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LCOS的基本结构与显示

发布时间:2020-11-06 09:06:51 浏览量:415 作者:Grin

摘要

LCOS是一种2000年后发展起来的新型显示技术,相较于传统的LCD显示。LCOS可以将像元做得很小,具有光能利用率高,图像解析

度高等优点。曾因制造工艺限制屡受挫折,却因其出色的表现,尤其在高清显示和智能近眼显示行业已经占有一席之地。 可以被做成

体积小、重量轻的投影模块,在汽车抬头显示、VR眼镜、智能检测等领域有着很好的应用前景。

正文


LCOS是一种2000年后发展起来的新型显示技术,相较于传统的LCD显示。LCOS可以将像元做得很小,具有光能利用率高,图像解析

度高等优点。曾因制造工艺限制屡受挫折,却因其出色的表现,尤其在高清显示和智能近眼显示行业已经占有一席之地。 可以被做成

体积小、重量轻的投影模块,在汽车抬头显示、VR眼镜、智能检测等领域有着很好的应用前景。


图1  LCOS像素结构示意图


LCOS芯片通常主要由硬质基板(Rigidiser/Stiffener)、柔性电路(Flexi-circuit)、半导体Si层(涂覆有铝反射层的cmos结构)、铁

电液晶层(FLC)、透明前电极(Front Electrode)以及镀有增透膜的窗口玻璃等部分组成。相较于LCD的透射式显示,LCOS可以将

像元做到微米级,远远小于LCD的像元尺寸。此外,LCOS采用反射式结构,即LCOS只有一个光学面,这样我们就可以在芯片的背面

布线,而无需引出大量导线,这有利于芯片的集成,提高芯片的寿命和稳定性。


图2  LCOS结构剖析图


LCOS的结构如上图所示,其中:

柔性电路(Flexi-circuit)和引线(Wire bond):将外部驱动电路板接口上的信号传输到半导体硅层(Si backplane)。

半导体硅层:该层是顶层涂覆有Al材质的可以位寻址的CMOS芯片。

像素间间隙(Inter-pixel gap):每一个铝微镜之间存在间隙,以保证每个微镜是电隔离的。

集成垫片(Integrated spacer):存在于硅层和前玻璃面板之间,用来支撑起前面板玻璃(cover-glass),维持硅层和前面板之间,

0.8um的液晶层(FLC)厚度。

液晶层:在像素两端施加电压后,液晶分子发生扭转。当合适方向的线偏振光入射到液晶层,偏振方向将发生变化。起到1/4波片的作

用,是芯片上实现光调制的部分。

取向膜(Alignment layer):与FLC相邻的硅和玻璃表面上的薄材料层。 它用于建立FLC分子的所需方向。

前电极(ITO coating):ITO是一种透明导电材料,它被用作FLC与像素镜电极相对侧的电极。

增透膜(AR coating):减少窗口玻璃在可见光范围内的窗口反射率,在宽光谱(430nm to 670nm)范围内,窗口反射率低于0.5%。


图3  左:像素的两种状态


图3左图显示了显示器如何改变入射光的偏振状态。为了简化概念,图中显示了光“通过”镜子而不是反射到镜子上的路径。这样就更容

易看到相对于显示器光轴的光的偏振状态的方向。基本上,显示器的工作方式要么是改变入射光的偏振状态,要么是不改变。这允许显

示器分别显示为亮或暗。在硅背板的控制下,铁电液晶(FLC)的光轴可以在两个方向之间切换,从而实现了显示器的这种性能。FLC的

厚度和双折射的组合产生了优化到555nm(人类视觉系统的峰值响应波长)的四分之一波板(QWP)。理想状态下,“亮状态”的光经显示器

后偏振方向旋转90度,而“暗”状态的光经显示器后,偏振方向不发生变化。

图4  PBS晶体光路


进出显示器的入射光和反射光必须在空间上分开。这通常使用分光器来实现,最有效的方法是使用偏振分光器(PBS)。PBS是一种反射

偏振器,常用的偏振面与入射光束成45度角。它可以被用来从一个非偏振光源产生两束正交偏振光,也可以根据偏振光的方向选择性

地反射或透射光。图4说明了这一点,它显示了入射到PBS上的非偏振光和从PBS中输出的两个正交偏振态。这也显示了标记

为“s”和“p”的两个输出偏振状态,这是描述关于a的偏振方向的标准方法分光镜。“s”来自德语单词“senkrecht”,意思是垂直的。即偏振

方向垂直于反射面,反射面是包含入射光束和输出光束的面和法线面。“p”来自英语或德语中的“平行”。 则可以利用下图的结构,来实

现LCOS的显示。

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