调整近视度数的LCD技术及其背后的LCOS技术全解析

日本大阪学(Osaka University)支持的新创企业Elcyo，利用LCD显示器的技术，推出可调整度数的“Elcyo Glass”，减少重配眼镜的问题。

lcyo Glass的原理，是通电改变镜片内液晶分子的排列，据此改变出光度，根据Elc

yo公布资料，目前他们的技术，出光度最大调整幅度是正负6.0D，基本上出光度1D相当于习惯用法的100度，这意味着没度数的Elcyo Glass，可以适应近视或远视600度以内用户的需求，如果镜片本身就有度数，还可适应更广范围的需求。而且液晶原理不只能改变屈光率，也能在一定程度内改变透光率，适合需要雾面镜的治疗状况。

而谈到这个产品的液晶技术，就要谈到用在VR眼镜显示的LCOS（硅基液晶）技术了。

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那什么是LCOS呢？

LCOS（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式Micro LCD投影技术，其结构是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板（又称为ＣＭＯＳ－ＬＣＤ），然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成ＣＭＯＳ基板，然后将ＣＭＯＳ基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装测试。

再直白一点，

利用LCOS技术开发的显示屏，其显示芯片对角线尺寸通常不超过25，4mm(1in)，像素尺寸在10I￡m量级，因此，LCOS显示屏都需要配备放大图像的光学系统，用来制造各种近眼显示器和投影系统。LCOS可利用常规的CMOS技术批量生产，技术成熟，其优点是功耗低、分辨率高、器件尺寸小，在个人便携显示应用方面有很大优势，特别是其功耗远低于许多有源矩阵液晶显示器，而生产成本可与阴极射线管相比拟，有望成为大屏幕高分辨率低成本投影显示技术的新主流。

如下图，在单晶硅片上集成ＣＭＯＳ和存贮电容器的阵列，通过开孔把漏电极和像素电极连结，像素电极用铝做成反射电极。为防止强光照射沟道，加一层金属档光层。另一侧基板是ITO电极的玻璃板。液晶层盒厚爱像素尺寸限制，一般盒厚取几微米。LC0S前投影放大倍数大，显示区内不能用控制盒厚的隔垫物，或者盒厚取小于2微米，可用隔垫物。

LCOS面板结构图

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应用产品分类

从AuroraSystems公司于2000年开始推出首批LCOS技术成型产品算起，经过近10年的发展，LCOS技术现在已经进入了一个相对成熟时期，市场上可见的显示产品分为3类：

高清大屏幕投影机

主要面向1．5m(60in)以上的投影产品市场，现已开发出应用于大型数字高清影院的超高分辨率(3840×2048)LCOS显示芯片，并成为高端影院投影机产品采用的主要技术。LCOS核心芯片及系统产品主要由佳能、索尼、JVC、先锋、LG等数家企业制造，LCOS大屏幕投影机原理如下图所示。

JVC实际上从1998年就开始应用这种技术生产高端专业级投影仪。

便携式微型投影机

从最初的超便携式投影机到最近的El袋式投影机，便携式微型投影机的终极目标是使投影模块可以集成到手持移动设备中，如手机、多媒体播放器、数码相机和数码摄像机等。下图展示了可以藏于指间的微型投影机。

近眼显示器

近眼显示器亦称为头戴显示器(HMD)，以眼镜形式佩戴或安置在头盔和面罩上面，接近使用者的眼睛，提供大于显示器物理尺寸的虚像。显示器的物理尺寸一般只有25．4ram(1in)，放置在眼前，通过光学组件可以成像到3m(120in)以上，且在放大图像的同时可以保证图像具有足够的清晰度及不产生像差。近眼显示器不仅具有较大的可视区域，而且成本低、功耗小，在利用相同电池的条件下工作时间也较长。相关近眼显示用LCOS核心芯片及系统产品主要由台湾奇美电子、Displaytech、3M、Coppin等数家企业制造。下图展示的是一种LCOS眼镜式显示器。

其他高清显示产品

汤姆逊公司(采用RCA品牌)于2001年制造出第一台商业化LCoS高清电视，东芝(采用日立LCoS芯片)和飞利浦紧随其后也相继推出，但这些公司到2004年10月都停止了。英特尔在2004年1月宣布开始制造LCoS芯片震惊了业界，但随即在2004年10月停止了该计划，其间没有取得任何成果。因此，LCoS的前景遭到很多业内人士的质疑。在此之后无数家企业蜂拥而至。其中不乏今天依然活跃在LCOS舞台上的索尼、JVC、视创科技、中芯国际、台联电、佳能、先锋、禾鈶(Jasper Display)、江西鸿源数显科技、河南辉煌、武汉全真光电、深圳长江力伟等企业。但是，在早期被认为是LCOS技术最有力的支持者的英特尔和飞利浦两位"巨人"却未能坚持到最后。

AKAI展出的采用单板式LCOS制造的56英寸背投电视

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LCOS工作原理

液晶可以使光线的偏振性发生偏转，而偏转量可通过电场进行控制。镜片后面的硅片产生控制每个像素的电场，实际上镜片就是硅片最上一层，液晶直接装在镜片上面，这也是它叫做"硅基液晶"的原因。生成图像时，偏振光聚焦在芯片上，通过变换每个像素后面电场来控制其亮度。电场使光线发生偏转，然后用一个偏振过滤器把偏转部分挡住。硅片产生电场实际上就像计算机内存芯片一样工作，按照像素的行列进行组织，每个像素都有一个地址，就像内存位置一样。

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LCOS系统结构特征

以LCOS显示器为核心构成的显示系统，无论是大屏幕投影显示系统，还是近眼虚拟微型显示器，其系统结构都可划分为4个部分：麟屏(包括COS显示芯片)、显示控制器、光学系统和光源[I]。后3个部分为麟屏的伺服结构，其中显示控制器把需要显示的数字式或模拟式信号转换成与螂芯片显示模式相匹配的数字信号；光源根据具体彩色方式，提供全色光或红绿蓝三基色时序脉冲光；光学系统则产生相应的实像或虚像。

LCOS成像系统结构示意图

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LCOS屏制造技术

LCOS屏是半导体大规模集成电路技术和液晶显示技术相结合的高新技术产品，可采用成熟的CMOS制造工艺和液晶屏制造工艺进行生产，无需额外增加投资生产线。LCOS硅基晶圆的制备与集成电路的制造工艺几乎完全相同，并可随着现有集成电路工艺的精细化发展而同步提高其分辨率；而液晶屏制造则仅需清洗、取向、成盒、灌注及模块化等几个工序即可。

在制盒工艺阶段，LCOS硅基晶圆和ITO玻璃基板首先都要经过清洗、涂覆液晶取向剂及实施取向等工艺；接下来密封胶圈既可以布局在LCOS硅基晶圆上，也可以涂覆在ITO玻璃基板上；然后使用专制的贴合压力机按照对准标志将ITO玻璃基板与LCOS硅基晶圆粘合，接着利用真空设备向液晶盒内灌注液晶材料，最后封堵灌注口。

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像素矩阵单元结构

组成LCOS显示像素矩阵的基本单元电路主要有DRAM和SRAM两种结构。如下图所示的DRAM像素单元电路中设置了存储电容，因此可以直接接受列数据线送来的模拟视频信号，使得每种基色能产生6～8位的灰度等级，这样便显示出非常好的色饱和度。

像素显示原理

入射光进入偏振光变换器(PBS)，该变换器反射S偏振光，S偏振光穿过玻璃盖板和ITO公共电极进入液晶层，被下面的镀铝电极反射后再次穿过液晶层、ITO电极和玻璃盖板进入偏振光变换器，变成P偏振光射出。由于镀铝电极是液晶控制电极，在它上面加有图像信号电压，液晶分子因图像信号电压的作用，取向状态发生改变，反射出的光通量受到调制，像素阵列反射光的总和就形成了图像光信号，再通过投影透镜进行聚焦、放大后投射到投影屏幕形成光图像。

在下图所示的SRAM结构中每个像元有由多个晶体管组成的静态锁存器，这样可以把数据存储在像元的位置，通过用数字信号控制显示，每个像数或是反射光线或是不反射光线，也称双态式，即像素仅工作在开态或关态，无灰度变化(类似STN中的帧频控制法则)，灰度显示通过时分技术(TDM)获得。

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LCOS芯片设计

LCOS芯片是一块复杂的数模混合电路芯片，这类电路的复杂性不仅要求同一条生产线能同时兼容数字和模拟IC的生产工艺，更重要的是针对市场需要如何准确、快速地设计出LCOS显示芯片。对于前者有一定规模的现代半导体加工工厂都能相对容易地实现，而后者很大程度上决定于所采用的EDA设计平台。

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显示屏集成技术

LCOS显示屏的封装主要有以下几步工艺流程：首先固置LCOS液晶屏，然后完成与IT0公共电极、LCOS芯片上焊盘电极的电学连接，最后嵌套保护框架等机械组件。下图是所研制的LCOS微型显示器的结构示意图。

LCOS器件的合格率是目前制约LCOS发展的一项主要因素，因此封装技术必须不断改进才能满足LCOS显示技术产业化的发展趋势。