一种用于三维光场动态显示的新型像素结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于三维光场动态显示的新型像素结构，其包括：第一基板，与第一基板相对的第二基板，设置在第一基板上的第一电极层，设置于第一电极层与第二基板之间的间隔物，填充于第一电极层和第二基板之间的液晶层，设置于第二基板上的多级光栅结构以及设置在第二基板上与多级光栅结构中每级光栅对应位置处的第二电极层。通过控制每级光栅对应的电压，可以实现对出射光出射方向的大角度连续调制；通过时分复用的方法，可以实现对不同方向出射光的强度的调制。克服了现有技术中可视角小、重构光场不连续、结构复杂和不易集成化的问题。
【专利说明】一种用于三维光场动态显示的新型像素结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维光场动态显示领域，尤其涉及一种用于三维动态显示的新型像素结构。
【背景技术】
[0002]三维光场动态显示通过控制不同方向出射的光的强度重建光场的空间角谱信息，实现动态三维显示的功能。现有的技术主要有:使用投影系统重建多视点信息的光场显示、使用集成全息技术的光场显不、使用方向性背光的光场显不和使用声光调制器的光场显
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[0003]使用投影系统重建的光场显示利用多个投影向不同方向投射对应的角度信息(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.),或使用机械光学系统将投影仪投射出的信息时分复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.)。投影系统的优点是投影技术成熟、实现简单和视角一般较大；缺点是系统光路复杂、难以缩小简化和重建视场不连续。使用集成全息技术的光场显示(文章"Holographic three-dimens1nal telepresence using large-area photorefractivepolymer."Blanche, P_A., et al.Nature468.7320 (2010):80-83.)，通过控制微透镜阵列后焦平面的子像素强度控制不同方向出射光的强度；优点是结构、光路简单，易于集成化；缺点是受限于微透镜阵列的制造尺寸和子像素的数目，显示视角偏小(10度)、重建视场不连续。使用方向性背光的光场显示(文章"Amult1-direct1nal backlight for awide-angle, glasses-free three-dimens1nal display.^Fattal, David, et al.Nature495.7441(2013):348-351.)通过子像素(空间复用)技术控制不同光栅下出射光强度来重建光场空间角谱信息，优点是系统集成度高；缺点是重建视场不连续、视场数较少。使用声光调制器的三维光场显不(文章"Anisotropic leaky-mode modulator for holographicvideo displays.Smalley, D.E., et al.Nature498.7454(2013):313-317.)通过声波在压电材料中形成不同周期的动态传播的光栅，将光耦合到不同的方向；优点是重建光场连续、视角大；缺点是需要较复杂的光路对传播光栅进行静态化，难以集成为大面积的显示器件。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种可以应用于三维光场动态显示的新型像素结构，以扩大现有技术方案的可视角、增加显示系统集成度和实现光场空间角谱的连续重构。
[0005]为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的:
[0006]本发明是一种基于光栅耦合原理的新型像素结构，包括:第一基板、第二基板、第一电极层、间隔物、液晶层、多级光栅结构以及第二电极层。其中:所述第二基板与所述第一基板相对；所述第一电极层设置于所述第一基板上；所述间隔物设置于所述第一电极层和所述第二基板之间；所述液晶层填充于所述第一电极层和所述第二基板之间；所述多级光栅结构设置于所述第二基板上；所述第二电极层的电极为透明电极，设置于所述第二基板上与所述多级光栅结构中每级光栅对应的位置。所述间隔物用于支撑第一基板和第二基板，保持第一基板和第二基板之间的间隙，所述液晶层中的液晶位于所述第一基板和第二基板之间的间隔物的外围。
[0007]所述液晶层同所述第一基板和所述第二基板构成单模波导结构。
[0008]优选地，所述液晶层中的液晶为各向异性液晶，如向列相液晶，此时通过水平配向使液晶指向平行于光栅结构排列；所述液晶层中的液晶或者为各向同性液晶，如蓝相液晶，此时不需要配向。
[0009]优选地，所述多级光栅结构的每级光栅的周期不同，这样可以在液晶折射率调制的配合下实现出射光出射角度的连续调制。
[0010]优选地，在所述第一电极层和所述第二电极层之间加载偏置电压，用于调节生产或制备的误差和液晶预倾斜角等造成的折射率不匹配。
[0011]优选地，所述的多级光栅结构使用的材料的折射率和加载偏置电压情况下液晶折射率相匹配。
[0012]优选地，所述多级光栅结构使用导电材料制造，当使用导电材料制造所述多级光栅结构时，可以省略所述第二电极层，使用多级光栅结构作为对应的电极层。
[0013]优选地，所述多级光栅结构使用经过离子掺杂调整折射率的玻璃制造。
[0014]优选地，所述间隔物的材质和所述多级光栅结构的材质相同，间隔物同第一基板和第二基板形成单模波导结构。
[0015]优选地，所述第二电极层的电极长度不超出对应的所述多级光栅结构的每级光栅的长度。
[0016]优选地，所述第一电极层对于相邻像素加载相同的电压，缓解了所述第一基板和所述第二基板对准的问题。
[0017]所述单模波导中的单模光从侧面进入液晶区域，但不限于从侧面进入像素结构。
[0018]所述的新型像素结构使用时分复用的方式进行各个方向出射光强度的调制，即通过控制电压信号(具体为控制每个电压保持的时间长短)，使光在每个方向上出射的总能量(经过时间的积累)和拟重构的光场在对应方向上的光强相匹配。
[0019]相较于现有技术，本发明具有以下优点:
[0020]本发明提出了一种用于三维光场动态显示的新型像素结构，结合多级光栅结构和液晶折射率调制，实现了出射光出射角度的大范围连续调制；通过时分复用的方法实现不同角度光强度的调制。克服了现有技术中可视角小、光场不连续的问题。同时，本发明提出像素化的三维光场动态显示结构，有利于三维光场动态显示器件的集成化和平板化，解决了现有技术结构复杂的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明:
[0022]图1为本发明的新型像素结构的示意图；
[0023]图2为本发明光栅耦合原理示意图；
[0024]图3为本发明的新型像素结构中选择光栅级数和确定多级光栅周期的说明图；
[0025]图4为本发明全波模拟的液晶指向分布图；
[0026]图5为本发明全波模拟的远场分布图；
[0027]图6为本发明在不同驱动信号下的归一化远场分布图；
[0028]图7a为使用本发明的第一种方案的结构示意图；
[0029]图7b为使用本发明的第二种方案的结构示意图；
[0030]图8a为使用本发明的第一种方案的工作模式示意图；
[0031]图Sb为使用本发明的第二种方案的工作模式示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0033]请参阅图1，图1为本发明的用于三维光场动态显示的新型像素结构的示意图。本发明提出一种基于光栅I禹合原理的新型像素结构，包括第一基板1、第二基板2、第一电极层4、间隔物7、液晶层3、多级光栅结构6以及第二电极层5。其中:第二基板2与第一基板I相对；第一电极层4设置于第一基板I上；间隔物7设置于第一电极层4和第二基板2之间；液晶层3填充于第一电极层4和第二基板2之间；多级光栅结构6设置于第二基板2上，与液晶层3接触；第二电极层5的电极为透明电极，设置于第二基板2上与多级光栅结构6中每级光栅对应的位置。间隔物7用于支撑第一基板I和第二基板2，保持第一基板I和第二基板2之间的间隙，液晶层3中的液晶位于第一基板I和第二基板2之间的间隔物7的外围。
[0034]在本实施例中，液晶层3使用各向异性的向列相液晶，具体为E7。液晶分子经过配向，液晶指向平行于多级光栅结构6(液晶指向方向垂直于示意图)。在偏置电压的作用下，此时液晶层3和使用的多级光栅结构6折射率相匹配，它们同第一基板I和第二基板2组成单模波导结构。间隔物7和多级光栅结构6使用相同的材料，亦同第一基板和第二基板形成单模波导结构。
[0035]整个显示过程是:TE光(s偏振)在间隔物7和液晶层3形成单模分布。仅加偏置电压的情况下，从液晶层的侧面进入液晶层的单模TE光以导模的形式传播，不会从第二基板下方出射；在多级光栅结构6的某一级光栅对应的第二电极层5的电极上加载特定电压，对应区域液晶指向发生改变，液晶对TE光折射率发生变化，TE光被光栅结构耦合到特定的方向。本发明使用时分复用的技术对不同方向的光的强度进行调制，即通过控制电压信号(具体为控制每个电压保持的时间长短)，使光在每个方向上出射的总能量(经过时间的积累)和拟重构的光场在对应方向上的光强相匹配。
[0036]请参阅图2，根据耦合波理论，波导中的光由传播模式被光栅耦合到自由空间，从第二基板下方出射，出射光的方向角和光栅区域传播模有效折射率以及光栅周期满足如下关系:
[0037]cos ( Θ out) = neff-( λ / A)
[0038]其中为空气中的出射角，nrff为光栅部分的有效折射率，λ为使用光在真空中的波长，A为耦合光栅周期。
[0039]光栅部分模式的有效折射率与液晶对TE光折射率的关系在傍轴近似下可以写为:
【权利要求】
1.一种用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，包括: 第一基板； 第二基板，与所述第一基板相对； 第一电极层，设置于第一基板上； 间隔物，设置于第一电极层与第二基板之间； 液晶层，填充于所述第一电极层和所述第二基板之间； 多级光栅结构，设置于所述第二基板上，与液晶层接触；以及 第二电极层，所述第二电极层的电极为透明电极，设置于所述第二基板上与所述多级光栅结构中每级光栅对应的位置。
2.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述液晶层同所述第一基板和所述第二基板形成单模波导。
3.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述液晶层中的液晶为各向异性液晶或各向同性液晶。
4.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述多级光栅结构的每级光栅的周期不同。
5.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，在所述第一电极层和所述第二电极层之间加载偏置电压，用于调节生产或制备的误差和液晶预倾斜角等造成的折射率不匹配。
6.根据权利要求5所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述多级光栅结构折射率在加载偏置电压情况下与液晶折射率相匹配。
7.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述多级光栅结构为导电材料。
8.根据权利要求1所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，多级光栅结构为经过离子掺杂调整折射率的玻璃。
9.根据权利要求1至8任一项所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述间隔物的材质和所述多级光栅结构的材质相同，所述间隔物同所述第一基板和所述第二基板形成单模波导结构。
10.根据权利要求1至8任一项所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述第二电极层的电极长度不超出对应光栅结构的长度。
11.根据权利要求1至8任一项所述的用于三维光场动态显示的新型像素结构，其特征在于，所述第一电极层对于相邻像素加载相同的电压。
【文档编号】G02F1/1335GK104076518SQ201410265122
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】高武然, 李燕, 陈超平, 李潇, 苏翼凯 申请人:上海交通大学