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技術背景 在PMP個人媒體播放器等便攜式應用中，TFT液晶顯示器已成為主流配置。雖然TFT液晶顯示器具有圖像清晰、對比度高等優點，但其耗電占了PMP系統耗電的70%以上。隨著分辨率不斷提高，屏幕加大，顯示器的功耗也同步增長。由于液晶顯示器的光源利用率不足10%，降低亮度并不能有效地節省電力，迫不得已的辦法是盡可能減少顯示屏的工作時間，或者是采用盡可能小的顯示屏，結果使觀賞舒適性降低，導致PMP的實用價值大打折扣。 理想的適合于便攜用途的顯示技術應在電池供電環境下有盡可能長的工作時間、盡可能小的體積、盡可能高的畫面質量，既可產生滿足個人獨立觀看的優質小畫面，又能產生供多人觀賞的投影畫面等特性。 現有的各類顯示器，根據成像的基本方式，可以分為像素單元主動發光形成畫面和像素單元被動發光形成畫面兩大類。 在像素單元主動發光形成畫面的顯示技術中，先后出現了陰極射線管CRT顯示技術、等離子平板PDP顯示技術、表面傳導發射SED顯示技術、碳納米管場發射CNT顯示技術、有機電致發光二極管OLED顯示技術。在這些顯示技術中，有機電致發光顯示器是唯一可小型化的技術，但是，OLED為電流驅動型顯示技術，電流強度與顯示亮度成正相關關系，對于便攜式應用，功耗仍然較高。 在像素單元被動發光形成畫面的顯示技術中，先后開發出了控制光線透射程度來實現顯示的液晶LCD顯示技術，控制光線反射程度實現顯示的硅基液晶LCOS顯示技術，控制光線反射角度實現顯示的數字微鏡DMD顯示技術和單微鏡-掃描鏡顯示技術，利用干涉原理實現顯示的干涉調節iMoD顯示技術，利用衍射原理實現顯示的光柵光閥GLV顯示技術。這些技術當中，iMoD干涉調節顯示技術是最適合于便攜應用的技術之一，與LCD顯示器借助于偏振光來形成顯示不同， iMoD顯示技術利用干涉原理產生彩色，光線通過不同厚度的氣隙時產生不同的光程差，形成不同的顏色。圖1所示為iMoD顯示器樣機。雖然具有極其優越的節電性能，但無論是對比度還是亮度，都與TFT顯示器差距甚遠。這是由于iMoD顯示技術所特有的彩色形成方式決定的。這樣的亮度和對比度遠遠不足以用來產生較大畫面的投影影像。因此，不能同時滿足既可產生優質小畫面，又可產生大幅投影畫面的便攜應用理想要求。 硅基液晶LCOS技術雖然同時具有微型顯示和投影顯示應用的能力，但仍然需要借助于液晶的偏振光效應來控制光線的透過率。采用偏振光方式工作，將損失50%光源能量，光利用率依然不高。更重要的原因還在于LCOS的制造工藝復雜，良品率一直難以提高，短期內難以成為理想的便攜顯示技術的優選者。 數字微鏡DMD是最為成功的基于微機電系統MEMS的顯示技術，采用高壓汞燈作為照明光源時，可產生極大尺寸的優質投影畫面，用R、G、B三基色LED更換大功率照明燈，可以構成小體積的便攜投影儀。圖2所示為TI公司開發的袖珍投影儀，使用LED光源，不用色輪，通過高速切換紅、綠、藍圖像，進行彩色顯示，采用前投方式，可在投影機前方約1m處投射約40～50英寸、分辨率為800 600的DVD影像。這種利用時序方式來實現彩色顯示的模式，不僅要求LED要有足夠快的響應速度，而且要求驅動電路也必須具有極高的速度指標，這不僅增加了系統成本，也增加了系統功耗。對便攜應用而言，照明光源消耗的電力依然較高。因此，DMD顯示技術仍以固定地點的投影應用為主，不是理想的便攜應用顯示技術。 與DMD不同的另一種掌上便攜投影儀是圖3所示的日本信號試制成功的單微鏡-掃描鏡投影技術。該技術不同于DMD的一個像素對應一個微鏡，而是一個微鏡對應多個像素，再利用掃描部件形成畫面。采用該方式，雖然可以減小微鏡所占用的半導體芯片面積，降低成本，但掃描部件不僅具有較高的精度要求，而且還存在著機械磨損等問題。更重要的一點還在于，需要解決響應速度高達數MHz至數十MHz的綠色半導體激光器還不能量產的障礙后，才能真正形成商品。 GLV是基于衍射原理唯一成功實現彩色顯示的技術，具有較高的光源利用率，采用激光作為光源時，可產生極大畫面的影像。然而， GLV技術同樣由于半導體激光光源等原因，一直未成為被消費者廣泛接受的商品。 在現有顯示技術均不能滿足理想便攜顯示應用要求的情況下，開發一種既節電，又能產生優質小畫面和投影大畫面的顯示技術是很有必要的。閃耀光柵數字微鏡顯示技術（Blazed Grating Digital Micromirro Display Technology）開創了一種高效顯示的新途徑。 閃耀光柵數字微鏡的工作原理 閃耀光柵已發明很久，應用主要集中在光譜分析、通訊領域，將閃耀光柵應用于畫面顯示的理論基礎是閃耀光柵高效的分色原理。 當狹窄、凸凹相間、具有波長尺度范圍、有反射能力的槽型結構并排排列時，就構成了反射型衍射光柵。衍射光柵對入射光的振幅或相位產生周期性的空間調制，產生光的分色作用，對于單色光，則改變光的傳播方向。 GLV顯示技術基于衍射光柵的原理工作。在硅基底的頂部分布著細小的條形狀金屬條，這些金屬條與硅基底之間具有很小的縫隙，在金屬條與硅基底之間施加電壓時，電場力的作用下，金屬條就會下移。固定的金屬條和移動的金屬條之間就具有了高度差，形成反射型衍射光柵。用固定波長的單色光照射衍射光柵時，就會產生衍射光，在衍射光射出的路徑上設置投影鏡頭，即可得到單色亮點；控制金屬條下移，即可控制單色亮點；控制一條光柵可得到一維條形圖案，加上掃描器，即可得到二維畫面。 從GLV工作原理的描述可以得知，GLV是通過改變光柵的節距周期來調制光線的。金屬動條未下移時，與固定條在一個平面上，節距周期消失，不產生衍射；金屬動條下移，構成節距周期等于金屬條寬度與金屬條之間縫隙之和的固定節距光柵。由于這種光柵結構的特殊性，確定了GLV只能利用較高級次（典型值為1級次）的衍射光作為成像光。而處于較低級次的零級次衍射光占據了衍射光的絕大部分能量，因此利用1級次衍射光來產生畫面的GLV所具有的最高理論衍射效率為40.5%。 閃耀光柵不僅具有很高的分色能力，而且還具有將零級次衍射光的絕大部分能量轉移到所需級次上的能力，衍射效率可達到100%。設計適當的閃耀角，就能使復合白色光產生的RGB三基色光處于最高衍射效率范圍內。用閃耀光柵作為顯示畫面的光調制器，就能最大限度地提高光源的利用率。 根據閃耀光柵的分色原理，用復合白色光源以固定的入射角照射可轉動的閃耀光柵微鏡，可在一個固定的方向上得到由白色光源直接產生的RGB三基色，控制閃耀光柵微鏡轉動到產生紅R、綠G、藍B、三基色以及暗態的4個固定位置，三個閃耀光柵微鏡就可以構成一個真彩色的像素單元，用脈寬調制方式確定閃耀光柵微鏡在每個位置上的停留時間，可使各個子像素所對應的三基色具有不同的亮度，三個子像素不同亮度、不同基色的組合，就可以產生一個像素所需的各種彩色，多個像素組成陣列，即可構成顯示畫面。圖4所示為用普通20瓦鹵素照明燈在距光柵15厘米處照射用于測試的3 4反射型衍射光柵測試陣列，得到的彩色實像圖案。從任何角度觀察，都不影響觀察效果。圖5所示為漫射光環境下，3 4反射型衍射光柵形成的彩色圖。圖6為太陽光照射3 4反射型衍射光柵生成的彩色投影圖像。若將用于測試的衍射光柵更換為閃耀光柵，彩色畫面的亮度、對比度以及色飽和度還會更好。 與GLV通過控制光柵節距的有無以產生畫面不同，閃耀光柵數字微鏡顯示技術是通過改變復合白色光線的入射角來形成畫面的。在閃耀光柵數字微鏡部件的驅動電極上施加電壓，在電場力的作用下，閃耀光柵偏轉到四個預定位置并準確定位。由于閃耀光柵微鏡僅需在四個固定的位置上轉動，所以可工作于數字方式，避免了模擬工作方式需精確控制驅動電壓、嚴格要求加工過程一致性和材料特性一致性的高要求，降低了制造難度。 設計和仿真 閃耀光柵數字微鏡顯示技術的核心部件基于微機電系統MEMS技術設計和制造。設計基于MEMS的部件時，需要進行機電部件運動設計、基于有限元結構分析的結構設計和微尺度下的動力設計。與傳統尺度下機電系統設計的最大區別在于結構設計時，要充分考慮到將要采用的MEMS制造工藝為半導體工藝。 利用MEMS來構建顯示系統，一個極其重要的指標是像素單元能夠控制在多大的尺寸范圍，同時還要求像素單元要有較高的充填率。對像素單元尺寸大小以及填充率影響最大的因素是所選擇的微結構致動方式。 閃耀光柵數字微鏡采用靜電力作為驅動力。為確保閃耀光柵數字微鏡動作的準確性、可靠性和閃耀光柵結構的剛度，閃耀光柵微鏡部件采用 Coventor 公司的CoventorWare軟件進行結構分析、靜電力驅動仿真。通過仿真，可以對部件結構進行優化改進設計。優化設計完成之后，可利用CoventorWare軟件的工藝仿真模塊進行MEMS制造的工藝仿真。從而大幅度地提高開發速度，降低開發風險。圖7為改進設計后的閃耀光柵數字微鏡部件。 隨著MEMS技術的不斷發展，納米級的壓印技術已經出現，閃耀光柵的制造也變得不再困難。滾壓、模壓、灰梯度照相制版蝕刻、涂鍍、磁性平板印刷等工藝技術均可以實現低成本制造。而閃耀光柵數字微鏡的結構本身，則是基于MEMS的表面制造工藝設計，采取多次掩膜、沉積、蝕刻的工藝完成制造。 閃耀光柵數字微鏡的驅動可采用與傳統LCD驅動相類似的方式。與LCD不同的是驅動數字微鏡并不需要交變電壓，用直流驅動電壓即可。采用基于COMS技術的有源驅動可以避免直接驅動產生的驅動不足的現象，保證驅動的可靠性。將常規LCD的驅動部件做適當修改，基于LCD的各種驅動技術就可以用于閃耀光柵數字微鏡的驅動。典型的驅動模塊可由圖8所包含的驅動單元構成。 在傳統的三基色濾片彩色模式中，由于濾色片的顏色不能變換，因此，當需要顯示某一基色時，其余兩基色均處于暗態，這就降低了顯示系統的亮度和分辨率。在閃耀光柵數字微鏡中，由于每一個子像素均能產生三基色和黑色，三個子像素可以同時顯示一個基色，因此可以有效地提高顯示器的亮度和對比度。不僅如此，如果設計新的配色算法還可以提高分辨率。對于不增加器件就能有效提高亮度和分辨率而言，設計新的配色算法是有意義的。 閃耀光柵數字微鏡的驅動與DMD的驅動相比，由于不需要極高速度的驅動器件，可供選擇的器件會增加很多，成本也會大幅度降低，這對于加速該技術的開發速度無疑會帶來極大的好處。 應用前景 閃耀光柵數字微鏡顯示技術可以利用太陽光和漫射光作為照明光源，從而有效地延長便攜應用的電池供電時間。不僅可以形成便于個人觀看的、近眼顯示的高質量畫面，還可以產生供多人觀賞的大幅投影畫面。與DMD、GLV技術相比，不僅可以用復合白色光線直接生成彩色畫面，省去了色輪、掃描鏡等部件，而且大大降低驅動元件的速度要求指標，從而有效地降低制造成本。和傳統的LCD顯示技術相比，不僅免去造成光源極大損失的偏振片、濾色片，而且還免去了灌注、堵孔、貼膜等裝配封裝工藝，在提高亮度、對比度、分辨率的同時降低了制造成本。 閃耀光柵數字微鏡顯示技術是一項既適合于便攜用途，又適合于投影顯示的新技術，在未來的生活中，將有著極其廣泛的應用前景。 |
