告诉你不为人知的新兴LCOS投影技术

LCoS技术特点与发展

摘要

    LCoS属于TFT-LCD新一代的液晶显示产品。预计至2005年，LCoS在背投式投影电视中约占20%的市场份额。本文介绍其技术特点、关键技术、应用领域及发展前景。

    LCoS belong in new generation LCD production of TFT-LCD.LCoS be possessed of about 20% market share in rear projection TV, prefigured to 2005 year. Its technology characteristics,key technology ,application domain and development foreground introduced in this paper.

1.引言

    硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCoS）是一种液晶显示器（LCD）的新兴技术，是由Aurora Systems融合半导体CMOS集成电路与液晶两项技术的优势，于2000年开发出的一种高分辨率、低价格反射式新型显示技术。它是一种将LCD直接制于单晶硅片上的新型液晶显示器件。单晶硅片上可将LCD的有源矩阵薄膜晶体管（AMTFT）、外部驱动电路及控制电路等全部制于上面，以此作为LCD的一块基板，与另一块作为公共电极的涂上透明导电层的玻璃基板共同封接成一个薄盒，注入液晶即可制成硅基液晶显示器件（LCoS）。

    众所周知，LCD已经历了TN型、STN型及TFT型等数代的更新，它们都是在LCD自身上下功夫。而目前的LCoS则是将LCD与集成电路（IC）制成一体，这对LCD而言，无疑是一个全新的技术突破，它是TFT-LCD的新一代液晶显示产品。

LCoS的技术特点

2.

    LCoS的结构是在硅片上利用半导体工艺制作驱动面板（亦称CMOS-LCD），然后在单晶硅片上通过研磨磨平，并镀上铝（Al）作为反射镜，形成了CMOS基板，再将CMOS基板与涂有透明电极的上玻璃基板粘合，并注入液晶，进行封装而成。LCoS的结构特点决定了其与常规LCD有着众多的不同点，具有一些LCD及任何其他显示器所无法比拟的技术特点。

2.1智能型显示器件

    由于LCoS属于一种将液晶显示器件（LCD）与大规模集成电路（LSIC）制成一体的显示器件，甚至还可将信息处理系统集为一体，故使显示器件自身具有了某些智能功能，可将其称为智能型显示器件。智能型显示器与性能最先进的芯片相结合，不仅能处理极其复杂的运算，而且还能拥有与PC相类似的多种功能。不是PC胜似PC，故智能型显示器将不再是电脑的外围设备而逐渐上升为主流设备，与电脑平起平坐。

    LCD与LSIC是一对孪生兄弟。LCD的轻、薄、小、微（是指功耗）的特点使显示器件的信息显示实现了个人化，而个人化的最终结果为LSIC提供了宽阔的市场发展前景。20世纪70年代，以个人计算器的兴起为标志，LCD与LSIC相互促进、飞速发展，逐步形成了全球的最大产业。90年代，LCD又与LSIC再度结合，实现了便携式电脑（PC）的飞速发展。

    LCD与LSIC这一对双胞胎相互依存、相生相促。LCD离开了LSIC，其轻、薄、小、微的特点便无法实现，假如LSIC不能将其大量而丰富并及时处理的信息利用LCD及时而简便并准确地展示给人们的视觉，亦大大地埋没其性能。它们必须结合为一体方能充分发挥出作用。但遗憾的是，长期以来它们都是两个不同的产品。

    LCoS最终将它们结合成一个产品了，LSIC使LCD增加了智能的功能，LCD使LSIC的智能功能更直接地展示给人们的视觉。

外部引线少、连接简单及整机装配简便

2.2

    普通的LCD有大量密集的外部引线，如一个1024×768像素点阵的LCD便有2592条外部引线，给整机装配带来了诸多不便，而LCoS由于是将LCD制于单晶硅片上，LCD的行、列引出线皆通过半导体工艺在硅片内与IC相连接，故留在外部的仅有数条数据控制线、时序线及电源线等。可利用通用连接端口与前级电路相连接，颇为简便。

2.3体积更小、外观更精巧及成本更低廉

    普通的LCD在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制成像素。通常将像素制至0.28mm已属不易，因在每个像素上还需制出一个有源器件。但LCoS的像素是制在单晶硅片上，硅片采用LSIC的工艺进行加工，可将象像制至4µm以下。故在一个仅零点数英寸的硅片上可制成1024×768像素，甚至1920×1240像素点阵密度的显示产品。显示的信息量密度增大了，而体积却减少了（达0.35~0.5英寸），材料费及成本自然便会大幅度地降低。LCoS可将驱动IC等外部电路完全制于CMOS基板上，减少外部IC的数量及封装成本，并使体积减小。目前试产的LCoS显示屏的成本仅50美元。2.2㎝/1280×1024像素点阵的LCoS芯片价格才150美元，较相同分辨率的LCD和数字微镜（DMD）低得多，将来还会有更大的降价空间。

像素开口率高、分辨率高

2.4

    LCoS解决了普通TFT-LCD像素开口率不高的技术难题。像素开口率是指显示像素上有效显示面积所占的比例大小。普通的TFT-LCD需在每个像素面积内划出一个区域来制成场效应三极管和电容，由于普通的TFT-LCD是在玻璃基板非晶硅膜层上制成的，非晶硅或多晶硅层上制作场效应管时，由于非晶硅或多晶硅的电子迁移率低，故场效应管等有源器件所占的面积较大，而LCoS采用单晶硅，其电子迁移率较非晶硅或多晶硅高得多，所以其面积可制成很小，因而其开口率可很高，达96%以上。

    由于LCoS的晶体管及驱动电路皆制于单晶硅基板内，位于反射面之下，并不占用表面面积，故仅有像素间隙才占用开口面积，不像透射式LCD的TFT及导线皆占用开口面积，所以理论上无论是分辨率还是开口率，LCoS都较透射式LCD高。由于LCoS采用半导体方式来控制分辨率，故分辨率很高，通常达到SXGA等级（1280×1024像素），较高的分辨率又导致较小的画面像素，使画质逼真自然。高解析度可随半导体制造过程快速实现微细化，易于提高解析度，尤其适用于便携式咨询设备。迄今，它的制造工艺技术已日臻成熟。

2.5光利用率高

    LCoS可提高光的利用率。它与LCD投影显示器相类似，主要差别在于LCoS属反射式成象，故光利用率可达40%以上，与数字光处理（DLP）相当，而透射式LCD仅有3~10%而已。众所周知，LCD属于被动式显示器件，*调制外界环境光来实现显示的，普通的LCD在前后各装有一片偏光膜，LCD便是*调制偏振光的开关通断来实现显示的。偏光膜是*吸收光来产生偏光的，故制成的LCD透光率很低，普通的TFT-LCD透光率仅百分之几，因此，为显示清晰，在TFT-LCD的背后需装上一个较强的背光源。该背光源颇耗电，从而将TFT-LCD微功耗的特点丧失贻尽。

    LCoS的背基板采用单晶硅基片，故LCoS大多制成反射式。硅片像素上又镀有光学反光膜，可将光全部反射出，从而大部分入射光皆能被利用。LCoS的反射式成像光效高，不仅节电，符合绿色环保需求，而且还能给便携式IT产品提供高清晰度的大屏面。如手机、掌上电脑（PDA）等便携式产品上网一大障碍便是屏幕太小、分辨率不高，若采用近视器结构便可解决这一问题。

    用普通的TFT-LCD制成的透射式投影电视与用LCoS制成的反射式投影电视相比，用LCoS制成的反射式投影电视仅需1/5功耗的光源，便可获得普通透射式TFT-LCD投影电视亮数倍的显示效果。一个400W光源的LCoS反射式背透型74英寸高清晰度电视（HDTV）的亮度可优于CRT的亮度。这是目前其他任何投影电视所无法达到的水平。

显示方式多样化

2.6

    由于LCoS的屏幕尺寸很小，故在实现显示时必须采用光学系统进行放大。常用的方式有：

（1） 投影放大式：可采用前投影显示方式，亦可采用背投影显示方式；
（2） 直视型放大式：通常大多采用单目式；
（3） 虚像放大式：有单目式和双目式两种，还可细分为割取外影式和叠加外景式。

    将其用作电视时，通常皆采用投影放大方式。可制成54~100英寸的HDTV，售价不会超过1万元，质量低于10㎏。当然亦可将其制成背投式电脑终端的显示器。

    借助一个光学系统进行放大，可将图像投射至一个适当大的屏幕上，用于移动通信或可视电话，亦可按虚像放大式制成单目或双目眼罩式的随身看显示装置，使显示图像在人的眼前形成一个放大的虚拟图像。

2.7易于实现彩色化

    通常，LCD的彩色化是采用微彩色膜方式，即将三个子像素制成红、绿、蓝三基色子像素，合成一个全色象素。这是一种空间混色法，占用了大量的像素空间，降低了分辨率。而LCoS则自身是黑白的，采用红、绿、蓝三基色光反复循环地照射，借助时间混色实现彩色显示之目的。由于LCoS的响应速度可达μs级，故此种实现彩色方法完全切实可行，而且大大地降低显示器件的成本，提高了显示的分辨率。

投资少、利于大批量生产

2.8

    LCoS的最大优势是可采用应用最为广泛且最价廉的CMOS制造工艺，无需额外增加投资，并可随半导体工艺流程的快速化与细微化，易于提高其分辨率。一条TFT-LCD生产线，由于需在玻璃基板上生成非晶硅或多晶硅，还需有制成微彩色膜等特殊而独特的工艺，故投资颇大，通常需数亿至十几亿美元，建厂周期长、回收慢。而LCoS的产品结构决定了其无需单独对全程生产线进行投资，它可分别投资在半导体厂和液晶厂，其中半导体厂对工艺要求较低。而对液晶厂仅需投资定向、封盒、灌注及模块等几个工序即可。生产时可分别由半导体集成电路厂和液晶厂生产即可。故投资额度大为减少。

    由于半导体工艺流程速度快、产量大，液晶封盒、灌注工序少，因而生产批量大、效率高，再加上LCoS所用的材料少，其相对投资额自然要少得多。

3 LCoS的关键技术

    综上所述，LCoS是LCD与LSIC相结合的结晶产物。故它具有该两大行业的一般技术特征。但它的特殊结构与机理又决定其特殊的技术要求与特征。

    在制造LCoS过程中，除需原有的液晶和半导体常规成熟的工艺与技术外，还需如下一些的关键技术。

特殊的材料技术

3.1

（1）特殊液晶混合配方材料

    配制该材料是为了适用于投影电视光源投射时的温度，应能在50℃较高温度下正常工作。为满足视频图像显示的需求，显示材料应有较快的响应速度。为能与仅有1~2μm的盒厚相匹配，显示材料应具有较高的介电常数等。

　（2）超常平整度、高导电率、高透射率及低膨胀系数的氧化铟锡（ITO）玻璃基板

    LCoS的液晶盒是由硅片和玻璃基板封接而成，故所用的玻璃基板的膨胀系数需接近于硅片的膨胀系数。由于盒厚仅1~2μm，故表面应很平整，又由于光学和驱动上的需求，其表面的ITO膜层应是高透射率及高导电率。

特殊的工艺技术

3.2

（1）在制作硅片上

①需在单晶硅基片上制成X-Y像素矩阵下的有源矩阵；
②需在每个有源像点上制成一个要有一定一致性的补偿电容；
③制作遮光层；
④制作1~2μm的盒厚衬垫；
⑤像素表面化学抛光；
⑥像素表面蒸镀反光层；
⑦硅片上的外引线连接。

（2）在制作液晶盒上

①特殊零件的净化操作；
②1~2μm盒厚的控制与封接技术；
③理想的液晶分子定向工艺技术；
④薄盒的液晶灌注技术；
⑤显示模块制造工艺技术。

3.3特殊的设计技术

    特殊的设计技术包括液晶与IC的综合设计与制版。

3.4特殊的检测技术

    特殊的检测技术是控制LCoS质量之关键，LCoS需有一些不同于普通IC和LCD的特殊电参数与光参数的检测技术。还需有专业测试分析软件，其中包括数据回放软件、时域分析软件及频域分析软件。

特殊的配套技术

3.5

    LCoS的显示必需借助配套的光路系统方能实现。按不同的用途，可有如下各种方式，它们对LCoS至关重要。

（1）投影系统（前投式或背投式）

长寿命、高效率、高色温及色还原性佳的光源；
起偏光与检偏光系统；
分色镜及循环性光扫描系统；
光路放大、消像差及消色差短焦距光学镜头；
光路高利用率的设计；
高精密结构设计与加工；
降温与控温系统；
屏幕设计与制造技术。

（2）随身看显示装置

    将LCoS显示的小型图像借助光学装置放大成一个直视式大屏幕虚像，是LCoS实现显示的另一种方式。该装置可制成比眼镜还小，使用时可像眼镜一样戴在眼前，经光学装置放大即可将LCoS的显示画面在人的眼前放大成一幅大屏幕虚像。可采用单目显示，用于计算机、个人数字处理机及通信等产品上；亦可采用双目显示，制成眼罩式电视、立体电视及虚拟现实（VR）显示等。可将其简便地装入随身携带的包中，便于随时拿出来观看。其光学装置的关键技术如下：

　① 红、绿、蓝三基色光循环性扫描装置；
　② 起偏与检偏装置；
　③ 消色差与消像差短焦距光学镜头；
　④ 微型精密结构的设计技术。

    上述关键技术有些是可从其他技术中借鉴或移植过来，而有些则必需进行创新。实际上，上述关键技术在国内外研制与开发LCoS过程中业已获得满意的解决。

LCoS的应用领域与发展前景

4

    LCoS是倍频扫描电视与电脑终端显示器的完美结合，分割画面及多重扫描可使其应用实现多样化、生活化及人性化。

    LCoS作为新一代液晶显示器，集高清晰度电视（HDTV）信号显示、视频多制式兼容接收及兼容多制式电脑显示卡信号于一体，具有大屏幕、高亮度、高分辨率及省电等许多优点，其应用产品已被广大消费者及业内人士所看好，市场潜力巨大。LCoS将是HDTV背投式投影技术的主要发展方向。2001年已有小批量产品面市，随着成本的不断下降，LCoS应用于大屏幕显示产品将会愈益增多。由于其价廉及轻便，它将会成为大屏幕投影电视机的主要竞争者。它必将在大屏幕投影电视中占有重要的地位，随着HDTV的推广应用将会加速其产业化的进程。除大屏幕显示外，可以说，LCoS能应用于任何需要显示的地方，如教学、业务培训、产品推销、商务演示、科研、医疗、展览、各种会议及家庭娱乐等场合，教育、交通、航空航天、计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助测试（CAD/CAM/CAE）、军队、政府机构及金融等重点行业和领域，众多其他显示方式无法满足需求的领域，LCoS皆能胜任。如电视、计算机、通信及军事等领域皆是LCoS大显身手的地方。

    LCoS的市场定位在头盔显示器（Head- Mounted Display,HMD）及大屏幕显示器。目前显示业界普遍认为：在显示器市场中，20英寸以下皆以LCD为主流，等离子体显示器（PDP）适用于40~70英寸的显示范围，但售价高昂，难以普及。投影显示器正适用于40~70英寸以上的显示产品，具有分辨率高、价格适中等优势。LCoS投影显示技术则着眼于上述投影显示的市场；此外，亦可将其作为直视型显示器件，用于HMD领域内。LCoS的另一潜在应用市场是数码摄像机的取景器，LCoS虚拟显示器非常适用于众多消费类电子产品，其中包括可视移动电话、掌上电脑（PDA）及需嵌入微型显示器的各种电子产品等。

    LCoS属于一种新型液晶微反射显示技术，基于LCoS图像芯片开发的彩投机及HDTV功耗低、体积小、重量轻、无电磁辐射、图像分辨率高、亮度和对比度佳、色彩逼真，被业界认为是最有希望进入家用高端视频产品。随着数字电视及HDTV的推广应用，必将加速LCoS的产业化进程。未来的LCoS主要应用于数字化HDTV。2000年LCoS的产值为5亿美元，至2004年其产值将会达到23亿美元，年增长率达46.5%，属于一种快速发展的新型显示系统。预计至2005年，LCoS在背投式投影电视中的占有率将达20%。目前的LCoS技术虽还难以与LCD或数字光处理（DLP）技术相抗衡，但一旦LCoS技术发展成熟形成产业化后，其优异的性能及低廉的成本是其他显示产品所无法与之竞争的。