液晶显示器及硅基红外线图像传感器的制作方法

本发明一般地涉及图像传感器和显示器。此外，本发明涉及含有图像传感器和显示器的可穿戴技术，尤其是涉及含有图像传感器和显示器的头戴式显示器(HMD)。

背景技术：

随着可穿戴技术变得更加流行，制造商设计出尽可能舒适和实用的小配件变得越发重要。头戴式显示器(HMD)是穿戴在头部上的可穿戴技术的一种形式，通常安装至用户的眼镜或其他类型的头戴商品上。用户一般使用语音命令或经由设备上的按钮/触摸板与HMD交互。用户期望以其他方式，例如通过用手或眼睛的姿态(gesture)，与HMD交互。

目前，HMD能够追踪用户的眼睛的移动且将那些移动与特定动作相关联，如拍照或打开通知。已知的HMD利用红外线(IR)光源，其被定位以将IR光引导至穿戴者的眼睛上。该光自眼睛反射且反射至IR传感器上，该IR传感器实时检测眼睛是打开还是关闭，并且，如果打开，瞳孔指向哪个方向。这允许用户仅仅通过注视对象、眨眼等来与设备交互。

HMD的另一个重要的能力是能够给用户显示可视信息。该信息直接投影到用户的眼睛上，使得设备投影的可视信息会无缝地显现在用户的周围。当前的HMD利用硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)显示器、光源和光学组件以显示图像。

当前HMD的明显的缺陷包括尺寸和制造成本。最小化HMD的尺寸和成本的一个提出的解决方案是在单硅裸片(die)上放置LCOS像素和IR感测像素两者(组合设备)并使用共同的光程来投影图像和检测IR光。

在已知组合设备中，LCOS像素和IR感测像素的组以交替列或以棋盘配置来布置。这些配置是有问题的，因为IR感测像素在由LCOS显示器生成的图像中产生线、点、间隙、或其他可视缺陷。相似地，LCOS像素在由IR感测像素采集的图像中产生线、点、间隙或其他可视缺陷，从而限制了由IR传感器采集的图像的分辨率和均匀性且/或产生眼睛检测中的问题。因此，需要的是一种降低投影图像中的可视缺陷的组合式LCOS显示器和IR传感器。还需要的是一种具有改进IR传感器分辨率及/或均匀性的组合式LCOS显示器和IR传感器。

技术实现要素：

本发明通过提供一种拍摄并显示更均匀的图像的集成的图像感测和显示设备来克服与现有技术有关的问题。本发明有利于高质量图像的显示及眼睛或身体姿态的准确检测，同时减少所显示及/或所采集图像中的缺陷。

示例的集成的图像感测和显示设备包括：基板；显示像素，形成在该基板上；以及图像感测像素，形成在相同的基板上。所述显示像素以行和列布置，并且所述图像感测像素也以行和列布置。所述图像感测像素的每一个具有设置在所述显示像素的相邻行之间且在所述显示像素的相邻列之间的中心。

在示例的实施例中，所述显示像素的每一个具有比所述图像感测像素的每一个的面积至少大24倍的面积。在具体的示例实施例中，所述图像感测像素中的仅仅一个设置在每组四个相邻显示像素之间。更具体地，所述图像感测像素的每一个设置在四个相邻显示像素的截角之间。可选择地，所述图像感测像素比所述显示像素少一行和少一列。所述图像感测像素的每一个与所述图像感测像素的每另一个以大于所述图像感测像素中的一个的宽度的距离隔开。

一个示例实施例包括：像素电极，每个像素电极与所述显示像素中的一个相关联；以及至少一个金属互连层，该金属互连层设置在所述图像感测像素之上且在所述显示像素的像素电极之下。该金属互连层将该像素电极与形成在该基板内的电子器件电耦合。该金属互连层也定义了在所述图像感测像素之上的开口。可选择地，示例实施例包括光导，形成在该开口中且可操作以将入射光引导至所述图像感测像素。

在示例实施例中，所述显示像素的相邻列之间的间距等于所述图像感测像素的相邻列之间的间距。此外，所述显示像素的相邻行之间的间距等于所述图像感测像素的相邻行之间的间距。

在具体公开的实施例中，所述显示像素是硅基液晶(LCOS)像素，并且所述图像感测像素是红外(IR)感光像素。

还描述了一种制造集成的图像感测和显示设备的方法。该方法包括：提供基板；在该基板上形成显示像素；以及在该基板上形成图像感测像素。所述显示像素和所述图像感测像素均以行和列布置。所述图像感测像素的每一个具有设置在所述显示像素的相邻行和相邻列之间的中心。

在示例方法中，形成多个显示像素的步骤包括：形成所述显示像素的每一个以具有比所述图像感测像素的每一个的面积至少大24倍的面积。在具体示例方法中，形成多个图像感测像素的步骤包括：在每组四个相邻显示像素之间仅设置所述图像感测像素中的仅仅一个。在更具体的方法中，形成多个图像感测像素的步骤包括：在四个相邻显示像素的截角之间设置所述图像感测像素的每一个。

在示例方法中，形成多个图像感测像素的步骤包括：将所述图像感测像素的每一个与所述图像感测像素的每另一个以大于所述图像感测像素中的一个的宽度的距离隔开。可选择地，形成多个图像感测像素的步骤包括：形成比所述显示像素少一行的所述图像感测像素；以及形成比所述显示像素少一列的所述图像感测像素。

该示例方法进一步包括：形成像素电极；以及在所述图像感测像素之上和所述像素电极之下形成至少一个金属互连层。该像素电极的每一个与所述显示像素中的一个相关联，且该金属互连层将该像素电极电耦合至形成在该基板中的电子器件。该金属互连层定义了所述图像感测像素之上的开口，以及可选择地，该示例方法包括在该开口中形成光导。所述显示像素的相邻列之间的间距等于所述图像感测像素的相邻列之间的间距、以及因此的开口的相邻列之间的间距。相似地，所述显示像素的相邻行之间的间距等于所述图像感测像素的相邻行之间的间距、以及因此的开口的相邻行之间的间距。

在该示例方法中，所述显示像素是硅基液晶(LCOS)显示像素，且所述图像感测像素是红外(IR)感光像素。

还描述了一种具有感测功能的(enabled)显示器。该具有感测功能的显示器包括：第一光源；第二光源；显示面板，包括基板；以及光学组件。该第一光源被配置以发出第一波长范围内的光，以及该第二光源被配置以发出第二波长范围内的光以照亮对象。显示像素和图像感测像素在该基板上以行和列布置。所述光学组件被配置以将来自该第一光源的光引导至该面板的显示像素以显示图像。所述光学组件还将从该对象反射的来自该第二光源的光引导至所述图像感测像素。在该示例实施例中，所述图像感测像素的每一个具有设置在所述显示像素的相邻行之间和所述显示像素的相邻列之间的中心。

附图说明

本发明参考下图进行描述，其中相同的参考编号标示实质上相似的组件：

图1是安装至一副眼镜的示例头戴式显示器(HMD)的透视图；

图2A是图1的HMD的俯视图(去除外壳)，其显示了显示器的操作；

图2B是图1的HMD的俯视图(去除外壳)，其显示了图像传感器的操作；

图2C是图1的HMD的俯视图，其显示了投影透镜模块的操作；

图3是以更加详细方式显示图2A至图2C的显示/图像传感器的框图；

图4是显示在图2A至图2C的显示/图像传感器上的像素布局的框图；

图5是显示在显示/图像传感器上的像素的功能布局的示意图；

图6A至图6C是示出形成显示/图像传感器的硅晶片的处理的剖面图；

图7是显示所完成的显示/图像传感器的剖面图；

图8是总结制造显示/图像传感器的示例方法的流程图；以及

图9是总结在基板上布置显示像素和图像感测像素的示例方法的流程图。

具体实施方式

本发明通过提供设置在单硅裸片上的集成显示/图像传感器克服了与现有技术有关的问题，其中有利地布置显示像素和图像感测像素，来避免现有技术的问题。在随后的描述中，列出数个具体细节(如，特定的材料、光束的偏振方向、像素几何尺寸等)，以提供对本发明的全面理解。然而，本领域技术人员将知道本发明可以脱离这些具体细节而实践。在其他例子中，已知的微芯片制造实践和组件的细节已被省略，从而不会不必要地混淆本发明。

图1显示了安装到一副眼镜102上的示例头戴式显示器(HMD)100。HMD 100包括：光源104；光学组件106(大部分在图1的视图中被隐藏)；投影透镜模块108；以及显示/图像传感器(图1中未示出)。光源104将可见光发射至HMD 100中。光学组件106将来自光源104的可见光引导至调制可见光的显示器/成像器，并且从显示器/成像器引导至用户的眼睛。投影透镜模块108将来自显示/图像传感器的调制后的光投影至位于用户前面的表面上。

眼镜102包括框架110、透镜112、以及镜臂114。框架110收纳透镜112并耦合至镜臂114。镜臂114牢靠地将眼镜102固定在用户的脸上。在替代实施例中，HMD 100可安装于任何类型的头戴商品，包括但不局限于帽子和头带。

图2A至图2C显示执行HMD 100的各种功能的HMD 100的内部组件。HMD 100可以(且通常)同时执行这些功能中的一个或多个。然而，为了清楚起见分开描述每个功能。

图2A显示HMD 100执行显示功能。光源104引导可见光进入偏振光束分光器200中，偏振光束分光器200透射第一偏振方向的光(示例中的P-状态)并朝向显示/图像传感器202反射第二偏振方向的光(示例中的S-方向)。显示/图像传感器202调制来自光源104的光以形成调制光束，该调制光束被反射回来朝向光束分光器200。光束分光器200透射调制光的P-状态部分以形成成像光束204且引导成像光束204往分光镜206。分光镜206朝向第二偏振光束分光器208反射成像光束204的一部分。分光镜对成像光束206的反射将成像光束204的反射部分的偏振改变成S-状态。光束分光器208朝向凹反射面210透射成像光束204，该凹反射面210聚焦成像光束204且将成像光束204朝向光束分光器208反射回来。凹反射面210对成像光束的反射将偏振状态改变回P-状态，所以成像光束204接着自光束分光器208反射且朝向用户的眼睛。以此方式，HMD 100将图像投影至用户的眼睛上。

图2B显示了HMD 100执行图像感测功能。IR光源211将IR光照到用户的眼睛上。IR光自眼睛反射并朝向光束分光器208。光束分光器208朝向反射面210反射IR光的一部分(P-状态)，反射面210反转偏振方向且将S-状态IR光反射回来通过光束分光器208。在偏振方向反转的情况下，光束分光器208透射IR光并引导该IR光往镜206。镜206反射IR光，再一次将偏振状态改变成P-状态，且引导该IR光往光束分光器200，其透射该IR光至显示/图像传感器202。显示/图像传感器202采集用户的眼睛的图像，该图像然后被分析以确定用户的眼睛的状态/位置。HMD 100的图像分析、显示数据处理、系统控制功能、以及其他的功能通过控制器执行，该控制器可选择地与显示/图像传感器202集成地形成。

图2C显示了HMD 100执行投影功能。光源104将可见光发射至光束分光器200中，该光束分光器200透射第一偏振方向的光并朝向显示/图像传感器202反射第二偏振方向的光(S-状态)。显示/图像传感器202调制来自光源104的光并将光反射回来朝向光束分光器200，其使调制光的P-状态分量通过以形成成像光束204。成像光束204的一部分穿过镜206和投影透镜模块212。投影透镜模块212将成像光束204聚焦至表面214上，以形成可见图像。投影透镜模块212可由用户手动调节，以将所投影的图像聚焦在表面214上。

在替换实施例中，光束分光器200和208可适于透射或反射相反偏振方向的光。在当前示例中，光源104为白光发光二极管(LED)。在替换实施例中，光源104可为多个有色LED、有色激光二极管或单色激光二极管。光源104还可包括彩色滤光器以利于彩色图像的产生。

在上述示例中，已在HMD 100的上下文中描述显示/图像传感器202。然而，可以理解的是，显示/图像传感器202可被利用在需要显示和采集图像的任意设备中。例如，触控屏幕信息站可利用显示/图像传感器202来响应于用户在它面前走过而修改显示的图像。另一个示例是通过姿态操作的智能电话或膝上计算机。显示/图像传感器202的以下描述与在任何可应用技术中的显示/图像传感器202的使用一致，且前面的示例不意在以任何方式限制。

图3是以更加详细地方式显示显示/图像传感器202的框图，包括：显示像素和图像感测像素的交错阵列302、控制器304、以及用户/数据接口306。用户/数据接口306经由用户输入/输出308从一组用户输入设备(未显示)接收用户指令(如，命令、选择等等)。用户/数据接口306也经由数据输入310从一个或多个数据源(未显示)接收图像数据(如，视频、图片等等)。用户输入308和数据输入310都可为有线或无线。用户/数据接口306经由一组控制线312和一组数据线314分别将所接收的用户指令和图像数据提供给控制器304。控制器304及/或用户/数据接口306可在与交错阵列302相同的硅芯片上、或在独立的设备上形成。

控制器304提供对HMD 100的功能性的整体协调控制。例如，控制器304提供显示数据(经由显示数据线316)并且传递控制信号(经由显示控制线318)至交错阵列302的显示像素，以在交错阵列302的显示像素上呈现(assert)该显示数据。类似地，控制器304传递控制信号(经由传感器控制线322)至交错阵列302，并且从交错阵列302接收感测数据(经由感测数据线324)。

控制器304处理交错阵列302所采集的图像、分析图像、以及根据所分析图像的内容响应。例如，控制器304可分析所采集的图像以确定用户的眼睛的状态(如，位置、方向、移动、眨眼等)并基于用户的眼睛的状态生成控制信号。控制器304接着可使用所生成的控制信号以引导HMD的内部操作或经由用户输入/输出308提供控制信号至外部设备。

图4是显示在显示/图像传感器202上的显示像素和图像感测像素的布局的框图，包括：多个显示像素400(m,n)和多个图像感测像素402(m,n)(标示为“IS”)。显示像素400和图像感测像素402以行404和列406布置，由在每个像素的索引后面的表达式(m,n)表示，这里，“m”指的是特定的行，“n”指的是特定的列。

因为沿着显示/图像传感器202的边缘的每一个像素为显示像素400，所以在示例实施例中图像感测像素402比显示像素400少一行和少一列。然而，任一类型的像素可占用显示/图像传感器202的任何边缘。例如，初始列及/或最后一列可为图像感测列，或者初始行及/或最后一行可为图像感测行。在示例实施例中，显示/图像传感器202的显示部分具有1280x 720的分辨率，以及图像感测部分具有1279x 719的分辨率。然而，显示/图像传感器202可具有现存的或将来改进的微芯片制造技术能力内的任意分辨率。

与现有技术有关的问题已被图像感测像素402相对于显示像素400的布局所克服。显示像素400以均匀的栅格对齐。每个图像感测像素402设置在四个相邻显示像素400的截角之间。其结果是，图像感测像素402也布置在均匀的栅格中。在示例实施例中，显示像素400和图像感测像素402的均匀栅格在行方向和列方向上均具有相同的间距，而且交错。这个有利的布局有助于均匀的图像采集并降低显示/图像传感器202显示的图像中的空白部分。因此，显示/图像传感器202有助于高质量图像的显示并允许用户通过眼睛姿态有效地与HMD交互。

本发明的另一方面是显示像素400和图像感测像素402的相对尺寸。在示例实施例中，显示像素400每个大约5μm宽(平行侧之间)且图像感测像素400大约1μm宽(平行侧之间)。每个显示像素400的角被截掉以提供图像感测像素402的空间，同时最小化相邻显示像素400之间的空间。其结果是，每个显示像素的面积为25μm²-1μm²＝24μm²，这里1μm²被减去以考虑每个显示像素400的四个截角。四个截角中的每一个具有大约等于图像感测像素402中的一个的面积(1.0μm²)的四分之一的面积(0.25μm²)。

每个显示像素400具有比每个图像感测像素402的面积大24倍的面积的事实是有利的，因为当显示像素400和图像感测像素402被以相等比例使用时，显示像素400占了显示/图像传感器202的总功能面积的96％。的确，在示例实施例中，显示像素400比图像感测像素402更多，因此，由于图像感测像素402吸收光，所以显示/图像传感器202所显示的图像的低于4％会变黑。

图5是显示显示/图像传感器202的组件之间互连的示意图。显示像素400和图像感测像素402如图4所示的方式布置，除了它们彼此隔开以使互连更容易看出。放大的间隔仅是为了例示的目的。在实际中，显示像素400和图像感测像素402之间的空间被最小化成仅有它们的宽度的小部分。

每行显示像素400经由显示行线502中相关联的一个电耦合至显示行控制器500。响应于行地址，行控制器500在与行地址相关联的显示行线502中的一个上呈现使能信号。当一行显示像素400被使能时，所使能的行的显示像素400将在显示列线504上呈现的图像数据锁存。该锁存的数据接着被相关联的显示像素400呈现并当显示器照亮时决定像素的亮度。

每行图像感测像素402经由三条图像传感器行线510电耦合至成像器行控制器508。图像传感器行线510传递控制信号至图像感测像素402以协调三个功能：重置每个图像感测像素至基本电荷、将累积的电荷传送至图像感测像素的内部电路的隔离区、以及将图像感测像素的内部电路的该隔离区电耦合至图像传感器列线512中的一个。所采集的图像数据经由电耦合的图像传感器列线512从每个像素被读取进入图像数据模数转换器(ADC)514中。响应于经由传感器控制线322从控制器304(图3)所接收的控制信号(如，行地址、使能信号等)，成像器行控制器508和图像数据ADC 514合作地操作以从图像感测像素402一次一行地读取所采集的图像数据。所采集的图像数据然后经感测数据线324提供至控制器304。

图6A至图6C是制造显示/图像传感器202的过程的连续步骤期间的半导体晶片600的一部分的剖面图。尽管为了清楚说明起见而分开，但是一些步骤可能会同时执行或分成更多数目的步骤。此外，一些步骤可以不同的顺序执行。

图6A显示了制造过程中前面的四个步骤。在第一步骤中，提供硅晶片600。然后，在第二步骤中，通过用p型或n型掺杂物掺杂一定区域，并且在掺杂区域周围形成导电和绝缘结构以形成晶体管，来在晶片600中形成将包括在多个显示像素400中的半导体器件602，所述晶体管为每个显示像素400的功能组件。在第三步骤中，将包括在多个图像感测像素402中的半导器件610形成在硅晶片600中。接下来，在第四步骤中，形成多个导电层614(金属化)，以在形成于第二步骤和第三步骤中的电子器件之间产生电连接。导电层614的设计定义了图像感测像素610的感光区域之上的开口，以减少或消除可能照射(impinge)到图像传感器610上的任何光(如红外线)的障碍物。

图6B显示了制造过程中的接下来的三个步骤。在第五步骤中，可选的光导616形成在由导电层614定义的开口中，且电极层618形成在导电层614和光导616之上。然后，在第六步骤中，开口622形成在电极层618中，以将电极层618分成多个独立的像素电极(如，反射像素镜)，每个像素电极经由导电层614的相应部分电耦合至相关联的显示像素400的电路602。电极层618中的开口也设置在光导616之上，使得入射光有效地透射至感测像素402。接下来，在第七步骤中，钝化层626(如，氧化层、氮化层、组合层等)形成在电极层618和光导616的顶部。钝化层626用作保护屏障，以防止湿气和其他大气污染物劣化电极层618的像素电极。

图6C显示了制造过程的最终步骤。在第八步骤中，配向层630形成在钝化层626上。配向层630有助于在下一层中的液晶的配向。在示例实施例中，配向层630由聚酰亚胺(polyimide)制成，当装配之前于特定方向摩擦时，聚酰亚胺使得液晶以可预测方式对齐。在第九步骤中，液晶层634在配向层630之上沉积。然后，液晶层634被覆盖有公共电极，其包含玻璃基板636、形成在玻璃基板636上的透明导电层638(如，氧化铟锡)、以及形成在该配向层上的第二配向层640(如聚酰亚胺)。

图7显示了完整的显示/图像传感器202，包括来自晶片600的裸片700、公共电极702、以及设置在它们之间的垫片704。垫片704粘附至裸片700和公共电极702，以保持液晶层634，并且防止液晶层634的污染。显示/图像传感器202还包括黑色光罩706，其允许光照射到显示/图像感测像素阵列302上，但遮蔽裸片700的其他部分(如，可能形成控制器304、用户/数据接口306、或显示/图像传感器202的任何其他电路的地方)免于杂散光。这种附加的电路代表性地显示为图7中的电路708。显示/图像传感器202可为完全独立的设备，或可包括电触点710，以便于连接到其他设备。电触点710也便于连接到电源(图中未显示)。

图8是总结用于制造显示/图像传感器的示例方法800的流程图。在第一步骤802中，提供基板(如半导体晶片)。然后，在第二步骤804中，在基板上形成显示像素的阵列。接着，在第三步骤806中，通过将图像感测像素的阵列与显示像素的阵列交错，也在相同的基板上形成图像感测像素的阵列。

图9是总结用于在基板上布置显示像素和图像感测像素的示例方法900的流程图。在第一步骤902中，将显示像素以行和列布置。然后，在第二步骤904中，将图像感测像素以行和列布置。接下来，在第三步骤906中，将图像感测像素的每一列定位在显示像素的相邻列之间。最终，在第四步骤908中，将图像感测像素的每一行定位在显示像素的相邻行之间。这个方法是有利的，因为其允许使用传统的微芯片制造技术来生产显示/图像传感器，同时大大提高了显示图像质量和图像传感器分辨率。

本发明的具体实施例的描述现在结束了。在不脱离发明的范围下，所述的特征许多可被替代、改变或省略。例如，可使用替代数目的显示和成像像素。举另一个示例，可利用额外及/或替代的电路将数据加载至显示像素400中，并且从图像感测像素402读取出数据。举另一示例，组合显示/图像传感器可用在除了头戴式设备之外的设备中，头戴式设备包括但不局限于顾客服务信息站、安全系统及广告显示。与所示的该具体实施例的这些和其他偏离对于本领域技术人员将是显而易见的，尤其根据前述公开可以了解到。