硅基液晶(LCOS)技术及其特点

1、硅基液晶（ LCOS ）技术及其特点曾经被很多业内人士视为一朵奇葩，但因为制造困难和 成品率问题而屡遭挫折。不过， LCoS （硅基液晶）还是凭 借其出色的显示特性在平板显示领域、尤其是投影和高清电 视领域占有了一席之地。 显示新兵履历 硅 基液晶（ LCoS ）是一项相对新颖、而又相对鲜为人知的显 示技术，如今正大举进入高清电视市场。真正给人深刻印象 的是，与传统上先以表现平平的性能占据底层市场，而后追 求上佳图像质量不同， LCoS 一开始就在图像质量方面立足 于高起点。 LCoS 在所有显示技术当中提供最高的分辨率、 最高的非 CRT 对比度以及最小失真的图像。对于图像闪烁 及视觉疲劳的

2、人来说， LCoS 拥有最高的刷新率（ 120Hz ）， 可获得画面最流畅、闪烁现象最少的图像。 当然， LCoS 事实上不是全新技术，因为这项技术开发已有十多年 ; 而自 1998 年以来， 日本的 JVC 公司其实一直在交付采用该 技术的高端、专业前投式投影仪，不过到目前为止规模仍然 较小。 LCoS 技术设计制造非常困难，为数不少的公司已经 放弃或者宣告失败 : RCA 旗下的汤姆逊公司在 2001 年生产 出了第一款商用的 LCoS 高清电视，随后东芝（采用日立的 LCoS 芯片） 和飞利浦公司亦步亦趋， 不过到 2004 年 10 月 所有这些厂商都中途退出 ; 2004 年 1月，

3、英特尔宣布将开始生产 LCoS 面板，这让整个业界大跌眼镜，不过随后它在 2004 年 10 月终止了项目，根本没有交付任何产品。因而， LCoS 的未来遭到了许多分析师的质疑，不过现在情况已经 发生了变化。 JVC 在 2004 年 7 月发布了第一款背 投式1280 X 720高清电视，这标志着第二代 LCoS开始问世。 随后索尼在 2005 年 1 月加入了这一行列，推出了高端的 1920 X 1080 Qualia 设备。 Brillian 紧随其后，开始在 2005 年年中交付其 1280X 720产品。到目前为止，全球可以购买 的 LCoS 高清电视只有寥寥几款。不过， JVC 和

4、索尼最近宣 布推出各自的第二代高清电视， LG 公司宣布推出第一代产 品（采用 SpatiaLight 公司的 LCoS 面板）。日立公司是 LCoS 领域的另一个重要厂商，不过它无限期推迟了原定于 2005 年 11 月推出的 60 英寸和 70 英寸的 LCoS 高清电视。 技术原理LCoS 是使用液晶来控制图像中像素亮度的最新显示技术。最常见的几种液晶技术应用于大尺寸非晶 硅液晶面板，这类面板用于计算机显示器、普通电视和高清 电视。它们的尺寸通常从 5 英寸直到 82 英寸（这是截至 2006 年 1 月的最高记录） 。另一种就是尺寸小得多的高温多晶硅 面板，这类面板用于视频和数据投影仪

5、。它们的尺寸只有 1 英寸左右，应用于各种大屏幕液晶背投电视和高清电视。在 这两种技术当中，光源都在面板后面，光线必须完全通过面 板从背面传送到正面，包括通过面板内用来控制一个个像素的所有电子电路和部件。这会挡住许多光，从而在像素之间 形成间隙。分辨率越高，这个问题就越严重 ; 第二个重大问 题就是，液晶需要比较厚，那样才能够提供高对比度。而这 会减慢响应时间，这样如果图像里面出现运动或者变化，就 会导致出现一些拖尾现象 ( smearing )。LCoS 的工作原理就是使用液晶层背面的反射镜，那样光从正面进来后， 通过液晶传送，经由反射镜的反射，然后第二次通过液晶一 路传送到屏幕。这需要一些

6、稍微复杂的光学器件，不过效果 非常好。它具有显而易见的优点 : 所有的电子元件都在反射 镜后面， 那样它们就完全不会遮挡光线。 背面还有许多空间， 那样就有可能获得极高的分辨率，而 LCoS 技术生产出来的 设备在所有显示技术当中已经拥有最高的分辨率。因为光两 次通过液晶传送，所以可提供高对比度，厚度又相当薄，这 就显著缩短了响应时间，大大减少了拖尾现象。那么它是如 何工作的呢？液晶可以旋转光的偏振方向，而旋转次数可通 过电磁场来控制。每个像素的电磁场由反射镜后面的硅芯片 来形成。实际上，反射镜是硅芯片的最上面一层，液晶又直 接覆在反射镜上这就是“硅基液晶”一名的由来。大多数 面板的尺寸在四分

7、之三英寸左右。为了生成图像，偏振光源 对准面板。只要改变像素所在位置的电磁场，就可以改变每 个像素的亮度。可以旋转本地光的偏振方向，然后利用偏振 滤光片挡住已被旋转的那部分光。生成电磁场的硅芯片其工作原理其实酷似计算机的内存芯片，排列成众多行列交错的 像素。每个像素有对应的内存位置。图 1 显示了 LCoS 面板 的剖面图。 正如与其他所有显示技术一样， LCoS 领域的每家厂商都有各自的专有实现方案，都给自己的技术 取了特别的营销用语，这在表 1 和表 2 中已有列明。所有生 产商都特别提到 : 自己使用采用无机配向膜的垂直配向向列 型液晶 ( Vertically Aligned Nema

8、tic Liquid Crystal )。垂直配 向提高了对比度，同时在驱动信号为零时，让屏幕的颜色黑 得自然。无机配向膜消除了早期的有机配向膜所存在的老化 问题，所以如今所有这些 LCoS 技术的使用寿命都非常长。 表2列出了每家生产商提供的采用更高级技术的1080 LCoS面板的规格说明。索尼的两款产品中有一款是采用第一代面 板的 Qualia 004 和 006 产品，另一款是在 2005 年 8月宣布 的采用第二代面板的 XBR 产品。 主要技术参数 面板对比度( Panel Contrast Ratio )恐怕是表当中最重要的 值，因为高清电视屏幕的对比度总是小于面板的值。像素间 距

9、( Pixel Pitch )是指面板上像素的中心距离。而像素间隙 ( Inter-Pixel Gap )是指像素之间的非活动空间。填充因子 ( Fill Factor )有时叫作开口率( Aperture Ratio )，这是指处 于活动状态的像素区域所占的百分比，因为该百分比接近 100% ，所以屏幕上像素间的间隙通常不会被注意到。 DLP 微显示器的填充因子最多高出几个百分点，但高温多晶硅液晶投影仪面板的值通常小得多，在 50% 到 70% 之间，所以其像素结构往往感觉不到。 使用寿命( Lifetime ) 这个值包括许多因素，不过只能通过对实验结果试测进行推 断，利用统计方法进行估计

10、。所有提供的值都超过 10 万小 时，也就是说，每天 24 小时工作可以连续使用 11 年之久。 LCoS 使用中最大的问题就是随着时间的流逝，亮度或者对 比度会逐渐减小，这就是所谓的老化现象。所有生产商都声 称，信号电平是指面板电路板中用于控制 LCoS 设备的数据 位这一数字。所用的数据位越多，灰度就越流畅，出现假轮 廓的可能性也就越小。响应时间 ( Response Time )是行业标准，它明确规定了像素从黑色变成白色所需的时间 (名为上升时间或 Ton )加上像素从白色变成黑色所需的时 间(名为下降时间或 Toff )之和。响应时间这一指标表明了 图像的变化速度有多快，从一定程度上表

11、明了运动图像中出 现运动拖尾( motion smear )的可能性。一般来说，数值越小越好，不过运动拖尾涉及众多因素。遗憾的是，有 些生产厂商公布的响应时间其实是指上升时间和下降时间 的平均值而不是两者之和。这样一来，让人觉得它要比实际 速度快一倍。所以，在阅读响应时间参数时要格外小心 确保你清楚生产厂商在采用什么方法(譬如说，索尼的 Qualia SXRD 面板把总时间 5 毫秒作为响应时间参数， 而最 新款的 XBR SXRD 面板却把平均值 2.5 毫秒作为响应时间， 所以让人觉得后者的速度是前者的两倍，但实际上不是） 表 2 中列出了上升时间和下降时间，帮助澄清这个问题。 对 LCo

12、S 及基于液晶的其他所有技术而言，控制每个像素的 物理过程实际上是模拟过程。这是一个优点，因为人的视觉 涉及的也是模拟过程。这就消除了完全数字的显示技术如 DLP 和等离子所存在的混色失真（ dithering artifact ）问题。 不过，其实有可能为面板设计出这样的硅背板 : 利用模拟电 压或者脉冲宽度调制（ PWM ）都可以工作。 PWM 其实是数 字信号。最终结果就是，液晶仍是模拟响应，但可以用两种 全然不同的方法来实现，各有其优缺点（数字方法就好比普 通的调光器如何使用电脉冲来控制模拟钨丝灯泡） 。 表 1 和表 2 中的设备控制这项列出了每个设备所采用的方法。 数字背板的成品率

13、通常比较高，因而生产起来比较容易（不 过并非所有生产厂商都认同这种说法） ，另外相关的驱动电 子器件也比较便宜。不过，目前利用数字控制实现流畅的灰 色却比较难（尤其是灰度的暗端部分） ，所以这就是为什么 大多数机型都采用模拟背板。 光学器件和电子器件 除了面板外， LCoS 高清电视还有另外诸多重要部件。投影 光引擎（ Projection Light Engine ）包含从灯泡到投影透镜的 所有光学器件，它首先准备了用于照射微型 LCoS 面板的光 束，然后以大约80 ：1的线性因子对图像进行放大，这相当 于屏幕区域中的6400 : 1 （以典型的对角线长度为60英寸的 屏幕为例）。投影光引

14、擎采用的技术与 LCoS 面板本身同样 让人叹为观止，而且对用户在屏幕上看到的图像和画面质量 而言同样重要。它通常是任何投影高清电视里面最昂贵的一 个器件。 图 2 显示了投影光引擎的图片。需要注意 的是，所有的这种高清电视都使用三块 LCoS 面板，红、绿、 蓝每个基色通道各用一块，然后一组棱镜用来把三种基色重 新组合成单一光束，显示在投影透镜的正前方。屏幕本身是 光学系统中的另一个重要部件，它对图像和画面质量也起着 极为重要的影响，高质量的屏幕价格不菲。另外还有两个重 要的光学部件 : 投影透镜，它与吸收杂散光的屏幕之间形成 非常暗的内部空间 ; 机壳背面的正面平面反射镜，它负责把 光线从

15、投影透镜传送至屏幕。3）数字高清微显彩电技术不断提高 LCD 微显彩电由于 LCD 背投是采用透射式液晶，开口率比较低，原 来只有 54% ，今年我们到日本爱普生访问，该企业已推出 D5 代液晶，开口率提高到 70% ，对比度提高了 50% ，亮度 也有很大的提高；采用无机定向膜开发液晶（ HTPS ）的新 技术，进一步提高了开口率，改进对比度，提高了黑色再现 能力，使图像更加精细，画面更加清晰，更真实地重现自然 图像，爱普生将这项技术称为“水晶高清精细（ Crystal Clear Fine ）”技术。日本SONY公司最近推出物理分辨力为 1920 X 1080 50 英寸 3LCD 数字高

16、清微显彩电， 每台售价仅人民币 17000 元， 在性价比上很 竞争力的。 DLP 微显彩电美国 TI 公司为改进单片 DLP 投影机的彩色还原性较差 的问题，采用 Brilliant Color （极致彩色）的新色彩处理技术， 即采用 R、G、B 三基色和相应补色青、 品红、 黄六段色轮， 在色域和色饱和度上有一定的提高，可提高亮度 2040% ； 采用 Darkchip 技术即在微镜下面增加黑色涂镀层， 减少光反 射，减少像素间的间隙和支持机械装置的孔径，提高对比度 和亮度；为了满足 1080p 高清晰度数字电视的要求并降低 芯片成本， TI 开发出了用类似以 960X 1080微镜阵列来

17、显示 1920 X 1080 （即1080p ）画面，称之为“平滑画面”技术，其核心是利用 DLP 微镜单元 -12，0 和+12 度的三个平衡角位， 在一对对称的像素位置上， 通过脉冲宽度调制 （ PWM ）产生 一定灰度白或黑的像元，而剩余的一个角位用作双像素全黑 的光阀关短状态，从而取得单一微镜双像素显示的功效。 LCOS 微显彩电由于 LCOS 可以说是吸收 LCD 与 DLP 优点而研发出的 成像器件，它是反射式液晶，开口率高，因此它具有分辨力 高、像素面积占有率高、光耗小、响应速度快、体积小、重 量轻等优点，是 1080p 高清晰度数字电视最佳的显示技术。近来封装成品率有所提高，特

18、别是光学引擎改进很快。三片机主要有IBM , Colorlinlc , 3M，示创，Jdsu ;单片有时序 彩色和卷帘式以及美国永锡科技介于两者之间的新彩色控 制方法。示创， Jdsu 三片光学引擎方案都表明是低成本方案， Jdsu 认为其光学引擎与 3LCD 结构相近，示创认为其光学引 擎方案是性价比较好的方案，参见表一、图三、四、五。表一：主要 LCOS 光学引擎架构介绍 成像器件LCD、DLP 、LCOS 三种微显示成像器件情况各有不相 同：A) LCD 成像器件掌握在日本索尼、爱普生和南韩日进三个 企业手中;B) DMD 成像器件，全世界只有美国 TI 公司生产;C )LCOS 成像器件，这是一种技术开放式的器件，尚未被 某企业所垄断。光源 这是数字高清微显彩电应对挑战很重要的关键件，因为 超高压汞灯延长寿命工作一时难以解决，加之国外生产超高 压汞灯的企业不给维修单位销售灯泡，致使灯泡几经转手， 价格高出 2-3 倍卖给消费者，这是不少消费者不愿意购买数 字高清微显彩电电视的原因，也是有些人贬低数字高清微显彩电的藉口在光源问题上，我们采取以下措施：a）鼓励国内超高压汞灯生产企业提高质量。b ）开发新的光源。c ）加强微显示背投电视灯泡的售后服务，保证消费者 不因灯泡损坏而受到