CN112925140A - Lcos显示器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LCOS显示器及电子设备，包括：晶圆基板以及位于所述晶圆基板上的具有多个像素电极的像素电极层，相邻的所述像素电极之间设置有反射镜堆或至少一组由自上而下分布的第一高折射率绝缘层和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层。通过在相邻的所述像素电极之间(间隙)设置反射镜堆或堆叠层，增加了像素间隙的反射率，且减少了衍射噪声，从而降低输出信号的噪声；而且，液晶驱动电压不会在反射镜堆或堆叠层上产生压降，从而解决了现有的反射镜堆形成在像素电极表面上引入的额外负载降低液晶层上的施加电压的问题。本发明不会增加额外的负载，且不会使液晶驱动失去平衡。同时，不在像素区域上方形成更多额外光学膜层，故不易提高缺陷的风险。

Description

LCOS显示器及电子设备
技术领域
本发明属于液晶显示技术领域，具体涉及一种LCOS显示器及电子设备。
背景技术
LCOS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)显示器是一种反射型液晶显示器件，其是采用半导体硅晶技术控制液晶进而“投射”彩色画面。LCOS显示器主要用在投影仪、AR/VR成像设备、光调制器以及波长选择开关(WSS)中。
LCOS显示器由具有大量矩阵形式的像素组成。像素电极由铝材质为主，像素电极与像素电极之间的间隙填充有二氧化硅。波长选择开关(WSS)在特定波长下具有最大π或2π调制能力，以产生受控衍射，通常调制步骤可实现输出角度控制，称为“光束转向”。在实际应用中，像素电极和像素电极的间隙之间会产生衍射光，这种衍射光可能是角度控制输出光的噪声。随着数据传输速度和密度越来越高,这种噪声需要消除。
减少衍射的最好方法，是最小化像素电极之间的间隙,以最大化占空比，但是由于半导体工艺条件的限制，难以进一步缩小像素电极之间的间隙。
采用在像素电极表面上整层制作反射镜堆的结构可减少像素电极之间的间隙的衍射，但是又存在一些问题，反射镜堆中的电介质镜面涂层在镜面内部或表面易产生缺陷，反射镜堆对于更高波长的介质，在液晶驱动电压下会产生较大的额外负载，易使液晶驱动不平衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LCOS显示器及电子设备，减少像素电极之间的间隙的衍射噪声，从而降低输出信号的噪声；同时，不增加额外的负载，避免液晶驱动失去平衡。
本发明提供一种LCOS显示器，包括：
晶圆基板以及位于所述晶圆基板上的具有多个像素电极的像素电极层，相邻的所述像素电极之间设置有反射镜堆或者至少一组由自上而下分布的第一高折射率绝缘层和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层。
进一步的，所述反射镜堆包括层叠的第一反射金属层、电介质层和第二反射金属层。
进一步的，所述第一反射金属层和/或所述第二反射金属层的材质包括铜、铝、钛、钽、金、锌和银中的至少一种。
进一步的，相邻的所述像素电极之间的间隙下方设置有第二高折射率绝缘层，所述第二高折射率绝缘层在所述像素电极层上的投影覆盖相邻的所述像素电极之间的间隙。
进一步的，所述第一高折射率绝缘层和/或所述第二高折射率绝缘层的材质包括：Si3N4、Ti2O3、TiO2或ZnSe中的至少一种。
进一步的，所述第一低折射率绝缘层包括氧化硅层。
进一步的，所述第一高折射率绝缘层的厚度等于所述LCOS显示器接收的入射光波长的四分之一除以所述第一高折射率绝缘层的折射率；所述第一低折射率绝缘层的厚度等于所述入射光波长的四分之一除以所述第一低折射率绝缘层的折射率。
进一步的，还包括：依次层叠在所述像素电极层上的第一配向层、液晶层、第二配向层、透明导电层、玻璃基板和抗反射层。
进一步的，所述像素电极层与所述晶圆基板之间设置有绝缘层，所述晶圆基板中形成有驱动电路，所述像素电极层中的各个所述像素电极通过贯穿所述绝缘层的插塞与所述驱动电路电连接。
本发明还提供一种电子设备，包括上述的LCOS显示器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种LCOS显示器及电子设备，包括：晶圆基板以及位于所述晶圆基板上的具有多个像素电极的像素电极层，相邻的所述像素电极之间设置有反射镜堆或或者至少一组由自上而下分布的第一高折射率绝缘层和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层。通过在相邻的所述像素电极之间(间隙)设置反射镜堆或堆叠层，增加了像素间隙的反射率，且减少了衍射噪声，从而降低输出信号的噪声；而且，液晶驱动电压不会在反射镜堆或堆叠层上产生压降，从而解决了现有的反射镜堆形成在像素电极表面上引入的额外负载降低液晶层上的施加电压的问题。不会增加额外的负载，并且不会使液晶驱动失去平衡。同时，不在像素区域上方形成更多额外光学膜层，故不易提高缺陷的风险。
附图说明
图1为本发明实施例的第一种LCOS显示器示意图。
图2为本发明实施例的第二种LCOS显示器示意图。
图3为本发明实施例的LCOS显示器反射率测试示意图。
其中，附图标记如下：
11-晶圆基板；12-驱动电路；13-插塞；14-绝缘层；15-反射镜堆；15c-第一反射金属层；15b-电介质层；15a-第二反射金属层；16-隔离层；17-像素电极；18a-第一配向层；18b-第二配向层；19-液晶层；20-透明导电层；21-玻璃基板；22-抗反射层；23a-第一高折射率绝缘层；23b-第二高折射率绝缘层。
具体实施方式
基于上述研究，本发明实施例提供了一种LCOS显示器及电子设备。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明实施例提供了一种LCOS显示器，包括：
晶圆基板以及位于所述晶圆基板上的具有多个像素电极的像素电极层，相邻的所述像素电极之间设置有反射镜堆或至少一组由自上而下分布的第一高折射率绝缘层和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层。自上而下指从远离晶圆基板的一侧到靠近晶圆基板的一侧。
如图1所示，本实施例的第一种LCOS显示器，包括：晶圆基板11以及位于所述晶圆基板11上的具有多个像素电极17的像素电极层，相邻的所述像素电极17之间设置有反射镜堆15。晶圆基板11可以是本领域技术人员熟知任意合适的半导体材料，例如硅、锗、锗化硅、碳化硅、绝缘体上硅、绝缘体上锗和砷化镓等，晶圆基板11内包含有驱动电路12，所述驱动电路12包括金属内连线以及多个阵列式排列的MOS晶体管，用于驱动像素电极层中的各个像素电极17。驱动电路12通过导电通孔结构(Via)或称为插塞13与像素电极17电连接。
反射镜堆15填充像素电极17之间的间隙，减少像素电极17之间的间隙的衍射。反射镜堆15包括层叠的第一反射金属层15c、电介质层15b和第二反射金属层15a。所述第一反射金属层15c厚度等于所述LCOS显示器接收的入射光波长的四分之一除以第一反射金属层15c的折射率。第二反射金属层15a厚度等于所述LCOS显示器接收的入射光波长的四分之一除以第二反射金属层15a的折射率。第一反射金属层15c或第二反射金属层15a具有导电性且可形成光滑表面，能够对入射光进行反射，所述第一反射金属层15c或所述第二反射金属层15a的材质均包括的材质包括铜(Cu)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、金(Au)、锌(Zn)和银(Ag)中的至少一种，优选为银，由此使得反射金属层在具有较高的反射率的前提下还具有较高的化学稳定性，且材料易得。电介质层15b作为干涉层，用于增强反射率，电介质层15b可以是单层结构，也可以是叠层结构；电介质层15b可以是全透明层，也可以是半透明层。所述电介质层15b的材质可以包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、氧化铪(HaO2)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、氧化锌(ZnO)和氟化镁(MgF2)中的至少一种；优选地，所述电介质层15b为叠层结构，例如为由氧化钛层、氧化硅层、氧化钛层依次层叠而成的叠层结构，由此可以增进反射金属层的反射的效果，增强反射率，同时还可以增强与反射金属层之间的粘附性，进而提高产品的可靠性，且氧化钛层可以在氧化硅层与反射金属层之间提供缓冲，以避免伤害反射金属层的光滑表面，氧化硅层作为透明层，可以实现光的干涉，进而增强反射率。
像素电极层包括若干像素电极17，所有像素电极17可以呈阵列排布。像素电极17的下方设置有隔离层16，像素电极层与晶圆基板11之间设置有绝缘层14，绝缘层14的材质例如为氧化硅(SiO2)。
第一种LCOS显示器还包括：依次层叠在像素电极层上的第一配向层18a、液晶层19、第二配向层18b、透明导电层20、玻璃基板21和抗反射层22。
像素电极17用以向液晶层19的一端提供施加电压，使得液晶层19能基于像素电极提供的施加电压来调节极化光转换率，进而控制从液晶层19穿出的反射光线的极化态比率，再进一步搭配光机引擎设计，来实现显示画面的灰度调制功能。像素电极17具有高反射能力，像素电极17的材质例如为铝。
第一配向层18a设置于像素电极层上，第二配向层18b与第一配向层18a相对设置，且液晶层19设置于第一配向层18a与第二配向层18b之间。第一配向层18a、第二配向层18b可以是聚合物层，例如是聚酰亚胺。液晶层19具有液晶分子，其由第一配向层18a与第二配向层18b配向，且其依据在像素电极17与设置于第二配向层18b上的透明导电层20(即公共电极层)之间所产生的电场而扭转，即液晶层19能基于像素电极17提供的施加电压以及透明导电层20提供的施加电压(即LOS显示器的驱动电压)来调节极化光转换率，进而控制从其穿出的反射光线的极化态比率，再进一步搭配光机引擎设计，来实现显示画面的灰度调制功能。第一配向层18a和第二配向层18b可具有各自的摩擦方向，在液晶层19中的每一液晶分子具有贝塔角和扭转角，所述贝塔角相关于第二配向层18b的摩擦方向和晶圆基板11的水平方向，且扭转角相关于第一配向层18a和第二配向层18b的摩擦方向。
本实施例的LOS显示器的驱动电压施加在像素电极17与透明导电层20上，驱动电压不会在反射镜堆15上产生压降，从而解决了现有的反射镜堆形成在像素电极表面上引入的额外负载降低液晶层上的施加电压的问题。应当理解，现有的采用在像素电极表面上制作反射镜堆的结构，由于反射镜堆位于施加电压的两级之间(像素电极与透明导电层)之间，因此会产生压降，带来较大的额外负载。
透明导电层20包含透光性和导电性材料，例如氧化铟锡、氧化铟锌或其他合适的材料。玻璃基板21设置于透明导电层20上，用以接收入射光线和保护下方各层。玻璃基板21优选用石英、熔融石英、高温玻璃或具有与硅基板类似的热膨胀系数的玻璃制成，由此以增强显示器的机械性能。抗反射层22用于防止玻璃基板21受到机械损坏并减少来自玻璃基板21的顶部表面的入射光反射。
如图2所示，本实施例的第二种LCOS显示器，包括：晶圆基板11以及位于所述晶圆基板11上的具有多个像素电极17的像素电极层，相邻的所述像素电极17之间设置有至少一组由自上而下分布的第一高折射率绝缘层23a和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层。第一高折射率绝缘层23a可通过蒸镀、磁控溅射工艺形成。进一步的，相邻的所述像素电极17之间的间隙下方设置有第二高折射率绝缘层23b，所述第二高折射率绝缘层23b在所述像素电极层上的投影覆盖相邻的所述像素电极17之间的间隙。所述像素电极层与所述晶圆基板11之间，以及第一高折射率绝缘层23a与晶圆基板11之间设置有绝缘层14，位于第一高折射率绝缘层23a与第二高折射率绝缘层23b之间的绝缘层14作为第一低折射率绝缘层；位于第二高折射率绝缘层23b与晶圆基板11之间的绝缘层14作为第二低折射率绝缘层；本示例中，相邻的所述像素电极17之间从上至下形成两组由高折射率绝缘层和低折射率绝缘层构成的堆叠层。所述绝缘层14的材质例如为氧化硅层。第二高折射率绝缘层23b也可通过蒸镀、磁控溅射工艺形成。所述第一高折射率绝缘层23a和/或所述第二高折射率绝缘层23b的材质包括：Si3N4、Ti2O3、TiO2或ZnSe中的至少一种。所述第一高折射率绝缘层23a的厚度等于所述LCOS显示器接收的入射光波长的四分之一除以所述第一高折射率绝缘层23a的折射率；所述第一低折射率绝缘层(位于第一高折射率绝缘层23a与第二高折射率绝缘层23b之间的绝缘层14)的厚度等于所述入射光波长的四分之一除以所述第一低折射率绝缘层的折射率，如此厚度设计可获得较佳的像素间隙的反射率，减少衍射噪声。
示例性的，第一高折射率绝缘层23a为Si3N4，第一低折射率绝缘层为SiO2，入射光波长为1550nm，Si3N4的折射率接近2.04，第一高折射率绝缘层23a(例如Si3N4)的厚度为1550/4/2.04＝189(nm)，第一高折射率绝缘层23a(例如Si3N4)的厚度范围取185nm～195nm；SiO2的折射率为接近1.47，第一低折射率绝缘层(例如SiO2)的厚度为1550/4/1.47＝263(nm)，第一低折射率绝缘层(例如SiO2)的厚度范围取260nm～270nm。第二种LCOS显示器还包括：依次层叠在像素电极层上的第一配向层18a、液晶层19、第二配向层18b、透明导电层20、玻璃基板21和抗反射层22。所述像素电极层与所述晶圆基板11之间设置有绝缘层14，所述晶圆基板11中形成有驱动电路12，所述像素电极层中的各个所述像素电极17通过贯穿所述绝缘层14的插塞13与所述驱动电路12电连接。此部分结构与第一种LCOS显示器相同，不再赘述。
本实施例的LOS显示器的驱动电压施加在像素电极17与透明导电层20上，液晶驱动电压不会在第一高折射率绝缘层23a上产生压降，也不会在第二高折射率绝缘层23b上产生压降，从而解决了现有的反射镜堆形成在像素电极表面上引入的额外负载降低液晶层上的施加电压的问题。
图2中的第二种LCOS显示器与图1中的第一种LCOS显示器主要区别在于相邻的所述像素电极17之间填充物的不同。第二种LCOS显示器相邻的所述像素电极17之间设置有至少一组由自上而下分布的第一高折射率绝缘层23a和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层；而第一种LCOS显示器相邻的所述像素电极17之间设置有反射镜堆。
如图3所示，横坐标为LCOS显示器接收的入射光波长，入射光波长范围例如为1500nm～1600nm；纵坐标为实测反射率。采用本实施例的第一种LCOS显示器和第二种LCOS显示器测的相邻像素电极17之间的间隙区域的反射率均在20％～30％之间，足以减少像素表面的衍射；像素电极17的反射率在90％～100％之间，像素电极17实现很好的反射，同时减少像素电极17之间的间隙的衍射噪声。
在一些实施例中，所述LCOS显示器还可以包括设置在像素电极层与第一配向层18a之间的彩色滤光层(未图示)，彩色滤光层包含例如高分子聚合物等着色材料或染色材料，或是其他合适的材料。彩色滤光层可以具有多个彩色滤波单元，且每一彩色滤波单元分别对应一像素电极17，用以使特定颜色的光通过，由此可以达到想要的颜色显示效果。
本实施例的LCOS显示器可应用在波长选择开关(WSS)中。WSS(波长选择开关)可满足对多端口大容量光通讯的需求，可灵活配置信道。信号从光纤输入，先经过准直透镜扩束，之后的衍射光栅将不同波长的信号在空间上分离，经过傅里叶棱镜镜像到LCOS显示器上的不同区域，实现切换或调制功能，衍射回来的信号可以通过同样的光路，根据调制信号的配置，出射到相应的输出端口。通过角度和位置的计算，这种光路可以灵活应用在WSS中。
本发明还提供一种电子设备，包括本实施例的LCOS显示器，所述LCOS显示器可用作电子设备的显示部(显示装置)，可以将输入到电子设备的视频信号或在电子设备内生成的视频信号作为图像或视频显示。所述电子设备可以是微型投影机、监视器或便携终端设备。所述便携终端设备可以是数码相机、视频摄像机、游戏机、笔记本型个人电脑、电子书、移动电话和穿戴时设备(例如头戴式、腕戴式、眼镜等)等等。本发明的电子设备由于采用了本本实施例的LCOS显示器作为显示部，因此具有更佳的显示效果以及产品可靠性。
综上所述，本发明提供一种LCOS显示器及电子设备，包括：晶圆基板以及位于所述晶圆基板上的具有多个像素电极的像素电极层，相邻的所述像素电极之间设置有反射镜堆或或者至少一组由第一高折射率绝缘层和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层。通过在相邻的所述像素电极之间(间隙)设置反射镜堆或堆叠层，增加了像素间隙的反射率，且减少了衍射噪声，从而降低输出信号的噪声；而且，液晶驱动电压不会在反射镜堆或堆叠层上产生压降，从而解决了现有的反射镜堆形成在像素电极表面上引入的额外负载降低液晶层上的施加电压的问题。不会增加额外的负载，并且不会使液晶驱动失去平衡。同时，不在像素区域上方形成更多额外光学膜层，故不易提高缺陷的风险。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种LCOS显示器，其特征在于，包括：晶圆基板以及位于所述晶圆基板上的具有多个像素电极的像素电极层，相邻的所述像素电极之间设置有反射镜堆或者至少一组由自上而下分布的第一高折射率绝缘层和第一低折射率绝缘层构成的堆叠层。
2.如权利要求1所述的LCOS显示器，其特征在于，所述反射镜堆包括层叠的第一反射金属层、电介质层和第二反射金属层。
3.如权利要求2所述的LCOS显示器，其特征在于，所述第一反射金属层和/或所述第二反射金属层的材质包括铜、铝、钛、钽、金、锌和银中的至少一种。
4.如权利要求1所述的LCOS显示器，其特征在于，相邻的所述像素电极之间的间隙下方设置有第二高折射率绝缘层，所述第二高折射率绝缘层在所述像素电极层上的投影覆盖相邻的所述像素电极之间的间隙。
5.如权利要求4所述的LCOS显示器，其特征在于，所述第一高折射率绝缘层和/或所述第二高折射率绝缘层的材质包括：Si3N4、Ti2O3、TiO2或ZnSe中的至少一种。
6.如权利要求4所述的LCOS显示器，其特征在于，所述第一低折射率绝缘层包括氧化硅层。
7.如权利要求4所述的LCOS显示器，其特征在于，所述第一高折射率绝缘层的厚度等于所述LCOS显示器接收的入射光波长的四分之一除以所述第一高折射率绝缘层的折射率；所述第一低折射率绝缘层的厚度等于所述入射光波长的四分之一除以所述第一低折射率绝缘层的折射率。
8.如权利要求1所述的LCOS显示器，其特征在于，还包括：依次层叠在所述像素电极层上的第一配向层、液晶层、第二配向层、透明导电层、玻璃基板和抗反射层。
9.如权利要求1所述的LCOS显示器，其特征在于，所述像素电极层与所述晶圆基板之间设置有绝缘层，所述晶圆基板中形成有驱动电路，所述像素电极层中的各个所述像素电极通过贯穿所述绝缘层的插塞与所述驱动电路电连接。
10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的LCOS显示器。
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