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uG环球炸金花博彩平台游戏成就_一文看懂硅基微露出芯片:硅基液晶、硅基 OLED、硅基 micro LED、DLP 露出

发布日期:2023-12-24 13:29    点击次数:202
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增强实践技能是元寰球膺惩的东谈主机交互平台,其中光学成像部件和微露出屏是成像质地的关键。现时有五种微露出技能:硅基液晶、硅基 OLED、硅基 micro LED、DLP 露出以及激光扫描振镜等。本文将注意先容不同技能微露出屏的组成结构、工艺经由、硅基驱动神色循序、发展近况以及濒临的挑战。在硅基驱动的部分,将从像素驱动的不同电路以及不同驱动电路的优纰谬脱手,分析不同露出技能硅基部分的想象和目的挑战。并对现时不同技能所能达到的目的进行了汇总比拟。硅基背板的想象心理点和发展趋势也将获得贪图。在本文的临了对不同微露出芯片的应用场景和发展进行了贪图。

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 一、引 言

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增强实践观念最早出现时 1968 年,但受制于露出和光学技能,一直未能普及。1990 年代,好意思国军方条件擢升起军作战效力,才启动对露出屏的更新换代提议明确条件。一些公司启动了对基于硅基的液晶屏的研发。2012 年谷歌推出了基于硅基液晶(LCoS)和棱镜光机的节略式单目 AR 眼镜,使得更多的机构和消费者对 AR 眼镜产生了浓厚的兴趣兴趣。跟着增强实践的应用场景和需求越来越多,相应的对 AR 眼镜的条件也就越来越高。如需要永劫候佩带的增强实践(AR)眼镜需要得志体积小分量轻况兼待机时候长的需求。而户内或者是工业场景应用中,则对分辨率、对比度和可视角有更严苛的条件。为了构建更好的 AR 系统,AR 眼镜中的不同模块,如处理器、光机和微露出屏也引起了心理。如处理器从前期的成功用现成的通用处理器,到现时的针对 AR/VR 的专用处理器。光机从早期的棱镜光学到现时的光波导技能,露出从 LCoS 连城之璧(Google glass 1、Hololens 1, Magic leap 1 等)到现时的 LCoS、硅基有机发光二极管(OLED)(INMO AIR)、激光扫描振镜(LBS)(HOLOLENS2)和微型发光二极管(MICRO LED)(OPPO Air Glass)等多种微露出技能齐获得了应用和实行。也有厂商通过提高制造精密度,继承了高温多晶硅液晶露出(HTPS LCD)技能来达到 AR眼镜的条件(EPSON)。

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LCoS 脱胎于 LCD 技能,借助纯属的半导体工艺和液晶产线,发展赶紧,有工艺纯属资本较低等特色。尔后硅基 OLED 跟着工艺和制造迟缓纯属,凭借其高对比度的上风备受心疼。然则硅基 OLED 的寿命、亮度齐是瓶颈,使其在户外应用场景一直受限。其后 Micro LED 凭借其高亮度和更长的预期寿命被以为是更符合于 AR 的微露出技能,然则由于制造工艺还未纯属,良率很低,频繁以为离量产还有一些时候。另外,由于微软在 HOLOLENS 2 内部斗胆继承了 LBS 微露出技能,使得这一技能获得一些产家的心疼。

关于时卑劣行的光学和露出技能,Bernard Kress 在其文章第七章中针对不同微露出技能的发光神色、发光效力和露出收尾进行了把稳先容,其中也先容了商场上的主流家具所继承的技能。Shin-Tson Wu 等东谈主在文件中对不同微露出器件的材料脾气和器件结构作念了把稳求教。文件对不同露出技能的露出旨趣和统统这个词光学系统的搭配作念了先容。文件则是对不同技能进行了分类和目的对比。关联词,微露出技能,从制造经由或者说想象来看,又不错分为前谈的硅基部分和后谈的发光层部分。如LCoS可分为硅基背板和液晶盒子,OLED-on-Silicon 不错分为硅基背板和表层的有机发光层。本文将从硅基背板的角度对不同的微露出技能进行先容。即从应用场景启程,针对不同应用对微露出的不同条件,从硅基背板想象的角度对不同技能进行分类证据。这对 AR 眼镜的系统性想象将提供有用匡助。

基于这一念念考,本文从第二部分到第五部分,分离先容 LCoS 技能、硅基 OLED 技能、硅基 micro LED 技能、DLP 和 LBS 技能的器件结构、硅基电路想象架构和发展趋势。在第六部分将对千般技能进行对比分析。

 二、硅基液晶(LCoS)

2 .1 LCoS 的器件结构

LCoS 一启动是以微型化的 LCD 为主见,然则跟着技能的突出,还发展出了丰富的应用,如全息、光通信和光镊等。尽管如斯,LCoS 从结构上看,依然是当先的硅基加液晶盒子神色。跟薄膜晶体管(TFT) LCD 的最大区别即是用单晶硅晶圆取代了 TFT ARRAY。LCoS芯片的剖面图如图 1,除了硅基背板,还包含由框胶、液晶以及 ITO 玻璃所组成的液晶盒子。

其简要坐褥经由如图 2。

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▲图1:LCoS 结构图

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▲图2:LCoS 坐褥经由图

在露出应用中,不错凭据制造工艺分为带滤色片的空间彩色 LCoS 和不带滤色片的时序彩色 LCoS。带滤色片的 LCoS 不错成功使用白色光源,数据雷同传统 LCD,因此系统架构较为粗浅。但由于滤色片对光的损耗不错达到三分之二以上,因此系统光效亏欠较大。而继承时序彩色的决策由于是通过收敛不同神采光源的时序来罢了混色,不需要滤色片,不错大幅度的擢升光效。时序彩色决策的另一个上风是因为不需要三个不同神采的子像素来混色形成最终的像素,像素密度提高,相似分辨率的屏不错作念的更小。因而现时商场上的大部分LCoS 屏齐是时序彩色决策,以得志 AR 眼镜微型化的需求。

LCoS 的成盒神色也与 LCD 一样有多种选择。如配向神色有摩擦配向、无机配向和光配向等。继承的液晶也有多种,有反映赶紧的 TN 液晶,也有高对比度的 VA 液晶,以及频年来备受心理的蓝相液晶。从露出的角度看,出于对高对比度的追求,比拟常用的是无机配向和 VA 液晶的组合。在后谈工艺的撑捏下,LCoS 也能达到较高的对比度,如南京芯视元针对 HMD 的 LCoS 对比度不错达到 1500:1,Sony 和 JVC 针对高端大屏投影的 LCoS 对比度分离作念到了 4000:1 和 5500:1 。

2.2 LCoS 的硅基背板想象

LCoS 硅基背板的想象,按像素驱动神色分,不错分为模拟像素驱动和数字像素驱动,如图 3 所示。

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▲图3:LCOS 的模拟像素驱动电路和数字像素驱动电路

不错看出模拟像素驱动比拟雷同传统 TFT 驱动神色,先通过 DAC 将数字视频信号挪动为模拟灰阶电压,尔后传输到液晶层通过收敛液晶的不同翻转进度来收敛光的反射。而数字像素驱动则通过将原视频信号分为不同的数字子帧,利用脉冲宽度调制来收敛液晶的灰阶露出 。在一个时候周期内,液晶上的等效的灰阶电压为 :

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关于时序彩色 LCoS,继承红绿蓝三色光源分时照耀到屏幕上。如果是数据通过单个晶体管和电容成功写入,那么光源只可在数据统统写入以后照耀,有用露出时候短,亮度低。因此为了提高光效,一般继承一个缓存帧来预存数据,露出上一帧图像的同期写入下一帧的图像数据,增多光源照耀时候和亮度。由于时序彩色的数据流与常见视频源的数据流不太一样,是以一般需要一个驱动 IC 来对数据进行处理。为了进一步减小智能眼镜的体积,也不错继承更小的工艺节点将驱动 IC 部分集成到露出屏里。这么能更好的得志可衣服的条件,仅仅资本将大幅高涨。

关于一些特殊的高分辨率的应用场景,需要 4K 甚而 8K 的分辨率。此时如果依然按原先的神色成功重叠更多的像素,屏的面积会大幅增大,走线长度大幅增多,信号质地和数据带宽将成为挑战。因此也出现了通过抖动来提高视觉分辨率的作念法。即屏幕的物理分辨率并莫得达到条件的数值,然则通逾期序上的抖动,不同子帧的时候重叠效应形成一个视觉上的高分辨率屏,也不错通过两个屏幕的光学错位来罢了。然则由于抖动算法会增多功耗,在可衣服的应用中并不一定符合。

总体来说,LCoS 的发展,主若是凭据应用需求束缚演进。早期受限于工艺和应用,一般是低分辨率大像素的屏(720P 以下)。跟着 AR 光学的发展,启动对中中分辨率(720P 和1080P)高光效低功耗的屏产生需求。激光电视的实欺诈得高分辨率高对比度高可靠性成为斟酌的焦点(4K 和 8K)。而 AR 商场的普及又使得极小尺寸低功耗的露出屏成为一大趋势。在小尺寸方面,有减小分辨率和减小像素尺寸两种神色。现时有报谈的 LCoS 最小像素尺寸是 3.015μm, 来自 Compound Photonics 公司。从想象角度,几种家具继承的系统架构和想象心理点齐会有区别。

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三、硅基 OLED

3 .1 硅基 OLED 的器件结构

硅基OLED从结构上也不错分为两种,一种是继承白光发光层加滤色片的结构,如SONY、京东方 和弗兰霍夫接洽所等,其基本结构如图 4;一种是成功作念 3 种不同发光材料的结构。继承第一种结构主若是为了回避蓝光 OLED 材料的寿命问题。不论哪一种结构,硅基 OLED 的亮度问题亦然一直被诟病的纰谬之一。文件的接洽发现,相似的 OLED 器件结构下,不错通过划定的调高使命电压并缩短占空比的神色提高露出亮度并蔓延器件的使用寿命。另外,也有好多基于堆叠发光层提高 OLED 亮度的接洽。有接洽以为,三层堆叠、双层堆叠的 OLED 和单层 OLED 的电流出光比约莫为 3:2:1。

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▲图4:OLED 器件结构

硅基 OLED 的后谈工艺亦然从硅基晶圆启动,如图 5,先进行发光层的蒸镀,尔后进行密封处理和玻璃盖板贴合,临了切割和封装成单独的芯片。为了进一步提高发光效力和亮度,SONY 于 2019 年还提议了使用微透镜增多出光率的工艺。

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▲图5:硅基 OLED 工艺经由图

3.2 硅基OLED的背板想象

OLED 材料是电流驱动器件,像素驱动也不错分为模拟像素驱动和数字像素驱动,如图6。关于硅基 OLED 背板来说,模拟像素驱动指的是露出信号通过 DAC 挪动为模拟电压之后,通过驱动像素的 MOS 管再挪动为 OLED 器件所需要的电流。这种循序需要的 MOS 管少,然则因为屏幕亮度基本和像素电流成正比,而像素和像素之间的驱动 MOS 管的开启电压 Vth 在制造过程中会形成偏差,使得屏幕出现亮度均匀性问题。大屏频繁会另外使用算法 IC 来抵偿这一亮度不均匀,关联词关于微露出来说,由于像素和像素之间的亮度相反是由电流相反变成的,况兼这种电流相反十分狭窄(nA 级别),难以片外抵偿,是以频繁继承像素内抵偿的神色来改善屏幕的亮度均匀性。此外,由于低灰阶情况的像素电流齐在 nA 级别,随环境和工艺变化彰着,灰阶精度很难保证,是以也有继承 10bit 的 DAC 来完成 8bit 灰阶的想象。硅基 OLED 的数字驱动也不错继承 PWM 的神色,然则此时的脉冲宽度凭据需要的露出亮度来盘算。文件齐继承了这种神色。PWM 驱动神色在灰阶转变和对比度上发挥更好,然则需要的数据带宽要更高。

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▲图6:硅基 OLED 的模拟驱动和数字驱动

硅基 OLED 的背板发展趋势还有一个特色,即是有超高分辨率高帧率大尺寸屏和低分辨率低帧率低功耗两个人大不同的发展标的。高分辨率大尺寸屏主要针对一些对露出条件高的 AR 以及最近流行的 PANCAKE 光学架构的 VR。而低分辨率低功耗主要应用在原野需要电板续航时候长的场景。Philipp Wartenberg 甚而在 2022 年的 Displayweek 上提议了点亮功耗只须 1mW 的双色 OLED 屏。

四、硅基 MICRO LED

4 .1 硅基 MICRO LED 的器件结构

由于 MICRO LED 在发光效力、寿命和使命温度上齐有上风,一直备受心理。与 LCoS 和硅基 OLED 不一样的是,现时 MICRO LED 的制造工艺尚未纯属或者说有比拟融合的趋势。天然 MICRO LED 的界说现时还莫得融合的意见,有以为像素间距在 100um 以下就算 micro LED的,也有以为像素间距在 50um 以下才不错算。由于本文专注于应用于 AR/VR 的微露出芯片,将不包含像素大于 50um 的 MICRO LED 露出。从 MICRO LED 发光结构上看,有横向结构也有垂直结构。横向结构指 LED 的阳级和阴极贯穿触点是横向摆放的,即使不在统一高度,却需要消费横向的面积。而垂直结构是指统统这个词发光结构在垂直标的形成,阳极或阴极的其中一极是群众电极,一极贯穿像素,从发光面来看,不用费极端面积。可知,关于对PPI 条件较高的 AR 应用来说(>1000ppi),垂直结构是一个更合理的选择。从全彩露出的角度看,有几种不同的决策,不错键合三种不同神采 LED,也不错加量子点或量子阱对蓝色或是 UV LED 进行色挪动,也有三片不同神采的 LED 芯片垂直堆叠合成彩色的工艺。Micro LED 的器件结构面对的另一个挑战是跟着单颗 LED 面积的减小,发光效力也大幅度下落。

从制造工艺上看,有倒装焊工艺也有晶圆级的制程。从硅基 MICRO LED 的角度看,倒装焊工艺主若是通过金属键合或是其它微结构将 LED 芯片和 CMOS 硅基芯片在像素级别逐一双应的贯穿起来。而晶圆级的制程则更多的借助于半导体制造工艺。一个常见的基于色挪动的倒装焊工艺经由如下:启程点分离制作 CMOS 驱动晶圆和 LED 晶圆,通过倒装焊键合两种不同的晶圆后剥离 LED 衬底,在 LED 上制作色挪动层,尔后进行封装。而晶圆级工艺又分为几种,有将外延片转化到硅基晶圆后再刻蚀单个的 LED 像素的神色,也有在LED 晶圆基础上进行 TFT 制作的神色,也有先将 LED 晶圆切割并转化到硅晶圆基底尔后进行晶圆级键合的神色。

4.2 硅基 MICRO LED 的背板想象

Micro LED 像素亦然电流驱动,驱动神色也不错分为模拟驱动和数字驱动,如图7。关联词和 OLED 不一样的是,关于现存的 MICRO LED 工艺来说,模拟驱动神色除了有 Vth 变化变成的亮度不均问题之外,还濒临发光效力随电流值改变的问题以及电流变化引起的发光波长蓝移问题,是以数字驱动的神色频繁选择 LED 芯片 EQE 较高的电流区间进行 PWM 收敛而形成灰阶,而亮度不均匀和工艺偏差不错通过算法科罚。

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然则关于面向 MICRO LED 的硅基背板来说,有一个想象矛盾。关于 micro LED 像素,发光效力最大的电流密度在 10-1000 A/cm2之间。而单个微露出芯片频繁暴出头积也就在1cm2以内。关于普通 CMOS 工艺来说,如斯大的电流密度很难罢了。尤其如果斟酌金属走线的寄生电阻,关于高像素密度的屏,大电流将引起过大的压降(屏的尺寸一般在0.5-1cm2,按低的 10 A/cm2 盘算,0.1 欧姆的寄生电阻将引起 1V 的极端压降,而大部分供电电压在 5V 或以下),反过来影响屏的亮度。是以咱们会看到一个意旨的景色,分辨率高且像素小的微露出芯片,频繁功耗反而低,分辨率低且像素大的屏,功耗可能反而大。表1 是咱们对一些文件中的 CMOS 芯片部分的参数作念了一个汇总。LCOS 和 OLED on Silicon 的像素间距和像素大小辞别不大,是以一般只给一个间距。而在 MICRO LED 的情况,斟酌制造工艺和走线,两者差距有可能较大,因此在表中尽量作念了标注。

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▲图7:硅基 uLED 的模拟驱动和数字驱动

关于 AR 的应用场景,屏行为可衣服结尾上的芯片,对功耗是但愿越低越好。动辄上瓦的功耗并不适用。因此,可能需要在发光亮度、效力和功耗之间作念一个均衡。

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▲表1:micro LED 关联文件中的硅基部分的参数

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五、DLP和激光扫描MEMS微镜技能

DLP(Digital light processing, 也称为 Digital Micro-mirror Device, DMD)技能和 LBS 技能旨趣上齐属于 MEMS 技能,然则二者的使命旨趣统统不同。

DLP 芯片当中,CMOS 驱动部分和微镜是在一颗芯片上,其使命旨趣十分雷同数字驱动的时序彩色 LCOS,屏是在 CMOS 工艺之后,经过 CMP 制程,接着制造了用于反射的宽阔像素级狭窄镜面,每个像素底下齐是一个 6T SRAM 单位,用高下电平来收敛光的开启和关断。其把稳结构和制造工艺经由可参考文件。这一技能由于专利和坐褥原因,一直只须 TI 一家供应商。

激光扫描微镜技能在微露出技能中是比拟特殊的一类。图像是通过微镜将被调制的激光有序的辐射到某个投影名义不同的位置,让东谈主在视觉上嗅觉到一幅图像 。也因为露出画面不是由物理像素组成的,微镜技能也被交付厚望能不受制造的物理极限而罢了更高的像素密度。这一技能在频繁微露出的露出区用一个毫米级别的微镜取代了其它技能的像素露出部分(宽阔的微米级别的单个像素),屏上频繁包含了微镜、制动器和感应器,微镜的驱动信号由另外的羼杂工艺制造的芯片提供。天然基于 MEMS 微镜的微露出技能在之前就有提议,然则由于微镜的制造属于特殊工艺,很少受到心理,一直到微软在 HOLOLENS 2 中斗胆继承了 LBS 技能才发生了改变。微镜的制造工艺不错参考。

微镜的收敛可分为静电收敛(eletrostatic)、电磁收敛(eletromagnetic)和压电收敛(piezoelectric)。这里微镜凭据扫描神色又不错分为两种,使用光栅扫描加线性扫描两个微镜的决策,以及使用单个微镜的决策。不论哪种决策,微镜齐是罢了反射光的作用。而微镜的收敛部分,主要通过算法收敛微镜的偏转角度,逐点成像。在算法上又分为光栅扫描算法和双振算法。光栅扫描算法即是传统的快速翻转光栅微镜形成图像的行,再通过线性微镜以稍慢的速率完成不同业图像的扫描。而双振算法规是通过单个微镜在两个轴上齐快速翻转,并屡次写入形成好意思满图像。两种算法齐有丢失像素点的纰谬,是以基于 LBS 技能的眼镜的视觉分辨率齐会比标称的分辨率要小。优点在于微镜对高下温耐受强,且亮度高。

六、结 论

通过以上几个部分的先容,咱们不错看出,每一种微露出技能齐有我方的优纰谬,也各有需要面对的挑战。比如 LCOS 屏的制造工艺纯属,亮度高,对比度中等,硅基背板想象天真,功耗中等,然则由于是反射式的而非自觉光的屏幕,在 AR 应用中会比 OLED 屏和 MICROLED 屏的决策需要多一个投影光机,增大了系统的体积、功耗和复杂度。关于不是极端留心体积的如 HMD 等应用场景,LCOS 是一个十分合适的选择。硅基 OLED 屏对比度高,制变纯属度中等,亮度较低,硅基背板有针对不同场景的功耗优化决策,在一些对亮度条件不高的室内场景,以及一些对光路进行处理的决策上会比拟有上风。Micro LED 屏的亮度高,预期寿命长,长久看十分符合 AR 和 VR 的应用,然则现时制造工艺还不是很纯属,材料、良率和功耗等方面齐有挑战。在 AR 应用上,现时主要在一些主要作念信息辅导的不需要高分辨率的场景应用,量产材干有待讲授。至于 LBS 决策,主要上风在于有好意思满决策,使命温度相对平淡,对一些恶劣环境的应用有上风,纰谬在于激光容易色偏,需要温控,系统功耗和本色分辨率齐莫得上风,且供应链薄弱。

如今,大陆方面对微露出的接洽也方兴未已。之前由于产业链的不完善,硅基微露出的发展一直比拟幽静。2001 年南开大学团队就发布了分辨率为 640*480 的模拟驱动 LCoS 芯片。中科院团队于 2009 年发布了分辨率为 320*240 的模拟驱动 LCoS 芯片。电科 55 所于2019 年发布了分辨率为 1400*1050 的单色硅基 OLED 芯片,并于 2022 年对 MICRO LED 的发光材料和后谈工艺作念了综述接洽。上海大学团队 2021 年发表了对硅基 OLED 屏的寿命接洽。福州大学团队于 2020 年对 MICRO LED 微露出技能从驱动到转化技能,以及接洽发展现象作念了综述接洽。笔者团队于 2020 年 6 月发布了分辨率为 1920*1080 的模拟像素驱动 LCoS 芯片,2020 年 11 月发布了基于数字像素驱动的 FHD LCoS 芯片,2021 年发布了分辨率为 480*270 的单色 MICRO LED 芯片,2022 年鸠集南边科技大学团队共同发布了 FHD单色 QLED 芯片。不错看出,2020 年后,大陆微露出产业参加了高速发延期。

表 2 对不同硅基微露出技能的膺惩参数进行了一个比拟。如何减小像素特征尺寸关于多样微露出技能来说齐口角常有挑战性的一个课题。这里选择了在狠恶罢了全彩露出前提下的最小像素尺寸。关于空间彩色(如 OLED 和 MICRO LED 技能),一个好意思满露出像素频繁需要由 3 到 4 个子像素组成,因此其子像素的尺寸可能小于表 2 所标注的尺寸。而关于 LCoS技能和 DLP 技能,由于单像素就能罢了彩色,露出像素和物理像素不错逐一双应。在最大分辨率这个目的上,将不斟酌通过算法擢升的露出分辨率,也不斟酌功耗,只斟酌狠恶制造出来的本色物理像素数目。如 8K 的 LCoS 屏,由于价钱富贵,现时主要用于大型投影仪。又如关于 DLP 技能,不错通过抖动算法,用 1920*1080 的屏罢了 3840*2160 的分辨率,大于屏的物理像素分辨率。针对 micro LED 技能,有单色分辨率不错达到 1080P 的家具,这里选择的是现时有报谈的最大全彩分辨率 960*540。关于 LBS 技能,表面上,通过富裕快的扫描算法,不错罢了任何大小的分辨率。关联词微镜扫描速率受半导体器件使命速率和微镜翻转速率的收尾,现时主要的决策主要如故 720P 和 1080P。纯属度的判断依据主要为坐褥制造工艺是否纯属以及家具是否也曾获得平庸的使用。LCoS 和 DLP 分离在 AR 眼镜和投影领域应用多年,尽管仍在矫正,齐算是很纯属的技能。硅基 OLED 也在 EVF 和 VR 领域获得了应用,然则不论是材料如故工艺,齐在改善当中。LBS 由于不错鉴戒之前的 MEMS 工艺,相对来说制造工艺还比拟纯属,主若是针对 AR 应用的矫正。而 MICRO LED 技能不论是材料、制造工艺,如故跟硅基背板的和洽,齐还百家争论的阶段,况兼莫得大齐应用的家具,因此以为纯属度较低。功耗数据主要来自实测、关联家具手册和综述文件。硅基 OLED 和 microLED 的最小功耗分离来自文件和文件。对比度数据主要参考实测数据和文件。

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▲表2:不同微露出技能的参数对比

总而言之,不错以为,在 AR 领域,LCoS 是一个比拟纯属可用的微露出技能,其次是硅基 OLED,micro LED 技能有望自后居上。但在一些特殊的成像领域,如全息成像,LCoS 依旧是最好选择。不论哪一种微露出技能,屏侧与硅基背板部分的和洽齐是很膺惩的。改日不错通过老练优化,对不同的屏选择更合适的驱动决策和架构,罢了更优异的性能。举例通过升级使用的半导体工艺节点将驱动电路和屏侧集成到一颗芯片上以减小功耗,或通过 CPU 侧预处理视频信号,针对性的优化屏侧的功率,齐不错让现时的微露出技能愈加符合可衣服设备的需求。

The End

起原:《激光与光电子学进展》皇冠地址

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