文/代永平、范伟（南开大学，天津；深圳市长江力伟股份有限公司）

　　【摘要】本文介绍的一类新型显示器件——近眼显示器，使用LCOS技术制造的显示器具有尺寸小、低功耗、图像大的特点，特别适用于移动式个人显示器和投影系统，在各类微显示器中，硅基液晶微显具有明显优势。

　　【关键词】近眼显示器，分辨率，有源矩阵，象素

　　前言

　　随着技术的发展，差不多所有的电子器件体积都已经显著地减小了，唯有显示器件本身是一个例外。近眼显示技术的发展，在增加图像显示尺寸和清晰度的同时，极大地减小显示器的尺寸。在许多情况下，显示器越小，整机越便宜。因此，使用微型近眼显示器不仅会使系统价格下降，而且较小的物理尺寸也意味着产品体积将较小较轻，在利用相同电池的条件下工作时间也较长[1] [2]。

　　这些微型近眼显示器按光源可划分为通过发光实现图像显示的主动发光型，和调制外部光而实现图像显示的非发光型两大类。非发光型又可进一步划分为使用背光源的透过型和利用外光源的反射型两大类。如图1所示，所谓透过式调制是指光源配置在近眼显示器的背面，光线经过像素矩阵为透明或半透明的显示屏时，受到屏上每个像素的调制而产生图形。所谓反射式调制是指近眼显示器像素矩阵有选择地反射外光源光线而形成图像，在像素空间占有率(填充因子)、光线有效利用和较少复杂工艺的要求方面，该技术超过了透过式调制。

　　1、主要微型近眼显示技术

　　目前有三个科学领域的显示技术方案引人注目，它们是电致发光(electroluminescent)技术、液晶(Liquid Crystal)技术、微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-Systems)技术，这三个领域的近眼显示器应用了一个共同的关键技术——采用CMOS(或TFT)器件及半导体平面工艺技术实现有源寻址矩阵，并以之为显示器基底。相应的四种近眼显示器分别是：有机发光二极管(OLED，Organic Light-Emitting Diode)、多晶硅TFT-LCD、硅上液晶(LCOS, Liquid Crystal on Silicon)和数字微镜器件(DMD, Digital Micromirror Device)。

　　1.1  透射型近眼显示器

　　开发成产品的两种主要透射型微显示器是：SoI(Silicon on Insulator)和p-Si TFT(多晶硅薄膜晶体管)液晶近眼显示器。它们分别采用单晶硅晶体管、多晶硅晶体管制作有源矩阵。

　　在利用单晶硅晶体管的方式中，基片用的是硅绝缘体(SoI)而不是传统的掺杂工艺硅圆片。以Kopin公司的透射型CyberDisplay微型显示器为例，该公司的SoI技术采用一种称为“剥离工艺”的工序，把预先制作在单晶硅基片上的电路剥离出来，然后再粘附到透明的玻璃基底上，封装液晶盒形成显示器。转移到透明玻璃基底上的电路工作状态保持不变，但从光学角度考虑，光能通过这个显示器，这个特性把背光和观看镜分离，有利于进一步简化光学系统。

　　多晶硅微型显示器不需要“浮脱工艺”。例如在高温多晶硅(HTPS，High Temperature Poly Silicon)方式中，首先在石英基片上淀积一层非晶硅层，然后利用高温退火将其转变成多晶硅。这样做改善了材料的电气性能，可以运用半导体平面光刻工艺，把某些周边的行、列驱动器，连同寻址矩阵制作在同一块多晶硅基片上。最后经过液晶封注完成透射式微型显示器的全部加工，利用液晶层调制光束以产生出图像。不过，多晶硅晶体结构决定多晶硅TFT的电学传输性能等其它电气特性远不及单晶硅MOS，用TFT制作的电路芯片在工作频率，电路稳定性，管子集成度等方面也就存在局限性。

　　目前，HTPS工艺技术可制成直径0.7~3英寸的显示屏，清晰度达到XGA级，主要供应商为日本Sony公司和美国Epson公司等。

　　1.2 反射型近眼显示器

　　反射型近眼显示器通过对外部均匀面光源的有选择反射实现调制图像。这里有两种主要技术：一种是硅基液晶(LCOS)，一种是数字微镜器件(DMD)。

　　LCOS器件的有源寻址电路采用CMOS器件，以硅芯片为基底封装生成反射式液晶光阀。LCOS微型显示器通常能用约90%的表面积来反射光。对反射光的调制可以由加到液晶的电压来控制(模拟式)，也可以调制显示占空比实现图像灰度(数字式)。

　　LCOS显示器具备小尺寸和高显示分辨率的双重特性。表面上，LCOS屏采用了传统LCD的液晶盒的结构，但又有别于后者。如图2所示，液晶盒构造上的最明显区别是：LCOS技术把液晶材料封装在单晶硅材质的LCOS芯片与透明玻璃之间，而非传统LCD使用的两片透明平板硬质基底。通常把视频转换电路、行扫描驱动电路和像素矩阵制作在硅基底上，而ITO膜用作公共电极，液晶材料则工作在固定频率的交流信号下。LCOS设计成快速响应光阀，通过调制每个像素对入射光的反射程度，实现有灰度的图像显示[3]。

　　LCOS是一种正在迅速崛起的显示工艺技术，作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好。

　　DMD显示器是MEMS理论与技术的实际运用体现。每个DMD可视为一个半导体光开关，如图3所示，成千上万个微小的方形镜片(12?12?m)，被建造在静态随机存取内存(SRAM)上方的铰链结构上而组成DMD显示器。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜：+10?为“开”，10为“关”，当镜片不工作时，它们处于0?“停泊”状态。以二进制信号对每一个镜片下的存储单元进行二维寻址，DMD阵列上的每个镜片被静电场作用而倾斜，置于或开或关状态，于是每一个镜片可以通断一个象素的光，并且镜片可以在一秒内开关1000多次，这一相当快的速度允许数字灰度等级和颜色再现。寻址采用脉冲宽度调制(PWM)技术，控制着每个镜片倾斜在哪个方向上为多长时间。由于外围配置电路复杂带来的高功耗和大体积，目前DMD微显示器没有普遍应用到近眼显示器领域[4]。

　　2、近眼显示器彩色化技术

　　第一种是空间混色法(见图5(a))。只要同一平面上的三个基色光点足够小且充分靠近，由于人眼空间细节分辨率差的生理特性，人们感到的是三种基色光混合后所具有的颜色。

　　第二种方法是时间混色法(见图5(b))，即三基色按一定比例依次出现在同一屏幕上，只要交替速度足够快，由于人眼的视觉惰性，产生的彩色视觉效果与三基色直接混合一样。从图5中可以看到，时序彩色法具有最高的显示面积利用率，但要求作为光阀的微显示器响应速度必须较快，驱动电路工作频率较高。

　　还有一种方法是生理混色法，利用两只眼睛分别观看两个不同颜色的同一景象，以获得混色效果。但这种彩色化方法设计烦琐，实用性不强，一般不采用。

　　时间混色是在短时间(20ms左右)内顺序选通红光、绿光和蓝光，达到混色的目的。人的眼睛不能区分小于0.1mm左右的子像素，同样也不能区分快速闪现的、持续时间不到约20ms的图像。通常显示图像以一场为单位进行时间混色，故称场序彩色[4]。场序彩色方法既减少了制作微滤色膜的复杂工艺，又避免了微滤色膜对光线的衰减，非常有利于提高显示分辨率和亮度，那么在近眼显示应用中就可以使用低功耗的LED光源，从而延长电池使用时间。

　　图5是深圳力伟数码科技有限公司基于Display公司LCOS场序彩色近眼显示器授权开发的视频眼镜样机。该显示屏的对角线尺寸为0.24英寸，却能实现VGA(640?480)的显示分辨率。

　　本篇文中讨论了四种比较成熟的微显示器及其相关技术，表1对它们的主要显示性能、制造成本等作定性比较，表中分A、B、C三等，以A为优等。

　　3、结论

　　总的说来，近眼显示器的最大优势在于它们有能力提供近乎完美的图像，即便显示屏对角线在0.5英寸(13mm)以下，它也能为用户提供彩色视频效果，而且性能不亚于普通电视机和PC监视器，这就意味着用户完全可以不分地点的上网读邮件、观电影、找资料；另外这也意示计算机，投影设备将变得更小、更轻、更便宜。

　　参考文献

　　[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，孙钟林, 陆铁军, 王隆望.  EDA在新型硅基平板显示设计中的应用[J]，微电子学，2002，32(5): 351~354

　　[4]朱维南. 数字微镜器件DMD [J]，电视技术，2000，222：86~88863项目：“高性能低成本 LCOS 微型投影机关键技术及样机研究”（项目编号2009AA01Z326）

　　作者简介：代永平（1968-），男，昆明人，南开大学教授，博士，SOC设计方法与应用、硅基微电子集成显示技术。

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