LCOS微显示技术

第24卷第4期 2009年8月 液晶与显示 ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays V01．24，No．4 Aug．，2009 文章编号：1007—2780(2009)04—0471—07 LCOS微显示技术 代永平 (南开大学光电子薄膜器件与技术研究所；天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室I 光电信息技术科学教育部重点实验室(南开大学)，天津300071，E-mail：daiyp@nankai．edu．on) 摘要：硅上液晶(LCOS)显示技术是一种反射式液晶显示技术，其周边驱动器和有源像素 矩阵使用CMOS技术制作在单晶硅上，并以该晶片为基底封装液晶盒，因而拥有了小尺寸和 高显示分辨率的双重特性。文章介绍了LCOS显示器的原理、制造技术和应用领域，对其发 展前景进行了展望。 关键词：LCOS屏；反射式；微投影；光机 中图分类号：0753．2；TN27文献标识码：A 1 引 言 20世纪90年代初，a-SiTFT-LCD产业开始 形成规模，并逐渐在平板显示市场占据了统治地 位。但a-SiTFT由于载流子迁移率低，不适合与 周边电路集成一体化，在小尺寸、低功耗、高分辨 率显示方面受到制约。当该项技术由a-Si玻璃 基板转移到单晶硅片上以后，发展成为硅上液晶 (LiquidCrystalonSilicon，LCOS)显示技术。 LCOS是LCD与CMOS集成电路有机结合 的反射型显示技术。利用LCOS技术开发的显 示屏，其显示芯片对角线尺寸通常不超过25，4 mm(1in)，像素尺寸在10I￡m量级，因此，LCOS 显示屏都需要配备放大图像的光学系统，用来制 造各种近眼显示器和投影系统。LCOS可利用常 规的CMOS技术批量生产，技术成熟，其优点是 功耗低、分辨率高、器件尺寸小，在个人便携显示 应用方面有很大优势，特别是其功耗远低于许多 有源矩阵液晶显示器，而生产成本可与阴极射线 管相比拟[1{]，有望成为大屏幕高分辨率低成本投 影显示技术的新主流。 2 LCOS产品应用 2．I应用产品分类 从AuroraSystems公司于2000年开始推出 首批LCOS技术成型产品算起，经过近10年的 收稿日期：2009—04—12；修订日期：2009—05-30 发展，LCOS技术现在已经进入了一个相对成熟 时期，市场上可见的显示产品分为3类： (1)高清大屏幕投影机 主要面向1．5m(60in)以上的投影产品市 场，现已开发出应用于大型数字高清影院的超高 分辨率(3840×2048)LCOS显示芯片，并成为高 端影院投影机产品采用的主要技术。LCOS核心 芯片及系统产品主要由佳能、索尼、JVC、先锋、 LG等数家企业制造，LCOS大屏幕投影机原理如 图1所示。 图l LCOS大屏幕投影机原理示意图 Fig．1SchematicdiagramofLCOSlargescreenproiector (2)便携式微型投影机 从最初的超便携式投影机到最近的El袋式投 影机，便携式微型投影机的终极目标是使投影模 块可以集成到手持移动设备中，如手机、多媒体播 万方数据 472 液 晶 与 显 示 第24卷 放器、数码相机和数码摄像机等。相关微投影用 LCOS核心芯片及系统产品主要由台湾奇美电 子、Displaytech、3M、深圳力伟数码等数家企业制 造，图2展示了可以藏于指间的微型投影机。 图2微型投影机模块 Fig．2Moduleofmicro-proiector (3)近眼显示器 近眼显示器亦称为头戴显示器(HMD)，以眼 镜形式佩戴或安置在头盔和面罩上面，接近使用 者的眼睛，提供大于显示器物理尺寸的虚像。显 示器的物理尺寸一般只有25．4ram(1in)，放置 在眼前，通过光学组件可以成像到3m(120in)以 上，且在放大图像的同时可以保证图像具有足够 的清晰度及不产生像差。近眼显示器不仅具有较 大的可视区域，而且成本低、功耗小，在利用相同 电池的条件下工作时间也较长。相关近眼显示用 显示控制器 (FPGA ＆ RAg LCOS核心芯片及系统产品主要由台湾奇美电 子、Displaytech、3M、Coppin等数家企业制造。 图3展示的是深圳力伟数码公司出品的LCOS眼 镜式显示器。 图3近眼微型显示器 Fig．3Near-to-eyemierodisplay 2．2 LCOS显示系统结构特征 以LCOS显示器为核心构成的显示系统，无论 是大屏幕投影显示系统，还是近眼虚拟微型显示 器，其系统结构都可划分为4个部分：麟屏(包 括I．COS显示芯片)、显示控制器、光学系统和光 源[I]。后3个部分为麟屏的伺服结构，其中显 示控制器把需要显示的数字式或模拟式信号转换 成与螂芯片显示模式相匹配的数字信号；光源 根据具体彩色方式，提供全色光或红绿蓝三基色时 序脉冲光；光学系统则产生相应的实像或虚像。 时序光源 憎羞， 图4 LCOS成像系统结构示意图 Fig．4SchematicofLCOSimagingsystem 3 LCOS屏的制造技术 LCOS屏是半导体大规模集成电路技术和液 晶显示技术相结合的高新技术产品，可采用成熟 的CMOS制造工艺和液晶屏制造工艺进行生产， 无需额外增加投资生产线。LCOS硅基晶圆的制 备与集成电路的制造工艺几乎完全相同，并可随 着现有集成电路工艺的精细化发展而同步提高其 分辨率；而液晶屏制造则仅需清洗、取向、成盒、灌 注及模块化等几个工序即可。 万方数据 第4期 代永平，等：LCOS微显示技术 4'／3 3．1 LCOS硅基晶圆制备 这个阶段属于CMOS集成电路制备过程，即 把各种视频信号处理电路，包括扫描驱动、时钟电 路、存储器等周边驱动电路和寻址开关矩阵制造 在同一块硅芯片上。但LCOS芯片仍有别于普 通集成电路芯片，实际上需要具备良好的光学特 性，故在工艺后期增加了特别的CMP整平工艺 和顶层金属镜面化等工艺，并且减少了传统IC制 备需要进行的钝化层生长与刻蚀等工艺Es-?]。 3．2ITO导电玻璃的制备 通常采用0．7mm或1．1mm厚度的浮法玻 璃基板，采用溅射工艺在玻璃基板上沉积一层 ITO透明导电薄膜，导电玻璃的方块电阻随ITO 薄膜厚度的增加而减小，但光透过率也随薄膜厚 度的增加而下降。 3．3 LCOS封盒工序 LCOS封盒工艺主要分为前后两部分：晶圆 级制盒工艺段和芯片级制屏工艺段，其主要工艺 如图5所示。 口匦四匡亘鄄 【清洗下董板LCOS蠡■j(清冼上盖板ITO礁璃j [两取；层藉口Q覆取矗材t][两取盂层藉基][兰覆取裔层材t] f宴奠取：话]口h：王口 凶i上知司[受茹腔_ i孟：藏面 S警[j洗蕞量[] [至旬【 苎苎苎堕! J 童[i唾(]，————一‘。———、 厅磊i赤磊习’--．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．√ 图5 LCOS屏制盒工艺流程图示意 Fig．5Flowchart／orLCOS-cellprocess 在制盒工艺阶段，LCOS硅基晶圆和ITO玻 璃基板首先都要经过清洗、涂覆液晶取向剂及实 施取向等工艺；接下来密封胶圈既可以布局在 LCOS硅基晶圆上，也可以涂覆在ITO玻璃基板 上；然后使用专制的贴合压力机按照对准标志将 ITO玻璃基板与LCOS硅基晶圆粘合，接着利用 真空设备向液晶盒内灌注液晶材料，最后封堵灌 注口。 3．4显示屏集成技术 LCOS显示屏的封装主要有以下几步工艺流 程：首先固置LCOS液晶屏，然后完成与IT0公 共电极、LCOS芯片上焊盘电极的电学连接，最后 嵌套保护框架等机械组件。图6是所研制的 LCOS微型显示器的结构示意图，图7是相关的 实物照片H]。 图6 LC0s微型显示器结构示意图 Fig．6StructureofLCOSmicrodisplay 图7 LCOS微型显示器照片 Fig．7PhotographofLCOSmicrodisplay 4 LCOS显示芯片技术 4．1视频信号接收模式 通常LCOS显示芯片的类别按照输入的视 频信号模式不同区分为两类：模拟式芯片和数字 式芯片。图8示意了一款笔者研制的数字式 LCOS芯片的电路结构功能图[8]，芯片电路可划 分为行扫描驱动器、列数据驱动器和显示像素矩 阵(有源NMOS矩阵)。为了降低芯片工作频率， 不仅把列数据驱动器分为电学结构完全一致的上 下两组，分别驱动奇偶数据线，而且采用多组数据 n¨二=I II㈡叫—_二¨¨儿，¨“v～日U日门¨二===¨¨H¨¨¨¨¨¨¨¨=_，，¨UV， 晶圈级翻童工艺藏程r、、 一 芯片缀翻屏工艺藏程r、。 万方数据 474 液 晶 与 显 示 第24卷 输入方式。另外，这种电路结构可以使芯片面积 最小‘4‘。 4．2像素矩阵单元结构 组成LCOS显示像素矩阵的基本单元电路 主要有DRAM和SRAM两种结构。如图9所示 的DRAM像素单元电路中设置了存储电容，因 此可以直接接受列数据线送来的模拟视频信号， 使得每种基色能产生6～8位的灰度等级，这样便 显示出非常好的色饱和度。 在如图10所示的SRAM结构中每个像元有 由多个晶体管组成的静态锁存器，这样可以把数 据存储在像元的位置，通过用数字信号控制显示， 320x4位数据驱动器 时钟&Vh一[二夏塑耍耍互二]：4x4数字j=ll匡Z三三三三茎茎三三三三三圣三三茎： 视频输入 ：厂丽iilF——]丽勇牙丌： 写出信号——÷I!Q!堡塑!堕 熊壹墨! l： ：[]夏堑匦亟亚[二]： 参考电压——÷I !垫里垒兰 I： ，一一．一一一一．一一．● 奇●数●线+● 稚 督 爵 擐 皿 一 时 4x4数字．：b墼型堂——堕醴叫：视频输入|}三三三三兰三兰茎茎茎三三三三：时钟&Vh—I 80节移位寄存器 l： ：．一一誓9x4_停整拳矍动誉一一一一一： 图8数字式LCOS芯片电路结构 Fig．8CircuitstructureofthedigitalLCOSchip 列数据线 心 裴 墓 墓 斑 出 脚 I皤 蛙 图9 LCOS芯片的DRAM像素及工作原理 Fig．9DRAMpixelforLCA)Schipandoperationprinciple 出 脚 _< 舞 出 脚 晕 脚 蜡 燃 图10LCoS芯片的SRAM像素及工作原理 Fig．10SRAMpixelforLCOSchipandoperationprinciple 每个像数或是反射光线或是不反射光线，也称双 态式，即像素仅工作在开态或关态，无灰度变化 (类似STN中的帧频控制法则)，灰度显示通过时 分技术(TDM)获得。 4．3芯片技术 LCOS芯片是一块复杂的数模混合电路芯 片，这类电路的复杂性不仅要求同一条生产线能 同时兼容数字和模拟IC的生产工艺[8]，更重要的 是针对市场需要如何准确、快速地设计出LCOS 显示芯片。对于前者有一定规模的现代半导体加 工工厂都能相对容易地实现，而后者很大程度上 决定于所采用的EDA设计平台。 笔者使用具备全定制设计功能的Cadence EDA设计工具，按照“自顶向下”设计I。COS芯片 的版图。首先确定LCOS芯片的功能、性能、允 许的芯片面积和成本等，接着进行结构设计，分化 出尽可能简单的子系统，然后把各子系统间的逻 辑关系转换成电路图，进行电路逻辑设计和电路 仿真，采用全定制方法研制LCOS芯片的基本单 元库，最后按照半定制设计流程综合出整个 LCOS芯片版图。 5 光机技术 LCOS显示系统光机结构分为三片式和单片 式结构。如图11所示，LCOS投影显示系统的三 片式结构从整体上分为RGB三条光路口]，光源所 发出的光束经过照明聚光系统的均匀化并起偏后 形成入射偏振光，每一偏振基色光照射到与自己 颜色相对应的LCoS显示芯片上，再通过LCOS 显示芯片的调制反射和合色棱镜的光束合成后， 通过投影镜头将图像投射到屏幕上。三片式通常 用于具备足够安装空间的大屏幕投影系统。 附时 万方数据 第4期 代永平，等：LCOS微显示技术 475 图11三片式LCOS光引擎 Fig．11 Opticenginefor3-LCOS-panel 图12是单片式LCOS投影显示系统结构示 意图[1⋯，其最大的优点在于仅需要一块LCOS显 示芯片。在图12(a)所示意的单片式大屏幕投影 光机中，通过色轮快速旋转切换方式将光源产生 的白光形成循序的红、蓝、绿三基色时序光，并将 三基色时序光与显示芯片产生的红、蓝、绿时序画 面同步形成分色影像，再借助人眼视觉特性，最后 在人脑产生彩色的投影画面。由于色轮为微型电 机作动力的机械装置，该方法通常用于具备足够 安装空间的大屏幕投影系统。 (a)单片式大屏幕投影光机 (b)微投影光机 图12 单片式LCOS光机 Fig．12 Opticengineforsingle-LCOS-panel 在微型投影机中由于整机空间有限，一般采 用单片式投影光机结构，光源也采用空间占用尺 寸较小的LED光源，即通过控制三基色LED产 生红、蓝、绿三基色时序光，其效果等同色轮的作 用；或者如图12(b)所示，采用LED白光光源与 由三基色滤光片覆盖的LCOS屏组合实现彩色 显示。 6 光源技术 目前在LCOS大屏幕投影显示产品中普遍 使用的UHP光源，不仅光效高(65～70lm／W)， 在一定的功率下可产生很大的光通量，而且UHP 光源的发光弧很短，光学扩展量较小。但UHP 光源存在光源寿命短、发热高、发紫外光等问题。 近年发展起来的LED光源尽管单管功率小，但具 有体积小、寿命长、色彩饱和度高、响应时间极短 等优势，随着大功率LED的出现，现已在微型投 影系统中得到广泛应用。 7 显示控制接口电路技术 LCOS显示控制电路的主要作用是把视频／ 图像数字信号转换成LCOS显示器能显示的数 据格式。因为LCOS显示器与其它平板显示器 一样，仅支持逐行扫描格式的数据输入，且分辨率 也是固定不变。因此，必须将不同扫描格式的图 像数据经过转换电路对画面像素数目进行变换， 使之与LCOS显示器显示规格相适合。笔者设 计的与数字式LCOS显示器相匹配的显示控制 器结构如图13所示。 图中视频解码器可采用PHILIPS的SAA． 7111A或SAMSUNG的KS0127。这两种解码 器都能自动识别输入视频信号的制式，然后解码 输出24bitRGB或16bitYUV数字信号，同时 输出Hsync、Vsync、Blank及采样时钟。对于 VGA信号，可以采用Motorola的MC44251等芯 片进行视频信号的A／D变换。然后由FPGA对 该8位数字信号进行采样，产生LCOS显示器需 要的时序彩色VGA信号。 CVBS VCA—- s-video 同步信号 时钟信号 显爪数据 扫描信号 图13FPGA作显示控制器的框图 Fig．13 Blockdrawingofthedisplaycontrollerwith FPGA 本文采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)构 造逻辑作为LCOS显示控制器。由于能通过对 FPGA进行逻辑编程实现液晶显示控制器的功 能[1¨，可以根据不同的液晶材料提供相应的 gamma校正，根据不同的显示模式供给相应的多 相时钟信号，以及提供足够功率的驱动信号等，而 不需要额外硬件资源[10。。 万方数据 476 液 晶 与 显 示 第24卷 8 LCOS技术在中国的现状和未来 发展趋势 LCOS显示屏是硅平面技术与平板显示技术 发展到相对成熟阶段结合而诞生，因而具有了 VLSI技术的全部设计特征。LCOS的发展业者 集中在美英两地的Fabless公司，包括Three- Five、Aurora(原S-Vision)、MicroPix、Microdis— play、Kopin、Displaytech、SpatiaLight等。 近年来，我国在LCOS投影机光学引擎、光 源、整机设计及LCOS芯片设计、液晶板制造方 面均有研发，除了大学和研究所外，还吸引了很多 企业参与，一些技术已经达到或接近产业化水平。 实际上，我国在LCOS投影产业方面已拥有众多 有利因素。首先，实现LCOS投影所必需的大部 分关键技术已经本土化，这包括光学引擎、光源、 参 考 文 献： 投影屏幕等关键部件已能在上海、北京、深圳等公 司批量生产。其次，国内公开资料指出，我国家电 行业的龙头企业如长虹、康佳和创维等已将 LCOS投影电视作为重点产业化发展对象，而且 杭州、南昌等地与光电子相关的研究所和公司已 建立了LCOS显示器的后加工和光学零部件生 产线。这说明我国已形成LCOS发展的环境 需求。 我国在向LCOS技术领域进军中，并没有停 留在低技术含量的系统组装范畴，以南开大学等 一批高等院校、科研机构为先驱，在不同资金渠道 的支持下，率先对具有中国自主知识产权(IP)的 LCOS显示芯片[83展开了研发。可以预见，在中 国，以LCOS技术为核心的新型显示产业即将 兴起。 [1]张斌，龚光磊，葛晨阳，等．基于LCoS微显示屏的眼镜电视EJ]．液晶与显示，2008，23(6)：700—703． [2]安凯。张文，冯亚云，等．基于LCoS投影显示的一种新型偏光转换装置EJ]．液晶与显示，2007，22(1)：51—53． [3]邹静燕，金笑丛，袁旦，等．基于单片LCoS四基色时序彩色显示的模拟口]．液晶与显示，2007，22(1)：55—58． [4]代永平，孙钟林，王隆望．彩色硅基液晶显示芯片的研制[J]．液晶与显示，2001，16(4)：299—305． [5]王文博，王晓慧，黄苒，等．I。COS微显示驱动芯片表面形貌研究与改进[J]．液晶与显示，2008，23(5)：629—612． [6]MichaelStefanov．ManufacturingLCOSmicrodisplays[J]．InSormationDisplay，2000，16(7)：24—26． [7]HuangHC。WongYT，NguyenCT，eta1．Planarizationofliquid-crystal—on-siliconprojectiondisplaywithmulti— levelmetallizationandchemical—mechanicalpolishing[J]．SID’96Digest。1996，27(19)：685—688。 [8]Daiyongping，Liuyanyan，Gengweidong，eta1．Developmentofan8-bitVGALCOSmicrodisplaywithFSCmodes usingalow-costprocess[J]．J．SocietyforhformationDisplay，2006，14(3)：14—17． [9]MeuretYouri，DeVisscherePatrick．Opticalenginesforhigh—performanceliquidcrystalonsiliconprojectionsys— terns[J]．Opt．Eng．，2003，42(12)：355卜3556． [103noblerM，LuederE，LanerHU，eta1．Animprovedframe—sequentialcolorprojectionwithmodifiedCdSe-TFTS [C]／／sID1991Digest，California，USA：SID，427—429． [11]施保华，金晓波，越广州，等．用FPGA构成液晶显示控制器[J]．电子产品世界，2001，17(5)：17—19． 万方数据 第4期 代永平，等：LCOS微显示技术477 TechnologyforLCOSMicrodisplay DAIYong—ping (InstituteofPhoto-ElectronicsThinFilmDevicesandTechniqueofNankaiUniversityI KeyLaboratoryofPhoto-ElectronicsThinFilmDevicesandTechniqueofTianjiini KeyLaboratoryofPhoto-ElectronicInformationScienceandTechnology(NankaiUniversity)，MinistryofEducation’ Tianjin300071，China，E-mail：daiypl@nankai．edu．cn) Abstract Liquid—Crystal—on-Silicon(LCOS)microdisplayisa sortofdisplaythatoperatesinareflective mode．Anditsperimeter—driverandactive-pixel—matrixisfabricatedona siliconchip,whichactsas substrateoftheliquid—crystal—gap，usingCMOStechnology．Soithasbothsmallsizeinvolumeand highresolutionfordisplay．Inthispaper，thefabricationandapplicationforLCOSdisplayarede— scribedindetail，andrealstatusforLCOStechnologyareshown． Keywords：liquid—crystal—displaypanel；reflective；micro～projector；optic—engine 作者简介：代永平(1968一)，男，云南昆明人，博士，副教授，主要从事LCOS、SoC芯片技术研究与开发。 ’，’，’''’I’，'’’，，’’'，，’I’'’''’，-，’’’’''’'’，，●'，，’’，●'，’’’’，，’’’’’'’’’''，'，'●’’'●’’'''’’，●’’’’’’ 2008年物理学类期刊影响因子排序(前10名) 序号 期刊名称 影响因子 1 CHINPHYS 1．960 物理学报 光谱学与光谱分析 液晶与显示 红外与毫米波学报 光子学报 光学学报 声学学报 应用光学 1．566 1．162 1．156 1．117 1．092 0．922 0．807 0．803 10 AdvancesinAtmosphericSciences0．674 在“中国科技期刊引证报告”统计的1765种期刊中，《液晶与显示》期刊的影响因子在总排序中 为91。 摘自“中国科技期刊引证报告(核心版)”2008年版 2 3 4 5 6 7 8 9 万方数据 LCOS微显示技术 作者： 代永平， DAI Yong-ping 作者单位： 光电信息技术科学教育部重点实验室,南开大学,天津,300071;南开大学,光电子薄膜器件与 技术研究所,天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室 刊名： 液晶与显示 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF LIQUID CRYSTALS AND DISPLAYS 年，卷(期)： 2009,24(4) 被引用次数： 5次 参考文献(11条) 1.Meuret Youri;De Visschere Patrick Optical 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