专利名称：利用光波导和折射率控制的显示器的制作方法
利用光波导和折射率控制的显示器本申请是申请日为2006年I月3日，申请号为200680006512. 2 (国际申请号为 PCT/US2006/000137)，发明名称为“利用光波导和折射率控制的显示器”的发明专利申请的
分案申请。
背景技术：
目前各种不同类型的显示器可以与电子装置配合使用。每一种显示装置提供尺寸、功率消耗、工作效率、分辨率和外部控制要求的不同组合。例如，硅上液晶(LCoS)微显示器包括在半导体衬底上形成的像素单元二维阵列。典型的LCoS像素单元的接连的各层包括晶体管、反射材料、第一透明电极、液晶材料和第二透明电极。为了传送光(即“接通” 状态)，像素单元的电极可以控制液晶材料的状态，以便使具有适当偏振的入射光可以穿过液晶材料、被反射材料反射并返回穿过液晶材料。作为另一方案，在“断开”状态下，电极可以控制液晶材料的状态，以便改变光偏振，使得阻止入射光穿过液晶材料到反射材料。
图I是按照一些实施例的装置的侧视横截面图。图2是按照一些实施例的过程的流程图。图3A是按照一些实施例的装置的侧视横截面图，用以说明在第一界面的全内反射。图3B是按照一些实施例的装置的侧视横截面图，用以说明在第二界面的全内反射。图3C是按照一些实施例的装置的侧视横截面图，用以说明穿过第二界面的光。图4是按照一些实施例的装置的侧视横截面图。图5是按照一些实施例的显示器像素阵列的有代表性顶视图。图6是按照一些实施例的过程的流程图。图7A至7E包括按照一些实施例在制造期间的装置的侧视横截面图。图8A是按照一些实施例的显示装置底侧的透视图。图8B是按照一些实施例的显示装置底侧的透视图。图9是按照一些实施例的系统框图。
具体实施例方式图I是按照一些实施例的装置I的一部分的示意侧视横截面图。如下面将要描述的，装置I可以选择性地发光。在一些实施例中，装置I是显示装置的单个像素单元。这样的显示装置可以包括成千上万个像素单元的阵列。装置I包括与第一折射率(Ii1)相关联的材料10和与第二折射率(n2)相关联的材料20。材料20可以是对若干可见光波长基本上透明的。另外，第二折射率可以大于第一折射率。材料10和材料20可以包括当前知道的或将来知道的任何适当材料。
材料10与材料20结合在一起。按照一些实施例，至少部分根据材料可以很容易地被结合来选择材料10和材料20。在选择材料10和材料20时可以考虑其它制造考虑事项，包括(但是不限于)温度、压力、振动和处理选项。按照一些实施例，材料10包括聚合物，而材料20包括玻璃。但是，材料20可以包括与适当的折射率相关联并且至少提供对于所需光波长的所需透明度的任何材料。用作材料10的聚合物的一些示例包括聚苯乙烯和PMMA。在一些实施例中，材料10呈现对所需光波长的低吸收。光源25将所需可见光波长的光输出到材料20中。光源25可以包括发光二极管或任何其它适当的光源。按照一些实施例，光源25配置成分别输出红光、绿光和蓝光。可以这样的角度输出光导致所述光在材料10和材料20之间的界面30处基本上全内反射。更具体地说，以大于临界角的任何角度入射在界面30的、在材料20中传播的光将被反射回材料20中。按照一些实施例，由下式给出临界角临界角=sin—1OVn2)因此，按照一些实施例，光源25可以大于所述临界角的角度将光输出到材料20中。可以围绕材料20的周边设置反射材料35，以阻止光在周边射出材料20。反射材料可以是金属材料、介电材料或已知的任何其它适当的材料。晶体管40设置在材料20上。晶体管40可以用来控制加到装置I的元件上的电压。如下面将要描述的，电压可以确定装置I是否发射由光源25输出的光。下面还将描述用于制造晶体管40的一些实施例。在晶体管40和材料20之上设置电极45。电极45可以包括对光源25输出的一些或全部光波长足够透明的任何导电材料。按照一些实施例，电极45包括氧化铟锡。电极 45的其它实施例可以包括碳纳米管。材料50包括具有可控折射率(η。)的任何适当的材料。按照一些实施例，可以通过将电场加到材料50来控制η。。材料50可以包括夹在适当对准层中间的液晶材料、极化聚合物材料、单晶薄膜材料和/或已知的任何其它适当的材料。按照一些实施例，可以控制η。使其小于η2。因而，如果其入射角大于sirT1 (nc/n2)， 那么光源25输出的光可以在材料20和材料50之间的界面55处被基本上全反射。还可以控制η。使其大于η2，在这种情况下，光穿过界面55，与其入射角无关。在材料50之上设置电极60。电极60可以包括对光源25输出的一些或全部光波长足够透明的任何导电材料。跨越材料50的电场由电极60和电极45之间的电位差确定。 电场可以控制η。，因此可以通过控制电极45和60的相对电压来控制η。。材料65可以包括适当地透射由光源25输出的一些或全部光波长的任何材料。材料65可以包括玻璃，并且还可以用来保护装置I免受环境因素影响。图2示出按照一些实施例的过程200的示意图。可以由装置，诸如(但是不限于) 图I的装置I来执行过程200。可以与硬件、软件和/或固件的任何组合一起来执行过程 200。例如，装置可以响应于从外部系统接收的控制信号来执行过程200。外部系统可以包括执行程序代码的微处理器。开始时，在201，控制第一材料的第一折射率使其小于第二材料的第二折射率。在
6201的一些实施例中，通过将电场加到第一材料来控制第一折射率。作为这些实施例的一个示例，控制装置I的电极45和60，使它们之间很少或没有电位差。例如，可以将电极60耦合到地，并且可以将电极45耦合到晶体管40。还可以将晶体管40耦合到控制信号线和电极电压信号线。控制信号线上的控制信号可以控制晶体管， 以便选择性地将电极45耦合到电极电压信号线。在本示例中，在201，不将电极45耦合到电极电压信号线，因此很少或没有电场加到材料50上。其结果是，η。小于η2。按照一些实施例，当材料50处在"不受控"状态时η。大于η2，而当材料50处在" 受控"状态时η。变成小于η2。例如，当很少或没有电场加在材料50上时η。可能大于112，而当电场加到材料50上时η。可变成小于η2。在202，将光输出到第二材料中。继续本示例，在202，光源25可以将光输出到材料20中。光可以包括任何可见光波长。在一些实施例中，光基本上包括加色法三原色(即红、绿或蓝)的波长。在203，输出光在第二材料和第三材料之间的界面被内反射。第三材料与小于第二材料折射率的折射率相关联。图3Α图解说明按照一些实施例的203。如图所示，光70在材料20和材料10之间的界面30被反射,其中Ii1 < η2。图中还示出临界角Qel = SirT1Oi1/ η2)。在202，光源25输出光70，保证光70与界面30相交的角度大于Θ cl。接着，在204，光在第二材料和第一材料之间的第二界面被内反射。在第一材料的第一折射率小于第二材料的第二折射率时，光被内反射。图3B图解说明关于装置I的本操作示例的204。在界面20处反射之后，光70穿过材料20，并且在界面55处内反射。光70 在界面55的入射角大于图解说明的临界角Θ。2 = SirT1(Iiyn2)，其中n。< n2。图3B还图解说明了光70在界面30、界面55和反射材料35的后续内反射。然后，在205，控制第一折射率使其接近等于或大于第二折射率。在205，晶体管40 可以响应控制信号将电极45耦合到电极电压信号。这样的耦合可以产生跨越材料50的电场，所述电场又将折射率η。增大到接近等于或大于112的值。如上所述，按照一些实施例，可以使用这里描述的那些以外的材料和方法来增大折射率。在206,将光输出到第二材料中。在206,光源25可以输出波长类似于或不同于在 202输出的光波长的光。在一些实施例中，在202输出的光主要包括第一原色的波长，而在 206输出的光主要包括第二原色的波长。在206,不同于光源25的光源可以输出第二光。第二光输出的角度可以不同于在202第一光输出的角度。在207，第二光在第一界面被内反射，而在208，在第一折射率大于第二折射率时， 第二光穿过第二界面和第一材料。图3C图解说明按照一些实施例的207和208。第二光90 以大于Θ el的角度与界面30相交，它保持与203相同。然后，因为η。> n2，所以第二光90 在界面55不完全反射，因此基本上通过界面55透射。在η。> n2的情况下不能求sirT1 (nc/ n2)的值，因此不存在将导致全内反射的临界角。因此，第二光90根据以下公式在55被折射Θ i = sirT1 [ (n2/nc) sin Θ J然后，第二光90穿过材料50、材料65，并在装置I外。当第二光90通过材料50 和/或材料65时，材料50和/或材料65可向第二光90施加需要或者不需要的滤光和/
或衰减。
图4是按照一些实施例的装置100的横截面侧视图。装置100包括两个像素单元 101和102，像素单元101和102可以用来显示图像的两个像素。可以如上面对装置I的类似编号的元件的描述那样，实现元件110、120、125、130、135、14、145、150、160和165。装置100包括晶体管147和电极148。可以类似于晶体管40和晶体管145的方式构造晶体管147，晶体管147可以耦合到电极148，以便控制其电压。电极148依靠间隙149 与电极145电隔离。因此，装置100可操作为在电极148上建立一个电压并且在电极145 上建立不同的电压。结果是，可以与跨越材料150第二部分154的电场无关地控制跨越材料150第一部分150的电场。因而，光源125输出的光可由像素单兀101和102两者发射、 其中任一个发射、或两者都不发射。像素单元101和102还可以包括微透镜170和175中相应的一个。微透镜170和 175可以聚焦，或者另外处理由像素单元101和102发射的光。按照一些实施例，在材料120和材料150之间，单个电极与像素单元101和102两者相关联。电极160可以分为或者与像素单元101相关联或者与像素单元200相关联的两个或两个以上的电隔离电极。像素单元101和102可以是等距布置的像素单元的二维阵列的成员。在一些实施例中，阵列在一侧上可以包括成千上万的像素单元。阵列的每个像素单元可以对应于显示装置的单个图像像素。图5是按照一些实施例的像素单元阵列300的顶视图。在该示例中，阵列300包括25个像素单元，每个单元包括一个晶体管。每个晶体管可以电耦合到各自的控制信号， 以便控制其像素单元的电极的电压。因此控制信号可以独立地控制与每个像素单元相关联的材料的折射率。图5中还示出了光源325。光源325可以耦合到阵列300，以便将光输出到每个像素单元中，如在图3A至3C中图解说明的。光源325可以包括若干独立的光源。在一些实施例中，围绕阵列300的周边设置若干光源。虽然阵列300的每个像素单元都包括专用晶体管，但是实施例不限于此。由于使用特定驱动方案的缘故，一些实施例可以包括用于每一个像素的多个晶体管。在一些实施例中，使用无源可寻址电路，其中每个像素单元的电极以行和列的形式耦合在一起。因此， 可以通过将适当的信号加到像素单元所属的行和列上，来控制跨越像素单元可控层的电场。图6是按照一些实施例制造装置的过程400的示意图。可以与硬件、软件和/或固件的任何组合一起来执行过程400。例如，若干制造系统可以用来执行过程200，这些制造系统中的一些制造系统可以彼此远离地定位，和/或这些制造系统可以是自身拥有的，和/ 或由不同的实体操作。开始时，在401,将第一材料稱合到第二材料上。第一材料对于多个可见光波长基本上是透明的，并且与第一折射率相关联。第二材料与小于第一折射率的第二折射率相关联。图7A是按照一些实施例在401之后的装置I的侧视横截面图。材料20已经耦合到材料10上。与材料10相关联的折射率小于与材料20相关联的折射率。可以通过旋涂、 溅射、层叠或已知的任何其它技术将材料10耦合到材料20上。
在402，在第一材料上制造晶体管。可以通过以下方法来制造晶体管在材料20上生长晶体硅，并且利用传统的光刻和蚀刻技术在硅内制造晶体管。蚀刻掉所述硅不包括所述晶体管的部分，以暴露出尽可能多的材料20。图7B图解说明在制造晶体管40后的装置 I。接着，在403，在第一材料上制造第一基本上透明电极。可以这样制造电极，使得它电耦合到在402制造的晶体管。可以利用任何技术来制造所述电极。图7C图解说明在 403淀积电极45之后的装置I。按照一些实施例，诸如在图4和5中图解说明的实施例，可以将第一电极分离成对相应像素单元专用的电隔离电极。这种分离可以包括对第一电极进行蚀刻。在404，将第三材料耦合到第一材料。第三材料与可控折射率相关联。可以利用这里描述的方法或者通过任何其它方法来控制折射率。可以使用任何适当的系统来淀积第三材料，并且图7D中示出了在404之后的装置I的示例。在405，在第三材料上制造第二基本上透明电极。405的一些实施例包括在基本上玻璃衬底(例如玻璃)上淀积第二电极，然后，如图7E中所示，将组合的玻璃和电极单元耦合到第三材料上。在406,将光源f禹合到第一材料。光源将光输出到第一材料中。光可以包括这样一些可见光波长对于这些可见光波长来说第一材料基本上是透明的。图I图解说明按照一些实施例在完成406之后的装置I。如上所述，一些实施例还可以包括在每个制造的像素单元上淀积微透镜。附加地或作为另一方案，可以将反射材料耦合到第一材料的暴露周边，以便防止光从其中漏出。图8A是按照一些实施例的显示器500的底侧透视图。显示器500包括安装在衬底510内的阵列300。阵列300中的每个像素单元包括具有第一折射率的一部分整块材料 310和具有大于第一折射率的第二折射率的一部分整块材料320。材料320对于光源325 发射的光波长基本上是透明的。图SB是显示器500的顶部的透视图。阵列300的每个像素单元包括具有可控折射率的一部分材料350和对于光源325输出的一些或全部光波长基本上透明的一部分材料 365。按照一些实施例，控制电路520和连接器530耦合到衬底520，以提供对阵列300的控制。例如，连接器530可以从图形控制器或其它装置接收显示信号。控制电路520可以经由嵌入衬底510内的信号迹线从连接器530接收控制信号。然后，控制电路520可以将控制信号传送到阵列300，以便按照显示信号产生图像。控制信号可以指令阵列300的每个像素单元或者发射由光源325输出的光(即,控制η。使其大于112)，或者不发射所述光 (即，控制η。使其小于η2)。按照一些实施例，显示器500通过顺序地发射来自光源325的红、绿和蓝光来提供场序制彩色。对于每种颜色的光，根据在与像素单元对应的图像像素中是否存在所述颜色， 来控制阵列300的像素单元发光。足够的场频可以产生视觉上连续的全色显示。图9图解说明按照一些实施例的系统600的框图。系统600可以包括使用显示器的任何系统，包括(但是不限于)膝上计算机、台式计算机、个人数字助理和小型计算机。系统600包括集成电路(IC) 602，集成电路(IC) 602可以包括微处理器。IC 602可以通过芯片组606与存储器604通信。存储器604可以包括用于存储数据的任何类型存储器，诸如单数据速率随机存取存储器、双数据速率随机存取存储器或可编程只读存储器。图形控制器608和网络接口控制器(NIC)610也可以通过芯片组606与集成电路602通信。图形控制器608可以向显示器500提供图像信号，如上面所描述的，显示器500操作为根据图像信号显示图像。按照一些实施例的显示器可以用于许多其它类型的系统中。这样的系统的示例包括任何直接观看或投影类型显示器(例如，投影电视、前投影器)。这里描述的若干实施例仅仅用于说明的目的。实施例可以包括这里描述的元件的任何当前或今后知道的型式。因此，本专业的技术人员从以上的描述可以明白，可以利用各种各样的修改和变化来实施其它实施例。
权利要求
1.一种装置，包括与可控折射率相关联的第一材料；与第一折射率相关联的第二材料；和设置在第一材料和第二材料之间的第三材料，第三材料对于多个可见光波长是基本上透明的，并且与大于第一折射率的第二折射率相关联。
2.按照权利要求I的装置，还包括 光源，将所述多个可见光波长的光输出到第三材料中。
3.按照权利要求2的装置，其中所述光源以使所述光在第二材料和第三材料之间的第一界面处基本上全内反射的角度将所述光输出到第三材料中。
4.按照权利要求3的装置，其中在所述可控折射率小于第二折射率的情况下，所述角度使所述光在第一材料和第三材料之间的第二界面处基本上全内反射，以及在所述可控折射率接近等于或大于第二折射率的情况下，所述角度使所述光穿过第二界面。
5.按照权利要求2的装置，还包括耦合到第三材料的反射材料，其中所述光可以仅通过第二材料和第三材料之间的第一界面射出第三材料。
6.按照权利要求2的装置，其中所述光源包括发光二极管。
7.按照权利要求2的装置，其中所述光源包括红光源、绿光源和蓝光源。
8.按照权利要求I的装置，还包括设置在第一材料和第三材料之间的第一基本上透明电极；和第二基本上透明电极，第一材料设置在第二电极和第一电极之间，其中至少部分通过第一电极和第二电极之间的电位差控制所述可控折射率。
9.按照权利要求8的装置，还包括耦合到第一电极、控制信号线和电极电压信号线的晶体管，其中所述晶体管根据所述控制信号线上的控制信号选择性地将所述电极电压信号线率禹合到第一电极。
10.按照权利要求9的装置，其中所述晶体管设置在第一电极和第三材料之间。
11.按照权利要求9的装置，其中第一电极耦合到无源寻址电路。
12.按照权利要求I的装置，还包括设置在第一材料的第一部分和第三材料之间的第一基本上透明电极；设置在第一材料的第二部分和第三材料之间并且与第一电极基本上电隔离的第二基本上透明电极；第三基本上透明电极，第一材料设置在第三电极与第一和第二电极之间，其中第一部分的折射率至少部分由第一电极和第三电极之间的电位差控制，以及其中第二部分的折射率至少部分由第二电极和第三电极之间的电位差控制。
13.按照权利要求12的装置，还包括第一微透镜，第三电极设置在第一电极和第一微透镜之间；和第二微透镜，第三电极设置在第二电极和第二微透镜之间。
14.按照权利要求I的装置，还包括设置在第一材料和第三材料之间的第一基本上透明电极；第二基本上透明电极，第一材料的第一部分设置在第二电极和第一电极之间；第三基本上透明电极，第一材料的第二部分设置在第三电极和第一电极之间，并且与第二电极基本上电隔离；其中第一部分的折射率至少部分由第一电极和第二电极之间的电位差控制；和其中第二部分的折射率至少部分由第一电极和第三电极之间的电位差控制。
15.按照权利要求14的装置，还包括第一微透镜，第三电极设置在第一电极和第一微透镜之间；和第二微透镜，第二电极设置在第一电极和第二微透镜之间。
16.—种方法,包括控制第一材料的第一折射率使其小于第二材料的第二折射率；将第一光输出到第二材料中；在第二材料和第三材料之间的第一界面处内反射第一光，第三材料与小于第二折射率的第三折射率相关联；在第一折射率小于第二折射率时，在第二材料和第一材料之间的第二界面处内反射第一光;控制第一材料的第一折射率使其大于第二材料的第二折射率；将第二光输出到第二材料中；在第一界面处内反射第二光；和在第一折射率接近等于或大于第二折射率时，使第二光穿过第二界面和第一材料。
17.按照权利要求16的方法，其中控制第一材料的第一折射率包括控制施加于第一材料的电场。
18.按照权利要求16的方法，其中第一光基本上是绿光，以及其中第二光基本上是红光。
19.按照权利要求16的方法，其中第一光基本上是白光，以及其中第二光基本上是白光。
20.—种方法,包括将对于多个可见光波长基本上透明并与第一折射率相关联的第一材料耦合到与小于第一折射率的第二折射率相关联的第二材料；和将与可控折射率相关联的第三材料耦合到第一材料。
21.按照权利要求20的方法，还包括将光源稱合到第一材料，所述光源将所述多个可见光波长的光输出到第一材料中。
22.按照权利要求21的方法，还包括将反射材料耦合到第一材料，以便使所述光可以仅通过第一材料和第二材料之间的第一界面射出第一材料。
23.按照权利要求20的方法，还包括在将第三材料耦合到第一材料之前，在第一材料上制造第一基本上透明电极；和在第三材料上制造第二基本上透明电极。
24.按照权利要求23的方法，还包括在制造第一电极之前，在第一材料上制造晶体管；和将第一电极耦合到所述晶体管。
25.按照权利要求20的方法，还包括在将第三材料耦合到第一材料之前，在第一材料上制造第一基本上透明电极；在将第三材料耦合到第一材料之前，在第一材料上制造第二基本上透明电极，第二电极与第一电极基本上电隔离；在第三材料上制造第三基本上透明电极，其中第三材料的第一部分设置在第一电极和第三电极之间，以及其中第三材料的第二部分设置在第二电极和第三电极之间。
26.按照权利要求25的方法，还包括制造第一微透镜，第三电极设置在第一电极和第一微透镜之间；和制造第二微透镜，第三电极设置在第二电极和第二微透镜之间。
27.—种系统,包括微处理器；电耦合到所述微处理器的双数据速率随机存取存储器；和耦合到所述微处理器的显示器，所述显示器包括与可控折射率相关联的第一材料；与第一折射率相关联的第二材料；和设置在第一材料和第二材料之间的第三材料，第三材料对于多个可见光波长基本上是透明的，并且与大于第一折射率的第二折射率相关联。
28.按照权利要求27的系统，其中所述光源以如下这样的角度将所述光输出到第三材料中在所述可控折射率小于第二折射率的情况下，使所述光在第二材料和第三材料之间的第一界面处基本上全内反射，以及在所述可控折射率大于第二折射率的情况下，使所述光穿过第二界面。
29.按照权利要求27的系统，其中所述显示器还包括设置在第一材料和第三材料之间的第一基本上透明电极；和第二基本上透明电极，第一材料设置在第二电极和第一电极之间，其中所述可控折射率至少部分由第一电极和第二电极之间的电位差控制。
30.按照权利要求27的系统，还包括设置在第一材料的第一部分和第三材料之间的第一基本上透明电极；设置在第一材料的第二部分和第三材料之间并且与第一电极基本上电隔离的第二基本上透明电极；第三基本上透明电极，第一材料设置在第三电极与第一和第二电极之间，其中第一部分的折射率至少部分由第一电极和第三电极之间的电位差控制，以及其中第二部分的折射率至少部分由第二电极和第三电极之间的电位差控制。
全文摘要
一种(液晶显示器)装置，其中来自光源(25)的(红、绿和蓝)光在(液晶)材料(50)和(光波导)材料(20)之间的界面(55)处不完全被全内反射所反射，但当通过将电场加到(像素)电极(45)上而增大(液晶)材料的折射率时，所述光被折射。
文档编号G02F1/19GK102608822SQ201210050429
公开日2012年7月25日 申请日期2006年1月3日 优先权日2005年1月3日
发明者A·鲍米克, R·梅斯默 申请人:英特尔公司