LCOS投影技术
一、 引言 _;G"{e.= ]uWx<aDB 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。 :G9.}VrU Pi40w+/ 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。 * G.6\ cCw?%qq,L 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。 Q/1
6D HulN84 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。 [8^jwnAYS V`l.F"<L 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。 p*-o33Ve '<^%>R2 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。 #hH "g kbI:}b7H 二、 LCOS技术原理 1WfN_JKB5 @Vr?)_0 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。 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。 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。
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 6HCP1`gg y4/>3tz; 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。 xD8x1- V+nqQ~pJ& 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。 R1!{,*Gy VWI|`O.w 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。 ME>OTs bO>Mvf 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 |
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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 |
}e9E+2}Z\ 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。 fM]zD/ g %+:%%r=Q 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。 WID4 {>G2 0mF3Vs`-Q 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。 ;4z6="<Y l-Xxur5M' 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。 17a'C 8*V3g_z 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。
eRWTuIV6 LCOS技术与DLP比较的优点 |>gya& 4l@*x^F 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。 ^.& |