CN108254945A - 一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法 - Google Patents

一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法，该器件由上至下依次设置白光背光源(101)、偏振分光片(102)、金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)、基底层(108)，该器件还包括直流电压源(109)；其中，所述金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)和基底层(108)共同构成滤色结构；改变外界电压源电压可以调制反射光的颜色和亮度，通过时分复用法，实现彩色图像显示。本发明具有颜色动态调节范围大、像素尺寸小等优点；对超高分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。

Description

一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法
技术领域
本发明涉及等离子激元显示技术，特别是涉及一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法。
背景技术
等离子激元纳米结构和材料在光波调制方面表现出很多特殊的光学特性，目前已应用于波前整形、幅值调制、偏振态转换、滤波等领域。等离子激元纳米结构可以用于制作超薄滤色膜，应用于投影显示、三维显示或全息成像，实现像素尺寸在微米甚至纳米量级的超高分辨率成像。在光学成像向集成化和显示器件轻量化的今天，表现出巨大的潜在应用价值。
传统透射式或反射式显示器尺寸、重量很大，每个像素包括三个亚像素单元，分别配有红、绿、蓝滤色片，像素颜色由三个亚像素单元的颜色混合而成。等离子激元显示器大大减小了像素尺寸，但多沿用这种空分复用的设计，牺牲了空间面积。
目前已有技术中，等离子激元显示器滤色片通常采用亚波长光栅或超表面结构，其中，超表面结构的像素尺寸更小，但现有技术尚不能实现覆盖红、绿、蓝窄带滤波，特别是蓝光波段能量损耗巨大，难以实现全彩色显示。
发明内容
技术问题：为解决现有技术的不足，实现超高分辨率显示，提供一种反射式超表面显示器件及彩色图像显示方法。本发明的反射式超表面显示器件具有色域广、可实现超高分辨率等优点；适合于高分辨率动态显示方面的实际应用，对超高分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。
技术方案：本发明的一种反射式超表面显示器件由上至下依次设置白光背光源、偏振分光片、金属超表面层、缓冲层、ITO薄膜、调制层、金属反射层、基底层，该器件还包括直流电压源；其中，所述金属超表面层、缓冲层、ITO薄膜、调制层、金属反射层和基底层共同构成滤色结构；
所述金属超表面层厚度大于该金属的趋肤深度，小于100nm，由相同几何形状的天线单元周期排列组成，天线单元的周期小于入射光波长，n×n个天线单元构成一个像素单元，n为大于等于2的自然数，像素尺寸在微米至纳米量级；
所述缓冲层的厚度小于20nm，材料为电介质，其折射率小于ITO薄膜和调制层材料的折射率；
所述ITO薄膜厚度小于50nm；所述调制层的厚度小于入射光波长；所述金属反射层厚度大于100nm；所述直流电压源的正极连接ITO薄膜，地接金属反射层。
其中，所述天线单元为凸起结构，几何形状包括但不限于直棒状、V形、H形、U形或C形，几何对称轴与x轴和y轴的夹角均为45°。
所述金属超表面层和金属反射层的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金；所述基底层材料为电介质材料。
所述调制层为工作在可见光波段且电光系数数量级在nm/V的电光材料；所述电光材料的响应时间小于2ms。
本发明的反射式超表面显示器件的彩色图像显示方法法包括以下步骤：
1)连接直流电压源
将直流电压源的正输出端与ITO薄膜连接，负输出端与金属反射层共同接地；
2)调制像素颜色
白光背光源的白光入射到超表面器件的金属超表面层，调节直流电压源的电压，以改变调制层的折射率，从而改变交叉偏振反射光的峰值波长，当峰值波长在背光源光谱范围内，反射光为某一种特定颜色；确定红、绿、蓝三基色的作用电压值，利用视觉暂留效应，控制每种基色的电压作用时间比，通过时分复用法，实现彩色显示；
3)调制像素亮度
白光背光源的白光入射到超表面器件的金属超表面层，调节直流电压源的电压，交叉偏振反射光的峰值波长在背光源光谱范围内，反射特定颜色，为亮状态；将交叉偏振反射光的峰值波长移动至背光源光谱范围外，为暗状态；利用视觉暂留效应，控制亮状态和暗状态的电压作用时间比，实现灰度控制。
所述白光背光源经过偏振分光片后转变为一束线偏振宽频光波，垂直入射到金属超表面层。
所述交叉偏振反射光为光波被金属超表面层反射后，再经过偏振分光片反射的线偏振窄频光波。
所述直流电压源电压的绝对值小于金属超表面层-缓冲层-ITO薄膜-调制层-金属反射层的击穿电压。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种反射式超表面显示器件具有色域广、可实现超高分辨率等优点；外接电压源，可以调制反射光的颜色和亮暗状态，利用视觉暂留效应，控制红绿蓝三基色亮状态和暗状态的显示时间比，显示彩色图像。本发明适合于高分辨率动态显示方面的实际应用，对超高分辨率显示和全息成像领域具有启示意义和广泛的应用前景。
附图说明
图1是反射式超表面显示器件工作原理示意图；
图2是反射式超表面显示器件单个像素示意图；
图3是反射式超表面滤色结构在不同电压偏置条件下的交叉偏振反射光谱曲线；
图4是背光源为白光QDEF时的反射式超表面显示器件显示红、绿、蓝、光和暗状态时的光谱曲线；
图5是背光源为白光QDEF时的反射式超表面显示器件的色域图。
图中包括：白光背光源101、偏振分光片102、金属超表面层103、缓冲层104、ITO薄膜105、调制层106、金属反射层107、基底层108、直流电压源109。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施方式对本发明技术方案作进一步解释说明，但本发明的保护范围并不局限于下面的实施例，下面的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求书中的全部内容，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这些均属于本发明的保护之内。
如图1所示，本发明的一种反射式超表面显示器件，由上至下依次包括：白光背光源101、偏振分光片102、金属超表面层103、缓冲层104、ITO薄膜105、调制层106、金属反射层107和基底层108，该器件还包括直流电压源109。其中，金属超表面层103、缓冲层104、ITO薄膜105、调制层106、金属反射层107和基底层108共同构成滤色结构。由8×8个天线单元构成的单个像素如图2所示，金属超表面层103由某一特定形状的金属纳米天线在x和y方向周期延拓形成，外接直流电压源109的正输出端与ITO薄膜105连接，负输出端与金属反射层107共同接地调制层106的厚度小于入射光波长。
金属超表面层103的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金；每个天线单元的周期小于入射光波长，厚度大于金属的趋肤深度，小于100nm。金属天线的形状包括且不限于直棒状、V形、H形、U形、C形，几何对称轴与x轴和y轴的夹角均为45°，以保证交叉偏振转化率达到最大；改变天线的长度、宽度、夹角等几何特征，会改变光谱响应。
缓冲层104厚度小于20nm，材料为折射率比ITO薄膜和调制层低的电介质，金属-低折射率电介质-高折射率电介质构成金属包层介质波导结构，减小腔体对能量的吸收，缩小反射光谱带宽。
ITO薄膜105的厚度小于50nm，用作电极。
调制层106为工作在可见光波段的电光材料，电光系数的数量级在nm/V，无电压偏置时的折射率大于2，以保证无电压偏置时的反射光为绿色，加载绝对值近似相等的正负偏压时，反射光为红色或蓝色，目的是控制ITO薄膜和金属反射层之间的电压差，以最小的电压差调制反射光颜色。响应时间小于2ms，这是因为颜色调制和亮度调制时，利用了视觉暂留效应，所以响应时间必须远小于视觉暂留的最小时长。其中，电光材料电光系数的取值由电压幅值、调制层厚度以及材料的击穿阈值共同决定；当金属超表面层为金属孔状结构时，所述电光材料的折射率应小于2。超表面层和调制层折射率的这一关系是保证反射光效率高的重要条件。
金属反射层107厚度大于100nm，材料与金属超表面103材料相同，用作接地电极和光波反射。
基底108材料可以为硅、二氧化硅等电介质材料。
直流电压源110电压的绝对值小于金属超表面层-缓冲层-ITO薄膜-调制层-金属反射层的击穿电压。
该器件的工作过程为：白光背光源101发出的宽频自然光I0经过偏振分光镜102后，转化为振动方向为x方向的线偏振光Ix，被滤色结构反射后，反射光包括同向偏振反射光Rx和含有图像信息的窄频交叉偏振反射光Ry，同向偏振反射光Rx再次透过偏振分光镜102，交叉偏振反射光Ry被偏振分光镜102反射，在无限远显示图像。
基于上述反射式超表面显示器件的彩色图像显示方法，包括以下步骤：
(1)连接直流电压源
将直流电压源的正输出端与ITO薄膜连接，负输出端与金属反射层共同接地；
(2)调制像素颜色
背光源的白光入射到超表面器件的超表面层，调节直流电压源的电压，以改变调制层的折射率，从而改变交叉偏振反射光的峰值波长，当峰值波长在背光源光谱范围内，反射光为某一种特定颜色；确定红、绿、蓝三基色的作用电压值，利用视觉暂留效应，控制每种基色的电压作用时间比，实现彩色显示。
(3)调制像素亮度
背光源的白光入射到超表面器件的超表面层，调节直流电压源的电压，交叉偏振反射光的峰值波长在背光源光谱范围内，反射特定颜色，为亮状态；将交叉偏振反射光的峰值波长移动至背光源光谱范围外，为暗状态；利用视觉暂留效应，控制亮状态和暗状态的电压作用时间比，实现灰度控制。
该装置实现红、绿、蓝光调制的原理是：金属超表面层类似于二维光栅，宽频线偏振光波Ix入射到金属超表面层之后，满足特定频率条件的光波被金属天线耦合成表面等离子体激元，不能耦合成表面等离子激元的光波被直接反射，即同向偏振反射光Rx。表面等离子体激元的部分能量被金属-电介质-金属的共振腔吸收，另外一部分窄频光波的能量经过金属反射层反射后，被金属天线耦合成自由空间线偏振光，即交叉偏振反射光Ry。滤波波段的选择由金属和电介质的材料特性、电介质腔长和金属天线的几何特性共同决定。由于调制层的电介质是电光材料，所以调节加载电压的大小，可以改变其折射率，从而使交叉偏振反射光的峰值波长发生偏移，对交叉偏振反射光的颜色进行调谐。由于金、银、铝、铜等金属的吸收光谱位于短波波段，以及金属-电介质-金属共振腔的能量损耗，典型共振腔滤波范围不能覆盖蓝光波段，所以本装置加入了缓冲层，形成金属-低折射率电介质-高折射率电介质的金属包层介质波导结构，有效抑制了腔内能量在蓝光波段的损耗，实现了红、绿、蓝全彩色颜色选择。
实施例：
金属超表面层为V型，单个天线周期为200nm，厚度为30nm；缓冲层厚度为5nm；ITO薄膜厚度为5nm；调制层厚度为150nm；金属反射层厚度为130nm；基底层厚度为300nm。金属超表面层与金属反射层均为银，其折射率根据Palik给出的常见金属折射率表设定；缓冲层材料为MgF2；ITO的介电常数ε满足Drude模型，其中ε∞、ωp和Γ分别为无限大频率的介电常数、等离子体振动频率、弛豫频率，数值分别为4.55、2.0968×1015rad/s和724.6THz，ω为角频率，由入射光波长决定。调制层材料为有机晶体DAST(4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate)，其响应频率为18GHz，折射率n为n＝n0+(dn/dE)·E，其中n0为平均折射率，在可见光波段为2.2，dn/dE为电光系数，在可见光波段为3.41nm/V，E为电场值；基底材料为二氧化硅。按图2所示，ITO薄膜外接输出电压可调的直流电压源，金属反射层与电压源负输出端共同接地。如图3所示，加载零偏压时，交叉偏振共振波长位于绿光波段；加载正偏压时，交叉偏振共振波长位于蓝光波段；加载负偏压时，交叉偏振共振波长位于红光波段。由偏压决定的红绿蓝光中心波长的具体数值应与背光源光谱曲线相匹配。以QDEF白光背光源为例，如图4所示，加载电压为-25V、0V、25V时，反射颜色分别为红、绿、蓝色，加载电压为-40V时，为暗状态。如图5所示，在CIE 1931色彩空间中，使用QDEF作为白光背光源时，本装置的色域面积占NTSC标准色域面积的89％。相对亮度为光源光谱曲线、滤色结构反射率曲线和人眼明视觉曲线的乘积，在可见光范围内关于波长的积分。亮度对比度为最大相对亮度与最小相对亮度的比值。本实例中，最大相对亮度为红绿蓝光的相对亮度，最小相对亮度为暗状态相对亮度，计算可得本装置红、绿、蓝光的亮度对比度分别为12.87、30.29、3.13。由于本装置采用时分复用的显示方法，像素亮度为红、绿、蓝亮度叠加的结果，所以最终的像素亮度会成倍增加，则对比度亦会成倍增加。综上所述，本装置可有效实现彩色图像显示。
尽管已经参考本发明的典型案例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施案例进行形式和细节上的多种改变。

Claims (8)

1.一种反射式超表面显示器件，其特征在于，该器件由上至下依次设置白光背光源(101)、偏振分光片(102)、金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)、基底层(108)，该器件还包括直流电压源(109)；其中，所述金属超表面层(103)、缓冲层(104)、ITO薄膜(105)、调制层(106)、金属反射层(107)和基底层(108)共同构成滤色结构；
所述金属超表面层(103)厚度大于该金属的趋肤深度，小于100nm，由相同几何形状的天线单元周期排列组成，天线单元的周期小于入射光波长，n×n个天线单元构成一个像素单元，n为大于等于2的自然数，像素尺寸在微米至纳米量级；
所述缓冲层(104)的厚度小于20nm，材料为电介质，其折射率小于ITO薄膜和调制层材料的折射率；
所述ITO薄膜(105)厚度小于50nm；所述调制层(106)的厚度小于入射光波长；所述金属反射层(107)厚度大于100nm；所述直流电压源(109)的正极连接ITO薄膜(105)，地接金属反射层(107)。
2.根据权利要求1所述的一种反射式超表面显示器件，其特征在于，所述天线单元为凸起结构，几何形状包括但不限于直棒状、V形、H形、U形或C形，几何对称轴与x轴和y轴的夹角均为45°。
3.根据权利要求1所述的一种反射式超表面显示器件，其特征在于，所述金属超表面层(103)和金属反射层(107)的材料为金、银、铝、铜、金银合金、金铝合金、金铜合金、银铝合金、银铜合金或铜铝合金；所述基底层(108)材料为电介质材料。
4.根据权利要求1所述的一种反射式超表面显示器件，其特征在于，所述调制层(106)为工作在可见光波段且电光系数数量级在nm/V的电光材料；所述电光材料的响应时间小于2ms。
5.一种如权利要求1所述反射式超表面显示器件的彩色图像显示方法，其特征在于，该显示方法包括以下步骤：
1)连接直流电压源
将直流电压源的正输出端与ITO薄膜(105)连接，负输出端与金属反射层(107)共同接地；
2)调制像素颜色
白光背光源(101)的白光入射到超表面器件的金属超表面层(103)，调节直流电压源(109)的电压，以改变调制层(106)的折射率，从而改变交叉偏振反射光的峰值波长，当峰值波长在背光源光谱范围内，反射光为某一种特定颜色；确定红、绿、蓝三基色的作用电压值，利用视觉暂留效应，控制每种基色的电压作用时间比，通过时分复用法，实现彩色显示；
3)调制像素亮度
白光背光源(101)的白光入射到超表面器件的金属超表面层(103)，调节直流电压源(109)的电压，交叉偏振反射光的峰值波长在背光源光谱范围内，反射特定颜色，为亮状态；将交叉偏振反射光的峰值波长移动至背光源光谱范围外，为暗状态；利用视觉暂留效应，控制亮状态和暗状态的电压作用时间比，实现灰度控制。
6.根据权利要求5所述的一种彩色图像显示方法，其特征在于，所述白光背光源(101)经过偏振分光片(102)后转变为一束线偏振宽频光波，垂直入射到金属超表面层(103)。
7.根据权利要求5所述的一种彩色图像显示方法，其特征在于，所述交叉偏振反射光为光波被金属超表面层(103)反射后，再经过偏振分光片(102)反射的线偏振窄频光波。
8.根据权利要求5所述的彩色图像显示方法，其特征在于，所述直流电压源(109)电压的绝对值小于金属超表面层-缓冲层-ITO薄膜-调制层-金属反射层的击穿电压。
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