一种空间光调制器的制作方法

本发明涉及光学器件领域，具体地，涉及光学器件及光学系统。

背景技术：

专利文献cn101323981a公开了一种硼酸盐系双折射光学晶体及其用途，这些晶体都是负单轴晶体，并于可见光波段的双折射率数值大小在0.08－0.15左右。这一系列的晶体易于切割、研磨、抛光和保存，不溶于水，不潮解，在空气中稳定，适于制作光通讯元件，例如光隔离器，环形器，光束位移器，光学起偏器和光学调制器等。特别是用于制作各种用途的偏光棱镜，相位延迟器件和电光调制器件等。这些器件利用的是晶体的折射率特性，特别是较大的双折射率。

虽然该专利文献可给出了可将双折射材料应用于光学器件的方案，但是没有公开光学器件的具体实现方式。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光学器件及光学系统。

根据本发明提供的一种光学器件，包括一层或多层结构；

所述结构包括依次设置的上基板、中间介质层、下基板；中间介质层至少为一层；上基板与中间介质层之间、中间介质层与下基板之间填充有双折射材料。

优选地，所述双折射材料采用液晶。

优选地，中间介质层为导电材料或表面制有导电层。

优选地，中间介质层构成偏振片或表面制有偏振功能的薄膜。

优选地，中间介质层为多层，相邻的中间介质层中间填充有双折射材料。

优选地，上基板、下基板、中间介质层中的任一者或者任多者具有像素点电压调制能力和/或整体电压调制能力。

优选地，如下任一个或任多个表面进行配向：

-上基板面向双折射材料的表面；

-下基板面向双折射材料的表面；

-中间介质层面向上基板的表面；

-中间介质层面向下基板的表面。

优选地，如下表面中至少有一个表面的配向与其它表面不同：

-上基板面向双折射材料的表面；

-下基板面向双折射材料的表面；

-中间介质层面向上基板的表面；

-中间介质层面向下基板的表面。

优选地，中间介质层是透明材料。

优选地，中间介质层是ito和/或tft玻璃。

优选地，上基板和/或下基板是ito和/或tft玻璃。

优选地，上基板和/或下基板是晶圆。

优选地，上基板与中间介质层之间的晶盒，中间介质层与下基板之间的晶盒，在如下任一种或任多种参数上不同：

-厚度；

-材料；

-配向方向；

-两端电压；

-液晶模式。

优选地，所述液晶模式为ecb、tn、van、flc中的至少其中之一。

优选地，中间介质层上下两侧的像素点之间具有对应关系。

优选地，具有多层中间介质层，用于分隔多层双折射材料。

根据本发明提供的一种光学器件组合，包括多块所述的光学器件，所述光学器件上下叠合。

优选地，在一定时间周期内每一层双折射材料两面施加的电压之和为零。

优选地，基板和/或中间介质层上施加的电压为模拟信号。

优选地，基板和/或中间介质层上施加的电压为数字信号。

根据本发明提供的一种光学系统，包括控制和驱动系统、所述的光学器件；

控制和驱动系统，获取数据信号，驱动光学器件产生相应的光调制，并同步光源和/或输出同步信号。

根据本发明提供的一种光学系统，包括所述的光学器件，还包括与光学器件进行配合调制的配合器件，其中，所述配合器件包括光源、偏振片，pbs，透镜，旋光器件中的任一种或任多种器件。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明可实现对入射光偏振方向的改变的同时实现相位调制，在一些应用例中还可以同时实现对入射光的强度及相位调制。

本发明可以提高空间光调制器对调制信号的响应速度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种实施例的结构示意图，示出了上基板1、下基板2、中间介质层3及中间的液晶层4；

图2为本发明一个实施例，其中下基板按像素点分别施加电压v2×1y1-v2×1y5，上基板及中间介质层分别施加一个整体的电压v1、vcom；

图3为本发明另一个实施例，其中上下基板按像素点分别施加电压，中间介质层施加一个整体的电压；上基板按像素点施加电压为v1×1y1-v1×1y5；

图4为本发明一个实施例，其中下基板为透射式(例如tft玻璃)；

图5为本发明一个实施例，其中下基板为反射式(例如硅基晶圆)；

图6为本发明一个实施例，其中上基板与中间介质层之间的上层材料将光入射光的偏振方向旋转45°，下基板与中间介质层之间的下层材料对入射光实现相位调制；

图7为本发明一个实施例，其中上基板与中间介质层之间的上层材料按像素点对光入射光的偏振方向进行调制(加入偏振片后即可实现强度调制)，下基板与中间介质层之间的下层材料对入射光实现相位调制；

图8为本发明一个实施例中上下基板以及中间介质层表面配向的方向的对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种光学器件，包含一层或多层结构；所述结构中包括：上基板、下基板、和至少一层中间介质层；上基板与中间介质层之间(多层结构时也可以是中间介质层与中间介质层之间)、中间介质层与下基板之间填充有双折射介质。每一层中间由导电的中间介质层分隔。

上基板、下基板之中的至少其中之一上施加电压(按像素点施加电压，每点电压可以不同，例如lcos晶圆作为基板，或lcd屏幕的基板等)，中间介质层至少一个表面上施加电压(整体施加)。填充的双折射材料可以是液晶材料，位于中间介质层上下侧的晶层的厚度可以相同，也可以不同，位于中间介质层上下侧的液晶的模式可以相同，也可以不同。上基板、下基板可以是tft/ito玻璃或硅基的晶圆，中间介质层可以是tft或ito玻璃，对上基板、下基板面向双折射材料的表面，以及中间介质的两个表面进行配向加工，例如使用摩擦工艺配向，具体方法为使用相应的毛布(可以安装在滚轮上)以一定方向摩擦上述表面，从而使液晶分子填充后能够按照配向的方向成设定分布。上基板、下基板面向双折射材料的表面，以及中间介质的两个表面这四个表面中至少有一个表面的配向方向与其它表面不同。从而实现同时改变入射光的偏振方向以及调制入射光的相位的功能。也可以使四个表面的配向方向都相同，则此时相比达到同样调制范围的单层器件(其单层的液晶厚度将会是本发明中的双层器件两层的厚度之和，而材料的反应速度与其厚度直接相关)器件的刷新速度将会是单层器件的数倍，从而起到提高刷新速度的目的。

此外在这一器件组成的光学系统中，还包含控制和驱动系统及其它光学元件，其中控制和驱动系统主要由电子器件组成，控制生成数据信号，并驱动器件产生相应的光调制，同时还可以同步光源。其它光学器件可以包括光源(例如ld，led等)，偏振片或偏振棱镜等，透镜及镜头组等。偏振片或偏振棱镜用于将光束合路和/或用于过滤不需要的光，透镜及镜头用于对光束再次调制(例如放大/缩小图像等)。

实施例1

在一种实施例中，下基板使用分辨率是1920x1080的硅基液晶晶圆，中间介质层及上基板都使用ito玻璃。液晶选取为上层液晶采取tn模式封装，下层采取ecb模式封装。一种可能的配向选取是下基板表面及中间介质层表面都与器件一边成45°方向配向，而上基板表面与器件的一条边成平行或垂直配向。上基板与ito玻璃之间间隔1um(即上层液晶层厚1um)，ito玻璃与下基板之间间隔2.5um(即下层液晶厚2.5um)。

光源(像元)使用oled显示面板，光路中还增加偏振棱镜，光源发出的入射光(包含图像信息)可以先经过一片起偏器，使其入射至偏振棱镜时其偏振方向为p方向，其被偏振棱镜转折90°后入射到上述空间光调制器，由于所述器件上基板的配向方向与中间ito玻璃配向方向相差45°，入射光经过上层液晶后偏振方向将被旋转45°，下层基板为硅基液晶晶圆，表面经cmp工艺处理后能将入射的光反射回去(还可以镀上设定波长或波长范围的增反膜)，同时经过控制系统调制，能够在不同的像素点上对液晶施加不同的电压，从而使不同的点的入射光受到的相位调制不同，当光从下层返回后再次入射上层，偏振方向再次被旋转45°，当从上层出射至偏振棱镜时，其偏振方向已变为s向，可以透过偏振棱镜，被后续光学系统放大输出，或直接被观看者观看。

上述实施例中光源可以替换为传统的硅基液晶器件，ld或led通过偏振棱镜照射其表面后将图像光偏振方向改变90°并返回偏振棱镜，图像光被导入到所述空间光调制器调制，经调制后偏振方向再次改变90°并经相同偏振棱镜并输出。这样做的好处是系统中使用一块偏振棱镜即可，结构紧凑，体积小。

上述例子中还可以在光源端加入透镜系统，对光源发出的光做准直、扩束、匀化等调制。

此外，控制系统控制下基板电压改变时，往往需要对中间介质层施加一个电压，以实现下层液晶两端的压差，并且由于液晶调制存在的直流平衡需求(dcbalance)，中间介质层的电压也存在周期性变化，例如前一个周期为6v，后一个周期为0v，如此循环，此时也可以对上表面基板施加相同的电压，比如前一个周期为6v，后一个周期为0v从而不使液晶偏转，破坏对对偏振方向的调制，同时使其在一定时间周期内保持两端压差之和为0，从而不会产生损坏。

上述例子中的上基板还可以更换为具有像素点电压调制能力的tft玻璃基板，从而实现对每一像素点偏振的分别调制，从而结合偏振棱镜或偏振片后可以同时实现对像素点强度及相位调制。在这种情况下，光源只需实现照明即可，无需提供图像信息(强度信息)，例如可以使用普通的ld激光器，当激光器入射时的偏振方向与上基板配向方向一致，上基板上各像素点由控制驱动系统控制分别施加电压，从上基板进入中间介质层时，各像素点的偏振方向由所述电压调制分别发生改变，改变量介于0～45°之间。所有像素点的偏振方向可以被等效的分解为与下层基板配向方向一致的方向以及与下层基板配向方向垂直的方向的组合，由于下层的液晶材料长轴方向与配向一致，所以所有像素点传播到下层的光中只有与下层配向方向一致的偏振部分的能量会被下层液晶正确调制(还可以使用偏振片制作中间介质层，或在中间介质层上制作具有偏振滤光性质的镀膜，将不能被下层液晶正确调制的偏振方向的光能滤除)，当其反射返回后，再次经过上层基板，偏振方向再次被改变，在经过后续的偏振片或偏振棱镜后(可以直接制作在上基板的表面上，或上基板使用具有类似特性的材料制作)，能够把不需要的能量滤除，从而同时实现对于光的强度及相位调制。

在上述实施例中，也可以将上层设计为(上基板和中间介质层之间的层)相位调制，将下层(下基板与中间介质层之间的层)设计为强度调制，与上例相比只需要更改配向方向及晶层厚度即可实现。例如上层基板与和其相对的中间介质层的配向方向一致，下层基板与其面对的中间介质层的配向方向相差45°，中间基板上下表面配向方向一致或相差一定角度。

在上述实施例中，上基板、下基板的像素大小(pixelpitch)可以是一致的，且像素位置在空间上一一对应。当然大多情况下玻璃基板(例如液晶面板)上制作的像素尺寸往往大于硅基的晶圆上像素尺寸，所以上述尺寸也可以是不同的，比如上层基板一个像素点等于下层基板9(3×3)个像素点大小。此时在输入数据计算时需要考虑到下层相位调制时每9个像素点的强度或相位将会基本一致的情况，可以通过算法的调整适当消除部分像素强度或相位必须一致而产生的误差。

实施例2

实施例2中上基板、下基板都采用透明材料，上基板、下基板都为具有像素点电压调制能力的tft基板，上基板及与其对于的介质层表面的配向方向相差约90°，而下基板与对应的介质层表面的配向方向一致，且其与上基板或与上基板对应的介质层表面中的一个面的配向方向一致，光源发出的光透过上基板后偏振方向被改变，改变量由每个像素点的输入信号决定。与上例相同的是所有像素点的偏振方向可以被等效的分解为与下层基板配向方向一致的方向以及与下层基板配向方向垂直的方向的组合，由于下层的液晶材料长轴方向与配向一致，所以所有像素点传播到下层的光中只有与下层配向方向一致的偏振部分的能量会被下层液晶正确调制，与上例不同的是此例中下层基板也是透明的，被调制后的光会透过所述基板，其后加入偏振片(或将中间介质层制作为具有偏振片特性)后或偏振棱镜后就能将不需要的光能滤除，调制出所需强度与相位的光场分布。

实施例3

另一种应用是通过多层双折射材料的层叠来降低单层材料所需的厚度(厚度与响应时间一般成平方关系，厚度越小，材料的响应速度越快)，从而在达到相同相位和/或强度调制范围内，提高器件本身的响应时间。例如在实施例3中，光学器件包括多层结构(包括三层双折射材料)，下层基板使用硅基液晶晶圆，距离晶圆1.8um处为一导电介质层，该导电介质层两个表面的配向方向与下层基板相同，两层之间填充液晶材料，导电介质层至少1.8um处为透明的中间层基板，其上制作有电极，可以分别对每个像素点进行电压调制，中间层基板面对导电介质层的一面的配向方向与导电介质层一致，两层中间填充液晶材料。中间层基板上还可以镀上具有偏振选择功能的薄膜，从而过滤不需要的偏振方向的能量。中间层基板上1um处为上层基板，中间层基板面对上层基板的面上的配向方向与上层基板的配向方向相差45°，可以改变入射光的偏振方向。上述例子的好处是可以通过中间层及下层两层同时调制来加快器件的响应时间。上述例子中也可以没有上层，而只是使用两层或多层来加快器件的反应时间。

此外，上述所有实施例中的上下层配向方向也都可以互换，并对系统做相应改变即可。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有设定的方位、以设定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述设定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。