光機(jī)LCoS原理

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什么是LCoS

LCoS是一種基于液晶技術(shù)的光學(xué)元件，全稱為L(zhǎng)iquid Crystal on Silicon，直譯為“硅基液晶”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LCoS是基于液晶（Liquid Crystal）材料，與硅基集成電路技術(shù)相結(jié)合組成的一種反射型顯示器件[1]。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，LCoS利用液晶分子雙折射率（Birefriengce）特性，通過(guò)調(diào)控光的偏振態(tài)來(lái)對(duì)入射光的振幅或相位進(jìn)行調(diào)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(guò)對(duì)像素單元施加不同的電壓，配合正交的偏振片組，對(duì)入射光的振幅進(jìn)行灰階調(diào)控，如圖(1)所示[2]。

圖 (1).光的振幅變化示意圖

振幅型LCoS對(duì)光的調(diào)制與傳統(tǒng)的 LCD 原理類似，都是對(duì)像素加載電壓、利用液晶分子的雙折射效應(yīng)改變光的偏振狀態(tài)來(lái)控光[3]。為了達(dá)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(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此旋轉(zhuǎn)會(huì)改變?nèi)肷涔獾钠裉匦裕鶕?jù)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(qiáng)度下，振幅型LCoS出射光線情況

1）當(dāng)沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，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(shí)光線經(jīng)過(guò)液晶時(shí)也被扭轉(zhuǎn)90°，可以通過(guò)器件出射，并被人眼看到（圖(2)(A)）[4]。

2）當(dāng)液晶分子開(kāi)始被施加電壓，液晶將在電場(chǎng)作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由平行于偏振片的扭曲排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谄衿较蚺帕?，此時(shí)光線經(jīng)過(guò)液晶時(shí)被扭轉(zhuǎn)的角度在0°~90°之間，部分光線可以通過(guò)器件出射，并被人眼看到（圖(2)(B)）[4]；

3）當(dāng)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(shí)光線經(jīng)過(guò)液晶時(shí)未發(fā)生扭轉(zhuǎn)，由此該排列會(huì)阻擋光線的傳播，光線無(wú)法通過(guò)器件出射（圖(2)(C)）[4]。

目前振幅型LCoS已經(jīng)在家用和工業(yè)用投影領(lǐng)域有著成熟的應(yīng)用，最近在車載HUD內(nèi)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(gòu)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(jiǎn)單理解為光的相對(duì)位置關(guān)系（如圖(3)所示），改變光的相位即改變了光在空間中的相對(duì)位置，這個(gè)過(guò)程就是光相位調(diào)制[5]。

相位型LCoS通常被運(yùn)用于激光光刻、激光成像、全息成像等應(yīng)用領(lǐng)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(jīng)過(guò)相位調(diào)制后的光發(fā)生所需的加強(qiáng)或減弱的干涉效應(yīng)，從而達(dá)到光調(diào)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(shí)，液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(zhǎng)軸和短軸的折射率不同（長(zhǎng)軸折射率ne>短軸折射率no），因此當(dāng)不加電壓時(shí)，光線通過(guò)的是梭形分子的短軸no部分（如圖4(A)所示）[5]；當(dāng)充分施加電壓后，液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光線通過(guò)的是梭形分子的長(zhǎng)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(guò)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(gè)像素點(diǎn)上施加不同的電壓，液晶分子的折射率也會(huì)介于no與ne之間，從而實(shí)現(xiàn)像素級(jí)別的相位調(diào)制。

圖 (4).電壓施加的不同強(qiáng)度下，相位型LCoS出射光線的情況

LCoS和TFT-LCD的區(qū)別

與振幅型LCoS類似，TFT-LCD（Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display）也是通過(guò)液晶和電場(chǎng)來(lái)調(diào)控液晶的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而調(diào)控光線的振幅[7]。LCoS與TFT-LCD的主要區(qū)別在于它們調(diào)控光線的方式：LCoS成像主要利用硅基板反射（見(jiàn)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(nèi)部構(gòu)造對(duì)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(guò)玻璃基板，TFT-LCD屏的每個(gè)像素包含一個(gè)薄膜晶體管（Thin-Film Transistor），通過(guò)控制薄膜晶體管的電壓，可以控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)。光線在通過(guò)液晶層后得到調(diào)控，然后繼續(xù)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(guò)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(gòu)成的背板（圖(5)(B)）[8]。背板上的控制電路芯片主要采用半導(dǎo)體材料硅，硅襯底上的CMOS有源顯示驅(qū)動(dòng)矩陣為每一個(gè)像素提供了MOSFET開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)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(diào)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(lái)的優(yōu)勢(shì)

LCoS在成像效果和工藝制作上都有一定的優(yōu)勢(shì)，我們可以從以下方面來(lái)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(shuō)，LCoS底部背板由單晶硅構(gòu)成，單晶硅擁有良好的電子遷移率，且容易形成較細(xì)的線路[10]。這帶來(lái)了兩方面的意義：從微觀來(lái)看，在電場(chǎng)作用下，單晶硅內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)較快[10]；從宏觀來(lái)看，LCoS的晶體管及線路都能夠在CMOS芯片內(nèi)進(jìn)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(kāi)口面積[10]。

所以在同等驅(qū)動(dòng)條件下，LCoS整體線路尺寸都會(huì)縮小，像素能夠利用的面積更大。由是，LCoS的開(kāi)口率會(huì)更高，光能利用率也會(huì)因此大幅提升，振幅型LCoS可達(dá)40%左右，可達(dá)穿透式LCD的4倍[11]。因此LCoS能夠?qū)崿F(xiàn)更大的光輸出、在單位投射面積上具有更高的光強(qiáng)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(jiǎn)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(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（CMOS Transistor）的尺寸更小[12]。于是，在相同空間內(nèi)，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(duì)于 TFT-LCD而言，如果要實(shí)現(xiàn)相同像素?cái)?shù)量，需要設(shè)計(jì)更大的玻璃基板，或縮小單個(gè)像素的尺寸。然而，玻璃基板的設(shè)計(jì)尺寸有限，這就凸顯了LCoS硅襯底的優(yōu)勢(shì)，即能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)的RGB像素布局，即每個(gè)像素點(diǎn)由紅、綠、藍(lán)三個(gè)子像素組成，每個(gè)子像素都有相應(yīng)的濾色器，通過(guò)背光源的亮度和顏色來(lái)顯示圖像[13]。而LCoS可以通過(guò)時(shí)序彩色驅(qū)動(dòng)，將彩色圖像中的紅綠藍(lán)信息分離出三個(gè)通道，在不同時(shí)間間隔內(nèi)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(jué)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(nèi)部像素構(gòu)造的簡(jiǎn)要原理。

圖 (7).TFT-LCD與LCoS像素構(gòu)造示意圖

綜上所述，就光能利用率和分辨率來(lái)看，LCoS比TFT-LCD，形成了對(duì)比度更好、更高清、更細(xì)膩的顯示效果（見(jiàn)圖(8)）。

圖(8). TFT-LCD與LCoS顯示效果示意圖

工藝優(yōu)勢(shì)

此外，LCoS的生產(chǎn)制造過(guò)程具有一定效率優(yōu)勢(shì)[11]。由于用作光學(xué)反射表面的硅襯底能夠通過(guò)現(xiàn)代集成電路制造工藝進(jìn)行制造，這意味著LCoS的生產(chǎn)過(guò)程可以與集成電路的生產(chǎn)流程整合在一起，從而降低制造的復(fù)雜度，大批量生產(chǎn)具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊，實(shí)現(xiàn)LCoS模組的小型化與輕薄化，并帶來(lái)降本的可能性[11]。

最后，作為一種開(kāi)源技術(shù)，相比起TI專有專利的DLP，LCoS的設(shè)計(jì)與制造并無(wú)太多限制，更多公司和個(gè)人能夠參與其中，這為L(zhǎng)CoS的進(jìn)一步發(fā)展提供了更大的空間和機(jī)遇。

LCoS的劣勢(shì)

溫度挑戰(zhàn)

盡管LCoS技術(shù)已成熟且在投影與光學(xué)領(lǐng)域得到一定規(guī)模的應(yīng)用，但在汽車領(lǐng)域，LCoS通過(guò)車規(guī)的耗時(shí)較長(zhǎng)，主要原因是 LCoS熱管理方面還面臨著挑戰(zhàn)[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(qū)別。液晶器件在溫度較高或者較低的情況下，均會(huì)出現(xiàn)一定程度的性能下降，為了滿足車規(guī)使用場(chǎng)景（-40°~+85°），車載LCoS需要選用合適的液晶去進(jìn)行匹配，但現(xiàn)階段車載LCoS主要面臨的挑戰(zhàn)還是高溫失效問(wèn)題，因此現(xiàn)階段能滿足車規(guī)的量產(chǎn)級(jí)LCoS光機(jī)模組的很少。

反應(yīng)延時(shí)

比起當(dāng)前HUD中通常使用的DLP光機(jī)，LCoS反應(yīng)速度較弱，差距在2～3個(gè)量級(jí)以上（約100~1000倍）[15]，且LCoS屏幕的顏色切換是通過(guò)控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，液晶層偏轉(zhuǎn)的速度影響了LCoS的灰階響應(yīng)時(shí)間，而液晶層偏轉(zhuǎn)速度又與溫度有關(guān)，溫度越低，偏轉(zhuǎn)速度越慢。由此，在低溫下，LCoS屏幕可能會(huì)出現(xiàn)明顯的拖影現(xiàn)象，從而影響視覺(jué)效果[16]。

理論上鐵電液晶能夠更快地完成旋轉(zhuǎn)，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(duì)較為復(fù)雜，且在長(zhǎng)時(shí)間使用或頻繁切換的情況下可能存在耗損和退化的問(wèn)題，由此當(dāng)前LCoS中的液晶材質(zhì)未采用鐵電液晶。同時(shí)，對(duì)于相位型LCoS而言，在全息圖構(gòu)造中，有黑、白、灰三個(gè)度，而鐵電液晶可能會(huì)造成灰度條紋的流失，從而導(dǎo)致信息量減少和圖像質(zhì)量下降[17]。

LCoS發(fā)展近況

以市面公開(kāi)的參數(shù)來(lái)看，目前LCoS的像素尺寸可做到3.74~25μm之間[18]，響應(yīng)速度在毫秒（ms）級(jí)別，約在1~200ms的范圍之內(nèi)[18]。從分辨率來(lái)看，當(dāng)前的LCoS 最大能夠達(dá)到8K（4096×2160）的原始分辨率[11]。在2020年12月，LCoS于國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且像素密度由4300PPI（PPI的定義見(jiàn)視場(chǎng)角FOV的原理及應(yīng)用）提升至6000PPI。

LCoS未來(lái)發(fā)展

LCoS的優(yōu)勢(shì)在于精確的光學(xué)調(diào)控，由此在光通信領(lǐng)域，LCoS 有兩個(gè)主要應(yīng)用[2]：一個(gè)是用于控制電光調(diào)制器，通過(guò)LCoS對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)控特性，幫助電光調(diào)制器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，進(jìn)行高速、精確的光信號(hào)調(diào)制[2]；二是用于光開(kāi)關(guān)中，光開(kāi)關(guān)在光通信系統(tǒng)里用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的切換、路由和調(diào)度[19]，而LCoS精確的光學(xué)調(diào)控使其有助于提高光開(kāi)關(guān)的性能和傳輸質(zhì)量[2]。

在顯示領(lǐng)域，由于具有出色的分辨率、對(duì)比度，LCoS適用于多種場(chǎng)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(shù)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如AR頭戴式顯示器中LCoS即為一種常用的光機(jī)[2]。

在HUD領(lǐng)域，振幅型LCoS已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用于量產(chǎn)項(xiàng)目中，睿維視也已成功開(kāi)發(fā)了基于振幅型LCoS的大視場(chǎng)角AR-HUD。此外，相位型LCoS因其對(duì)于純相位調(diào)制的特性，也能支持?jǐn)?shù)字全息（CGH）的實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)變焦的3D AR-HUD顯示。

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