LCoS顯示技術(shù)的顯示原理和LCoS關(guān)鍵問題

摘要：由于科技的發(fā)展和不同應(yīng)用需求的提出，在過去的幾十年時間內(nèi)，新型顯示技術(shù)層出不窮。但是，在微顯示領(lǐng)域，由于可以在成本、顯示性能、功耗和屏幕尺寸等方面實現(xiàn)性能的綜合優(yōu)化，硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）顯示技術(shù)具有其獨有的優(yōu)勢。LCoS微顯示基于集成電路工藝實現(xiàn)，需高度集成電路和顯示器件。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展以及加工精度的提高，LCoS有望在保證其顯示性能的前提下進(jìn)一步實現(xiàn)顯示微縮化，并成為微顯示領(lǐng)域的主流。闡述了LCoS顯示技術(shù)的原理和特性，以及國內(nèi)外LCoS顯示技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為LCoS顯示從架構(gòu)、方案及電路設(shè)計等方面提供了技術(shù)參考。

0引言

顯示技術(shù)是人們賴以獲取外界信息的關(guān)鍵手段和重要途徑。隨著科技的發(fā)展和軍用、民用的潛在需求，微型化、高分辨率和低功耗正成為下一代顯示技術(shù)的發(fā)展方向。作為半導(dǎo)體集成電路和液晶顯示結(jié)合的產(chǎn)物，硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）由于能夠迎合集成電路工藝的發(fā)展趨勢，充分利用先進(jìn)工藝優(yōu)勢，具有體積小、分辨率高、光有效利用率高和功耗低等優(yōu)點。正因如此，LCoS將被廣泛應(yīng)用于下一代便攜式投影顯示系統(tǒng)和近目系統(tǒng)中。與液晶顯示（LCD）、發(fā)光二極管顯示（LED）等不同的是，LCoS顯示驅(qū)動電路單元分布于液晶下層硅基板中，這不僅能夠提高LCoS 顯示界面的開口率及光有效利用率，更能夠保證LCoS驅(qū)動電路的面積和功耗能夠直接得益于納米級CMOS工藝的發(fā)展。在過去的三四十年里，由于過高的技術(shù)成本原因，國內(nèi)外對LCoS的研究及產(chǎn)業(yè)投入都處于趑趄不前的狀態(tài)。近年來，隨著集成電路工藝的發(fā)展和顯示品質(zhì)的日益提高，LCoS再次進(jìn)入大家的視野，成為關(guān)注和研究的熱點。本文首先針對LCoS的顯示原理及顯示特性展開闡述分析，然后說明國內(nèi)外LCoS顯示的發(fā)展現(xiàn)狀及在LCoS顯示領(lǐng)域的發(fā)展契機。

1微顯示技術(shù)

微顯示分為投影微顯示和近眼微顯示（near-eye display，NED）兩大類。對于大尺寸顯示的需求，如果采用“實體”擴大的方式來滿足顯示要求，顯示屏幕尺寸和圖像尺寸將同步增大，從而將需要在顯示屏幕的加工技術(shù)、成本、工作周期和耗電性能等方面付出很大的代價。反之，如果采用“光學(xué)”放大的方式來基于微顯示。

技術(shù)得到大尺寸顯示圖像，則在制造成本和能效性能方面付出的代價都很小。家庭背投顯示、會議及室外投影顯示常常需要用到這一類微顯示技術(shù)。近眼微顯示則常用于頭戴式顯示器、平視小尺寸顯示器和電子取景器等場合。圖1所示為當(dāng)前微顯示技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的平板顯示相比較，微顯示技術(shù)具有幾個優(yōu)點：（1）易于集成到可穿戴設(shè)備中；（2）具有高分辨率和高清晰度；（3）更加節(jié)能環(huán)保。

未來最有可能成為微顯示技術(shù)主流的是Micro-LED和LCoS兩類。Micro-LED是LED微縮化和矩陣化后的產(chǎn)物，其像素單元在100 μm以下，它繼承了LED的高效率、高亮度、高可靠度、自發(fā)光及反應(yīng)時間快等特點，更具節(jié)能、體積小等優(yōu)勢。圖2所示為Micro-LED的結(jié)構(gòu)示意圖，顯示驅(qū)動電路利用半導(dǎo)體制造工藝集成在底部硅襯底，其上為采用MOCVD制作的基于藍(lán)寶石襯底的LED陣列，然后采用CMOS工藝進(jìn)行金屬鍵合，將硅基驅(qū)動電路和藍(lán)寶石基LED陣列完成電學(xué)與物理連接。LED受激發(fā)光后經(jīng)過三基色濾光膜，最終組合成顯示的圖像畫面。2018年，英國Plessey公司和中國臺灣Jasper公司聯(lián)合推出一款像素間距為8 μm，分辨率達(dá)1920×1080的Micro-LED顯示屏。

圖1 微顯示應(yīng)用領(lǐng)域

Micro-LED的制備過程中需要將藍(lán)寶石基的LED陣列轉(zhuǎn)移至硅基以實現(xiàn)金屬連接，因此需要制作一塊Micro-LED顯示屏幕需要兩套獨立的襯底和加工工藝，從而會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的上升，并對良率帶來極大的挑戰(zhàn)。

圖2 Micro-LED示意圖

相比之下，LCoS選用液晶分子代替LED來避免兩套獨立襯底及加工工藝帶來的成本問題和良率風(fēng)險?；贑MOS晶體管設(shè)計實現(xiàn)的LCoS顯示驅(qū)動電路集成在液晶層的硅基板中。隨著集成電路工藝的發(fā)展，晶體管集成度大幅提高，單個像素面積將取決于液晶分子的尺寸，而不是像素的驅(qū)動電路規(guī)模。因此，LCoS顯示精細(xì)度可以得到很大程度的改善，有利于高品質(zhì)微顯示設(shè)計。截至目前，LCoS顯示屏幕精細(xì)度可達(dá)到3000～5000 DPI。但是，不同于Micro-LED這種主動發(fā)光顯示技術(shù)，LCoS屬于被動顯示類型。因此，LCoS顯示需要一套與之對應(yīng)的光路系統(tǒng)來協(xié)同工作。接下來，本文將針對LCoS工作原理及相關(guān)問題進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 LCoS技術(shù)討論

2.1 LCoS顯示原理

LCoS是一種反射式液晶顯示技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。LCoS顯示將液晶分子填充于上層玻璃基板和下層金屬反射層之間，金屬反射層和頂層ITO公共電極之間的電壓共同決定液晶分子的光通性能并展現(xiàn)出不同的像素灰階，而顯示驅(qū)動電路直接在硅基板上完成制備。為了避免入射光對硅基板內(nèi)部晶體管照射形成光生載流子，影響驅(qū)動電路性能，通常在電路走線層和金屬反射層之間添加一層金屬遮光層，實現(xiàn)對入射光的屏蔽目的。導(dǎo)向?qū)涌梢源_定液晶分子的有序排列。支撐墊通過化學(xué)機械研磨來保證其高度一致性，其高度由所選擇液晶盒厚度來決定。

圖3 LCoS結(jié)構(gòu)示意圖

LCoS的顯示原理為：當(dāng)液晶層像素的外加電壓為零時，入射的S偏振光經(jīng)過液晶層，其偏正方向不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，達(dá)到底部金屬反射層反射回來時仍為S偏振光，穿過液晶層射出。隨后經(jīng)過PBS棱鏡反射回到原來光路，在這種情況下，光線不進(jìn)入投影光路，沒有光輸出，即此像素呈現(xiàn)“暗態(tài)”。反之，當(dāng)像素存在外加電壓時，入射的S偏振光在經(jīng)過液晶層時，偏振方向?qū)l(fā)生偏振，當(dāng)其經(jīng)金屬反射層反射，再出穿過液晶層時將變?yōu)镻偏振光。這束P偏振光在穿過PBS棱鏡是，將進(jìn)入投影光路，在屏幕上顯示成像，即呈現(xiàn)“亮態(tài)”。施加在像素兩端電壓的大小將影響液晶分子的光通性能，進(jìn)而決定該像素的顯示灰階。

LCoS顯示系統(tǒng)分三片式和單片式兩種。三片式LCoS采用空間混色法實現(xiàn)圖像彩色化。白光經(jīng)雙色鏡分為紅、綠、藍(lán)3路基色光后，再經(jīng)過各自光路的偏光鏡，然后射入LCoS顯示板，組合成彩色圖像。由于三片式LCoS顯示系統(tǒng)除了需要進(jìn)行分光及偏振化之外，不再需要額外的分光及合光操作，因此雖然體積相對較大、成本較高外，光學(xué)效率比較高，畫質(zhì)也比較好。單片式LCoS顯示采用時間混色發(fā)完成圖像彩色化合成。原始輸入圖像分為三基色子圖像后經(jīng)過PBS，依次在像素上顯示。當(dāng)紅色圖像信號輸入到驅(qū)動電路時，采用紅色照射，綠光和藍(lán)光采用類似的處理方法。由于單片式LCoS顯示每一個像素點不存在三基色子像素，所以可以避免像素錯位，并且能夠降低成本，提高價格競爭力。但是單片式LCoS顯示對液晶的響應(yīng)速度提出了更加苛刻的要求。

影響LCoS顯示質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素就是金屬反射層表面的平整度。只有金屬反射層足夠平整，才能精確地實現(xiàn)對光線反射路線的控制。圖4所示為典型的LCoS金屬層工藝加工流程示意圖。

（1）首先，在硅晶片基底上完成LCoS驅(qū)動電路的設(shè)計，并在驅(qū)動電路層（包括硅襯底和金屬走線層）上完成絕緣層的制作。然后依次沉積金屬反射層、復(fù)合保護(hù)層；

（2）對復(fù)合保護(hù)層、金屬反射層和絕緣層進(jìn)行刻蝕，露出驅(qū)動電路層的上表面，實現(xiàn)像素單元圖案化；

（3）完成像素單元刻蝕操作后，復(fù)合保護(hù)層和驅(qū)動電路層上方進(jìn)行介質(zhì)層沉積，并將步驟（2）刻蝕出的溝槽進(jìn)行填積處理；

圖4 LCoS金屬反射層制作流程圖

（4）對步驟（3）沉積的介質(zhì)層進(jìn)行化學(xué)機械拋光（CMP）處理，當(dāng)拋光至復(fù)合保護(hù)層上方時，停止CMP；

（5）通過刻蝕的方法復(fù)合保護(hù)層的剩余部分，露出金屬反射層的上表面。

在步驟（4）通過CMP去除金屬層上復(fù)合保護(hù)層（通常為二氧化硅材料）時，如果復(fù)合層材料質(zhì)地過軟（如二氧化硅），那么當(dāng)研磨進(jìn)行至該復(fù)合保護(hù)層時，會由于CMP引起球形凹陷并將該凹陷變形體現(xiàn)在下層的金屬反射層，導(dǎo)致反射層表面不平整。為了解決上述問題，可以通過沉積工藝處理，將復(fù)合保護(hù)層改變?yōu)殡p層結(jié)構(gòu)，上層為硬質(zhì)層氮化硅層，下層為軟質(zhì)層二氧化硅層。當(dāng)CMP進(jìn)行到復(fù)合保護(hù)層上層硬質(zhì)層的時候，CMP就停止。這樣下層軟質(zhì)層可以起到對金屬反射層的保護(hù)作用，然后再采用刻蝕的方法去除保護(hù)層，便可以制作出高質(zhì)量的LCoS金屬反射層。

2.2 LCoS混色方法

在闡述LCoS混色方法之前，首先對眼睛的分辨率和視覺停留進(jìn)行說明是非常有必要的。人眼分辨率是指在距離目測物一定距離的前提下，人眼能夠分辨的兩個點（線）之間的最小間距的前提下的視覺分辨角。人眼分辨率將決定屏幕像素的最大允許尺寸和最小像素間距。人眼對相鄰兩點（線）的最小分辨角θ為：

θ = 1.22λ/D （1）

其中，λ為光波波長，對于可見光，λ的范圍介于380～780 nm，D為人眼的眼瞳直徑，其典型取值為8 mm。

圖5為像素間距計算示意圖，假設(shè)人眼與觀測物之間的距離為L，則可以估算出所觀測點（線）的最大允許直徑（寬度）d為：

在L確定的情況下，根據(jù)（2）可以計算得到d的取值。實際中像素尺寸和像素間距將主要由分辨率要求和屏幕尺寸來決定。

視覺停留是指人眼所觀察的外界事物消失后，視覺印象并不會立刻消失，而是會繼續(xù)保留一段時間的現(xiàn)象，視覺印象繼續(xù)保留的這段時間約為1/24 s。因此，如果以每秒24次或者更快的頻率來更新屏幕畫面的話，觀察者將無法察覺畫面的不連續(xù)。實際上，圖像更新頻率低于60 Hz很容易引起人眼視覺疲勞，因此畫面更新頻率應(yīng)該設(shè)置為不低于60 Hz。屏幕刷新頻率越高，畫面越穩(wěn)定，人眼感覺越舒服。

混色方法主要有時間混色法和空間混色法兩種。時間混色法通常是將一幀完整的圖像信號分為紅、綠、藍(lán)三基色子場來進(jìn)行掃描驅(qū)動。也就是說，通過將三基色圖像輪流投射在同一屏幕上，只要相鄰基色圖像切換的速度夠快，就可以利用人眼的視覺惰性產(chǎn)生彩色視覺效果。時間混色法不需要使用濾色膜來產(chǎn)生RGB基色光，因此不僅可以避免制作微濾色膜的復(fù)雜工藝，而且由于像素單元中不存在子像素，顯示畫面的分辨率也能夠有效提高。

圖5 像素間距計算示意圖

圖6所示為每一個子色場驅(qū)動時間示意圖?？梢钥闯?，每一子場周期將被劃分為3 部分：（1）一場圖像信號寫滿顯示芯片所需時間；（2）液晶材料響應(yīng)時間；（3）光照時間。

圖6 子色場驅(qū)動時間分配

隨著顯示屏幕分辨率的增大，信號寫入時間將顯著增大。因此，在一定的子場頻率下（通常大于180 Hz），液晶的響應(yīng)速度和脈沖光源切換速度需要非?？?。

空間混色法充分利用人眼有限分辨力這一特征實現(xiàn)對顯示圖像的視覺混色。如圖7（a）和圖7（b）所示，空間混色法一般有兩種實現(xiàn)方式：濾色膜法和三色光源法。濾色膜法通過將一個像素分為相鄰的3個子像素并在每個子像素上覆蓋紅、綠、藍(lán)三基色濾色膜，由于人眼的分辨率有限，無法區(qū)分3個子像素的發(fā)光界限，因此產(chǎn)生了視覺混色效果。這種方法的缺點是由于子像素的錯位問題可能引起顯示分辨率的降低。三色光源法需要將三基色光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像合成。這種方法主要的缺點是體積大。

圖7 空間混色示意圖

2.3 LCoS驅(qū)動方法

LCoS的顯示驅(qū)動方式有模擬驅(qū)動法和數(shù)字驅(qū)動法。模擬驅(qū)動法是利用DRAM結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)像素的不同灰階顯示。圖8所示為模擬驅(qū)動的簡單示意圖，輸入顯示信號需要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，該信號與公共電極信號電壓差為像素兩端電壓。通過控制DAC的輸出電壓便可實現(xiàn)對像素電壓的調(diào)制，進(jìn)而實現(xiàn)灰階顯示控制。模擬控制法在LCoS 顯示應(yīng)用中面臨的主要問題有：（1）CMOS工藝下，像素開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)下的泄漏電流不容忽略，從而導(dǎo)致DRAM結(jié)構(gòu)中保持電容過大。保持電容過大將不僅僅會降低圖像刷新頻率，還會占據(jù)太大的芯片面積，降低屏幕分辨率；（2）隨著屏幕分辨率的增大，留給輸出緩沖器（圖8中的buffer）對保持電容和液晶電容的充電時間將減小。在電容負(fù)載一定的條件下，充分的充電電壓要求將對buffer的帶寬提出越來越苛刻的要求。

數(shù)字驅(qū)動法一般可以利用SRAM結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)像素的不同灰階顯示。這種方法對不同灰階的控制是通過對像素開關(guān)的導(dǎo)通時間進(jìn)行調(diào)制來實現(xiàn)的，即脈寬調(diào)制型（PWM）控制方法?；赟RAM實現(xiàn)的數(shù)字驅(qū)動法雖然不需要通過DAC來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但卻要求對LCoS配套非常復(fù)雜且高速的控制接口，從而導(dǎo)致設(shè)計復(fù)雜度和技術(shù)成本的提高。

圖8 模擬驅(qū)動法示意圖

另外一種可行的數(shù)字驅(qū)動型電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。以10位灰階為例，如果每個反相器的延遲時間為Tu，那么在1幀時間內(nèi)單個像素最長驅(qū)動時間1024×Tu。D0輸出信號每翻轉(zhuǎn)1次，計數(shù)器輸出結(jié)果增加1，意味著像素驅(qū)動時間經(jīng)過了10×Tu。不足10×Tu的驅(qū)動時間通過D1～D9的輸出信號翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)計數(shù)。通過上述方法可以實現(xiàn)對像素驅(qū)動的脈寬調(diào)制，進(jìn)而實現(xiàn)灰階控制。

圖9 數(shù)字驅(qū)動法示意圖

除此之外，根據(jù)對像素陣列的掃描方式不同，可以分為逐點掃描、逐行掃描和隔行掃描。逐點掃描版圖布局壓力小，但是對電路工作速度要求高，不適用與高分辨率LCoS顯示。逐行掃描，尤其是隔行掃描，對版圖布局壓力大，但是對電路工作速度要求低。對于分辨率要求高的LCoS顯示要求，可以考慮將逐點掃描和逐行掃描/隔行掃描相結(jié)合，從而同時減輕版圖布局壓力和降低電路工作速度要求。

2.4 LCoS在微顯示應(yīng)用中的優(yōu)缺點

LCoS的優(yōu)點可以歸結(jié)為：

（1）沒有額外附加的偏振片，光利用率高；

（2）屏幕開口率大，像素亮度高；

（3）隨著工藝的發(fā)展可以進(jìn)一步微縮化；

（4）功耗低、壽命長。

和Micro-LED相比，雖然LCoS顯示技術(shù)具有成本低和制作難度低的優(yōu)勢，但是對超高分辨率的顯示場合，LCoS的圖像刷新頻率將很大程度上受到液晶響應(yīng)時間的限制。相反，Micro-LED通過LED主動發(fā)光完成圖像的顯示，屏幕刷新頻率將比LCoS顯示高很多，從而在超高分辨率微顯示領(lǐng)域更加“技高一籌”。

3 LCoS顯示國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

LCoS在過去八九年的時間由于成本及良率的問題，一直處于發(fā)展低潮期。由于LCoS微顯示技術(shù)能夠提供更高質(zhì)量的顯示性能，并在技術(shù)成本及功耗性能等方面有突出的優(yōu)勢，已經(jīng)受到部件制造商越來越多的青睞。對微尺寸、高分辨率、低成本及低功耗顯示器需求的不斷增長，支持了LCoS顯示器市場的增長，LCoS發(fā)展的春天即將到來。預(yù)測在未來2020～2025年，LCoS顯示器市場的復(fù)合年增長率可達(dá)32.25%。

然而，縱觀國內(nèi)外LCoS產(chǎn)業(yè)布局不難發(fā)現(xiàn)，LCoS市場非常集中，極少數(shù)的幾家歐美企業(yè)及臺企掌握著目前最先進(jìn)的LCoS顯示技術(shù)并控制著LCoS顯示的應(yīng)用市場。2019年2月，KOPIN公司旗下子公司第四維度顯示公司在2019年光子西部發(fā)布了2K × 2K高性能反射LCOS 設(shè)備；2019年1月，SYNDIANT公司在內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯舉行的2019年消費電子展上推出了4K超高清LCOS微顯示器和光學(xué)引擎；2018年10月，OMNIVISION公司發(fā)布了業(yè)界首款1080 p硅基液晶微顯示器，并成功完成了驅(qū)動電路和存儲電路的一體化集成。

國內(nèi)對LCoS微顯示芯片的研究最早可以追溯到1998年。1998年，南開大學(xué)信息學(xué)院的科研團(tuán)隊在國內(nèi)率先開展了LCoS微顯示器芯片技術(shù)的研究，并且成功研制出國內(nèi)首枚LCoS微顯示芯片。2019年11月，上?；坌鲁綄崢I(yè)有限公司對外發(fā)布成功研制出國內(nèi)首款商業(yè)化LCoS顯示芯片。但是通過對比分辨率、像素密度等關(guān)鍵指標(biāo)，不難發(fā)現(xiàn)，距離國際先進(jìn)水平還有一定的差距。

總體而言，由于國內(nèi)外對LCoS顯示的研究仍然不是非常充分，當(dāng)前對LCoS的研究受到的專利限制不是很苛刻，所以當(dāng)前開展對LCoS這種極具市場潛力的顯示技術(shù)的研究具有非常合適、非常重要的契機。

4結(jié)論

本文首先對Micro-LED和LCoS這兩類微顯示技術(shù)進(jìn)行了簡單介紹，并作了基本比較；然后針對LCoS顯示技術(shù)的顯示原理和LCoS關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述及比較，為LCoS顯示從架構(gòu)、方案及電路設(shè)計等方面提供了技術(shù)參考。最后，對國內(nèi)外LCoS顯示的產(chǎn)業(yè)布局進(jìn)行了分析，明確了LCoS顯示技術(shù)發(fā)展的契機。

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