LCoS顯示技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

   LCOS顯示是LCD與CMOS集成電路有機結(jié)合的反射型新型顯示技術(shù)，LCOS作為新型顯示器件具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用產(chǎn)品被廣大消費者和業(yè)內(nèi)人士看好，LCOS可能是HTDV的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向。在大屏幕投影顯示中具有重要地位，由于經(jīng)濟和輕便，它將成為目前ＣＲＴ技術(shù)大屏幕  投影電視機的主要競爭者。隨著HTDV的推廣應(yīng)用，將加快其產(chǎn)業(yè)化進程。本文介紹了LCOS顯示技術(shù)的基本原理和特性，還介紹了近年來的發(fā)展及未來動向。

一、前言

    直視式大屏幕電視和顯示器尚未大量投放市場，使投影顯示發(fā)展活躍起來，其中LCOS(LiquidCrystalonSilicon)反射式投影顯示剛剛迸人市場，引起業(yè)界的重視。因為LCOS技術(shù)借硅基CMOS集成電路技術(shù)，在單晶硅片上CMOS陣列取代a一Si TFT LCD中玻璃基板上a一Si TFT陣列，相比之下前者生產(chǎn)技術(shù)更成熟，還有單晶硅遷移率遠高于a一Si遷移率，因此不僅適合于高密度、高分辨率、高開口率顯示，而且可以周邊驅(qū)動電路集成一體，甚至可以集成信息處埋系統(tǒng)。但LCOS微型顯示通過光學(xué)系統(tǒng)放大圖像幾十到幾百倍，帶來液晶顯示技術(shù)的新問題。本文介紹LCOS基本結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、LCOS應(yīng)用和市場及液晶顯示中的新問題。
　　今后LCOS主要將應(yīng)用于數(shù)字化HTDV。據(jù)統(tǒng)計預(yù)測，該領(lǐng)域2000年產(chǎn)值為5億美元，到2004年產(chǎn)值將達到23億美元，年增長率為46.5％,是一種快速成長的新型顯示系統(tǒng)。

二、LCOS簡介

1 、LCOS 面板架構(gòu)

　　LCOS（Liquid Crystal on Silicon）屬于新型的反射式 MICRO LCD投影技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在硅片上，利用半導(dǎo)體制程制作驅(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，并鍍上鋁當作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與含有透明電極之上玻璃基板貼合，再注入液晶，進行封裝測試。見圖 1。在單晶硅片上集成CMOS和存貯電容器的陣列，通過開孔把漏電極和像素電極連結(jié)，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強光照射溝道，加一層金屬檔光層。另一側(cè)基板是ITO電極的玻璃板。液晶層盒厚愛像素尺寸限制，一般盒厚取幾微米。LC0S前投影放大倍數(shù)大，顯示區(qū)內(nèi)不能用控制盒厚的隔墊物，或者盒厚取小于2微米，可用隔墊物。

　　LCOS投影機的基本原理與LCD投影機相似，只是LCOS投影機是利用LCOS面板來調(diào)變由光源發(fā)射出來欲投影至屏幕的光信號，與LCD投影機最大的不同是LCD投影機是利用光源穿過LCD作調(diào)變，屬于穿透式，而LCOS投影機中是利用反射的架構(gòu)，所以光源發(fā)射出來的光并不會穿透LCOS面板，屬于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片為電路基板及反射層，然后再涂布液晶層后，以玻璃平板封裝。

2． 投影顯示系統(tǒng)架構(gòu)

　　LCOS面板是以CMOS芯片為電路基板，因此無法讓光線直接穿過，其分光合光系統(tǒng)設(shè)計和LCD投影機有些不同，通常需要在分光合光系統(tǒng)中利用偏極化分光鏡（Polarization beam spliter；PBS），將入射LCOS面板的光束與反射后的光束分開。

（ａ）偏極化分光鏡（PBS）的功能：

　　PBS是由兩個45度等腰直角棱鏡底邊粘合的而成的棱鏡，當非線性偏極化光入射PBS時，PBS會反射入射光的S偏光（垂直入射線平面），并且讓P偏光（平行入射線平面）通過。

（ｂ）主要結(jié)構(gòu)：

　　圖２是LCOS投影結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，用金屬鹵化物燈(亮度6000流明以上)或氖燈(亮度60000流明)，用拋物面反射鏡過濾紫外光和紅外光，再用冷反射鏡過濾紅外光，通過聚焦透鏡和復(fù)眼透鏡得到均勻的平行光，然后分色鏡分光，再通過PBS得到偏振光，通過LCOS反射進行合成并通過變焦透鏡投影到屏幕。LCOS投影機與LCD投影機的主要結(jié)構(gòu)在導(dǎo)光及分光合光部分的設(shè)計大同小異，只是在LCOS投影機系統(tǒng)中，LCOS面板前均多加了PBS。
　　由光源所發(fā)出的光經(jīng)由Dichroicmirror（雙色鏡）后分成R、G、B三色光，此三色光分別通過各自的PBS后，會反射Ｓ偏光進入LCOS面板，當液晶顯示為亮態(tài)時，S偏光將改變成P偏光，最后以雙色棱鏡組合調(diào)變過的三道偏極光，投射至屏幕處得到影像。

　　簡單來說，LCOS是直接與顯像管(crt)投影技術(shù)、高溫多晶硅液晶穿透式投影技術(shù)、數(shù)據(jù)光學(xué)處理反射式技術(shù)相關(guān)。這三項技術(shù)已發(fā)展成熟，故LCOS可成為投影顯示技術(shù)的新主流。

　　另外還有一種離軸光學(xué)投影系統(tǒng)。入射光和反射光分開，不用PBS。而用偏振膜，對比度高，但體積稍微大一些。具體結(jié)構(gòu)見圖３。

3 、LCOS技術(shù)特性

　　與穿透式HTPS－LCD及DLP相比，LCOS具有下列優(yōu)勢：

　　光利用效率高 ：LCOS與LCD投影顯示器類似，主要的差別就是LCOS屬反射式成像，所以光利用效率可達40％以上，與DLP相當，而穿透式LCD僅有3－10％而已。

　　體積小 ：LCOS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的數(shù)目及封裝成本，并使體積縮小。

    分辨率高 ：由于LCOS的晶體管及驅(qū)動線路都制作于硅基板內(nèi)，位于反射面之下，不占表面面積，所以僅有像素間隙占用開口面積，不像穿透式LCD的TFT及導(dǎo)線皆占用開口面積，故理論上LCOS不論分辨率或開口率都會比穿透式LCD高。分辨率普遍達到SXGA等級

    制造技術(shù)較成熟 ：LCOS的制作可分為前道的半導(dǎo)體CMOS制造及后道的液晶面板貼合封裝制造。前道的半導(dǎo)體CMOS制造已有成熟的設(shè)計、仿真、制作及測試技術(shù)，所以目前良率已可達90％以上，成本極為低廉；至于后道的液晶面板貼合封裝制造，雖然據(jù)說目前的良率只有30％，但由于液晶面板制造已發(fā)展得相當成熟，理論上其良率提升速率應(yīng)遠高于DMD芯片，所以LCOS應(yīng)比DLP更有機會取代穿透式HTPS－LCD成為投影顯示技術(shù)的主流。

　　此外，LCOS還有一項優(yōu)點，就是HTPS－LCD目前是SONY及EPSON擁有專利權(quán)，DLP則是TI的獨家專利，而LCOS則無專利權(quán)的問題�，F(xiàn)在臺灣的工研院光電所也已成功開發(fā)出LCOS，并正在申請專利中。由于臺灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，AURORA及KOPIN就曾委托臺灣的聯(lián)電及聯(lián)友光電代工LCOS，所以臺灣業(yè)界一直寄希望發(fā)展LCOS技術(shù)做為其發(fā)展投影產(chǎn)品的最佳選擇。

　　目前LCOS市場定位在大屏幕投影顯示產(chǎn)品及HMD上。目前業(yè)界普遍認可：在顯示器市場20"以下以LCD為主流，PDP可應(yīng)用于30"－ 60"產(chǎn)品，但價格昂貴，投影顯示器適用于30"－ 60"以上的產(chǎn)品，具有解析度高，價格適中等優(yōu)勢。LCOS投影顯示技術(shù)則是落于上述投影顯示器市場；另外亦可作為直視元件，應(yīng)用在HMD中。

　　LCOS可視為LCD的一種，傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS則是長在硅晶圓上。和LCOS的相對比的產(chǎn)品，最常用在投影機上的高溫多晶硅LCD為代表。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則采用反射式投射，光利用效率可達40％以上，且其最大的優(yōu)勢是可利用最廣泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需額外的投資，并可隨半導(dǎo)體工藝流程快速的微細化，易于提高解析度。

三、LCOS的發(fā)展及面臨的問題

1 、LCOS發(fā)展現(xiàn)狀

　　除了投影機市場外，LCOS同時也正虎視眈眈的看著直視型顯示器市場。事實上，LCOS是一個可以大小通吃的顯示技術(shù)：大尺寸的投影機市場如上所述，LCOS已具有最佳優(yōu)勢；LCOS若應(yīng)用于中小尺寸的直視型顯示器上，同樣具有以上所述的優(yōu)點，足以威脅現(xiàn)有的直視型TFT－LCD；甚至LCOS還具有進軍微型顯示器市場的能力，如頭盔式裝置HMD。美國CMD、THree-Five、e-magic、invise均已推出采用LCOS技術(shù)的單眼式HMD產(chǎn)品。HMD現(xiàn)行的主要應(yīng)用，除了特殊應(yīng)用如軍事用途、工程維修保養(yǎng)、或是娛樂用途外，人手一機的個人隨身信息顯示應(yīng)用，才是這些廠商長期規(guī)劃的最終目標。

　　目前LCOS的發(fā)展業(yè)者以英美兩地的公司為主，由于LCOS的開發(fā)涉及整個組件的設(shè)計、制造到光學(xué)系統(tǒng)的組合，有相當高的進入障礙，且每個業(yè)者所開發(fā)的LCOS各有專用的ASIC、光學(xué)引擎等，零組件及生產(chǎn)無法標準化，難達到量產(chǎn)的經(jīng)濟規(guī)模；此外，目前LCOS的前道硅制造已可達90％以上的良品率，但后道貼合玻璃基板、注入液晶、切割及封裝部份的良品率卻仍僅30％左右，是目前LCOS最大的發(fā)展瓶頸。

2 、發(fā)展LCOS面臨的課題

　　由于LCOS在開發(fā)中涉及整個元件的設(shè)計、制造到光學(xué)系統(tǒng)的組合，有較高的技術(shù)門檻。且每個業(yè)者所開發(fā)的LCOS，各有專用的ASIC、光學(xué)引擎等，零組件和生產(chǎn)各自為陣，無法標準化，因此很難達到量產(chǎn)的經(jīng)濟規(guī)模，部份業(yè)者因無法提出全套的解決方案，致使產(chǎn)品無法順利推出而面臨財務(wù)危機。另外最大的障礙是合格率問題，LCOS前段的硅制造過程以0.35U工藝即可（也不需要作得更小了），目前良品率已可達90％；后段加玻璃基板，抽入液晶，并加以切割、封裝的部份，目前良品率卻仍很低，僅約30％左右。后段良品率制約LCOS的發(fā)展。

　　LCOS雖在投影機上踏出重要的第一步，但仍有許多地方尚待努力，在性能方面，對比只有300～500：1，比其它技術(shù)差，同時在黑色的再現(xiàn)性上亦不理想。反倒是日本的JVC所提供的LCOS面板，所運用的D－ICA技術(shù)，在黑色的再現(xiàn)性上表現(xiàn)較杰出，已使用在高檔家庭劇院上。雖然目前LCOS運用在投影機上，大都以搭配PC用的前投影為主，唯其市場容納量有限，業(yè)界還是放眼在后投影電視上，尤其是HDTC�，F(xiàn)行的后投影電視價格仍在2000美元以上，且很難往下調(diào)降。Thomson準備采用three－five的LCOS，以rca品牌推出投影電視，目標將價格降至以TI的DMD為基礎(chǔ)的DLP投影電視的一半。由于量還不大，相關(guān)的透鏡、彩色管理系統(tǒng)和其它零組件仍十分昂貴，在未來2-3年，LCOS后投影電視面臨較大的困難，而前投則容易得多。目前已知已投入LCOS組件開發(fā)的家電廠商已包括JVC、飛利浦、三星和LG等。部份日本業(yè)界評估2005年LCOS在后投影電視的滲透率可達20％。特別應(yīng)當指出的是我國上海華源和深圳創(chuàng)維已將LCOS作為重點產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對象。目前華源的LCOS投影儀也借助了臺灣的科技力量--華源也有自己的研發(fā)機構(gòu)，臺灣的世界顛峰提供技術(shù)上的一些支持。創(chuàng)維與中科院和臺灣蓮花電子合作，中科院光電研究所提供技術(shù)支持，它以技術(shù)入股的方式切入彩電產(chǎn)業(yè)，與創(chuàng)維聯(lián)手進軍高端背投市場。蓮花電子作為LCOS晶片的上游供應(yīng)商，并同時接洽臺灣另一家企業(yè)，作為LCOS核心零部件----光學(xué)引擎的供應(yīng)商。當前面臨的最大難題是盡快實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。才能質(zhì)優(yōu)價廉的背投產(chǎn)品投向市場。

四、結(jié)論

　　LCOS作為新型顯示器件具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用產(chǎn)品被廣大消費者和業(yè)內(nèi)人士看好，市場潛力無限。LCOS可能是HDTC的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向。隨著成本的不斷降低，LCOS應(yīng)用產(chǎn)品及其大屏幕顯示將會越來越多。

　　目前發(fā)展LCOS存在的問題一是行業(yè)標準不統(tǒng)一，各家推出的LCOS應(yīng)用產(chǎn)品各具特色，專利技術(shù)也不一樣，相對來說上游配套產(chǎn)品也比較復(fù)雜，如光學(xué)鏡頭、光機、燈、屏幕等；二是LCOS制造工藝還存在瓶頸，良品率受制約，成本相對較高，因此從目前產(chǎn)品性能、價格與現(xiàn)有市場區(qū)分分析，現(xiàn)階段的LCOS技術(shù)還是難以與LCD或DLP技術(shù)相抗衡。但如果一旦形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，其優(yōu)良的性能和低廉的成本是其它產(chǎn)品無法與之競爭的。