�/代永平、范偉（南開大學(xué)，天津；深圳市長(zhǎng)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�(shù)制造的顯示器具有尺寸小、低功耗、圖像大的特�(diǎn)，特別適用于移動(dòng)式�(gè)人顯示器和投影系�(tǒng)，在各類微顯示器中，硅基液晶微顯具有明顯�(yōu)�(shì)�
【關(guān)鍵詞】近眼顯示器，分辨率，有源矩陣，象素
前言
隨著技�(shù)的發(fā)展，差不多所有的電子器件體積都已�(jīng)顯著地減小了，唯有顯示器件本身是一�(gè)例外。近眼顯示技�(shù)的發(fā)展，在增加圖像顯示尺寸和清晰度的同時(shí)，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(huì)使系�(tǒng)�(jià)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�(shí)間也較長(zhǎng)[1] [2]�
這些微型近眼顯示器按光源可劃分為通過�(fā)光實(shí)�(xiàn)圖像顯示的主�(dòng)�(fā)光型，和�(diào)制外部光而實(shí)�(xiàn)圖像顯示的非�(fā)光型兩大類。非�(fā)光型又可�(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�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�(gè)像素的調(diào)制而產(chǎn)生圖彀所謂反射式�(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?gòu)?fù)雜工藝的要求方面，該技�(shù)超過了透過式調(diào)制�
1、主要微型近眼顯示技�(shù)
目前有三�(gè)科學(xué)�(lǐng)域的顯示技�(shù)方案引人注目，它們是電致�(fā)�(electroluminescent)技�(shù)、液�(Liquid Crystal)技�(shù)、微�(jī)電系�(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-Systems)技�(shù)，這三�(gè)�(lǐng)域的近眼顯示器應(yīng)用了一�(gè)共同的關(guān)鍵技�(shù)——采用CMOS(或TFT)器件及半�(dǎo)體平面工藝技�(shù)�(shí)�(xiàn)有源尋址矩陣，并以之為顯示器基底。相�(yīng)的四種近眼顯示器分別是：有機(jī)�(fā)光二極管(OLED，Organic Light-Emitting Diode)、多晶硅TFT-LCD、硅上液�(LCOS, Liquid Crystal on Silicon)和數(shù)字微鏡器�(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�(SoI)而不是傳�(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�(shù)采用一種稱為“剝離工藝”的工序，把�(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�(tài)保持不變，但從光�(xué)角度考慮，光能通過這�(gè)顯示器，這�(gè)特性把背光和觀看鏡分離，有利于�(jìn)一步簡(jiǎn)化光�(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�(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�(dǎo)體平面光刻工藝，把某些周邊的行、列�(qū)�(dòng)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�(chǎn)生出圖像。不過，多晶硅晶體結(jié)�(gòu)決定多晶硅TFT的電�(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�(shù)可制成直�0.7~3英寸的顯示屏，清晰度�(dá)到XGA�(jí)，主要供�(yīng)商為日本Sony公司和美�(guó)Epson公司等�
1.2 反射型近眼顯示器
反射型近眼顯示器通過�(duì)外部均勻面光源的有選擇反射實(shí)�(xiàn)�(diào)制圖像。這里有兩種主要技�(shù)：一種是硅基液晶(LCOS)，一種是�(shù)字微鏡器�(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�90%的表面積來反射光。對(duì)反射光的�(diào)制可以由加到液晶的電壓來控制(模擬�)，也可以�(diào)制顯示占空比�(shí)�(xiàn)圖像灰度(�(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)�(gòu)，但又有別于后者。如�2所示，液晶盒構(gòu)造上的最明顯區(qū)別是：LCOS技�(shù)把液晶材料封裝在單晶硅材�(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�(qū)�(dòng)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�(hào)下。LCOS�(shè)�(jì)成快速響�(yīng)光閥，通過�(diào)制每�(gè)像素�(duì)入射光的反射程度，實(shí)�(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�(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�(yōu)�(shì)，其�(yīng)用產(chǎn)品被廣大消費(fèi)者和�(yè)�(nèi)人士看好�
DMD顯示器是MEMS理論與技�(shù)的實(shí)際運(yùn)用體�(xiàn)。每�(gè)DMD可視為一�(gè)半導(dǎo)體光開關(guān)，如�3所示，成千上萬�(gè)微小的方形鏡�(12?12?m)，被建造在靜態(tài)隨機(jī)存取�(nèi)�(SRAM)上方的鉸鏈結(jié)�(gòu)上而組成DMD顯示器。鉸鏈結(jié)�(gòu)允許鏡片在兩�(gè)狀�(tài)之間傾斜�+10?為“開”，10為“關(guān)”，�(dāng)鏡片不工作時(shí)，它們處�0?“停泊”狀�(tài)。以二�(jìn)制信�(hào)�(duì)每一�(gè)鏡片下的存儲(chǔ)單元�(jìn)行二維尋址，DMD陣列上的每�(gè)鏡片被靜電場(chǎng)作用而傾斜，置于或開或關(guān)狀�(tài)，于是每一�(gè)鏡片可以通斷一�(gè)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�(shù)字灰度等�(jí)和顏色再�(xiàn)。尋址采用脈沖寬度�(diào)�(PWM)技�(shù)，控制著每�(gè)鏡片傾斜在哪�(gè)方向上為多長(zhǎng)�(shí)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�(yīng)用到近眼顯示器領(lǐng)域[4]�
2、近眼顯示器彩色化技�(shù)
第一種是空間混色�(見圖5(a))。只要同一平面上的三�(gè)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�(shí)間混色法(見圖5(b))，即三基色按一定比例依次出�(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，�(chǎn)生的彩色視覺效果與三基色直接混合一樣。從�5中可以看到，�(shí)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)�(dòng)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�(gè)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)�(jì)煩瑣，實(shí)用性不�(qiáng)，一般不采用�
�(shí)間混色是在短�(shí)�(20ms左右)�(nèi)順序選通紅光、綠光和�(lán)光，�(dá)到混色的目的。人的眼睛不能區(qū)分小�0.1mm左右的子像素，同樣也不能區(qū)分快速閃�(xiàn)的、持�(xù)�(shí)間不到約20ms的圖像。通常顯示圖像以一�(chǎng)為單位�(jìn)行時(shí)間混色，故稱�(chǎng)序彩色[4]。場(chǎng)序彩色方法既減少了制作微濾色膜的�(fù)雜工藝，又避免了微濾色膜�(duì)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�(zhǎng)電池使用�(shí)間�
�5是深圳力偉數(shù)碼科技有限公司基于Display公司LCOS�(chǎng)序彩色近眼顯示器授權(quán)開發(fā)的視頻眼鏡樣�(jī)。該顯示屏的�(duì)角線尺寸�0.24英寸，卻能實(shí)�(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�(shù)，表1�(duì)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)�
總的說來，近眼顯示器的最大優(yōu)�(shì)在于它們有能力提供近乎完美的圖像，即便顯示屏對(duì)角線�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�(jiān)視器，這就意味著用戶完全可以不分地�(diǎn)的上�(wǎng)讀郵件、觀電影、找資料；另外這也意示�(jì)算機(jī)，投影設(shè)備將變得更小、更輕、更便宜�
參考文�(xiàn)
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[2]Insight Media. Microdisplay Manufacturing [J], MicroDisplay, 2003, 14(2): 34~35
[3]代永平，孫鐘�, 陸鐵�, 王隆�. EDA在新型硅基平板顯示設(shè)�(jì)中的�(yīng)用[J]，微電子�(xué)�2002�32(5): 351~354
[4]朱維�. �(shù)字微鏡器件DMD [J]，電視技�(shù)�2000�222�86~88863�(xiàng)目：“高性能低成� LCOS 微型投影�(jī)�(guān)鍵技�(shù)及樣�(jī)研究”（�(xiàng)目編�(hào)2009AA01Z326�
作者簡(jiǎn)介：代永平（1968-），男，昆明人，南開大學(xué)教授，博士，SOC�(shè)�(jì)方法與應(yīng)用、硅基微電子集成顯示技�(shù)�
...... 更多精彩�(nèi)容請(qǐng)見《國(guó)際光電與顯示�2012�10月刊，歡迎訂閱！ 訂閱咨詢�0755-86149014
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