LCoS技术原理及LCoS Gen Ⅱ技术现状

     LCoS解决方案已经对亚洲地区的HDTV开发产生很大的影响,亚洲领先的代工厂已大量投资于LCoS工艺和设备,积极参与到该技术的开发和应用,这些代工厂包括台湾地区的UMC和TSMC(台联电和台积电)以及上海中芯国际(SMIC)。LCoS受到亚洲代工厂青睐部分是因为该技术相对于其它竞争技术的开放性,如德州仪器的数字光处理技术(DLP)、索尼和爱普生高温多晶硅技术。

LCoS技术性价比的提高、辅助技术和元件的发展,以及数字电视市场需求的增长等多种因素使LCoS技术成为大屏幕HDTV最具发展前景的显示技术之一。目前很多公司都宣布投资于这种显示技术,如飞利浦和英特尔公司。

LCoS技术原理

自从采用LCoS微显技术制造出首个投影显示系统样机以来,低成本、高性能的追求目标已经促成了针对很多显示应用的开发项目。目前,LCoS器件设计、性能和制造上已经取得了很多重大进展,光学色彩和极化管理系统的设计和性能上也取得了显著提升,所需要的光学元件,如弧光灯、光照系统、棱镜、涂层、背投屏幕和投影镜头都大大地提高了性能,并降低成本。此外,业界还推出了成熟的图像缩放、去隔行扫描、帧频变换等数字TV所需的视频处理芯片,以及用于支持数字电视格式以及编码和传输标准的调谐器、解调器和解码器。

LCoS系统所用微型显示器是只有拇指头大小的高分辨率液晶显示器,当经过光学放大后,这种显示器能够提供数据和视频应用的高质量大画面显示。基于LCoS的微显示器是有源矩阵液晶显示器,该器件工作于反射模式。有源矩阵利用CMOS工艺制作在硅芯片上,LCoS利用硅技术的先进特性实现了越来越小的尺寸,在相同尺寸上可以实现更高像素(更高分辨率),提高了系统性能。

由于像素大小在7到20微米之间,因此即使具有上百万像素的分辨率,显示器的尺寸还是很小,通常对角线长度小于一英寸。有源矩阵电路提供一个介于每个像素电极和一个公共透明电极之间的电压,后者由一薄层液晶与像素电极隔开。像素电极还作为一个非常平整的高反射镜面。控制图像形成的电子电路制作在硅芯片上。这种单元结构具有下列优势:它使图像像素减少,因为电路是在像素后面,不会阻挡光路(这是一种“屏蔽门”效应,一般出现在多晶硅投影系统上)；这种结构使得LCoS微显示器更加容易扩展到更高的分辨率,因为像素可以做得更小,可以在较小的芯片上实现更多像素。将LCoS器件与独特的光学系统结合可以形成用于高清晰电视的显示器。光学系统用极化光照射LCoS器件,将红、绿和蓝三色光分离并最后组成全彩图像,并投影到屏幕上。极化光入射到LCoS器件上,液晶光电转换根据施加到每个像素电极上的电压对极化光调制。反射的图像与入射光分离并放大,然后投射到屏幕上。光两次穿过液晶,由于液晶开关时间更快,将能更好再现运动图像。

图1所示为LCoS器件的横截面和基本的光路示意图,器件的硅背板采用标准的CMOS工艺,然后采用了若干微显示器独有的处理步骤。有源矩阵施加到单镜电极和公共ITO电极之间的电压调整了入射S极化光的极化。反射光(已经通过电光转换到P极化)部分经过极化光束分离器(PBS)投影到屏幕上,或在后视应用中投射到观众的视网膜。

LCoS Gen II技术

Brillian公司在今年1月消费电子展上首次展示了其LCoS Gen II技术。这种电路技术结合了三板光学结构,实现高达2500:1的对比度,而其它LCoS系统典型的对比度为600:1,并具有更清晰、更高亮度的图像效果。利用LCoS Gen II技术可以为OEM制造商开发出720p和1080p背投HDTV。采用该技术进行系统开发的合作伙伴包括开发硅底板的中芯国际、光学引擎技术的JDS Uniphase OCLI、极化控制和色彩管理的3M和Colorlink公司、研究视频处理技术的PixelWorks,以及产品设计的IDEO等。去年中芯国际公司针对Brillian的技术开发了独特的晶圆抛光工艺,新工艺可以实现更高的反射率和更高亮度,更平整的表面使图像更清晰,消除了图像混浊问题。

反射式有源矩阵驱动的液晶显示器具有约100万个12平方微米的图像单元,每个图像单元都能显示256个以上的灰度等级。因此,LCoS Gen II技术在各个亮度等级上都能显示出灰度细节,即使在最黑暗的场景也能匹配视觉响应。该技术支持很高的占空因数(>93%),可以实现清晰的图像显示,解决了“屏蔽门”效应；其快速的反应时间(<10毫秒)够实现优异的图像再现,而且不会有运动图像和数字图像产生的一些不良效果。重要的是它支持10位调色板(分别对应红、绿、蓝),能实现真实和准确的图像再现,并能很容易地扩展到超高分辨率以符合最高分辨率广播标准。