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LCOS——大屏幕投影领域的新生力量

来源：InfoAV China　更新日期：2004-12-10 作者：佚名

年度商显市场最大的看点何在投影行业十大猜想 2023年度评选盛典获奖揭晓

    一、引言
    大屏幕投影显示系统是上个世纪80年代末开始兴起的一个新兴行业。主要用于电信电力网管监控、高速公路道路监控、公安、交警、消防重点部位监控、政府、银行的等领域信息显示系统的应用。十多年来，大屏幕显示系统的产品不断发展和进步，已经成为一个成熟的技术领域。
    作为大屏幕显示系统一个最重要的组成部分——投影机，它的技术也经历几代发展的历史。
    CRT(Cathode Ray Tube)技术作为投影领域的先驱，在上世纪末的投影市场占据重要的地位，早期的大屏幕监控系统几乎都是采用了CRT投影技术。但是由于CRT投影机的显示核心和发光亮度均由CRT来完成，亮度和分辨率的矛盾成为制约CRT投影机在市场进一步应用的主要因素，另外，CRT投影机三枪分别显示，使得投影机的安装调试非常困难等。现在CRT投影机在控制室市场的应用，已基本为LCD，DLP技术的投影机所替代。
    LCD技术是在1968年发明的，以LCD作为成像面，由于光线是透过LCD板投射到屏幕上的，因此每个液晶点旁边的调制电极会阻隔光线的传递，会使图像画面有很强的点阵感。尽管多晶硅(Poly-silicon)技术采用了柱状点阵，使得光线的透射率有很大的提高，但一般也使之达到85%。但是，LCD技术，采用三片显示技术，红、绿、蓝三色分别成像，颜色还原性好，性能稳定，对比率高，图像层次感好。
    DLP(Digital Lighting Processor)数字光处理技术主要核心以DMD(Digital Micromirror Device)数字微镜设备为成像主芯片。根据DLP投影机中使用DMD芯片的数量，分为单片(使用一片DMD芯片)、三片(使用三片DMD芯片)DLP投影机。三片DLP投影机采用三片DMD的成本较高，绝大部分用于控制室领域的投影机都是单片DLP投影机。
    LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影机在90年代末就已经出现。主要作为商用投影机使用。直到今年5月，日立公司在上海InfoComm上第一次推出了为控制室应用的背投一体化箱体。
    由于LCOS技术的具备了LCD和DLP技术的很多优点，LCOS背投系统必然成为大屏幕背投系统领域的一个新生力量。

二、 LCOS技术原理

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)它是一种采用有源点阵反射式液晶显示技术。是LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术。
LCOS的结构是在单晶硅上生长电晶体，利用半导体集成制作驱动面板(又称为CMOS－LCD)，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并在上面镀铝膜电极作为反射镜，形成CMOS有源点阵基板，然后将CMOS基板与含有ITO透明电极之上玻璃基板贴合，再抽入液晶，进行封装。像素电极同时也作为反射镜，像素的尺寸一般可以做的很小约为7～20μm，开口率高达96％，对于百万像素的高分辨率的基板的大小还不到一英寸。

三片LCOS投影原理图

LCOS投影机图像调制原理和LCD基本相同，也是以光调制来控制投影显示图像。入射光线在分光后，经过入射偏光板(PBS)，将入射光变成S偏光，经LCOS板反射调制。如果液晶经外部信号调制，处于显示亮态时，S光会变成P光，经棱镜透射后，有最多的光投射到会聚透镜会聚成像。处于显示暗电平时，S光经调制，依然还是S光输出，经棱镜没有光透射到会聚透镜，图像显示为暗电平。因此，输出到会聚透镜的光的多少是由每个像素的外部信号调制决定的。

    三、 LCOS特点
    LCOS是在传统的LCD基础上发展起来的，它继承了LCD技术的优点，同时也克服了LCD的不足之处，所以LCOS拥有诸多LCD所不具备的优点。
    1. 首先，LCD是在石英玻璃基板上生长多晶硅，利用半导体技术在多晶硅(poly－silicon)上制作象素CMOS有源驱动电路和存储电容，这样无疑会占用象素一定的面积，导致开口率的。像素的开口率达到96%。(LCD一般是85%)。因此图像画面没有像素感，画面边缘更自然。
    2. 由于多晶硅(P-LCD)中电子迁移速率低，渡越时间比较长，所以显示画面会有延迟，直接影响到画面的刷新速率。而在LCOS技术中，采用反射式结构，渡越时间大大减少，显示画面延时和DLP技术相同，为12ms，而P-LCD的延时，在20ms左右。
    3. 其次，LCOS是反射式显示技术，可以避免LCD由于光源长时间的照射温升而导致LCD面板局部灼伤的问题。

比较项目	Hitachi LCD	单片DLP	Hitachi LCOS
显示芯片	3片1.3” P-LCD	单片DMD	3片0.7” LCOS
三色成像方式	三色分别显示，空间会聚后成像，色彩还原性好，图像细腻，画面质量高。	时分成像，以高色轮高速旋转产生三色	三色分别显示，空间会聚后成像，色彩还原性好，像素开口率更高，图像更细腻，画面质量更高。
分辨率	XGA，SXGA	XGA	SXGA+
开口率	85%	90%	96%
50”亮度	1000cd/m2	500cd/m2	1000cd/m2
对比度	1000:01:00	1000:01:00	1300:01:00
图像响应时间	20ms	12ms	12ms
投影机色彩调整能力	日立独有的15级电平调整及单屏分区(可达33×25)调整技术使其具有更高的调整能力，以确保多屏拼接的画面一直性	-	保持了日立独有的15级电平调整及单屏分区(可达33×25)调整技术使其具有更高的调整能力，以确保多屏拼接的画面一直性

    4. LCOS的驱动电路做在反射电极下面，芯片的像素分辨率可以做得很高，通常LCOS的基本分辨率为1400×1050，而LCD和DLP的常规分辨率为1024×768。
    5. LCOS的芯片为0.7"，而P-LCD的显示芯片为1.3"，LCD面板尺寸过大，制作工艺难以保证颜色大面积的均匀性。
    6. 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以及引线的数目，降低了封装成本，并使体积缩小，一般XGA(1024×768)TFT－LCD的外围引线达到2500多条。
    7. LCOS以单晶硅基板上的CMOS点阵取代多晶硅TFT点阵。相比之下，前者生产技术更为成熟。LCOS的整个工艺，可以分为前道的半导体CMOS制造和后道的夜景面板贴合封装过程。前道(0.35mm半导体工艺)CMOS电路设计、仿真、制造及测试技术都已经十分成熟，目前合格率可以达到90%以上；后道的液晶屏贴合封装过程成品率为30%，但是随着LCOS产品的发展和应用的增加，LCOS的价格下降空间还是很大的。
    从与LCOS相关联的显示技术进行比较，它是与高温多晶硅HTPS－LCD显示技术，DMD(Digital Mirror Device)数字光处理显示技术相对应的。简单来说，LCOS是直接与阴极射线显像管(CRT)显示技术、高温多晶硅液晶(Ploy-Si LCD)穿透式显示技术、DMD(Digital Micromirror Device)数字光学处理(DLP; Digital Light Projector)反射式显示技术具有相等同的地位。这三项技术目前发展已经相当成熟，但LCOS将成为大屏幕高分辨率低成本投影显示技术的新主流。
    与DLP比较的优点
    1. 光源利用率：LCOS与DLP同属于反射式显示系统，其共同的优点是光源利用率高；但是单片的DLP显示是利用的时分R，G，B三色显示，同一时间只有一种颜色处在工作状态，使得光通量减少，光源利用率降低，色调饱和度下降。而三片LCOS投影机是三色同时显示，光通量大大提高，光源利用率很高，亮度和色饱和度都很好。
    2. 显示速度和带宽：由于LCOS制作成本低，所以很容易以低成本制成三片的LCOS显示系统。LCOS和DLP采用半导体制程，其反应速度很快，可以实现很高的灰度级，使得色彩更加丰富逼真(单色D/A转换10位1024级电平灰度控制可以产生10243种颜色)，尽管单片DLP的显示芯片DMD的响应速度和LCOS差不多，但是三色时分显示要求响应速率以及显示带宽都要3倍于三片分别处理时的速度，这样给处理器和芯片提出很高的要求，使得成本进一步的增加。所以，目前8位的2563色的中价位单片DLP显示技术占市场的主要地位，其色彩丰富程度远远的不及10位三片LCOS和10位3×DLP色彩的丰富。
    3. DMD制程极其复杂，目前只有TI独家掌握，高分辨率的DMD制作成本很高，分辨率难以进一步的提高。色轮的使用寿命、成本以及增加控制设备的成本和难度都将有所增加。而LCOS技术为多家公司共同竞争发展，技术不断提高，成本也在相应下降。

日立LCOS的色彩还原性

    总结：
    LCOS优点：
    1. 分辨率高
    2. 阻挡光源的强热不易灼伤
    3. 光源利用率、亮度高
    4. 响应速度快
    5. 对比度高
    6. 成本低
    7. 开口率高，图像细腻
    8. 使用寿命长20khrs
    9. 具有LCD的低功耗驱动特点
    LCOS缺点：
    1. 有多家生产厂家，标准暂不统一
    2. 技术门槛较高，有一定的技术难度

    四、日立LCOS背投一体化箱体
    早在90年代末，以JVC为代表的一些厂家就已经有LCOS投影机，但是，主要还是用于会议室系统。无法在监控室系统大屏幕显示中应用，主要问题在于色彩的一致性、亮度的均匀性、24/7工作环境条件等。
    今年5月，在上海INFOCOMM展会上，日立首次推出了在监控领域应用的LCOS背投一体化箱体。其色彩的一致性和亮度的均匀性都超越了现在DLP和LCD同类投影机的水平。日立背投一体化箱体的特点有：
    1)新的光学系统，更高的开口率
    日立公司作为LCOS产品完全自己研发生产厂家，从LCOS的生产到电路设计，都有日立公司自己完成。像素的开口率达到96%。
    2)高亮度和高对比度
    和原来的日立LCD技术一样，日立的LCOS新颖投影技术，依然保持了高亮度和高的对比度，优化设计的光学系统，保证输出的白光最亮，而黑屏更暗，对比度高达1200：1的效果。
    系统中采用HITACHI特有的专利技术：
    * 高开口率的反射式液晶(LCOS)技术，使图像的亮度最大，对比率更高。
    * 采用了大口径和高聚焦性能的非球面镜头，不但边缘失真小和边缘亮度失真小，而且聚焦稳定，在任何情况下，聚焦不会变化，图像四角图像清晰、规整，并且全屏幕亮度均匀一致。

日立的单屏,5电平一致性调整

    * 系统中，由于RGB的偏振性能一致，抑制了屏幕上二次光折射。所以即使从屏幕侧面看，屏上图像没有明显的偏色现象。
    * 背投影机最佳光学系统成功开发应归功于高开口率的液晶板和优于任何CRT的广域RGB色彩还原。
    3)更高的显示分辨率：
    由于LCOS技术，更小的像素面积，就可以获得高的像素开口率，高的亮度输出，因此，光机的体积可以减小，显示芯片的分辨率得到提高，HITACHI ES70-116CMW的原始分辨率就达到1400×1050，这是目前世界上任何一款控制室应用的投影机所不能达到的。
    4)无损图像的全数字处理
    输入可以是数字信号也可以是模拟信号，输入的模拟信号由模/数变换器变换成数字信号。由此以后，从扫描变换到伽玛补偿和底色校正的所有处理都是全数字化的，视频图像清晰、明亮，噪声受到抑制。
    5)兼容高分辨率UXGA标准必备的扫描变换器
    支持直到UXGA分辨率的PC信号。自动扫描功能自动地对输入信号进行精细的尺寸变换。而且，用于多屏幕拼接时，图像可缩小到一半尺寸，或者放大到高达8倍的尺寸，无需像常规的系统要求那样，连接一个外接拼接控制器。

日立单屏幕多区域调整技术

    6)五通道底色校正，视频图像自然
    屏上底色由五种数字校正算法校正，每种用于高、中、低、更低、最低5个不同的亮度电平。这样能在所有的亮度电平范围实施底色校正，从而产生一致的、自然的显示图像。
    Hitachi投影机的一个突出的优点还是可以对单块屏幕在五电平级，红、绿、蓝三色，分三种区域(单屏幕分5×5，4×4，33×25区域)进行两度调整，完全使拼接屏幕的色彩做得更加一致。(这一点是hitachi投影机区别其它任何投影机的突出特点)

日立独有的16级电平调整

    7)10比特数字伽玛校正，色调表现精细
    10比特数字伽玛校正电路实现常规技术不能再生的精细色调表现。它能在亮区和暗区再生细微的差别，使得图像更具三维感觉，而且图像的表现更加丰满。对1024灰度信号中的16级电平，红、绿、蓝三色，分别进行细致调整，使色彩在全灰度保持一致。(这是其它投影机所不具备的)
    8)长寿命100W灯和新颖的灯自动更换器
    长寿命灯(6000小时)能长时间连续工作，无需换灯。还装备一个新开发的灯自动更换器，其中可放一个备分灯，它能检测灯的寿命，并自动换灯，而且，不必切断电源就可换掉用完的灯。

五、 LCOS在大屏幕监视系统中
1. LCOS显示系统具有高解析度的特点，使得它可以更好的显示影响的细节。作为现代化的指挥监控系统中的大屏幕显示设备应该满足高分辨率，能够更加清楚的显示画面的细节，要求色彩还原性能好，丰富逼真。在不降低分辨率的情况下可以在同一LCOS上显示多画面。

    2. 作为监控系统显示设备，应该能够经受得住长时间工作的考验，LCOS背板可以直接接大面积散热片，系统工作稳定性得到保障，更加可靠。色彩饱和度以及亮度不受温度的影响。
    3. 低成本，高品质是企事业单位竞争所追求的首要。LCOS显示设备以其优良的显示效果和低成本将会成为专业显示领域的主力军。
    4. 反射式LCOS，由于其高反射率，配合偏振光复用技术，可以使得光源利用率更高，LCOS的亮度可以做的很高，可以实现超大屏幕显示时的亮度不会变暗。同时也可以减少了由于拼接所带来的无法弥补的缝隙，影响观看的画面品质。
    5. 使用寿命长，整机具有很高的MTBF(大于10万小时)。
    6. 具有很好的色彩还原性。
总之，LCOS将成为控制室应用的领域的一个新生力量，在近1-2年内广泛使用在控制室监控领域。

结论：
从与LCOS相关联的显示技术进行比较，它是与高温多晶硅HTPS－LCD显示技术，DMD(Digital Mirror Device)数字光处理显示技术相对应的。简单来说，LCOS是直接与阴极射线显像管(CRT)显示技术、高温多晶硅液晶(Ploy-Si LCD)穿透式显示技术、DMD(Digital Micromirror Device)数字光学处理(DLP; Digital Light Projector)反射式显示技术具有相等同的地位。这三项技术目前发展已经相当成熟，但LCOS的不具有高分辨率、低功耗、低成本、体积小的特点，必将是将成为大屏幕高分辨率低成本投影显示技术的新主流。

项目	技术参数	技术参数
型号	ES70-116CMW	ES50-116CMW
图像尺寸	70" 1414×1061	50" 1016×762
显示系统	3×LCOS投影	3×LCOS投影
液晶板	3×0.7" 有源矩阵多晶硅薄膜晶体管	3×0.7" 有源矩阵多晶硅薄膜晶体管
液晶板分辨率	1400×1050(SXGA+)	1400×1050(SXGA+)
亮度(屏前)	500cd/㎡	1000cd/㎡
对比率	1300:01:00	1300:01:00
亮度均匀性	＞95%	＞95%
RGB输入端	模拟RGB：15芯 D-SUB型插座； RGBHV，BNC插座；数字RGB：DVI-D	模拟RGB：15芯 D-SUB型插座； RGBHV，BNC插座；数字RGB：DVI-D
输入频率	15-100KHZ行频,40-120HZ场频	15-100KHZ行频,40-120HZ场频
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
视频输入端(选配)	复合视频(BNC插座)；复合视频(BNC插座)/S-VIDEO(插座可选)，YPbPr分量视频(BNC插座)	复合视频(BNC插座)；复合视频(BNC插座)/S-VIDEO(插座可选)，YPbPr分量视频(BNC插座)
主要的内部功能	扫描变换器(放大) 等自动更换系统	扫描变换器(放大) 等自动更换系统
灯	100W UHP(典型寿命6000小时)；	100W UHP(典型寿命6000小时)；
功耗	180W	180W
重量	100kg	59kg
尺寸	1414(宽)×1341(高)×750(深)	1016(宽)×1002(高)×550(深)

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