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(shí)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(shí)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(dú)有的優(yōu)勢。LCoS微顯示基于集成電路工藝實(shí)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(shí)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(jì)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(diǎn)。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(dòng)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(dòng)電路的面積和功耗能夠直接得益于納米級(jí)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(duì)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(diǎn)。本文首先針對(duì)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(jī)。

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(duì)于大尺寸顯示的需求，如果采用“實(shí)體”擴(kuò)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(jià)。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(jià)都很小。家庭背投顯示、會(huì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：（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(shí)間快等特點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)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(tái)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(shí)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(dú)立的襯底和加工工藝，從而會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的上升，并對(duì)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(dú)立襯底及加工工藝帶來的成本問題和良率風(fēng)險(xiǎn)?；贑MOS晶體管設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的LCoS顯示驅(qū)動(dòng)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(gè)像素面積將取決于液晶分子的尺寸，而不是像素的驅(qū)動(dòng)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(jì)。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(dòng)發(fā)光顯示技術(shù)，LCoS屬于被動(dòng)顯示類型。因此，LCoS顯示需要一套與之對(duì)應(yīng)的光路系統(tǒng)來協(xié)同工作。接下來，本文將針對(duì)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(dòng)電路直接在硅基板上完成制備。為了避免入射光對(duì)硅基板內(nèi)部晶體管照射形成光生載流子，影響驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(shí)，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(shí)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(shí)，入射的S偏振光在經(jīng)過液晶層時(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，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(gè)像素點(diǎn)不存在三基色子像素，所以可以避免像素錯(cuò)位，并且能夠降低成本，提高價(jià)格競爭力。但是單片式LCoS顯示對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)，并在驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)電路層的上表面，實(shí)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(dòng)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(duì)步驟（3）沉積的介質(zhì)層進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）處理，當(dāng)拋光至復(fù)合保護(hù)層上方時(shí)，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(shí)，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(shí)，會(huì)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(shí)候，CMP就停止。這樣下層軟質(zhì)層可以起到對(duì)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(duì)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(gè)點(diǎn)（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(duì)相鄰兩點(diǎn)（線）的最小分辨角θ為：

θ = 1.22λ/D （1）

其中，λ為光波波長，對(duì)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(jì)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(diǎn)（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(jì)算得到d的取值。實(shí)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(huì)立刻消失，而是會(huì)繼續(xù)保留一段時(shí)間的現(xiàn)象，視覺印象繼續(xù)保留的這段時(shí)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(shí)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(shí)間混色法和空間混色法兩種。時(shí)間混色法通常是將一幀完整的圖像信號(hào)分為紅、綠、藍(lán)三基色子場來進(jìn)行掃描驅(qū)動(dòng)。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(shí)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(jì)算示意圖

圖6所示為每一個(gè)子色場驅(qū)動(dòng)時(shí)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(hào)寫滿顯示芯片所需時(shí)間；（2）液晶材料響應(yīng)時(shí)間；（3）光照時(shí)間。

圖6 子色場驅(qū)動(dòng)時(shí)間分配

隨著顯示屏幕分辨率的增大，信號(hào)寫入時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)方式：濾色膜法和三色光源法。濾色膜法通過將一個(gè)像素分為相鄰的3個(gè)子像素并在每個(gè)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(gè)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(diǎn)是由于子像素的錯(cuò)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(diǎn)是體積大。

圖7 空間混色示意圖

2.3 LCoS驅(qū)動(dòng)方法

LCoS的顯示驅(qū)動(dòng)方式有模擬驅(qū)動(dòng)法和數(shù)字驅(qū)動(dòng)法。模擬驅(qū)動(dòng)法是利用DRAM結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)像素的不同灰階顯示。圖8所示為模擬驅(qū)動(dòng)的簡單示意圖，輸入顯示信號(hào)需要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)與公共電極信號(hào)電壓差為像素兩端電壓。通過控制DAC的輸出電壓便可實(shí)現(xiàn)對(duì)像素電壓的調(diào)制，進(jìn)而實(shí)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(huì)降低圖像刷新頻率，還會(huì)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(duì)保持電容和液晶電容的充電時(shí)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(duì)buffer的帶寬提出越來越苛刻的要求。

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

圖8 模擬驅(qū)動(dòng)法示意圖

另外一種可行的數(shù)字驅(qū)動(dòng)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(gè)反相器的延遲時(shí)間為Tu，那么在1幀時(shí)間內(nèi)單個(gè)像素最長驅(qū)動(dòng)時(shí)間1024×Tu。D0輸出信號(hào)每翻轉(zhuǎn)1次，計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果增加1，意味著像素驅(qū)動(dòng)時(shí)間經(jīng)過了10×Tu。不足10×Tu的驅(qū)動(dòng)時(shí)間通過D1～D9的輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。通過上述方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)像素驅(qū)動(dòng)的脈寬調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灰階控制。

圖9 數(shù)字驅(qū)動(dòng)法示意圖

除此之外，根據(jù)對(duì)像素陣列的掃描方式不同，可以分為逐點(diǎn)掃描、逐行掃描和隔行掃描。逐點(diǎn)掃描版圖布局壓力小，但是對(duì)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(duì)版圖布局壓力大，但是對(duì)電路工作速度要求低。對(duì)于分辨率要求高的LCoS顯示要求，可以考慮將逐點(diǎn)掃描和逐行掃描/隔行掃描相結(jié)合，從而同時(shí)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(diǎn)

LCoS的優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(shí)間的限制。相反，Micro-LED通過LED主動(dòng)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(shí)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(duì)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(tái)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(fèi)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(dòng)電路和存儲(chǔ)電路的一體化集成。

國內(nèi)對(duì)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(duì)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?shí)業(yè)有限公司對(duì)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(duì)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(duì)LCoS顯示的研究仍然不是非常充分，當(dāng)前對(duì)LCoS的研究受到的專利限制不是很苛刻，所以當(dāng)前開展對(duì)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(jī)。

4結(jié)論

本文首先對(duì)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(duì)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(jì)等方面提供了技術(shù)參考。最后，對(duì)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(jī)。

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