什么是LCoS

    LCoS是一種基于液晶技術的光學元件，全稱為Liquid Crystal on Silicon，直譯為“硅基液晶”。簡單來說，LCoS是基于液晶（Liquid Crystal）材料，與硅基集成電路技術相結合組成的一種反射型顯示器件[1]。本質上來說，LCoS利用液晶分子雙折射率（Birefriengce）特性，通過調控光的偏振態來對入射光的振幅或相位進行調制，由此LCoS可以分為振幅型和相位型[1]。

振幅型LCoS-Twisted Nematic Configuration

    振幅型LCoS（Amplitute-only LCoS）的排列方式有扭曲相列型Twisted Nematic（TN）和垂直排列型Vertical Aligned Nematic（VAN）， 通過對像素單元施加不同的電壓，配合正交的偏振片組，對入射光的振幅進行灰階調控，如圖(1)所示[2]。

圖 (1).光的振幅變化示意圖

    振幅型LCoS對光的調制與傳統的 LCD 原理類似，都是對像素加載電壓、利用液晶分子的雙折射效應改變光的偏振狀態來控光[3]。為了達到最好的效果，入射光的偏振方向需與 LCoS 的入射偏振片的偏振方向平行；像素中的液晶分子在外部電壓施加的情況下會進行旋轉，此旋轉會改變入射光的偏振特性，根據偏振特性的不同，出射光線的情況也分為圖(2)中的三種[3]：

圖 (2).電壓施加的不同強度下，振幅型LCoS出射光線情況

    1）當沒有外加電場時，液晶分子在2片偏振片之間呈90°扭曲，由于光線順著分子的排列方向傳播，所以此時光線經過液晶時也被扭轉90°，可以通過器件出射，并被人眼看到（圖(2)(A)）[4]。

    2）當液晶分子開始被施加電壓，液晶將在電場作用下發生旋轉，由平行于偏振片的扭曲排列逐漸轉變為垂直于偏振片方向排列，此時光線經過液晶時被扭轉的角度在0°~90°之間，部分光線可以通過器件出射，并被人眼看到（圖(2)(B)）[4]；

    3）當液晶分子被施加了足夠的電壓，液晶分子的排列方向完全垂直于偏振片，此時光線經過液晶時未發生扭轉，由此該排列會阻擋光線的傳播，光線無法通過器件出射（圖(2)(C)）[4]。

    目前振幅型LCoS已經在家用和工業用投影領域有著成熟的應用，最近在車載HUD內使用的LCoS也即是振幅型LCoS。

相位型LCoS-Zero Twisted Configuration

    我們上述提到了振幅型LCoS控制光線振幅的原理，與之相比，相位型LCoS（Phase-only LCoS）較為常用的架構方式是零扭曲式（Zero Twisted）液晶排布方式，并與平行偏振片組搭配使用[5]。光的相位可以簡單理解為光的相對位置關系（如圖(3)所示），改變光的相位即改變了光在空間中的相對位置，這個過程就是光相位調制[5]。

    相位型LCoS通常被運用于激光光刻、激光成像、全息成像等應用領域[6]。可以看到相位型LCoS通常與激光光源配合使用，其原因是只有高相干性光源才能確保經過相位調制后的光發生所需的加強或減弱的干涉效應，從而達到光調制的目的[5]。

圖 (3).光的相位變化示意圖

    如圖(4)，在相位型LCoS液晶層中施加電壓時，液晶分子發生偏轉，相位型LCoS的入射光線依舊能夠完全出射。但由于梭形液晶分子在長軸和短軸的折射率不同（長軸折射率ne>短軸折射率no），因此當不加電壓時，光線通過的是梭形分子的短軸no部分（如圖4(A)所示）[5]；當充分施加電壓后，液晶分子發生偏轉，光線通過的是梭形分子的長軸ne部分（如圖4(B)所示），因ne>no, 所以光線在液晶層的傳輸速度是ve<vo，因此，施加電壓后，光線通過液晶層后的相位位置落后于不施加電壓的情況[5]。LCoS可在每個像素點上施加不同的電壓，液晶分子的折射率也會介于no與ne之間，從而實現像素級別的相位調制。

圖 (4).電壓施加的不同強度下，相位型LCoS出射光線的情況

LCoS和TFT-LCD的區別

    與振幅型LCoS類似，TFT-LCD（Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display）也是通過液晶和電場來調控液晶的偏轉，進而調控光線的振幅[7]。LCoS與TFT-LCD的主要區別在于它們調控光線的方式：LCoS成像主要利用硅基板反射（見圖(5)）[1]，而TFT-LCD用雙面玻璃基板采用透射方式[7]。

圖(5). TFT-LCD和LCoS的內部構造對比

    TFT-LCD為透射型顯示，面板底部采用玻璃作為基板，光源位于該層基板之后（圖(5)(A)）[7]。入射光通過玻璃基板，TFT-LCD屏的每個像素包含一個薄膜晶體管（Thin-Film Transistor），通過控制薄膜晶體管的電壓，可以控制液晶分子的轉動。光線在通過液晶層后得到調控，然后繼續穿出顯示器上層的玻璃面板，向人眼傳播[7]。

    相比起TFT-LCD，主流LCoS方案通過反射成像，僅有上層面板采用玻璃基板，底部則采用由反射硅構成的背板（圖(5)(B)）[8]。背板上的控制電路芯片主要采用半導體材料硅，硅襯底上的CMOS有源顯示驅動矩陣為每一個像素提供了MOSFET開關、存儲電容、遮光層和像素電極等，用于集成電路和電控操作。在硅基板與液晶之間，有一層鋁或其他高反射的材料被用作光線的反射面。這意味著光線入射至液晶層后，被液晶調控后由反射鏡片反射至人眼[8]。

圖 (6).TFT-LCD與LCoS工作原理

LCoS成像原理帶來的優勢

    LCoS 在成像效果和工藝制作上都有一定的優勢，我們可以從以下方面來看。

光能利用率高

    首先，LCoS具有更高的光能利用率[9]。如上文所說，LCoS底部背板由單晶硅構成，單晶硅擁有良好的電子遷移率，且容易形成較細的線路[10]。這帶來了兩方面的意義：從微觀來看，在電場作用下，單晶硅內部電子運動較快[10]；從宏觀來看，LCoS的晶體管及線路都能夠在CMOS芯片內進行制作，位于反射面之下，不占用表面面積，僅有像素間隙占用開口面積[10]。

    所以在同等驅動條件下，LCoS整體線路尺寸都會縮小，像素能夠利用的面積更大。由是，LCoS的開口率會更高，光能利用率也會因此大幅提升，振幅型LCoS可達40%左右，可達穿透式LCD的4倍[11]。因此LCoS能夠實現更大的光輸出、在單位投射面積上具有更高的光強度，即具有更高的輝度[11]。

分辨率高

    其次，LCoS具有更好的分辨率[12]，主要原因是LCoS具有更高的像素密度（Pixel Per Inch，簡稱PPI）。相較于TFT-LCD在玻璃基板上制作薄膜晶體管（Thin-Film Transistor），LCoS 在硅襯底上制作的互補式金屬氧化物半導體晶體管（CMOS Transistor）的尺寸更小[12]。于是，在相同空間內，LCoS基于硅襯底的PPI明顯大于基于玻璃基板的TFT-LCD。這意味著對于 TFT-LCD而言，如果要實現相同像素數量，需要設計更大的玻璃基板，或縮小單個像素的尺寸。然而，玻璃基板的設計尺寸有限，這就凸顯了LCoS硅襯底的優勢，即能夠實現更大的像素密度，從而保證更好的分辨率[12]。

    除此之外，TFT-LCD通常采用傳統的RGB像素布局，即每個像素點由紅、綠、藍三個子像素組成，每個子像素都有相應的濾色器，通過背光源的亮度和顏色來顯示圖像[13]。而LCoS可以通過時序彩色驅動，將彩色圖像中的紅綠藍信息分離出三個通道，在不同時間間隔內將不同通道的圖像送入顯示屏，只要RGB三色光的交替頻率足夠高，人眼所感覺到的圖像就是由RGB三基色混合而成的顏色效果[11]。所以LCoS像素尺寸可以更小，在同樣尺寸的顯示屏上就可以做到更高的分辨率。圖(7)展示了這兩者內部像素構造的簡要原理。

圖 (7).TFT-LCD與LCoS像素構造示意圖

    綜上所述，就光能利用率和分辨率來看，LCoS比TFT-LCD，形成了對比度更好、更高清、更細膩的顯示效果（見圖(8)）。

圖(8). TFT-LCD與LCoS 顯示效果示意圖

工藝優勢

    此外，LCoS的生產制造過程具有一定效率優勢[11]。由于用作光學反射表面的硅襯底能夠通過現代集成電路制造工藝進行制造，這意味著LCoS的生產過程可以與集成電路的生產流程整合在一起，從而降低制造的復雜度，大批量生產具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊，實現LCoS模組的小型化與輕薄化，并帶來降本的可能性[11]。

    最后，作為一種開源技術，相比起TI專有專利的DLP，LCoS的設計與制造并無太多限制，更多公司和個人能夠參與其中，這為LCoS的進一步發展提供了更大的空間和機遇。

LCoS的劣勢

溫度挑戰

    盡管LCoS技術已成熟且在投影與光學領域得到一定規模的應用，但在汽車領域，LCoS通過車規的耗時較長，主要原因是 LCoS熱管理方面還面臨著挑戰[14]。盡管TFT-LCD和LCoS都使用液晶材料，但液晶材料的種類卻有上千種，TFT-LCD與LCoS所采用的液晶材料不同，TN LCoS與 VAN LCoS所使用的液晶材料也有所區別。液晶器件在溫度較高或者較低的情況下，均會出現一定程度的性能下降，為了滿足車規使用場景（-40°~+85°），車載LCoS需要選用合適的液晶去進行匹配，但現階段車載LCoS主要面臨的挑戰還是高溫失效問題，因此現階段能滿足車規的量產級LCoS光機模組的很少。

反應延時

    比起當前HUD中通常使用的DLP光機，LCoS反應速度較弱，差距在2～3個量級以上（約100~1000倍）[15]，且LCoS屏幕的顏色切換是通過控制液晶分子的偏轉實現的，液晶層偏轉的速度影響了LCoS的灰階響應時間，而液晶層偏轉速度又與溫度有關，溫度越低，偏轉速度越慢。由此，在低溫下，LCoS屏幕可能會出現明顯的拖影現象，從而影響視覺效果[16]。

    理論上鐵電液晶能夠更快地完成旋轉，因而鐵電液晶能提升 LCoS的切換速度[17]；然而，鐵電液晶的制備和集成相對較為復雜，且在長時間使用或頻繁切換的情況下可能存在耗損和退化的問題，由此當前LCoS中的液晶材質未采用鐵電液晶。同時，對于相位型LCoS而言，在全息圖構造中，有黑、白、灰三個度，而鐵電液晶可能會造成灰度條紋的流失，從而導致信息量減少和圖像質量下降[17]。

LCoS發展近況

    以市面公開的參數來看，目前LCoS的像素尺寸可做到3.74~25μm之間[18]，響應速度在毫秒（ms）級別，約在1~200ms的范圍之內[18]。從分辨率來看，當前的LCoS 最大能夠達到8K（4096×2160）的原始分辨率[11]。在2020年12月，LCoS于國內首次實現量產，且像素密度由4300PPI（PPI的定義見 視場角FOV的原理及應用）提升至6000PPI。

LCoS未來發展

    LCoS的優勢在于精確的光學調控，由此在光通信領域，LCoS 有兩個主要應用[2]：一個是用于控制電光調制器，通過LCoS對光的強度調控特性，幫助電光調制器將電信號轉換為光信號，進行高速、精確的光信號調制[2]；二是用于光開關中，光開關在光通信系統里用于實現光信號的切換、路由和調度[19]，而LCoS精確的光學調控使其有助于提高光開關的性能和傳輸質量[2]。

    在顯示領域，由于具有出色的分辨率、對比度，LCoS適用于多種場景，包括3D投影、全息投影和激光投影等。憑借其較小的模塊體積，LCoS最近在AR技術領域被廣泛應用，如AR頭戴式顯示器中LCoS即為一種常用的光機[2]。

    在HUD領域，振幅型LCoS已經開始運用于量產項目中，睿維視也已成功開發了基于振幅型LCoS的大視場角AR-HUD。此外，相位型LCoS因其對于純相位調制的特性，也能支持數字全息（CGH）的實現，從而達到實時變焦的3D AR-HUD顯示。