[发明专利]一种用于硅基空间光调制器的测试芯片

说明书

本发明提出来一种用于硅基空间光调制器的测试芯片，属于微显示器领域。该测试芯片的主要结构包括硅基底层、液晶配位层、液晶层和ITO玻璃层，其中硅基底上的像素电极层可以在有效显示区域划分为若干种测试区域，在每种测试区域设计不同的像素图案和测试区，这些测试区可以通过开发板控制点亮显示用于测试，通过监控相应的参数如有边缘场效应、衍射效率、液晶等效电容和寄生电容、电压保持率、直流残余电压，以及它们引起的闪烁现象等，根据测试结果，为优化产品设计以及工艺设计做参考。

技术领域

本发明涉及一种微显示器领域，尤其是涉及一种新型硅基空间光调制器的测试芯片。

背景技术

硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)具有体积小、分辨率高和与透射式液晶相比光利用率高等优点，目前LCoS芯片已被广泛应用于增强现实(Augmentedreality, AR)、虚拟现实(Virtual reality, VR)、车载抬头显示(Head Up Display，HUD)、光通讯和微型投影(Pico-Projector )等新兴产品中。随着这些新兴产品逐渐走进我们的生活中，LCoS微显示芯片设计和制备工艺技术受到了越来越多工作人员的研究。

硅基空间光调制器是互补金属氧化物半导体技术(Complementary Metal OxideSemiconductor ，CMOS)和液晶显示技术(Liquid-crystal display technology)相结合的显示器，主要的制备工艺是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板，形成CMOS基板，然后在基底上制作液晶显示屏；CMOS基板中，每个显示器的像素电路由若干个金属氧化物半导体场效应晶体管(metallic oxide semiconductor field effect transistor , MOSFET)和若干个电容组成。

在LCoS芯片设计时，很多设计和参数会影响后道工艺和光学衍射效果，如寄生电容电阻对电压保持率（Voltage Holding Ratio ,VHR）的影响，边缘场效应对衍射效果的影响。

液晶空间光调制器是通过改变入射光的相位来实现光调制的，根据闪烁光栅的原理，我们可以使用液晶空间光调制器加载不同的位相图来模拟出闪耀光栅对入射光的调制，具体操作就是对液晶施加大小的周期性电压使其形成周期性相位光栅。空间光调制器最大的优点在于能够实时的改变光栅的周期、闪耀角等参数，进而改变出射光的闪烁波长、闪耀级次，实现灵活可控的目的。

由于液晶器件通过许多离散的像素来调节电压和相位，这就导致调节光的相位时不能使相位产生连续的变化，只能通过多个逐级变化的台阶来产生阶梯形的相位改变，不断趋近闪耀光栅的相位连续分布。将液晶光栅的每个周期分成m个逐级变化的台阶，产生多阶相位轮廓光栅，这样光波通过相邻的台阶将会产生2π/m的相位差，实现类似于二元阶梯光栅对入射光的相位调制。

在LCoS芯片使用中，如果相邻像素对应的电压不同，那么在像素边缘会产生一个从高电位像素指向低电位像素的电场如图1所示，使得像素上的电压偏离设置的固定值，引入噪声和信号串扰，降低了衍射效率。另外，由于FFE的影响，使得像素上的像素分布变宽，尤其在相位从2pi到0的光栅切换的部分，原本应该陡峭的相位变化趋于连续缓和的变化，同样影响衍射效率。

在不考虑边缘场效应的影响下，一个理想的闪耀光栅的第一衍射级的衍射效率为：

其中，q是每个光栅周期内包含的台阶数。但是，由于相邻电极之间存在边缘场效应，LCoS形成的闪耀光栅相位轮廓不是理想的，液晶的指向矢取向在空间连续变化并且产生回程区域（flyback zone），如图2所示。LCoS中边缘效应存在的情况下，可以通过添加一个校正因子估计出一个表达式衍射效率近似公式为：

是相位回程区域的宽度，是一个光栅周期的宽度。由于边缘场效应的存在，芯片的衍射效率会降低。