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文/代永平、范偉（南開大學(xué)，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(shù)制造的顯示器具有尺寸小、低功耗、圖像大的特點(diǎn)，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(guān)鍵詞】近眼顯示器，分辨率，有源矩陣，象素

　　前言

　　隨著技術(shù)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(shù)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(jī)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)圖像顯示的主動發(fā)光型，和調(diào)制外部光而實(shí)現(xiàn)圖像顯示的非發(fā)光型兩大類。非發(fā)光型又可進(jìn)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(diào)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?xí)r，受到屏上每個像素的調(diào)制而產(chǎn)生圖形。所謂反射式調(diào)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(fù)雜工藝的要求方面，該技術(shù)超過了透過式調(diào)制。

　　1、主要微型近眼顯示技術(shù)

　　目前有三個科學(xué)領(lǐng)域的顯示技術(shù)方案引人注目，它們是電致發(fā)光(electroluminescent)技術(shù)、液晶(Liquid Crystal)技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-Systems)技術(shù)，這三個領(lǐng)域的近眼顯示器應(yīng)用了一個共同的關(guān)鍵技術(shù)——采用CMOS(或TFT)器件及半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)有源尋址矩陣，并以之為顯示器基底。相應(yīng)的四種近眼顯示器分別是：有機(jī)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(chǎn)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(shù)采用一種稱為“剝離工藝”的工序，把預(yù)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(zhuǎn)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(xué)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(jìn)一步簡化光學(xué)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(zhuǎn)變成多晶硅。這樣做改善了材料的電氣性能，可以運(yùn)用半導(dǎo)體平面光刻工藝，把某些周邊的行、列驅(qū)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(diào)制光束以產(chǎn)生出圖像。不過，多晶硅晶體結(jié)構(gòu)決定多晶硅TFT的電學(xué)傳輸性能等其它電氣特性遠(yuǎn)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(shù)可制成直徑0.7~3英寸的顯示屏，清晰度達(dá)到XGA級，主要供應(yīng)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(shí)現(xiàn)調(diào)制圖像。這里有兩種主要技術(shù)：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(diào)制可以由加到液晶的電壓來控制(模擬式)，也可以調(diào)制顯示占空比實(shí)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(jié)構(gòu)，但又有別于后者。如圖2所示，液晶盒構(gòu)造上的最明顯區(qū)別是：LCOS技術(shù)把液晶材料封裝在單晶硅材質(zhì)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(zhì)基底。通常把視頻轉(zhuǎn)換電路、行掃描驅(qū)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(shè)計(jì)成快速響應(yīng)光閥，通過調(diào)制每個像素對入射光的反射程度，實(shí)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(shù)，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(yīng)用產(chǎn)品被廣大消費(fèi)者和業(yè)內(nèi)人士看好。

　　DMD顯示器是MEMS理論與技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用體現(xiàn)。每個DMD可視為一個半導(dǎo)體光開關(guān)，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(jī)存取內(nèi)存(SRAM)上方的鉸鏈結(jié)構(gòu)上而組成DMD顯示器。鉸鏈結(jié)構(gòu)允許鏡片在兩個狀態(tài)之間傾斜：+10?為“開”，10為“關(guān)”，當(dāng)鏡片不工作時，它們處于0?“停泊”狀態(tài)。以二進(jìn)制信號對每一個鏡片下的存儲單元進(jìn)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(guān)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(nèi)開關(guān)1000多次，這一相當(dāng)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(diào)制(PWM)技術(shù)，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(fù)雜帶來的高功耗和大體積，目前DMD微顯示器沒有普遍應(yīng)用到近眼顯示器領(lǐng)域[4]。

　　2、近眼顯示器彩色化技術(shù)

　　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(diǎn)足夠小且充分靠近，由于人眼空間細(xì)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(chǎn)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(yīng)速度必須較快，驅(qū)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(shè)計(jì)煩瑣，實(shí)用性不強(qiáng)，一般不采用。

　　時間混色是在短時間(20ms左右)內(nèi)順序選通紅光、綠光和藍(lán)光，達(dá)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(jìn)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(fù)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(yīng)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(quán)開發(fā)的視頻眼鏡樣機(jī)。該顯示屏的對角線尺寸為0.24英寸，卻能實(shí)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(guān)技術(shù)，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(jié)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(jī)和PC監(jiān)視器，這就意味著用戶完全可以不分地點(diǎn)的上網(wǎng)讀郵件、觀電影、找資料；另外這也意示計(jì)算機(jī)，投影設(shè)備將變得更小、更輕、更便宜。

　　參考文獻(xiàn)

　　[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(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]，微電子學(xué)，2002，32(5): 351~354

　　[4]朱維南. 數(shù)字微鏡器件DMD [J]，電視技術(shù)，2000，222：86~88863項(xiàng)目：“高性能低成本 LCOS 微型投影機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及樣機(jī)研究”（項(xiàng)目編號2009AA01Z326）

　　作者簡介：代永平（1968-），男，昆明人，南開大學(xué)教授，博士，SOC設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用、硅基微電子集成顯示技術(shù)。

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