(存在配向的预倾角)。

请参阅图5，图5为本发明全波模拟的远场分布图。在第二级光栅对应的第二电极层5的电极上加1.5伏特电压后，在68度的出射角附近产生极大的辐射。

请参阅图6，图6为本发明的在不同驱动信号下的归一化远场分布图，图6中的标号Ti_1.XX表示第i级光栅的位置的液晶折射率被调制为1.XX时的情况。从图中可以看到，本实施例中设计的光栅结构可以将三级光栅对应的出射光偏转区域完好地拼接起来。

接下来，结合附图说明本发明可以应用的不同工作模式的两种方案，请参阅图7、图8。图7a为使用本发明的第一种方案的系统结构示意图，图7b为使用本发明的第二种方案的系统结构示意图；图8a为对应于图7a方案的工作模式示意图，图8b为对应于图7b方案的工作模式示意图。两种方案均使用三级光栅结构。

第一种方案中，红(R)绿(G)蓝(B)三色结构分别使用一个本发明的新型像素结构，光从一侧进入实施例结构。设计光栅周期，使三级光栅分别对应图8a中的三个出射角度区域。

为进一步扩大可以显示的视角、减小制造精度的要求，提出图7b的第二种方案和对应的图8b的工作模式。第二种方案中，红(R)绿(G)蓝(B)三色分别使用两个相对排列的本发明的新型像素结构，每种颜色的两个实施例结构分别标记为A和B，两个结构的液晶层内光传播方向相反。对应的工作模式请参阅图8b。设计每级光栅周期，使得A出射光对应图8b中I-A、II-A和III-A区域，B出射光对应于图8b中的I-B、II-B和III-B区域。

较佳实施例中，液晶层3中的液晶为各向同性液晶，例如蓝相液晶，此时不需要配向。

较佳实施例中，在第一电极层4和第二电极层5之间加载偏置电压，用于调节生产或制备的误差和液晶预倾斜角等造成的折射率不匹配。

较佳实施例中，多级光栅结构6采用导电材料制造，当使用导电材料制造所述多级光栅结构6时，可以省略所述第二电极层5，使用多级光栅结构6作为对应的电极层。

较佳实施例中，第二电极层5的电极长度不超出对应的所述多级光栅结构6中每级光栅的长度。

较佳实施例中，第一电极层4对于相邻像素加载相同的电压，缓解了第一基板1和第二基板2对准的问题。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (11)

1.一种用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板相对；

第一电极层，设置于第一基板上；

间隔物，设置于第一电极层与第二基板之间；

液晶层，填充于所述第一电极层和所述第二基板之间；

多级光栅结构，设置于所述第二基板上，与液晶层接触；以及

第二电极层，所述第二电极层的电极为透明电极，设置于所述第二基板上与所述多级光栅结构中每级光栅对应的位置。

2.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述液晶层同所述第一基板和所述第二基板形成单模波导。

3.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述液晶层中的液晶为各向异性液晶或各向同性液晶。

4.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述多级光栅结构的每级光栅的周期不同。

5.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，在所述第一电极层和所述第二电极层之间加载偏置电压，用于调节生产或制备的误差和液晶预倾斜角等造成的折射率不匹配。

6.根据权利要求5所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述多级光栅结构折射率在加载偏置电压情况下与液晶折射率相匹配。

7.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述多级光栅结构为导电材料。

8.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，多级光栅结构为经过离子掺杂调整折射率的玻璃。

9.根据权利要求1至8任一项所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述间隔物的材质和所述多级光栅结构的材质相同，所述间隔物同所述第一基板和所述第二基板形成单模波导结构。

10.根据权利要求1至8任一项所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述第二电极层的电极长度不超出对应光栅结构的长度。

11.根据权利要求1至8任一项所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述第一电极层对于相邻像素加载相同的电压。