LCoS显示技术现状及发展

   LCOS显示是LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术，LCOS作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好，LCOS可能是HTDV的背投影技术发展的主要方向。在大屏幕投影显示中具有重要地位，由于经济和轻便，它将成为目前ＣＲＴ技术大屏幕  投影电视机的主要竞争者。随着HTDV的推广应用，将加快其产业化进程。本文介绍了LCOS显示技术的基本原理和特性，还介绍了近年来的发展及未来动向。

一、前言

    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LCOS(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LCOS基本结构、光学系统、LCOS应用和市场及液晶显示中的新问题。
　　今后LCOS主要将应用于数字化HTDV。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

1 、LCOS 面板架构

　　LCOS（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式 MICRO LCD投影技术，其结构是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板（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。

　　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LCOS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。

2． 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，LCOS面板前均多加了PBS。
　　由光源所发出的光经由Dichroicmirror（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、高温多晶硅液晶穿透式投影技术、数据光学处理反射式技术相关。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。

　　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。

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40％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

    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90％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，理论上其良率提升速率应远高于DMD芯片，所以LCOS应比DLP更有机会取代穿透式HTPS－LCD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KOPIN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上。目前业界普遍认可：在显示器市场20"以下以LCD为主流，PDP可应用于30"－ 60"产品，但价格昂贵，投影显示器适用于30"－ 60"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；LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达40％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。

三、LCOS的发展及面临的问题

1 、LCOS发展现状

　　除了投影机市场外，LCOS同时也正虎视眈眈的看着直视型显示器市场。事实上，LCOS是一个可以大小通吃的显示技术：大尺寸的投影机市场如上所述，LCOS已具有最佳优势；LCOS若应用于中小尺寸的直视型显示器上，同样具有以上所述的优点，足以威胁现有的直视型TFT－LCD；甚至LCOS还具有进军微型显示器市场的能力，如头盔式装置HMD。美国CMD、THree-Five、e-magic、invise均已推出采用LCOS技术的单眼式HMD产品。HMD现行的主要应用，除了特殊应用如军事用途、工程维修保养、或是娱乐用途外，人手一机的个人随身信息显示应用，才是这些厂商长期规划的最终目标。

　　目前LCOS的发展业者以英美两地的公司为主，由于LCOS的开发涉及整个组件的设计、制造到光学系统的组合，有相当高的进入障碍，且每个业者所开发的LCOS各有专用的ASIC、光学引擎等，零组件及生产无法标准化，难达到量产的经济规模；此外，目前LCOS的前道硅制造已可达90％以上的良品率，但后道贴合玻璃基板、注入液晶、切割及封装部份的良品率却仍仅30％左右，是目前LCOS最大的发展瓶颈。

2 、发展LCOS面临的课题

　　由于LCOS在开发中涉及整个元件的设计、制造到光学系统的组合，有较高的技术门槛。且每个业者所开发的LCOS，各有专用的ASIC、光学引擎等，零组件和生产各自为阵，无法标准化，因此很难达到量产的经济规模，部份业者因无法提出全套的解决方案，致使产品无法顺利推出而面临财务危机。另外最大的障碍是合格率问题，LCOS前段的硅制造过程以0.35U工艺即可（也不需要作得更小了），目前良品率已可达90％；后段加玻璃基板，抽入液晶，并加以切割、封装的部份，目前良品率却仍很低，仅约30％左右。后段良品率制约LCOS的发展。

　　LCOS虽在投影机上踏出重要的第一步，但仍有许多地方尚待努力，在性能方面，对比只有300～500：1，比其它技术差，同时在黑色的再现性上亦不理想。反倒是日本的JVC所提供的LCOS面板，所运用的D－ICA技术，在黑色的再现性上表现较杰出，已使用在高档家庭剧院上。虽然目前LCOS运用在投影机上，大都以搭配PC用的前投影为主，唯其市场容纳量有限，业界还是放眼在后投影电视上，尤其是HDTC。现行的后投影电视价格仍在2000美元以上，且很难往下调降。Thomson准备采用three－five的LCOS，以rca品牌推出投影电视，目标将价格降至以TI的DMD为基础的DLP投影电视的一半。由于量还不大，相关的透镜、彩色管理系统和其它零组件仍十分昂贵，在未来2-3年，LCOS后投影电视面临较大的困难，而前投则容易得多。目前已知已投入LCOS组件开发的家电厂商已包括JVC、飞利浦、三星和LG等。部份日本业界评估2005年LCOS在后投影电视的渗透率可达20％。特别应当指出的是我国上海华源和深圳创维已将LCOS作为重点产业化发展对象。目前华源的LCOS投影仪也借助了台湾的科技力量--华源也有自己的研发机构，台湾的世界颠峰提供技术上的一些支持。创维与中科院和台湾莲花电子合作，中科院光电研究所提供技术支持，它以技术入股的方式切入彩电产业，与创维联手进军高端背投市场。莲花电子作为LCOS晶片的上游供应商，并同时接洽台湾另一家企业，作为LCOS核心零部件----光学引擎的供应商。当前面临的最大难题是尽快实现规模量产。才能质优价廉的背投产品投向市场。

四、结论

　　LCOS作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好，市场潜力无限。LCOS可能是HDTC的背投影技术发展的主要方向。随着成本的不断降低，LCOS应用产品及其大屏幕显示将会越来越多。

　　目前发展LCOS存在的问题一是行业标准不统一，各家推出的LCOS应用产品各具特色，专利技术也不一样，相对来说上游配套产品也比较复杂，如光学镜头、光机、灯、屏幕等；二是LCOS制造工艺还存在瓶颈，良品率受制约，成本相对较高，因此从目前产品性能、价格与现有市场区分分析，现阶段的LCOS技术还是难以与LCD或DLP技术相抗衡。但如果一旦形成成熟的产业链，其优良的性能和低廉的成本是其它产品无法与之竞争的。