CN1728016A - 一种电子全息显示器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包括基板、底电极、显示材料和上电极等四层结构的电子全息显示器件，其特征是，所述显示材料为透明的纳米铁电电光折变记忆材料。所述的器件其优点为可以实现超高分辨率，其最高分辨率可达10000条/毫米。本发明可以实现纳米尺度范围内的电光调制，从而实现超高分辨率的电子全息干涉条纹。本发明的实施可用于全息电视、全息电影、科学研究、国防等三维动态全息显示。
Description
技术领域
本发明属于电子显示技术领域，特别涉及一种电子全息显示器件。
背景技术
显示器的基本作用是把自然视觉空间或人工视觉信息准确而舒适地传递给人。最理想的显示器能够使人们象直接观看自然界那样调动人的全部视觉功能(如纵深知觉、辐辏、焦点调节和运动视差知觉)。现有的显示技术无论多么精良，也只不过是将人们的视觉停留在平面的二维世界中，使得现有的显示器所显示的物像缺乏立体感和真实感；而现有的一种立体显示技术采用双眼视差原理使影像产生一定的立体感，但仍然不具有运动视差功能，因而引起人们视觉上的不自然感、失调感和疲劳，其原因是这些显示方法均不含物体反射光线的相位信息。全息图像包含了人们用肉眼观察事物的全部信息，因而图像能够再现实物存在感与自然感。因此，最理想的满足空间知觉的立体显示方式是全息方式。目前，已经有人提出了一种称之为电子全息系统的运动图像再生方案。
所谓“电子全息”是全息图像的电子形式，它是全息技术和电子显示技术相结合的产物。图1是典型的电子全息显示系统原理示意图。其基本原理是首先利用计算机200存储三维实物100的全息干涉图像信息110，然后将计算机200所存储的全息干涉图像信息110以全息干涉图像120形式呈现在电子全息显示器300上，最后经参考光400照射显示器而形成三维全息图像100’。在此过程中，电子全息显示器300起着类似全息干版的作用，参考光在经过电子全息显示器调制后，在其前面或后面的空间内形成三维全息图像100’。与全息干版不同的是，电子全息显示器可以实时改写，则再现的三维全息图像100’可以随着电子全息显示器所显示的全息干涉图像120的变化而实时变化。这种方法可实现三维全息实物图像再现，存取/读出时间短、存储量大(仅取决于计算机)，可实现实时动态显示，图像处理和传输方便，存储的信息易于长期保存等。随着科学技术的不断发展，人们希望显示技术具有高临场感、能够达到直接观察目标的效果。电子全息因其既能显示三维立体全息图像，又可数字化实时动态显示，因而是一种理想的显示方法。
现有的电子全息显示器主要有三种，即声光调制器(AOM)(美国专利5,172,251 Threedimensional display system)、液晶空间光调制器(LC-SLM)(美国专利6,178,043 Multiviewthree-dimensional image display system)和数字微反射镜器件(DMD)(美国专利6,646,773Digital micro-mirror holographic projection)。在基于AOM的全息显示中，干涉条纹转换成射频信号传给AOM调制一束激光。由于AOM带宽的限制和机械扫描系统，使得成像分辨率低且刷新速度慢，并且只能显示水平视差而无垂直视差。随着微电子技术的发展，LCD和DMD的象素节距已经减小到10微米(分辨率100条/毫米)左右。但由于LCD和DMD本身没有存储特性，显示器件的驱动需要在每个象素下制作有源的非线性元件(组)，而有源的非线性元件(组)受现有技术的限制难以进一步减小体积，从而使得LCD和DMD无法进一步提高分辨率，即不可能实现大于1000条/毫米的超高分辨率显示。此外，液晶响应速度慢，DMD微镜的机械转动也较慢，使得二者作为高分辨显示时刷新速度较慢。
总之，电子全息技术尽管已经出现，但其技术远未成熟，一个主要障碍就是现有全息显示器件的分辨率远远达不到描述全息条纹的要求。
为了实现目标的真实再现，理想的象素单元尺寸应与可见光波长相当，才能分辨全息干涉条纹的特征尺寸。如前所述，现有的电子全息显示技术均受到显示器件极限分辨率的限制，距描述全息条纹的要求还有数量级的差别；并且图像信息量也太庞大，因而需要开发新的技术以突破现有电子全息显示器分辨率的障碍。要实现适用的电子全息成像，必需采用超高分辨(＝1000条/毫米)电子全息显示器。
发明内容
为了突破现有电子全息解决方案的分辨率极限，使全息显示器的分辨率能够匹配实际全息图的干涉条纹，必需寻求一种新的、超高分辨率(＝1000条/毫米)的电子全息显示器件，本发明的目的正在于此。
本发明所述技术方案是：
如图2所示，一种电子全息显示器件，包括基板310，下电极320，显示材料340和上电极330，所述下电极320位于基板310的正上方和显示材料340的正下方，所述显示材料340的正上方是上电极330；所述下电极320和上电极330均为宽度一致且分布均匀的条状电极，并且，下电极320和上电极330相互垂直，其特征是，所述显示材料340为具有电光折变记忆效应的纳米铁电材料，且在所需要的波段透明。
所述透明的纳米铁电薄膜材料可以是但不限于Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(PLZT)、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、K(Ta，Nb)O3(KTN)、BaTiO3、SrxBa1-xNb2O6(SBN)、Bi12SiO20(BSO)、(KxNa1-x)0.4(SryBa1-y)0.8Nb2O6(KNSBN)、Bi12GeO20(BGO)等材料及其变种中的一种或者是多种。
所述透明的纳米铁电薄膜材料其厚度可以是50～5000纳米，其晶粒尺寸为5～300纳米、电畴可控制在5～50纳米范围内，以使得铁电材料的光学性质在纳米尺度范围内可控，从而可以显示精细的全息干涉条纹。
所述上下条状电极(320，330)厚度可以是20～200纳米，宽度为0.05微米到20微米，间隔0.05微米到20微米。
所述上电极330可以是ITO(掺铟的氧化锡)、SnO2、ZnO等透明导电薄膜材料；所述下电极320可以是SnO2、ZnO、ITO等透明导电材料，也可以是Pt、Au、Ti等不透明的金属导电材料。
所述基板310可以是玻璃、石英玻璃、铝酸镧、氧化镁等透明材料，也可以是硅片、绝缘体上的硅(SOI)等不透明材料。
需要说明的是，当本发明所述的电子全息显示器件做成透射式电子全息显示器件时，所述基板310和下电极320必须是透明材料；当本发明所述的电子全息显示器件做成反射式电子全息显示器件时，所述基板310可以是不透明的材料，下电极320可以是透明材料，也可以是不透明材料。
本发明所提出的一种电子全息显示器件，其成像原理主要是利用了铁电材料的电光效应，通过在铁电薄膜微区施加电场，可实现微区光的折射率(或透射率)调制，从而形成全息光干涉条纹。由于所采用的铁电薄膜材料具有好的透明性和较显著的电光效应，通过控制铁电薄膜材料的晶粒尺寸在5～300纳米之间；所述铁电薄膜材料上下方均有条状电极(宽度为0.05微米到20微米，间隔0.05微米到20微米)以对其施加电场从而调制其折射率的空间分布，使得本发明所提出的一种电子全息显示器件，其分辨率可以从50条/毫米到10000条/毫米，其能够实现超高分辨率显示，主要是基于如下两个原因：
其一，由于纳米铁电材料的电畴可控制在5～50纳米范围内，只要电极条的加工精度能够达到纳米级，则用这种材料制作的电子全息电光显示器件，其象素单元尺寸亦可为纳米级。传统的陶瓷或铁电薄膜由平均尺寸为几微米的无规则取向的颗粒组成。由于材料本身最小单元较大，即使用纳米级的精细电极也不能在纳米尺度范围内有效控制材料的电畴转向，因而无法实现超高分辨率的电子全息成像。而对于纳米铁电薄膜，由于畴的尺寸在深亚微米(5～50纳米)量级，因而能够精确控制在纳米尺度范围内的电畴转向和折射率变化，从而可完全显示微米至亚微米级的精细全息干涉条纹。
其二，除了基于纳米铁电电光材料电畴结构尺寸更小之外，实现超高分辨率显示还基于铁电材料的另一个重要特性——记忆效应。对于显示应用，通常希望有短时间的存储，因为这样就不需要对阵列的各个象素点施加维持电压，从而不需要在每个象素点下制作额外的有源器件(组)。这样不仅仅使工艺简单，更重要的是没有额外元件占用空间，可以极大地提高象素密度，从而提高分辨率。而这正是LCD和DMD所不具备的。因此，利用纳米铁电薄膜，结合简单的矩阵电极结构，所制作的全息显示器件极限分辨率可达10,000条/毫米。
本发明所述的一种电子全息显示器件，可以按照众所周知的方法将各层依次进行淀积、退火、光刻等处理，再加上相应的驱动电路和接口电路便可构成记录全息干涉条纹的超高分辨率电子全息显示器。
本发明所述电子全息显示器件的有益效果是：1、可以实现超高分辨率显示，其分辨率最高可达10,000条/毫米；2、由于铁电薄膜显示材料本身具有记忆效应，使得本发明所述的电子全息显示器件无需在每个象素点下制作额外的有源器件(组)，这样不仅仅可以极大地提高分辨率，还可以使得制备工艺大大简化，从而降低成本；3、响应时间远比液晶显示器快，可以达到纳秒量级，而普通液晶显示器的响应时间为微秒量级。
附图说明
图1是典型的电子全息系统结构示意图。它包括需要显示的目标100，这个目标可以是现实世界实际存在的物体，也可以是计算机虚拟的三维物体；记录和控制三维目标全息图110的计算机200；与计算机相连的电子全息显示器300，它将计算机存储的全息信息以全息干涉条纹的形式显示出来，以便在参考光400照射下显示目标的全息图像100’。由于采用了电子全息显示器，全息图可以方便地改写，从而能数字化实时、动态地显示目标的全息图像。
图2是本发明所述电子全息显示器件结构示意图。其中，310为基板，320为下电极，340为纳米铁电薄膜显示材料，330为上电极。从图中可以看出，对于纳米铁电薄膜，由于畴的尺寸在深亚微米(5～50纳米)量级，因而能够精确控制在纳米尺度范围内的电畴转向和折射率变化，从而可完全显示精细的全息干涉条纹。而普通铁电陶瓷或薄膜因晶粒和电畴结构尺寸较大，不能在纳米尺度范围内有效控制材料的电畴转向，因而无法实现超高分辨率的电子全息成像。
图3为本发明所述的一种透射式电子全息显示器件工作示意图。图中100’为三维全息图像，110为计算机200所存储的全息干涉图像信息。300为电子全息显示器件，它包括基板310，下电极320，纳米铁电薄膜340和上电极330。400为参考光，500为观察者或图像记录装置。参考光400通过电子全息显示器件300时，通过调整加在铁电薄膜340上的电场控制电子全息显示器件光折射率的空间分布，进而控制光的相位，而使三维全息图像100’在空间中显现出来。由于全息干涉图像信息可以由计算机实时改写，因而可以显示动态的三维全息图像；又由于本发明可以实现超高分辨率全息图显示，因而再现的全息图像具有高临场感。
图4为本发明所述的一种反射式电子全息显示器件工作示意图。图中100’为三维全息图像，110为计算机200所存储的全息干涉图像信息。300为电子全息显示器件，它包括基板310，下电极320，纳米铁电薄膜340和上电极330。400为参考光，500为观察者或图像记录装置。参考光400通过电子全息显示器件300时，通过调整加在铁电薄膜340上的电场控制电子全息显示器件光折射率的空间分布，进而控制光的相位，而使三维全息图像100’在空间中显现出来。由于全息干涉图像信息可以由计算机实时改写，因而可以显示动态的三维全息图像；又由于本发明可以实现超高分辨率全息图显示，因而再现的全息图像具有高临场感。
具体实施方式
具体实施方式一：透射式超高分辨电子全息显示器件
图3是按照本发明技术方案所制作的透射式电子全息显示器件示意图。在熔石英衬底310上溅射沉积100纳米厚的ITO膜并刻成宽0.8微米，间距0.2微米的条状图形作为下电极320。然后在其上制备500纳米厚、平均晶粒尺寸为60纳米的纳米PLZT(掺镧的锆钛酸铅)薄膜340。最后沉积透明ITO薄膜并刻蚀成宽0.8微米，间距0.2微米的上电极330。这就构成了一个透射式电子全息显示器件300。通过计算机接口和驱动电路控制该全息显示器件上各象素点的电压便可控制所在位置的光折射率，从而使该全息元件能够实时、动态呈现所需要的全息图。用参考光照射该透射式超高分辨电子全息元件便从另一侧再现真实的三维全息图像100’。该电子全息显示器件的分辨率可达1000条/毫米。
具体实施方式二：反射式超高分辨电子全息显示器件
图4是按照本发明技术方案所制作的反射式电子全息显示器件示意图。硅衬底310热氧化后溅射沉积50纳米厚的Pt/Ti膜并刻成宽0.8微米，间距0.2微米的条状图形作为行电极320。然后在其上制备600纳米厚、平均晶粒尺寸为80纳米的纳米SBN(铌酸锶钡)薄膜340。最后沉积透明ITO薄膜并刻蚀成宽0.8微米，间距0.2微米的列电极330。这就构成了一个反射式超高分辨(1000条/毫米)电子全息元件300。通过计算机接口和驱动电路控制该全息元件上各象素点的电压便可调制所在位置的光折射率，从而使该全息元件能够实时、动态呈现所需要的全息图。用参考光照射该反射式超高分辨电子全息元件便从参考光的同一侧再现真实的三维全息图像100’。该电子全息显示器件的分辨率可达1000条/毫米。
Claims (7)
1、一种电子全息显示器件，包括基板(310)，下电极(320)，显示材料(340)和上电极(330)。其特征是，所述显示材料(340)为透明的纳米铁电薄膜材料。
2、根据权利要求1所述的电子全息显示器，所述的铁电材料是具有电光折变记忆效应的，且在所需要的波段透明。
3、根据权利要求1和2所述的一种电子全息显示器，其特征是，所述透明的纳米铁电薄膜材料可以是但不限于Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(PLZT)、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、K(Ta，Nb)O3(KTN)、BaTiO3、SrxBa1-xNb2O6(SBN)、Bi12SiO20(BSO)、(KxNa1-x)0.4(SryBa1-y)0.8Nb2O6(KNSBN)、Bi12GeO20(BGO)等材料及其变种中的一种或者是多种。
4、根据权利要求2所述的一种电子全息显示器，其特征是，所述透明的纳米铁电薄膜材料其厚度可以是50～5000纳米，其晶粒尺寸为5～300纳米、电畴可控制在5～50纳米范围内。
5、根据权利要求1所述的一种电子全息显示器，其特征是，所述上下条状电极(320，330)厚度可以是20～200纳米，宽度为0.05微米到20微米，间隔0.05微米到20微米。
6、根据权利要求1和5所述的一种电子全息显示器，其特征是，所述上电极330可以是ITO、SnO2、ZnO等透明导电薄膜材料；所述下电极320可以是SnO2、ZnO、ITO等透明导电材料，也可以是Pt、Au、Ti等不透明的金属导电材料。
7、根据权利要求1所述的一种电子全息显示器，其特征是，所述基板310可以是玻璃、石英玻璃、铝酸镧、氧化镁等透明材料，也可以是硅片、绝缘体上的硅(SOI)等不透明材料。
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