LCOS显示技术的基本原理和特性

1、LCOS显示技术的基本原理和特性2003-4-18直视式大屏幕电视和显示器尚未大量投放市场，使投影显示发展活跃起来，其中L COS (LiquidCrystalonSilicon)反射式投影显示刚刚迸人市场，引起业界的重视。因 为LCOS技术借硅基CMOS集成电路技术，在单晶硅片上CMOS阵列取代a 一 Si TFT LCD中玻璃基板上a 一 Si TFT阵列，相比之下前者生产技术更成熟，还有 单晶硅迁移率远高于a 一 Si迁移率，因此不仅适合于高密度、高分辨率、高开口率显 示，而且可以周边驱动电路集成一体，甚至可以集成信息处埋系统。但LCOS微型显 示通过光学系统放大图像几十到几百倍，带来液晶显示技术的新问题。本文介绍LCO S基本结构、光学系统、LCOS应用.今后LCOS主要将应用于数字化HDTV。据统计预测，该领域2000年产值为5 亿美元，到2004年产值将达到23亿美元，年增长率为46.5,是一种快速成长的新型 显示系统。二、LCOS简介21 LCOS 面板架构LCOSCLiquid Crystal on Silicon)属于新型的反射式 MICRO LCD 投影技术，其结构

2、是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板(又称为CMOS-LC D),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，再注入液晶，进行封装测试。 见图1。在单晶硅片上集成CMOS和存贮电容器的阵列，通过开孔把漏电极和像素电 极连结，像素电极用铝做成反射电极。为防止强光照射沟道，加一层金属档光层。另一 侧基板是 ITO 电极的玻璃板。液晶层盒厚爱像素尺寸限制，一般盒厚取几微米。 LC0S 前投影放大倍数大，显示区内不能用控制盒厚的隔垫物，或者盒厚取小于2微米，可用 隔垫物。ITOLC MatericalCMOS基板AL ReflectorAlignmentLCOS面板堵构图Cover Glass图1LCOS面板结构图LCOS投影机的基本原理与LCD投影机相似，只是LCOS投影机是利用LC OS面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号，与LCD投影机最大的不同是 LCD投影机是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式，而LCOS投影机中是利用 反射的架构，所以光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式LCOS

3、面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶层后，以玻璃平板封装。22 投影显示系统架构LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板，因此无法让光线直接穿过，其分光合 光系统设计和LCD投影机有些不同，通常需要在分光合光系统中利用偏极化分光镜(Polarization Beam Spliter；PBS)，将入射 LCOS 面板的光束与反射后的光束分开。（a）偏极化分光镜（PBS ）的功能：PBS是由两个45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S偏光（垂直入射线平面），并且让P偏光（平行 入射线平面）通过。（b）主要结构：图2是LCOS投影结构系统，用金属卤化物灯（亮度6000流明以上）或氖灯（亮度 60000 流明），用抛物面反射镜过滤紫外光和红外光，再用冷反射镜过滤红外光，通过聚 焦透镜和复眼透镜得到均匀的平行光，然后分色镜分光，再通过PBS得到偏振光，通过 LCOS反射进行合成并通过变焦透镜投影到屏幕。LCOS投影机与LCD投影机的 主要结构在导光及分光合光部分的设计大同小异，只是在LCOS投影机系统中，LC OS面板前均多加

4、了PBS。由光源所发出的光经由Dichroic Mirror（双色镜）后分成R、G、 B三色光，此三色光分别通过各自的PBS后，会反射S偏光进入LCOS面板，当液 晶显示为亮态时，S偏光将改变成P偏光，最后以双色棱镜（Dichroic Prism）组合调变过的三道偏极光，投射至屏幕处得到影像。简单来说，LCOS是直接与显像管（CRT）投影技术、高温多晶硅液晶（Pl oySi LCD）穿透式投影技术、DMD（DigitalMicromirr or Device ）数据光学处理（DLP； Digital Light Proj ector）反射式技术相关。这三项技术已发展成熟，故LCOS可成为投影显示技 术的新主流。梔帕恢化兮光擁R0袈色悅IE光議境灯池H 0-盅0*讒 * 、生 一-7含光柚倚图2 LCOS投影系统结构另外还有一种离轴光学投影系统。入射光和反射光分开，不用PBS。而用偏振膜, 对比度高，但体积稍微大一些。具体结构见图3。Mitii* LCJ)|nr JiiL CHTih-iiirr r AhJvwr吐F- ImINPl.-IhLin/eiCdior Scpnii i 辆图

5、3 离轴光学投影系统结构示图2. 3 LCOS技术特性与穿透式HTPS LCD及DLP相比，LCOS具有下列优势：光利用效率高：LCOS与LCD投影显示器类似，主要的差别就是LCOS属反 射式成像，所以光利用效率可达4 0%以上，与DLP相当，而穿透式LCD仅有3 10%而已。体积小：LCOS可将驱动IC等外围线路完全整合至CMOS基板上，减少外围 IC的数目及封装成本，并使体积缩小。分辨率高：由于LCOS的晶体管及驱动线路都制作于硅基板内，位于反射面之下， 不占表面面积，所以仅有像素间隙占用开口面积，不像穿透式LCD的TFT及导线皆 占用开口面积，故理论上LCOS不论分辨率或开口率都会比穿透式LCD高。分辨率 普遍达到SXGA等级(1 2 8 0 X 1 0 2 4 )制造技术较成熟：LCOS的制作可分为前道的半导体CMOS制造及后道的液晶 面板贴合封装制造。前道的半导体CMOS制造已有成熟的设计、仿真、制作及测试技 术，所以目前良率已可达9 0%以上，成本极为低廉；至于后道的液晶面板贴合封装制 造，虽然据说目前的良率只有30%，但由于液晶面板制造已发展得相当成熟，理论上 其良率提升

6、速率应远高于DMD芯片，所以LCOS应比DLP更有机会取代穿透式H TPSLCD成为投影显示技术的主流。此外，LCOS还有一项优点，就是HTPS LCD目前是SONY及SEIK O EPSON拥有专利权，DLP则是TI的独家专利，而LCOS则无专利权的问 题。现在台湾的工研院光电所也已成功开发出LCOS，并正在申请专利中。由于台湾 的半导体产业基础雄厚，Aurora及Kopi n就曾委托台湾的联电及联友光电代 工LCOS,所以台湾业界一直寄希望发展LCOS技术做为其发展投影产品的最佳选 择。目前LCOS市场定位在大屏幕投影显示产品及HMD(Head Mou nt D evice)上。目前业界普遍认可：在显示器市场2 0 以下以LCD为主流，PD P可应用于3 0 6 0产品，但价格昂贵，投影显示器适用于3 0 6 0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。LCOS可视为LCD的一种，传统的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS则是 长在硅晶圆上。和LCOS的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶硅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；L COS则采用反射式投射，光利用效率可达4 0%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，并可随半导体工艺流程快速的微细 化，易于提高解析度。

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