專利名稱：一種帶有微濾光片列陣的硅基液晶反射式彩色顯示系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及顯示領域，特別是一種硅基液晶反射式彩色顯示系統(tǒng)。
近年來，高清晰度電視(HDTV)的技術發(fā)展非常迅速，發(fā)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(shù)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(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)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。
LCOS顯示技術用于彩色顯示目前主要有兩種方案三芯片方案和單芯片方案。三芯片方案是采用一套較復雜的光學系統(tǒng)先將白色光分成紅、綠、藍三色光，分別投射到三塊LCOS芯片上，經(jīng)這三塊LCOS芯片調制后的三束反射光，再經(jīng)該光學系統(tǒng)合成彩色圖像。這種方案的優(yōu)點是分辨率高、刷新頻率高、理論上的光利用效率高，但它的成本也相對較高，而且由于光學系統(tǒng)較復雜，實際達到的光利用效率并不高(只有30％左右)。目前常用的單芯片方案是采用分時調制的方法來實現(xiàn)的，即在光源前放置一紅、綠、藍三色濾光片飛輪，通過飛輪的高速旋轉，使得每一時序只有某一單色光照射到一塊LCOS芯片上，然后利用人眼的視覺延遲效應而產(chǎn)生彩色圖像。這種方案的結構較簡單、成本也較低、也能達到較高的分辨率，缺點是由于液晶的響應時間的限制，這種方案的刷新頻率做不高，視覺上會有“拖尾”現(xiàn)象，而且由于在一定時段，只有一種顏色的光起作用，因此這種方案在理論上的光利用效率也只有30％左右。另外，這種方案具有機械運動部件，因而可靠性和耐固性也較差。
本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單、成本低廉、刷新頻率高、光利用效率高、可靠性和耐固性好的單芯片LCOS彩色顯示的解決方案。
本發(fā)明的方法是首先準備一塊用CMOS工藝制作的可尋址象元的硅基片(LCOS基片)，該基片的各象元面上均鍍有金屬反射層。然后再在另一塊鍍有透明導電層的透明玻璃基底上，用物理氣相沉積或化學氣相沉積的方法，鍍制微型多層介質光學干涉濾光片列陣，其每個微型濾光片的形狀、尺寸均與上述LCOS基片上的象元面一致。微型濾光片共分三類，分別透過紅光、綠光、和藍光，而對其它波長的光則均為反射。這三類微型濾光片呈品字型或梳狀排列，周期性交替均勻分布在玻璃基底上。將這兩塊基片的鍍膜面都涂布上液晶定向層，然后再將這兩塊基片面對面，并使微型濾光片與LCOS象元準直地封裝在一起，中間灌注上液晶層，組成LCOS與微型濾光片列陣的組合器件。當白色光線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(fā)生變化。因此，采用一個偏振分光棱鏡，將該部分反射光與沒有經(jīng)過液晶層的反射光區(qū)分開來。這部分經(jīng)過液晶層的反射光由于已經(jīng)過LCOS調制，帶有圖像信息，因而可直接經(jīng)過一成象系統(tǒng)，作彩色顯示用，而那部分沒有經(jīng)過液晶層的反射光則被反射回光源系統(tǒng)，經(jīng)光源反射鏡再反射回來重復利用。因此該方案可有效地利用光源的光能量，其理論上的利用效率可接近100％。而且，它的刷新頻率可與三芯片方案相同，但結構簡單得多，成本也低得多，可靠性和耐固性也很好。缺點是會略犧牲一點分辨率。但由于它的分辨率是由LCOS基片的象元數(shù)決定的，而LCOS基片的象元是用硅片CMOS工藝加工的，提高它的象元數(shù)對現(xiàn)代微電子工業(yè)來說是相當簡單的。因此，這個缺點不會影響它的實際應用。
本發(fā)明


如下圖1為三芯片彩色顯示方案的示意圖。
圖2為分時調制的單芯片彩色顯示方案的示意圖。
圖3為微型濾光片列陣與LCOS基片組合器件的截面結構示意圖。
圖4為三類微型濾光片的透射光譜曲線(實線紅；虛線綠；點劃線藍)。
圖5為微型濾光片列陣的平面排列分布示意圖。(其中a為品字型分布；b為梳狀分布)圖6為帶有微型濾光片列陣的單芯片彩色顯示方案的示意圖。
下面結合附圖對本發(fā)明作詳細闡述。但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1是用三塊LCOS芯片作彩色顯示的常用方案之一。光源1發(fā)射的光線，經(jīng)光源反射鏡2反射后，再經(jīng)過準直透鏡組3，再由一塊濾光片4濾去紫外和紅外部分光譜，然后再經(jīng)偏振器5將自然光轉換成線偏振光，該線偏振光經(jīng)過三塊分色濾光片6、7、8的分色后，變成紅、綠、藍三束光，分別經(jīng)過三塊偏振分光鏡9后投射到三塊LCOS芯片10上，經(jīng)這三塊LCOS芯片調制后的三束光，由一個X方塊棱鏡11的合光后，經(jīng)反射鏡12的折向后，再由一投影物鏡13投射到顯示屏14上，呈彩色圖像顯示。這種方案的優(yōu)點是分辨率高、刷新頻率高、理論上的光利用效率高，但它的成本也相對較高，而且由于光學系統(tǒng)較復雜，實際達到的光利用效率并不高(只有30％左右)。
圖2則是用單LCOS芯片作彩色顯示的方案之一。同樣的，光源1發(fā)射的光線，經(jīng)光源反射鏡2反射后，再經(jīng)過準直透鏡組3、紫外和紅外隔絕濾光片4、以及偏振器5，然后再由透鏡15將其會聚到一濾光片飛輪16上，隨著濾光片飛輪的旋轉，該光束呈紅、綠、藍三色交替變化，再經(jīng)另一塊透鏡15后，投射到偏振分光鏡9和一塊LCOS芯片10上，其反射出的圖像經(jīng)投影物鏡13投射到顯示屏14上，由于人眼的視覺延遲效應，可觀察到彩色圖像。這種方案的結構較簡單、成本較低、分辨率也較高。缺點是刷新頻率低，視覺上會有“拖尾”現(xiàn)象，光利用效率也較低。另外，這種方案具有機械運動部件，因而可靠性和耐固性也較差。
圖3是微型濾光片列陣與LCOS基片組合器件的截面結構示意圖。首先在一塊硅片17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層18，這些金屬反射層不僅可作光的反射層，同時也是金屬電極，可通過尋址電路的控制使它們分別加上不同的電壓。另外在一塊已鍍有透明導電膜22的玻璃基底23上，用光刻和真空鍍膜相結合的方法，制作上三色微型濾光片列陣。微型濾光片共有三類，均為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(qū)域其它光譜則均為高反射，其典型的透射光譜曲線如圖4所示(其中實線部分24為透紅光濾光片的透射光譜；虛線部分25為透綠光帶通濾光片的透射光譜；點劃線部分26為透藍光濾光片的透射光譜)，這微型濾光片的形狀和尺寸均與上述硅基底上象元的金屬反射鏡的形狀和尺寸相一致。該三類微型濾光片在平面上的排列分布為品字型或梳狀周期性的交替均勻分布排列，參見圖5(a)和(b)。將該帶有三色微型濾光片列陣的玻璃基底與上述帶有CMOS結構象元列陣及金屬反射鏡列陣的硅基底的表面均涂布上一層液晶定向層19(材料為聚酰亞胺或類似材料)，然后經(jīng)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2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20，并封閉住周邊，即制成微型濾光片列陣與LCOS基片的組合器件。當一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(jīng)過液晶層，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(xiàn)彩色圖象的顯示。
圖6為本發(fā)明的單芯片彩色顯示方案的示意圖。同樣地，光源1發(fā)射的光線，經(jīng)光源反射鏡2反射后，再經(jīng)過透鏡組3、紫外和紅外隔絕濾光片4、以及偏振器5，成為準直的可見白色線偏振光，然后通過一個偏振分光鏡9，再照射到上述微型濾光片列陣與LCOS基片的組合器件27上，其一部分光譜的光透過微型濾光片列陣，被LCOS器件調制后，改變了偏振方向，從偏振分光鏡的側面出射到投影物鏡13被投射出彩色圖象至顯示屏14。而另一部分光譜的光則直接被微型濾光片反射回去，由于其偏振方向沒有改變，因此它直接透過偏振分光鏡，并回到光源系統(tǒng)，被光源反射鏡再次反射回去，而得到重復利用，從而有效地提高了光的利用效率。
將上述投影系統(tǒng)中的投影物鏡改成觀察目鏡，則該系統(tǒng)就可變成頭戴式的彩色顯示裝置。由于該系統(tǒng)的光學部分很簡單，因而，該裝置可以做得很輕巧。
本發(fā)明具有如下有益效果1.采用本發(fā)明的方法可以將目前常用的三芯片彩色顯示方案改成單芯片的彩色顯示方案。
2.采用本發(fā)明的方法可以大大簡化彩色投影裝置中的光學系統(tǒng)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.采用本發(fā)明的方法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(fā)熱而引起的一系列副作用。
4.本發(fā)明的方法可以在臺式電腦、家用電視機、商用投影系統(tǒng)、以及頭戴式顯示裝置等方面得到廣泛應用。
權利要求
1.一種硅基液晶反射式彩色顯示系統(tǒng)，包括硅基液晶反射式顯示芯片、三色微型濾光片列陣、偏振分光棱鏡、光源系統(tǒng)、起偏器等部件，其特征在于使用三色微型濾光片列陣作為分色元件，達到彩色顯示目的。
2.如權利要求1所述的彩色顯示系統(tǒng)，其特征在于將微型三色濾光片的反射光線，經(jīng)過偏振分光棱鏡反射回光源系統(tǒng)，加以重復利用，可以節(jié)約光源能量。
3.如權利要求1中所述的三色微型濾光片列陣，其特征是由尺度均為5微米～15微米的紅、綠、藍三種色彩的微型濾光片成品字型或梳狀分布，周期性均勻排列組成。
4.如權利要求3所述的三色微型濾光片列陣，其特征在于其每個微型濾光片(可以為短波通/帶通/長波通濾光片或三個顏色波長的帶通濾光片)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。
5.一種反射式彩色顯示芯片，其特征在于將權利要求1中所述的硅基液晶反射式顯示芯片和三色微型濾光片列陣封裝組合成一體，其結構的排列次序依次為帶有CMOS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、三色微型濾光片列陣、透明導電層、玻璃基片；或帶有CMOS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、三色微型濾光片列陣、玻璃基片。
6.一種彩色投影顯示裝置，其特征在于將權利要求1所述的彩色顯示系統(tǒng)與投影物鏡、投影屏加以組合而成的投影顯示裝置，包括前向投影和后向投影兩種投影方式。
7.一種頭戴式彩色顯示裝置，其特征在于將權利要求1所述的彩色顯示系統(tǒng)與觀察目鏡組合而成的，可戴在頭上觀察的彩色顯示裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種單芯片的硅基液晶反射式彩色顯示系統(tǒng)方案，它使用三色微型濾光片列陣作為分色元件，配合偏振分光棱鏡使用后，具有性能高、結構簡單、成本低廉等特點?？蓱糜谕队帮@示、頭戴式顯示等場合。
文檔編號G09G5/02GK1392534SQ011134
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月19日 優(yōu)先權日2001年6月19日
發(fā)明者邵劍心 申請人:邵劍心