2013年液晶硅显示（LCOS）技术分析

    内容摘要：LCOS是一种全新的数码成像技术，也叫数字硅基反射液晶显示技术。

    LCOS是liquid crystal on silicon的缩写，即液晶硅显示，亦称硅晶，是一种新型微显示技术。LCOS是一种全新的数码成像技术，也叫数字硅基反射液晶显示技术。

    它采用半导体CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片，液晶材料涂于CMOS硅芯片表层，芯片包含了控制电路，并在表层涂有反射层。在芯片外部或者内圈设置有隔离器以保持盒厚的均匀性，盒厚只有1mm左右，取向层可以确保液晶分子取向一致。由于液晶需通过一部分电流，因而在晶体上部加设了一个次级透明电极，玻璃基板用以保护液晶和稳定液晶的位置。

    LCOS面板的结构有些类似TFT LCD，一样是在上下二层基板中间散布spacer用来加以隔绝后，再填充液晶于基板间形成光阀，由电路的开关以推动液晶分子的旋转，从而决定画面的明与暗。LCOS面板的上基板是ITO导电玻璃，下基板则是硅晶圆CMOS基板，LCOS面板最大的特色在于下基板的材质是单晶硅，因此拥有良好的电子迁移率。

    氧化铟锡（ITO）膜具有优良的可见光透过率和电导率，较高的机械强度和化学稳定性，是平板显示器以及电子仪表的透明电极最常用的材料。通常采用0.7mm或1.1mm厚度的浮法玻璃基板，采用溅射工艺在玻璃基板上沉积一层ITO透明导电薄膜，导电玻璃的方块电阻随ITO薄膜厚度的增加而减小，但光透过率也随薄膜厚度的增加而下降。

    在制盒工艺阶段，LCOS 硅基晶圆和 ITO 玻璃基板首先都要经过清洗、涂覆液晶取向剂及实施取向等工艺；接下来密封胶圈既可以布局在LCOS硅基晶圆上，也可以涂覆在ITO 玻璃基板上；然后使用专制的贴合压力机按照对准标志将ITO 玻璃基板与LCOS硅基晶圆粘合，接着利用真空设备向液晶盒内灌注液晶材料，最后封堵灌注口。

    LCOS投影系统是一个复杂的系统，由许多部分组成，主要有三片式显示和单片式显示两个方面。

    三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、绿、蓝光后，再分别将光束投射入三片LCOS面板，将投射出的三色影像经过合光系统加以结合形成彩色影像。由于三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外，还结合多项的分光、合光光学系统，因此体积较大、成本也较高,不过由于可以达到较高的光学效率，又具备高画质的特性，因此主要向专业用途发展，目前主要有ColorLink采用的ColorQuard架构、Philips的Prism架构，致伸发展的Dichroic PBS架构， 及Unaxis的ColorCorner架构等。

    单片式色轮光学引擎则是以快速旋转的色轮（ColorSwitch)将白光形成循序的红、蓝、绿光,并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画面,同步形成分色影像,再藉由人眼视觉暂留的特性，最后在人脑产生彩色的投影画面。类似的技术有:Displaytech发表的场顺序彩色(field sequential color)、Philip 所采用的 scrolling color rotating prism架构及JVC 采用的spatial color hologram架构。

    单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，加上分光、合光的系统架构比较简单，因此在成本上较具竞争优势，而且光学引擎的空间也相对较小。然而目前在技术上面临一些困难，以色轮而言，白光经偏极化后的光源仅为先前的1/3,亮度明显降低；此外， 由于 LCOS 面板须在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，因此面板反应速度的要求更高, 使得生产的难度也相应提高。

    我国应重点开展 LCOS 微型显示器及其配套的半导体激光器、光学引擎、高亮度 LED光源的研制，突破 LCOS 芯片设计与检测技术、液晶封装与结构设计技术、氧化铟锡(ITO) 玻璃基板设计和制造技术、氮化镓基蓝光激光器工程化技术以及微型投影模块及其应用产品的批量生产技术等关键和核心技术。

    市场上可见的LCOS显示产品大致分为3类：高清大屏幕投影机、便携式微型投影机以及近眼显示器，亦称为头戴显示器（HMD）。