家用投影技術詳解之LCOS家用投影技術

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命運強者
命運強者 2023-08-03 02:33
其實LCOS和LCD,有很多相同之處,又有很多不同之處;二者相比,LCOS所帶來的畫面分辨率、亮度都要更好,但市場占有率卻遠不如LCD,至于為何?就要先從認識LCOS芯片開始介紹:

LCOS芯片構造
LCOS芯片的構造大致和LCD芯片一樣,也為上下基板構造,然后中間注入液晶;區(qū)別在于LCOS的下基板為CMOS基板,不像LCD上下基板都為玻璃基板。
CMOS基板是在硅片上,利用半導體制程制作驅動面板,然后通過研磨技術磨平,最后鍍上鋁當作反射鏡,就形成了CMOS基板;
上基板為帶有透明電極的玻璃基板(ITO導電玻璃),上下板結合,中間注入液晶,最終形成LCOS,也稱為:硅基液晶;

LCOS和LCD成像原理的不同之處
正是由于底層結構的不同,所以二者成像的原理也不盡相同:LCD為光線穿透式,LCOS為光線反射式;
LCOS是以下基板(CMOS)芯片當作反射層進行反射光投像,究其原因,或是由于下基板中的單晶硅材質,單晶硅擁有良好的電子移動率,且容易形成較細的線路;
所以LCOS的晶體管及線路都可制作于CMOS芯片內(下基板),位于反射面之下,不占用表面面積,僅有像素間隙占用開口面積;反觀穿透式的LCD,作為像素點開關的晶體管(TFT)同像素一起集成在液晶板,在光源穿透的過程中,TFT及導線等將阻擋部分光線,占用開口面積。
優(yōu)點:
以上,所帶來的影響效果為:

  • LCOS的分辨率和開口率都要高于LCD,分辨率普遍達到SXGA等級(1280×1024),不會出現(xiàn)LCD畫面那么明顯的像素柵格化;且由于易形成較細線路的原因,所以畫面容易達成高解析度,對比DLP的銳利數(shù)字畫面,LCOS畫面的像素邊緣更加平滑,可以有效去除畫面鋸齒的現(xiàn)象;
  • LCOS的光源利用率也要高于LCD,LCOS同DLP差不多,光源利用率可達40%,而LCD則僅為3~10%;

三片式LCOS

選讀,成像原理介紹:


PBS介紹:同LCD相比,LCOS家用投影系統(tǒng)的不同之處在于,LCOS面板前多了PBS:偏極化分光鏡(Polarization Beam Spliter),由兩個45度等腰直接棱鏡底部粘合而成,主要作用是反射垂直于入射平面的光線(S偏光),并且讓平行于入射線平面的光線通過(P偏光);
過程解讀:燈泡發(fā)出強光,經過系列電子元件,由分色鏡分為紅、綠、藍三種光,再通過三色各自的PBS得到偏振光,使光線得以進入LCOS微型器件,再經過LCOS微型器件的反射,將光線平行通過PBS,最后進入棱鏡,通過棱鏡將分離的三色合成,最終家用投影到屏幕成像;
正是由于PBS的作用,使得入射光線得以進入LCOS微型器件,并放行從LCOS微型器件中反射出的光線;
LCOS微型器件介紹:



LCOS微型器件

微型器件主要由上述部分組成,作為一種光調制器件;當光線進入該部分,就要受到CMOS電極和ITO透明電極之間的電壓調制,配合液晶的開關作用,共同完成畫面的成像,下面分別介紹下上述組件的功能:

  • 印刷電路板(PCB):將指令和電流從電視機機傳輸?shù)轿⑿推骷?br />
  • CMOS(硅、芯片):使用像素驅動程序的數(shù)據(jù)來控制液晶,通常為一臺像素使用一臺晶體管
  • 反射涂層:反射光線用來產生畫面
  • 液晶:控制到達或離開反射涂層的光線的數(shù)量,起到閥門的作用
  • 對準層:使液晶能夠正確對準,從而能夠精確地校準光線
  • 透明電極:與硅和液晶一起組成完整的電路
  • 玻蓋保護和密封整個系統(tǒng)

存在問題
LCOS家用投影技術所體現(xiàn)的畫面優(yōu)勢或是很大的,但卻沒有成為當下主流的家用投影產品,主要是由于LCOS面板的良品率太低造成;
LCOS面板的制作分為兩部分,前一部分為半導體CMOS的制造,后一部分為液晶面板的貼合封裝制造。前半部分已經非常成熟,良品率可達90%,成本也很低廉,問題就在后半部分,據(jù)說良品率僅為30%;
通俗點就是:液晶層和CMOS層分開制作都很簡單,可是將它們紋絲不差的每個像素點對應的貼合在一起,卻是難度非常高的制造技術;所以多數(shù)廠家都轉向了成本更為低廉、簡單的LCD和DLP技術;

解決方案
為了解決上述問題,最早投入LCOS開發(fā)的JVC廠商及相對早的SONY廠商,給出了變種技術D-ILA(JVC)和SXRD(SONY)的解決方案,都改變了傳統(tǒng)LCOS制造工藝,對液晶層:將傳統(tǒng)液晶層水平排列改為垂直排列,對配向膜:從無機物中提取了全新材料,使其壽命接近9萬小時,基本與DMD持平。


另外,SONY的SXRD,更是將液晶體和反射玻璃之間的間隙層縮小到2微米,使得芯片對灰塵有了先天的“屏蔽效應”(LCD的HTPS和傳統(tǒng)LCOS工藝,因為液晶層和玻璃的間隙過大,所以非常容易附著灰塵,嚴重影響芯片的壽命和圖像質量)
其次,兩種變種技術更大的突破是對像素結構的進一步微型化,意味著更小的芯片,就可容納更多的像素,即可達到更高的分辨率;

  • D-ILA芯片像素點縮小至8.1微米,意味0.7英寸即可實現(xiàn)1080p真分辨率;
  • SXRD像素尺寸縮小至7微米(相當于DLP的一半),像素間隔只有0.35微米,意味0.61英寸的芯片大小就可容納1920×1080的像素數(shù)量;
當然了,技術難度更高的芯片水準,意味著更高水準的畫面效果,同時也意味著更高的價格!兩種技術,分別都是20幾萬和10幾萬的價格,JVC的部分型號甚至都是全球限量發(fā)售;

單片式LCOS

除了上面所介紹的三片式LCOS家用投影技術外,還有一種單片式LCOS,很少見,僅作科普使用;
顧名思義,只有一片LCOS面板,是通過快速旋轉的色輪將白光分成循序的紅、藍、綠光,并與驅動式產生的紅、綠、藍色畫面同步,形成分色影像,由于人眼視覺暫留的特性,最終就看到了連續(xù)的彩色畫面;
由于只有一塊面板,且分光、合光系統(tǒng)較為簡單,所以成本偏低;但是白光經過偏極化后,亮度會明顯降低,僅為之前的1/3;且由于LCOS面板需要在紅、藍、綠畫面快速切換下合成影像,所以對面板的反應速度要求更高,生產難度也會增加;
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