光機LCoS原理

本文轉自睿維視 ReaVis

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(tài)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(tǒng)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(tài)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(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(jīng)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(fā)生旋轉，由平行于偏振片的扭曲排列逐漸轉變?yōu)榇怪庇谄衿较蚺帕?，此時光線經(jīng)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(jīng)過液晶時未發(fā)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(jīng)在家用和工業(yè)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(jīng)過相位調制后的光發(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(qū)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(qū)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(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(yōu)勢

LCoS在成像效果和工藝制作上都有一定的優(yōu)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(xiàn)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(xiàn)相同像素數(shù)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(yōu)勢，即能夠實現(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(yōu)勢

此外，LCoS的生產(chǎn)制造過程具有一定效率優(yōu)勢[11]。由于用作光學反射表面的硅襯底能夠通過現(xiàn)代集成電路制造工藝進行制造，這意味著LCoS的生產(chǎn)過程可以與集成電路的生產(chǎn)流程整合在一起，從而降低制造的復雜度，大批量生產(chǎn)具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊，實現(xiàn)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(fā)展提供了更大的空間和機遇。

LCoS的劣勢

溫度挑戰(zhàn)

盡管LCoS技術已成熟且在投影與光學領域得到一定規(guī)模的應用，但在汽車領域，LCoS通過車規(guī)的耗時較長，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，均會出現(xiàn)一定程度的性能下降，為了滿足車規(guī)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(xiàn)階段車載LCoS主要面臨的挑戰(zhàn)還是高溫失效問題，因此現(xiàn)階段能滿足車規(guī)的量產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)明顯的拖影現(xiàn)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(fā)展近況

以市面公開的參數(shù)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(xiàn)量產(chǎn)，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(fā)展

LCoS的優(yōu)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(tǒng)里用于實現(xiàn)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(jīng)開始運用于量產(chǎn)項目中，睿維視也已成功開發(fā)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(shù)字全息（CGH）的實現(xiàn)，從而達到實時變焦的3D AR-HUD顯示。

#參考來源：

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[19]Mayer, Günter, and Alexander Heckel. (2006). "Biologically active molecules with a “l(fā)ight switch".Angewandte Chemie International Edition45.30: 4900-4921.

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