ＬＣＯＳ显示技术现状及发展

　　摘要ＬＣＯＳ显示是ＬＣＤ与ＣＭＯＳ集成电路有机结合的反射型新型显示技术，ＬＣＯＳ作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好，ＬＣＯＳ可能是ＨＤＴＶ的背投影技术发展的主要方向。在大屏幕投影显示中具有重要地位，由于经济和轻便，它将成为目前ＣＲＴ技术大屏幕投影电视机的主要竞争者。随着ＨＤＴＶ的推广应用，将加快其产业化进程。本文介绍了ＬＣＯＳ显示技术的基本原理和特性，还介绍了近年来的发展及未来动向。

一、前言

　　直视式大屏幕电视和显示器尚未大量投放市场，使投影显示发展活跃起来，其中ＬＣＯＳ(LiquidCrystalonSilicon)反射式投影显示刚刚迸人市场，引起业界的重视。因为ＬＣＯＳ技术借硅基ＣＭＯＳ集成电路技术，在单晶硅片上ＣＭＯＳ阵列取代a一Si ＴＦＴＬＣＤ中玻璃基板上a一Si ＴＦＴ阵列，相比之下前者生产技术更成熟，还有单晶硅迁移率远高于a一Si迁移率，因此不仅适合于高密度、高分辨率、高开口率显示，而且可以周边驱动电路集成一体，甚至可以集成信息处埋系统。但ＬＣＯＳ微型显示通过光学系统放大图像几十到几百倍，带来液晶显示技术的新问题。本文介绍ＬＣＯＳ基本结构、光学系统、ＬＣＯＳ应用和市场及液晶显示中的新问题。

　　今后ＬＣＯＳ主要将应用于数字化ＨＤＴＶ。据统计预测，该领域2000年产值为5亿美元，到2004年产值将达到23亿美元，年增长率为46.5％,是一种快速成长的新型显示系统。

二、ＬＣＯＳ简介

　　2．1 ＬＣＯＳ面板架构

　　ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式ＭＩＣＲＯＬＣＤ投影技术，其结构是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板（又称为ＣＭＯＳ－ＬＣＤ），然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成ＣＭＯＳ基板，然后将ＣＭＯＳ基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装测试。见图 1。在单晶硅片上集成ＣＭＯＳ和存贮电容器的阵列，通过开孔把漏电极和像素电极连结，像素电极用铝做成反射电极。为防止强光照射沟道，加一层金属档光层。另一侧基板是ITO电极的玻璃板。液晶层盒厚爱像素尺寸限制，一般盒厚取几微米。LC0S前投影放大倍数大，显示区内不能用控制盒厚的隔垫物，或者盒厚取小于2微米，可用隔垫物。

图１ＬＣＯＳ面板结构图

　　ＬＣＯＳ投影机的基本原理与ＬＣＤ投影机相似，只是ＬＣＯＳ投影机是利用ＬＣＯＳ面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号，与ＬＣＤ投影机最大的不同是ＬＣＤ投影机是利用光源穿过ＬＣＤ作调变，属于穿透式，而ＬＣＯＳ投影机中是利用反射的架构，所以光源发射出来的光并不会穿透ＬＣＯＳ面板，属于反射式。ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶层后，以玻璃平板封装。

　　2．2 投影显示系统架构

　　ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片为电路基板，因此无法让光线直接穿过，其分光合光系统设计和ＬＣＤ投影机有些不同，通常需要在分光合光系统中利用偏极化分光镜（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＳｐｌｉｔｅｒ；ＰＢＳ），将入射ＬＣＯＳ面板的光束与反射后的光束分开。

　　（ａ）偏极化分光镜（ＰＢＳ）的功能：

　　ＰＢＳ是由两个４５度等腰直角棱镜底边粘合的而成的棱镜，当非线性偏极化光入射ＰＢＳ时，ＰＢＳ会反射入射光的Ｓ偏光（垂直入射线平面），并且让Ｐ偏光（平行入射线平面）通过。

　　ｂ）主要结构：

　　图２是ＬＣＯＳ投影结构系统，用金属卤化物灯(亮度6000流明以上)或氖灯(亮度60000流明)，用抛物面反射镜过滤紫外光和红外光，再用冷反射镜过滤红外光，通过聚焦透镜和复眼透镜得到均匀的平行光，然后分色镜分光，再通过PBS得到偏振光，通过ＬＣＯＳ反射进行合成并通过变焦透镜投影到屏幕。ＬＣＯＳ投影机与ＬＣＤ投影机的主要结构在导光及分光合光部分的设计大同小异，只是在ＬＣＯＳ投影机系统中，ＬＣＯＳ面板前均多加了ＰＢＳ。

　　由光源所发出的光经由ＤｉｃｈｒｏｉｃＭｉｒｒｏｒ（双色镜）后分成Ｒ、Ｇ、Ｂ三色光，此三色光分别通过各自的ＰＢＳ后，会反射Ｓ偏光进入ＬＣＯＳ面板，当液晶显示为亮态时，Ｓ偏光将改变成Ｐ偏光，最后以双色棱镜（ＤｉｃｈｒｏｉｃＰｒｉｓｍ）组合调变过的三道偏极光，投射至屏幕处得到影像。

　　简单来说，ＬＣＯＳ是直接与显像管（ＣＲＴ）投影技术、高温多晶硅液晶（Ｐｌｏｙ－ＳｉＬＣＤ）穿透式投影技术、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）数据光学处理（ＤＬＰ；ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｊｅｃｔｏｒ）反射式技术相关。这三项技术已发展成熟，故ＬＣＯＳ可成为投影显示技术的新主流。

图 2 ＬＣＯＳ投影系统结构

　　另外还有一种离轴光学投影系统。入射光和反射光分开，不用PBS。而用偏振膜，对比度高，但体积稍微大一些。具体结构见图３。

图 3 离轴光学投影系统结构示图

　　2．3 ＬＣＯＳ技术特性

　　与穿透式ＨＴＰＳ－ＬＣＤ及ＤＬＰ相比，ＬＣＯＳ具有下列优势：

　　光利用效率高：ＬＣＯＳ与ＬＣＤ投影显示器类似，主要的差别就是ＬＣＯＳ属反射式成像，所以光利用效率可达４０％以上，与ＤＬＰ相当，而穿透式ＬＣＤ仅有３－１０％而已。

　　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的数目及封装成本，并使体积缩小。

　　分辨率高：由于ＬＣＯＳ的晶体管及驱动线路都制作于硅基板内，位于反射面之下，不占表面面积，所以仅有像素间隙占用开口面积，不像穿透式ＬＣＤ的ＴＦＴ及导线皆占用开口面积，故理论上ＬＣＯＳ不论分辨率或开口率都会比穿透式ＬＣＤ高。分辨率普遍达到ＳＸＧＡ等级（１２８０×１０２４）

　　制造技术较成熟：ＬＣＯＳ的制作可分为前道的半导体ＣＭＯＳ制造及后道的液晶面板贴合封装制造。前道的半导体ＣＭＯＳ制造已有成熟的设计、仿真、制作及测试技术，所以目前良率已可达９０％以上，成本极为低廉；至于后道的液晶面板贴合封装制造，虽然据说目前的良率只有３０％，但由于液晶面板制造已发展得相当成熟，理论上其良率提升速率应远高于ＤＭＤ芯片，所以ＬＣＯＳ应比ＤＬＰ更有机会取代穿透式ＨＴＰＳ－ＬＣＤ成为投影显示技术的主流。

　　此外，ＬＣＯＳ还有一项优点，就是ＨＴＰＳ－ＬＣＤ目前是ＳＯＮＹ及ＳＥＩＫＯＥＰＳＯＮ拥有专利权，ＤＬＰ则是ＴＩ的独家专利，而ＬＣＯＳ则无专利权的问题。现在台湾的工研院光电所也已成功开发出ＬＣＯＳ，并正在申请专利中。由于台湾的半导体产业基础雄厚，Ａｕｒｏｒａ及Ｋｏｐｉｎ就曾委托台湾的联电及联友光电代工ＬＣＯＳ，所以台湾业界一直寄希望发展ＬＣＯＳ技术做为其发展投影产品的最佳选择。

　　目前ＬＣＯＳ市场定位在大屏幕投影显示产品及ＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）上。目前业界普遍认可：在显示器市场２０"以下以ＬＣＤ为主流，ＰＤＰ可应用于３０"－６０"产品，但价格昂贵，投影显示器适用于３０"－６０"以上的产品，具有解析度高，价格适中等优势。ＬＣＯＳ投影显示技术则是落于上述投影显示器市场；另外亦可作为直视元件，应用在ＨＭＤ中。

　　ＬＣＯＳ可视为ＬＣＤ的一种，传统的ＬＣＤ是做在玻璃基板上，但ＬＣＯＳ则是长在硅晶圆上。和ＬＣＯＳ的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶硅ＬＣＤ为代表。后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有３％左右，解析度不易提高；ＬＣＯＳ则采用反射式投射，光利用效率可达４０％以上，且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的ＣＭＯＳ制程，毋需额外的投资，并可随半导体工艺流程快速的微细化，易于提高解析度。

三、ＬＣＯＳ的发展及面临的问题

　　3．1 ＬＣＯＳ发展现状

　　除了投影机市场外，ＬＣＯＳ同时也正虎视眈眈的看着直视型显示器市场。事实上，ＬＣＯＳ是一个可以大小通吃的显示技术：大尺寸的投影机市场如上所述，ＬＣＯＳ已具有最佳优势；ＬＣＯＳ若应用于中小尺寸的直视型显示器上，同样具有以上所述的优点，足以威胁现有的直视型ＴＦＴ－ＬＣＤ；甚至ＬＣＯＳ还具有进军微型显示器市场的能力，如头盔式装置ＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）。美国ＣＭＤ、Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ、ｅ－Ｍａｇｉｃ、ｉｎＶｉｓｏ均已推出采用ＬＣＯＳ技术的单眼式ＨＭＤ产品。ＨＭＤ现行的主要应用，除了特殊应用如军事用途、工程维修保养、或是娱乐用途外，人手一机的个人随身信息显示应用，才是这些厂商长期规划的最终目标。

　　目前ＬＣＯＳ的发展业者以英美两地的Ｆａｂｌｅｓｓ公司为主，包括Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ、Ａｕｒｏｒａ（原Ｓ－Ｖｉｓｉｏｎ）、ＭｉｃｒｏＰｉｘ、Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙ、Ｋｏｐｉｎ、Ｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈ、ＳｐａｔｉａＬｉｇｈｔ及香港的Ｖａｒｉｔｒｏｎｉｘ等。由于ＬＣＯＳ的开发涉及整个组件的设计、制造到光学系统的组合，有相当高的进入障碍，且每个业者所开发的ＬＣＯＳ各有专用的ＡＳＩＣ、光学引擎等，零组件及生产无法标准化，难达到量产的经济规模；此外，目前ＬＣＯＳ的前道硅制造已可达９０％以上的良品率，但后道贴合玻璃基板、注入液晶、切割及封装部份的良品率却仍仅３０％左右，是目前ＬＣＯＳ最大的发展瓶颈。

　　3．2 发展ＬＣＯＳ面临的课题

　　亟待建立标准化与上下游产业结构目前ＬＣＯＳ的发展集中在美英两地的Ｆａｂｌｅｓｓ公司，包括Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ、Ａｕｒｏｒａ（原Ｓ－Ｖｉｓｉｏｎ）、ＭｉｃｒｏＰｉｘ、Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙ、Ｋｏｐｉｎ、Ｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈ、ＳｐａｔｉａＬｉｇｈｔ及香港的Ｖａｒｉｔｒｏｎｉｘ等。由于ＬＣＯＳ在开发中涉及整个元件的设计、制造到光学系统的组合，有较高的技术门槛。且每个业者所开发的ＬＣＯＳ，各有专用的ＡＳＩＣ、光学引擎等，零组件和生产各自为阵，无法标准化，因此很难达到量产的经济规模，部份业者因无法提出全套的解决方案，致使产品无法顺利推出而面临财务危机。另外最大的障碍是合格率问题，ＬＣＯＳ前段的硅制造过程以０．３５ｕ工艺即可（也不需要作得更小了），目前良品率已可达９０％；后段加玻璃基板，抽入液晶，并加以切割、封装的部份，目前良品率却仍很低，仅约３０％左右。后段良品率制约ＬＣＯＳ的发展。

　　ＬＣＯＳ虽在投影机上踏出重要的第一步，但仍有许多地方尚待努力，在性能方面，对比只有３００～５００：１，比其它技术差，同时在黑色的再现性上亦不理想。反倒是日本的ＪＶＣ所提供的ＬＣＯＳ面板，所运用的Ｄ－ＩＣＡ技术，在黑色的再现性上表现较杰出，已使用在高档家庭剧院上。虽然目前ＬＣＯＳ运用在投影机上，大都以搭配ＰＣ用的前投影为主，唯其市场容纳量有限，业界还是放眼在后投影电视上，尤其是ＨＤＴＶ。现行的后投影电视价格仍在２０００美元以上，且很难往下调降。Ｔｈｏｍｓｏｎ准备采用Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ的ＬＣＯＳ，以ＲＣＡ品牌推出投影电视，目标将价格降至以ＴＩ的ＤＭＤ为基础的ＤＬＰ投影电视的一半。由于量还不大，相关的透镜、彩色管理系统和其它零组件仍十分昂贵，在未来２－３年，ＬＣＯＳ后投影电视面临较大的困难，而前投则容易得多。目前已知已投入ＬＣＯＳ组件开发的家电厂商已包括ＪＶＣ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、三星和ＬＧ等。部份日本业界评估２００５年ＬＣＯＳ在后投影电视的渗透率可达２０％。特别应当指出的是我国上海华源和深圳创维已将ＬＣＯＳ作为重点产业化发展对象。目前华源的ＬＣＯＳ投影仪也借助了台湾的科技力量--华源也有自己的研发机构，台湾的世界颠峰提供技术上的一些支持。创维与中科院和台湾莲花电子合作，中科院光电研究所提供技术支持，它以技术入股的方式切入彩电产业，与创维联手进军高端背投市场。莲花电子作为ＬＣＯＳ晶片的上游供应商，并同时接洽台湾另一家企业，作为ＬＣＯＳ核心零部件----光学引擎的供应商。当前面临的最大难题是尽快实现规模量产。才能质优价廉的背投产品投向市场。

四、结论

　　ＬＣＯＳ作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品被广大消费者和业内人士看好，市场潜力无限。ＬＣＯＳ可能是ＨＤＴＶ的背投影技术发展的主要方向。随着成本的不断降低，ＬＣＯＳ应用产品及其大屏幕显示将会越来越多。

　　目前发展ＬＣＯＳ存在的问题一是行业标准不统一，各家推出的ＬＣＯＳ应用产品各具特色，专利技术也不一样，相对来说上游配套产品也比较复杂，如光学镜头、光机、灯、屏幕等；二是ＬＣＯＳ制造工艺还存在瓶颈，良品率受制约，成本相对较高，因此从目前产品性能、价格与现有市场区分分析，现阶段的ＬＣＯＳ技术还是难以与ＬＣＤ或ＤＬＰ技术相抗衡。但如果一旦形成成熟的产业链，其优良的性能和低廉的成本是其它产品无法与之竞争的。