面向全息視頻顯示的兩種新穎LCOS結(jié)構(gòu).pdf

1、全息視頻顯示是一種真三維顯示技術(shù)，被認(rèn)為是替代目前高清電視的未來產(chǎn)品。全息視頻顯示的核心器件是空間光調(diào)制器(SLM)，不同于目前的液晶高清電視，它至少需要具備2π的相位調(diào)制能力并且像素特征尺寸應(yīng)該與光波長尺度相當(dāng)。
　　目前被廣泛研究的SLM主要有聲光調(diào)制器(AOM)、數(shù)字微鏡裝置(DMD)以及硅基液晶(LCOS)。LCOS集成了現(xiàn)代平板顯示技術(shù)和CMOS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來全息顯示技術(shù)中一種可供選擇的器件。但是，雖然CMOS

2、技術(shù)已經(jīng)達(dá)到亞微米的尺度，目前市場上能夠購買到的可用于全息顯示的LCOS最小像素尺寸為6.4μm。造成這種問題的原因是:當(dāng)前的LCOS器件是利用液晶(LC)的光程差來達(dá)到2π相位調(diào)制的目的，不能隨像素尺寸的縮小而減小LC層厚度。如果將目前LCOS像素尺寸直接減小到理論要求的尺寸會(huì)明顯導(dǎo)致像素尺寸和LC層厚度的比例過小，使得LCOS中相鄰像素之間電場相互干擾產(chǎn)生邊緣場效應(yīng)，影響LCOS的相位調(diào)制能力并且降低LCOS的衍射效率，無法達(dá)到實(shí)用

3、的目的。
　　為了突破現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的局限，我們探討使用表面等離子體(SP)技術(shù)。SP(或者稱為表面等離子激元(SPP))是由金屬表面自由電子和光子的相互作用產(chǎn)生的沿著金屬—電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾姾擅芏炔?，是一種新型的光控制技術(shù)，具有近場增強(qiáng)，可調(diào)性，在亞波長尺度上對光的調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。SP的物理性質(zhì)可由麥克斯韋方程和相應(yīng)的公式來解析描述，也可以通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行計(jì)算，具有常規(guī)金屬或電介質(zhì)所無法實(shí)現(xiàn)的特性。
　　本文基于SP技術(shù)提出兩

4、種新穎的LCOS結(jié)構(gòu)，期望解決目前基于LCOS的全息視頻顯示所面臨的邊緣場效應(yīng)以及低衍射效率的問題，嘗試突破目前LCOS空間光調(diào)制器的瓶頸。論文主要包括以下幾方面的研究內(nèi)容和研究成果:
　　1)分析了目前用于全息視頻顯示的LCOS器件所面臨的問題，指出當(dāng)前用于全息視頻顯示的LCOS無法滿足寬視場需求。
　　2)針對目前LCOS器件的邊緣場效應(yīng)問題，提出基于表面等離子共振(SPR)的LCOS結(jié)構(gòu)模型。在傳統(tǒng)的Kretschma

5、nn結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，利用SP對周圍介質(zhì)敏感的特性，將LC作為調(diào)制折射率的電介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對光的調(diào)制。數(shù)值分析結(jié)果表明，基于SPR的LCOS結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)反射光的相位調(diào)制，減小使用的LC層厚度，從而減小邊緣場效應(yīng)的影響。
　　3)由于SP具有突破衍射極限的能力，研究了金屬—電介質(zhì)—金屬(MDM)，即縫隙表面等離子(GSP)的色散特性，提出在LCOS單元結(jié)構(gòu)中引入特異介質(zhì)表面(metasurface)結(jié)構(gòu)，利用TechWiz LCD仿真工具