1 引言

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 TFT LCD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。

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。

2、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，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是直接与显像管投影技术、高温多晶硅液晶穿透式投影技术、ＤＭＤ数据光学处理反射式技术相关。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ＳＥＩＫＯ ＥＰＳＯＮ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（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）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。