CN107783339B - 一种宽视角液晶空间光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽视角液晶空间光调制器，属于液晶器件技术领域。本发明采用由设置于光敏层表面金属反射材料形成呈阵列式分布的像素单元和连接各像素单元的感光区、以及填充光吸收材料于每个像素单元中形成阻光区构成反射层，并在每个阻光区的部分上表面设置金属反射单元形成金属隔离网栅，本发明仅在靠近感光区侧玻璃基板表面设置电导层，并将感光区和电导层共同作为一个电极，而金属隔离网栅作为另一电极，实现在通电状态下任意两个相邻金属感光区与金属反射单元之间形成共面水平电场驱动液晶分子。基于本发明器件结构能够提高器件的视角性能，使得可视视角拓宽，同时藉由结构的改良提高了器件的感光灵敏度以及成像效果。

Description

一种宽视角液晶空间光调制器
技术领域
本发明属于液晶器件技术领域，具体涉及一种宽视角液晶空间光调制器。
背景技术
空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)是指在主动控制下，它可以通过液晶分子调制光场的某个参量，如通过折射率调制相位、通过偏振面的旋转调制偏振态、或是实现非相干到相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。
空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM)。光寻址时，所有像素的寻址同时完成，是一种并行寻址模式，特点是速度快。空间光调制器是实时光学信息处理，自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件。在很大程度上，空间光调制器的性能决定了及应用领域的实用价值和发展前景。
目前，利用光寻址的空间光调制器的液晶光阀大多为多膜系统，参考中国专利CN98114542公开了一种液晶光阀，其结构自上而下依次包括：上玻璃层、上电导层、液晶层、介质反射镜、光阻挡层、光敏层、下电导层、下玻璃层。其中：光阻挡层一般采用碲化镉(CdTe)和钒氧酞菁(VOPc)形成的复合多层吸收膜，CdTe多晶材料电阻率为108Ω.cm，只能对蓝、绿光有较强的吸收，氟化镁和硫化锌形成的复合多层结构作为介质反射镜，采用半导体硅(Si)作为光敏层。这种液晶光阀可以用作实时变化的光学互连、并行的光学逻辑运算、光学数字运算、光学矩阵运算以及图像处理方面边缘增强、图像加减等。但是这种液晶光阀的空间分辨率还不够高，视角也受限，仅适用于一般的图像处理，并且制造工艺较为复杂，易遭受环境污染，质量不稳定，重复性差。
现有技术由于载流子主要产生在表面区域，因此这部分载流子会在光电导层表面形成一个导电电荷层，当部分读出光透过介质反射镜和吸收层人射到光电导层上后，在光电导层表面形成的电荷层将平滑写入光产生的电荷潜像，导致输出图像的分辨率和对比度降低。目前，液晶光阀液晶盒大都采用传统的TN垂直电场模式，液晶是旋转直立型，光学特性随视角的变化非常小，通常上视角约10°，下视角约40°，左右视角约为30°，可视角度窄。利用电压让液晶分子从水平面板排列转成垂直面板排列，液晶因旋转角度的关系，造成透光的光线较具方向性，导致在不同角度下，肉眼看到的光线会偏移，即所谓的灰阶反转；同时，在旋转过程中，靠近玻璃侧的液晶受到配向膜(PI)影响站不直，导致不均匀现象。特别是对于遮光要求较高的液晶光阀都是采用扭曲向列模式实现的，这种光阀采用双面平面电极，90°扭曲角排列结构，使用添加手性剂的向列相材料，沿摩擦方向正交贴附偏光片，然而上述液晶光阀具有如下缺点：
(1).视角窄；以不同角度入射相同强度的线偏振光时，由于有效折射率的变化，成为椭圆偏振光，经过第二个偏振片后，入射角不同的出射光强不再相等，形成视角问题，其视角小于40°。
(2).响应速度较慢；扭曲向列模式液晶光阀采用自然回落方式工作，由于没有其他外力的作用，其响应速度超过40ms。
(3).对比度低；扭曲向列型液晶光阀利用的是液晶的旋光特性，对比度较低，尤其是暗态不够暗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种宽视角、高分辨率、高灵敏度的液晶空间光调制器。
本发明为解决上述技术问题提供如下技术方案：
一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，包括：平行相对设置的第一透明基板和第二透明基板，第一玻璃基板设置在第二玻璃基板的上方，自第一玻璃基板至第二玻璃基板顺次设置有第一取向层、液晶层、第二取向层、高阻隔离层、隔离网栅、反射层、光敏层和电导层；
反射层包括呈阵列式分布的像素单元和介于各像素单元之间与之相连的感光区，每个像素单元内设置有光吸收材料形成阻光区；隔离网栅是由一一对应分布于阻光区部分表面的金属反射单元形成的金属反射阵列；隔离层完全覆盖于隔离网栅及反射层之上；
电导层与感光区共同作为第一电极，隔离网栅作为第二电极，第一电极和第二电极分别与外加电压连接使得任意相邻的金属反射单元与感光区之间形成共面水平电场以驱动液晶分子。
进一步的是，本发明中阻光区的材料为绝缘材料。
进一步的是，本发明中感光区的材料为Ag。
进一步的是，本发明中隔离网栅的材料为Al。
进一步的是，本发明中高阻隔离层的1015～1016Ω。
进一步的是，本发明中高阻隔离层的相对介电常数为3.9。
作为优选实施方式，本发明中高阻隔离层的材料为SiO2。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过合理的结构设计和材料选择，采用由设置于光敏层表面金属反射材料形成呈阵列式分布的像素单元和连接各像素单元的感光区、以及填充光吸收材料于每个像素单元中形成阻光区构成反射层，并在每个阻光区的部分上表面设置金属反射单元形成金属隔离网栅，通过本发明提出的反射层与金属隔离网栅形成的新型组合结构来代替传统器件中的阻光层和介质发射镜，同时将隔离网栅作为一个电极，金属感光区及透明电导层共同作为另一电极，使得器件在通电时任意两个相邻金属感光区与金属反射单元之间形成共面水平电场，进而驱动液晶分子。由于液晶分子在共面水平电场驱动模式下仅仅在水平位置上取向，因而相比垂直电场驱动模式，本发明构建的共面水平电场驱动模式明显缩短了光程差，进而使得在视角改变时基于共面水平电场驱动模式的光学特性随视角变化非常小，从而在视角特性以及视角均匀性方面均有提高。相较现有技术，基于本发明共面电场驱动模式可大幅改善液晶的对比度与灰阶反转的视角特性，最大可达178度的可视角度。另外，基于本发明共面水平电场驱动模式提高视角进一步能起到偏轴效果，有利于器件在离轴光学系统中广泛运用。
(2)本发明提出反射层及隔离网栅形成的这一新型组合结构相比传统器件中的阻光层和介质反射镜，不仅有益于提高器件的响应度，而且还能够有效避免像素单元与像素单元之间光串扰致使器件分辨率和对比度下降造成读出光不清晰的问题，解决了目前阻光层材料粘附性差以及对比度不够高的问题。
附图说明
图1为本发明宽视角液晶空间光调制器的结构示意图；
图2为传统垂直电场驱动模式下液晶分子的排列与视角特性的关系；
图3为本发明共面水平电场驱动模式下液晶分子的排列与视角特性的关系；
图4为本发明液晶空间光调制器中反射层及隔离网栅的俯视结构示意图；
图中：1为上玻璃基板，2为第一取向层，3为液晶层，4为第二取向层，5为隔离层，6为隔离网栅，7为阻光区，8为金属Ag膜，9为光敏层，10为ITO电导层，11为下玻璃基板。
具体实施方式
下面本发明结合具体实施例和说明书附图对本发明的原理和特性进行详细阐述：
实施例：
本实施例提供一种液晶空间光调制器的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：制备光敏层9；
本实施例直接采用清洗干净的普通玻璃基板作为上玻璃基板1和下玻璃基板11，然后在下玻璃基板11单面沉积ITO导电层10；然后采用PECVD法在下玻璃基板11单面上的ITO电导层10表面沉积3～8微米厚的微量掺杂非晶硅薄膜作为光敏层9，本实施例中光敏层9的材料不限制为氢化非晶硅薄膜，根据本领域公知常识可知，光敏层9的材料可以为任何合适的材料；
步骤B：制备反射层；
首先在步骤A制得的光敏层9之上采用电子束蒸发法沉积一层厚度为1～2微米的金属Ag膜8；本实施优选的工艺参数具体如下：本底真空度：9×10-4Pa～2×10-3Pa；蒸发电流：150A；溅射时间：0.5小时；工作气压：5×10-3Pa；沉积方式：热蒸发法；衬底温度：75℃；靶材：纯银；
然后采用光刻工艺在所述金属Ag膜8刻蚀形成网格状区域进而露出下方光敏材料，从而形成呈阵列式分布的像素单元(即光敏区)，本发明中像素单元即大小为微米级别的显像单元；每个像素单元的电压能够独立控制，各像素单元规则分布形成像素阵列；所述像素单元(光敏区)中填充光吸收材料形成阻光区7，本发明优选地光吸收材料为黑色负性胶，下文会对其进行详述；本发明中呈阵列式分布的阻光区7及连接各阻光区7且作为感光区的金属Ag膜8共同构成了器件的反射层；
步骤C：制备隔离网栅6；
在步骤B制得的各个阻光区7的部分上表面分别沉积一层金属Al膜，若干个金属Al膜相互独立亦呈阵列式分布进而构成隔离光栅6；本发明对单个金属Al膜的形状不做限制，可以为圆形、三角形、四边形、五边形、六边形或者任何合适的形状；本发明在器件反射层之上设置阵列式分布的金属反射薄膜，具有遮挡读出光的作用，减少读出光对金属反射层以下结构的影响，使得器件可以工作在更高强度的读出光条件下，进一步拓宽了器件的应用范围；
步骤D：制备隔离层5；
在步骤C制得的隔离网栅6及步骤B制得的阻光层表面沉积一层SiO2薄膜形成隔离层5；本发明隔离层6优选高阻隔离层，用以防止金属反射层中金属离子游离扩散降低液晶层的电阻率；
步骤E：制备液晶盒；
取上玻璃基板1在其单面制备第一取向层2，在隔离层5表面制备第二取向层4，制备取向层的方式本发明不做限制，通常采用斜蒸二氧化硅薄膜或者涂覆聚酰亚胺的方式进行取向层制备，其中：斜蒸二氧化硅薄膜制备取向层时，通过调整不同的蒸镀角能够得到预倾角不同的斜蒸取向层；涂覆聚酰亚胺制备取向层时，采用旋涂取向剂、烘烤和摩擦工艺制备；
然后将两块基板进行组合，完成组合后进行灌晶操作，本实施例在第一取向层2和第二取向层4之间灌注液晶材料形成液晶层3；第一取向层2、第二取向层4及介于二者之间的液晶层3形成液晶盒；至此完成如图1所示液晶空间光调制器的制备。
如图1所示，将控制像素的光电信号称之为写入光，将经过空间调制器射出的光电信号称之为读出光，通常采用一个二维光强分布(如一幅图像)作为写入光，使其成像在液晶空间光调制器的像素平面上，并使得写入光的像素与空间光调制器的像素一一对应，从而实现光寻址。
本发明相比现有技术的显著改进点在于：
提供一种宽视角液晶空间光调制器，采用如图1所示反射层及隔离网栅6形成的新型组合结构取代了现有传统器件结构中的阻光层和介质反射镜；具体而言，本发明通过在光敏层表面设置金属反射材料形成呈阵列式分布的像素单元和连接各像素单元的感光区，并在每个像素单元中填充光吸收材料形成阻光区7以及在各阻光区7的部分上表面设置金属反射单元，然后采用上述这一新型结构取代传统空间光调制器中层叠设置的阻光层和介质反射镜结构；同时，本发明将隔离网栅6作为一个电极，而金属Ag膜8和透明电导层共同作为另一电极，使得器件在通电时任意两个相邻金属感光区(即金属Ag膜8)与金属反射单元之间形成共面水平电场，进而驱动液晶分子，如此构建共面水平电场驱动模式。下面具体结合器件结构详细说明本发明如何实现共面水平电场驱动模式：
如图4示出了本发明提出的反射层及隔离网栅的俯视结构示意图；通过合理的结构设计和材料选择，本发明采用金属Ag膜8在光敏层9表面形成感光区，并且通过在金属Ag膜8中呈阵列式分布的像素单元中填充光吸收材料形成阻光区7构成反射层结构。由于金属Ag膜8为低电阻率薄膜，且还具有高反射性，能够增强写入光反射至光敏层9中，同时也减少器件读出光进入器件，并且金属Ag膜8被分割形成小的反射平面，可形成二维调制的电荷分布，进而在空间光调制器的电学匹配上也比较理想，有利于提高空间光调制器的各项性能。本实施例阻光区7的材料优选为感光树脂黑色矩阵材料(Resin-BM)，Resin-BM材料是一种绿色环保的遮光材料，其光密度(OD)高于3.5，具有优异的遮光性能，且具有良好的均匀性、良好的附着性、高解析度、低反射率(<4％,λ＝550nm)以及优良的耐药性和耐热性。阻光区7的存在使得各像素单元之间绝缘，有效避免了相邻像素单元之间存在光串扰导致器件分辨率和对比度下降从而使得读出光不清晰的问题。因此，本发明提出的反射层结构能够解决现存光吸收层材料粘附性差以及对比度不够高的问题。本发明中隔离网栅6是由分布于各阻光区7的部分上表面的金属反射单元构成，金属反射单元的材料优选为Al；隔离网栅6能够有效增强读出光的反射，阻挡读出光进入器件，进而使得器件调制得到强度更大的读出光。
进一步地，根据液晶材料理论分析，液晶材料的响应时间满足以下关系：
Figure GDA0002465858050000051
其中γ1指的是液晶材料的粘滞系数，d指的是液晶盒的间隙，V指的是驱动电压，Δε指的是液晶材料的介电系数。粘滞系数、介电系数都是直接与液晶材料本身特性相关的，由公式可知，增大液晶单元盒驱动电压有益于提高响应速度。本发明提出的新型结构采用电阻率较低的金属银和金属铝，相比传统介质反射镜，本发明器件在金属银和金属铝上产生的压降很小，即更多的有效电压用于液晶盒的驱动，因此有利于提高器件的响应速度。
下面结合图1对器件的工作原理进行详细说明：
在本领域中将控制像素的光电信号称之为写入光，将经过空间调制器射出的光电信号称之为读出光。在实际工作中，通常采用一个二维光强分布(如一幅图像)作为写入光，本实施是采用待处理的非相干图像作为写入光从器件下方射入，继而成像在光敏层9上，读出光从上方入射，经起偏器使其偏振方向于液晶分子指向矢一致。经过ITO电导层10及液晶层3之后，在隔离网栅6处返回，再次穿过液晶层3，经过偏振分束板后，通过一个透光轴方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器，成为输出光束。而液晶分子会受到电场的作用进行转动，进而控制读出光的通过与否，当不同强度、不同频率的写入光照射在光敏层9上，光敏层9各区域的阻抗不一致，由此生成的调制电场也不同。调制电场不同的区域，其液晶分子转动角不一样，这样读出光的光强空间分布就受写入光图像的空间分布所调制。使其成像在液晶空间光调制器的像素平面上，并使得写入光的像素与空间光调制器的像素一一对应，从而实现光寻址。
基于图4示出的反射层及隔离网栅6的结构，本发明的隔离网栅6是设置于各像素单元部分上表面的金属反射单元，通过并联的方式作为密布排列电极单元，各个单元的电压大小单独控制；同时，金属Ag膜8被分隔形成小的反射平面，将其同ITO电导层相连共同作为另一电极，在通电条件下，任意两个相邻感光区(金属Ag膜8)与金属反射单元之间形成共面水平电场。本发明利用共面水平电场驱动液晶分子来取代传统器件上下透明电极之间垂直电场驱动液晶分子。在未加电场时，液晶分子初始取向矢保持不变(也就是与基面平行)，呈现水平排列，液晶完全不会旋转，两个取向层呈90°垂直，此时液晶层将呈现出比较纯的黑色；在施加电场时，任意两个相邻感光区(金属Ag膜8)与金属反射单元之间形成共面水平电场，改变液晶分子的取向矢以控制透射率；通电达到饱和时，液晶分子为单畴，由于液晶分子几乎处于一种状态，偏振状态相同而入射方向不同的光线经过液晶分子时偏振状态的改变并不相同。结合图2和图3来看，垂直电场驱动模式从上视角变化到下视角时，亮度逐渐变暗，而共面水平电场驱动模式的上视角和下视角的角度相同时，由于液晶的双折射效果相同，亮度也相等，只是背面视图比正面视图稍暗些。在共面水平电场模式下，从暗态到亮态的过程实际上是液晶指向矢在与基板平行的平面上旋转的过程，因此从液晶面板的上、下、左、右各个角度观察时，由于液晶分子只在水平位置取向，共面水平电场驱动模式的光程差比传统垂直电场驱动模式小很多，因此相较于传统垂直驱动模式，共面水平电场驱动模式在视角改变时光学特性随视角变化非常小，无论从视角特性以及视角均匀性方面来讲均优于垂直电场驱动模式。因此，本发明提出的共面水平电场驱动模式相比现有技术可大幅改善液晶的对比度与灰阶反转的视角特性，最大可以达到178度的可视角度。另一方面，液晶空间光调制器对于视角的提高，能够起到偏轴效果，使其广泛运用于离轴光学系统。
根据本领域公知常识可知，液晶层满足液晶动力学方程：
Figure GDA0002465858050000071
通过上式可以推导出液晶层的响应时间依赖于盒厚z、扭曲弹性常数K22、转动粘滞系数γ、所加电场强度E和摩擦角度
Figure GDA0002465858050000072
(液晶初始排列方向与电极方向之间的夹角)。另外，窄电极宽度，宽电极间隙的电极结构能够给予更高的透过率，所需要注意的问题是电极宽度越窄，电极间隙越宽所需要的驱动电压越大。电极宽度相同情况下，电极间隙越大对比度视角越高，电极间隙相同，电极宽度越窄对比度视角越高。但总体来说电极宽度，电极间隙变化对对比度视角影响并不是太大。小摩擦角度不仅能达到较高的透过率，而且液晶盒所需驱动电压也越小，但阈值电压较大，这也是影响液晶盒响应速度的因素。摩擦角度增大，响应速度在加快。
经试验测试，本发明对图1示出的液晶空间光调制器在光照条件下检测读出光随写入光变化而发生的变化，实验测试器件响应上升时间为3.6ms，响应下降时间为2.3ms。响应时间利用型号DMS 505显示器测量系统测试得来，测试条件具体如下：
环境条件：相对湿度60％，气压为一个标准大气压；驱动信号源选择频率为100Hz的方波驱动信号源，光信号的接收角度θ＝15°，阈值电压的测试范围为0～5.0V，步进精度为0.2V。等待时间为从给液晶光阀加驱动信号到开始测试的时间，此时间大于光阀的响应时间。
当液晶光阀为3"("表示英寸)，投影屏幕为200"("表示英寸)，投影屏幕亮度80cd/m2，液晶光阀的写入光阈值灵敏度Pmin为20μm/cm2。平均响应时间可以达到3.0ms，最大对比度可以达到1500∶1，对比度为1000以上的区域在水平和垂直方向上超过15°，对比度为100以上的区域在水平和垂直方向上接近60°。
以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，包括：平行相对设置的第一透明基板和第二透明基板，第一玻璃基板设置在第二玻璃基板的上方，自第一玻璃基板至第二玻璃基板顺次设置有第一取向层、液晶层、第二取向层、高阻隔离层、隔离网栅、反射层、光敏层和电导层；
反射层包括呈阵列式分布的像素单元和介于各像素单元之间与之相连的感光区，每个像素单元内设置有光吸收材料形成阻光区；隔离网栅是由一一对应分布于阻光区部分表面的金属反射单元形成的金属反射阵列；高阻隔离层完全覆盖于隔离网栅及反射层之上；
电导层与感光区共同作为第一电极，隔离网栅作为第二电极，第一电极和第二电极分别与外加电压连接使得任意相邻的金属反射单元与感光区之间形成共面水平电场以驱动液晶分子。
2.根据权利要求1所述的一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，所述阻光区的材料为绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，所述感光区的材料为Ag。
4.根据权利要求1所述的一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，所述隔离网栅的材料为Al。
5.根据权利要求1所述的一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，所述高阻隔离层的电阻为1015～1016Ω。
6.根据权利要求1所述的一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，所述高阻隔离层的相对介电常数为3.9。
7.根据权利要求5或6所述的一种宽视角液晶空间光调制器，其特征在于，所述高阻隔离层的材料为SiO2。
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