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硅基液晶技术
曾经被很多业内人士视为一朵奇葩，但因为制造困难和成品率问题而屡遭挫折。不过，LCoS（硅基液晶）还是凭借其出色的显示特性在平板显示领域、尤其是投影和高清电视领域占有了一席之地。
显示新兵履历
硅基液晶（LCoS）是一项相对新颖、而又相对鲜为人知的显示技术，如今正大举进入高清电视市场。真正给人深刻印象的是，与传统上先以表现平平的性能占据底层市场，而后追求上佳图像质量不同，LCoS一开始就在图像质量方面立足于高起点。LCoS在所有显示技术当中提供最高的分辨率、最高的非CRT对比度以及最小失真的图像。对于图像闪烁及视觉疲劳的人来说，LCoS拥有最高的刷新率（120Hz），可获得画面最流畅、闪烁现象最少的图像。
当然，LCoS事实上不是全新技术，因为这项技术开发已有十多年; 而自1998年以来，日本的JVC公司其实一直在交付采用该技术的高端、专业前投式投影仪，不过到目前为止规模仍然较小。LCoS技术设计制造非常困难，为数不少的公司已经放弃或者宣告失败: RCA旗下的汤姆逊公司在2001年生产出了第一款商用的LCoS高清电视，随后东芝（采用日立的LCoS芯片）和飞利浦公司亦步亦趋，不过到2004年10月所有这些厂商都中途退出; 2004年1月，英特尔宣布将开始生产LCoS面板，这让整个业界大跌眼镜，不过随后它在2004年10月终止了项目，根本没有交付任何产品。因而，LCoS的未来遭到了许多分析师的质疑，不过现在情况已经发生了变化。
JVC在2004年7月发布了第一款背投式1280×720高清电视，这标志着第二代LCoS开始问世。随后索尼在2005年1月加入了这一行列，推出了高端的1920×1080 Qualia设备。Brillian紧随其后，开始在2005年年中交付其1280×720产品。到目前为止，全球可以购买的LCoS高清电视只有寥寥几款。不过，JVC和索尼最近宣布推出各自的第二代高清电视，LG公司宣布推出第一代产品（采用SpatiaLight公司的LCoS面板）。日立公司是LCoS领域的另一个重要厂商，不过它无限期推迟了原定于2005年11月推出的60英寸和70英寸的LCoS高清电视。
技术原理
LCoS是使用液晶来控制图像中像素亮度的最新显示技术。最常见的几种液晶技术应用于大尺寸非晶硅液晶面板，这类面板用于计算机显示器、普通电视和高清电视。它们的尺寸通常从5英寸直到82英寸（这是截至2006年1月的最高记录）。另一种就是尺寸小得多的高温多晶硅面板，这类面板用于视频和数据投影仪。它们的尺寸只有1英寸左右，应用于各种大屏幕液晶背投电视和高清电视。在这两种技术当中，光源都在面板后面，光线必须完全通过面板从背面传送到正面，包括通过面板内用来控制一个个像素的所有电子电路和部件。这会挡住许多光，从而在像素之间形成间隙。分辨率越高，这个问题就越严重; 第二个重大问题就是，液晶需要比较厚，那样才能够提供高对比度。而这会减慢响应时间，这样如果图像里面出现运动或者变化，就会导致出现一些拖尾现象（smearing）。
LCoS的工作原理就是使用液晶层背面的反射镜，那样光从正面进来后，通过液晶传送，经由反射镜的反射，然后第二次通过液晶一路传送到屏幕。这需要一些稍微复杂的光学器件，不过效果非常好。它具有显而易见的优点: 所有的电子元件都在反射镜后面，那样它们就完全不会遮挡光线。背面还有许多空间，那样就有可能获得极高的分辨率，而LCoS技术生产出来的设备在所有显示技术当中已经拥有最高的分辨率。因为光两次通过液晶传送，所以可提供高对比度，厚度又相当薄，这就显著缩短了响应时间，大大减少了拖尾现象。
那么它是如何工作的呢？液晶可以旋转光的偏振方向，而旋转次数可通过电磁场来控制。每个像素的电磁场由反射镜后面的硅芯片来形成。实际上，反射镜是硅芯片的最上面一层，液晶又直接覆在反射镜上——这就是“硅基液晶”一名的由来。大多数面板的尺寸在四分之三英寸左右。为了生成图像，偏振光源对准面板。只要改变像素所在位置的电磁场，就可以改变每个像素的亮度。可以旋转本地光的偏振方向，然后利用偏振滤光片挡住已被旋转的那部分光。生成电磁场的硅芯片其工作原理其实酷似计算机的内存芯片，排列成众多行列交错的像素。每个像素有对应的内存位置。图1显示了LCoS面板的剖面图。
正如与其他所有显示技术一样，LCoS领域的每家厂商都有各自的专有实现方案，都给自己的技术取了特别的营销用语，这在表1和表2中已有列明。所有生产商都特别提到: 自己使用采用无机配向膜的垂直配向向列型液晶（Vertically Aligned Nematic Liquid Crystal）。垂直配向提高了对比度，同时在驱动信号为零时，让屏幕的颜色黑得自然。无机配向膜消除了早期的有机配向膜所存在的老化问题，所以如今所有这些LCoS技术的使用寿命都非常长。
表2列出了每家生产商提供的采用更高级技术的1080 LCoS面板的规格说明。索尼的两款产品中有一款是采用第一代面板的Qualia 004和006产品，另一款是在2005年8月宣布的采用第二代面板的XBR产品。
主要技术参数
面板对比度（Panel Contrast Ratio）恐怕是表当中最重要的值，因为高清电视屏幕的对比度总是小于面板的值。像素间距（Pixel Pitch）是指面板上像素的中心距离。而像素间隙（Inter-Pixel Gap）是指像素之间的非活动空间。填充因子（Fill Factor）有时叫作开口率（Aperture Ratio），这是指处于活动状态的像素区域所占的百分比，因为该百分比接近100%，所以屏幕上像素间的间隙通常不会被注意到。DLP微显示器的填充因子最多高出几个百分点，但高温多晶硅液晶投影仪面板的值通常小得多，在50%到70%之间，所以其像素结构往往感觉不到。
使用寿命（Lifetime）这个值包括许多因素，不过只能通过对实验结果试测进行推断，利用统计方法进行估计。所有提供的值都超过10万小时，也就是说，每天24小时工作可以连续使用11年之久。LCoS使用中最大的问题就是随着时间的流逝，亮度或者对比度会逐渐减小，这就是所谓的老化现象。所有生产商都声称，信号电平是指面板电路板中用于控制LCoS设备的数据位这一数字。所用的数据位越多，灰度就越流畅，出现假轮廓的可能性也就越小。
响应时间（Response Time）是行业标准，它明确规定了像素从黑色变成白色所需的时间（名为上升时间或Ton）加上像素从白色变成黑色所需的时间（名为下降时间或Toff）之和。响应时间这一指标表明了图像的变化速度有多快，从一定程度上表明了运动图像中出现运动拖尾（motion smear）的可能性。
一般来说，数值越小越好，不过运动拖尾涉及众多因素。遗憾的是，有些生产厂商公布的响应时间其实是指上升时间和下降时间的平均值而不是两者之和。这样一来，让人觉得它要比实际速度快一倍。所以，在阅读响应时间参数时要格外小心——确保你清楚生产厂商在采用什么方法（譬如说，索尼的Qualia SXRD面板把总时间5毫秒作为响应时间参数，而最新款的XBR SXRD面板却把平均值2.5毫秒作为响应时间，所以让人觉得后者的速度是前者的两倍，但实际上不是）。表2中列出了上升时间和下降时间，帮助澄清这个问题。
对LCoS及基于液晶的其他所有技术而言，控制每个像素的物理过程实际上是模拟过程。这是一个优点，因为人的视觉涉及的也是模拟过程。这就消除了完全数字的显示技术如DLP和等离子所存在的混色失真（dithering artifact）问题。不过，其实有可能为面板设计出这样的硅背板: 利用模拟电压或者脉冲宽度调制（PWM）都可以工作。PWM其实是数字信号。最终结果就是，液晶仍是模拟响应，但可以用两种全然不同的方法来实现，各有其优缺点（数字方法就好比普通的调光器如何使用电脉冲来控制模拟钨丝灯泡）。
表1和表2中的设备控制这项列出了每个设备所采用的方法。数字背板的成品率通常比较高，因而生产起来比较容易（不过并非所有生产厂商都认同这种说法），另外相关的驱动电子器件也比较便宜。不过，目前利用数字控制实现流畅的灰色却比较难（尤其是灰度的暗端部分），所以这就是为什么大多数机型都采用模拟背板。
光学器件和电子器件
除了面板外，LCoS高清电视还有另外诸多重要部件。投影光引擎（Projection Light Engine）包含从灯泡到投影透镜的所有光学器件，它首先准备了用于照射微型LCoS面板的光束，然后以大约80∶1的线性因子对图像进行放大，这相当于屏幕区域中的6400∶1（以典型的对角线长度为60英寸的屏幕为例）。投影光引擎采用的技术与LCoS面板本身同样让人叹为观止，而且对用户在屏幕上看到的图像和画面质量而言同样重要。它通常是任何投影高清电视里面最昂贵的一个器件。
图2 LCoS投影光引擎结构
图2显示了投影光引擎的图片。需要注意的是，所有的这种高清电视都使用三块LCoS面板，红、绿、蓝每个基色通道各用一块，然后一组棱镜用来把三种基色重新组合成单一光束，显示在投影透镜的正前方。屏幕本身是光学系统中的另一个重要部件，它对图像和画面质量也起着极为重要的影响，高质量的屏幕价格不菲。另外还有两个重要的光学部件: 投影透镜，它与吸收杂散光的屏幕之间形成非常暗的内部空间; 机壳背面的正面平面反射镜，它负责把光线从投影透镜传送至屏幕。
图3 LCOS硅芯片的两种主要的电子器件组件是: 面板电路板（Panel Board），它负责LCoS面板的低层直接控制; 前端电路板（Front-End Board），它含有高清电视的所有输入连接器。前端电路板可以把各种不同的输入信号（复合视频、S-视频、合成视频、RGB、DVI和HDMI）转换成面板电路板所需要的数字格式。它还管理允许用户进行调整及控制菜单。而面板电路板一般只有厂方才能使用的控件，包括控制LCoS面板所用的低层设备伽玛表。
3）数字高清微显彩电技术不断提高
①LCD微显彩电
由于LCD背投是采用透射式液晶，开口率比较低，原来只有54%，今年我们到日本爱普生访问，该企业已推出D5代液晶，开口率提高到70%，对比度提高了50%，亮度也有很大的提高；采用无机定向膜开发液晶（HTPS）的新技术，进一步提高了开口率，改进对比度，提高了黑色再现能力，使图像更加精细，画面更加清晰，更真实地重现自然图像，爱普生将这项技术称为“水晶高清精细（Crystal Clear Fine）”技术。
日本SONY公司最近推出物理分辨力为1920×1080 50英寸3LCD数字高清微显彩电，每台售价仅人民币17000元，在性价比上很 竞争力的。
②DLP微显彩电
美国TI公司为改进单片DLP投影机的彩色还原性较差的问题，采用Brilliant Color（极致彩色）的新色彩处理技术，即采用R、G、B三基色和相应补色青、品红、黄六段色轮，在色域和色饱和度上有一定的提高，可提高亮度20~40%；采用Darkchip技术即在微镜下面增加黑色涂镀层，减少光反射，减少像素间的间隙和支持机械装置的孔径，提高对比度和亮度；为了满足1080p高清晰度数字电视的要求并降低芯片成本，TI开发出了用类似以960×1080微镜阵列来显示1920×1080（即1080p）画面，称之为“平滑画面”技术，其核心是利用DLP微镜单元-12，0和+12度的三个平衡角位，在一对对称的像素位置上，通过脉冲宽度调制（PWM）产生一定灰度白或黑的像元，而剩余的一个角位用作双像素全黑的光阀关短状态，从而取得单一微镜双像素显示的功效。
③LCOS微显彩电
由于LCOS可以说是吸收LCD与DLP优点而研发出的成像器件，它是反射式液晶，开口率高，因此它具有分辨力高、像素面积占有率高、光耗小、响应速度快、体积小、重量轻等优点，是1080p高清晰度数字电视最佳的显示技术。近来封装成品率有所提高，特别是光学引擎改进很快。三片机主要有IBM，Colorlinlc，3M，示创，Jdsu；单片有时序彩色和卷帘式以及美国永锡科技介于两者之间的新彩色控制方法。示创，Jdsu三片光学引擎方案都表明是低成本方案，Jdsu认为其光学引擎与3LCD结构相近，示创认为其光学引擎方案是性价比较好的方案，参见表一、图三、四、五。
表一：主要LCOS光学引擎架构介绍
①成像器件
LCD、DLP、LCOS三种微显示成像器件情况各有不相同：
A）LCD成像器件掌握在日本索尼、爱普生和南韩日进三个企业手中；
B）DMD成像器件，全世界只有美国TI公司生产；
C）LCOS成像器件，这是一种技术开放式的器件，尚未被某企业所垄断。
②光源
这是数字高清微显彩电应对挑战很重要的关键件，因为超高压汞灯延长寿命工作一时难以解决，加之国外生产超高压汞灯的企业不给维修单位销售灯泡，致使灯泡几经转手，价格高出2-3倍卖给消费者，这是不少消费者不愿意购买数字高清微显彩电电视的原因，也是有些人贬低数字高清微显彩电的藉口。
在光源问题上，我们采取以下措施：
a）鼓励国内超高压汞灯生产企业提高质量。
b）开发新的光源。
c）加强微显示背投电视灯泡的售后服务，保证消费者不因灯泡损坏而受到损失。
d）加速灯泡标准制定工作。
③光学引擎
国内研发和生产数字高清微显彩电光学引擎的企业（包括外资企业）有三十家左右，除外资的独资、合资、合作的企业外，大多没有规模生产，为了应对平板电视降价的挑战，必须使国内研发和生产数字高清微显彩电光学引擎产业化，从而提高质量，降低成本，我们准备结合光学引擎制定标准的机会，选择条件较好的企业，支持其加速产业化。
④背投屏幕
国产背投屏幕和进口屏幕价格相差很大，国内研发和生产背投屏幕企业共有十家左右，但只有少数单位能提供背投电视屏幕，而背投屏幕本地化是降低数字高清微显彩电成本重要措施之一，为了应对挑战，必须支持条件好的企业形成规模生产。
近来微型显示器呼声日高，所谓微型显示，就是将显示器件作的很小。但是，这个很小的显示器件上又可以显示密度很大，信息量极高的显示内容。例如：在不足1平方英寸的面积上可以显示1024*768的像素密度。这种微型显示器通过光学系统可以放大成任意尺寸供人们观看。可以放大成大屏幕的实象，也可以作成眼罩式的随身看显示系统，将显示内容放大成虚象。总之，他将技术含量极高的显示器件作的很小，再利用其他的光学系统将其处理成任意适合人们使用，观看的产品形态，无疑是一个非常有意义的创举。
可以作成微型显示器的方式很多，目前有以下几个主要方式：
1． 硅片上的液晶显示（LCOS）
2． 有机电致发光（OLED）
3． 数字微镜显示器（DMD）等几种。
其中，LCOS是最具潜力的一种微型显示器。他分为反射式和透过式两种。本文将主要介绍反射式LCOS微型显示器的结构，原理和应用。
一． LCOS微型显示器的结构和原理
LCOS是liquid ｃｒｅｓｔｅｒ ｏｎ ｓｉｒｉｃｏｎ的缩写。即硅片上的液晶之意。顾名思义，就是将液晶显示作在硅片上。
从图中可以看出，实际上他仅仅是一个将下玻璃基板换成了制作TFT和IC电路的单晶硅基片的液晶显示器件。
为什麽要采用这种结构呢？
我们知道，普通的TFT有源液晶显示器件一般是在玻璃基板上生成一层非晶硅膜层，再制作TFT有源矩阵的。非晶硅的电子迁移率低，因此所制成的TFT器件的面积大。对于一个固定面积的像素来说，他占用的面积比例就大，即，开口率就低，从而使通过像素的光就少。从图中可见，一个 像素被TFT器件和边缘占去了不少，如果再加上前后偏光片和滤色片等各种因素，一般TFT的液晶显示器件的透过率不过10%左右。这就不得不在应用时要配上较大功率的背光源。因此，大大削弱了液晶显示器件微功耗的优势。
后来，人们将非晶硅的TFT器件改为多晶硅TFT器件。由于多晶硅的电子迁移率比非晶硅的电子迁移率高一个数量级，所以，可以将TFT器件的面积缩小很多，从而使开口率大大提高。但是，透光率的提高还是不够，光的利用率还是不高。
人们开始想到了单晶硅，单晶硅的电子迁移率比多晶硅又高了一个数量级，因此，单晶硅的TFT器件面积可以作的更小，开口率可以做到95%以上。但是，单晶硅不能在玻璃上生成，于是人们干脆将TFT器件直接作到单晶硅硅片上。单晶硅硅片是不透明的，所以，人们索性将液晶显示器件作成反射式的显示器件。反射式的器件没有透过式器件的光吸收，所以光的利用率更高。人们为了进一步提高光的利用率，又在TFT矩阵像素的表面蒸镀了一层反射镜面，使光的利用率达到最大。既然基板是单晶硅材料，最好也不要浪费，不如将液晶显示器件的行列驱动器，控制器等外围电路都作到硅片上不是更好吗。于是，就诞生了这种将大规模集成电路和液晶显示器件合成一体的混血儿。大概和生物界的杂交优势一样，这种科技界的杂交也具有强大的优势。
二．LCOS微型显示器的优势
1、由于它是将显示器件和大规模集成电路制作成一体的显示器件，因而使显示器件本身具有了某种智能功能，我们可称之为智能型显示器件。
液晶显示器件被称为是大规模集成电路的孪生兄弟。液晶显示器件的轻、薄、小、微（功耗）的特点使显示器件的信息显示实现了个人化，而个人化的结果为大规模集成电路提供了广大的市场。二十世纪七十年代，以个人计算器的兴起，液晶显示器件与大规模集成电路相互促进、飞速发展，逐步形成了全世界最大的产业。九十年代，液晶显示器件又和大规模集成电路合作，实现了手提电脑的飞跃。
液晶显示器件与大规模集成电路这一对双胞胎谁也不能离开对方哪怕一瞬间。液晶显示器件离开了大规模集成电路，他的轻、薄、小、微（功耗）的特点就变得毫无意义，而大规模集成电路如果不能将其大量、丰富、及时处理的信息用液晶显示，及时、方便、准确的展现给人类视觉，也将大大埋没了它的本领。他们必须结合在一起才能发挥出他们的本领。但遗憾的是，他们终是两个不同的产品。
现在好了，他们终于结合成一个产品了，大规模集成电路使液晶显示器件有了智能，液晶显示器件使大规模集成电路的智能更直接的与人们的视觉联系在一起。
2、产品可以作得更小、更精。
一般的LCD在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制造像素。一般，将像素做到0.28mm已属不易，因为在每个象素上还要制作上一个有源器件。但是LCOS的像素是制作在单晶硅片上的，硅片采用大规模集成电路的工艺进行加工，可将像素作到4µm以下。因此，在一个仅零点儿英寸的硅片上可以生产1024×768，甚至1920×1240像素密度的产品。
可以想像，其产品显示的信息量密度加大了，而面积减小了。其材料费，成本自然就会大幅度降低。目前试产的LCOS屏成本仅50美元。
不用担心器件太小显示内容看不见，只要通过一定的光学系统放大，自然可以得到任意尺寸的显示面积.
3、解决了一般TFT-LCD像素开口率不高的难题，提高了光的利用率.
像素开口率是指显示像素上有效显示面积所占的比例。一般TFT-LCD，要在每个像素面积上划出一个区域制作上场效应三级管和电容，由于一般的TFT-LCD是在玻璃基板非晶硅膜层上制作的，非晶硅或多晶硅层上制作场效应管时，由于非晶硅、多晶硅的电子迁移率低，因此，场效应管等有源器件所占面积较大，而LCOS的硅片是单晶硅，其电子迁移率远比非晶硅、多晶硅高得多，所以其面积可以作得很小，因而其开口率可以作得很高，达96%以上。
我们知道液晶显示器件是被动型显示器件，*调制外界光实现显示，普通的LCD在前后各有一片偏光膜，LCD就是*调制偏振光的开关、通断完成显示的。偏光片是*光吸收产生偏光的，所以作成的液晶显示器件透过率很低，一般TFT-LCD的透过率仅百分之几，因此，为了显示清晰，液晶显示器件背后要装置一个较强的背光源。这个背光源，很费电，从而将液晶显示微功耗的特点全抹杀了。
LCOS的背基板是单晶硅基片，因此，LCOS大都作成反射式形式。硅片像素上又镀有光学反光镜，可以将光全部反射出来，因而大部分入射光都能够被利用。
以普通TFT-LCD制作的透过式投影电视和用LCOS-LCD作成的的反射式投影电视对比，用LCOS制作的投影电视只用1/5功耗的光源即可得到比普通透过式TFT-LCOS投影电视亮几倍的效果。一个400瓦光源的LCOS反射背透74″高清晰电视的亮度可以高过CRT的亮度。这是目前其他任何投影电视无法达到的水平。
4．实现显示的方式多样化
由于LCOS屏幕尺寸很小，所以在实现显示时必须用放大光学系统。常用的方式有：
(1) 投影放大方式：可以用正投影显示方式，也可以用背投影显示方式。
(2) 直观放大方式： 一般多用 手持式。
(3) 虚像放大方式： 有单目式和双目式两种，又分为割取外影式和叠加外景式
一般用作电视时均采用投影放大方式。可以作成54″—100″的高清晰电视而成本不超过万元，重量不超过10公斤。当然也可作成背投式电脑显示器。
通过一个光学放大系统可以将图像投放在一个适当大的屏幕上作为移动通讯，可视电话上，也可按虚象放大式作成眼罩式（双目、单目）的随身看显示系统，使显示图像在人的眼前形成一个放大的虚像。
5．彩色化方便
通常液晶显示器彩色化是用微彩色膜方式，即，将三个子像素作成红，绿，兰三原色子象素，合成一个全色像素。这是一种空间混色法，占用了大量的像素空间，降低了分辨率。而LCOS则不是，它本身是黑白的，采用红，绿，兰三色光循环照射，通过时间混色达到彩色显示的目的。由于LCOS响应速度可达微秒级，因此，这种方法完全可行，而且大大减少了器件成本，提高了显示分辨率。
6． 外引线少，连接简单、整机安装方便
普通液晶显示器件有大量密集的外引线，例如一个1024*768的点阵液晶显示器件要有2592条外引线，给装配带来很多不便，而LCOS由于是将液晶作在单晶硅基片上，液晶显示器件的行，列引出线均通过半导体工艺在硅片内部与集成电路相连，因此，留在外面的只有几条数据控制线、时序线、电源线等。可以用通用连接端口与前级电路连接，非常方便。图四是LCOS系统框图。
7、投资少，便于规模投产
一个TFT-LCD生产线，由于要在玻璃上生成非晶硅或多晶硅，还要作微彩色膜等特殊、独特的工艺，因此投资很大，一般要几亿～十几亿美元，建厂周期长、回收慢，而LCOS的产品结构决定了它不需要单独对全程生产线进行投资，它可以分别投资在半导体厂和液晶厂，其中半导体厂的工艺要求在也较低。而液晶厂只需投资定向、封盒、灌注、模块几部分工序即可。生产时可以由半导体集成电路厂和液晶厂分别生产即可。因此投资水平大大降低。
由于半导体工艺流程速度快，产量大，液晶封盒，灌注工序少，因而生产量大，效率高。可以想象，再加上LCOS所使用的材料很少，其相对成本自然要低得多
三、LCOS有哪些应用领域
几乎任何需要显示的地方LCOS全可以胜任，很多显示方式不能满足需要的地方，LCOS也可以胜任。
1、 电视领域
电视是二十世纪改变人类社会生活最伟大的发明之一，几十年来电视已由黑白到彩色、从小屏幕到大屏幕、从低清晰度到高清晰度、从模拟电视到数字电视。人们对电视的期望越来越高，人们希望新的电视最好是：
1)高清晰度，像照片一样清晰漂亮；
2)平面，大屏幕，像看电影一样的感受；
