视频眼镜中微显示器技术：LCD、LCoS、OLED和MEMS

网上经常出现一些关于微显示器（microdisplay）的应用名词，例如头盔显示器（Head Mounted Display，HMD）、头戴显示器（Head Mounted Display，HMD）、视频眼镜（iWear、video glasses）、眼镜影院（eyescreen、iTheater）等。其实，这些形形色色、拥有时尚外观的便携式数码产品所指的是同一技术——微显示器（microdisplay），也正是它推动着头盔显示产品的演进，一步步发展成头戴式、眼镜式，即目前大家看到的视频眼镜等。

在头盔显示器的演进过程中，其动力主要是微显示器技术的进步。按照显示模块工艺的不同，我们可以将微显示器分为LCD、LCoS、OLED和MEMS四种。

 

LCD微显技术

 

有源矩阵液晶显示器（AMLCD）属于透射型微显示技术，其背光源发出的光在经过每一像素时受到液晶单元的调制，而液晶单元受显示屏上晶体管的控制。这种微显示器有用多晶硅晶体管的，也有用单晶硅晶体管的。AMLCD是一种成熟的显示技术，其工艺与目前的CMOS兼容。

AMLCD微显示方案有美国高平公司（Kopin）的Cyberdisplay方案，合作企业有深圳东方景等公司、日本Scalar公司、Tekom、三菱电机、奥林巴斯（Olympus）公司、美国
Microoptical公司、Yello Mosquito公司等。高平公司在AMLCD微显方面拥有多项专利：IC剥离（lift-off）工艺、低电压LCD技术、多区域垂直排列（multi-domain
verticalalignment，MVA）。早在2005年，高平就与晶门科技结成市场推广联盟，借助于晶门科技（Solomon Systech）的强大渠道优势，目前中国市场上的AMLCD视频眼镜产品大多采用了高平公司方案。

在日本，微显示器用透射式LCD面板制造大厂SONY，自1987年起就有头盔显示器的构想，1991年起先从投影显器技术着手，1996年开始有商品发售，当时的头盔形式显示器已被修改成大型眼罩式，到了1998年底，SONY已经有0.55吋、18万画素数的LCD面板做为影像源，其PLM-S700产品的显示器部分重量已经可以减轻到95克，并利用偏心光学曲面设计的透镜，显示相当于人眼2m前52吋的大画面。除了SONY，Olympus也有相似的产品推出，同样使用0.55吋穿透式LCD面板，其Eye-Trek系列的FMD-700产品的显示器重量减为85克，SONY与Olympus的产品设计是作为DVD player、游戏机等视觉娱乐外围配备。

 

LCoS微显技术

 

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，是比较容易实现高分辨率的投影结构，反射式成像也不会因光线穿透面板而大幅降低光利用率，因此提升了光效率。

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。目前，LCoS微显示器方案供应商有JVC公司、台湾微型影像股份有限公司（Taiwan MicroDisplay）、台湾Himax公司、Varitronix、HOLOEYE Systems公司，以及FLCoS方案供应商Displaytech公司等。

2009年5月，美光科技公司（Micron Technology）收购了Displaytech公司，双方的目标是开启一个“以前不被大家注意”的规模市场，并随后推出了MT7DMQV3A FLCoS微显示模块。

（1）JVC公司的D-ILA技术

JVC从90年代中期开始就涉足于LCoS的研究开发，是最早投入LCoS技术开发的厂商之一，其独立开发的D-ILA（Direct-drive Image Light Amplifier）直接驱动图像光源放大器芯片就属于LCoS技术。2006年，JVC继推出0.7吋1080p芯片后，推出0.7吋1080p芯片，其D-ILA芯片形成了五种规格，分别是1.7吋4K芯片、1.3吋QXGA等级芯片、0.82吋1080p芯片、0.7吋1080p芯片、以及0.7吋720p芯片。

JVC的LCoS技术叫作D-ILA硅晶芯片，其中的液晶板将晶体管作为像素点液晶的开关控制单元做在一层硅基板上，硅基板（也称反射电极层）位于液晶层的下面，用于像素地址寻址的各种控制电极和电极间的绝缘层位于硅基板的下面，因此整个结构是一个3D立体排列方式。

D-ILA技术改变了传统LCoS制造工艺，对液晶层和配向膜工艺从根本上进行了重新开发，将传统的液晶层水平排列改为了垂直排列、而更从无机物中提取了全新的配向膜材料。延长了芯片的使用寿命。采用D-ILA技术的液晶板的光圈比率可以达到93%，在相同尺寸的液晶板上D-ILA技术可以实现更高的分辨率。

D-ILA技术已经极为成熟，目前最新的0.7吋D-ILA三片式液晶面板能实现1080p的全高清输出，亮度为800流明，真实对比度高达10000:1（在不使用动态光圈的情况下）。据Fuji Chmera统计，JVC公司的LCoS面板在投影领域的市场高达75%。

（2）Displaytech公司的FLCoS微显示器

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。

对眼镜应用来说，一项绝对的要求是利用单一面板生成全彩显示。FLCoS面板具有非常快速开关速度，能够产生顺序彩色显示所需要的非常高的帧速率，能够在每一个像素大于90%的孔径上创建想要的色彩，从而产生类似全息的图像。另外，利用生成较宽彩色域的三色LED，FLCoS面板产生更接近生活的色彩。

2009年5月，美光科技公司（Micron Technology）收购了Displaytech公司，并推出了MT7DMQV3A-A1S FLCoS微显示模块。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FLCFerroelectric Liquid Crystal）专利的限制，FLCoS微显示方案由美国Displaytech公司独家提供。

OLED微显技术

 

有机发光二极管（OLED）相对较新，同场致发射（FE）、电致发光（EL）一样，OLED也属于发光型微显技术，目前已经能跟LCD和LCoS技术在价格和性能上进行竞争。

OLED在头戴显示器应用领域有非常大的优势：清晰鲜亮的全彩显示、超低的功耗等，是头戴式显示器发展的一大推动力。例如，四川虹视显示技术有限公司的HMD-481E、HMD-481ED、HMD-321E头戴显示器就采用了OLED微显示技术，其驱动芯片采用晶门科技的SSD13XX、SES114、LDS517等驱动IC，能够提供近100万像素的清晰立体影像，加上附设在神奇幻像镜两侧的立体声耳机，感觉好似于中央座位欣赏立体影片。
 
OLED显示器可以使用小有机分子或聚合物。其中，聚合物技术（Polymer OLED，简称P-OLED）允许制造更大屏幕尺寸的显示器，也可在更低的电压下工作，而且比基于小分子的显示器功耗更低，因为它无需真空淀积处理所需的遮蔽掩模，如Micro Emissive Displays（MED）公司推出的eyescreen技术。

同时，一种新技术——主动矩阵有机发光二极管（AMOLED）能在硅基片上用淀积法生成有机发光层已经出现，可以实现完全透明的眼镜型设计，不过尚处于商业化生产的初期阶段，主要开发商有美国eMagin公司。

 

MEMS微显技术

 

微机电系统（MEMS）技术已经在硅基片上构成了完整的微显示器，无须制造附加的上层结构。从定义即可看出，MEMS内部可以包含微型的可动的机械部件，这些部件由控制电压操作。其中，Microvision公司的Eyewea产品采用了其专用的集成光学模块（IPM）。IPM组合了Microvision公司的专利技术MEMS扫描器、激光源、光学镜头和系统控制芯片。

穿戴式电子正在向我们走

 

虽然视频眼镜目前还没有流行，但是这并不妨碍其商业前景，因为穿戴式电子(wearable electronics)前景不可估量，这也正是AMOLED技术真正的“杀手级”应用。OLED显示器厂商们预计，近几年内将会出现可弯曲的、完全透明的OLED显示器。

在应用端，苹果（Apple）、诺基亚、摩托罗拉（Motorola）均储备有相关专利。其中，摩托罗拉的专利实际上是台头戴式手机；诺基亚的专利是可以当键盘用，并能像手镯一样戴在腕上的手机，并在2008年进行了展示；苹果的专利申请是头戴显示器（HMD）。

苹果指出，OLED以及LCoS微型显示器存在的缺点是寿命、分辨率、幻觉效应（rainbow effect）以及其它问题，MEMS/laser系统可能存在的潜在问题在于安全性以及功耗。苹果解决上述担忧的能力，将是决定其iGlasses头戴显示器产品是否成真与何时问世的关键。