LCOS投影技术.docx

1、LCOS投影技术LCOS投影技术投影技术是利用LCOS发展大屏幕数字背投影电视的核心技术之一投影技术，也是关键点。目前在国内LCOS的光学引擎、投影镜头、投影灯泡等也处于研发初期，大部分厂商的大屏幕数字投影电视主要依靠于从国外进口器件组装成成品，在这种情况下，发展投影技术，形成核心部件的国产化和大规模产业化十分重要。5.1背投显示技术背投(Rear Projector)的定义是相对于传统的前投(Front Projector)而言的。二者的主要区别在于图像光线的来源方式。前投系统中，观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧，投影机投射出的光线照射到屏幕后，再经过反射到达观察者；而背投系统中，观察者和

2、投影机位于显示屏幕的两侧，从投影机发出的光线照射到半透明的显示屏幕上，部分透过后形成图像，所以观察者看到的是透射出来的光。 通常人们提到的多媒体投影机主要是指前投影机，与它们相比背投影的优势在于背投系统中投影机和屏幕是一个整体，用户使用时无需进行光学调整，像使用普通电视机一样简单。此外背投系统中光学投影机封闭在一个箱体内，投射到屏幕上的光线不会受到外界光线影响，因此在较暗或较亮的环境下都可以完好地显示图像。正是基于这些原理产生了背投电视，由于采用的不同的投影机种类，背投技术可以分为CRT(阴极射线管)、LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(数字光处理)等几种。到目前为止，CRT背投电视

3、的技术最为成熟，生产规模较大，性价比高，依然是国内背投电视市场的主流产品。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

4、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。但CRT背投是靠荧光粉发光，很难提升亮度，容易使显像管老化，时间长了，画

5、面会变暗，清晰度降低。目前继CRT(阴极射线管)背投之后，在背投市场LCOS的竞争产品主要有、HTPS-LCD高温多晶硅液晶（High Temperature Poly Silicon LCD）、LCOS(硅基液晶)、DLP(数字光处理)等几种。下面在这里分别介绍一下LCD、DLP 、LCOS三种背投电视投影技术。5.2 LCD投影技术LCD(Liquid Crystal Display)背投的成像方式为穿透式，LCD液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，是一种被动式的投影方式。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

6、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。 LCD投影利用外光源（金属卤素灯或UHP灯），因此只要提高灯泡的功率就可以提升亮度。它利用比较成熟的液晶投影技术，色彩还原性好，亮度和对比度都优于CRT背投。随着技术的不断发展，目前困扰业界的灯泡寿命问题，也将得到较好的解决。目前LCD背投没有成为市场主流的原因主要在于其高成本。此外LCD背投，限于其工作原理上的原因，它的开机预热和关机后散热都需要时间，不能做到CRT背投那样随开随关。LCD 投影机按照液晶板的片数分为三片式和单片式。目前，三片式投影机是液晶板投影机的主要机

7、种。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

8、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。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，液晶板选定以后，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。5.3 DLP投影技术DLP（Digital Ligh

9、t Processing）指数字光处理技术，这种技术要先把影像讯号经过数字处理后再投影出来，其投影显示质量很好。与LCD背投的透射式成像不同，DLP为反射方式。其系统核心是TI（德州仪器）公司开发的数字微镜器件DMD（Digital Micro mirror Device），DMD是显示数字可视信息的最终环节，它是在CMOS的标准半导体制程上，加上一个可调变反射面的旋转机构形成的器件。通常DMD 芯片有约130万个铰接安装的微镜，一个微镜对应一个像素。DLP背投的原理是用一个积分器（Integrator）将光源均匀化，通过一个有色彩三原色的色环（Color Wheel），将光分成R、G、B三色

10、，微镜向光源倾斜时，光反射到镜头上，相当于光开关的“开”状态。微镜向光源反方向倾斜时，光反射不到镜头上，相当于光开关的“关”状态。其灰度等级由每秒钟光开关，开关次数比来决定。因此采用同步信号的方法，处理数字旋转镜片的电信号，将连续光转为灰阶，配合R、G、B三种颜色而将色彩表现出来，最后投影成像，便可以产生高品质、高灰度等级的图像。目前DLP的投影机主要有单片DMD机、双片DMD机和三片DMD机。根据各自不同的特点，有着不同的应用。其中单片式主要应用在便携式投影产品，双片式应用于大型拼接显示墙而三片式主要应用于超高亮度投影机。一般DLP背投电视有普通彩电4-5倍的清晰度，而且有着高亮度、高对比度

11、的优势，可达到1000：1的对比度。此外，由于数字技术的采用，使图像灰度等级提高，图像噪声消失，画面质量更稳定。但是，德州仪器公司目前是全球DMD芯片的惟一制造商，造成投影机的供给领域薄弱，核心部件供应量不足，成品率较低，价格昂贵，因此在一定程度上限制着这一产品的发展,此外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。从长远看DLP投影技术在超高分辨率（2000线以上）方面受到制约。5.4 LCOS投影技术LCOS（Liquid Crystal On Silicon）技术结合了半导体与LCD技

12、术，其光学成像原理与DLP同为反射方式。与前述两种背投技术相比，优势在于高解析度、高亮度的特性，而且结构简单，成本降低潜力大。虽然在目前的背投应用方面，相对于流行的LCD技术及近期热门DLP投影技术而言，LCOS仍不能与其抗衡，短期内在这三大技术中暂时屈居第三，但是LCOS仍是相当被看好的、最具潜力的投影技术，随着其光学投影系统在重量、亮度上的不断改善，必将在背投电视市场占据显赫地位。此外，就我国高端背投彩电切入点来说，要建立自己的技术优势，LCOS技术是目前的首选。由显示面板来看，在LCD技术领域日、韩占据着相当大的优势，我国台湾地区也只是占据了部分中、低端市场，DLP技术更是由TI独家控制

13、着其核心器件DMD。而LCOS技术尚未成熟，此时开发LCOS，将有机会摆脱在LCD、DLP投影技术上受制于人的情况，因此可以说LCOS是我国在高端彩电技术上取得领头地位的机会。目前我国台湾地区厂商在LCOS技术开发方面相当积极，联电所主导的LCOS联盟已经比较引人注目。的推广应用，必将加快LCOS产业化进程。LCOS显示面板其中一面以芯片为基板，无法让光线直接穿过,因此无法采用穿透式成像方式，因此其背投光学系统和LCD背投影机便产生了区别。通常LCOS光学系统中需要利用偏极化分光镜（Polarization Beam Splitter: PBS）, 将入射LCOS面板的光线与反射的光线分开。P

14、BS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会反射入射光的偏振光（垂直入射线平面），并且让偏振光（平行入射线平面）通过。关于LCOS光学系统技术仍在起步阶段，所以IBM、ColorQuad、Philip、Hologram等多家厂商都开发了不同的LCOS光学引擎架构。但主要可分为单片式和三片式两大类，如下：1）、单片式单片式LCOS Color Wheel光学引擎示意图如下，R、G、B色环快速旋转将来自光源的白光分成循序的红、绿、蓝单色光。这三原色光与驱动程序产生的红、绿、蓝画面同步，便形成分色影像。频率足够快时，由于人眼视觉暂留的特性，观察者便可以看见彩

15、色的投影画面。单片式光学引擎占用空间相对小，仅需一片面板，系统架构比较简单，因此在成本上具竞争优势。然而目前在技术上也面临一些困难，以Color Wheel而言，白光经过偏极化后，亮度明显降低，能量仅仅剩余1/3。此外，由于LCOS面板要在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，对面板反应速度的要求更高。目前类似的技术有：Displaytech的Field Sequential Color结构、Philip的Scrolling Color-Rotating Prism结构、以及JVC的Spatial Color Hologram结构。2）、三片式三片式LCOS光学引擎是目前市场采取的主要方式。这里

16、以笔者曾经调试的一套三片式LCOS光学引擎为例，介绍一下光路。以UHP灯泡为光源，光线首先经两重复眼透境使光线均一化，然后经过一层PBS棱镜和透镜，接下来经红、蓝、绿三色光的分光光路，再分别将光束投射入到三片LCOS面板，反射的三色影像经过合色系统形成彩色影像，投射到屏幕。此系统中，用到了4个方棱镜、4个PBS棱镜、以及两个复眼透镜、和几个反射镜。由此可见三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外，还需要结合多项的分色、合色光学系统，因此体积较大、成本也较高。但是可以达到较高的光学效率，LCOS投影技术中，其面板的下基板采用CMOS基板，其材质是单晶硅，拥有良好的电子移动率，而且单晶硅电路能做得

17、很细，因此容易达到高解析度。此外，LCOS为反射式成像，不会像 LCD光学引擎因光线穿透面板而大幅降低光利用率，因此有很高的光利率，可以较少耗电产生较高的亮度。并且具备高画质的特性，因此主要是朝高阶的专业用途发展，目前，三片式光学引擎还有ColorLink采用的ColoRQuard架构、Philips的Prism架构等。在LCOS投影显示系统中，作为图像发生源的LCOS光引擎和LCD光学引擎(LCD投影机设计非常重要，其好坏除了影响到制作的成本外，还关系到整个光源的输出效率够不够高、投影画面的亮度够不够均匀、表现出来的颜色够不够丰富等，对投影画面的品质担负很大的责任。5.5 LCOS背投技术特

18、点比较5.5.1与LCD、DLP投影机技术比较与LCD、DLP投影机技术相比，LCOS投影技术主要优势如下：1、高分辨率LCOS投影技术最大的特色在于其面板的下基板采用硅晶圆CMOS基板，由于下基板的材质是单晶硅，拥有良好的电子移动率，而且随半导体制程快速的微细化，比较容易高分辨率的面板。2、高亮度、低功耗LCOS为反射式技术，光利率率可提高至40%。而高温多晶硅液晶（HTPS LCD）光学引擎会因为光线穿透面板而大幅降低光利用率，一般只有3%左右。功耗方面与传统的直视型AMLCD（对角线24英寸）相比，LCoS技术提供的图像大到510倍，分辨率不低于QVGA，功耗仅为原来的1/151/30。

19、LCoS芯片的功耗包括以下三部分：（1）静态功耗: 由反向漏电流造成的直流功耗，CMOS电路一般可以忽略不计。（2）动态功耗:主要指逐行写入图像信号时，每行像素（电容）充放电产生的交流功耗。（3）场反转功耗:上盖板电极作周期性电场反转需要的功耗。3、低成本LCOS光学引擎因为产品零件简单，可利用最广泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需额外的投资。因此具有低成本的优势，单片式LCOS光机引擎的出现更加突出了LCOS的低成本优势。再加上台湾厂商大举投入，相比于Epson, Sony等几大公司的HTPS LCD面板、以及德州仪器(TI)独家供应的DLP面板，LCOS具有快速走低的供货环境。HTPS L

20、CD、LCOS、DLP三种投影技术优劣比较表如下：投影技术LCD投影DLP投影LCOS投影优点亮度均匀制程技术较完整，易实现量产光学引擎结构较简单反应速度快易于轻型化光利用率高高分辨率分辨率提升较容易低成本开口率易于提高高分辨率缺点光利用率低开口率低黑白对比较差需高密度小体积光源制程复杂良率低不利于轻型化光学组件成本高影像对比较差限制因素产品主要掌握在几个国际大公司手中目前只有TI提供产品，产量较少目前LCOS的良率较低5.5.2 与PDP对比CRT电视机的制造上，40英寸是个很大的瓶颈，40英寸CRT电视机的重量将超过100公斤，而且机身的厚度将超过35英寸。LCD因为采用液体材料，也同样不

21、适合直接制成大屏幕显示设备。因此这一市场将主要是LCOS与PDP的竞争。（ 等离子显示屏）确实具备许多独特的优点，屏幕亮度非常均匀，没有亮区暗区，不会出现图像几何畸变和色彩漂移现象，不受磁场影响，具有更好的环境适应能力；具有非常陡峭或阈值特性，适合于时分多路驱动；具有存储效应，即使增加显示容量，也容易获得高亮度显示；结构及制造工艺简单，不需要那样的高精度，投资小，适合现代化大批量生产；具有记忆特性，高亮度、大屏幕、全彩色，高对比度和高分辨率，使图像更加清晰，色彩更加鲜艳，感受更加舒适，效果更加理想；色彩还原性好，灰度丰富可超过级，色域与相近，对迅速变化的画面响应速度快，适用于显示动画和播放视频

22、；而且视野开阔，能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和更大观赏度，视角高达度；纯平面、厚度薄、体积小，特别适合公共信息显示、壁挂式大屏幕电视和自动监视系统。但是也有很多不足，显示屏上的玻璃极薄，不能承受过大或过小的气压，更不能承受重压。显示屏的每一颗像素都是独立地自行发光，功耗大，在显示器背板上必须装有多组风扇用于散热。此外，驱动电压高，价格也较高。一定程度上PDP与大尺寸LCOS显示的竞争在所难免，但是由于二者的技术特点不同，在市场上将存在二者共存的空间。一方面PDP是主动发光技术，其应用的环境要求比LOCS技术低，所以它有自己的市场；另一方面PDP很难制备高清晰度的显示器，而基于液晶技术的LCO

23、S却可以；另外，LCOS技术可以制备出尺寸很小的显示器，而这一点是PDP技术的盲点。5.6投影技术近况5.6.1飞利浦投影技术在大屏幕显示技术领域，飞利浦公司在LCOS显示技术方面投入了很大的烟法力量，并且取得了很多成果，尤其是在单片式LCOS投影技术方面，进展很快，在这里单独介绍一下。此前LCOS制造商一般使用三片式设计为了满足投影的三种基本色（R/G/B）来形成彩色图像，这样不仅提高了制造成本，也影响了画面质量和聚光效果，而滚动色条技术能够解决了上述这些问题。该技术基本工作原理是:投影系统将由光源发出的白光分解为红、绿、蓝三色。由此，每一色光形成一条宽带条纹，每一色带照亮LCOS 面板的1

24、/3区域。当一色带的任一部分溢出面板的下沿时，这一部分色带会自动连续移至面板上部。这一过程使系统在使用单片面板前提下保持了光效。单片式面板系统的另外一个优点是避免了三片式面板引擎所必需的复杂而精确的排列。滚动色条光学系统使得光源的亮度利用效率更高，且无汇聚问题为用户提供更清晰锐利的图像。值得一提的是由于开关控制电路隐藏于反射光线的硅片表面之后，使得画面上的像素格结构几乎不可见。此外，它还能解决其它制造商在单片式LCOS解决方案方面碰到的其它例如刷新率、减少拖影显现和输出光效等问题。此技术针对于诸如大屏幕电视机、家庭影院、影院系统、监视器等背投投影显示技术，它带来了整体画面质量提高、低成本和精巧

25、的外形。从技术发展来看，可以说单片式LCOS光学引擎得出现让相关产业重燃信心。单片式LCOS光机引擎架构简单，组件数量少，有利于光机引擎的组装与量产。这一点真正突显了LCOS低成本的竞争优势。另外在分辨率及效能方面单片式LCOS的决不输于三片式，单片式LCOS光机解决方案将能给消费者带来更廉价，更薄，更高画质/分辨率的效果的大屏幕电视机。因此，单片式LCOS背投影电视的成功开发，已成为LCOS 产业发展的重要里程碑。今年飞利浦在上海举办了单片式LCOS RPTV 引擎技术暨产品展示会。展出了近日飞利浦公司单片式LCOS（硅基液晶）背投技术及相关背投电视产品。飞利浦创新显示产品事业部（CDS）全

26、球销售总监Huibert.Kroon表示，与目前被很多厂商所采用的DLP投影技术相比，由于DLP技术在提高分辨率时采用的是机械式的分割像素的方法，这在实现更高分辨率时会遇到障碍；而LCOS技术是基于依照摩尔定律进展的半导体CMOS技术，因此在向更高清晰度显示产品过渡时会比较顺畅。据飞利浦CDS事业部大中国区销售经理石广平介绍，目前他们推出的背投产品的分辨率为1280720像素，在2004年第二季度，他们将推出19201080像素的产品。基于飞利浦技术的背投式LCOS电视将首先在美国市场投放，然后向其它区域市场渗透。飞利浦照明所开发的UHP (Ultra High Performance) 对于

27、投影市场是一大贡献。藉由不断开拓产品的多元化, 飞利浦一直保有其在超高压水银灯领域中的领先地位。为业界提供最广泛,最革新的产品, 在市场上不断的推出更亮,更稳定的设计。所以于现今的投影设备, 不论是应用于专业前投影,影音家庭剧院, 背投影电视或是电视墙设备领域里, 飞利浦UHP系统已成为业界统一的标准。 UHP 能够激发出最高的亮度, 平均值高达 1Gcd/m2 UHP 是最有效率的系统, 短间距电极能够应用于更小尺寸的面板 UHP 拥有最长的使用寿命, 光源寿命于前投应用领域可达1000至6000小时 藉由安定器产生的脉冲与光源之间的相互作用,能有效稳定电极藉此抑制闪烁的发生 使用寿命期间,

28、 UHP拥有最稳定, 最完美的色谱5.6.2 DLV投影技术为了充分发挥各类投影机的优势，人们想到了将CRT的长处与LCD和DLP的优势结合起来的方法，于是出现了DLV投影技术。 DLV（Digital Light Valve：数码光路真空管，简称数字光阀）是一种将CRT透射式投影技术与DLP反射式投影技术结合在一起的新技术。该技术的核心是将小管径CRT作为投影机的成像面，并采用氙灯作为光源，将成像面上的图像射向投影面（图7）。因此，DLV投影机在充分利用CRT投影机的高分辨率和可调性特点的同时，还利用氙灯光源高亮度和色彩还原好的特点，DLV投影机不仅是一款分辨率、对比度、色彩饱和度很高的投影

29、机，还是一款亮度很高的投影机。其分辨率普遍达到12501024，最高可达到25002000，对比度一般都在250:1以上，色彩数目普遍为24位的1670万种，投影亮度普遍在200012000 ANSI流明，可以在大型场所中使用。液晶光阀投影机使用了CRT管和液晶光阀作为成像器件，是CRT投影机与液晶光阀相结合的一款新型投影机。为了充分利用传统CRT投影机图像分辨率高的优势，克服其亮度较差的缺点，其亮度可以达到6000 ANSI流明，分辨率则可以达到25002000。这类投影机非常适合在光线较强、观众较多的场合中使用，如超大规模指挥中心、会议中心及大型娱乐场所等。当然这类投影机的价格较高，体积也

30、较大，而且光阀不易维修，所以销量有限。5.6.3 光栅阀投影技术SONY公司利用MEMS(microelectromechanical systems微机电系统)，开发出来了一种新型基于光栅阀技术(grating-light-valve)的投影原型机，这种机器使用的技术能够提高颜色的表现力，最重要的是，能够达到3000：1的对比度，非常让人吃惊，目前最高端的投影仪也只能达到1000：1左右的对比度。SONY声称，这个设备使用了三束波长经过特别挑选的激光，可以比传统的灯泡色域更广，三束原色光分别为：红(642 nm)，绿(532 nm)，蓝(457nm)。这个设备有一个由细小的带电带阵列组成，带

31、电带的每一行拥有1080象素，每一个象素由6个带电带构成，其中的三个是固定的，另外的三个可以上下移动。通电时，三个可移动的带能够形成衍射光栅，根据SONY的说法，这种投影仪可以投射任何纵横比的图象。 总的来说，今年在投影方面，新技术不断出现，这也为LCOS投影技术提供了更为广阔的发展空间。5.6.4 D-ILA投影技术-投影技术是柯达公司与日本公司在投影机产品方面的的合作开发的，是一项具有革命性的投影技术。-技术在提供高分辨率和高对比度方面显示了非常突出的技术优势。未来的发展将开始向上述二技术的投影机市场领域挑战，特别是在消费性市场(投影电视，数字影院和家庭影院，)中将具较大的发展潜力。-是D

32、irect-Drive Image Light Amplifier的缩写，含义是直接驱动图像光源放大器技术。-技术的核心部件是反射式活性矩阵硅上液晶板，也就是通常所说的反射式液晶板（），所以业界将此技术称为反射式液晶技术。在透射式LCD技术中的液晶板中，作为像素点开关控制的晶体管被做在液晶板上相应位置上，在光源透射过程中，晶体管本身将阻挡部分光线，因此采用透射式液晶技术的投影机的光源的利用效率不高，很难实现高亮度。从原理上分析，在不增加液晶板尺寸的前提下，透射式LCD投影机的标称分辨率的发展空间已经不大。D-ILA技术中液晶板则将晶体管作为像素点液晶的开关控制单元做在一层硅基板上，硅基板（也称反射电极层）位于液晶层的下面，用于像素地址寻址的各种控制电极和电极间的绝缘层位于硅基板的下面，因此整个结构是一个立体排列方式。采用-技术的液晶板的光圈比率可以达到，也就是在相同尺寸的液晶板上-技术可