顯示技術的新亮點--微顯示器

微顯示（Microdisplay）技術
的核心就是把顯示電視圖像或計算機圖像的全部像素集成到一片集成電路上。從不同的角度出發可以對微顯示器給出好幾個不同的定義。在這里，我們根據微顯示器本身的尺寸，將微顯示器定義為對角線尺寸小于3英寸（7.62厘米）的平面顯示器。這種定義比較容易接受，包容的技術也比較廣泛。

微顯示器又稱為微型平面面板（Miniature Flat Panel），常在光學引擎中用來生成圖像。引擎是機械動力的來源，光學引擎即指光學中系統圖像的來源。光學引擎分為兩大類，一類用于投影顯示系統，一類用于虛擬顯示系統。微顯示器用于投影顯示系統時，光學系統有兩個作用，一是將微顯示器上生成的微小圖像放大，二是在屏幕上產生實際的投影圖像。正投影機的配置特征是產生最終圖像的屏幕和投影裝置一分為二。背投影機的配置特征是光學放大系統裝在圖像生成屏幕的背后。利用微顯示器的正投機已有產品面市，這些機器可以直接和手提式電腦互連。投影顯示系統的其他用途包括家庭娛樂系統、數據監視器、專業和商用投影系統、仿真系統以及數字影院。

微顯示器用于虛擬顯示時，光學系統生成的是虛擬圖像，這些圖像出現在觀察器的內部。觀看者在觀察器內部某處，可看到與實物顯示屏相同的虛像。但看起來非常之大。這些微顯示器主要用于頭戴式或手掌式PC監視器、DVD、蜂窩設備的視頻顯示器、數字照相機、數字電話尋呼機以及CAD/CAM和游戲機等視覺顯示環境，這些顯示器往往稱為個人顯示器。

到目前為止，絕大部分微顯示器用在移動通信的顯示屏和個人顯示器中，用于投影顯示的微顯示器，數量上只占很小的比例。

隨著技術的發展，差不多所有的電子器件體積都已經顯著地減小了，唯有顯示器件本身是一個例外。微顯示器的出現，極大地減小了顯示器件本身的尺寸，這就給了工業產品的設計者們一個機會，在增加圖像顯示尺寸和清晰度的同時，極大地減小顯示器的尺寸。在許多情況下，顯示器越小，整機越便宜。因此，使用微顯示器不僅僅會使系統價格下降，較小的物理尺寸也意味著產品體積將較小較輕，在利用相同電池的條件下工作時間也較長。

微顯示器與普通顯示器的主要不同在于它們可以提供高得多的分辨率。多數顯示器的全彩色分辨率只有80-100行/英寸，而許多微顯示器提供的彩色分辨率可達1000行/英寸或者更高。

從已有微顯示器芯片的生產過程看，許多微顯示器采用了混合工藝。這種工藝首先利用現有的大規模集成電路的生產線制造CMOS硅基片，然后在硅基片的另一面生成包含光調制器或光發射層的上層結構。比如，上層結構層由液晶材料組成時，就可以在具有規模生產能力的LCD工廠中完成微顯示器生產的最后工序。

通過成熟的工業流程來生產新型顯示器件導致將CMOS矩陣用作顯示器的控制矩陣。這種作法可以為芯片增加各種復雜的新功能，從而為靈巧型顯示器的誕生鋪平道路。第二，生產商在充分利用原有廠房和設備的情況下進入顯示器的生產領域。這種模式降低了微顯示器的生產投資，加速了產品上市的時間。這就是大批從未生產過顯示器產品的高科技企業迅速成為顯示器領域新秀的原因。

我們將技術上比較成熟的微顯示器大致分為四種。

發光型微顯示器事實上有好幾種不同的工藝，共同點是它們都有硅基片和發光材料層。光可由電致發光(EL)層或熒光層發出，基于熒光材料的器件往往包含真空熒光或其他新型發光機制如場致發射（FE），有機發光材料也在開發之中。

以有源矩陣電致發光（AMEL)為例，硅基片包含有源控制矩陣。電致發光的熒光材料淀積在基片另一面上，最后生成固態的微顯示器。真空熒光(VF)技術利用電子轟擊熒光材料發光，這一點很像CRT。有好幾家公司正在開發硅片真空熒光(VFOS)技術。這種技術利用CMOS硅生成控制像素發光的有源矩陣，矩陣分別控制淀積在基片上每一像素的紅綠藍熒光材料的發光，導線狀的燈絲用作激發熒光的電極。

另一種正在開發的技術是有機發光二極管。直視型OLED顯示器正處于商業化生產的初期階段，又出現更加新型的有源矩陣有機發光二極管(AMOLED)微顯示器。這種技術也是在硅基片上用淀積法生成有機發光層。利用場發射顯示（FE)的微顯示器也在發展之中。FE器件也是利用熒光材料來發光的，但工作方式不同于VF。FE器件在整個基片上生成大量細微的發射極。

透射型微顯示器有兩類，都是有源矩陣液晶顯示器(AMLCD）。它們都需要背光源，背光源發出的光在經過每一像素時受到液晶單元的調制，而液晶單元受顯示屏上晶體管的控制。這種微顯示器有用多晶硅晶體管的，也有用單晶硅晶體管的。在利用單晶硅的方式中，基片用的是硅絕緣體(SOI）而不是硅圓片。隨后，有源電極被取下來移置到玻璃基板上。下一步的液晶加工就是在這一薄而透明的玻璃基板上完成。附加的電路例如行、列驅動器，必須在基板的顯示屏的周邊部分生成。

多晶硅微顯示器不需要分開的基板材料。例如在高溫多晶硅（HTPS）方式中，所有的處理均在石英片上完成。首先，在基片上淀積一層非晶硅層，然后利用高溫退火將其轉變成多晶硅。這樣做改善了材料的電氣性能，容許某些周邊的行、列驅動器在顯示屏晶體管附近生成。不過，多晶硅的電氣特性不如單片硅那么好。最后經過下一步的液晶添加，最后完成透射微顯示器的全部加工。作為正投機的光學引擎，HTPS微顯示器已經取得很大的成功。這些器件一般可以直接連接筆記本電腦。利用低溫多晶硅(LTPS)的液晶器件也進入商業生產。它可以應用比較便宜但面積大得多的玻璃基片，并準備用來生產微顯示器。

反射型微顯示器利用外部光源，當光從微顯示器表面反射時被調制。這里有兩種主要技術，一種是硅片液晶(LCOS），一種是微機電系統(MEMS）。LCOS器件的有源控制電路采用CMOS工藝，然后生成液晶層作為反射器，LCOS微顯示器可以利用約85%的表面積來反射光，光柵利用系數比較高。對反射光的調制由加到液晶的電壓來控制。LCOS器件有許多不同種類，差別在于基板材料或液晶結構的不同，或者僅在于輸出模式的不同(數字或模擬）。基于LCOS器件的投影顯示器是近期顯示技術的重點發展產品之一，在大屏幕顯示器領域，有可能向其他顯示產品如CRT 投影機、等離子顯示屏、拼縫式LCD顯示器等提出挑戰。

從實質上看，MEMS已經在硅基片上構成了完整的微顯示器，無制造附加的上層結構。從定義即可看出，微機電系統的內部可以包含微型的可動的機械部件，這些部件由控制電壓操作。數字微鏡器件（DMD)是其中最成功的一種。這一結構包含了利用集成電路工藝生成的控制矩陣，控制矩陣上方排列著由微型鋁薄膜鏡面組成的微鏡陣列。一面鏡子代表一個像素，鏡面起光開關的作用，當控制信號令鏡面指向“通”的位置，反射光將進入光學系統，在顯示屏幕上形成一個亮點。控制信號令鏡面指向“斷”的位置，反射光不能進入光學系統，在屏幕上相應位置形成一個暗點。DMD的實質是對代表一個像素的光線“通”“斷”進行管理。基于DMD的數字光處理技術（DLP）已在投影技術中取得了極大的成功。另一種MEMS方式是利用微型柵網陣列，令柵網上下移動來產生入射光和反射光之間的干涉，使反射增強或減弱，起到了對光線進行調制的作用。

上面提到的幾種微顯示器都在其系統內部實際生成了一個完整的顯示器，或者說存在一個完整的顯示像素矩陣。另外還有掃描型的微顯示器系統，也可用來產生投影型或虛擬型圖像，其內部沒有完整的顯示像素矩陣，只有單一的發光點或發光行，這些系統一般要使用紅、綠、藍激光或發光二極管作為圖像的來源。使用單一激光/發光二極管的系統，光源必須在兩維方向作掃描以產生圖像。使用一列或一行激光/發光二極管的系統，只需要一個方向的掃描。掃描型微顯示器要對光源直接進行調制，光源要在每一個瞬間產生相應像素位置所需要的光強。基于激光或發光二極管的系統現在都在開發之中。■