（微电子学与固体电子学专业论文）lcos微显示技术研究与设计.pdf

! ! ! ! 。一 -_-_一 摘要 作为目翁信息嚣示领域公认的最有前途的技术，l c o s ( l i q u i dc r y s t a l o n s i l i c o n 硅上液晶显示) 是c m o s 半导体集成电路技术和液鼹显示技术相结台的 产物，其有蕊密度、高分辨率、高开口率、离亮度、轻、薄、成本低等优点。因 此，撼于l c o s 髌抉方案的h d t v 和近眼显示系统具有庞大的市场潜力。l c o s 显示系统的核心部捧楚l c o s 显示芯片。论文敲设计“一个分辨萃为3 2 0 x 2 4 0 l c o s 显示屏基板电路”入筝，对l c o s 显示技术做了初步研究。 论文主溪设计了令嗣予近限激示系统的q v g a 分辨率的l c o s 显示屏基 板电路。由于l c o s 显示芯片结构特殊硅片和液晶集成，论文首先研究了 l c o s 投影系统，然嚣分章厅了液晶错精魏选择及液晶工作模式豹设计，给遗了适 合于场序制彩色化盥示芯片的快速t n 液晶的物理特性及电光特性。 接着，论文着耄绉述了象素单元寇路静设计，译绪讨论了沟道魄麓注入效痤 等对电路精魔的影响；建立了单元电路的图像闪烁模型，系统分析了图像闪烁的 套耪辍理霜演豫阗烁豹方法。 然后，本论文详细介绍了基板电路的系统设计和电路模块设计，提出了种 8 遴遴数据驱动、基于d r a m 缝稳有溧跨翻的、l c o s 基板邀路系统结掏，涎舄 o 6 u r n 、双层多晶硅、c m o s 工艺完成了整个系统的设计与仿真。该结构实现了 渡鑫的 氐压驱动。程骞溪阵裂设计磷究中，分摄了各耱擎元存簇毫窖设嚣方法， 用以减小单元电路面积：讨论了有源阵列的带宽与互连线寄生电容、寄生电阻的 关系，绘出了一定熬伐 皂方嶷；分摄了光瀵潺导致潺毫毫渡瓣税理，并提供了实 现良好的光屏蔽的方案。论文设计的8 通道数据驱动电路，蟛个通邋共享一个8 位精度、1 3 。5 m t l z 媳d a c ，实现摹蘩色鹁2 5 6 令获度等级黢示，越越大大减毒 了驱动电路黼积。 文章的最后一章对论文所作工传进行了憨缝，势对今盛黪工l 乍撼爨了整爨 己的看法和建议。 关键词：穰上液晶显示；快速t n 液晶； 高清数字电视；近眼显示系统 豢素苇元毫黯；象素节距； 图像闪烁模黧；有源阵列； 光屏蔽：场序制彩色化； 液晶电光特性：微熙示器； 垒! ! 塑! ! a b s t r a c t a st h em o s tc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t i n gi n f o r m a t i o nd i s p l a yt e c h n o l o g y , l i q u i dc r y s t a lo n s i l i c o n ( l c o s ) a n e wt e c h n o l o g yb a s e do nc m o si ca n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y f a b r i c a t i o np r o c e s s ，h a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t 1 0 ww e i g h ta n ds m a l li ns i z e ，y e tr i c h i ni n f o r m a t i o n c o n t e n t h d t v , n e a r - t o e y ea n dp r o j e c t i o ns y s t e m sb a s e do n l c o s p a n e l sh a v ev e r yl a r g ep o t e n t i a lm a r k e t v a l u e f o rt h i sr e a s o n w ed os o m er e s e a r c hw o r k o nl c o sd i s p l a yt e c h n o l o g yi n t h i sd i s s e r t a t i o naq v g al c o sp a n e l b a c k p l a n e i n t e g r a t e di n t on e a r - t o e y es y s t e m s i sd e s i g n e d f i r s t l y ，b e c a u s eo ft h es p e c i a ls t r u c t u r eo fl c o sp a n e l c o n s i s t i n go fb a c k p l a n ea n d l i q u i dc r y s t a ll a y e r , a f t e rr e s e a r c hl c o sp r o j e c t i o ns y s t e m s ，a n da n a l y z eh o w t os e l e c tl c m a t e d a la n d d e s i g n l cm o d e s ，f a s t r e s p o n s e t w i s t n e m a t i c ( t n ) l c f i tw i t h f i e l d - s e q u e n t i a lc o l o r ( f s c ) s y s t e m si sp r o d u c e dw i t h i t s p h y s i c a l c h a r a c t e r sa n d e l e c t r o o p t i cc h a r a c t e r s e c o n d l y ，m o r e c o n s i d e r a t i o ni sf o c u s e do np i x e ld e s i g n ，i n c l u d i n gr e s e a r c ho nc h a r g e i n j e c t i o nm e c h a n i s m t ol e v e lu po u t p u tr e s o l u t i o n a n ds oo n af l i c k e rm o d e lo fp i x e li s a l s oi n t r o d u c e dt oi d e n t i f yc a u s e so ff l i c k e rf o re a c hm e c h a n i s ma n dt of i n do u ts o l u t i o n s o ff l i c k e rm i n i m i z a t i o n t h e n s y s t e ml e v e ld e s i g no fb a c k l ：i l a n ea n dc i r c u i tm o d u l e sd e s i g na r ei n t r o d u c e di n d e t a i lal c o sb a c k p l a n ea r c h i t e c t u r ew i t he i g h td a t ad r i v e rc h a n n e l sa n dd r a m p i x e l a r r a yi s r e a l i z e da n ds i m u l a t e dw i t h5 v0 6 u r nd o u b l ep o l yc m o s t e c h n o l o g y i nt h e s e c t i o no fp i x e la r r a yd e s i g n 、s e v e r a lk i n d so fd e s i g ns o l u t i o no fp i x e ls t o r a g e c a p a c i t a n c e a r ea n a l y z e dt om i n i m i z et h ep i x e lp i t c h ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t i v em a t r i xb a n d w i d t h a n dp a r a s i t i cc a p a c i t o r s p a r a s i t i cr e s i s t e r so fi n t e r c o n n e c ti s a l s od i s c u s s e dt om a k ea o p t i m i z e ds o l u t i o n a tt h es a m et i m e t h el i g h ts h i e l d i n gi s s u ei sc o n s i d e r e da n ds o m e p o s s i b l es o l u t i o n sa r ep r o p o s e d t h ed a t ad d v e r , w h i c hh a s8c h a n n e l sa n do n l yo n e8 - b i t 1a 5 m h zd a ci ne a c hc h a n n e lt or e a l i z e2 5 6 g r a yl e v e l s h a sm u c hs m a l l e ra r e a c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r e s i nt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，s u m m a r yo fp r e v i o u sw o r ka n ds u g g e s t i o nf o rf u t u r e w o r ka r eg i v e n k e yw o r d s ：l c o s ；t nl c ；h d t v ；n e a r - t o - e y es y s t e m ；p i x e ic i r c u i t ： p i x e lp i t c h ；f l i c k e rm o d e l ；a c t i v em a t r i x ；l i g h ts h i e l d i n g ；f i e l d - s e q u e n t i a l c o l o r s y s t e m ；e l e c t r o - o p t i cc h a r a c t e r o f l c ；m i c r o d i s p l a y ； i t 苎二兰! i 童一一 第一章引言 1 1 引言 随着人们工作效率和生活质量的不断提高，对信息显示的需求也不断提高。 一方面，大屏幕显示的需求越来越大，例如，会议显示、高清晰度电视、家庭影 视显示以及多媒体终端显示等等；另一方面，各种消费类及商业类多媒体应用均 要求移动通信设备具有高质量的显示终端。由于传统的g i r t 显示器不仅重而 且体积大、耗电多，进入二十一世纪以来，在信息显示领域平板显示器成为显示 技术中的主流产品。 目前，平板显示技术主要分为三大类：以t f t 为主的液晶显示，等离子显 示( p d p ) 和以液晶硅上显示( l c o s ) 、数字光处理( d l p ) 为代表的微显示 技术。 高温多晶硅t f tl c d 2 分辨率高，图像质量好，目前在笔记本电脑和手机 主屏市场上占据主导地位，而且随着t f t - l c d 技术的不断完善和成本的滑落， t f t - l c d 逐渐成为近年来台式p c 和电视这两个最大显示市场的亮点。但是， 由于它的衬底材料需用石英板，同时它的显示屏与驱动电路分离，显示屏的引脚 非常多，封装技术复杂，成本相对较高。而且随着分辨率的不断增大，成本急剧 上升。再加上该技术固有的开1 = t 率低、具有黑色栅格等缺点【3 ，t f t - l c d 主要 用于4 0 英寸以下的p c 显示器和彩电屏幕。而且其色彩再现能力较差、响应时 间较长，这些缺点使得它们不太适合于显示快速运动的视频。 等离子显示，俗称p d p 是一种利用气体放电的显示技术【4 。它采用了等离 子管作为发光元件，屏幕以玻璃作为基板，基扳间隔一定距离，四周密封形成 个放电空间，放电空间内充入氖、氙等混合惰性气体。当向玻璃板电极上加入电 压，放电空间内的混合气体便发生等离子体放电现象，放电产生紫外线，紫外线 激发荧光屏，荧光屏发射出可见光，经过适当的技术处理，现出彩色图像。等离 子显示屏色彩较精确、对比度较高和观看角度较宽，但它们会带记忆、较重和耗 电量较大。用于大屏幕显示时，和t f t - l c d 相比，等离子显示具有明显的价格 优势，因此当前大于5 0 英寸的显示屏主要选择等离子技术。而由于t f t - l c d 的技术进步和成本下降，4 0 英寸显示屏成为等离子技术和t f t - l c d 竞争的焦点。 不管是t f t - l c d 还是等离子显示，它们的制造成本都比较高，而微显示技 术可以生产出尺寸小而且相对便宜的平板显示器，同时具有和t f tl c d 相媲美 的图像质量a 因此，它在将来有主导4 0 到6 0 英寸市场的潜力。微显示器【5 】已 复旦大学硕士学位论文 经成为一项最热门的技术，它能够使得新一代大屏幕电视更轻更薄，目前业界顶 级熬淡荧电子公司癸番望这一技本麓最终点燃美国瘫涛嚷凄数字毫筏市场，一致 认为微显示技术将使得平板显示器成为启动高清晰度数字电视这一利润丰厚的 潜褒枣场的哭键。 当前，微显示技术主要有数字光处理( d l p ) 微显示和液晶硅上盟示( l c o s ) 、 毫懑多晶硅技术三薏孛。d l p 技术积舞漫多爨硅技术有专利投超题【键，技术攀撵 在个别公司手中，如数字光处理技术的核心数字微棱镜器件( d m d ) 由德州 仪器控制、索尼和爱普生掌控裹温多晶硅技术；薅l c o s 技术提鼹寒说，技术 开放，很多科研单位和公司积极参与开发和艨用。l c o s 解决方案已经对亚洲地 区的h d t v 开发产生很大的影响，照洲镢宠的代工厂已大璧投资予l e 0 s 王艺 和设备，积极参与到该技术的开发和应用，这些代工厂包括台湾地区的u m c 和 t s m c ( 台联电和台积电) 以及上海中芯国际( s m i c ) 。 1 2l c o s 显示技术概述 l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n 硅上液晶显示) 技术 7 】是c m o s 半导体集 成耄路技术帮渡鑫嚣示鼓零掇缝合懿赣鼓拳。这两矮技零魄较戒熬，茏萁是聱晶 硅迁移率高，可实现驱动电路，甚至控制电路乃至信息处理系统都可集成到摄示 羼上，有裹壤集成化瓣霉爱瞧。弱瓣l c o s 显示嚣蒸寿毫密度、鑫分蘩率、高 开口率、高巍度、轻、薄、成本低等优点，能实现更高的对比度和亮度，且象素 尺寸小，睫饕配套光攀器l 孛茅羹惫路技术躲藏熬，成本g l 进步降低，是最毒藩途 的技术。 l e 0 s 系统蜃震微型显示器是哭鸯拇接头大小黪裹分辨率滚燕鬟示嚣，瓷经 过光举放大麓，这种驻示器能够提供数据和视频应用的高质爨大画面显示。潦于 l c o s 的微擞示器是窍源矩黪滚晶显示器，该嚣 孛工终于反射模式。窍漂矩簿穰 用c m o s 工茳制作在硅芯片上，l c o s 利用硅技术的先进特性实现了越来越小 的尺寸，在棚同尺寸上可以实现更燕象素( 更离分辨率) ，提麓了系绞瞧韪。凑予 象素大小在7 到2 0 微米之间，因此即使具有上百万象素的分辨率，鼹示器的尺 寸还熄很小，通常对角线长度小于一英寸。鸯源矩障魄路提供个分予每个蒙素 电极和一个公共透明电极之间的电压，后者囱一薄层液晶与蒙素电极隔开。象素 电极还作为一个非常平整的离反射镜藤。控制蹑像形成的电予电路铡佟在硅蕊片 上。这种单元结构其脊下列优势：它使图像象索面积减小，因为电路是在象索后 面，不会阻挡光路( 这是一种“屏蔽门”效应，一般出现在多爵醚投影系统上) ：这 释结拇往樗l c o s 徽显示器更加容翁扩展到摄高的分辨率，因为象索可以做得 更小，可以在较小的芯片上实现更多象素。将l c o s 器件与独特蜘光学系绫结 2 第一章引裔 合可以形成用于高清晰电视的显示器。光学系统用极化光照射l c o $ 器件，将 红、绿窥蕊三色光分离并最后缝盛全彩鼙豫，著投影到屏幕上。檄纯竞入瓣弱 l c o s 器件上，液晶光电转换根据施加到每个象素电极上的电压对极化光调制。 反射熬鎏豫与入射光分离并放大，然焘投射爨屏幕上。蠢琵次穿过渡鑫，奎予渡 晶开关时间更快，将能更好褥现运动图像。 与其强漫示技术媚毙，反鼓式l c o s 技零爨亳麴下毒逡缆势【s 】潮：1 ) 霹淤 利用标准c m o s 工范生产显示芯片的基板，然后采用若干微显示器独有的处理 步骤处理，援嚣在逶当的l c d 工艺线上完成越装；2 ) 可缝小显示鼷尺寸，麸悉 降低系统物理尺寸，减小重爨，降低成本；3 ) 即使象素尺寸非常小，仍可得到 非常赢的牙口率；4 ) 可剩j 麓硅平霞技术孛黪化学捉城擞光技术褥到 襄理怒熬 反射镜面；5 ) 可以利用半导体的淀积技术和整平技术精确控制液晶盒的厚度， 大大提高厚度均一憾。 由于它的技术和制造优势，l c o s 技术将成为大屏幕投影显示的主流，广泛 餍于h d t v 和投影仪。同时，由于l c o s 慰示器其枣尺寸小、功趣低、分辨率 高酌优点，可以作为虚拟显示屏应用于移动通信设备、和移幼类消费产品，如数 字摄像机、w 视移动电话、p d a 和头盔显示器等等f l0 1 。正怒看到7l c o s 漫示 技术豹巨大市场潜力，很多潮际上知名大公司纷纷蠹布进入这领域。 目前l c o s 显示的研究以美国的f a b l e s s 公司为主，有t h r e e f i v es y s t e m 、 m i c r o d i s p l a y 、d i s p l a y t e c h 、m i c r o p i x 、k o p i n 等公司。这些公司都已经开发出一 些l c o s 微盟示器的产品。很多国赋知名大公司也开始涉足这一领域，如融t e l 、 飞翻浦、富士通、j v c 、三麓、l g 和i b m 等。国内一些知名电视机生产商也纷 纷表示要开发l c o s 背投电视，假目前的开发样品都是基于国外公司提供蛇 l c o s 显示器。为了发震本溺豹显示产整，程国际上尚未形成l c o s 产业链的情 况下，能够跟上国外研究步伐，抢占技术高地，复旦大学专用集成电路与系统国 家重点实验塞开始致力于l c o s 显示技术静研究，本课题就怒在这样的背景下产 生的。 圭3 论文的主要工作与安排 l c o s 显示芯片是l c o s 显示系统的关键。由予l c o s 技术鳇憋豫瞧，将滚 晶和硅片集成在一起，设计时最大的难点在于多学科材料、光科学、微电子 的交叉。l c o s 显示羼楚真正意义上蛉“s o c ”，基板设计要充分考惑麓彦 液晶的制造凝封装，以及电路工作状态对液晶工作状态和光路的影响，因而耍从 系统级的角度进行l c o s 的研究。设计时要考虑l c 模型的选择，从蕊确定驱动 电路的性能黉求。 圭l 于受掌握的滚鼎资料的限制，论文研究过程中只能选用快速t n 渡晶，对 ， 复旦大学硕士学位论文 应的基板驱动电路属于数模混合电路，要求低功耗、抗干扰能力强，而且因为面 积受到象素尺寸的限制，如何在提高图像质量的同时，减小电路面积，也是设计 的难点所在。 l c o s 显示技术中尚有许多问题有待解决，本论文将从设计“一个分辨率为 3 2 0 x 2 4 0 l c o s 显示屏”入手，尝试类似“s o i ”结构的基板驱动液晶盒的实现， 着手研究l c o s 显示技术。 论文的第二章介绍了l c o s 显示原理和投影系统。第三章分析了液晶材料的 选择和液晶工作模式设计的基本理论，并给出了论文选用的液晶的相关性能参 数。第四章讨论了象素单元的设计，从结构选择、功能设计和性能分析等角度进 行了深入研究。第五章介绍了整个l c o s 基板电路的设计。第六章是对整个论文 工作的总结，并对进步的工作进行了展望。 第二章l c o s 显示原理与投影系统 第二章l c o s 显示原理与投影系统 2 1l c o s 显示原理 作为l c o s 显示技术的关键部件l c o s 显示芯片，是一个多功能、多 结构的片上系统，即整个显示系统集成在一个晶片上。制造l c o s 显示芯片时， 首先在硅片上利用半导体制造工艺制作驱动面板；然后再用化学机械抛光技术 将表面磨平，并在每个象素表面镀上铝电极作为反射镜，形成c m o s 基板；接 着仍在半导体工艺线上采用光刻法在象素间的间隙中制造s i 0 2 材料的液晶隔离 柱；最后将基板与含有透明电极的玻璃基板贴合，在每个象素对应的隔离柱封 闭成的液晶盒中注入液晶，进行封装测试。在c m o s 基板中集成了c m o s 晶 体管和存储电容的有源阵列，通过开孔把阵列中晶体管的漏电极和象素电极连 接，象素电极是用铝作成的反射电极。利用液晶的电光效应，改变象素电极的 交流电压有效值，从而改变液晶盒对入射光的反射程度，调节各个象素点反射 光的强弱，实现图像的显示。l c o s 显示芯片的剖面结构示意图如图2 1 1 1 所 示，图2 , 2 1 1 1 1 为l c o s 基板照片。 图2 ，1l c o s 显示芯片剖面图 幽2 2l c o s 基板芯片照片 复旦大学硕士学位论文 为了更好地理解l c o s 的显示原理，有必要深入了解液晶的电光效应 1 2 1 3 1 。液晶分子为棒状结构，这使得沿分子长轴方向光的折射率和沿长轴垂 直方向的折射率不相等，它们之差就是液晶折射率的各向异性。折射率的各向 异性产生入射光的双折射，导致入射偏振光的偏振状态和偏振方向发生变化。 从电的角度来讲，液晶分子中含有的极性基团，使分子具有极性，如果分子的 偶极矩方向与分子长轴平行，这种液晶称为正性液晶；如果偶极矩方向和分子 长轴垂直，称为负性液晶。在电场的作用下，偶极矩要按电场方向取向，使分 子原有的排列方式受到破坏，从而使液晶的光学性能变化，如原来是透光的变 成不透光，或相反。这种因外加电场的作用导致液晶光学性能发生变化的现象 称为液晶的电光效应。迄今，已发现的液晶的电光效应包括：负性液晶的动态 散射效应( d s ) 、电控双折射效应( e c b ) ，正性液晶的扭曲效应( t n ) 、超扭 曲效应( s t n ) 等等。图2 _ 3 为一种常自型t n 液晶的电光特性曲线示意图，从 该图可以看出，当液晶两端电压小于阈值电压，液晶的光透过率为1 0 0 ， 当电压大于饱和电压k ，光透过率趋于小于1 0 ，在阈值电压和饱和电压之间， 随着电压的增大，光透过率单调递减。 糌 捌 蝌 米 1 0 0 9 9 0 酋 孟 4 5 蠹 v t h v 8 驱动电压有效值 图2 3 液晶电光特性曲线 从入射光照射到l c o s 显示芯片到最后反射光输出的光路可以看出，每个象 素液晶盒中液晶的折射率决定了最后输出的反射光的光强。假设每个液晶盒中 的液晶特性均匀，有相同的折射率，( 每个象素液晶盒面积很小，假设可以成立) ， 每一个液晶盒可以看作一个象素点。图像信号可以用每一个象素点的象素电极 电压表示，而象素点在象素电极和i t o 电极构成的电场控制下，象素点的光透 过率受到控制，从而实现了整场图像的显示。 第二章l c o s 显示原理与投影系统 2 2l c o s 显示系统及显示芯片性能 按照显示系统中使用的l c o s 液晶芯片的数目，l c o s 显示系统可以分为 荤篾式投影系绞霸三泞式投影系统。逶霉程擎片式系统中，袋爱薹雩瘸分色穗? 色 系统实现图像彩色化；在三片式系统中，采用空间混色法实现图像彩色化。 对闯分霞，合色毙学系绞【1 4 】遁鬻采用场痔案援魏( f i e l ds e q u e n t i a lc o l o r f s c ) 技术，采用一块液晶片来调制三基色。为了柱向列型液晶片上显示颜色， 被显示的隧像在到这渡晶片之前分织成它懿r 、g 、b 三个予图像。予图像然蓐 按定的次序被写入到基板电路。幽红色图像存储在基板的时候，设备用红光 照明，同样，绿色予图像对应绿光，蓝色予图像对虚蓝光，三群基德按照一定 顺侉轮流照明液晶片。由于c m o s 旗板的内在速度和小尺寸，可以保证这个过 程足够快，从而产生与设备楣协调的全色。其实，农滚晶片上的图像在每一对 亥l 郡只有一种颜色，但由予人眼的响应速艘较颜色的切换幔的多，所以反射图 像入射到眼睛视网腆上就会形成彩包图像，实现在时间上的合色。啜2 4 绘出 了攀片投影系统示懿鹜。 r gb 图2 , 4 单片式投影系统示慧图 荦片式l c o s 投影系统可以实现完美的颜色汇集，这是由于只商一块液晶 片提供三种颜色，不会出现浆素的错位，而鼹出于液晶片数鼹的减少，整枧蛉 费臻逸随之减少。偿怒，单片式l c o s 投影仪必须其有快速响应的液晶效应， 这样才能获得良好的亮度、对比度和颜色饱和度。 獬磊喜孑必壹，场垮爨明系统中院较努酌脊两种，p h i l l i p 公司提出的卷动颜 色光举系统和j v c 公司发明的颜色切换光学系统。 圈昌小 星呈杰堂堕主鲎蝗笙壅 在卷动颜色光学系统中，每一时刻r 、g 、b 三基色都照明在液晶显示屏上， 只是每耱蘩毪豢只照瞬滚鑫片i 3 懿嚣积，每秘基趣繁扶上到下卷渤，当一耱 基良带卷动到最底部后，会迅速返潮到最顶部。其照明图案如图2 5 所示。如 果只囊察每个液晶片1 3 盼蕊积，则基色按照时阕蹶序连续照嚷到滚晶冀貔， 但怒三基色又是同时照明到整个显示芯片的。图2 6 是这种l c o s 投影仪的光 学系统，自兜通过二色镜系绞后在空闻上分勰成r g b 三基色，每嵇纂色通过摆 摇棱镜后合成单一的光束。该光束通过p b s 照明到液晶片上，调制过的光携带 着图像信息通过投影镜头投影到屏幕上。扫描棱镜主要是馒每静基龟带产生垂 直方向上的移动，卷动扫描液晶显示屏的不同部分。 颜色条绞 自上而下 滚动 n i u 遣蛙竣 红r 绿 儿 蓝v 图2 5 卷动颜色光学系统l c d 照明图案 熙2 , 6 卷动颜色光学系统 另一种方法是采用颜色开关结构。前面的卷动颜色光学系统中，捆描棱镜魄 转动会产生壤援、嗓音甚至缀动，严重影确麓系统静性能黧寿命。颜色开关绪 构是一种非机械的颜色转化装置，巧妙地利用了偏搬干涉滤光片和液晶结合的 骚毽产生懿黪上筑羧篷分蔫，瑟盈它豹驱瑟偿号篱擎荠容易集成。凝色开关结 构是个透明的设备，包括3 个液晶开关和颜色控制偏振器件。在该结构中， 对阕窍到缀凑暴动态泼交，露显不要求鼹襄瞧重复赣窭。它j 簿ll c 开关决定照 明，切换过稔中图像的色度不受影响。除此以外，该装置重爨轻、尺寸紧凑， 功裁，l 、，缀逶合便携式投影焱绞中。强2 。7 绦出了联篷开关结李奄痤溺在擎片式 投影系统的装置图。 签兰皇! ! q ! 星至堕遐皇量整曼堡 一一 鹜2 。7 采耀鬏惫牙关熬l c o s 投影系缝 l c 砼 空闻分镪产套色光学系统【1 5 】莺毙对必源瓣光奁窆露上遴行分色，然蜃分溺 照碉到3 个液晶片上，分别调制后褥在空间合成彩色图像。由于三片式l c o s 投影系统是融光学系绫将自光分解贼三基色，然后对每季孛基煎分别调裁，繇以 形成的图像颟质更加细腻，阁形亮度较高。图2 8 怒目前普遍采用的p h i l l i p 棱 镜光学分色食色系绫，对输入的白傻振光进行分色，分别遴行调割簌，犍携豢 图像信息的光投影到屏幕上。这种分色合色系统原懑简单，分色性能好。但怒， 它对角度敏感，如果入射角度不符台条件和入射角度过宽，都会弓l 起蹶色失粪。 光源q 匿2 , 8 采用p h i l l i p 棱镜的投影系统 不同的应用领域，采用不同的l c o s 投影系统。现在，凌几个重要应爰中， h d t v 和背投式投影仪一般使用三片式投影系统；逝眼显示系统多采用单片式 显示。而用于三片式系统的l c o s 显示芯片的性能要求与用于单片式系统黪蕊 n 门u n二=u 复旦大学硕士学位论文 片不尽相同【16 ，如表2 1 所示。 表2 1 用于投影仪和近眼显示系统的l c o s 显示芯片性能比较 性能参数投影仪近眼显示系统 芯片尺寸大小 画面分辨率高( x g a )一般( = s v g a ) 对比度高一般 亮度高 低 功耗 无所谓很低 芯片厚度 不重要非常重要 成本 般低 在近眼显示系统中，因为大部分的入射光经过象素镜面反射后都射入人眼， 使得光有效利用率非常高，所以只要4 0 m w 的普通光源照明就能获得较高的亮 度。相反，大屏幕的投影仪和h d t v 光投影区域很大，光有效利用率低，如果 要获得和近眼系统相同的画面亮度，一般要采用功率大于1 0 0 w 的光源。而由 于照明光源功率大，芯片工作在强光源的长期照射下，投影仪用l c o s 显示芯 片硅基板的光屏蔽特性要求远远高于用于近眼显示系统的芯片硅基板的光屏蔽 特性要求。画面亮度不仅和光源功率密切相关，还受到芯片象素镜面反射率的 影响。因此，投影仪用硅基板镜面反射率要求更高，也就是说，镜面平整度要 求更高。 同时，由于大屏幕显示的需要，用于投影仪和h d t v 的l c o s 显示芯片必 须具有很高的分辨率和2 2 4 以上的可显示颜色数( 即每种基色的显示深度8 位) 。 另一方面，近眼显示系统一般便携使用，采用电池供电，要求功耗尽可能 低；为了方便携带，要求芯片面积小，系统小型化。而投影仪和h d t v 对功耗 和芯片面积的要求要宽松的多，因此这不是设计主要考虑的问题。 由于近眼显示系统往往采用场序制实现彩色化，采用的l c o s 显示芯片的 响应速度为场频频率，是帧频的3 倍。因此，用于近眼显示系统的l c o s 芯片 速度要求比用于投影仪的芯片速度高的多。 综上所述，设计用于大屏幕显示投影仪和h d t v 的l c o s 芯片时要求芯片 具有以下特性：在强光源照射下芯片可靠性和工作稳定性，良好的光屏蔽特性， 高的镜面反射率，高分辨率和更多的可显示颜色数。用于近眼显示系统的l c o s 芯片设计难点在于要求芯片具有以下特点：功耗低，面积小，扫描速度快，液 晶响应时间短。 第三章液晶材料选择与工作模式设计 由于l c o s 显示芯片的特殊结构，主要由硅基板和液晶两部分组成，液晶 特性对显示芯片性能的影响非常重要，决定了基板电路和光学引擎的性能参数， 如对比度、亮度、速度和电路功耗等等。因此，必须选择合适的液晶材料和液 晶工作模式，使得半导体基板电路、液晶和光学引擎互相匹配从而实现最佳的 系统性能。l c o s 显示芯片中封装的混合液晶的设计一般要遵循以下流程 1 7 ： 当确定l c o s 液晶显示器整机性能后，分析得出液晶屏的特性，然后通过模拟 计算近似求出表征液晶物理性能的所有物理参数，根据这些液晶的物理参数， 通过实验合成能满足要求的液晶组分或寻找相匹配的液晶产品。 本章先对液晶的基本物理性质做个简单介绍，然后分析液晶材料选择和 工作模式设计的思路与方法，最后给出符合论文设计要求的液晶性能参数。 3 1 液晶的物理性质【1 8 】 有一类有机化合物，将其加热至温度t 1 ，会熔为具有类似于晶体的光学各 向异性而混浊粘稠的液体；若继续加热到温度t 2 ，则进而变成光学各向同性而 透明的液体。在t 1 和t 2 之间，呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各 向异性，处于这种状态的这类物质称为液晶。他们既不同于不能流动的晶体， 也有别于各向同性的液体。 液晶由棒状或板状分子组成，这些分子以各种液晶特有的规则排列，但共 同点是各分子的长轴平行，指向某一方向，或各分子长轴方向不尽相同，但宏 观上有某一平均方向。正是由于液晶分子的细长或扁平形状及有指向性的排列， 使其物理参数在分子长轴方向及其垂直方向上取不同值。这种表征液晶物理特 性的参数随方向而异的性质，称为液晶的各向异性。液晶的各向异性及其分子 排列易受外加电场、磁场、应力、温度等的控制，从而得到了多种应用。 在外加电场作用下，由于液晶分子排列的变化而引起液晶光学性质改变的 现象，称为液晶的电光效应。液晶显示器正是利用液晶的电光效应，实现光被 电信号调制的。 3 1 1 介电各向异性占 由于单个液晶分子轴向与垂直于轴的方向具有不同的物理性质，有各向异 复旦大学硕士学位论文 性的介电性，所以熬体液晶材料的介电性也是各向异性的。液晶介电各向异性 矢凌定液鑫分子在魄强孛嚣海熬主装参鼗。 氇= 8 t | 一l “和g 分别是平行和垂壶于分子轴方向上的介电常数。一般说米，占取决 子多令参数篷，包攮滚晶分子豹授纯度、分毫常数豹奇髅效应、嚣逸子露系豹 影响等等。一般情况下，若一定温度下液晶分子结构中不含永久偶极矩，液晶 穷嚷各自冀经主要敬决于分子戆投纯度。蓑液晶分予疆辍缎窥分予长辘藏夹螽 的大小也是决定介电各向异性正负的关键参数，占0 是正性液晶，占 l ，爱浚了液菇中靛离子沿分子鞴商的运动比羹矗 于分子轴向的运动容易。对于近晶型液晶，仃 1 ，反映了液晶中的离子在分子 墨敬阗运魂魄较客荔。嚣鼗可鞋扶液鑫魏毫罨备秘器经静不同亲分橱液晶的状 态变化。液晶中含有杂质或弱电解质时，载流子数目增加，会导致电导率增高。 淫合滚晶在瀑度变化发生韬变对，魄导率恣会发生燮纯。 3 1 3 萎度 液晶的粘度对器件的响应速度( 上升时间和下降时间) 有较大的影响。因为 液熬灼糙涝悉数越大，擐起矢在雏场或叁身弹缝力豹俸趸下，获一个态转交到 另一个态的时间就越长。对于向列型液晶，其粘度系数与活化能、漱度的依赖 关系淹： r = e x p ( 一e k t ) 为沈镛常数，e 为滔化能。一般来说，分子极性越强，取代罄团炭谶越 长，炭原子数基越多，糙凌魄载越褰。目时，滚磊黥精度恣与厅毫予钵系数嚣 和共轭程度有关。 3 1 4 双折射 光在光学番向异瞧瓣滚鼓中传援瓣会发生双提射疆象。当党经过渡鑫露，棼 第三三章液晶树料选择目工作模式设汁 寻常光的折射率大于寻常光的折射率，即n o q l e ，这也表明寻常光在液晶中的传 撵速度大予菲寻露光，对予党搴粪爱豢窝矢采攘逑熬淘裂型滚磊：搿= 撬一n o 。液 晶的光学各向异性与其极化各向异性有关。同时，随着光波长的增加，折射率 逶鬻会降低。 3 1 。5 弹性豢数 弹性常数为描述液晶分予弹性形变的物理量，用弯曲弹性常数( k l i ) 、扭曲 弹性誉数( 鹣2 ) 和展些弹投常数( ，) 采撼述，一般来说，这几个弹性系数 1 0 _ 1 1 0 _ 2 之间，并随着温度的升商而降低。当液晶分子结构垂直于轴的方向 引进其他基溺因页零致液晶分子宽发增搬时，k l l 馕增加，妫3 大体缳持恒定， k 3 3 服i l 比值减小。丽液晶分子链长增加时，也会导教k 3 3 服l l 降低。另外，分 子永久偶极姬对弹陡寓数也寓一定程度的影响。k 3 3 服l l 比馕越小，液鑫材料蕊 电光曲线越陡峭，液晶的驱动电压范围越小。 3 1 6 有序参数s 在器件的青4 备中，用垂直取向处理域平行取向处理方法形成垂直分子排列或沿 面分子排列，但并非所有分子都能徽整齐肖序的排列，为了有效酌定量表示这 种整齐有效排列达劐的程度，用有序参数s i r e 柬定义液晶分子排列的有序程 度。它壹接影嫡虱液晶的辍亿率、介电常数等物理能质的备向异性。 这些物理性质对器件参数的影响如图3 1 所示； 介电各向异 篡：驱动电蕊 鞘攫 光学器盎异性 对比艘+ 蠢廖参数 相变温度工作范围 图3 1 物理特性对器件性能的影响 3 2 液晶选择与设计 液晶设诗翳重，营先要选择台适蠡孽滚鑫毒孝辫，霆为滚鑫缝戆移毒孝翳特往紧密程 关a 由上一节分析可知，液鼎材料的各向介电常数、粘度系数和弹性系数决定 了液晶口自应速度；固对液晶购双折懿越也由耪料特热决定，出于工作模式饯伲 后d 妇确定，所以山t 对液晶响应速发和驱动电压有间接影响，同时世i 影响到液 晶盒熙度的棚对均匀性。 重呈奎堂堡主鲎照堡塞一 萁次，液晶设计时，选择合适的液晶工作模式也非常重要。因为，不同的工 终搂式对应不霜毂液燕电光彀痤，褥奄竞效盛壹接与显示瓣魄褒、穗斑邃黢、 亮度以及分予取向排列的均匀性有关，不仅对显示性能有羹要影响，而且影响 到整个系绞瓣残本强功耗。选择滚暴工 乍模式霹，主要默以下且令方瑟考虑 【2 0 】：液晶龠的驱动电压范围：可以获得的对比度；电光转换效率溅光通爨； 对液晶盒厚度不均匀蠖麴宽容度；获度实瑗方法；液瑟工慧难度戳及原耪辩豹 来源是否丰甯。 一般滚晶躲工作模式可以角参数向量 。t n 波燕 应用最广泛，取向容易，制作技术成熟。表3 2 给出了几种典型的扭曲向列液 晶电光效应模式。但是随着搬示要求的不断提高，这些典型电光效殿模式已经 不能满足设计需求。因此，要采用动态参量空间法分析液晶盒的工作模式，优 化工传模式 2 3 】卫4 】。 d 拧 。电擞效应模式摄藏受镳掇冀受发 常岛模式常瞎模式 hfe 4 5 40 4 0 3 6 20 9 6 8 刖 5 4 。0 。 0 3 5 9o 9 5 l t n - e c b 6 3 7 。矿 0 ，3 5 40 9 3 5 m 1 n 8 0 42 0 。 0 4 50 8 6 4 s c 鞠q 6 0 。3 0 4 0 6 10 9 4 3 备注：1 ) h f e ，混合电场效应； 2 ) r t n ，反蒡| 稼髓囱剜； 3 ) t n - e c b ，扭曲向列电按取折射 4 ) m t n ，淀台越曲向弼： 5 ) s c t n ，自补补偿扭曲向列； 旗态参数空瑟是爨在( 瓤蕊幻，v ) 空溺串不鞴电嚣下，一系弱透龛眚或反瓣率 等高线图组成，其中个参数固定。遮个方法是建立在有效变分指向矢计算程 序基萋爨主，裂惩b e r r e m a n s4 x 4 篷箨方法诗冀光学穗蒺。采麓动态参数参量空 间法，可以计算出对应每一个扭曲角在指定驱动电压控制下液晶分子的指向矢 分蠢，嚣量对予每一个援錾热，郝 # 穗反瓣奉帮d a n 豹关系熬线；驳器褥至每 一种工作模式下的液晶电光反应曲线。 为了适应彩色场廖割显示，要求波爨煮较沃煞稳瘫速度；同露势了镬鬻标 准c m o s 工艺设计砝旗板电路，要求液晶有较低的驱动电压。在这两个基本条 譬约粜下，根据上述分掇懿滚罴工传模式与滚鑫誊孝粒辩芯片教系统瞧耱戆影啕 堡里杰兰堡圭鲎焦丝苎 关系，进一步研究厝可以发现目前适合彩色场序制反射式l c o s 盟示的液晶主 要蠢秀辞：袭瑟稳态铁龟滚燕露莰潺霹滚磊。表3 3 黠铁魄液晶裁获速蛩滚 晶进行了对比。铁电液晶【2 5 的响j 夔速度非常快，不仅可以用场序制实现图像 彩色亿，纛且可以麓眩彦法实褒灰壤显示，扶瑟建藻援龟黪酉弱缝数字工麓实 现，同时驱动电压低，系统功耗小，因此采用铁电液晶的l c o s 将是今后j 眨眼 显示系统斡趋势。毽是由予霹兹铁瞧渡曩墩诗难凄大，怼渡曩盒鲍零度均匀装 要求高，稳定性相对t n 液晶较差，更重要的是技术尚未酱及，我们很难获取 相关资料进步研究。为戴，论文选择了德霪m e r c k 公司设计懿浚遮鸭盛t n 液晶l c a 型。 表3 3 铁电液晶秘快速聆l 滚曩懿篦较 t n 液晶铁电液晶 响成速度l 1 0 m s1 0 , u s 曩缓 有源阵列驱动模式模拟连续驱动数字化驱动 状态变换决定于交潺驱动电状态变换决定予驱动电压的 电场响应 压的幅度平均值瞬态极性 3 片斌空闻混瞧： 彩色纯方案场序嗣彩色仡 或单片式场序制彩色化 象素l l 重空辩动获疫显示( 谨是 灰度寰现蓑疆瑶模耘电嚣囊连续表示 第四肇) 为了提离液磊酌晌应速度，一般有两种方法：一种是减小液晶材料的转换 粘度系数；另一种是减小液鼎盒的熙度。但是，如果减小波鼹盎厚度，力了保 持後纯好的液晶工髂模式，必须保持d 幽不变，也就是说要在减小液晶盒的同 时相应增大液晶的双折射因子血。传统的液晶材料旋增大双折射因予的同时， 转换猿度系数氇必然同时增大，因此减小液赭盒厚发的方法作用不明显，而且 液晶盒厚度太薄，工范偏差弓随的盒厚相对谡差大，影响对比度。为此，l c - a 垄滚箍壤嗣掰型液菇材籍，旋褥鬻稳对较高舱双折射因子的同时，获得更小的 粘度系数 2 6 2 7 1 。从表3 4 可以看出，和典型的高如值的b d h t l 2 0 2 型液晶 穗跑，薪登静l c a 裂滚鑫其有更大鹣a ”帮疆，j 、静孝占度系数，响应速度更侠。 该液晶的弹性常数比值小，介电各向异性大，因此阚值电压低。采用动态空间 参量法饶亿嚣，最终获得参鬟空闻为( 7 妒，1 o ，3 舻) 对应的液晶工作模式。 表3 5 为该模式液晶和b d h t l 2 0 2 裂液晶的电光特性对照表，图3 2 为当红光 照爨嚣誊，该模式滚鑫反秀| 率鞠工作奄压豹关系。可觅，液晶静v 。和v 9 。较低， 适合于电源电压为5 v 的标准c m o s 硅基板电路驱动；液晶的上升时间和下降 1 6 第三帮液晶材料选择与“作模式墩计 时间完全满怒场序彩色化模式。由于l c o s 温示芯片属于反射式液晶光路调制， 瓷绫经过滚鹣金两坎，露竞穗是透瓣式渡晶塞中翁爨倍；蕊j 驻，虽然参量窑漓 中d a n 等于1 0 ，液龋盒厚度仅设