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　　摘要ＬＣＯＳ顯示是ＬＣＤ與ＣＭＯＳ集成電路有機(jī)結(jié)合的反射型新型顯示技術(shù)，ＬＣＯＳ作為新型顯示器件具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用產(chǎn)品被廣大消費(fèi)者和業(yè)內(nèi)人士看好，ＬＣＯＳ可能是ＨＤＴＶ的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向。在大屏幕投影顯示中具有重要地位，由于經(jīng)濟(jì)和輕便，它將成為目前ＣＲＴ技術(shù)大屏幕投影電視機(jī)的主要競爭者。隨著ＨＤＴＶ的推廣應(yīng)用，將加快其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。本文介紹了ＬＣＯＳ顯示技術(shù)的基本原理和特性，還介紹了近年來的發(fā)展及未來動(dòng)向。

一、前言

　　直視式大屏幕電視和顯示器尚未大量投放市場，使投影顯示發(fā)展活躍起來，其中ＬＣＯＳ(LiquidCrystalonSilicon)反射式投影顯示剛剛迸人市場，引起業(yè)界的重視。因?yàn)椋蹋茫希蛹夹g(shù)借硅基ＣＭＯＳ集成電路技術(shù)，在單晶硅片上ＣＭＯＳ陣列取代a一Si ＴＦＴＬＣＤ中玻璃基板上a一Si ＴＦＴ陣列，相比之下前者生產(chǎn)技術(shù)更成熟，還有單晶硅遷移率遠(yuǎn)高于a一Si遷移率，因此不僅適合于高密度、高分辨率、高開口率顯示，而且可以周邊驅(qū)動(dòng)電路集成一體，甚至可以集成信息處埋系統(tǒng)。但ＬＣＯＳ微型顯示通過光學(xué)系統(tǒng)放大圖像幾十到幾百倍，帶來液晶顯示技術(shù)的新問題。本文介紹ＬＣＯＳ基本結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、ＬＣＯＳ應(yīng)用和市場及液晶顯示中的新問題。

　　今后ＬＣＯＳ主要將應(yīng)用于數(shù)字化ＨＤＴＶ。據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，該領(lǐng)域2000年產(chǎn)值為5億美元，到2004年產(chǎn)值將達(dá)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(tǒng)。

二、ＬＣＯＳ簡介

　　2．1 ＬＣＯＳ面板架構(gòu)

　　ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）屬于新型的反射式ＭＩＣＲＯＬＣＤ投影技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在硅片上，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動(dòng)面板（又稱為ＣＭＯＳ－ＬＣＤ），然后在電晶體上透過研磨技術(shù)磨平，并鍍上鋁當(dāng)作反射鏡，形成ＣＭＯＳ基板，然后將ＣＭＯＳ基板與含有透明電極之上玻璃基板貼合，再注入液晶，進(jìn)行封裝測試。見圖 1。在單晶硅片上集成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(jié)，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強(qiáng)光照射溝道，加一層金屬檔光層。另一側(cè)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(shù)大，顯示區(qū)內(nèi)不能用控制盒厚的隔墊物，或者盒厚取小于2微米，可用隔墊物。

圖１ＬＣＯＳ面板結(jié)構(gòu)圖

　　ＬＣＯＳ投影機(jī)的基本原理與ＬＣＤ投影機(jī)相似，只是ＬＣＯＳ投影機(jī)是利用ＬＣＯＳ面板來調(diào)變由光源發(fā)射出來欲投影至屏幕的光信號(hào)，與ＬＣＤ投影機(jī)最大的不同是ＬＣＤ投影機(jī)是利用光源穿過ＬＣＤ作調(diào)變，屬于穿透式，而ＬＣＯＳ投影機(jī)中是利用反射的架構(gòu)，所以光源發(fā)射出來的光并不會(huì)穿透ＬＣＯＳ面板，屬于反射式。ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片為電路基板及反射層，然后再涂布液晶層后，以玻璃平板封裝。

　　2．2 投影顯示系統(tǒng)架構(gòu)

　　ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片為電路基板，因此無法讓光線直接穿過，其分光合光系統(tǒng)設(shè)計(jì)和ＬＣＤ投影機(jī)有些不同，通常需要在分光合光系統(tǒng)中利用偏極化分光鏡（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＳｐｌｉｔｅｒ；ＰＢＳ），將入射ＬＣＯＳ面板的光束與反射后的光束分開。

　　（ａ）偏極化分光鏡（ＰＢＳ）的功能：

　　ＰＢＳ是由兩個(gè)４５度等腰直角棱鏡底邊粘合的而成的棱鏡，當(dāng)非線性偏極化光入射ＰＢＳ時(shí)，ＰＢＳ會(huì)反射入射光的Ｓ偏光（垂直入射線平面），并且讓Ｐ偏光（平行入射線平面）通過。

　　ｂ）主要結(jié)構(gòu)：

　　圖２是ＬＣＯＳ投影結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，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，通過聚焦透鏡和復(fù)眼透鏡得到均勻的平行光，然后分色鏡分光，再通過PBS得到偏振光，通過ＬＣＯＳ反射進(jìn)行合成并通過變焦透鏡投影到屏幕。ＬＣＯＳ投影機(jī)與ＬＣＤ投影機(jī)的主要結(jié)構(gòu)在導(dǎo)光及分光合光部分的設(shè)計(jì)大同小異，只是在ＬＣＯＳ投影機(jī)系統(tǒng)中，ＬＣＯＳ面板前均多加了ＰＢＳ。

　　由光源所發(fā)出的光經(jīng)由ＤｉｃｈｒｏｉｃＭｉｒｒｏｒ（雙色鏡）后分成Ｒ、Ｇ、Ｂ三色光，此三色光分別通過各自的ＰＢＳ后，會(huì)反射Ｓ偏光進(jìn)入ＬＣＯＳ面板，當(dāng)液晶顯示為亮態(tài)時(shí)，Ｓ偏光將改變成Ｐ偏光，最后以雙色棱鏡（ＤｉｃｈｒｏｉｃＰｒｉｓｍ）組合調(diào)變過的三道偏極光，投射至屏幕處得到影像。

　　簡單來說，ＬＣＯＳ是直接與顯像管（ＣＲＴ）投影技術(shù)、高溫多晶硅液晶（Ｐｌｏｙ－ＳｉＬＣＤ）穿透式投影技術(shù)、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）數(shù)據(jù)光學(xué)處理（ＤＬＰ；ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｊｅｃｔｏｒ）反射式技術(shù)相關(guān)。這三項(xiàng)技術(shù)已發(fā)展成熟，故ＬＣＯＳ可成為投影顯示技術(shù)的新主流。

圖 2 ＬＣＯＳ投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　另外還有一種離軸光學(xué)投影系統(tǒng)。入射光和反射光分開，不用PBS。而用偏振膜，對(duì)比度高，但體積稍微大一些。具體結(jié)構(gòu)見圖３。

圖 3 離軸光學(xué)投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示圖

　　2．3 ＬＣＯＳ技術(shù)特性

　　與穿透式ＨＴＰＳ－ＬＣＤ及ＤＬＰ相比，ＬＣＯＳ具有下列優(yōu)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(dá)４０％以上，與ＤＬＰ相當(dāng)，而穿透式ＬＣＤ僅有３－１０％而已。

　　體積小：ＬＣＯＳ可將驅(qū)動(dòng)ＩＣ等外圍線路完全整合至ＣＭＯＳ基板上，減少外圍ＩＣ的數(shù)目及封裝成本，并使體積縮小。

　　分辨率高：由于ＬＣＯＳ的晶體管及驅(qū)動(dòng)線路都制作于硅基板內(nèi)，位于反射面之下，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(dǎo)線皆占用開口面積，故理論上ＬＣＯＳ不論分辨率或開口率都會(huì)比穿透式ＬＣＤ高。分辨率普遍達(dá)到ＳＸＧＡ等級(jí)（１２８０×１０２４）

　　制造技術(shù)較成熟：ＬＣＯＳ的制作可分為前道的半導(dǎo)體ＣＭＯＳ制造及后道的液晶面板貼合封裝制造。前道的半導(dǎo)體ＣＭＯＳ制造已有成熟的設(shè)計(jì)、仿真、制作及測試技術(shù)，所以目前良率已可達(dá)９０％以上，成本極為低廉；至于后道的液晶面板貼合封裝制造，雖然據(jù)說目前的良率只有３０％，但由于液晶面板制造已發(fā)展得相當(dāng)成熟，理論上其良率提升速率應(yīng)遠(yuǎn)高于ＤＭＤ芯片，所以ＬＣＯＳ應(yīng)比ＤＬＰ更有機(jī)會(huì)取代穿透式ＨＴＰＳ－ＬＣＤ成為投影顯示技術(shù)的主流。

　　此外，ＬＣＯＳ還有一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，就是ＨＴＰＳ－ＬＣＤ目前是ＳＯＮＹ及ＳＥＩＫＯＥＰＳＯＮ擁有專利權(quán)，ＤＬＰ則是ＴＩ的獨(dú)家專利，而ＬＣＯＳ則無專利權(quán)的問題。現(xiàn)在臺(tái)灣的工研院光電所也已成功開發(fā)出ＬＣＯＳ，并正在申請(qǐng)專利中。由于臺(tái)灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，Ａｕｒｏｒａ及Ｋｏｐｉｎ就曾委托臺(tái)灣的聯(lián)電及聯(lián)友光電代工ＬＣＯＳ，所以臺(tái)灣業(yè)界一直寄希望發(fā)展ＬＣＯＳ技術(shù)做為其發(fā)展投影產(chǎn)品的最佳選擇。

　　目前ＬＣＯＳ市場定位在大屏幕投影顯示產(chǎn)品及ＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）上。目前業(yè)界普遍認(rèn)可：在顯示器市場２０"以下以ＬＣＤ為主流，ＰＤＰ可應(yīng)用于３０"－６０"產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴，投影顯示器適用于３０"－６０"以上的產(chǎn)品，具有解析度高，價(jià)格適中等優(yōu)勢。ＬＣＯＳ投影顯示技術(shù)則是落于上述投影顯示器市場；另外亦可作為直視元件，應(yīng)用在ＨＭＤ中。

　　ＬＣＯＳ可視為ＬＣＤ的一種，傳統(tǒng)的ＬＣＤ是做在玻璃基板上，但ＬＣＯＳ則是長在硅晶圓上。和ＬＣＯＳ的相對(duì)比的產(chǎn)品，最常用在投影機(jī)上的高溫多晶硅ＬＣＤ為代表。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則采用反射式投射，光利用效率可達(dá)４０％以上，且其最大的優(yōu)勢是可利用最廣泛使用、最便宜的ＣＭＯＳ制程，毋需額外的投資，并可隨半導(dǎo)體工藝流程快速的微細(xì)化，易于提高解析度。

三、ＬＣＯＳ的發(fā)展及面臨的問題

　　3．1 ＬＣＯＳ發(fā)展現(xiàn)狀

　　除了投影機(jī)市場外，ＬＣＯＳ同時(shí)也正虎視眈眈的看著直視型顯示器市場。事實(shí)上，ＬＣＯＳ是一個(gè)可以大小通吃的顯示技術(shù)：大尺寸的投影機(jī)市場如上所述，ＬＣＯＳ已具有最佳優(yōu)勢；ＬＣＯＳ若應(yīng)用于中小尺寸的直視型顯示器上，同樣具有以上所述的優(yōu)點(diǎn)，足以威脅現(xiàn)有的直視型ＴＦＴ－ＬＣＤ；甚至ＬＣＯＳ還具有進(jìn)軍微型顯示器市場的能力，如頭盔式裝置ＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）。美國ＣＭＤ、Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ、ｅ－Ｍａｇｉｃ、ｉｎＶｉｓｏ均已推出采用ＬＣＯＳ技術(shù)的單眼式ＨＭＤ產(chǎn)品。ＨＭＤ現(xiàn)行的主要應(yīng)用，除了特殊應(yīng)用如軍事用途、工程維修保養(yǎng)、或是娛樂用途外，人手一機(jī)的個(gè)人隨身信息顯示應(yīng)用，才是這些廠商長期規(guī)劃的最終目標(biāo)。

　　目前ＬＣＯＳ的發(fā)展業(yè)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。由于ＬＣＯＳ的開發(fā)涉及整個(gè)組件的設(shè)計(jì)、制造到光學(xué)系統(tǒng)的組合，有相當(dāng)高的進(jìn)入障礙，且每個(gè)業(yè)者所開發(fā)的ＬＣＯＳ各有專用的ＡＳＩＣ、光學(xué)引擎等，零組件及生產(chǎn)無法標(biāo)準(zhǔn)化，難達(dá)到量產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模；此外，目前ＬＣＯＳ的前道硅制造已可達(dá)９０％以上的良品率，但后道貼合玻璃基板、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(fā)展瓶頸。

　　3．2 發(fā)展ＬＣＯＳ面臨的課題

　　亟待建立標(biāo)準(zhǔn)化與上下游產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 目前ＬＣＯＳ的發(fā)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。由于ＬＣＯＳ在開發(fā)中涉及整個(gè)元件的設(shè)計(jì)、制造到光學(xué)系統(tǒng)的組合，有較高的技術(shù)門檻。且每個(gè)業(yè)者所開發(fā)的ＬＣＯＳ，各有專用的ＡＳＩＣ、光學(xué)引擎等，零組件和生產(chǎn)各自為陣，無法標(biāo)準(zhǔn)化，因此很難達(dá)到量產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，部份業(yè)者因無法提出全套的解決方案，致使產(chǎn)品無法順利推出而面臨財(cái)務(wù)危機(jī)。另外最大的障礙是合格率問題，ＬＣＯＳ前段的硅制造過程以０．３５ｕ工藝即可（也不需要作得更小了），目前良品率已可達(dá)９０％；后段加玻璃基板，抽入液晶，并加以切割、封裝的部份，目前良品率卻仍很低，僅約３０％左右。后段良品率制約ＬＣＯＳ的發(fā)展。

　　ＬＣＯＳ雖在投影機(jī)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(duì)比只有３００～５００：１，比其它技術(shù)差，同時(shí)在黑色的再現(xiàn)性上亦不理想。反倒是日本的ＪＶＣ所提供的ＬＣＯＳ面板，所運(yùn)用的Ｄ－ＩＣＡ技術(shù)，在黑色的再現(xiàn)性上表現(xiàn)較杰出，已使用在高檔家庭劇院上。雖然目前ＬＣＯＳ運(yùn)用在投影機(jī)上，大都以搭配ＰＣ用的前投影為主，唯其市場容納量有限，業(yè)界還是放眼在后投影電視上，尤其是ＨＤＴＶ。現(xiàn)行的后投影電視價(jià)格仍在２０００美元以上，且很難往下調(diào)降。Ｔｈｏｍｓｏｎ準(zhǔn)備采用Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ的ＬＣＯＳ，以ＲＣＡ品牌推出投影電視，目標(biāo)將價(jià)格降至以ＴＩ的ＤＭＤ為基礎(chǔ)的ＤＬＰ投影電視的一半。由于量還不大，相關(guān)的透鏡、彩色管理系統(tǒng)和其它零組件仍十分昂貴，在未來２－３年，ＬＣＯＳ后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(fā)的家電廠商已包括ＪＶＣ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、三星和ＬＧ等。部份日本業(yè)界評(píng)估２００５年ＬＣＯＳ在后投影電視的滲透率可達(dá)２０％。特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國上海華源和深圳創(chuàng)維已將ＬＣＯＳ作為重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對(duì)象。目前華源的ＬＣＯＳ投影儀也借助了臺(tái)灣的科技力量--華源也有自己的研發(fā)機(jī)構(gòu)，臺(tái)灣的世界顛峰提供技術(shù)上的一些支持。創(chuàng)維與中科院和臺(tái)灣蓮花電子合作，中科院光電研究所提供技術(shù)支持，它以技術(shù)入股的方式切入彩電產(chǎn)業(yè)，與創(chuàng)維聯(lián)手進(jìn)軍高端背投市場。蓮花電子作為ＬＣＯＳ晶片的上游供應(yīng)商，并同時(shí)接洽臺(tái)灣另一家企業(yè)，作為ＬＣＯＳ核心零部件----光學(xué)引擎的供應(yīng)商。當(dāng)前面臨的最大難題是盡快實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。才能質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的背投產(chǎn)品投向市場。

四、結(jié)論

　　ＬＣＯＳ作為新型顯示器件具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用產(chǎn)品被廣大消費(fèi)者和業(yè)內(nèi)人士看好，市場潛力無限。ＬＣＯＳ可能是ＨＤＴＶ的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向。隨著成本的不斷降低，ＬＣＯＳ應(yīng)用產(chǎn)品及其大屏幕顯示將會(huì)越來越多。

　　目前發(fā)展ＬＣＯＳ存在的問題一是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各家推出的ＬＣＯＳ應(yīng)用產(chǎn)品各具特色，專利技術(shù)也不一樣，相對(duì)來說上游配套產(chǎn)品也比較復(fù)雜，如光學(xué)鏡頭、光機(jī)、燈、屏幕等；二是ＬＣＯＳ制造工藝還存在瓶頸，良品率受制約，成本相對(duì)較高，因此從目前產(chǎn)品性能、價(jià)格與現(xiàn)有市場區(qū)分分析，現(xiàn)階段的ＬＣＯＳ技術(shù)還是難以與ＬＣＤ或ＤＬＰ技術(shù)相抗衡。但如果一旦形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，其優(yōu)良的性能和低廉的成本是其它產(chǎn)品無法與之競爭的。