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FLCoS微显示器及视频眼镜(video glasses)技术
2008/9/22 9:07:22    产通学院,365PR

随着半导体集成电路技术的发展,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。微显示器(Microdisplay)的出现,极大地减小了显示器件本身的尺寸,也为工业产品的设计者们一个机会,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。因为在许多情况下,显示器越小,整机越便宜。因此,使用微显示器不仅会使系统价格下降,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. 微显示器特点


微显示器实际上就是把显示图像或视频的全部像素集成到单片集成电路模块上。该模块分为两大类:一类用于投影显示系统,一类用于虚拟显示系统。到目前为止,用于投影显示的微显示器数量上只占很小的比例。

市面上,我们看到的拥有时尚外观的视频眼镜产品采用的是虚拟大屏幕成像技术,将来自便携式设备的视频信号快速生成由红、绿和蓝(RGB)图像组成的高帧速率序列,然后由人眼合成为完整的彩色图像,这些图像出现在观察器的内部,观看者在观察器内部某处可看到与实物显示屏相同的虚像,但看起来非常之大,好象身临其境地观看超大屏幕电视一样。

与普通显示器不同,微显示器可提供高得多的分辨率。多数显示器的全彩色分辨率只有80-100行/吋,而许多微显示器提供的彩色分辨率可达1000行/吋或者更高。

从已有微显示器芯片的生产过程看,许多微显示器采用了混合工艺。这种工艺首先利用现有的大规模集成电路的生产线制造CMOS硅基片,然后在硅基片的另一面生成包含光调制器或光发射层的上层结构。比如,上层结构层由液晶材料组成时,就可以在具有规模生产能力的LCD工厂中完成微显示器生产的最后工序。

通过成熟的工业流程来生产新型显示器件导致将CMOS矩阵用作显示器的控制矩阵。这种作法可以为芯片增加各种复杂的新功能,从而为灵巧型显示器的诞生铺平道路。第二,生产商在充分利用原有厂房和设备的情况下进入显示器的生产领域。这种模式降低了微显示器的生产投资,加速了产品上市的时间。这就是大批从未生产过显示器产品的高科技企业迅速成为显示器领域新秀的原因。


2. LCOS微显示器


LCoS(Liquid Crystal on Silicon)是将半导体与LCD技术相结合的反射式液晶投影新技术,最大特色在于基底的材质是单晶硅,因此拥有良好的电子移动率,而且单晶硅可形成较细的线路,是比较容易实现高解析度的投影结构,反射式成像也不会因光线穿透面板而大幅降低光利用率,因此光效率提升。

LCOS微显示器利用外部光源,当光从微显示器表面反射时被调制。LCOS器件的有源控制电路采用CMOS工艺,然后生成液晶层作为反射器,LCOS微显示器可以利用约85%的表面积来反射光,光栅利用系数比较高。对反射光的调制由加到液晶的电压来控制。

由于继承了LCD技术的优点,同时也克服了LCD的不足之处,所以LCoS拥有诸多LCD所不具备的优点,在理论上具有产品结构简单,低成本等优势,基于LCOS器件的显示技术是最近关注的重点之一。


3. FLCoS高清晰微显示技术


在LCoS技术的基础上,Displaytech公司开发出了铁电版LCoS(Ferroelectric LCoS)微显示器,能够利用高量产的互连和封装技术实现小外形尺寸、低功耗和低成本。与传统的向列液晶的开关时间在10ms范围相比,FLCoS微型显示器的开关时间小于100us,这是它与其它微型显示器的差异所在。快速的开关速度使人们能够在CMOS硅裸片的表面上覆盖一层FLC以生成全彩显示。CMOS电路与标准的视频输入接口,并利用CMOS工艺在金属的顶层实现点阵式反射镜面。

根据由CMOS电路施加在点阵金属上的电压,FLC材料与通过该材料的光线相互作用,要么旋转极化光,要么不旋转极化光。FLCoS微型显示器利用FLC的快速来生成由红、绿和蓝(RGB)图像组成的高帧速率序列,然后,由人眼合成为完整的彩色图像。因为FLCoS微型显示器采用的是CMOS工艺,所以,它可以采用大量的互连和封装技术来制造,而这跟小尺寸、低功耗及消费定价模型是一致的。

FLCoS微显示器特别适合于高清晰个人显示产品,包括眼镜显示器和超小型全彩色投影仪。过去6年中,Displaytech公司交付使用的FLCoS微型显示器超过了1400万套。

由于受FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)专利的限制,FLCoS微显示方案由美国Displaytech公司独家提供,主要生产商有Oculon Optoelectronic公司、深圳市亿特联合显示技术有限公司、深圳力伟等公司。

目前,FLCoS微显示器正被用于其它“眼镜”类显示应用中。在双目眼镜应用中,照明光源是受集成在显示面板中的电子电路控制的三色LED。LED光源与FLCoS微型显示器相结合,足以为眼镜应用提供光线。

对于眼镜显示来说,一项绝对的要求是利用单一面板生成全彩显示。只有具有非常快速开关速度的FLCoS面板能够产生顺序彩色显示所需要的非常高的帧速率。彩色三色面板的微小孔径使你在近眼显示器中看到的图像就像通过纱窗看一样。FLCoS反射型显示器利用顺序彩色来在每一个像素大于90%的孔径上创建想要的色彩,从而产生类似全息的图像。
 
当选择显示器的时候,还要考虑由显示器提供的色域,眼镜显示器利用产生非常有限的色域的彩色滤光片来形成它们的彩色三色。FLCoS面板利用生成较宽彩色域的三色LED,产生更接近生活的色彩。

利用FLCoS微显示器,设计成功的近眼显示器所面对的复杂特性被已经被简化了。FLCoS在单一微型显示器上提供了高品质全彩显示,不需要彩色染料。因为它们的外形小且功能强,这样的微型显示器具有足够的灵活性,从而有助于工程师设计一种有吸引力的眼镜显示应用。

采用专利性FLCoS技术,Displaytech公司开发出了LightView VGA、WVGA和SVGA(LV-VGA, LV-WVGA, LV-SVGA)微显器件,它们结合了Displaytech公司专有的铁电材料和超大型集成电路(VLSI)半导体,能提供快速转换速度和一流的光学质量,以实现没有运动拖延的全彩视频质量。

其中,LV-VGA具有640×480的全彩象素和9.2mm的有效显示区域对角线,LV-WVGA的分辨率为852×480,有效显示区域对角线为11.25mm,而LV-SVGA的分辨率则为800×600,有效显示区域对角线为11.5mm。这三种微型显示器都集成了温度补偿功能,能支持消费电子各种温度范围,而且功耗也很低,一般只有100mw甚至更低,帧率为60Hz,具有可调节的亮度和Gamma设置。

LightView微型显示器件的一流画质主要要归功于其全数字象素结构。每款LightView微型显示器还具有一个可编程色彩矩阵处理器和可调节彩色场持续时间。

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