文/代永平、范偉（南開大學，天津；深圳市長江力偉股份有限公司）
【摘要】本文介紹的一類新型顯示器件——近眼顯示器，使用LCOS技術制造的顯示器具有尺寸小、低功耗、圖像大的特點，特別適用于移動式個人顯示器和投影系統(tǒng)，在各類微顯示器中，硅基液晶微顯具有明顯優(yōu)勢。
【關鍵詞】近眼顯示器，分辨率，有源矩陣，象素
前言
隨著技術的發(fā)展，差不多所有的電子器件體積都已經(jīng)顯著地減小了，唯有顯示器件本身是一個例外。近眼顯示技術的發(fā)展，在增加圖像顯示尺寸和清晰度的同時，極大地減小顯示器的尺寸。在許多情況下，顯示器越小，整機越便宜。因此，使用微型近眼顯示器不僅會使系統(tǒng)價格下降，而且較小的物理尺寸也意味著產品體積將較小較輕，在利用相同電池的條件下工作時間也較長[1] [2]。
這些微型近眼顯示器按光源可劃分為通過發(fā)光實現(xiàn)圖像顯示的主動發(fā)光型，和調制外部光而實現(xiàn)圖像顯示的非發(fā)光型兩大類。非發(fā)光型又可進一步劃分為使用背光源的透過型和利用外光源的反射型兩大類。如圖1所示，所謂透過式調制是指光源配置在近眼顯示器的背面，光線經(jīng)過像素矩陣為透明或半透明的顯示屏時，受到屏上每個像素的調制而產生圖形。所謂反射式調制是指近眼顯示器像素矩陣有選擇地反射外光源光線而形成圖像，在像素空間占有率(填充因子)、光線有效利用和較少復雜工藝的要求方面，該技術超過了透過式調制。
1、主要微型近眼顯示技術
目前有三個科學領域的顯示技術方案引人注目，它們是電致發(fā)光(electroluminescent)技術、液晶(Liquid Crystal)技術、微機電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-Systems)技術，這三個領域的近眼顯示器應用了一個共同的關鍵技術——采用CMOS(或TFT)器件及半導體平面工藝技術實現(xiàn)有源尋址矩陣，并以之為顯示器基底。相應的四種近眼顯示器分別是：有機發(fā)光二極管(OLED，Organic Light-Emitting Diode)、多晶硅TFT-LCD、硅上液晶(LCOS, Liquid Crystal on Silicon)和數(shù)字微鏡器件(DMD, Digital Micromirror Device)。
1.1 透射型近眼顯示器
開發(fā)成產品的兩種主要透射型微顯示器是：SoI(Silicon on Insulator)和p-Si TFT(多晶硅薄膜晶體管)液晶近眼顯示器。它們分別采用單晶硅晶體管、多晶硅晶體管制作有源矩陣。
在利用單晶硅晶體管的方式中，基片用的是硅絕緣體(SoI)而不是傳統(tǒng)的摻雜工藝硅圓片。以Kopin公司的透射型CyberDisplay微型顯示器為例，該公司的SoI技術采用一種稱為“剝離工藝”的工序，把預先制作在單晶硅基片上的電路剝離出來，然后再粘附到透明的玻璃基底上，封裝液晶盒形成顯示器。轉移到透明玻璃基底上的電路工作狀態(tài)保持不變，但從光學角度考慮，光能通過這個顯示器，這個特性把背光和觀看鏡分離，有利于進一步簡化光學系統(tǒng)。
多晶硅微型顯示器不需要“浮脫工藝”。例如在高溫多晶硅(HTPS，High Temperature Poly Silicon)方式中，首先在石英基片上淀積一層非晶硅層，然后利用高溫退火將其轉變成多晶硅。這樣做改善了材料的電氣性能，可以運用半導體平面光刻工藝，把某些周邊的行、列驅動器，連同尋址矩陣制作在同一塊多晶硅基片上。最后經(jīng)過液晶封注完成透射式微型顯示器的全部加工，利用液晶層調制光束以產生出圖像。不過，多晶硅晶體結構決定多晶硅TFT的電學傳輸性能等其它電氣特性遠不及單晶硅MOS，用TFT制作的電路芯片在工作頻率，電路穩(wěn)定性，管子集成度等方面也就存在局限性。
目前，HTPS工藝技術可制成直徑0.7~3英寸的顯示屏，清晰度達到XGA級，主要供應商為日本Sony公司和美國Epson公司等。
1.2 反射型近眼顯示器
反射型近眼顯示器通過對外部均勻面光源的有選擇反射實現(xiàn)調制圖像。這里有兩種主要技術：一種是硅基液晶(LCOS)，一種是數(shù)字微鏡器件(DMD)。
LCOS器件的有源尋址電路采用CMOS器件，以硅芯片為基底封裝生成反射式液晶光閥。LCOS微型顯示器通常能用約90%的表面積來反射光。對反射光的調制可以由加到液晶的電壓來控制(模擬式)，也可以調制顯示占空比實現(xiàn)圖像灰度(數(shù)字式)。
LCOS顯示器具備小尺寸和高顯示分辨率的雙重特性。表面上，LCOS屏采用了傳統(tǒng)LCD的液晶盒的結構，但又有別于后者。如圖2所示，液晶盒構造上的最明顯區(qū)別是：LCOS技術把液晶材料封裝在單晶硅材質的LCOS芯片與透明玻璃之間，而非傳統(tǒng)LCD使用的兩片透明平板硬質基底。通常把視頻轉換電路、行掃描驅動電路和像素矩陣制作在硅基底上，而ITO膜用作公共電極，液晶材料則工作在固定頻率的交流信號下。LCOS設計成快速響應光閥，通過調制每個像素對入射光的反射程度，實現(xiàn)有灰度的圖像顯示[3]。
LCOS是一種正在迅速崛起的顯示工藝技術，作為新型顯示器件具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優(yōu)勢，其應用產品被廣大消費者和業(yè)內人士看好。
DMD顯示器是MEMS理論與技術的實際運用體現(xiàn)。每個DMD可視為一個半導體光開關，如圖3所示，成千上萬個微小的方形鏡片(12?12?m)，被建造在靜態(tài)隨機存取內存(SRAM)上方的鉸鏈結構上而組成DMD顯示器。鉸鏈結構允許鏡片在兩個狀態(tài)之間傾斜：+10?為“開”，10為“關”，當鏡片不工作時，它們處于0?“停泊”狀態(tài)。以二進制信號對每一個鏡片下的存儲單元進行二維尋址，DMD陣列上的每個鏡片被靜電場作用而傾斜，置于或開或關狀態(tài)，于是每一個鏡片可以通斷一個象素的光，并且鏡片可以在一秒內開關1000多次，這一相當快的速度允許數(shù)字灰度等級和顏色再現(xiàn)。尋址采用脈沖寬度調制(PWM)技術，控制著每個鏡片傾斜在哪個方向上為多長時間。由于外圍配置電路復雜帶來的高功耗和大體積，目前DMD微顯示器沒有普遍應用到近眼顯示器領域[4]。
2、近眼顯示器彩色化技術
第一種是空間混色法(見圖5(a))。只要同一平面上的三個基色光點足夠小且充分靠近，由于人眼空間細節(jié)分辨率差的生理特性，人們感到的是三種基色光混合后所具有的顏色。
第二種方法是時間混色法(見圖5(b))，即三基色按一定比例依次出現(xiàn)在同一屏幕上，只要交替速度足夠快，由于人眼的視覺惰性，產生的彩色視覺效果與三基色直接混合一樣。從圖5中可以看到，時序彩色法具有最高的顯示面積利用率，但要求作為光閥的微顯示器響應速度必須較快，驅動電路工作頻率較高。
還有一種方法是生理混色法，利用兩只眼睛分別觀看兩個不同顏色的同一景象，以獲得混色效果。但這種彩色化方法設計煩瑣，實用性不強，一般不采用。
時間混色是在短時間(20ms左右)內順序選通紅光、綠光和藍光，達到混色的目的。人的眼睛不能區(qū)分小于0.1mm左右的子像素，同樣也不能區(qū)分快速閃現(xiàn)的、持續(xù)時間不到約20ms的圖像。通常顯示圖像以一場為單位進行時間混色，故稱場序彩色[4]。場序彩色方法既減少了制作微濾色膜的復雜工藝，又避免了微濾色膜對光線的衰減，非常有利于提高顯示分辨率和亮度，那么在近眼顯示應用中就可以使用低功耗的LED光源，從而延長電池使用時間。
圖5是深圳力偉數(shù)碼科技有限公司基于Display公司LCOS場序彩色近眼顯示器授權開發(fā)的視頻眼鏡樣機。該顯示屏的對角線尺寸為0.24英寸，卻能實現(xiàn)VGA(640?480)的顯示分辨率。
本篇文中討論了四種比較成熟的微顯示器及其相關技術，表1對它們的主要顯示性能、制造成本等作定性比較，表中分A、B、C三等，以A為優(yōu)等。
3、結論
總的說來，近眼顯示器的最大優(yōu)勢在于它們有能力提供近乎完美的圖像，即便顯示屏對角線在0.5英寸(13mm)以下，它也能為用戶提供彩色視頻效果，而且性能不亞于普通電視機和PC監(jiān)視器，這就意味著用戶完全可以不分地點的上網(wǎng)讀郵件、觀電影、找資料；另外這也意示計算機，投影設備將變得更小、更輕、更便宜。
參考文獻
[1]Chris Chinnock. Microdisplays and Their Applications [J], Information Display, 2001, 17(10): 22-25
[2]Insight Media. Microdisplay Manufacturing [J], MicroDisplay, 2003, 14(2): 34~35
[3]代永平，孫鐘林, 陸鐵軍, 王隆望. EDA在新型硅基平板顯示設計中的應用[J]，微電子學，2002，32(5): 351~354
[4]朱維南. 數(shù)字微鏡器件DMD [J]，電視技術，2000，222：86~88863項目：“高性能低成本 LCOS 微型投影機關鍵技術及樣機研究”（項目編號2009AA01Z326）
作者簡介：代永平（1968-），男，昆明人，南開大學教授，博士，SOC設計方法與應用、硅基微電子集成顯示技術。
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