用于形成三维光场分布的光学器件制造技术

一种用于形成三维光场分布的光学器件，包括：可单独寻址的单位晶格的阵列；该单位晶格的阵列中的每一个单位晶格包括堆叠，该堆叠包括：至少一个电极；以及共振限定层，包括至少相变材料(PCM)层，其中该共振限定层被图案化以限定几何结构，该几何结构被确定尺寸以限定电磁波的依赖于波长的面内共振；其中该至少一个电极基于接收到用于改变共振限定层中的共振的波长依赖性的控制信号来导致相变材料的相变用以控制单位晶格的光学特性；其中该单位晶格阵列中的各单位晶格被隔开以使得一单位晶格的PCM层与相邻单位晶格中的PCM层隔开。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于形成三维光场分布的光学器件
本专利技术概念涉及一种用于形成三维光场分布的光学器件。具体而言，本专利技术概念涉及可形成三维光场以显示全息图像的光学器件。
技术介绍
全息图像通过对光场的三维控制来形成。具体而言，如果期望呈现变化的全息图像(诸如呈现全息视频)，则用于形成三维光场的光学器件可能需要被控制以改变特性。因此，为了全息图像的显示，可能需要改变光学器件中的单位晶格的响应。为此，已知利用相变材料(PCM)来使得能够改变层堆叠的响应。PCM可以在至少两个明确定义的状态之间变化，其中PCM在不同状态中具有不同的光学特性以使得光学器件改变特性。由此，薄PCM层可被用来调制由单位晶格反射或透射的光的强度和相位。在HosseiniP.、WrightC.D、BhaskaranH.于2014年7月10日发表在自然杂志第511卷第206-211页的“Anoptoelectronicframeworkenabledbylow-dimensionalphase-changefilms(一种由低维相变膜实现的光电框架)”中，论证了电感稳定的颜色使用极薄相变材料和透明导体来在反射和半透明两个模式中变化。它显示了如何在刚性和柔性膜上的显示器中使用像素化方法。夹在两个ITO层之间的相变材料Ge2Sb2Te5(GST)的堆叠被沉积在反射表面的顶部。底部ITO层的厚度可以被改变，以便取决于GST的状态针对给定颜色调谐堆栈的反射率。然而，光学特性在单位晶格的不同状态之间的较大差异将会是所期望的，例如以提高全息图像的亮度和/或清晰度。
技术实现思路
本专利技术概念的目标是提供一种改进的光学器件，该光学器件可用于改善对三维光场分布的控制。本专利技术的这一目标和其他目的至少部分地由独立权利要求中限定的本专利技术来满足。优选实施例在从属权利要求中陈述。根据第一方面，提供了一种用于形成三维光场分布的光学器件，所述光学器件包括：单位晶格的阵列，其中该单位晶格的阵列中的单位晶格是可单独寻址的以用于控制该单位晶格的光学特性；该单位晶格的阵列中的每一个单位晶格包括堆叠，该堆叠包括：用于接收用于控制该单位晶格的光学特性的控制信号的至少一个电极；以及共振限定层，包括至少相变材料(PCM)层，其中该共振限定层被图案化以限定几何结构，其中该几何结构至少在共振限定层的平面内被确定尺寸以限定该共振限定层的平面内的共振的波长依赖性；其中该至少一个电极被配置成基于接收到该控制信号来导致相变材料在第一状态和第二状态之间的相变，并且其中该相变材料的相变改变共振限定层的平面内的共振的波长依赖性用以控制单位晶格的光学特性；其中该单位晶格的阵列中的各单位晶格被隔开，以使得一单位晶格的PCM层与相邻单位晶格中的PCM层隔开。该光学器件包括PCM层，该PCM层被图案化以便通过限定共振限定层的平面内的共振来控制单位晶格的共振特性。由此，与其中各层的多层堆叠中的各层的厚度限定导致入射光线和(相乘)反射光线的相消干涉的面外法布里珀罗(Fabry-Pérot)共振(针对PCM的一个状态)的几何形状相反，本公开的光学器件使用包括相变材料的图案来限定面内共振。本专利技术的见解是通过使用PCM层来限定单位晶格的共振，单位晶格在PCM的第一状态和PCM的第二状态之间的光学特性变化可以是显著的，这可实现基于PCM处于第一或第二状态的强响应。这意味着该光学器件可使得能够实现由该光学器件输出的三维光场的分布的准确的控制。单位晶格的共振限定层可被图案化，以使得单位晶格对波长的透射或反射(取决于光学器件被用来反射还是透射入射光束)在第一和第二PCM状态之间的比值至少高于20、至少高于50、或至少高于100。应认识到，该光学器件可被用于形成用于全息显示的光场，但对三维光场的控制在其他应用中也可以是有用的。用于形成三维光场的光学器件可投射所透射的光束的三维受控分布，这可以在用于受控照明的任何类型的应用中使用，而不一定需要与基于三维光场来形成所显示的图像相结合。相变材料可具有伴随有光学特性的显著变化的相变。光学特性可以是例如材料的复折射率或复介电常数。相变材料可被配置成在晶态和非晶态之间切换。然而，应理解，第一和第二状态可以是相变材料的状态的其他配置。例如，相变材料可被配置成在两个不同的晶态之间切换。凭借单位晶格阵列中的各单位晶格被隔开以使得一单位晶格的PCM层与相邻单位晶格中的PCM层隔开，相邻单位晶格的PCM层可被单独控制。这意味着每一个单位晶格可被单独寻址并且使得能够通过经由控制每一单位晶格中的PCM的状态对来自每一个单位晶格的贡献进行单独控制来控制输出三维光场的分布。相邻单位晶格的隔开可通过相邻单位晶格的PCM层被物理地隔开来实现。然而，相邻单位晶格的隔开还可通过由被物理地隔开的相邻单位晶格的至少一个电极进行隔开来实现。由此，用于触发单位晶格的PCM的相变的控制信号无法影响相邻单位晶格。如上所示，不仅仅是共振限定层的厚度对限定提供单位晶格的期望共振特性的几何结构是重要的。相反，在共振限定层的平面内形成适合对于其在PCM的第一或第二状态中期望共振的波长的几何结构也是重要的。根据一实施例，几何结构至少在共振限定层的平面内确定尺寸以限定共振限定层的平面内的可见波长的共振的波长依赖性。该光学器件可以合适地与可见波长联用，因为这意味着三维光场可被人看见。在诸如用于全息图像的创建的许多应用中，可见波长的使用是被期望的。然而，该光学器件可替换地与其他波长联用，诸如近红外线、红外线或紫外线波长。几何结构因此可被确定尺寸以限定该光学器件的期望工作波长的共振的波长依赖性。三维光场的分布例如可用于显示全息图像。该光学器件由此可用于显示全息图像或全息图像的视频。然而，应理解，对三维光场的控制在其他应用中也可以是有用的。三维光场可投射入射光束的三维受控分布，这可被用于各种应用，诸如光检测和测距(激光雷达)、3D记忆，以及用于成像系统的高级照明源。根据一实施例，几何结构在PCM层的平面内的限定该几何结构的长度的一个方向上延伸，其中该几何结构被确定尺寸以使该几何结构的厚度在该几何结构的长度的0.25倍与该几何结构的长度的1倍的范围内，其中该几何结构的长度小于λ/2，其中λ是将被与该单位晶格联用的光的波长。在此类尺寸下，或许可以形成共振限定层中的面内共振，以使得可提供单位晶格对于PCM的第一和第二状态的光学特性之间的强差异。根据另一实施例，PCM层中的几何结构的厚度至少是20nm。由于面内共振可以主要被形成在PCM层中，因此PCM层不应太薄。这意味着在PCM层中存在足够量的材料来生成单位晶格对于PCM的第一和第二状态的光学特性之间的强差异。根据一实施例，几何结构在共振限定层的平面内是圆形。这意味着可由该几何结构提供对入射光的对称影响。在讨论圆形几何结构的长度时，该圆形几何结构的直径应被用作长度。根据一实施例，几何结构在共振限定层的平面内的第一方向上具有第一尺寸，而在该共振限定层的平面内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于形成三维光场的分布的光学器件，所述光学器件包括：/n单位晶格的阵列，其中所述单位晶格的阵列中的单位晶格能单独寻址以用于控制所述单位晶格的光学特性；/n所述单位晶格的阵列中的每一个单位晶格包括堆叠，所述堆叠包括：/n用于接收控制信号的至少一个电极，所述控制信号用以控制所述单位晶格的光学特性；以及/n共振限定层，包括至少相变材料PCM层，其中所述共振限定层被图案化以限定几何结构，其中所述几何结构至少在所述共振限定层的平面内确定尺寸以限定所述共振限定层的所述平面内的共振的波长依赖性；/n其中所述至少一个电极被配置成基于接收到所述控制信号来导致所述相变材料在第一状态和第二状态之间的相变，并且其中所述相变材料的相变改变所述共振限定层的所述平面内的共振的波长依赖性用以控制所述单位晶格的光学特性；/n其中所述单位晶格的阵列中的各单位晶格被隔开，以使得单位晶格的PCM层与相邻单位晶格中的PCM层隔开。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180131 EP 18154494.11.一种用于形成三维光场的分布的光学器件，所述光学器件包括：
单位晶格的阵列，其中所述单位晶格的阵列中的单位晶格能单独寻址以用于控制所述单位晶格的光学特性；
所述单位晶格的阵列中的每一个单位晶格包括堆叠，所述堆叠包括：
用于接收控制信号的至少一个电极，所述控制信号用以控制所述单位晶格的光学特性；以及
共振限定层，包括至少相变材料PCM层，其中所述共振限定层被图案化以限定几何结构，其中所述几何结构至少在所述共振限定层的平面内确定尺寸以限定所述共振限定层的所述平面内的共振的波长依赖性；
其中所述至少一个电极被配置成基于接收到所述控制信号来导致所述相变材料在第一状态和第二状态之间的相变，并且其中所述相变材料的相变改变所述共振限定层的所述平面内的共振的波长依赖性用以控制所述单位晶格的光学特性；
其中所述单位晶格的阵列中的各单位晶格被隔开，以使得单位晶格的PCM层与相邻单位晶格中的PCM层隔开。


2.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述几何结构在所述PCM层的所述平面内的限定所述几何结构的长度的一个方向上延伸，其中所述几何结构被确定尺寸为使所述几何结构的厚度在所述几何结构的长度的0.25倍与所述几何结构的长度的1倍的范围内，其中所述几何结构的长度小于λ/2，其中λ是将与所述单位晶格联用的光的波长。


3.如前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述几何结构在所述共振限定层的所述平面内是圆形。


4.如权利要求1-2中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述几何结构在所述共振限定层的所述平面内的第一方向上具有第一尺寸，而在所述共振限定层的所述平面内的不同于所述第一方向的第二方向上具有不同于所述第一尺寸的第二尺寸。


5.如前述权利要求中的任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：X·罗滕伯格，K·洛德威克斯，
申请(专利权)人：IMEC非营利协会，
类型：发明
国别省市：比利时;BE