CN103901653A - 具有光学摄像功能的微显示器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有光学拍摄功能的微显示器件，包括制备有驱动电路的半导体芯片、透明基板，设置在半导体芯片与透明基板之间的液晶层，在半导体芯片的顶层设有加载电压实现动态图像显示的像素电极，在像素电极之间制备有具有独立的行列驱动电路完成动态视频图像拍摄的CMOS感光单元。本发明将CMOS光学传感器制备在微显示芯片上，使拍摄和显示共享同一个光路系统，从而保证拍摄的现实场景与微显示图像的高度融合，同时也利于实时拍摄人眼的动态影像。
Description
技术领域
本发明涉及一种显示装置，尤其是涉及一种同时具有摄像功能的微显示装置。
背景技术
微显示有多种技术，包括：硅基液晶，硅基OLED，DLP和MEMS等器件。硅基液晶（LCoS）技术相对成熟，下面所述本发明优选的结构将以LCoS为例进行说明，图1所示是传统LCoS微显示芯片的顶层结构示意图。传统的微显示芯片有两种常见的结构，即单色显示芯片（图1中左边结构）和彩色显示芯片（图1中右边结构）。单色显示芯片的每个显示像素对应一个正方形的电极（如图1中左边所示是一种常用的单色像素电极形状），单色显示芯片采用时分的方式实现彩色显示，由于红、绿、蓝三色共用同一个像素单元，因此有利于像素单元尺寸的小型化。
彩色显示芯片的每个像素有红、绿、蓝三个子像素组成（如图1中右边是一种典型的delta结构的彩色子像素结构，图中矩形分别代表子像素的电极区域，矩形框中的文字代表子像素的颜色）。图中左上角的虚线表示一个像素单元由相邻红、绿、蓝三色子像素组成。
图2所示是传统LCoS微显示芯片的剖面结构图（参考文献1：David Armitage, Ian Underwood, Shin-Tson Wu, “Introduction to Microdisplays”, John Wiley & Sons, Ltd, 2006）。图中微显示芯片由三层结构组成，最上面是透明的导电基板12，通常是带ITO导电层的玻璃基板；中间是液晶层13，常见的液晶工作模式有TN模式和VA模式；最下层是半导体硅片11，在半导体硅片上设有显示电极14。主要功能包括像素单元的行列驱动，和像素电极电压的动态刷新等，图中简化只画出了顶层的电极结构（图6所示是传统LCoS像素单元的工作原理图，每个像素单元包括一个三极管分别连接行电极、列电极和像素电极，在半导体硅片的像素电极与上基板的ITO导电层之间加载电压可以导致液晶改变排列方向，从而实现对入射光的调制），对于彩色显示芯片而言，电极的上面还会制备一层滤色层，分别对应红、绿、蓝三色滤色膜。
图2中最下层的硅基半导体集成电路通常采用传统的半导体工艺制备，因此除了实现微显示器件的行列驱动功能外，还可以集成各种大规模集成电路功能，例如SRAM、模数转换等。
可穿戴的智能眼镜采用微显示芯片及波导成像结构将微显示芯片显示的微小图像直接投影到人的眼睛里，使人眼在前方虚拟屏幕上看到放大的图像。以谷歌公司的智能眼镜（Google glass）为例，其采用了硅基液晶（LCoS）微显示芯片来显示图像。
智能眼镜作为可穿戴设备，同时具有视频拍摄功能，可以实时拍摄智能眼镜穿戴者所观看到的现场画面。这种拍摄功能与传统的手机拍摄功能相比，不仅具有较高的使用便携性，同时由于与人眼的观看视场高度一致，为新型的增强现实应用提供了很好的平台。
然而，在目前的智能眼镜产品中，可穿戴的智能眼镜产品普遍采用独立的微显示芯片与拍摄芯片，来分别完成虚拟图像的显示与现实场景的拍摄。分离的显示和拍摄系统存在显示图像与拍摄物体的不一致，从而降低了增强现实应用中，显示的虚拟物体与真实物体的高度融合效果。因此在增强现实显示应用中需要在拍摄图像与显示图像内容之间进行空间位置矫正，增加了产品的设计和生产的难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有光学拍摄功能的微显示器件，该微显示器件将CMOS光学传感器制备在微显示芯片上，使拍摄和显示共享同一个光路系统，从而保证拍摄的现实场景与微显示图像的高度融合，同时也利于实时拍摄人眼的动态影像。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种具有光学拍摄功能的微显示器件，包括制备有驱动电路的半导体芯片、透明基板，设置在半导体芯片与透明基板之间的液晶层，在半导体芯片的顶层设有加载电压实现动态图像显示的像素电极，其特征在于：在像素电极之间制备有具有独立行列驱动电路的CMOS感光单元。
本发明中，像素电极的上面有液晶层，加载电压可以改变液晶对入射光的偏振反向的调制角度。或者像素电极的上面是OLED结构，加载电压可以实现像素单元的发光显示。CMOS感光单元可以完成动态视频图像的拍摄。
本发明优选的像素电极可以是LCoS显示单元。CMOS感光单元位于LCoS显示单元内，或者CMOS感光单元位于LCoS显示单元间隙之间。CMOS感光单元与LCoS显示单元可以一一对应，或者CMOS感光单元与LCoS显示单元在空间分布上不一致。
在像素电极和CMOS感光单元顶部有滤色膜。CMOS感光单元可以与LCoS显示单元采用相同波长的滤色膜，实现彩色图像的拍摄。CMOS感光单元可以与LCoS显示单元采用不同波长的滤色膜，实现红外拍摄。
本发明的有益效果是：本发明将CMOS光学传感器制备在微显示芯片上，由于显示和拍摄位于同一个芯片上，使拍摄和显示共享同一个光路系统，从而保证拍摄的现实场景与微显示图像的高度融合，同时也利于实时拍摄人眼的动态影像。
本发明所提出的将CMOS感光单元制备在微显示芯片上的技术同样适用于硅基OLED，DLP和MEMS等微显示芯片。
附图说明
图1-1是传统LCoS微显示芯片中单色显示芯片的顶层结构示意图。
图1-2是传统的微显示芯片中彩色显示芯片的顶层结构示意图。
图2是传统的微显示芯片的剖面结构示意图。
图3所示是本发明优选的微显示芯片剖面结构示意图。
图4所示是本发明优选的单色微显示芯片顶层结构示意图。
图5所示是本发明优选的彩色微显示芯片顶层结构示意图。
图6是传统LCoS像素单元的工作原理图。
图7是传统CMOS感光单元的工作原理图。
具体实施方式
一种具有光学拍摄功能的微显示器件，见图3，该微显示器件包括制备有驱动电路的半导体芯片1、透明基板2，设置在半导体芯片与透明基板之间的液晶层3，在半导体芯片的顶层设有加载电压实现动态图像显示的像素电极4，在像素电极之间制备有具有独立的行列驱动电路完成动态视频图像拍摄的CMOS感光单元5。像素电极的上面有液晶层，加载电压可以改变液晶对入射光的偏振反向的调制角度。或者像素电极的上面是OLED结构，加载电压可以实现像素单元的发光。
本发明优选的像素电极是LCoS显示单元。CMOS感光单元位于LCoS显示单元内，或者CMOS感光单元位于LCoS显示单元间隙之间。CMOS感光单元与LCoS显示单元可以一一对应，或者CMOS感光单元与LCoS显示单元在空间分布上不一致。
在像素电极和CMOS感光单元顶部有滤色膜。CMOS感光单元可以与LCoS显示单元采用相同波长的滤色膜，实现彩色图像的拍摄。CMOS感光单元可以与LCoS显示单元采用不同波长的滤色膜，例如，采用红外滤色膜实现红外拍摄。
本发明在半导体硅片上同时制备CMOS感光电路，将CMOS感光阵列集成到LCoS微显示芯片的同一个半导体硅片上，在同一个芯片上实现图像显示和拍摄功能。
图3所示是本发明优选的单色微显示芯片剖面结构图，与传统LCoS微显示芯片的最大差别在于，在相邻的显示像素单元之间插入了一个CMOS感光单元（CMOS传感器的传统结构参照参考文献2：王庆有，“图像传感器应用技术”，电子工业出版社，2013）；图7所示是传统对数响应型CMOS-APS感光单元的工作原理图，该感光单元拥有很高的动态范围，其像素单元结构由光敏二极管D0、负载管M0、源跟随器M1和行选通管M2组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压。CMOS感光单元阵列与LCoS显示单元阵列，以及各自的行列驱动电路控制，位于同一个半导体硅片上，但是各自独立。传统的CMOS感光单元顶部包含一个微透镜，用于使光线会聚在感光单元上，在本发明的优选方案中，由于需要保证CMOS单元与LCoS单元具有一致平整上表面以满足液晶取向层对表面平整度的要求，本发明的优选方案中将省去传统的微透镜结构。在空间分布上，由于CMOS单元的尺寸远小于LCoS单元，可以将CMOS单元嵌入在LCoS显示单元中，如图3所示图中黑色区域表示CMOS单元。图4是本发明优选结构的半导体芯片顶层结构示意图，CMOS单元位于每个LCoS显示单元的右下角处，此时可以实现单色图像拍摄；当在LCoS显示单元顶层增加滤色膜时（如图1中右边所示顶层结构），CMOS单元可以位于LCoS显示单元内与其共用滤色膜，此时可以实现彩色图像拍摄功能。
由于CMOS单元与LCoS单元相互独立，且无需一一对应，除了本发明优选的技术方案外，还可以在LCoS显示单元之间嵌入CMOS单元，或者是采用更低分辨率的CMOS阵列，每个CMOS单元分散在多个LCoS的间隙之间，本领域的研究人员可以根据需要设计各种组合方式。
图5所示是本发明优选的彩色微显示芯片顶层结构结构图。图中CMOS感光单元位于红、绿、蓝三色像素单元的间隙，即图中字母“C”所标示的区域。图中只是画出了“C”区域分布的示意图，本领域研究人员可以根据实际需求设计各种不同形状和排列方式。这种结构的优势是CMOS顶层可以采用与红、绿、蓝三色不同的滤色膜，例如可以采用透光波段为红外的滤色膜，从而实现红外图像拍摄功能。这种红外拍摄功能可以应用于眼球跟踪定位，和低照度环境下现实场景的实时拍摄。
Claims (9)
1.一种具有光学拍摄功能的微显示器件，包括制备有驱动电路的半导体芯片（1）、透明基板（2），设置在半导体芯片（1）与透明基板（2）之间的液晶层（3），在半导体芯片（1）的顶层设有加载电压实现动态图像显示的像素电极（4），其特征在于：在像素电极（2）之间制备有具有独立行列驱动电路的CMOS感光单元（5）。
2.根据权利要求1所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于：所述像素电极（4）是LCoS显示单元。
3.根据权利要求2所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于：CMOS感光单元（5）位于LCoS显示单元内。
4.根据权利要求2所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于： CMOS感光单元（5）位于LCoS显示单元间隙之间。
5.根据权利要求2所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于：CMOS感光单元（5）与LCoS显示单元一一对应。
6.根据权利要求2所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于：CMOS感光单元（5）与LCoS显示单元在空间分布上不一致。
7.根据权利要求1所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于：在像素电极（4）和CMOS感光单元（5）顶部有滤色膜。
8.根据权利要求7所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于：CMOS感光单元（5）与LCoS显示单元采用相同波长的滤色膜。
9.根据权利要求7所述的具有光学拍摄功能的微显示器件，其特征在于：CMOS感光单元（5）与LCoS显示单元采用不同波长的滤色膜。
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