CN113359335A - 反射式纯相位液晶空间光调制器及其制备、盒厚测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反射式纯相位液晶空间光调制器及其制备、盒厚测试方法，解决现有反射式液晶空间光调制器存在靶面尺寸较小、封装容易出现盒厚不均、盒厚均一性较差的问题。该调制器中，上盖板玻璃、第二电极层、上取向层由上至下依次设置形成上基板；下取向层、第一电极层、像素电路层、下盖板玻璃由上至下依次设置形成下基板；透明支撑柱设置在液晶分子层中，排布在像素非开口区；像素电路层采用大面阵薄膜晶体管TFT‑LCD电路基板；第一电极层包括反射层和设置在反射层两侧的保护层，用于实现TFT‑LCD电路基板的反射式光路；液晶分子层设置在上基板和下基板之间，且液晶分子层的四周设置有周边框胶，透明支撑柱、周边框胶和液晶分子实现盒厚均一。

Description

反射式纯相位液晶空间光调制器及其制备、盒厚测试方法

技术领域

本发明属于空间光调控器件领域，具体涉及一种反射式纯相位液晶空间光调制器及其制备、盒厚测试方法。

背景技术

液晶空间光调制器是一种基于液晶光电特性，对光场强度和相位分布进行二维调制的器件，其已广泛应用于教学、科研、光通讯、显示以及工业等领域。同时，液晶空间光调制器由于具有分辨率高、调制范围大、图案加载灵活等优点，在微显示、全息投影、光通讯等领域也被广泛关注。液晶光阀是液晶空间光调制器的核心器件，液晶分子在电场作用下发生偏转，改变液晶光阀的光学特性，从而实现对光场调制。液晶空间光调制器根据光路分为透射式和反射式，根据基板类型分为TFT和LCoS两类，TFT基板一般用于透射式液晶空间光调制器，LCoS基板一般用于反射式液晶空间光调制器。

图1a和图1b为现有LCOS型反射式纯相位液晶空间光调制器和TFT型透射式纯相位液晶空间光调制器的光调控器件液晶光阀的结构图。现有反射式纯相位液晶空间光调制器尺寸一般在0.26”～1.2”，尺寸较小，从图1a中可以看出盒厚主要通过周边封框胶和液晶分子支撑。现有透射式纯相位液晶空间光调制器尺寸一般在0.7”～1.8”，从图1b中可以看出盒厚主要通过封框胶和液晶分子以及喷涂的间隔球状离子支撑(部分产品甚至未设置球状间隔离子)。

现有反射式液晶空间光调制器均使用LCOS进行制作，虽然具有分辨率高、光利用率高等优势，但存在靶面尺寸较小、封装容易出现盒厚不均等问题。靶面过小，不适用于大面积应用场合，而拼接小靶面又存在拼接精度不足等问题。LCOS由于尺寸和像元较小，液晶封装时往往不添加间隔物Spacer，仅通过周边封框胶和盒内的液晶分子实现盒厚支撑作用，盒厚均一性较差，导致液晶空间光调制器光场调控时调控质量变差等问题。例如，像场画质不均、调制线性度不足等。现有透射式TFT-LCD型液晶空间光调制器相位调制能力弱，无法实现反射式效果。

发明内容

本发明的目的是解决现有反射式液晶空间光调制器存在靶面尺寸较小、封装容易出现盒厚不均、盒厚均一性较差以及透射式液晶空间光调制器相位调制能力弱的问题，提供一种反射式纯相位液晶空间光调制器及其制备、盒厚测试方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种反射式纯相位液晶空间光调制器，包括上盖板玻璃、第二电极层、上取向层、液晶分子层、下取向层、第一电极层、像素电路层、下盖板玻璃和透明支撑柱；所述上盖板玻璃、第二电极层、上取向层由上至下依次设置形成上基板，且上盖板玻璃上设置有遮光层；所述下取向层、第一电极层、像素电路层、下盖板玻璃由上至下依次设置形成下基板；所述透明支撑柱与第二电极层连接，其设置在液晶分子层中，排布在像素非开口区；所述像素电路层采用大面阵薄膜晶体管TFT-LCD电路基板；所述第一电极层包括反射层和设置在反射层两侧的保护层，用于实现TFT-LCD电路基板的反射式光路；所述液晶分子层设置在上基板和下基板之间，且液晶分子层的四周设置有周边框胶，所述透明支撑柱、周边框胶和液晶分子实现盒厚均一。

进一步地，所述反射层为Ag层或Al层，所述保护层为ITO层或Ti层。

进一步地，所述第一电极层包括依次设置的ITO层、Ag层和ITO层，或者依次设置的ITO层、Al层和ITO层，或者依次设置的Ti层、Ag层和Ti层。

进一步地，所述上盖板玻璃、第二电极层之间设置有色阻层。

进一步地，所述透明支撑柱通过采用涂胶、光刻的方式在第二电极层上制作。

进一步地，透明支撑柱的形状为圆柱状、圆台状或椭圆条状。

进一步地，所述液晶分子层为ECB模式或VA模式，所述ECB模式为反平行配向和无手性剂的正性向列型液晶，所述VA模式为反平行配向和无手性剂的负性向列型液晶。

同时，本发明还提供一种反射式纯相位液晶空间光调制器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、制备上基板；

1.1)在上盖板玻璃制作基准层，即制作遮光层；

1.2)在遮光层上制作第二电极层；

1.4)在第二电极层上制作透明支撑柱；

该步骤中，采用涂胶、光刻的方式在第二电极层上制作透明支撑柱；

步骤二、制备下基板；

2.1)在下盖板玻璃制作TFT-LCD像素电路层；

2.2)在TFT-LCD像素电路层上制作第一电极层；

所述第一电极层包括反射层和设置在反射层两侧的保护层，用于实现TFT-LCD电路基板的反射式光路；

步骤三、组合封装；

3.1)在第二电极层上制作上取向层形成上基板，在第一电极层上制作下取向层形成下基板；

若第一电极层为有机膜，有机膜上进行第一电极层蒸镀时选择高温真空镀膜，若第一电极层为无机膜，无机膜上进行第一电极层蒸镀时选择常温真空镀膜；

3.2)分别在上基板、下基板上涂布密封胶和滴注液晶材料；

3.3)对步骤3.2)处理后的上基板、下基板进行真空贴附；

3.4)对密封胶进行固化；

3.5)对步骤3.4)处理后的产品进行切割，切割至目标大小，完成制备。

进一步地，步骤1.1)和步骤1.2)之间还包括以下过程：在基准层上继续制作色阻层。

此外，本发明还提供一种反射式纯相位液晶空间光调制器的盒厚测试方法，包括以下步骤：

首先，用等厚保护层代替反射层；其次，将等效替代后的液晶盒当成透射式液晶盒进行盒厚测量，从而得到液晶盒厚。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1.本发明反射式纯相位液晶空间光调制器采用了大面阵薄膜晶体管TFT-LCD基板，可以根据使用需求去设计有效显示区域面积，在大靶面的基础上通过配向模式的设计及液晶材料的选型可以将产品设计为纯相位调制，可在大尺寸3D全息显示、大面积相位调制、无掩模曝光、激光并行加工等领域发挥出色的作用。

2.本发明反射式纯相位液晶空间光调制器解决了透射式TFT-LCD型液晶空间光调制器相位调制能力弱的问题，本发明液晶空间光调制器采用特殊的公共电极设计及材料选型，不仅可以实现反射式效果，还可以大大提升相位调制能力，实现了反射式纯相位调制液晶空间光调制器，达到LOCS型反射式纯相位液晶空间光调制器的相同效果。

3.本发明反射式纯相位液晶空间光调制器在基板制作时采用涂胶、光刻的方式在上基板上制作需求高度的透明支撑柱，且透明支撑柱的位置可以根据需要进行规律或无规律排布，通常坐落于像素间距位置，可以实现不同高度的透明支撑柱，同时可以根据需要的设计透明支撑柱的位置，从而实现周边框胶+盒内液晶+盒内均一分布的透明支撑柱，达到薄膜晶体管电路板液晶封装的过程盒厚均一效果。

附图说明

图1a为现有反射式纯相位液晶空间光调制器示意图；

图1b为现有透射式纯相位液晶空间光调制器示意图；

图2为本发明反射式纯相位液晶空间光调制器结构示意图；

图3为本发明反射式大面阵TFT-LCD尺寸及膜系结构示意图；

图4为本发明液晶空间光调制器中透明支撑柱排布规则示意图；

图5为本发明反射式纯相位液晶空间光调制器效果示意图；

图6为现有反射式纯相位液晶空间光调制器盒厚测试原理示意图；

图7为本发明反射式纯相位液晶空间光调制器盒厚测试方法“等效替代法”示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种反射式纯相位液晶空间光调制器及其制备、盒厚测试方法，该液晶空间光调制器采用大面阵薄膜晶体管TFT-LCD电路基板，能够实现靶面大尺寸、多形状的要求；同时，第一电极层采用保护层-反射层-保护层的三层设计方案，可以实现TFT—LCD大面阵基板反射式光路；上基板中间设计的透明支撑柱可以有效地保证大面阵空间光调制器的盒厚均一性，从而保证反射式液晶空间光调制器的纯相位调制均一性和显示均一性，相同盒厚设计能够使相位调制量达到透射式空间光调制器的2倍，相同相位调制量需求时可使液晶响应时间变为透射式空间光调制器一半。另外，本发明中包含2种方案，可以根据需要设计成彩色或黑白式液晶空间光调制器。

如图2所示，本发明反射式纯相位液晶空间光调制器包括上盖板玻璃、第二电极层、上取向层、液晶分子层、下取向层、第一电极层、像素电路层、下盖板玻璃和透明支撑柱；上盖板玻璃、第二电极层、上取向层由上至下依次设置形成上基板，且上盖板玻璃上设置有遮光层；下取向层、第一电极层、像素电路层、下盖板玻璃由上至下依次设置形成下基板；透明支撑柱与第二电极层连接，其设置在液晶分子层中，排布在像素非开口区；像素电路层采用大面阵薄膜晶体管TFT-LCD电路基板；第一电极层包括反射层和设置在反射层两侧的保护层，用于实现TFT-LCD电路基板的反射式光路；液晶分子层设置在上基板和下基板之间，且液晶分子层的四周设置有周边框胶，透明支撑柱、周边框胶和液晶分子实现盒厚均一。

如图3和图4所示，本发明反射式纯相位液晶空间光调制器的大面阵可以根据使用需要进行大小尺寸设计调整，例如3～8英寸，TFT-LCD基板实现大面阵的可行性、便捷性和成熟度远远高于硅基电路LCOS的大尺寸。反射式薄膜晶体管电路基板设计中，将现有薄膜晶体管集成电路中像素电极进行重新设计，在像素电极上溅射反射层，反射层选用金属Ag或Al，Ag膜层或Al膜层的反射率较高，能够有效提升液晶空间光调制器的光利用率，然而Ag在曝光、刻蚀、烘烤的工艺过程中存在极易氧化的问题，氧化后会发黄，严重影响产品的光学性能。本发明中的第一电极结构按照如下的思路进行设计，在Ag膜层溅射蒸镀前后分别蒸镀一层氧化铟锡材料(ITO)或Ti材料，不但不影响光的透过率，而且能起到很好的保护作用，ITO材料性质稳定，可以保护Ag膜层在曝光、刻蚀、烘烤的工艺过程中不被氧化。根据前期测试经验：ITO/Ag/ITO layer对应thickness分别在

此设计及工艺条件下反射率可以达到90％以上。不同的产品在厚度上可以进行仿真、调整，同时ITO材料可以根据产品的不同波段(可见光、近红外、中红外等波段)进行配比调整或一定掺杂，解决ITO材料在某些波段的吸收效应高的问题，上述方案有效实现了液晶空间光调制器反射式光路的需求和大靶面显示和光调控需求。

如图5所示，本发明反射式纯相位液晶空间光调制器中反射式的光路设计较透射式纯相位调制可以有效地将液晶空间光调制器的盒厚降低一半，同时液晶的响应时间变快接近一倍，大大地增加了液晶材料的选型范围和降低了液晶封装工艺的难度，不仅提升了透射式纯相位液晶空间光调制器的光调控能力，还提升了整个产品的刷新频率，使得产品更加具有竞争力。

本发明反射式纯相位液晶空间光调制可实现纯相位调制：反射式TFT-LCD的设计方案结合ECB模式(反平行配向+无手性剂的正性向列型液晶)、VA模式(反平行配向+无手性剂的负性向列型液晶)，两种模式均可实现纯相位调制模式，主要差异是ECB与VA模式的预倾角不同，采用的液晶正负性不同，两种模式均可以实现反射式纯相位液晶空间光调制器设计和研制。在透明支撑柱高度确定之前需要根据液晶空间光调制器的光学相位调制量需求和刷新频率的需求计算盒厚和材料选择。

本发明反射式纯相位液晶空间光调制器可以根据需要实现彩色或黑白模式设计、制作。首先在上盖板玻璃上制作基准层(即遮光层)，用于后续膜层工序的定位和校准。基准层的实现方式一般有2种，光刻PR胶制作和金属材料(Mo等)，其中光刻PR胶属于普通工艺，制作工艺简单，可制作的线宽相对受限(≥2.5μm)但会影响上基板的透过率；如果对上基板的透过率要求很高，可以使用金属材料方案，可以将线宽控制的更加小(1.5μm)，这样对整体透过率损失较小。基准层做好之后，可以根据彩色需求制作色阻层(红/绿/蓝/白等彩色膜层，常用光刻PR胶)(Red、Green、Blue)，根据液晶空间光调制器的色彩需求选择对应材料和膜厚进行调整即可。如果需要黑白模式，可以直接跳过色阻层，进行后续工序。完成上述设计和工艺后，就可以根据光学需求进行透明支撑柱设计，包括透明支撑柱设计的材料、高度、形貌、排布周期及坐落位置。如图4，图中白点位置为透明支撑柱的设计分布位置和排布规则，一般都设计在像素位置，避免对开口率和透过率有较大影响，排布规律可以是规则排布，也可以无规律排布，达到单位面积间支撑力/强度相同，不会在宏观显示上造成Mura类不良即可。透明支撑柱的形状可以是圆柱状，圆台状、椭圆条状等，不需要特殊限制，材料的原则应硬度合适(防止划伤取向膜等膜层)，有一定弹性恢复率(不易造成不可逆损伤)，具体可采用负性光刻胶，为JSR公司生产的PS PR材料，高度的设计结合液晶空间光调制器的光学相位调制量需求以及液晶响应时间进行选取。具体的，透明支撑柱的高度PS Height＝Cell Gap+δPSH，Cell Gap表示液晶空间光调制中液晶面板的盒厚，通常根据液晶材料的物理性质以及产品光学指标需求进行计算；PSH’通常为PS在经过Cell封装过程中的PI、Rubbing工序后的固定形变量，一般为一个经验常量，上述设计方案可以有效解决液晶空间光调制器液晶封装过程中盒厚不均一造成的显示效果差，光场调制能力差，调制线性差的问题。

基于上述过程，本发明提供一种反射式纯相位液晶空间光调制器的制作方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、制备上基板；

1.1)在上盖板玻璃制作基准层，即制作遮光层；；

基准层的实现方式一般有2种，光刻PR胶制作和金属材料制作；

1.2)在基准层上继续制作色阻层，色阻层可以根据彩色需求制作；

1.3)在色阻层上制作第二电极层；

1.4)在第二电极层上制作透明支撑柱；

该步骤中，采用涂胶、光刻的方式在第二电极层上制作需求高度的透明支撑柱；

步骤二、制备下基板；

2.1)在下盖板玻璃制作TFT-LCD像素电路层；

2.2)在TFT-LCD像素电路层上制作第一电极；

所述第一电极层包括反射层和设置在反射层两侧的保护层，用于实现TFT-LCD电路基板的反射式光路；

步骤三、组合封装；

3.1)在第二电极层上制作上取向层形成上基板，在第一电极层上制作下取向层形成下基板；

若第一电极层为有机膜，有机膜上进行第一电极层蒸镀时可以选择高温真空镀膜(120/280/120℃)，若第一电极层为无机膜，无机膜上进行第一电极层蒸镀时可以选择常温真空镀膜(25/25/25℃)，该工艺条件可以有效提升膜层间粘附力，避免后端液晶封装过程中出现气泡不良；

3.2)分别在上基板、下基板上涂布密封胶和滴注液晶材料；

3.3)对步骤3.2)处理后的上基板、下基板进行真空贴附；

3.4)对密封胶进行固化；

3.5)对步骤3.4)处理后的产品进行切割，切割至目标大小；

步骤四、液晶面板模组制作；

4.1)在液晶面板电极位置进行FPC软排线制作；

4.2)控制电路可以通过FPC软排线将信号加载到液晶空间光调制器上。

如图6所示，现有反射式硅基液晶无法直接测试灌有液晶的Cell盒厚，通常采用的方法都是硅基板与玻璃盖板封装后利用不同界面反射光产生干涉波普的原理进行空盒盒厚的测量，常用设备如：Mission Pick Thin film机台。而实际灌晶后的盒厚是根据空盒盒厚等效替代的，并没有办法直接测试灌晶后的液晶盒盒厚。

如图7所示，本发明反射式纯相位液晶空间光调制器中液晶盒厚测试所采用的方法为“等效替代法”。反射式纯相位液晶空间光调制器所使用的大面阵反射式液晶盒可以采用如下的方法直接测试液晶盒盒厚，可以在设计阶段和生产阶段直接测试目标产品的灌晶后盒厚，不仅可以准确的反应过程数据，还可以有效地规避因盒厚不准造成的产品性能问题。测试时，首先用等厚ITO材料代替反射层Ag，这样液晶盒内的空间是不会发生变化的，而ITO材料是透明的，所以就可以将ITO材料等效替代后的液晶盒当成透射式液晶盒进行盒厚测量，即盒厚d＝光效Re/液晶双折射率Δn，该种方式大大提升了盒厚检测的准确性、及时性以及产品的品质，透射式液晶盒后的测试方法很常规，市面上有多家盒厚测试设备可以使用。

基于上述描述，本发明反射式纯相位液晶空间光调制器具有以下特点：

现有LCOS型反射式纯相位液晶空间光调制器有效显示区域面积尺寸小，不适用于对靶面要求大的应用场景(大尺寸3D全息显示、大面积相位调制、无掩模曝光、激光并行加工等领域)。本发明液晶空间光调制器采用大面阵薄膜晶体管TFT-LCD基板，可以根据使用需求去设计有效显示区域面积，在大靶面的基础上通过配向模式的设计及液晶材料的选型可以将产品设计为纯相位调制，即可在大尺寸3D全息显示、大面积相位调制、无掩模曝光、激光并行加工等领域发挥出色的作用。

现有透射式TFT-LCD型液晶空间光调制器相位调制能力弱，无法实现反射式效果的问题。本发明液晶空间光调制器采用特殊的公共电极设计及材料选型，不仅可以实现反射式效果，还可以大大提升相位调制能力，实现反射式纯相位调制液晶空间光调制器，达到LOCS型反射式纯相位液晶空间光调制器的相同作用。

现有LCOS面板额尺寸和像元尺寸都比较小，大多数在液晶封装的时都采用不添加隔垫物Spacer，紧靠周边框胶和液晶进行支撑，仍会有比较严重的不均匀性；除此之外少数添加了隔垫物Spacer，但是隔垫物Spacer的喷涂工艺导致其均匀性仍较差，以上两点造成LCOS型反射式纯相位液晶空间光调制器封装盒厚容易不均一，造成相位调制不均匀和线性度较差的问题。本发明反射式纯相位液晶空间光调制器在制作时采用涂胶、光刻的方式在上盖板玻璃上制作需求高度的透明支撑柱，且透明支撑柱的位置可以根据需要进行规律或无规律排布，通常坐落于像素间距位置，此方案的优点可以实现不同高度的透明支撑柱，同时可以根据需要的设计透明支撑柱的位置，从而实现周边框胶+盒内液晶+盒内均一分布的透明支撑柱，达到薄膜晶体管电路板液晶封装的过程盒厚均一效果。

Claims (10)

1.一种反射式纯相位液晶空间光调制器，其特征在于：包括上盖板玻璃、第二电极层、上取向层、液晶分子层、下取向层、第一电极层、像素电路层、下盖板玻璃和透明支撑柱；

所述上盖板玻璃、第二电极层、上取向层由上至下依次设置形成上基板，且上盖板玻璃上设置有遮光层；

所述下取向层、第一电极层、像素电路层、下盖板玻璃由上至下依次设置形成下基板；

所述透明支撑柱与第二电极层连接，其设置在液晶分子层中，排布在像素非开口区；

所述像素电路层采用大面阵薄膜晶体管TFT-LCD电路基板；

所述第一电极层包括反射层和设置在反射层两侧的保护层，用于实现TFT-LCD电路基板的反射式光路；

所述液晶分子层设置在上基板和下基板之间，且液晶分子层的四周设置有周边框胶，所述透明支撑柱、周边框胶和液晶分子实现盒厚均一。

2.根据权利要求1所述的反射式纯相位液晶空间光调制器，其特征在于：所述反射层为Ag层或Al层，所述保护层为ITO层或Ti层。

3.根据权利要求2所述的反射式纯相位液晶空间光调制器，其特征在于：所述第一电极层包括依次设置的ITO层、Ag层和ITO层，或者依次设置的ITO层、Al层和ITO层，或者依次设置的Ti层、Ag层和Ti层。

4.根据权利要求1或2或3所述的反射式纯相位液晶空间光调制器，其特征在于：所述上盖板玻璃、第二电极层之间设置有色阻层。

5.根据权利要求4所述的反射式纯相位液晶空间光调制器，其特征在于：所述透明支撑柱通过采用涂胶、光刻的方式在第二电极层上制作。

6.根据权利要求5所述的反射式纯相位液晶空间光调制器，其特征在于：透明支撑柱的形状为圆柱状、圆台状或椭圆条状。

7.根据权利要求6所述的反射式纯相位液晶空间光调制器，其特征在于：所述液晶分子层为ECB模式或VA模式，所述ECB模式为反平行配向和无手性剂的正性向列型液晶，所述VA模式为反平行配向和无手性剂的负性向列型液晶。

8.一种反射式纯相位液晶空间光调制器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备上基板；

1.1)在上盖板玻璃制作基准层，即制作遮光层；

1.2)在遮光层上制作第二电极层；

1.4)在第二电极层上制作透明支撑柱；

该步骤中，采用涂胶、光刻的方式在第二电极层上制作透明支撑柱；

步骤二、制备下基板；

2.1)在下盖板玻璃制作TFT-LCD像素电路层；

2.2)在TFT-LCD像素电路层上制作第一电极层；

所述第一电极层包括反射层和设置在反射层两侧的保护层，用于实现TFT-LCD电路基板的反射式光路；

步骤三、组合封装；

3.1)在第二电极层上制作上取向层形成上基板，在第一电极层上制作下取向层形成下基板；

若第一电极层为有机膜，有机膜上进行第一电极层蒸镀时选择高温真空镀膜，若第一电极层为无机膜，无机膜上进行第一电极层蒸镀时选择常温真空镀膜；

3.2)分别在上基板、下基板上涂布密封胶和滴注液晶材料；

3.3)对步骤3.2)处理后的上基板、下基板进行真空贴附；

3.4)对密封胶进行固化；

3.5)对步骤3.4)处理后的产品进行切割，切割至目标大小，完成制备。

9.根据权利要求8所述的反射式纯相位液晶空间光调制器的制作方法，其特征在于：步骤1.1)和步骤1.2)之间还包括以下过程：在基准层上继续制作色阻层。

10.一种反射式纯相位液晶空间光调制器的盒厚测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，用等厚保护层代替反射层；其次，将等效替代后的液晶盒当成透射式液晶盒进行盒厚测量，从而得到液晶盒厚。

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