超越DLP&LCD？淺析日漸強勢的LCoS技術(shù)

    硅基液晶LCoS(Liquid Crystal On Silicon)，或許大家不是很了解，這相對是一種還算較新且不為大眾所熟悉的先進(jìn)顯示技術(shù)，在技術(shù)上來說是屬于新型的反射式Micro LCD投影技術(shù)，它結(jié)合了半導(dǎo)體與LCD技術(shù)，具有高解析度、高亮度的特性，加上產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，亦具低成本潛力，現(xiàn)在很多行內(nèi)的人士都認(rèn)為，隨著配套光學(xué)元件和電路技術(shù)的成熟且成本進(jìn)一步降低，LCoS顯示技術(shù)已經(jīng)成為了大屏幕HDTV最具發(fā)展的顯示技術(shù)之一，且與LCD、DLP等技術(shù)相較，LCoS將為未來顯示技術(shù)的主導(dǎo)者。

　　如上文所說，LCoS屬于新型的反射式Micro LCD投影技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在硅片上，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動面板(又稱為CMOS-LCD)，然后在電晶體上透過研磨技術(shù)磨平，并鍍上鋁當(dāng)作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與含有透明電極之上玻璃基板貼合，再注入液晶，進(jìn)行封裝測試。在單晶硅片上集成CMOS和存貯電容器的陣列，通過開孔把漏電極和像素電極連結(jié)，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強光照射溝道，加一層金屬檔光層。另一側(cè)基板是ITO電極的玻璃板。液晶層盒厚愛像素尺寸限制，一般盒厚取幾微米。LCoS前投影放大倍數(shù)大，顯示區(qū)內(nèi)不能用控制盒厚的隔墊物，或者盒厚取小于2微米，可用隔墊物。

LCoS的基本原理

　　LCoS的基本原理是在液晶層后面用一個鏡子，光線從前面進(jìn)來后穿過液晶層，經(jīng)過鏡子反射再次穿過液晶層射到屏幕上。

    這需要稍微復(fù)雜一些的光學(xué)部件，但確實非常有用，它有幾個直接明顯的優(yōu)點，如所有電子部件都在鏡子后面，完全在光路以外。在它后面有很大空間，這樣就可能達(dá)到難以置信的高分辨率，LCoS在所有顯示技術(shù)中分辨率最高。

    另外因光線兩次穿過液晶，可以達(dá)到很高對比度但依然非常薄，從而大大改善響應(yīng)時間減少拖影。另外，LCoS投影機圖像調(diào)制原理和LCD基本相同，也是以光調(diào)制來控制投影顯示圖像。入射光線在分光后，經(jīng)過入射偏光板(PBS)，將入射光變成S偏光，經(jīng)LCoS板反射調(diào)制。如果液晶經(jīng)外部信號調(diào)制，處于顯示亮態(tài)時，S光會變成P光，經(jīng)棱鏡透射后，有最多的光投射到會聚透鏡會聚成像。處于顯示暗電平時，S光經(jīng)調(diào)制，依然還是S光輸出，經(jīng)棱鏡沒有光透射到會聚透鏡，圖像顯示為暗電平。因此，輸出到會聚透鏡的光的多少是由每個像素的外部信號調(diào)制決定的。

    光學(xué)系統(tǒng)用極化光照射LCoS元件，將紅、綠和藍(lán)三色光分離并最后組成全彩影像，并投影到熒幕上。極化光入射到LCoS元件上，液晶光電轉(zhuǎn)換根據(jù)施加到每個畫素電極上的電壓對極化光調(diào)變。反射的影像與入射光分離并放大，然后投射到熒幕上。光兩次穿過液晶，由于液晶開關(guān)時間更快，將能更好再現(xiàn)運動影像。 況且LCoS系統(tǒng)所用微型顯示器是只有拇指頭大小的高解析度液晶顯示器，經(jīng)過光學(xué)放大后，這種顯示器能夠提供數(shù)據(jù)和視訊應(yīng)用的高品質(zhì)大畫面顯示�；�于LCoS的微顯示器是主動矩陣液晶顯示器，該元件工作于反射模式。主動矩陣?yán)�用CMOS制程制作在硅晶片上，LCoS利用硅技術(shù)的先進(jìn)特性實現(xiàn)了越來越小的尺寸，在相同尺寸上可以實現(xiàn)更高畫素(更高解析度)，提高了系統(tǒng)性能。

LCoS元件取得了很多重大進(jìn)展

    現(xiàn)階段，LCoS元件設(shè)計、性能和制造上已經(jīng)取得了很多重大進(jìn)展，光學(xué)色彩和極化管理系統(tǒng)的設(shè)計和性能上也取得了顯著提升，所需要的光學(xué)元件，如弧光燈、光照系統(tǒng)、棱鏡、涂層、背投屏幕和投影鏡頭都大幅地提高了性能，并降低成本。此外，業(yè)界還推出了成熟的影像縮放、去隔行掃描、訊框頻變換等數(shù)位電視所需的視訊處理晶片，以及用于支援?dāng)?shù)位電視格式以及編碼和傳輸標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)諧器、解調(diào)器和解碼器，這些都讓LCoS盡快成熟起來了，所以目前LCoS與LCD及DLP相比具有很多的優(yōu)勢，例如：

　　(1)光利用效率高：LCoS與LCD投影顯示器類似，主要的差別就是LCoS屬反射式成像，所以光利用效率可達(dá)40%以上，與DLP相當(dāng)，而穿透式LCD僅有3-10%而已。

　　(2)體積小：LCoS可將驅(qū)動IC等外圍線路完全整合至CMOS基板上，減少外圍IC的數(shù)目及封裝成本，并使體積縮小。

　　(3)分辨率高：由于LCoS的晶體管及驅(qū)動線路都制作于硅基板內(nèi)，位于反射面之下，不占表面面積，所以僅有像素間隙占用開口面積，不像穿透式LCD的TFT及導(dǎo)線皆占用開口面積，故理論上LCoS不論分辨率或開口率都會比穿透式LCD高。分辨率普遍達(dá)到SXGA等級(1280×1024)制造技術(shù)較成熟：LCoS的制作可分為前道的半導(dǎo)體CMOS制造及后道的液晶面板貼合封裝制造。前道的半導(dǎo)體CMOS制造已有成熟的設(shè)計、仿真、制作及測試技術(shù)，所以目前良率已可達(dá)90%以上，成本極為低廉;至于后道的液晶面板貼合封裝制造，雖然據(jù)說目前的良率只有30%，但由于液晶面板制造已發(fā)展得相當(dāng)成熟，理論上其良率提升速率應(yīng)遠(yuǎn)高于DMD芯片，所以LCoS應(yīng)比DLP更有機會取代穿透式HTPS-LCD成為投影顯示技術(shù)的主流。

　　(4)此外，LCoS還有一項優(yōu)點，就是HTPS-LCD目前是SONY及Seiko Epson擁有專利權(quán)，DLP則是TI的獨家專利，而LCoS則無專利權(quán)的問題。

　　LCoS可視為LCD的一種，傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，但LCoS則是長在硅晶圓上。和LCoS的相對比的產(chǎn)品，最常用在投影機上的高溫多晶硅LCD為代表。后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有3%左右，解析度不易提高;LCoS則采用反射式投射，光利用效率可達(dá)40%以上，且其最大的優(yōu)勢是可利用最廣泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需額外的投資，成本很低，并可隨半導(dǎo)體工藝流程快速的微細(xì)化，易于提高解析度。

LCoS的解決方案

    目前，已經(jīng)對亞洲地區(qū)甚至全世界的HDTV開發(fā)產(chǎn)生很大的影響，很多的大企業(yè)已大量投資于LCoS制程和設(shè)備，積極參與到該技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。雖然與DLP和3LCD比起來，LCoS陣營仍然是勢單力薄，不過其技術(shù)的領(lǐng)先程度是不容質(zhì)疑的。而相比DLP和3LCD，LCoS的制作工藝更為復(fù)雜一些，目前主要有JVC開發(fā)的D-ILA和SONY的SXRD技術(shù)，他們之間的差異在于：D-ILA是采用無機配向膜排列，SXRD則是采用液晶層垂直排布方式來實現(xiàn)。SXRD只有SONY公司自家使用，所以目前采用SXRD技術(shù)的投影機比采用D-ILA技術(shù)的產(chǎn)品少一些。而最早投入LCoS開發(fā)的廠商是：JVC。它從90年代中期開始涉足于LCoS的研究開發(fā)，至今也差不多10年左右了。但一直到最近這兩年才取得真正的技術(shù)突破(尤其在家庭影院方面)。

　　JVC的D-ILA(Direct-Drive Image Light Amplifier)，又名直接驅(qū)動圖像光源放大器技術(shù)。JVC專業(yè)產(chǎn)品事業(yè)部是LCoS技術(shù)的先驅(qū)，從1998年就開始制造D-ILA投影儀。在這之前他們制造的是稱為ILA的驅(qū)動CRT的類似反射式液晶技術(shù)，該技術(shù)最早要追溯到1980年代早期。1999年JVC幫助數(shù)字電影院利用數(shù)字投影儀放映《星戰(zhàn)前傳 I》，他們現(xiàn)在為數(shù)字電影院制造4096×2160 LCoS D-ILA芯片，這是目前分辯率最高的顯示設(shè)備。D-ILA技術(shù)的核心部件是反射式活性矩陣硅上液晶板，也就是通常所說的反射式液晶板，所以也有人將D-ILA技術(shù)稱為反射式液晶技術(shù)。透射式LCD技術(shù)中的液晶板中，作為像素點開關(guān)控制的晶體管被作在液晶板上相應(yīng)位置上，在光源透射過程中，晶體管本身將阻擋部分光線，因此采用透射式液晶技術(shù)的投影機的光源的利用效率不高，很難實現(xiàn)高亮度。一些廠商采用了一些光學(xué)方法來降低液晶板上晶體管對光線的阻擋，例如目前廣泛使用的微透鏡技術(shù)和蠅目透鏡技術(shù)，但這將使整個的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，并且無法真正實現(xiàn)零阻擋。為提高分辨率，需要增加液晶板上的像素點數(shù)，晶體管的數(shù)目也相應(yīng)增加，使得液晶板的透光性更差，需要更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行補償，因此我們看到在其他性能指標(biāo)相同的條件下，高分辨率投影機的價格會比低分辨率投影機價格高出很多。

　　D-ILA技術(shù)中液晶板將晶體管作為像素點液晶的開關(guān)控制單元做在一層硅基板上，硅基板(也稱反射電極層)位于液晶層的下面，用于像素地址尋址的各種控制電極和電極間的絕緣層位于硅基板的下面，因此整個結(jié)構(gòu)是一個3D立體排列方式。來在光源的光學(xué)不能穿透反射電極層，而被反射電極層反射，避免了下面的各種結(jié)構(gòu)層對光線的阻擋。因此采用D-ILA技術(shù)的液晶板的光圈比率可以作到93%(DLP技術(shù)中DMD的光圈比率為88%，而透射式LCD的液晶板的光圈比率為40%~60%)，因此采用D-ILA技術(shù)的投影機對光源的利用效率更高，可以實現(xiàn)更高的亮度輸出。

SONY SXRD(LCOS解決方案)

　　相比于JVC在LCoS方面的精耕細(xì)作，SONY對液晶層和配向膜工藝從根本上進(jìn)行了重新開發(fā)，將傳統(tǒng)的液晶層水平排列改為了垂直排列、更從無機物中提取了全新的配向膜材料(這使得它們的壽命達(dá)到了接近9萬小時，基本與DMD持平)。另一方面，SONY將SXRD的液晶體和反射玻璃之間的間隙層縮小到2微米，這使得此類結(jié)構(gòu)的芯片對灰塵有了先天的“屏蔽效應(yīng)”，使得產(chǎn)品效果更為出色，并且壽命更長。SXRD之前只用在售價為30000美元QUALIA 004投影機和售價13000美元的70英寸QUALIA 006高端背投電視上。近日，SONY推出了采用SXRD技術(shù)的Grand WEGA 系列背投電視，包括50英寸的KDS-R50XBR1，售價為3999美元，60英寸的，售價為4999美元，使用3片SXRD芯片，分辨率均為1920x1080，以這個性能來說，價格真的算是很便宜了。

JVC的D-ILA芯片和索尼的SXRD芯片型號一攬

    目前的LCoS核心技術(shù)被牢牢的掌控在索尼、JVC這兩家日本廠商手中，在綜合量產(chǎn)率不高、價格昂貴、三片式LCoS光學(xué)引擎體積較大的問題也使得其支持率并不理想。時至今天，JVC的D-ILA芯片有如下幾種規(guī)格：

　　(1)最高等級：1.7英寸4K芯片(3840×2048)，5000 : 1對比度，像素大小：9.5微米，像素間隔：0.5微米，開口率：93%。主要應(yīng)用于大型數(shù)字高清影院。

　　(2)1.3英寸 QXGA等級芯片(2048 x 1536)，對比度5000 : 1，像素大小：12.9微米，像素間隔：0.5微米，開口率：94%。主要應(yīng)用于大型工業(yè)制圖的計算機對應(yīng)顯示。

　　(3)0.82英寸 1080p芯片(1920 x 1080)，5000 : 1對比度，像素大�。�9.5微米，像素間隔：0.4微米，開口率：92%。主要應(yīng)用與高清家庭影院。

　　(4)0.7英寸1080p等級芯片(1920 x 1080)，5000 : 1對比度，像素大�。�8.1微米，像素間隔：0.35微米，開口率：89%。主要應(yīng)用于高清家庭影院。

　　(5)0.7英寸720p等級芯片(1280 x 720)，5000 : 1對比度，像素大小：12微米，像素間隔：0.5微米，開口率：93%。主要應(yīng)用于家庭影院。

　　SONY的SXRD芯片大概有3種規(guī)格的芯片：

　　(1)最高等級：1.55英寸4K等級芯片(4096 x 2160)，4000 : 1對比度，像素大�。�8.5微米，像素間隔：0.35微米，開口率：95%，反射率：72%，主要應(yīng)用于大型數(shù)字高清影院。

　　(2)0.78英寸1080p等級芯片(1920 x 1080)，3000 : 1對比度，像素大�。�9微米，像素間隔：0.35微米，開口率：92%，反射率：65%，主要應(yīng)用于高清家庭影院。

　　(3)0.61英寸1080p等級芯片(1920 x 1080)，5000 : 1對比度，像素大小：7微米，像素間隔：0.35微米，開口率：95%，反射率：72%，主要應(yīng)用于高清家庭影院。

　　總體上看，LCoS相對于目前的主流技術(shù)LCD及近期相當(dāng)熱門的DLP面板投影技術(shù)而言仍難與其抗衡，但是短期內(nèi)在這三大技術(shù)中暫時屈居第三。由于LCoS背投技術(shù)是直接與映像管(CRT)投影技術(shù)、高溫多晶矽液晶穿透式投影技術(shù)、DMD數(shù)位光學(xué)處理反射式技術(shù)相關(guān)，而這三項技術(shù)已發(fā)展成熟，所以LCoS技術(shù)就會成為投影顯示技術(shù)的新主流。