CN109799665A - 晶圆级硅基液晶投影组件、系统和方法 - Google Patents

晶圆级硅基液晶投影组件、系统和方法 Download PDF

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Abstract

晶圆级硅基液晶(LCOS)投影组件包括用于对入射在LCOS显示器上的光进行空间调制的LCOS显示器和用于将光导向LCOS显示器和导离LCOS显示器的偏振光束分离(PBS)层。一种用于制造LCOS投影系统的方法包括：在有源矩阵晶圆上方设置PBS晶圆。有源矩阵晶圆包括用于寻址液晶显示器像素的多个有源矩阵。该方法还包括在PBS晶圆上方设置透镜晶圆。透镜晶圆包括多个透镜。另外，用于制造晶圆级偏振光束的方法包括：将PBS晶圆和至少一个其他晶圆结合以形成堆叠晶圆。PBS晶圆包括含有多个PBS膜带的PBS层。

Description

晶圆级硅基液晶投影组件、系统和方法
相关申请
本申请是2014年5月15日提交的、美国专利申请序列号为14/278,452的美国专利申请的分案，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本发明涉及采用硅基液晶(LCOS)显示器的图像投影仪，具体涉及这种图像投影仪中使用的光学部件的组装。
基于LCOS显示器的LCOS图像投影仪(本文中称为“LCOS投影仪”)已经实现了诸如手持投影仪和近眼显示器之类的消费电子产品。LCOS投影仪中的LCOS显示器通过分束器和复合透镜反射光线。这里，包含LCOS显示器、分束器和复合透镜的组件将被称为投影组件。
为了满足性能规格，对于LCOS图像投影仪而言，需要精确对准投影组件部件。在现有技术的LCOS图像投影仪中，投影组件是手动组装的。尝试通过手动组装过程实现精确的对准公差导致较长的组装时间和较低的产量。
发明内容
根据一个实施例，提供了晶圆级LCOS投影组件。该晶圆级投影组件包括用于对入射在LCOS显示器上的光进行空间调制的LCOS显示器和用于将光导向LCOS显示器和导离LCOS显示器的偏振光束分离(PBS)层。
根据另一实施例，提供了制造晶圆级LCOS投影系统的方法。根据该方法，PBS晶圆设置于有源矩阵晶圆上方。有源矩阵晶圆包括用于寻址液晶显示器像素的多个有源矩阵。还根据该方法，透镜晶圆设置于PBS晶圆上方。透镜晶圆包括多个透镜。
根据另一实施例，提供了制造晶圆级偏振光束分离器的方法。根据该方法，PBS晶圆与至少一个其他晶圆结合以形成堆叠晶圆。PBS晶圆包括含有多个PBS膜带的PBS层。
附图说明
图1示出并入在附接于一副眼镜的近眼显示器中的投影组件。
图2示出实施例中的投影组件的光学部件。
图3描绘了制造投影组件的方法和相关的视图。
图4描绘了实施例中的使用以晶圆级制造的多个部件制造投影组件的方法和相关的视图。
图5描绘了实施例中的图4中描绘的方法的变型。
图6是实施例中的在分割之前的晶圆级LCOS投影组件的截面图。
图7是实施例中的安装在印刷电路板上的经分割的晶圆级LCOS投影组件的截面图。
图8描绘了实施例中的用于制造晶圆级偏振光束分离器的方法和相关的视图。
具体实施方式
图1示出并入在近眼显示器102中的投影组件100，该近眼显示器102附接到眼镜104。近眼显示器102还包括光源106。投影组件100还可在不同的成像设备中使用，例如在手持式图像投影仪中。
图2示出了投影组件200的光学部件，其是投影组件100的示例。投影组件200包括晶圆级LCOS管芯(die)250、偏振分束器立方体206和复合透镜210。复合透镜210包括透镜226、228和229。晶圆级LCOS管芯250包括有源矩阵基底222、对准层243、液晶221、传导膜203和盖玻璃204。有源矩阵基底222安装在印刷电路板(PCB)201上。
晶圆级LCOS管芯250是LCOS显示器。偏振分束器立方体206被配置为将来自光源(图2中未示出)的照射光反射到LCOS管芯250上以照射LCOS显示器。由LCOS显示器发射的光至少部分地由偏振分束器立方体206传播，并由复合透镜210投射以形成LCOS显示器的图像。
在投影组件200中，所有部件都在组装方法的对准公差内围绕光轴299居中。横向和纵向未对准分别指的是沿坐标系298的x轴和z轴的未对准。
图3描绘了实施例中的制造投影组件200的方法300和相关视图320。视图320仅用于示例性目的，且不欲限制本发明的范围。作为示例，除了注入液晶部分321之外，方法300以晶圆级制造LCOS管芯250，并且使用非晶圆级方法将投影组件200的其余元件结合到LCOS管芯250。
在步骤302中，方法300将盖玻璃对准有源矩阵晶圆。在步骤302的一个示例中，方法300将盖玻璃324对准有源矩阵晶圆322。
在步骤304中，方法300将盖玻璃和有源矩阵晶圆结合以形成堆叠。在步骤304的一个示例中，方法300将盖玻璃324和有源矩阵晶圆322结合以形成堆叠330。盖玻璃324和有源矩阵晶圆322分别是图2的盖玻璃204和有源矩阵222的示例。
在步骤306中，方法300沿着切割线分割堆叠，产生显示基底。在步骤306的一个示例中，方法300沿着切割线335分割堆叠330，这产生显示基底340。
在步骤308中，方法300在显示基底的玻璃层和有源矩阵层之间注入液晶部分，以形成投影组件的晶圆级LCOS管芯250。在步骤308的一个示例中，方法300在显示基底340的玻璃层334与有源矩阵层332之间注入液晶部分321，以形成例如图2的投影组件200的晶圆级LCOS管芯250。
方法300可以包括将对准层添加至有源矩阵晶圆322和盖玻璃324中的一者或两者的步骤，这将不脱离本发明的范围。在步骤310中，方法300通过将投影组件200(图2)的PCB201、偏振分束器立方体206和透镜226、228和229结合到LCOS管芯250来形成图2的投影组件200。
在投影组件200中，仅显示基底340以晶圆级制造。图4描绘了通过以晶圆级制造的多个部件制造投影组件的方法400，以及相关的视图420。视图420描绘了有源矩阵晶圆422、偏振光束分离(PBS)晶圆424和透镜晶圆426、428和429。每个透镜晶圆426、428和429均包括具有相同阵列坐标的透镜阵列，使得透镜晶圆426、428和429可以使用本领域已知的方法堆叠并对准以形成晶圆级复合透镜。方法400中包括的透镜晶圆的数量可以不同于三个，这将不脱离本发明的范围。
在图4中，PBS晶圆424上所示的平行线表示PBS晶圆424内的PBS膜带460。在实施例中，PBS膜带之间的距离等于透镜晶圆426、428和429中的透镜的行之间的间隔，且等于有源矩阵晶圆422中的有源矩阵442的行之间的距离。
在PBS晶圆424的实施例中，PBS膜带460可以是本领域已知的多层薄膜偏振器，例如麦克尼尔(MacNeille)偏振器。在另一个示例中，PBS膜带460可以基于由李(Li)和多布罗沃尔斯基(Dobrowolski)在Appl.Opt.Vol.35,p.2221(1996)中描述的薄膜多层结构。PBS晶圆424的其他实施例可以采用不同的极化机制，例如线栅，这将不脱离本发明的范围。
在实施例中，PBS晶圆424包括沉积在PBS晶圆424的面向有源矩阵晶圆422的一侧上的透明传导膜，例如铟钛氧化物(ITO)。在实施例中，PBS晶圆424包括对准层。在这样的实施例中，PBS晶圆424用作光束分离部件并用作用于形成投影组件的LCOS显示器所需的透明传导层和对准层中的一者或两者的基底。PBS晶圆424的这种双重功能消除了对有源矩阵晶圆422上方的附加盖玻璃层的需要，例如图2的投影组件200中的盖玻璃204。在实施例中，PBS晶圆424包括抗反射(AR)涂层和透明传导膜，并且PBS膜设置在它们之间。
在步骤401中，方法400接收有源矩阵晶圆、PBS晶圆424和透镜晶圆。在步骤401的示例中，方法400接收有源矩阵晶圆422、PBS晶圆424和透镜晶圆426、428和429。有源矩阵晶圆422上的虚线栅格表示坝结构423。有源矩阵晶圆422包括在坝结构423之间的位置处的有源矩阵442，例如有源矩阵442(1)。为了清楚说明，有源矩阵442(1)是有源矩阵晶圆422上示出的唯一有源矩阵。如本领域中已知的，有源矩阵晶圆422可以包括以下任何一种：第二对准层、反射层和电极。
在步骤402中，方法400将液晶部分沉积在有源矩阵晶圆上的位置处。在步骤402的示例中，方法400将液晶部分421(由横杠(-)表示)沉积在有源矩阵晶圆422上的位置处。有源矩阵晶圆422上的沉积位置对应于有源矩阵晶圆422中的各个有源矩阵442。
在步骤402的示例中，液晶沉积可以是单滴填充(ODF)工艺，在该工艺中液晶部分沉积在有源矩阵晶圆422上对应于有源矩阵442的位置处。在方法400中可采用其他液晶沉积方法，这将不脱离本发明的范围。坝结构423将每个液晶部分421限制在有源矩阵晶圆422上的相应位置。
在步骤403中，方法400将PBS晶圆设置在有源矩阵晶圆上方。在步骤403的示例中，方法400将PBS晶圆424设置在有源矩阵晶圆422上方。
在步骤404中，方法400将透镜晶圆设置在PBS晶圆上方。在步骤404的示例中，方法400将透镜晶圆426、428和429设置在PBS晶圆424上方。
在步骤406中，方法400使PBS晶圆和透镜晶圆与有源矩阵晶圆对准。在步骤406的示例中，方法400使PBS晶圆424和透镜晶圆426、428和429与有源矩阵晶圆422对准。PBS晶圆424被对准，使得PBS膜带460在有源矩阵晶圆422内的有源矩阵442的相应行上居中。
晶圆422、426、428和429被对准，使得对于透镜晶圆429的多个透镜，每个透镜中心与透镜晶圆428中的透镜中心、透镜晶圆426中的透镜中心和晶圆422上的有源矩阵的中心在本领域中可实现的对准公差内共线。PBS晶圆424被对准，使得PBS膜带460与透镜晶圆426、428和429中的透镜的行和源矩阵晶圆422中的有源矩阵442的行在本领域中可实现的对准公差内对准。步骤406可以采用晶圆级光学器件制造领域中已知的任何对准方法。
在步骤407中，方法400层压晶圆，如本领域中已知的。
在步骤408中，方法400将有源矩阵晶圆、PBS晶圆和透镜晶圆结合以形成晶圆堆叠。在步骤408的示例中，方法400将晶圆422、424、426、428和429结合以形成晶圆堆叠430。
在步骤410中，方法400沿着切割线分割晶圆堆叠，这产生多个晶圆级LCOS投影组件。在步骤410的示例中，方法400沿着切割线435分割晶圆堆叠430，这产生多个晶圆级LCOS投影组件450。
图5描绘了方法500，方法500类似于方法400，除了在分割步骤410之后而不是之前沉积液晶之外。方法500的步骤501、503、504、506、507、508和510分别与方法400的步骤401、403、404、406、407、408和410相同。
在步骤508中，方法500将有源矩阵晶圆、PBS晶圆和透镜晶圆结合以形成晶圆堆叠。在结合步骤508的示例中，方法500产生晶圆堆叠530。除了底层(有源矩阵晶圆422)不包括液晶部分421之外，晶圆堆叠530与晶圆堆叠430相同。坝结构423支撑有源矩阵晶圆422与PBS晶圆424之间的空气间隔，在切割之后液晶体可沉积在该空气间隔中。
在步骤510中，方法500沿着切割线分割晶圆堆叠。在方法400中，步骤410产生晶圆级LCOS投影组件，而方法500中的步骤510产生多个投影仪管芯。在步骤510的示例中，方法500沿着切割线435分割晶圆堆叠530，这产生多个投影仪管芯540。投影仪管芯540与LCOS投影组件450相同，除了投影仪管芯540缺少液晶部分421。
在步骤512中，方法500将液晶部分注入投影仪管芯的基底层与薄膜层之间的空气间隔中，以形成晶圆级LCOS投影组件。在步骤512的示例中，方法500将液晶部分521注入投影仪管芯540的基底层532与薄膜层434之间的空气间隔中，以形成晶圆级LCOS投影组件450。在方法500的实施例中，液晶注入步骤512可采用本领域已知的方法，例如真空虹吸法或侧注入法。
图6以截面图示出了晶圆堆叠630。晶圆堆叠630是图4的晶圆堆叠430的实施例，沿着分割线635分割形成各晶圆级LCOS投影组件650。晶圆堆叠630包括LCOS层660、PBS层624和复合晶圆级透镜610。
LCOS层660包括有源矩阵晶圆422、底部对准层443和液晶部分621。坝结构623包含液晶部分621。在图6所示的晶圆堆叠430的实施例中，底部对准层443沉积在有源矩阵晶圆422上。有源矩阵442(图4)位于有源矩阵晶圆422内。
PBS层624对应于图4的PBS晶圆424。PBS层624包括可选的AR涂层624(4)、PBS层624(3)、透明传导层624(2)和顶部对准层624(1)。PBS层624(3)包括在每对分割线635之间的PBS膜带460(图4)。液晶部分621位于顶部对准层624(1)和底部对准层443之间。在实施例中，PBS膜带460定向为相对于LCOS层660的平面基本成45度角。
晶圆堆叠630中可省略液晶部分621，使得晶圆堆叠630是图5的晶圆堆叠530的实施例，这将不脱离本发明的范围。可根据方法500(图5)的步骤512在沿着分割线635分割之后添加液晶部分621，以形成包括液晶部分621的各晶圆级投影组件650。因此，晶圆级LCOS投影组件650可使用方法400(图4)或方法500(图5)来制造。
图7示出了示例性晶圆级LCOS投影仪系统700。投影仪系统700包括晶圆级投影组件650(图6)。晶圆级LCOS投影组件650是晶圆级LCOS投影组件450的实施例。
晶圆级LCOS投影组件650包括LCOS部分760、PBS部分724和复合晶圆级透镜610。LCOS部分760包括有源矩阵晶圆722，该有源矩阵晶圆722包括有源矩阵442(图4)和反射膜。有源矩阵晶圆722支撑顶部对准层724(1)和底部对准层743之间的液晶部分621(图6)。顶部对准层724(1)和底部对准层743分别是通过沿着分割线635(图6)分割形成的、图6的顶部对准层624(1)和底部对准层643的部分。坝结构623(图6)包含液晶部分621(图6)。
由PBS晶圆424形成的PBS部分724包括顶部对准层724(1)、透明传导膜724(2)、PBS元件724(3)和AR涂层724(4)。透明传导膜724(2)、PBS元件724(3)和AR涂层724(4)分别是图6的透明传导层624(2)、PBS层624(3)和AR涂层624(4)的部分，在图6中，通过沿着分割线635(图6)进行分割来形成这些部分。复合晶圆级透镜610包括晶圆级透镜726、728和729。晶圆级透镜726、728和729分别由透镜晶圆426、428和429形成。晶圆级LCOS投影组件750安装在PCB701上。
在图7中，晶圆级LCOS投影组件700由光源106照射。光源106可包括可选的准直光学器件108。光源106可以是本领域已知的任何光源。例如，光源106可以包括一个或多个发光二极管(LED)，其中LED发出的光的波长范围相同、重叠或相互排斥。
在光源106和晶圆级LCOS投影组件750的实施例中，光源106发出入射在PBS元件724(3)上的s偏振输入照射光790。在图7中，s偏振和p偏振是指垂直于图平面和平行于图平面的电场分量。输入照射光790是由光源106发出的总照射光的s偏振分量，该总照射光也可包括p偏振分量。
PBS元件724(3)的PBS膜带460将输入照射光790反射穿过液晶部分621，液晶部分621在空间上调制照射光790。有源矩阵晶圆722将至少一部分输入照射光790反射回穿过液晶部分621。可以设置有源矩阵晶圆722的各个像素以改变穿过液晶部分621的相关子部分传播的光的偏振状态。在像素的点亮状态下，两次穿过液晶部分721使照射光790的偏振状态旋转，以形成至少包括p偏振状态的发射光。发射光的p偏振分量穿过PBS元件724(3)发射并由复合晶圆级透镜710投射为输出照射光791。
晶圆级LCOS投影组件650在至少两个方面优于图2的投影组件200：对准和尺寸。因为晶圆级LCOS投影组件450中的光学部件以晶圆级对准，所以它们比光学部件手动对准的投影组件200中的光学部件更不易于横向错位。晶圆级LCOS投影组件450也比投影组件200更节省空间，因为只有投影组件200需要偏振分束器立方体206和有源矩阵基底222之间的盖玻璃204。
图8描绘了用于制造包括偏振光束分离器的多个光学系统的晶圆级方法800和相关的视图820。在步骤801中，方法800形成包括PBS层的PBS晶圆，该PBS层具有多个PBS带。在步骤801的示例中，方法800形成包括PBS层的PBS晶圆824，该PBS层具有多个PBS带860。
在一个实施例中，PBS晶圆824包括基底和设置于基底上的PBS层。基底可以用作LCOS组件的对准层，如结合图4至图7所讨论的。
在步骤802中，方法800将PBS晶圆结合到晶圆上以形成堆叠晶圆。在步骤802的示例中，方法800将PBS晶圆824结合到晶圆822以形成堆叠晶圆830。
在一个实施例中，晶圆822是LCOS晶圆，例如图4的有源矩阵晶圆422。在另一个实施例中，晶圆822是透镜晶圆，例如图4的透镜晶圆424。
在可选的分割步骤中，方法800将堆叠晶圆进行分割以形成包括偏振光束分离器的多个光学系统。在可选的分割步骤的示例中，方法800将堆叠晶圆830进行分割。
可以在上述方法和系统中进行改变，这将不脱离本发明的范围。因此应该注意，包含在上面的描述中或者在附图中示出的内容应该被解释为说明性的而不是限制性的。随附权利要求旨在涵盖本文描述的所有通用和特定特征，以及对本方法和系统的范围的所有陈述，作为语言，可以说它们介于两者之间。

Claims (8)

1.一种制造晶圆级硅基液晶(LCOS)投影系统的方法，包括：
在有源矩阵晶圆上方设置偏振光束分离(PBS)晶圆，所述有源矩阵晶圆包括用于寻址液晶显示器像素的多个有源矩阵；以及
在所述PBS晶圆上方设置包括多个透镜的透镜晶圆。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
将所述透镜晶圆、所述PBS晶圆和所述有源矩阵晶圆对准；以及
将所述透镜晶圆、所述PBS晶圆和所述有源矩阵晶圆结合以形成堆叠晶圆。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
将包括所述PBS晶圆、所述有源矩阵基底和所述透镜晶圆的堆叠晶圆分割，以形成多个LCOS投影系统。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述PBS晶圆的至少一部分和所述有源矩阵晶圆的至少一部分之间注入液晶以形成LCOS显示器。
5.根据权利要求2所述的方法，对准步骤包括：将所述多个透镜与所述PBS晶圆的相应多个PBS膜带对准。
6.如权利要求5所述的方法，对准步骤还包括：将所述多个PBS膜带与所述有源矩阵晶圆的相应多个有源矩阵对准。
7.如权利要求1所述的方法，还包括，在设置所述PBS晶圆的步骤之前：
在所述有源矩阵晶圆上、在与所述多个有源矩阵中的每一个相对应的位置处设置多个液晶部分。
8.如权利要求2所述的方法，还包括：
将所述堆叠晶圆进行分割以形成多个光学模块；以及
在用于所述多个光学模块的至少一部分的所述有源矩阵晶圆与所述PBS晶圆之间注入一部分液晶。
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