一種用於三維光場動態顯示的新型像素結構的製作方法

2023-04-26 19:05:01 1

一種用於三維光場動態顯示的新型像素結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其包括：第一基板，與第一基板相對的第二基板，設置在第一基板上的第一電極層，設置於第一電極層與第二基板之間的間隔物，填充於第一電極層和第二基板之間的液晶層，設置於第二基板上的多級光柵結構以及設置在第二基板上與多級光柵結構中每級光柵對應位置處的第二電極層。通過控制每級光柵對應的電壓，可以實現對出射光出射方向的大角度連續調製；通過時分復用的方法，可以實現對不同方向出射光的強度的調製。克服了現有技術中可視角小、重構光場不連續、結構複雜和不易集成化的問題。
【專利說明】一種用於三維光場動態顯示的新型像素結構

【技術領域】
[0001]本發明涉及三維光場動態顯示領域，尤其涉及一種用於三維動態顯示的新型像素結構。

【背景技術】
[0002]三維光場動態顯示通過控制不同方向出射的光的強度重建光場的空間角譜信息，實現動態三維顯示的功能。現有的技術主要有:使用投影系統重建多視點信息的光場顯示、使用集成全息技術的光場顯不、使用方向性背光的光場顯不和使用聲光調製器的光場顯
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[0003]使用投影系統重建的光場顯示利用多個投影向不同方向投射對應的角度信息(文章〃A scalable hardware and software system for the holographic displayof interactive graphics applicat1ns.〃Balogh, Tibor, et al.EurographicsShort Papers Proceedings (2005): 109-112.),或使用機械光學系統將投影儀投射出的信息時分復用地投射到不同角度(文章"Rendering for an interactive3601ightfield display.^Jones, Andrew, et al.ACM Transact1ns on Graphics(TOG).Vol.26.N0.3.ACM，2007.)。投影系統的優點是投影技術成熟、實現簡單和視角一般較大；缺點是系統光路複雜、難以縮小簡化和重建視場不連續。使用集成全息技術的光場顯示(文章"Holographic three-dimens1nal telepresence using large-area photorefractivepolymer."Blanche, P_A., et al.Nature468.7320 (2010):80-83.)，通過控制微透鏡陣列後焦平面的子像素強度控制不同方向出射光的強度；優點是結構、光路簡單，易於集成化；缺點是受限於微透鏡陣列的製造尺寸和子像素的數目，顯示視角偏小(10度)、重建視場不連續。使用方向性背光的光場顯示(文章"Amult1-direct1nal backlight for awide-angle, glasses-free three-dimens1nal display.^Fattal, David, et al.Nature495.7441(2013):348-351.)通過子像素(空間復用)技術控制不同光柵下出射光強度來重建光場空間角譜信息，優點是系統集成度高；缺點是重建視場不連續、視場數較少。使用聲光調製器的三維光場顯不(文章"Anisotropic leaky-mode modulator for holographicvideo displays.Smalley, D.E., et al.Nature498.7454(2013):313-317.)通過聲波在壓電材料中形成不同周期的動態傳播的光柵，將光耦合到不同的方向；優點是重建光場連續、視角大；缺點是需要較複雜的光路對傳播光柵進行靜態化，難以集成為大面積的顯示器件。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在於提供一種可以應用於三維光場動態顯示的新型像素結構，以擴大現有技術方案的可視角、增加顯示系統集成度和實現光場空間角譜的連續重構。
[0005]為解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案實現的:
[0006]本發明是一種基於光柵耦合原理的新型像素結構，包括:第一基板、第二基板、第一電極層、間隔物、液晶層、多級光柵結構以及第二電極層。其中:所述第二基板與所述第一基板相對；所述第一電極層設置於所述第一基板上；所述間隔物設置於所述第一電極層和所述第二基板之間；所述液晶層填充於所述第一電極層和所述第二基板之間；所述多級光柵結構設置於所述第二基板上；所述第二電極層的電極為透明電極，設置於所述第二基板上與所述多級光柵結構中每級光柵對應的位置。所述間隔物用於支撐第一基板和第二基板，保持第一基板和第二基板之間的間隙，所述液晶層中的液晶位於所述第一基板和第二基板之間的間隔物的外圍。
[0007]所述液晶層同所述第一基板和所述第二基板構成單模波導結構。
[0008]優選地，所述液晶層中的液晶為各向異性液晶，如向列相液晶，此時通過水平配向使液晶指向平行於光柵結構排列；所述液晶層中的液晶或者為各向同性液晶，如藍相液晶，此時不需要配向。
[0009]優選地，所述多級光柵結構的每級光柵的周期不同，這樣可以在液晶折射率調製的配合下實現出射光出射角度的連續調製。
[0010]優選地，在所述第一電極層和所述第二電極層之間加載偏置電壓，用於調節生產或製備的誤差和液晶預傾斜角等造成的折射率不匹配。
[0011]優選地，所述的多級光柵結構使用的材料的折射率和加載偏置電壓情況下液晶折射率相匹配。
[0012]優選地，所述多級光柵結構使用導電材料製造，當使用導電材料製造所述多級光柵結構時，可以省略所述第二電極層，使用多級光柵結構作為對應的電極層。
[0013]優選地，所述多級光柵結構使用經過離子摻雜調整折射率的玻璃製造。
[0014]優選地，所述間隔物的材質和所述多級光柵結構的材質相同，間隔物同第一基板和第二基板形成單模波導結構。
[0015]優選地，所述第二電極層的電極長度不超出對應的所述多級光柵結構的每級光柵的長度。
[0016]優選地，所述第一電極層對於相鄰像素加載相同的電壓，緩解了所述第一基板和所述第二基板對準的問題。
[0017]所述單模波導中的單模光從側面進入液晶區域，但不限於從側面進入像素結構。
[0018]所述的新型像素結構使用時分復用的方式進行各個方向出射光強度的調製，即通過控制電壓信號(具體為控制每個電壓保持的時間長短)，使光在每個方向上出射的總能量(經過時間的積累)和擬重構的光場在對應方向上的光強相匹配。
[0019]相較於現有技術，本發明具有以下優點:
[0020]本發明提出了一種用於三維光場動態顯示的新型像素結構，結合多級光柵結構和液晶折射率調製，實現了出射光出射角度的大範圍連續調製；通過時分復用的方法實現不同角度光強度的調製。克服了現有技術中可視角小、光場不連續的問題。同時，本發明提出像素化的三維光場動態顯示結構，有利於三維光場動態顯示器件的集成化和平板化，解決了現有技術結構複雜的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明:
[0022]圖1為本發明的新型像素結構的示意圖；
[0023]圖2為本發明光柵耦合原理示意圖；
[0024]圖3為本發明的新型像素結構中選擇光柵級數和確定多級光柵周期的說明圖；
[0025]圖4為本發明全波模擬的液晶指向分布圖；
[0026]圖5為本發明全波模擬的遠場分布圖；
[0027]圖6為本發明在不同驅動信號下的歸一化遠場分布圖；
[0028]圖7a為使用本發明的第一種方案的結構示意圖；
[0029]圖7b為使用本發明的第二種方案的結構示意圖；
[0030]圖8a為使用本發明的第一種方案的工作模式示意圖；
[0031]圖Sb為使用本發明的第二種方案的工作模式示意圖。

【具體實施方式】
[0032]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0033]請參閱圖1，圖1為本發明的用於三維光場動態顯示的新型像素結構的示意圖。本發明提出一種基於光柵I禹合原理的新型像素結構，包括第一基板1、第二基板2、第一電極層4、間隔物7、液晶層3、多級光柵結構6以及第二電極層5。其中:第二基板2與第一基板I相對；第一電極層4設置於第一基板I上；間隔物7設置於第一電極層4和第二基板2之間；液晶層3填充於第一電極層4和第二基板2之間；多級光柵結構6設置於第二基板2上，與液晶層3接觸；第二電極層5的電極為透明電極，設置於第二基板2上與多級光柵結構6中每級光柵對應的位置。間隔物7用於支撐第一基板I和第二基板2，保持第一基板I和第二基板2之間的間隙，液晶層3中的液晶位於第一基板I和第二基板2之間的間隔物7的外圍。
[0034]在本實施例中，液晶層3使用各向異性的向列相液晶，具體為E7。液晶分子經過配向，液晶指向平行於多級光柵結構6(液晶指向方向垂直於示意圖)。在偏置電壓的作用下，此時液晶層3和使用的多級光柵結構6折射率相匹配，它們同第一基板I和第二基板2組成單模波導結構。間隔物7和多級光柵結構6使用相同的材料，亦同第一基板和第二基板形成單模波導結構。
[0035]整個顯示過程是:TE光(s偏振)在間隔物7和液晶層3形成單模分布。僅加偏置電壓的情況下，從液晶層的側面進入液晶層的單模TE光以導模的形式傳播，不會從第二基板下方出射；在多級光柵結構6的某一級光柵對應的第二電極層5的電極上加載特定電壓，對應區域液晶指向發生改變，液晶對TE光折射率發生變化，TE光被光柵結構耦合到特定的方向。本發明使用時分復用的技術對不同方向的光的強度進行調製，即通過控制電壓信號(具體為控制每個電壓保持的時間長短)，使光在每個方向上出射的總能量(經過時間的積累)和擬重構的光場在對應方向上的光強相匹配。
[0036]請參閱圖2，根據耦合波理論，波導中的光由傳播模式被光柵耦合到自由空間，從第二基板下方出射，出射光的方向角和光柵區域傳播模有效折射率以及光柵周期滿足如下關係:
[0037]cos ( Θ out) = neff-( λ / A)
[0038]其中為空氣中的出射角，nrff為光柵部分的有效折射率，λ為使用光在真空中的波長，A為耦合光柵周期。
[0039]光柵部分模式的有效折射率與液晶對TE光折射率的關係在傍軸近似下可以寫為:

【權利要求】
1.一種用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，包括: 第一基板； 第二基板，與所述第一基板相對； 第一電極層，設置於第一基板上； 間隔物，設置於第一電極層與第二基板之間； 液晶層，填充於所述第一電極層和所述第二基板之間； 多級光柵結構，設置於所述第二基板上，與液晶層接觸；以及 第二電極層，所述第二電極層的電極為透明電極，設置於所述第二基板上與所述多級光柵結構中每級光柵對應的位置。
2.根據權利要求1所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述液晶層同所述第一基板和所述第二基板形成單模波導。
3.根據權利要求1所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述液晶層中的液晶為各向異性液晶或各向同性液晶。
4.根據權利要求1所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述多級光柵結構的每級光柵的周期不同。
5.根據權利要求1所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，在所述第一電極層和所述第二電極層之間加載偏置電壓，用於調節生產或製備的誤差和液晶預傾斜角等造成的折射率不匹配。
6.根據權利要求5所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述多級光柵結構折射率在加載偏置電壓情況下與液晶折射率相匹配。
7.根據權利要求1所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述多級光柵結構為導電材料。
8.根據權利要求1所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，多級光柵結構為經過離子摻雜調整折射率的玻璃。
9.根據權利要求1至8任一項所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述間隔物的材質和所述多級光柵結構的材質相同，所述間隔物同所述第一基板和所述第二基板形成單模波導結構。
10.根據權利要求1至8任一項所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述第二電極層的電極長度不超出對應光柵結構的長度。
11.根據權利要求1至8任一項所述的用於三維光場動態顯示的新型像素結構，其特徵在於，所述第一電極層對於相鄰像素加載相同的電壓。
【文檔編號】G02F1/1335GK104076518SQ201410265122
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】高武然, 李燕, 陳超平, 李瀟, 蘇翼凱 申請人:上海交通大學