硅基液晶（LCOS）技術(shù)及其特點(diǎn)

曾經(jīng)被很多業(yè)內(nèi)人士視為一朵奇葩，但因?yàn)橹圃炖щy和成品率問(wèn)題而屢遭挫折。不過(guò)，LCoS（硅基液晶）還是憑借其出色的顯示特性在平板顯示領(lǐng)域、尤其是投影和高清電視領(lǐng)域占有了一席之地。

顯示新兵履歷

硅基液晶（LCoS）是一項(xiàng)相對(duì)新穎、而又相對(duì)鮮為人知的顯示技術(shù)，如今正大舉進(jìn)入高清電視市場(chǎng)。真正給人深刻印象的是，與傳統(tǒng)上先以表現(xiàn)平平的性能占據(jù)底層市場(chǎng)，而后追求上佳圖像質(zhì)量不同，LCoS一開(kāi)始就在圖像質(zhì)量方面立足于高起點(diǎn)。LCoS在所有顯示技術(shù)當(dāng)中提供最高的分辨率、最高的非CRT 對(duì)比度以及最小失真的圖像。對(duì)于圖像閃爍及視覺(jué)疲勞的人來(lái)說(shuō)，LCoS擁有最高的刷新率（120Hz），可獲得畫面最流暢、閃爍現(xiàn)象最少的圖像。

當(dāng)然，LCoS事實(shí)上不是全新技術(shù)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)已有十多年; 而自1998年以來(lái)，日本的JVC公司其實(shí)一直在交付采用該技術(shù)的高端、專業(yè)前投式投影儀，不過(guò)到目前為止規(guī)模仍然較小。LCoS技術(shù)設(shè)計(jì)制造非常困難，為數(shù)不少的公司已經(jīng)放棄或者宣告失敗: RCA旗下的湯姆遜公司在2001年生產(chǎn)出了第一款商用的LCoS高清電視，隨后東芝（采用日立的LCoS芯片）和飛利浦公司亦步亦趨，不過(guò)到2004年 10月所有這些廠商都中途退出; 2004年1月，英特爾宣布將開(kāi)始生產(chǎn)LCoS面板，這讓整個(gè)業(yè)界大跌眼鏡，不過(guò)隨后它在2004年10月終止了項(xiàng)目，根本沒(méi)有交付任何產(chǎn)品。因而，LCoS的未來(lái)遭到了許多分析師的質(zhì)疑，不過(guò)現(xiàn)在情況已經(jīng)發(fā)生了變化。

JVC在2004年7月發(fā)布了第一款背投式1280×720高清電視，這標(biāo)志著第二代LCoS開(kāi)始問(wèn)世。隨后索尼在2005年1月加入了這一行列，推出了高端的1920×1080 Qualia設(shè)備。Brillian緊隨其后，開(kāi)始在2005年年中交付其1280×720產(chǎn)品。到目前為止，全球可以購(gòu)買的LCoS高清電視只有寥寥幾款。不過(guò)，JVC和索尼最近宣布推出各自的第二代高清電視，LG公司宣布推出第一代產(chǎn)品（采用SpatiaLight公司的LCoS面板）。日立公司是 LCoS領(lǐng)域的另一個(gè)重要廠商，不過(guò)它無(wú)限期推遲了原定于2005年11月推出的60英寸和70英寸的LCoS高清電視。

技術(shù)原理

LCoS是使用液晶來(lái)控制圖像中像素亮度的最新顯示技術(shù)。最常見(jiàn)的幾種液晶技術(shù)應(yīng)用于大尺寸非晶硅液晶面板，這類面板用于計(jì)算機(jī)顯示器、普通電視和高清電視。它們的尺寸通常從5英寸直到82英寸（這是截至2006年1月的最高記錄）。另一種就是尺寸小得多的高溫多晶硅面板，這類面板用于視頻和數(shù)據(jù)投影儀。它們的尺寸只有1英寸左右，應(yīng)用于各種大屏幕液晶背投電視和高清電視。在這兩種技術(shù)當(dāng)中，光源都在面板后面，光線必須完全通過(guò)面板從背面?zhèn)魉偷秸?，包括通過(guò)面板內(nèi)用來(lái)控制一個(gè)個(gè)像素的所有電子電路和部件。這會(huì)擋住許多光，從而在像素之間形成間隙。分辨率越高，這個(gè)問(wèn)題就越嚴(yán)重; 第二個(gè)重大問(wèn)題就是，液晶需要比較厚，那樣才能夠提供高對(duì)比度。而這會(huì)減慢響應(yīng)時(shí)間，這樣如果圖像里面出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者變化，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一些拖尾現(xiàn)象（smearing）。

LCoS的工作原理就是使用液晶層背面的反射鏡，那樣光從正面進(jìn)來(lái)后，通過(guò)液晶傳送，經(jīng)由反射鏡的反射，然后第二次通過(guò)液晶一路傳送到屏幕。這需要一些稍微復(fù)雜的光學(xué)器件，不過(guò)效果非常好。它具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn): 所有的電子元件都在反射鏡后面，那樣它們就完全不會(huì)遮擋光線。背面還有許多空間，那樣就有可能獲得極高的分辨率，而LCoS技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備在所有顯示技術(shù)當(dāng)中已經(jīng)擁有最高的分辨率。因?yàn)楣鈨纱瓮ㄟ^(guò)液晶傳送，所以可提供高對(duì)比度，厚度又相當(dāng)薄，這就顯著縮短了響應(yīng)時(shí)間，大大減少了拖尾現(xiàn)象。

那么它是如何工作的呢？液晶可以旋轉(zhuǎn)光的偏振方向，而旋轉(zhuǎn)次數(shù)可通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)控制。每個(gè)像素的電磁場(chǎng)由反射鏡后面的硅芯片來(lái)形成。實(shí)際上，反射鏡是硅芯片的最上面一層，液晶又直接覆在反射鏡上——這就是“硅基液晶”一名的由來(lái)。大多數(shù)面板的尺寸在四分之三英寸左右。為了生成圖像，偏振光源對(duì)準(zhǔn)面板。只要改變像素所在位置的電磁場(chǎng)，就可以改變每個(gè)像素的亮度。可以旋轉(zhuǎn)本地光的偏振方向，然后利用偏振濾光片擋住已被旋轉(zhuǎn)的那部分光。生成電磁場(chǎng)的硅芯片其工作原理其實(shí)酷似計(jì)算機(jī)的內(nèi)存芯片，排列成眾多行列交錯(cuò)的像素。每個(gè)像素有對(duì)應(yīng)的內(nèi)存位置。圖1顯示了LCoS面板的剖面圖。

正如與其他所有顯示技術(shù)一樣，LCoS領(lǐng)域的每家廠商都有各自的專有實(shí)現(xiàn)方案，都給自己的技術(shù)取了特別的營(yíng)銷用語(yǔ)，這在表1和表2中已有列明。所有生產(chǎn)商都特別提到: 自己使用采用無(wú)機(jī)配向膜的垂直配向向列型液晶（Vertically Aligned Nematic Liquid Crystal）。垂直配向提高了對(duì)比度，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零時(shí)，讓屏幕的顏色黑得自然。無(wú)機(jī)配向膜消除了早期的有機(jī)配向膜所存在的老化問(wèn)題，所以如今所有這些LCoS技術(shù)的使用壽命都非常長(zhǎng)。

表2列出了每家生產(chǎn)商提供的采用更高級(jí)技術(shù)的1080 LCoS面板的規(guī)格說(shuō)明。索尼的兩款產(chǎn)品中有一款是采用第一代面板的Qualia 004和006產(chǎn)品，另一款是在2005年8月宣布的采用第二代面板的XBR產(chǎn)品。

主要技術(shù)參數(shù)

面板對(duì)比度（Panel Contrast Ratio）恐怕是表當(dāng)中最重要的值，因?yàn)楦咔咫娨暺聊坏膶?duì)比度總是小于面板的值。像素間距（Pixel Pitch）是指面板上像素的中心距離。而像素間隙（Inter-Pixel Gap）是指像素之間的非活動(dòng)空間。填充因子（Fill Factor）有時(shí)叫作開(kāi)口率（Aperture Ratio），這是指處于活動(dòng)狀態(tài)的像素區(qū)域所占的百分比，因?yàn)樵摪俜直冉咏?00%，所以屏幕上像素間的間隙通常不會(huì)被注意到。DLP微顯示器的填充因子最多高出幾個(gè)百分點(diǎn)，但高溫多晶硅液晶投影儀面板的值通常小得多，在50%到70%之間，所以其像素結(jié)構(gòu)往往感覺(jué)不到。

使用壽命（Lifetime）這個(gè)值包括許多因素，不過(guò)只能通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果試測(cè)進(jìn)行推斷，利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行估計(jì)。所有提供的值都超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，也就是說(shuō)，每天24小時(shí)工作可以連續(xù)使用11年之久。LCoS使用中最大的問(wèn)題就是隨著時(shí)間的流逝，亮度或者對(duì)比度會(huì)逐漸減小，這就是所謂的老化現(xiàn)象。所有生產(chǎn)商都聲稱，信號(hào)電平是指面板電路板中用于控制LCoS設(shè)備的數(shù)據(jù)位這一數(shù)字。所用的數(shù)據(jù)位越多，灰度就越流暢，出現(xiàn)假輪廓的可能性也就越小。[!--empirenews.page--]

響應(yīng)時(shí)間（Response Time）是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它明確規(guī)定了像素從黑色變成白色所需的時(shí)間（名為上升時(shí)間或Ton）加上像素從白色變成黑色所需的時(shí)間（名為下降時(shí)間或Toff）之和。響應(yīng)時(shí)間這一指標(biāo)表明了圖像的變化速度有多快，從一定程度上表明了運(yùn)動(dòng)圖像中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)拖尾（motion smear）的可能性。

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)值越小越好，不過(guò)運(yùn)動(dòng)拖尾涉及眾多因素。遺憾的是，有些生產(chǎn)廠商公布的響應(yīng)時(shí)間其實(shí)是指上升時(shí)間和下降時(shí)間的平均值而不是兩者之和。這樣一來(lái)，讓人覺(jué)得它要比實(shí)際速度快一倍。所以，在閱讀響應(yīng)時(shí)間參數(shù)時(shí)要格外小心——確保你清楚生產(chǎn)廠商在采用什么方法（譬如說(shuō)，索尼的Qualia SXRD面板把總時(shí)間5毫秒作為響應(yīng)時(shí)間參數(shù)，而最新款的XBR SXRD面板卻把平均值2.5毫秒作為響應(yīng)時(shí)間，所以讓人覺(jué)得后者的速度是前者的兩倍，但實(shí)際上不是）。表2中列出了上升時(shí)間和下降時(shí)間，幫助澄清這個(gè)問(wèn)題。

對(duì)LCoS及基于液晶的其他所有技術(shù)而言，控制每個(gè)像素的物理過(guò)程實(shí)際上是模擬過(guò)程。這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槿说囊曈X(jué)涉及的也是模擬過(guò)程。這就消除了完全數(shù)字的顯示技術(shù)如DLP和等離子所存在的混色失真（dithering artifact）問(wèn)題。不過(guò)，其實(shí)有可能為面板設(shè)計(jì)出這樣的硅背板: 利用模擬電壓或者脈沖寬度調(diào)制（PWM）都可以工作。PWM其實(shí)是數(shù)字信號(hào)。最終結(jié)果就是，液晶仍是模擬響應(yīng)，但可以用兩種全然不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)（數(shù)字方法就好比普通的調(diào)光器如何使用電脈沖來(lái)控制模擬鎢絲燈泡）。

表1和表2中的設(shè)備控制這項(xiàng)列出了每個(gè)設(shè)備所采用的方法。數(shù)字背板的成品率通常比較高，因而生產(chǎn)起來(lái)比較容易（不過(guò)并非所有生產(chǎn)廠商都認(rèn)同這種說(shuō)法），另外相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電子器件也比較便宜。不過(guò)，目前利用數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)流暢的灰色卻比較難（尤其是灰度的暗端部分），所以這就是為什么大多數(shù)機(jī)型都采用模擬背板。

光學(xué)器件和電子器件

除了面板外，LCoS高清電視還有另外諸多重要部件。投影光引擎（Projection Light Engine）包含從燈泡到投影透鏡的所有光學(xué)器件，它首先準(zhǔn)備了用于照射微型LCoS面板的光束，然后以大約80∶1的線性因子對(duì)圖像進(jìn)行放大，這相當(dāng)于屏幕區(qū)域中的6400∶1（以典型的對(duì)角線長(zhǎng)度為60英寸的屏幕為例）。投影光引擎采用的技術(shù)與LCoS面板本身同樣讓人嘆為觀止，而且對(duì)用戶在屏幕上看到的圖像和畫面質(zhì)量而言同樣重要。它通常是任何投影高清電視里面最昂貴的一個(gè)器件。

圖2顯示了投影光引擎的圖片。需要注意的是，所有的這種高清電視都使用三塊LCoS面板，紅、綠、藍(lán)每個(gè)基色通道各用一塊，然后一組棱鏡用來(lái)把三種基色重新組合成單一光束，顯示在投影透鏡的正前方。屏幕本身是光學(xué)系統(tǒng)中的另一個(gè)重要部件，它對(duì)圖像和畫面質(zhì)量也起著極為重要的影響，高質(zhì)量的屏幕價(jià)格不菲。另外還有兩個(gè)重要的光學(xué)部件: 投影透鏡，它與吸收雜散光的屏幕之間形成非常暗的內(nèi)部空間; 機(jī)殼背面的正面平面反射鏡，它負(fù)責(zé)把光線從投影透鏡傳送至屏幕。

3）數(shù)字高清微顯彩電技術(shù)不斷提高
①LCD微顯彩電
由于LCD背投是采用透射式液晶，開(kāi)口率比較低，原來(lái)只有54%，今年我們到日本愛(ài)普生訪問(wèn)，該企業(yè)已推出D5代液晶，開(kāi)口率提高到70%，對(duì)比度提高了50%，亮度也有很大的提高；采用無(wú)機(jī)定向膜開(kāi)發(fā)液晶（HTPS）的新技術(shù)，進(jìn)一步提高了開(kāi)口率，改進(jìn)對(duì)比度，提高了黑色再現(xiàn)能力，使圖像更加精細(xì)，畫面更加清晰，更真實(shí)地重現(xiàn)自然圖像，愛(ài)普生將這項(xiàng)技術(shù)稱為“水晶高清精細(xì)（Crystal Clear Fine）”技術(shù)。
日本SONY公司最近推出物理分辨力為1920×1080 50英寸3LCD數(shù)字高清微顯彩電，每臺(tái)售價(jià)僅人民幣17000元，在性價(jià)比上很 競(jìng)爭(zhēng)力的。
②DLP微顯彩電
美國(guó)TI公司為改進(jìn)單片DLP投影機(jī)的彩色還原性較差的問(wèn)題，采用Brilliant Color（極致彩色）的新色彩處理技術(shù)，即采用R、G、B三基色和相應(yīng)補(bǔ)色青、品紅、黃六段色輪，在色域和色飽和度上有一定的提高，可提高亮度 20~40%；采用Darkchip技術(shù)即在微鏡下面增加黑色涂鍍層，減少光反射，減少像素間的間隙和支持機(jī)械裝置的孔徑，提高對(duì)比度和亮度；為了滿足 1080p高清晰度數(shù)字電視的要求并降低芯片成本，TI開(kāi)發(fā)出了用類似以960×1080微鏡陣列來(lái)顯示1920×1080（即1080p）畫面，稱之為 “平滑畫面”技術(shù)，其核心是利用DLP微鏡單元-12，0和+12度的三個(gè)平衡角位，在一對(duì)對(duì)稱的像素位置上，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）產(chǎn)生一定灰度白或黑的像元，而剩余的一個(gè)角位用作雙像素全黑的光閥關(guān)短狀態(tài)，從而取得單一微鏡雙像素顯示的功效。
③LCOS微顯彩電
由于LCOS可以說(shuō)是吸收LCD與DLP優(yōu)點(diǎn)而研發(fā)出的成像器件，它是反射式液晶，開(kāi)口率高，因此它具有分辨力高、像素面積占有率高、光耗小、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，是1080p高清晰度數(shù)字電視最佳的顯示技術(shù)。近來(lái)封裝成品率有所提高，特別是光學(xué)引擎改進(jìn)很快。三片機(jī)主要有 IBM，Colorlinlc，3M，示創(chuàng)，Jdsu；單片有時(shí)序彩色和卷簾式以及美國(guó)永錫科技介于兩者之間的新彩色控制方法。示創(chuàng)，Jdsu三片光學(xué)引擎方案都表明是低成本方案，Jdsu認(rèn)為其光學(xué)引擎與3LCD結(jié)構(gòu)相近，示創(chuàng)認(rèn)為其光學(xué)引擎方案是性價(jià)比較好的方案，參見(jiàn)表一、圖三、四、五。

　表一：主要LCOS光學(xué)引擎架構(gòu)介紹 　

①成像器件
LCD、DLP、LCOS三種微顯示成像器件情況各有不相同：
A）LCD成像器件掌握在日本索尼、愛(ài)普生和南韓日進(jìn)三個(gè)企業(yè)手中；
B）DMD成像器件，全世界只有美國(guó)TI公司生產(chǎn)；
C）LCOS成像器件，這是一種技術(shù)開(kāi)放式的器件，尚未被某企業(yè)所壟斷。
②光源
這是數(shù)字高清微顯彩電應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)很重要的關(guān)鍵件，因?yàn)槌邏汗療粞娱L(zhǎng)壽命工作一時(shí)難以解決，加之國(guó)外生產(chǎn)超高壓汞燈的企業(yè)不給維修單位銷售燈泡，致使燈泡幾經(jīng)轉(zhuǎn)手，價(jià)格高出2-3倍賣給消費(fèi)者，這是不少消費(fèi)者不愿意購(gòu)買數(shù)字高清微顯彩電電視的原因，也是有些人貶低數(shù)字高清微顯彩電的藉口。[!--empirenews.page--]
在光源問(wèn)題上，我們采取以下措施：
a）鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)超高壓汞燈生產(chǎn)企業(yè)提高質(zhì)量。
b）開(kāi)發(fā)新的光源。
c）加強(qiáng)微顯示背投電視燈泡的售后服務(wù)，保證消費(fèi)者不因燈泡損壞而受到損失。
d）加速燈泡標(biāo)準(zhǔn)制定工作。
③光學(xué)引擎
國(guó)內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)數(shù)字高清微顯彩電光學(xué)引擎的企業(yè)（包括外資企業(yè)）有三十家左右，除外資的獨(dú)資、合資、合作的企業(yè)外，大多沒(méi)有規(guī)模生產(chǎn)，為了應(yīng)對(duì)平板電視降價(jià)的挑戰(zhàn)，必須使國(guó)內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)數(shù)字高清微顯彩電光學(xué)引擎產(chǎn)業(yè)化，從而提高質(zhì)量，降低成本，我們準(zhǔn)備結(jié)合光學(xué)引擎制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)，選擇條件較好的企業(yè)，支持其加速產(chǎn)業(yè)化。
④背投屏幕
國(guó)產(chǎn)背投屏幕和進(jìn)口屏幕價(jià)格相差很大，國(guó)內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)背投屏幕企業(yè)共有十家左右，但只有少數(shù)單位能提供背投電視屏幕，而背投屏幕本地化是降低數(shù)字高清微顯彩電成本重要措施之一，為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，必須支持條件好的企業(yè)形成規(guī)模生產(chǎn)。