JP3621770B2 - 反射型空間光変調器用一体化光電パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、反射型空間光変調器（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）に関し、更に特定すれば、反射型空間光変調素子のパッケージングおよび照明（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、液晶空間光変調器（ＬＣＳＬＭ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）は非常に普及しており、デジタル腕時計、電話機、ラップトップ・コンピュータ等のような、広範囲におよぶ種々の直視型表示装置に利用されている。一般的に、液晶素子は比較的大型で別個に取り付けられた光源によって、好ましくは背面側から（背面発光ｂａｃｋ−ｌｉｇｈｔｉｎｇ）照明され、ほとんどの光は直接液晶を通過して射出し、目視者の目に到達する。直視型表示装置を適切に視認するためには、かなりの光量を必要とする。一般的にオフィス環境で視認可能とするには約２５ｆＬ、戸外の環境で視認可能とするには１００ｆＬ以上必要である。これだけの光量即ち輝度をＬＣＳＬＭの出力（ｏｕｔｌｅｔ）に供給するには、比較的明るくかつ大きな光源が必要となる。
【０００３】
更に、表示装置としての用途に用いられるＬＣＳＬＭは、偏光を必要とし、更に光路内にディフューザ（ｄｅｆｆｕｓｅｒ）を配置しなければならない。ＬＣＳＬＭに入射する光は偏光でなければならず、分析用偏光子（ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を射出光路に配置し、どのＬＣＳＬＭ画素がオンでどれがオフであるかを区別しなければならない。変調ＬＣＳＬＭの近くに、あるいは投射システムにおける画面として、拡散素子（ｄｉｆｆｕｓｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いなければならない。一般的に、この結果として、比較的大きくかさばり、常に数個の個別素子を有するパッケージを生産することになる。
【０００４】
この問題は、液晶表示装置の有用性を厳しく制限するものである。例えば、電話機、双方向無線機、ページャ等のような携帯用電子装置においては、表示装置は、英数字数桁分に制限されている。一般的に、小さい携帯用装置が望まれる場合、表示装置を非常に少ない桁数に抑えなければならない。何故なら、表示装置のサイズは、それが一体化される装置の最少サイズを決定するからである。
【０００５】
パッケージ・サイズの問題を軽減する１つの方法は、超小型液晶空間光変調器（ＬＣＳＬＭ）を画像源として用い、拡大用光学系（ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）を備えることである。これは、液晶によって変調された光が、光学系によって拡散画面（ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ ｓｃｒｅｅｎ）上に投影される、投射型表示装置の形式を取ることができる。あるいは、ＬＣＳＬＭによって形成された小さな実像から、光学系が大きな虚像を形成する、虚像表示装置の形式をとることができる。
【０００６】
反射モードでＬＣＳＬＭを用いることにより反射型ＬＣＳＬＭが形成され、駆動回路やその他の関連する電子部品を収容するシリコン基板上に、この反射型ＬＣＳＬＭを実装することができる。この構造を仮想画像表示装置として用いる場合でも、個別素子の数のために大きくかさばるパッケージとなってしまう。現在のところ、十分に大きな光源を設けること、および反射型ＬＣＳＬＭが適正に照明され、しかも都合よく視認され得るように光源と偏光子とを取り付けることは、非常に困難である。
【０００７】
したがって、反射型ＬＣＳＬＭの多様性を高めるようにパッケージングおよび発光を改善した反射型ＬＣＳＬＭを有することができれば有益であろう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、反射型空間光変調器用の新規で改善された一体化光電パッケージングを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、改善された光源を利用した反射型空間光変調器のための、新規で改善された一体化光電パッケージングを提供することである。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、虚像を形成する際に有用な反射型空間光変調器のための、新規で改善された一体化光電パッケージングを提供することである。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、携帯用電子機器に利用できる程に小型軽量の反射型空間光変調器のための、新規で改善された一体化光電パッケージングを提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、携帯用電子機器に利用できる程に少量の電力で十分な反射型空間光変調器のための、新規で改善された一体化光電パッケージングを提供することである。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、製造および組み立てが容易でしかも安価な成形構成物を含む反射型空間光変調器のための、新規で改善された一体化光電パッケージングを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述のおよびその他の問題の少なくとも部分的な解決、ならびに上述のおよびその他の目的の実現は、反射型空間光変調器用一体化光電パッケージにおいて達成される。このパッケージは、基板上に形成された反射型空間光変調器画素のアレイを含む。各反射型空間光変調器画素は基板内に形成された制御回路を含み、各制御回路は、基板の外縁（ｏｕｔｅｒ ｅｄｇｅ）に隣接する制御端子を含む。更に、各反射型空間光変調器画素は、制御回路に対して上に位置する関係（ｉｎ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ）で基板上に配置されたミラーと、ミラーに対して上に位置する関係で基板上に配置された光変調物質層とを含み、光変調物質を通過した光が反射して、光変調物質を通過して戻ってくる。更に、パッケージは、反射型空間光変調器画素アレイに対して上に位置する関係で配置された偏光層を含む。電気的部分、および光入力面と、光出力面と、光を光入力面から光出力面に方向付ける鏡面とを有する光導波路部分を含む取り付け支持部には、偏光層と反射型空間光変調画素アレイが、取り付け支持部の光入力面上に取り付けられている。光源が光導波路部分の鏡面に取り付けられ、光が偏光層を通過し、反射型空間光変調画素アレイ上に方向付けられるように配置される。光源は反射型空間光変調画素アレイから離間されているため、光源からの光は実質的に均一に反射型空間光変調画素アレイを照明する。更に、反射型空間光変調画素アレイは、反射型空間光変調画素アレイからの反射光が偏光層を通過し、光入力面に入射し、更に、光学部分を通過して鏡面に達するように配置されている。ディフューザが、取り付け支持部の光導波路部分の光出力面に対して上に位置する関係で取り付けられ、反射型空間光変調画素のアレイからの反射光のための画像面を形成する。
【００１５】
上述のおよびその他の問題の少なくとも部分的な解決、ならびに上述のその他の目的の実現は、更に反射型空間光変調器用一体化光電パッケージの製造方法において達成される。この方法は、成形等のような都合の良い方法によって取り付け支持部を形成する段階を含む。取り付け支持部は、更に、反射型空間光変調器に接続し、それを外部に電気接続するように配置された電気リードを含む。
【００１６】
【実施例】
具体的に図１を参照すると、反射型液晶空間光変調器（ＬＣＳＬＭ）積層体１０の簡略拡大断面図が示されている。積層体１０は、シリコン、炭化シリコン、砒化ガリウム等のような、いずれかの都合の良い半導体物質で形成された基板１１を含み、この中に集積電子回路を形成することができる。以下で更に詳細に説明するが、集積電子回路は、積層体１０内に形成される各ＬＣＳＬＭ画素のために、１つの駆動回路と、これと連携するアドレシング（ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ）およびスイッチング回路とを含む。基板１１の縁に隣接して複数のボンド即ち端子パッド１２が形成され、集積電子回路と電気的に交信することにより、電子回路の個々のアドレシングが可能となる。
【００１７】
基板１１の上表面上に、反射金属パッド１５の二次元アレイが形成されている。金属パッド１５は各々反射型ＬＣＳＬＭを規定する。本実施例では、金属パッド１５はアルミニウム、または基板１１の表面上にパターニングするのに都合が良く、その上に入射する光を反射するいずれかの金属で形成される。複数の金属パッド１５における各金属パッドは、１つの駆動回路ならびにアドレシングおよびスイッチング回路に電気的に接続され、金属パッド１５上の空間において画素を形成する液晶物質を活性化する１つの接点を形成する。
【００１８】
本実施例では、金属パッドは行および列状に形成され、アドレシングおよびスイッチング回路（図示せず）は、行および列状の電気バスと金属パッド１５に結合された電子スイッチとを含んでいるので、各金属パッド１５のアドレシングは別個に行うことができる。行および列状電気バスは、基板１１の縁に沿って形成された複数のボンド即ち端子パッド１２に電気的に接続され、個々の金属パッド１５との外部交信（アドレシングおよび制御）を可能とする。更に、金属パッド１５は全ての駆動、アドレシングおよびスイッチング回路と共に、基板１１に形成され、複数のボンド即ち端子パッド１２に結合され、その上に画素が規定され形成されていることに注意されたい。
【００１９】
全体的に管状のガラス・スペーサ２０が、接着、化学的接合、成長、およびエッチング層等のようないずれかの都合の良い手段で、基板１１の上表面に固着されている。スペーサ２０は他の様々な実施例においても形成することができ、ここに示す構造は説明のためにのみ例示されたものであることは、勿論理解されよう。スペーサ２０には、それを貫通する内部開口２１が規定されている。この内部開口は、反射金属パッド１５の二次元アレイを包囲するのに十分なサイズとなっている。スペーサ２０内の開口２１が基板１１の上表面と共に形成する空洞には、液晶物質２２が充填されている。この目的に用いることができる液晶物質の典型的な例は、１９８７年９月２２日に発行された、”Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓａｍｅ”と題する米国特許第４，６９５，６５０号、および１９８９年５月３０日に発行された、”Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ”と題する米国特許第４，８３５，２９５号に開示されている。
【００２０】
ガラス・ウインドウ２５上には、酸化錫インジウム（ＩＴＯ：ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）等のような透明な導電性物質層２４が形成され、第２接点を規定する。第２接点は、金属パッド１５および液晶物質２２と共に、完全なＬＣＳＬＭ画素の二次元アレイを形成する。ガラス・ウインドウ２５はガラス・スペーサ２０の上表面に固着されているので、その下側面上の導電性物質層２４が液晶物質２２と接触し、液晶物質２２は、基板１１の上表面、スペーサ２０の内部開口、およびガラス・ウインドウ２５によって規定される空洞内に収容される。導電性物質層２４は、別個の層即ち単体層として形成してもよく、この場合、ガラス・スペーサ２０上に単に配置し、組立中に部分的にその間で挟持すればよいことは、当業者には明白であろう。
【００２１】
導電性物質層２４は、金属パッド１５によって規定される各画素に共通な第２電気接続部であり、グラス・スペーサ２０の外縁に隣接するボンド・パッド２６に、導電リードによって接続されている。ボンド・パッド２６は、更に、ワイヤ・ボンド２８、ガラス・スペーサ２０の縁部のフィード・スルー接続器（ｆｅｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）（図示せず）のようないずれかの都合の良い手段によって、基板上のボンド・パッド２７にも電気的に接続されている。ボンド・パッド２７は、接地またはある固定電圧のような共通電位が印加されるように構成され、金属パッド１５に印加される種々の電位と協同して、各ＬＣＳＬＭ画素をＯＮ、ＯＦＦ、およびリセット（必要であれば）する。
【００２２】
尚、種々の液晶および強誘電体液晶物質（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｅｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ）を用意し、これらに異なる信号または電位を印加し、それに応答して異なるモードで動作させることも可能であることは理解されよう。例えば、以下のような反射型ＬＣＳＬＭを設けることができる。所定の電位が印加されたときに入射する光の偏向（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ）を回転させ、その電位が除去されたときには回転させない反射型ＬＣＳＬＭ、電位が印加されないときに入射する光の偏向を回転させ、所定の電位が印加された時に光の偏向を回転させる反射型ＬＣＳＬＭ、所定の第１電位が印加されたときに光の偏向を回転させ、第２（より低いまたはより高い）電位が印加されたときに光の偏向を回転させない反射型ＬＣＳＬＭ等がある。更に、共通ネマティック液晶空間光変調器（ｃｏｍｍｏｎ ｎｅｍａｔｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）はメモリを有しておらず、毎回電位を印加した後にリセットする必要はないが、強誘電体液晶物質はメモリを有し、少なくとも用途によっては、強誘電体液晶空間光変調器は、通常の切り替え信号の間にリセット（または他の変更）信号を必要とする場合がある。本明細書では全体として、「活性化」および「活性化された」という用語を用いることによって、動作モードには関係なく、１つまたは複数の信号を画素に印加または画素から除去することによって、所望の結果を得るように当該画素を変化させることを示す。この所望の結果は明白であろう。
【００２３】
ガラス・ウインドウ２５で反射型ＬＣＳＬＭ積層体１０が完成する。反射型ＬＣＳＬＭ積層体１０は反射型液晶画素素子の二次元アレイを含み、各画素素子は、ボンド・パッド１２を通じて別個にアドレス可能となっている。画素をＯＮにするには、当該画素の上下の接点間に電位を印加しなければならない。電位を印加しなければ、画素は通常ＯＦＦ状態にある。ガラス板２５が、反射型ＬＣＳＬＭの二次元アレイ内の各画素の光入力および光出力を規定する。本実施例の説明では、画素内に液晶物質を用いているが、例えば、他のタイプの光変調液体または固体物質、ミラー、またはその他の反射性物質等、他のタイプの空間光変調器を画素に用いてもよいことは理解されよう。
【００２４】
次に図２を参照して、反射型ＬＣＳＬＭ積層体１０の動作について簡単に説明する。光源３０が用意される。これは、説明した動作のために十分な光を供給できるものであれば、いずれの発光装置でもよい。光源３０からの光は、積層体１０を照明する前に、板３１において拡散され、第２板３２において偏向される。拡散板３１は、光源３０からの光をスタック１０全体に広げるために設けられる。偏光板３２は、光が積層体１０に入射する前に、例えば、垂直な偏向方向に光を偏向させる。
【００２５】
積層体１０内の液晶、例えば、強誘電体液晶物質は、標準的なツイスト・ネマティック液晶表示装置におけるように、活性化状態にあるとき、それを通過する偏光を回転させる（この動作モードは、本説明の目的のためのみに用いられる）。したがって、ガラス板２５および液晶物質２２を通過し、パッド１５から反射されて液晶物質２２およびガラス板２５を通過した光は、活性化されている各画素においては、９０゜偏向が回転する。アレイ内で活性化されていない全ての画素では、それを通過する光は偏向の変化を受けない。
【００２６】
分析用偏光板３５を用意し、積層体１０のアレイ内の複数の画素を通過して反射された光がそれを通過するように配置する。例えば、板３５が水平方向に偏向された場合、活性化されている画素から反射された全ての光は、偏向が９０゜回転し板３５を通過する。一方活性化されていない画素から反射された光は偏向が回転されていないので、遮断される。板３５が板３２と同じように、垂直方向に偏向されている場合、活性化されていない画素からの光がそれを通過し、活性化されている画素からの光は遮断される。先に述べたようなその他のいずれかのモードで動作するように構成された画素では、板３２，３５を異なる方位にしなければならない場合もあることは理解されよう。
【００２７】
具体的に図３を参照すると、一体化光電パッケージ４０の断面図が示されている。本実施例では、取り付け支持部６０が設けられている。取り付け支持部６０は、全体的に矩形状断面の電気部分６１（左側）と、全体的に平行四辺形状断面の、光導波路を形成する光学部分６２（右側）とを含む。取り付け支持部６０には、電気および光学部分６１，６２双方の下表面６３に取り付けられた、または埋め込まれた、リード６４が形成されている。通常、取り付け支持部６０は、プラスチック等で成形され、リード６４は、成形処理の間にその中に埋め込まれた、または都合の良い接着剤等によってその下表面に取り付けられた、可撓性リードフレームである。
【００２８】
取り付け支持部６０の少なくとも光学部分６２は、光学的に透明なプラスチックで形成され、電気部分６１はＦＲ４、プリント回路基板、安価なプラスチック等のような都合のよい物質で形成することができ、成形プロセスの間に光学部分と一体化される（物理的および電気的に）。本実施例では、ＥＰＯＸＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＣ．からＥＰＯ−ＴＥＫ ３０１−２という商標で入手可能な光学的に透明な液体エポキシ、またはＤｅｘｔｅｒ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＨＹＳＯＬ ＭＧ１８という商標で入手可能な透明エポキシ成形材料のような、いずれかの都合の良い光学的に透明なプラスチックを用いて、取り付け支持部６０全体が単一片として、即ち、光導波路として成形される。取り付け支持部６０の電気部分６１には、下表面６３上のリードと接続される複数のフィードスルー・ビア６５が貫通形成されている。
【００２９】
この具体的実施例では、反射型液晶空間光変調器（ＬＣＳＬＭ）積層体１０（即ち、空間光変調器）は、バンプ・ボンディング、ワイヤ・ボンディング等のようないずれかの都合のよい手段によって、光学部分６２に対して上に位置する関係で、かつリード６４と電気的に接触した状態で、取り付け支持部６０の下表面６３に接続されている。偏光板４５が、積層体１０のガラス板２５と、取り付け支持部６０の下表面６３との間に配置されることによって、ガラス板２５に入射するまたはこれから射出する全ての光は偏光板４５を通過し、これによって偏向される。偏光板４５は、別個の単体板として、積層体１０が配置される前に取り付支持部６０上に配置したり、または偏光板４５はガラス板２５の表面上に被着したり、さらにまた、偏光板４５は取り付け支持部６０の下表面上に被着してもよいことは、勿論理解されよう。
【００３０】
１つ以上の光源４６が、取り付け支持部６０の光学部分６２の傾斜した側の表面６７上に、偏光板４５に対向して、そしてこれに向かうように配置されている。光学部分６２の側面６７にも、ミラー４８のような反射面がその上に位置付けられる関係で配置されている。光源４６を取り付けるには、成形処理の間にそれらを取り付け支持部６０内に埋め込むか、取り付け支持部６０に孔を形成しその中に光源を配置するか、ミラー４８と光源４６とを単一ユニットとして形成するか、あるいはミラー４８の少なくとも一部を二方向ミラーとして形成し、光源４６からの光についてはそれを通過させるが、積層体１０からの光については光学部分６１の対向側６８上の第２ミラーに向かって反射させることも可能である。
【００３１】
１つまたは複数の光源４６は、例えば、単一の発光ダイオードまたは数個の発光ダイオードを含み、偏光板４５を通って積層体１０がほぼ均一に照明するように配置することができる。例えば、現在公知のＧａＮ ＬＥＤは、４０ｍＡでほぼ２ｍＷの出力電力を生成することができ、これは約１１ルーメン／ワットの出力電力に換算される。
【００３２】
他の例では、３つのＬＥＤ（赤、緑、および青ＬＥＤ）を表面６７上に設け、交互に活性化することによって、３つの異なる光源４６を形成する。これらは各々、別々の時間に積層体１０を完全かつ均一に照明する。カラーＬＥＤを活性化する時間に、各画素に必要とされる各色（赤、緑、または青）の量にしたがって、積層体１０内の各ＬＣＳＬＭ（画素）を活性化することにより、３つのＬＥＤの各サイクル毎に、完成されたフル・カラー画像が生成される。完全で均一な照明を供給するために各色のＬＥＤを１つ以上必要な場合は、それらを１つ以上用いてもよいことは、勿論理解されよう。
【００３３】
ミラー４８の裏面上に電気リードをパターニングするか、或いは電気リードを埋め込み、光源４６への電気接続部を設ける。バンプ・ボンディング、ワイヤ・ボンディング等のようないずれかの都合の良い手段によって、支持構造７６（プリント基板等）上に、複数の駆動回路７５を取り付ける。次に、本実施例ではバンプ・ボンディングによって、支持構造７６を取り付け支持部６０の電気部分６１の上表面上に取り付け、積層体１０、および電気部分６２の外側に得られる表面上の外部入出力端子に、駆動回路７５を電気的に接続する。光源４６は、電気部分６１の上表面上の電気接続部を介して、外部入出力端子に接続される。種々の入力（データ、電力等）も、取り付け支持部６０の下表面６３上の種々の地点に供給され、リード６４を通じて回路の残りの部分に接続される。積層体１０および駆動回路７５は、保護のために、いずれかの公知の方法で封入される。
【００３４】
取り付け支持部６０の光学部分６２の上表面６９は、その上にディフューザ４７を受容するように形成され、このディフューザ４７が積層体１０から反射された光のための画像面を形成する。更に、付加的な光学素子を、ミラー４８，４９内、またはミラー４８，４９間に組み込んだり、および／またはディフューザ４７の外表面に取り付けたり（または、表面６９上に、ディフューザ４７と係合するようにこれの上に配置する）、および／または、特に、ディフューザ４７と偏光板４５との間の距離が十分長く、反射光が拡散し過ぎる可能性がある場合には、偏光子４５と下表面６３との間に配置することもできる。かかる付加的な光学素子は、光がディフューザ４７に入射する前に、倍率を更に高めたり、および／または部分的に平行化することができる。これら付加素子は、支持部６０内に成形することができ、残った空隙（ａｉｒｇａｐ）は、空隙として残すことも、支持部６０とは異なる屈折率を有する光学物質で充填することもできる。
【００３５】
一般的に、ディフューザ４７は光学レンズとして形成され、表面６９に着脱可能に、および／または調節可能に取り付けられる。多少異なる実施例では、例えば、ディフューザ４７は、その外周面に雄ねじが切られた円板形状に形成され、このねじ山が、表面６９に取り付けられた取り付け支持部の雌ねじ（図示せず）に螺合される。したがって、ディフューザ４７を、積層体に対して軸方向に容易にかつ素早く動かすことができ、ディフューザ４７上に形成される画像を合焦することができる。ＬＣＳＬＭアレイによって反射された光から実像を生成するために必要な拡散は、偏光板４５と光源４６との間に配置された拡散素子（図示せず）によって、また用途によっては、金属板１５の表面上に配置された拡散物質（積層体１０内）によって、またはこれらの組み合わせによって得ることができる。
【００３６】
積層体１０の配向は、それによって反射される光が上方向に向かい、取り付け支持部６０の光学部分６２を通過してその側面６７に達するように決められる。光学素子４８，４９は、光学部分６２内で光をディフューザ・レンズ４７に向けて方向付ける、即ち、案内する。本実施例では、光学部分６２は便宜上単一光導波路として形成されているが、望ましければ、ディフューザ４７と、付加光学素子と共に光学部分６２に含ませ、例えば、下表面６３と上表面６９との間に延在させることによって、ディフューザ４７を偏光器４５に近付けて配置することもできる。
【００３７】
以上のように、製造が比較的容易で安価な、新規で改善された反射型ＳＬＭ用一体化光電パッケージが開示された。このパッケージは種々の光学素子を堅固に取り付けつつ、電気接続部をこれらの素子に都合よく一体化し、これらに外部接続部を設けることができる。更に、光源、偏光子、ディフューザ、および、望ましければ付加的な光学系部品も、小型軽量のパッケージ内に都合よく一体化し、次いで、このパッケージを携帯用電子機器内に容易に一体化することができる。光源にＬＥＤを用いることによって、パッケージのサイズは更に縮小され、必要な電力も最少に抑えられる。また、マルチカラーＬＥＤを用いることによって、部分的なまたは完全なカラー画像を形成することもできる。
【００３８】
図４および図５を参照すると、本発明にしたがって構成され７０と付番された二重画像表示装置の一実施例の全体的な簡略構成図が示されている。二重画像表示装置７０は、図４に示す、大型虚像を発生するように構成された第１画像表示装置７２と、図５に示す、直視画像を発生するように構成された第２画像表示装置７４とを含む。ここでは説明のために、画像表示装置７２，７４を別々に参照するが、装置７０は本質的に２つの動作モードを有し、これらのモードが７２，７４で示されていることは、当業者には理解されよう。
【００３９】
装置７２は、全体的に図３に示した一体化光電パッケージ４０に類似した実像発生器４０を含む。これは、光導波路７６の光学入力に対して上に位置する関係で取り付けられている。光導波路７６の光学出力は、外部に得られるように配置され、単一のレンズ７７で表されているレンズ系がその上に取り付けられている。光導波路７６は、１つ以上の光学素子７８，７９を含む。これらは、フレネル・レンズ、反射素子、屈折素子、偏向素子等とすることができる。素子７８，７９は、像を拡大すると共に、種々の歪みを低減することができる。レンズ系７７を取り付けることによって、光導波路７６からの画像を受け、これを所定量追加拡大し、虚像を視認する開口を形成する。本実施例では、光導波路７６およびレンズ系７７は、合計約２０倍に画像を拡大する。一般的に、一体化光電パッケージ４０によって発生された実像を、人間の目での知覚するのに十分に拡大するには、１０倍（１０ｘ）以上の拡大が必要である。
【００４０】
ここでは、レンズ系７７を通じてオペレータによって視認される虚像は比較的大きく（例えば、８．５”ｘ１１”）、二重画像表示装置７０の数フィート後ろにあるようにオペレータには見えることは理解されよう。画像表示装置７２によって生成される虚像のサイズのために、広範囲にわたる種々の英数字および／またはグラフィック画像を、容易にかつ都合よく映し出すことができる。更に、画像表示装置７２は非常に小型軽量なので、ページャ、双方向無線機、セルラ電話機、データ・バンク等のような携帯用電子装置に容易に内蔵することができ、しかもサイズや電力要求量には殆ど影響を与えない。
【００４１】
直視画像を発生するように構成された第２画像表示装置７４（図５）は、反射型光学素子８４と、二重画像表示装置７０の表面に枢動可能に取り付けられた画面８５とを内蔵する。反射型光学素子８４および画面８５は、レンズ系７７からの画像が画面８５上で合焦する（虚像を形成するのではなく）ように位置付けられている。したがって、反射型光学素子８４および画面８５は、図５に示すモードに枢動されたとき、本質的には実像表示装置７２を直視画像表示装置７４に変換することになる。光学素子８４は、望ましければ合焦および／または拡大のために、フレネル・レンズなどを含むこともできる。
【００４２】
画像表示装置７４は、画像が投影される画面よりは大きくない直視画像を発生する。直視画像の大きさはかなり小さいので、必要とされる拡大量もかなり小さく、具体的には約１０倍未満である。このように倍率を低くするには、反射型光学素子８４および画面８５をレンズ系７７の焦点に位置付ける。一般的に、直視画像は、画像表示装置７２によって生成される虚像よりもかなり小さいが、画像を画面７５に投影するにはより多くの光が必要であるので、直視画像を発生する方が必要な電力量は多い。しかしながら、画面８５上の直視画像は小さいので、オペレータが知覚するには、直視画像に含まれるメッセージは全て、大きくしなければならない。このために、画像発生器４０のアレイにおける１画素即ち空間光変調器は最終的な虚像（例えば）において１画素を生成するのに対して、画像発生器４０のアレイでは、数個の画素即ち空間光変調器が協同して画面８５上の直視画像における１つの画素を生成する。この構造は駆動用電子部品内に組み込むことができ、オペレータが素子８４および画面８５を虚像モードから直視モードに動作を切り替えたときに、自動的に切り替える、即ち、活性化することもできる。数個の画素即ち空間光変調器が１つの画素を生成するので、多くの場合、必要な電力が多いという問題は自動的に解決される。用途によって電力が余分に必要な場合、直視モードでは、一体化光電パッケージ１０の光源４６への駆動電流を自動的に増加させることもできる。
【００４３】
この具体的実施例では、積層体１０内の画素即ち空間光変調器は、規則的なアドレス可能な行および列のパターンに形成されており、公知の方法で特定の画素の行および列をアドレスすることによって、これら特定の画素が活性化され、ディフューザ４７上に実像が生成される。デジタルまたはアナログ・データが入力端子上で受け取られ、データ処理回路によって、選択された空間光変調器を活性化できる信号に変換され、所定の実像が発生される。
【００４４】
受信機または装置７０内の他のデータ源からの映像は、オペレータが都合よく視認するために、画像表示装置７２または７４に通信される。一般的に、例えば、制御信号の名称などを画面８５上の直視画像に表示させ、一方レンズ系７７における虚像は、より大きな英数字メッセージやグラフィックのために用いられる。
【００４５】
次に、図６、図７および図８を参照すると、本発明による他の微小虚像表示装置１５０が、それぞれ正面図、側面図、および上面図で示されている。図６、図７および図８は、微小虚像表示装置１５０をほぼ実際の大きさで図示し、本発明によって達成された小型化の程度を示そうとするものである。表示装置１５０は、一体化光電パッケージ１５５（全体的にパッケージ４０に類似している）を含み、この具体的実施例では、１４４画素ｘ２４０画素から成る。各画素は、一方側に約２０ミクロンに形成され、隣接する画素の中心間の間隔は２０ミクロン以内である。好適実施例では、一体化光電パッケージ１５５は約１５ｆＬ未満の輝度（ｌｕｍｉｎａｎｃｅ）を生成する。この非常に低い輝度が可能なのは、表示装置１５０が虚像を生成するからである。更に、必要な輝度が非常に低いので、ＳＬＭ積層体のための光源としてＬＥＤ等を用いることができ、このために小型化および必要な電力の大幅な低減が達成される。一体化光電パッケージ１５５は駆動部基板１５８の表面上に取り付けられる。光学系１６５も駆動部基板１５８上に取り付けられ、画像を約２０倍に拡大し、ほぼ８．５”ｘ１１”の用紙の大きさの虚像を生成する。
【００４６】
ここで注記すべきは、一体化光電パッケージ１５５が非常に小型であり、しかも直視表示ではなく虚像が利用されるので、微小虚像表示装置１５０全体の物理的寸法は、幅約１．５インチ（３．８ｃｍ）、高さ０．７５インチ（１．８ｃｍ）、奥行き１．７５インチ（４．６ｃｍ）であり、全体的な体積も２立方インチ（３２ｃｍ３）に過ぎないことである。
【００４７】
具体的に図９を参照すると、図７の微小画像表示装置１５０を明確に示すために、４倍に拡大した側面図が図示されている。この図から、第１光学レンズ１６７がディフューザ４７の上表面に直接取り付けられていることが分かる。光学プリズム１７０が取り付けられ、表面１７１からの画像を反射し、そこから屈折面１７２を通過させる。次に、画像は、屈折入力面１７６と屈折出力面１７７とを有する光学レンズ１７５に向けて送出される。レンズ１７５から、画像は、入力屈折面１８１および出力屈折面１８２を有する光学レンズ１８０に向けて送出される。また、この実施例では、少なくとも１つの偏向光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）が、一方の表面、例えば、表面１７１およびまたは表面１７６上に設けられ、収差などを補正する。オペレータはレンズ１８０の表面１８２を覗き込み、表示装置１５０の後方に現れる、大型で容易に知覚可能な虚像を見る。
【００４８】
従来技術では、視覚表示が望まれるページャやその他の小型受信機にとって、表示装置のサイズが特に障害になっていた。一般的に、かかる表示装置は１行の短いテキストまたは数桁に制限されており、今でも表示装置のサイズによって受信機のサイズが決定される。本発明の実施例（例えば、図６〜図９の実施例）を利用すれば、数行から１ページ全体にわたる文書を表示可能な表示装置を組み込むことができ、しかも、受信機またはその他の携帯用電子機器のサイズも大幅に縮小することができる。更に、虚像表示を用いているので、表示は明瞭で読みやすく、その動作に必要な電力も非常に少なくて済む。実際、この表示装置は、電子機器に通常用いられている直視型表示装置のどれよりも、使用電力が大幅に少なく、結果として、大幅に小型化して製造することができる。
【００４９】
以上のように、半導体チップ上に非常に小さい空間光変調器アレイを組み込んだ微小虚像表示装置を有する、飛躍的に改善された携帯用電子装置が開示された。虚像表示装置が用いられるので、この表示装置は非常に小さく構成でき、必要な電力も大幅に少なくて済む。更に、虚像表示装置のサイズが非常に小さく消費電力も少ないので、携帯用電子機器のサイズや必要な電力に殆ど影響を与えることなく、かかる携帯用電子機器に組み込むことができる。微小虚像表示装置は、所定量の拡大と共に、十分な瞳距離およびレンズ作用距離を与え、快適で視認可能な虚像を形成する。また、可動部品即ち電力を消費するモータ等を用いることなく、完全な虚像が生成される。更に、微小虚像表示装置の一部分として設けられる電子部品によって、例えば、英数字および／またはグラフィックのような、様々な極小実像を発生することができる。この極小実像は大きな虚像に拡大され、オペレータは容易に知覚することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射型液晶空間光変調器積層体を示す簡略拡大断面図。
【図２】反射型液晶空間光変調器積層体の動作を示す半概略斜視図。
【図３】本発明を具体化した、反射型液晶空間光変調器積層体を含む、一体化光電パッケージの断面図。
【図４】図３に示す一体化光電パッケージを利用した二重画面表示装置全体を、その可動部分が第１位置にある状態を示す簡略構成図。
【図５】図４に示す一体化光電パッケージを利用した二重画面表示装置全体を、その可動部分が第２位置にある状態を示す簡略構成図。
【図６】図３に示す一体化光電パッケージを利用した画像表示装置を示す正面図。
【図７】図３に示す一体化光電パッケージを利用した画像表示装置を示す側面図。
【図８】図３に示す一体化光電パッケージを利用した画像表示装置を示す上面図。
【図９】図８の装置を４倍に拡大した側面図。
【符号の説明】
１０ 反射型液晶空間光変調器（ＬＣＳＬＭ）積層体
１１ 基板
１２ 端子パッド
１５ 反射金属パッド
２０ ガラス・スペーサ
２２ 液晶物質
２４ 導電性物質層
２５ ガラス・ウインドウ
２６ ボンド・パッド
３０ 光源
３１，３２，３５ 板
４０ 一体化光電パッケージ
４５ 偏光板
４６ 光源
４７ ディフューザ
４８，４９ ミラー
６０ 取り付け支持部
６１ 電気部分
６２ 光学部分
６４ リード
６５ フィードスルー・ビア
６７ 支持構造
７０ 二重画像表示装置
７２ 第１画像表示装置
７４ 第２画像表示装置
７５ 駆動回路
７６ 光導波路
７７ レンズ
７８，７９ 光学素
８４ 反射型光学素子
８５ 画面
１５０ 微小虚像表示装置
１５５ 一体化光電パッケージ
１５８ 駆動部基板
１６７ 第１光学レンズ
１７０ 光学プリズム
１７２ 屈折面
１７５ 光学レンズ
１７６ 屈折入力面
１７７ 屈折出力面
１８０ 光学レンズ
１８１ 入力屈折面
１８２ 出力屈折面

Claims (4)

1. 反射型空間光変調器用一体化光電パッケージであって：
   基板（１１）上に形成された反射型空間光変調器画素のアレイ（１０）であって、各画素は前記基板上に形成された制御回路を含み、各制御回路は前記基板（１１）の外縁に隣接した制御端子（１２，２７）と、前記制御回路に対して上に位置する関係で前記基板（１１）上に配置されたミラー（１５）と、前記ミラー（１５）に対して上に位置する関係で配置された空間光変調物質（２２）とを含み、前記空間光変調物質（２２）を通過した光が反射されて、前記空間光変調物質（２２）を通過して戻ってくるように構成された前記アレイ（１０）；
   前記反射型空間光変調器画素のアレイ（１０）に対して上に位置する関係で配置された偏光層（４５）；
   電気部分（６１）と光導波路部分（６２）とを含む取り付け支持部（６０）であって、前記光導波路部分は、光入力面（６３）と、光出力面（６９）と、前記光入力面（６３）からの光を前記光出力面（６９）に方向付ける鏡面（６７，６８）とを有し、前記偏光層（４５）および前記反射型空間光変調器画素アレイ（１０）が前記光入力面（６３）上に取り付けられている、前記取り付け支持部（６０）；
   前記光導波路部分（６０）の鏡面に取り付けられ、かつ光を前記偏光層（４５）を通過させ前記反射型空間光変調器画素アレイ（１０）上に方向付ける光源（４６）であって、前記光源からの光が前記反射型空間光変調器画素アレイを実質的に均一に照明するように、前記反射型空間光変調器画素アレイ（１０）から離間された前記光源（４６）であって、前記反射型空間光変調器画素アレイ（１０）は、該反射型空間光変調器画素アレイ（１０）からの反射光が、前記偏光層（４５）を通過して前記光入力面（６３）に入射し、前記光学部分（６０）を通じて前記鏡面（６７，６８）に達するように配置された、前記光源（４６）；および
   前記取り付け支持部（６０）の光出力面（６９）に対して上に位置する関係で取り付けられ、前記反射型空間光変調器画素アレイ（１０）からの反射光に画像面を形成するディフューザ（４７）；
   から成ることを特徴とする反射型空間光変調器用一体化光電パッケージ。
2. 反射型液晶空間光変調器用一体化光電パッケージであって：
   基板（１１）と、その上に形成された複数の制御回路と、液晶空間光変調器物質層（２２）と、層（２４）を含む反射型液晶空間光変調器積層体（１０）であって、各制御回路は、前記基板（１１）の外縁に隣接する制御端子（１２，２７）と、前記基板（１１）上に配置された電気接点ミラー（１５）とを含み、各電気接点ミラー（１５）は１つの画素と当該画素のための第１電気接点とを規定し、前記変調器物質層（２２）は、該液晶空間光変調物質（２２）を通過した光が、反射して該液晶空間光変調物質（２２）を通過して戻ってくるように、前記電気接点ミラー（１５）に対して上に位置する関係で配置され、前記層（２４）は、前記液晶空間光変調器物質（２２）の対向面上に配置され、各画素の第２電気接点を形成する導電性で光学的に透明な層である、前記反射型液晶空間光変調器積層体（１０）；
   前記反射型液晶空間光変調器積層体（１０）に対して上に位置する関係で配置された偏光層（４５）；
   電気部分（６１）と光導波路部分（６２）とを含む取り付け支持部（６０）であって、前記光導波路部分（６２）は光入力面（６３）と、光出力面（６９）と、前記光入力面（６３）から光出力面（６９）に光を方向付ける鏡面（６７，６８）とを有し、前記偏光層（４５）と前記反射型液晶空間光変調器積層体（１０）が前記光入力表面（６３）上に取り付けられている前記取り付け支持部（６０）；
   前記光導波路部分（６２）の鏡面（６７）に取り付けられ、かつ光を前記偏光層（４５）を通過させ前記反射型空間光変調器積層体（１０）上に方向付ける光源（４６）であって、前記光源からの光が前記反射型空間光変調器積層体を実質的に均一に照明するように、前記反射型空間光変調器積層体（１０）から離間された前記光源（４６）であって、前記反射型空間光変調器積層体（１０）は、該反射型空間光変調器積層体（１０）からの反射光が、前記偏光層（４５）を通過して前記光入力面（６３）に入射し、前記光学部分（６２）を通じて前記鏡面（６７）に達するように配置された、前記光源（４６）；および
   前記取り付け支持部（６０）の光導波路部分（６２）の光出力面（６９）に対して上に位置する関係で取り付けられ、前記反射型空間光変調器積層体（１０）からの反射光に画像面を形成するディフューザ（４７）；
   から成ることを特徴とする反射型液晶空間光変調器用一体化光電パッケージ。
3. 反射型液晶空間光変調器用一体化光電パッケージであって：
   反射型液晶空間光変調器積層体（１０）であって：
   複数の制御回路が形成された基板（１１）であって、 各制御回路は、前記基板（１１）の外縁に隣接する制御端子（１２，２７）と、前記基板（１１）上に配置された電気接点ミラー（１５）とを含み、各電気接点ミラー（１５）は１つの画素と当該画素のための第１電気接点とを規定する、前記基板（１１）；
   前記電気接点ミラー（１５）に対して上に位置する関係で配置された液晶空間光変調器物質層（２２）であって、前記液晶空間光変調物質（２２）を通過した光が、反射して該液晶空間光変調物質（２２）を通過して戻ってくるように配置された前記液晶空間光変調物質（２２）；および
   前記液晶空間光変調器物質（２２）の対向面上に配置され、各画素の第２電気接点を形成する導電性で光学的に透明な層（２４）；
   から成り、
   前記液晶空間光変調器物質（２２）の層は、内側対向平坦面を有し前記基板（１１）の表面によって規定された閉空洞内に収容され、スペーサ（２０）が前記基板（１１）の表面に取り付けられ、ガラス板（２５）が前記スペーサ（２０）上に取り付けられ、前記電気接点ミラー（１５）が前記内側表面の一方に取り付けられ、前記導電性で光学的に透明な層（２４）が前記内側表面の他方に取り付けられた前記反射型液晶空間光変調器積層体（１０）；
   偏光層（４５）；
   電気部分（６１）と光導波路部分（６２）とを含む取り付け支持部（６０）であって、前記光導波路部分（６２）は光入力面（６３）と、光出力面（６９）と、前記光入力面（６３）から光出力面（６９）に光を方向付ける鏡面（６７，６８）とを有し、前記偏光層（４５）と前記反射型液晶空間光変調器積層体（１０）が前記光入力表面（６３）上に取り付けられている前記取り付け支持部（６０）；
   前記光導波路部分（６２）の鏡面（６７）に取り付けられ、かつ光を前記偏光層（４５）を通過させ前記反射型空間光変調器積層体（１０）上に方向付ける光源（４６）であって、前記光源からの光が前記反射型空間光変調器積層体（１０）を実質的に均一に照明するように、前記反射型空間光変調器積層体（１０）から離間された前記光源（４６）であって、前記反射型空間光変調器積層体（１０）は、該反射型空間光変調器積層体（１０）からの反射光が、前記偏光層（４５）を通過して前記光入力面（６３）に入射し、前記光学部分（６２）を通じて前記鏡面（６７）に達するように配置された、前記光源（４６）；および
   前記取り付け支持部（６０）の光導波路部分（６２）の光出力面（６９）に対して上に位置する関係で取り付けられ、前記反射型空間光変調器積層体（１０）からの反射光に画像面を形成するディフューザ（４７）；
   から成り、
   前記取り付け支持部（６０）の電気部分（６１）は、当該電気部分（６１）内に形成されたリード（６４）を含み、前記基板（１１）の外縁に隣接する各制御回路の制御端子に電気的に接続され、前記リード（６４）は更に、前記取り付け支持部（６０）の外部に延長し、前記制御回路のための外部接点（６５）を形成することを特徴とする反射型液晶空間光変調器用一体化光電パッケージ。
4. 反射型液晶空間光変調器用一体化光電パッケージの製造方法であって：
   半導体基板（１１）上に二次元アレイとして形成された複数の反射型空間光変調器を含み、前記空間光変調器アレイの各空間光変調器のために前記基板（１１）上に形成された駆動用電子部品（１５）と、前記基板（１１）の外縁に隣接して配置された前記駆動用電子部品（１５）のための制御端子（１２，２７）とを有する積層体（１０）であって、更に、前記反射型空間光変調器の二次元アレイ内の空間光変調器の各々に光入力と光出力とを規定する光透過面を含む前記積層体（１０）を用意する段階；
   電気部分（６１）と光導波路部分（６２）とを含む取り付け支持部（６０）であって、前記光導波路部分（６２）は光入力面（６３）と、光出力面（６９）と、前記光入力面（６３）から光出力面（６９）に光を方向付ける鏡面（６７，６８）とを有し、前記電気部分（６１）は複数の電気リード（６４）を含み、前記駆動用電子部品の制御端子（１２，２７）と電気的に交信する第１内部電気接点、および前記取り付け支持部（６０）の外表面において第２電気接点（６５）を設けるように、各電気リードを前記電気部分内に配置する段階；
   偏光層（４５）を用意し、該偏光層（４５）を、前記取り付け支持部（６０）の光入力面（６３）に対して上に位置する関係で配置する段階；
   前記偏光層（４５）に対して上に位置する関係で前記積層体（１０）を配置し、前記偏光層（４５）と前記積層体（１０）とを前記取り付け支持部（６０）の光入力面（６３）上に取り付ける段階；
   光源（４６）を前記光導波路部分（６２）の鏡面（６７）に取り付け、かつ光を前記偏光層（４５）を通過させ前記積層体（１０）上に方向付けるように前記光源（４６）を配置し、前記光源からの光が前記積層体（１０）を実質的に均一に照明するように、前記光源（４６）を前記積層体（１０）から離間し、前記積層体（１０）からの反射光が、前記偏光層（４５）を通過して前記光入力面（６３）に入射し、前記光学部分（６２）を通じて前記鏡面（６７）に達するように、前記積層体（１０）を配置する段階；および
   前記積層体から反射された光を拡散し（４７）画像を形成する段階；
   から成ることを特徴とする方法。

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