摘要：硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）微顯示芯片是一種結(jié)合了CMOS芯片和液晶顯示的硅基微顯示技術(shù)，具有體積小、分辨率高和幀率高等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于便攜激光投影、AR眼鏡、車載HUD和智能制造等領(lǐng)域。介紹了LCoS微顯示芯片的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和驅(qū)動(dòng)方式，并提出了一種高分辨率、高幀率的LCoS顯示芯片設(shè)計(jì)方法，采用模擬像素驅(qū)動(dòng)、高速數(shù)據(jù)接口和時(shí)序彩色顯示方案，分辨率達(dá)到了1080 P，刷新幀率達(dá)到了360 Hz。

0引言

硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）是結(jié)合了CMOS集成電路設(shè)計(jì)工藝和液晶封裝技術(shù)的硅基微顯示技術(shù)。盡管LCoS研究開始的比較早，由于早期CMOS工藝的限制，這項(xiàng)技術(shù)一直沒有大規(guī)模應(yīng)用，分辨率也較低。但是在一些衍射光學(xué)領(lǐng)域，例如空間光調(diào)制器領(lǐng)域，一直是光鑷、光通信等應(yīng)用的核心器件。隨著CMOS工藝的發(fā)展，多層金屬工藝成為普遍選項(xiàng)，適用于制造液晶屏的頂層金屬處理工藝也得到充分的研究并取得很大的進(jìn)展，分辨率得以大幅提升，這一顯示技術(shù)在消費(fèi)類市場才得到了較多的關(guān)注。在早期，LCoS 主要用于激光投影、飛行員顯示頭盔和全息投影。隨著近年來AR技術(shù)的興起，LCoS由于其體積小、分辨率高、幀率高且安全可靠等特點(diǎn)，成為AR眼鏡的首選顯示屏之一。例如最早的AR眼鏡Google Glass，以及AR一體機(jī)眼鏡的標(biāo)桿產(chǎn)品Hololens，都采用的是LCoS微顯示技術(shù)。

圖1所示是簡要的LCoS模組生產(chǎn)流程。這里用CMOS晶圓取代了大屏工藝中的像素陣列驅(qū)動(dòng)模塊。在早期高壓LCoS模組中使用到了與TFT液晶屏類似的彩膜工藝，而現(xiàn)在的大部分LCoS模組，為了減小面積，不再使用彩膜，而是通過光源切換實(shí)現(xiàn)時(shí)序彩色。因此在LCoS模組生產(chǎn)過程中，既與傳統(tǒng)液晶屏生產(chǎn)工藝相似，又有不同的地方。如盒厚非常小，用于顯示的盒厚通常在1～2 μm。相應(yīng)的，LCoS模組指標(biāo)有與傳統(tǒng)液晶屏類似的地方，也有其獨(dú)特的地方。

圖1 晶圓級(jí)LCoS制造流程

本文第二部分將首先介紹LCoS微顯示芯片的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)；第三部分介紹LCoS屏的像素驅(qū)動(dòng)技術(shù)和包含的特色設(shè)計(jì)點(diǎn)；第四部分介紹LCoS屏的驅(qū)動(dòng)IC的設(shè)計(jì)（架構(gòu)和算法）；最后在第五部分提出一種高分辨率、高幀率、高對(duì)比度的LCoS芯片模組，分辨率為1080 P，幀率達(dá)到360 Hz，對(duì)比度可高于1500:1。

1 LCoS微顯示芯片的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 LCoS微顯示芯片的架構(gòu)

LCoS微顯示芯片從視頻源接收視頻信號(hào)，利用DAC等光電轉(zhuǎn)換電路控制液晶的雙折射光學(xué)特性，對(duì)輸入的光進(jìn)行調(diào)制。所以LCoS的芯片模組通常包括視頻接口、數(shù)據(jù)處理、光源控制和顯示這3個(gè)部分。視頻接口根據(jù)信號(hào)源來決定，目前常見的有MIPI接口、RGB接口和LVDS接口等。數(shù)據(jù)處理則根據(jù)芯片驅(qū)動(dòng)方式包含不同的模塊，可能會(huì)包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和格式轉(zhuǎn)換等模塊，下文將詳細(xì)介紹。光源控制模塊是用于控制光源的時(shí)序和亮度等。

1.2 LCoS芯片工藝結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的大屏主要是在玻璃基上制造薄膜晶體管，然后在其上制造液晶面板，具有成本低、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。然而，薄膜晶體管的體積較大、開口率低和載流子遷移率低等特點(diǎn)，使其不太適合于對(duì)幀率要求很高的AR眼鏡產(chǎn)品。LCoS微顯示技術(shù)結(jié)合了高度集成的CMOS工藝，大幅提高了像素密度，減小了體積，并實(shí)現(xiàn)了高速傳輸，很好地滿足了AR技術(shù)對(duì)高幀率的需求。

LCoS屏的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LCoS剖面結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，LCoS的下方是硅基芯片，芯片上制造了數(shù)據(jù)傳輸電路和像素控制電路，芯片頂層是分立的像素電極，像素之上是液晶取向?qū)?、液晶層、取向?qū)樱敳渴菐TO的玻璃。LCoS與傳統(tǒng)LCD屏的區(qū)別在于其像素驅(qū)動(dòng)采用了硅基CMOS集成電路，液晶盒厚小，間隔粒子摻雜在框膠中而不是散布在整個(gè)屏幕。與普通IC的區(qū)別在于，芯片頂層不做厚鈍化層保護(hù)，而是制造液晶屏用于顯示。像素上的電信號(hào)調(diào)制液晶的偏轉(zhuǎn)方向，從而調(diào)制入射光的幅度，形成圖像。

1.3 LCoS芯片關(guān)鍵技術(shù)

LCoS芯片顯示性能涉及一些關(guān)鍵技術(shù)。

（1）分辨率。分辨率指芯片橫縱方向上的像素個(gè)數(shù)，決定了顯示屏顯示的精細(xì)度。目前大屏追求更高的分辨率。對(duì)于微顯示屏來說，低分辨率容易有紗窗效應(yīng)以及顯示不夠細(xì)膩的問題。但是由于分辨率的增大通常意味著面積的增大、成本的提高和良率的降低，而LCoS芯片主要應(yīng)用于AR眼鏡等微小便攜產(chǎn)品，綜合考慮體積和成像效果，目前一般為720 P和1080P。

（2）填充因子（fillingfactor）。填充因子指的是單個(gè)像素的有效顯示面積與總面積之比，主要受像素間隙的影響。填充因子影響芯片的光效，因此越大越好。

（3）反射率。反射率指反射光能與入射光能之比。這個(gè)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)光效與功耗有較大影響，與表面處理和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)都有關(guān)。還有對(duì)比度，是指系統(tǒng)亮態(tài)與暗態(tài)的亮度比。主要影響顯示效果，與材料的選擇、工藝、電路設(shè)計(jì)和算法都相關(guān)。

（4）幀率。在AR應(yīng)用中，幀率也是非常關(guān)鍵的。幀率指屏幕每秒刷新的幀數(shù)。普通顯示屏的幀率通常為60 Hz，而AR系統(tǒng)的要求是幀率高于90Hz以保證系統(tǒng)延時(shí)和顯示效果。另外，對(duì)于時(shí)序彩色系統(tǒng)來說，幀率過低會(huì)造成圖像閃爍和色彩分離（colorbreakup）。所以提高幀率對(duì)于應(yīng)用于AR的微顯示屏來說是非常重要的。然而幀率的提高會(huì)帶來傳輸數(shù)據(jù)量的增大以及功耗的增大，使得驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)十分有挑戰(zhàn)性。

（5）功耗。對(duì)于應(yīng)用于便攜式和可穿戴產(chǎn)品的LCoS微顯示器，功耗就顯得非常重要。這里的功耗包括顯示屏的功耗和驅(qū)動(dòng)電路的功耗。如果功耗過大，會(huì)對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)的散熱造成挑戰(zhàn)，無法微小化。所以目前LCoS屏一般有針對(duì)性的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)芯片，而不采用通用芯片。通用驅(qū)動(dòng)芯片的功耗可以高達(dá)500mW，而專用芯片模組的總功耗目前都在300 mW以內(nèi)。

（6）顯示區(qū)面積。顯示區(qū)面積一般用對(duì)角線來表示。對(duì)于可穿戴產(chǎn)品來說，都希望芯片越小越好，即像素越小越好。然而，由于像素間隙主要由工藝決定而不能無限縮小，那么同樣工藝下，像素越小則填充因子越小，需要折中考慮。另外，由于像素之下是驅(qū)動(dòng)電路，因此像素面積也受到驅(qū)動(dòng)電路面積的限制。

（7）灰階精度與線性度?；译A精度有時(shí)也寫作DAC精度。灰階精度越高，則圖像的灰度越細(xì)膩。早期灰階精度主要由將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬灰階電壓的DAC精度來決定，因此有時(shí)也直接稱為DAC精度。然而，隨著電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，還可以采用算法以及模數(shù)結(jié)合的方式來提高灰階精度。這是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，由于人眼對(duì)亮度的感知并非線性的，通常需要將灰階調(diào)整到人眼的視覺線性程度，一般也稱為Gamma校正。

以上便是LCoS模組中與芯片設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵的技術(shù)。可以看出分辨率、顯示區(qū)面積、幀率和功耗這幾者需要小心折中，主要取決于具體的應(yīng)用場景。而對(duì)比度與算法和材料更加相關(guān)，越高越好。填充因子和反射率都更受工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，需要在制造工藝和制程設(shè)計(jì)上有所突破?；译A精度通常越高越好，不過由于人眼的分辨率有限，目前一般采用8 bit的灰階。

2顯示芯片的設(shè)計(jì)

上文所提到的關(guān)鍵技術(shù)中，分辨率、填充因子和灰階精度等都需要在顯示芯片的設(shè)計(jì)時(shí)考慮。分辨率和面積受像素大小的影響。像素設(shè)計(jì)是LCoS設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)。LCoS像素的驅(qū)動(dòng)方式包含模擬驅(qū)動(dòng)和數(shù)字驅(qū)動(dòng)兩種方式。其中模擬驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)的LCoS芯片具有算法相對(duì)簡單、灰階穩(wěn)定和功耗小等優(yōu)勢，然而由于需要用到穩(wěn)壓電容，難以減小像素面積，對(duì)于面積要求嚴(yán)苛的產(chǎn)品難以適用。數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)的LCoS屏具有面積小的優(yōu)點(diǎn)，然而算法復(fù)雜，邊緣場效應(yīng)也較為嚴(yán)重。另外片內(nèi)DAC的設(shè)計(jì)也需要考慮。從顯示效果來說，DAC精度當(dāng)然越高越好。然而DAC位數(shù)的增加就帶來芯片面積的增大，走線更為困難，并增加功耗。

2.1模擬驅(qū)動(dòng)的像素實(shí)現(xiàn)方式

LCoS顯示器接收到來自驅(qū)動(dòng)IC的視頻信號(hào)后，利用DAC將其轉(zhuǎn)換為不同的模擬電壓值加載到每個(gè)像素電極上來實(shí)現(xiàn)不同的灰階。圖3是模擬驅(qū)動(dòng)像素的實(shí)現(xiàn)原理。寫數(shù)據(jù)電路先將存儲(chǔ)電容充到需要的灰階電壓，而后再將電壓從存儲(chǔ)電容轉(zhuǎn)移到像素電極即液晶上。

模擬像素驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)中，有幾個(gè)要注意的地方。由于存儲(chǔ)電路直接位于像素下方，因此從面積的角度，存儲(chǔ)電容應(yīng)是越小越好。然而電容越小，穩(wěn)壓的能力越弱，漏電會(huì)造成液晶上的電壓迅速下降，圖像亮度不足，影響顯示亮度和對(duì)比度。這就需要根據(jù)電容特性和液晶寄生電阻計(jì)算出可采用的最小電容面積，保證最好的顯示穩(wěn)定性。另外，由于寄生電容的存在，灰階電壓并不能完全傳輸?shù)较袼仉姌O上，會(huì)有一定的損失，而且由于寄生耦合，像素電極接收到的電壓可能受到干擾。因此如何降低驅(qū)動(dòng)電路的寄生也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖3 模擬像素驅(qū)動(dòng)

另外，在模擬像素驅(qū)動(dòng)電路中，灰階是靠像素電極上的電壓和公共電極的壓差來實(shí)現(xiàn)的。由于液晶的材料特性，不能長時(shí)間直流驅(qū)動(dòng)而是需要交流電壓驅(qū)動(dòng)。對(duì)于早期的高壓電路，公共電極的電壓不變，像素電極上的信號(hào)高低變化產(chǎn)生兩種極性的電壓驅(qū)動(dòng)。公共電極電壓一般取電源電壓的一半。然而受工藝偏差的影響，實(shí)際需要的電壓通常會(huì)有較大的偏差。對(duì)這一VCOM電壓偏移的校正補(bǔ)償需要精細(xì)的測量和方案。為了實(shí)現(xiàn)低壓的產(chǎn)品，現(xiàn)在采用翻轉(zhuǎn)公共電極的方式來實(shí)現(xiàn)不同極性的驅(qū)動(dòng)電壓。此時(shí)如何得到一致的正反向灰階壓差就是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2數(shù)字驅(qū)動(dòng)的像素實(shí)現(xiàn)方式

由于模擬驅(qū)動(dòng)的像素需要穩(wěn)壓電容，在固有工藝條件下很難繼續(xù)微小化，為此數(shù)字驅(qū)動(dòng)的方式得到了采用。LCoS顯示器接收到來自驅(qū)動(dòng)IC的視頻信號(hào)，通過控制傳輸?shù)较袼仉姌O上的電壓的幅值和時(shí)長的不同，實(shí)現(xiàn)調(diào)制脈沖寬度來產(chǎn)生灰度。即利用液晶的平均響應(yīng)特性，采用PWM或是PCM的信號(hào)來直接驅(qū)動(dòng)像素電極，而不是某一個(gè)灰階電壓。在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，其等效的灰階電壓為

這樣，通過一個(gè)動(dòng)態(tài)的等效灰階電壓來模擬原先的靜態(tài)灰階電壓，數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式的像素拋開了對(duì)存儲(chǔ)電容的需求，對(duì)減小顯示芯片面積十分有利。像素工作原理如圖4所示。

圖4 數(shù)字像素電路驅(qū)動(dòng)

LCoS的數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)相比于模擬顯示驅(qū)動(dòng)，會(huì)需要先對(duì)圖像數(shù)據(jù)的比特位進(jìn)行分離，然后再將各比特位數(shù)據(jù)配合相應(yīng)的顯示算法輸出。此外，數(shù)字驅(qū)動(dòng)可能會(huì)由于存在液晶的延遲響應(yīng)和邊緣場效應(yīng)等因素，導(dǎo)致圖像顯示的灰階線性度和整屏一致性不夠理想等問題，所以數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)IC的數(shù)據(jù)處理模塊，會(huì)額外需要一些優(yōu)化算法消除液晶的延遲響應(yīng)和邊緣場效應(yīng)等因素對(duì)顯示效果的影響。

所以目前數(shù)字驅(qū)動(dòng)像素的LCoS芯片的一大設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于算法的設(shè)計(jì)。所采用的算法，既要滿足灰階電壓，不能給數(shù)據(jù)傳輸帶寬帶來太大壓力，又必須盡量減緩邊緣場效應(yīng)。為了減緩邊緣場效應(yīng)，目前的研究采用了多種方法，如增加數(shù)據(jù)位采用不同的排列方式，將數(shù)據(jù)分成更多的子幀等。有兩種常用的算法：一是將灰階分為時(shí)長相等的子幀，這也意味著N個(gè)灰階就需要2N - 1個(gè)子幀，每增加1位灰階都要大幅度增加存儲(chǔ)帶寬和速率；另一種算法是根據(jù)灰度值給數(shù)據(jù)加權(quán)重，這種算法的問題之一是容易出現(xiàn)灰階非線性或者說非單調(diào)性，需要很好的調(diào)整。

除了兩種不同驅(qū)動(dòng)方式的考慮，從像素本身來說，如何減小面積又不帶來過大的寄生引起信號(hào)串?dāng)_是一大難題。另外，由于LCoS芯片的特殊性，需要在頂層像素電極和驅(qū)動(dòng)電路之間加遮光層。遮光層的設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)光效產(chǎn)生一定的影響。

3 LCoS驅(qū)動(dòng)IC的設(shè)計(jì)

LCoS微顯示器驅(qū)動(dòng)IC就是用來驅(qū)動(dòng)LCoS微顯示器的，其主要功能是接收外部視頻信號(hào)，對(duì)它們進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取、變換等處理后輸入LCoS顯示器件進(jìn)行顯示。對(duì)于不同的輸入視頻信號(hào)，顯示器像素的驅(qū)動(dòng)類型、彩色化方式、分辨率、輸出接口類型、像素排布類型等，需要特定的顯示驅(qū)動(dòng)控制電路來實(shí)現(xiàn)。

LCoS的驅(qū)動(dòng)可以分為空間彩色和時(shí)序彩色兩種。對(duì)于空間彩色系統(tǒng)，顯示IC上用3個(gè)不同顏色的子像素顯示不同的顏色構(gòu)成1個(gè)彩色像素，利用人眼空間分辨力有限的視覺特性，把RGB子像素距離制作成小于人眼空間分辨距離，使人眼無法分辨出RGB 3個(gè)像素，其看到的是RGB三色光的混色。工藝上與大屏一樣會(huì)采用彩光濾色片（color filter），對(duì)系統(tǒng)光效會(huì)有損失。對(duì)于驅(qū)動(dòng)IC的要求就是按順序輸入每個(gè)像素的三色信號(hào)。時(shí)序彩色利用了時(shí)間混色的方式，時(shí)間混色是利用人眼的視覺暫留特性，將RGB三基色光按照特定的比例依次投射在屏幕的相同表面的相同位置，只要RGB三色光的交替頻率足夠高，人眼所感覺到的圖像就是由RGB三基色混合而成的顏色效果。其對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的信號(hào)要求就是分離的不同顏色的3個(gè)子幀信號(hào)。相比于空間混色法，時(shí)間混色的顯示屏每個(gè)物理像素就是1個(gè)實(shí)際的顯示像素，在同樣尺寸的顯示屏上可以做到更高的分辨率，因此廣泛應(yīng)用于LCoS微顯示屏上。

針對(duì)空間彩色系統(tǒng)，由于對(duì)數(shù)據(jù)不需要做太多的處理，對(duì)于分辨率不是太高的情況，可以將驅(qū)動(dòng)直接集成到顯示芯片當(dāng)中，直接通過MIPI或是LVDS等高速接口從視頻源接收數(shù)據(jù)，再傳輸給顯示端。

針對(duì)時(shí)序彩色系統(tǒng)，從視頻源接收到數(shù)據(jù)之后，首先會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，之后將順序的24位RGB數(shù)據(jù)分離成三幀單色的數(shù)據(jù)，再根據(jù)顯示屏的需求進(jìn)行傳輸，每次屏幕上顯示某個(gè)單色的子幀數(shù)據(jù)，以視頻源的3倍幀率刷新。有時(shí)為了提升整體亮度，也會(huì)另外增加一個(gè)白色子幀。

若是模擬驅(qū)動(dòng)像素的屏，對(duì)數(shù)據(jù)的主要需求就是分離子幀，由于數(shù)據(jù)依然有序，可以適當(dāng)?shù)夭捎脡嚎s算法減小驅(qū)動(dòng)芯片的面積并同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的顯示效果。其難點(diǎn)主要在于存儲(chǔ)帶寬、數(shù)據(jù)速率和功耗等。

若是數(shù)字驅(qū)動(dòng)像素的顯示屏，為了降低數(shù)據(jù)速率，不但需要將數(shù)據(jù)分離為單色子幀，還需要加入排序算法和查找表，對(duì)數(shù)據(jù)權(quán)重和灰階進(jìn)行配置。數(shù)字IC的邏輯復(fù)雜程度大幅增加。然而，由于多了時(shí)間上的自由度，對(duì)灰階的控制方式也增加了，能夠在面積不變的條件下提高顯示精度。

4高分辨率、高幀率的LCoS模組的設(shè)計(jì)

本文提出一種基于模擬驅(qū)動(dòng)像素顯示屏和時(shí)序彩色的LCoS模組。由于是針對(duì)HMD產(chǎn)品，所以對(duì)芯片尺寸要求沒有那么嚴(yán)苛，像素驅(qū)動(dòng)采用了模擬驅(qū)動(dòng)的方式。為了降低芯片工作電壓，顯示芯片的設(shè)計(jì)采用翻轉(zhuǎn)VCOM而不是翻轉(zhuǎn)信號(hào)電壓的方法，使得芯片可以采用CMOS工藝的標(biāo)準(zhǔn)5 V工藝，有效降低了功耗。為了提高芯片的對(duì)比度和亮度，在顯示芯片把寫數(shù)據(jù)和顯示分開進(jìn)行，顯示某一幀的同時(shí)就在寫下一幀的數(shù)據(jù)，有效延長了顯示時(shí)間。另外，為了減小芯片的面積和簡化后道工藝，系統(tǒng)采用了時(shí)序彩色的方式。

顯示芯片采用了0.18 μm的CMOS工藝，像素大小為6×6 μm，分辨率為1920×1080，顯示區(qū)對(duì)角線為0.52 in，幀率360 Hz，功耗150 mW。芯片實(shí)物如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)的LCoS顯示芯片

在進(jìn)行顯示芯片的設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)做了重點(diǎn)處理，一個(gè)是像素的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是DAC的設(shè)計(jì)。

在像素設(shè)計(jì)方面，首先，由于采用了幀翻轉(zhuǎn)架構(gòu)，那么電容上的電壓其實(shí)是對(duì)應(yīng)兩種VCOM的兩種灰階值，寫數(shù)據(jù)之前就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)極性的灰階電壓值。另外，如使用傳統(tǒng)的1個(gè)MOS管加1個(gè)電容的像素電路，則肯定是在同一幀內(nèi)完成數(shù)據(jù)寫入和點(diǎn)亮，無法達(dá)到前文所述的點(diǎn)亮當(dāng)前幀的同時(shí)寫入下一幀的數(shù)據(jù)以提高系統(tǒng)亮度。為了達(dá)到上述目標(biāo)，需要在像素中集成兩個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。本文選擇了第二種方案。這種設(shè)計(jì)解決了光源點(diǎn)亮?xí)r間不足造成的亮度低和對(duì)比度差的問題，并消除了DC偏移，為系統(tǒng)調(diào)試提供了更多的自由度。

對(duì)于DAC電路，實(shí)際要實(shí)現(xiàn)的Gamma電壓曲線不是線性的，為了更好地采用分壓電阻擬合，首先將Gamma曲線分成16段，實(shí)現(xiàn)高位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，之后將每兩個(gè)電壓之間再去16段，實(shí)現(xiàn)低位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。這樣將DAC分成了兩級(jí)，降低了對(duì)單個(gè)DAC的精度容差要求。另外，由于DAC要驅(qū)動(dòng)的是整行像素，負(fù)載非常大，在DAC之后需要有增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的Buffer。在設(shè)計(jì)過程中，首先要保證Buffer的驅(qū)動(dòng)能力，要能夠精確地將電壓傳輸?shù)较袼厣?。第二，由于這個(gè)Buffer具有很大的驅(qū)動(dòng)能力，如果每個(gè)灰階電壓都對(duì)應(yīng)1個(gè)Buffer的話，電路的功耗和面積都無法承受，因此需要通過開關(guān)切換來共用Buffer。這就引起了一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻網(wǎng)絡(luò)和切換時(shí)序的問題。不同的灰階電壓之間的跳轉(zhuǎn)帶來的傳輸誤差也不同，需要精心設(shè)計(jì)DAC的電阻網(wǎng)絡(luò)。而開關(guān)切換的先后順序可能引起額外的串?dāng)_，也需要優(yōu)化。

驅(qū)動(dòng)芯片采用了MIPI和RGB接口兼容的方式，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，再傳輸?shù)斤@示芯片。驅(qū)動(dòng)芯片需要實(shí)現(xiàn)的基本功能為，將輸入頻率為60 Hz的空間彩色格式的RGB888 數(shù)據(jù)源或者M(jìn)IPI格式的數(shù)據(jù)源，變成頻率為360 Hz或者180 Hz的時(shí)序彩色的RGB888 格式輸出。采用了流水線操作和門控時(shí)鐘等技術(shù)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，并通過數(shù)據(jù)壓縮算法，減小了1/3的芯片面積。幀率可以達(dá)到360 Hz。

圖6 兩種同時(shí)寫數(shù)據(jù)和點(diǎn)亮的像素方案

設(shè)計(jì)時(shí)為了達(dá)到最好的顯示效果，并兼容不同的液晶選型，對(duì)視頻數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行了可配置的設(shè)計(jì)，可以支持不同響應(yīng)時(shí)間的液晶材料。然而對(duì)于響應(yīng)過于緩慢的液晶，顯示亮度和色彩飽和度都容易受到影響。

在成品模組中選擇了響應(yīng)時(shí)間2～3 ms的VA液晶材料。為了提高對(duì)比度，設(shè)計(jì)時(shí)也對(duì)液晶盒子進(jìn)行了仿真。需要將盒厚與預(yù)傾角對(duì)亮度和對(duì)比度的影響進(jìn)行折中，如圖7所示。測試結(jié)果顯示，反射率為60%，對(duì)比度在1500:1左右。達(dá)到了較好的顯示效果，如圖8所示。

為了直觀地展現(xiàn)顯示效果，選擇了市場上的一款光機(jī)做眼鏡，顯示效果如圖9 所示。

可以看到，通過系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)顯示芯片、驅(qū)動(dòng)芯片和液晶盒子，可以用較小的功耗達(dá)到良好的色彩飽和度、對(duì)比度和顯示清晰度，圖中的彩色條紋是由于時(shí)序彩色驅(qū)動(dòng)下，顯示屏與拍攝相機(jī)之間的不同步造成。

5結(jié)論

隨著AR市場的爆發(fā)，對(duì)LCoS微顯示芯片的需求得到了快速增長。本文系統(tǒng)地介紹了LCoS的工藝、關(guān)鍵技術(shù)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合CMOS設(shè)計(jì)、屏的設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)提出了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)并量產(chǎn)的LCoS模組。其中LCoS顯示屏的對(duì)角線尺寸為0.52 in，分辨率為1920×1080 P，整個(gè)系統(tǒng)功耗為300 mW，對(duì)比度達(dá)到1500:1，反射率達(dá)到60%，很好地滿足了HMD對(duì)微顯示芯片的需求。對(duì)于新型的光波導(dǎo)顯示，由于對(duì)尺寸和對(duì)比度的要求更高，將基于目前的工作成果，開展下一步的研究工作。

圖7 反射率與電壓（掃描不同盒厚）

圖8 對(duì)比度仿真結(jié)果圖

圖9 帶光機(jī)的顯示效果

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