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硅基液晶(LCOS)技术及其特点

导读: 曾经被很多业内人士视为一朵奇葩,但因为制造困难和成品率问题而屡遭挫折。不过,LCoS(硅基液晶)还是凭借其出色的显示特性在平板显示领域、尤其是投影和高清电视领域占有了一席之地。

        曾经被很多业内人士视为一朵奇葩,但因为制造困难和成品率问题而屡遭挫折。不过,LCoS(硅基液晶)还是凭借其出色的显示特性在平板显示领域、尤其是投影和高清电视领域占有了一席之地。

        显示新兵履历

        硅基液晶(LCoS)是一项相对新颖、而又相对鲜为人知的显示技术,如今正大举进入高清电视市场。真正给人深刻印象的是,与传统上先以表现平平的性能占据底层市场,而后追求上佳图像质量不同,LCoS一开始就在图像质量方面立足于高起点。LCoS在所有显示技术当中提供最高的分辨率、最高的非CRT 对比度以及最小失真的图像。对于图像闪烁及视觉疲劳的人来说,LCoS拥有最高的刷新率(120Hz),可获得画面最流畅、闪烁现象最少的图像。

        当然,LCoS事实上不是全新技术,因为这项技术开发已有十多年; 而自1998年以来,日本的JVC公司其实一直在交付采用该技术的高端、专业前投式投影仪,不过到目前为止规模仍然较小。LCoS技术设计制造非常困难,为数不少的公司已经放弃或者宣告失败: RCA旗下的汤姆逊公司在2001年生产出了第一款商用的LCoS高清电视,随后东芝(采用日立的LCoS芯片)和飞利浦公司亦步亦趋,不过到2004年 10月所有这些厂商都中途退出; 2004年1月,英特尔宣布将开始生产LCoS面板,这让整个业界大跌眼镜,不过随后它在2004年10月终止了项目,根本没有交付任何产品。因而,LCoS的未来遭到了许多分析师的质疑,不过现在情况已经发生了变化。

        JVC在2004年7月发布了第一款背投式1280×720高清电视,这标志着第二代LCoS开始问世。随后索尼在2005年1月加入了这一行列,推出了高端的1920×1080 Qualia设备。Brillian紧随其后,开始在2005年年中交付其1280×720产品。到目前为止,全球可以购买的LCoS高清电视只有寥寥几款。不过,JVC和索尼最近宣布推出各自的第二代高清电视,LG公司宣布推出第一代产品(采用SpatiaLight公司的LCoS面板)。日立公司是 LCoS领域的另一个重要厂商,不过它无限期推迟了原定于2005年11月推出的60英寸和70英寸的LCoS高清电视。

        技术原理

        LCoS是使用液晶来控制图像中像素亮度的最新显示技术。最常见的几种液晶技术应用于大尺寸非晶硅液晶面板,这类面板用于计算机显示器、普通电视和高清电视。它们的尺寸通常从5英寸直到82英寸(这是截至2006年1月的最高记录)。另一种就是尺寸小得多的高温多晶硅面板,这类面板用于视频和数据投影仪。它们的尺寸只有1英寸左右,应用于各种大屏幕液晶背投电视和高清电视。在这两种技术当中,光源都在面板后面,光线必须完全通过面板从背面传送到正面,包括通过面板内用来控制一个个像素的所有电子电路和部件。这会挡住许多光,从而在像素之间形成间隙。分辨率越高,这个问题就越严重; 第二个重大问题就是,液晶需要比较厚,那样才能够提供高对比度。而这会减慢响应时间,这样如果图像里面出现运动或者变化,就会导致出现一些拖尾现象(smearing)。

        LCoS的工作原理就是使用液晶层背面的反射镜,那样光从正面进来后,通过液晶传送,经由反射镜的反射,然后第二次通过液晶一路传送到屏幕。这需要一些稍微复杂的光学器件,不过效果非常好。它具有显而易见的优点: 所有的电子元件都在反射镜后面,那样它们就完全不会遮挡光线。背面还有许多空间,那样就有可能获得极高的分辨率,而LCoS技术生产出来的设备在所有显示技术当中已经拥有最高的分辨率。因为光两次通过液晶传送,所以可提供高对比度,厚度又相当薄,这就显著缩短了响应时间,大大减少了拖尾现象。

那么它是如何工作的呢?液晶可以旋转光的偏振方向,而旋转次数可通过电磁场来控制。每个像素的电磁场由反射镜后面的硅芯片来形成。实际上,反射镜是硅芯片的最上面一层,液晶又直接覆在反射镜上——这就是“硅基液晶”一名的由来。大多数面板的尺寸在四分之三英寸左右。为了生成图像,偏振光源对准面板。只要改变像素所在位置的电磁场,就可以改变每个像素的亮度。可以旋转本地光的偏振方向,然后利用偏振滤光片挡住已被旋转的那部分光。生成电磁场的硅芯片其工作原理其实酷似计算机的内存芯片,排列成众多行列交错的像素。每个像素有对应的内存位置。图1显示了LCoS面板的剖面图。

 

        正如与其他所有显示技术一样,LCoS领域的每家厂商都有各自的专有实现方案,都给自己的技术取了特别的营销用语,这在表1和表2中已有列明。所有生产商都特别提到: 自己使用采用无机配向膜的垂直配向向列型液晶(Vertically Aligned Nematic Liquid Crystal)。垂直配向提高了对比度,同时在驱动信号为零时,让屏幕的颜色黑得自然。无机配向膜消除了早期的有机配向膜所存在的老化问题,所以如今所有这些LCoS技术的使用寿命都非常长。

        表2列出了每家生产商提供的采用更高级技术的1080 LCoS面板的规格说明。索尼的两款产品中有一款是采用第一代面板的Qualia 004和006产品,另一款是在2005年8月宣布的采用第二代面板的XBR产品。

        主要技术参数

        面板对比度(Panel Contrast Ratio)恐怕是表当中最重要的值,因为高清电视屏幕的对比度总是小于面板的值。像素间距(Pixel Pitch)是指面板上像素的中心距离。而像素间隙(Inter-Pixel Gap)是指像素之间的非活动空间。填充因子(Fill Factor)有时叫作开口率(Aperture Ratio),这是指处于活动状态的像素区域所占的百分比,因为该百分比接近100%,所以屏幕上像素间的间隙通常不会被注意到。DLP微显示器的填充因子最多高出几个百分点,但高温多晶硅液晶投影仪面板的值通常小得多,在50%到70%之间,所以其像素结构往往感觉不到。

        使用寿命(Lifetime)这个值包括许多因素,不过只能通过对实验结果试测进行推断,利用统计方法进行估计。所有提供的值都超过10万小时,也就是说,每天24小时工作可以连续使用11年之久。LCoS使用中最大的问题就是随着时间的流逝,亮度或者对比度会逐渐减小,这就是所谓的老化现象。所有生产商都声称,信号电平是指面板电路板中用于控制LCoS设备的数据位这一数字。所用的数据位越多,灰度就越流畅,出现假轮廓的可能性也就越小。

        响应时间(Response Time)是行业标准,它明确规定了像素从黑色变成白色所需的时间(名为上升时间或Ton)加上像素从白色变成黑色所需的时间(名为下降时间或Toff)之和。响应时间这一指标表明了图像的变化速度有多快,从一定程度上表明了运动图像中出现运动拖尾(motion smear)的可能性。

        一般来说,数值越小越好,不过运动拖尾涉及众多因素。遗憾的是,有些生产厂商公布的响应时间其实是指上升时间和下降时间的平均值而不是两者之和。这样一来,让人觉得它要比实际速度快一倍。所以,在阅读响应时间参数时要格外小心——确保你清楚生产厂商在采用什么方法(譬如说,索尼的Qualia SXRD面板把总时间5毫秒作为响应时间参数,而最新款的XBR SXRD面板却把平均值2.5毫秒作为响应时间,所以让人觉得后者的速度是前者的两倍,但实际上不是)。表2中列出了上升时间和下降时间,帮助澄清这个问题。

        对LCoS及基于液晶的其他所有技术而言,控制每个像素的物理过程实际上是模拟过程。这是一个优点,因为人的视觉涉及的也是模拟过程。这就消除了完全数字的显示技术如DLP和等离子所存在的混色失真(dithering artifact)问题。不过,其实有可能为面板设计出这样的硅背板: 利用模拟电压或者脉冲宽度调制(PWM)都可以工作。PWM其实是数字信号。最终结果就是,液晶仍是模拟响应,但可以用两种全然不同的方法来实现,各有其优缺点(数字方法就好比普通的调光器如何使用电脉冲来控制模拟钨丝灯泡)。

        表1和表2中的设备控制这项列出了每个设备所采用的方法。数字背板的成品率通常比较高,因而生产起来比较容易(不过并非所有生产厂商都认同这种说法),另外相关的驱动电子器件也比较便宜。不过,目前利用数字控制实现流畅的灰色却比较难(尤其是灰度的暗端部分),所以这就是为什么大多数机型都采用模拟背板。

        光学器件和电子器件

        除了面板外,LCoS高清电视还有另外诸多重要部件。投影光引擎(Projection Light Engine)包含从灯泡到投影透镜的所有光学器件,它首先准备了用于照射微型LCoS面板的光束,然后以大约80∶1的线性因子对图像进行放大,这相当于屏幕区域中的6400∶1(以典型的对角线长度为60英寸的屏幕为例)。投影光引擎采用的技术与LCoS面板本身同样让人叹为观止,而且对用户在屏幕上看到的图像和画面质量而言同样重要。它通常是任何投影高清电视里面最昂贵的一个器件。

        图2显示了投影光引擎的图片。需要注意的是,所有的这种高清电视都使用三块LCoS面板,红、绿、蓝每个基色通道各用一块,然后一组棱镜用来把三种基色重新组合成单一光束,显示在投影透镜的正前方。屏幕本身是光学系统中的另一个重要部件,它对图像和画面质量也起着极为重要的影响,高质量的屏幕价格不菲。另外还有两个重要的光学部件: 投影透镜,它与吸收杂散光的屏幕之间形成非常暗的内部空间; 机壳背面的正面平面反射镜,它负责把光线从投影透镜传送至屏幕。


 

3)数字高清微显彩电技术不断提高
LCD微显彩电
  由于LCD背投是采用透射式液晶,开口率比较低,原来只有54%,今年我们到日本爱普生访问,该企业已推出D5代液晶,开口率提高到70%,对比度提高了50%,亮度也有很大的提高;采用无机定向膜开发液晶(HTPS)的新技术,进一步提高了开口率,改进对比度,提高了黑色再现能力,使图像更加精细,画面更加清晰,更真实地重现自然图像,爱普生将这项技术称为“水晶高清精细(Crystal Clear Fine)”技术。
  日本SONY公司最近推出物理分辨力为1920×1080 50英寸3LCD数字高清微显彩电,每台售价仅人民币17000元,在性价比上很 竞争力的。
②DLP微显彩电
  美国TI公司为改进单片DLP投影机的彩色还原性较差的问题,采用Brilliant Color(极致彩色)的新色彩处理技术,即采用R、G、B三基色和相应补色青、品红、黄六段色轮,在色域和色饱和度上有一定的提高,可提高亮度 20~40%;采用Darkchip技术即在微镜下面增加黑色涂镀层,减少光反射,减少像素间的间隙和支持机械装置的孔径,提高对比度和亮度;为了满足 1080p高清晰度数字电视的要求并降低芯片成本,TI开发出了用类似以960×1080微镜阵列来显示1920×1080(即1080p)画面,称之为 “平滑画面”技术,其核心是利用DLP微镜单元-12,0和+12度的三个平衡角位,在一对对称的像素位置上,通过脉冲宽度调制(PWM)产生一定灰度白或黑的像元,而剩余的一个角位用作双像素全黑的光阀关短状态,从而取得单一微镜双像素显示的功效。
LCOS微显彩电
  由于LCOS可以说是吸收LCD与DLP优点而研发出的成像器件,它是反射式液晶,开口率高,因此它具有分辨力高、像素面积占有率高、光耗小、响应速度快、体积小、重量轻等优点,是1080p高清晰度数字电视最佳的显示技术。近来封装成品率有所提高,特别是光学引擎改进很快。三片机主要有 IBM,Colorlinlc,3M,示创,Jdsu;单片有时序彩色和卷帘式以及美国永锡科技介于两者之间的新彩色控制方法。示创,Jdsu三片光学引擎方案都表明是低成本方案,Jdsu认为其光学引擎与3LCD结构相近,示创认为其光学引擎方案是性价比较好的方案,参见表一、图三、四、五。
       
         表一:主要LCOS光学引擎架构介绍  

     

①成像器件
  LCD、DLP、LCOS三种微显示成像器件情况各有不相同:
A)LCD成像器件掌握在日本索尼、爱普生和南韩日进三个企业手中;
B)DMD成像器件,全世界只有美国TI公司生产;
C)LCOS成像器件,这是一种技术开放式的器件,尚未被某企业所垄断。
②光源
  这是数字高清微显彩电应对挑战很重要的关键件,因为超高压汞灯延长寿命工作一时难以解决,加之国外生产超高压汞灯的企业不给维修单位销售灯泡,致使灯泡几经转手,价格高出2-3倍卖给消费者,这是不少消费者不愿意购买数字高清微显彩电电视的原因,也是有些人贬低数字高清微显彩电的藉口。
  在光源问题上,我们采取以下措施:
  a)鼓励国内超高压汞灯生产企业提高质量。
  b)开发新的光源。
  c)加强微显示背投电视灯泡的售后服务,保证消费者不因灯泡损坏而受到损失。
  d)加速灯泡标准制定工作。
③光学引擎
  国内研发和生产数字高清微显彩电光学引擎的企业(包括外资企业)有三十家左右,除外资的独资、合资、合作的企业外,大多没有规模生产,为了应对平板电视降价的挑战,必须使国内研发和生产数字高清微显彩电光学引擎产业化,从而提高质量,降低成本,我们准备结合光学引擎制定标准的机会,选择条件较好的企业,支持其加速产业化。
④背投屏幕
  国产背投屏幕和进口屏幕价格相差很大,国内研发和生产背投屏幕企业共有十家左右,但只有少数单位能提供背投电视屏幕,而背投屏幕本地化是降低数字高清微显彩电成本重要措施之一,为了应对挑战,必须支持条件好的企业形成规模生产。

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