用于LCOS显示系统的偏振分光器件仿真Word文件下载.docx
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随着激光光源技术发展，MD投影产业将发生巨大变化，甚至是革命性的。
由于投影式激光显示可以覆盖90%的色域空间，它“将视频显示的高保真推向最高阶段，是二维显示的完善终结技术”，“是一场视觉革命”。
特别是“天作之合”的激光光源与LCOS投影相结合的LCOS投影激光显示产业既符合循环经济原则，又是“加快培育和发展战略性新兴产业”，为我国显示产业实现跨越式发展的带来机遇，是我国显示产业发展的方向。
1.3本设计的主要内容
激光显示系统主要由三基色激光光源、光学引擎和屏幕三部分组成。
光学引擎则主要由红绿蓝三色光阀、合束X棱镜、投影镜头和驱动光阀组成，光阀驱动使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入三色激光照明投影到屏幕上，即产生全色显示图像。
LCOS投影机图像调制原理是以光调制来控制投影显示图像。
入射光线在分光后，经过入射偏光板（PBS），将入射光变成S偏光，经LCOS板反射调制。
如果液晶经外部信号调制，处于显示亮态时，S光会变成P光，经棱镜透射后，有最多的光投射到会聚透镜会聚成像。
处于显示暗电平时，S光经调制，依然还是S光输出，经棱镜没有光透射到会聚透镜，图像显示为暗电平。
2投影显示系统的分类和工作原理
投影显示的特点：
投影显示图像呈现在显示器件上后又被光学系统放大，最终在投影屏幕上显示出被放大了的图像，因此，投影器件本身的尺寸大小与所能显示的图像尺寸大小是不一致的。
相比之下，信息显示技术发展另一大分支直视型显示器件所显示的图像时呈现在显示器件上，人们是直接在显示器件上来观看图像，显示器件的几何尺寸与所显示的图像的尺寸大小基本一致。
2.1投影显示系统的分类
前投：
投影设备与观看的人处于屏幕的同一侧，人眼在屏幕上看到的事反射光线产生的图像。
由于反射光线是在空中传输的。
因此，图像质量受环境影响较大，仅在观看环境为黑暗（比如电影院这样的场所）时，图像质量才较好。
背投：
投影设备与观看的人处于屏幕的两侧，人眼看到的是透射光线。
由于投影光线在一个封闭的暗室内传输，不受环境光影响，因此即使在明亮的灯光下，背投的图像质量依然较好，但它的缺点是需要占用一定的空间。
2.2投影显示的实现方式
2.2.1CRT投影技术
CRT（CathodeRayTube）是阴极射线管。
是应用较为广泛的一种显示技术。
CRT投影机把输入的信号源分解到R（红）、G（绿）B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，在高压作用下发光信号放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。
光学系统与CRT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机。
CRT投影机可以说是投影机的鼻祖。
CRT投影机也叫三枪投影机，其工作原理与CRT显示器没有什么不同，其发光源和成像均为CRT。
虽然CRT投影机的工作特征与LCD、DLP等投影机有本质区别，且CRT投影机与LCD投影机同属传输型投影机，但CRT投影机是本身发光，是由阴极射线电子束扫描击射在成像面上，使成像面上的荧光粉发光形成图像后，再传输到投影面上。
因此，CRT投影机具有CRT技术中成像的所有优点和缺点。
即CRT投影机分辨率高、对比度好、色彩饱和度佳、对信号的兼容性强，且技术十分成熟。
特别是CRT投影机在采用当前技术先进的CRT新型荫罩后，亮度也有了较大提高。
但CRT投影机毕竟是由成像面上荧光粉发光后再投影到屏幕上的，当有效扫描电子数增加到饱和状态时，再增加有效电子数，荧光粉发光量也增不了多少。
因此，与其它类型的投影机相比，在亮度方面，
CRT投影机要低得多，这一直是困绕CRT投影机的主要因素。
不过，CRT投影机分辨率高,对比度好,色彩饱和度佳,信号的兼容较强，技术十分成熟，加上CRT投影机扫描式的成像特点和在分辨率、亮度、对比度、饱和度、线性、枕形、梯形等方面具有调节功能，CRT投影机在航空航天、遥控监控行业中起到其它投影机无法替代的作用，所以应用于相对高端的专业领域。
2.2.2LCD投影技术
LCD液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达1670百万种色彩的靓丽图像。
LCD投影机的主要成像器件是液晶板。
LCD投影机的体积取决于液晶板的大小，液晶板越小，投影机的体积也就越小。
根据电光效应，液晶材料可分为活性液晶和非活性液晶两类，其中活性液晶具有较高的透光性和可控制性。
液晶板使用的是活性液晶，人们可通过相关控制系统来控制液晶板的亮度和颜色。
与液晶显示器相同，LCD投影机采用的是扭曲向列型液晶。
LCD投影机的光源是专用大功率灯泡，发光能量远远高于利用荧光发光的CRT投影机，所以LCD投影机的亮度和色彩饱和度都高于CRT投影机。
LCD投影机的像元是液晶板上的液晶单元，液晶板一旦选定，分辨率就基本确定了，所以LCD投影机调节分辨率的功能要比CRT投影机差。
LCD投影机按内部液晶板的片数可分为单片式和三片式两种，现代液晶投影机大都采用3片式LCD板（图1）。
三片式LCD投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。
光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到分色镜组，红色光首先被分离出来，投射到红色液晶板上，液晶板“记录”下的以透明度表示的图像信息被投射生成了图像中的红色光信息。
绿色光被投射到绿色液晶板上，形成图像中的绿色光信息，同样蓝色光经蓝色液晶板后生成图像中的蓝色光信息，三种颜色的光在棱镜中会聚，由投影镜头投射到投影幕上形成一幅全彩色图像。
三片式LCD投影机比单片式LCD投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。
LCD投影机体积较小、重量较轻，制造工艺较简单，亮度和对比度较高，分辨率适中，现在LCD投影机占有的市场份额约占总体市场份额的70%以上，是目前市场上占有率最高、应用最广泛的投影机。
2.2.3DLP数字投影技术
DLP投影机是一种光学数字化反射式投射设备。
DLP投影机的关键成像器件DMD（DigitalMicromirrorDevice：
数字微透镜装置）是一种由德州仪器公司自行研制开发的、可通过二位元脉冲控制的半导体元件。
该元件具有快速反射式数字开关性能，能够准确控制光源。
其基本原理是，光束通过一高速旋转的三色透镜后，再投射在DMD部件上，然后通过光学透镜投射在大屏幕上完成图像投影。
DLP投影机实际上是一种基于DMD技术的全数字反射式投影设备。
一片DMD是由许多个微小的正方形反射镜片（简称微镜）[3]按行列紧密排列在一起贴在一块硅晶片的电子节点上形成的，每一个微镜都对应着生成图像的一个像素。
因此，DMD装置的微镜数目决定了一台DLP投影机的物理分辨率，平常我们说投影机的分辨率为600×
800的SVGA模式，所指的就是DMD装置上的微镜数目就有600×
800=480000个，是相当复杂和精密的。
在DMD装置中每个微镜，都对应着一个存储器，该存储器可以控制微镜在±
10度角两个位置上切换转动。
目前，DLP投影机按其中的DMD装置的数目分为一片DLP投影系统，两片DLP投影系统和三片DLP投影系统。
DLP投影机采用微镜滤光技术，使用表面由成千上万个微透镜组成的芯片高速切换光像素来产生投影图像。
形成DLP图像的光束没有经过过滤，能量没有减少，投影图像信息没有损失，加上DMD部件具有反射性和密合性的优点，光能的利用率远远高于传统的光学系统。
配合先进的光学架构与高品质的光学镜头设计，DLP投影机可以产生清晰度高、画面均匀、色彩还原性好的图像，亮度比LCD图像高[4]，出现条纹和重影的情况也比LCD投影机少。
DLP投影技术抛弃了传统意义上的会聚，可以随意变焦，调整十分方便，而且其光学路径相当简单，体积更小，所以该技术主要应用在超便携式系统中，现代最轻的DLP超便携投影机的重量可以小于1.5公斤。
当然，缩小体积也带来了视频显示方面的缺陷，使DLP投影机的视频显示效果有些失真。
DLP投影机的光学机械特性，也决定了它的移动防振性能要比LCD投影机差一些。
与LCD投影机一样，DLP的像元也是固化的，所以它的分辨率调整功能较差。
虽然DLP投影机所占的市场分额远远低于LCD投影机，但作为新型产品，DLP投影机在体积、重量和亮度等方面具有先天优势，更适合现代电子商务与家庭影院的需要，尤其是其超便携性能完全超过了LCD投影机，DLP投影机已成为继CRT投影机和LCD投影机之后的第三类产品，应用领域与市场前景不可估量。
3LCOS投影显示技术
LCOS（LiquidCrystalonSilicon），即硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。
这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。
像素的尺寸大小从7微米到20微米，对于百万像素的分辨率，这个装置通常小于1英寸。
有效矩阵的电路在每个像素的电极和公共透明电极间提供电压，这两个电极之间被一薄层液晶分开。
像素的电极也是一个反射镜。
通过透明电极的入射光被液晶调制光电响应电压将被应用于每个像素电极。
反射的像被光学方法同入射光分开从而被投影物镜放大成像到大屏幕上。
采用LCOS技术的投影机其光线不是穿过LCD面板，而是采用反射方式来形成图像，光利用效率可达40%。
与其他投影技术相比，LCOS技术最大的优点是分辨率高，采用该技术的投影机产品在亮度和价格方面也将有一定优势[5]。
LCOS是一种新型的反射式microLCD投影技术。
与穿透式LCD和DLP相比，LCOS具有利用光效率高、体积小、开口率高、制造技术较成熟等特点，它可以很容易的实现高分辨率和充分的色彩表现。
由于LCOS尺寸一般为0.7英寸，所以相关的光学仪器尺寸也大大缩小，使LCOS-PTV的总成本大幅下降。
HTPS-LCD目前仅有索尼（SONY）及爱普生（EPSON）拥有专利权，而DLP则是德州仪器的独家专利，LCOS则无专利权的问题。
虽然LCOS看起来简单，但要产品化还要有一个过程，并不是像想象的那样容易形成一个产业。
LCOS技术一经推出便在全世界范围内造成极大影响，但由于制造工艺等方面原因，目前基于LCOS技术的产品还没有形成大规模量产，只有少数厂家开发出了应用于投影机的LCOS芯片和应用LCOS技术的投影机及背投电视机。
LCOS技术在以后大屏幕显示应用领域具有很大优势，它没有晶元模式，且具有开放的架构和低成本的潜力。
近几年来，在LCD业界出现了许多新技术，其中较热门的技术是LCOS。
LCOS最大的优点是解析度可以很高，在携带型资讯设备[6]的应用上，此优点是其他技术无法与之看齐的。
缺点是模组的制程较为繁琐，各生产阶段良率控制不易，成本难以有竞争力。
目前只能停留在需要高解析度的特定用途中，如液晶投影器。
但自今年3月后，业者中开始将其应用到手机产品中，而且将在第
4季起正式供货。
若果真如此，将是LCOS的最重要里程碑。
什么是LCOS？
LCOS（LiquidCrystalonSilicon）属于新型的反射式microLCD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。
简单来说，LCOS是直接与映像管（CRT）投影技术、高温多晶矽液晶（Ploy-SiLCD）穿透式投影技术、DMD（DigitalMicromirrorDevice）数位光学处理（DLP;
DigitalLightProjector）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。
LCOS市场定位在大尺寸显示器产品及HMD（HeadMountDevice）。
目前业界普遍认可：
在显示器市场20'
以下以LCD为主流，PDP可应用于30'
-60'
产品，但价格昂贵，投影显示器适用于30'
-60’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。
省电、便宜与高解析度为LCOS最大优点。
LCOS可视为LCD的一种，但传统的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3%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40%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。
反观高温多晶矽LCD则需另投资设备，且属于特殊制程，成本不易降低。
各种技术应用比较。
3.1LCOS投影显示技术的发展历史
LCOS投影技术又称硅基液晶、硅晶光技术[7]（LiquidCrystalonSilicon，LCOS），是一种结合半导体工艺和液晶显示器（LCD）的新兴技术。
该技术最早出现在上世纪九十年代末期。
其首批成型产品是由AuroraSystems公司于2000年开发出的。
该产品具有高分辨率、低价格、反射式成像的特点。
在此之后无数家企业蜂拥而至。
其中不乏今天依然活跃在LCOS舞台上的索尼、JVC、视创科技、中芯国际、台联电、江西鸿源数显科技、河南辉煌等企业。
但是，在早期被认为是LCOS技术最有力的支持者的英特尔和飞利浦两位“巨人”却未能坚持到最后。
04年飞利浦宣布退出LCOS产品的开发计划。
飞利浦在LCOS产品上主要技术方向是单片式时序成像背投电视机产品。
04年以来液晶和等离子平板电视产品的高速增长被认为是飞利浦放弃LCOS背投电视机产品开发停顿的核心因素。
此外，在这一年英特尔也宣布了停止百万像素级LCOS芯片的研发和供货计划。
英特尔声称，未来主要经历将放在开发两百万像素全高清级LCOS产品上。
英特尔这样的表态被认为是希望以LCOS在像素密度上的优势和德州仪器TI的DLP投影技术抗争的策略。
然而，05年之后英特尔的LCOS计划“无疾而终”。
失去两位巨头的LCOS正营在04、05年陷入低谷时期。
这一阶段先后有多家企业推出了LCOS产品的开发和生产。
令LCOS阵营似乎一时间面临崩溃的危险。
但是，出于对已有技术的不满和对未来产业趋势的预期，索尼、JVC和台湾的视窗科技却依然坚持了下来。
目前，LCOS投影机已经成为影院投影机高端产品采用的主要技术。
得到了数家企业，例如索尼、JVC、视创、佳能、先锋、LG等的支持。
目前，LCOS技术产品呈现出良好的市场增长态势。
在投影显示技术上，DLP技术追赶LCD技术用了十年的时间。
而目前LCOS技术也已经经过了八九年的发展期。
业内分析预计，随着LCOS技术的进一步成熟和产业链条的扩大，LCOS投影显示技术正在迎来发展的春天。
3.2LCOS投影显示技术的成像原理
LCOS投影技术的成像采用反射式光路[8]。
在早期的产品中采用过和单片式DLP类似的时序成像方式。
不过目前的主流产品普遍采用成像水平更高的三片式红绿蓝三元素分离在组合的成像方式。
其成像光路与高档的百万元级的3片式DLP数字电影放映机基本相同。
三片式的LCOS成像系统，首先将投影机灯泡发出的白色光线，通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线，然后，每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上，系统通过控制LCOS面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱，最后经过
LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线，经过投影机镜头照射到屏幕上，形成彩色的图像。
这种成像系统在光源光线参与成像的利用率上能够达到单片式成像系统的一倍左右。
同时因此，同样的光源和电力消耗可以产生更加明亮的最终画面。
同时，由于避免了单片式DLP时序成像的缺陷，三片式LCOS投影系统也能产生出更加饱和、丰满的色彩，并且不会出现困扰单片式DLP成像系统的彩虹画面问题。
三片式LCOS成像的投影机产品是目前最成熟的LCOS投影方式。
推出这种产品的厂家众多，包括索尼、HVC、视创、佳能等著名公司均有优秀的产品。
而此前曾经被开发过的单片式LCOS系统已经逐渐退出投影机应用领域。
因为在单片式的时序系统中，要求LCOS芯片具有比三片式更快的反应速度。
二者恰恰是LCOS的主要竞争对手DLP产品的优势，同时也是LCOS的劣势。
飞利浦早期的LCOS背投显示技术就是给予单片式LCOS时序显示的投影产品。
该项目已经在04年夭折。
3.3LCOS投影技术的优势
LCOS投影芯片除了上文体提及的拥有理论上最低的成本外还具有着其它的显著优点。
和LCD比较，LCOS技术仅拥有一个光学面[9]，从而能够利用另一个平面配置驱动电路。
进而达到驱动电路和芯片一体化的产品结构。
普通的LCD有大量密集的外部引线，如一个1024×
768像素点阵的LCD便有2592条外部引线，给整机装配带来了诸多不便。
LCOS由于是将LCD制于单晶硅片上，LCD的行、列引出线皆通过半导体工艺在硅片内与IC相连接，故留在外部的仅有数条数据控制线、时序线及电源线等。
可利用通用连接端口与前级电路相连接，颇为简便。
普通的LCD透光的光学结构决定了两个光学平面必须保持“干净”。
这使得像素分子中间不仅要包含LCOS技术液晶层所需要的像素涂布的分割网格，同时还必须拥有芯片工作必须的“电线”等电子设备。
这些设备占据了大量的芯片光学面积，使得芯片的开口率在早期很难突破40%。
但是，采用单光学面工作的LCOS芯片则可以轻易形成超过90%的开口率。
此外，普通的LCD在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制成像素。
通常将像素制至0.28mm已属不易，因在每个像素上还需制出一个有源器件（这些因素也影响到产品的开口率）。
但LCOS的像素是制在单晶硅片上，硅片采用LSIC的工艺进行加工。
像素密度的增大必然带来芯片体积的减少，材料费及成本自然便会大幅度地降低。
和德州仪器的DLP投影技术的DMD芯片相比较，LCOS技术具有工艺简单的特点。
而采用微电子机械学的DLPDMD芯片不仅仅使得各种工艺难度大幅增加，同时对成本、成品率，尤其是像素密度等方面都面临着严峻的挑战。
3.4LCOS面临的问题
LCOS应用在显示和投影系统中具有如上所述的很多优势，但是也存在这较难解决的问题。
如LCOS用在投影显示系统中需要利用光的偏振特性，才能实现光的调制。
对于LED光源，必须进行起偏处理，使得光能量有较大的损失；
而对激光作为光源的显示系统，激光本身的偏振特性可以被LCOS利用，但又存在激光散斑的问题。
但无论对于LED光源还是激光光源，LCOS空间调制器都需要解决偏振光的转换问题，因此设计合理的、光能利用率较高的偏振转换系统是系统显示成败的关键。
4偏振转换系统
4.1光的偏振特性
光是一种电磁波，电磁波中的电矢量E就是光波的振动矢量，称作光矢量[10]。
通常，光源发出的光波，其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。
在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。
光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。
按照光矢量振动的不同状态，通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。
如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。
自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势，而使其分布对传播方向不再对称。
具有这种取向特征的光，统称为偏振光。
偏振光可分为部分偏振光、线偏振光（平面偏振光[11]）、圆偏振光和椭圆偏振光。
如果光矢量可以采取任何方向，但不同方向的振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，这种光为部分偏振光。
如果光矢量的振动限于某一固定方向，则这种光称为线偏振光或平面偏振光。
如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化，且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆，则称为椭圆偏振光；
如果是圆则称为圆偏振光。
将自然光变成偏振光的过程称为起偏，用于起偏的装置称为起偏器；
鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所使用的装置称为检偏器。
实际上，起偏器和检偏器是可以通用的。
因为它们的工作原理是一样的，只允许一个方向的偏振光通过。
4.2偏振分光器
透射式LCD显示器件、反射式硅基LCOS显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，不能直接照明这两种微显示器件，必须把自然光转变成偏振光。
获得偏振光的方法有很多，较好的方法是利用偏振光分光器，又称为PBS棱镜（polarizationbeam—spliter）。
PBS棱镜是由两个直角棱镜胶合而成，成为一个立方体，并在胶合面处镀有偏振膜，它把自然光分解为P偏振光和S偏振光，如下图4.1所示。
图4.1PBS棱镜
自然光射入PBS棱镜，遇到偏振膜后一部分反射，另一部分透射[12]。
根据物理光学原理，反射光和透射光均变为偏振光，反射光为S偏振光，透射光为P偏振光，且二者振动方向相互垂直，这就是偏振分光棱镜的工作原理。
S偏光的反射率以Rs表示，P偏光的透射率以TP表示，由于透射光中仍有一些S偏光，故其
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