專利名稱：一種電子全息顯示器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電子全息顯示器件。
背景技術(shù)：
顯示器的基本作用是把自然視覺空間或人工視覺信息準(zhǔn)確而舒適地傳遞給人。最理想的顯示器能夠使人們象直接觀看自然界那樣調(diào)動(dòng)人的全部視覺功能(如縱深知覺、輻輳、焦點(diǎn)調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)視差知覺)。現(xiàn)有的顯示技術(shù)無(wú)論多么精良，也只不過是將人們的視覺停留在平面的二維世界中，使得現(xiàn)有的顯示器所顯示的物像缺乏立體感和真實(shí)感；而現(xiàn)有的一種立體顯示技術(shù)采用雙眼視差原理使影像產(chǎn)生一定的立體感，但仍然不具有運(yùn)動(dòng)視差功能，因而引起人們視覺上的不自然感、失調(diào)感和疲勞，其原因是這些顯示方法均不含物體反射光線的相位信息。全息圖像包含了人們用肉眼觀察事物的全部信息，因而圖像能夠再現(xiàn)實(shí)物存在感與自然感。因此，最理想的滿足空間知覺的立體顯示方式是全息方式。目前，已經(jīng)有人提出了一種稱之為電子全息系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)圖像再生方案。
所謂“電子全息”是全息圖像的電子形式，它是全息技術(shù)和電子顯示技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。圖1是典型的電子全息顯示系統(tǒng)原理示意圖。其基本原理是首先利用計(jì)算機(jī)200存儲(chǔ)三維實(shí)物100的全息干涉圖像信息110，然后將計(jì)算機(jī)200所存儲(chǔ)的全息干涉圖像信息110以全息干涉圖像120形式呈現(xiàn)在電子全息顯示器300上，最后經(jīng)參考光400照射顯示器而形成三維全息圖像100’。在此過程中，電子全息顯示器300起著類似全息干版的作用，參考光在經(jīng)過電子全息顯示器調(diào)制后，在其前面或后面的空間內(nèi)形成三維全息圖像100’。與全息干版不同的是，電子全息顯示器可以實(shí)時(shí)改寫，則再現(xiàn)的三維全息圖像100’可以隨著電子全息顯示器所顯示的全息干涉圖像120的變化而實(shí)時(shí)變化。這種方法可實(shí)現(xiàn)三維全息實(shí)物圖像再現(xiàn)，存取/讀出時(shí)間短、存儲(chǔ)量大(僅取決于計(jì)算機(jī))，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，圖像處理和傳輸方便，存儲(chǔ)的信息易于長(zhǎng)期保存等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們希望顯示技術(shù)具有高臨場(chǎng)感、能夠達(dá)到直接觀察目標(biāo)的效果。電子全息因其既能顯示三維立體全息圖像，又可數(shù)字化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，因而是一種理想的顯示方法。
現(xiàn)有的電子全息顯示器主要有三種，即聲光調(diào)制器(AOM)(美國(guó)專利5,172,251 Threedimensional display system)、液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)(美國(guó)專利6,178,043 Multiviewthree-dimensional image display system)和數(shù)字微反射鏡器件(DMD)(美國(guó)專利6,646,773Digital micro-mirror holographic projection)。在基于AOM的全息顯示中，干涉條紋轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)傳給AOM調(diào)制一束激光。由于AOM帶寬的限制和機(jī)械掃描系統(tǒng)，使得成像分辨率低且刷新速度慢，并且只能顯示水平視差而無(wú)垂直視差。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，LCD和DMD的象素節(jié)距已經(jīng)減小到10微米(分辨率100條/毫米)左右。但由于LCD和DMD本身沒有存儲(chǔ)特性，顯示器件的驅(qū)動(dòng)需要在每個(gè)象素下制作有源的非線性元件(組)，而有源的非線性元件(組)受現(xiàn)有技術(shù)的限制難以進(jìn)一步減小體積，從而使得LCD和DMD無(wú)法進(jìn)一步提高分辨率，即不可能實(shí)現(xiàn)大于1000條/毫米的超高分辨率顯示。此外，液晶響應(yīng)速度慢，DMD微鏡的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)也較慢，使得二者作為高分辨顯示時(shí)刷新速度較慢。
總之，電子全息技術(shù)盡管已經(jīng)出現(xiàn)，但其技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，一個(gè)主要障礙就是現(xiàn)有全息顯示器件的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到描述全息條紋的要求。
為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的真實(shí)再現(xiàn)，理想的象素單元尺寸應(yīng)與可見光波長(zhǎng)相當(dāng)，才能分辨全息干涉條紋的特征尺寸。如前所述，現(xiàn)有的電子全息顯示技術(shù)均受到顯示器件極限分辨率的限制，距描述全息條紋的要求還有數(shù)量級(jí)的差別；并且圖像信息量也太龐大，因而需要開發(fā)新的技術(shù)以突破現(xiàn)有電子全息顯示器分辨率的障礙。要實(shí)現(xiàn)適用的電子全息成像，必需采用超高分辨(＝1000條/毫米)電子全息顯示器。

發(fā)明內(nèi)容
為了突破現(xiàn)有電子全息解決方案的分辨率極限，使全息顯示器的分辨率能夠匹配實(shí)際全息圖的干涉條紋，必需尋求一種新的、超高分辨率(＝1000條/毫米)的電子全息顯示器件，本發(fā)明的目的正在于此。
本發(fā)明所述技術(shù)方案是如圖2所示，一種電子全息顯示器件，包括基板310，下電極320，顯示材料340和上電極330，所述下電極320位于基板310的正上方和顯示材料340的正下方，所述顯示材料340的正上方是上電極330；所述下電極320和上電極330均為寬度一致且分布均勻的條狀電極，并且，下電極320和上電極330相互垂直，其特征是，所述顯示材料340為具有電光折變記憶效應(yīng)的納米鐵電材料，且在所需要的波段透明。
所述透明的納米鐵電薄膜材料可以是但不限于Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(PLZT)、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、K(Ta，Nb)O3(KTN)、BaTiO3、SrxBa1-xNb2O6(SBN)、Bi12SiO20(BSO)、(KxNa1-x)0.4(SryBa1-y)0.8Nb2O6(KNSBN)、Bi12GeO20(BGO)等材料及其變種中的一種或者是多種。
所述透明的納米鐵電薄膜材料其厚度可以是50～5000納米，其晶粒尺寸為5～300納米、電疇可控制在5～50納米范圍內(nèi)，以使得鐵電材料的光學(xué)性質(zhì)在納米尺度范圍內(nèi)可控，從而可以顯示精細(xì)的全息干涉條紋。
所述上下條狀電極(320，330)厚度可以是20～200納米，寬度為0.05微米到20微米，間隔0.05微米到20微米。
所述上電極330可以是ITO(摻銦的氧化錫)、SnO2、ZnO等透明導(dǎo)電薄膜材料；所述下電極320可以是SnO2、ZnO、ITO等透明導(dǎo)電材料，也可以是Pt、Au、Ti等不透明的金屬導(dǎo)電材料。
所述基板310可以是玻璃、石英玻璃、鋁酸鑭、氧化鎂等透明材料，也可以是硅片、絕緣體上的硅(SOI)等不透明材料。
需要說明的是，當(dāng)本發(fā)明所述的電子全息顯示器件做成透射式電子全息顯示器件時(shí)，所述基板310和下電極320必須是透明材料；當(dāng)本發(fā)明所述的電子全息顯示器件做成反射式電子全息顯示器件時(shí)，所述基板310可以是不透明的材料，下電極320可以是透明材料，也可以是不透明材料。
本發(fā)明所提出的一種電子全息顯示器件，其成像原理主要是利用了鐵電材料的電光效應(yīng)，通過在鐵電薄膜微區(qū)施加電場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)微區(qū)光的折射率(或透射率)調(diào)制，從而形成全息光干涉條紋。由于所采用的鐵電薄膜材料具有好的透明性和較顯著的電光效應(yīng)，通過控制鐵電薄膜材料的晶粒尺寸在5～300納米之間；所述鐵電薄膜材料上下方均有條狀電極(寬度為0.05微米到20微米，間隔0.05微米到20微米)以對(duì)其施加電場(chǎng)從而調(diào)制其折射率的空間分布，使得本發(fā)明所提出的一種電子全息顯示器件，其分辨率可以從50條/毫米到10000條/毫米，其能夠?qū)崿F(xiàn)超高分辨率顯示，主要是基于如下兩個(gè)原因其一，由于納米鐵電材料的電疇可控制在5～50納米范圍內(nèi)，只要電極條的加工精度能夠達(dá)到納米級(jí)，則用這種材料制作的電子全息電光顯示器件，其象素單元尺寸亦可為納米級(jí)。傳統(tǒng)的陶瓷或鐵電薄膜由平均尺寸為幾微米的無(wú)規(guī)則取向的顆粒組成。由于材料本身最小單元較大，即使用納米級(jí)的精細(xì)電極也不能在納米尺度范圍內(nèi)有效控制材料的電疇轉(zhuǎn)向，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)超高分辨率的電子全息成像。而對(duì)于納米鐵電薄膜，由于疇的尺寸在深亞微米(5～50納米)量級(jí)，因而能夠精確控制在納米尺度范圍內(nèi)的電疇轉(zhuǎn)向和折射率變化，從而可完全顯示微米至亞微米級(jí)的精細(xì)全息干涉條紋。
其二，除了基于納米鐵電電光材料電疇結(jié)構(gòu)尺寸更小之外，實(shí)現(xiàn)超高分辨率顯示還基于鐵電材料的另一個(gè)重要特性——記憶效應(yīng)。對(duì)于顯示應(yīng)用，通常希望有短時(shí)間的存儲(chǔ)，因?yàn)檫@樣就不需要對(duì)陣列的各個(gè)象素點(diǎn)施加維持電壓，從而不需要在每個(gè)象素點(diǎn)下制作額外的有源器件(組)。這樣不僅僅使工藝簡(jiǎn)單，更重要的是沒有額外元件占用空間，可以極大地提高象素密度，從而提高分辨率。而這正是LCD和DMD所不具備的。因此，利用納米鐵電薄膜，結(jié)合簡(jiǎn)單的矩陣電極結(jié)構(gòu)，所制作的全息顯示器件極限分辨率可達(dá)10,000條/毫米。
本發(fā)明所述的一種電子全息顯示器件，可以按照眾所周知的方法將各層依次進(jìn)行淀積、退火、光刻等處理，再加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和接口電路便可構(gòu)成記錄全息干涉條紋的超高分辨率電子全息顯示器。
本發(fā)明所述電子全息顯示器件的有益效果是1、可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率顯示，其分辨率最高可達(dá)10,000條/毫米；2、由于鐵電薄膜顯示材料本身具有記憶效應(yīng)，使得本發(fā)明所述的電子全息顯示器件無(wú)需在每個(gè)象素點(diǎn)下制作額外的有源器件(組)，這樣不僅僅可以極大地提高分辨率，還可以使得制備工藝大大簡(jiǎn)化，從而降低成本；3、響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)比液晶顯示器快，可以達(dá)到納秒量級(jí)，而普通液晶顯示器的響應(yīng)時(shí)間為微秒量級(jí)。


圖1是典型的電子全息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。它包括需要顯示的目標(biāo)100，這個(gè)目標(biāo)可以是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)際存在的物體，也可以是計(jì)算機(jī)虛擬的三維物體；記錄和控制三維目標(biāo)全息圖110的計(jì)算機(jī)200；與計(jì)算機(jī)相連的電子全息顯示器300，它將計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的全息信息以全息干涉條紋的形式顯示出來，以便在參考光400照射下顯示目標(biāo)的全息圖像100’。由于采用了電子全息顯示器，全息圖可以方便地改寫，從而能數(shù)字化實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示目標(biāo)的全息圖像。
圖2是本發(fā)明所述電子全息顯示器件結(jié)構(gòu)示意圖。其中，310為基板，320為下電極，340為納米鐵電薄膜顯示材料，330為上電極。從圖中可以看出，對(duì)于納米鐵電薄膜，由于疇的尺寸在深亞微米(5～50納米)量級(jí)，因而能夠精確控制在納米尺度范圍內(nèi)的電疇轉(zhuǎn)向和折射率變化，從而可完全顯示精細(xì)的全息干涉條紋。而普通鐵電陶瓷或薄膜因晶粒和電疇結(jié)構(gòu)尺寸較大，不能在納米尺度范圍內(nèi)有效控制材料的電疇轉(zhuǎn)向，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)超高分辨率的電子全息成像。
圖3為本發(fā)明所述的一種透射式電子全息顯示器件工作示意圖。圖中100’為三維全息圖像，110為計(jì)算機(jī)200所存儲(chǔ)的全息干涉圖像信息。300為電子全息顯示器件，它包括基板310，下電極320，納米鐵電薄膜340和上電極330。400為參考光，500為觀察者或圖像記錄裝置。參考光400通過電子全息顯示器件300時(shí)，通過調(diào)整加在鐵電薄膜340上的電場(chǎng)控制電子全息顯示器件光折射率的空間分布，進(jìn)而控制光的相位，而使三維全息圖像100’在空間中顯現(xiàn)出來。由于全息干涉圖像信息可以由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)改寫，因而可以顯示動(dòng)態(tài)的三維全息圖像；又由于本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率全息圖顯示，因而再現(xiàn)的全息圖像具有高臨場(chǎng)感。
圖4為本發(fā)明所述的一種反射式電子全息顯示器件工作示意圖。圖中100’為三維全息圖像，110為計(jì)算機(jī)200所存儲(chǔ)的全息干涉圖像信息。300為電子全息顯示器件，它包括基板310，下電極320，納米鐵電薄膜340和上電極330。400為參考光，500為觀察者或圖像記錄裝置。參考光400通過電子全息顯示器件300時(shí)，通過調(diào)整加在鐵電薄膜340上的電場(chǎng)控制電子全息顯示器件光折射率的空間分布，進(jìn)而控制光的相位，而使三維全息圖像100’在空間中顯現(xiàn)出來。由于全息干涉圖像信息可以由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)改寫，因而可以顯示動(dòng)態(tài)的三維全息圖像；又由于本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率全息圖顯示，因而再現(xiàn)的全息圖像具有高臨場(chǎng)感。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一透射式超高分辨電子全息顯示器件圖3是按照本發(fā)明技術(shù)方案所制作的透射式電子全息顯示器件示意圖。在熔石英襯底310上濺射沉積100納米厚的ITO膜并刻成寬0.8微米，間距0.2微米的條狀圖形作為下電極320。然后在其上制備500納米厚、平均晶粒尺寸為60納米的納米PLZT(摻鑭的鋯鈦酸鉛)薄膜340。最后沉積透明ITO薄膜并刻蝕成寬0.8微米，間距0.2微米的上電極330。這就構(gòu)成了一個(gè)透射式電子全息顯示器件300。通過計(jì)算機(jī)接口和驅(qū)動(dòng)電路控制該全息顯示器件上各象素點(diǎn)的電壓便可控制所在位置的光折射率，從而使該全息元件能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)所需要的全息圖。用參考光照射該透射式超高分辨電子全息元件便從另一側(cè)再現(xiàn)真實(shí)的三維全息圖像100’。該電子全息顯示器件的分辨率可達(dá)1000條/毫米。
具體實(shí)施方式
二反射式超高分辨電子全息顯示器件圖4是按照本發(fā)明技術(shù)方案所制作的反射式電子全息顯示器件示意圖。硅襯底310熱氧化后濺射沉積50納米厚的Pt/Ti膜并刻成寬0.8微米，間距0.2微米的條狀圖形作為行電極320。然后在其上制備600納米厚、平均晶粒尺寸為80納米的納米SBN(鈮酸鍶鋇)薄膜340。最后沉積透明ITO薄膜并刻蝕成寬0.8微米，間距0.2微米的列電極330。這就構(gòu)成了一個(gè)反射式超高分辨(1000條/毫米)電子全息元件300。通過計(jì)算機(jī)接口和驅(qū)動(dòng)電路控制該全息元件上各象素點(diǎn)的電壓便可調(diào)制所在位置的光折射率，從而使該全息元件能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)所需要的全息圖。用參考光照射該反射式超高分辨電子全息元件便從參考光的同一側(cè)再現(xiàn)真實(shí)的三維全息圖像100’。該電子全息顯示器件的分辨率可達(dá)1000條/毫米。
權(quán)利要求
1.一種電子全息顯示器件，包括基板(310)，下電極(320)，顯示材料(340)和上電極(330)。其特征是，所述顯示材料(340)為透明的納米鐵電薄膜材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子全息顯示器，所述的鐵電材料是具有電光折變記憶效應(yīng)的，且在所需要的波段透明。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種電子全息顯示器，其特征是，所述透明的納米鐵電薄膜材料可以是但不限于Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(PLZT)、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、K(Ta，Nb)O3(KTN)、BaTiO3、SrxBa1-xNb2O6(SBN)、Bi12SiO20(BSO)、(KxNa1-x)0.4(SryBa1-y)0.8Nb2O6(KNSBN)、Bi12GeO20(BGO)等材料及其變種中的一種或者是多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電子全息顯示器，其特征是，所述透明的納米鐵電薄膜材料其厚度可以是50～5000納米，其晶粒尺寸為5～300納米、電疇可控制在5～50納米范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子全息顯示器，其特征是，所述上下條狀電極(320，330)厚度可以是20～200納米，寬度為0.05微米到20微米，間隔0.05微米到20微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的一種電子全息顯示器，其特征是，所述上電極330可以是ITO、SnO2、ZnO等透明導(dǎo)電薄膜材料；所述下電極320可以是SnO2、ZnO、ITO等透明導(dǎo)電材料，也可以是Pt、Au、Ti等不透明的金屬導(dǎo)電材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子全息顯示器，其特征是，所述基板310可以是玻璃、石英玻璃、鋁酸鑭、氧化鎂等透明材料，也可以是硅片、絕緣體上的硅(SOI)等不透明材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包括基板、底電極、顯示材料和上電極等四層結(jié)構(gòu)的電子全息顯示器件，其特征是，所述顯示材料為透明的納米鐵電電光折變記憶材料。所述的器件其優(yōu)點(diǎn)為可以實(shí)現(xiàn)超高分辨率，其最高分辨率可達(dá)10000條/毫米。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)納米尺度范圍內(nèi)的電光調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)超高分辨率的電子全息干涉條紋。本發(fā)明的實(shí)施可用于全息電視、全息電影、科學(xué)研究、國(guó)防等三維動(dòng)態(tài)全息顯示。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1728016SQ200510021290
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者楊傳仁, 張繼華 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)