告訴你不為人知的新興LCOS投影技術

LCoS技術特點與發(fā)展

摘要

    LCoS屬于TFT-LCD新一代的液晶顯示產品。預計至2005年，LCoS在背投式投影電視中約占20%的市場份額。本文介紹其技術特點、關鍵技術、應用領域及發(fā)展前景。

    LCoS belong in new generation LCD production of TFT-LCD.LCoS be possessed of about 20% market share in rear projection TV, prefigured to 2005 year. Its technology characteristics,key technology ,application domain and development foreground introduced in this paper.

1.引言

    硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCoS）是一種液晶顯示器（LCD）的新興技術，是由Aurora Systems融合半導體CMOS集成電路與液晶兩項技術的優(yōu)勢，于2000年開發(fā)出的一種高分辨率、低價格反射式新型顯示技術。它是一種將LCD直接制于單晶硅片上的新型液晶顯示器件。單晶硅片上可將LCD的有源矩陣薄膜晶體管（AMTFT）、外部驅動電路及控制電路等全部制于上面，以此作為LCD的一塊基板，與另一塊作為公共電極的涂上透明導電層的玻璃基板共同封接成一個薄盒，注入液晶即可制成硅基液晶顯示器件（LCoS）。

    眾所周知，LCD已經歷了TN型、STN型及TFT型等數代的更新，它們都是在LCD自身上下功夫。而目前的LCoS則是將LCD與集成電路（IC）制成一體，這對LCD而言，無疑是一個全新的技術突破，它是TFT-LCD的新一代液晶顯示產品。

LCoS的技術特點

2.

    LCoS的結構是在硅片上利用半導體工藝制作驅動面板（亦稱CMOS-LCD），然后在單晶硅片上通過研磨磨平，并鍍上鋁（Al）作為反射鏡，形成了CMOS基板，再將CMOS基板與涂有透明電極的上玻璃基板粘合，并注入液晶，進行封裝而成。LCoS的結構特點決定了其與常規(guī)LCD有著眾多的不同點，具有一些LCD及任何其他顯示器所無法比擬的技術特點。

2.1智能型顯示器件

    由于LCoS屬于一種將液晶顯示器件（LCD）與大規(guī)模集成電路（LSIC）制成一體的顯示器件，甚至還可將信息處理系統(tǒng)集為一體，故使顯示器件自身具有了某些智能功能，可將其稱為智能型顯示器件。智能型顯示器與性能最先進的芯片相結合，不僅能處理極其復雜的運算，而且還能擁有與PC相類似的多種功能。不是PC勝似PC，故智能型顯示器將不再是電腦的外圍設備而逐漸上升為主流設備，與電腦平起平坐。

    LCD與LSIC是一對孿生兄弟。LCD的輕、薄、小、微（是指功耗）的特點使顯示器件的信息顯示實現了個人化，而個人化的最終結果為LSIC提供了寬闊的市場發(fā)展前景。20世紀70年代，以個人計算器的興起為標志，LCD與LSIC相互促進、飛速發(fā)展，逐步形成了全球的最大產業(yè)。90年代，LCD又與LSIC再度結合，實現了便攜式電腦（PC）的飛速發(fā)展。

    LCD與LSIC這一對雙胞胎相互依存、相生相促。LCD離開了LSIC，其輕、薄、小、微的特點便無法實現，假如LSIC不能將其大量而豐富并及時處理的信息利用LCD及時而簡便并準確地展示給人們的視覺，亦大大地埋沒其性能。它們必須結合為一體方能充分發(fā)揮出作用。但遺憾的是，長期以來它們都是兩個不同的產品。

    LCoS最終將它們結合成一個產品了，LSIC使LCD增加了智能的功能，LCD使LSIC的智能功能更直接地展示給人們的視覺。

外部引線少、連接簡單及整機裝配簡便

2.2

    普通的LCD有大量密集的外部引線，如一個1024×768像素點陣的LCD便有2592條外部引線，給整機裝配帶來了諸多不便，而LCoS由于是將LCD制于單晶硅片上，LCD的行、列引出線皆通過半導體工藝在硅片內與IC相連接，故留在外部的僅有數條數據控制線、時序線及電源線等�？衫�用通用連接端口與前級電路相連接，頗為簡便。

2.3體積更小、外觀更精巧及成本更低廉

    普通的LCD在制造過程中需在玻璃基板上進行光刻，制成像素。通常將像素制至0.28mm已屬不易，因在每個像素上還需制出一個有源器件。但LCoS的像素是制在單晶硅片上，硅片采用LSIC的工藝進行加工，可將象像制至4µm以下。故在一個僅零點數英寸的硅片上可制成1024×768像素，甚至1920×1240像素點陣密度的顯示產品。顯示的信息量密度增大了，而體積卻減少了（達0.35~0.5英寸），材料費及成本自然便會大幅度地降低。LCoS可將驅動IC等外部電路完全制于CMOS基板上，減少外部IC的數量及封裝成本，并使體積減小。目前試產的LCoS顯示屏的成本僅50美元。2.2㎝/1280×1024像素點陣的LCoS芯片價格才150美元，較相同分辨率的LCD和數字微鏡（DMD）低得多，將來還會有更大的降價空間。

像素開口率高、分辨率高

2.4

    LCoS解決了普通TFT-LCD像素開口率不高的技術難題。像素開口率是指顯示像素上有效顯示面積所占的比例大小。普通的TFT-LCD需在每個像素面積內劃出一個區(qū)域來制成場效應三極管和電容，由于普通的TFT-LCD是在玻璃基板非晶硅膜層上制成的，非晶硅或多晶硅層上制作場效應管時，由于非晶硅或多晶硅的電子遷移率低，故場效應管等有源器件所占的面積較大，而LCoS采用單晶硅，其電子遷移率較非晶硅或多晶硅高得多，所以其面積可制成很小，因而其開口率可很高，達96%以上。

    由于LCoS的晶體管及驅動電路皆制于單晶硅基板內，位于反射面之下，并不占用表面面積，故僅有像素間隙才占用開口面積，不像透射式LCD的TFT及導線皆占用開口面積，所以理論上無論是分辨率還是開口率，LCoS都較透射式LCD高。由于LCoS采用半導體方式來控制分辨率，故分辨率很高，通常達到SXGA等級（1280×1024像素），較高的分辨率又導致較小的畫面像素，使畫質逼真自然。高解析度可隨半導體制造過程快速實現微細化，易于提高解析度，尤其適用于便攜式咨詢設備。迄今，它的制造工藝技術已日臻成熟。

2.5光利用率高

    LCoS可提高光的利用率。它與LCD投影顯示器相類似，主要差別在于LCoS屬反射式成象，故光利用率可達40%以上，與數字光處理（DLP）相當，而透射式LCD僅有3~10%而已。眾所周知，LCD屬于被動式顯示器件，*調制外界環(huán)境光來實現顯示的，普通的LCD在前后各裝有一片偏光膜，LCD便是*調制偏振光的開關通斷來實現顯示的。偏光膜是*吸收光來產生偏光的，故制成的LCD透光率很低，普通的TFT-LCD透光率僅百分之幾，因此，為顯示清晰，在TFT-LCD的背后需裝上一個較強的背光源。該背光源頗耗電，從而將TFT-LCD微功耗的特點喪失貽盡。

    LCoS的背基板采用單晶硅基片，故LCoS大多制成反射式。硅片像素上又鍍有光學反光膜，可將光全部反射出，從而大部分入射光皆能被利用。LCoS的反射式成像光效高，不僅節(jié)電，符合綠色環(huán)保需求，而且還能給便攜式IT產品提供高清晰度的大屏面。如手機、掌上電腦（PDA）等便攜式產品上網一大障礙便是屏幕太小、分辨率不高，若采用近視器結構便可解決這一問題。

    用普通的TFT-LCD制成的透射式投影電視與用LCoS制成的反射式投影電視相比，用LCoS制成的反射式投影電視僅需1/5功耗的光源，便可獲得普通透射式TFT-LCD投影電視亮數倍的顯示效果。一個400W光源的LCoS反射式背透型74英寸高清晰度電視（HDTV）的亮度可優(yōu)于CRT的亮度。這是目前其他任何投影電視所無法達到的水平。

顯示方式多樣化

2.6

    由于LCoS的屏幕尺寸很小，故在實現顯示時必須采用光學系統(tǒng)進行放大。常用的方式有：

（1） 投影放大式：可采用前投影顯示方式，亦可采用背投影顯示方式；
（2） 直視型放大式：通常大多采用單目式；
（3） 虛像放大式：有單目式和雙目式兩種，還可細分為割取外影式和疊加外景式。

    將其用作電視時，通常皆采用投影放大方式。可制成54~100英寸的HDTV，售價不會超過1萬元，質量低于10㎏。當然亦可將其制成背投式電腦終端的顯示器。

    借助一個光學系統(tǒng)進行放大，可將圖像投射至一個適當大的屏幕上，用于移動通信或可視電話，亦可按虛像放大式制成單目或雙目眼罩式的隨身看顯示裝置，使顯示圖像在人的眼前形成一個放大的虛擬圖像。

2.7易于實現彩色化

    通常，LCD的彩色化是采用微彩色膜方式，即將三個子像素制成紅、綠、藍三基色子像素，合成一個全色象素。這是一種空間混色法，占用了大量的像素空間，降低了分辨率。而LCoS則自身是黑白的，采用紅、綠、藍三基色光反復循環(huán)地照射，借助時間混色實現彩色顯示之目的。由于LCoS的響應速度可達μs級，故此種實現彩色方法完全切實可行，而且大大地降低顯示器件的成本，提高了顯示的分辨率。

投資少、利于大批量生產

2.8

    LCoS的最大優(yōu)勢是可采用應用最為廣泛且最價廉的CMOS制造工藝，無需額外增加投資，并可隨半導體工藝流程的快速化與細微化，易于提高其分辨率。一條TFT-LCD生產線，由于需在玻璃基板上生成非晶硅或多晶硅，還需有制成微彩色膜等特殊而獨特的工藝，故投資頗大，通常需數億至十幾億美元，建廠周期長、回收慢。而LCoS的產品結構決定了其無需單獨對全程生產線進行投資，它可分別投資在半導體廠和液晶廠，其中半導體廠對工藝要求較低。而對液晶廠僅需投資定向、封盒、灌注及模塊等幾個工序即可。生產時可分別由半導體集成電路廠和液晶廠生產即可。故投資額度大為減少。

    由于半導體工藝流程速度快、產量大，液晶封盒、灌注工序少，因而生產批量大、效率高，再加上LCoS所用的材料少，其相對投資額自然要少得多。

3 LCoS的關鍵技術

    綜上所述，LCoS是LCD與LSIC相結合的結晶產物。故它具有該兩大行業(yè)的一般技術特征。但它的特殊結構與機理又決定其特殊的技術要求與特征。

    在制造LCoS過程中，除需原有的液晶和半導體常規(guī)成熟的工藝與技術外，還需如下一些的關鍵技術。

特殊的材料技術

3.1

（1）特殊液晶混合配方材料

    配制該材料是為了適用于投影電視光源投射時的溫度，應能在50℃較高溫度下正常工作。為滿足視頻圖像顯示的需求，顯示材料應有較快的響應速度。為能與僅有1~2μm的盒厚相匹配，顯示材料應具有較高的介電常數等。

�。�2）超常平整度、高導電率、高透射率及低膨脹系數的氧化銦錫（ITO）玻璃基板

    LCoS的液晶盒是由硅片和玻璃基板封接而成，故所用的玻璃基板的膨脹系數需接近于硅片的膨脹系數。由于盒厚僅1~2μm，故表面應很平整，又由于光學和驅動上的需求，其表面的ITO膜層應是高透射率及高導電率。

特殊的工藝技術

3.2

（1）在制作硅片上

①需在單晶硅基片上制成X-Y像素矩陣下的有源矩陣；
②需在每個有源像點上制成一個要有一定一致性的補償電容；
③制作遮光層；
④制作1~2μm的盒厚襯墊；
⑤像素表面化學拋光；
⑥像素表面蒸鍍反光層；
⑦硅片上的外引線連接。

（2）在制作液晶盒上

①特殊零件的凈化操作；
②1~2μm盒厚的控制與封接技術；
③理想的液晶分子定向工藝技術；
④薄盒的液晶灌注技術；
⑤顯示模塊制造工藝技術。

3.3特殊的設計技術

    特殊的設計技術包括液晶與IC的綜合設計與制版。

3.4特殊的檢測技術

    特殊的檢測技術是控制LCoS質量之關鍵，LCoS需有一些不同于普通IC和LCD的特殊電參數與光參數的檢測技術。還需有專業(yè)測試分析軟件，其中包括數據回放軟件、時域分析軟件及頻域分析軟件。

特殊的配套技術

3.5

    LCoS的顯示必需借助配套的光路系統(tǒng)方能實現。按不同的用途，可有如下各種方式，它們對LCoS至關重要。

（1）投影系統(tǒng)（前投式或背投式）

長壽命、高效率、高色溫及色還原性佳的光源；
起偏光與檢偏光系統(tǒng)；
分色鏡及循環(huán)性光掃描系統(tǒng)；
光路放大、消像差及消色差短焦距光學鏡頭；
光路高利用率的設計；
高精密結構設計與加工；
降溫與控溫系統(tǒng)；
屏幕設計與制造技術。

（2）隨身看顯示裝置

    將LCoS顯示的小型圖像借助光學裝置放大成一個直視式大屏幕虛像，是LCoS實現顯示的另一種方式。該裝置可制成比眼鏡還小，使用時可像眼鏡一樣戴在眼前，經光學裝置放大即可將LCoS的顯示畫面在人的眼前放大成一幅大屏幕虛像。可采用單目顯示，用于計算機、個人數字處理機及通信等產品上；亦可采用雙目顯示，制成眼罩式電視、立體電視及虛擬現實（VR）顯示等�？蓪⑵浜啽愕匮b入隨身攜帶的包中，便于隨時拿出來觀看。其光學裝置的關鍵技術如下：

�、� 紅、綠、藍三基色光循環(huán)性掃描裝置；
�、� 起偏與檢偏裝置；
�、� 消色差與消像差短焦距光學鏡頭；
�、� 微型精密結構的設計技術。

    上述關鍵技術有些是可從其他技術中借鑒或移植過來，而有些則必需進行創(chuàng)新。實際上，上述關鍵技術在國內外研制與開發(fā)LCoS過程中業(yè)已獲得滿意的解決。

LCoS的應用領域與發(fā)展前景

4

    LCoS是倍頻掃描電視與電腦終端顯示器的完美結合，分割畫面及多重掃描可使其應用實現多樣化、生活化及人性化。

    LCoS作為新一代液晶顯示器，集高清晰度電視（HDTV）信號顯示、視頻多制式兼容接收及兼容多制式電腦顯示卡信號于一體，具有大屏幕、高亮度、高分辨率及省電等許多優(yōu)點，其應用產品已被廣大消費者及業(yè)內人士所看好，市場潛力巨大。LCoS將是HDTV背投式投影技術的主要發(fā)展方向。2001年已有小批量產品面市，隨著成本的不斷下降，LCoS應用于大屏幕顯示產品將會愈益增多。由于其價廉及輕便，它將會成為大屏幕投影電視機的主要競爭者。它必將在大屏幕投影電視中占有重要的地位，隨著HDTV的推廣應用將會加速其產業(yè)化的進程。除大屏幕顯示外，可以說，LCoS能應用于任何需要顯示的地方，如教學、業(yè)務培訓、產品推銷、商務演示、科研、醫(yī)療、展覽、各種會議及家庭娛樂等場合，教育、交通、航空航天、計算機輔助設計/計算機輔助制造/計算機輔助測試（CAD/CAM/CAE）、軍隊、政府機構及金融等重點行業(yè)和領域，眾多其他顯示方式無法滿足需求的領域，LCoS皆能勝任。如電視、計算機、通信及軍事等領域皆是LCoS大顯身手的地方。

    LCoS的市場定位在頭盔顯示器（Head- Mounted Display,HMD）及大屏幕顯示器。目前顯示業(yè)界普遍認為：在顯示器市場中，20英寸以下皆以LCD為主流，等離子體顯示器（PDP）適用于40~70英寸的顯示范圍，但售價高昂，難以普及。投影顯示器正適用于40~70英寸以上的顯示產品，具有分辨率高、價格適中等優(yōu)勢。LCoS投影顯示技術則著眼于上述投影顯示的市場；此外，亦可將其作為直視型顯示器件，用于HMD領域內。LCoS的另一潛在應用市場是數碼攝像機的取景器，LCoS虛擬顯示器非常適用于眾多消費類電子產品，其中包括可視移動電話、掌上電腦（PDA）及需嵌入微型顯示器的各種電子產品等。

    LCoS屬于一種新型液晶微反射顯示技術，基于LCoS圖像芯片開發(fā)的彩投機及HDTV功耗低、體積小、重量輕、無電磁輻射、圖像分辨率高、亮度和對比度佳、色彩逼真，被業(yè)界認為是最有希望進入家用高端視頻產品。隨著數字電視及HDTV的推廣應用，必將加速LCoS的產業(yè)化進程。未來的LCoS主要應用于數字化HDTV。2000年LCoS的產值為5億美元，至2004年其產值將會達到23億美元，年增長率達46.5%，屬于一種快速發(fā)展的新型顯示系統(tǒng)。預計至2005年，LCoS在背投式投影電視中的占有率將達20%。目前的LCoS技術雖還難以與LCD或數字光處理（DLP）技術相抗衡，但一旦LCoS技術發(fā)展成熟形成產業(yè)化后，其優(yōu)異的性能及低廉的成本是其他顯示產品所無法與之競爭的。