CN117742119A - 基于相变材料的全息显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相变材料的全息显示装置，具有高分辨率、高帧率、多级调控、能耗低等特点，该全息显示技术包含激光背光光源、数据处理器、多级相变空间光调制单元阵列、光学系统，本发明基于相变材料的全息显示技术可广泛应用但不限于以下设备：智能手机、电脑、电视、医疗设备、教育设备、娱乐设备、军事设备以及其他任何需要视觉显示的电子设备。
Description
技术领域
本发明属于相变材料技术领域，更具体的，一种基于相变材料的全息显示装置。
背景技术
全息显示技术是一种通过干涉和衍射的物理现象，以及光的强度和相位信息，记录和再现出一个三维物体的全部视觉信息的三维显示技术。这种技术能够展示出真实的三维空间效果，使得观看者无需任何辅助设备就能够看到立体的图像，极大地增强了视觉体验。全息显示在各个行业中都有潜在的应用，包括医疗、教育、娱乐、设计等领域，可用于精细的图像呈现和复杂的数据可视化。
尽管全息显示技术具有高度的潜力，但目前还面临着一些技术瓶颈。首先，现有的全息显示技术分辨率较低，无法在细节上满足用户的需求。其次，响应速度慢，影响了用户观看与操作的流畅性，降低了用户体验。这些问题的存在限制了全息显示技术的广泛应用，阻碍了其在各个领域的进一步发展。
相变材料是一类具备可逆相变特性的材料，通过电场刺激能够实现快速的光响应。相较于传统液晶材料，相变材料具有更快的光响应速度(纳秒级别)和较小的像素尺寸(纳米级别)，因此在改善全息显示技术的分辨率和切换速度等关键性能指标方面具备重要的潜力。
然而，将相变材料应用在全息显示上也存在一些问题。例如相变材料的消光系数相对于液晶材料较大，这导致光调制过程中的光损耗增加，降低了光波的传输效率、相变材料的中间态不容易控制，每一层相变薄膜通常只有两种状态，这限制了在色彩和灰度上的展示效果。
本发明设计了一种多级调控的相变全息显示技术，通过多层相变光调制层以及增透层的设计，使得相变材料能够呈现更多的状态，从而实现了高分辨率、高刷新率、多级调控的全息显示。这种技术的应用，将极大地提升全息显示的视觉效果，推动全息显示技术的发展，拓宽其在各领域的应用范围。
发明内容：
本发明提供了一种基于相变材料的全息显示技术，旨在实现高分辨率、高刷新率、多级调控且传输高效的全息显示技术。
该基于相变材料的全息显示技术，主要包括激光背光光源、数据处理器、多级相变空间光调制单元阵列、光学系统；激光背光光源，其用于发射单色或多色激光光束，通过激光的颜色、强度和方向的控制，以生成所需的全息图像的光源；数据处理器，其包括图像解析模块和数据编码模块，图像解析模块用于解析输入的图像数据，数据编码模块将解析后的数据转换为用于控制相变空间光调制单元阵列的控制信号；多级相变空间光调制单元阵列，包括衬底、多级相变光调制像素单元阵列、增透层、光屏蔽层、crossbar控制结构；光学系统，包括一组透镜或反射镜和光学调节模块，用于接收并处理由相变空间光调制单元阵列发出的激光光束，根据全息图像的特性(如大小、形状和距离)调整光束的传播路径，从而产生全息图像。
激光背光光源包括能发射单色或多色的激光发射器以及分束器，分束器用于将来自激光发射器的激光分离为多个独立的激光束。
多级相变光调制像素单元阵列，包括多个相变调控层，相邻相变材料层之间设置有共用电极，每个相变材料层可以通过施加电压来独立控制其相变状态，从而实现对激光背光源的多级调控。
多个相变调控层相变区域的边长在0.5um～100um的范围内、多个相变层的总厚度在20nm～100nm范围，单个相变层的厚度≥5nm。
增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数，X≥1，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。
光屏蔽层由黑色光阻剂构成，区域上与所述光调制像素单元阵列错位排布，用于减小衍射光的串扰。
crossbar控制结构包括多个水平电极组成的水平电极层和多个垂直电极组成的垂直电极层，所述多个水平电极和所述多个垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
光学系统包括一个或多个透镜，用于调正激光背光源的焦距或方向，一个偏振器，用于控制激光光束的偏振状态，该光学系统还包括一个光学调节模块，用于根据从数据处理器接收到的控制信号，自动调节透镜、偏振器和空间光调制器的工作状态，以优化全息图像的质量。
全息显示技术可广泛应用但不限于以下设备：智能手机、电脑、电视、医疗设备、教育设备、娱乐设备、军事设备以及其他任何需要视觉显示的电子设备。
附图说明
图1是本发明全息显示装置结构示意图；
图2是本发明多级相变调制单元的结构示意图；
图3是本发明增透层结构示意图；
图4是本发明crossbar控制电极结构示意图；
附图标记：101激光发射器，102分束器，103多级相变空间光调制单元阵列，104光学系统，201上电极，202相变调控层，203共用电极，204相变调控层，205下电极，301高折射率薄膜层，302低折射率薄膜层，303高折射率薄膜层。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明旨在提供一种基于相变材料的全息显示技术，其具有响应速度快，分辨率高、多级调控及光利用率高等特点。
如图1所示，是本发明结构分布示意图，激光发射器101发出单色或多色激光，分束器102将来自激光发射器的激光分离为多个独立的激光束，相变空间光调制器103将根据信息对激光进行相位或振幅的调制，光学系统104用于调正激光的焦距或方向。
所述多级相变空间光调制单元阵列103，包括衬底、多级相变光调制像素单元阵列、增透层、光屏蔽层、crossbar控制结构；
所述光学系统104，包括一组透镜或反射镜和光学调节模块，用于接收并处理由相变空间光调制单元阵列发出的激光光束，根据全息图像的特性(如大小、形状和距离)调整光束的传播路径，从而产生全息图像。
全息显示装置还包括所述数据处理器，其包括图像解析模块和数据编码模块，图像解析模块用于解析输入的图像数据，数据编码模块将解析后的数据转换为用于控制相变空间光调制单元阵列的控制信号；
如图2所示，是本发明多级相变调制单元的结构示意图，上电极201、下电极205之间夹持有相变材料层202、204、相邻相变材料层之间设置有共用电极203，每个相变材料层202、204可以通过施加电压来独立控制其相变状态，从而实现对激光背光源的多级调控。相变调控层相变区域的边长在0.5um～100um的范围内、多个相变层的总厚度在20nm～100nm范围，单个相变层的厚度≥5nm。
如图3所示，是本发明增透层结构示意图；所述增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层301、303，L为低折射率低消光系数薄膜层302，X为膜层组周期数(X≥1)，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长，用于提高透过率。
如图4所示，是本发明crossbar控制电极结构示意图；所述的crossbar控制结构即为两层电极层，所述的crossbar控制结构由多个水平控制电极和垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
激光经过光调制像素单元，相变材料层的相变材料在电刺激或者激光刺激下可以在晶态和非晶态之间转换从而使得相变层的透过率发生变化。多级相变调制单元中夹着相变材料的两层透明电极层即上电极201、下电极205可以通过施加电压来控制相变材料的晶化状态，具体的，对相变材料层施加一个强度中等的脉冲电压或者激光脉冲，相变材料在电流或者激光脉冲的作用下温度升高到结晶温度以上，熔化温度以下的温度区间，并保持一定的时间，晶格此时有序排列形成晶态，实现由非晶向晶态的转变；对相变材料施加一个短而强的电压或者激光脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度以上，使晶态的长程有序遭到破坏，脉冲下降沿非常短导致相变材料经快速冷却至结晶温度以下，使相变材料固定于非晶态，实现由晶态向非晶态转变，通过相变材料层的相变材料在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对对空间入射光进行强度调制。
相变材料层的相变材料可以包括下列硫系化合物及其合金，包括但不限于：GST、GSST、IST、GeTe、SbTe、BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe、AgSbTe、Ag2In4Sb76Te17(AIST)，此外，上述各化学式中的原子百分比可变。相变材料层可进一步包含至少一种掺杂剂，如C、N。优选地，相变材料选择Sb2Te3，相同厚度下Sb2Te3在相变前后发生的透射率变化最大，且Sb2Te3的相变温度较低，转变所需要的电压或激光的幅值低，脉宽窄，便于降低整个器件的能耗及提高相变材料的响应速度，从而提升器件的图像刷新率，展现出更好的效果。
相变材料层的厚度在20nm～100nm范围，由于相变材料层的厚度的增加会使得可见光的透过率降低，且相变材料晶化所需的温度也越高，较合适的厚度是30nm。相变材料层的相变材料可以用激光驱动，也可以用电压驱动，电压驱动时，相变层两边的透明电极施加电压使相变材料发生相变。
相变调制单元的相变层在不同状态下透过率相差很大，相变材料在晶态和非晶态状态下是稳定的，所以相变材料在稳定状态下时可以移除电压或激光，所以整个器件的功耗很低。
相变调制单元的在晶态和非晶态之间转换时其速度很快，即单个像素在由暗转亮或由亮转暗所需要的时间很短，大约在100ns以下，完全满足各种场景下对器件响应速度的要求。
增透层的作用是为了解决由于界面反射、相变材料具有一定的消光系数等问题导致的透射光能量弱的问题，经过增透膜增透处理的透射光不仅可以提高透射率，同时也大大减少光在元件之间连续反射的能量，提高空间光的利用效率，增透层的低折射率材料可以包括以下材料，包括但不限于：SiO2、Al2O3、In2O3、MgF2，增透层的高折射率材料可以包括以下材料，包括但不限于：ZnS、TiO2等。
所述的全息显示装置可广泛应用但不限于以下设备：智能手机、电脑、电视、医疗设备、教育设备、娱乐设备、军事设备以及其他任何需要视觉显示的电子设备。
通过以上的实施例，我们可以看到这种基于相变材料的全息显示技术具有响应速度快，分辨率高、多级调控、光利用率高等特点，可以在广泛的应用中使用。
为本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述装置包括激光光源、数据处理器、多级相变光调制单元阵列、光学系统；
所述激光背光光源，其用于发射单色或多色激光光束，通过激光的颜色、强度和方向的控制，以生成所需的全息图像的光源；
所述数据处理器包括图像解析模块和数据编码模块，图像解析模块用于解析输入的图像数据，数据编码模块将解析后的数据转换为用于控制所述多级相变空间光调制单元阵列的控制信号；
所述多级相变光调制单元阵列，包括衬底、相变材料层、crossbar控制结构；所述多级相变光调制单元阵列用于对激光进行相位或振幅的调制；
所述光学系统，用于接收并处理由所述相变光调制单元阵列发出的激光光束，根据全息图像的特性调整光束的传播路径，从而产生全息图像。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述的激光光源包括能发射单色或多色的激光发射器以及分束器，所述分束器用于将来自激光发射器的激光分离为多个独立的激光束。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述多级相变光调制单元阵列，包括多个所述相变材料层，相邻相变材料层之间设置有共用电极，每个相变材料层可以通过施加电压来独立控制其相变状态，从而实现对所述激光光源的多级调控。
4.根据权利要求3所述的基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述多个所述相变材料层相变区域的边长在0.5um～100um的范围内、多个所述相变层的总厚度在20nm～100nm范围，单个所述相变材料层的厚度≥5nm。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述多级相变光调制单元阵列还包括增透层，所述的增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数，X≥1，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。
6.根据权利要求1所述的基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述多级相变光调制单元阵列还包括光屏蔽层，所述的光屏蔽层由黑色光阻剂构成，区域上与所述光调制单元阵列错位排布，用于减小衍射光的串扰。
7.根据权利要求1所述的基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述的crossbar控制结构包括多个水平电极组成的水平电极层和多个垂直电极组成的垂直电极层，所述多个水平电极和所述多个垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
8.根据权利要求1所述的基于相变材料的全息显示装置，其特征在于，所述的光学系统包括一个或多个透镜，用于调正激光的焦距或方向，一个偏振器，用于控制激光光束的偏振状态，该光学系统还包括一个光学调节模块，用于根据从所述数据处理器接收到的控制信号，自动调节所述一个或多个透镜、所述偏振器和所述多级相变光调制单元阵列的工作状态，以优化全息图像的质量。
9.一种移动终端，其特征在于，所述终端包括权利要求1-8中任一的全息显示装置。
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