LCOS光学投影技术

2019-12-11 18:07:02 卓飞集成

LCOS技术是结合了半导体与LCD技术,就技术面来看,具有高解析度、高亮度的特性,加上产品结构简单,亦具低成本潜力,将是数位投影技术中的明星级产品。

  就技术开发进度来看,LCOS目前仍处于研发阶段,量产技术尚未成熟,在面板供货上仍不稳定。

  现有LCOS光学引擎在产品重量、亮度上仍不甚理想,现阶段在前投影机竞争力较弱,不过由于具备高画质特性,目前呈现二极化发展,一是朝大尺寸的背投影电视,这是目前LCOS的主流应用产品,另一则往小尺寸的高阶可携式产品面板发展。未来在量产技术克服、成本降低后,将有机会成为前投影机的主要技术之一。

  台湾厂商投入LCOS动作相当积极,其中以联电带头邀集的LCOS联盟最具代表性,不过目前暂时受限于技术未成熟,整体开发进度落后,尚未传出具体的量产消息,不过在众多厂商整合上下游研发资源的情况下,LCOS的产品预料将会越来越多,应著眼于长期开发的心态,短期不易有爆发性成长的机会。

一、LCOS投影技术

  投影机技术基本显影原理相仿,主要是由卤素灯、氙气灯等发光,集光至面板,将面板的影像经反射或透射投射出影像,再经过分光、合光系统,最后将影像投射到屏幕显像。LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 为投影技术的新兴技术,由于在发展高解析度方面具有相当优势,因此自2001年吸引了业界众多业者投入,台湾业者在联电带头组成LCOS联盟下,将促使台湾业者得以整合彼此资源,因此台湾业者有机会藉由LCOS技术的开发,加强在投影机及背投影电视的竞争实力,然而从LCOS联盟成立迄今已逾一年,似乎仍未见到较具体的量产成绩,故在此就LCOS产业进行探讨。

1、LCOS面板:

  LCOS面板的结构有些类似TFT LCD,一样是在上下二层基板中间撒布Spacer以加以隔绝后,再填充液晶于基板间形成光阀,藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转,以决定画面的明与暗。LCOS面板的上基板是ITO导电玻璃,下基板是则矽晶圆CMOS基板,LCOS面板最大的特色在于下基板的材质是单晶矽,因此拥有良好的电子移动率,而且单晶矽可形成较细的线路,因此与现有的HTPS LCD及DLP投影面板相较,LCOS是比较容易达成高解析度的投影技术。

locs面板

图一 LOCS面板结构图

 

2、LCOS光学引擎架构

  由于LCOS技术仍在起步阶段,目前并无标准制程,所以有多家厂商开发出不同的LCOS光学引擎架构,比较具有代表性的厂商有:IBM、ColorQuad、Philip、Hologram、…,而这十余种技术各有优劣。在这些不同的技术中,可概分为三片式及单片式二大类,说明如下:

(1)三片式光学引擎

  LCOS光学引擎目前以三片式为主,三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后,再分别将光束投射入三片LCOS面板,将投射出的三色影像经过合光系统加以结合形成彩色影像。就Nikon设计的IBM 4-Cube光学引擎架构来看,由于三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外,并结合多项的分光、合光光学系统,因此体积较大、成本也较高,不过由于可以达到较高的光学效率,又具备高画质的特性,因此主要是朝高阶的专业用途发展,主要的产品以JVC的多款投影机为主,除此之外,三片式光学引擎还有ColorLink采用的ColoRQuard架构、Philips的Prism架构,致伸发展的Dichroic-PBS架构,及Unaxis的ColorCorner架构…等。

ibm 4-cube光学引擎架构

图二 IBM 4-Cube光学引擎架构

 

(2)单片式光学引擎

  单片式Color Wheel光学引擎则是以快速旋转的ColorSwitch将白光形成循序的红、蓝、绿光,并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画面,同步形成分色影像,再藉由人眼视觉暂留的特性,最后在人脑产生彩色的投影画面。类似的技术有:Displaytech发表的Field Sequential Color、Philip所采用的Scrolling Color-Rotating Prism架构、及JVC采用的Spatial Color –Hologram架构。

  单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片,加上分光、合光的系统架构比较简单,因此在成本上较具竞争优势,而且光学引擎的空间也相对较小。然而目前在技术上面临一些困难,以Color Wheel而言,白光经偏极化后的光源仅为先前的1/3,亮度明显降低;此外,由于LCOS面板得在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像,因此面板反应速度的要求更高,使得生产的难度也相形提高。

color wheel光学引擎架构

图三 Color Wheel光学引擎架构

 

二、LCOS投影技术特色

  与LCD、DLP投影机技术相较,LCOS投影技术具高解析度、高亮度、及低成本潜力,为投影技术的明日之星。

1、高解析度

  LCOS投影技术最大的特色在于其面板的下基板采用矽晶圆CMOS基板,由于下基板的材质是单晶矽,拥有良好的电子移动率,而且单晶矽可形成较细的线路,因此比较容易达成高解析度的面板。

2、高亮度

  LCOS为反射式技术,不会像HTPS LCD光学引擎会因为光线穿透面板而大幅降低光利用率,因此光利率率可提高至40%,与穿透式的HTPS LCD的3%相较,可减少耗电,并可产生较高的亮度。

3、低成本

  LCOS光学引擎因为产品零件简单,因此具有低成本的优势,再加上台湾厂商大举投入,相较于由Seiko Epson, Sony供货的HTPS LCD面板、及德仪(TI)独家供应的DLP面板,LCOS具有快速走低的供货环境。

  然而LCOS技术本身,仍有许多技术问题有待克服,诸如:黑白对比不佳、三片式LCOS光学引擎体积较大。虽然LCOS拥有一些技术上的优势,不过目前在市场上LCOS投影机仍占少数,主要问题在于量产技术尚未克服,零件供货上仍不稳定,因此LCOS仍需以时日才能成为投影机的主流技术。

技 术

LCD

DLP

LCOS

优势

.中央与四周的亮度、焦距均一 
.制程技术较完整 
.具备量产技术 
.光学引擎结构较简单 
 

.反应速度快 
.易于轻型化 
.光利用率高 
.高解析度

.解析度提升较容易 
.可利用半导体制程大幅降低面板生产成本 
.开口率提高 
.高解析度

劣势

.光利用率低 
.开口率低 
.散热问题 
.黑白对比较差 
.动态显示受限

.需高密度、小体积光源

.制程复杂

.良率低

.仅TI提供晶片组 
 

.黑白对比较差 
.不利于轻型化 
.较高光学元件成本 
.影像对比较差

潜在威胁

面板來源受限於SONY、EPSON

TI目前少量产品外卖

LCOS的良率有待进一步提高

表一 三大投影技术优劣势比较

 

三、LCOS产业现况及发展趋势

  以目前主要的投影机技术LCD、DLP、LCOS而言,LCOS属于新兴的投影技术,由于LCOS的技术尚未成熟,生产良率仍然偏低,面板供应仍不稳定,因此目前在市面上的量不多,预估到2003年占总体前投影机0.8%。

  相对于目前的主流技术LCD及近期相当热门的DLP面板投影技术而言,LCOS仍难与其抗衡,不过因具有高解析度、以降低成本的低价的优势,LCOS则仍是相当被看好的投影技术之一,只不过受限于目前量产技术仍未成熟,短期内在投影机产业三大技术中仍暂时屈居第三。

  LCOS在技术克服后,将是相当具有竞争优势的投影技术。不过在目前的情况下,LCOS有朝二极发展;大尺寸的背投影电视、与小尺寸的高阶可携式产品。未来在量产技术克服、成本降低后,将有机会成为前投影机的主要技术之一。

1、现阶段以背投影电视为主

  虽然LCOS面板技术相当具有潜力,不过就技术现况来看,LCOS虽然在解析度上优于LCD及DLP技术,然而在重量、亮度及对比上均较为不如,加上在良率偏低的情况下,仍然不具成本优势,因此目前LCOS在前投影机产品中较不具竞争力,不过在画质要求较高、体积较大的背投影电视而言,提供LCOS较佳的成长空间,也是目前LCOS技术比较看得到的营运实绩。就以LCOS技术较为领先的JVC而言,其主要的应用产品即以背投影电视为主。LCOS技术以其高画质的优点,加上耗电量低于PDP电视,因此在背投影电视具成长潜力。

2、朝小型化(可携式产品面板)高阶应用发展

  由于LCOS面板尺寸小、解析度高、耗电量低,因此可以取代LCD在一些高阶可携式产品的面板需求,以DSC而言,已有Minolta以LCOS面板取代LCD面板,如果LCOS成本可以有效降低后,将有机会进军高阶可携式产品发展。

四、台湾LCOS厂商发展状况

  由于LCOS投影技术尚未成熟,业者此时介入LCOS技术的开发,将有机会能与美、日、韩大厂一争高低,可以摆脱在LCD、DLP投影技术上受制于人的情况,因此台湾厂商投入LCOS技术开发相当积极,其中尤其以联电所主导的LCOS联盟最引人注目。

  相较于HTPS TFT及DLP面板掌握在国际大厂手上,由于LCOS技术仍处于起步阶段,台湾业者此时投入,将有机会在LCOS面板供应上占有一席之地,此联盟主要目的即是希望藉由上下游合作,整合彼此的研发资源,以即早解决LCOS关键技术的开发。

 

发展部位

参与厂商

LCOS面板设计Aurora

LCOS基板代工

联电

液晶封装

Veritronics、碧悠

投影机相关零组件

国乔光电(灯泡)、亚洲光学(光学元件)、光群雷射(光学元件)

投影机光学引擎与整机制造

中强光电、明碁电通、大亿科技、台达电子、光峰科技、前锦光电、

表二 联电LCOS联盟厂商

  以LCOS的技术优势来看,在量产技术克服后,投影技术将呈现LCD、DLP、及LCOS三足鼎立之势。不过就目前三大技术的开发进度来看,LCOS仍是处于研发阶段,要有大幅的成长,目前看来仍嫌太早。就以近期的展览会中推出的投影机产品来看,仍然是以DLP强调超可携(Ultra-Portable)为重点,LCOS产品仍属少数。就联电所组成的LCOS联盟来看,在产品开发进度不如预期的情况下,联盟的声势不如当初,友达在去年底即已退出LCOS联盟,整机制造的厂商也不若当时的积极。加上DLP以其轻薄短小的特性,近期在商用可携式投影机市场崛起,成为投影机产业的耀眼的明星级产品,今年台湾许多投影机业者也相继投入DLP投影机阵营行列,这使得LCOS的声势相较不如DLP抢眼。

  就关键零组件LCOS面板而言,联电转投资15亿元成立联诚光电,以制造LCOS面板为主,自2002年2月份投产开始,至今累计出货仅2,000套面板,日前联诚光电展示5款MicroView LCoS背投电视,不过这样的量基本上仅提供下游客户作研发、测试用,离量产应该还要再经过一段时间,而最主要因素仍在于良率偏低,据了解,目前LCoS面板良率仍无法突破20%,光机系统厂商良率也未达40%的良率水准,这也不难了解为何虽然LCOS技术面上具有如此的优势,然而现今却有部分联盟成员放弃该项投入而转向投入DLP研发。

  LCOS应用目前看来第一波的市场将以背投影电视为主力,不过LCOS强调的高画质仍比较不容易找到著力点,目前市场主流以解析度460与720的背投影电视为主,而LCOS标榜的高解析度1080,市场需求仍不明朗。虽然许多国际大厂已陆续推出新产品,不过由于良率问题,目前的高价位使LCOS仍只局限在高阶市场,要能有效开拓市场,产品价格必须要能有相当大的降幅。因此,就目前看来,台湾厂商对LCOS的商机应抱持长期开发的心态,短期不易有爆发性成长的机会。

(责任编辑:卓飞电子科技)


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