LCOS技術知識集錦

LCOS光機原理

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)屬于新型的反射式micro LCD投影技術，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，用先進工藝磨平后鍍上鋁當作反射鏡，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：

LCOS也可視為LCD的一種，傳統的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80%以上，而且它的最大優勢是可利用目前廣泛使用、便宜的CMOS制作技術來生產，毋需額外的投資，并可隨半導體制程快速的微細化，逐步提高解析度。反觀高溫多晶硅LCD則需要單獨投資設備，而且屬于特殊制程，成本不易降低。LCOS面板的結構有些類似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，藉由電路的開關以推動液晶分子的旋轉，以決定畫面的明與暗。LCOS面板的上基板是ITO導電玻璃，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的線路，因此與現有的LCD及DLP投影面板相比較，LCOS是一種很容易達到高解析度的新型投影技術。

LCOS的發光原理

LCoS電視機產生畫面需要經過若干步驟。這一過程涉及到一個高強度燈泡、布置在一個立方體中的一系列反光鏡和微型器件、一個棱鏡和一個投影透鏡。下面介紹在整個過程中都發生了什么事情：

1. 燈泡產生一束白光。
2. 光束穿過一個聚光透鏡（負責聚焦和對準光線）。它還會穿過一個濾光器（只允許可見光通過），這樣可以使其他元件免受損害。
3. 通過以下兩種方式之一，這束白光被分解成了紅色、綠色和藍色光：
1. 光束穿過一個偏振光束分光器（PBS），它把光分解為三個光束，這些光束分別穿過增加紅色、綠色和藍色的濾光器。
2. 光束穿過一系列分色鏡，這些分色鏡能夠反射某些波長的光線而允許其余光線穿過。例如，分色鏡可以把紅光從白光中分離出去，留下藍光和綠光，而另一面分色鏡可以再把綠光分離出來，只留下藍光。
4. 剛剛產生的彩色光束同時與三個LCoS微型器件之一相接觸——它們分別對應紅光、綠光和藍光。在下一節，我們將介紹這些器件。
5. 這些微型器件反射出來的光線穿過一個棱鏡，這個棱鏡能夠將這些光線組合在一起。
6. 然后，棱鏡把光線（它們現在產生了一個全色影像）投射到一個投影透鏡中，這個透鏡再把影像放大并顯示到屏幕上。

LCoS微型器件

LCoS微型器件把液晶層放在一個透明的薄膜晶體管（TFT）和一個硅半導體之間，而不是像LCD那樣把液晶放在兩片極化面板之間。這個半導體具有能夠反射光線的、失真的表面。由燈泡發出的光透過一個偏振濾光器投射到微型器件上，而液晶起著像門或閥那樣的作用，控制到達反射面的光線的數量。特定像素的晶體接收到的電壓越高，該晶體允許通過的光線也就越多。完成整個過程需要若干層不同的材質。

下面從下到上介紹了LCoS微型器件的組成部分及其功能：

• 印刷電路板（PCB）：將指令和電流從電視機傳輸到微型器件
• 硅（芯片或傳感器）：使用來自電視機像素驅動程序的數據來控制液晶，通常為每個像素使用一個晶體管
• 反射涂層：反射光線以產生畫面
• 液晶：控制到達或離開反射涂層的光線的數量
• 對準層：使液晶能夠正確對準，從而能夠精確地校準光線
• 透明電極：與硅和液晶一起組成完整的電路
• 玻蓋：保護和密封整個系統

確切的材料和構造因制造商的不同而有所區別。有些微型器件使用向列液晶，有些則使用鐵電液晶。有些使用有機對準層，他們會隨著使用時間的延長和高強度曝光而分解。有些使用光敏材料和光線來控制到達液晶的脈沖。

晶體相對于反射面的方位在電流作用下會改變。 大多數在電流關閉時幾乎與反射面正交，而在電流打開時與其斜交。

一般來說，LCoS設備的像素間只有非常小的間隙。像素間距——兩個相同顏色像素之間的水平距離——為8至20微米（10-6）。這可以減小或消除在一些DLP電視機上出現的“紗門”效應，從而有助于使影像保持平滑和均勻。

LCOS光學引擎架構

LCOS光學引擎架構大致可分為兩種，三片式光學引擎和單片式光學引擎。

1、三片式光學引擎

LCOS光學引擎目前以三片式為主，三片式是將光源經分光棱鏡將光束分為紅、藍、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過光學系統會聚加以結合形成彩色影像。由于三片式LCOS光學引擎除了需要三片面板外，并結合多項的分光、合光系統，因此體積較大、成本也較高，不過由于可以達到較高的光學效率，又具備高畫質的特性，因此主要是面向大屏幕這樣高階的專業用途發展。

下圖為LCOS光機的原理圖：

如上圖所示是LCOS投影結構系統，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芯片反射進行合成并通過變焦透鏡投影到屏幕，形成圖像。

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

LCOS投影機與LCD投影機的主要結構在導光及分光合光部分的設計大同小異，只是在LCOS投影機系統中，LCOS面板前均多加了PBS。

由光源所發出的光經由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偏光進入LCOS面板，當液晶顯示為亮態時，S偏光將改變成P偏光，最后以雙色棱鏡(Dichroic Prism)組合調變過的三道偏極光，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、高溫多晶硅液晶(Poly-Si LCD)穿透式投影技術、DMD(Digital Micromirror Device)數據光學處理(DLP;Digital Light Processing)反射式技術相關。這三項技術已發展成熟，故LCOS可成為投影顯示技術的新主流。

2、單片式光學引擎

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

單片式的最大優點就是因為面板數僅需一片，加上分光、合光的系統架構比較簡單，因此在成本上較具競爭優勢，而且光學引擎的空間也相對較小。然而目前在技術上面臨一些困難，以Color Wheel而言，白光經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、綠畫面快速的切換下合成影像，因此面板反應速度的要求更高，使得生產的難度也相形提高。

LCOS投影技術特色

與LCD、DLP投影機技術相較，LCOS投影技術具高解析度、高亮度、及低成本潛力，為投影技術的明日之星。

1、高解析度和高清晰度

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

2、高亮度

LCOS為反射式技術，不會像LCD光學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，在色彩的表現范圍遠比三槍(CRT)投影機及其他顯示技術還高，幾乎將接近NTSC色彩的再現標準。因此可呈現整體畫面的高色彩飽和度，讓色彩艷麗飽滿。

光機里有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三單色圖像經光學元件組合成一幅24位(16777216色)真彩圖，再經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逼真，同時具備超高的亮度令畫面表現更加出色 。

4、低成本

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

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