CN105849628A - 用于全息透视显示器的相位调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于透视显示器的相位调制器及其制作方法。该相位调制器包括一个具有至少两个类型域的液晶层，其包括具有第一折射率的第一域和具有第二折射率的第二域。该相位调制器能够增加衍射视场，又不会在两个相邻像素之间产生边缘场效应的问题。

Description

用于全息透视显示器的相位调制器

【发明领域】

本发明涉及一种透视显示器，特别涉及一种用于全息透视显示器的新型相位调制器。

【背景技术】

目前，可穿戴智能装备的头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)、或者其他类型的显示器能够在用户眼睛前方的玻璃透镜或屏幕上显示图像。越来越多的HMD采用透视显示器，以允许用户能看清全部或部分的周围环境。例如，GOOGLE是一种HMD装备，它是镜架内置有一计算装置的一副眼镜，并包括一个光结构将可视光导向用户的眼睛，以显示多种信息。HMD装备如GOOGLE为用户提供一种可穿戴计算装备，其能提供可视重叠，又能允许用户看到其周围环境。HUD系统同样采用透视显示器，图像投影在其上，使得观看者可以保持平视的姿势，而不需要低头查看显示器或仪表盘。平视显示器可以用于各种环境，如机动车辆、航空器、头盔和观看者不能挪开视线的其它重要情景。所以，使用HUD能够避免驾驶者的眼睛离开路面，即减少分心以便安全驾驶，并能够减少眼睛疲劳以便舒适地驾驶。

目前，调幅显示(amplitude-modulated display)技术通常用于透视显示器，如薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)+发光二极管(LED)背光源(主导技术)、数字光处理(DLP)投影或硅基液晶(LCOS)投影(新兴技术)。但是，对于调幅显示器，因为通常是一块非常小的用于显示的图像区域(通常小于10％)，吸收大部分光并产生热量，对于大型增强现实平视显示器(AR-HUD)，需要较大空间用来散热。所以，光效率很低，小于10％。为了解决这个问题，纯相位全息投影显示器是透视显示器的一种替代解决方案。全息投影将相干光导向到图像需要被显示的地方，理论上不会损失多少光，仅仅是能量重定向。因此，光效率能提高至超过90％。

但是，对于全息投影显示的LCoS相位调制器，仍存在挑战。例如，小的衍射视场(FOV)受限于相位调制器的像素大小。图1A显示LCoS相位调制器的结构，其从上到下包括玻璃衬底、透明电极、液晶层、像素反射电极、和硅衬底，其中像素反射电极表示显示器的多个像素。根据图1B，衍射角θ＝sin-1[λ/(2*像素间距)]。通常，当前LCoS相位调制器的像素尺寸介于6.4-32um之间，衍射FOV小于6度。为了提高衍射FOV，传统解决方案是进一步降低像素尺寸。但是，由于两个小的相邻像素之间的边缘场效应，如果进一步降低像素尺寸，那么衍射对比度(contrast)和效率也会降低。

本领域需要一种用于透视显示器的相位调制器，其能够提供大衍射视场，又不会在两个相邻像素之间产生边缘场效应问题。

【发明概述】

因此，本发明提供一种用于透视显示器的相位调制器，其提供一个大衍射视场，又不会在相邻像素之间产生边缘场效应问题。

根据本发明实施例，一种用于显示器的相位调制器包括：液晶层；安置在液晶层第一侧以允许光穿过的电极层；和多个安置在液晶层第二侧的像素电极，其能够与电极层一起运行以供应电势穿过液晶层；其中在每个像素电极上，液晶层包括至少两种域，其包括具有第一折射率的第一域，和具有第二折射率的第二域；其中第一折射率不同于第二折射率。

优选地，液晶层的第一域包括对齐液晶分子，液晶层的第二域包括非对齐液晶分子。

优选地，相位调制器还包括一个位于像素电极和/或电极层上的对齐层，以形成对齐液晶分子。

优选地，液晶层的第一域包括具有第一朝向的对齐液晶分子，液晶层的第二域包括具有第二朝向的对齐液晶分子，其中第一朝向不同于第二朝向。

优选地，相位调制器还包括一个位于像素电极和液晶层之间的对齐层，其中对齐层包括在每个像素电极上的两个不同对齐方向，以形成液晶层的第一域和液晶层的第二域。

优选地，相位调制器还包括一个位于电极层和液晶层之间的对齐层，其中对齐层包括两个不同的对齐方向，以形成液晶层的第一域和液晶层的第二域。

优选地，相位调制器还包括一种聚合物材料，其渗透到液晶层内以改善液晶层的热稳定性。

优选地，相位调制器还包括一种聚合物材料，其围住对齐层以改善对齐层的热稳定性。

优选地，像素电极是可寻址的。

本发明的另一个方面是提供一种制作相位调制器的方法。

根据本发明实施例，对齐层是由以下步骤形成：在每个像素电极上涂覆感光对齐材料；放置光掩膜在对齐材料上；利用UV光照射没有被光掩膜遮蔽的对齐材料，以形成对齐层。

根据本发明实施例，对齐层是由以下步骤形成：在每个像素电极上涂覆感光对齐材料；放置第一光掩膜在对齐材料上；利用具有第一偏振方向的光照射对齐材料的第一部分，其中对齐材料的第一部分没有被第一光掩膜遮蔽；放置第二光掩膜在对齐材料上；并利用具有第二偏振方向的光照射对齐材料的第二部分，以形成包括两个不同对齐方向的对齐层，其中对齐材料的第二部分没有被第二光掩膜遮蔽。

根据本发明实施例，对齐层是由以下步骤形成：在每个像素电极上涂覆感光对齐材料；放置光掩膜在对齐材料上；利用光照射对齐材料的一部分，其中对齐材料的这部分没有被光掩膜遮蔽；在光照射之后从对齐材料形成对齐层；利用具有第一波长的UV光照射像素电极的第二部分；填充液晶层在相反的电极之间，液晶层包括液晶分子和单体；利用第二波长的UV光聚合单体。

【附图说明】

参照附图详细描述本发明的实施例，其中：

图1A显示现有技术的一个LCoS相位调制器的结构；图1B显示现有技术的用于衍射入射光束的像素电极；

图2A显示现有技术的一个LCoS相位调制器的像素模式；

图2B显示现有技术的液晶分子的相同对齐方向；

图3显示本发明实施例通过非对齐液晶分子将一个像素光学分隔成几个子像素；

图4A-C显示本发明实施例将一个像素光学分隔成几个子像素的光对齐过程；

图5显示本发明实施例在两个相邻子像素之间不同的对齐域；

图6A-C显示本发明实施例将一个像素光学分隔成几个子像素的光对齐过程；

图7A显示本发明实施例的液晶层与聚合物网络集成在一起的相位调制器；和

图7B显示本发明实施例的对齐表面上形成有聚合物网络的相位调制器。

【发明详述】

在以下的描述里，阐述了LCoS相位调制器及其制作方法作为最佳范例。对本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明范围和精神的情况下，做出添加和/或减少的一些修改，是显而易见的。为了避免混淆，会省略一些具体细节，但是，本披露会使本领域技术人员无需过度实验就能实施本教义。

根据前述背景，本发明的一个目的是提供一种具有特定结构的新型LCoS相位调制器，以便有效提高衍射FOV，从而增加FOV用于显示信息。

图2显示LCoS相位调制器的像素模式。有Y行X列像素电极21排列在调制器的硅衬底上方。像素电极是反射式的，且被互相电隔离。衍射空间间距(Diffraction spatial pitch)P 22是在两个像素中心之间的距离。像素间的间隔23是在每两个像素电极21之间。通常在一个像素里，在相同对齐方向上的折射率是相同的，如图2B所示。在像素电极21上形成有多个液晶分子24。在像素里，有一个透明电极25和一个反射电极26。在透明电极25和反射电极26上形成有对齐层27。液晶分子24位于透明电极25和反射电极26之间，形成一个液晶层28。当液晶分子24由于对齐层27而以相同方向对齐时，液晶层28内的折射率是相同的。

根据本发明，为了降低衍射空间间距而不影响效率，每个像素被分割成两个或多个被互相光隔离的子像素。在本发明的一个实施例里，如图3所示，一个像素31被非对齐液晶分子33光学分割成几个子像素32，如四个子像素。子像素32包括水平对齐或垂直对齐的对齐液晶分子。两个子像素之间的间隔34可以与像素之间的间隔相同。非对齐液晶分子33形成在透明电极35和折射电极36上，而没有对齐层37。因此，新的衍射空间间距被降低到p/2，而衍射FOV可以被提高大约2倍。

图4A-C描述一个光对齐过程，用于图3实施例的将一个像素光分割成几个子像素。在图4A，对齐层401位于多个像素电极402上，而多个像素电极402又在硅衬底403上方。接着，光掩膜404被设置在硅衬底上的对齐层401上，然后，第一UV光405沿着一个特定方向照射。在第一UV光405照射之后，对齐层401和液晶分子将被很好地对齐，除了在光掩膜下方的区域。在图4B，对齐层406位于透明ITO电极407上，而透明ITO电极407又在玻璃衬底408上方。接着，光掩膜409被设置在玻璃衬底上的对齐层406上，然后，第二UV光410照射，UV光410与第一UV光405有相同的波长和方向。在第二UV光410照射之后，对齐层406和液晶分子的将被很好地对齐，除了在光掩膜下方的区域。在移走光掩膜404和409之后，在图4C，将上述步骤形成的硅衬底部分411和玻璃衬底部分412，组合形成相位调制器413，其中每个像素被非对齐液晶分子415分割成几个子像素414，非对齐液晶分子415是形成在两个对齐层401的未对齐区域416上的。

在本发明的另一个实施例里，如图5所示，像素51被等分成四个子像素52a、52b、52c、和52d。每两个相邻子像素之间的液晶分子的对齐方式是不同的，从而两个相邻子像素之间被互相光隔离。例如，子像素52a在光学上不同于子像素52b和52c。为实现这种结构，通过在像素51的透明电极53和反射电极54上形成两种具有不同朝向的对齐层55a和55b。对齐层55a和55b可以由AZO染料制成，它们的厚度可以是几纳米到几百纳米的范围。对齐层55a协助形成具有第一朝向对齐液晶分子的子像素52a和52d，对齐层55b协助形成具有第二朝向对齐液晶分子的子像素52b和52c。由于液晶分子的第一朝向不同于液晶分子的第二朝向，所以子像素52a的折射率不同于子像素52b和52c的折射率。在这种安排下，衍射空间间距被降低到p/2，衍射FOV可以被提高大约2倍。

图6A-C描述一个光对齐过程，用于图5实施例的将一个像素光分割成几个子像素。类似于图4A和4B，第一对齐层位于硅衬底上方的多个像素电极上，第二对齐层位于玻璃衬底上方的透明ITO电极上。如图6A所示，将第一光掩膜61a和61b设置在第一对齐层64a和第二对齐层64b上的每个像素63的第一子像素区域62a上。然后，第一UV光65a以垂直朝向66a照射第一和第二对齐层64a和64b。此后，如图6B所示，移走第一光掩膜61a和61b，将第二光掩膜67a和67b设置在第一和第二对齐层64a和64b上的每个像素63的第二子像素区域62b上。在一个实施例里，第一和第二子像素区域62a和62b相互邻近。接着，与第一UV光65a具有相同波长的第二UV光65b，以平行朝向66b照射第一和第二对齐层64a和64b。在移走第二光掩膜67a和67b之后，如图6C所示，将以上步骤形成的硅衬底部分68a和玻璃衬底部分68b，组合形成一个相位调制器69，其中每个像素63被分割成子像素63a和63b，由于液晶分子的不同对齐，子像素被彼此光隔离。

实际上，有一些方法用于示相位调制器对齐。在一个实施例里，可以使用机械摩擦来制作对齐层。但是，所形成的对齐层可能有划痕和污染。此外，这种方法不能实现一个像素里的多域对齐。在另一个实施例里，本发明可以使用上述的UV光进行光对齐。光对齐的优点是容易实现一个像素里的亚微米多域对齐。但是，应该解决热稳定性问题以满足车用级标准(auto-grade standard)。

为了改善光对齐层的热稳定性，可以将聚合物网络渗透到液晶层以加强能量对齐，从而改善对齐层的热稳定性。如图7A所示，首先，反应性单体材料71被混合到液晶层72内。单体材料71可以是RM257、C12A、TMPTA、或NVP。然后，单体材料71聚合在一起以形成聚合物材料，从而改善热稳定性。在一个实施例里，单体浓度小于1wt％。在图7B，在第二次UV光照射期间，单体如RM257、C12A、TMPTA、或NVP被聚合在之前第一次UV光下形成的对齐表面73上，以形成一个聚合物网络74。第二次UV光的波长不同于第一次UV光。

本发明的以上描述是为了更好地理解本发明。这不是穷尽性的描述，也不是将本发明限于所披露的特定形式。对本领域普通技术人员，许多修改和变化是显而易见的。

为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，已经选择并描述了相关实施例，因此本领域普通技术人员能够理解本发明的各种不同实施例，并能够根据特定应用作出各种适当的修改。本发明的范围是所附权利要求书及其等同物限定。

Claims (17)

1.一个用于显示器的相位调制器，包括：

液晶层；

位于所述液晶层第一侧的电极层，其允许光穿过；

位于所述液晶层第二侧的多个像素电极，其与所述电极层一起运行以供应电势穿过所述液晶层；

其中在每个所述像素电极上，所述液晶层包括至少两个域，其中第一域有第一折射率，第二域有第二折射率；

其中所述第一折射率不同于所述第二折射率。

2.根据权利要求1所述的相位调制器，其中所述液晶层的所述第一域包括对齐的液晶分子，所述液晶层的所述第二域包括不对齐的液晶分子。

3.根据权利要求2所述的相位调制器，还包括一个位于所述像素电极和/或所述电极层上的对齐层，用于形成所述对齐的液晶分子。

4.根据权利要求1所述的相位调制器，其中所述液晶层的所述第一域包括具有第一朝向的对齐液晶分子，所述液晶层的所述第二域包括具有第二朝向的对齐液晶分子，其中所述第一朝向不同于所述第二朝向。

5.根据权利要求1所述的相位调制器，还包括一个位于所述像素电极和/或所述液晶层之间的对齐层，其中所述对齐层包括在每个像素电极上的两个不同对齐方向，以形成所述液晶层的所述第一域和所述液晶层的所述第二域。

6.根据权利要求1所述的相位调制器，还包括一个位于所述电极层和所述液晶层之间的对齐层，其中所述对齐层包括两个不同对齐方向，以形成所述液晶层的所述第一域和所述液晶层的所述第二域。

7.根据权利要求1所述的相位调制器，还包括位于所述像素电极和所述液晶层之间的第一对齐层，以及位于所述电极层和所述液晶层之间的第二对齐层，其中所述第一对齐层和所述第二对齐层包括两个不同的对齐方向，以形成所述液晶层的所述第一域和所述液晶层的所述第二域。

8.根据权利要求1所述的相位调制器，其中在每个所述像素电极上，所述液晶层包括两个所述第一域和两个所述第二域，并且所述第一域毗邻所述第二域。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在每个所述像素电极上，所述液晶层被所述第二域分成四个所述第一域。

10.根据权利要求1所述的相位调制器，还包括一种渗透入所述液晶层的聚合物材料，用以改善所述液晶层的热稳定性。

11.根据权利要求5所述的相位调制器，还包括一种包围住所述对齐层的聚合物材料，用以改善所述对齐层的热稳定性。

12.根据权利要求6所述的相位调制器，还包括一种包围住所述对齐层的聚合物材料，用以改善所述对齐层的热稳定性。

13.根据权利要求7所述的相位调制器，还包括一种包围住所述第一对齐层和所述第二对齐层的聚合物材料，用以改善所述第一对齐层和所述第二对齐层的热稳定性。

14.根据权利要求1所述的相位调制器，其中所述多个像素电极是可寻址的。

15.根据权利要求3所述的相位调制器，其中用于形成所述对齐液晶分子的所述对齐层是由以下步骤形成：

在每个所述像素电极上涂覆感光对齐材料；

放置光掩膜在所述对齐材料上；

利用UV光照射没有被所述光掩膜遮蔽的所述对齐材料，以形成所述对齐层。

16.根据权利要求5所述的相位调制器，其中包括两个不同对齐方向的所述对齐层是由以下步骤形成：

在每个所述像素电极上涂覆感光对齐材料；

放置第一光掩膜在所述对齐材料上；

利用具有第一偏振方向的光照射所述对齐材料的第一部分，其中所述对齐材料的所述第一部分没有被所述第一光掩膜遮蔽；

放置第二光掩膜在所述对齐材料上；

利用具有第二偏振方向的光照射所述对齐材料的第二部分，以形成包括两个不同对齐方向的所述对齐层，其中所述对齐材料的所述第二部分没有被所述第二光掩膜遮蔽。

17.根据权利要求5所述的相位调制器，其中所述对齐层是由以下步骤形成：

在每个像素电极上涂覆感光对齐材料；

放置光掩膜在所述对齐材料上；

利用光照射所述对齐材料的一部分，其中所述对齐材料的所述部分没有被所述光掩膜遮蔽；

在光照射之后，从所述对齐材料形成所述对齐层；

利用第一波长UV光照射所述像素电极的所述第二部分；

在所述相反电极之间填充液晶层，所述液晶层包括液晶分子以及单体；

利用第二波长UV光聚合所述单体。