摘要 LCOS顯示是LCD與CMOS積體電路有機結合的反射型新型顯示技術，LCOS作為新型顯示器件具備大螢幕、高亮度、高解析度、省電等諸多優勢，其套用產品被廣大消費者和業內人士看好，LCOS可能是HDTV的背投影技術發展的主要方向。在大螢幕投影顯示中具有重要地位，由於經濟和輕便，它將成為目前CRT技術大螢幕投影電視機的主要競爭者。隨著HDTV的推廣套用，將加快其產業化進程。本文介紹了LCOS顯示技術的基本原理和特性，還介紹了近年來的發展及未來動向。
基本介紹
- 中文名：LCOS顯示技術
- 優點：大螢幕、高亮度、高解析度、省電
- 適用範圍：大螢幕投影顯示
- 面板架構：反射式MICROLCD投影技術
- 系統：離軸光學投影系統
前言,LCOS簡介,發展現狀,面臨課題,結論,
前言
直視式大螢幕電視和顯示器尚未大量投放市場，使投影顯示發展活躍起來，其中LCOS(LiquidCrystalonSilicon)反射式投影顯示剛剛進入市場，引起業界的重視。因為LCOS技術借矽基CMOS積體電路技術，在單晶矽片上CMOS陣列取代a一Si TFT LCD中玻璃基板上a一Si TFT陣列，相比之下前者生產技術更成熟，還有單晶矽遷移率遠高於a一Si遷移率，因此不僅適合於高密度、高解析度、高開口率顯示，而且可以周邊驅動電路集成一體，甚至可以集成信息處理系統。但LCOS微型顯示通過光學系統放大圖像幾十到幾百倍，帶來液晶顯示技術的新問題。本文介紹LCOS基本結構、光學系統、LCOS套用和市場及液晶顯示中的新問題。
今後LCOS主要將套用於數位化HDTV。據統計預測，該領域2000年產值為5億美元，到2004年產值將達到23億美元，年增長率為46.5%,是一種快速成長的新型顯示系統。
LCOS簡介
2．1 LCOS 面板架構
LCOS（Liquid Crystal on Silicon）屬於新型的反射式 MICRO LCD投影技術，其結構是在矽片上，利用半導體製程製作驅動面板（又稱為CMOS－LCD），然後在電晶體上透過研磨技術磨平，並鍍上鋁當作反射鏡，形成CMOS基板，然後將CMOS基板與含有透明電極之上玻璃基板貼合，再注入液晶，進行封裝測試。見圖 1。在單晶矽片上集成CMOS和存貯電容器的陣列，通過開孔把漏電極和像素電極連結，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強光照射溝道，加一層金屬檔光層。另一側基板是ITO電極的玻璃板。液晶層盒厚愛像素尺寸限制，一般盒厚取幾微米。LC0S前投影放大倍數大，顯示區內不能用控制盒厚的隔墊物，或者盒厚取小於2微米，可用隔墊物。
LCOS投影機的基本原理與LCD投影機相似，只是LCOS投影機是利用LCOS面板來調變由光源發射出來欲投影至螢幕的光信號，與LCD投影機最大的不同是LCD投影機是利用光源穿過LCD作調變，屬於穿透式，而LCOS投影機中是利用反射的架構，所以光源發射出來的光並不會穿透LCOS面板，屬於反射式。LCOS面板是以CMOS晶片為電路基板及反射層，然後再塗布液晶層後，以玻璃平板封裝。
2．2 投影顯示系統架構
LCOS面板是以CMOS晶片為電路基板，因此無法讓光線直接穿過，其分光合光系統設計和LCD投影機有些不同，通常需要在分光合光系統中利用偏極化分光鏡（Polarization Beam Spliter；PBS），將入射LCOS面板的光束與反射後的光束分開。
（a）偏極化分光鏡（PBS）的功能：
PBS是由兩個45度等腰直角稜鏡底邊粘合的而成的稜鏡，當非線性偏極化光入射PBS時，PBS會反射入射光的S偏光（垂直入射線平面），並且讓P偏光（平行入射線平面）通過。
b）主要結構：
是LCOS投影結構系統，用金屬鹵化物燈(亮度6000流明以上)或氖燈(亮度60000流明)，用拋物面反射鏡過濾紫外光和紅外光，再用冷反射鏡過濾紅外光，通過聚焦透鏡和複眼透鏡得到均勻的平行光，然後分色鏡分光，再通過PBS得到偏振光，通過LCOS反射進行合成並通過變焦透鏡投影到螢幕。LCOS投影機與LCD投影機的主要結構在導光及分光合光部分的設計大同小異，只是在LCOS投影機系統中，LCOS面板前均多加了PBS。
由光源所發出的光經由Dichroic Mirror（雙色鏡）後分成R、G、B三色光，此三色光分別通過各自的PBS後，會反射S偏光進入LCOS面板，當液晶顯示為亮態時，S偏光將改變成P偏光，最後以雙色稜鏡（Dichroic Prism）組合調變過的三道偏極光，投射至螢幕處得到影像。
簡單來說，LCOS是直接與顯像管（CRT）投影技術、高溫多晶矽液晶（Ploy－Si LCD）穿透式投影技術、DMD（Digital Micromirror Device）數據光學處理（DLP； Digital Light Projector）反射式技術相關。這三項技術已發展成熟，故LCOS可成為投影顯示技術的新主流。
另外還有一種離軸光學投影系統。入射光和反射光分開，不用PBS。而用偏振膜，對比度高，但體積稍微大一些。具體結構見。
離軸光學投影系統結構示圖
2．3 LCOS技術特性
與穿透式HTPS－LCD及DLP相比，LCOS具有下列優勢：
光利用效率高：LCOS與LCD投影顯示器類似，主要的差別就是LCOS屬反射式成像，所以光利用效率可達40%以上，與DLP相當，而穿透式LCD僅有3－10%而已。
體積小：LCOS可將驅動IC等外圍線路完全整合至CMOS基板上，減少外圍IC的數目及封裝成本，並使體積縮小。
解析度高：由於LCOS的電晶體及驅動線路都製作於矽基板內，位於反射面之下，不占表面面積，所以僅有像素間隙占用開口面積，不像穿透式LCD的TFT及導線皆占用開口面積，故理論上LCOS不論解析度或開口率都會比穿透式LCD高。解析度普遍達到SXGA等級（1280×1024）
製造技術較成熟：LCOS的製作可分為前道的半導體CMOS製造及後道的液晶面板貼合封裝製造。前道的半導體CMOS製造已有成熟的設計、仿真、製作及測試技術，所以目前良率已可達90%以上，成本極為低廉；至於後道的液晶面板貼合封裝製造，雖然據說目前的良率只有30%，但由於液晶面板製造已發展得相當成熟，理論上其良率提升速率應遠高於DMD晶片，所以LCOS應比DLP更有機會取代穿透式HTPS－LCD成為投影顯示技術的主流。
此外，LCOS還有一項優點，就是HTPS－LCD目前是SONY及SEIKO EPSON擁有專利權，DLP則是TI的獨家專利，而LCOS則無專利權的問題。現在台灣的工研院光電所也已成功開發出LCOS，並正在申請專利中。由於台灣的半導體產業基礎雄厚，Aurora及Kopin就曾委託台灣的聯電及聯友光電代工LCOS，所以台灣業界一直寄希望發展LCOS技術做為其發展投影產品的最佳選擇。
目前LCOS市場定位在大螢幕投影顯示產品及HMD（Head Mount Device）上。目前業界普遍認可：在顯示器市場20"以下以LCD為主流，PDP可套用於30"－ 60"產品，但價格昂貴，投影顯示器適用於30"－ 60"以上的產品，具有解析度高，價格適中等優勢。LCOS投影顯示技術則是落於上述投影顯示器市場；另外亦可作為直視元件，套用在HMD中。
LCOS可視為LCD的一種，傳統的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS則是長在矽晶圓上。和LCOS的相對比的產品，最常用在投影機上的高溫多晶矽LCD為代表。後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則採用反射式投射，光利用效率可達40%以上，且其最大的優勢是可利用最廣泛使用、最便宜的CMOS製程，毋需額外的投資，並可隨半導體工藝流程快速的微細化，易於提高解析度。
發展現狀
除了投影機市場外，LCOS同時也正虎視眈眈的看著直視型顯示器市場。事實上，LCOS是一個可以大小通吃的顯示技術：大尺寸的投影機市場如上所述，LCOS已具有最佳優勢；LCOS若套用於中小尺寸的直視型顯示器上，同樣具有以上所述的優點，足以威脅現有的直視型TFT－LCD；甚至LCOS還具有進軍微型顯示器市場的能力，如頭盔式裝置HMD（Head Mount Device）。美國CMD、Three－Five、e－Magic、inViso均已推出採用LCOS技術的單眼式HMD產品。HMD現行的主要套用，除了特殊套用如軍事用途、工程維修保養、或是娛樂用途外，人手一機的個人隨身信息顯示套用，才是這些廠商長期規劃的最終目標。
目前LCOS的發展業者以英美兩地的Fabless公司為主，包括Three－Five、Aurora（原S－Vision）、MicroPix、Microdisplay、Kopin、Displaytech、SpatiaLight及香港的Varitronix等。由於LCOS的開發涉及整個組件的設計、製造到光學系統的組合，有相當高的進入障礙，且每個業者所開發的LCOS各有專用的ASIC、光學引擎等，零組件及生產無法標準化，難達到量產的經濟規模；此外，目前LCOS的前道矽製造已可達90%以上的良品率，但後道貼合玻璃基板、注入液晶、切割及封裝部份的良品率卻仍僅30%左右，是目前LCOS最大的發展瓶頸。
面臨課題
亟待建立標準化與上下游產業結構 目前LCOS的發展集中在美英兩地的Fabless公司，包括Three－Five、Aurora（原S－Vision）、MicroPix、Microdisplay、Kopin、Displaytech、SpatiaLight及香港的Varitronix等。由於LCOS在開發中涉及整個元件的設計、製造到光學系統的組合，有較高的技術門檻。且每個業者所開發的LCOS，各有專用的ASIC、光學引擎等，零組件和生產各自為陣，無法標準化，因此很難達到量產的經濟規模，部份業者因無法提出全套的解決方案，致使產品無法順利推出而面臨財務危機。另外最大的障礙是合格率問題，LCOS前段的矽製造過程以0．35u工藝即可（也不需要作得更小了），目前良品率已可達90%；後段加玻璃基板，抽入液晶，並加以切割、封裝的部份，目前良品率卻仍很低，僅約30%左右。後段良品率制約LCOS的發展。
LCOS雖在投影機上踏出重要的第一步，但仍有許多地方尚待努力，在性能方面，對比只有300～500：1，比其它技術差，同時在黑色的再現性上亦不理想。反倒是日本的JVC所提供的LCOS面板，所運用的D－ICA技術，在黑色的再現性上表現較傑出，已使用在高檔家庭劇院上。雖然目前LCOS運用在投影機上，大都以搭配PC用的前投影為主，唯其市場容納量有限，業界還是放眼在後投影電視上，尤其是HDTV。現行的後投影電視價格仍在2000美元以上，且很難往下調降。Thomson準備採用Three－Five的LCOS，以RCA品牌推出投影電視，目標將價格降至以TI的DMD為基礎的DLP投影電視的一半。由於量還不大，相關的透鏡、彩色管理系統和其它零組件仍十分昂貴，在未來2－3年，LCOS後投影電視面臨較大的困難，而前投則容易得多。目前已知已投入LCOS組件開發的家電廠商已包括JVC、Philips、三星和LG等。部份日本業界評估2005年LCOS在後投影電視的滲透率可達20%。特別應當指出的是我國上海華源和深圳創維已將LCOS作為重點產業化發展對象。目前華源的LCOS投影儀也藉助了台灣的科技力量--華源也有自己的研發機構，台灣的世界顛峰提供技術上的一些支持。創維與中科院和台灣蓮花電子合作，中科院光電研究所提供技術支持，它以技術入股的方式切入彩電產業，與創維聯手進軍高端背投市場。蓮花電子作為LCOS晶片的上游供應商，並同時接洽台灣另一家企業，作為LCOS核心零部件----光學引擎的供應商。當前面臨的最大難題是儘快實現規模量產。才能質優價廉的背投產品投向市場。
結論
LCOS作為新型顯示器件具備大螢幕、高亮度、高解析度、省電等諸多優勢，其套用產品被廣大消費者和業內人士看好，市場潛力無限。LCOS可能是HDTV的背投影技術發展的主要方向。隨著成本的不斷降低，LCOS套用產品及其大螢幕顯示將會越來越多。
目前發展LCOS存在的問題一是行業標準不統一，各家推出的LCOS套用產品各具特色，專利技術也不一樣，相對來說上游配套產品也比較複雜，如光學鏡頭、光機、燈、螢幕等；二是LCOS製造工藝還存在瓶頸，良品率受制約，成本相對較高，因此從目前產品性能、價格與現有市場區分分析，現階段的LCOS技術還是難以與LCD或DLP技術相抗衡。但如果一旦形成成熟的產業鏈，其優良的性能和低廉的成本是其它產品無法與之競爭的。
