由淺入深 挖掘LCOS技術(shù)的點點滴滴

LCOS光機(jī)原理

    LCOS（Liquid Crystal on Silicon）屬于新型的反射式micro LCD投影技術(shù)，它采用涂有液晶硅的CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片。用先進(jìn)工藝磨平后鍍上鋁當(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的玻璃基板相貼合，再注入液晶封裝而成。LCOS將控制電路放置于顯示裝置的后面，可以提高透光率，從而達(dá)到更大的光輸出和更高的分辨率。

下圖是LCOS液晶封裝層次的斷面剖析圖：

    注：cover glass:防護(hù)玻璃，ITO Alignment layer:ITO公共電極層[E’lainmEnt]
        Lc material:液晶物質(zhì)（填充物質(zhì)）
         spacers 間隔鍍層（為物質(zhì)鋁）
         CMOS substrate:CMOS基板

    LCOS也可視為LCD的一種，傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，LCOS則是做在硅晶圓上。前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)80%以上，而且它的最大優(yōu)勢是可利用目前廣泛使用、便宜的CMOS制作技術(shù)來生產(chǎn)，毋需額外的投資，并可隨半導(dǎo)體制程快速的微細(xì)化，逐步提高解析度。反觀高溫多晶硅LCD則需要單獨投資設(shè)備，而且屬于特殊制程，成本不易降低。LCOS面板的結(jié)構(gòu)有些類似TFT LCD，一樣是在上下二層基板中間分布Spacer以加以隔絕后，再填充液晶于基板間形成光閥，藉由電路的開關(guān)以推動液晶分子的旋轉(zhuǎn)，以決定畫面的明與暗。LCOS面板的上基板是ITO導(dǎo)電玻璃，下基板是涂有液晶硅的CMOS基板，LCOS面板最大的特色在于下基板的材質(zhì)是單晶硅，因此擁有良好的電子移動率，而且單晶硅可形成較細(xì)的線路，因此與現(xiàn)有的LCD及DLP投影面板相比較，LCOS是一種很容易達(dá)到高解析度的新型投影技術(shù)。

LCOS光學(xué)引擎架構(gòu)

    LCOS光學(xué)引擎架構(gòu)大致可分為兩種，三片式光學(xué)引擎和單片式光學(xué)引擎。

1、三片式光學(xué)引擎

    LCOS光學(xué)引擎目前以三片式為主，三片式是將光源經(jīng)分光棱鏡將光束分為紅、藍(lán)、綠光后，再分別將光束投射入三片LCOS面板，將投射出的三色影像經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)會聚加以結(jié)合形成彩色影像。由于三片式LCOS光學(xué)引擎除了需要三片面板外，并結(jié)合多項的分光、合光系統(tǒng)，因此體積較大、成本也較高，不過由于可以達(dá)到較高的光學(xué)效率，又具備高畫質(zhì)的特性，因此主要是面向大屏幕這樣高階的專業(yè)用途發(fā)展。

下圖為LCOS光機(jī)的原理圖：

    注：lamp：燈泡。M：miro反射鏡子。
         DM：Dichroic Mirror（雙色鏡）[daI`krEJIk]（作用：把光分成紅綠藍(lán)）。
         Integrated lens：拋物面反射式透鏡（作用：過濾紫外光和紅外光）。
         PS converter：偏振光轉(zhuǎn)換器（作用：用聚焦透鏡和復(fù)眼透鏡得到均勻的平行光）。
         PBS：偏極化分光鏡（Polarization Beam Spliter；PBS）（作用：得到需要的光，光分為P光和S光，PBS讓P光通過，讓S光反射）。
         RLCD（R）：反射式LCOS芯片。Projection lens:成像鏡頭。

    如上圖所示是LCOS投影結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，用UHP（冷光源燈）做光源，用拋物面反射鏡過濾紫外光和紅外光，再用冷反射鏡過濾紅外光，通過聚焦透鏡和復(fù)眼透鏡得到均勻的平行光，然后分色鏡分光，再通過PBS得到偏振光，通過LCOS芯片反射進(jìn)行合成并通過變焦透鏡投影到屏幕，形成圖像。

    光機(jī)顯示信號的過程：把需要顯示和信號（包括視頻信號，計算機(jī)信號等信號）通過線纜接到LCOS光機(jī)主板上，主板把信號轉(zhuǎn)化成電子信號，再把電子信號加到LCOS芯片的驅(qū)動板上，由該板把信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過LCOS驅(qū)動板把數(shù)字信號加到LCOS芯片上，由LCOS芯片把信號加到光機(jī)光束中，通過PBS，合光系統(tǒng)和成像透鏡形成圖像投射到屏幕上，即我們看到的圖像。

    LCOS投影機(jī)與LCD投影機(jī)的主要結(jié)構(gòu)在導(dǎo)光及分光合光部分的設(shè)計大同小異，只是在LCOS投影機(jī)系統(tǒng)中，LCOS面板前均多加了PBS。

    由光源所發(fā)出的光經(jīng)由Dichroic Mirror（雙色鏡）后分成R、G、B三色光，此三色光分別通過各自的PBS后，會反射Ｓ偏光進(jìn)入LCOS面板，當(dāng)液晶顯示為亮態(tài)時，S偏光將改變成P偏光，最后以雙色棱鏡（Dichroic Prism）組合調(diào)變過的三道偏極光，投射至屏幕處得到影像。

    簡單來說，LCOS是直接與顯像管（CRT）投影技術(shù)、高溫多晶硅液晶（Poly-Si LCD）穿透式投影技術(shù)、DMD（Digital Micromirror Device）數(shù)據(jù)光學(xué)處理（DLP；Digital Light Processing）反射式技術(shù)相關(guān)。這三項技術(shù)已發(fā)展成熟，故LCOS可成為投影顯示技術(shù)的新主流。

2、單片式光學(xué)引擎

    單片式Color Wheel光學(xué)引擎則是以快速旋轉(zhuǎn)的ColorSwitch將白光形成循序的紅、藍(lán)、綠光，并將三原色光與驅(qū)動程式產(chǎn)生的紅、藍(lán)、綠畫面，同步形成分色影像，再藉由人眼視覺暫留的特性，最后在人腦產(chǎn)生彩色的投影畫面。

    單片式的最大優(yōu)點就是因為面板數(shù)僅需一片，加上分光、合光的系統(tǒng)架構(gòu)比較簡單，因此在成本上較具競爭優(yōu)勢，而且光學(xué)引擎的空間也相對較小。然而目前在技術(shù)上面臨一些困難，以Color Wheel而言，白光經(jīng)偏極化后的光源僅為先前的1/3，亮度明顯降低；此外，由于LCOS面板得在紅、藍(lán)、綠畫面快速的切換下合成影像，因此面板反應(yīng)速度的要求更高，使得生產(chǎn)的難度也相形提高。

LCOS投影技術(shù)特色

    與LCD、DLP投影機(jī)技術(shù)相較，LCOS投影技術(shù)具高解析度、高亮度、及低成本潛力，為投影技術(shù)的明日之星。

1、高解析度和高清晰度

      LCOS投影技術(shù)最大的特色在于其面板的下基板采用硅晶圓CMOS基板，由于下基板的材質(zhì)是單晶硅，擁有良好的電子移動率，而且單晶硅可形成較細(xì)的線路，因此比較容易生產(chǎn)出高解析度的面板，顯示高清晰度的畫質(zhì)。

2、高亮度

     LCOS為反射式技術(shù)，不會像LCD光學(xué)引擎會因為光線穿透面板而大幅度降低光利用率，因此光利用率可提高至80%，與穿透式的LCD的3%相較，可減少耗電，并可產(chǎn)生較高的亮度。

3、艷麗飽滿的色彩

    LCOS反射式液晶的顯像特性，在色彩的表現(xiàn)范圍遠(yuǎn)比三槍（CRT）投影機(jī)及其他顯示技術(shù)還高，幾乎將接近NTSC色彩的再現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。因此可呈現(xiàn)整體畫面的高色彩飽和度，讓色彩艷麗飽滿。

    光機(jī)里有3片LCOS芯片，每片上有約150萬像素，三片各自同步形成R、G、B單色圖像。RGB三單色圖像經(jīng)光學(xué)元件組合成一幅24位（16777216色）真彩圖，再經(jīng)高解像度廣角鏡頭放大到屏幕上。LCOS硅晶電視的顯像更為精準(zhǔn)逼真，同時具備超高的亮度令畫面表現(xiàn)更加出色 。

4、低成本

    LCOS光學(xué)引擎因為產(chǎn)品零件簡單，因此具有低成本的優(yōu)勢，再加上國內(nèi)廠商大舉投入，相較于由Epson, Sony供貨的LCD面板、及德儀(TI)獨家供應(yīng)的DLP面板，LCOS具有成本的快速降低趨勢。

    LCOS投影機(jī)采用全數(shù)字化信號處理技術(shù)，以LCOS芯片 （液晶覆硅）作為反射成像器件，采用數(shù)字光處理技術(shù)調(diào)制計算機(jī)和視頻信號，驅(qū)動LCOS芯片反射成像器件系統(tǒng)，通過合光系統(tǒng)和投影透鏡獲得大屏幕圖像。該技術(shù)具有圖像顯示色彩飽滿、畫面高清晰度和高解晰度、高亮度、高穩(wěn)定性和免維護(hù)等特點。目前單臺LCOS™投影機(jī)可廣泛兼容多種分辨率信號，多臺組合拼接可實現(xiàn)超高分辨率的顯示，整體墻分辨率為各投影顯示單元分辨率的疊加。

LCOS與其它投影機(jī)比較

CRT、LCD、DLP、LCOS投影系統(tǒng)性能比較：

    目前用于組合式背投顯示屏的主要有CRT（陰極射線管）、LCD（液晶）、DLP(數(shù)字光處理)LCOS（液晶覆硅）四種類型投影機(jī)，根據(jù)我過現(xiàn)狀分析，從國內(nèi)核心技術(shù)掌握程度、關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、工藝設(shè)備及原材料，以及技術(shù)發(fā)展空間等多個方面分析，各項技術(shù)在我過的產(chǎn)業(yè)化情況有許多特點，下面列出這四類投影機(jī)各方面技術(shù)性能比較：