CN1244845C - 空间光调制阵列和制造方法及利用该阵列的激光显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间光调制阵列，其能够控制衬底中的每个部分的衍射特性，提供了一种用于制造所述阵列的方法和激光显示装置，所述显示装置能够利用阵列形式的空间光调制器显示图像，而和机械可靠性无关。所述激光显示装置包括：透镜，用于把光源发出的激光束转换成一维的狭缝光束；空间光调制阵列，用于按照对像素电极施加的电压确定狭缝光束的衍射程度，对所述狭缝光束进行衍射，并输出狭缝光束；阻塞部分，用于选择地透过衍射光束；会聚透镜，用于会聚选择地透过的光束；以及扫描器，用于把会聚的光束扫描到屏幕上。

Description

空间光调制阵列和制造方法及利用该阵列的激光显示装置

                       技术领域

本发明涉及一种激光显示装置，更具体地说，本发明涉及一种能够通过调制激光来显示图像的空间光调制阵列，用于制造所述阵列的方法，以及利用空间光调制阵列的激光显示装置。

                       背景技术

一般地说，光信号处理具有许多优点，例如高的速度，并行处理能力，以及大量的信息处理，这不同于常规的数字信息处理，常规数字信息处理不能实时地处理大量的数据。通过利用空间光调制理论进行了二元相位滤波器、光逻辑门、光放大器、图像处理方法、光元件和光调制器的设计与制造的研究。在一些领域中例如光存储器，光互连和全息摄影中利用空间光调制器。对利用空间光调制器的显示装置进行了研究和开发。

在空间光调制器中，用压电材料形成布拉格光栅，通过衍射按照布拉格光栅的周期入射的光，产生光径差。利用布拉格光栅的常规的空间光调制器被分成利用声光效应的空间光调制器和利用磁的空间光调制器。现在参照图1说明按照常规技术利用声光效应的空间光调制器。

图1是表示按照常规技术利用声光效应的空间光调制器的示意图。

如图1所示，按照常规技术利用声光效应的空间光调制器包括：压电材料衬底1和附着在压电材料1的一个表面上的换能器2，换能器2用于把施加的电能转换成声能，并产生朝向面对压电材料1中的上述表面的另一个表面的声波，因而在压电材料衬底1中产生布拉格光栅(Bragg gating)。

现在说明按照常规技术利用声光效应的空间光调制器。

换能器2附着在压电材料衬底1的一个表面上。当在换能器2上施加电压时，换能器2便把施加的电能转换成声能。

所述声能呈声波的形式，其从其上附着换能器2的压电材料衬底1的一个表面向着压电材料衬底1中和上述表面面对的另一个表面前进。由于声波的行进，在压电材料衬底1中形成布拉格光栅。布拉格光栅的光栅周期按照施加于换能器2的电能而改变。

当激光沿着垂直于声波行进的方向照射到压电材料衬底1上时，光便以反比于布拉格光栅的周期的角度衍射。光通过布拉格光栅被衍射的现象被称为布拉格衍射。

在利用声光效应的空间光调制器中，当施加的电压的频率改变时，由换能器2产生的声波的频率也改变。因而，在压电材料衬底1内产生的布拉格光栅的周期改变。因此，入射到压电材料衬底1上的光的衍射角改变。此外，声波的强度按照施加于换能器2上的电压的强度改变。此时，衍射光的衍射效率改变。按照利用上述原理衍射光的空间光调制器，产生的声波不能只在所需的区域中行进。产生的声波在压电材料衬底1的整个区域内沿相同的方向行进。因而，不能形成阵列形式的空间光调制器。

图2是按照常规技术的激光显示装置的方块图。

如图2所示，激光显示装置包括：空间光调制器21-23，分别用于接收红、绿、蓝(RGB)激光，对一定量的所述激光进行调制，并输出调制的激光；反射镜24-26，用于反射由各自的空间光调制器21-23调制的激光；扫描部分27，用于改变反射镜24-26的位置，以及会聚透镜28；用于在屏幕上显示由反射镜24-26发射的激光。

现在详细说明按照常规技术的激光显示装置的操作。

由短的波长的红、绿、蓝激光器发出的光利用利用声光效应的空间光调制器21-23调制。此时，按照要在其上显示所述激光的屏幕对各个被调制的短波长的光强进行控制。3个短波长形成一个像素。所需像素的亮度和颜色按照被调制的激光的数量确定。

由空间光调制器21-23调制的激光被分别相应于空间光调制器21-23的反射镜24-26反射，并通过会聚透镜28在屏幕上显示。通过扫描部分27在屏幕上对所显示的激光(图像)进行扫描，扫描部分27用于控制反射镜24-26的角度。图像便是这样显示的。

激光显示装置可以显示的最大视频图像为600英寸，因而可以在高可视性和高的图像质量的大屏幕上显示视频图像，这是由于激光独特的长距离的投射能力和激光束的高密度特性。在激光显示装置中，彩色实现区域非常大。不过，激光显示装置尚未付诸实际利用，这是因为，光源的小型化和合适的光调制器的研制尚未完成的缘故。

此外，因为利用具有小的衍射角的光调制器，使得系统体积大而成本高。用于驱动反射镜24-26的扫描部分的操作是机械操作，这个操作的可靠性较低。

如上所述，在按照常规技术的空间光调制器中，不能限制声波只在特定的区域内行进而形成阵列，这是因为其中利用声波对激光进行调制。当把空间光调制器用于系统时，因为空间光调制器的衍射角相当小而使系统的特性变劣。

在按照常规技术利用空间光调制器的激光显示装置中，红、绿、蓝激光利用空间光调制器进行调制。调制的激光通过多个可以改变反射角的反射镜反射，并通过会聚透镜在屏幕上显示。因而，由于利用具有小的衍射角的声波的空间光调制器的衍射角较小这个特性，使得系统的体积相当大。

在按照常规技术利用空间光调制器的激光显示装置中，因为用于改变反射镜的反射角的装置的机械可靠性较低，而不能正确地在屏幕上显示激光。

                     发明概述

因此，本发明的一个目的在于提供一种空间光调制阵列，其能够控制光在衬底的每个部分中光的衍射特性，提供一种用于制造所述空间光调制阵列的方法，并提供一种利用阵列形式的空间光调制器的不受机械可靠性的影响的用于显示图像的激光显示装置。

为了实现本发明的这些和其它的优点，并且按照本发明的目的，如同这里体现的和广泛说明的，提供一种空间光调制阵列，包括分成多个极化(polarazation)区域的铁电衬底，以及形成在所述多个极化区域的上表面和下表面上的多个电极，每个电极覆盖多个极化区域。

提供一种用于制造空间光阵列的方法，包括以下步骤：在铁电衬底的上表面和下表面上形成多个电极，在所述铁电衬底中形成自发极化，使得在铁电衬底的上表面上形成的电极面向在铁电衬底的下表面上形成的电极，对所述多个电极施加电压，并使和所述电极接触的铁电衬底的极化反向，以及除去(removing)所述电极，并在铁电衬底的上表面和下表面上形成多个电极，使得在所述铁电衬底的上表面上形成的电极面向在所述铁电衬底的下表面上形成的电极，并且使得后面形成的每个电极都覆盖多个自发极化区域和反向极化区域。

提供一种激光显示装置，其包括：透镜，用于把光源发出的激光束转换成一维的狭缝光束；空间光调制阵列，用于按照对像素电极施加的电压确定狭缝光束的衍射程度，对所述狭缝光束进行衍射，并输出狭缝光束，该空间光调制阵列包括分成多个极化区域的铁电衬底，以及形成在所述多个极化区域的上表面和下表面上的多个电极，其中每个电极覆盖多个极化区域；阻塞部分，用于选择地透过衍射光束；会聚透镜，用于会聚选择地透过的光束，以及扫描器，用于把会聚的光束扫描到屏幕上。

从下面结合附图进行的本发明的详细说明，可以更加清楚地看出本发明的上述的和其它的目的，特点和优点。

                          附图说明

下面的附图用于进一步理解本发明，其作为说明书的一部分，用于说明本发明的实施例，并和说明书一道，用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是按照常规技术利用声光效应的空间光调制器的示意图；

图2是按照常规技术的激光显示装置的方块图；

图3A-3C是用于说明按照本发明的自发极化原理的示意的截面图；

图4A-4C是表示用于制造按照本发明的空间光调制阵列的方法的顺序的截面图；

图5是表示按照本发明的空间光调制阵列的结构和操作的透视图；

图6是表示在图5所示的各个电极P_k-1，P_k，和P_k+1上施加电压之后得到的光的折射率的分布的曲线；以及

图7是表示利用按照本发明的空间光调制阵列的激光显示装置的方块图。

                 优选实施例的详细说明

下面参照图3到图7说明按照本发明的空间光调制阵列的优选实施例，用于制造所述阵列的方法，和利用所述空间光调制阵列的激光显示装置。

图3A-3C是用于表示按照本发明的自发极化原理的示意的示意截面图。

如图3A-3C所示，按照本发明的自发极化原理包括以下步骤：对应于铁电衬底31的上表面和下表面重复地形成电极32，所述铁电衬底31在不大于居里温度的温度下具有自发极化，使得电极32的宽度彼此相等，并且各个电极32彼此隔开的距离相等(图3A)，在形成电极32的位置中，通过对电极32施加电压从而对压电衬底31施加电场进行和压电衬底31的自发极化相反的极化，以及除去电极32，并在压电衬底31的上表面和下表面上形成电极33(图3C)。反向极化是这样一种状态，其中自发形成的初始极化的方向被强制转动到相反的方向，即转动180度并被固定。

下面详细说明按照本发明的自发极化的原理。

一般地说，铁电物质在不大于居里温度的温度下具有自发极化。所述自发极化可以通过一个电场被反向。如图3B所示，当形成周期的电极图形32，并在电极32上施加电压时，在相应于电极32的区域的铁电衬底31的区域内发生和自发极化相反的畴(domain)反向。之所以产生所述的畴，是因为电偶极子的排列而形成去极化电场，并且所述去极化电场被分成90度区域和180度区域。此时，可以在铁电衬底31中周期地形成极化方向彼此不同的区域。

当光按垂直于极化方向照射到该区域上时，光沿直线行进，并透过，因为其中的折射率没有改变。当除去电极32时，在铁电衬底31的上表面和下表面上形成电极33，在电极33上施加电压，因而对铁电衬底31施加电场，铁电衬底31的各个极化区域的折射率成为和电场线性成比例。即在形成自发极化的区域中，发生线性的电光效应，其方向和在畴反向(domain-inverted)区域中发生的线性电光效应的方向相反。因此，可以形成布拉格光栅，由于在铁电衬底31的各个极化区域内施加的电场，在所述布拉格光栅中的折射率周期地分布。

在对电极33施加电压，因而对铁电衬底31施加电场的状态下，当光沿着垂直于电场的方向入射时，光以和光栅的周期成反比的角度被衍射。当除去所述电场时，光则直线行进而不被衍射，而直接透射。

下面参照图4A和4C详细说明按照本发明的利用上述原理的空间光调制阵列的结构和制造方法。

图4A-4C是表示用于制造按照本发明的空间光调制阵列的方法的顺序。

如图4A-4C所示，用于制造按照本发明的空间光调制阵列的方法包括以下步骤：在铁电衬底31的上表面和下表面上形成多个电极32，在所述铁电衬底中沿相同的方向形成自发极化，使得在铁电衬底31的上表面上形成的电极32对应于在铁电衬底31的下表面上形成的电极32，并使电极32的宽度彼此相等，并且电极32之间彼此隔开的距离相等(图4A)，通过对电极32施加电压，使在电极32所在的部分的铁电衬底31中的极化方向反向(图4B)，以及除去电极32，并在铁电衬底31的上表面和下表面上形成可以独立施加电压的电极P_k-1，P_k，和P_k+1，使得在铁电衬底31的上表面上形成的电极P_k-1，P_k，和P_k+1面对在铁电衬底31的下表面上形成的电极P_k-1，P_k，和P_k+1(图4C)。

下面详细说明用于制造按照本发明的空间光调制阵列的方法。

在不高于居里温度的温度下，按照从铁电衬底31的下表面到上表面的顺序，在具有自发极化的铁电衬底31的上表面和下表面上淀积金属。通过使淀积的金属形成图形，在铁电衬底31的上表面和下表面上形成多个电极(像素电极)，使得在铁电衬底31的上表面上形成的电极32面对在铁电衬底31的下表面形成的电极32。此时，形成多个电极32，使得各个电极32的宽度以及长度相互相等，并且使电极32相互隔开的距离相等。

如图4B所示，电压施加于多个电极32。此时，电压施加的方向和铁电衬底31的自发极化方向相反。正电压(+)施加于铁电衬底31的上表面，铁电衬底31的下表面接地，从而在铁电衬底31中形成电场。

由于对电极32施加电压，所以在铁电衬底31中的面向电极32所在的区域中形成电场。由于所述电场使自发电场的方向反向。

如图4C所示，在选择地除去电极32之后，通过在铁电衬底31的上表面和下表面上淀积金属，并使淀积的金属形成图形，从而形成电极(像素电极)P_k-1，P_k，和P_k+1。

通过抛光在铁电衬底31中的作为光入射和光输出表面的表面并在抛光的表面上淀积一层介电层，而形成反射较少的层34。由于形成电极P_k-1，P_k，和P_k+1，通过对在各个电极P_k-1，P_k，和P_k+1下的布拉格光栅区域施加相同的电场，可以选择地确定光的衍射程度。

图5是表示按照本发明的空间光调制阵列的结构和操作的透视图。即图5是表示按照上述方法制造的空间光调制阵列的结构和操作的透视图。

如图5所示，按照本发明的空间光调制阵列分成多个布拉格区域。所述空间光调制阵列包括：铁电衬底31，其中交替地设置着各个光栅区域，使得光栅区域的极化方向相互差180度，并且在铁电衬底31的上表面和下表面上形成多个电极P_k-1，P_k，和P_k+1，使得电极的宽度和长度相互相等，并且在铁电衬底31的上表面上形成的电极面向在铁电衬底31的下表面上形成的电极，并且和电极P_k-1，P_k，和P_k+1接触的光栅的极化方向按照施加的电压而改变。

在按照本发明的空间光调制阵列结构中，在电极P_k-1和P_k+1上施加电压。因此，控制在电极P_k-1和P_k+1下的光栅的极化方向，因而控制折射率。因而，入射的激光被衍射。在电极P_k上不施加电压。因此，折射率不改变。因而，照射的激光沿直线行进，并且通过铁电衬底31。

图6是表示在如图5所示对各个电极P_k-1，P_k，和P_k+1施加电压之后输出光的折射率的分布曲线。

如图6所示，由于周期性的折射率，通过电极P_k-1和P_k+1下面的铁电衬底31的光被衍射。通过不施加电压的电极P_k下面铁电衬底31的光不改变折射率而输出。

图7是利用按照本发明的空间光调制阵列的激光显示装置的方块图。

如图7所示，利用按照本发明的空间光调制阵列的激光显示装置包括：透镜72，用于把光源71发出的光会聚成一维狭缝光束；空间光调制阵列73，用于接收通过透镜72提供的狭缝光束，并按照施加于每个电极上的电压，使所述狭缝光束被衍射，或者通过每个像素直线行进；阻塞(blocking)部分74，用于选择地透过通过空间光调制阵列73的一些光；会聚透镜75，用于会聚选择地通过阻塞部分74的光，以及扫描器74，用于在屏幕77上扫描会聚的光，因而显示两维的图像(光束)。

下面详细说明利用按照本发明的空间光调制阵列的激光显示装置的操作。

由光源71发出的激光束通过透镜72而成为一维的狭缝光束。使激光束成为狭缝光束的理由是因为，由于按照本发明的空间光调制阵列的特征，当光垂直于施加的电场方向入射时，线性电光效应最大，如图5所示。

空间光调制阵列73借助于对每个像素独立地施加的电压控制入射的狭缝光束的反射率，并输出狭缝光束。即，通过对每个像素独立地施加电压，空间光调制阵列73衍射入射的狭缝光束，或者使入射的狭缝光束沿直线行进，并输出狭缝光束。

通过空间光调制阵列73的狭缝光束选择地透过在特定位置上具有小孔的阻塞部分74。即，只使衍射光透过在阻塞部分74中形成的小孔，而在其余的区域内被阻塞。

接收选择地通过阻塞部分74透过的光的会聚透镜75把接收的光会聚成一个像素的大小。

由会聚透镜75会聚的光通过扫描器例如Galvano反射镜扫描到屏幕77上，从而显示图像。

响应速度大约为几纳秒，这是因为空间光调制阵列73表示由于电场而引起的折射率的改变。由于高的响应速度，图像可以平滑地在屏幕上显示。此外，因为不存在机械驱动部分，机械可靠性不会导致性能的变劣。因而，可以改善按照本发明的空间光调制阵列的操作的可靠性。因为空间光调制阵列的衍射角比常规技术中的衍射角大得多，所以可以减小激光显示装置的体积。

如上所述，在按照本发明的空间光调制阵列和用于制造所述阵列的方法中，可以通过简单的处理实现空间光调制器，因而能够生产大量的空间光调制器，因而可以降低空间光调制器的制造成本。

此外，在按照本发明的空间光调制阵列和用于制造所述阵列的方法中，能够在由几个光栅构成的每个像素中形成电场，因而可以把空间光调制器制成阵列的形式。

此外，在按照本发明的空间光调制阵列和用于制造所述阵列的方法中，和利用声波的常规的空间光调制器相比，可以提高空间光调制器的响应速度，并且由于其中的电场和按照常规技术利用声波的空间光调制器中的电场不同，通过调制可以扩大衍射角的范围。

此外，在利用按照本发明的空间光调制阵列的激光显示装置中，由于不安装机械驱动部分，所以可以改善可靠性，通过利用具有大的衍射角的空间光调制阵列，可以减少激光显示装置的体积。

Claims (25)

1.一种空间光调制阵列，包括：

分成多个极化区域的铁电衬底；以及

形成在所述多个极化区域的上表面和下表面上的多个电极，每个电极覆盖多个极化区域。

2.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中所述电极是像素电极。

3.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中形成所述多个电极，使在所述多个极化区域的上表面上形成的电极面向在所述多个极化区域的下表面上形成的电极。

4.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中形成所述多个极化区域，使所述极化区域具有相同的宽度，并且所述极化区域的极化方向和相邻的极化区域的极化方向相差180度。

5.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中所述铁电衬底具有在不大于居里温度的温度下从铁电衬底的下表面到铁电衬底的上表面进行的自发极化。

6.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中通过在所述铁电衬底的上表面和下表面上淀积金属并使所述淀积的金属形成图形来形成所述多个电极。

7.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中形成所述多个电极，使电极的宽度和长度相互相等，并且电极隔开的距离彼此相等。

8.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中对形成有所述多个电极的极化区域施加电场。

9.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中交替地设置所述多个自发极化区域和多个畴反向的区域。

10.如权利要求1所述的空间光调制阵列，其中利用施加于电极的电压确定布拉格光栅的存在。

11.一种用于制造空间光阵列的方法，包括以下步骤：

在铁电衬底的上表面和下表面上形成多个电极，在所述铁电衬底中形成自发极化，使得在铁电衬底的上表面上形成的电极面向在铁电衬底的下表面上形成的电极；

对所述多个电极施加电压，并使和所述电极接触的铁电衬底的极化反向；以及

除去所述电极，并在铁电衬底的上表面和下表面上形成多个电极，使得在所述铁电衬底的上表面上形成的电极面向在所述铁电衬底的下表面上形成的电极，并且使得后面形成的每个电极都覆盖多个自发极化区域和反向极化区域。

12.如权利要求11所述的方法，其中在不大于居里温度的温度下自发极化从铁电衬底的下表面到铁电衬底的上表面进行。

13.如权利要求11所述的方法，其中形成所述多个电极，使电极的宽度和长度相互相等，并且电极隔开的距离彼此相等。

14.如权利要求11所述的方法，其中通过施加电压使所述极化反向，使得自发极化的方向和由所述电压产生的电场的方向相同。

15.一种激光显示装置，包括：

透镜，用于把光源发出的激光束转换成一维的狭缝光束；

空间光调制阵列，用于按照对像素电极施加的电压确定狭缝光束的衍射程度，对所述狭缝光束进行衍射，并输出狭缝光束，该空间光调制阵列包括分成多个极化区域的铁电衬底，以及形成在所述多个极化区域的上表面和下表面上的多个电极，其中每个电极覆盖多个极化区域；

阻塞部分，用于选择地透过衍射光束；

会聚透镜，用于会聚选择地透过的光束；以及

扫描器，用于把会聚的光束扫描到屏幕上。

16.如权利要求15所述的激光显示装置，其中所述阻塞部分阻塞通过空间光调制阵列未被衍射的光束，并通过小孔透过通过空间光调制阵列衍射的光束。

17.如权利要求15所述的激光显示装置，其中所述扫描器是Galvano反射镜。

18.一种空间光调制阵列，包括：

分成多个极化区域的铁电衬底，所述极化区域具有相同的宽度，并且其极化方向和相邻区域的极化方向相差180度；以及

形成在所述多个极化区域的上表面和下表面上的多个像素电极，使得形成在铁电衬底的上表面上的像素电极面向形成在下表面上的像素电极，

其中所述多个像素电极的宽度和长度彼此相等，所述像素电极之间相互隔开的距离也彼此相等，并且每个像素电极覆盖多个极化区域。

19.如权利要求18所述的空间光调制阵列，其中具有在不大于居里温度的温度下所述铁电衬底从铁电衬底的下表面到铁电衬底的上表面进行的自发极化。

20.如权利要求18所述的空间光调制阵列，其中通过在所述铁电衬底的上表面和下表面上淀积金属并使所述淀积的金属形成图形来形成所述多个像素电极。

21.如权利要求18所述的空间光调制阵列，其中对形成有所述多个像素电极的极化区域施加电场。

22.如权利要求18所述的空间光调制阵列，其中交替地设置所述多个自发极化区域和多个畴反向的区域。

23.如权利要求18所述的空间光调制阵列，其中利用施加于电极的电压确定布拉格光栅的存在。

24.一种用于制造空间光阵列的方法，包括以下步骤：

在铁电衬底的上表面和下表面上形成多个像素电极，在所述铁电衬底中在不大于居里温度的温度下从下表面向上表面形成自发极化，使得在铁电衬底的上表面上形成的像素电极面向在铁电衬底的下表面上形成的像素电极；

对所述多个像素电极施加电压，使得自发极化的方向和由对多个电极施加的电压产生的电场的方向相同，并使和所述电极接触的铁电衬底的极化反向；以及

除去所述多个像素电极，并在多个极化区域的上表面和下表面上形成多个像素电极，使得在所述极化区域的上表面上形成的像素电极面向在所述极化区域的下表面上形成的像素电极，并且使得后面形成的每个电极都覆盖多个自发极化区域和反向极化区域。

25.如权利要求24所述的方法，其中形成所述多个像素电极，使所述像素电极的宽度彼此相等，并且所述像素电极之间隔开的距离彼此相等。

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