LCOS技术知识集锦

LCOS技术知识集锦

LCOS光机原理

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)属于新型的反射式micro LCD投影技术，它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片，用先进工艺磨平后镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上的玻璃基板相贴合，再注入液晶封装而成。LCOS将控制电路放置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而达到更大的光输出和更高的分辨率。

下图是LCOS液晶封装层次的断面剖析图：

cover glass:防护玻璃
ITO Alignment layer:ITO公共电极层[E’lainmEnt]
Lc material:液晶物质(填充物质)
spacers 间隔镀层(为物质铝)
CMOS substrate:CMOS基板

LCOS也可视为LCD的一种，传统的LCD是做在玻璃基板上，LCOS则是做在硅晶圆上。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则采用反射式投射，光利用效率可达80%以上，而且它的最大优势是可利用目前广泛使用、便宜的CMOS制作技术来生产，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，逐步提高解析度。反观高温多晶硅LCD则需要单独投资设备，而且属于特殊制程，成本不易降低。LCOS面板的结构有些类似TFT LCD，一样是在上下二层基板中间分布Spacer以加以隔绝后，再填充液晶于基板间形成光阀，藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转，以决定画面的明与暗。LCOS面板的上基板是ITO导电玻璃，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质是单晶硅，因此拥有良好的电子移动率，而且单晶硅可形成较细的线路，因此与现有的LCD及DLP投影面板相比较，LCOS是一种很容易达到高解析度的新型投影技术。

LCOS的发光原理

LCoS电视机产生画面需要经过若干步骤。这一过程涉及到一个高强度灯泡、布置在一个立方体中的一系列反光镜和微型器件、一个棱镜和一个投影透镜。下面介绍在整个过程中都发生了什么事情：

1. 灯泡产生一束白光。
2. 光束穿过一个聚光透镜（负责聚焦和对准光线）。它还会穿过一个滤光器（只允许可见光通过），这样可以使其他元件免受损害。
3. 通过以下两种方式之一，这束白光被分解成了红色、绿色和蓝色光：
1. 光束穿过一个偏振光束分光器（PBS），它把光分解为三个光束，这些光束分别穿过增加红色、绿色和蓝色的滤光器。
2. 光束穿过一系列分色镜，这些分色镜能够反射某些波长的光线而允许其余光线穿过。例如，分色镜可以把红光从白光中分离出去，留下蓝光和绿光，而另一面分色镜可以再把绿光分离出来，只留下蓝光。
4. 刚刚产生的彩色光束同时与三个LCoS微型器件之一相接触——它们分别对应红光、绿光和蓝光。在下一节，我们将介绍这些器件。
5. 这些微型器件反射出来的光线穿过一个棱镜，这个棱镜能够将这些光线组合在一起。
6. 然后，棱镜把光线（它们现在产生了一个全色影像）投射到一个投影透镜中，这个透镜再把影像放大并显示到屏幕上。

LCoS微型器件

LCoS微型器件把液晶层放在一个透明的薄膜晶体管（TFT）和一个硅半导体之间，而不是像LCD那样把液晶放在两片极化面板之间。这个半导体具有能够反射光线的、失真的表面。由灯泡发出的光透过一个偏振滤光器投射到微型器件上，而液晶起着像门或阀那样的作用，控制到达反射面的光线的数量。特定像素的晶体接收到的电压越高，该晶体允许通过的光线也就越多。完成整个过程需要若干层不同的材质。

下面从下到上介绍了LCoS微型器件的组成部分及其功能：

• 印刷电路板（PCB）：将指令和电流从电视机传输到微型器件
• 硅（芯片或传感器）：使用来自电视机像素驱动程序的数据来控制液晶，通常为每个像素使用一个晶体管
• 反射涂层：反射光线以产生画面
• 液晶：控制到达或离开反射涂层的光线的数量
• 对准层：使液晶能够正确对准，从而能够精确地校准光线
• 透明电极：与硅和液晶一起组成完整的电路
• 玻盖：保护和密封整个系统

确切的材料和构造因制造商的不同而有所区别。有些微型器件使用向列液晶，有些则使用铁电液晶。有些使用有机对准层，他们会随着使用时间的延长和高强度曝光而分解。有些使用光敏材料和光线来控制到达液晶的脉冲。

晶体相对于反射面的方位在电流作用下会改变。 大多数在电流关闭时几乎与反射面正交，而在电流打开时与其斜交。

一般来说，LCoS设备的像素间只有非常小的间隙。像素间距——两个相同颜色像素之间的水平距离——为8至20微米（10-6）。这可以减小或消除在一些DLP电视机上出现的“纱门”效应，从而有助于使影像保持平滑和均匀。

LCOS光学引擎架构

LCOS光学引擎架构大致可分为两种，三片式光学引擎和单片式光学引擎。

1、三片式光学引擎

LCOS光学引擎目前以三片式为主，三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射入三片LCOS面板，将投射出的三色影像经过光学系统会聚加以结合形成彩色影像。由于三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外，并结合多项的分光、合光系统，因此体积较大、成本也较高，不过由于可以达到较高的光学效率，又具备高画质的特性，因此主要是面向大屏幕这样高阶的专业用途发展。

下图为LCOS光机的原理图：

lamp：灯泡。M：miro反射镜子。
DM：Dichroic Mirror(双色镜)[daI`krEJIk](作用：把光分成红绿蓝)。 Integrated lens：抛物面反射式透镜(作用：过滤紫外光和红外光)。
PS converter：偏振光转换器(作用：用聚焦透镜和复眼透镜得到均匀的平行光
PBS：偏极化分光镜(Polarization Beam Spliter;PBS)(作用：得到需要的光，光分为P光和S光，PBS让P光通过，让S光反射)。
RLCD(R)：反射式LCOS芯片。Projection lens:成像镜头。

如上图所示是LCOS投影结构系统，用UHP(冷光源灯)做光源，用抛物面反射镜过滤紫外光和红外光，再用冷反射镜过滤红外光，通过聚焦透镜和复眼透镜得到均匀的平行光，然后分色镜分光，再通过PBS得到偏振光，通过LCOS芯片反射进行合成并通过变焦透镜投影到屏幕，形成图像。

光机显示信号的过程：把需要显示和信号(包括视频信号，计算机信号等信号)通过线缆接到LCOS光机主板上，主板把信号转化成电子信号，再把电子信号加到LCOS芯片的驱动板上，由该板把信号转化成数字信号，通过LCOS驱动板把数字信号加到LCOS芯片上，由LCOS芯片把信号加到光机光束中，通过PBS，合光系统和成像透镜形成图像投射到屏幕上，即我们看到的图像。

LCOS投影机与LCD投影机的主要结构在导光及分光合光部分的设计大同小异，只是在LCOS投影机系统中，LCOS面板前均多加了PBS。

由光源所发出的光经由Dichroic Mirror(双色镜)后分成R、G、B三色光，此三色光分别通过各自的PBS后，会反射S偏光进入LCOS面板，当液晶显示为亮态时，S偏光将改变成P偏光，最后以双色棱镜(Dichroic Prism)组合调变过的三道偏极光，投射至屏幕处得到影像。

简单来说，LCOS是直接与显像管(CRT)投影技术、高温多晶硅液晶(Poly-Si LCD)穿透式投影技术、DMD(Digital Micromirror Device)数据光学处理(DLP;Digital Light Processing)反射式技术相关。这三项技术已发展成熟，故LCOS可成为投影显示技术的新主流。

2、单片式光学引擎

单片式Color Wheel光学引擎则是以快速旋转的ColorSwitch将白光形成循序的红、蓝、绿光，并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画面，同步形成分色影像，再藉由人眼视觉暂留的特性，最后在人脑产生彩色的投影画面。

单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，加上分光、合光的系统架构比较简单，因此在成本上较具竞争优势，而且光学引擎的空间也相对较小。然而目前在技术上面临一些困难，以Color Wheel而言，白光经偏极化后的光源仅为先前的1/3，亮度明显降低;此外，由于LCOS面板得在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，因此面板反应速度的要求更高，使得生产的难度也相形提高。

LCOS投影技术特色

与LCD、DLP投影机技术相较，LCOS投影技术具高解析度、高亮度、及低成本潜力，为投影技术的明日之星。

1、高解析度和高清晰度

LCOS投影技术最大的特色在于其面板的下基板采用硅晶圆CMOS基板，由于下基板的材质是单晶硅，拥有良好的电子移动率，而且单晶硅可形成较细的线路，因此比较容易生产出高解析度的面板，显示高清晰度的画质。

2、高亮度

LCOS为反射式技术，不会像LCD光学引擎会因为光线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%，与穿透式的LCD的3%相较，可减少耗电，并可产生较高的亮度。

3、艳丽饱满的色彩

LCOS反射式液晶的显像特性，在色彩的表现范围远比三枪(CRT)投影机及其他显示技术还高，几乎将接近NTSC色彩的再现标准。因此可呈现整体画面的高色彩饱和度，让色彩艳丽饱满。

光机里有3片LCOS芯片，每片上有约150万像素，三片各自同步形成R、G、B单色图像。RGB三单色图像经光学元件组合成一幅24位(16777216色)真彩图，再经高解像度广角镜头放大到屏幕上。LCOS硅晶电视的显像更为精准逼真，同时具备超高的亮度令画面表现更加出色 。

4、低成本

LCOS光学引擎因为产品零件简单，因此具有低成本的优势，再加上国内厂商大举投入，相较于由Epson, Sony供货的LCD面板、及德仪(TI)独家供应的DLP面板，LCOS具有成本的快速降低趋势。

LCOS投影机采用全数字化信号处理技术，以LCOS芯片 (液晶覆硅)作为反射成像器件，采用数字光处理技术调制计算机和视频信号，驱动LCOS芯片反射成像器件系统，通过合光系统和投影透镜获得大屏幕图像。该技术具有图像显示色彩饱满、画面高清晰度和高解晰度、高亮度、高稳定性和免维护等特点。目前单台LCOS 投影机可广泛兼容多种分辨率信号，多台组合拼接可实现超高分辨率的显示，整体墙分辨率为各投影显示单元分辨率的叠加。