CN201319100Y

CN201319100Y - 用于实现无像素、超高解晰度影像显示的影像控制光阀

Info

Publication number: CN201319100Y
Application number: CNU2008201274988U
Authority: CN
Inventors: 陈铮; 安宁; 高川
Original assignee: GUIYU OPTICS SCIENCE AND TECHNOLOGY Co
Current assignee: GUIYU OPTICS SCIENCE AND TECHNOLOGY Co
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2018-07-24

Abstract

本实用新型提供一种用于实现无像素、超高解晰度影像显示的影像控制光阀。其顺序包括第一透明导电玻璃板、光敏层、多层介质镜、第一配向膜、液晶层、第二配向膜和第二透明导电玻璃板，其特征在于，所述光敏层包括异质结阵列。本影像控制光阀可以同时满足高灵敏度、高分辨率以及高光电转换效率，由所用光敏层材料决定，工作波长为可见光全频谱和近红外频谱。

Description

用于实现无像素、超高解晰度影像显示的影像控制光阀

技术领域

本实用新型涉及一种影像控制光阀(Image Controlled Light Valve，简写为ICLV)，尤其涉及一种具有阵列结构的微型异质结的光敏层，用于实现无像素、超高解晰度影像显示的影像控制光阀，属于信息显示技术领域。

背景技术

现有大屏幕液晶投射系统所用的液晶板是建立在电-光转换的技术基础上的。该液晶板均由像素阵列构成，由电信号驱动液晶板上的像素，逐行、逐帧扫描。液晶板的尺寸和像素密度均受到一定的约束。特别是当投射图像面积增大时，人眼很容易查觉图像是由不连续的点所组成。

影像控制光阀(同类的产品也被称为光寻址空间光调制器(OASLM)或者光导控制液晶光阀)，是大屏幕投影电视、红外变像、大屏幕安全监控的核心器件。它的工作原理是光-电-光的转换，只不过这一过程是在器件内部实现的。采用这一器件，投射的屏幕上的图像将不会显示为由明显的像素点组成，所以也被称为无像素显示。由于入射的光学图像可以是红外光，就可以实现红外变像功能。弱光图像入射时，使用高强度阅读光源，就可实现图像增强功能。

根据目前公开发表的资料，光导控制液晶光阀的典型结构如图1所示，等效电路如图2所示，其工作原理如图3和图4所示。图1所示的器件由第一透明导电膜9覆盖的导电玻璃板10，15～20微米厚的n-CdS层8，不到2微米p-CdTe层7，TiO2/SiO2多层介质反射镜6，第一配向膜5，液晶层4，第二配向膜3和第二透明导电膜2和玻璃板1组成。其电子学等效串联电路如图2所示。在等效电路中的元件均表示为单位面积电阻和单位面积电容。一单极性脉冲电源与两个透明导电膜2、9相连接。相对于n-CdS层8，在p-CdTe层7上施加负偏压。由0.1～0.3微米厚的n-CdS层8与2微米左右的p-CdTe层7形成了异质结，还有一厚的CdS层8处于结区以外。在等效电路中用Rp表示该CdS层8的电阻。Cj和Rj分别表示n-CdS/p-CdTe异质结的电阻和电容，用RS表示沿CdTe平面的漏泄电阻值。因CdTe层7是一连续的膜，Rs表示其薄层电阻或方块电阻。Cm和Rm表示单位面积TiO2/SiO2多层介质反射镜6的电阻和电容，CLC和RLC表示单位面积液晶层4的电阻和电容。

从设计参数来说，当没有光投射到由p-CdTe层7与n-CdS层8组成的光导层上时，要求光导层的阻抗比液晶层4的阻抗高，使得施加到液晶层4上的电压不仅低于施加到光导层上的电压，也低于液晶层4的阈值工作电压，所以液晶分子长轴方向仍然保持与施加电场垂直，如图3所示。当光投射到光导层上时，光导层阻抗下降，因而电压分配比变化，导致施加到液晶层4上的电压高于阈值工作电压，液晶分子长轴向平行于施加电场的方向转动，如图4所示。对阻抗的这一要求，称之为阻抗匹配原则。阅读用的入射光束为线偏振光，途径液晶层4时，其偏振方向将受到液晶分子取向的影响。与入射图像光强分布相对应，光导层将出现阻抗分布图像，从而导致施加到液晶层上的电压分布与入射图像的光强度分布相对应。因此，由于液晶层4内各处液晶分子长轴的转动角大小与入射图像的光强度对应，从而经由液晶层4反射出来的阅读光束其偏振方向转动角度的大小，与入射图像的光强度分布一一对应。反射出来的阅读光束，经检偏器后，就复原了入射图像。如果入射图像是红外光，阅读光是可见光，则实现了红外变像；如果入射光学图像为弱光，因用强阅读光束，就实现了图像增强作用。

由于n-CdS/CdTe异质结的阻抗低于液晶层4的阻抗，图1所示的器件中只有增加CdS层8的厚度(15～20微米)来满足阻抗匹配的要求。显然，受光照时要使光导层阻抗大大下降，必需使用能被CdS光导体层吸收的光。CdS的带宽的2.53eV，吸收波长短于5000埃的光。所以图1结构的器件只能工作于短波可见光波段。众所周知，CdTe是最佳的太阳能电池材料之一，CdTe的带宽1.45eV，它对近红外光至可见光整个频带均能吸收。但在图1所示的结构中，CdTe层7并未扮演光电转换的主要角色。我们知道，用n-CdS/p-CdTe作光电转换层的太阳能电池已达到近16.5％光电转换效率，其结构参数为：n-CdS厚0.1～0.3微米，p-CdTe厚几微米。但在图1所示的光导控制液晶光阀中，不能使用这一结构参数。因为厚的CdTe层7的方块电阻Rs太低，不可能在CdTe层7上维持与入射图像光强度对应的电位分布图像。

2001年公布的一项发明专利“光寻址空间光调制器”(OASLM)中，发明者使用氢化的非晶态碳化硅(a-Si:C:H)作为光敏层，并用高折射率的a-Si:C:H层与低折射率的a-C:H层组成的多层介质反射镜6。其目的是简化制作工艺，在同一镀膜系统中反复使用不同组份的膜料a-Si:C:H和a-C:H，来制作各光敏层、光隔离层、多层介质反射镜。但膜料的选用受到限制。光导层是连续薄膜，在要求同时满足高灵敏度和高分辨率时，存在难以解决的矛盾。

由于反射镜的反射率不可能达到100％，常常总有一小部分阅读光束透过到光敏层上去。阅读光束是高光强光束，那怕极小部分光也会造成连续的光敏层表面电导率增高，从而破坏了沿光敏层面的电位分布，导致器件分辨率降低。因此常常还得在反射镜与光敏层之间设置一光隔离(吸收)层。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可以同时满足高灵敏度、高分辨率以及高光电转换效率，工作波长为可见光全频谱的影像控制光阀。

为实现上述的目的，本实用新型提供一种用于实现无像素、超高解晰度影像显示的影像控制光阀，顺序包括第一透明导电玻璃板、光敏层、多层介质镜、第一配向膜、液晶层、第二配向膜和第二透明导电玻璃板，其特征在于，所述光敏层包括异质结阵列。

所述异质结阵列中的各个异质结之间电隔离。

所述异质结阵列中，所述异质结是反偏压P-N结或P-i-N结。

在本影像控制光阀中，光电吸收和光电转换在CdTe小岛中进行，CdS层很薄，所以器件的工作波长可以覆盖近红外到可见光全频谱。而且，因为CdTe的光电转换效率高，所以提高了器件的光电转换效率。本影像控制光阀的阻抗匹配是通过选择CdTe小岛的高度来实现的，因小岛之间是电隔离的，即使CdTe层增厚，小岛之间也不存在电荷泄漏。所以由小岛组成的光敏层能保持与入射图像相对应的电位分布。采取电隔离的小岛阵列光敏面结构，可以自由选择光导材料，解决了在满足分辨率、灵敏度、阻抗匹配这些根本需求之间的矛盾。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

图1是现有光导控制液晶光阀的结构示意图。

图2是图1所示光导控制液晶光阀的等效电路图。

图3是液晶层上的电压低于阈值工作电压时，液晶分子长轴的取向和阅读光束偏振方向的变化情况。

图4是光液晶层上的电压超过阈值工作电压时，液晶分子长轴的取向变化和阅读光束偏振方向的变化情况。

图5是本影像控制光阀的结构示意图。

图6是本影像控制光阀的等效电路图。

图7A～图7C是本影像控制光阀中的n-CdS/p-CdTe异质结阵列制作工艺过程示意图。

具体实施方式

本实用新型采用P-N结阵列作为光敏层而构成影像控制光阀。作为第一实施例，使用n-CdS/p-CdTe异质结阵列作为光敏层而构成影像控制光阀，其结构如图5所示。本实施例中与图1中相同的结构使用相同的附图标记，在此不累述。

参见图5所示，本影像控制光阀的结构按照由下向上的顺序依次包括：玻璃板10、透明导电膜9、厚度为0.1～0.3微米的n-CdS层13、由多个岛面6×6微米，高2～6微米，间距2微米的小岛构成的p-CdTe小岛阵列12、绝缘材料填充层11、TiO2/SiO2多层介质反射镜6、第一配向膜5、TN液晶层4、第二配向膜3、透明导电膜2和玻璃板1。需要说明的是，在此提出的小岛的尺寸是一般光刻工艺均可达到的一个数据实例，本发明并不受此限制。只要生产工艺能够实现，小岛阵列的密度越高，图像分辨率就越高。

在本影像控制光阀中，p-CdTe小岛阵列12与n-CdS层13之间形成CdS/CdTe微型异质结阵列，取代了现有技术中的异质结连续平面。CdTe小岛阵列12中的各个CdTe小岛之间由聚酰亚胺填充，以实现CdTe小岛之间的电隔离。因为CdTe小岛之间是电隔离的，即使CdTe层增厚或者CdTe小岛的高度增加，小岛之间也不存在电荷泄漏。所以在图6所示等效电路图中没有漏泄电阻Rs，由小岛组成的光敏层能够保持与入射图像相对应的电位分布。

在本影像控制光阀中，CdS层13的厚度仅为0.1～0.3微米。不同于现有技术中的位于结区之外的厚度为15～20微米的CdS层，本影像控制光阀中的CdS层13的电阻可以在等效电路中被忽略不计，即，在本影像控制光阀中的等效电路中没有CdS层的电阻Rp。因为CdS层13的厚度被设计得很小，光电吸收和光电转换在CdTe小岛中进行，所以本影像控制光阀不会受限于使用能被CdS光导体层吸收的光，器件的工作波长可以覆盖近红外到可见光全频谱。

本影像控制光阀的等效电路示于图6中。图6中，一单极性脉冲电源与两个透明导电膜2、9相连接。相对于n-CdS层13，在p-CdTe层上施加负偏压。由0.1～0.3微米厚的n-CdS层13与p-CdTe小岛阵列12之间形成了异质结，Cj和Rj分别表示n-CdS/p-CdTe异质结的电阻和电容。CdTe小岛的电阻用Rp表示。Cm和Rm表示TiO2/SiO2多层介质反射镜6的电阻和电容，CLC和RLC表示液晶层的电阻和电容。在图6中可以看出，CdTe小岛的电阻分别与液晶层4、多层介质反射镜6、n-CdS/p-CdTe异质结形成的阻容电路串联在一起，并连接在透明导电膜2、9之间。光电转换层CdTe小岛阵列12相当于成百万个微型太阳能电池阵列，n-CdS区共同电极为透明导电膜2、9，p-CdTe小岛相互绝缘，与对应液晶层4的阻容电路相串联。构成异质结的半导体层的厚度增加，则液晶层4上的电压减小，以此实现阻抗匹配的要求。这样，通过增加p-CdTe小岛阵列12的厚度实现阻抗匹配，且不增大沿光敏层表面的横向电导，从而保持图像的分辨率。

本实用新型采用微型异质结阵列作为光敏层，可以使用任何反偏压P-N结或P-i-N结作为影像控制光阀的光电转换面，这为设计新器件提供了新方向。可用于本实用新型的器件结构的光导材料构成的反偏压P-N结，例如CdS/CdTe，(CuInSe2)/CdS，(CuInGaSe2)/CdS，a-Si(p-layer)/a-Si(i-layer)/a-Si(n-layer)等等。

光电吸收和光电转换在CdTe小岛中进行，CdS层13很薄，所以由所用光敏层材料决定，器件的工作波长为可见光全频谱和近红外频谱。而且，因为CdTe的光电转换效率高，所以提高了器件的光电转换效率。本影像控制光阀的阻抗匹配是通过选择异质结CdTe小岛的高度来实现的。异质结CdTe小岛的越高，异质结阵列层的电阻就大，很容易地实现光导层的阻抗比液晶层4的阻抗高。使用厚的异质结阵列层实现了阻抗匹配，且不增大沿光敏层表面横向电导，从而保持图像的分辨率。另外，因小岛之间是电隔离的，即使CdTe层增厚，小岛之间也不存在电荷泄漏。采取电隔离的小岛阵列光敏面结构，即使有一小部分阅读光束透过反射镜6到达光敏层上去，也不会破坏沿光敏层面的电位分布，不会造成导致器件分辨率下降。所以由小岛组成的光敏层能保持与入射图像相对应的电位分布。采取电隔离的小岛阵列光敏面结构，可以自由选择光导材料，能满足分辨率、灵敏度、阻抗匹配等方面的要求。

本实用新型所述的n-CdS/p-CdTe异质结阵列的制作工艺过程如图7A、图7B和图7C所示。在透明导电玻璃表面使用溅射技术涂敷0.1～0.3微米厚CdS层13，然后在CdS层13表面溅射涂敷2～6微米厚CdTe层12，再经CdCl2处理，400℃退火20分钟。在CdTe表面涂一层正性光刻胶，通过光刻模板曝光、显影、坚膜之后，在CdTe表面形成6×6微米(或更小)的光刻胶点阵图案。光刻胶点间距2微米。然后用化学腐蚀或离子研磨的方法去掉未被光刻胶覆盖的CdTe层。用脱胶溶液去掉光刻胶点阵，就获得了n-CdS/p-CdTe异质结阵列。然后用匀胶机旋涂聚酰亚胺有机溶液，CdTe小岛之间的沟槽被聚酰亚胺填充使CdTe小岛之间电隔离，与此同时并在CdTe小岛阵列12表面形成一平滑的聚酰亚胺薄膜，作为绝缘材料层11。在此选用化学稳定性和电绝缘特性都好的聚酰亚胺。根据需要，也可以选择其它化学稳定性和电绝缘特性较好的材料。之后，在聚酰亚胺薄膜表面真空热蒸发TiO2/SiO2多层高反介质镜6。在介质反射镜6表面与蒸发方向夹角5度的条件下蒸发几十纳米的SiO，形成了液晶的配向膜5。第二个透明导电玻璃的导电膜上以相同的大倾斜角蒸发几十纳米SiO形成第二个液晶的配向膜3。经装配，灌注TN液晶，封装之后，则完成本器件的制作。

上面对本实用新型所述的影像控制光阀进行了详细的说明，但显然本实用新型的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本实用新型的权利要求保护范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于实现无像素、超高解晰度影像显示的影像控制光阀，顺序包括第一透明导电玻璃板、光敏层、多层介质镜、第一配向膜、液晶层、第二配向膜和第二透明导电玻璃板，其特征在于：

所述光敏层包括异质结阵列。

2.如权利要求1所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列中的各个异质结之间电隔离。

3.如权利要求1所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列中，所述异质结是反偏压P-N结或P-i-N结。

4.如权利要求3所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列中，所述异质结是CdS/CdTe，(CuInSe₂)/CdS、(CuInGaSe₂)/CdS、或者a-Si(p-layer)/a-Si(i-layer)/a-Si(n-layer)。

5.如权利要求1所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列中的异质结的厚度与施加在液晶层上的电压反向变化。

6.如权利要求1所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列由多个岛面6×6微米，高2～6微米，间距2微米的异质结的小岛构成。

7.如权利要求1所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列与所述多层介质镜之间具有绝缘材料填充层。

8.如权利要求7所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列中的各个异质结之间的绝缘材料与所述绝缘材料填充层是同一材料。

9.如权利要求1所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述异质结阵列与第一透明导电玻璃板之间具有厚度为0.1～0.3微米的CdS层。

10.如权利要求1所述的影像控制光阀，其特征在于：

所述第一配向膜和第二配向膜由大倾斜角蒸发SiO膜构成。