减少边缘场效应的空间光调制器的制作方法

本发明涉及一种空间光调制器(SLM)，特别涉及具有优化像素的SLM，用来降低边缘场效应(FFE)，也被称为倾斜或反激区(Disclination,or Flyback zone)。

背景技术：

SLM是一种用于在空间和时间上调制光波的振幅、相位或偏振的光学装置。SLM在不同领域有许多应用，例如使用一种全息方法将信息编码入激光束里的数据存储，实现波长选择开关(WSS)，以及用于光刻。

LSM的一种实际实施是基于硅基液晶技术的。在SLM里，液晶(LC)层位于透明电极层和反射电极层之间，其中反射电极包括一个像素电极阵列，并且形成在硅衬底上。当在透明电极层和一个像素电极之间施加一个电压差时，其间的LC分子因为施加的电场而被重新定向。由于LC是双折射的(即折射率取决于LC里光的偏振和传播方向)，该定向会产生光的相移，通常称为相位延迟，其中由于电控双折射效应(ECB模式)，该相位延迟可通过电压差进行控制。

导致相位延迟量不确定的一个不良因素是FFE。FFE是像素电极边界产生的电场泄漏到一个相邻像素，影响相邻像素的LC对齐，从而对入射到相邻像素上的光产生不期望的相移。相邻像素不同位置上的相移都不同，并且在相邻像素的边界周围最为明显。由于FFE会极大地削弱SLM性能，例如显著降低衍射效率和相位分布精度，因此，如果能显著减少FFE，将是非常有利的。

在现有技术里，有一些用来减少FFE的技术。CN103645591教导在两个相邻像素电极之间插入一个额外电极，能够屏蔽一个像素产生的电场影响到另一个像素。但是，电场的非均匀性会影响LC方向，产生相位曲线误差。在US20070052889里，像素电极的拐角被圆化，以减小拐角处产生的电场。不使用矩形像素电极，US20150002795教导使用一种非矩形像素电极，通过改变像素电极边缘周围的电场来补偿FFE。尽管最后两种技术能够在某种程度减少FFE，但对某些实际应用，这种减少可能是不够的，因为对像素电极作出的结构变化程度是受其尺寸限制的，并存在电极尺寸收缩的趋势。本领域仍然需要一种减少FFE的改进技术。

技术实现要素：

本发明提供一种调制入射光的SLM。通过配置SLM的LC层以在像素电极上呈现不均匀分布的FFE-抵消特征，SLM减小FFE，而不需要修改像素电极的形状。一个可用的FFE-抵消特征集合包含预倾角和锚定能。

SLM包含一个透明电极层、一个反射电极层、和一个位于透明电极层和反射电极层之间的LC层。反射电极层包含多个像素电极，使得多个像素得以建立。单个像素电极有一个由单个像素电极边界所围住的像素区域。单个像素形成为LC层的一部分，其覆盖单个像素电极的像素区域。至少一个像素被实现为优化像素，并且优选地，每个像素被实现为优化像素。优化像素里的一部分LC层在像素区域上具有不均匀分布的FFE-抵消特征，选择不均匀预倾角分布以与紧靠优化像素的多个相邻像素所引起的FFE相反。

优选地，选择不均匀预倾角分布是按以下步骤进行。优化像素被分割成外部区域和内部区域，其中外部区域是一个在优化像素边界和从其向内预定距离之间的区域。然后，通过在外部区域上有一个预倾角数值和在内部区域上有另一个预倾角数值，选择不均匀预倾角分布。

或者，可以选择不均匀分布的FFE-抵消特征，使得在优化像素的像素区域上，优化像素提供一个在第一和第二条件下将入射光调制到所需相位延迟水平的预定百分比范围内的相位延迟误差。第一条件是优化像素的像素电极被施加一个预定最大工作电压，而相邻像素的像素电压被施加一个预定最小工作电压。第二条件是优化电极的像素电极被施加预定最小工作电压，而相邻像素的像素电极被施加预定最大工作电压。

可选地，SLM还包含一个在透明电极层和LC层之间的纳米结构对齐层。纳米结构对齐层被图案化以在其上形成纳米结构。纳米结构的尺寸和形状被确定，用于实现具有不均匀分布的FFE-抵消特征的优化像素。纳米结构对齐层可以基本上是由聚酰亚胺组成。

在一个实施例里，SLM的LC层包含一种LC材料、以及一种通过用于稳定LC材料的单体聚合而形成的聚合材料。聚合材料是由在优化像素的像素区域上具有不均匀聚合度分布的单体形成，用于不均匀地修改在优化像素的像素区域上的FFE-抵消特征。通过利用具有强度梯度变化的光束照射单体以及控制单体的聚合，可以形成LC层，从而实现聚合度的不均匀分布。在一个选项里，聚合度的不均匀分布在优化像素的像素区域上有最高聚合度，并朝向其中心减小。

以下通过实施例的说明，披露本发明的其它方面。

【附图说明】

图1是一个描述本发明的典型SLM的结构。

图2是一个受FFE影响的相位延迟典型分布，以及一个没有受FFE影响的理想相位延迟分布。

图3演示FFE能够被预倾角的不均匀分布有效抵消。

图4描述可以在制造SLM时添加一个额外光掩膜或E-光束处理，用于添加纳米结构在对齐层上以产生预倾角或锚定能的不均匀分布。

图5是一个利用聚合物稳定网络制造SLM以实现所选不均匀分布的FFE-抵消特征的过程。

图6是一个不均匀分布的FFE-抵消特征的范例，其中每个优化像素被分割成外部区域和内部区域，这两个区域具有所选FFE-抵消特征的不同数值。

【具体实施方式】

本发明的一个方面是提供一种用于调制入射光的SLM，其中SLM通过配置SLM的LC层以将像素电极上预倾角或锚定能显示为不均匀分布来降低FFE，不需要改变像素电极的形状。例如，如果在初始设计里使用了矩形像素电极，在将本发明应用在初始设计上之后，仍然可以使用同样的矩形像素电极。

图1描述本发明一个示例性SLM 100结构。SLM 100包括一个透明电极层120、一个反射电极层130、以及一个位于透明电极层120和反射电极层130之间的LC层110。特别地，反射电极层130包括多个像素电极(包含像素电极1-9)，排列成一个阵列，形成多个像素，每个像素都包括一个像素电极及其上的一部分LC层110。在一个实际实施里，反射电极层130形成在硅衬底140上，使得SLM 100是一个LCOS SLM。一个刚性板142如陶瓷基板或金属板可以用于机械支撑硅衬底140及其上的组件。优选地，一个玻璃板145安装在透明电极层120上以提供机械保护，并允许光穿过到达LC层110(如果SLM 100是用于调制可见光的话)。本领域普通技术人员知道，氧化铟锡(ITO)可以用于形成透明电极层120。在大多数实际实施里，LC层110是均匀平面型的(其中LC分子沿着平行于透明电极层120的方向排列)、垂直的(其中LC分子沿着垂直于透明电极层120的方向排列)、或扭转的(LC分子以螺旋状结构排列)。

不失一般性，下面仅考虑像素电极1-9作为代表性像素电极来进行描述。像素电极1有一个像素区域182，其是一个由像素电极1的边界181围住的区域。像素111形成在像素电极1上，为覆盖像素区域182的一部分LC层110。由于像素111位于像素区域182上，简单起见，像素111的像素边界也是181。一个包含像素111和一个相邻像素的大像素112也被设定。当入射光线101进入像素111和112时，入射光线101经历一次光相位延迟，延迟量取决于像素电极1、5(或3、7和9)和透明电极层120之间的电压差。当入射光线101到达像素电极1、5(或3、7和9)时，入射光线101被反射或衍射，形成反射或衍射光线102。在再次穿过LC层110期间，反射或衍射光线102还经历另一次相位延迟，其延迟量基本上接近刚才所述的延迟量。因此总共有刚才所述延迟量两倍的相位延迟。

像素111有紧靠像素111的相邻像素，这些相邻像素都由像素电极2-9上的一部分LC层110构成。当任何一个像素电极2-9上施加的电压不同于像素电极1上施加的电压时，会产生FFE，负面影响像素111。结果，像素111产生的相位延迟会在像素区域182上变得不均匀，使得像素111的相位延迟分布在二维上不均匀。简单起见，作为一个描述性示例，图2描述了一个在FFE影响下沿着像素长度205的相位延迟的一维典型分布210，和一个没有受FFE影响的理想相位延迟分布240。当典型分布210与理想相位延迟分布240进行比较时，可以看出，FFE在像素边界211附近的像素长度205的某个受影响部分212上引起相位延迟的很大波动。发明人已经发现，通过在受影响部分212上微调制“FFE-抵消特征(FFE-opposing feature)”，能够显著降低相位延迟波动以抵消FFE。FFE-抵消特征是LC层的一个可调谐属性。如发明人所发现的，一个“FFE-抵消特征”的可用集合包括一个预倾角和一个锚定能。预倾角和锚定能分别与LC的排列密度和排列强度有关。LC的排列密度和排列强度相应确定LC抵消FFE的能力。

根据本发明，LC层110里至少一个像素被实现为优化像素，该像素是根据微调制一个选中的FFE-抵消特征而被特定设置以抵消FFE的像素。LC层110里的每个像素最好都被实现为优化像素。在以下的描述里，在像素电极1上的像素111被视为一个实现为优化像素的示例性像素。选择或确定像素区域182上不均匀分布的FFE-抵消特征(即非均匀分布)，以抵抗由像素电极2-9上的相邻像素所引起的FFE。

因为由FFE所引起的相位延迟干扰取决于施加到像素电极1-9上的电压，在确定像素区域182上不均匀分布的FFE-抵消特征时，考虑所有可能的电压组合是不切实际的。由于当像素电极1和像素电极2(或任何像素电极3-9)之间的电压差是所有电压差组合中最大时FFE是最明显的，不均匀分布的FFE-抵消特征实际上是通过考虑一个或有限数目的最差情景条件而确定。通常，SLM 100会被指定有一个最大工作电压以及一个最小工作电压，用于驱动每个像素电极1-9。可以有两个最差情景条件。第一最差情景条件是像素电极1被施加最大工作电压，而像素电极2-9被施加最小工作电压。第二最差情景条件与第一最差情景条件刚好相反：像素电极1被施加最小工作电压，而像素电极2-9被施加最大工作电压。通常，在确定不均匀分布的FFE-抵消特征时，仅考虑第一和第二最差情景条件中的一个就足够了。但是，在确定时考虑两个条件可能更有效，例如当LC层110表现有迟滞时。在考虑选择一个或多个最差情景条件来确定不均匀分布的FFE-抵消特征之后，就能确定不均匀分布的FFE-抵消特征。

在第一确定方法里，不均匀分布的FFE-抵消特征被确定，使得在像素区域182上，在选中的一个或多个最差情景条件下将光线调制在一个要求的相位延迟水平的预设百分比内时，像素111有一个相位延迟误差。该相位延迟误差，是光线入射到像素区域182一个位置上所经历的，是通过测量或计算获得的，作为一个要求的相位延迟水平和一个入射在前述位置上的光的实际相位延迟之间的绝对差值。尽管第一确定方法是一种确定不均匀分布的FFE-抵消特征的常用方法，但没有闭合解来计算分布，而且分布通常是通过一种递归数值算法获得。所涉及的计算负荷通常很重。

使用一种更简单的方法来确定分布是有利的。在第二确定方法里，不均匀分布的FFE-抵消特征更直接地是通过以下步骤确定，首先确定一个或多个最差情景条件下像素111的受影响部分212，然后在受影响部分212上将FFE-抵消特征调整到不同于受影响部分212之外的FFE-抵消特征。根据一种现有技术建立的计算模型，如K.-H.F.CHIANG,S.-T.WU and S.-H.CHEN等在“硅基液晶装置的边缘场效应”(Japan Journal of Applied Physics，vol.41(2002),pp.4577–4585,part 1,no.7A,July 2002)一文中使用的模型，在此其通过引用被合并到本发明，受影响部分212可以通过数值地评估LC层110上的FFE而确定出来。调整受影响部分212上的FFE-抵消特征是以一种尽可能多地抵消FFE的方式进行。

由于FFE主要影响像素111的像素边界181，可以进一步简化，像素111的受影响部分212是像素111的一个外部区域，其中外部区域是指像素边界181和从该边界181向内某个距离之间的区域。所述某个距离可以通过计算或计算机模拟进行估计。因此，不均匀分布的FFE-抵消特征是通过将像素111分割成外部区域和内部区域而获得，外部区域有一个数值的FFE-抵消特征，内部区域有另一个数值的FFE-抵消特征。图6作为一个描述性示例，描述了12个优化像素611-622的不均匀分布的FFE-抵消特征。下面以优化像素611作为一个代表性优化像素进行描述。优化像素611有一个像素边界635。优化像素611的外部区域631是在像素边界635和假想线636之间的一个区域。假想线636位于优化像素611上，并距离像素边界635一个距离633。距离633的确定，要使得外部区域631是一个受影响部分(即上述的受影响部分212)。内部区域632是由假想线636所围住的一个区域。优化像素611被配置，使得外部区域631有第一数值的FFE-抵消特征，内部区域632有第二数值的FFE-抵消特征。注意到，优化像素611-622是在一个连续LC层上(如LC层110)形成。在两个相邻优化像素之间，有一个像素间间隙，例如在两个优化像素611、612之间的间隙637。实际上，在间隙637上的LC层可以配置成具有第一数值的FFE-抵消特征。因此，可以避免沿着像素边界的635FFE-抵消特征的不连续性，而且在制造方面也有一定好处。

图3显示FFE能够被第二确定方法确定的预倾角的不均匀分布有效抵消。在图3，在像素长度305上相位延迟曲线310、315和等电位曲线330、335绘制了一个使用不均匀预倾角分布的案例和一个使用均匀分布的参考案例。使用计算机模拟获得在以下条件下的曲线310、315、330、335：像素长度为6.2μm；像素间间隙0.2μm；在两个相邻像素之间最差情景的电压差5V；像素的外部区域上预倾角85°，外部区域在像素边界和距其1μm之间；像素的剩余部分上的预倾角88°。显然，在像素长度305上，不均匀预倾角分布的相位延迟曲线315的平坦区域比均匀分布情景的相位延迟曲线310里对应平坦区域更长。当检查等电位曲线330、335时也能获得类似结论。显示了使用第二确定方法确定不均匀预倾角分布的有效性。

在不均匀分布的FFE-抵消特征被确定之后，必需设置像素111具有这种分布。将一个纳米结构对齐层添加到SLM 100上，用于改变预倾角或锚定能，以具有所确定的不均匀分布。图4是一个制作纳米结构对齐层的过程。在制作SLM 100时，对齐层412通常被添加到透明电极层120上，用于设置像素111里的LC(实际上是LC层110)在整个像素区域182上有一个预设的预倾角。光掩膜410用于在透明电极层120上形成对齐层412，通常是由聚酰亚胺或氧化硅制成。对齐层412使像素111里LC的预倾角或锚定能类似于在像素区域182，由此，得到一个被FFE扭曲的相位延迟曲线414。添加另一个掩膜420、或E-光束处理以图案化对齐层412，使得纳米结构形成在对齐层412上，从而形成一个纳米结构对齐层422。纳米结构对齐层422上纳米结构的尺寸和形状被确定，以改变预倾角或锚定能，实现确定的不均匀分布，从而得到一个期望的相位延迟曲线424以抵消FFE。对于如何确定纳米结构的尺寸和结构以改变预倾角或锚定能的细节，本领域普通技术人员可以参照现有技术，如“使用纳米对齐表面的可变液晶预倾角”(SID2012Digest,pp.289-292(2012))和“纳米结构对齐层及其应用”(EURODISPLAY,pp.135-138(2009))，在此，上述两者的披露通过引用被合并到本发明。

或者，可以添加一个聚合物稳定网络到LC层110，用于改变FFE-抵消特征，即预倾角或锚定能，以具有确定的不均匀分布。图5是一个利用聚合物稳定网络制作SLM的过程。首先，LC层110通过混合LC材料和单体而形成。单体被聚合以形成聚合物稳定网络用于稳定LC材料。使用具有梯度变化的不透明度的光掩膜510，产生一个具有梯度变化的光强度的光束530。光束530用于触发和控制LC层110里的单体聚合。单体被光束530照射，在LC层110里形成一个聚合材料。由于光束530有一个梯度变化的强度，单体在形成聚合材料时在像素111的像素区域182上经历了不均匀分布的聚合度。不均匀分布的聚合度用于不均匀地改变像素区域182上LC层110的FFE-抵消特征。另外，可以选择不均匀分布的聚合度用于抵消FFE，以获得像素区域182上均匀的相位延迟曲线550。类似于上述推理，不均匀分布的聚合度通常在优化像素的像素区域边界上有一个最高聚合度，并朝向其中心逐渐减小。作为一个备注，像素111里的LC也因为聚合度不均匀分布而具有梯度变化的折射率。

在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围是由所附权利要求而不是由前述说明指定，因此，所有落入权利要求的等同物的含义和范围内的变化都被包括在其中。