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LCOS——大屏幕投影領(lǐng)域的新生力量

來源：InfoAV China　更新日期：2004-12-10 作者：佚名

年度商顯市場最大的看點何在投影行業(yè)十大猜想 2023年度評選盛典獲獎揭曉

    一、引言
    大屏幕投影顯示系統(tǒng)是上個世紀(jì)80年代末開始興起的一個新興行業(yè)。主要用于電信電力網(wǎng)管監(jiān)控、高速公路道路監(jiān)控、公安、交警、消防重點部位監(jiān)控、政府、銀行的等領(lǐng)域信息顯示系統(tǒng)的應(yīng)用。十多年來，大屏幕顯示系統(tǒng)的產(chǎn)品不斷發(fā)展和進(jìn)步，已經(jīng)成為一個成熟的技術(shù)領(lǐng)域。
    作為大屏幕顯示系統(tǒng)一個最重要的組成部分——投影機(jī)，它的技術(shù)也經(jīng)歷幾代發(fā)展的歷史。
    CRT(Cathode Ray Tube)技術(shù)作為投影領(lǐng)域的先驅(qū)，在上世紀(jì)末的投影市場占據(jù)重要的地位，早期的大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都是采用了CRT投影技術(shù)。但是由于CRT投影機(jī)的顯示核心和發(fā)光亮度均由CRT來完成，亮度和分辨率的矛盾成為制約CRT投影機(jī)在市場進(jìn)一步應(yīng)用的主要因素，另外，CRT投影機(jī)三槍分別顯示，使得投影機(jī)的安裝調(diào)試非常困難等�，F(xiàn)在CRT投影機(jī)在控制室市場的應(yīng)用，已基本為LCD，DLP技術(shù)的投影機(jī)所替代。
    LCD技術(shù)是在1968年發(fā)明的，以LCD作為成像面，由于光線是透過LCD板投射到屏幕上的，因此每個液晶點旁邊的調(diào)制電極會阻隔光線的傳遞，會使圖像畫面有很強(qiáng)的點陣感。盡管多晶硅(Poly-silicon)技術(shù)采用了柱狀點陣，使得光線的透射率有很大的提高，但一般也使之達(dá)到85%。但是，LCD技術(shù)，采用三片顯示技術(shù)，紅、綠、藍(lán)三色分別成像，顏色還原性好，性能穩(wěn)定，對比率高，圖像層次感好。
    DLP(Digital Lighting Processor)數(shù)字光處理技術(shù)主要核心以DMD(Digital Micromirror Device)數(shù)字微鏡設(shè)備為成像主芯片。根據(jù)DLP投影機(jī)中使用DMD芯片的數(shù)量，分為單片(使用一片DMD芯片)、三片(使用三片DMD芯片)DLP投影機(jī)。三片DLP投影機(jī)采用三片DMD的成本較高，絕大部分用于控制室領(lǐng)域的投影機(jī)都是單片DLP投影機(jī)。
    LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影機(jī)在90年代末就已經(jīng)出現(xiàn)。主要作為商用投影機(jī)使用。直到今年5月，日立公司在上海InfoComm上第一次推出了為控制室應(yīng)用的背投一體化箱體。
    由于LCOS技術(shù)的具備了LCD和DLP技術(shù)的很多優(yōu)點，LCOS背投系統(tǒng)必然成為大屏幕背投系統(tǒng)領(lǐng)域的一個新生力量。

二、 LCOS技術(shù)原理

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)它是一種采用有源點陣反射式液晶顯示技術(shù)。是LCD與CMOS集成電路有機(jī)結(jié)合的反射型新型顯示技術(shù)。
LCOS的結(jié)構(gòu)是在單晶硅上生長電晶體，利用半導(dǎo)體集成制作驅(qū)動面板(又稱為CMOS－LCD)，然后在電晶體上透過研磨技術(shù)磨平，并在上面鍍鋁膜電極作為反射鏡，形成CMOS有源點陣基板，然后將CMOS基板與含有ITO透明電極之上玻璃基板貼合，再抽入液晶，進(jìn)行封裝。像素電極同時也作為反射鏡，像素的尺寸一般可以做的很小約為7～20μm，開口率高達(dá)96％，對于百萬像素的高分辨率的基板的大小還不到一英寸。

三片LCOS投影原理圖

LCOS投影機(jī)圖像調(diào)制原理和LCD基本相同，也是以光調(diào)制來控制投影顯示圖像。入射光線在分光后，經(jīng)過入射偏光板(PBS)，將入射光變成S偏光，經(jīng)LCOS板反射調(diào)制。如果液晶經(jīng)外部信號調(diào)制，處于顯示亮態(tài)時，S光會變成P光，經(jīng)棱鏡透射后，有最多的光投射到會聚透鏡會聚成像。處于顯示暗電平時，S光經(jīng)調(diào)制，依然還是S光輸出，經(jīng)棱鏡沒有光透射到會聚透鏡，圖像顯示為暗電平。因此，輸出到會聚透鏡的光的多少是由每個像素的外部信號調(diào)制決定的。

    三、 LCOS特點
    LCOS是在傳統(tǒng)的LCD基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它繼承了LCD技術(shù)的優(yōu)點，同時也克服了LCD的不足之處，所以LCOS擁有諸多LCD所不具備的優(yōu)點。
    1. 首先，LCD是在石英玻璃基板上生長多晶硅，利用半導(dǎo)體技術(shù)在多晶硅(poly－silicon)上制作象素CMOS有源驅(qū)動電路和存儲電容，這樣無疑會占用象素一定的面積，導(dǎo)致開口率的。像素的開口率達(dá)到96%。(LCD一般是85%)。因此圖像畫面沒有像素感，畫面邊緣更自然。
    2. 由于多晶硅(P-LCD)中電子遷移速率低，渡越時間比較長，所以顯示畫面會有延遲，直接影響到畫面的刷新速率。而在LCOS技術(shù)中，采用反射式結(jié)構(gòu)，渡越時間大大減少，顯示畫面延時和DLP技術(shù)相同，為12ms，而P-LCD的延時，在20ms左右。
    3. 其次，LCOS是反射式顯示技術(shù)，可以避免LCD由于光源長時間的照射溫升而導(dǎo)致LCD面板局部灼傷的問題。

比較項目	Hitachi LCD	單片DLP	Hitachi LCOS
顯示芯片	3片1.3” P-LCD	單片DMD	3片0.7” LCOS
三色成像方式	三色分別顯示，空間會聚后成像，色彩還原性好，圖像細(xì)膩，畫面質(zhì)量高。	時分成像，以高色輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生三色	三色分別顯示，空間會聚后成像，色彩還原性好，像素開口率更高，圖像更細(xì)膩，畫面質(zhì)量更高。
分辨率	XGA，SXGA	XGA	SXGA+
開口率	85%	90%	96%
50”亮度	1000cd/m2	500cd/m2	1000cd/m2
對比度	1000:01:00	1000:01:00	1300:01:00
圖像響應(yīng)時間	20ms	12ms	12ms
投影機(jī)色彩調(diào)整能力	日立獨有的15級電平調(diào)整及單屏分區(qū)(可達(dá)33×25)調(diào)整技術(shù)使其具有更高的調(diào)整能力，以確保多屏拼接的畫面一直性	-	保持了日立獨有的15級電平調(diào)整及單屏分區(qū)(可達(dá)33×25)調(diào)整技術(shù)使其具有更高的調(diào)整能力，以確保多屏拼接的畫面一直性

    4. LCOS的驅(qū)動電路做在反射電極下面，芯片的像素分辨率可以做得很高，通常LCOS的基本分辨率為1400×1050，而LCD和DLP的常規(guī)分辨率為1024×768。
    5. LCOS的芯片為0.7"，而P-LCD的顯示芯片為1.3"，LCD面板尺寸過大，制作工藝難以保證顏色大面積的均勻性。
    6. 體積�。篖COS可將驅(qū)動IC等外圍線路完全整合至CMOS基板上，減少外圍IC以及引線的數(shù)目，降低了封裝成本，并使體積縮小，一般XGA(1024×768)TFT－LCD的外圍引線達(dá)到2500多條。
    7. LCOS以單晶硅基板上的CMOS點陣取代多晶硅TFT點陣。相比之下，前者生產(chǎn)技術(shù)更為成熟。LCOS的整個工藝，可以分為前道的半導(dǎo)體CMOS制造和后道的夜景面板貼合封裝過程。前道(0.35mm半導(dǎo)體工藝)CMOS電路設(shè)計、仿真、制造及測試技術(shù)都已經(jīng)十分成熟，目前合格率可以達(dá)到90%以上；后道的液晶屏貼合封裝過程成品率為30%，但是隨著LCOS產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用的增加，LCOS的價格下降空間還是很大的。
    從與LCOS相關(guān)聯(lián)的顯示技術(shù)進(jìn)行比較，它是與高溫多晶硅HTPS－LCD顯示技術(shù)，DMD(Digital Mirror Device)數(shù)字光處理顯示技術(shù)相對應(yīng)的。簡單來說，LCOS是直接與陰極射線顯像管(CRT)顯示技術(shù)、高溫多晶硅液晶(Ploy-Si LCD)穿透式顯示技術(shù)、DMD(Digital Micromirror Device)數(shù)字光學(xué)處理(DLP; Digital Light Projector)反射式顯示技術(shù)具有相等同的地位。這三項技術(shù)目前發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，但LCOS將成為大屏幕高分辨率低成本投影顯示技術(shù)的新主流。
    與DLP比較的優(yōu)點
    1. 光源利用率：LCOS與DLP同屬于反射式顯示系統(tǒng)，其共同的優(yōu)點是光源利用率高；但是單片的DLP顯示是利用的時分R，G，B三色顯示，同一時間只有一種顏色處在工作狀態(tài)，使得光通量減少，光源利用率降低，色調(diào)飽和度下降。而三片LCOS投影機(jī)是三色同時顯示，光通量大大提高，光源利用率很高，亮度和色飽和度都很好。
    2. 顯示速度和帶寬：由于LCOS制作成本低，所以很容易以低成本制成三片的LCOS顯示系統(tǒng)。LCOS和DLP采用半導(dǎo)體制程，其反應(yīng)速度很快，可以實現(xiàn)很高的灰度級，使得色彩更加豐富逼真(單色D/A轉(zhuǎn)換10位1024級電平灰度控制可以產(chǎn)生10243種顏色)，盡管單片DLP的顯示芯片DMD的響應(yīng)速度和LCOS差不多，但是三色時分顯示要求響應(yīng)速率以及顯示帶寬都要3倍于三片分別處理時的速度，這樣給處理器和芯片提出很高的要求，使得成本進(jìn)一步的增加。所以，目前8位的2563色的中價位單片DLP顯示技術(shù)占市場的主要地位，其色彩豐富程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不及10位三片LCOS和10位3×DLP色彩的豐富。
    3. DMD制程極其復(fù)雜，目前只有TI獨家掌握，高分辨率的DMD制作成本很高，分辨率難以進(jìn)一步的提高。色輪的使用壽命、成本以及增加控制設(shè)備的成本和難度都將有所增加。而LCOS技術(shù)為多家公司共同競爭發(fā)展，技術(shù)不斷提高，成本也在相應(yīng)下降。

日立LCOS的色彩還原性

    總結(jié)：
    LCOS優(yōu)點：
    1. 分辨率高
    2. 阻擋光源的強(qiáng)熱不易灼傷
    3. 光源利用率、亮度高
    4. 響應(yīng)速度快
    5. 對比度高
    6. 成本低
    7. 開口率高，圖像細(xì)膩
    8. 使用壽命長20khrs
    9. 具有LCD的低功耗驅(qū)動特點
    LCOS缺點：
    1. 有多家生產(chǎn)廠家，標(biāo)準(zhǔn)暫不統(tǒng)一
    2. 技術(shù)門檻較高，有一定的技術(shù)難度

    四、日立LCOS背投一體化箱體
    早在90年代末，以JVC為代表的一些廠家就已經(jīng)有LCOS投影機(jī)，但是，主要還是用于會議室系統(tǒng)。無法在監(jiān)控室系統(tǒng)大屏幕顯示中應(yīng)用，主要問題在于色彩的一致性、亮度的均勻性、24/7工作環(huán)境條件等。
    今年5月，在上海INFOCOMM展會上，日立首次推出了在監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用的LCOS背投一體化箱體。其色彩的一致性和亮度的均勻性都超越了現(xiàn)在DLP和LCD同類投影機(jī)的水平。日立背投一體化箱體的特點有：
    1)新的光學(xué)系統(tǒng)，更高的開口率
    日立公司作為LCOS產(chǎn)品完全自己研發(fā)生產(chǎn)廠家，從LCOS的生產(chǎn)到電路設(shè)計，都有日立公司自己完成。像素的開口率達(dá)到96%。
    2)高亮度和高對比度
    和原來的日立LCD技術(shù)一樣，日立的LCOS新穎投影技術(shù)，依然保持了高亮度和高的對比度，優(yōu)化設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)，保證輸出的白光最亮，而黑屏更暗，對比度高達(dá)1200：1的效果。
    系統(tǒng)中采用HITACHI特有的專利技術(shù)：
    * 高開口率的反射式液晶(LCOS)技術(shù)，使圖像的亮度最大，對比率更高。
    * 采用了大口徑和高聚焦性能的非球面鏡頭，不但邊緣失真小和邊緣亮度失真小，而且聚焦穩(wěn)定，在任何情況下，聚焦不會變化，圖像四角圖像清晰、規(guī)整，并且全屏幕亮度均勻一致。

日立的單屏,5電平一致性調(diào)整

    * 系統(tǒng)中，由于RGB的偏振性能一致，抑制了屏幕上二次光折射。所以即使從屏幕側(cè)面看，屏上圖像沒有明顯的偏色現(xiàn)象。
    * 背投影機(jī)最佳光學(xué)系統(tǒng)成功開發(fā)應(yīng)歸功于高開口率的液晶板和優(yōu)于任何CRT的廣域RGB色彩還原。
    3)更高的顯示分辨率：
    由于LCOS技術(shù)，更小的像素面積，就可以獲得高的像素開口率，高的亮度輸出，因此，光機(jī)的體積可以減小，顯示芯片的分辨率得到提高，HITACHI ES70-116CMW的原始分辨率就達(dá)到1400×1050，這是目前世界上任何一款控制室應(yīng)用的投影機(jī)所不能達(dá)到的。
    4)無損圖像的全數(shù)字處理
    輸入可以是數(shù)字信號也可以是模擬信號，輸入的模擬信號由模/數(shù)變換器變換成數(shù)字信號。由此以后，從掃描變換到伽瑪補償和底色校正的所有處理都是全數(shù)字化的，視頻圖像清晰、明亮，噪聲受到抑制。
    5)兼容高分辨率UXGA標(biāo)準(zhǔn)必備的掃描變換器
    支持直到UXGA分辨率的PC信號。自動掃描功能自動地對輸入信號進(jìn)行精細(xì)的尺寸變換。而且，用于多屏幕拼接時，圖像可縮小到一半尺寸，或者放大到高達(dá)8倍的尺寸，無需像常規(guī)的系統(tǒng)要求那樣，連接一個外接拼接控制器。

日立單屏幕多區(qū)域調(diào)整技術(shù)

    6)五通道底色校正，視頻圖像自然
    屏上底色由五種數(shù)字校正算法校正，每種用于高、中、低、更低、最低5個不同的亮度電平。這樣能在所有的亮度電平范圍實施底色校正，從而產(chǎn)生一致的、自然的顯示圖像。
    Hitachi投影機(jī)的一個突出的優(yōu)點還是可以對單塊屏幕在五電平級，紅、綠、藍(lán)三色，分三種區(qū)域(單屏幕分5×5，4×4，33×25區(qū)域)進(jìn)行兩度調(diào)整，完全使拼接屏幕的色彩做得更加一致。(這一點是hitachi投影機(jī)區(qū)別其它任何投影機(jī)的突出特點)

日立獨有的16級電平調(diào)整

    7)10比特數(shù)字伽瑪校正，色調(diào)表現(xiàn)精細(xì)
    10比特數(shù)字伽瑪校正電路實現(xiàn)常規(guī)技術(shù)不能再生的精細(xì)色調(diào)表現(xiàn)。它能在亮區(qū)和暗區(qū)再生細(xì)微的差別，使得圖像更具三維感覺，而且圖像的表現(xiàn)更加豐滿。對1024灰度信號中的16級電平，紅、綠、藍(lán)三色，分別進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，使色彩在全灰度保持一致。(這是其它投影機(jī)所不具備的)
    8)長壽命100W燈和新穎的燈自動更換器
    長壽命燈(6000小時)能長時間連續(xù)工作，無需換燈。還裝備一個新開發(fā)的燈自動更換器，其中可放一個備分燈，它能檢測燈的壽命，并自動換燈，而且，不必切斷電源就可換掉用完的燈。

五、 LCOS在大屏幕監(jiān)視系統(tǒng)中
1. LCOS顯示系統(tǒng)具有高解析度的特點，使得它可以更好的顯示影響的細(xì)節(jié)。作為現(xiàn)代化的指揮監(jiān)控系統(tǒng)中的大屏幕顯示設(shè)備應(yīng)該滿足高分辨率，能夠更加清楚的顯示畫面的細(xì)節(jié)，要求色彩還原性能好，豐富逼真。在不降低分辨率的情況下可以在同一LCOS上顯示多畫面。

    2. 作為監(jiān)控系統(tǒng)顯示設(shè)備，應(yīng)該能夠經(jīng)受得住長時間工作的考驗，LCOS背板可以直接接大面積散熱片，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性得到保障，更加可靠。色彩飽和度以及亮度不受溫度的影響。
    3. 低成本，高品質(zhì)是企事業(yè)單位競爭所追求的首要。LCOS顯示設(shè)備以其優(yōu)良的顯示效果和低成本將會成為專業(yè)顯示領(lǐng)域的主力軍。
    4. 反射式LCOS，由于其高反射率，配合偏振光復(fù)用技術(shù)，可以使得光源利用率更高，LCOS的亮度可以做的很高，可以實現(xiàn)超大屏幕顯示時的亮度不會變暗。同時也可以減少了由于拼接所帶來的無法彌補的縫隙，影響觀看的畫面品質(zhì)。
    5. 使用壽命長，整機(jī)具有很高的MTBF(大于10萬小時)。
    6. 具有很好的色彩還原性。
總之，LCOS將成為控制室應(yīng)用的領(lǐng)域的一個新生力量，在近1-2年內(nèi)廣泛使用在控制室監(jiān)控領(lǐng)域。

結(jié)論：
從與LCOS相關(guān)聯(lián)的顯示技術(shù)進(jìn)行比較，它是與高溫多晶硅HTPS－LCD顯示技術(shù)，DMD(Digital Mirror Device)數(shù)字光處理顯示技術(shù)相對應(yīng)的。簡單來說，LCOS是直接與陰極射線顯像管(CRT)顯示技術(shù)、高溫多晶硅液晶(Ploy-Si LCD)穿透式顯示技術(shù)、DMD(Digital Micromirror Device)數(shù)字光學(xué)處理(DLP; Digital Light Projector)反射式顯示技術(shù)具有相等同的地位。這三項技術(shù)目前發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，但LCOS的不具有高分辨率、低功耗、低成本、體積小的特點，必將是將成為大屏幕高分辨率低成本投影顯示技術(shù)的新主流。

項目	技術(shù)參數(shù)	技術(shù)參數(shù)
型號	ES70-116CMW	ES50-116CMW
圖像尺寸	70" 1414×1061	50" 1016×762
顯示系統(tǒng)	3×LCOS投影	3×LCOS投影
液晶板	3×0.7" 有源矩陣多晶硅薄膜晶體管	3×0.7" 有源矩陣多晶硅薄膜晶體管
液晶板分辨率	1400×1050(SXGA+)	1400×1050(SXGA+)
亮度(屏前)	500cd/㎡	1000cd/㎡
對比率	1300:01:00	1300:01:00
亮度均勻性	＞95%	＞95%
RGB輸入端	模擬RGB：15芯 D-SUB型插座； RGBHV，BNC插座；數(shù)字RGB：DVI-D	模擬RGB：15芯 D-SUB型插座； RGBHV，BNC插座；數(shù)字RGB：DVI-D
輸入頻率	15-100KHZ行頻,40-120HZ場頻	15-100KHZ行頻,40-120HZ場頻
控制方式	RS-232C(9Pin D-sub)×1(combine RS-485)，RS-485(9pin D-sub)×1	RS-232C(9Pin D-sub)×1(combine RS-485)，RS-485(9pin D-sub)×1
視頻輸入端(選配)	復(fù)合視頻(BNC插座)；復(fù)合視頻(BNC插座)/S-VIDEO(插座可選)，YPbPr分量視頻(BNC插座)	復(fù)合視頻(BNC插座)；復(fù)合視頻(BNC插座)/S-VIDEO(插座可選)，YPbPr分量視頻(BNC插座)
主要的內(nèi)部功能	掃描變換器(放大) 等自動更換系統(tǒng)	掃描變換器(放大) 等自動更換系統(tǒng)
燈	100W UHP(典型壽命6000小時)；	100W UHP(典型壽命6000小時)；
功耗	180W	180W
重量	100kg	59kg
尺寸	1414(寬)×1341(高)×750(深)	1016(寬)×1002(高)×550(深)

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