硅基微顯示芯片：LCoS、Micro OLED、Micro LED、DLP、MEMS顯示

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是元宇宙重要的人機(jī)交互平臺(tái)，其中光學(xué)成像部件和微顯示屏是成像質(zhì)量的關(guān)鍵。目前有五種微顯示技術(shù)：硅基液晶、硅基 OLED、硅基 micro LED、DLP 顯示以及激光掃描振鏡等。本文將著重介紹不同技術(shù)微顯示屏的組成結(jié)構(gòu)、工藝流程、硅基驅(qū)動(dòng)方式方法、發(fā)展現(xiàn)狀以及面臨的挑戰(zhàn)。在硅基驅(qū)動(dòng)的部分，將從像素驅(qū)動(dòng)的不同電路以及不同驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)缺點(diǎn)入手，分析不同顯示技術(shù)硅基部分的設(shè)計(jì)和指標(biāo)挑戰(zhàn)。并對(duì)目前不同技術(shù)所能達(dá)到的指標(biāo)進(jìn)行了匯總比較。硅基背板的設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)也將得到討論。在本文的最后對(duì)不同微顯示芯片的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展進(jìn)行了討論。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念最早出現(xiàn)在 1968 年，但受制于顯示和光學(xué)技術(shù)，一直未能普及。1990 年代，美國(guó)軍方要求提升空軍作戰(zhàn)效率，才開(kāi)始對(duì)顯示屏的更新?lián)Q代提出明確要求。一些公司開(kāi)始了對(duì)基于硅基的液晶屏的研發(fā)。2012 年谷歌推出了基于硅基液晶（LCoS）和棱鏡光機(jī)的輕便式單目 AR 眼鏡，使得更多的機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者對(duì) AR 眼鏡產(chǎn)生了濃厚的興趣。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景和需求越來(lái)越多，相應(yīng)的對(duì) AR 眼鏡的要求也就越來(lái)越高。如需要長(zhǎng)時(shí)間佩戴的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）眼鏡需要滿足體積小重量輕并且待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的需求。而戶內(nèi)或者是工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用中，則對(duì)分辨率、對(duì)比度和可視角有更嚴(yán)苛的要求。為了構(gòu)建更好的 AR 系統(tǒng)，AR 眼鏡中的不同模塊，如處理器、光機(jī)和微顯示屏也引起了關(guān)注。如處理器從前期的直接用現(xiàn)成的通用處理器，到現(xiàn)在的針對(duì) AR/VR 的專用處理器。光機(jī)從早期的棱鏡光學(xué)到現(xiàn)在的光波導(dǎo)技術(shù)，顯示從 LCoS 一枝獨(dú)秀（Google glass 1、Hololens 1, Magic leap 1 等）到現(xiàn)在的 LCoS、硅基有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)(INMO AIR)、激光掃描振鏡（LBS）（HOLOLENS2）和微型發(fā)光二極管（MICRO LED）(OPPO Air Glass)等多種微顯示技術(shù)都得到了應(yīng)用和推廣。也有廠商通過(guò)提高制造精密度，采用了高溫多晶硅液晶顯示（HTPS LCD）技術(shù)來(lái)達(dá)到 AR眼鏡的要求（EPSON）。

LCoS 脫胎于 LCD 技術(shù)，借助成熟的半導(dǎo)體工藝和液晶產(chǎn)線，發(fā)展迅速，有工藝成熟成本較低等特點(diǎn)。而后硅基 OLED 隨著工藝和制造逐漸成熟，憑借其高對(duì)比度的優(yōu)勢(shì)備受青睞。但是硅基 OLED 的壽命、亮度都是瓶頸，使其在戶外應(yīng)用場(chǎng)景一直受限。其后 Micro LED 憑借其高亮度和更長(zhǎng)的預(yù)期壽命被認(rèn)為是更適合于 AR 的微顯示技術(shù)，但是由于制造工藝還未成熟，良率很低，通常認(rèn)為離量產(chǎn)還有一些時(shí)間。另外，由于微軟在 HOLOLENS 2 里面大膽采用了 LBS 微顯示技術(shù)，使得這一技術(shù)得到一些產(chǎn)家的青睞。

對(duì)于時(shí)下流行的光學(xué)和顯示技術(shù)，Bernard Kress 在其著作第七章中針對(duì)不同微顯示技術(shù)的發(fā)光方式、發(fā)光效率和顯示效果進(jìn)行了詳盡介紹，其中也介紹了市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品所采用的技術(shù)。Shin-Tson Wu 等人在文獻(xiàn)中對(duì)不同微顯示器件的材料特性和器件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)論述。文獻(xiàn)對(duì)不同顯示技術(shù)的顯示原理和整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的搭配做了介紹。文獻(xiàn)則是對(duì)不同技術(shù)進(jìn)行了分類和指標(biāo)對(duì)比。然而，微顯示技術(shù)，從制造流程或者說(shuō)設(shè)計(jì)來(lái)看，又可以分為前道的硅基部分和后道的發(fā)光層部分。如LCoS可分為硅基背板和液晶盒子，OLED-on-Silicon 可以分為硅基背板和上層的有機(jī)發(fā)光層。本文將從硅基背板的角度對(duì)不同的微顯示技術(shù)進(jìn)行介紹。即從應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)微顯示的不同要求，從硅基背板設(shè)計(jì)的角度對(duì)不同技術(shù)進(jìn)行分類闡述。這對(duì) AR 眼鏡的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)將提供有效幫助。

基于這一思考，本文從第二部分到第五部分，分別介紹 LCoS 技術(shù)、硅基 OLED 技術(shù)、硅基 micro LED 技術(shù)、DLP 和 LBS 技術(shù)的器件結(jié)構(gòu)、硅基電路設(shè)計(jì)架構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)。在第六部分將對(duì)各類技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 .1 LCoS 的器件結(jié)構(gòu)

LCoS 一開(kāi)始是以小型化的 LCD 為目標(biāo)，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，還發(fā)展出了豐富的應(yīng)用，如全息、光通訊和光鑷等。盡管如此，LCoS 從結(jié)構(gòu)上看，依然是最初的硅基加液晶盒子方式。跟薄膜晶體管（TFT） LCD 的最大區(qū)別就是用單晶硅晶圓取代了 TFT ARRAY。LCoS芯片的剖面圖如圖 1，除了硅基背板，還包含由框膠、液晶以及 ITO 玻璃所構(gòu)成的液晶盒子。

其簡(jiǎn)要生產(chǎn)流程如圖 2。

▲圖1：LCoS 結(jié)構(gòu)圖

▲圖2：LCoS 生產(chǎn)流程圖

在顯示應(yīng)用中，可以根據(jù)制造工藝分為帶濾色片的空間彩色 LCoS 和不帶濾色片的時(shí)序彩色 LCoS。帶濾色片的 LCoS 可以直接使用白色光源，數(shù)據(jù)類似傳統(tǒng) LCD，因此系統(tǒng)架構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但由于濾色片對(duì)光的損耗可以達(dá)到三分之二以上，因此系統(tǒng)光效損失較大。而采用時(shí)序彩色的方案由于是通過(guò)控制不同顏色光源的時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)混色，不需要濾色片，可以大幅度的提升光效。時(shí)序彩色方案的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是因?yàn)椴恍枰齻€(gè)不同顏色的子像素來(lái)混色形成最終的像素，像素密度提高，同樣分辨率的屏可以做的更小。因而現(xiàn)在市場(chǎng)上的大部分LCoS 屏都是時(shí)序彩色方案，以滿足 AR 眼鏡微型化的需求。

LCoS 的成盒方式也與 LCD 一樣有多種選擇。如配向方式有摩擦配向、無(wú)機(jī)配向和光配向等。采用的液晶也有多種，有響應(yīng)迅速的 TN 液晶，也有高對(duì)比度的 VA 液晶，以及近年來(lái)備受關(guān)注的藍(lán)相液晶。從顯示的角度看，出于對(duì)高對(duì)比度的追求，比較常用的是無(wú)機(jī)配向和 VA 液晶的組合。在后道工藝的支持下，LCoS 也能達(dá)到較高的對(duì)比度，如南京芯視元針對(duì) HMD 的 LCoS 對(duì)比度可以達(dá)到 1500:1，Sony 和 JVC 針對(duì)高端大屏投影的 LCoS 對(duì)比度分別做到了 4000:1 和 5500:1 。

2.2 LCoS 的硅基背板設(shè)計(jì)

LCoS 硅基背板的設(shè)計(jì)，按像素驅(qū)動(dòng)方式分，可以分為模擬像素驅(qū)動(dòng)和數(shù)字像素驅(qū)動(dòng)，如圖 3 所示。

▲圖3：LCOS 的模擬像素驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字像素驅(qū)動(dòng)電路

可以看出模擬像素驅(qū)動(dòng)比較類似傳統(tǒng) TFT 驅(qū)動(dòng)方式，先通過(guò) DAC 將數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬灰階電壓，而后傳輸?shù)揭壕油ㄟ^(guò)控制液晶的不同翻轉(zhuǎn)程度來(lái)控制光的反射。而數(shù)字像素驅(qū)動(dòng)則通過(guò)將原視頻信號(hào)分為不同的數(shù)字子幀，利用脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制液晶的灰階顯示 。在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，液晶上的等效的灰階電壓為 ：

對(duì)于時(shí)序彩色 LCoS，采用紅綠藍(lán)三色光源分時(shí)照射到屏幕上。如果是數(shù)據(jù)通過(guò)單個(gè)晶體管和電容直接寫入，那么光源只能在數(shù)據(jù)完全寫入以后照射，有效顯示時(shí)間短，亮度低。因此為了提高光效，一般采用一個(gè)緩存幀來(lái)預(yù)存數(shù)據(jù)，顯示上一幀圖像的同時(shí)寫入下一幀的圖像數(shù)據(jù)，增加光源照射時(shí)間和亮度。由于時(shí)序彩色的數(shù)據(jù)流與常見(jiàn)視頻源的數(shù)據(jù)流不太一樣，所以一般需要一個(gè)驅(qū)動(dòng) IC 來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了進(jìn)一步減小智能眼鏡的體積，也可以采用更小的工藝節(jié)點(diǎn)將驅(qū)動(dòng) IC 部分集成到顯示屏里。這樣能更好的滿足可穿戴的要求，只是成本將大幅上升。

對(duì)于一些特殊的高分辨率的應(yīng)用場(chǎng)景，需要 4K 甚至 8K 的分辨率。此時(shí)如果依然按原先的方式直接疊加更多的像素，屏的面積會(huì)大幅增大，走線長(zhǎng)度大幅增加，信號(hào)質(zhì)量和數(shù)據(jù)帶寬將成為挑戰(zhàn)。因此也出現(xiàn)了通過(guò)抖動(dòng)來(lái)提高視覺(jué)分辨率的做法。即屏幕的物理分辨率并沒(méi)有達(dá)到要求的數(shù)值，但是通過(guò)時(shí)序上的抖動(dòng)，不同子幀的時(shí)間疊加效應(yīng)形成一個(gè)視覺(jué)上的高分辨率屏,也可以通過(guò)兩個(gè)屏幕的光學(xué)錯(cuò)位來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是由于抖動(dòng)算法會(huì)增加功耗，在可穿戴的應(yīng)用中并不一定適合。

總體來(lái)說(shuō)，LCoS 的發(fā)展，主要是根據(jù)應(yīng)用需求不斷演進(jìn)。早期受限于工藝和應(yīng)用，一般是低分辨率大像素的屏（720P 以下）。隨著 AR 光學(xué)的發(fā)展，開(kāi)始對(duì)中等分辨率（720P 和1080P）高光效低功耗的屏產(chǎn)生需求。激光電視的推廣使得高分辨率高對(duì)比度高可靠性成為考慮的焦點(diǎn)（4K 和 8K）。而 AR 市場(chǎng)的普及又使得極小尺寸低功耗的顯示屏成為一大趨勢(shì)。在小尺寸方面，有減小分辨率和減小像素尺寸兩種方式。目前有報(bào)道的 LCoS 最小像素尺寸是 3.015μm, 來(lái)自 Compound Photonics 公司。從設(shè)計(jì)角度，幾種產(chǎn)品采用的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)都會(huì)有區(qū)別。

3 .1 硅基 OLED 的器件結(jié)構(gòu)

硅基OLED從結(jié)構(gòu)上也可以分為兩種，一種是采用白光發(fā)光層加濾色片的結(jié)構(gòu)，如SONY、京東方 和弗蘭霍夫研究所等，其基本結(jié)構(gòu)如圖 4；一種是直接做 3 種不同發(fā)光材料的結(jié)構(gòu)。采用第一種結(jié)構(gòu)主要是為了規(guī)避藍(lán)光 OLED 材料的壽命問(wèn)題。不管哪一種結(jié)構(gòu)，硅基 OLED 的亮度問(wèn)題也是一直被詬病的缺點(diǎn)之一。文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)，同樣的 OLED 器件結(jié)構(gòu)下，可以通過(guò)適度的調(diào)高工作電壓并降低占空比的方式提高顯示亮度并延長(zhǎng)器件的使用壽命。另外，也有很多基于堆疊發(fā)光層提高 OLED 亮度的研究。有研究認(rèn)為，三層堆疊、雙層堆疊的 OLED 和單層 OLED 的電流出光比大約為 31。

▲圖4：OLED 器件結(jié)構(gòu)

硅基 OLED 的后道工藝也是從硅基晶圓開(kāi)始，如圖 5，先進(jìn)行發(fā)光層的蒸鍍，而后進(jìn)行密封處理和玻璃蓋板貼合，最后切割和封裝成單獨(dú)的芯片。為了進(jìn)一步提高發(fā)光效率和亮度，SONY 于 2019 年還提出了使用微透鏡增加出光率的工藝。

▲圖5：硅基 OLED 工藝流程圖

3.2 硅基OLED的背板設(shè)計(jì)

OLED 材料是電流驅(qū)動(dòng)器件，像素驅(qū)動(dòng)也可以分為模擬像素驅(qū)動(dòng)和數(shù)字像素驅(qū)動(dòng)，如圖6。對(duì)于硅基 OLED 背板來(lái)說(shuō)，模擬像素驅(qū)動(dòng)指的是顯示信號(hào)通過(guò) DAC 轉(zhuǎn)換為模擬電壓之后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)像素的 MOS 管再轉(zhuǎn)換為 OLED 器件所需要的電流。這種方法需要的 MOS 管少，但是因?yàn)槠聊涣炼然竞拖袼仉娏鞒烧?，而像素和像素之間的驅(qū)動(dòng) MOS 管的開(kāi)啟電壓 Vth 在制造過(guò)程中會(huì)形成偏差，使得屏幕出現(xiàn)亮度均勻性問(wèn)題。大屏通常會(huì)另外使用算法 IC 來(lái)補(bǔ)償這一亮度不均勻，然而對(duì)于微顯示來(lái)說(shuō)，由于像素和像素之間的亮度差異是由電流差異造成的，并且這種電流差異十分微?。╪A 級(jí)別），難以片外補(bǔ)償，所以通常采用像素內(nèi)補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)改善屏幕的亮度均勻性。此外，由于低灰階情況的像素電流都在 nA 級(jí)別，隨環(huán)境和工藝變化明顯，灰階精度很難保證，所以也有采用 10bit 的 DAC 來(lái)完成 8bit 灰階的設(shè)計(jì)。硅基 OLED 的數(shù)字驅(qū)動(dòng)也可以采用 PWM 的方式，但是此時(shí)的脈沖寬度根據(jù)需要的顯示亮度來(lái)計(jì)算。文獻(xiàn)都采用了這種方式。PWM 驅(qū)動(dòng)方式在灰階調(diào)節(jié)和對(duì)比度上表現(xiàn)更好，但是需要的數(shù)據(jù)帶寬要更高。

▲圖6：硅基 OLED 的模擬驅(qū)動(dòng)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)

硅基 OLED 的背板發(fā)展趨勢(shì)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是有超高分辨率高幀率大尺寸屏和低分辨率低幀率低功耗兩個(gè)截然不同的發(fā)展方向。高分辨率大尺寸屏主要針對(duì)一些對(duì)顯示要求高的 AR 以及最近流行的 PANCAKE 光學(xué)架構(gòu)的 VR。而低分辨率低功耗主要應(yīng)用在野外需要電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)景。Philipp Wartenberg 甚至在 2022 年的 Displayweek 上提出了點(diǎn)亮功耗只有 1mW 的雙色 OLED 屏。

4 .1 硅基 MICRO LED 的器件結(jié)構(gòu)

由于 MICRO LED 在發(fā)光效率、壽命和工作溫度上都有優(yōu)勢(shì),一直備受關(guān)注。與 LCoS 和硅基 OLED 不一樣的是，目前 MICRO LED 的制造工藝尚未成熟或者說(shuō)有比較統(tǒng)一的趨勢(shì)。雖然 MICRO LED 的定義目前還沒(méi)有統(tǒng)一的意見(jiàn)，有認(rèn)為像素間距在 100um 以下就算 micro LED的，也有認(rèn)為像素間距在 50um 以下才可以算。由于本文專注于應(yīng)用于 AR/VR 的微顯示芯片，將不包含像素大于 50um 的 MICRO LED 顯示。從 MICRO LED 發(fā)光結(jié)構(gòu)上看，有橫向結(jié)構(gòu)也有垂直結(jié)構(gòu)。橫向結(jié)構(gòu)指 LED 的陽(yáng)級(jí)和陰極連接觸點(diǎn)是橫向擺放的，即使不在同一高度，卻需要消耗橫向的面積。而垂直結(jié)構(gòu)是指整個(gè)發(fā)光結(jié)構(gòu)在垂直方向形成，陽(yáng)極或陰極的其中一極是公共電極，一極連接像素，從發(fā)光面來(lái)看，不消耗額外面積?？芍?，對(duì)于對(duì)PPI 要求較高的 AR 應(yīng)用來(lái)說(shuō)（>1000ppi），垂直結(jié)構(gòu)是一個(gè)更合理的選擇。從全彩顯示的角度看，有幾種不同的方案，可以鍵合三種不同顏色 LED，也可以加量子點(diǎn)或量子阱對(duì)藍(lán)色或是 UV LED 進(jìn)行色轉(zhuǎn)換，也有三片不同顏色的 LED 芯片垂直堆疊合成彩色的工藝。Micro LED 的器件結(jié)構(gòu)面對(duì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是隨著單顆 LED 面積的減小，發(fā)光效率也大幅度下降。

從制造工藝上看，有倒裝焊工藝也有晶圓級(jí)的制程。從硅基 MICRO LED 的角度看，倒裝焊工藝主要是通過(guò)金屬鍵合或是其它微結(jié)構(gòu)將 LED 芯片和 CMOS 硅基芯片在像素級(jí)別一一對(duì)應(yīng)的連接起來(lái)。而晶圓級(jí)的制程則更多的借助于半導(dǎo)體制造工藝。一個(gè)常見(jiàn)的基于色轉(zhuǎn)換的倒裝焊工藝流程如下：首先分別制作 CMOS 驅(qū)動(dòng)晶圓和 LED 晶圓，通過(guò)倒裝焊鍵合兩種不同的晶圓后剝離 LED 襯底，在 LED 上制作色轉(zhuǎn)換層，而后進(jìn)行封裝。而晶圓級(jí)工藝又分為幾種，有將外延片轉(zhuǎn)移到硅基晶圓后再刻蝕單個(gè)的 LED 像素的方式，也有在LED 晶圓基礎(chǔ)上進(jìn)行 TFT 制作的方式,也有先將 LED 晶圓切割并轉(zhuǎn)移到硅晶圓基底而后進(jìn)行晶圓級(jí)鍵合的方式。

4.2 硅基 MICRO LED 的背板設(shè)計(jì)

Micro LED 像素也是電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式也可以分為模擬驅(qū)動(dòng)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)，如圖7。然而和 OLED 不一樣的是，對(duì)于現(xiàn)有的 MICRO LED 工藝來(lái)說(shuō)，模擬驅(qū)動(dòng)方式除了有 Vth 變化造成的亮度不均問(wèn)題以外，還面臨發(fā)光效率隨電流值改變的問(wèn)題以及電流變化引起的發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移問(wèn)題，所以數(shù)字驅(qū)動(dòng)的方式通常選擇 LED 芯片 EQE 較高的電流區(qū)間進(jìn)行 PWM 控制而形成灰階，而亮度不均勻和工藝偏差可以通過(guò)算法解決。

但是對(duì)于面向 MICRO LED 的硅基背板來(lái)說(shuō)，有一個(gè)設(shè)計(jì)矛盾。對(duì)于 micro LED 像素，發(fā)光效率最大的電流密度在 10-1000 A/cm2之間。而單個(gè)微顯示芯片通常顯示面積也就在1cm2以內(nèi)。對(duì)于普通 CMOS 工藝來(lái)說(shuō)，如此大的電流密度很難實(shí)現(xiàn)。尤其如果考慮金屬走線的寄生電阻，對(duì)于高像素密度的屏，大電流將引起過(guò)大的壓降（屏的尺寸一般在0.5-1cm2,按低的 10 A/cm2 計(jì)算，0.1 歐姆的寄生電阻將引起 1V 的額外壓降，而大部分供電電壓在 5V 或以下），反過(guò)來(lái)影響屏的亮度。所以我們會(huì)看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，分辨率高且像素小的微顯示芯片，通常功耗反而低，分辨率低且像素大的屏，功耗可能反而大。表1 是我們對(duì)一些文獻(xiàn)中的 CMOS 芯片部分的參數(shù)做了一個(gè)匯總。LCOS 和 OLED on Silicon 的像素間距和像素大小差別不大，所以一般只給一個(gè)間距。而在 MICRO LED 的情況，考慮制造工藝和走線，兩者差距有可能較大，因此在表中盡量做了標(biāo)注。

▲圖7：硅基 uLED 的模擬驅(qū)動(dòng)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)

對(duì)于 AR 的應(yīng)用場(chǎng)景，屏作為可穿戴終端上的芯片，對(duì)功耗是希望越低越好。動(dòng)輒上瓦的功耗并不適用。因此，可能需要在發(fā)光亮度、效率和功耗之間做一個(gè)平衡。

▲表1：micro LED 相關(guān)文獻(xiàn)中的硅基部分的參數(shù)

DLP（Digital light processing, 也稱為 Digital Micro-mirror Device, DMD）技術(shù)和 LBS 技術(shù)原理上都屬于 MEMS 技術(shù)，但是二者的工作原理完全不同。

DLP 芯片當(dāng)中，CMOS 驅(qū)動(dòng)部分和微鏡是在一顆芯片上，其工作原理非常類似數(shù)字驅(qū)動(dòng)的時(shí)序彩色 LCOS，屏是在 CMOS 工藝之后，經(jīng)過(guò) CMP 制程，接著制造了用于反射的眾多像素級(jí)微小鏡面，每個(gè)像素下面都是一個(gè) 6T SRAM 單元，用高低電平來(lái)控制光的開(kāi)啟和關(guān)斷。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)和制造工藝流程可參考文獻(xiàn)。這一技術(shù)由于專利和生產(chǎn)原因，一直只有 TI 一家供應(yīng)商。

激光掃描微鏡技術(shù)在微顯示技術(shù)中是比較特殊的一類。圖像是通過(guò)微鏡將被調(diào)制的激光有序的發(fā)射到某個(gè)投影表面不同的位置，讓人在視覺(jué)上感覺(jué)到一幅圖像 。也因?yàn)轱@示畫面不是由物理像素構(gòu)成的，微鏡技術(shù)也被寄予厚望能不受制造的物理極限而實(shí)現(xiàn)更高的像素密度。這一技術(shù)在通常微顯示的顯示區(qū)用一個(gè)毫米級(jí)別的微鏡取代了其它技術(shù)的像素顯示部分（眾多的微米級(jí)別的單個(gè)像素），屏上通常包含了微鏡、制動(dòng)器和感應(yīng)器，微鏡的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由另外的混合工藝制造的芯片提供。雖然基于 MEMS 微鏡的微顯示技術(shù)在之前就有提出,但是由于微鏡的制造屬于特殊工藝，很少受到關(guān)注，一直到微軟在 HOLOLENS 2 中大膽采用了 LBS 技術(shù)才發(fā)生了改變。微鏡的制造工藝可以參考。

微鏡的控制可分為靜電控制（eletrostatic）、電磁控制（eletromagnetic）和壓電控制（piezoelectric）。這里微鏡根據(jù)掃描方式又可以分為兩種，使用光柵掃描加線性掃描兩個(gè)微鏡的方案，以及使用單個(gè)微鏡的方案。不論哪種方案，微鏡都是實(shí)現(xiàn)反射光的作用。而微鏡的控制部分，主要通過(guò)算法控制微鏡的偏轉(zhuǎn)角度，逐點(diǎn)成像。在算法上又分為光柵掃描算法和雙振算法。光柵掃描算法就是傳統(tǒng)的快速翻轉(zhuǎn)光柵微鏡形成圖像的行，再通過(guò)線性微鏡以稍慢的速度完成不同行圖像的掃描。而雙振算法則是通過(guò)單個(gè)微鏡在兩個(gè)軸上都快速翻轉(zhuǎn)，并多次寫入形成完整圖像。兩種算法都有丟失像素點(diǎn)的缺點(diǎn),所以基于 LBS 技術(shù)的眼鏡的視覺(jué)分辨率都會(huì)比標(biāo)稱的分辨率要小。優(yōu)點(diǎn)在于微鏡對(duì)高低溫耐受強(qiáng)，且亮度高。

通過(guò)以上幾個(gè)部分的介紹，我們可以看出，每一種微顯示技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，也各有需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。比如 LCOS 屏的制造工藝成熟，亮度高，對(duì)比度中等，硅基背板設(shè)計(jì)靈活，功耗中等，但是由于是反射式的而非自發(fā)光的屏幕，在 AR 應(yīng)用中會(huì)比 OLED 屏和 MICROLED 屏的方案需要多一個(gè)投影光機(jī)，增大了系統(tǒng)的體積、功耗和復(fù)雜度。對(duì)于不是特別在意體積的如 HMD 等應(yīng)用場(chǎng)景，LCOS 是一個(gè)非常合適的選擇。硅基 OLED 屏對(duì)比度高，制造成熟度中等，亮度較低，硅基背板有針對(duì)不同場(chǎng)景的功耗優(yōu)化方案，在一些對(duì)亮度要求不高的室內(nèi)場(chǎng)景，以及一些對(duì)光路進(jìn)行處理的方案上會(huì)比較有優(yōu)勢(shì)。Micro LED 屏的亮度高，預(yù)期壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期看非常適合 AR 和 VR 的應(yīng)用,但是目前制造工藝還不是很成熟，材料、良率和功耗等方面都有挑戰(zhàn)。在 AR 應(yīng)用上，目前主要在一些主要做信息提示的不需要高分辨率的場(chǎng)景應(yīng)用,量產(chǎn)能力有待證明。至于 LBS 方案，主要優(yōu)勢(shì)在于有完整方案，工作溫度相對(duì)寬泛，對(duì)一些惡劣環(huán)境的應(yīng)用有優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)在于激光容易色偏，需要溫控，系統(tǒng)功耗和實(shí)際分辨率都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，且供應(yīng)鏈薄弱。

如今，大陸方面對(duì)微顯示的研究也方興未艾。之前由于產(chǎn)業(yè)鏈的不完善，硅基微顯示的發(fā)展一直比較緩慢。2001 年南開(kāi)大學(xué)團(tuán)隊(duì)就發(fā)布了分辨率為 640*480 的模擬驅(qū)動(dòng) LCoS 芯片。中科院團(tuán)隊(duì)于 2009 年發(fā)布了分辨率為 320*240 的模擬驅(qū)動(dòng) LCoS 芯片。電科 55 所于2019 年發(fā)布了分辨率為 1400*1050 的單色硅基 OLED 芯片，并于 2022 年對(duì) MICRO LED 的發(fā)光材料和后道工藝做了綜述研究。上海大學(xué)團(tuán)隊(duì) 2021 年發(fā)表了對(duì)硅基 OLED 屏的壽命研究。福州大學(xué)團(tuán)隊(duì)于 2020 年對(duì) MICRO LED 微顯示技術(shù)從驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)移技術(shù)，以及研究發(fā)展?fàn)顩r做了綜述研究。筆者團(tuán)隊(duì)于 2020 年 6 月發(fā)布了分辨率為 1920*1080 的模擬像素驅(qū)動(dòng) LCoS 芯片，2020 年 11 月發(fā)布了基于數(shù)字像素驅(qū)動(dòng)的 FHD LCoS 芯片，2021 年發(fā)布了分辨率為 480*270 的單色 MICRO LED 芯片，2022 年聯(lián)合南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)共同發(fā)布了 FHD單色 QLED 芯片?？梢钥闯?，2020 年后，大陸微顯示產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展期。

表 2 對(duì)不同硅基微顯示技術(shù)的重要參數(shù)進(jìn)行了一個(gè)比較。如何減小像素特征尺寸對(duì)于各種微顯示技術(shù)來(lái)說(shuō)都是非常有挑戰(zhàn)性的一個(gè)課題。這里選擇了在能夠?qū)崿F(xiàn)全彩顯示前提下的最小像素尺寸。對(duì)于空間彩色（如 OLED 和 MICRO LED 技術(shù)），一個(gè)完整顯示像素通常需要由 3 到 4 個(gè)子像素構(gòu)成，因此其子像素的尺寸可能小于表 2 所標(biāo)注的尺寸。而對(duì)于 LCoS技術(shù)和 DLP 技術(shù)，由于單像素就能實(shí)現(xiàn)彩色，顯示像素和物理像素可以一一對(duì)應(yīng)。在最大分辨率這個(gè)指標(biāo)上，將不考慮通過(guò)算法提升的顯示分辨率，也不考慮功耗，只考慮能夠制造出來(lái)的實(shí)際物理像素?cái)?shù)量。如 8K 的 LCoS 屏，由于價(jià)格昂貴，目前主要用于大型投影儀。又如對(duì)于 DLP 技術(shù)，可以通過(guò)抖動(dòng)算法，用 1920*1080 的屏實(shí)現(xiàn) 3840*2160 的分辨率，大于屏的物理像素分辨率。針對(duì) micro LED 技術(shù)，有單色分辨率可以達(dá)到 1080P 的產(chǎn)品,這里選擇的是目前有報(bào)道的最大全彩分辨率 960*540。對(duì)于 LBS 技術(shù)，理論上，通過(guò)足夠快的掃描算法，可以實(shí)現(xiàn)任何大小的分辨率。然而微鏡掃描速度受半導(dǎo)體器件工作速度和微鏡翻轉(zhuǎn)速度的限制，目前主要的方案主要還是 720P 和 1080P。成熟度的判斷依據(jù)主要為生產(chǎn)制造工藝是否成熟以及產(chǎn)品是否已經(jīng)得到廣泛的使用。LCoS 和 DLP 分別在 AR 眼鏡和投影領(lǐng)域應(yīng)用多年，盡管仍在改進(jìn)，都算是很成熟的技術(shù)。硅基 OLED 也在 EVF 和 VR 領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但是不論是材料還是工藝，都在改善當(dāng)中。LBS 由于可以借鑒之前的 MEMS 工藝，相對(duì)來(lái)說(shuō)制造工藝還比較成熟，主要是針對(duì) AR 應(yīng)用的改進(jìn)。而 MICRO LED 技術(shù)不論是材料、制造工藝，還是跟硅基背板的配合，都還百家爭(zhēng)論的階段，并且沒(méi)有大量應(yīng)用的產(chǎn)品，因此認(rèn)為成熟度較低。功耗數(shù)據(jù)主要來(lái)自實(shí)測(cè)、相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)和綜述文獻(xiàn)。硅基 OLED 和 microLED 的最小功耗分別來(lái)自文獻(xiàn)和文獻(xiàn)。對(duì)比度數(shù)據(jù)主要參考實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)。

▲表2：不同微顯示技術(shù)的參數(shù)對(duì)比

綜上所述，可以認(rèn)為，在 AR 領(lǐng)域，LCoS 是一個(gè)比較成熟可用的微顯示技術(shù)，其次是硅基 OLED，micro LED 技術(shù)有望后來(lái)居上。但在一些特殊的成像領(lǐng)域，如全息成像，LCoS 依舊是最佳選擇。不管哪一種微顯示技術(shù)，屏側(cè)與硅基背板部分的配合都是很重要的。將來(lái)可以通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化，對(duì)不同的屏選擇更合適的驅(qū)動(dòng)方案和架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的性能。例如通過(guò)升級(jí)使用的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)將驅(qū)動(dòng)電路和屏側(cè)集成到一顆芯片上以減小功耗，或通過(guò) CPU 側(cè)預(yù)處理視頻信號(hào)，針對(duì)性的優(yōu)化屏側(cè)的功率，都可以讓現(xiàn)在的微顯示技術(shù)更加適合可穿戴設(shè)備的需求。