CN113156679A - 空间光调制器 - Google Patents

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CN113156679A
CN113156679A CN202010013972.XA CN202010013972A CN113156679A CN 113156679 A CN113156679 A CN 113156679A CN 202010013972 A CN202010013972 A CN 202010013972A CN 113156679 A CN113156679 A CN 113156679A
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liquid crystal
spatial light
light modulator
frame
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陈皇铭
杨宙圃
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Siyuan Foundation Of Jiaotong University
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
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    • G—PHYSICS
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Abstract

一种空间光调制器，包括：面板及面板驱动器。面板包括超高像素密度背板及液晶层，其中超高像素密度背板包括具备至少4000PPI的像素阵列，液晶层包括具备第一优质因子值的超高优质因子液晶材料。面板驱动器连接至面板，用于执行面板快速驱动设计来驱动面板。

Description

空间光调制器
技术领域
本发明涉及空间光调制器的技术领域。
背景技术
对于目前的技术水平而言，空间光调制器必须满足低电压驱动、低液晶响应速度、高电驱动频率等条件，方可达到良好的相位光稳定性。然而随着科技发展，目前对于硅基液晶空间光调制器(liquid crystal on silicon spatial light modulator，LCOS-SLM)的应用上，有着更快速的全相位液晶响应速度以及更高的面板像素密度之需求。此外，目前市面上的空间光调制器采用数位驱动的方式来驱动，其相位光稳定性相对比类比驱动方式还要十分低落。然而，在超高像素密度的面板上采用类比驱动方式，很难达到高电驱动频率，因此造成相位时序扰动的抑制将会变得十分困难，再者，类比驱动在高速液晶响应的情况下，也相对比数位驱动方式较不容易达到高相位线性度。
有鉴于此，本发明提供一种改良的空间光调制器，来解决上述的问题。
发明内容
本发明一实施例提供了一种空间光调制器，其包含面板及面板驱动器。面板包含背板及液晶层，其中背板包含像素密度至少为4000PPI的像素阵列，液晶层包含具备第一优质因子值的液晶材料；面板驱动器电性连接至面板，已根据面板快速驱动设计来驱动面板；其中，第一优质因子值符合下列条件：
Figure BDA0002358168490000011
其中FoM-1定义为该第一优质因子值，Δn定义为该液晶材料的双折射率，γ1定义为该液晶材料的转动黏滞系数(rotational viscosity coefficient)，k11定义为该液晶材料的扩张时的弹性系数。
附图说明
图1是本发明一实施例的空间光调制器的基本结构示意图；
图2是沿着图1空间光调制器之A-A’剖线之部分剖面图；
图3是本发明一实施例的面板快速驱动设计的主要步骤流程图；
图4是本发明一实施例的驱动程序的执行步骤细节的流程图；
图5是本发明一实施例的不同像素密度的驱动参数的比较图；
图6是本发明一实施例的空间光调制器与比较例的实验测试比较图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1 空间光调制器
20 面板
21 背板
210 像素阵列
211 像素单元
22 反射层
23 第一配向层
24 液晶层
25 第二配向层
26 透明电极层
27 玻璃盖板
28 半反射膜
30 面板驱动器
32 驱动逻辑电路
33 存储器
34 驱动程序
S11～S12 步骤
S21～S25 步骤
具体实施方式
以下将通过多个实施例说明本发明的影像测试***与影像撷取卡的实施形态及运作原理。本发明所属技术领域中具有通常知识者，通过上述实施例可理解本发明的特征及功效，而可基于本发明的精神，进行组合、修饰、置换或转用。
本文所指的“连接”一词包括直接连接或间接连接等形态，且并非限定。本文中关于“当…”、“…时”的一词表示“当下、之前或之后”，且并非限定。
本文中所使用的序数例如“第一”、“第二”等的用词，是用于修饰请求元件，其本身并不意含及代表该请求元件有任何之前的序数，也不代表某一请求元件与另一请求元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一请求元件得以和另一具有相同命名的请求元件能作出清楚区分。
本文记载多个功效(或元件)时，若在多个功效(或元件)之间使用“或”一词，表示功效(或元件)可独立存在，但亦不排除多个功效(或元件)可同时存在的态样，换言之，只要描述的形态合理，“或”一词包含“及”的形态。
图1是本发明一实施例的空间光调制器1的基本结构示意图。如图1所示，空间光调制器1至少包含一面板20及一面板驱动器30。面板驱动器30可设置于一电路板上，并可包含一驱动逻辑电路32及一存储器33，且不限于此。面板驱动器30可电性连接于面板20，并用于驱动面板20。面板20包含一背板21，而背板21包含一像素阵列210。像素阵列210是由复数个像素单元211所组成，且像素阵列210具备至少4000英吋像素(pixels per inch，PPI)的像素密度。为使说明更清楚，在图1实施例中，当空间光调制器1放置于由第一方向(X方向)及第二方向(Y方向)形成的第一平面(XY平面)，面板20的显示面是平行于第一平面并朝向第三方向(Z方向或显示方向)。
在一实施例中，面板20可例如是一硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)面板，但并非限定。在一实施例中，背板21可以是一互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，以下简称CMOS)基板，亦即像素阵列210可以是CMOS阵列，像素单元211可以是CMOS单元，但在另一实施例中，背板21亦可以是一薄膜电晶体(thin-film transistor，以下简称TFT)基板或印刷电路板(printed circuitboard，以下简称PCB)，且不限于此。在一实施例中，背板21可采用穿透式背板技术或反射式背板技术，且不限于此。在一实施例中，面板驱动器30的驱动逻辑电路32可例如是一现场可编程逻辑闸阵列(field programmable gate array，以下简称FPGA)、特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，以下简称ASIC)或定制化调节晶片，且不限于此，据此，面板驱动器30具备可编程的特性。
本发明的特色之一在于，面板驱动器30是根据一面板快速驱动设计来驱动面板20。本发明的又一特色在于，面板20的部分元件具备特殊材质。
接着将详细说明面板20的特殊结构配置。图2是沿着图1空间光调制器1之A-A’剖线之部分剖面图，其用于说明面板20的细部结构于第三方向(Z方向)上的配置关系。如图2所示，面板20可包含背板21、一反射层22、一第一配向层23、一液晶层24、一第二配向层25、一透明电极(例如indium tin oxide，ITO)层26及一玻璃盖板27。沿着Z方向观之，反射层22可设置于背板21上，第一配向层23可设置于反射层22上，液晶层24可设置于第一配向层23上，第二配向层25可设置于液晶层24上，透明电极层26可设置于第二配向层25上，且玻璃盖板27可设置于透明电极层26上，但并非限定。
在一实施例中，背板21是超高像素密度的基板，其像素密度至少为4000PPI(亦即本发明空间光调制器1的面板20至少支持1920×1080的解析度)。在一实施例中，反射层22可用于将部分光线进行反射以提高面板20的反射率，且反射层22可包含金属材质，例如铝、银、铜、铬或钛等，但不限于此。在一实施例中，第一配向层23及第二配向层25可用于控制液晶层24中的液晶分子的排列情况，其中第一配向层23及第二配向层25可包含有机材料或无机材料，且第一配向层23及第二配向层25可包含一聚酰亚胺(polyimide，PI)层或氧化硅层(SiOx，x为正整数)；此处“氧化硅”包含所有“硅的氧化物”的形态，例如一氧化硅(SiO)、二氧化硅(SiO2)等，且不限于此。在一实施例中，透明电极层26可提供导电性或透光性，并可做为面板20的显示电极，其中透明电极层26可例如是ITO层，但不限于此。在一实施例中，玻璃盖板27可保护其下方的元件，并用于使光线透射。此外，在一些实施例中，玻璃盖板27上可进一步设置一半反射膜28，用于使部分光线穿透及使部分光线反射；此处“半反射”是指部分光线会穿透而部分光线会反射之态样，而非限定反射率为50％。
特别的是，本发明的液晶层24是具备超高优质因子(Figure of Merit，FoM)值的液晶材料。液晶材料可具备第一优质因子值(Figure of Merit-1，FoM-1)，其中第一优质因子值符合下列条件：
Figure BDA0002358168490000051
其中FoM-1定义为该第一优质因子值，Δn定义为液晶材料的双折射率，γ1定义为液晶材料的转动黏滞系数(rotational viscosity coefficient)，k11定义为液晶材料的扩张时的弹性系数(splay elastic constant)。
由第一优质因子值的条件可知，液晶材料较佳为高双折射率(Δn)的液晶，其特性是可展现高度线性的电光响应(electrical-optical，EO)，使本发明的空间光调制器1具备较为佳的相位线性度。
在一实施例中，液晶材料可进一步具备一第二优质因子(Figure of Merit-2，FoM-2)值，其中第二优质因子值符合下列条件：
Figure BDA0002358168490000052
其中FoM-2定义为该第二优质因子值，Δ∈定义为液晶材料的介电异方性。
由第一优质因子值或第二优质因子值的满足条件可知，空间光调制器1所使用的超高优质因子液晶可具备超双折射率，相较于公知技术的产品，本发明的面板20的液晶分子之间的液晶间隙(cell gap)将可减少，如此可加快液晶响应速度以及抑制边缘场效应(fringing field effect)。在一实施例中，面板20的液晶分子之间的液晶间隙(cell gap)可介于1.48至2.10微米之间(1.48μm≦cell gap≦2.10μm)，但不限于此。由于液晶间隙可减少，面板20的液晶盒间隙与像素单位间距比(cell gap to pitch，d/p)亦可减少，因此液晶的空间形变现象亦可被降低。
此外，由于超高优质因子的液晶材料亦具备使液晶的相位线性度更接近理想值的特性，本发明的空间光调制器1亦可维持良好的相位线性度。
接着将针对面板快速驱动设计的部分进行说明。
首先说明面板快速驱动设计的实现方式。在一实施例中，面板快速驱动设计的内容可由一驱动程序34来实现，其中驱动程序34可例如是一软体、一韧体或软硬体介面所能读取的参数设定档案文件。驱动程序34可储存于面板驱动器30的存储器33之中，而当驱动程序34被执行时，驱动逻辑电路32即可依照面板快速驱动设计的内容来驱动面板20。在一实施例中，驱动程序34可包含复数个指令，使驱动逻辑电路32可依照该等指令来驱动面板20。在一实施例中，驱动程序34可包含多个子程式。此外，当驱动程序34为软体或韧体时，其可由各种编程语言编写而成，且其程序代码如何撰写并无限制；换言之，只要能实现面板快速驱动设计之软体或韧体即属于本发明保护的范围。在另一实施例中，面板驱动器30的存储器33具备可更改的参数设定文件，以让驱动程序34中的部分参数被修改。本发明不限于此。
接着将说明面板快速驱动设计的内容。图3是本发明一实施例的面板快速驱动设计的主要步骤流程图，并请同时参考图1及图2。
如图3所示，驱动程序34包含步骤S11：使面板20执行一第一驱动条件，其中一第一驱动条件是使面板20的输入画面更新率(Input Frame Rate)符合下列算式：
Input Frame Rate＝[Tclks]×Repeat，
其中Input Frame Rate定义为该输入画面更新率，其可对应同一画面的一实际显示期间；Tclks定义为单一画面的一定址频率(addressing frequency)或定址时间(addressing time)，其可对应该单一画面的一驱动期间；Repeat定义为该单一画面于该画面实际显示期间内的重复驱动次数。
通过第一驱动条件，在画面实际显示期间内，面板20将重复显示相同的单一画面，亦即该单一画面的驱动电压重复被施加，因此画面的亮度将可维持一定的稳定度，进而能减少驱动电压随着时间下降所造成的闪烁(fliker)问题，使得相位光稳定性被维持住。
此外，为使第一驱动条件能顺利执行，驱动程序34亦包含步骤S12：使面板20执行一第二驱动条件，其中第二驱动条件是使面板20的定址时间符合下列算式：
Figure BDA0002358168490000071
其中参数mclksperrow定义为分配给该像素阵列210的每一列的资料写入的一存储器时钟数目(memory clocks)，参数mclkfreq定义为一存储器时钟频率(memory clocksfrequency)，参数swp定义为该像素阵列210的所有列的一分割数量(例如像素阵列210的所有列将被分割为几个部分)，参数twgt定义为一资料输入权重值，以对应一影像资料输入至该像素阵列时的分配情形。此外，
Figure BDA0002358168490000072
可视为像素阵列210中的一列像素所对应的存储器的读取单位时间；
Figure BDA0002358168490000073
可视为一个屏幕(screen)所对应的存储器的读取单位时间，例如一画面范围(即整个像素阵列210)在接收影像资料前的存储器的读取单位时间；
Figure BDA0002358168490000074
可视为一画面范围的驱动时间(包含了接收影像资料的过程)，其中参数twgt是一数位定址序列，其可呈现像素阵列210被分割的各部分所各自取得的部分影像资料。
在一实施例中，像素阵列210的该等像素列可被均等分割，但亦可根据一预设值而依照特定比例分割。在一实施例中，参数twgt的内容或该等像素列如何被分割的内容可通过一序列位元平面驱动语法“LSB(least significant bit、binary counted bit)-STH(similar thermometer)-THM(thermos meter、linear counting)-WTB(write to black)”来设计，但不限于此。关于序列位元平面驱动语法的细节，可参考文献“R.Lo,E.L.Hudson,M.Stover,S.-Y.Hong,and D.C.McDonald,“System and method for pulse-widthmodulating a phase-only spatial light modulator,”U.S.patent,9918053(以下简称文献一)”，在此不再详述。
需注意的是，前述步骤S11及S12的执行顺序仅是举例，实际上步骤S11及S12的执行顺序可变更或同时执行。
接着将针对驱动程序34的实际执行过程进行说明。图4是本发明一实施例的驱动程序34的执行步骤细节的流程图，并请同时参考图1至图3。驱动程序34的实际执行步骤包含步骤S21至S25。步骤S21为：设定面板20的输入画面更新率。步骤S22为：设定面板20的定址时间。步骤S23为：根据预设的序列位元平面驱动语法设定资料输入权重值(twgt)。步骤S24为：通过一查找表(look-up-table，LUT)调整面板20的相位线性度。步骤S15为：通过前述步骤S21至S24所设定好的参数来驱动面板20。上述步骤的顺序仅是举例，实际上只要合理可实现，步骤的顺序可调换或可同时进行。
在一实施例中，步骤S21是用于设定输入画面更新率的数值，其中输入画面更新率是预设为60赫兹(Hz)，但并非限定。在一实施例中，输入画面更新率可依照使用者的需求进行调整，例如可调整储存于存储器33的参数设定档案文件中关于输入画面更新率的设定参数，且不限于此。在一实施例中，本发明可通过调整面板驱动器30与面板20的讯号介面之间的一像素时钟频率(pixel-clock frequency)来控制须驱动的像素单元211的数目以及输入画面更新率，但并非限定。
关于步骤S22，在一实施例中，定址时间是依照第二驱动条件来设定，其中第二驱动条件可视为面板20的定址频率，同时此条件也是面板20的光波动频率(opticalfluctuation frequency)。在一实施例中，面板20的存储器写入时间(亦即参数
Figure BDA0002358168490000081
)需设定为小于面板20的一画面更新时间(
Figure BDA0002358168490000082
其中參數iclksperrow定义为一像素列进行影像更新的时钟数目，参数iclkfreq定义为一像素列进行影像更新的频率)，以避免因存储器写入资料的时段与画面更新的时段重叠，而造成面板驱动器30端产生不需要的杂讯。
关于步骤S23，在一实施例中，存储器33可预存有序列位元平面驱动语法，而驱动逻辑电路32可根据面板20的大小而从序列位元平面驱动语法中找出对应的资料输入权重值(twgt)，但不限于此。在一实施例中，资料输入权重值(twgt)的大小是与像素阵列210的像素密度呈现正向关系。图5是本发明一实施例的不同像素密度的驱动参数(例如第二驱动条件中的参数)的比较图，并请同时参考图1至图4。如图5所示，当空间光调制器1为2K解析度时，其资料输入权重值(twgt)可为1083，而当空间光调制器1为4K解析度时，其资料输入权重值(twgt)可为2164，因此当像素密度越大，其预设的资料输入权重值(twgt)也会越大。在一实施例中，资料输入权重值(twgt)至少为1080，以对应像素阵列210的最小像素密度(例如4000PPI)。
关于步骤S24，在一实施例中，通过查找表，可使面板20的灰阶值与相位值呈现一线性关系。在一实施例中，面板20的各灰阶值的光强度可通过一光电探测器(photodetector)进行量测并被转换为相位值，而各灰阶值所对应的相位值可进一步与查找表中预设各灰阶值的理想值进行比较，并依照差异进行校正，但本发明不限于此。在一实施例中，各灰阶值所对应的相位值与查找表的理想值之差异可通过平均相位准确度误差(average phase accuracy error，APAE)和方均根(root-mean-square，RMS)来进行评估。
当步骤S21至S24执行后，面板快速驱动设计的各种参数可被设定完成，驱动逻辑电路32可执行步骤S25，依照面板快速驱动设计来驱动面板20。
据此，在一实施例中，通过采用高优质因子的液晶材料做为液晶层24以及使用面板快速驱动设计来驱动面板20，本发明的空间光调制器1可同时达成“快速的液晶响应速度”、“全相位电压”、“超高像素密度面板”、“高相位稳定度”、“高相位线性度”、“高相位准确度”及“可适用逻辑驱动及数位驱动”等功效。需注意的是，本发明所保护的产品并不限于必须同时具备上述功效。
关于“快速的液晶响应速度”的功效，其达成条件之一在于使用高优质因子的液晶材料。通过高优质因子的液晶材料的特性，液晶分子可在液晶盒间隙较小的情况下，即便在较低电压(～2V)的条件，依然提供10ms以下的液晶全相位响应速度。相较之下，一般市面上小于10ms的液晶反应时间的空间光调制器都需要通过较大的电压(>5V)来驱动。本发明不限于此。
关于“全相位电压”的功效，其达成条件之一在于当使用面板快速驱动设计时，用于驱动面板20的驱动电压必须符合特定条件。在一实施例中，驱动电压包含一高电位帧(Vw)及一低电位帧(Vb)，其中高电位帧(Vw)介于2至8V之间(2V≦Vw≦8V)，低电位帧(Vb)介于0.1至3V之间(0.1V≦Vb≦3V)。此外，在一实施例中，高电位帧(Vw)与低电位帧(Vb)之间的差异须不大于5V(|Vw-Vb|≦5V)，且不小于1V(|Vw-Vb|≧1V)。本发明不限于此。
关于“超高像素密度面板”的功效，其达成条件之一在于面板快速驱动设计的资料输入权重值之设定，当像素密度越高时，资料输入权重值也会随之提高，因此面板20的定址时间亦随之调整，进而使得面板20的驱动能符合其像素密度之需求，而所谓的超高像素密度主要是称≧4000PPI且面板解析度≧1920x1080。本发明不限于此。
关于“高相位稳定度”的功效，其达成条件之一在于，在面板20显示一个画面的实际显示期间内，需重复显示同一画面，以维持该画面的驱动电压，亦即面板20的驱动必须符合第一驱动条件，以此降低画面的静态闪烁所造成的相位不稳定的问题。此外，“高相位稳定度”的另一达成条件在于，面板20的定址时间须短于全灰阶下最快的液晶响应时间条件(亦即为Tr)，以避免以液晶动态切换时干扰面板的一电定址程序，另外存储器读取时间也须短于切换画面的运作时间，以避免电定址程序之讯号重叠的问题。本发明不限于此。
关于“相位线性度良好”的功效，其达成条件之一在于，使用高优质因子的液晶材料。通过高优质因子的液晶材料的特性，在其可适应面板20的液晶盒间隙与像素间距比(d/p)减少的情况。对于一般非高优质因子的液晶材料而言，液晶盒间隙与像素间距比(d/p)减少是一艰难条件，因为此条件须要更大的电压条件达到全相位调变，此时反应时间变大，另外液晶非线性特性也明显，也因此一般非高优质因子的液晶材料较难达到高相位线性度。相较之下，本发明在此条件下依然可以达到高相位线性度，其中相位线性度与d/p的关系可现有文献的相关记载。此外，“相位线性度良好”的另一达成条件在于，高优质因子的液晶材料具备高双折射率(双折射率)，可提供较为线性的电光响应(EO)。「相位线性度良好」的又另一达成条件在于，本发明的驱动程序34执行了步骤S24，利用查找表来调整相位线性度。本发明不限于此。
关于“高相位准确度(Phase precision)”，由于相位准确度与面板20的均匀性相关，而本发明可以通过使用高优质因子的液晶材料达到较薄液晶盒间隙，以达到上述功效。过往其他研究虽试图发展更薄液晶盒间隙的LCOS-SLM，但这些研究并无法控制面板均匀性以达高相位准确性标准(mSTD<0.04π)，也造成上述功效无法彰显出来。本发明之所以可以彰显以上功效，精准量化改良后的LCOS-SLM的数据，是通过本发明机构的高品质LCOS-SLM对组技术以达到高面板均匀性，因此可排除相位精准度差时造成的数据分析的干扰。本发明不限于此。
关于“可适用逻辑驱动及数位驱动”的功效，其达成条件之一在于使用了面板快速驱动设计。通过面板快速驱动设计，当面板20由数位方式驱动时，并不会产生现有产品造成相位不稳定的问题，而当面板20由逻辑方式驱动时，亦能够在诸多艰难条件下，依然保持高相位线性度，因此本发明可适用逻辑驱动及数位驱动。
因此，本发明可解决公知技术无法解决的问题。
通过上述功效，空间光调制器1的面板20可具备许多应用形态，这些应用形态可与现有产品产生极大差异，以下以一些例子进行说明。
在一实施例中，空间光调制器1的面板20是设计为通过一液晶响应速度及维持一相位稳定性来进行驱动，其中面板20的液晶响应速度不大于10ms，该相位稳定性对应一平均相位峰对峰值(average peak to peak value，Ave P-P)，且该平均相位峰对峰不大于3个百分比(Ave P-P≦3％)，现有产品若要达到此相位稳定性标准，则通常需要3倍左右的反应时间。另外，现有产品并无法兼具液晶响应速度低于10ms且高相位稳定性的效果，以HEP公司近年也试图开发快速反应的LETO-VIS-017为例，虽然其液晶响应速度约为6ms，但其相位稳定性误差大于20个百分比(Ave P-P>20％)。据此，本实施例的空间光调制器1已克服了现有技术无法克服的问题。
在另一实施例中，空间光调制器1的面板20是设计为通过一全相位操作电压及维持一相位稳定性来进行驱动，其中该全相位操作电压包含一高电位帧(Vw)及一低电位帧(Vb)，高电位帧(Vw)介于2至8V(2V≦Vw≦8V)，低电位帧(Vb)介于0.1至3V(0.1V≦Vb≦3V)，本实施例为Vw＝2.1，Vb＝0.7时，该相位稳定性对应一平均相位峰对峰值(average peakto peak value)，且该平均相位峰对峰不大于3个百分比(3％)。在一实施例中，高电位帧(Vw)与低电位帧(Vb)之间的差异不大于5V(|Vw-Vb|≦5V)。在一实施例中，该面板20更设计为通过数位驱动方式来进行驱动，其中高电位帧(Vw)可对数位逻辑状态1，该低电位帧(Vb)可对应数位逻辑状态0，但并非限定。由于现有产品并无法兼具在较高的电位帧(Vw)>2.0V条件下的全相位操作电压及高相位稳定性的效果，据此，本实施例的空间光调制器1已克服了现有技术无法克服的问题。
在又另一实施例中，该面板20更设计为通过一液晶响应速度、维持一相位线性度以及维持一相位准确度来驱动该面板，其中该液晶响应速度不大于10ms，该相位线性度对应一APAE(average peak to peak)值，且该APAE不大于1.5个百分比(1.5％)，该相位准确度对应一mSTD(mean standard deviation)值，该mSTD值不大于0.04π(mSTD≦0.04π)。现有产品并无法兼具维持高相位线性度、高相位准确度及快速的液晶响应速度的效果，以HMP(Hamamatsu Photonic)公司的现有产品(例如SVGA系列或SXGA系列)来举例，其虽能维持相位线性度及相位准确度，但其液晶响应速度已大于30ms；又以MLO(Meadowlark Optics)公司的现有产品(例如HSP1920系列)来举例，其虽能提高液晶响应速度及达到高相位稳定性，但其相位线性度对应APAE值约为10～15％，而相位准确度对应的mSTD值为λ/20，并不符合需求。据此，本实施例的空间光调制器1已克服了现有技术无法克服的问题。
为了进一步验证本发明的效果，以下以一实验结果做为验证范例。图6是本发明一实施例的空间光调制器1与比较例的实验测试比较图，并请同时参考图1至图5。在图6中，本实施例的空间光调制器1是一实验机，以“NCTU TKS”来代称，而比较例分别是JDC(JasperDisplay Corporation)公司的2KSRK系列产品及HEP(Holoeye Photonics)公司的LETO系列产品，各自以“JDC 2KSRK”及“HEP LETO”来代称。此外，实验参数设定如下：“NCTU TKS”的液晶材料的双折射率(Δn)设定约为0.386，其介电异方向性(Δ∈)设定约为15.6，其液晶盒间隙与像素间距比(d/p)设定约为0.28，其驱动电压的高电位帧(Vw)设定约为2.1V且低电位帧(Vb)设定约为0.7V；“JDC 2KSRK”的液晶材料的双折射率(Δn)约为0.202，其介电异方相性(Δ∈)约为10.1，其液晶间隙与旋距比(d/p)约为0.59，其驱动电压的高电位帧(Vw)约为4.43V且低电位帧(Vb)约为0.84V；“HEP LETO”的液晶材料的双折射率(Δn)约为0.217，其介电异方相性(Δ∈)约为40.0，其液晶间隙与旋距比(d/p)约为0.38，其驱动电压的高电位帧(Vw)约为1.55V且低电位帧(Vb)约为0.45V。关于实验环境的其它细节属于该领域技术人士可知的部分，在此不再详述。
如图6所示，在相位线性度方面，“JDC 2KSRK”的APAE值约为0.03π，“HEP LETO”的APAE值约为0.04π，“NCTU TKS”的APAE值约为0.01π，本发明产品的相位线性度明显较好。在相位准确度方面，“JDC 2KSRK”的mSTD值约为0.03π，“HEP LETO”的mSTD值约为0.04π，“NCTUTKS”的mSTD值约为0.04π，三者差异不大。在液晶响应时间方面，“JDC 2KSRK”的液晶响应速度约为26.44ms，“HEP LETO”的液晶响应速度约为25.88ms，“NCTU TKS”的液晶响应速度约为7.11ms，本发明产品的液晶响应速度大幅优于其它二者。在相位稳定性方面，“JDC2KSRK”的P-P值约为5％，“HEP LETO”的P-P值约为3.3％，“NCTU TKS”的P-P值约为2.6％，本发明产品具备较佳的相位稳定性。据此，本发明产品可在兼具相位稳定性、相位准确度及相位线性度的情况下，仍具备高速的液晶响应速度，达成现有产品皆无法达成的功效。
在一实施例中，本发明的空间光调制器1可应用于例如色序式显示、全像显示、VR显示或AR显示器与投影设备等显示科技产业之产品，又例如无光罩光全像光微影蚀刻***或深度光3D列印***等光微影产业之产品，又例如SLM增益显微镜、望远镜等成像***、生医光镊(光焊)***或3D绕射光阵列(Tx)与3D光场影像增益(Rx)等光学感测暨影像处理与检测产业之产品，又例如绕射光增益WSS ROADM网路***等光通讯产业之产品上，又例如绕射光深度神经网络(全光运算)执行深度学习运算等光运算产业之产品上，且不限于此。
由此，本发明提供一种改良的空间光调制器，通过材料本身的改良及搭配特殊的驱动方法，本发明产品能解决公知技术无法解决的问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间光调制器，其特征在于，包含：
一面板，包含：
一背板，包含一像素阵列，其中该像素阵列的一像素密度为至少4000英吋像素(pixelsper inch，PPI)的像素密度；
一液晶层，包含一液晶材料，其中该液晶材料具备一第一优质因子值(Figure ofMerit-1，FoM-1)；
一面板驱动器，电性连接至该面板，以根据一面板快速驱动设计来驱动该面板；
其中，该第一优质因子值符合下列条件：
Figure FDA0002358168480000011
其中FoM-1定义为该第一优质因子值，Δn定义为该液晶材料的双折射率，γ1定义为该液晶材料的转动黏滞系数(rotational viscosity coefficient)，k11定义为该液晶材料的扩张时的弹性系数。
2.如权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，该液晶材料更具备一第二优质因子值(FoM-2)，且该第二优质因子值符合下列条件：
Figure FDA0002358168480000012
其中FoM-2定义为该第二优质因子值，Δ∈定义为该液晶材料的介电异方性(dielectric anisotropy)。
3.如权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，该面板快速驱动设计包含使该面板的一输入画面更新率(input frame rate)符合下列条件：
Input Frame Rate＝[Tclks]×Repeat，
其中Input Frame Rate定义为该输入画面的一实际更新率，以对应一画面实际显示期间，Tclks定义为一子画面的一定址频率(addressing frequency)，以对应该子画面的一驱动期间，Repeat定义为该子画面于该画面实际显示期间的重复显示次数。
4.如权利要求3所述的空间光调制器，其特征在于，该定址频率更设定为符合下列条件：
Figure FDA0002358168480000021
其中mclksperrow定义为分配给该像素阵列的每一列的资料写入的一内存时钟数目(memory clocks)，mclkfreq定义为一内存时钟频率(memory clocks frequency)，swp定义为该像素阵列的所有列的一分割数量，twgt定义为一资料输入权重值，以对应一影像资料输入至该像素阵列时的分配情形。
5.如权利要求4所述的空间光调制器，其特征在于，该资料输入权重值是设定为与该像素阵列的该像素密度成正向关系。
6.如权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，该面板更包含一配向层及一玻璃盖板，其中该配向层设置于该液晶层上，该玻璃盖板设置于该配向层上，且该驱动逻辑电路包含一现场可编程逻辑闸阵列(field programmable gate array，FPGA)或特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)，该配向层包含一聚酰亚胺(polyimide，PI)层。
7.如权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，该面板是设计为通过一液晶响应速度及维持一相位稳定性来进行驱动，其中该液晶响应速度不大于10ms，该相位稳定性对应一平均相位峰对峰值(average peak to peak value)，且该平均相位峰对峰不大于3个百分比(3％)。
8.如权利要求1所述的空间光调制器，其中该面板是设计为通过一全相位操作电压及维持一相位稳定性来进行驱动，其中该全相位操作电压包含一高电位帧(Vw)及一低电位帧(Vb)，该高电位帧介于2至8V，该低电位介于0.1至3V，该相位稳定性对应一平均相位峰对峰值(average peak to peak value)，且该平均相位峰对峰不大于3个百分比(3％)。
9.如权利要求8所述的空间光调制器，其中该面板更设计为通过一数位驱动方式来驱动该面板，其中该高电位帧对数位逻辑状态1，该低电位帧对应数位逻辑状态0。
10.如权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，该面板更设计为通过一液晶响应速度、维持一相位线性度以及维持一相位准确度来驱动该面板，其中该液晶响应速度不大于10ms，该相位线性度对应一APAE值(average peak to peak value)，且该APAE不大于1.5个百分比(1.5％)，该相位准确度对应一mSTD值，该mSTD值不大于0.04π。
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