專利名稱：一種新型硅基液晶彩色微顯示器件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光電領域，特別是一種新型硅基液晶反射式彩色微顯示器件。
近年來，高清晰度電視(HDTV)的技術發展非常迅速，發展起了許多新型的顯示技術，如等離子體顯示(PDP)技術、薄膜晶體管(TFT)顯示技術、數字微反射鏡顯示(DMD)技術、以及硅基液晶反射式(LCOS)顯示技術等等。其中，LCOS顯示技術由于是由已非常成熟的硅基底CMOS工藝和液晶灌裝工藝組合而成的，因而具有分辨率高、成本低、容易實現大規模生產等優點，受到人們的青睞，被公認為是下一代的主流顯示技術之一。
但目前的LCOS芯片都是單色的，要實現彩色顯示，通常是采用一套較復雜的光學系統，先將白色光分成紅、綠、藍三基色光，分別投射到三塊LCOS芯片上，然后再將這三束光合成彩色圖象。這種彩色顯示方法有著機構較復雜、成本較高、性能不夠穩定等缺點。針對這種情況，專利申請01246153.9提出了將微型彩色濾光片列陣集成進LCOS芯片中去，直接構成彩色LCOS器件的設想，具有結構簡單、成本低廉、性能穩定等特點。由于目前LCOS芯片的象元形狀都是正方形，利用這種象元形狀的LCOS芯片直接做成彩色LCOS器件，其顯示圖像會有部分被拉伸而發生失真，雖然這種失真可以通過投影光學系統來加以矯正，但畢竟會增加光學設計的難度。
本實用新型是專利申請01246153.9的進一步改善，其目的在于提供一種新型的無失真的彩色LCOS顯示芯片器件。
本實用新型的目的通過如下技術方案來實現將一塊用CMOS工藝制作的帶有可尋址金屬反射層象元的硅基片(LCOS基片)，與另一塊鍍有微型多層介質光學干涉濾光片列陣和透明導電層的透明玻璃基底的鍍膜面分別涂布上液晶定向層并作定向處理。所述的微型多層介質光學干涉濾光片列陣上的微型濾光片共分三類，分別透過紅、綠、和藍三基色光，而對其它波長的光則均為反射。其每個微型濾光片的形狀、尺寸均與上述LCOS基片上的金屬反射層象元面相同或接近，并呈一一對應關系。每三片微型濾光片(紅、綠、藍)構成一基本象素單元。每個基本象素單元為正方形結構或蜂窩狀結構，均勻整齊地排列而構成無失真的圖像顯示面。然后再將這兩塊已作好定向處理的基片面對面，并使微型濾光片與LCOS金屬反射層象元一一對應并準直地封裝在一起，中間灌注上液晶層，組成本實用新型的LCOS與微型濾光片列陣組合器件。當白偏振光照射到該組合器件時，一部分光被微型濾光片反射回去，并且不改變其偏振方向，而另一部分光則透過微型濾光片，并穿過液晶層到達LCOS基片的金屬反射層上后，再被反射回去，該反射光的偏振方向會隨液晶層所加的電壓不同而發生變化。因此，采用一個偏振分光棱鏡，可將該部分反射光與沒有經過液晶層的反射光區分開來。這部分經過液晶層的反射光由于已經過液晶調制，帶有圖像信息，因而可直接經過一成象系統，作彩色顯示用，而那部分沒有經過液晶層的反射光則被反射回去，通過一定的裝置可將該部分光能量回收，并反射回來重復利用。
本實用新型的
如下圖1為本實用新型的微型彩色顯示器件的截面結構示意圖。
圖2為以前技術的微型濾光片列陣的平面排列分布示意圖。(其中a為品字型排列；b為梳狀排列)圖3為本實用新型的微型濾光片列陣的平面排列分布示意圖。(其中a為正方形排列；b為蜂窩狀排列)圖4為一種蜂窩狀排列的象素基本單元的結構示意圖。
以下結合附圖對本實用新型作詳細闡述。但并不限制本實用新型的內容。
圖1是本實用新型的微型彩色顯示器件的截面結構示意圖。首先在一塊對角線尺寸約為10毫米～50毫米大小的硅片1上用CMOS工藝制作可尋址的象元陣列，然后在各象元上再鍍上金屬反射鏡2，這些金屬反射鏡不僅可作光的反射層，同時也是金屬電極，可通過尋址驅動電路的控制使它們分別加上不同的電壓。另外在一塊與上述硅基片尺寸相仿的透明玻璃基底7上，用光刻和真空鍍膜相結合的方法，制作上紅綠藍三色微型濾光片列陣6。每片微型濾光片均由多層介質光學薄膜制成，分別透過紅光、綠光、和藍光，而對可見區域其它光譜則均為高反射。這些微型濾光片的數量、形狀、尺寸和排列方式均與上述硅基底上的金屬反射鏡象元的數量、形狀、尺寸和排列方式相一致，形成一一對應關系。將該彩色微型濾光片列陣作平面化處理后，在其上再鍍上一層透明導電膜5，然后再與上述帶有金屬反射鏡象元列陣的硅基底一起，在其表面均涂布上一層液晶定向層3(材料為聚酰亞胺或類似材料)，并經過定向處理(機械磨擦或其它方法)后，將這兩塊基底面對面的合在一起，中間間隔距離在0.5微米至10微米之間，并使微型濾光片與金屬反射鏡一一對應，并對準、對齊。在中間間隔中灌注進液晶材料4，并將周邊密封，即制成微型濾光片列陣與LCOS基片的組合器件。當一白色線偏振光從玻璃基底一端垂直入射時，其一部分光譜的光被微型濾光片反射回去，(例如照射到紅光濾光片上的光線，其綠光和藍光部分被反射回去) 且不改變其偏振方向，而另一部分光譜的光則透過微型濾光片(例如照射到紅光濾光片上的光線的紅光部分)，并穿過液晶層，最后被象元上的金屬反射鏡反射回去，該部分反射光由于經過液晶層，被液晶層所調制，即其偏振方向會隨液晶層上所加的電壓而變化。利用該偏振效應，可以實現彩色圖象的顯示。而那部分直接被微型濾光片反射回去且不改變其偏振方向的光，則被反射回照明系統，通過設置一些反射裝置，可以將該部分再次反射回來加以重復利用，從而提高光能量的利用效率。另外，在各象元的微型濾光片之間的間隙8上(間隙距離約在0.3～1微米之間)鍍上非透明鍍層，如鋁、鉻、鎳、銅等等，可以減少漏光，從而進一步改善該器件的圖象質量，提高圖象對比度和信噪比。還可以保護硅基片上的集成電路，使其免受強光照射而引起的性能衰退，延長使用壽命。(參見專利申請01139206.1)在以前技術中(見專利申請01246153.9)，每個象元的形狀均為正方形，每三個象元(紅綠藍)以梳狀(見附圖2(a))或者品字狀(見附圖2(b))排列方式組成一個基本象素單元，進而構成整個顯示畫面。但這種正方形形狀的象元無論以何種方式排列，均會帶來顯示畫面圖像的失真變形。如一個長寬比為4∶3的輸入畫面圖像，在以附圖2(a)的梳狀排列方式顯示畫面時，其顯示出的畫面圖像長寬比變形為4∶1。而在以附圖2(b)的品字狀排列方式顯示畫面時，則其顯示出的畫面圖像長寬比會變形為1∶1。雖然這種失真變形可以通過投影光學系統來加以矯正，但是這種矯正會增加投影光學系統的復雜性，增加投影光學系統的成本，還有可能降低投影圖像的畫面質量。
要想獲得無失真的顯示畫面圖像，必須改變原有設計的象元形狀。附圖3(a)是一種新型無失真的彩色LCOS器件的象元形狀和排列方式，它的每個象元形狀是長寬比約為3∶1的長方形，每三個長方形的象元(紅綠藍)組成一個正方形的基本象素單元。因而，它不會引起顯示畫面圖像的變形失真。而且，在保持這紅綠藍三個象元的寬度之和不變(等于其長度)的前提下，通過適當改變這三個象元的寬度之比，可以調整投影圖像的色調平衡和補償。例如目前的投影顯示系統的照明光源通常為超高壓汞燈，而超高壓汞燈的發射光譜中紅光的光譜分量明顯低于綠光和藍光的光譜分量，因此可以通過適當增加紅色象元的長方形的寬度，而相應減少綠色和藍色象元的寬度，以提高紅色象元的面積占總面積的比例，從而進行色補償，以達到色平衡。附圖3(a)所示的象元形狀的一個缺點是長寬比的比值過高。對于微型顯示器件來說，其象元形狀的最小尺度受到微電子加工工藝的限制。特別是對于微型液晶顯示器件來說，其象元形狀的最小尺度還受到液晶分子尺度的限制。顯然，長寬比過高的象元形狀不利于顯示器件的進一步集成。因此，如附圖3(a)所示的象元形狀只適用于較少象素(即較低分辨率)的圖像顯示。
附圖3(b)所示的是一種適合于較多象素(即較高分辨率)圖像顯示的彩色LCOS器件的象元形狀和排列方式。它的紅綠藍三個象元的形狀均為平行四邊形，紅綠藍三個象元的平行四邊形合在一起組成一個六邊形的基本象素單元，各基本象素單元再以蜂窩狀結構排列組合成整個顯示面。在合成整個顯示面后，這基本象素單元有一個等效長度和等效寬度。通過調整這基本象素單元的六邊形的內角度值和各邊長，可以使其等效長度和等效寬度之比接近于1，因而不會引起顯示畫面的變形失真。而且通過調整這基本象素單元的六邊形的內角度值和各邊長，可以改變各顏色的象元在總顯示面積中所占的比例，從而可以進行色補償，調整色彩平衡。這種蜂窩狀排列結構的優點是各象元的平行四邊形的邊長長度接近，因此有利于做得更密集，以得到更多象素，更高分辨率。
附圖4是這種排列結構的一個實例，它的一個基本象素單元是由紅綠藍三個菱形的象元組成的六邊形，這六邊形的六條邊長相等，通常在4～10微米之間。綠9、藍10兩個象元菱形的形狀相同，且各有一個內角在53°左右，而另一個象元，即紅色象元11的菱形有一個內角在74°左右。這樣，這個六邊形的基本象素單元在以蜂窩狀結構排列起來后，其每個基本象素單元的等效長度和等效寬度之比非常接近于1，即這個結構不會帶來圖形失真變形。而且，各象元菱形的邊長相等，有利于器件的進一步集成。另外，紅色象元的面積比綠色象元和藍色象元的面積略大(紅色象元的面積約是綠色象元面積的1.11倍)，這有助于改善由于照明光源中紅光光譜能量較弱引起的投影圖像中紅色分量缺乏的視覺效果。另外，在各象元的微型濾光片之間的間隙12上(間隙距離約在0.3～1微米之間)鍍上一層非透明鍍層，如鋁、鉻、鎳、銅等等，可以減少漏光，從而進一步改善該器件的圖象質量，提高圖象對比度和信噪比。
本實用新型具有如下優點1.可以方便地實現單芯片的彩色顯示方案。
2.可以大大簡化目前彩色投影裝置中的光學系統部分，從而有效地提高了可靠性，減少了體積，并可大大降低成本。
3.可以保持投影圖像不失真變形。
4.可以有效地提高光的利用效率，從而可大大降低光源的能耗，并可大大減少由于光源發熱而引起的一系列副作用。
5.可以補償由于照明光源或光學系統帶來的色彩不平衡。
6.可以延長微顯示器件的使用壽命。
7.可以在臺式電腦、家用電視機、商用投影系統、以及頭戴式顯示裝置等方面得到廣泛應用。
權利要求1.一種微型硅基液晶反射式彩色微顯示器件，包括帶有集成電路結構的硅基底芯片、金屬反射鏡列陣、液晶定向層、液晶層、液晶定向層、透明導電層、微型紅、綠、藍三基色彩色濾光片列陣、玻璃基片，其特征在于a)是將一片鍍有金屬反射鏡列陣的帶有集成電路結構的硅基底芯片和另一片鍍有微型彩色濾光片列陣和透明導電層的玻璃基片，分別在其表面涂布液晶定向層，并進行定向處理后再封裝成一體，中間灌注入0.5微米～10微米厚的液晶材料層；b)微型彩色濾光片列陣的象元形狀與金屬反射鏡列陣的象元形狀相同，并在封裝時對準，呈一一對應關系；c)其金屬反射鏡列陣的各象元同時也可以作為金屬電極并可由其底下硅基底芯片上的集成電路進行尋址，從而分別加上一定的直流電壓或電壓脈沖。
2.如權利要求1所述的微型硅基液晶反射式彩色微顯示器件，其特征在于其微型彩色濾光片列陣是由紅綠藍三基色三種形狀相同或不相同的微型濾光片組合而成，且其中的每個微型濾光片均由兩種或兩種以上的不同折射率的介質薄膜交替組合而成，其膜層總厚度在1微米～5微米之間。
3.如權利要求1所述的微型硅基液晶反射式彩色微顯示器件，其特征在于其微型彩色濾光片之間的間隙約在0.3～1微米之間，并鍍有非透明鍍層，非透明鍍層的材料可以是但不限于鋁、鉻、鎳、銅。
4.如權利要求1所述的微型硅基液晶反射式彩色微顯示器件，其特征在于其微型彩色濾光片列陣的每個基本單元形狀均為由紅、綠、藍三個長與寬之比約為3的長方形微型濾光片組成的正方形結構，且整個列陣為該正方形結構的基本單元緊密排列而成的方形結構。
5.如權利要求1所述的微型硅基液晶反射式彩色微顯示器件，其特征在于其微型彩色濾光片列陣的每個基本單元形狀均為由紅、綠、藍三個平行四邊形的微型濾光片組成的六邊形結構，且整個列陣為該六邊形結構的基本單元呈蜂窩狀方式緊密排列而成。
6.如權利要求5中所述的微型硅基液晶反射式彩色微顯示器件，其特征在于它的蜂窩狀排列的微型彩色濾光片列陣的每個基本單元的紅、綠、藍三個微型濾光片的形狀均為菱形，且其中有兩個菱形各有一個內角在50°～56°之間，而另一個菱形則有一個內角在70°～78°之間。
專利摘要本實用新型提供了一種新型硅基液晶彩色微顯示器件，它是一種將硅集成電路、光學微型濾光片、以及液晶層結合在一起的組合器件。它采用了蜂窩狀等非方形的象元排列結構，可使顯示圖像排列緊湊、占空比高，無失真，并能有助于色彩補償。
文檔編號G02F1/1333GK2563599SQ0221735
公開日2003年7月30日 申請日期2002年5月14日 優先權日2002年5月14日
發明者邵劍心, 樊斌 申請人:邵劍心, 樊斌