一种基于拓扑绝缘体材料的三维光电全息显示器的制作方法

本发明涉及三维运动图像的显示，尤其涉及三维全息显示器。

背景技术：

三维(“3d”)电影在商业影院已经流行了几十年，但是观众需要佩戴偏光镜是限制它们对某些类型和观众吸引力的一个关键因素。在大片《阿凡达》3d版巨大成功的推动下，3d电视在几年前成为了商业现实。然而，这项技术最终在商业上失败了，3d电视也不再被生产出来。归因于3d电视的失败的关键原因之一是，通常需要佩戴偏振或“主动快门”眼镜，以便观看者的两只眼睛看到不同的图像，并因此实现深度感知。

鉴于以上所述，3d显示器技术的底层基础是一种显示技术，其允许观看者观看3d运动图像，而不需要佩戴眼镜或任何其他形式的滤光器或附件。尽管这一领域的研究在实验室环境中取得了一些进展，但最终的图像存在诸如视角受限、图像尺寸小和空间分辨率低等缺陷。

因此，期望减轻现有技术的一个或多个困难，或者至少提供有用的替代方案。

技术实现要素：

本发明的目的是向观看者显示三维运动图像作为运动全息图像的3d显示器，以及用于产生3d显示器的过程。自1940年以来，全息术已被用于光学显微镜、成像、数据存储、计量学和信息安全。简而言之，如本领域技术人员所知，传统的全息照相术使用具有极高空间分辨率的照相底片来记录并随后再现从要成像的场景中的物体散射的相干光的振幅和相位信息。基本原理是照相底片记录由相干光束产生的干涉图案。

最近，成本相对较低的计算机已经变得足够强大，现在可以通过模拟光学波前来计算真实或虚拟物体的合成或虚拟全息干涉图案，从而产生了一个被称为计算机生成全息术或“cgh”的新技术领域。与传统的光学全息图相比，全息照相具有明显的优势，因为全息成像不再需要真实物体。凭借这一优势，cgh有可能与智能手机、智能手表等便携式电子设备一起用于成像和显示。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于拓扑绝缘体材料的三维光电全息显示器，包括:

光源部件，所述光源部件包括在所述阵列的平面中的纳米尺度的可独立寻址的光源的二维阵列，所述阵列的每个光源是相干光源，所述相干光源的振幅可以独立于所述阵列的其他光源而被调制；

相位调制部件，所述相位调制部件包括所述阵列的平面中的纳米尺度的可独立寻址的相位调制区域的二维阵列；

其中光源阵列与相位调制区域阵列对准，使得由每个光源发射的相干光透射通过相应的一个相位调制区域；和

控制部件，所述控制部件接收表示三维运动图像的图像信号并处理所述图像信号以产生用于平面光源的光源控制信号和用于相位调制部件的相位调制控制信号，由此所述光源控制信号确定由所述光源发射的相干光的幅值，并且所述相位调制控制信号确定由所述光源发射并透射通过所述相位调制区域的相干光的相移，使得显示设备发射对应于表示三维运动图像的运动全息图像的光。

进一步的，每个相位调制区域包括设置在对应的一对透明电极之间的电光材料。所述电光材料为拓扑绝缘体bi2se3、sb2te3或bi2te3薄膜材料。进一步的，薄膜材料为bi2se3，sb2te3，bi2te3拓扑绝缘体光电材料。

进一步的，可独立寻址的相干光源包括可独立寻址的相干红光光源、可独立寻址的相干绿光光源和可独立寻址的相干蓝光光源。

进一步的，光源阵列是集成光电电路的组件。所述集成光电电路为cmos装置。

进一步的，光源阵列和相位调制区域阵列是相同的阵列，其中每个所述光源是其自身的相位调制区域，所述相位调制区域调制其产生的光的相位。

一种制造3d显示器的方法，形成权利要求1至7中任一项所述的3d显示器。

本发明达到的技术效果是：本发明器件将产生三维的、宽视角、彩色、高清全息显示。相比于液晶显示器件，本发明器件为固态光电相位振幅调制器件。固态空间光调制可降低像素尺寸，因而增加同等面积下的像素和高清度。拓扑绝缘体材料具有高折射率特性，因此可以制备出超薄的显示屏，厚度可小到几十纳米。

附图说明

以下参考附图，仅以示例的方式描述本发明的一些实施例，其中:

图1是根据本发明实施例的3d显示器的方框图；

图2是根据本发明实施例的3d显示器实现过程的流程；

图3是示出了3d显示器的光源阵列和相位调制阵列的总体布置的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个实施例的3d显示器的方框图。3d显示器100包括光源部件102、相位调制部件104和控制部件106。至少光源部件102和相位调制部件104是光电集成电路或“芯片”的部件。光源部件102包括在阵列的平面中的纳米尺度的单独可寻址的光源108的二维阵列，阵列的每个光源108是相干光源，其振幅可以被动态地调制并且独立于阵列的其他光源。

相位调制部件104包括阵列平面中纳米级尺寸的可独立寻址的相位调制区域110的二维阵列。光源阵列与相位调制区域阵列对准，使得每个光源发射的相干光透射通过相应的一个相位调制区域。单独的光源和相应的相位调制区域110一起构成3d显示器的相应像素。如下所述，控制部件106生成控制信号，该控制信号动态地控制从显示器的像素发射的光的振幅和相位，以生成运动全息图像。

在一些实施例中，单独可寻址的光源108包括可独立寻址的相干红光光源、可独立寻址的相干绿光光源和可独立寻址的相干蓝光光源，以实现全色全息图像的显示。

在所描述的实施例中，光源108的阵列和相位调制部件104的阵列是集成光电子电路的部件，允许其用作例如智能手机或智能手表的便携式电子设备的3d显示器。在所描述的实施例中，集成光电子电路是cmos器件。

由于它们的纳米尺度，3d显示器100产生的全息图像具有大约90°到180°的宽视角。通过使用诸如电子束光刻的标准高分辨率图案化工艺形成光源108和相位调制区域110的纳米尺度阵列，可以形成1024×1024或4096×4096的阵列，产生具有大约10cm至50cm的空间尺寸的高分辨率全息图像。

如图3所示，在所描述的实施例中，每个相位调制区域110包括设置在该区域上方和下方的相应一对透明电极(例如，ito)之间的电光材料，由此允许可见光通过电极而没有显著的吸收。通过在相应的一对透明电极上施加相应的电压以在相位调制区域110中建立相应的电场，来动态地和选择性地调制每个相位调制区域110的折射率。以此方式，从每个像素发射的光的相位被动态地且选择性地调制。通过动态且独立地调制从显示器的每个像素发射的光的振幅和相位两者，产生运动全息图像。

在一些实施例中，一些拓扑绝缘体材料具有非线性电光效应，其折射率可以由外电场调制。因此由拓扑绝缘体材料制造的全息片可以是由外电场调控每个像素的相位，进而产生动态全息成像。这些电光拓扑绝缘体材料包括bi2se3，sb2te3，bi2te3等高折射率硫族化合物。这些材料可以被加工成薄膜和纳米结构以实现超薄全息片。

在一些实施例中，使用第二光源阵列将每个区域的折射率临时改变为期望值。在其他实施例中，首先使用下面的光源阵列来改变折射率才被用来产生全息影像。

控制部件106接收表示三维运动图像的图像信号，并处理图像信号以生成平面光源108的光源控制信号和相位调制部件104的相位调制控制信号。光源控制信号确定由光源108发射的相干光的振幅，相位调制控制信号确定由光源108发射并透射通过相位调制区域110的相干光的相移，使得显示设备发射对应于表示三维运动图像的运动全息图像的光。

在所描述的实施例中，控制部件106包括随机存取存储器(ram)112、至少一个处理器114以及光源驱动电路，所有这些都通过总线120互连。

光源驱动电路包括产生控制光源阵列的信号的光源驱动器116，以及产生控制相位调节器阵列的信号的相位调节器驱动器118。3d显示器100还包括诸如嵌入式linux的操作系统122，并且由3d显示器100执行的过程被实现为存储在与显示器相关联的非易失性(例如，固态驱动器)存储器上的一个或多个软件模块的编程指令。然而，显而易见的是，所述过程的至少一部分可替代地实现为一个或多个专用硬件组件，例如专用集成电路(asics)和/或现场可编程门阵列(fpgas)。

尽管控制部件106在图1中被表示为单独的部件，从而可以示出其主要组成部件，但在一些实施例中，这些部件中的至少一些被包括在集成光电子电路中。在一些部件中，整个控制部件106包括在集成光电子电路中。

在所描述的实施例中，使用本领域技术人员已知的标准微/纳米制造方法来制造集成光电子电路芯片，以形成由光源108和覆盖的相位调制区域110构成的像素的纳米尺度阵列。

在使用中，控制部件106执行接收表示3d运动图像的3d视频数据的3d显示器过程，并使用cgh领域的技术人员已知的方法处理运动图像的每一帧以生成表示一系列全息图表示的全息图数据。简言之，首先将所接收的3d图像数据转换为全息振幅和相位数据。如本领域技术人员所知，可以使用点源方法或基于多边形的方法来生成对象的灰度级全息图。在一些实施例中，通过使用每个全息图的中值作为阈值将其值映射到0或2π来生成二进制全息图。

一旦产生了每个全息图，就处理全息图数据以确定将被施加到3d显示器的每个像素的光源和相位调制器的相应信号，以便将相应的图像呈现为可见全息图像。

在图3中示意性地示出了多色动态全息显示器。全息显示器由多个数字全息像素组成。在每个像素中，相干光源产生红色、绿色和/或蓝色相干光。在拓扑绝缘体电光材料的顶部和底部上的两个透明电极用于在材料上施加偏置电压，并由此动态地改变其折射率。通过提供数字偏置电压来控制电光材料中的电场，可以实现从0到2π的相位调制。通过相位调制，外部偏置随后可以改变电光像素的折射率，改变量通常在从0到10-2的范围内。cmos光电芯片控制从3d显示器的像素发射的光的相位调制和振幅调制。

在一些实施例中，显示器具有4096×4096像素的高分辨率，具有小于1微米的像素尺寸。这种小的像素尺寸使得能够实现大的视角和高的空间分辨率。该cmos光电芯片发射最多三种颜色的光的任意组合，即红色、绿色和蓝色。为了重建3d对象的波阵面，由控制部件计算数字全息相位图。

预先计算的数字全息相位图案上载到显示器可以通过在每个相位调制像素上施加不同的偏置电压来实现。可以将相位信息转换为折射率信息和另外的偏置信息。因此，通过程序增加偏置可以上传阶段信息。

通过这种方法，可以实现全彩色全息显示。

同时本发明提供了一种实现本发明三维光电全息显示器的方法，如附图2所示，包括以下步骤：1.cmos芯片及电极制备，2.拓扑材料合成，3.计算全息图形，4.全息图形制作，5.控制偏置程序设计，6.动态全息图像生成。

需要说明的是，以上实施方式只是用于对本发明的理解，并非是对本发明权利要求保护范围的限制，在不脱离本发明范围的情况下，许多修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且在本发明技术构思基础上的技术方案的调整，均属于本发明保护范围之内。