CN101900879A - 反射型微显示成像器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反射型微显示成像器及其制造方法。该反射型微显示成像器，包括：在第一薄透明盘片的底面上，或在第二薄透明盘片的顶面上制作滤色镜阵列，滤色镜阵列包括阵列形式平铺排列的多个滤色像素，每个滤色像素由多个微光学带通过滤元件组成；将第二薄透明盘片的顶面与第一薄透明盘片的底面粘贴，以将滤色镜阵列夹持在第一薄透明盘片和第二薄透明盘片之间；将第二薄透明盘片粘贴在反射型空间调制阵列上，反射型空间调制阵列构筑在硅基板上，用于调制和反射穿过滤色镜阵列射入的入射光。本发明在成像器中集成有滤色镜阵列，不必额外组装，可以提高微显示成像器的集成度，实现产品的薄形化。

Description

反射型微显示成像器及其制造方法

技术领域

本发明涉及结合滤色镜阵列的空间光调制微显示成像技术，尤其涉及一种反射型微显示成像器及其制造方法。

背景技术

微显示投影系统典型地采用透射型或反射型微显示成像器，通常作为光阀或光阀阵列将图像施加在照明光束上。反射型光阀相比于透射型光阀的一个重要优势在于，反射型光阀允许将控制电路布设在反射表面之后的适当位置，且更有利的是由于基板材料没有受到其不透明性的限制，所以能够采用集成电路技术。

典型的简单微显示投影引擎采用一个反射型微显示成像器，例如硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，简称：LCOS)和数字镜装置(DigitalMirror Device，简称：DMD)成像器，其被广泛用于各种便携手持式微投影显示应用中。这些单一成像器引擎的最简易设计是，将顶部设置芯片上滤色镜阵列(On-Chip Color Filter Array，简称OC-CFA)的LCOS微显示成像器与基于白色LED光源的照明系统相结合。

如现有技术中Liao等人所公开的LCOS成像器中普遍采用这种OC-CFA，其直接被制作到反射型电极金属元件阵列上且与反射型电极金属元件阵列保持沿着入射光的入射方向对齐，以在入射的偏振调制照明光被反射前为其提供所需的空间选择性带通过滤。因为OC-CFA典型地由涂覆在硅背板上的聚合体薄膜采用微成形工艺制作，且该硅背板包括CMOS原位驱动电路，所以在OC-CFA顶部制作底部液晶阵列薄膜成为技术难题，特别是对于通过物理薄膜沉积工艺沉积无机阵列薄膜以形成垂直阵列模式液晶单元的情况。

采用OC-CFA的另一途径是将OC-CFA制作在位于液晶单元上方的顶盖玻璃片的下方，与反射型顶部电极金属元件背离。然而，顶部液晶阵列薄膜仍然需要附着在OC-CFA。

综上所述，在上述两种现有技术中，采用OC-CFA的LCOS实际上都需要组装OC-CFA和LCOS，导致整个微成像器的厚度较大，不便于携带和使用。在OC-CFA上形成液晶阵列层实质上会对LCOS成像器的光电性能构成制约，特别是采用先进垂直阵列模式液晶单元时更会制约光电性能。

发明内容

本发明提供了一种反射型微显示成像器及其制造方法，以提高微显示成像器的集成度。

本发明实施例提供了一种反射型微显示成像器的制造方法，包括：

在第一薄透明盘片的底面上，或在第二薄透明盘片的顶面上制作滤色镜阵列，入射光从所述第一薄透明盘片侧射入，所述滤色镜阵列包括阵列形式平铺排列的多个滤色像素，每个滤色像素由多个微光学带通过滤元件组成，其中，微光学带通过滤元件为可视光学频谱提供可选波长频带的选择性过滤；

将所述第二薄透明盘片的顶面与所述第一薄透明盘片的底面粘贴，以将滤色镜阵列夹持在所述第一薄透明盘片和第二薄透明盘片之间；

将所述第二薄透明盘片粘贴在反射型空间调制阵列上，所述反射型空间调制阵列构筑在硅基板上，用于调制和反射穿过滤色镜阵列射入的入射光，所述反射型空间调制阵列包括阵列形式平铺排列的调制像素，每个调制像素由多个子调制元件组成，所述子调制元件的数量与微光学带通过滤元件的数量相等，且分别与各微光学带通过滤元件沿着入射光的入射方向对齐。

本发明实施例还提供了一种反射型微显示成像器，包括：

第一薄透明盘片和第二薄透明盘片，入射光从所述第一薄透明盘片侧射入；

滤色镜阵列，设置在所述第一薄透明盘片和第二薄透明盘片之间，所述滤色镜阵列包括阵列形式平铺排列的多个滤色像素，每个滤色像素由多个微光学带通过滤元件组成，其中，微光学带通过滤元件为可视光学频谱提供可选波长频带的选择性过滤；

反射型空间调制阵列，设置在所述第二薄透明盘片的一侧，所述反射型空间调制阵列构筑在硅基板上，用于调制和反射穿过滤色镜阵列射入的入射光，所述反射型空间调制阵列包括阵列形式平铺排列的调制像素，每个调制像素由多个子调制元件组成，所述子调制元件的数量与微光学带通过滤元件的数量相等，且分别与各微光学带通过滤元件沿着入射光的入射方向对齐。

本发明实施例所提供的反射型微显示成像器及其制造方法，在成像器中集成有滤色镜阵列，不必额外在LCOS上组装滤色镜阵列，因此可以提高微显示成像器的集成度，实现产品的薄形化。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的反射型微显示成像器的制造方法的流程图；

图2a为本发明实施例二提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图2b为图2a中反射型微显示成像器的立体结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图4为本发明实施例四提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图5为本发明实施例五提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图6为本发明实施例六提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图7为本发明实施例七提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图8为本发明实施例八提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图9为本发明实施例九提供的反射型微显示成像器的横截面视图；

图10a和10b为本发明实施例中所使用的相对于可视光谱的两种不同带通过滤光谱图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的反射型微显示成像器的制造方法的流程图，具体包括如下步骤：

步骤1、在第一薄透明盘片的底面上、或在第二薄透明盘片的顶面上制作滤色镜阵列，入射光从第一薄透明盘片侧射入，滤色镜阵列包括阵列形式平铺排列的多个滤色像素，每个滤色像素由多个微光学带通过滤元件组成，其中，微光学带通过滤元件为可视光学频谱提供可选波长频带的选择性过滤；

步骤2、将第二薄透明盘片的顶面与第一薄透明盘片的底面粘贴，以将滤色镜阵列夹持在第一薄透明盘片和第二薄透明盘片之间；

步骤3、将第二薄透明盘片粘贴在反射型空间调制阵列上，反射型空间调制阵列构筑在硅基板上，用于调制和反射穿过滤色镜阵列射入的入射光，反射型空间调制阵列包括阵列形式平铺排列的调制像素，每个调制像素由多个子调制元件组成，子调制元件的数量与微光学带通过滤元件的数量相等，且分别与各微光学带通过滤元件沿着入射光的入射方向对齐。

上述方案能够将滤色镜阵列与第一薄透明盘片和第二薄透明盘片集成在一起制作，从而提高反射型微显示成像器的集成度。

在上述实施例中，将第二薄透明盘片粘贴在反射型空间调制阵列上的步骤具体可以为将反射型空间调制阵列的连续型薄导电透明膜层沉积在第二薄透明盘片的底部；在反射型空间调制阵列的连续型薄导电透明膜层上形成连续型顶部取向膜层，连续型顶部取向膜层可以由聚合体材料或氧化硅制成。该方案可以进一步提高集成度，使各平面部件成为一体型的装置。

本发明的制造方法所制造的反射型微显示成像器的结构如下：

在本发明的基本实施例中，沿着入射光光学路径，按照从后至前的入射顺序，一鲁棒过程、结合芯片上滤色镜阵列的反射型调制微显示成像器装置包括：第一薄透明盘片、滤色镜阵列，第二薄透明盘片和反射型空间调制阵列装置。在一个基础实施例中，这样一反射型空间调制阵列装置是硅基液晶成像器，其在沿着光学路径的入射顺序上，进一步还由硅背板上的一顶部液晶取向层、一液晶单元、一底部液晶取向层和一反射型电极金属元件阵列组成。

图2a为本发明实施例二提供的反射型微显示成像器的横截面视图，图2b为图2a中反射型微显示成像器的立体结构示意图。在本实施例中，反射型微显示成像器100垂直地面向入射光10设置。在沿着入射光10的光学路径上，按照入射光10从后至前入射的顺序，该反射型微显示成像器100由一系列粘合的、平面堆叠的层状装置组成，至少包括：a)第一薄透明盘片110；b)滤色镜阵列120，由相对于可视光谱为红色、绿色和蓝色波带的滤色像素122组成；c)第二薄透明盘片130和d)反射型空间调制阵列150，由调制像素152组成。

如图2b所示，入射光10从第一薄透明盘片110侧射入，滤色镜阵列120构造为阵列形式平铺排列的多个滤色像素122，且夹持在第一薄透明盘片110和第二薄透明盘片130之间。每个滤色像素122由多个微光学带通过滤元件123组成，其中，微光学带通过滤元件123为可视光学频谱提供可选波长频带的选择性过滤。反射型空间调制阵列150设置在第二薄透明盘片130的一侧，反射型空间调制阵列150构筑在硅基板190上，用于调制和反射穿过滤色镜阵列120射入的入射光10，反射型空间调制阵列50包括阵列形式平铺排列的调制像素152，每个调制像素152由多个子调制元件153组成。通过构造为规则平铺阵列形式，滤色镜阵列120的每个滤色像素122沿着入射光10的光学路径，与反射型空间调制阵列150的相应调制像素152对齐。

具体到本实施例，每个调制像素152由至少三个子调制元件153组成，子调制元件153的数量等于微光学带通过滤元件123的数量，且与微光学带通过滤元件123相对于相应的滤色像素122沿着入射光的入射方向对齐。微光学带通过滤元件123相对于可视光学频谱，或者相对于380至750纳米(nm)范围的电磁辐射，为多个可选波带提供带通过滤。

典型地，滤色镜阵列优选由滤色有机材料制成。这些微光学带通过滤元件123由光学构图聚合体材料制成，例如由带有诸如染料或颜料的不同添加剂的树脂和聚酰亚胺制成。

第一薄透明盘片110和第二薄透明盘片130均优选由二氧化硅或玻璃制成，其更普遍地用在硅基半导体和微显示包装中。

本发明实施例所提供的反射型微显示成像器及其制造方法，在成像器中集成有滤色镜阵列，不必额外在LCOS上组装滤色镜阵列，因此可以提高微显示成像器的集成度，实现产品的薄形化。

图3为本发明实施例三提供的反射型微显示成像器的横截面视图，本实施例的微显示成像器进一步结合了微透镜阵列125。即该制造方法还包括：

在第一薄透明盘片的底面、滤色镜阵列或第二薄透明盘片的顶面上形成微透镜阵列125。

该微透镜阵列125包括阵列形式平铺排列的微透镜像素126，微透镜像素126的数量与相同平面构造中的调制像素152的数量和滤色像素122的数量相等，且分别与各调制像素152和滤色像素122沿着入射光的入射方向对齐(如图3所示)。每个微透镜像素126由多个微透镜元件127组成，微透镜元件127的数量等于相应的微光学带通过滤元件153且与相应的微光学带通过滤元件153沿着入射光的入射方向对齐。微透镜阵列125设置在第一薄透明盘片110和第二薄透明盘片130之间，例如图3所示，优选的设置在滤色镜阵列120和第二薄透明盘片130之间。

设置微透镜阵列125的作用在于，能够使得入射光10进一步被微透镜阵列125聚焦，提高光线的利用率。

图4为本发明实施例四提供的反射型微显示成像器的横截面视图，本实施例中，微透镜阵列125被设置或形成在第一薄透明盘片110和滤色阵列120之间，且具体是设置在或形成在第一薄透明盘片110的底面上。

图5为本发明实施例五提供的反射型微显示成像器的横截面视图，本实施例中，微透镜阵列125制作在第二薄透明盘片130的顶面上。

图6为本发明实施例六提供的反射型微显示成像器的横截面视图，本实施例的微显示成像器进一步将微透镜阵列125结合至滤色镜阵列120上。每个滤色像素122的每个微光学带通过滤元件123与微透镜元件127一体成型为微光学光透镜元件，以便向入射光10和反射型空间调制阵列150反射调制的光线提供带通过滤和微尺度光线聚焦。

上述实施例四、五和六的技术方案均可以提高反射型微显示成像器的集成度，更便于制作。

图7为本发明实施例七提供的反射型微显示成像器的横截面视图，本实施例的反射型空间调制阵列150是基于液晶的。垂直地面向入射光10，在沿着入射光10的光学路径，从后至前的入射方向上，该基于液晶的反射型空间调制阵列150由一系列粘合的、平面堆叠的层状装置组成，具体包括：a)连续型薄导电透明膜层161，用于被充电至一参考电压20；b)连续型顶部取向膜层162；c)连续型液晶膜层163；d)连续型底部取向膜层164；在硅基板190上的每个子调制元件153中包括：e)间隔设置的导电微反射镜166，形成在硅基板190上，且与相应的微光学带通过滤元件123沿着入射光的入射方向对齐，以及f)子像素电路176，形成在导电微反射镜166的下方，用于为导电微反射镜166提供子像素偏置电压26，与薄导电透明膜层161的参考电压20之间形成施加到液晶膜层163的电场，以调制穿过液晶膜层163的透射光和被导电微反射镜166反射的入射光10。液晶膜层163在不同的电场作用下发生扭转，能调制改变光线的方向。

典型地，导电微反射镜166由铝、银、铜、钛和金中的任意一个或组合所制成。顶部取向膜层162和底部取向膜层164由聚酰亚胺和二氧化硅中的任意一个所制成。连续型薄导电透明膜层161通过将铟锡氧化物(IndiumTin Oxide，简称ITO)溅射在第二薄透明盘片130的平坦底部表面上而制成，或可以由其他导电透明聚合体制成。该第二薄透明盘片130优选由二氧化硅制成。引入第二薄透明盘片130放置在滤色阵列120和ITO的薄导电透明膜层161之间，其不必是导电的，实质上有助于将聚合体的滤色材料与薄ITO层集成在一起，由此，硅基液晶空间调制成像器典型的由固定聚合体材料，例如树脂或聚酰氩胺制成，避免了将连续型顶部取向膜层162沉积形成在滤色镜阵列120上。

图8为本发明实施例八提供的反射型微显示成像器的横截面视图，本实施例中，结合基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical system，简称MEMS)的反射型空间调制阵列150。典型地，在沿着入射光10的入射方向上，反射型空间调制阵列150的每个子调制元件153至少包括一对微反射镜，即均垂直于入射光10的入射方向设置的第一微反射镜261和第二微反射镜262，第一微反射镜261上贴附有第一顶部微电极271，第二微反射镜262与第一微反射镜261在垂直于入射光10的方向上相互间隔且并行设置。每个子调制元件153还包括第一底部微电极272，第一底部微电极272和子像素电路176固定形成在硅基板190中。子像素电路176与成对的第一顶部微电极271和第一底部微电极272相连以提供电荷，以便通过静电力驱动第一微反射镜261相对于第二微反射镜262移动。

在构筑于硅基板190上的子像素电路176的控制下，第一微反射镜261和第二微反射镜262的相对位置在静电作用下改变。由此，当均被子像素电路176充电时，至少一个垂直可移动的反射镜，在构筑于硅基板190上的第一顶部微电极271和第一底部微电极272之间产生的静电强制力或吸引力的作用下，附带第一顶部微电极271的第一微反射镜261相对于硅基板190被拉近或推远。通过将第一微反射镜261和第二微反射镜262之间的相对垂直位置与入射光10的波长成比例的改变，入射光10的空间光调制在反射和衍射之间完成，该技术可被广泛的使用于很多电激励的光阀装置(GalvanicLight Valve，简称GLV)中。

在本实施例八中，第二微反射镜262可选的是嵌设在硅基板190中，作为静态的，能够有助于首先静电可移动第一微反射镜261在垂直空间内的相对改变。

图9为本发明实施例九提供的反射型微显示成像器的横截面示意图，本实施例在实施例八的基础上，每个子调制元件153还包括：第二顶部微电极273，形成在第二微反射镜262上；第二底部微电极274，固定形成在硅基板190中；其中，子像素电路176还与成对的第二顶部微电极273和第二底部微电极274相连以提供电荷，以便通过静电力驱动第二微反射镜262相对于硅基板190移动。

本实施例也是通过静电力移动第二微反射镜262，第二微反射镜262在子像素电路176的类似静电力控制下，也类似于第一微反射镜261是静电可移动的。改变第一微反射镜和第二微反射镜对入射光的反射和衍射，从而对光线进行空间调制。

图10a和10b为本发明实施例中所使用的相对于可视光谱的两种不同带通过滤光谱图。典型地，广泛应用在液晶平板显示器中的至少一个红色、绿色和蓝色带通滤色镜用作为微光学带通过滤元件123，构成每个滤色像素122。对于相对可视波长具有相对平坦密度频谱的规则白色入射光10，超过照明光三分之二的光线被各种红、绿和蓝色的滤色镜所吸收和阻挡，这实质上减少了滤色镜阵列120的透射量和反射调制微显示成像器100的光学效率。可选的是，如图10a和10b所示，每个滤色像素122包括至少三个过滤光谱比于红色、绿色和蓝色光谱更宽的带通滤色镜，带宽超出至少20％，该套滤色镜的透射量曲线如CF1、CF2和CF3所示，其能为常规白色入射光10提供更高的光透射量。在一个扩展的实施例中，每个滤色像素包括至少一个蓝绿色、一个黄色、一个绿色和一个红紫色带通滤色镜作为微光学带通过滤元件。

本发明所提供的反射型微显示成像器及其制造方法，通过将滤色镜阵列集成在第一薄透明盘片的底面或第二薄透明盘片的顶面上，提高了反射型微显示成像器的集成度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于，包括：

在第一薄透明盘片的底面上，或在第二薄透明盘片的顶面上制作滤色镜阵列，入射光从所述第一薄透明盘片侧射入，所述滤色镜阵列包括阵列形式平铺排列的多个滤色像素，每个滤色像素由多个微光学带通过滤元件组成，其中，微光学带通过滤元件为可视光学频谱提供可选波长频带的选择性过滤；

将所述第二薄透明盘片的顶面与所述第一薄透明盘片的底面粘贴，以将滤色镜阵列夹持在所述第一薄透明盘片和第二薄透明盘片之间；

将所述第二薄透明盘片粘贴在反射型空间调制阵列上，所述反射型空间调制阵列构筑在硅基板上，用于调制和反射穿过滤色镜阵列射入的入射光，所述反射型空间调制阵列包括阵列形式平铺排列的调制像素，每个调制像素由多个子调制元件组成，所述子调制元件的数量与微光学带通过滤元件的数量相等，且分别与各微光学带通过滤元件沿着入射光线的入射方向对齐。

2.根据权利要求1所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于：所述第一薄透明盘片和第二薄透明盘片由二氧化硅制成。

3.根据权利要求1所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于：所述滤色镜阵列由滤色有机材料制成。

4.根据权利要求1所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于，还包括：

在所述第一薄透明盘片的底面、所述滤色镜阵列或所述第二薄透明盘片的顶面上形成微透镜阵列，所述微透镜阵列包括阵列形式平铺排列的微透镜像素，所述微透镜像素的数量与滤色像素的数量相等且分别与各滤色像素沿着入射光的入射方向对齐，其中，每个微透镜像素由多个微透镜元件组成，所述微透镜元件的数量等于相应的微光学带通过滤元件且与相应的微光学带通过滤元件沿着入射光的入射方向对齐。

5.根据权利要求1所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于，将所述第二薄透明盘片粘贴在反射型空间调制阵列上包括：

将所述反射型空间调制阵列的连续型薄导电透明膜层沉积在第二薄透明盘片的底部；

在所述反射型空间调制阵列的连续型薄导电透明膜层上形成连续型顶部取向膜层。

6.根据权利要求5所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于：所述薄导电透明膜层由铟锡氧化物或导电透明聚合体制成；所述顶部取向膜层由聚酰亚胺、二氧化硅、聚合体材料和氧化硅中的任意一个所制成。

7.根据权利要求1所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于：每个滤色像素包括至少一个红色带通滤色镜、一个绿色带通滤色镜和一个蓝色带通滤色镜。

8.根据权利要求1所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于：每个滤色像素包括至少三个过滤光谱比红色、绿色和蓝色光谱更宽的带通滤色镜。

9.根据权利要求1所述的反射型微显示成像器的制造方法，其特征在于：每个滤色像素包括至少一个蓝绿色带通过滤器、一个黄色带通过滤器、一个绿色带通过滤器和一个红紫色带通滤色镜。

10.一种反射型微显示成像器，其特征在于，包括：

第一薄透明盘片和第二薄透明盘片，入射光从所述第一薄透明盘片侧射入；

滤色镜阵列，设置在所述第一薄透明盘片和第二薄透明盘片之间，所述滤色镜阵列包括阵列形式平铺排列的多个滤色像素，每个滤色像素由多个微光学带通过滤元件组成，其中，微光学带通过滤元件为可视光学频谱提供可选波长频带的选择性过滤；

反射型空间调制阵列，设置在所述第二薄透明盘片的一侧，所述反射型空间调制阵列构筑在硅基板上，用于调制和反射穿过滤色镜阵列射入的入射光，所述反射型空间调制阵列包括阵列形式平铺排列的调制像素，每个调制像素由多个子调制元件组成，所述子调制元件的数量与微光学带通过滤元件的数量相等，且分别与各微光学带通过滤元件沿着入射光的入射方向对齐。

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