TW200947167A - Spatial light modulator using electrowetting cells - Google Patents

Description

200947167 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係關於一種空間光調變器以及包含此空間光調變器之 k 裝置’特別是全像顯示裝置。 ❹ 【先前技術】 空間光調變器（SLM)可由先前技術中得知。有各式各樣的 SLM’以各種不同的物理原理為基礎。SLM為光學元件，可將一入 射光場調變於一空間圖形中以對應一電或光訊號而反射或傳遞 和像或產生全像重建。slm —般包含一個一維或二維的可定址元 素（像素）的陣列，其可以傳遞或反射入射光場。較完整的例子 為液晶（LC)基調變器，其中使用電壓誘導雙折射調變一入射光 Q 場的振幅或相位。SLM幾乎使用於所有光學科技以及使用可變或 可調整光學組件之光資訊處理的領域中。SLM的應用範圍由顯示 #投料統延伸微鮮、光束和波前之娜、光學計量、無 光罩微影、校正行星望遠鏡中球面像差之超快速雷射脈衝調變。 先則技術中已知各種的SU，例如電定址SLM (EASLM)、光 定址SLM (GASLM)以及磁光SLM⑽Μ )。 SLM可能包含像素的陣列。像素一詞是由「圖象元素」而來， 故係為-與數位成像有_雕。在Μ的背景知識中，「像素」 3 200947167 疋控制可被觀察者看到的影像圖像元素之顯示的硬體元件，被觀 察者所見的影像可為三維景象的全像呈現。 〇 ❹ 先前技術之SLM具有各種缺點。多數今日可取得之液晶基 SLM其更新率在60-120HZ，對應反應時間大於8毫秒，如此之轉 換速率對射顧而言已經足夠。然而許多細需要更快的轉 換’亦即更高的畫面轉換率’尤其是涉及時間多工方法的應用 中。時間多工可能的應料呈現不同資訊至不鴨看者的顯示 器。此種顯示器將光重新導向不同觀察者並且同時改變指定給各 個觀察者的顯示内容。只要每個鱗者的更新率約大於隨z，亦 即反應時間低於17ms，觀察者並不會察知所顯示影像的任何閃 爍。可能之應關子為車用顯示，其中駕駿希望看到導航系統而 另一乘客希望看電影。另-個例子為3D自動立咖示器，其中 母個觀看者都希·仙自己峨點_ 3D景象。 本案之-目的係在空財調變光場的振幅或她，或其振幅 =及相位’其_值之時_變相較於IX細是較為快速 ，敕振幅-齡整鑛應域㈣⑴是可縦的， Ϊ整個對麟（G物）㈣麵，峨麟率在幾百赫 =千赫兹之間，亦即反應時間5毫秒或更少 等於100微秒。本案之另一目的版大於次 別僮去Μ ΑΑ & 4 在藉由平面一維或二維陣列之個 位間獅_雑__@嶋她幅或/及相 200947167 熟習此技藝者可察知符合本發明之SLM可用於所有使用syf 的已知應甩。此處描述之SLM應用並不侷限於全像顯示器，全像 顯示器為此處描述SLM之較佳應用。熟習此技藝者可察知此處所 述之SLM可用於全像顯示的任何已知形式。然而，應用者產生電 " 腦產生視訊全像的較佳方法將在以下描述。 電腦產生之視訊全像（CGHs)編碼於-個或多個空間光調變 器（SLM)中；空f曰1光調變器包含可電控制或光控制單元。此單元 〇 _編賴應於視齡像的全練之方式峨光的振幅及/或相 位。CGH可能經由如關光魏、賴録象反射光和參考波所 產生的干涉、或由傅利葉或費涅爾轉換之方式計算；CGH計算方 法描述於US2006/055994和US2006/139710中，其整合入參考資 料中。-個理想的SLM可以表示任意複數值，也就是說，可以分 開控制人射光的振幅和相位。脑，典㈣SLM只能控制振幅或 〇 相位其中一雛質，且會產生影響其他性質的副作用。有數種已 知的方法可以調變光的振幅和相位，如電定址液晶腿、光定址 液日日SLM (0ASLM)、微鏡元件、或聲光調變器。光調變可為空間 連續或含有獨立可定址單元、一維或二維排列陣列、二元、多階 或連續之組成。 在本文件中’「編碼」一詞表示一種方式，以控制值提供空 間光調變器的區域以編碼全像因而犯景象可以由SLM所重建。 相對於單純自動立體顯示器，藉由視訊全像一觀察者可以看 200947167 見三維景象之光波的光學重建。三維景象是重建在延伸於觀察者 眼睛和SLM之間的空間中，或甚至在觀察者眼睛和SLM與觀察者 對侧的空間之間。SLM也可以視訊全像編碼，如此觀察者可以在 SLM前看到三維景象的物體並在SLM上或後方看到其他物體。 ' SLM的單元可為可被光線通過的可穿透單元，其光線可至少 ' 產生干涉於一定位置且可產生干涉於數公釐或更長之同調長 度。這會讓全像重建光至少在一個維度具有合適的解析度。此種 © *稱為「足夠同調光」。，然而’也可為可運作於反射式幾何的單 元。 為了確保足夠的時間同調，由光源所發射的光譜必須限制於 適當窄的波長範圍’即是，必須是接近單色的。高亮度LEDs的 光譜頻寬夠窄’可以確保全像重建之時間同調。SLM之繞射角和 波長成正比，這表示只有單色光源會導致物體點之銳利的重建。 放大的光譜會造成放大的物體點及模糊的物體重建。雷射光源的 ® 光譜可以視鱗色。單色LED的光譜線倾f並可峨成良好重 建。 空間同調與光源的橫向範圍有關。若習用光源如LEDs或冷 陰極螢光燈（CCFLs)之發射光通過合適的窄孔徑，也可以滿足 這些需求。雷射光可視為從點光源在繞射限制中散發出的光，並 且依模組的單純度而定，可產生物體的銳利重建，在繞射限制中 每個物體點可以重建為一個點。 200947167 空_調光_光是橫向延伸的並且會造成模糊的重建物 體。模糊的量是由重建在給定位置之物體點的放大尺寸所決定。 對於全像重建，為了使輕間不同調光源，必須找出亮度和孔徑 光源的橫向範圍限制之間的取捨關係，光源越小，其空間同調越 -好0 ' 抑直於其直向延伸看去’線絲也可以視為點光源。因此 光波可以在該方向同調傳播，但在其他方向為不同調。 ❹ —般上’―全像藉由在水平方向及垂直方向波_調重疊而 全像重建一景象。如此之視訊全像稱為全視差全像。重建物體可 以在平行和垂直方向以動態視差看到，如同真實物體一般。然 而，大視角需要SLM在平行方向和垂直方向都有高解析度。 通吊SLM的需求可被僅水平像差（㈣）全像之限制所減低。 全像重建只發生在水平方向，此時在垂直方向沒有全像重建。這 造成-健有水平祕減的重祕體。在垂直職的透視並不 ❹ 改變。ΗΡ0全像相較於全視差全像而言，在垂直方向.僅需較 低解析度。僅垂直視差（VP0)全像也是有可能的但是並不常見。 全像重建僅在垂直方向發生並且造成具有垂直動態視差的重建 物體。在水平方向並沒有動態視差。左眼和右眼之透視必須分開 創造。 在本案的一些實施例中有使用電濕潤單元。「電濕潤」一詞 最早使用於1981年；電濕潤被使用於G. Benis Hackw(x)d， 200947167 ΑΡΡ1· Phys· Lett 38, 4, ρρ.207·209 (1981).賴職縣本定義為「由 於固體和電解質間所施加的電位差造成固體電解質接觸角的改 變」。自此以電關為基礎的元件Α量被設計出來。電濕潤的現 象可以由施加電場所造成的力來了解。電解滴角落的邊緣電 • 場傾向將液滴拉下至電極，降低巨觀的接觸角，並且增加液滴的 〜 接觸面積。另外電_也可從熱力學觀點來看。由於介面的表面 張力定義為触該表賴定面積所需的吉布斯自由能，其包含化 〇 學和電學的部分。化學部分僅為固體/電解質間的自然表面張力 而沒有電場。電學部分為儲存於導體和電解質間所形成電容中之 能量。本案中電濕潤單元一詞尤指用於改變波場振幅及/或相位 的單一光學元件。電濕潤單元包含具有單元壁之一腔室，填充至 少兩種不_非可溶混流體或液體，尤指導電極性流體或液體， 例如水，以及絕緣非導電流體或液體，如油。流體可為液體或氣 體。一般來說，流體是物質相的一個子集合，包含液體、（飽和 的）氣體、電漿、某種程度亦包含塑料固體。「電濕潤」一詞在 本文之中也被了解為「介電質上的電濕潤」 (electrowetting-on-dielectrics) (EW0D)。 中請人所提出的WO 2〇〇4/〇44659叩2〇0(3/0〇55994)，描述一 種用於藉由足夠同調光繞射的方式重建三維景象的裝置。此裝置 包含一點光源或線光源、一聚焦透鏡、以及一空間光調變器。相 較於習用的全像顯示器，SLM於傳送模式重建三維景象於至少一 200947167 「虛擬觀察者視窗」（此詞及相關技術的討論見附錄一、附錄 一）。每個觀察者視窗接近於觀察者眼睛且尺寸有所限制，使得 每個眼睛可以在平截體形的重建空間中看到完整的三維重建景 象，該重建空間之範圍延伸於SLM表面和虛擬觀察者視窗間。為 了使全像重建不受干擾，虛擬觀察者視窗的尺寸一定不能超過重 〇 建的一個繞射級之週期區間。然而其至少也要夠大以使得觀察著 可以通過視窗看到整個三維景象重建。另—個眼睛可以通過相同 的觀察者視窗而視，或分配一第二虛擬觀察者視窗，其由第二光 騎創造。此處’可見區域（亦即黯者可_正確重建的位置 範圍）較大，限制於局部放置的虛擬觀察者視窗。已知的解決方 法用-種小财式线由㈣SLM表面之高解析度所造成的大面 積’將其尺寸減少至虛擬觀察者視窗大小。如此可以使繞射角（由 於幾何原因故非常小）和目前SLMS _斤度使用合理的、消費 者等級的tt算設備就摘達請壯像重建4產生三維影像的 一種行動電話揭示於__223_。然而，__223_ 情揭不的三_像是用自動立體方式所產^自動立體產生之 一維王像所面臨的個問題麵—般觀看者相的影像係在顯 不器中’峨看者的眼睛會傾向於雜在的表面上。在藉 ^像方式產生的三料彡像之情财，關财會發生或可 降低。 200947167 【發明内容】 根據本發明，SLM包含複數個像素 — 穿過像素的光獅储單元所^=素而= 的光場相位係藉由一電测單元所調變。 戈穿過像素 在SLM之一較佳實施例中，牿丨

第一實質翻基板、-像素分離側牆、至少二可溶混液體， Γ液體細_細_•嶋、爾性或具極 2液體、以及-第二實質透板，而其中通過電制單元的 先量係㈣施加至可導紐或具極性之液體的龍所控制。雖缺 已提過電测單元包含至少二可溶混液體，但一般說來，也略 用可溶混流體取代電濕潤單元之一液體。 較佳情況下，每㈣制單元包含_—實質翻電極和一 疏水性隔離層之-第-實質透板、—像素分離側牆、一第一 不透明或具魏性之液體、以及H導電性或具極性之液 體，其中此兩液體為可溶混的、以及—第二實質透明基板，而其 中通過電濕潤單元的光量係經由施加至可導電性或具極性之液 體的電壓所控制。 可導電或具極性之液體和第一實質透明基板的接觸角經由 施加不同電壓可為連續可變而於單元中達成連續可變之吸收。 第二基板的上表面可鍍有一不透光層，其展現一本質上居中 放置之光傳送開口。 200947167 較佳情況下’若在電極和反電極_加-錢或交流電源， 則電濕潤單元係在開啟⑽）祕，而導電性或極性液體由於靜 電力而被疏水性絕緣層所吸引，而將不透明或具吸收性之液體移 位’該液體置於第-實質透明基板的中央點附近，若不施加電 • 壓，則單元位於關閉（OFF)狀態。 ， 在一實施例中，不透明或吸收性液體可以置於電濕潤單元之 邊緣並經由適當的裝置而維持在此位置，故若無施加電壓下，不 Ο 透明或吸收性液體會延展於基底區域；一小分離環位在單元之中 央’其確健導電或雛紐永久翻岭單元轉為開啟時不透 明或吸收性液體會在各方向均勻延展。 在SLM之較佳實施例中，尤其對於調變光場相位而言，每個電濕 潤單元包含至少三個非可溶混液體並具至少兩個可變調整的光學 介面，其中至少兩個液體展現不同之光學性質。三個液體層中間 之液體層可以形成一傾斜之實質平面平板，其可操作於相位調變 ❹ 之較南極。 三個液體層中間之液體層可以形成一傾斜之實質平面平板， 而第二電濕潤單元放置於第一單元之後，若需要則可以補償穿過 第一電濕潤單元光束之橫向補償（offset)。 三個液體層中間之液體層可以形成一傾斜之實質平面平板， 而一固定稜鏡放置於電濕潤單元之出口侧，若需要則可以補償穿 過第一電濕潤單元光束之橫向補償（offset)。 11 200947167 二舰體層巾間之㈣層可鄉成—傾斜之實質平面平板， 而-固定稜鏡放置於電濕潤單元之入口侧，若需要則可以補償穿 過第一電濕潤單元光束之橫向補償（〇ffset)e 二餘體層巾間之紐層可以形成_傾斜之實質平面平板， 而-孔徑放置於電綱單元光束出口側的中央位置，若必要則可 . 以防止穿過電濕潤單元光束之橫向補償。 本案另一實施例中，對每個像素而言，光場調變於複數基底， 〇 對每個像素使用兩電濕潤單元串連，該兩電濕潤單元可容許複數 之振幅和她_立_ i單元可足夠接近使縣制之交互 干擾（cross-talk)為零或保持於可接受之程度。 複數個像素可以線性陣列或矩陣形式排列。 穿過每個像素之光場振幅可以少於或等於5 ms及/或大於或 專於100微秒之切換時間調變。Sjj可操作在一般之切換頻率，最 ◎ 好操作於15 Hz JL奸Hz。此外，SLM可操作⑽龍定狀態於 依預定時間週期。 電濕潤單元可放置於聚焦元件的焦點附近。電濕潤單元之尺 寸可小於或非常小於聚焦元件之尺寸。 穿過電濕潤單元的光可以球形或圓柱形向外波前穿過，由至 上一光束形成裝置分配至電濕潤單元所致。

調變光可為可見光及/或近紅外光及/或近紫外光。SLM可用作 軍事用途’尤其於雷射雷達系統。SLM可用於形成一第二光源。SLM 12 200947167 可用於ι成具有可變振巾自之—第二光源陣$卜或者，可用於形 成具有可變相位之一第二光源陣列。SLM可用於穿透或反射幾何。 SLM可用於3D顯示。SLM可用於全像顯示或立體顯示或自動 立體顯示中。可用一或二個虛擬觀察者視窗於一或多個觀察者之 • 眼睛。 • SLM可用於二維振幅調變顯示器。 根據本發明之一方面，一裝置包含如申請專利範圍第^項至 ® 第31項任一項之SLM，其中該裝置為一相位及/或振幅調變裝置或 該裝置為一複合光波調變裝置。 根據本發明之一方面，一顯示裝置包含如申請專利範圍第1 項至第31項任一項之slm。該顯示裝置可具有至幾百萬個像素。 該顯示裝置可含有一擴散箔。 顯示裝置可為一二維相位調變顯示裝置或一立體顯示裝置。或 ^ 者’顯示裝置可為一全像顯示裝置。全像顯示裝置最好對於觀察 者的眼睛使用虛擬觀察者視窗。 根據本發明之一方面，依方法使用申請專利範圍第33到37 項之顯示裝置，顯示裝置包含一光源以及照射SLM之一光學系統; 該方法包含以下步驟： 對每個像素而言，使用一電濕潤單元調變穿過每個像素的光 場振幅相位及/或使用一電濕潤單元調變穿過每個像素的光場相 位。 13 200947167 【實施方式】 各種實施方式將描述如下。 * A、用於調變光場振幅之SLM及顯示裝置，其使用電濕潤單元。 • 此實施例是關於一 SLM，尤指一 SLM包含複數個像素M，其 中對每個像素而言，穿過像素的光場振幅係藉由一電濕潤單元所 © 調變。此SLM可用於產生所望之視訊全像。 此實施例是關於一 SLM，尤指一 SLM適合於顯示動態電腦產 生王像其中光~振幅係空間調變。此實施例亦關於根據此實施 例整合一 SLM之一主動矩陣顯示裝置，尤其關於一電濕潤顯示裝 置。其更關於一可轉換光源及光源陣列，具有可個別調控之強 度，整合本實施例之SLM。 本案之一目的在於使用電濕潤原理提供快或很快的光場調 ❹ 變’以及對應的顯示裝置。然而，SLM也可以操作於一般轉換頻 率。 ’ 每個電濕潤單元包含鍍有一實質透明電極和一疏水性隔離 層之一第一實質透明基板、一像素分離侧牆、至少二可溶混液 體’其中之一液體係不透明或具吸收性者而另一液體係可導電性 或具極性之液體、以及一第二實質透明基板，而其中通過電濕潤 單元的光量係經由施加至可導電性或具極性之液體的電壓所控 200947167 根據第一實施例，SLM星古4·旦 . Μ/、有大量電濕潤單元。在一較佳實施 例中，每個單元包含以下： 鍵有一實質透明電極和—疏水性隔離層之〆第一實質透明 * 基板； ' 一像素分離側牆； 帛不透明或具吸錄液舰及-第二可導電性或具極 〇 性之液體，其中兩液體為非可溶混者； 一第-實質透明基板，可選鑛—實f光吸收層，其具有置中 之透明孔徑， 其中電濕群元位於聚焦元件之糕位置附近，且其中通過 電廣潤單元的光量是由施加於帛二_的電麟㈣，使得該第 不透明液體之接觸角改變，因而調控該可溶混液體間介面形 ❹ ’結果’更多或更少的光被不透明液體所吸收。電濕潤單元比 聚焦7〇件小很多，電壓為直接施加，例如由一可控制的電位差 源’如同在電定址SLM中。導電或極性液體和第一實質透明基板 之接觸角可由施加不同電壓而連續改變，因而達成單元中連續可 變之吸收。根據本實施方式之顯示裝置包含一光源、該電濕潤單 疋、以及一第二聚焦元件。此顯示器之最小像素間距由光聚焦元 件的尺寸所決定。 根據第二實施例，一可轉換點源或點源陣列具有一個或多個 15 200947167 電濕潤單元。根據本實翻—可轉 源、一聚焦元件、以及該電濕潤單元點源或點源陣列包含一光 「不透明」、「吸收性」、「透明 質，亦即與物輻_波長域，讀長棚的材料性 ί施例之調的輔助而。本實^飾射之振幅經由根據本 光的光誠圍，但包麵㈣絲觸科錄於可見 能在近紅外線，如雷射雷達系統。錢外線。例如’軍事用途可 Ο 〇 本實施例將藉由特例之輔卿如 與:r焦·合，振幅調變_= 叮以用於顯41，_是全像 第二光源或具有可變振㈣f 置。也可用這些SLM形成 的背光單元（BuT 裝置 中卜電濕潤單元的第—例子。其包含密封的中空體， ===兩可溶混液體。其中一液體為透光、極性且導電 或極性或導由先前技術可知此液體可為水添加鹽， 體。第Γ 他可嶋树册轉電之液 混人物。α㈣ 物質例如油、舰類或燒煙類 «械純 有_或概的密度，⑽止由於重力 或機械震動造成之形狀偏差。 改變光吸收性液體之形狀可關用電濕潤原理之特殊方 16 200947167 心喊紐的秘射騎_、或部分歧部賴。本實施例 之電濕潤單元包含-透明基板（如破璃或塑膠），其上施加一薄 電極膜（如氧化錮踢⑽）層，約5〇_1〇〇围厚），其為透明且 導電者。ITG_T齡賴財讀施。織使關如浸錄和 .的方式將約—厚、疏水性介電絕緣層施加於電極薄膜。 -此絕緣薄膜可用非均質含氟聚合物（例如Tefl〇n)溶於氣化物溶 液之方式製作。-外加的居中裝置可位科元之中央例如一親 〇 水點’其可使油性㈣轉在較餘置。單元_牆可用將石夕塑 形方式製作’例如-般使雜刻製程，如反應離子侧（RIE) 或電賴刻（ICP)。另外，可以使用光構型方法，而側牆可用光 阻完成。在使用石夕牆的情況中，其直接構成反電極；若使用光阻 赌，其可額外鑛-導電材料或電供應線直接終止水性液體的體積 中。更薄之覆蓋基板將單元密封。 根據電制單it之雛實關，覆蓋基板的上表面錢有不透 ❹光、最好具吸收性之層，其展現置中之光穿透開口（針孔孔徑）。 此孔徑造成一空間濾波並表示可調整強度之第二光源。在此實施 例中，光穿過電濕潤單元，具球面或圓柱面向外波前，其中單元 位於焦點或光束或而斯光束的光腰附近。若在電極和反電極間施 加一直流或交流電壓，則單元位在開啟狀態，如圖la所示。在 此狀態中’導電或極性液體或水性液體因靜電類而被吸附至厭水 絕緣層’而移去位在中央點附近之不透明或吸收性或油性液滴。 17 200947167 結果，大部分的光穿過單元。藉由施加不同的電壓，水接觸角可 連續改變’因而於單元中達到連可變魏，造成振幅A之光通過 電濕們單元，如圖lc所示。如圖lb所示，若未施加電壓，則單 兀位於關閉狀態。由於介電基底基板之疏水性賴，油滴在整個 基底區域延减至少在其A部分區舰展。在關狀態時入射至 單摘光全部被吸收。圖5說明電濕潤單元之第二例。相較於圖 之第例，不透明或吸收性液體或油性液體是位於電濕潤單元 〇 ㈣緣且以合適的裝置轉在驗佳位置。絲施加電壓，則油 性液體在整絲底輯延展。最好可喊置—個小分離環於單元 中央’其可確做水性雜可永久接_當單元祖時油可以往 所有方向均皱展。電細單元域的其侧子對習知此技藝者 為顯而易知的。 、圖2根獅示裝置之第—實侧，顯示賴潤單元與兩收敛 或聚焦7L件組合使用。此三元件之組合表示顯示器之—像素。最 小像素間距由聚焦元件之尺寸決定。電测（EW)單元相較於聚 焦轉之橫向尺寸是很小或非t小的，此可以達成非錢之轉換 時間’因為雜之紐體雜袖移動之麟也很小。典型的轉 換時間位在1GG微秒-5GG毫秒間，但與單元尺寸很有關。單元位 在第-聚焦元件的焦點附近或光源的中間影像之附近。最好選擇 可使得電测單元之出π光曈與巾間聚焦點重疊之位置。由於在 電濕潤單元之折射造成之中央焦點的軸向移動最好納入考量。電 200947167 濕潤單元之出口光曈代表第二光源，其透過第二光學元件成像至 所望位置。圖2顯示一折射微透鏡其再度將光準直。另外，第二 光學件可具有發散效果或放置於與中間焦點之非共焦點位 置。顯示之光學元件的效應可以為折射也可為折射和繞射。圖2 的兩個子圖說明一像素之開啟及關閉狀態。此圖或其他圖中只顯 不一個像素，然熟知此技藝者可知真實的顯示裝置可具任何數量 〇 的像素，可達數百萬像素或更多。可看到圖2和圖3中之單一像 素並未包含尺度。圖2中像素的一邊之長度約等於右侧透鏡直徑 之尺寸。 圖3為顯示器裝置之第二實施例，顯示電濕醉元與一收敛 或_元件及-擴賴德合制。料紐—步之絲，且若 擴散落要用作照明顯示表面，則此排列為較佳。圖3的兩子圖說 明像素在開啟和_之H此處只顯*—個像素，然熟知片技 0 藝者可知真實_稍置可具任何數量的騎，可達數百萬像素 或更多。 圖4說明電綱單元之各種例子^電濕潤單元的孔徑可具各 種形式’較佳的例子為圓形孔徑，如上述，當光通過此開口時， ’、可域赫之第—波。較侧子為挾縫錄，當光通過此 開口時，其可形成圓柱形之第二波。在後面的例子， 電濕潤單元 具有一長方形基底，其中吸收性液體以直線方式排列。 根據-較佳排列，多個像素以直線陣列或矩陣方式排列。個 200947167 :=:Γ制。由於其小尺寸’其可以快速或非常快速的轉 排列在顯示應用中較佳。可使用時間多工方法在 ,、，、員不器上藉由主色紅、綠、藍一個接一個的切換而呈現色彩内 谷。色彩混和可以藉脈衝寬度調變的方式達成，根據此實施例， 其可在光源、軸示像素之途巾、或直接於電_單元中達成。 後者可以藉錢變單元在開啟或關___來達成。缺而， 也可能以個別單元顯示主色。 本實施例之另-例子是可變絲或可縣轉列。此處 光源最好具有點或線光源的形式。「可變」—詞此處是描述各別 光源的可變酸。如圖4所示之排財絲產生具有可變振幅的 球面或圓柱面第二波。彳變或可切換光源對於如全像顯示器、振 幅調變顯示器、或光學測量儀器之應用中具有意義。 電濕潤單it的-個優點是移動部分為液體。沒有移動固體部 刀者與移動固體部分與其他固體接觸之裝置相較之下，可減少裝 置的磨耗’其中裝置磨耗會減少裝置之壽命及長時間效能的一致 性0 習知此技藝者可知振幅調變可以實施於像素與像素之基礎 上且一顯示器可忐含有幾百萬個像素或更多。振幅空間調變器可 用於3D顯示器，如全像顯示器，尤其是觀看者透過虛擬觀察者 視窗觀看全像重建之全像顯示器。一個或兩個虛擬觀察者視窗提 供每個或更多個觀察者之眼睛使用。上述振幅空間調變器也可用 20 200947167 於二維振幅調變顯示或其他使用振幅調變SLM之應用。上述振中s 空間調變器可用於穿透或反射式幾何。 B、用於成像裝置和全像顯示器之振幅調變裝置 此目k為實現可用於二維和三維顯示器之振幅調變裝置。二 • 維顯示包含全像顯示器，尤其是使用申請者之較佳全像方法之全 -像顯示器，如 US2006/055994, US2006/139711，and in US2_/13971G所述，其整合於參考雜。像素的快速調變可以 ❹ 魏如時間多工觀看視窗的技術或藉由稀疏物體重建減少交互 干擾（cross talk)。稀疏物體重建表示全部物體點之格子只有 一部分重建於給定的框架中，因此相鄰物體點間交互干擾的量可 喊少。例如’若僅X和γ方向的每個第二物體點重建於一框架 (frame)巾，職要四健絲重建所有物體點。這是需要較 快速SLM像素之理由。例如，若只分別於χ和γ方向重建四個物 體點，則十六個此稀疏重建的框架就可以重建所有物體點。 LM之反應咖應該要快且所重建（細示）物體點之強度值 ^數字要约高’以提供觀看者可接受品質之影像。然而脳也可 操作於更*用的切換頻率。SLM可含有振幅調變像素相位調變像 素或複數值產生之像素。 一個方案是制麵浮耻_為_元件，其巾舰晶填 滿表面光柵結構的溝槽。符合此情況之折射率，其中& = ’此裝置會作為一平板，亦即平面波會穿透此裝置而不會 21 200947167 有任何傳遞方向之改變。換句話說，此狀況下平面波不會遇到似 光栅之結構。 糾加m人射級面_減之折射率ι^會改變。 電極可做成透明的，例如wrQ。在折雜合巾，電壓的連續改 變會造成焦點的連續偏移。在繞射組合巾，的連續改變會造 ' 纟光栅繞射效率的連續改變。因此雙表面频細可實現一固定 焦、黑占’以不同強度值由初始強度之0_100%。沒有繞射的部分將以 〇 平面波通過此元件。未繞射波顯示棚6巾難出口方向直向傳 播之虛線表示。 圖6中，在表面浮刻光栅中的液晶之可控制折射率在固定焦 點造成可控制的強度。繞射光部分（圖6中裝置出口之虛線）取 決於繞射結構的繞射效率。此繞射效率由給定的調變△响= %c(U)-nsubstrate之改變而改變。圖6中，梯度不連續出現在液晶區 域和主材料之邊界。 〇 若AS放置於可變透鏡後方，則在AS後方傳遞之強度是由所 施加之電壓馳制。在繞射透鏡的情況下沾放置關定焦點平 面，與透鏡或光調變元件距離焦距f。其顯示於圖7A。為了得到 準直平面波’將第二透鏡加入圖之排列中，達到圖π中之組 合。若AS之内部面積過大，則一大部分的未繞射光仍會在AS後 方傳遞。因而對調變器之特定應用而言所實現的對比可能太低。 此問題可藉由放置一球面透鏡或球形透鏡於AS中，如圖兀所 22 200947167 不。如圖7C所示’由可變透鏡㈣、的光會通過小球而不會改變。 進入圓球的平面波將崎強的發散離_球，如7 透鏡之強發縣_。這表科人AS ?親的平面_分會散 佈開。因此不要的光的部分可以明顯減少。 Ο Ο 使用含有填滿液晶之表面浮刻光桃之裝置的好處是可實現 小於5肥之快速切換時間，在較佳的狀況中小於2ms，而若使用 液晶-般仍大於⑽微秒。對於N桃4之數值孔麵言可假設 所實現的魏是與所_光之偏振無關。也可伽光電材料，利 如此材料用於Kerr單το或P〇ckels單元。讎晶體材料需要至 少丽而祕材料詩數千伏制_換，㈣換時間可低於 100微秒。也可使用多級費淫爾透鏡以代替雙表面浮刻結構。則 此調變器以相同方式用於數個波長。 、也可以液晶充填連續形狀的（亦即沒有_邊緣或沒有梯度 不連續）表面糊樣式。因此施加—電壓卩可使無連續移動。 若焦距選歧AS之轉_，職乎财贿㈣過調變器。 右焦距叹為無_只有小部分傳遞光會通過as。在用於將光重新 準直之第-透鏡後方傳遞的部分可以顯著減少，類比於㈣。此 可藉由放置-小物魏於AS巾央喊成。具此球形透鏡，此 組合類比於圖7C。 抑實現用於振幅調變元件之可魏距之—方式是使用一電濕 4單疋在此例中可柄組合與圖7之組合相同。繞射透鏡以實 23 200947167 現可變焦距之電濕潤單元取代電濕潤單元可如本文件中其他部 分所述。若相移動是由可變焦距所實現且使用由光吸收性電濕潤 單元流體做成之AS，則可得到實現傳遞場之複數值之元件。若看 在軸上的光則電濕潤單元透鏡的焦距改變等同於光徑長的改 . 變。因而若透鏡之中央厚度改變則相位會改變。已知光吸收性油 ' 可用於構成使用電濕潤單元之平面顯示器之光閥。相同的油可用 於不同波長。有許多不同方式可增強由機元件所得之對比。一 Ο 種方式是產生圓形聚焦。此可經由組合透鏡及圓形孔徑、

Fabry—Perot干涉儀或軸錐鏡之方式完成。軸錐鏡是一種具有錐 形表面之特殊透鏡，有時也叫錐形鏡。軸錐鏡將準直雷射光束轉 換為BeSsel光束。若使用一凸透鏡，則會形成一個環。焦距可 用整個圓點可通過AS之方式選定，如圖8所示。藉由改變焦距， 聚焦小點可以放大’沒有傳遞光可以通過仏。因此由施加適當的 錢獅_強度麵之G〜1GG%之初雖。在Fabry-Perot干涉 〇 儀之情況下，若Fabry_Per〇t干涉儀以收斂球面波照射，則可在

Fabry Perot共振腔（efai〇n)之出口平面看到一組圓環。共振 腔之此行為把知。驗y-Perot舰赠方魏之焦距改 變可用以改變圓環之直徑。圖8中，_聚焦可用來得到具高對 比之樹田調變裝置。藉由改變透鏡之焦距，可選擇穿過之強度 值。-轴錐鏡和一透鏡之組合可實現一圓形點，透鏡前之圓形相 也可用以得_形健、。放大賴縣焦會被AS離止，沒有 24 200947167 光會通過AS之中央淨空區，因此可以得到高對比。夠小的環會 完全穿過而大環會完全被阻擋。若如圖8所示，放置一擴散器於 AS之内。卩區域，第二透鏡會將傳遞光準直且不會改變第二透鏡之 Z轴位置或不會改變第二透鏡之焦距。 圖9顯示藉由組合一透鏡和一軸錐鏡產圓形之聚焦。圓形聚 焦之直徑可經由改變透鏡之焦距而連續改變。 至此所討論之組合的調變，也可使用一可變軸錐鏡改變圓形 點的直徑。液晶與一錐體結合可作為一可變轴錐鏡。 圖10顯示構成一圓點之一透鏡和一軸錐鏡之組合之側視圖。 圖11顯示一透鏡和一轴錐鏡之組合後方之圓形聚焦。影像 刀析是使用由 ZEMAX Developement Corporation，3001 112th Avenue NE’ Suite 202，Bellevue，WA 98004-8017 USA供應之

Zemax軟體執行。 得到環形聚焦所需的元件之減少可由使用透鏡的一表面創 造軸錐鏡而得，顯示於圖12，以Zemax軟體完成。圖12顯示側 面圖以及通過形成圓形聚焦之一透鏡和一軸錐鏡之組合的光束 路徑。圓形聚焦的直徑可由改變透鏡的焦距而連續改變。軸錐鏡 也可作為一繞射圓形結構。但只要數值孔徑低（如NA<〇. 4)，此 處討論之組合的功能性與使用的光之偏振無關。 圖13顯示經由將一透鏡和一軸錐鏡結合為單一元件而產生 圓形聚焦。圖13中顯示圖12的三維圖示。光由左側進入而此 25 200947167 放置的平面在圖13的右側。 圖14顯示在圖13此組合之像平面實現之圓形聚焦，使用

Zemax成像分析軟體。圖14顯示在放置紹之平面的二維強度分 佈。藉由改變透鏡之焦距f(U)或形成軸錐鏡之雜形的棱鏡頂又角刀 • . K(U)，可以改變圓點的直徑。若圓形聚焦的直徑d(U)選用夠大’ - 則傳遞光可使用AS阻擋。 圖15顯示在圖13在增加焦距f的狀況下此組合之像平面實 Ο 現之聚焦’使用Zemax成像分析軟體。和圖14相比，焦距放大 了百分之三十。 ~ 另-方法是基板之錐形溝槽充填雙折射材料。此可藉由一偏 振面臨折射率相符狀況*垂直偏振面臨錐形透鏡之方式完成。在 此透鏡之焦距放置-狹縫：振幅可由改變偏振態而改變。若用狹 縫形成孔彳纟’貞彳可由改變人射舱合之光的偏振態⑽變穿透。 習知此技藝者可知振幅調變可以實施於像素與像素之基礎 〇 上且-顯示n可能含錢百萬個像素或更多。振幅空間調變器可 用於全像顯7FH，尤其歧看者透過虛織察者視練看全像重 建之全像顯示^。上述振幅空間機器也可用於二維振幅調變顯 示或其他使用振幅調變SLM之應用。 c、以電濕群元為基彻於嫌光場擁的SLM以及顯示 裝置 ‘ ^ 此實施例是關於包含液晶充填單元之陣列的SLM，該單元可 26 200947167 電=原理分離控制使其可以調變人射光場的相位。相位在 每侧立物㈣變。—私_包含 一、V —個可調整的光學介面之非可溶混賴層，其尹 至f二液體展現不同之光學性f。—般上兩可光學介面可為 平灯的，或可為非平行的’使得造成—稜形。_電濕潤原理， 可以調整液體的接觸角，因而在可變光學介面造成可變折射。可 Ο 變介面用-種鎖定目標方式難，使得像素發射㈣波（亦即平 行光束）與其他像素發射出的波平行。由於像素陣列之個別單元 中不同之光徑長，會造成由個別像素傳送或控制的波之間產生相 對相位延遲。 本實施例關於用於光場之相位調變之SLM以及此SLM之製 造0 由先則技術可知各種⑽之設計，具各種不同的名稱，且其 巾―些在本文件之其他部分有討論。最廣騎知賴子為液晶基 SLM ’其中電壓誘發之雙折射用於光場的相位或振幅調變。⑽ 在光學科技廣泛的應用’且其中需要可變或可適應之元件。SLM 之應用領域由用於消費產品之顯示和投影纽至舰技術（光學 鑷子、相位過濾器、數位全像顯微鏡、活體影像）、光學測量儀 器（數位全像、邊緣投影、Shack-Hartmann感測器）以及無光罩 顯影之應用、超快速雷射脈衝調變（散佈補償）或天文望遠鏡（動 態像差校正）。 27 200947167 市面上多數LC基SLM展現容許更新率6(M2〇Hz之切換速 度，亦即切換時間大於8ms。此切換速度對許多應用已足夠。然 而有許多應賴要較少之祕時間或較高的更醇，包括涉及時 間多工的特殊應用。 本實施例之-目的在於如機辆的她，其巾所望的相 位值相較於LC基SLM而言_驗快或非常快^相辦應可在〇 Μ〈心範圍間調整，π > i and m為自然數而目標更新率在 數百到數千Hz之間，亦即反應時間應低於或等於—，但一般大 於或等於100微秒。然而，SLM也可能操作於更常用的切換頻$。 另一目的在於藉由一面積矩陣之獨立像素間相位值的相對調整 而覆蓋整個相位值範圍。 本實施例中SLM的物理功能原理是以電濕潤單元中可變光徑 長造成之相位延遲為基礎。一電濕潤單元包含至少三透明液體， 光通過其穿透’從光傳遞的方向♦。-單元中之光徑長經由 不可溶混液體間的可調整介面而改變。 本實施例之SLM不受限於可見光光譜範圍，但包含近紅外線 和近紫外線。例如，軍事用途可能用近紅外線，如雷射雷達系統。 本實施例之例子在以下做解釋並以圖示說明。 第較佳例子（顯不於圖16)是基於可變、具有平行侧的枢 轴板之功能原理。由 Malacara，D·，Servin，M.，及 Malacara，Z.，

Interferogram Analysis for Optical Testing, 2nd Ed. (Taylor 28 200947167 & Francis，New York，2005)360 至 363 頁可知，為一固體板，具 有傾斜出其垂直位置之平行侧，造成相位延遲和穿透波之平行補 償。此處揭露於電濕潤飽和液體單元之原理，若可適當組成時。 Ο ❹ -電濕潤單元單元可包含三個不可溶混液體一個接一個放 置：例如可個雌和水性溶液。至中I體展現柳㈣外部液 體的光學性質（尤其是折射率n)。兩外部㈣可具有相同折射 率。文獻巾可知若在兩姆電湖施加特定電位差，辭面介面 可於兩液體間實現，如Smith，N. R·，㈣也叙D. c Η咖 J. W., andHeikenfeld, J. Optics Express 14 (2006) 6557-6563 之例子。此處使耻顧。然'而在—較佳例子中，使用三液體並 控制使得三液體間_介面平行。在初始狀態，兩介面與外部固 定基板介面平行（彳_γ = Q)。義施加特定電壓差， 面可以傾斜而維持其平整性。傾斜角以γ表示。另外，兩可變介 面之傾γ2是相等的，亦即兩介面最好為平伽1 (見 圖16)。如此可實現樞軸共平面平板之光學功能性，心 得知_體反部件不同，不同在財液體平板傾斜時液體 才、厚度會改變（減外這是由於一單元中液體體 相位延遲△(!>可由幾仿邾说道山 Αφ: Ίπ' < ....- _ dn2 cos arcsin L Vf2 J + ^«3tan/ 其中m是液體i (i=1，2s or (1) 3)的折射率，γ是傾斜角， d平 29 200947167 板厚度，λ是真空中光波長，ν是橫向補償（offset)，ι 7如圖16所 示。内嵌液體的有效平板厚度定義為 (2) d = hbsrn\—-r 橫向補償V定義為： d sin^ 1- «, cosy 4nl ~ni sin2 χ (3) Ο 〇 圖16是本實施例SLM之電濕潤單元的第一例子之戴面圖 三個透明光學液體層狀放置於一單元中’由侧牆和透明覆蓋某板 所密封。在示範例子中’電絕緣和非極性液體（如油性々液）夾 在兩極性、導電液體（如水性液體）中，個電贼 可分離定址。可以放置更多電極於與圖示平面平行之側牆（未顯 示）。這些電極可以控制使得兩相鄰液體間介面和個別側牆間的 預定角度可以調整。預定角度最好設為9G度。光學液體二折 射率η1; π,; μ其中較佳例子為m = m。圖版顯示電濕潤單元 的初始狀態，其中電壓Uti; Ut2; Ubi; ^施加於電極上且選擇使 得接·θτ1Α;θΒ1; θΒ1在初錄g全為9()。。側顧以很薄約 1 _厚的疏水性絕緣層。疏槪絕緣層的厚度可由約5〇删至數 μηι令央顏的祕厚度以&表示。圖⑽顯示在啟動態之單元。 施加於電極的電麵式選以使得中央液體層傾斜—角度Y，水接 觸角ΘΤ1 Θβ2及θΒ1 =知。這會造成中央液體層厚度d減少，其 中厚度是垂直與光學介面量測。光學介面之折射造成通過電濕潤 30 200947167 單元之光的光徑長改變，造成相位延遲⑼以及平行補償V。 對相位調變而言’每個電濕潤單元包含至少三個透明光學液 體層狀排列於-單元中，由側牆和透明覆蓋基板所密封。其中電 絕緣和非極性液體夾在兩極性、導電液體中有 率心❿四個電極放置於婦且可分離定址 == 以-疏水性絕緣層。絲介面之卿造成通過電制單元之光的 紐長改變，或者，單元可包含—極性導電_夾在兩絕緣或非 J 極性液體間。 圖π是本實施例中SLM之電濕潤單元的第二例子之截面 圖’其容許光束傳遞方向之可控制相位改變為可忽略的改變。一 般的安排類似於顯示於圖16巾㈣—例子，然而電定址及單元 的光功能性不同。稜鏡的光功能性，由具有折射率η。叫山的 二液體達成。並不需要m = η3;紐丨和3也可使用不同液體。 不同液體1和3可以某些程度上互相校正散佈性質並校正如液 體2之散佈性質。-般概念為相同的偏折角ρ可以不同的棱角 γ2實現。光介面折射之結果’光以不同路徑通過電测單元因而 有不同的相位延遲，相較於相鄰單元具有不同棱角γι; ρ，偏折角 β保持固定。圖17a顯示單元位於起始態而圖17b顯示單元位於 啟動態。一般任何狀態都可稱為初始態：此詞只用來表示一個初 始態，其他狀態的相位值與其相關。 圖18疋電濕潤單元之一較佳例子之戴面圖，其中電濕潤單 31 200947167 元減少切換時移動的液體之體積並減少切換時液體需移動的距 離。減少移動的液體之體積並減少移動的距離可以減少切換時 間。此想法上述兩種類型之單元皆可實現，亦即依據第一例子（圖 ⑹和第二例子（圖17)。兩個子單元相並配置，代表一娜之相 • 健遲像素。一光學透明分隔基板位於單元之中央夾在兩子單元 - t。此分隔基婦好與㈣㈣之折射率她，則不會有反射造 成的光損失。翔16之例子t，使跡同光學㈣之兩液體， 〇且在圖17之例子中’至少使用兩不同液體。兩子單元的光軸並 不重疊’且最好展現固定的橫向補償。最好為此固定的橫向補 償’以減少橫向位移的動態部分，其發生於圖16之溶液中，尤 其是若傾解面平板操作在較高祕她機時。對於相位調變 之較高級的例子顯示於圖21C，其中在〇和加間移動之相位可以 達成，對於γ值在約25度和34度之間。這表示（參考圖21Α)，當 》 頂角7在0至25。間變化時，橫向位移會在〇到1〇卵間。另 —方面，若頂角在25。至34。間，橫向位移會在1〇和14 _間。 在此情況下’最好選擇-蚊12扉之橫向補償（因橫向位移的 兩單το之組合造成，如偏軸（decentering))。然後橫向位移的 可變部分會減少至正/負2em。 圖18中’更-般化’所欲為產生相位移動在零和加徑度間 的能力並經由導入兩液體層介面傾斜度的相對小改變而達成，因 為需達成、相位移動所需的傾斜角改變較小，所以相位調變器 32 200947167 要較快。若液體介面或平面平行平板傾斜（亦即有移動的橫向補 償）’則必須額外的傾斜以得到所需的相位移動直至2π，小於或 很小於非傾斜之初始態。這就是預傾斜液體單元較佳的原因。但 若在初始態有如此大的傾斜，對於裝置在初始態之垂直入射光束 ' 在光束傳遞方向也會有很大的橫向位移，因為垂直單元傳播的平 ' 面波對於液體間介面會是非垂直傳播故會遭遇折射。例如此橫向 補償（亦即當穿過單元時，垂直單元傳播的光束之橫向偏折），定 ° Α雜置或單元的初始態，可能為單元寬度的百分之二十，以做 β十算。為了對此校正，安排第二單元陣列（其中圖18右侧的單元 為一例子）以補償單一單元寬度2〇%的橫向補償。仍有一橫向補 仏ν(γ)與誘發的相位位移無關，反之亦然，但可變橫向位移的動 態範圍大為減少。 圖19顯示一例子其中固定稜角β，當實現圖17之例子時， ❹ 其藉由元件光束出口侧的固定棱鏡而補償。或者，固定稜鏡可在 元件的入口側，如同習知技術。 圖20顯示可用於抵銷光束之平行補償之一例子，其發生於實現圖 Π之例子時。圖2〇中’光由左向右傳播，孔徑放置於像素出口表 面的中央位置’其中該孔徑設計使其可完全被照射。一部份的平 行補償光波被孔徑所吸收，因而像素的出口表面維持在孔徑的位 置而與液晶介面傾斜角無關。 圖21 A、Β、C分別顯示橫向光束補償或光束之橫向位移、光 33 200947167 控長差、以及相位延遲，其為γ的函數，以圖ΐ6之例子計算 用之參數為ni m叫.w聊。為了達到2π 之相位延遲，可使賊_斜方式。例如，2π之她 斜角0。<γ<25。或25。< 殊j由傾 _ ^ γ $ 34°達成。由於有較佳的線性和 乂、可變平订補償，使用較高級較佳，亦即定義初始值在不等 於零之’例如25 < γ $ 34。。平面平行位移之初始補償可經由 Ο Γ單元相對於第一子單元而言相等但相反的平面平行位移來補 仞或使用-傾斜之填充液體的圓柱狀空腔來補償。 習知此技藝者可知振幅調變可以實施於像素與像素之基礎上 且-顯示料能含有敍像素或更多。振幅空_變器可用 於全像顯示器’尤其是觀看者_迦者視練看全像重建 之全像顯示器。上述相位空_龍也可用於二維振幅調變顯示 或其他使用相位調變SLM之應用。 D、使用電濕潤單元及顯示裝置之複合SLM和顯示裝置 A和C部分的SLM可以結合而提供-伽電綱單元之附合 SUI ’其可用於顯示裝置中。對於光波的複合調變而言，必須可以 將光波的振幅和相位獨立調變。藉由串連使用上述A和部分之 SLM’其分別對光波的振幅和相位做調變，則可達到光波的複合調 變。A和C部分的Slm必須放的夠近，使得像素間交互干擾為零或 保持再可接受的等級，亦即顯示器對觀察者而言要可接受的小。 34 200947167 目標更新率在幾百赫_幾千赫兹之間，亦即反應時間5毫秒或 更少’但一般大於或等於⑽微秒。然而SLM亦可操作於更習用 之切換頻率。 本實施例之調魏不受限於可見光的光譜範圍，但包含近紅 .夕卜線和近紫外線。例如，軍事用途可能在近紅外線，如雷射雷達 * 系統。 22齡本㈣—較佳實補之絲侧之_，其中振幅 2相位婦是相繼實施的。由左至右延光傳遞的方向顯示以下光 予70件· -針孔、-巨透鏡、及第一和第二夾層結構（幼偷地）。 針孔代表第-和第二光源。光源可為點狀或線狀。巨透鏡包含一 球形或-圓柱形，將光源發射出的光線準直。巨透鏡截面積之直 徑在數個_的範圍，例如3到1〇咖。第一夾層結構包含數個微 透鏡於垂直光軸_表面。微透鏡截面積之直徑可在2G到100μιη 0 的範圍。微透鏡包含一球形或一圓柱形。如圖22所示第一爽唐、結 構左表Φ之微透鏡料直光糕人電翻單元。如此之SLM可相 較於圖1 Μ 3顯示之電_單元，亦即其包含—針孔或一狹縫。 第一爽層結構包含大量的此電濕潤單元彼此相鄰排列或在更多方 向开ν成一線型或矩陣行排列（於圖22中未顯示）。第一夾層結構彳 操作使得調變直接導向第一爽層結構的光之SLM可以實現。通過 電漏潤單元的光（取決於其切換狀態，她於® la到Figlc) < 由失層結構又表面的微透鏡加以準直，如圖22所示。第一夾層結 35 200947167 構可以分隔器（未顯示）與第二夾層結構隔開，或第一結構可直 接與第二結構接觸。兩夾層結構的順序可以互換。第二夾層衅構 包含大量的電濕潤單元彼此相鄰排列或在更多方向形成—線型或 矩陣行排列(於圖22 +未顯示）。由第一夾層結構之一電濕潤單元 過來的光通過第二夾層結構之-電制單元。第二失層結構之電 濕潤單元為圖18所示之形式。第二爽層結構之電制單元可操作 使其實現調變通過第二夾層結構的光相位之則。圖22所示之光 學排列可視為延伸於垂直圖22方向之顯示器的—個切割圖，因此 包含更多針孔/光源和更多巨透鏡。由顯示器之像素發射出的光可 經第-爽層結構和第二夾層結構做振幅及/或相位調變而可提供 複數值。如此顯示ϋ可以驗—全像顯示器之全像轉媒介，其 中全像被編碼以將三維景象之全像重建可見化。此一全像顯示器 描述於附錄I。若由顯示器之像素發射的光需要偏折，例如為了實 現眼部追蹤’可以於第二夾層結構右側添加—額外光學層或爽層 結構(於圖22中未顯示）。 圖23顯示本發明之一較佳實施例的部分光學排列之簡圖，其 中提出-光料列。統陣列之單—統包含可變/可調整相位 值。由左_來之準直級過可調魏改魏過電_單元之光 相位之—電制單元。該電测單元如® 16至20所示。穿透且 仍準直的光經_或_形透鏡聚焦至—針孔或狹縫。針孔或狹 縫光可視為-單-點或線光源（若統過針孔或狹縫），其相位可 36 200947167 依電濕潤單元的控制而改變。圖23之排列可視為大量排列於垂直 圖23方向之光源、電濕潤單元、透鏡和針孔之陣列。此陣列光源 的相位值可以獨立調變。 . ® 24顯7本發明之另-較佳實施綱部分光學排列之簡圖， 其巾提出—絲_。光轉狀單-光源包含可變/可調整相位 和振幅值。由左側而來之準直光通過可調變錢變通過電濕潤單 ❹元之光相位之-電濕潤單元。該電濕潤單抑圖16至2請示。 穿透且仍準直的光經圓形或圓柱形透鏡聚焦至包含一針孔或狹缝 之第二電賴單元。第二電賴單元可如圖丨觸3所示。因此 第二電濕解元可依其切絲態調魏·光之姉。第二電濕 潤單元之針孔或狹縫光可視為—單―點或線光源（若光通過針孔 或狹縫），其相位及/或振幅可依電濕潤單元的控制而改變。圖24 之排列可視為大量排列於垂直圖24方向之光源、電濕潤單元、透 D 鏡和針孔之陣列。此陣列光源的相位及/或振幅值可以獨立調變。 習知此技藝者可知複合調變可以實施於像素與像素之基礎上 且一顯示器可能含有幾百萬個像素或更多。複合空間調變器可用 於全像顯示器，尤其是觀看者透過一或兩個虚擬觀察者視窗觀看 全像重建之全像顯示器。上述複合空間調變器也可用於習知此技 藝者所顯而易知之其他應用。 附註 37 200947167 本實施例以上述纖配合圖示制並描述其細節，此說明和 迷為說月1±和示範性的_^並不因而受限。這些實施例並不限制 於所揭示的例子。所揭賴子中可被習知此技藝者由圖示或揭示 中所了解或據以實施。 在此處圖示中，所顯示的相對維度並不必要符合比例。 習知此技藝者可再不偏離此發明之範疇下了解本發明之各種 變化及改變，且本發明並不限制於此處提及之說明例和實施例。 Ο 〇 38 200947167 【圖式之簡單說明】 H具’吸收性油滴之-電制單元之—截面圖， 圖la顯不早元在開啟狀態， 圖lb顯示單元在關閉狀態， ' 圖lc顯示單元在部分減弱光狀態， 圖2a與圖2b為一顯示像素之遗而圖 第-聚隹开料@ “ 包含電濕潤單元位於 ❹U 位置之聚焦元件之焦點處附近， 圖a Jb為-顯示像素之截·，包含電濕潤單元位於伴 ^於-擴散狀後的-聚焦元件之焦點附近， 圖4a顯示球面聚焦元件和電濕潤單元之組合，該電濕潤單元 包含一圓形針孔孔徑， ‘ 时圖4b顯示另-圓柱騎統件和魏解元德合，該電濕 潤早元包^—狹縫孔徑， ' 〇 ® 5a顯示—具有環形魏性油滴之-電濕潤單元之截面圖， 其中單元在開啟狀態， 丨圖 圖5b顯示-具有環形吸收性油滴之一電濕潤單元之截面丨 其中單元在關閉狀態， 圖6顯示在-表面浮刻光栅中之可控制折射率七之液晶如何 造成-固定顏之可控度，繞射光部分（虛線）取決於繞射 結構的繞射效率η ’繞射效率由調變的改變Δη^ = n lc、J - nsubstrate 而改變， 39 200947167 圖7顯示為達成振幅調變之表面浮刻光柵和液晶組合之不同 排列， 圖8顯示如何使用圓形聚焦達成高對比之振幅調變，藉由改 變透鏡的焦距’可以選擇穿透的強度值；可以使用一組軸錐鏡 (axicon)和透鏡而實現一圓形點；透鏡前的圓形相函數也可用 來得到圓形聚焦；放大的圓形聚焦會被孔徑光欄AS以沒有光會通 ，過孔徑光攔AS的中央清晰區域之方式所阻止，故可以得到高對比， 圖9顯示一透鏡和位在透鏡後的一轴錐鏡的一組合， 圖10顯示產生圓形聚焦的一組透鏡和軸錐鏡之侧視圖， 圖11顯示一組透鏡和軸錐鏡後方之一圓形聚焦， 圖12顯示穿過形成一圓形聚焦的一組透鏡和轴錐鏡之光束路 徑侧視圖，經由改變透鏡的焦距，可以連續改變圓形聚焦的直徑， 圖13顯示藉由將一透鏡及一軸錐鏡結合的方式產生一圓形聚 焦’ 圖14顯視圖13之組合在像平面所實現的一圓形聚焦， 圖15顯視圖13之組合在像平面所實現的一圓形聚焦，在增 加焦距f的情況下；與圖14相比，在此例中焦距被放大了百分之 三十， 圖16顯示一光相位調變元件，使用一電濕潤單元， 圖17顯示一光相位調變元件，使用一電濕潤單元， 圖18顯示一光相位調變元件，使用一電濕潤單元， 200947167 圖19顯示—光相位調變元件，使用一電濕潤單元具有一棱 鏡用以改變光束傳播方向， 圖20顯示一光相位調變元件，使用一電濕潤單元，在光束出 口側具有一孔徑， 圖21中A顯示橫向光束補償或橫向光束移動，b顯示光徑差， 顯示相位延遲’其為傾斜角γ之函數’以圖16為例計算， 圖22顯示本案一較佳實施例之光學排列，其中振幅和相位調 變為接續實施， 圖23顯示本案一較佳實施例之光學排列的一部份，其中可提 光'原、陣列光源陣列之單一光源包含可變/可調整的相位值， 圖24顯示本案一較佳實施例之光學排列的一部份，其中可提 供-光源_ ’光源陣狀單_规包含可變何調整的相位和振 幅值。 ❹ 41 200947167

【裝置編號之說明】 1 黑油 2 特氟隆（Teflon) 3 吸收性層 4 覆蓋玻璃基板 5 水 6 疏水絕緣體 7 透明電極 8 基板 9 入射光 10 電壓 11 零偏壓 12 入射光 13 向外波 14 聚焦元件 15 亮像素 16 暗像素 17 電濕潤單元 18 擴散箔 19 針孔 20 球面透鏡 21 狹縫 22 圓柱面透鏡 23 電極 24 水性液體 25 液體介面 200947167 26 侧牆 27 28 29 30 * 31 - 32 33 ❹ 34 疏水絕緣體 薄基板 油性液體 分隔基板 棱鏡 置中孔徑 第二點光源 巨透鏡 35 36 37 38 39 40 41 42 ❹ 微透鏡 電濕潤振幅SLM 電濕潤相位SLM 基板 第一夾層結構 第二夾層結構 針孔或狹縫 針孔或狹縫 43

Claims (1)

1. 200947167 七、申請專利範圍： 1. 一種空間光調變器，包含複數個像素，對每個像素而言，通過 像素之光場振幅經由電滿潤單元所調變及/通過像素之光場振相 位經由電濕潤單元所調變。. 2·如申請專利範圍第1項所述之空間光調變器，尤其用於調變光 ® 場振幅，其中每個電濕潤單元包含鍍有一實質透明電極和一疏水 性（hydrophobic)隔離層之一第一實質透明基板；一像素分離側 牆，至少二不可溶混液體，其中之一液體係不透明或具吸收性者 而其中之一液體係可導電性或具極性之液體；以及一第二實質透 明基板，而其中通過電濕潤單元的光量係經由施加至可導電性或 具極性之液體的電壓所控制。 〇 3.如申請專利範圍第1項所述之空間光調變器，尤其用於調變光 場振幅’射每個電顏單元包含財-實質翻電極和複數個 疏水性隔離層之H質透明基板；-像素分離侧牆；一第一 透月或具及收性液體，-第—可導電性或具極性之液體，其中 此兩液體何減；減—第二實質透板喊中通過電濕 濁料的光量係經由施加至可導電性鎮極性之液體的電顧控 制。 44 200947167 4·如申請專利範圍第2項或第3項所述之空間光調變器，其中導 電或極性液體和第-實質透明基板之接觸角可由施加不同電壓而 連續改變，因而達成單元中連續可變之吸收。 5.如申$專獅ϋ圍第2項到第4項所述之空間光調變II，其中第 • 二基板之上表碰有—光學不透明層，其展現有—實質至中之光 學穿透開口。 ❹ 6·如申請專利範圍第2項到第5項所述之空間光調變器，其中若 施加-直流或父流電壓於-電極和一反電極間，則電濕潤單元為 開啟狀態，|電或極性液體由於靜電力而吸附至厭水絕緣層，因 而移開不透贼吸收性㈣，其位於第—實明基板之中央點 附近，若為施加電壓則單元為關閉狀態。 〇 7.如申請專利範圍«2項到第5項所述之空間光調變器，其中不 透明或魏性液體置於電制單元之邊緣並經由適當的裝置而維 持在此位置’故若無施加下，不翻或魏性㈣會延展於 基底區域；-小分離環位在單元之中央，其確保與導電或極性液 體永久接觸而當單元轉為開啟時不透明或吸收性液體會在各方向 均勻延展。 45 200947167 8.如申請專利範圍第1項所述之找光調變器，尤其用於調變光 場她’其情個電顔單元包含至少三不可溶混_層並具至 少二可變化調整之光學介面，其中至少二液體展現不同之光學性 質。 9·如申請專利範圍第8項所述之空間光調變器，其中三液體層中 ❹間之液體層形成-傾斜之實質平面平板，其可對相位調變操作於 較高級。 10·如申請專利範圍第9項所述之空間光調變器，其中三個液體 層中間之液體層可⑽成-傾斜之實質平面平板，而—第二電濕 潤單元放置於第-單元之後已補償穿過第1制單元之光束的 橫向補償（offset)。 〇 u.如中請專利範圍第9項所述之空間光調變器，其中三個液體 層中間之液㈣可⑽成-傾斜之實質平面平板，而—固定稜鏡 玫置於電㈣單元之出口侧，㈣償穿過第—電测料光束之 横向補償（offset)。 〇·如巾請專繼圍第9項所狀__，其巾三讎體 層中間之液體層可以形成-傾斜之實質平面平板，而—固定稜鏡 46 200947167 放置於電濕潤單元之入口侧，以補償穿過第一電濕潤單元光束之 橫向補償（offset) 13.如申請專利範圍第9項所述之空間光調變器，其中三個液體 - 層中間之液體層可以形成一傾斜之實質平面平板，而一孔徑放置 於電濕潤單元光束出口綱巾央位置，以防止穿過賴潤單元光 束之橫向補償（offset)。 〇 14·如申請專利範圍第i項所述之空間光調變器，其中對每個像 素而言’光場調變於複數基底，其對每個像素使用二電濕潤單元 串連’該二電制單元可容許複數之振幅和相位的獨立調變。 15.如申清專利範圍第14項所述之空間光調變器，其中二單元可 〇足夠接近使得像素間之交互干擾（cr盼婦）為零或保持於可 接受之程度。 16·如申請專利範圍第上項到第㈣所述之空間光調變器，其中 複數個像素赠性_或轉之方式排列。 17.如申請專利範圍第1 穿過每個像素之光場振幅 項到第15項所述之空間光調變器，其中 可以調變以少於或等於5 ms及/或大於 47 200947167 或等於100微秒之切換時間。 18.如申請專利範圍第17項所述之空間光調變器，其中⑽可操 作在—般之城辭’最好操作於15 Hz至數千Hz，或SLM可操 作以保持預定狀態於一預定時間週期。 ” ◎ 19.如申請專利範圍第1項到第18項所述之空間光調變器， 電濕潤單元置於-聚焦元件之一聚焦附近。 、 20. 如申睛專利範圍第19項所述之空間光調變器，其 元之尺寸可小於或非常小於聚焦元件之尺寸。 。、满早 21. 、如申請專利範圍第1項到第20項所述之空間光調變器，其中 ❹穿過電濕醉元的光可則^彡或_勒外之波前穿過，由至少 一光束形絲置魏至鶴解元触。 乂 没如申請專利範圍第丨項到第21項所述之空間光調變器，其中 調變光可為可見光及/或近紅外光及/或近紫外光。 23·如申請專利範圍第1項到第22項所述之空間光調變器，其中 SLM可用作軍事用途，尤其於雷射雷達系統。 48 200947167 調變器，其中 slm 23 ^光 25.如申請專利範 = 腳可用於形成具第24項所述之空間光調變器，其中 、可變振幅之一第二光源陣列„ ❹ ϋ如申睛專利範圍第1項到第25項所述之空間光 SLM可用於形成具有可變相位之一 第二光源陣列 調變器，其中 調變器，其中 27.如申請專利範園 ςτΜτ® & 項第26項所述之空間光 SLM可用於穿透。 其中 29 調變器，其中 或二個虛擬—綱贿者之眼睛 49 200947167 30. 如申請專利範圍第1項到第27項所述之空間光調變器，其中 SLM可用於全像顯示或立體顯示或自動立體顯示中。 31. 如申請專利範圍第30項所述之空間光調變器，其中可使用一 ~ 或二虛擬觀察者視窗於一或多個觀察者之眼睛。 32. 如申請專利範圍第1項到第28項所述之空間光調變器，其中 ® SLM可用於一二維振幅調變顯示器。 33. 如申請專利範圍第1項到第32項所述之包含空間光調變器之 裝置，其中其中該裝置為一相位及/或一振幅調變裝置或該裝置為 一複合光波調變裝置。 34. 如申請專利範圍第1項到第32項所述之包含空間光調變器之 一顯示裝置。 35. 如申請專利範圍第33項所述之顯示裝置，其中該顯示裝置可 具有至幾百萬個像素。 36. 如申請專利範圍第33項或第34項所述之顯示裝置，其中該 顯示裝置包含有一擴散箔。 50 200947167 37. 如申請專利範圍第34項到第36項所述之顯示裝置，其中顯 示裝置為一二維相位調變顯示裝置或一立體顯示裝置。 ' 37.如申請專利範圍第34項到第37項所述之顯示裝置，其中顯 ' 示裝置可為一全像顯示裝置且其中全像顯示裝置最好對於一個或 多個觀察者的眼睛使用虛擬觀察者視窗。 ❹ 38. 如申請專利範圍第34項到第38項所述之使用一顯示裝置之 方法，其中顯示裝置包含一光源以及照射SLM之一光學系統；該 方法包含以下步驟： 對每個像素而言，使用一電濕潤單元調變穿過每個像素的光場振 幅及/或使用一電濕潤單元調變穿過每個像素的光場相位。 ❹ 51