CN113791509A

CN113791509A - 一种抑制微像素lcos的边缘效应的垂直电极

Info

Publication number: CN113791509A
Application number: CN202110996717.6A
Authority: CN
Inventors: 张亚萍; 郭胤初
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2021-12-14

Abstract

本发明公开一种抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极，属于硅基液晶空间光调制器设计技术领域。本发明所述电极为垂直结构，该液晶系统由玻璃基底，像素电极，感应导体，液晶和硅基底组成；由于垂直电极结构特殊的电极排布，使LCOS在通电工作状态下，相邻像素间的电场成水平，边缘电场的垂直分量得到了很好的抑制。通过软件仿真的仿真结果表明：垂直电极结构下LCOS像素间的边缘场得到最好的抑制效果。

Description

一种抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极

技术领域

本发明涉及一种抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极，属于硅基液晶空间光调制器设计技术领域。

背景技术

硅基液晶空间光调制器(liquid crystal on silicon，LCOS)是一种在单晶硅上制作的反射式液晶空间光调制器；LCOS的电极底板是用单晶硅做成的，不同于一般的有源像素，TFT结构设计在像素中间，LCOS的驱动电路集成在像素背后的硅基底中，可实现90％以上的像素填充率，增加了光学效率。入射光在反射式器件中所走的光程是通过透射式器件的一倍，反射式器件对入射光的相位调制量相同时，液晶层的厚度只需透射式器件的一半，降低了LCOS器件中所需的液晶层厚度；液晶层厚度降低，液晶装置的响应速度会得到提高，同时减小了边缘电场的畸变效应；对于全息显示技术来说，再现像拥有可满足观察的视场角是必要的，当前的LCOS的全息再现像的视场角仅能达到4.8o，观察者需要正对LCOS屏幕才能看清再现像；由光栅的性质可知，减小LCOS的像素尺寸可增大再现像的视场角；而缩小LCOS的像素之后又会在相邻像素间产生边缘电场。

边缘电场是指电极间的电场并不仅仅垂直分布在电极覆盖区域内，而是有部分电场遗漏入电极之外。边缘电场使LCOS中相邻像素电极间的液晶分子排布产生紊乱，最终影响全息再现效果。通过改变像素电极排布结构可消除微小像素电极的LCOS产生的边缘场效应，对于增大LCOS的全息再现视场角来说是一个直接方法。经过理论推导，像素大小达到纳米级时，再现视场角可增大到60o，当像素大小降低时边缘场问题比较严重，降低了LCOS的衍射效率，使再现像像质模糊。

发明内容

为了消除LCOS器件中的边缘场效应，解决基于LCOS的全息再现技术存在的再现视场角不足，以及再现像像质模糊等问题，本发明提出了一种LCOS的电极排布结构，经过模拟仿真的验证，能够确切对LCOS相邻像素电极间的边缘电场进行抑制，为大视场角全息显示的LCOS器件提供了依据。

本发明通过以下技术方案实现：

一种抑制微像素LCOS边缘效应的垂直电极，所述垂直电极分为三层，第一层包括玻璃基底1、透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3、透明电极Ⅲ4、感应导体Ⅰ5、感应导体Ⅱ6，在玻璃基底1下面设有透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3、透明电极Ⅲ4，在透明电极Ⅰ2和透明电极Ⅱ3之间插入感应导体Ⅰ5，在透明电极Ⅱ3和透明电极Ⅲ4之间插入感应导体Ⅱ6，其中，透明电极Ⅰ2和透明电极Ⅲ4作为寻址电极，透明电极Ⅱ3作为接地电极；第二层是液晶层7，在两板之间填入液晶；第三层包括硅基底13、反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10、感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12，在硅基底13上设有反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10，反射电极材Ⅰ8和反射电极材Ⅱ9之间设有感应导体Ⅲ11，反射电极材Ⅱ9和反射电极材Ⅲ10之间设有感应导体Ⅳ12；反射电极材Ⅰ8和反射电极材Ⅲ10作为接地电极，反射电极材Ⅱ9作为寻址电极；在工作时，寻址电极透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅲ4、反射电极材Ⅱ9接入计算机显卡输入信号电压，与接地电极透明电极Ⅱ3、反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅲ10相对，产生驱动电压。

优选的，本发明所述上基板选用可透光的玻璃基板，下基板选用稳定不透光的硅基板。

优选的，本发明所述透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3、透明电极Ⅲ4选用氧化铟锡，感应导体Ⅰ5、感应导体Ⅱ6选用氧化铟锡，因为氧化铟锡ITO同时具有导电和透光两种性质。

优选的，本发明所述液晶层7中填入的液晶为E7液晶，E7液晶水平介电常数与垂直介电常数差值较大，因此驱动电压不必太高。而且具有较好的相对折射率，对入射光的相位调制量较高。

优选的，本发明所述反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10选用金属铝，因为铝作为电极材料其导电性能良好且具有反光性；感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12选用氧化铟锡。

优选的，在下基板的铝制反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10和感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12之上喷涂铬离子。

利用COMSOL软件进行LCOS边缘场抑制效果的仿真，仿真结果：应用COMSOL软件分别对传统电极模型，双边叉指电极模型，垂直电极模型进行了在工作状态下的模拟仿真。图6可以看出传统电极结构中，相邻像素间与电极区域的电势变化梯度近似；图7可见垂直电极结构中，相邻像素间电势变化梯度明显比电极区域平缓；从图8可从数据上直观观察到，垂直电极像素间距间的电势梯度远比双边叉指电极的电势梯度平滑(经过读取的数据计算双边叉指电极的电势梯度是垂直电极电势梯度的8.6倍)。

本发明的有益效果：

本发明所述方法通过抑制微像素LCOS的边缘效应；改变传统电极的接入方式，在同一基板上将寻址电极与接地电极交错排布；这种接入方式可使LCOS在工作时，相邻像素间生成水平电场，边缘电场的垂直效果被抑制；在像素电极间距间插入感应导体，由于静电感应原理和电场的特性，如图4，相邻像素间的水平电场会更强，边缘场的垂直效果会进一步被抑制。像素电极区域电场呈垂直状，液晶分子将跟随电场方向发生扭转；非像素区域的电场呈水平，使该区域的液晶分子处于初始水平稳态。在相邻电极间加入感应导体附着于上下基板；利用叉指电极原理和静电感应原理，可在LCOS相邻像素间产生多组横向电场，抑制其间边缘电场的垂直分量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明

图1为传统像素电极结构示意图；

图2为双边叉指像素电极结构示意图；

图3为垂直像素电极结构示意图；

图4为在寻址电极和接地电极之间加入感应导体时垂直像素电极结构示意图；

图5为基于垂直像素电极的LCOS器件的结构简图；

图6为传统电极模型的边缘电场分布仿真图；

图7为垂直电极模型的边缘电场分布仿真图；

图8为双边叉指电极与垂直电极相邻像素间距间中心线上的电压分布对比。

图中：1-玻璃基底；2-透明电极Ⅰ；3-透明电极Ⅱ；4-透明电极Ⅲ；5-感应导体Ⅰ；6-感应导体Ⅱ；7-液晶层；8-反射电极材Ⅰ；9-反射电极材Ⅱ；10-反射电极材Ⅲ；11-感应导体Ⅲ；12-感应导体Ⅳ；13-硅基底。

具体实施方式

下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种抑制微像素LCOS边缘效应的垂直电极，如图5所示，所述垂直电极分为三层，第一层包括玻璃基底1、透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3、透明电极Ⅲ4、感应导体Ⅰ5、感应导体Ⅱ6，在玻璃基底1下面设有透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3、透明电极Ⅲ4，在透明电极Ⅰ2和透明电极Ⅱ3之间插入感应导体Ⅰ5，在透明电极Ⅱ3和透明电极Ⅲ4之间插入感应导体Ⅱ6；其中，透明电极Ⅰ2和透明电极Ⅲ4作为寻址电极，透明电极Ⅱ3作为接地电极；第二层是液晶层7，在两板之间填入液晶；第三层包括硅基底13、反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10、感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12，在硅基底13上设有反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10，反射电极材Ⅰ8和反射电极材Ⅱ9之间设有感应导体Ⅲ11，反射电极材Ⅱ9和反射电极材Ⅲ10之间设有感应导体Ⅳ12；反射电极材Ⅰ8和反射电极材Ⅲ10作为接地电极，反射电极材Ⅱ9作为寻址电极；在工作时，寻址电极透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅲ4、反射电极材Ⅱ9接入计算机显卡输入信号电压，与接地电极透明电极Ⅱ3、反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅲ10相对，产生驱动电压。

本实施例中上基板选用可透光的玻璃基板，下基板选用稳定不透光的硅基板；透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3、透明电极Ⅲ4选用氧化铟锡(ITO)，因为氧化铟锡ITO同时具有导电和透光两种性质；所述反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10选用金属铝，因为铝作为电极材料其导电性能良好且具有反光性；感应导体Ⅰ5、感应导体Ⅱ6、感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12选用氧化铟锡，因为氧化铟锡具有良好的电学性能，当其处于电场之中由于静电感应原理产生感应电荷，改变了区域内的电场；另外一个选择氧化铟锡做为感应导体的原因是，ITO为淡茶色透明物质，而LCOS的相邻电极间均需要透光性质；综上ITO是非常理想的感应导体材料。

本实施例所述液晶层7中填入的液晶为E7液晶，E7液晶水平介电常数与垂直介电常数差值较大，因此驱动电压不必太高；而且具有较好的相对折射率，对入射光的相位调制量较高。

图5中，上基板1使用ITO玻璃制作，在基板上进行光刻时，一个周期循环按照2um、1um的宽度顺序；最后在上基板1上形成2um的透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3、透明电极Ⅲ4，并在像素电极间插入1um的感应导体，即在透明电极Ⅰ2、透明电极Ⅱ3间插入感应导体Ⅰ5，在透明电极Ⅱ3和透明电极Ⅲ4之间插入感应导体Ⅱ6。

为了使填充进入LCOS盒中的液晶分子有初始的水平取向及锚定作用，应用摩擦机在玻璃基板1的像素电极与感应导体上进行摩擦，取向方向为平行取向；

下基板13上沉积金属铝作为像素电极，电极大小为2um像素间距为1um下基板13像素间距中采用磁控溅射的方法沉积ITO，应用光刻，在反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10间刻出1um的感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12。

在下基板的铝制反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10和感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12之上喷涂铬离子，其作用是隔离上下基板；考虑到液晶层7的厚度要能够对入射光实现2π相位调制，并要具有工艺可操作性，本发明采用5um的铬离子，均匀涂在下基板四周。

将上基板使用点胶机，点胶封框，框定液晶所在区域，留出开口以便可以填入液晶；最后从开口注入液晶7，本发明中优选E7液晶，注入完成后，用点胶机进行封口。

本实施例所述垂直电极的工作状态：一种用于LCOS的垂直像素电极结构(图3)，在横向相邻的寻址电极和接地电极之间加入一块感应导体(ITO)(图3)。A1，B2，C1为寻址电极.A2，B1，C2为接地电极，D为感应导体；工作状态下，寻址电极接入工作电压(设为3V)，接地电极接地，工作时，A1，B2，C1极板上将布满正电荷，A2，B1，C2将布满负电荷。感应导体D由于静电感应原理靠近A1端显负电性，靠近B1端显正电性；此种情况下，横向电极A1，B1，C1与感应导体D间产生的电场呈水平(下基板同理)，使相邻像素间的液晶分子处于初始排布状态；纵向电极A1,A2间电场垂直排布(其余像素之间同理)，液晶分子会跟随电场的方向发生扭转。这就是基于垂直电极结构的LCOS想得到液晶分子排布情况。

Claims

1.一种抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极，其特征在于：所述垂直电极分为三层，第一层包括玻璃基底(1)、透明电极Ⅰ(2)、透明电极Ⅱ(3)、透明电极Ⅲ(4)、感应导体Ⅰ(5)、感应导体Ⅱ(6)，在玻璃基底(1)下面设有透明电极Ⅰ(2)、透明电极Ⅱ(3)、透明电极Ⅲ(4)，在透明电极Ⅰ(2)和透明电极Ⅱ(3)之间插入感应导体Ⅰ(5)，在透明电极Ⅱ(3)和透明电极Ⅲ(4)之间插入感应导体Ⅱ(6)，其中，透明电极Ⅰ(2)和透明电极Ⅲ(4)作为寻址电极，透明电极Ⅱ(3)作为接地电极；第二层是液晶层(7)，在两板之间填入液晶；第三层包括硅基底(13)、反射电极材Ⅰ(8)、反射电极材Ⅱ(9)、反射电极材Ⅲ(10)、感应导体Ⅲ(11)、感应导体Ⅳ(12)，在硅基底(13)上设有反射电极材Ⅰ(8)、反射电极材Ⅱ(9)、反射电极材Ⅲ(10)，反射电极材Ⅰ(8)和反射电极材Ⅱ(9)之间设有感应导体Ⅲ(11)，反射电极材Ⅱ(9)和反射电极材Ⅲ(10)之间设有感应导体Ⅳ(12)；反射电极材Ⅰ(8)和反射电极材Ⅲ(10)作为接地电极，反射电极材Ⅱ(9)作为寻址电极；在工作时，寻址电极透明电极Ⅰ(2)、透明电极Ⅲ(4)、反射电极材Ⅱ(9)接入计算机显卡输入信号电压，与接地电极透明电极Ⅱ(3)、反射电极材Ⅰ(8)、反射电极材Ⅲ(10)相对，产生驱动电压。

2.根据权利要求1所述抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极，其特征在于：透明电极Ⅰ(2)、透明电极Ⅱ(3)、透明电极Ⅲ(4)选用氧化铟锡，感应导体Ⅰ(5)、感应导体Ⅱ(6)选用氧化铟锡。

3.根据权利要求1所述抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极，其特征在于：液晶层7中填入的液晶为E7液晶。

4.根据权利要求1所述抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极，其特征在于：反射电极材Ⅰ(8)、反射电极材Ⅱ(9)、反射电极材Ⅲ(10)选用金属铝；感应导体Ⅲ(11)、感应导体Ⅳ(12)选用氧化铟锡。

5.根据权利要求1所述抑制微像素LCOS的边缘效应的垂直电极，其特征在于：下基板的铝制反射电极材Ⅰ8、反射电极材Ⅱ9、反射电极材Ⅲ10和感应导体Ⅲ11、感应导体Ⅳ12之上喷涂铬离子。