LCOS顯示技術(shù)的基本原理和特性(精)

1、LCOS顯示技術(shù)的基本原理和特性2003-4-18直視式大屏幕電視和顯示器尚未大量投放市場(chǎng)，使投影顯示發(fā)展活躍起來， 其中LCOS(LiquidCrystalonSilicon)反射式投影顯示剛剛迸人市場(chǎng)， 引起業(yè)界的重視。因?yàn)長(zhǎng)COS技術(shù)借硅基CMOS集成電路技術(shù)，在單晶硅片上CMOS陣列取代a 一 SiTFT LCD中玻璃基板上 a 一 SiTFT陣列，相比之下前者生產(chǎn)技術(shù)更成熟，還有單晶硅遷移率遠(yuǎn)高于 a 一 Si 遷移率，因此不僅適合于高密度、今后LCOS主要將應(yīng)用于數(shù)字化HDTV。據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，該領(lǐng)域?yàn)?5 億美元，到 2004 年產(chǎn)值將達(dá)到 23 億美元，年增長(zhǎng)率為 46.5 %,是

2、一種快速成長(zhǎng)的新 型顯示系統(tǒng)。二、LCOS簡(jiǎn)介2.1LCOS面板架構(gòu)LCOS(Liquid Crystal on Silicon)屬于新型的反射式MICRO LCD投影技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在硅片上，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動(dòng)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，再注入液晶，進(jìn)行封裝測(cè)試。見圖1。在單晶硅片上集成CMOS和存貯電容器的陣列，通過開孔把漏電極和像素電極連結(jié)，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強(qiáng)光照射溝道，加一層金屬檔光層。另一側(cè)基板是ITO 電極的玻璃板。液晶層盒厚愛像素尺寸限制

3、，一般盒厚取幾微米。LC0S 前投影放大倍數(shù)大，顯示區(qū)內(nèi)不能用控制盒厚的隔墊物，或者盒厚取小于2 微米，可用隔墊物。LCOS面板結(jié)構(gòu)圈高分辨率、高開口率顯示,而且可以周邊驅(qū)動(dòng)電路集成一體,光學(xué)系統(tǒng)放大圖像幾十到幾百倍,構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、LCOS應(yīng)用甚至可以集成信息處埋系統(tǒng)。帶來液晶顯示技術(shù)的新問題。但LCOS微型顯示通過本文介紹LCOS基本結(jié)2000 年產(chǎn)值CMOS疇板圖1LCOS面板結(jié)構(gòu)圖LCOS投影機(jī)的基本原理與LCD投影機(jī)相似，只是LCOS投影機(jī)是利用LCOS面板來調(diào)變由光源發(fā)射出來欲投影至屏幕的光信號(hào)，與LCD投影機(jī)最大的不同是LCD投影機(jī)是利用光源穿過LCD作調(diào)變，屬于穿透式，而LCOS

4、投影機(jī)中是利用反射的架構(gòu)，所以光源發(fā)射出來的光并不會(huì)穿透LCOS面板，屬于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片為電路基板及反射層，然后再涂布液晶層后，以玻璃平板封裝。2. 2 投影顯示系統(tǒng)架構(gòu)LCOS面板是以CMOS芯片為電路基板，因此無法讓光線直接穿過， 其分光合光系統(tǒng)設(shè)計(jì)和LCD投影機(jī)有些不同，通常需要在分光合光系統(tǒng)中利用偏極化分光鏡(Polarization Beam Spliter; PBS),將入射LCOS面 板的光束與反射后的光束分開。AL Reflector（a）偏極化分光鏡（PBS）的功能：PBS是由兩個(gè)45度等腰直角棱鏡底邊粘合的而成的棱鏡，當(dāng)非線性偏極化光入射PBS時(shí)，PB

5、S會(huì)反射入射光的S偏光（垂直入射線平面），并且讓P偏光（平行 入射線平面）通過。（b）主要結(jié)構(gòu)：圖2是LCOS投影結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 用金屬鹵化物燈（亮度 6000 流明以上）或氖燈（亮 度60000 流明），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 PBSW到偏振光，通過LCOS反射進(jìn)行合成并通過變焦透鏡投影到屏幕。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(jì)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DichroicMirror（雙色鏡）后分成R、G、B

6、三色光，此三色光分別通過各自的PBS后，會(huì)反射S偏光進(jìn)入LCOS面板，當(dāng) 液晶顯示為亮態(tài)時(shí)，S偏光將改變成P偏光，最后以雙色棱鏡（DichroicPrism）組合調(diào)變過的三道偏極光，投射至屏幕處得到影像。簡(jiǎn)單來說，LCOS是直接與顯像管（CRT）投影技術(shù)、高溫多晶硅液晶（P loy-SiLCD）穿透式投影技術(shù)、DMD （Digital Micromirr or Device）數(shù)據(jù)光學(xué)處理（DLP;Digital Light Proje ctor）反射式技術(shù)相關(guān)。這三項(xiàng)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。圖 2LCOS投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)另外還有一種離軸光學(xué)投影系統(tǒng)。入射光和反射光

7、分開，不用 PBS 而用偏振膜, 對(duì)比度高，但體積稍微大一些。具體結(jié)構(gòu)見圖3。Cuk*r ftcoMiibimr圖 3 離軸光學(xué)投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示圖舷化分光*ftB変色惶臨光盼燈渣- *2.3LCOS技術(shù)特性與穿透式HTPS LCD及DLP相比，LCOS具有下列優(yōu)勢(shì)：光利用效率高：LCOS與LCD投影顯示器類似， 主要的差別就是LCOS屬 反射式成像，所以光利用效率可達(dá)40%以上， 與DLP相當(dāng)，而穿透式LCD僅有3 10%而已。體積?。篖COS可將驅(qū)動(dòng)IC等外圍線路完全整合至CMOS基板上，減少外圍IC的數(shù)目及封裝成本，并使體積縮小。分辨率高：由于LCOS的晶體管及驅(qū)動(dòng)線路都制作于硅基板內(nèi)，位于

8、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，不像穿透式LCD的TFT及導(dǎo)線皆占用開口面積，故理論上LCOS不論分辨率或開口率都會(huì)比穿透式LCD高。分辨率普遍達(dá)到SXGA等級(jí)(12 8 0 X 1 0 2 4 )制造技術(shù)較成熟：LCOS的制作可分為前道的半導(dǎo)體CMOS制造及后道的液晶面板貼合封裝制造。 前道的半導(dǎo)體CMOS制造已有成熟的設(shè)計(jì)、仿真、制作及測(cè)試技術(shù)，所以目前良率已可達(dá)9 0%以上， 成本極為低廉；至于后道的液晶面板貼合封裝制造， 雖然據(jù)說目前的良率只有3 0%,但由于液晶面板制造已發(fā)展得相當(dāng)成熟，理論上其良率提升速率應(yīng)遠(yuǎn)高于DMD芯片， 所以LCOS應(yīng)比DLP更有機(jī)會(huì)取

9、代穿透式HTPS LCD成為投影顯示技術(shù)的主流。此外，LCOS還有一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)， 就是HTPSLCD目前是SONY及SEI KO EPSON擁有專利權(quán)，DLP則是TI的獨(dú)家專利，而LCOS則無專利權(quán)的問 題。現(xiàn)在臺(tái)灣的工研院光電所也已成功開發(fā)出LCOS,并正在申請(qǐng)專利中。由于臺(tái)灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，Aurora及Kopin就曾委托臺(tái)灣的聯(lián)電及聯(lián)友光電代工L COS，所以臺(tái)灣業(yè)界一直寄希望發(fā)展LCOS技術(shù)做為其發(fā)展投影產(chǎn)品的最佳選擇。目前LCOS市場(chǎng)定位在大屏幕投影顯示產(chǎn)品及HMD(HeadMountDevice)上。目前業(yè)界普遍認(rèn)可：在顯示器市場(chǎng)20以下以LCD為主流，PDP可應(yīng)用于3 0 6 0產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴，投影顯示器適用于3 06 0以上的產(chǎn)品，具有解析度高，價(jià)格適中等優(yōu)勢(shì)。LCOS投影顯示技術(shù)則是落于上述投影顯示器市 場(chǎng)；另外亦可作為直視元件，應(yīng)用在HMD中。LCOS可視為L(zhǎng)CD的一種， 傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上， 但LCOS則 是長(zhǎng)在硅晶圓上。和LCOS的相對(duì)比的產(chǎn)品，