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安防视频监控系统所采用的硅基液晶投影显示器

由于普通液晶显示器采用透射式工作方式,会造成照射光被吸收,从而导致亮度不高,其用途也受到一定的限制。而硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)显示器采用了反射式装置,在功耗相同的情况下,光源产生的光将更多地通过光学传输介质,提高了显示器亮度。

LCOS显示是一种新型微显示技术,也是一种全新的数码成像技术,称为数字硅基反射液晶显示技术,它采用半导体CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。CMOS芯片上涂有薄薄的一层液晶,控制电路置于显示装置的后面,可以提高透光率,从而实现更大的光输出和更高的分辨率。

一、硅基液晶显示器的结构

硅基液晶是由Aurora Systems融合半导体和液晶两项技术的优势,在2000年开发出的分辨率更高、价格却可能更低的新技术。由于LCOS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,所以画质自然真实。LCOS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、生活化和人性化。

LCOS面板的结构有些类似TFTLCD,在上下两层基板中间撒布间隔物(Spacer)以便加以隔绝,然后在基板间填充液晶以形成光阀,这样便可以由电路的开关来驱动液晶分子的旋转,以决定画面的明暗。与TFTLCD面板不同的是,LCD上下两面都以玻璃作为基板,而LCOS仅上面采用1T0导电玻璃,底层基板则是硅晶圆CMOS基板(玻璃基片与CMOS硅芯片之间的间隔是2μm),将液晶材料涂于CMOS硅芯片表层,芯片包含了控制电路,并在表层涂有反射层。

LCOS结构包括CMOS基板、ITO玻璃、配向层、间隔物与液晶层等,如图1所示。

图1 LCOS的结构

由图1可知,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1μm左右):配向层可以确保液晶分子趋向一致;由于液晶需通过一部分电流,因而在晶体上部加设了一个次级透明电极;玻璃基板用以保护液晶和稳定液晶的位置。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,整个结构是一个立体排列方式。

LCOS面板最大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移率,而且单晶硅可制作成较细的线路,与现有的HTPS LCD及DLP投影面板相比较,LCOS更容易达到高分辨率的投影技术。由于LCOS液晶板的光圈比率可以达93%,因此其分辨率可以很高。

在LCOS微显示器中,采用的是扭曲向列相液晶材料,当电流到达液晶体时,液晶分子的扭曲程度会发生变化。根据这个原理,光束要首先通过一个起偏器以使光波传播保持特定的偏振方向,然后在液晶介质中光的偏振方向随着液晶分子的扭曲方向的变化而变化,接着光束又经过LCOS反射表面的定向反射,然后穿过一个检偏器。

二、LCOS投影显示器的原理及其优缺点

(1)DLCOS投影显示器的工作原理。LCOS投影显示的原理与LCD投影机一样,只是LCD投影机是利用光源穿过LCD面板做调变的,而LCOS面板以CMOS芯片的电路基板及反射层,然后涂布液晶层后,以玻璃平板封装。该制作过程的关键在于如何使得上下两块面板之间保持平坦平行,尤其是对于较大尺寸的LCOS面板。

因此,LCOS投影显示器的工作原理是,单晶硅片下面制造了控制电路,可控制每个液晶像素的工作状态;当穿过液晶像素的光被下层硅片上的反射电极反射回去,再次穿过液晶像素时,利用液晶分子对光源透过率的改变,而形成图像光信号;这种图像光信号,再通过光学系统和投影系统,把图像光信号聚焦、放大而投射到屏幕上,以形成彩色图像。

LCOS投影显示器有单片LCOS投影显示器和三片LCOS投影显示器两种。

(2)LCOS投影显示器的优点。

•与LCD显示器的优点大致相同,图像失真小,属固定分辨率显示器件,全屏清晰度相同,会聚不受地磁场影响:

•易于实现平板显示,易于实现逐行寻址和高场频显示,可以消除行间闪烁和图像大面积闪烁:

•三片式LCOS投影显示亮度高,开口率(也称为填充因子)可达90%;

•分辩率高,有可能实现HDTV显示。

(3)LCOS投影显示器的缺点。

•成品率低,售价高,但面板制作易于小型化,现有多家厂商投入研发,可形成降低成本的空间;

•芯片制造困难;

•投影灯泡寿命短。

目前,LCOS投影显示技术正朝着扩展可视角、降低惰性、降低价格、提高背光源(灯泡)寿命等方面发展,并已取得了可喜的进展。

三、硅基液晶技术特色及与其他显示技术的比较

(1)LCOS技术特色。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,其光利用效率只有3%左右,分辨率低,并且需要有特殊的工艺制作过程,成本不易降低;LCOS则属于新型的反射式微显示投影技术,光利用效率可达40%以上,而且其最大的优势是可利用最便宜的CMOS制作工艺,无须额外的投资,并可随半导体制作工艺快速的微细化,其特点是环保、节能、体积小、便宜、分辨率高。因此,硅基液晶投影技术特色是:高分辨率、高亮度、低成本。

(2)LCOS技术与其他显示技术的比较。LCOS与CRT、PDP、OLED、LCD、DLP在寿命、价格、耗能、分辨率、尺寸、像素点、视角、视频、颜色等方面参数的比较,如表1所示。

表1 LCOS与其他显示技术的比较
种类 寿命/h 价格 耗能 分辨率 尺寸 像素点 视角/° 视频 颜色
CRT 15000 1600x1200 4"~42” 0.21mm 160 16百万
PDP       25”~50" 0.13mm 360 16百万
OLED 10000 852*222 4“ 0.57mm     16百万
LCD 30000 1024x168 5"~22” 0.21mm 150 16百万
DLP 15000 1280x1024 1.2" 12μm 160 16百万
LCOS 15000 1376x1024 0.7"~1.2" 14μm 160 16百万