告訴你不為人知的新興LCOS投影技術(shù)

LCoS技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展

摘要

    LCoS屬于TFT-LCD新一代的液晶顯示產(chǎn)品。預(yù)計(jì)至2005年，LCoS在背投式投影電視中約占20%的市場(chǎng)份額。本文介紹其技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)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）是一種液晶顯示器（LCD）的新興技術(shù)，是由Aurora Systems融合半導(dǎo)體CMOS集成電路與液晶兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，于2000年開發(fā)出的一種高分辨率、低價(jià)格反射式新型顯示技術(shù)。它是一種將LCD直接制于單晶硅片上的新型液晶顯示器件。單晶硅片上可將LCD的有源矩陣薄膜晶體管（AMTFT）、外部驅(qū)動(dòng)電路及控制電路等全部制于上面，以此作為L(zhǎng)CD的一塊基板，與另一塊作為公共電極的涂上透明導(dǎo)電層的玻璃基板共同封接成一個(gè)薄盒，注入液晶即可制成硅基液晶顯示器件（LCoS）。

    眾所周知，LCD已經(jīng)歷了TN型、STN型及TFT型等數(shù)代的更新，它們都是在LCD自身上下功夫。而目前的LCoS則是將LCD與集成電路（IC）制成一體，這對(duì)LCD而言，無(wú)疑是一個(gè)全新的技術(shù)突破，它是TFT-LCD的新一代液晶顯示產(chǎn)品。

LCoS的技術(shù)特點(diǎn)

2.

    LCoS的結(jié)構(gòu)是在硅片上利用半導(dǎo)體工藝制作驅(qū)動(dòng)面板（亦稱CMOS-LCD），然后在單晶硅片上通過(guò)研磨磨平，并鍍上鋁（Al）作為反射鏡，形成了CMOS基板，再將CMOS基板與涂有透明電極的上玻璃基板粘合，并注入液晶，進(jìn)行封裝而成。LCoS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其與常規(guī)LCD有著眾多的不同點(diǎn)，具有一些LCD及任何其他顯示器所無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)。

2.1智能型顯示器件

    由于LCoS屬于一種將液晶顯示器件（LCD）與大規(guī)模集成電路（LSIC）制成一體的顯示器件，甚至還可將信息處理系統(tǒng)集為一體，故使顯示器件自身具有了某些智能功能，可將其稱為智能型顯示器件。智能型顯示器與性能最先進(jìn)的芯片相結(jié)合，不僅能處理極其復(fù)雜的運(yùn)算，而且還能擁有與PC相類似的多種功能。不是PC勝似PC，故智能型顯示器將不再是電腦的外圍設(shè)備而逐漸上升為主流設(shè)備，與電腦平起平坐。

    LCD與LSIC是一對(duì)孿生兄弟。LCD的輕、薄、小、微（是指功耗）的特點(diǎn)使顯示器件的信息顯示實(shí)現(xiàn)了個(gè)人化，而個(gè)人化的最終結(jié)果為L(zhǎng)SIC提供了寬闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。20世紀(jì)70年代，以個(gè)人計(jì)算器的興起為標(biāo)志，LCD與LSIC相互促進(jìn)、飛速發(fā)展，逐步形成了全球的最大產(chǎn)業(yè)。90年代，LCD又與LSIC再度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了便攜式電腦（PC）的飛速發(fā)展。

    LCD與LSIC這一對(duì)雙胞胎相互依存、相生相促。LCD離開了LSIC，其輕、薄、小、微的特點(diǎn)便無(wú)法實(shí)現(xiàn)，假如LSIC不能將其大量而豐富并及時(shí)處理的信息利用LCD及時(shí)而簡(jiǎn)便并準(zhǔn)確地展示給人們的視覺(jué)，亦大大地埋沒(méi)其性能。它們必須結(jié)合為一體方能充分發(fā)揮出作用。但遺憾的是，長(zhǎng)期以來(lái)它們都是兩個(gè)不同的產(chǎn)品。

    LCoS最終將它們結(jié)合成一個(gè)產(chǎn)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給人們的視覺(jué)。

外部引線少、連接簡(jiǎn)單及整機(jī)裝配簡(jiǎn)便

2.2

    普通的LCD有大量密集的外部引線，如一個(gè)1024×768像素點(diǎn)陣的LCD便有2592條外部引線，給整機(jī)裝配帶來(lái)了諸多不便，而LCoS由于是將LCD制于單晶硅片上，LCD的行、列引出線皆通過(guò)半導(dǎo)體工藝在硅片內(nèi)與IC相連接，故留在外部的僅有數(shù)條數(shù)據(jù)控制線、時(shí)序線及電源線等�？衫�用通用連接端口與前級(jí)電路相連接，頗為簡(jiǎn)便。

2.3體積更小、外觀更精巧及成本更低廉

    普通的LCD在制造過(guò)程中需在玻璃基板上進(jìn)行光刻，制成像素。通常將像素制至0.28mm已屬不易，因在每個(gè)像素上還需制出一個(gè)有源器件。但LCoS的像素是制在單晶硅片上，硅片采用LSIC的工藝進(jìn)行加工，可將象像制至4µm以下。故在一個(gè)僅零點(diǎn)數(shù)英寸的硅片上可制成1024×768像素，甚至1920×1240像素點(diǎn)陣密度的顯示產(chǎn)品。顯示的信息量密度增大了，而體積卻減少了（達(dá)0.35~0.5英寸），材料費(fèi)及成本自然便會(huì)大幅度地降低。LCoS可將驅(qū)動(dòng)IC等外部電路完全制于CMOS基板上，減少外部IC的數(shù)量及封裝成本，并使體積減小。目前試產(chǎn)的LCoS顯示屏的成本僅50美元。2.2㎝/1280×1024像素點(diǎn)陣的LCoS芯片價(jià)格才150美元，較相同分辨率的LCD和數(shù)字微鏡（DMD）低得多，將來(lái)還會(huì)有更大的降價(jià)空間。

像素開口率高、分辨率高

2.4

    LCoS解決了普通TFT-LCD像素開口率不高的技術(shù)難題。像素開口率是指顯示像素上有效顯示面積所占的比例大小。普通的TFT-LCD需在每個(gè)像素面積內(nèi)劃出一個(gè)區(qū)域來(lái)制成場(chǎng)效應(yīng)三極管和電容，由于普通的TFT-LCD是在玻璃基板非晶硅膜層上制成的，非晶硅或多晶硅層上制作場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，由于非晶硅或多晶硅的電子遷移率低，故場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件所占的面積較大，而LCoS采用單晶硅，其電子遷移率較非晶硅或多晶硅高得多，所以其面積可制成很小，因而其開口率可很高，達(dá)96%以上。

    由于LCoS的晶體管及驅(qū)動(dòng)電路皆制于單晶硅基板內(nèi)，位于反射面之下，并不占用表面面積，故僅有像素間隙才占用開口面積，不像透射式LCD的TFT及導(dǎo)線皆占用開口面積，所以理論上無(wú)論是分辨率還是開口率，LCoS都較透射式LCD高。由于LCoS采用半導(dǎo)體方式來(lái)控制分辨率，故分辨率很高，通常達(dá)到SXGA等級(jí)（1280×1024像素），較高的分辨率又導(dǎo)致較小的畫面像素，使畫質(zhì)逼真自然。高解析度可隨半導(dǎo)體制造過(guò)程快速實(shí)現(xiàn)微細(xì)化，易于提高解析度，尤其適用于便攜式咨詢?cè)O(shè)備。迄今，它的制造工藝技術(shù)已日臻成熟。

2.5光利用率高

    LCoS可提高光的利用率。它與LCD投影顯示器相類似，主要差別在于LCoS屬反射式成象，故光利用率可達(dá)40%以上，與數(shù)字光處理（DLP）相當(dāng)，而透射式LCD僅有3~10%而已。眾所周知，LCD屬于被動(dòng)式顯示器件，*調(diào)制外界環(huán)境光來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的，普通的LCD在前后各裝有一片偏光膜，LCD便是*調(diào)制偏振光的開關(guān)通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的。偏光膜是*吸收光來(lái)產(chǎn)生偏光的，故制成的LCD透光率很低，普通的TFT-LCD透光率僅百分之幾，因此，為顯示清晰，在TFT-LCD的背后需裝上一個(gè)較強(qiáng)的背光源。該背光源頗耗電，從而將TFT-LCD微功耗的特點(diǎn)喪失貽盡。

    LCoS的背基板采用單晶硅基片，故LCoS大多制成反射式。硅片像素上又鍍有光學(xué)反光膜，可將光全部反射出，從而大部分入射光皆能被利用。LCoS的反射式成像光效高，不僅節(jié)電，符合綠色環(huán)保需求，而且還能給便攜式IT產(chǎn)品提供高清晰度的大屏面。如手機(jī)、掌上電腦（PDA）等便攜式產(chǎn)品上網(wǎng)一大障礙便是屏幕太小、分辨率不高，若采用近視器結(jié)構(gòu)便可解決這一問(wèn)題。

    用普通的TFT-LCD制成的透射式投影電視與用LCoS制成的反射式投影電視相比，用LCoS制成的反射式投影電視僅需1/5功耗的光源，便可獲得普通透射式TFT-LCD投影電視亮數(shù)倍的顯示效果。一個(gè)400W光源的LCoS反射式背透型74英寸高清晰度電視（HDTV）的亮度可優(yōu)于CRT的亮度。這是目前其他任何投影電視所無(wú)法達(dá)到的水平。

顯示方式多樣化

2.6

    由于LCoS的屏幕尺寸很小，故在實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)必須采用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行放大。常用的方式有：

（1） 投影放大式：可采用前投影顯示方式，亦可采用背投影顯示方式；
（2） 直視型放大式：通常大多采用單目式；
（3） 虛像放大式：有單目式和雙目式兩種，還可細(xì)分為割取外影式和疊加外景式。

    將其用作電視時(shí)，通常皆采用投影放大方式。可制成54~100英寸的HDTV，售價(jià)不會(huì)超過(guò)1萬(wàn)元，質(zhì)量低于10㎏。當(dāng)然亦可將其制成背投式電腦終端的顯示器。

    借助一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行放大，可將圖像投射至一個(gè)適當(dāng)大的屏幕上，用于移動(dòng)通信或可視電話，亦可按虛像放大式制成單目或雙目眼罩式的隨身看顯示裝置，使顯示圖像在人的眼前形成一個(gè)放大的虛擬圖像。

2.7易于實(shí)現(xiàn)彩色化

    通常，LCD的彩色化是采用微彩色膜方式，即將三個(gè)子像素制成紅、綠、藍(lán)三基色子像素，合成一個(gè)全色象素。這是一種空間混色法，占用了大量的像素空間，降低了分辨率。而LCoS則自身是黑白的，采用紅、綠、藍(lán)三基色光反復(fù)循環(huán)地照射，借助時(shí)間混色實(shí)現(xiàn)彩色顯示之目的。由于LCoS的響應(yīng)速度可達(dá)μs級(jí)，故此種實(shí)現(xiàn)彩色方法完全切實(shí)可行，而且大大地降低顯示器件的成本，提高了顯示的分辨率。

投資少、利于大批量生產(chǎn)

2.8

    LCoS的最大優(yōu)勢(shì)是可采用應(yīng)用最為廣泛且最價(jià)廉的CMOS制造工藝，無(wú)需額外增加投資，并可隨半導(dǎo)體工藝流程的快速化與細(xì)微化，易于提高其分辨率。一條TFT-LCD生產(chǎn)線，由于需在玻璃基板上生成非晶硅或多晶硅，還需有制成微彩色膜等特殊而獨(dú)特的工藝，故投資頗大，通常需數(shù)億至十幾億美元，建廠周期長(zhǎng)、回收慢。而LCoS的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了其無(wú)需單獨(dú)對(duì)全程生產(chǎn)線進(jìn)行投資，它可分別投資在半導(dǎo)體廠和液晶廠，其中半導(dǎo)體廠對(duì)工藝要求較低。而對(duì)液晶廠僅需投資定向、封盒、灌注及模塊等幾個(gè)工序即可。生產(chǎn)時(shí)可分別由半導(dǎo)體集成電路廠和液晶廠生產(chǎn)即可。故投資額度大為減少。

    由于半導(dǎo)體工藝流程速度快、產(chǎn)量大，液晶封盒、灌注工序少，因而生產(chǎn)批量大、效率高，再加上LCoS所用的材料少，其相對(duì)投資額自然要少得多。

3 LCoS的關(guān)鍵技術(shù)

    綜上所述，LCoS是LCD與LSIC相結(jié)合的結(jié)晶產(chǎn)物。故它具有該兩大行業(yè)的一般技術(shù)特征。但它的特殊結(jié)構(gòu)與機(jī)理又決定其特殊的技術(shù)要求與特征。

    在制造LCoS過(guò)程中，除需原有的液晶和半導(dǎo)體常規(guī)成熟的工藝與技術(shù)外，還需如下一些的關(guān)鍵技術(shù)。

特殊的材料技術(shù)

3.1

（1）特殊液晶混合配方材料

    配制該材料是為了適用于投影電視光源投射時(shí)的溫度，應(yīng)能在50℃較高溫度下正常工作。為滿足視頻圖像顯示的需求，顯示材料應(yīng)有較快的響應(yīng)速度。為能與僅有1~2μm的盒厚相匹配，顯示材料應(yīng)具有較高的介電常數(shù)等。

�。�2）超常平整度、高導(dǎo)電率、高透射率及低膨脹系數(shù)的氧化銦錫（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脹系數(shù)需接近于硅片的膨脹系數(shù)。由于盒厚僅1~2μm，故表面應(yīng)很平整，又由于光學(xué)和驅(qū)動(dòng)上的需求，其表面的ITO膜層應(yīng)是高透射率及高導(dǎo)電率。

特殊的工藝技術(shù)

3.2

（1）在制作硅片上

①需在單晶硅基片上制成X-Y像素矩陣下的有源矩陣；
②需在每個(gè)有源像點(diǎn)上制成一個(gè)要有一定一致性的補(bǔ)償電容；
③制作遮光層；
④制作1~2μm的盒厚襯墊；
⑤像素表面化學(xué)拋光；
⑥像素表面蒸鍍反光層；
⑦硅片上的外引線連接。

（2）在制作液晶盒上

①特殊零件的凈化操作；
②1~2μm盒厚的控制與封接技術(shù)；
③理想的液晶分子定向工藝技術(shù)；
④薄盒的液晶灌注技術(shù)；
⑤顯示模塊制造工藝技術(shù)。

3.3特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)

    特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)包括液晶與IC的綜合設(shè)計(jì)與制版。

3.4特殊的檢測(cè)技術(shù)

    特殊的檢測(cè)技術(shù)是控制LCoS質(zhì)量之關(guān)鍵，LCoS需有一些不同于普通IC和LCD的特殊電參數(shù)與光參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)。還需有專業(yè)測(cè)試分析軟件，其中包括數(shù)據(jù)回放軟件、時(shí)域分析軟件及頻域分析軟件。

特殊的配套技術(shù)

3.5

    LCoS的顯示必需借助配套的光路系統(tǒng)方能實(shí)現(xiàn)。按不同的用途，可有如下各種方式，它們對(duì)LCoS至關(guān)重要。

（1）投影系統(tǒng)（前投式或背投式）

長(zhǎng)壽命、高效率、高色溫及色還原性佳的光源；
起偏光與檢偏光系統(tǒng)；
分色鏡及循環(huán)性光掃描系統(tǒng)；
光路放大、消像差及消色差短焦距光學(xué)鏡頭；
光路高利用率的設(shè)計(jì)；
高精密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工；
降溫與控溫系統(tǒng)；
屏幕設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

（2）隨身看顯示裝置

    將LCoS顯示的小型圖像借助光學(xué)裝置放大成一個(gè)直視式大屏幕虛像，是LCoS實(shí)現(xiàn)顯示的另一種方式。該裝置可制成比眼鏡還小，使用時(shí)可像眼鏡一樣戴在眼前，經(jīng)光學(xué)裝置放大即可將LCoS的顯示畫面在人的眼前放大成一幅大屏幕虛像。可采用單目顯示，用于計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字處理機(jī)及通信等產(chǎn)品上；亦可采用雙目顯示，制成眼罩式電視、立體電視及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）顯示等�？蓪⑵浜�(jiǎn)便地裝入隨身攜帶的包中，便于隨時(shí)拿出來(lái)觀看。其光學(xué)裝置的關(guān)鍵技術(shù)如下：

�、� 紅、綠、藍(lán)三基色光循環(huán)性掃描裝置；
�、� 起偏與檢偏裝置；
　③ 消色差與消像差短焦距光學(xué)鏡頭；
�、� 微型精密結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

    上述關(guān)鍵技術(shù)有些是可從其他技術(shù)中借鑒或移植過(guò)來(lái)，而有些則必需進(jìn)行創(chuàng)新。實(shí)際上，上述關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研制與開發(fā)LCoS過(guò)程中業(yè)已獲得滿意的解決。

LCoS的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展前景

4

    LCoS是倍頻掃描電視與電腦終端顯示器的完美結(jié)合，分割畫面及多重掃描可使其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)多樣化、生活化及人性化。

    LCoS作為新一代液晶顯示器，集高清晰度電視（HDTV）信號(hào)顯示、視頻多制式兼容接收及兼容多制式電腦顯示卡信號(hào)于一體，具有大屏幕、高亮度、高分辨率及省電等許多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用產(chǎn)品已被廣大消費(fèi)者及業(yè)內(nèi)人士所看好，市場(chǎng)潛力巨大。LCoS將是HDTV背投式投影技術(shù)的主要發(fā)展方向。2001年已有小批量產(chǎn)品面市，隨著成本的不斷下降，LCoS應(yīng)用于大屏幕顯示產(chǎn)品將會(huì)愈益增多。由于其價(jià)廉及輕便，它將會(huì)成為大屏幕投影電視機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。它必將在大屏幕投影電視中占有重要的地位，隨著HDTV的推廣應(yīng)用將會(huì)加速其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。除大屏幕顯示外，可以說(shuō)，LCoS能應(yīng)用于任何需要顯示的地方，如教學(xué)、業(yè)務(wù)培訓(xùn)、產(chǎn)品推銷、商務(wù)演示、科研、醫(yī)療、展覽、各種會(huì)議及家庭娛樂(lè)等場(chǎng)合，教育、交通、航空航天、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造/計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAD/CAM/CAE）、軍隊(duì)、政府機(jī)構(gòu)及金融等重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域，眾多其他顯示方式無(wú)法滿足需求的領(lǐng)域，LCoS皆能勝任。如電視、計(jì)算機(jī)、通信及軍事等領(lǐng)域皆是LCoS大顯身手的地方。

    LCoS的市場(chǎng)定位在頭盔顯示器（Head- Mounted Display,HMD）及大屏幕顯示器。目前顯示業(yè)界普遍認(rèn)為：在顯示器市場(chǎng)中，20英寸以下皆以LCD為主流，等離子體顯示器（PDP）適用于40~70英寸的顯示范圍，但售價(jià)高昂，難以普及。投影顯示器正適用于40~70英寸以上的顯示產(chǎn)品，具有分辨率高、價(jià)格適中等優(yōu)勢(shì)。LCoS投影顯示技術(shù)則著眼于上述投影顯示的市場(chǎng)；此外，亦可將其作為直視型顯示器件，用于HMD領(lǐng)域內(nèi)。LCoS的另一潛在應(yīng)用市場(chǎng)是數(shù)碼攝像機(jī)的取景器，LCoS虛擬顯示器非常適用于眾多消費(fèi)類電子產(chǎn)品，其中包括可視移動(dòng)電話、掌上電腦（PDA）及需嵌入微型顯示器的各種電子產(chǎn)品等。

    LCoS屬于一種新型液晶微反射顯示技術(shù)，基于LCoS圖像芯片開發(fā)的彩投機(jī)及HDTV功耗低、體積小、重量輕、無(wú)電磁輻射、圖像分辨率高、亮度和對(duì)比度佳、色彩逼真，被業(yè)界認(rèn)為是最有希望進(jìn)入家用高端視頻產(chǎn)品。隨著數(shù)字電視及HDTV的推廣應(yīng)用，必將加速LCoS的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。未來(lái)的LCoS主要應(yīng)用于數(shù)字化HDTV。2000年LCoS的產(chǎn)值為5億美元，至2004年其產(chǎn)值將會(huì)達(dá)到23億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)46.5%，屬于一種快速發(fā)展的新型顯示系統(tǒng)。預(yù)計(jì)至2005年，LCoS在背投式投影電視中的占有率將達(dá)20%。目前的LCoS技術(shù)雖還難以與LCD或數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)相抗衡，但一旦LCoS技術(shù)發(fā)展成熟形成產(chǎn)業(yè)化后，其優(yōu)異的性能及低廉的成本是其他顯示產(chǎn)品所無(wú)法與之競(jìng)爭(zhēng)的。