隨著半導體集成電路技術的發展,差不多所有的電子器件體積都已經顯著地減小了,唯有顯示器件本身是一個例外。微顯示器(Microdisplay)的出現,極大地減小了顯示器件本身的尺寸,也為工業產品的設計者們一個機會,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。因為在許多情況下,顯示器越小,整機越便宜。因此,使用微顯示器不僅會使系統價格下降,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. 微顯示器特點
微顯示器實際上就是把顯示圖像或視頻的全部像素集成到單片集成電路模塊上。該模塊分為兩大類:一類用于投影顯示系統,一類用于虛擬顯示系統。到目前為止,用于投影顯示的微顯示器數量上只占很小的比例。
市面上,我們看到的擁有時尚外觀的視頻眼鏡產品采用的是虛擬大屏幕成像技術,將來自便攜式設備的視頻信號快速生成由紅、綠和藍(RGB)圖像組成的高幀速率序列,然后由人眼合成為完整的彩色圖像,這些圖像出現在觀察器的內部,觀看者在觀察器內部某處可看到與實物顯示屏相同的虛像,但看起來非常之大,好象身臨其境地觀看超大屏幕電視一樣。
與普通顯示器不同,微顯示器可提供高得多的分辨率。多數顯示器的全彩色分辨率只有80-100行/吋,而許多微顯示器提供的彩色分辨率可達1000行/吋或者更高。
從已有微顯示器芯片的生產過程看,許多微顯示器采用了混合工藝。這種工藝首先利用現有的大規模集成電路的生產線制造CMOS硅基片,然后在硅基片的另一面生成包含光調制器或光發射層的上層結構。比如,上層結構層由液晶材料組成時,就可以在具有規模生產能力的LCD工廠中完成微顯示器生產的最后工序。
通過成熟的工業流程來生產新型顯示器件導致將CMOS矩陣用作顯示器的控制矩陣。這種作法可以為芯片增加各種復雜的新功能,從而為靈巧型顯示器的誕生鋪平道路。第二,生產商在充分利用原有廠房和設備的情況下進入顯示器的生產領域。這種模式降低了微顯示器的生產投資,加速了產品上市的時間。這就是大批從未生產過顯示器產品的高科技企業迅速成為顯示器領域新秀的原因。
2. LCOS微顯示器
LCoS(Liquid Crystal on Silicon)是將半導體與LCD技術相結合的反射式液晶投影新技術,最大特色在于基底的材質是單晶硅,因此擁有良好的電子移動率,而且單晶硅可形成較細的線路,是比較容易實現高解析度的投影結構,反射式成像也不會因光線穿透面板而大幅降低光利用率,因此光效率提升。
LCOS微顯示器利用外部光源,當光從微顯示器表面反射時被調制。LCOS器件的有源控制電路采用CMOS工藝,然后生成液晶層作為反射器,LCOS微顯示器可以利用約85%的表面積來反射光,光柵利用系數比較高。對反射光的調制由加到液晶的電壓來控制。
由于繼承了LCD技術的優點,同時也克服了LCD的不足之處,所以LCoS擁有諸多LCD所不具備的優點,在理論上具有產品結構簡單,低成本等優勢,基于LCOS器件的顯示技術是最近關注的重點之一。
3. FLCoS高清晰微顯示技術
在LCoS技術的基礎上,Displaytech公司開發出了鐵電版LCoS(Ferroelectric LCoS)微顯示器,能夠利用高量產的互連和封裝技術實現小外形尺寸、低功耗和低成本。與傳統的向列液晶的開關時間在10ms范圍相比,FLCoS微型顯示器的開關時間小于100us,這是它與其它微型顯示器的差異所在。快速的開關速度使人們能夠在CMOS硅裸片的表面上覆蓋一層FLC以生成全彩顯示。CMOS電路與標準的視頻輸入接口,并利用CMOS工藝在金屬的頂層實現點陣式反射鏡面。
根據由CMOS電路施加在點陣金屬上的電壓,FLC材料與通過該材料的光線相互作用,要么旋轉極化光,要么不旋轉極化光。FLCoS微型顯示器利用FLC的快速來生成由紅、綠和藍(RGB)圖像組成的高幀速率序列,然后,由人眼合成為完整的彩色圖像。因為FLCoS微型顯示器采用的是CMOS工藝,所以,它可以采用大量的互連和封裝技術來制造,而這跟小尺寸、低功耗及消費定價模型是一致的。
FLCoS微顯示器特別適合于高清晰個人顯示產品,包括眼鏡顯示器和超小型全彩色投影儀。過去6年中,Displaytech公司交付使用的FLCoS微型顯示器超過了1400萬套。
由于受FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)專利的限制,FLCoS微顯示方案由美國Displaytech公司獨家提供,主要生產商有Oculon Optoelectronic公司、深圳市億特聯合顯示技術有限公司、深圳力偉等公司。
目前,FLCoS微顯示器正被用于其它“眼鏡”類顯示應用中。在雙目眼鏡應用中,照明光源是受集成在顯示面板中的電子電路控制的三色LED。LED光源與FLCoS微型顯示器相結合,足以為眼鏡應用提供光線。
對于眼鏡顯示來說,一項絕對的要求是利用單一面板生成全彩顯示。只有具有非常快速開關速度的FLCoS面板能夠產生順序彩色顯示所需要的非常高的幀速率。彩色三色面板的微小孔徑使你在近眼顯示器中看到的圖像就像通過紗窗看一樣。FLCoS反射型顯示器利用順序彩色來在每一個像素大于90%的孔徑上創建想要的色彩,從而產生類似全息的圖像。
當選擇顯示器的時候,還要考慮由顯示器提供的色域,眼鏡顯示器利用產生非常有限的色域的彩色濾光片來形成它們的彩色三色。FLCoS面板利用生成較寬彩色域的三色LED,產生更接近生活的色彩。
利用FLCoS微顯示器,設計成功的近眼顯示器所面對的復雜特性被已經被簡化了。FLCoS在單一微型顯示器上提供了高品質全彩顯示,不需要彩色染料。因為它們的外形小且功能強,這樣的微型顯示器具有足夠的靈活性,從而有助于工程師設計一種有吸引力的眼鏡顯示應用。
采用專利性FLCoS技術,Displaytech公司開發出了LightView VGA、WVGA和SVGA(LV-VGA, LV-WVGA, LV-SVGA)微顯器件,它們結合了Displaytech公司專有的鐵電材料和超大型集成電路(VLSI)半導體,能提供快速轉換速度和一流的光學質量,以實現沒有運動拖延的全彩視頻質量。
其中,LV-VGA具有640×480的全彩象素和9.2mm的有效顯示區域對角線,LV-WVGA的分辨率為852×480,有效顯示區域對角線為11.25mm,而LV-SVGA的分辨率則為800×600,有效顯示區域對角線為11.5mm。這三種微型顯示器都集成了溫度補償功能,能支持消費電子各種溫度范圍,而且功耗也很低,一般只有100mw甚至更低,幀率為60Hz,具有可調節的亮度和Gamma設置。
LightView微型顯示器件的一流畫質主要要歸功于其全數字象素結構。每款LightView微型顯示器還具有一個可編程色彩矩陣處理器和可調節彩色場持續時間。