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LCOS投影技术及其市场分析 LCOS作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好，市场潜力无限。LCOS可能是HDTV的背投影技术发展的主要方向。随着成本的不断降低，LCOS应用产品及其大屏幕显示将会越来越多。本刊四月刊特推出LCOS显示技术专题，旨在为国内准备进入此行业的企业提供借鉴，并努力推动国内LCOS的发展。一、LCOS简介 LCOS（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式micro LCD投影技术，其结构是在矽晶圆上长电晶体，利用半导体制程制作驱动面板（又称为CMOS-LCD），然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再抽入液晶，进行封装测试。 基本原理： LCOS投影机的基本原理与LCD投影机相似，只是LCOS投影机是利用LCOS面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号，与LCD投影机最大的不同是LCD投影机是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式，而LCOS投影机中是利用反射的架构，所以光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶层后，以玻璃平板封装。 系统架构： 由于LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板，因此无法让光线直接穿过，其分光合光系统设计和LCD投影机有些不同，通常需要在分光合光系统中利用偏极化分光镜（Polarization Beam Spliter；PBS），将入射LCOS面板的光束与反射后的光束分开。（）偏极化分光镜（PBS）的功能： PBS是由两个度等腰直角棱镜底边粘合的而成的棱镜，当非线性偏极化光入射PBS时，PBS会反射入射光的偏光（垂直入射线平面），并且让偏光（平行入射线平面）通过。（）主要结构： 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。而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，会反射偏光进入LCOS面板，当液晶显示为亮态时，偏光将改变成偏光，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、高温多晶矽液晶（Poly-SI LCD）穿透式投影技术、DMD（Digital Micromirror Device）数位光学处理（DLP； Digital Light Projector）反射式技术相关。这三项技术已发展成熟，但LCOS则成为投影显示技术的新主流。与穿透式HTPS-LCD及DLP相比，LCOS具有下列优势：光利用效率高：LCOS与LCD投影显示器类似，主要的差别就是LCOS属反射式成像，所以光利用效率可达以上，与DLP相当，而穿透式LCD仅有-而已。 体积小：LCOS可将驱动等外围线路完全整合至CMOS基板上，减少外围的数目及封装成本，并使体积缩小。 分辨率高：由于LCOS的晶体管及驱动线路都制作于硅基板内，位于反射面之下，不占表面面积，所以仅有像素间隙占用开口面积，不像穿透式LCD的及导线皆占用开口面积，故理论上LCOS不论分辨率或开口率都会比穿透式LCD高。 制造技术较成熟：LCOS的制作可分为前道的半导体CMOS制造及后道的液晶面板贴合封装制造。前道的半导体CMOS制造已有成熟的设计、仿真、制作及测试技术，所以目前良率已可达以上，成本极为低廉；至于后道的液晶面板贴合封装制造，虽然据说目前的良率只有，但由于液晶面板制造已发展得相当成熟，理论上其良率提升速率应远高于DMD芯片，所以LCOS应比DLP更有机会取代穿透式HTPS-LCD成为投影显示技术的主流。此外，LCOS还有一项优点，就是HTPS-LCD目前仅有SONY及SEKIO EPSON拥有专利权，而DLP则是TI的独家专利，LCOS则较无专利权的问题。现在台湾的工研院光电所也已成功开发出LCOS，并正在申请专利中。由于台湾的半导体产业基础雄厚，Aurora及Kopin就曾委托台湾的联电及联友光电代工LCOS，所以未来当以发展LCOS为最佳选择。 LCOS市场定位在大尺寸显示器产品及HMD（Head Mount Device）。目前业界普遍认可：在显示器市场以下以LCD为主流，PDP可应用于- 产品，但价格昂贵，投影显示器适用于- 以上的产品，具有解析度高，价格适中等优势。LCOS投影显示技术则是落于上述投影显示器市场；另外亦可作为直视元件，应用在HMD中。LCOS可视为LCD的一种，传统的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS则是长在矽晶圆上。和LCOS的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶矽LCD为代表。后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有左右，解析度不易提高；LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达以上，且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，易于提高解析度。而高温多晶矽LCD则需另投资设备，且属于特殊制程，成本不易降低。二、LCOS应用产品潜在市场大 在2001年月举行的INFOCOMM展览会场上，有家公司展出LCOS投影机，和1999年和2000年的只有JVC一家相比，显然大有进展。LCOS最大的优点是使用反射的方式投影，比传统的穿透型液晶方式可保有较高的孔径比，欲达到高亮度和高分辨率较容易。在2001年的INFOCOMM的展出品中，LCOS的投影机达到SXGA像素（使用0.9英寸LCOS），已凌驾穿透型的XGA。除了先驱业者JVC持续采用其D-ILA （Direct-Drive IMAGE Light Amplifier） LCOS技术之外，日立和三洋亦推出LCOS的投影机。三洋恐怕是目前同时埋首高温多晶硅和LCOS面板的唯一业者，目前其自行开发的LCOS面板，供应日立和三洋本身使用。3M自行开发光学引擎，配合Three-Five的面板展出。Philips和三星则推出LCOS的后投影电视，前者使用自制的单板式1.18英寸面板和引擎，达到128120像素；后者则使用三片0.9英寸的SXGA，台湾业者则有前锦科技和世界颠峰。HMD、高价位的数码相机、数码摄影机等领域均可有应用。HMD原以高温多晶矽TFT LCD虚拟15寸级以上的XGA显示器，预期日本业者短期内仍将延袭这一传统解决方式，欧美业者则会倾向采用解析度高的LCOS。另外，数码相机和数码摄影机的观景窗，惯用小型非晶矽的LCD面板，采用LCOS在解析度、耗电量上，都将十分有利，但目前在价格上仍然偏高，因此，预期只有高价位市场才有可能采用。 除投影机外，LCOS高解析度、高亮度及高反应速度的特性，在20寸以上监视器、大尺寸电视等应用市场，都深具发展潜力。另外，移动电话上网普及后，将引发对手机大画面和高解析度的需求。LCOS省电的特性，适合移动电话上网。业者Three-Five预测至2001年，彩色屏幕手机应至少有10会使用LCOS，数量大约达500万台。另由于主力手机业者非出自日系厂商，较不会有LCD情结，有利于LCOS之推展。尽管业界认为LCOS应用的潜在市场规模庞大，且未来3年每年皆有13以上的市场成长率。但依目前的价格性能比，数位相机与数位摄影机在短期内大量采用LCOS的比例预期仍不会太高；另外，在无线宽频网路尚未完成之前，Three-Five预期彩色屏幕手机10采用LCOS或许是过于乐观。因此我们可以期待的，会比较偏重于投影机和大尺寸电视的市场，如果它能有效降低成本，则将原有产品如投影机、电视整个替代掉是有可能的。 竞争者中Three-Five的LCOS技术已达量产阶段，各产品线（SVGA、XGA、SXGA、HDTV）均有PROTOTYPE，故较具优势。另外，各竞争厂商除Displaytech外均主攻HMD市场并看好便携式产品，显示对便携式产品市场潜力都持较乐观的看法。 三、发展LCOS面临的课题亟待建立标准化与上下游产业结构 目前LCOS的发展业者集中在美英两地的Fabless公司，包括Three-Five、Aurora（原S-Vision）、MicroPix、Microdisplay、Kopin、Displaytech、SpetiaLight及香港的Varitronix等。由于LCOS在开发中涉及整个元件的设计、制造到光学系统的整合，有较高的技术门槛。且每个业者所开发的LCOS，各有专用的ASIC、光学引擎等，零组件和生产各自为阵，无法标准化，因此很难达到量产的经济规模，部份业者因无法提出全套的解决方案，致使产品无法顺利推出而面临财务危机。另外最大的障碍是合格率问题，LCOS前段之矽制程以0.35制程即可（也不需要作得更小了），目前良品率已可达90；后段加玻璃基板，抽入液晶，并加以切割、封装的部份，目前良品率却仍很低，仅约30左右。后段良品率制约LCOS的发展。LCOS虽在投影机上踏出重要的第一步，但仍有许多地方尚待努力，在性能方面，对比只有300500:，比其它技术差，同时在黑色的再现性上亦不理想。反倒是日系业者JVC所提供的LCOS面板，所运用的D-ICA技术，在黑色的再现性上表现较杰出，已使用在致伸的家庭剧院上。虽然目前LCOS运用在投影机上，大都以搭配用的前投影为主，唯其市场容纳量有限，业界还是放眼在后投影电视上，尤其是HDTV。现行的后投影电视价格仍在2000美元以上，且很难往下调降。Thomson准备采用Three-Five的LCOS，以RCA品牌推出投影电视，目标将价格降至以TI的DMD为基础的DLP投影电视的一半。由于量还不大，相关的透镜、彩色管理系统和其它零组件仍十分昂贵，在未来-年，LCOS恐难在后投影电视上形成气候，而主要是前投影居多。目前已知已投入LCOS组件开发的家电厂商已包括JVC、Philips、三星和LG等。部份日本业界评估2005年LCOS在后投影电视的渗透率可达20。四、LCOS的发展现况除了投影机市场外，LCOS同时也正虎视眈眈的看着直视型显示器市场。事实上，LCOS是一个可以大小通吃的显示技术：大尺寸的投影机市场如上所述，LCOS已具有最佳优势；LCOS若应用于中小尺寸的直视型显示器上，同样具有以上所述的优点，足以威胁现有的直视型-LCD；甚至LCOS还具有进军微型显示器市场的能力，如头戴型装置HMD（Head Mount Device）。美商CMD、Three-Five、-Magic、inViso均已推出采用LCOS技术的单眼式HMD产品。HMD现行的主要应用，除了特殊应用如军事用途、工程维修保养、或是娱乐用途外，人手一机的个人随身信息显示应用，才是这些厂商长期规划的最终目标。目前LCOS的发展业者以英美两地的Fabless公司为主，包括Three-Five、Aurora（原S-Vision）、MicroPix、Microdisplay、Kopin、Displaytech、SpatiaLIght及香港的Varitronix等。由于LCOS的开发涉及整个组件的设计、制造到光学系统的整合，有相当高的进入障碍，且每个业者所开发的LCOS各有专用的ASIC、光学引擎等，零组件及生产无法标准化，难达到量产的经济规模；此外，目前LCOS的前道硅制造已可达以上的良品率，但后道贴合玻璃基板、抽入液晶、切割及封装部份的良品率却仍仅左右，是目前LCOS最大的发展瓶颈。另外，台湾的工研院光电所也已开发完成反射式液晶投影显示器，所使用的LCOS面板，其分辨率高达SXGA等级（12801024），在使用150W灯源的情况下，亮度输出可达1000ANSI流明，均匀度达90。此外，偏光转换器、X棱镜、背投影屏幕等多项关键零组件，工研院光电所亦已开发完成。目前LCOS设计技术已技转给台湾微型影像（TMDC），偏光转换器已经技转益进光学；背投影屏幕技转精碟，光电所在液晶投影显示器关键零组件上的开发成果，促使目前台湾液晶投影显示器关键零组件的组件自主性达到95。只要生产良品率能达到经济水准之上，LCOS极有可能为台湾再造一个科技产业奇迹。五、台湾厂商成立LCOS投影机联盟过去因日商严格控制面板的供货，且台湾厂商亦仅有中强光电、明基及台达电得到TI的授权，另外，灯泡亦掌握在大厂手中，2000年台湾占全球投影机的产值仅约5.2。由于投影机毛利率仍高达20以上，台湾多家厂商仍跃跃欲试，LCOS投影机因可不受国际大厂产能影响，被视为台湾投影机产业另一绝佳发展的方向。日前联电出面主导成立LCOS联盟，LCOS未来将可填补联电晶圆厂的部份产能，整体投影机产业的联结关系亦已完成，其中联电、友达光电将主要负责生产面板，台湾主要的投影机厂包括中强光电、明基、大亿、世界巅峰等则负责制造及生产，美国LCOS技术的领导厂商Aurora，则提供面板设计。目前台湾厂商投入数字投影机显示领域超过30家，除光学引擎及整机系统外，在关键组件部份，亦一改过去受制于外商的情况，包括LCOS面板研发、光源灯泡和光源系统、合光棱镜、分光镜、投影镜头等，均已陆续有厂商投入，建构成完整的投影机产业链。未来在投影机价格走跌的情况下，日商可望逐渐放松面板控制，台湾厂商仍有机会争取OEM及ODM订单，另外，虽然目前LCOS仍面临良品率不高的情况，但未来在LCOS逐步量产后，若采用单片式设计，2003年投影机价格可朝向1000美元迈进，成本下降的优势将有机会抢攻市场。六、结论LCOS作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好，市场潜力无限。LCOS可能是HDTV的背投影技术发展的主要方向。随着成本的不断降低，LCOS应用产品及其大屏幕显示将会越来越多。国内LCOS技术发展及上下游产业链几乎为空白，但台湾厂商陆续投入LCOS投影机上中下游的研发与制造，且有愈来愈多的厂商相继投入数字投影机的制造生产，在高温多晶硅液晶面板和芯片掌控于几家大厂的情况下，LCOS投影