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      高分辨率高幀率硅基液晶(LCoS)顯示芯片與驅動

      2020-10-22 08:54

      本文內容轉載自《微納電子與智能制造》2020年6月,版權歸《微納電子與智能制造》編輯部所有。


      陳弈星,夏軍,孫偉鋒,時龍興

      東南大學,南京芯視元電子有限公司


      摘要:硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)微顯示芯片是一種結合了CMOS芯片和液晶顯示的硅基微顯示技術,具有體積小、分辨率高和幀率高等特點,可以廣泛應用于便攜激光投影、AR眼鏡、車載HUD和智能制造等領域。介紹了LCoS微顯示芯片的結構、關鍵技術和驅動方式,并提出了一種高分辨率、高幀率的LCoS顯示芯片設計方法,采用模擬像素驅動、高速數據接口和時序彩色顯示方案,分辨率達到了1080 P,刷新幀率達到了360 Hz。


      關鍵詞:LCoS;CMOS;液晶屏;驅動芯片;高分辨率;高幀率


      引言


      硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)是結合了CMOS集成電路設計工藝和液晶封裝技術的硅基微顯示技術。盡管LCoS研究開始的比較早,由于早期CMOS工藝的限制,這項技術一直沒有大規模應用,分辨率也較低。但是在一些衍射光學領域,例如空間光調制器領域,一直是光鑷、光通信等應用的核心器件。隨著CMOS工藝的發展,多層金屬工藝成為普遍選項,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展,分辨率得以大幅提升,這一顯示技術在消費類市場才得到了較多的關注。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,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一體機眼鏡的標桿產品Hololens,都采用的是LCoS微顯示技術。


      圖1所示是簡要的LCoS模組生產流程。這里用CMOS晶圓取代了大屏工藝中的像素陣列驅動模塊。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現時序彩色。因此在LCoS模組生產過程中,既與傳統液晶屏生產工藝相似,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。相應的,LCoS模組指標有與傳統液晶屏類似的地方,也有其獨特的地方。


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      圖1 晶圓級LCoS制造流程

       

      本文第二部分將首先介紹LCoS微顯示芯片的結構和關鍵技術指標;第三部分介紹LCoS屏的像素驅動技術和包含的特色設計點;第四部分介紹LCoS屏的驅動IC的設計(架構和算法);最后在第五部分提出一種高分辨率、高幀率、高對比度的LCoS芯片模組,分辨率為1080 P,幀率達到360 Hz,對比度可高于1500:1。

       

      1 LCoS微顯示芯片的架構與關鍵技術

       

      1.1 LCoS微顯示芯片的架構

       

      LCoS微顯示芯片從視頻源接收視頻信號,利用DAC等光電轉換電路控制液晶的雙折射光學特性,對輸入的光進行調制。所以LCoS的芯片模組通常包括視頻接口、數據處理、光源控制和顯示這3個部分。視頻接口根據信號源來決定,目前常見的有MIPI接口、RGB接口和LVDS接口等。數據處理則根據芯片驅動方式包含不同的模塊,可能會包含數據存儲和格式轉換等模塊,下文將詳細介紹。光源控制模塊是用于控制光源的時序和亮度等。

       

      1.2 LCoS芯片工藝結構

       

      傳統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、工藝成熟等優點。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,使其不太適合于對幀率要求很高的AR眼鏡產品。LCoS微顯示技術結合了高度集成的CMOS工藝,大幅提高了像素密度,減小了體積,并實現了高速傳輸,很好地滿足了AR技術對高幀率的需求。

       

      LCoS屏的剖面結構如圖2所示。


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      圖2 LCoS剖面結構圖

       

      由圖2可知,LCoS的下方是硅基芯片,芯片上制造了數據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層、液晶層、取向層,頂部是帶ITO的玻璃。LCoS與傳統LCD屏的區別在于其像素驅動采用了硅基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屏幕。與普通IC的區別在于,芯片頂層不做厚鈍化層保護,而是制造液晶屏用于顯示。像素上的電信號調制液晶的偏轉方向,從而調制入射光的幅度,形成圖像。

       

      1.3 LCoS芯片關鍵技術

       

      LCoS芯片顯示性能涉及一些關鍵技術。

       

      (1)分辨率。分辨率指芯片橫縱方向上的像素個數,決定了顯示屏顯示的精細度。目前大屏追求更高的分辨率。對于微顯示屏來說,低分辨率容易有紗窗效應以及顯示不夠細膩的問題。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芯片主要應用于AR眼鏡等微小便攜產品,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。這個指標對系統光效與功耗有較大影響,與表面處理和驅動設計都有關。還有對比度,是指系統亮態與暗態的亮度比。主要影響顯示效果,與材料的選擇、工藝、電路設計和算法都相關。

       

      (4)幀率。在AR應用中,幀率也是非常關鍵的。幀率指屏幕每秒刷新的幀數。普通顯示屏的幀率通常為60 Hz,而AR系統的要求是幀率高于90Hz以保證系統延時和顯示效果。另外,對于時序彩色系統來說,幀率過低會造成圖像閃爍和色彩分離(colorbreakup)。所以提高幀率對于應用于AR的微顯示屏來說是非常重要的。然而幀率的提高會帶來傳輸數據量的增大以及功耗的增大,使得驅動部分的設計十分有挑戰性。

       

      (5)功耗。對于應用于便攜式和可穿戴產品的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動電路的功耗。如果功耗過大,會對整個硬件系統的散熱造成挑戰,無法微小化。所以目前LCoS屏一般有針對性的設計驅動芯片,而不采用通用芯片。通用驅動芯片的功耗可以高達500mW,而專用芯片模組的總功耗目前都在300 mW以內。

       

      (6)顯示區面積。顯示區面積一般用對角線來表示。對于可穿戴產品來說,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,由于像素之下是驅動電路,因此像素面積也受到驅動電路面積的限制。

       

      (7)灰階精度與線性度?;译A精度有時也寫作DAC精度?;译A精度越高,則圖像的灰度越細膩。早期灰階精度主要由將數字信號轉化為模擬灰階電壓的DAC精度來決定,因此有時也直接稱為DAC精度。然而,隨著電路設計技術的發展,還可以采用算法以及模數結合的方式來提高灰階精度。這是一個非常有挑戰的設計指標。另外,由于人眼對亮度的感知并非線性的,通常需要將灰階調整到人眼的視覺線性程度,一般也稱為Gamma校正。

       

      以上便是LCoS模組中與芯片設計比較關鍵的技術??梢钥闯龇直媛?、顯示區面積、幀率和功耗這幾者需要小心折中,主要取決于具體的應用場景。而對比度與算法和材料更加相關,越高越好。填充因子和反射率都更受工藝和結構設計的限制,需要在制造工藝和制程設計上有所突破?;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。

       

      顯示芯片的設計

       

      上文所提到的關鍵技術中,分辨率、填充因子和灰階精度等都需要在顯示芯片的設計時考慮。分辨率和面積受像素大小的影響。像素設計是LCoS設計中非常重要的一環。LCoS像素的驅動方式包含模擬驅動和數字驅動兩種方式。其中模擬驅動方式實現的LCoS芯片具有算法相對簡單、灰階穩定和功耗小等優勢,然而由于需要用到穩壓電容,難以減小像素面積,對于面積要求嚴苛的產品難以適用。數字驅動方式實現的LCoS屏具有面積小的優點,然而算法復雜,邊緣場效應也較為嚴重。另外片內DAC的設計也需要考慮。從顯示效果來說,DAC精度當然越高越好。然而DAC位數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 模擬驅動的像素實現方式

       

      LCoS顯示器接收到來自驅動IC的視頻信號后,利用DAC將其轉換為不同的模擬電壓值加載到每個像素電極上來實現不同的灰階。圖3是模擬驅動像素的實現原理。寫數據電路先將存儲電容充到需要的灰階電壓,而后再將電壓從存儲電容轉移到像素電極即液晶上。

       

      模擬像素驅動的設計中,有幾個要注意的地方。由于存儲電路直接位于像素下方,因此從面積的角度,存儲電容應是越小越好。然而電容越小,穩壓的能力越弱,漏電會造成液晶上的電壓迅速下降,圖像亮度不足,影響顯示亮度和對比度。這就需要根據電容特性和液晶寄生電阻計算出可采用的最小電容面積,保證最好的顯示穩定性。另外,由于寄生電容的存在,灰階電壓并不能完全傳輸到像素電極上,會有一定的損失,而且由于寄生耦合,像素電極接收到的電壓可能受到干擾。因此如何降低驅動電路的寄生也是一個挑戰。


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      圖3 模擬像素驅動

       

      另外,在模擬像素驅動電路中,灰階是靠像素電極上的電壓和公共電極的壓差來實現的。由于液晶的材料特性,不能長時間直流驅動而是需要交流電壓驅動。對于早期的高壓電路,公共電極的電壓不變,像素電極上的信號高低變化產生兩種極性的電壓驅動。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,實際需要的電壓通常會有較大的偏差。對這一VCOM電壓偏移的校正補償需要精細的測量和方案。為了實現低壓的產品,現在采用翻轉公共電極的方式來實現不同極性的驅動電壓。此時如何得到一致的正反向灰階壓差就是電路設計的關鍵。

       

      2.2 數字驅動的像素實現方式

       

      由于模擬驅動的像素需要穩壓電容,在固有工藝條件下很難繼續微小化,為此數字驅動的方式得到了采用。LCoS顯示器接收到來自驅動IC的視頻信號,通過控制傳輸到像素電極上的電壓的幅值和時長的不同,實現調制脈沖寬度來產生灰度。即利用液晶的平均響應特性,采用PWM或是PCM的信號來直接驅動像素電極,而不是某一個灰階電壓。在一個時間周期內,其等效的灰階電壓為


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      這樣,通過一個動態的等效灰階電壓來模擬原先的靜態灰階電壓,數字驅動方式的像素拋開了對存儲電容的需求,對減小顯示芯片面積十分有利。像素工作原理如圖4所示。


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      圖4 數字像素電路驅動

       

      LCoS的數字顯示驅動相比于模擬顯示驅動,會需要先對圖像數據的比特位進行分離,然后再將各比特位數據配合相應的顯示算法輸出。此外,數字驅動可能會由于存在液晶的延遲響應和邊緣場效應等因素,導致圖像顯示的灰階線性度和整屏一致性不夠理想等問題,所以數字顯示驅動IC的數據處理模塊,會額外需要一些優化算法消除液晶的延遲響應和邊緣場效應等因素對顯示效果的影響。

       

      所以目前數字驅動像素的LCoS芯片的一大設計難點在于算法的設計。所采用的算法,既要滿足灰階電壓,不能給數據傳輸帶寬帶來太大壓力,又必須盡量減緩邊緣場效應。為了減緩邊緣場效應,目前的研究采用了多種方法,如增加數據位采用不同的排列方式,將數據分成更多的子幀等。有兩種常用的算法:一是將灰階分為時長相等的子幀,這也意味著N個灰階就需要2N - 1個子幀,每增加1位灰階都要大幅度增加存儲帶寬和速率;另一種算法是根據灰度值給數據加權重,這種算法的問題之一是容易出現灰階非線性或者說非單調性,需要很好的調整。

       

      除了兩種不同驅動方式的考慮,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串擾是一大難題。另外,由于LCoS芯片的特殊性,需要在頂層像素電極和驅動電路之間加遮光層。遮光層的設計也會對光效產生一定的影響。

       

      3 LCoS驅動IC的設計

       

      LCoS微顯示器驅動IC就是用來驅動LCoS微顯示器的,其主要功能是接收外部視頻信號,對它們進行存儲、讀取、變換等處理后輸入LCoS顯示器件進行顯示。對于不同的輸入視頻信號,顯示器像素的驅動類型、彩色化方式、分辨率、輸出接口類型、像素排布類型等,需要特定的顯示驅動控制電路來實現。

       

      LCoS的驅動可以分為空間彩色和時序彩色兩種。對于空間彩色系統,顯示IC上用3個不同顏色的子像素顯示不同的顏色構成1個彩色像素,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個像素,其看到的是RGB三色光的混色。工藝上與大屏一樣會采用彩光濾色片(color filter),對系統光效會有損失。對于驅動IC的要求就是按順序輸入每個像素的三色信號。時序彩色利用了時間混色的方式,時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。其對驅動IC的信號要求就是分離的不同顏色的3個子幀信號。相比于空間混色法,時間混色的顯示屏每個物理像素就是1個實際的顯示像素,在同樣尺寸的顯示屏上可以做到更高的分辨率,因此廣泛應用于LCoS微顯示屏上。

       

      針對空間彩色系統,由于對數據不需要做太多的處理,對于分辨率不是太高的情況,可以將驅動直接集成到顯示芯片當中,直接通過MIPI或是LVDS等高速接口從視頻源接收數據,再傳輸給顯示端。

       

      針對時序彩色系統,從視頻源接收到數據之后,首先會對數據進行緩存,之后將順序的24位RGB數據分離成三幀單色的數據,再根據顯示屏的需求進行傳輸,每次屏幕上顯示某個單色的子幀數據,以視頻源的3倍幀率刷新。有時為了提升整體亮度,也會另外增加一個白色子幀。

       

      若是模擬驅動像素的屏,對數據的主要需求就是分離子幀,由于數據依然有序,可以適當地采用壓縮算法減小驅動芯片的面積并同時實現良好的顯示效果。其難點主要在于存儲帶寬、數據速率和功耗等。

       

      若是數字驅動像素的顯示屏,為了降低數據速率,不但需要將數據分離為單色子幀,還需要加入排序算法和查找表,對數據權重和灰階進行配置。數字IC的邏輯復雜程度大幅增加。然而,由于多了時間上的自由度,對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。

       

      高分辨率、高幀率的LCoS模組的設計

       

      本文提出一種基于模擬驅動像素顯示屏和時序彩色的LCoS模組。由于是針對HMD產品,所以對芯片尺寸要求沒有那么嚴苛,像素驅動采用了模擬驅動的方式。為了降低芯片工作電壓,顯示芯片的設計采用翻轉VCOM而不是翻轉信號電壓的方法,使得芯片可以采用CMOS工藝的標準5 V工藝,有效降低了功耗。為了提高芯片的對比度和亮度,在顯示芯片把寫數據和顯示分開進行,顯示某一幀的同時就在寫下一幀的數據,有效延長了顯示時間。另外,為了減小芯片的面積和簡化后道工藝,系統采用了時序彩色的方式。

       

      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,顯示區對角線為0.52 in,幀率360 Hz,功耗150 mW。芯片實物如圖5所示。


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      圖5 設計的LCoS顯示芯片

       

      在進行顯示芯片的設計的時候,對兩個關鍵點做了重點處理,一個是像素的設計,另一個是DAC的設計。

       

      在像素設計方面,首先,由于采用了幀翻轉架構,那么電容上的電壓其實是對應兩種VCOM的兩種灰階值,寫數據之前就需要對數據進行處理,實現翻轉極性的灰階電壓值。另外,如使用傳統的1個MOS管加1個電容的像素電路,則肯定是在同一幀內完成數據寫入和點亮,無法達到前文所述的點亮當前幀的同時寫入下一幀的數據以提高系統亮度。為了達到上述目標,需要在像素中集成兩個存儲節點。有兩種方法可以實現,如圖6所示。本文選擇了第二種方案。這種設計解決了光源點亮時間不足造成的亮度低和對比度差的問題,并消除了DC偏移,為系統調試提供了更多的自由度。

       

      對于DAC電路,實際要實現的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,實現高位數據的轉換,之后將每兩個電壓之間再去16段,實現低位數據的轉換。這樣將DAC分成了兩級,降低了對單個DAC的精度容差要求。另外,由于DAC要驅動的是整行像素,負載非常大,在DAC之后需要有增強驅動能力的Buffer。在設計過程中,首先要保證Buffer的驅動能力,要能夠精確地將電壓傳輸到像素上。第二,由于這個Buffer具有很大的驅動能力,如果每個灰階電壓都對應1個Buffer的話,電路的功耗和面積都無法承受,因此需要通過開關切換來共用Buffer。這就引起了一個動態電阻網絡和切換時序的問題。不同的灰階電壓之間的跳轉帶來的傳輸誤差也不同,需要精心設計DAC的電阻網絡。而開關切換的先后順序可能引起額外的串擾,也需要優化。

       

      驅動芯片采用了MIPI和RGB接口兼容的方式,對接收到的數據進行緩存處理,再傳輸到顯示芯片。驅動芯片需要實現的基本功能為,將輸入頻率為60 Hz的空間彩色格式的RGB888 數據源或者MIPI格式的數據源,變成頻率為360 Hz或者180 Hz的時序彩色的RGB888 格式輸出。采用了流水線操作和門控時鐘等技術進行低功耗設計,并通過數據壓縮算法,減小了1/3的芯片面積。幀率可以達到360 Hz。


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      圖6 兩種同時寫數據和點亮的像素方案

       

      設計時為了達到最好的顯示效果,并兼容不同的液晶選型,對視頻數據的傳輸進行了可配置的設計,可以支持不同響應時間的液晶材料。然而對于響應過于緩慢的液晶,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時間2~3 ms的VA液晶材料。為了提高對比度,設計時也對液晶盒子進行了仿真。需要將盒厚與預傾角對亮度和對比度的影響進行折中,如圖7所示。測試結果顯示,反射率為60%,對比度在1500:1左右。達到了較好的顯示效果,如圖8所示。

       

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

       

      可以看到,通過系統化的設計顯示芯片、驅動芯片和液晶盒子,可以用較小的功耗達到良好的色彩飽和度、對比度和顯示清晰度,圖中的彩色條紋是由于時序彩色驅動下,顯示屏與拍攝相機之間的不同步造成。

       

      結論

       

      隨著AR市場的爆發,對LCoS微顯示芯片的需求得到了快速增長。本文系統地介紹了LCoS的工藝、關鍵技術和驅動設計,并結合CMOS設計、屏的設計和光學設計提出了一個可以實現并量產的LCoS模組。其中LCoS顯示屏的對角線尺寸為0.52 in,分辨率為1920×1080 P,整個系統功耗為300 mW,對比度達到1500:1,反射率達到60%,很好地滿足了HMD對微顯示芯片的需求。對于新型的光波導顯示,由于對尺寸和對比度的要求更高,將基于目前的工作成果,開展下一步的研究工作。


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      圖7 反射率與電壓(掃描不同盒厚)

       

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      圖8 對比度仿真結果圖

       

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      圖9 帶光機的顯示效果


      文獻來源:

      陳弈星,夏軍,孫偉鋒,時龍興. 高分辨率高幀率硅基液晶(LCoS)顯示芯片與驅動[J]. 微納電子與智能制造, 2020, 2(2): 88-95.

      CHEN Yixing, XIA Jun, SUNWeifeng, SHI Longxing. Highresolution and high framerate LCoS display and driver [J]. Micro/nanoElectronics and Intelligent Manufacturing, 2020, 2(2): 88-95.

       

      期刊信息:

      《微納電子與智能制造》刊號:CN10-1594/TN

      主管單位:北京電子控股有限責任公司

      主辦單位:北京市電子科技科技情報研究所

      北京方略信息科技有限公司

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