高分辨率高帧率硅基液晶(LCoS)显示芯片与驱动

2020-10-22 08:54

本文内容转载自《微纳电子与智能制造》2020年6月,版权归《微纳电子与智能制造》编辑部所有。


陈弈星,夏军,孙伟锋,时龙兴

东南大学,南京芯视元电子有限公司


摘要:硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)澳门 188体育娱乐网址是一种结合了CMOS芯片和液晶显示的硅基微显示技术,具有体积小、分辨率高和帧率高等特点,可以广泛应用于便携激光投影、AR眼镜、车载HUD和智能制造等领域。介绍了LCoS澳门 188体育娱乐网址的结构、关键技术和驱动方式,并提出了一种高分辨率、高帧率的LCoS显示芯片设计方法,采用模拟像素驱动、高速数据接口和时序彩色显示方案,分辨率达到了1080 P,刷新帧率达到了360 Hz。


关键词:LCoS;CMOS;液晶屏;驱动芯片;高分辨率;高帧率


引言


硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)是结合了CMOS集成电路设计工艺和液晶封装技术的硅基微显示技术。尽管LCoS研究开始的比较早,由于早期CMOS工艺的限制,这项技术一直没有大规模应用,分辨率也较低。但是在一些衍射光学领域,例如澳门 188体育娱乐网址领域,一直是光镊、光通信等应用的核心器件。随着CMOS工艺的发展,多层金属工艺成为普遍选项,适用于制造液晶屏的顶层金属处理工艺也得到充分的研究并取得很大的进展,分辨率得以大幅提升,这一显示技术在消费类市场才得到了较多的关注。在早期,LCoS 主要用于激光投影、头戴显示器和全息投影。随着近年来AR技术的兴起,LCoS由于其体积小、分辨率高、帧率高且安全可靠等特点,成为AR眼镜的首选显示屏之一。例如最早的AR眼镜Google Glass,以及AR一体机眼镜的标杆产品Hololens,都采用的是LCoS微显示技术。


图1所示是简要的LCoS模组生产流程。这里用CMOS晶圆取代了大屏工艺中的像素阵列驱动模块。在早期高压LCoS模组中使用到了与TFT液晶屏类似的彩膜工艺,而现在的大部分LCoS模组,为了减小面积,不再使用彩膜,而是通过光源切换实现时序彩色。因此在LCoS模组生产过程中,既与传统液晶屏生产工艺相似,又有不同的地方。如盒厚非常小,用于显示的盒厚通常在1~2 μm。相应的,LCoS模组指标有与传统液晶屏类似的地方,也有其独特的地方。


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图1 晶圆级LCoS制造流程

 

本文第二部分将首先介绍LCoS澳门 188体育娱乐网址的结构和关键技术指标;第三部分介绍LCoS屏的像素驱动技术和包含的特色设计点;第四部分介绍LCoS屏的驱动IC的设计(架构和算法);最后在第五部分提出一种高分辨率、高帧率、高对比度的LCoS芯片模组,分辨率为1080 P,帧率达到360 Hz,对比度可高于1500:1。

 

1 LCoS澳门 188体育娱乐网址的架构与关键技术

 

1.1 LCoS澳门 188体育娱乐网址的架构

 

LCoS澳门 188体育娱乐网址从视频源接收视频信号,利用DAC等光电转换电路控制液晶的双折射光学特性,对输入的光进行调制。所以LCoS的芯片模组通常包括视频接口、数据处理、光源控制和显示这3个部分。视频接口根据信号源来决定,目前常见的有MIPI接口、RGB接口和LVDS接口等。数据处理则根据芯片驱动方式包含不同的模块,可能会包含数据存储和格式转换等模块,下文将详细介绍。光源控制模块是用于控制光源的时序和亮度等。

 

1.2 LCoS芯片工艺结构

 

传统的大屏主要是在玻璃基上制造薄膜晶体管,然后在其上制造液晶面板,具有成本低、工艺成熟等优点。然而,薄膜晶体管的体积较大、开口率低和载流子迁移率低等特点,使其不太适合于对帧率要求很高的AR眼镜产品。LCoS微显示技术结合了高度集成的CMOS工艺,大幅提高了像素密度,减小了体积,并实现了高速传输,很好地满足了AR技术对高帧率的需求。

 

LCoS屏的剖面结构如图2所示。


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图2 LCoS剖面结构图

 

由图2可知,LCoS的下方是硅基芯片,芯片上制造了数据传输电路和像素控制电路,芯片顶层是分立的像素电极,像素之上是液晶取向层、液晶层、取向层,顶部是带ITO的玻璃。LCoS与传统LCD屏的区别在于其像素驱动采用了硅基CMOS集成电路,液晶盒厚小,间隔粒子掺杂在框胶中而不是散布在整个屏幕。与普通IC的区别在于,芯片顶层不做厚钝化层保护,而是制造液晶屏用于显示。像素上的电信号调制液晶的偏转方向,从而调制入射光的幅度,形成图像。

 

1.3 LCoS芯片关键技术

 

LCoS芯片显示性能涉及一些关键技术。

 

(1)分辨率。分辨率指芯片横纵方向上的像素个数,决定了显示屏显示的精细度。目前大屏追求更高的分辨率。对于微显示屏来说,低分辨率容易有纱窗效应以及显示不够细腻的问题。但是由于分辨率的增大通常意味着面积的增大、成本的提高和良率的降低,而LCoS芯片主要应用于AR眼镜等微小便携产品,综合考虑体积和成像效果,目前一般为720 P和1080P。

 

(2)填充因子(fillingfactor)。填充因子指的是单个像素的有效显示面积与总面积之比,主要受像素间隙的影响。填充因子影响芯片的光效,因此越大越好。

 

(3)反射率。反射率指反射光能与入射光能之比。这个指标对系统光效与功耗有较大影响,与表面处理和驱动设计都有关。还有对比度,是指系统亮态与暗态的亮度比。主要影响显示效果,与材料的选择、工艺、电路设计和算法都相关。

 

(4)帧率。在AR应用中,帧率也是非常关键的。帧率指屏幕每秒刷新的帧数。普通显示屏的帧率通常为60 Hz,而AR系统的要求是帧率高于90Hz以保证系统延时和显示效果。另外,对于时序彩色系统来说,帧率过低会造成图像闪烁和色彩分离(colorbreakup)。所以提高帧率对于应用于AR的微显示屏来说是非常重要的。然而帧率的提高会带来传输数据量的增大以及功耗的增大,使得驱动部分的设计十分有挑战性。

 

(5)功耗。对于应用于便携式和可穿戴产品的LCoS微显示器,功耗就显得非常重要。这里的功耗包括显示屏的功耗和驱动电路的功耗。如果功耗过大,会对整个硬件系统的散热造成挑战,无法微小化。所以目前LCoS屏一般有针对性的设计驱动芯片,而不采用通用芯片。通用驱动芯片的功耗可以高达500mW,而专用芯片模组的总功耗目前都在300 mW以内。

 

(6)显示区面积。显示区面积一般用对角线来表示。对于可穿戴产品来说,都希望芯片越小越好,即像素越小越好。然而,由于像素间隙主要由工艺决定而不能无限缩小,那么同样工艺下,像素越小则填充因子越小,需要折中考虑。另外,由于像素之下是驱动电路,因此像素面积也受到驱动电路面积的限制。

 

(7)灰阶精度与线性度。灰阶精度有时也写作DAC精度。灰阶精度越高,则图像的灰度越细腻。早期灰阶精度主要由将数字信号转化为模拟灰阶电压的DAC精度来决定,因此有时也直接称为DAC精度。然而,随着电路设计技术的发展,还可以采用算法以及模数结合的方式来提高灰阶精度。这是一个非常有挑战的设计指标。另外,由于人眼对亮度的感知并非线性的,通常需要将灰阶调整到人眼的视觉线性程度,一般也称为Gamma校正。

 

以上便是LCoS模组中与芯片设计比较关键的技术。可以看出分辨率、显示区面积、帧率和功耗这几者需要小心折中,主要取决于具体的应用场景。而对比度与算法和材料更加相关,越高越好。填充因子和反射率都更受工艺和结构设计的限制,需要在制造工艺和制程设计上有所突破。灰阶精度通常越高越好,不过由于人眼的分辨率有限,目前一般采用8 bit的灰阶。

 

显示芯片的设计

 

上文所提到的关键技术中,分辨率、填充因子和灰阶精度等都需要在显示芯片的设计时考虑。分辨率和面积受像素大小的影响。像素设计是LCoS设计中非常重要的一环。LCoS像素的驱动方式包含模拟驱动和数字驱动两种方式。其中模拟驱动方式实现的LCoS芯片具有算法相对简单、灰阶稳定和功耗小等优势,然而由于需要用到稳压电容,难以减小像素面积,对于面积要求严苛的产品难以适用。数字驱动方式实现的LCoS屏具有面积小的优点,然而算法复杂,边缘场效应也较为严重。另外片内DAC的设计也需要考虑。从显示效果来说,DAC精度当然越高越好。然而DAC位数的增加就带来芯片面积的增大,走线更为困难,并增加功耗。

 

2.1 模拟驱动的像素实现方式

 

LCoS显示器接收到来自驱动IC的视频信号后,利用DAC将其转换为不同的模拟电压值加载到每个像素电极上来实现不同的灰阶。图3是模拟驱动像素的实现原理。写数据电路先将存储电容充到需要的灰阶电压,而后再将电压从存储电容转移到像素电极即液晶上。

 

模拟像素驱动的设计中,有几个要注意的地方。由于存储电路直接位于像素下方,因此从面积的角度,存储电容应是越小越好。然而电容越小,稳压的能力越弱,漏电会造成液晶上的电压迅速下降,图像亮度不足,影响显示亮度和对比度。这就需要根据电容特性和液晶寄生电阻计算出可采用的最小电容面积,保证最好的显示稳定性。另外,由于寄生电容的存在,灰阶电压并不能完全传输到像素电极上,会有一定的损失,而且由于寄生耦合,像素电极接收到的电压可能受到干扰。因此如何降低驱动电路的寄生也是一个挑战。


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图3 模拟像素驱动

 

另外,在模拟像素驱动电路中,灰阶是靠像素电极上的电压和公共电极的压差来实现的。由于液晶的材料特性,不能长时间直流驱动而是需要交流电压驱动。对于早期的高压电路,公共电极的电压不变,像素电极上的信号高低变化产生两种极性的电压驱动。公共电极电压一般取电源电压的一半。然而受工艺偏差的影响,实际需要的电压通常会有较大的偏差。对这一VCOM电压偏移的校正补偿需要精细的测量和方案。为了实现低压的产品,现在采用翻转公共电极的方式来实现不同极性的驱动电压。此时如何得到一致的正反向灰阶压差就是电路设计的关键。

 

2.2 数字驱动的像素实现方式

 

由于模拟驱动的像素需要稳压电容,在固有工艺条件下很难继续微小化,为此数字驱动的方式得到了采用。LCoS显示器接收到来自驱动IC的视频信号,通过控制传输到像素电极上的电压的幅值和时长的不同,实现调制脉冲宽度来产生灰度。即利用液晶的平均响应特性,采用PWM或是PCM的信号来直接驱动像素电极,而不是某一个灰阶电压。在一个时间周期内,其等效的灰阶电压为


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这样,通过一个动态的等效灰阶电压来模拟原先的静态灰阶电压,数字驱动方式的像素抛开了对存储电容的需求,对减小显示芯片面积十分有利。像素工作原理如图4所示。


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图4 数字像素电路驱动

 

LCoS的数字显示驱动相比于模拟显示驱动,会需要先对图像数据的比特位进行分离,然后再将各比特位数据配合相应的显示算法输出。此外,数字驱动可能会由于存在液晶的延迟响应和边缘场效应等因素,导致图像显示的灰阶线性度和整屏一致性不够理想等问题,所以数字显示驱动IC的数据处理模块,会额外需要一些优化算法消除液晶的延迟响应和边缘场效应等因素对显示效果的影响。

 

所以目前数字驱动像素的LCoS芯片的一大设计难点在于算法的设计。所采用的算法,既要满足灰阶电压,不能给数据传输带宽带来太大压力,又必须尽量减缓边缘场效应。为了减缓边缘场效应,目前的研究采用了多种方法,如增加数据位采用不同的排列方式,将数据分成更多的子帧等。有两种常用的算法:一是将灰阶分为时长相等的子帧,这也意味着N个灰阶就需要2N - 1个子帧,每增加1位灰阶都要大幅度增加存储带宽和速率;另一种算法是根据灰度值给数据加权重,这种算法的问题之一是容易出现灰阶非线性或者说非单调性,需要很好的调整。

 

除了两种不同驱动方式的考虑,从像素本身来说,如何减小面积又不带来过大的寄生引起信号串扰是一大难题。另外,由于LCoS芯片的特殊性,需要在顶层像素电极和驱动电路之间加遮光层。遮光层的设计也会对光效产生一定的影响。

 

3 LCoS驱动IC的设计

 

LCoS微显示器驱动IC就是用来驱动LCoS微显示器的,其主要功能是接收外部视频信号,对它们进行存储、读取、变换等处理后输入LCoS显示器件进行显示。对于不同的输入视频信号,显示器像素的驱动类型、彩色化方式、分辨率、输出接口类型、像素排布类型等,需要特定的显示驱动控制电路来实现。

 

LCoS的驱动可以分为空间彩色和时序彩色两种。对于空间彩色系统,显示IC上用3个不同颜色的子像素显示不同的颜色构成1个彩色像素,利用人眼空间分辨力有限的视觉特性,把RGB子像素距离制作成小于人眼空间分辨距离,使人眼无法分辨出RGB 3个像素,其看到的是RGB三色光的混色。工艺上与大屏一样会采用彩光滤色片(color filter),对系统光效会有损失。对于驱动IC的要求就是按顺序输入每个像素的三色信号。时序彩色利用了时间混色的方式,时间混色是利用人眼的视觉暂留特性,将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三色光的交替频率足够高,人眼所感觉到的图像就是由RGB三基色混合而成的颜色效果。其对驱动IC的信号要求就是分离的不同颜色的3个子帧信号。相比于空间混色法,时间混色的显示屏每个物理像素就是1个实际的显示像素,在同样尺寸的显示屏上可以做到更高的分辨率,因此广泛应用于LCoS微显示屏上。

 

针对空间彩色系统,由于对数据不需要做太多的处理,对于分辨率不是太高的情况,可以将驱动直接集成到显示芯片当中,直接通过MIPI或是LVDS等高速接口从视频源接收数据,再传输给显示端。

 

针对时序彩色系统,从视频源接收到数据之后,首先会对数据进行缓存,之后将顺序的24位RGB数据分离成三帧单色的数据,再根据显示屏的需求进行传输,每次屏幕上显示某个单色的子帧数据,以视频源的3倍帧率刷新。有时为了提升整体亮度,也会另外增加一个白色子帧。

 

若是模拟驱动像素的屏,对数据的主要需求就是分离子帧,由于数据依然有序,可以适当地采用压缩算法减小驱动芯片的面积并同时实现良好的显示效果。其难点主要在于存储带宽、数据速率和功耗等。

 

若是数字驱动像素的显示屏,为了降低数据速率,不但需要将数据分离为单色子帧,还需要加入排序算法和查找表,对数据权重和灰阶进行配置。数字IC的逻辑复杂程度大幅增加。然而,由于多了时间上的自由度,对灰阶的控制方式也增加了,能够在面积不变的条件下提高显示精度。

 

高分辨率、高帧率的LCoS模组的设计

 

本文提出一种基于模拟驱动像素显示屏和时序彩色的LCoS模组。由于是针对HMD产品,所以对芯片尺寸要求没有那么严苛,像素驱动采用了模拟驱动的方式。为了降低芯片工作电压,显示芯片的设计采用翻转VCOM而不是翻转信号电压的方法,使得芯片可以采用CMOS工艺的标准5 V工艺,有效降低了功耗。为了提高芯片的对比度和亮度,在显示芯片把写数据和显示分开进行,显示某一帧的同时就在写下一帧的数据,有效延长了显示时间。另外,为了减小芯片的面积和简化后道工艺,系统采用了时序彩色的方式。

 

显示芯片采用了0.18 μm的CMOS工艺,像素大小为6×6 μm,分辨率为1920×1080,显示区对角线为0.52 in,帧率360 Hz,功耗150 mW。芯片实物如图5所示。


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图5 设计的LCoS显示芯片

 

在进行显示芯片的设计的时候,对两个关键点做了重点处理,一个是像素的设计,另一个是DAC的设计。

 

在像素设计方面,首先,由于采用了帧翻转架构,那么电容上的电压其实是对应两种VCOM的两种灰阶值,写数据之前就需要对数据进行处理,实现翻转极性的灰阶电压值。另外,如使用传统的1个MOS管加1个电容的像素电路,则肯定是在同一帧内完成数据写入和点亮,无法达到前文所述的点亮当前帧的同时写入下一帧的数据以提高系统亮度。为了达到上述目标,需要在像素中集成两个存储节点。有两种方法可以实现,如图6所示。本文选择了第二种方案。这种设计解决了光源点亮时间不足造成的亮度低和对比度差的问题,并消除了DC偏移,为系统调试提供了更多的自由度。

 

对于DAC电路,实际要实现的Gamma电压曲线不是线性的,为了更好地采用分压电阻拟合,首先将Gamma曲线分成16段,实现高位数据的转换,之后将每两个电压之间再去16段,实现低位数据的转换。这样将DAC分成了两级,降低了对单个DAC的精度容差要求。另外,由于DAC要驱动的是整行像素,负载非常大,在DAC之后需要有增强驱动能力的Buffer。在设计过程中,首先要保证Buffer的驱动能力,要能够精确地将电压传输到像素上。第二,由于这个Buffer具有很大的驱动能力,如果每个灰阶电压都对应1个Buffer的话,电路的功耗和面积都无法承受,因此需要通过开关切换来共用Buffer。这就引起了一个动态电阻网络和切换时序的问题。不同的灰阶电压之间的跳转带来的传输误差也不同,需要精心设计DAC的电阻网络。而开关切换的先后顺序可能引起额外的串扰,也需要优化。

 

驱动芯片采用了MIPI和RGB接口兼容的方式,对接收到的数据进行缓存处理,再传输到显示芯片。驱动芯片需要实现的基本功能为,将输入频率为60 Hz的空间彩色格式的RGB888 数据源或者MIPI格式的数据源,变成频率为360 Hz或者180 Hz的时序彩色的RGB888 格式输出。采用了流水线操作和门控时钟等技术进行低功耗设计,并通过数据压缩算法,减小了1/3的芯片面积。帧率可以达到360 Hz。


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图6 两种同时写数据和点亮的像素方案

 

设计时为了达到最好的显示效果,并兼容不同的液晶选型,对视频数据的传输进行了可配置的设计,可以支持不同响应时间的液晶材料。然而对于响应过于缓慢的液晶,显示亮度和色彩饱和度都容易受到影响。

 

在成品模组中选择了响应时间2~3 ms的VA液晶材料。为了提高对比度,设计时也对液晶盒子进行了仿真。需要将盒厚与预倾角对亮度和对比度的影响进行折中,如图7所示。测试结果显示,反射率为60%,对比度在1500:1左右。达到了较好的显示效果,如图8所示。

 

为了直观地展现显示效果,选择了市场上的一款光机做眼镜,显示效果如图9 所示。

 

可以看到,通过系统化的设计显示芯片、驱动芯片和液晶盒子,可以用较小的功耗达到良好的色彩饱和度、对比度和显示清晰度,图中的彩色条纹是由于时序彩色驱动下,显示屏与拍摄相机之间的不同步造成。

 

结论

 

随着AR市场的爆发,对LCoS澳门 188体育娱乐网址的需求得到了快速增长。本文系统地介绍了LCoS的工艺、关键技术和驱动设计,并结合CMOS设计、屏的设计和光学设计提出了一个可以实现并量产的LCoS模组。其中LCoS显示屏的对角线尺寸为0.52 in,分辨率为1920×1080 P,整个系统功耗为300 mW,对比度达到1500:1,反射率达到60%,很好地满足了HMD对澳门 188体育娱乐网址的需求。对于新型的光波导显示,由于对尺寸和对比度的要求更高,将基于目前的工作成果,开展下一步的研究工作。


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图7 反射率与电压(扫描不同盒厚)

 

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图8 对比度仿真结果图

 

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图9 带光机的显示效果


文献来源:

陈弈星,夏军,孙伟锋,时龙兴. 高分辨率高帧率硅基液晶(LCoS)显示芯片与驱动[J]. 微纳电子与智能制造, 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:

《微纳电子与智能制造》刊号:CN10-1594/TN

主管单位:北京电子控股有限责任公司

主办单位:北京市电子科技科技情报研究所

北京方略信息科技有限公司