LCOS投影技術(shù)原理及應(yīng)用解析

　　LCOS投影技術(shù)是2000年以后發(fā)展起來的最新投影技術(shù)，是一種新型的反射式投影技術(shù)，與穿透式LCD和DLP相比，LCOS具有利用光效率高、體積小、開口率高、制造技術(shù)較成熟等特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)高分辨率和充分的色彩表現(xiàn)。LCOS技術(shù)在日后大屏幕顯示應(yīng)用領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢，其沒有晶元模式，且具有開放的架構(gòu)和低成本的潛力。近幾年來，在LCD業(yè)界出現(xiàn)了許多新技術(shù)，其中較熱門的技術(shù)LCOS的最大優(yōu)點(diǎn)是解析度很高，在攜帶型資訊設(shè)備的應(yīng)用這個優(yōu)點(diǎn)是其他技術(shù)無法與之看齊的。

　　LCOS投影技術(shù)示意圖

　　此外，LCOS投影機(jī)在高分辨率投影方面非常具有潛力。目前市場上的 LCOS投影機(jī)通常都是SXGA(1365×1024)或更高。由于LCOS的晶體管及驅(qū)動線路都制作于硅基板內(nèi)，位于反射面之下，不占表面面積，所以僅有像素間隙占用開口面積。而在穿透式LCD投影機(jī)中，作為像素點(diǎn)開關(guān)控制的晶體管被做在液晶板上相應(yīng)位置上，在光源透射過程中，晶體管本身將阻擋部分光線，因此采用透射式液晶技術(shù)的投影機(jī)的光源利用效率不高，僅有3%～10%。故理論上LCOS不論分辨率或開口率都會比穿透式LCD高，畫面上像素柵格結(jié)構(gòu)幾乎不可見，光的利用效率可達(dá)40%以上，從而達(dá)到更大的光輸出和更充分的色彩體現(xiàn)。相對于 DLP微鏡帶來的銳利的數(shù)字畫面，LCOS投影機(jī)的像素邊緣顯得更加平滑，有效消除了圖像的鋸齒現(xiàn)象，適合喜歡自然、柔和畫面的用戶。

　　LCOS投影色彩較量完勝LCD

　　LCOS投影機(jī)工作原理

　　目前業(yè)界普遍認(rèn)可：在顯示器市場20吋以下以LCD為主流，PDP可應(yīng)用于30吋- 60吋產(chǎn)品，但價格昂貴，投影顯示器適用于30吋- 60吋以上的產(chǎn)品，具有解析度高，價格適中等優(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。

　　事實(shí)上，LCOS技術(shù)也比較復(fù)雜，因?yàn)樗墙Y(jié)合了DLP和LCD兩種技術(shù)的優(yōu)勢而來的，所以要弄懂LCOS技術(shù)就必須要對DLP和LCD有足夠的了解，DLP是一種反射投影技術(shù)，LCD(液晶)則是一種透射型技術(shù)，LCOS就是在液晶層下面加入反射技術(shù)，從而大幅提高性能。

　　LCOS即Liquid Crystal on Silicon，是在矽晶圓上長電晶體，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動面板(又稱為CMOS -LCD)，然后在電晶體上透過研磨技術(shù)磨平，并鍍上鋁當(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玻璃基板貼合，再抽入液晶，進(jìn)行封裝測試。

　　LCOS利用CMOS半導(dǎo)體制程，將電路及平面的反射鏡做在非常平滑的硅芯片上做為基礎(chǔ)，然后再于此一平面的硅基上涂布LCD，并將液晶著床于硅芯片之上，然后再覆上一片非常薄的玻璃。實(shí)際應(yīng)用時，是把光線由外部投射至芯片之上，再由芯片上面那層LCD的明暗變化來決定要反射多少的光線出去，而此一反射率之變化則是受到影像訊號的調(diào)制;因此，只要把影像訊號加諸于硅芯片，經(jīng)由芯片反射出來的光線就會隨著視訊產(chǎn)生變化，此一變化再經(jīng)由透鏡投射至銀幕，就變成可以觀賞的投影機(jī)畫面了。

　　LCOS技術(shù)主要以3片式技術(shù)為主，它的主要優(yōu)勢在于高開口率、低價格、豐富的色彩，尤其是其高開口率和像素密度的優(yōu)勢，使得LCOS在產(chǎn)品小型化和高解析度方面的優(yōu)勢得天獨(dú)厚。當(dāng)然LCOS的缺點(diǎn)也很明顯，其工藝并非我們說的那樣簡單，所以它的良品率有待提高，而低成本優(yōu)勢還未能充分發(fā)揮，因此在商務(wù)和教育產(chǎn)品中還未引入。

　　簡單來說，LCOS是直接與映像管 (CRT)投影技術(shù)、高溫多晶矽液晶(Ploy-Si 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，LCOS則成為投影顯示技術(shù)的新主流。

　　LCOS投影技術(shù)特點(diǎn)

　　LCOS投影技術(shù)是尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣采用CMOS技術(shù)在硅芯片上加工制作而成。像素的尺寸大小從7微米到20微米，對于百萬像素的分辨率，這個裝置通常小于1英寸。有效矩陣的電路在每個像素的電極和公共透明電極間提供電壓，這兩個電極之間被一薄層液晶分開。像素的電極也是一個反射鏡。通過透明電極的入射光被液晶調(diào)制光電響應(yīng)電壓將被應(yīng)用于每個像素電極。

　　反射的像被光學(xué)方法同入射光分開從而被投影物鏡放大成像到大屏幕上。采用LCOS技術(shù)的投影機(jī)其光線不是穿過LCD面板，而是采用反射方式來形成圖像，光利用效率可達(dá)40%。與其他投影技術(shù)相比，LCOS技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，采用該技術(shù)的投影機(jī)產(chǎn)品在亮度和價格方面也存在明顯的優(yōu)勢。

　　LCOS技術(shù)的應(yīng)用

　　LCOS投影機(jī)圖像調(diào)制原理和LCD基本相同，也是以光調(diào)制來控制投影顯示圖像。入射光線在分光后，經(jīng)過入射偏光板(PBS)，將入射光變成S偏光，經(jīng) LCOS板反射調(diào)制。如果液晶經(jīng)外部信號調(diào)制，處于顯示亮態(tài)時，S光會變成P光，經(jīng)棱鏡透射后，有最多的光投射到會聚透鏡會聚成像。處于顯示暗電平時，S 光經(jīng)調(diào)制，依然還是S光輸出，經(jīng)棱鏡沒有光透射到會聚透鏡，圖像顯示為暗電平。因此，輸出到會聚透鏡的光的多少是由每個像素的外部信號調(diào)制決定的。

　　LCOS投影光引擎結(jié)構(gòu)

　　LCOS 的應(yīng)用領(lǐng)域和透射式LCD技術(shù)相比，LCOS可以很容易地實(shí)現(xiàn)高分辨率和充分的色彩表現(xiàn)，而且可以較大地降低成本。LCOS的用途十分廣泛，大到背投彩電，小至數(shù)碼相機(jī)都可以使用它作為顯像器件。雖然LCOS看起來簡單，但要產(chǎn)品化還要有一個過程，并不是像想象的那樣容易形成產(chǎn)業(yè)。LCOS技術(shù)一經(jīng)推出便在全世界范圍內(nèi)造成極大影響，但由于制造工藝等方面原因，目前基于LCOS技術(shù)的產(chǎn)品還沒有形成大規(guī)模量產(chǎn)，只有少數(shù)廠家開發(fā)出了應(yīng)用于投影機(jī)的 LCOS芯片和應(yīng)用LCOS技術(shù)的投影機(jī)。LCOS技術(shù)在以后大屏幕顯示應(yīng)用領(lǐng)域里具有很大優(yōu)勢，它沒有晶元模式，且具有開放的架構(gòu)和很強(qiáng)的市場的潛力。

　　DLP技術(shù)與LCoS技術(shù)比較

　　說起DLP技術(shù)與LCoS的技術(shù)優(yōu)劣，其實(shí)，在目前使用的會議室(教育)商用投影機(jī)，就有關(guān)于DLP技術(shù)與LCoS技術(shù)之爭，當(dāng)然作為微型投影，雖然大致的原理類似，但由于實(shí)現(xiàn)方式略有不同，還是有些不一樣，下面也會從前述的幾個技術(shù)指標(biāo)上進(jìn)行一一作詳細(xì)比較。

　　DLP投影方式

　　LCOS投影方式

　　就目前而言，2種產(chǎn)品尺寸和光電效率都基本相同，沒有太大的區(qū)別。但是從2種技術(shù)本身上看，LCoS對信號的要求可以直接由電路接入，而DLP由于是由機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)，在載有DMD芯片的主板上，還有相應(yīng)的處理器(Processor)以及內(nèi)存(Memory)，這部分的功耗在光引擎整體中永遠(yuǎn)無法避免，可以認(rèn)為是DLP技術(shù)在效率上的一個缺點(diǎn)，特別是在手持投影整體系統(tǒng)中，如果再考慮散熱問題，LCoS芯片優(yōu)勢更明顯。相對而言，LCoS的功耗可以做到小于0.1W，從長遠(yuǎn)來看，LCoS也會有一定的優(yōu)勢。

　　此外，分辨率與尺寸相同，DLP在同樣大小的芯片上要實(shí)現(xiàn)分辨率的提高，同樣是對工藝要求非常高，從第一代的DLP光引擎可以看到，320×480的分辨率已經(jīng)落后與LCoS的640×480，雖然在第二代推出了800×480的芯片，但還是落后于LCoS技術(shù)，純粹技術(shù)上看，發(fā)展前景LCoS要比DLP好。

　　LCOS已發(fā)展為一個普遍的投影技術(shù)，包括有不同的種類，如今正呈現(xiàn)兩極化發(fā)展：一是應(yīng)用于大尺寸的背投影電視，這是目前LCOS的主流應(yīng)用產(chǎn)品，二是應(yīng)用于小尺寸的高分辨率可攜式產(chǎn)品，其中來自JVC的 D-ILA技術(shù)較為成熟。在量產(chǎn)及成本問題解決后，該類產(chǎn)品將有機(jī)會在前投影市場上獲得更廣泛的應(yīng)用。

　　LCOS投影機(jī)將會擠入三甲

　　眾所周知，投影機(jī)按照技術(shù)可以分為DLP、LCD以及LCOS三種。目前市面上比較常見的兩種投影技術(shù)是DLP和LCD。LCOS技術(shù)可以說是一種新興的投影技術(shù)，它結(jié)合了DLP以及LCD這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

　　LCOS技術(shù)在色彩、對比度、亮度、開口率、光效率、和高分辨率等方面的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了DLP和LCD技術(shù)。此外，相比LCD技術(shù)，LCOS具有色彩鮮艷、灰度優(yōu)秀、黑色深沉、畫面明亮、網(wǎng)格化情況較少和更加節(jié)能的特點(diǎn)。相比單片式DLP技術(shù)，三片式LCOS投影技術(shù)具有更高的光學(xué)利用效率、更加豐滿的色彩表現(xiàn)，沒有色彩斷裂現(xiàn)和觀賞者眩暈現(xiàn)象等特點(diǎn)。在和三芯片DLP投影機(jī)的比較中，三片式LCOS投影機(jī)在分辨率上的優(yōu)勢更是DLP投影機(jī)無可比擬的。目前，LOCS芯片的分辨率已經(jīng)可以覆蓋2K、3K、4K、8K等水平產(chǎn)品。

　　值得注意的是，LCOS超高分辨率這一絕對優(yōu)勢則是那兩者無法比擬的，JVC和索尼都已經(jīng)推出了使用LCOS技術(shù)的4K(4096*2016)分辨率的產(chǎn)品，3LCD和DLP技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)這樣的分辨率。

　　此外，LCOS投影技術(shù)具有利用光效率高、體積小、開口率高、制造技術(shù)較成熟等特點(diǎn)，它可以很容易的實(shí)現(xiàn)高分辨率和充分的色彩表現(xiàn)。相比DLP和 3LCD來說，LCOS投影機(jī)與3LCD相比較，3LCD除了略微占一點(diǎn)價格優(yōu)勢外，在色彩、對比度、光效率等領(lǐng)域LCOS都具有無可比擬的優(yōu)勢。

　　正因?yàn)長COS技術(shù)有著DLP和LCD無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)在有許多企業(yè)，比如，示創(chuàng)、LG、佳能以及索尼、JVC和LG等已經(jīng)紛紛加入到LCOS技術(shù)的研究和發(fā)展當(dāng)中。并且也都推出了LCOS技術(shù)的投影機(jī)，這些機(jī)器雖然價格相對來說比較昂貴但是其極其卓越的色彩效果也是其它技術(shù)所不能達(dá)到的。

　　總體來說，LCOS投影技術(shù)具備了DLP和LCD幾乎全部的優(yōu)點(diǎn)，并同時克服了這兩者的不足之處。采用LCOS技術(shù)的投影機(jī)產(chǎn)品，由于其擁有著近乎完美的畫面效果，受到了業(yè)內(nèi)人士以及消費(fèi)者們的極度好評，相信LCOS投影技術(shù)的市場潛力也是不可估量的，在不遠(yuǎn)的將來，將會以強(qiáng)勢躋身于投影機(jī)三甲行列。