新型微显示技术课件

一种新的微显示技术数字硅基反射液晶数字硅基反射液晶(LCOS)显示技术的进展显示技术的进展中国科学院广州电子技术研究所中国科学院广州电子技术研究所王天及王天及7/17/20241一种新的微显示技术数字硅基反射液晶(LCOS)显示技术的进展摘要摘要介绍几种现代显示技术的发展概况。介绍几种现代显示技术的发展概况。1，阴极射线管，阴极射线管（CRT）,2，数字光处理技术，数字光处理技术（DMD-DLP）,3，等离子显示板（，等离子显示板（PDP）,4，场发，场发射显示器（射显示器（FED）,5，有机发光二极管，有机发光二极管(OLED),6,光栅光栅光阀光阀(GLV)投影显示器投影显示器,7,液晶显示系统（液晶显示系统（LCD）,8,全全色发光二极管（色发光二极管（LED）,9,数字打印全息图（数字打印全息图（DPH）及）及视频全息（视频全息（Holovideo）,10,全息背投屏全息背投屏（Holoscreen）,11，液晶硅（，液晶硅（LCOS）。）。对上述几种现代显示技术在结构对上述几种现代显示技术在结构,原理和技术特点等方原理和技术特点等方面作了比较。特别是对液晶硅面作了比较。特别是对液晶硅显示显示(LCOS)的结构和原的结构和原理以及发展趋势和市场趋向作较详细地分析。理以及发展趋势和市场趋向作较详细地分析。7/17/20242摘要介绍几种现代显示技术的发展概况。8/15/20232次目次目几种现代显示技术概述几种现代显示技术概述数字硅基反射液晶显示技术数字硅基反射液晶显示技术LCOS微显示器的构成微显示器的构成LCOS微显示器工作原理微显示器工作原理LCOS微显示器的应用微显示器的应用LCOS的发展趋势及面临的问题的发展趋势及面临的问题LCOS的应用的市场分析的应用的市场分析7/17/20243次目几种现代显示技术概述8/15/20233几种现代显示技术几种现代显示技术1，阴极射线管，阴极射线管（CRT）2，数字光处理技术（，数字光处理技术（DLP）3，等离子显示板（，等离子显示板（PDP）4，场发射显示器（，场发射显示器（FED）5，有机发光二极管，有机发光二极管（OLED）6，光栅光阀（，光栅光阀（GLV）投影显示器）投影显示器7，液晶显示系统（液晶显示系统（LCD）8，LED大屏幕显示（大屏幕显示（LED）9,数字打印全息图（数字打印全息图（DPH）、视频全息（）、视频全息（Holovideo）10，全息背投屏（，全息背投屏（Holoscreen）11，液晶硅显示，液晶硅显示(LCOS)7/17/20244几种现代显示技术1，阴极射线管（CRT）8/15/201,阴极射线管阴极射线管CRTCRT（阴极射线管）（阴极射线管）技术是应用最普技术是应用最普遍的显示技术，第一台电视机的发明采遍的显示技术，第一台电视机的发明采用的就是这种技术。它的优势是图像质用的就是这种技术。它的优势是图像质量好、成本低、视角大、亮度高、寿命量好、成本低、视角大、亮度高、寿命长。长。CRT技术的稳定与成熟长期占领市场技术的稳定与成熟长期占领市场,其主要缺点是机器庞大笨重，由此给大其主要缺点是机器庞大笨重，由此给大屏幕电视屏幕电视机的生产和维护带来许多不机的生产和维护带来许多不便。便。7/17/202451,阴极射线管CRTCRT（阴极射线管）技术是应用最普遍CRT（阴极射线管）（阴极射线管）A,阴极阴极;B,导电涂层导电涂层;C,阳极阳极;D,色屏色屏;E,电子束电子束;F,掩模板掩模板.7/17/20246CRT（阴极射线管）A,阴极;8/15/20236CRT显示器的厚度减少显示器的厚度减少“short-neck”生产生产CRT的公司还在继续完善他们的的公司还在继续完善他们的工艺。工艺。阴极阴极（Cathodes）、聚焦栅、聚焦栅（focusinggrids），透镜，透镜（lenses），荧光粉，荧光粉（phosphors），偏转线圈，偏转线圈（deflectionyokes）,网格过滤器网格过滤器（screenfilters）以及以及显示器中其它的组件仍然在不断进行显示器中其它的组件仍然在不断进行改进改进;目的是提供更出色的显示效果。厂家目的是提供更出色的显示效果。厂家也一直努力把显示器的调节控制改进也一直努力把显示器的调节控制改进的更简便，更易于用户理解和操作，的更简便，更易于用户理解和操作，CRT显示器技术仍在不断地改进的。显示器技术仍在不断地改进的。7/17/20247CRT显示器的厚度减少“short-neck”生产CRT2,数字光处理技术数字光处理技术（DLP）数字光处理技术（数字光处理技术（Digital Light Processing,DLP）是是利用微型反光镜对光进行定利用微型反光镜对光进行定向向反射。这种技术由反射。这种技术由Texas仪器公司首创。仪器公司首创。一块一块DLP集成电路表面可集成电路表面可任意集成任意集成800到一百万块到一百万块微型反光镜。微型反光镜定微型反光镜。微型反光镜定位后可倾斜位后可倾斜-10到到+10度。度。7/17/202482,数字光处理技术（DLP）数字光处理技术（DigitaDLP的基础是的基础是DMDDMDDigitalMicrroMirrorDevice7/17/20249DLP的基础是DMDDMD8/15/20239DLP显示系统显示系统7/17/202410DLP显示系统8/15/202310DLP显示系统显示系统7/17/202411DLP显示系统8/15/202311DLP/DMDDLPDMDDMD电子控制电子控制光学元件光学元件光源光源色轮色轮7/17/202412DLP/DMDDLPDMDDMD电子控制光学元件光源色轮8/3,等离子显示板等离子显示板（PlasmaDisplayPanel，PDP）PDP显示器显示器成像原理与氖气成像原理与氖气灯或荧光灯工作原理基本一致，灯或荧光灯工作原理基本一致，即利用电场激发惰性气体来发即利用电场激发惰性气体来发光。在光。在PDP显示器里，惰性显示器里，惰性气体被夹在两块带透明电极的气体被夹在两块带透明电极的玻璃基板之间。玻璃基板之间。当电压作用于其中一块玻璃基当电压作用于其中一块玻璃基板上的电极时，由表面放电产板上的电极时，由表面放电产生的紫外线激发涂在另一块玻生的紫外线激发涂在另一块玻璃板内表面的荧光粉发光，光璃板内表面的荧光粉发光，光线穿过玻璃板生成图像。由于线穿过玻璃板生成图像。由于荧光粉被涂成了红，绿，蓝色，荧光粉被涂成了红，绿，蓝色，因而生成的图象是彩色的。因而生成的图象是彩色的。PDP的结构示意图的结构示意图寻址寻址电极电极玻璃基板玻璃基板间隔肋间隔肋色彩荧层色彩荧层保护层保护层介电层介电层前板玻璃前板玻璃透明电极透明电极7/17/2024133,等离子显示板（PlasmaDisplayPanelPDP等离子电视具有无辐射、图像无闪烁、厚度薄、重量轻、色彩鲜艳、图像逼真等特点，使用寿命可达等离子电视具有无辐射、图像无闪烁、厚度薄、重量轻、色彩鲜艳、图像逼真等特点，使用寿命可达3万小时以上。而且，等离子电视在屏幕大型化方面相对容易万小时以上。而且，等离子电视在屏幕大型化方面相对容易(42”65”)7/17/202414PDP等离子电视具有无辐射、图像无闪烁、厚度薄、重量轻、色彩4,场发射显示场发射显示器（器（FED）FED与传统与传统CRT有许有许多类似的地方。不过与多类似的地方。不过与CRT不同的是，不同的是，CRT仅一把电子枪向屏幕内仅一把电子枪向屏幕内表面发射电子，而表面发射电子，而FED可多达几可多达几千万个微锥发千万个微锥发射电子。射电子。由于由于FED采用了多电子采用了多电子枪技术，显示器物理尺枪技术，显示器物理尺寸可大幅度变小，从而寸可大幅度变小，从而摆脱了传统摆脱了传统CRT技术对技术对大屏幕电视机重量和屏大屏幕电视机重量和屏幕尺寸的限制。幕尺寸的限制。场发射显示器（场发射显示器（FED）示意图）示意图色彩单元色彩单元电子发射微锥电子发射微锥FED门门7/17/2024154,场发射显示器（FED）FED与传统CRT有许多类似金刚石及其相关薄膜冷阴极场发射金刚石及其相关薄膜冷阴极场发射的源头创新的源头创新采用金刚石及其相关薄膜作为发射体的平面型采用金刚石及其相关薄膜作为发射体的平面型FED是一个创新。这一源头创新工作是中山大学许宁生是一个创新。这一源头创新工作是中山大学许宁生教授教授1993年在英国完成的。他首次在年在英国完成的。他首次在CVD金刚石薄金刚石薄膜上发现了大面积电子发射现象。作为发射体的平膜上发现了大面积电子发射现象。作为发射体的平板显示器板显示器具有美好的应用前景。具有美好的应用前景。采用碳纳米管冷阴极发光管由于其亮度高、色彩饱采用碳纳米管冷阴极发光管由于其亮度高、色彩饱和度好、响应快、视角宽等优点，适合高亮度大屏和度好、响应快、视角宽等优点，适合高亮度大屏幕显示。幕显示。阳极阳极行电极行电极色彩荧色彩荧列电极列电极7/17/202416金刚石及其相关薄膜冷阴极场发射的源头创新采用金刚石及其相关AM-FED活性矩阵场发射显示活性矩阵场发射显示7/17/202417AM-FED活性矩阵场发射显示8/15/202317微锥场发射微锥场发射FEDFED7/17/202418微锥场发射FEDFED8/15/2023185,有机发光二极管有机发光二极管(OLED)有机发光二极管显示有机发光二极管显示技术技术的原理是：当用的原理是：当用碳、氧、或氢等有机碳、氧、或氢等有机材料制成的薄膜受到材料制成的薄膜受到电荷的激发时，这些电荷的激发时，这些材料会释放出特定颜材料会释放出特定颜色的光子。色的光子。目前这种显示技术的目前这种显示技术的唯一缺陷是由有机物唯一缺陷是由有机物老化而导致的设备寿老化而导致的设备寿命较短。命较短。7/17/2024195,有机发光二极管(OLED)有机发光二极管显示技术的原理OLED右上图拿在手中的为有机右上图拿在手中的为有机发光器件，厚度极薄，却发光器件，厚度极薄，却可以显示字画，被形象地可以显示字画，被形象地成为成为“电子纸电子纸”。中图为嵌在衣服上的中图为嵌在衣服上的OLED显示，显示，下右边为下右边为LCD显示显示;下左下左为为OLED.7/17/202420OLED8/15/202320光栅光阀光栅光阀(GLV)GratingLightValve即光即光栅光阀由栅光阀由DavidBloom在在Stanford大学研制成大学研制成功。功。该集成电路由集成于硅芯该集成电路由集成于硅芯片上的微反射带构成。对片上的微反射带构成。对硅芯片施加电场会导致硅硅芯片施加电场会导致硅芯片上面的微反射带发生芯片上面的微反射带发生变形，这就改变了微反射变形，这就改变了微反射带的反射参数，从而控制带的反射参数，从而控制光的反射成像。光的反射成像。7/17/202421光栅光阀(GLV)GratingLightValve光栅光阀光栅光阀(GLV)投影显示器投影显示器美国斯坦福大学美国斯坦福大学DavidBloom研制成的这研制成的这种称之为光栅光阀投影显示器，每帧图像种称之为光栅光阀投影显示器，每帧图像的像素数可达的像素数可达1920*1080个。该投影机的个。该投影机的核心系统是一小型核心系统是一小型变形光栅变形光栅，衍射光是以，衍射光是以不同的衍射角从变形光栅中射出的，用简不同的衍射角从变形光栅中射出的，用简单的光学系统加以会聚后就可在屏幕上显单的光学系统加以会聚后就可在屏幕上显示出高对比度的彩色图像。示出高对比度的彩色图像。7/17/202422光栅光阀(GLV)投影显示器美国斯坦福大学DavidBlo光栅光阀光栅光阀(GLV)GLV衍射衍射镜面反射镜面反射光栅像素光栅像素光栅能周期地调配红光栅能周期地调配红绿绿蓝蓝7/17/202423光栅光阀(GLV)GLV衍射镜面反射光栅像素光栅能周期地调配GLV光栅光阀器件光栅光阀器件这个光栅光阀器件均由装在硅片上的数千这个光栅光阀器件均由装在硅片上的数千对陶瓷光条组成，陶瓷光条的作用是使激对陶瓷光条组成，陶瓷光条的作用是使激光束形成衍射图样。若在红绿蓝三对陶瓷光束形成衍射图样。若在红绿蓝三对陶瓷光条上分别加上相应的色信号电压，则每光条上分别加上相应的色信号电压，则每对陶瓷光条均可发生形变，其每对光条可对陶瓷光条均可发生形变，其每对光条可变的间距均小于该激光束的波长。从各个变的间距均小于该激光束的波长。从各个光阀器件中射出的衍射光加以会聚便可形光阀器件中射出的衍射光加以会聚便可形成一彩色像素。成一彩色像素。7/17/202424GLV光栅光阀器件这个光栅光阀器件均由装在硅片上的数千对陶瓷7,LCD显示系统显示系统20世纪世纪70年代初，世界上出现年代初，世界上出现了第一台液晶显示设备，被称了第一台液晶显示设备，被称之为之为TN-LCD（扭曲向列）液晶（扭曲向列）液晶显示器；显示器；当时是单色显示，被推广到电当时是单色显示，被推广到电子表、计算器等领域；子表、计算器等领域；80年代，年代，STN-LCD（超扭曲向（超扭曲向列）液晶显示器出现，同时列）液晶显示器出现，同时TFT-LCD（薄膜晶体管）液晶（薄膜晶体管）液晶显示器技术被研发出来；显示器技术被研发出来；80年代末年代末90年代初，年代初，STN-LCD及及TFT-LCD生产技术成熟，生产技术成熟，LCD工业开始高速发展。工业开始高速发展。7/17/2024257,LCD显示系统20世纪70年代初，世界上出现了第一台液晶LCD工作原理示意图工作原理示意图LCD显示结构显示结构示意图示意图7/17/202426LCD工作原理示意图LCD显示结构示意图8/15/2023LCD投影机与投影机与LCD-TVLCD液晶屏幕具有高亮液晶屏幕具有高亮度、高对比度度、高对比度等显著特等显著特点，有点，有16.7百万的显示百万的显示色彩，且色彩绚色彩，且色彩绚丽真实。丽真实。液晶屏幕的最佳分辨率液晶屏幕的最佳分辨率达达1024768，具有非常，具有非常高的清晰度，画面无闪高的清晰度，画面无闪烁烁,无辐射无辐射,寿命长寿命长,省电省电等优点。等优点。7/17/202427LCD投影机与LCD-TVLCD液晶屏幕具有高亮度、高对比度8,LED大屏幕显示大屏幕显示1964年世界上第一只红色年世界上第一只红色-族族GaAsP-LED诞生，诞生，预示着固体发光显示时代的来临。不久，橙色、黄色预示着固体发光显示时代的来临。不久，橙色、黄色和黄绿色和黄绿色LED也相继问世，实现了在波长也相继问世，实现了在波长940540nm范围内发光的全固化，但实现全色显示范围内发光的全固化，但实现全色显示的蓝光一直是个障碍。的蓝光一直是个障碍。二十世纪七十年代，二十世纪七十年代，LED在大屏幕显示、交通信号灯在大屏幕显示、交通信号灯和仪器仪表指示等领域得到广泛应用，并随着家用电和仪器仪表指示等领域得到广泛应用，并随着家用电器进入人们的生活。器进入人们的生活。1994年，在日亚化学年，在日亚化学(Nicchia)的中村秀二的中村秀二(ShujiNakamura)发明了发明了GaN蓝光蓝光LED。7/17/2024288,LED大屏幕显示1964年世界上第一只红色-族GaA氮化镓基蓝光氮化镓基蓝光LED氮化镓基蓝、绿氮化镓基蓝、绿光光AlGaInN-LED的出现是的出现是LED发发展史上的又一里展史上的又一里程碑，使户外全程碑，使户外全色显示和半导体色显示和半导体照明成为可能。照明成为可能。7/17/202429氮化镓基蓝光LED氮化镓基蓝、绿光AlGaInN-LED的出9，数字打印全息（数字打印全息（DPH）视频全息显示（视频全息显示（Holovideo）数字打印全息数字打印全息1，创制，创制3D景物景物Hologram/3DPrintsizes100 x140cm2，绘制全息掩模，绘制全息掩模3，全息打印系统，全息打印系统大批复制的打印全息图大批复制的打印全息图7/17/2024309，数字打印全息（DPH）视频全息显示（Hol视频全息显示（视频全息显示（Holovideo）Holovideo制作步骤制作步骤7/17/202431视频全息显示（Holovideo）Holovideo制作步骤视频全息（视频全息（Holovideo）时实动态再现图像时实动态再现图像计算机计算机高速帧缓存高速帧缓存信号处理信号处理激光激光3D景物景物离散化离散化7/17/202432视频全息（Holovideo）时实动态再现图像计算机高速帧缓10，Holoscreen全息背投屏全息背投屏Holoscreen是一片半是一片半透明的显示屏幕，可让透明的显示屏幕，可让观众同时看见屏幕上的观众同时看见屏幕上的画面与屏幕背后的景物画面与屏幕背后的景物7/17/20243310，Holoscreen全息背投屏Holoscreen是一全息背投屏全息背投屏Holoscreen是在一块光洁透是在一块光洁透明的有全息图的玻璃板（或明的有全息图的玻璃板（或丙烯酸透明板）上显示丙烯酸透明板）上显示DLP、LOCD或或LCD投影机的图像。投影机的图像。用光敏聚合物用光敏聚合物（Photopolymer）制作的全）制作的全息图具有棱镜的折射光的能息图具有棱镜的折射光的能力。力。设计投影机以设计投影机以35度角投射至度角投射至全息屏上，全息图仅响应该全息屏上，全息图仅响应该角度来的光。角度来的光。全息图全息图全息图横断面全息图横断面透明板透明板7/17/202434全息背投屏Holoscreen是在一块光洁透明的有全息图的玻全息背投屏全息背投屏holo7/17/202435全息背投屏holo8/15/202335全息背投屏的特点全息背投屏的特点具有高透光性、高亮度以及高具有高透光性、高亮度以及高对比度；对比度；置于室内或外均可呈现极佳的置于室内或外均可呈现极佳的视觉效果视觉效果；可应用于展示橱窗、展示中心、可应用于展示橱窗、展示中心、商店、银行、博物馆；商店、银行、博物馆；可悬挂、支架立等灵活方式。可悬挂、支架立等灵活方式。屏幕尺寸从屏幕尺寸从46”到到160”。7/17/202436全息背投屏的特点具有高透光性、高亮度以及高对比度；8/15/新一代背投显示屏新一代背投显示屏HNextGenerationRearProjectionDisplays7/17/202437新一代背投显示屏HNextGenerationRear全息背投屏的特点全息背投屏的特点holo高亮度、高对比度高亮度、高对比度高透光性高透光性耐候性耐候性抗抗UV可触摸可触摸易保养易保养7/17/202438全息背投屏的特点holo高亮度、高对比度高透光性耐候性抗UV全息背投屏全息背投屏全息7/17/202439全息背投屏全息8/15/20233911,液晶硅液晶硅(LCOS)显示显示LCOS即即液晶硅显示液晶硅显示,亦称亦称硅晶硅晶是一种是一种新型微显示技新型微显示技术。术。LCOS是是LiquidCrystalOnSilicon的缩写。的缩写。LCOS是一种全新的数码成像技术，也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，它采叫数字硅基反射液晶显示技术，它采用半导体用半导体CMOS集成电路芯片作为反集成电路芯片作为反射式射式LCD的基片，的基片，CMOS芯片上涂有芯片上涂有薄薄的一层液晶硅，控制电路置于显薄薄的一层液晶硅，控制电路置于显示装置的后面，可以提高透光率，从示装置的后面，可以提高透光率，从而实现更大的光输出和更高的分辨率。而实现更大的光输出和更高的分辨率。7/17/20244011,液晶硅(LCOS)显示LCOS即液晶硅显示,亦称硅(一一),数字硅基反射液晶显示技数字硅基反射液晶显示技术术普通液晶显示器由于采用普通液晶显示器由于采用透射式透射式工作方式，工作方式，会造成照明光被吸收从而导致亮度不高，因会造成照明光被吸收从而导致亮度不高，因此液晶显示器的用途受到一定的限制。此液晶显示器的用途受到一定的限制。而而液晶硅显示器液晶硅显示器由于采用了由于采用了反射式反射式装置，在装置，在功耗相同的情况下光源产生的光将更多地经功耗相同的情况下光源产生的光将更多地经过光学传输介质从而提高亮度。过光学传输介质从而提高亮度。7/17/202441(一),数字硅基反射液晶显示技术普通液晶显示器由于采用透射式最初的最初的LCOS技术技术LCOS是由是由AuroraSystems融合半导体和液晶两融合半导体和液晶两项技术的优势在项技术的优势在2000年开发出来的分辨率更高、年开发出来的分辨率更高、价格却可能更低的新技术。价格却可能更低的新技术。由于由于LCOS采用半导体的方式来控制分辨率，而较采用半导体的方式来控制分辨率，而较高的分辨率又导致较小的画面颗粒，所以画质自然高的分辨率又导致较小的画面颗粒，所以画质自然真实。真实。LCOS技术代表了倍频扫描电视和电脑显示器的完技术代表了倍频扫描电视和电脑显示器的完美结合，分割画面和多重扫描可使其应用多样化、美结合，分割画面和多重扫描可使其应用多样化、生活化和人性化。生活化和人性化。7/17/202442最初的LCOS技术LCOS是由AuroraSystems融(二二),LCOS微显示器的构微显示器的构成成液晶材料涂于液晶材料涂于CMOS硅芯片表层。芯硅芯片表层。芯片包含了控制电路，并在表层涂有反片包含了控制电路，并在表层涂有反射层。射层。在芯片外部或者内圈设置有隔离器以在芯片外部或者内圈设置有隔离器以保持盒厚的均匀性。盒厚只有保持盒厚的均匀性。盒厚只有1微米微米左右。左右。取向层可以确保液晶分子取向一致。取向层可以确保液晶分子取向一致。由于液晶须通过一部分电流，因而在由于液晶须通过一部分电流，因而在晶体上部加设了一个次级透明电极。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玻璃基板用以保护液晶和稳定液晶的位置。位置。CoverglassITO（indiunTinOxide）AlignmentlayerLCCMOS7/17/202443(二),LCOS微显示器的构成液晶材料涂于CMOSLCOS成像芯片成像芯片LCOS面板的结构有些类似面板的结构有些类似TFTLCD，一样是在上下二层基板，一样是在上下二层基板中间撒布中间撒布Spacer以加以隔绝后，以加以隔绝后，再填充液晶于基板间形成光阀，再填充液晶于基板间形成光阀，藉由电路的开关以推动液晶分藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转，以决定画面的明与子的旋转，以决定画面的明与暗。暗。LCOS面板的上基板是面板的上基板是ITO导电导电玻璃，下基板是则硅晶圆玻璃，下基板是则硅晶圆CMOS基板，基板，LCOS面板最大面板最大的特色在于下基板的材质是单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晶硅，因此拥有良好的电子迁移率，而且单晶硅可形成较细移率，而且单晶硅可形成较细的线路，与现有的的线路，与现有的HTPSLCD及及DLP投影面板相较，投影面板相较，LCOS是比较容易达成高解析度的投是比较容易达成高解析度的投影技术。影技术。LiquidCrystalLiquidCrystalonSiliconImageChipCMOSITOCoverglassAlignmentlayerSpacerMounting7/17/202444LCOS成像芯片LCOS面板的结构有些类似TFTLCD，一(三三),LCOS微显示器工作原微显示器工作原理理在在LCOS微显示器中所采微显示器中所采用的是扭曲向列相液晶材料。用的是扭曲向列相液晶材料。当电流到达液晶体时，液晶当电流到达液晶体时，液晶分子的扭曲程度会发生变化。分子的扭曲程度会发生变化。根据这个原理，光束要首先根据这个原理，光束要首先通过一个起偏器以使光波传通过一个起偏器以使光波传播保持特定的偏振方向，然播保持特定的偏振方向，然后在液晶介质中光的偏振方后在液晶介质中光的偏振方向随着液晶分子的扭曲方向向随着液晶分子的扭曲方向的变化而变化，接着光束又的变化而变化，接着光束又经过经过LCOS反射表面的定反射表面的定向反射，然后再穿过一个检向反射，然后再穿过一个检偏器。偏器。覆盖玻璃覆盖玻璃ITO透明电极透明电极配向层配向层液晶液晶CMOS7/17/202445(三),LCOS微显示器工作原理在LCOS微显示LCOS的像素阵列的像素阵列7/17/202446LCOS的像素阵列8/15/202346LCOS的结构与功能的结构与功能LCOS结构与结构与TFT-LCD面板不同面板不同后者上下二面都以玻璃作为基板，后者上下二面都以玻璃作为基板，而而LCOS仅上面采用玻璃，底层仅上面采用玻璃，底层基板则是半导体硅，以硅晶圆为基板则是半导体硅，以硅晶圆为基底可制作板上电路，基底可制作板上电路，LCOS制制作工序是结合了作工序是结合了LCD与半导体与半导体CMOS工序的技术。工序的技术。一部分工序一部分工序可在晶圆厂内进行，可在晶圆厂内进行，LCOS上的上的线路设计比一般晶圆厂生产的线路设计比一般晶圆厂生产的IC简单，以简单，以0.35微米工序，在微米工序，在8吋吋晶圆厂内生产即可。其后工序是晶圆厂内生产即可。其后工序是加玻璃、灌液晶，其后段工序掌加玻璃、灌液晶，其后段工序掌控良品率却很关键。控良品率却很关键。7/17/202447LCOS的结构与功能LCOS结构与TFT-LCD面板不同后者LCOS像元剖面结构像元剖面结构LCOS结构包括结构包括CMOS基板、基板、ITO玻璃、配向层、玻璃、配向层、间隔物与液晶层等。间隔物与液晶层等。反射电极层位于液晶层的下面，而像素地址寻址的各反射电极层位于液晶层的下面，而像素地址寻址的各种控制电极和电极间的绝缘层位于反射电极层的下面，种控制电极和电极间的绝缘层位于反射电极层的下面，整个结构是一个立体排列方式。整个结构是一个立体排列方式。LCOS液晶板的光圈液晶板的光圈比率可以达比率可以达93，因此其分辨率可以很高。，因此其分辨率可以很高。玻璃玻璃隔离层隔离层硅基板硅基板TIO透明电极透明电极液晶层液晶层反射电极反射电极遮光板遮光板像素开关像素开关存储电容器存储电容器7/17/202448LCOS像元剖面结构LCOS结构包括CMOS基板、ITO玻璃LCOS单元结构示意图单元结构示意图LCOS7/17/202449LCOS单元结构示意图LCOS8/15/202349LCOS是如何工作的是如何工作的覆盖玻璃覆盖玻璃透明电极透明电极配向层配向层TN液晶液晶间隔物间隔物反射涂层反射涂层CMOS开开关关7/17/202450LCOS是如何工作的覆盖玻璃透明电极配向层TN液晶间隔物反射LCOS的结构与制程的结构与制程7/17/202451LCOS的结构与制程8/15/202351LCOS的制作步骤的制作步骤CMOS基板CMOS基板基板刻周界刻周界配搭配搭隔离层隔离层配向层配向层干燥干燥清洗清洗原晶片原晶片7/17/202452LCOS的制作步骤CMOS基板CMOS基板刻周界配搭隔离层配(四四),LCOS微显示器的应用微显示器的应用与透射式的与透射式的LCD显示显示器不同的器不同的是，是，LCOS微显示器微显示器只适用于只适用于反射式设备。因反射式设备。因而这种显示设备而这种显示设备只限于投只限于投影显示，但是它允许在影显示，但是它允许在近近距离直接用眼睛观察，也距离直接用眼睛观察，也可可投影于中间介质如投影投影于中间介质如投影屏幕，墙屏幕，墙面等等。面等等。下面概括地介绍下面概括地介绍LCOS微显示器的应用事例微显示器的应用事例7/17/202453(四),LCOS微显示器的应用与透射式的LCD显在投影机中的在投影机中的LCOS三三LCOS芯片芯片色点色点7/17/202454在投影机中的LCOS三LCOS芯片色点8/15/202354近距离小面积监视器近距离小面积监视器右图是一台简易的右图是一台简易的近距近距离监视离监视设备，它可用于：设备，它可用于：摄像机取景器摄像机取景器数码照相机取景器数码照相机取景器头戴式送受话器头戴式送受话器无线电通讯无线电通讯以及其他要求便携型显示技以及其他要求便携型显示技术的术的设备设备LCOS技术为技术为近距离监视近距离监视设备设备提供提供了清晰度更高，分辨率更高，了清晰度更高，分辨率更高，对比度更高的图象效果。对比度更高的图象效果。现已能够在现已能够在0.9英寸英寸(23mm)尺尺度的度的LCOS器件内实现分辨率为器件内实现分辨率为1280 x1024的的SXGA显显示。示。近距离小面积监视器近距离小面积监视器放大透镜放大透镜LCOS芯片会聚透镜会聚透镜双色滤光双色滤光三色三色LED反射反射透射镜透射镜观察观察7/17/202455近距离小面积监视器右图是一台简易的近距离监视设备，它可近距离小面积监视器近距离小面积监视器近距离监视器的设备近距离监视器的设备7/17/202456近距离小面积监视器近距离监视器的设备8/15/202356投影投影TV用用LCOS的背投的背投TV7/17/202457投影TV用LCOS的背投TV8/15/202357LCOS在投影机上的应用在投影机上的应用其原理与其原理与LCD投影机一样，只是投影机一样，只是LCD投影机是利用投影机是利用光源穿过光源穿过LCD面板做调变，而面板做调变，而LCOS面板是以面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶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，该制程的关键在于如何使层后，以玻璃平板封装，该制程的关键在于如何使得上下两块面板之间保持平坦平行，尤其是对较大得上下两块面板之间保持平坦平行，尤其是对较大尺寸的尺寸的LCOS面板。面板。LCOS投影机的优点是分辨率高、面板制作易于小投影机的优点是分辨率高、面板制作易于小型化、现有多家厂商投入研发，形成了降低成本的型化、现有多家厂商投入研发，形成了降低成本的空间。空间。7/17/202458LCOS在投影机上的应用其原理与LCD投影机一样，只是LCD单片式单片式LCOS微显示器投影机微显示器投影机在单片在单片LCOS的正投和的正投和背投显示背投显示中使用中使用分色轮装置。分色轮装置。分色轮的运分色轮的运作是依靠在分色轮转动的作是依靠在分色轮转动的同一频同一频率，切换在率，切换在LCOS微显示器微显示器上的上的模式来进行。模式来进行。分色轮至少分分色轮至少分成成3个不同偏振过个不同偏振过滤器以保证红滤器以保证红，绿，蓝三种基本，绿，蓝三种基本色所需光频色所需光频的通过。有些分色轮的通过。有些分色轮采用采用6个过滤器或者其他专用模个过滤器或者其他专用模式。式。像素信息的转换由软件来控制，像素信息的转换由软件来控制，以期和所使用的分色轮类型相匹以期和所使用的分色轮类型相匹配。配。光源光源会聚透镜会聚透镜双色滤光片双色滤光片色轮色轮波片波片投影像投影像LCOS投影透镜投影透镜7/17/202459单片式LCOS微显示器投影机在单片LCOS的正投和背投三片三片LCOS微显示器投影机微显示器投影机在在LCOS的正投和背投的显示设备中使用离轴（的正投和背投的显示设备中使用离轴（Off-Axis）系统；）系统；这个这个Off-Axis系统是利用一个分光器和偏振系统是利用一个分光器和偏振过滤器过滤器将光分离成三基色（红将光分离成三基色（红，绿，蓝），然后将三基色，绿，蓝），然后将三基色分分别投射到一个别投射到一个LCOS微显示器上，微显示器上，经过反射再由经过反射再由一个一个ColourCube将光重将光重新合成。新合成。该系统处理过程的功耗相该系统处理过程的功耗相对较低，因为进入的视频对较低，因为进入的视频信号信号被分离成三基色，而每一个被分离成三基色，而每一个LCOS微显示器只微显示器只需处理自己所对应需处理自己所对应色彩的像素信息。即色彩的像素信息。即每一个微显每一个微显示器比单片式微显示器比单片式微显示器切换少，其结果是延长了示器切换少，其结果是延长了每每个微显示器的寿命。个微显示器的寿命。7/17/202460三片LCOS微显示器投影机在LCOS的正投和背投的显示设三片三片LCOS投影机示意图投影机示意图光源光源投影像投影像PBS会聚透镜会聚透镜滤光片滤光片LCOS芯片芯片偏振片偏振片LCOS芯片（芯片（B）（G）分光镜分光镜LCOS芯片芯片（R）透镜透镜从从LCOS芯片成像光的路径芯片成像光的路径分光合色棱镜分光合色棱镜R7/17/202461三片LCOS投影机示意图光源投影像PBS会聚透镜滤光片LCO直接驱动图像光放大器直接驱动图像光放大器(D-ILA)D-ILA(Direct-DriveImageLightAmplifier)D-ILA的核心部件是的核心部件是LCOS,即反射式活性矩阵硅即反射式活性矩阵硅上液晶板。上液晶板。LCOS/D-ILA7/17/202462直接驱动图像光放大器(D-ILA)D-ILA(Direct直接驱动图像光放大器直接驱动图像光放大器(D-ILA)D-ILA(Direct-DriveImageLightAmplifier)D-ILA:cross-sectionofchipD-ILA7/17/202463直接驱动图像光放大器(D-ILA)D-ILA(Direct-反射式活性矩阵硅上液晶板反射式活性矩阵硅上液晶板D-ILA7/17/202464反射式活性矩阵硅上液晶板D-ILA8/15/202364LCOS背投背投TV背投7/17/202465LCOS背投TV背投8/15/202365LCOS投影显示的色度分布图投影显示的色度分布图ColorCornerColorgamutCIEdiagram7/17/202466LCOS投影显示的色度分布图ColorCorner8/15HeadMountedDisplay头盔显示器头盔显示器7/17/202467HeadMountedDisplay头盔显示器8/15/VirtualDisplay虚拟显示7/17/202468VirtualDisplay虚拟显示8/15/202368LCOS的特点的特点:环保、节能、体积小、分辨率高，环保、节能、体积小、分辨率高，其核心技术是其核心技术是LCOS芯片的设计与制作芯片的设计与制作7/17/202469LCOS的特点:环保、节能、体积小、分辨率高，其核心技术(五五),LCOS的发展趋势的发展趋势LCOS（LiquidCrystalonSilicon）属）属于新型的反射式微显示投影技术，其结构于新型的反射式微显示投影技术，其结构是在硅晶圆上长电晶体，利用半导体工艺是在硅晶圆上长电晶体，利用半导体工艺制作驱动面板制作驱动面板(CMOS-LCD)，然后在电晶，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成射镜，形成CMOS基板，再将基板，再将CMOS基板基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，抽入与含有透明电极之上玻璃基板贴合，抽入液晶，进行封装测试。液晶，进行封装测试。7/17/202470(五),LCOS的发展趋势LCOS（LiquidCryLCOS成为投影显示技术的新主流成为投影显示技术的新主流LCOS是直接与阴极射像是直接与阴极射像管管(CRT)投影技术、高温多投影技术、高温多晶硅液晶晶硅液晶(Ploy-SiLCD)穿穿透式投影技术、数字微反透式投影技术、数字微反射镜器件射镜器件DMD;(DigitalMicromirrorDevice)-数数字光学处理字光学处理(DLP;DigitalLightProcessing)反射式反射式技术相关。技术相关。这三项技术已发展成熟，这三项技术已发展成熟，但但LCOS则成为投影显示则成为投影显示技术的新主流。技术的新主流。LCOSCRTPoly-SiLCDDMD-DLP7/17/202471LCOS成为投影显示技术的新主流LCOS是直接与阴极射像管(省电、便宜与高分辨率是省电、便宜与高分辨率是LCOS最大优点最大优点LCOS可视为可视为LCD的一种，但传统的的一种，但传统的LCD是做在玻璃基板是做在玻璃基板上，而上，而LCOS则是长在硅晶圆上。则是长在硅晶圆上。和和LCOS的相对比的，最常用在投影机上的高温多晶硅的相对比的，最常用在投影机上的高温多晶硅LCD,通常用透射式投射的方式，光利用效率只有通常用透射式投射的方式，光利用效率只有3%左右，左右，分辨率低；分辨率低；LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达则采用反射式投射，光利用效率可达40%以上，而且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便以上，而且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的宜的CMOS制作工艺，毋需额外的投资，并可随半导体制制作工艺，毋需额外的投资，并可随半导体制作工艺快速的微细化，易于提高分辨率。作工艺快速的微细化，易于提高分辨率。高温多晶硅高温多晶硅LCD则需另投资设备，且需有特殊的工艺制程，则需另投资设备，且需有特殊的工艺制程，成本不易降低。成本不易降低。7/17/202472省电、便宜与高分辨率是LCOS最大优点LCOS可视为LCDLCOS投影技术特色：投影技术特色：1、高分辨率：、高分辨率：LCOS投影技术最大的特色在于其面板的下基板采用硅晶圆投影技术最大的特色在于其面板的下基板采用硅晶圆CMOS基板，由于下基板的材质是单晶硅，拥有良好的电子迁基板，由于下基板的材质是单晶硅，拥有良好的电子迁移率，而且单晶硅可形成较细的线路，因此比较容易达成高分移率，而且单晶硅可形成较细的线路，因此比较容易达成高分辨率的面板。辨率的面板。2、高亮度：、高亮度：LCOS为反射式技术，不会像为反射式技术，不会像HTPSLCD光学引擎会因为光线光学引擎会因为光线穿透面板而大幅降低光利用率，因此光利率率可提高至穿透面板而大幅降低光利用率，因此光利率率可提高至40%，与穿透式的与穿透式的HTPSLCD的的3%相较，可减少耗电，并可产生较高相较，可减少耗电，并可产生较高的亮度。的亮度。3、低成本：、低成本：LCOS光学引擎因为产品零件简单，因此具有低成本的优势，光学引擎因为产品零件简单，因此具有低成本的优势，相较于由相较于由SeikoEpson,Sony专供的专供的HTPSLCD面板；以及德面板；以及德仪仪(TI)独家供应的独家供应的DLP面板，而面板，而LCOS技术未被某独家专控，技术未被某独家专控，所以其成本将会快速走低。所以其成本将会快速走低。7/17/202473LCOS投影技术特色：1、高分辨率：8/15/202373LCOS的特点与其他显示技术相比较的特点与其他显示技术相比较由投影灯寿命决定。技术寿命较长。由投影灯寿命决定。技术寿命较长。在今后数年内由于需求增加技术成本将会降低。在今后数年内由于需求增加技术成本将会降低。种类种类寿命寿命(h)价格价格耗能耗能分辨力分辨力CRT15,000低低高高1600*1200PDP30,000高高中中1024*768OLED10,000低低低低852*2222LCD30,000低低低低1024*768FED15,000中中高高DLP15,000中中低低1280*1024LCOS15,000中中低低1376*1024112227/17/202474LCOS的特点与其他显示技术相比较由投影灯寿LCOS的特点与其他显示技术相比较的特点与其他显示技术相比较种类种类尺寸尺寸像素点像素点视角视角视频视频颜色颜色CRT4”-42”0.21mm160可可16百万百万PDP25”-50”0.13mm160可可16百万百万OLED4”0.057mm16百万百万LCD5”-22”0.21mm150稍慢稍慢16百万百万FED合併大屏幕合併大屏幕0.21mm170可可16百万百万DLP1.2”12m160可可16百万百万LCOS0.7”-1.2”14m160可可16百万百万屏幕尺寸只受限于光学设计屏幕尺寸只受限于光学设计337/17/202475LCOS的特点与其他显示技术相比较种类尺寸像素点视角视频颜LCOS与与LCD显示平板之比较显示平板之比较LCOS&LCDApertureratioLCOSLCDLCOS的结构的结构LCD平板的结构平板的结构LCOS佔空比佔空比92%LCD佔空比佔空比40-60%7/17/202476LCOS与LCD显示平板之比较LCOS&LCDLCOS(六六),发展发展LCOS面临的问题面临的问题1，标准化问题：，标准化问题：目前目前LCOS的发展集中在欧美的的发展集中在欧美的Fabless、Three-Five、Aurora（原（原S-Vision）、）、MicroPix、Microdisplay、Kopin、Displaytech、SpatiaLight及香港的及香港的Varitronix和台湾的一些公司。和台湾的一些公司。由于由于LCOS在开发中涉及整个元件的设计、制造及光在开发中涉及整个元件的设计、制造及光学系统的整合，技术门槛较高。且每个公司所开发的学系统的整合，技术门槛较高。且每个公司所开发的LCOS，各有专用的，各有专用的ASIC、光学引擎等，零组件和生、光学引擎等，零组件和生产各自为阵，无法标准化，因此很难达到量产的经济产各自为阵，无法标准化，因此很难达到量产的经济规模，部份业者因无法提出全套的解决方案，致使产规模，部份业者因无法提出全套的解决方案，致使产品无法顺利推出。品无法顺利推出。7/17/202477(六),发展LCOS面临的问题1，标准化问题：8/15/22，合格率问题，合格率问题LCOS目前最大的障碍是合格率问题，目前最大的障碍是合格率问题，LCOS前工序之硅制程以前工序之硅制程以0.35制程即可，制程即可，不需要作得更小，目前合格率率已可达不需要作得更小，目前合格率率已可达90%；但后工序加玻璃基板，抽入液晶，并加以但后工序加玻璃基板，抽入液晶，并加以切割、封装的部份，目前合格率却很低，切割、封装的部份，目前合格率却很低，仅约仅约30%左右。左右。7/17/2024782，合格率问题LCOS目前最大的障碍是合格率问题，LCOS前3，光电效应的影响问题，光电效应的影响问题光线穿过光线穿过LCOS芯片上的像素间的间隙，芯片上的像素间的间隙，发生光电效应，使芯片工作不稳定，甚至发生光电效应，使芯片工作不稳定，甚至损坏芯片；损坏芯片；另外，强光长期照射另外，强光长期照射LCOS芯片的反射面芯片的反射面导致变形，从而回导致影响屏幕上显示失导致变形，从而回导致影响屏幕上显示失真。真。7/17/2024793，光电效应的影响问题光线穿过LCOS芯片上的像素间的间隙，(七七),LCOS的应用的市场分析的应用的市场分析LOCS在在HMD（Head Mount Device）、高档的、高档的数码相机、数码摄影机等领域均可应用。数码相机、数码摄影机等领域均可应用。HMD原以高温多晶硅原以高温多晶硅TFTLCD虚拟虚拟15吋以上的吋以上的XGA显示器，预期日本短期内仍将延袭此一传统显示器，预期日本短期内仍将延袭此一传统解决方式，而美国则会倾向采用分辨率高的解决方式，而美国则会倾向采用分辨率高的LCOS。数码相机和数码摄影机的观景窗，惯用小型非晶数码相机和数码摄影机的观景窗，惯用小型非晶硅的硅的LCD面板，假若采用面板，假若采用LCOS的观景器则在分的观景器则在分辨率、耗电量上，都将会更好。辨率、耗电量上，都将会更好。7/17/202480(七),LCOS的应用的市场分析LOCS在HMD（HeaLCOS的的发展现况发展现况除投影机外，除投影机外，LCOS高解析度、高亮度及高反应高解析度、高亮度及高反应速度的特性，在速度的特性，在20寸以上监视器、大尺寸电视等寸以上监视器、大尺寸电视等应用市场，都深具发展潜力。应用市场，都深具发展潜力。移动电话上网普及后，将引发对手机大画面和高移动电话上网普及后，将引发对手机大画面和高解析度的需求。解析度的需求。LCOS省电的特性，适合移动电省电的特性，适合移动电话上网。在话上网。在2001年，彩色屏幕手机至少有年，彩色屏幕手机至少有10%会会使用使用LCOS，数量大约达，数量大约达500万台。万台。7/17/202481LCOS的发展现况除投影机外，LCOS高解析度、高亮度及高LCOS应用的潜在市场应用的潜在市场由于主力手机业者不是日本厂商，较不会对由于主力手机业者不是日本厂商，较不会对LCD有独钟的情有独钟的情结，这就非常有利于结，这就非常有利于LCOS之发展；之发展；业界认为业界认为LCOS应用的潜在市场规模庞大，且未来应用的潜在市场规模庞大，且未来3年每年皆年每年皆有有13%以上的市场成长率；以上的市场成长率；依目前的价格依目前的价格/性能比，数码相机与数码摄影机在短期内大性能比，数码相机与数码摄影机在短期内大量采用量采用LCOS的比例仍不会太高；的比例仍不会太高；在无线宽带网尚未完成之前，预期彩色屏幕手机在无线宽带网尚未完成之前，预期彩色屏幕手机10%采用采用LCOS或许是过于乐观。因此可以期待的，会是投影机和大或许是过于乐观。因此可以期待的，会是投影机和大尺寸电视机的市场；尺寸电视机的市场；如果它能有效降低成本，则将原有产品如投影机、电视整个如果它能有效降低成本，则将原有产品如投影机、电视整个替代掉是有可能的。替代掉是有可能的。7/17/202482LCOS应用的潜在市场由于主力手机业者不是日本厂商，较不会对LCOS是投影机产业的是投影机产业的一个极佳的发展方向一个极佳的发展方向LCOS作为新型显示器件具备大屏作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其发展空间和应用产品的多优势，其发展空间和应用产品的市场潜力是非常大的。市场潜力是非常大的。LCOS是是HDTV的背投显示技术发的背投显示技术发展的主要方向。随着成本的不断降展的主要方向。随着成本的不断降低，低，LCOS应用产品及其大屏幕显应用产品及其大屏幕显示将会越来越多。示将会越来越多。7/17/202483LCOS是投影机产业的一个极佳的发展方向LCOS作为新型显上下游产业链尚未完好形成上下游产业链尚未完好形成国内大陆在国内大陆在LCOS技术发展方面，其上下游技术发展方面，其上下游产业链尚未完好形成。而台湾厂商陆续投入产业链尚未完好形成。而台湾厂商陆续投入LCOS投影机的上中下游的研发与制造，且投影机的上中下游的研发与制造，且愈来愈多地相继投入数字投影机的制造生产。愈来愈多地相继投入数字投影机的制造生产。在高温多晶硅液晶（在高温多晶硅液晶（HTPS-LCD）面板专控）面板专控于日商以及于日商以及DMD芯片独控于德仪（芯片独控于德仪（TI）的）的情况下，情况下，LCOS投影机乃是投影机产业的另投影机乃是投影机产业的另一极佳发展方向。一极佳发展方向。7/17/202484上下游产业链尚未完好形成国内大陆在LCOS技术发展方面，其上探讨我国探讨我国LCOS的发展战略的发展战略为适应国际为适应国际LCOS技术的发技术的发展，特别是展，特别是LCOS在大屏幕在大屏幕投影电视方面，认清我国在投影电视方面，认清我国在加入加入WTO后所面临的机遇和后所面临的机遇和挑战，以促进我国挑战，以促进我国LCOS大大屏幕投影电视产业的发展，屏幕投影电视产业的发展，探讨探讨LCOS大屏幕投影电视大屏幕投影电视在我国良性发展之路，加强在我国良性发展之路，加强国际间的合作与技术交流，国际间的合作与技术交流，参与更高层次地国际产业分参与更高层次地国际产业分工，创造更多的商业机会。工，创造更多的商业机会。LCOS7/17/202485探讨我国LCOS的发展战略为适应国际LCOS技术的发展，特别LCOS芯片上游产品制作是关键芯片上游产品制作是关键目前目前LCOS技术处于起技术处于起步阶段，此时投入芯片步阶段，此时投入芯片上游产品制作，将有机上游产品制作，将有机会在会在LCOS屏幕供应上屏幕供应上占有一席之地，摆脱在占有一席之地，摆脱在关键技术上受制于人的关键技术上受制于人的情况。情况。7/17/202486LCOS芯片上游产品制作是关键目前LCOS技术处于起步阶段，参考文献1,MichaelBolotski,Phill