(57)【要約】本発明により開示されるシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスは、シリコン・ベースのチップと、金属ミラーアレイと、下液晶配向層と、液晶層と、上液晶配向層と、透明導電層と、ガラス基材とを順番に重ねてから、パッケージングすることによって形成されている。前記上液晶配向層とガラス基材との間にはマイクロ型カラーフィルタアレイが設置されている。二つの液晶配向層の間隔は0.5μm〜10μmであり、マイクロ型カラーフィルタアレイのピクセルと金属ミラーアレイのピクセルとは互いに対応しており、金属ミラーアレイの各ピクセルは同時に金属電極とし、その上にそれぞれ所定の直流電圧又は電圧パルスを印加できる。デバイスは正方形又はハチの巣状の画素セル構造が採用されている。本発明はシングルチップにてカラー表示を実現でき、光学システムを簡素化し、よりコンパクトにし、コストを低減するとともに、システムの信頼性を向上させ、画像のゆがみを解消し、画像の品質を向上させる利点がある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路構造を有するシリコン・ベースのチップと、金属ミラーアレイと、下液晶配向層と、液晶層と、上液晶配向層と、透明導電層と、マイクロ型カラーフィルタアレイと、ガラス基材を備えたシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおいて、
前記シリコン・ベースのチップと、金属ミラーアレイと、下液晶配向層と、液晶層と、上液晶配向層と、透明導電層と、ガラス基材とを順番に重ねてからパッケージングすることによって一体に形成され、前記マイクロ型カラーフィルタアレイは上液晶配向層とガラス基材との間に位置し、二つの液晶配向層の間隔は0.5μm〜10μmであり、
前記マイクロ型カラーフィルタアレイのピクセル形状及び寸法は、前記金属ミラーアレイのピクセル形状及び寸法と同じまたは大体同じであり、且つ一対一の対応関係を呈し、
前記金属ミラーアレイの各ピクセルは金属電極とし、且つそのシリコン・ベースのチップにおける集積回路によってアドレッシングを行い、その上にそれぞれ所定の直流電圧または電圧パルスを印加していることを特徴とするシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項２】
前記二つの液晶配向層の間隔は1μm〜6μmである請求項１に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項３】
前記二つの液晶配向層の間隔は２μm〜４μmである請求項２に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項４】
前記マイクロ型カラーフィルタアレイは上液晶配向層と透明導電層との間に位置している請求項１に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項５】
前記マイクロ型カラーフィルタアレイは透明導電層とガラス基材との間に位置している請求項１に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項６】
前記マイクロ型カラーフィルタアレイは赤、緑、青三原色のマイクロ型フィルターからなり、且つ各マイクロ型フィルターは屈折率の異なる２種類以上の媒質薄膜から交替で構成され、その薄膜の合計厚さが1μm〜5μmである請求項４又は５に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項７】
前記マイクロ型カラーフィルターの間には約0.3μm〜1μmの隙間があり、非透明のメッキ層が施され、非透明のメッキ層の材質はアルミ、クロム、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタニウム、金、銀、プラチナ、タングステン、モリブデン、タンタラム、ジルコニウム、炭素の中から選んだ１種の材質或いはそれらの合金である請求項４又は５に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項８】
前記マイクロ型カラーフィルタアレイの各基本画素セルの形状は長さと幅の比率が約3となる赤、緑、青という三つの長方形マイクロ型フィルターからなる正方形構造であり、且つアレイ全体は当該正方形構造を基本セルとして緊密に配列してなる四方形構造である請求項４又は５に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項９】
前記赤、緑、青という三つの長方形マイクロ型フィルターは、その幅の合計を一定とする前提で、各自の幅がそれぞれ異なり、赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターに適切な面積比率を持たせる請求項８に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項１０】
前記マイクロ型カラーフィルタアレイの各基本画素セルの形状は赤、緑、青という三つの平行四辺形のマイクロ型フィルターからなる六角形構造であり、また、アレイ全体は当該六角形構造を基本セルとしてハチの巣状のように緊密に配列されることによって形成されている請求項４又は５に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項１１】
前記赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターの平行四辺形における内角と辺長が調整でき、それらにより構成された基本画素セルの有効長と有効幅との比率を１に近づけ、且つ赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターは適切な面積比率を有する請求項１０に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【請求項１２】
前記各基本画素セルの赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターの形状は菱形であり、その中の二つの菱形はそれぞれ一つの50°〜56°の内角を有し、もう一つの菱形は一つの70°〜78°の内角を有する請求項１１に記載のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子分野に係わり、特にシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高精細度テレビテレビジョン(HDTV)技術の発展は非常に速く、例えばプラズマディスプレイ(PDP)技術、薄膜トランジスタ(TFT) ディスプレイ技術、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD) ディスプレイ技術および反射型液晶(LCOS)方式ディスプレイ技術などのような新型ディスプレイ技術は多く発展してきた。その中に、LCOSディスプレイ技術は、非常に成熟したシリコン・ベースCMOSプロセスと液晶注入プロセスとの組合せからなり、解像度が高く、コストが安く、量産が容易に実現されるなどの長所もあり、人々から好評を受け、次世代の主流ディスプレイ技術の一つであると考えられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、現在のLCOSチップは単色に留まり、カラー表示を実現するために、通常、複雑な光学システムを採用しなければならない。先ず、白色の光を赤、緑、青という三原色の光に分解し、それぞれ三枚のLCOSチップに投射して、この三つの光をカラーイメージに合成させる。このようなカラー表示方法は、構造が複雑で、コストが高く、性能が不安定などの欠点がある。また、現在のLCOSチップはそのピクセル形状が正方形であるため、このようなピクセル形状のLCOSチップを利用して直接に作られたカラーLCOSデバイスを製作すると、表示されたイメージの一部が引っ張られ、ゆがみが発生する恐れがある。このようなゆがみを投影光学システムにて修正することが考えられるが、光学デザインの難しさを増すことに繋がる。
【０００４】
本発明の目的は、シングルチップにてカラー表示を実現でき、光学システムを簡素化し、システムの信頼性を向上できるシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスを提供することにある。
【０００５】
本発明の更なる目的は、人間の肉眼で感知できなくなるよう画像のゆがみを一応解消し、画像の品質を改善できるシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、下記の技術案によって前記目的を達成する。
本発明のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスは、集積回路構造を有するシリコン・ベースのチップと、金属ミラーアレイと、下液晶配向層と、液晶層と、上液晶配向層と、透明導電層と、マイクロ型カラーフィルタアレイと、ガラス基材を備え、前記シリコン・ベースのチップと、金属ミラーアレイと、下液晶配向層と、液晶層と、上液晶配向層と、透明導電層と、ガラス基材とを順番に重ねてからパッケージングすることによって一体に形成され、前記マイクロ型カラーフィルタアレイは上液晶配向層とガラス基材との間に位置し、二つの液晶配向層の間隔は0.5μm〜10μmであり、前記マイクロ型カラーフィルタアレイのピクセル形状及び寸法は、前記金属ミラーアレイのピクセル形状及び寸法と同じまたは大体同じであり、一対一の対応関係を呈し、前記金属ミラーアレイの各ピクセルは金属電極とし、且つそのシリコン・ベースのチップにおける集積回路によってアドレッシングを行い、その上にそれぞれ所定の直流電圧または電圧パルスを印加している。
【０００７】
上記の本発明によれば、白色の偏光が当該シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスに照射する時、一部の光が元の偏り方向に沿ってマイクロ型カラーフィルターにより反射され、他の部分の光がマイクロ型カラーフィルターを透かし、且つ液晶層を貫通して、LCOSチップの金属反射層に到達してから再び反射される。当該反射光の偏り方向は、液晶層に印加される電圧またはパルス幅によって変化する。そのため、１つの偏光・分光プリズムにて当該部分の反射光と液晶層を貫通していない反射光を分けることができる。その液晶層を貫通した反射光は液晶により変調され、イメージ情報を有するため、直接に１つのイメージングシステムにてカラー表示に用いられる。それに対し、液晶層を貫通していない反射光はそのまま反射され、所定の装置にて当該部分の光エネルギーを回収し、再反射によって再利用することができる。
【０００８】
本発明は、マイクロ型カラーフィルターをLCOSチップの中に設置することによって、シングルチップのカラー表示ソリューションを容易に実現し、従来のカラー投影装置における光学システムを大幅に簡素化し、信頼性を有効に向上させ、よりコンパクトにし、コストも大幅に低減できる。また、反射された光エネルギーの再利用によって、光の利用効率を有効に向上し、光源のエネルギー消耗を大幅に低減させ、光源放熱による一連の副作用を緩和し、システムの信頼性を改善し、マイクロディスプレイデバイスの使用寿命の延長にも有利である。
【０００９】
前記本発明の一形態では、シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおける二つの液晶配向層間の望ましい間隔は1μm〜6μmであり、その二つの液晶配向層間の最適な間隔は2μm〜4μmである。
【００１０】
前記本発明の一形態では、シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスのマイクロ型カラーフィルタアレイは、上液晶配向層と透明導電層との間に位置してもよいし、透明導電層とガラス基材との間に位置してもよい。
【００１１】
また、シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスのマイクロ型カラーフィルタアレイは赤、緑、青三原色のマイクロ型フィルターの組み合わせからなる。この三原色のマイクロ型フィルターはその形状が同じでも異なっても良く、赤、緑、青三原色の光はそれぞれこれらのマイクロ型フィルターを透かすことができ、その他の波長の光はこれらのマイクロ型フィルターによって反射される。マイクロ型カラーフィルタアレイにおける各マイクロ型フィルターは、屈折率の異なる２種類以上の媒質薄膜から交替で構成され、その薄膜の合計厚さが1μm〜5μmである。
【００１２】
さらに、シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおけるマイクロ型カラーフィルターの間には約0.3μm〜1μmの隙間があり、非透明のメッキ層が施され、その非透明のメッキ層の材質はアルミ、クロム、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタニウム、金、銀、プラチナ、タングステン、モリブデン、タンタラム、ジルコニウム、炭素の中から選んだ１種の材質或いはそれらの合金である。これによって、光漏れを低減でき、当該デバイスの画像品質を更に改善し、画像のコントラストと信号対雑音比をアップし、シリコン・ベース・チップにおける集積回路を保護でき、強い光照射による性能の減衰を避け、使用寿命を延長できる。
【００１３】
さらに、本発明の目的をよりよく実現するために、本発明のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおいて、マイクロ型カラーフィルタアレイの各基本画素セルの形状は長さと幅の比率が約3となる赤、緑、青という三つの長方形マイクロ型フィルターからなる正方形構造であり、且つアレイ全体は当該正方形構造を基本セルとして緊密に配列してなる四方形構造である。そして、赤、緑、青という三つの長方形マイクロ型フィルターは、その幅の合計を一定とする前提で、各自の幅がそれぞれ異なり、赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターに適切な面積比率を持たせる。
【００１４】
マイクロ型カラーフィルタアレイの各基本画素セルの形状は赤、緑、青という三つの平行四辺形のマイクロ型フィルターからなる六角形構造であり、また、アレイ全体は当該六角形構造を基本セルとしてハチの巣状のように緊密に配列されてもよい。同様に、赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターの平行四辺形における内角と辺長を調整することによって、それらにより構成された基本画素セルの有効長と有効幅との比率を1に近づけ、且つ赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターは適切な面積比率を有する。例えば、各基本画素セルの赤、緑、青という三つのマイクロ型フィルターの形状は菱形であり、その中の二つの菱形はそれぞれ一つの50°〜56°の内角を有し、もう一つの菱形は一つの70°〜78°の内角を有する。
【００１５】
前記基本画素セル構造における有効長と有効幅との比率が１又は1に近づけることによって、画像のゆがみと変形を解消或いは基本的に解消でき、本発明の前記更なる目的を実現できる。また、各ピクセル面積の比率を調節することによって、システムの色バランスを調整できる。これらは、画像品質の改善、投影装置における光学システムの簡素化に有利である。
【００１６】
本発明の各特長は、デスクトップ・パソコン、家庭用テレビ、業務用投影システムおよび携帯型ディスプレイ装置などにおけるLCOSディスプレイ技術の応用と普及を推進できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図面に従って本発明を詳しく説明する。
図1は本発明のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスの断面構造を示す説明図である。当該シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスは、集積回路構造を有するシリコン・ベース・チップ1と、金属ミラーアレイ2と、下液晶配向層3と、液晶層4と、上液晶配向層3と、透明導電層5と、赤、緑、青三原色のマイクロ型カラーフィルタアレイ6と、ガラス基材7を備えている。その中に、前記シリコン・ベース・チップ1、金属ミラーアレイ2、下液晶配向層3、液晶層4、上液晶配向層3、透明導電層5、ガラス基材7は順番に重ねてからパッケージングすることによって一体に形成される。図においては、マイクロ型カラーフィルタアレイ6が透明導電層5とガラス基材7との間に位置する状況のみを示している。そのマイクロ型カラーフィルタアレイ6が上液晶配向層3と透明導電層5との間に位置してもよい。二つの液晶配向層3の間隔は0.5μm〜10μmであり、望ましい間隔は1μm〜6μmであり、最適な間隔は2μm〜4μmである。マイクロ型カラーフィルタアレイ6の各フィルターは多層媒質の光学薄膜から作られ、赤、緑と青の光がそれぞれ透かすことができる一方、可視範囲のその他のスペクトルに対して高レベルで反射する。これらのマイクロ型カラーフィルタアレイ6のピクセルの数量、形状、寸法及び配列方式は全て前記シリコン・ベース・チップ1における金属ミラーアレイ2のピクセルの数量、形状、寸法及び配列方式と一致し、一対一の対応関係が形成されている。金属ミラーアレイ2における各金属ミラーは、光の反射層とするだけでなく、金属電極でもあり、それらの金属電極にはアドレッシング駆動回路の制御によってそれぞれ異なる電圧を印加できる。また、マイクロ型カラーフィルタアレイ6の各ピクセル間の隙間8は約0.3〜1μmであり、その隙間8には非透明のメッキ層が施されている。非透明のメッキ層の材質はアルミ、クロム、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタニウム、金、銀、プラチナ、タングステン、モリブデン、タンタラム、ジルコニウム、炭素の中から選ばれた１種の材質或いはそれらの合金である。これによって、光漏れを低減できる。
【００１８】
製作する時に、先ず対角線の寸法が約10mm〜50mmである大きさのシリコン・ベース・チップ1にCMOSプロセスにてアドレッシング可能なピクセルアレイを作ってから、各ピクセルに金属ミラーアレイ2をメッキする。また、上記シリコン・ベース・チップ1と同じ寸法の１枚の透明ガラス基材7に、光エッチングと真空膜メッキの方法を用いて赤、緑、青三原色のマイクロ型カラーフィルタアレイ6を製作する。当該マイクロ型カラーフィルタアレイ6に対して平面化処理を行ってから、透明導電層5をメッキさせる。その後、上記金属ミラーアレイ2を有するシリコン・ベース・チップ1とともに、それぞれの表面に液晶配向層3（ポリイミド或いは類似材料）を塗布する。そして、機械摩擦またはその他の方法にて配向処理を施した後、この２枚のチップをフェイス対フェイスに合わせ、中間間隔の距離を0.5μm〜10μmにする。その中間間隔に液晶4を注入し、周辺をシールすることによって、マイクロ型カラーフィルタアレイとLCOSチップとの組合せデバイスは作られる。
【００１９】
図2は、従来技術におけるマイクロ型フィルタアレイの平面配列分布を示す説明図である。各ピクセルの形状は正方形である。三つのピクセル（赤、緑、青）ごとに「品」字状（図2(a)）またはクシ状（図2(b)）の配列方式で一つの基本画素セルを構成し、それによってディスプレイ画面全体を構成する。但し、このような正方形のピクセルは、如何なる方式で配列しても、ディスプレイ画面のゆがみと変形をもたらす。例えば、長さと幅の比率が4：3となる一つの入力画面の画像は、図2(a)の「品」字状の配列方式にて画面を表示する際、表示された画面画像の長さと幅の比率が1：1となる。一方、図2(b)のクシ状の配列方式にて画面を表示する際、表示された画面画像の長さと幅の比率が4：1となる。このようなゆがみと変形が投影光学システムにて修正できるが、このような修正は投影光学システムの複雑化をもたらし、投影光学システムのコストをアップし、投影画像の品質に悪影響を与えるおそれもある。
【００２０】
画像のゆがみを低減するために、従来設計のピクセル形状を変えなければならない。本発明は、基本的にゆがみのないカラーLCOSデバイスのピクセル形状と配列方式を提供する。図3は本発明のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおけるマイクロ型フィルタアレイの平面配列分布を示す説明図である。図3(a)に示されているように、シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおけるマイクロ型フィルタアレイの各基本画素セルの形状は長さと幅の比率がおよそ3となる赤、緑、青という三つの長方形のマイクロ型フィルターから形成された正方形構造である。アレイ全体は、当該正方形構造を基本セルとし、緊密に配列してなる方形構造である。従って、ディスプレイ画面のゆがみと変形が発生しない。
【００２１】
また、この赤、緑、青という三つのピクセルの幅の合計（長さに等しい）を一定とする前提で、この三つのピクセルの幅の比率を適切に調整することによって、赤、緑、青三原色のマイクロ型カラーフィルターに適切な面積比率を持たせ、投影画像の色調バランスを調整できる。例えば、現在の投影表示システムの照明光源は通常、超高圧水銀ランプであり、その超高圧水銀ランプの発射スペクトルにおける赤色光のスペクトル分量が緑色光と青色光のスペクトル分量より明らかに低い。従って、赤色ピクセルの長方形の幅を適切に増やすことによって、緑色と青色ピクセルの幅を相応に減少し、総面積に占める赤色ピクセルの面積の割合をアップし、色補償を行い、色のバランスを実現する。
【００２２】
図3(a)に示されているピクセル形状は、長さ対幅の比率が高すぎるという欠点がある。・マイクロ型ディスプレイデバイスにとって、そのピクセル形状の最小寸法は、マイクロ電子の加工プロセスに制限されている。特にマイクロ型液晶表示デバイスにとって、そのピクセル形状の最小寸法は、液晶分子の寸法にも制限される。確かに、長さ対幅の比率が高すぎるというピクセル形状はディスプレイデバイスの更なるインテグレーションに不利である。そのため、図3(a)に示されているピクセル形状は、画素の少ない（即ち、解像度が低い）画像表示にしか適用しない。
【００２３】
図3(b)に示されているのは、画素の多い（即ち、解像度が高い）画像表示に適用するカラーLCOSデバイスのピクセル形状と配列方式である。シリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおけるマイクロ型カラーフィルタアレイの赤、緑、青という三つのピクセルの形状は、すべて平行四辺形であり、各基本画素セルの形状は赤、緑、青という三つの平行四辺形のマイクロ型フィルターからなる六角形の構造である。且つアレイ全体は、当該六角形構造を基本セルとするハチの巣状の方式で緊密に配列している。
【００２４】
この基本画素セルの六角形の内角と各辺長を調整することによって、有効長さと有効幅の比率を1に近づけることができ、画像の異変が人間の肉眼で感知できないよう表示画面のゆがみと変形を一応解消できる。また、この基本画素セルの六角形の内角と各辺長を調整することによって、各色のピクセルが総表示面積に占める割合を変えることができ、色補償を行い、色調のバランスを調整できる。このようなハチの巣状の配列構造の利点は、各ピクセルの平行四辺形の辺長が大体同じで、より緊密に製作でき、もっと多くの画素が得られ、もっと高い解像度を実現できる。
【００２５】
図4は図3(b)に示されている配列構造の一つの具体例であり、その各基本画素セルの赤、緑、青という三つのマイクロ型カラーフィルターの形状は菱形であり、その辺長が通常4〜10μmである。緑色ピクセル9、青色ピクセル10の二つの菱形の形状は同じで、それぞれの一つの内角が50°〜56°（最適は約53°）なしている。もう一つのピクセル即ち赤色ピクセル11は、その一つの内角が70°〜78°（最適は約74°）なしている。このように、この六角形の基本画素セルは、ハチの巣状の構造にて配列されてから、その各基本画素セルの有効長と有効幅の比率は非常に1に近づける。つまり、この構造は画像のゆがみと変形をもたらさない。また、各ピクセルの菱形の辺長は同じで、デバイスの更なるインテグレーションに有利である。更に、赤色ピクセル11の面積は緑色ピクセル9と青色ピクセル10の面積よりやや大きく（赤色ピクセルの面積は緑色ピクセル面積の約1.11倍である）、照明光源における赤色スペクトル・エネルギーの弱みによりもたらした投影画像の赤色分量不足の視覚効果を改善できる。
【００２６】
また、マイクロ型カラーフィルターの間にある隙間12（隙間距離が約0.3μm〜1μmである）においてアルミ、クロム、ニッケル、銅、鉄、亜鉛、チタニウム、金、銀、プラチナ、タングステン、モリブデン、タンタラム、ジルコニウム、炭素の中から選ばれた１種の材料或いはそれらの合金を利用して非透明のメッキ層を施し、光漏れを低減し、当該デバイスの画像品質を更に改善し、画像のコントラストと信号対雑音比を向上させる。
【００２７】
以上、図面に従って本発明の具体的な実施例を詳しく説明したが、それで本発明はこれによって制限されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスの断面構造を示す説明図である。
【図２】従来技術におけるマイクロ型フィルタアレイの平面配列分布を示す説明図である（aは「品」字状配列であり、bはクシ状配列である）。
【図３】本発明のシリコン・ベースのカラー液晶表示デバイスにおけるマイクロ型フィルタアレイの平面配列分布を示す説明図である（aは正方形配列であり、bはハチの巣状の配列である）。
【図４】ハチの巣状に配列された基本画素セルの構造を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2005526272.tif 000007
2005526272.tif 000008
2005526272.tif 000009
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