【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)、高溫多晶矽液晶 (PloySi LCD)穿透式投影技術(shù)、 DMD(Digital Micromirror Device)數(shù)位光學(xué)處理 (DLP。 Digital Light Projector)反射式技術(shù)相關(guān)。這三項(xiàng)技術(shù)已發(fā)展成熟，但 LCOS 則成為投影顯示技術(shù)的新主流。 LCOS 市場定位在大尺寸 顯示器 產(chǎn)品及 HMD(Head Mount Device)。目前業(yè) 界普遍認(rèn)可：在顯示器市場 2039。以下以 LCD 為主流， PDP 可應(yīng)用于 3039。 6039。產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴，投影顯示器適用于 3039。 60’以上的產(chǎn)品，具有解析度高，價(jià)格適中等優(yōu)勢。 LCOS 投影顯示技術(shù)則是落于上述投影顯示器市場；另外亦可作為直視元件，應(yīng)用在 HMD 中。 省電、便宜與高解析度為 LCOS 最大優(yōu)點(diǎn)。 LCOS 可視為 LCD 的一種，但傳統(tǒng)的LCD 是做在玻璃基板上，但 LCOS 則是長在矽晶圓上。和 LCOS 的相對比的產(chǎn)品，最常用在投影機(jī)上的高溫多晶矽 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，并可隨半導(dǎo)體制程快速的微細(xì)化，易于提高解析度。反觀高溫多晶矽 LCD 則需另投資設(shè)備，且屬于特殊制程，成本不易降低。各種技術(shù)應(yīng)用比較。 LCOS 投影顯示技術(shù)的發(fā)展歷史 LCOS 投影技術(shù)又稱硅基液晶、硅晶光技術(shù) [7]（ Liquid Crystal on Silicon， LCOS），是一種結(jié)合半導(dǎo)體工藝和液晶顯示器（ LCD）的新興技術(shù)。該技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)九十年代 末期。其首批成型產(chǎn)品是由 Aurora Systems 公司于 2020 年開發(fā)出的。該產(chǎn)品具有高分辨率、低價(jià)格、反射式成像的特點(diǎn)。 在此之后無數(shù)家企業(yè)蜂擁而至。其中不乏今天依然活躍在 LCOS 舞臺(tái)上的索尼、JVC、視創(chuàng)科技、中芯國際、臺(tái)聯(lián)電、江西鴻源數(shù)顯科技、河南輝煌等企業(yè)。但是，在早期被認(rèn)為是 LCOS 技術(shù)最有力的支持者的英特爾和飛利浦兩位 “巨人 ”卻未能堅(jiān)持到最后。 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 28 頁 04 年飛利浦宣布退出 LCOS 產(chǎn)品的開發(fā)計(jì)劃。飛利浦在 LCOS 產(chǎn)品上主要技術(shù)方向是單片式時(shí)序成像背投電視機(jī)產(chǎn)品。 04 年以來液晶和等離子平板電視產(chǎn)品的 高速增長被認(rèn)為是飛利浦放棄 LCOS 背投電視機(jī)產(chǎn)品開發(fā)停頓的核心因素。此外，在這一年英特爾也宣布了停止百萬像素級(jí) LCOS 芯片的研發(fā)和供貨計(jì)劃。英特爾聲稱，未來主要經(jīng)歷將放在開發(fā)兩百萬像素全高清級(jí) LCOS 產(chǎn)品上。英特爾這樣的表態(tài)被認(rèn)為是希望以LCOS 在像素密度上的優(yōu)勢和德州儀器 TI 的 DLP 投影技術(shù)抗?fàn)幍牟呗?。然而?05 年之后英特爾的 LCOS 計(jì)劃 “無疾而終 ”。 失去兩位巨頭的 LCOS 正營在 0 05 年陷入低谷時(shí)期。這一階段先后有多家企業(yè)推出了 LCOS 產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。令 LCOS 陣營似乎一時(shí)間面臨崩潰的危險(xiǎn)。 但是，出于對已有技術(shù)的不滿和對未來產(chǎn)業(yè)趨勢的預(yù)期，索尼、 JVC 和臺(tái)灣的視窗科技卻依然堅(jiān)持了下來。目前， LCOS 投影機(jī)已經(jīng)成為影院投影機(jī)高端產(chǎn)品采用的主要技術(shù)。得到了數(shù)家企業(yè)，例如索尼、 JVC、視創(chuàng)、佳能、先鋒、 LG 等的支持。 目前， LCOS 技術(shù)產(chǎn)品呈現(xiàn)出良好的市場增長態(tài)勢。在投影顯示技術(shù)上， DLP 技術(shù)追趕 LCD 技術(shù)用了十年的時(shí)間。而目前 LCOS 技術(shù)也已經(jīng)經(jīng)過了八九年的發(fā)展期。業(yè)內(nèi)分析預(yù)計(jì)，隨著 LCOS 技術(shù)的進(jìn)一步成熟和產(chǎn)業(yè)鏈條的擴(kuò)大， LCOS 投影顯示技術(shù)正在迎來發(fā)展的春天。 LCOS 投影顯示技術(shù) 的成像原理 LCOS 投影技術(shù)的成像采用反射式光路 [8]。在早期的產(chǎn)品中采用過和單片式 DLP 類似的時(shí)序成像方式。不過目前的主流產(chǎn)品普遍采用成像水平更高的三片式紅綠藍(lán)三元素分離在組合的成像方式。其成像光路與高檔的百萬元級(jí)的 3 片式 DLP 數(shù)字電影放映機(jī)基本相同。 三片式的 LCOS 成像系統(tǒng)，首先將投影機(jī)燈泡發(fā)出的白色光線，通過分光系統(tǒng)系統(tǒng)分成紅綠藍(lán)三原色的光線，然后，每一個(gè)原色光線照射到一塊反射式的 LCOS 芯片上，系統(tǒng)通過控制 LCOS 面板上液晶分子的狀態(tài)來改變該塊芯片每個(gè)像素點(diǎn)反射光線的強(qiáng)弱，最后經(jīng)過 LCOS 反射的 光線通過必要的光學(xué)折射匯聚成一束光線，經(jīng)過投影機(jī)鏡頭照射到屏幕上，形成彩色的圖像。 這種成像系統(tǒng)在光源光線參與成像的利用率上能夠達(dá)到單片式成像系統(tǒng)的一倍左右。同時(shí)因此，同樣的光源和電力消耗可以產(chǎn)生更加明亮的最終畫面。同時(shí)，由于避免清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 28 頁 了單片式 DLP 時(shí)序成像的缺陷，三片式 LCOS 投影系統(tǒng)也能產(chǎn)生出更加飽和、豐滿的色彩，并且不會(huì)出現(xiàn)困擾單片式 DLP 成像系統(tǒng)的彩虹畫面問題。 三片式 LCOS 成像的投影機(jī)產(chǎn)品是目前最成熟的 LCOS 投影方式。推出這種產(chǎn)品的廠家眾多，包括索尼、 HVC、視創(chuàng)、佳能等著名公司均有優(yōu)秀的產(chǎn)品。 而此前曾經(jīng)被開發(fā)過的單片式 LCOS 系統(tǒng)已經(jīng)逐漸退出投影機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)樵趩纹降臅r(shí)序系統(tǒng)中，要求 LCOS 芯片具有比三片式更快的反應(yīng)速度。二者恰恰是 LCOS 的主要競爭對手 DLP 產(chǎn)品的優(yōu)勢，同時(shí)也是 LCOS 的劣勢。飛利浦早期的 LCOS 背投顯示技術(shù)就是給予單片式 LCOS 時(shí)序顯示的投影產(chǎn)品。該項(xiàng)目已經(jīng)在 04 年夭折。 LCOS 投影技術(shù)的優(yōu)勢 LCOS 投影芯 片除了上文體提及的擁有理論上最低的成本外還具有著其它的顯著優(yōu)點(diǎn) 。 和 LCD 比較， LCOS 技術(shù)僅擁有一個(gè)光學(xué)面 [9]，從而能夠利用另一個(gè)平面配置驅(qū)動(dòng)電路。進(jìn) 而達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路和芯片一體化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。普通的 LCD 有大量密集的外部引線，如一個(gè) 1024768 像素點(diǎn)陣的 LCD 便有 2592 條外部引線，給整機(jī)裝配帶來了諸多不便。 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(dǎo)體工藝在硅片內(nèi)與 IC 相連接，故留在外部的僅有數(shù)條數(shù)據(jù)控制線、時(shí)序線及電源線等。可利用通用連接端口與前級(jí)電路相連接，頗為簡便。 普通的 LCD 透光的光學(xué)結(jié)構(gòu)決定了兩個(gè)光學(xué)平面必須保持 “干凈 ”。這使得像素分子中間不僅要包含 LCOS 技術(shù)液晶層所需要的像素涂布的分割網(wǎng)格，同時(shí)還必須擁有芯片工作必須的 “電線 ”等電子設(shè)備。這些設(shè)備占據(jù)了大量的芯片光學(xué)面積，使得芯片的開口率在早期很難突破 40%。但是，采用單光學(xué)面工作的 LCOS 芯片則可以輕易形成超過90%的開口率。 此外，普通的 LCD 在制造過程中需在玻璃基板上進(jìn)行光刻，制成像素。通常將像素制至 已屬不易，因在每個(gè)像素上還需制出一個(gè)有源器件（這些因素也影響到產(chǎn)品的開口率）。但 LCOS 的像素是制在單晶硅片上，硅片采用 LSIC 的工藝進(jìn)行加工。像素密度的增大必然帶來芯片體積的減少，材料費(fèi)及 成本自然便會(huì)大幅度地降低。 和德州儀器的 DLP 投影技術(shù)的 DMD 芯片相比較， LCOS 技術(shù)具有工藝簡單的特點(diǎn)。而 采用微電子機(jī)械學(xué)的 DLP DMD 芯片不僅僅使得各種工藝難度大幅增加，同時(shí)對成本、成品率，尤其是像素密度等方面都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 LCOS 面臨的 問 題 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 28 頁 LCOS 應(yīng)用在顯示和投影系統(tǒng)中具有如上所述的很多優(yōu)勢，但是也存在這較難解決的問題。如 LCOS 用在投影顯示系統(tǒng)中需要利用光的偏振特性，才能實(shí)現(xiàn)光的調(diào)制。對于 LED 光源，必須進(jìn)行起偏處理，使得光能量有較大的損失；而對激光作為光源的顯示系統(tǒng)， 激光本身的偏振特性可以被 LCOS 利用，但又存在激光散斑的問題。但無論對于 LED 光源還是激光光源， LCOS 空間調(diào)制器都需要解決偏振光的轉(zhuǎn)換問題，因此設(shè)計(jì)合理的、光能利用率較高的偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是系統(tǒng)顯示成敗的關(guān)鍵。 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 28 頁 4 偏振轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 光的偏振特性 光是一種電磁波，電磁波中的電矢量 E 就是光波的振動(dòng)矢量，稱作光矢量 [10]。通常，光源發(fā)出的光波，其電矢量的振動(dòng)在垂直于光的傳播方向上作無規(guī)則的取向。在與傳播方向垂直的平面內(nèi)，光矢量可能有各種各樣的振動(dòng)狀態(tài)，被稱為光的偏振 態(tài)。光的振動(dòng)方向和傳播方向所組成的平面稱為振動(dòng)面。按照光矢量振動(dòng)的不同狀態(tài)，通常把光波分為自然光、部分偏振光、線偏振光（平面偏振光）、圓偏振光和橢圓偏振光五種形式。 如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的時(shí)間平均值是相等的，這種光稱為自然光。自然光通過介質(zhì)的反射、折射、吸收和散射后，光波的電矢量的振動(dòng)在某個(gè)方向具有相對優(yōu)勢，而使其分布對傳播方向不再對稱。具有這種取向特征的光，統(tǒng)稱為偏振光。 偏振光可分為部分偏振光、線偏振光（平面偏振光 [11]）、圓偏振光和橢圓偏振光。如果光矢量可以采取任何方向， 但不同方向的振幅不同，某一方向振動(dòng)的振幅最強(qiáng)，而與該方向垂直的方向振動(dòng)最弱，這種光為部分偏振光。如果光矢量的振動(dòng)限于某一固定方向，則這種光稱為線偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向隨時(shí)間作有規(guī)律的變化，且光矢量的末端在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的軌跡是橢圓，則稱為橢圓偏振光；如果是圓則稱為圓偏振光。 將自然光變成偏振光的過程稱為起偏，用于起偏的裝置稱為起偏器；鑒別光的偏振狀態(tài)的過程稱為檢偏，它所使用的裝置稱為檢偏器。實(shí)際上，起偏器和檢偏器是可以通用的。因?yàn)樗鼈兊墓ぷ髟硎且粯拥?，只允許一個(gè)方向的偏振光通過 。 偏振分光器 透射式 LCD 顯示器件、反射式硅基 LCOS 顯示器件都是在偏振光 [11]下工作的。白光光源是非偏振的自然光，不能直接照明這兩種微顯示器件，必須把自然光轉(zhuǎn)變成偏振光。獲得偏振光的方法有很多，較好的方法是利用偏振光分光器，又稱為 PBS 棱鏡(polarization beam—spliter)。 PBS 棱鏡是由兩個(gè)直角棱鏡膠合而成，成為一個(gè)立方體，并在膠合面處鍍有偏振膜，它把自然光分解為 P 偏振光和 S 偏振光，如下圖 所示。 清華 大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 28 頁 圖 PBS 棱鏡 自然光射入 PBS 棱鏡，遇到偏振 膜后一部分反射，另一部分透射 [12]。根據(jù)物理光學(xué)原理，反射光和透射光均變?yōu)?