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标题: 投影之星什么是LCOS投影机技术 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 07:44
标题: 投影之星什么是LCOS投影机技术
一项技术，怎么样才能称得上“优秀”呢？它必须具有比其它技术类型低廉的成本、全面超越的性能、同时还要更加节能环保。在投影机显示技术领域，LCOS投影技术就扮演着这样的饿角色。

LCOS投影显示技术，不专业的说就是“制作在单晶硅上的LCD显示技术”。作为三大投影显示技术的后起之秀，其自从问世以来就受到业界同仁的广泛追捧，被大家称为投影机未来的核心技术。但是，LCOS投影技术的发展并不一帆风顺，而是几经坎坷。

LCOS投影技术的发展历史

LCOS投影技术又称硅基液晶、硅晶光技术（Liquid Crystal on Silicon，LCoS），是一种结合半导体工艺和液晶显示器（LCD）的新兴技术。该技术最早出现在上世纪九十年代末期。其首批成型产品是由Aurora Systems公司于2000年开发出的。该产品具有高分辨率、低价格、反射式成像的特点。

在此之后无数家企业蜂拥而至。其中不乏今天依然活跃在LCOS舞台上的索尼、JVC、视创科技、中芯国际、台联电、江西鸿源数显科技、河南辉煌等企业。但是，在早期被认为是LCOS技术最有力的支持者的英特人和飞利浦两位“巨人”却未能坚持到最后。

04年飞利浦宣布退出LCOS产品的开发计划。飞利浦在LCOS产品上主要技术方向是单片式时序成像背投电视机产品。04年以来液晶和等离子平板电视产品的高速增长被认为是飞利浦放弃LCOS背投电视机产品开发停顿的核心因素。此外，在这一年英特尔也宣布了停止百万像素级LCOS芯片的研发和供货计划。英特尔声称，未来主要经历将放在开发两百万像素全高清级LCOS产品上。英特尔这样的表态被认为是希望以LCOS在像素密度上的优势和德州仪器TI的DLP投影技术抗争的策略。然而，05年之后英特尔的LCOS计划“无疾而终”。

失去两位巨头的LCOS正营在04、05年陷入低谷时期。这一阶段先后有多家企业推出了LCOS产品的开发和生产。令LCOS阵营似乎一时间面临崩溃的危险。但是，出于对已有技术的不满和对未来产业趋势的预期，索尼、JVC和台湾的视窗科技却依然坚持了下来。目前，LCOS投影机已经成为影院投影机高端产品采用的主要技术。得到了数家企业，例如索尼、JVC、视创、佳能、先锋、LG等的支持。

目前，LCOS技术产品呈现出良好的市场增长态势。在投影显示技术上，DLP技术追赶LCD技术用了十年的时间。而目前LCOS技术也已经经过了八九年的发展期。业内分析预计，随着LCOS技术的进一步成熟和产业链条的扩大，LCOS投影显示技术正在迎来发展的春天。

LCOS投影技术的成像原理

LCOS投影技术的成像采用反射式光路。在早期的产品中采用过和单片式DLP类似的时序成像方式。不过目前的主流产品普遍采用成像水平更高的三片式红绿蓝三元素分离在组合的成像方式。其成像光路与高档的百万元级的3片式DLP数字电影放映机基本相同。

三片式的LCOS成像系统，首先将投影机灯泡发出的白色光线，通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线，然后，每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上，系统通过控制LCOS面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱，最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线，经过投影机镜头照射到屏幕上，形成彩色的图像。

这种成像系统在光源光线参与成像的利用率上能够达到单片式成像系统的一倍左右。同时因此，同样的光源和电力消耗可以产生更加明亮的最终画面。同时，由于避免了单片式DLP时序成像的缺陷，三片式LCOS投影系统也能产生出更加饱和、丰满的色彩，并且不会出现困扰单片式DLP成像系统的彩虹画面问题。

三片式LCOS成像的投影机产品是目前最成熟的LCOS投影方式。推出这种产品的厂家众多，包括索尼、HVC、视创、佳能等著名公司均有优秀的产品。

而此前曾经被开发过的单片式LCOS系统已经逐渐退出投影机应用领域。因为在单片式的时序系统中，要求LCOS芯片具有比三片式更快的反应速度。二者恰恰是LCOS的主要竞争对手DLP产品的优势，同时也是LCOS的劣势。飞利浦早期的LCOS背投显示技术就是给予单片式LCOS时序显示的投影产品。该项目已经在04年夭折。

LCOS投影技术芯片的结构

给予反射光路的LCOS投影机的核心器件就是LCOS芯片。该芯片的基本结构是CMOS的背板电路上覆盖液晶分子涂布层。

LCOS芯片也可以算作液晶显示技术的一种。只不过，与一般薄膜晶体管液晶显示(即我们常见的液晶显示器、液晶电视的液晶显示系统，Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display；TFT-LCD)面板上、下两面均以玻璃做为基板不同，而LCoS则仅有上面采用玻部，底部的基本则以半导体材料硅为主的控制电路芯片。

LCOS芯片从下向上的第一层是硅基的IC芯片，采用互补金氧化半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor；CMOS)工艺制造。在CMOS上面为抛光的铝镀层，用于提供电极和光线反界面射面。在铝金属层上要涂布液晶分子，并采用网格状的框架分割成像素。LCOS芯片最上面一层是透明ITO电极和玻璃基板层。LCOS芯片结构中，采用现代CMOS制造工艺的IC驱动层是整块芯片的控制中枢。

从像素结构上讲，LCOS芯片背面的CMOS有源显示驱动矩阵为每一个像素提供了包括开关（NMOS晶体管）、存储电容和在它们上面的铝反射电极。工作的时候，NMOS晶体管控制列数据线对液晶像素充电，而存储电容中的充电电荷建立了相对于控制电极的电压差。于是上部的液晶分子按照电压取向和强度进行偏转，从而控制出入光线的多少，形成灰阶图像。

LCOS投影技术芯片的工艺特点

LCOS投影技术芯片的工艺技术具有大量集成已有成熟技术的特色。

例如，整个LCOS芯片的硅背板都是在常规IC芯片生产在线完成的。采用CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技术的硅背板具有生产制程成熟、成本低廉和产品功耗较低的优点。CMOS是指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间看，要么PMOS导通，要么NMOS导通，要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此被广泛采用。

众所周知，IC技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。从生产工艺角度来说，在IC工艺中建立CMP（化学机械抛光）技术是为了填平复杂的电路走线提高各金属布线层的平面光刻精度，防止电荷光端积累效应。现在，这些优势都成为制作LCoS芯片像素反射镜面的必然方法。其他，如遮光层工艺也源于IC技术。目前LCOS前段晶圆制程以0.35u制程即可（LCOS芯片也不需要作得更小了），目前良率已可达90%。这些因素成为了LCOS芯片控制成本的关键之一。

除此之外，液晶分子、液晶涂布和ITO透明电极玻璃基板也是被广泛应用的成熟技术。特殊零件的净化操作、、1~2μm盒厚的控制与封接技术、理想的液晶分子定向工艺技术、薄盒的液晶灌注技术、显示模块制造工艺技术等等都是已经比较成熟的工艺。目前，大尺寸液晶产品已经能够突破100英寸的大关。而在小尺寸方面，成熟的喷墨或者印刷等技术也能够轻易的实现高像素密度的涂布。

在LCOS芯片的整个制程中关键的难点是铝反射电极层与液晶分子间的结合问题。液晶分子的着床需要优秀的光学反射平面。这对铝金属电极层的质量提出了苛刻的要求。铝金属电极层主要采用表面化学抛光和表面蒸镀反光层的工艺。在早期的产品中受制于工艺技艺的限制成品率只能达到30%左右，目前这一成品率水平正在被稳步提升。

综合来看，LCOS芯片的工艺特点具有传统工艺、成熟工艺为主导，新问题相对苛刻的特点。这也决定了当下LCOS投影产品从在的理论成本最低，而实际售价有比较高的现象。在早期，DLP投影机技术也面临着类似的问题。采用微电子机械工程DMD芯片的成品率曾经一直是TI德州仪器最大的“心病”。不过这一问题已经被德州仪器很好的解决了。相信随着工艺水平的进步，LCOS一旦能形成稳定的高成品率，到那时必然带来一场普及型的LCOS投影革命。
LCOS投影技术芯片的优势

LCOS投影芯片除了上文体提及的拥有理论上最低的成本外还具有着其它的显著优点。

和LCD比较，LCOS技术仅拥有一个光学面，从而能够利用另一个平面配置驱动电路。进而达到驱动电路和芯片一体化的产品结构。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。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。

普通的LCD透光的光学结构决定了两个光学平面必须保持“干净”。这使得像素分子中间不仅要包含LCOS技术液晶层所需要的像素涂布的分割网格，同时还必须拥有芯片工作必须的“电线”等电子设备。这些设备占据了大量的芯片光学面积，使得芯片的开口率在早期很难突破40%。但是，采用单光学面工作的LCOS芯片则可以轻易形成超过90%的开口率。

此外，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（这些因素也影响到产品的开口率）。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4?m以下。像素密度的增大必然带来芯片体积的减少，材料费及成本自然便会大幅度地降低。

和德州仪器的DLP投影技术的DMD芯片相比较，LCOS技术具有工艺简单的特点。采用微电子机械学的DLP DMD芯片不仅仅使得各种工艺难度大幅增加，同时对成本、成品率，尤其是像素密度等方面都面临着严峻的挑战。

DMD芯片北背部的驱动层和LCOS芯片很是相似。但是在光线的控制上，DMD采用机械式的镜片旋转（大约每分钟5000次），而LCOS技术却采用液晶材料的光学各向异性形成，是一种从电子的操作。这种在光学控制上的不同导致了LCOS芯片不需要向DMD那样复杂的“微型的电子机械结构”。这不仅仅能够节约成本，从长远来看还能保障成品率的优良比例，并同时提高芯片的可靠性。同时，微电子机械的结构决定了DMD芯片工艺的复杂性，使得这种芯片在高分辨率产品上的突破成为难点。
LCOS投影机的和LCD投影机的优缺比较

当前市场销售的LCOS投影机和LCD投影机主要采用三片式结构。虽然一些一两千元的LCD投影机还采用单片式结构，但是长远来看这种产品已经濒临淘汰。

在终端产品的实际性能的差异上，大多数都是由两种芯片的技术特点决定。综合来讲LCOS具有色彩鲜艳、灰度优秀、黑色深沉、画面明亮、网格化情况较少和更加节能的特点。相比之下3LCD投影在画面网格化、黑色不纯和灯泡亮度利用率上具有明显的不足支出。

LCOS芯片具有更高的开口率和更细的像素间距。这使得LCOS的画面像素间的距离更小，画面看起来更加鲜明统一。没有3LCD投影产品明显的网格化的现象。这种技术特色在投影大尺寸画面的时候格外明显。

LCOS芯片的高开口率本身就会提升投影机的光学效率。高开口率意味着芯片更多的面积参与光线的反射。同时，由于3LCD的芯片投射结构特殊的光学需求，进一步减弱了3LCD的光学效率。所以，同样的灯泡再用3LCOS和3LCD投影机数相比能够实现更高的亮度。这不仅仅能够提升画面品质，同时也能够节约更多的能源。

3LCOS还具有更具优势的黑色表现。采用透射技术的3LCD投影显示技术，无论是否要求显示颜色，都不能控制液晶芯片达到零透光率。这使得3LCD投影机不能完美的呈现黑色的画面效果。但是采用反射式光路的3LCOS投影技术却能显著改善投影机在黑色端的画质表现。优秀的黑色和灰色效果也为3lcos投影机带来了更加丰富细腻的灰阶表现力。使得画面细节更真实、自然、富裕立体感。

此外，在运动画面显示上，3LCOS投影技术也占据一定的优势。由于采用特殊的反射光路，液晶涂布层可以尽量做的更薄，因此可以减轻液晶分子的粘滞作用，使得运动画面反应更加快捷、清晰，形成更加流畅的画面。这也是为什么单片式LCOS可以采用类似DLP那样的时序成像的原因之一。

LCOS投影机的和DLP投影机的优缺比较

与今天市场上大多数LCOS投影机均采用三片式结构相比，DLP投影机的产品阵营稍显复杂。市场销售的DLP产品以单片式时序成像的产品为主。这类产品具有成本更低廉的特点。同时，在高端的工程机和数字电影放映机市场，DLP投影机也有一部分产品采用三片式的结构。这类产品价值动辄几十万、几百万，可谓是绝对贵族产品。

三片式的3LCOS投影技术与单片式的DLP技术比较具有更高的光学利用效率、更加丰满的色彩表现，和没有彩虹现象、观赏者眩晕现象等特点。

单片式DLP投影机最大的性能瓶颈来自于其“糟糕”的色彩表现。与3LCD集中在黑色段不能彻底“黑”下去不同，单片式DLP投影机色彩问题主要出在饱和度、温和性和自然真实感上。由于单片式的DLP投影采用时序显示色彩：即同一色彩的不同部分分成一个个时间上的小片段来逐一显示。由于这些片段间的时间间隔非常短，人眼不能准确分辨，故而观赏者的感觉会使投影机显示了某一个固定的颜色。

但是这种时序的显示方式，尤其是在早期产品中经常出现大量的消费者眩晕，以及画面上的彩虹条纹现象。随着技术的进步，眩晕和彩虹现象已经得到了很好的抑制，同时德州仪器也采用了名为“极致色彩”的技术来提升DLP单片式产品的色彩表现。但是受制于“先天不足”，目前色彩上单片式DLP尚无法和LCOS技术抗衡。

三篇DLP投影机是DLP技术产品的顶级性能制作。能很好的避免单片式产品上出现的眩晕、彩虹、色彩表现力不足等缺陷。并且能够表达出高清晰的运动画面和层次丰富的空间效果。这种产品也被广泛应用于数字电影院的演示系统。但是和3LCOS技术相比，DLP技术的三片式产品的成本极其高昂。价格最低的也在几十万元以上。而3LCOS产品的价格则可以控制在几万元。这使得在家用普及型市场上，DLP的三片式产品无力和3LCOS抗衡。

在和三片式DLP投影机的对抗中，3LCOS投影机也不是完全只能依仗价格优势：在分辨率上的优势更是DLP投影机无可比低的。目前，LOCS芯片分辨率水平已经可以覆盖2K、3K、4K、8K等水平产品。但是，DLP产品的分辨率最高仅仅2K。分辨率的提升难度在于DLP的微电子机械学结构，可以说这是所有DLP投影产品和3LCOS对抗时候的致命弱点。这决定了未来的数字电影放映市场3LCOS和3dlp的对决中谁输谁赢还是具有很大的不确定性的。

对比3LCOS技术，3DLP产品在有对比度方面略占优势。在专业产品3DLP数字影院投影机对比度指标在各种投影技术中一直具有一定优势。不过二者的差距目前正在缩小。而在家用机级别LCOS机型的对比度表现则已经超越了大多数单片的DLP投影机，并表现出强劲的发展潜力。

LCOS投影技术的产业特点和前景

LCOS投影技术拥有者几乎DLP技术和LCD技术的全部优点，同时很好的克服了二者的不足之处。这也是LCOS产品之所以被称为投影产业未来之星的原因。但是，LCOS产业化的道路却并非一帆风顺。

目前困扰LCOS产业成为投影机产品领导型技术类型的原因主要有两个。其一是成品率问题，其二是来自竞争对手DLP的竞争。

LCOS芯片需要在高度抛光的铝层上紧密结合液晶分子材料。这一步骤是导致LCOS芯片成品率较低的关键。液体和固体表面的精密结合，满足优秀的光学成像随需要的精度，是LCOS芯片工艺改进的最主要方面。成品率问题直接导致LCOS投影机的价格并不具有良好的竞争优势。尤其是和全高清分辨率以下的单片式DLP产品比较，DLP产品的价格往往要低于LCOS产品很多。

在产业竞争上，LCOS最大的优势在于没有形成类似于LCD和DLP投影机那样的垄断态势。DLP投影机的芯片只有德州仪器拥有技术，并且受委托生产的企业也很有限。LCD技术的芯片技术相对好一些。由索尼和爱普生两家公司所掌握。但是，向外提供芯片和光机的企业却只有爱普生。索尼LCD新品以自用为主。而且在高端产品上索尼早已经完成了向lcos技术的转型。

这种核心技术垄断的格局必然造成产业发展的滞后。尤其是在LCD产业上，具有芯片技术的企业又是最主要的终端企业，这必然造成自己的客户是自己的主要竞争对手的局面。DLP技术的持有者德州仪器本身不生产投影机产品，这样就避免了上游厂家和厂家的竞争，形成良好的产业价值链。目前在全球市场DLP产品无论是市场规模还是支援企业数量都超过LCD产品。

而LCOS产业在这一点上则更具优势。LCOS芯片基本采用半导体产业和液晶产业成熟的大众型技术。这使得许多公司都可以跳过核心专利门槛来开发属于自己的芯片产品。能够拥有一款产品核心产业链是获得竞争实力和创造更高的企业价值的良好基础。单凭这一点，LCOS就可以成为最受投影企业，尤其是崇尚创造性制造的企业最喜欢的技术类型了。

但是没有一个核心企业来领导的LCOS产业也具有其固有的弱点。那就是标准不统一、实力分散。这样的特点必然能够给竞争对手留下更多的机会。同时，也是至今LCOS投影机只能在那些注重性能的领域获得良好市场表现的原因之一。因为LCOS的成本优势需要规模化的制造，而规模化的制造则必须建立在统一的行业标准之上。

从整体上来讲，对于已经步入成熟期的投影机产业，LCOS技术依然是一个稚嫩的婴儿。但是这个孩子天生伶俐、极具天赋，拥有者不可限量的前途。尤其是对与国内投影产业，如果真的要做一番大事业，LCOS技术将是最具前途的切入点。

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