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LCOS——大屏幕投影領域的新生力量

來源：InfoAV China　更新日期：2004-12-10 作者：佚名

年度商顯市場最大的看點何在投影行業十大猜想 2023年度評選盛典獲獎揭曉

    一、引言
    大屏幕投影顯示系統是上個世紀80年代末開始興起的一個新興行業。主要用于電信電力網管監控、高速公路道路監控、公安、交警、消防重點部位監控、政府、銀行的等領域信息顯示系統的應用。十多年來，大屏幕顯示系統的產品不斷發展和進步，已經成為一個成熟的技術領域。
    作為大屏幕顯示系統一個最重要的組成部分——投影機，它的技術也經歷幾代發展的歷史。
    CRT(Cathode Ray Tube)技術作為投影領域的先驅，在上世紀末的投影市場占據重要的地位，早期的大屏幕監控系統幾乎都是采用了CRT投影技術。但是由于CRT投影機的顯示核心和發光亮度均由CRT來完成，亮度和分辨率的矛盾成為制約CRT投影機在市場進一步應用的主要因素，另外，CRT投影機三槍分別顯示，使得投影機的安裝調試非常困難等。現在CRT投影機在控制室市場的應用，已基本為LCD，DLP技術的投影機所替代。
    LCD技術是在1968年發明的，以LCD作為成像面，由于光線是透過LCD板投射到屏幕上的，因此每個液晶點旁邊的調制電極會阻隔光線的傳遞，會使圖像畫面有很強的點陣感。盡管多晶硅(Poly-silicon)技術采用了柱狀點陣，使得光線的透射率有很大的提高，但一般也使之達到85%。但是，LCD技術，采用三片顯示技術，紅、綠、藍三色分別成像，顏色還原性好，性能穩定，對比率高，圖像層次感好。
    DLP(Digital Lighting Processor)數字光處理技術主要核心以DMD(Digital Micromirror Device)數字微鏡設備為成像主芯片。根據DLP投影機中使用DMD芯片的數量，分為單片(使用一片DMD芯片)、三片(使用三片DMD芯片)DLP投影機。三片DLP投影機采用三片DMD的成本較高，絕大部分用于控制室領域的投影機都是單片DLP投影機。
    LCOS(Liquid Crystal on Silicon)投影機在90年代末就已經出現。主要作為商用投影機使用。直到今年5月，日立公司在上海InfoComm上第一次推出了為控制室應用的背投一體化箱體。
    由于LCOS技術的具備了LCD和DLP技術的很多優點，LCOS背投系統必然成為大屏幕背投系統領域的一個新生力量。

二、 LCOS技術原理

LCOS(Liquid Crystal on Silicon)它是一種采用有源點陣反射式液晶顯示技術。是LCD與CMOS集成電路有機結合的反射型新型顯示技術。
LCOS的結構是在單晶硅上生長電晶體，利用半導體集成制作驅動面板(又稱為CMOS－LCD)，然后在電晶體上透過研磨技術磨平，并在上面鍍鋁膜電極作為反射鏡，形成CMOS有源點陣基板，然后將CMOS基板與含有ITO透明電極之上玻璃基板貼合，再抽入液晶，進行封裝。像素電極同時也作為反射鏡，像素的尺寸一般可以做的很小約為7～20μm，開口率高達96％，對于百萬像素的高分辨率的基板的大小還不到一英寸。

三片LCOS投影原理圖

LCOS投影機圖像調制原理和LCD基本相同，也是以光調制來控制投影顯示圖像。入射光線在分光后，經過入射偏光板(PBS)，將入射光變成S偏光，經LCOS板反射調制。如果液晶經外部信號調制，處于顯示亮態時，S光會變成P光，經棱鏡透射后，有最多的光投射到會聚透鏡會聚成像。處于顯示暗電平時，S光經調制，依然還是S光輸出，經棱鏡沒有光透射到會聚透鏡，圖像顯示為暗電平。因此，輸出到會聚透鏡的光的多少是由每個像素的外部信號調制決定的。

    三、 LCOS特點
    LCOS是在傳統的LCD基礎上發展起來的，它繼承了LCD技術的優點，同時也克服了LCD的不足之處，所以LCOS擁有諸多LCD所不具備的優點。
    1. 首先，LCD是在石英玻璃基板上生長多晶硅，利用半導體技術在多晶硅(poly－silicon)上制作象素CMOS有源驅動電路和存儲電容，這樣無疑會占用象素一定的面積，導致開口率的。像素的開口率達到96%。(LCD一般是85%)。因此圖像畫面沒有像素感，畫面邊緣更自然。
    2. 由于多晶硅(P-LCD)中電子遷移速率低，渡越時間比較長，所以顯示畫面會有延遲，直接影響到畫面的刷新速率。而在LCOS技術中，采用反射式結構，渡越時間大大減少，顯示畫面延時和DLP技術相同，為12ms，而P-LCD的延時，在20ms左右。
    3. 其次，LCOS是反射式顯示技術，可以避免LCD由于光源長時間的照射溫升而導致LCD面板局部灼傷的問題。

比較項目	Hitachi LCD	單片DLP	Hitachi LCOS
顯示芯片	3片1.3” P-LCD	單片DMD	3片0.7” LCOS
三色成像方式	三色分別顯示，空間會聚后成像，色彩還原性好，圖像細膩，畫面質量高。	時分成像，以高色輪高速旋轉產生三色	三色分別顯示，空間會聚后成像，色彩還原性好，像素開口率更高，圖像更細膩，畫面質量更高。
分辨率	XGA，SXGA	XGA	SXGA+
開口率	85%	90%	96%
50”亮度	1000cd/m2	500cd/m2	1000cd/m2
對比度	1000:01:00	1000:01:00	1300:01:00
圖像響應時間	20ms	12ms	12ms
投影機色彩調整能力	日立獨有的15級電平調整及單屏分區(可達33×25)調整技術使其具有更高的調整能力，以確保多屏拼接的畫面一直性	-	保持了日立獨有的15級電平調整及單屏分區(可達33×25)調整技術使其具有更高的調整能力，以確保多屏拼接的畫面一直性

    4. LCOS的驅動電路做在反射電極下面，芯片的像素分辨率可以做得很高，通常LCOS的基本分辨率為1400×1050，而LCD和DLP的常規分辨率為1024×768。
    5. LCOS的芯片為0.7"，而P-LCD的顯示芯片為1.3"，LCD面板尺寸過大，制作工藝難以保證顏色大面積的均勻性。
    6. 體積小：LCOS可將驅動IC等外圍線路完全整合至CMOS基板上，減少外圍IC以及引線的數目，降低了封裝成本，并使體積縮小，一般XGA(1024×768)TFT－LCD的外圍引線達到2500多條。
    7. LCOS以單晶硅基板上的CMOS點陣取代多晶硅TFT點陣。相比之下，前者生產技術更為成熟。LCOS的整個工藝，可以分為前道的半導體CMOS制造和后道的夜景面板貼合封裝過程。前道(0.35mm半導體工藝)CMOS電路設計、仿真、制造及測試技術都已經十分成熟，目前合格率可以達到90%以上；后道的液晶屏貼合封裝過程成品率為30%，但是隨著LCOS產品的發展和應用的增加，LCOS的價格下降空間還是很大的。
    從與LCOS相關聯的顯示技術進行比較，它是與高溫多晶硅HTPS－LCD顯示技術，DMD(Digital Mirror Device)數字光處理顯示技術相對應的。簡單來說，LCOS是直接與陰極射線顯像管(CRT)顯示技術、高溫多晶硅液晶(Ploy-Si LCD)穿透式顯示技術、DMD(Digital Micromirror Device)數字光學處理(DLP; Digital Light Projector)反射式顯示技術具有相等同的地位。這三項技術目前發展已經相當成熟，但LCOS將成為大屏幕高分辨率低成本投影顯示技術的新主流。
    與DLP比較的優點
    1. 光源利用率：LCOS與DLP同屬于反射式顯示系統，其共同的優點是光源利用率高；但是單片的DLP顯示是利用的時分R，G，B三色顯示，同一時間只有一種顏色處在工作狀態，使得光通量減少，光源利用率降低，色調飽和度下降。而三片LCOS投影機是三色同時顯示，光通量大大提高，光源利用率很高，亮度和色飽和度都很好。
    2. 顯示速度和帶寬：由于LCOS制作成本低，所以很容易以低成本制成三片的LCOS顯示系統。LCOS和DLP采用半導體制程，其反應速度很快，可以實現很高的灰度級，使得色彩更加豐富逼真(單色D/A轉換10位1024級電平灰度控制可以產生10243種顏色)，盡管單片DLP的顯示芯片DMD的響應速度和LCOS差不多，但是三色時分顯示要求響應速率以及顯示帶寬都要3倍于三片分別處理時的速度，這樣給處理器和芯片提出很高的要求，使得成本進一步的增加。所以，目前8位的2563色的中價位單片DLP顯示技術占市場的主要地位，其色彩豐富程度遠遠的不及10位三片LCOS和10位3×DLP色彩的豐富。
    3. DMD制程極其復雜，目前只有TI獨家掌握，高分辨率的DMD制作成本很高，分辨率難以進一步的提高。色輪的使用壽命、成本以及增加控制設備的成本和難度都將有所增加。而LCOS技術為多家公司共同競爭發展，技術不斷提高，成本也在相應下降。

日立LCOS的色彩還原性

    總結：
    LCOS優點：
    1. 分辨率高
    2. 阻擋光源的強熱不易灼傷
    3. 光源利用率、亮度高
    4. 響應速度快
    5. 對比度高
    6. 成本低
    7. 開口率高，圖像細膩
    8. 使用壽命長20khrs
    9. 具有LCD的低功耗驅動特點
    LCOS缺點：
    1. 有多家生產廠家，標準暫不統一
    2. 技術門檻較高，有一定的技術難度

    四、日立LCOS背投一體化箱體
    早在90年代末，以JVC為代表的一些廠家就已經有LCOS投影機，但是，主要還是用于會議室系統。無法在監控室系統大屏幕顯示中應用，主要問題在于色彩的一致性、亮度的均勻性、24/7工作環境條件等。
    今年5月，在上海INFOCOMM展會上，日立首次推出了在監控領域應用的LCOS背投一體化箱體。其色彩的一致性和亮度的均勻性都超越了現在DLP和LCD同類投影機的水平。日立背投一體化箱體的特點有：
    1)新的光學系統，更高的開口率
    日立公司作為LCOS產品完全自己研發生產廠家，從LCOS的生產到電路設計，都有日立公司自己完成。像素的開口率達到96%。
    2)高亮度和高對比度
    和原來的日立LCD技術一樣，日立的LCOS新穎投影技術，依然保持了高亮度和高的對比度，優化設計的光學系統，保證輸出的白光最亮，而黑屏更暗，對比度高達1200：1的效果。
    系統中采用HITACHI特有的專利技術：
    * 高開口率的反射式液晶(LCOS)技術，使圖像的亮度最大，對比率更高。
    * 采用了大口徑和高聚焦性能的非球面鏡頭，不但邊緣失真小和邊緣亮度失真小，而且聚焦穩定，在任何情況下，聚焦不會變化，圖像四角圖像清晰、規整，并且全屏幕亮度均勻一致。

日立的單屏,5電平一致性調整

    * 系統中，由于RGB的偏振性能一致，抑制了屏幕上二次光折射。所以即使從屏幕側面看，屏上圖像沒有明顯的偏色現象。
    * 背投影機最佳光學系統成功開發應歸功于高開口率的液晶板和優于任何CRT的廣域RGB色彩還原。
    3)更高的顯示分辨率：
    由于LCOS技術，更小的像素面積，就可以獲得高的像素開口率，高的亮度輸出，因此，光機的體積可以減小，顯示芯片的分辨率得到提高，HITACHI ES70-116CMW的原始分辨率就達到1400×1050，這是目前世界上任何一款控制室應用的投影機所不能達到的。
    4)無損圖像的全數字處理
    輸入可以是數字信號也可以是模擬信號，輸入的模擬信號由模/數變換器變換成數字信號。由此以后，從掃描變換到伽瑪補償和底色校正的所有處理都是全數字化的，視頻圖像清晰、明亮，噪聲受到抑制。
    5)兼容高分辨率UXGA標準必備的掃描變換器
    支持直到UXGA分辨率的PC信號。自動掃描功能自動地對輸入信號進行精細的尺寸變換。而且，用于多屏幕拼接時，圖像可縮小到一半尺寸，或者放大到高達8倍的尺寸，無需像常規的系統要求那樣，連接一個外接拼接控制器。

日立單屏幕多區域調整技術

    6)五通道底色校正，視頻圖像自然
    屏上底色由五種數字校正算法校正，每種用于高、中、低、更低、最低5個不同的亮度電平。這樣能在所有的亮度電平范圍實施底色校正，從而產生一致的、自然的顯示圖像。
    Hitachi投影機的一個突出的優點還是可以對單塊屏幕在五電平級，紅、綠、藍三色，分三種區域(單屏幕分5×5，4×4，33×25區域)進行兩度調整，完全使拼接屏幕的色彩做得更加一致。(這一點是hitachi投影機區別其它任何投影機的突出特點)

日立獨有的16級電平調整

    7)10比特數字伽瑪校正，色調表現精細
    10比特數字伽瑪校正電路實現常規技術不能再生的精細色調表現。它能在亮區和暗區再生細微的差別，使得圖像更具三維感覺，而且圖像的表現更加豐滿。對1024灰度信號中的16級電平，紅、綠、藍三色，分別進行細致調整，使色彩在全灰度保持一致。(這是其它投影機所不具備的)
    8)長壽命100W燈和新穎的燈自動更換器
    長壽命燈(6000小時)能長時間連續工作，無需換燈。還裝備一個新開發的燈自動更換器，其中可放一個備分燈，它能檢測燈的壽命，并自動換燈，而且，不必切斷電源就可換掉用完的燈。

五、 LCOS在大屏幕監視系統中
1. LCOS顯示系統具有高解析度的特點，使得它可以更好的顯示影響的細節。作為現代化的指揮監控系統中的大屏幕顯示設備應該滿足高分辨率，能夠更加清楚的顯示畫面的細節，要求色彩還原性能好，豐富逼真。在不降低分辨率的情況下可以在同一LCOS上顯示多畫面。

    2. 作為監控系統顯示設備，應該能夠經受得住長時間工作的考驗，LCOS背板可以直接接大面積散熱片，系統工作穩定性得到保障，更加可靠。色彩飽和度以及亮度不受溫度的影響。
    3. 低成本，高品質是企事業單位競爭所追求的首要。LCOS顯示設備以其優良的顯示效果和低成本將會成為專業顯示領域的主力軍。
    4. 反射式LCOS，由于其高反射率，配合偏振光復用技術，可以使得光源利用率更高，LCOS的亮度可以做的很高，可以實現超大屏幕顯示時的亮度不會變暗。同時也可以減少了由于拼接所帶來的無法彌補的縫隙，影響觀看的畫面品質。
    5. 使用壽命長，整機具有很高的MTBF(大于10萬小時)。
    6. 具有很好的色彩還原性。
總之，LCOS將成為控制室應用的領域的一個新生力量，在近1-2年內廣泛使用在控制室監控領域。

結論：
從與LCOS相關聯的顯示技術進行比較，它是與高溫多晶硅HTPS－LCD顯示技術，DMD(Digital Mirror Device)數字光處理顯示技術相對應的。簡單來說，LCOS是直接與陰極射線顯像管(CRT)顯示技術、高溫多晶硅液晶(Ploy-Si LCD)穿透式顯示技術、DMD(Digital Micromirror Device)數字光學處理(DLP; Digital Light Projector)反射式顯示技術具有相等同的地位。這三項技術目前發展已經相當成熟，但LCOS的不具有高分辨率、低功耗、低成本、體積小的特點，必將是將成為大屏幕高分辨率低成本投影顯示技術的新主流。

項目	技術參數	技術參數
型號	ES70-116CMW	ES50-116CMW
圖像尺寸	70" 1414×1061	50" 1016×762
顯示系統	3×LCOS投影	3×LCOS投影
液晶板	3×0.7" 有源矩陣多晶硅薄膜晶體管	3×0.7" 有源矩陣多晶硅薄膜晶體管
液晶板分辨率	1400×1050(SXGA+)	1400×1050(SXGA+)
亮度(屏前)	500cd/㎡	1000cd/㎡
對比率	1300:01:00	1300:01:00
亮度均勻性	＞95%	＞95%
RGB輸入端	模擬RGB：15芯 D-SUB型插座； RGBHV，BNC插座；數字RGB：DVI-D	模擬RGB：15芯 D-SUB型插座； RGBHV，BNC插座；數字RGB：DVI-D
輸入頻率	15-100KHZ行頻,40-120HZ場頻	15-100KHZ行頻,40-120HZ場頻
控制方式	RS-232C(9Pin D-sub)×1(combine RS-485)，RS-485(9pin D-sub)×1	RS-232C(9Pin D-sub)×1(combine RS-485)，RS-485(9pin D-sub)×1
視頻輸入端(選配)	復合視頻(BNC插座)；復合視頻(BNC插座)/S-VIDEO(插座可選)，YPbPr分量視頻(BNC插座)	復合視頻(BNC插座)；復合視頻(BNC插座)/S-VIDEO(插座可選)，YPbPr分量視頻(BNC插座)
主要的內部功能	掃描變換器(放大) 等自動更換系統	掃描變換器(放大) 等自動更換系統
燈	100W UHP(典型壽命6000小時)；	100W UHP(典型壽命6000小時)；
功耗	180W	180W
重量	100kg	59kg
尺寸	1414(寬)×1341(高)×750(深)	1016(寬)×1002(高)×550(深)