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| 用于背投高清晰電視的LCOS |
更新時間：2007-12-7 8:05:35
（ 編輯：映君 ）
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硅基液晶（LCOS ）微顯技術提供了高質量、高分辨率的圖像，并以其大屏幕高清晰電視，向用戶展示了令人激動的前景。這些顯示器采用了兩種主導技術— 硅基技術和液晶顯示（LCD）技術，并將這兩項技術與先進的光學組件、系統(tǒng)設計和制造業(yè)結合在一起。
本文將評論幾種新型的光學組件、結構和儀器，它們從微顯獲得圖像，并把該圖像放大，比如放大到大屏幕電視的大小。討論將只局限于采用紅、綠、藍各一片的三片式LCOS屏結構。
1 器件與電子學
LCoS器件目前現有的象素尺寸每邊小于10µm，象素密度超過200萬象素，并且利用了一些液晶電光模式。小的象素尺寸是使 器件能夠實現低成本、高分辨率的關鍵因素。三五系統(tǒng)(Three-Five System)公司和先進數字光學(Advanced Digital Optics)公司，最近展示了一臺高亮度、高對比度的50英寸電視，它采用了三五系統(tǒng)的對角線為0.5英寸的XGA LCoS微顯。小的屏幕尺寸允許光學組件更小，整個系統(tǒng)成本更低。
驅動高分辨率LCoS器件的電子電路的成本會極大地增加系統(tǒng)費用，因此，大多數解決性價比的方案需要采用專用集成電路（ASIC）向器件提供適當的視頻信號和時序信號。通常ASIC中嵌有圖像處理算法，可提供? 校正、顏色均衡和其它功能，以實現LCoS技術的高質量圖像顯示。
2 光學組件
LCoS微顯的一個重要特征是小巧，并且能提供很高分辨率的高質量圖像。然而，這種小巧器件的有效光照射需要一個弧光極短的光源。所幸的是，制燈廠家認識到了LCoS技術的潛力，已開發(fā)出了長壽命的短弧光燈。這些燈是具有附加發(fā)光元素的超高壓(UHP)水銀弧光燈，或是金屬鹵素弧光燈。穩(wěn)定性、壽命和光譜成分是評定此類燈的要素。
LCoS器件的均勻照射是實現圖像一致性的基點。典型的燈輸出由一個拋物面鏡或橢球面鏡匯集，輸出的光隨后被棒狀集束器或復眼透鏡匯集，以提供一束合適的均勻光。集束器還可使光束的形狀符合LCoS屏的尺寸及幅形比。
LCoS 顯示基于控制光的偏振方向。EPSON 公司和其它的公司研制了將“錯誤的”偏振轉變?yōu)椤罢_的”偏振的靈巧方案，能夠實現光通量的增強。這些典型方案是，發(fā)送非偏振光束穿過偏振分光器(PBS) 或PBS 陣列，PBS 將兩束正交的偏振光分開，在半波片的幫助下，將一種偏振方向轉變?yōu)榱硪环N偏振方向。增加的光通量取決于屏的輻射和有效f 數，典型的光通量的增加范圍從10% 到60% 。
大多數LcoS 器件的光學設計中利用了PBS 。在有效f 數低的情況下，斜射光（skew ray） 會引起嚴重去偏，導致系統(tǒng)的對比度(CR) 降低。系統(tǒng)的CR 可由(n/NA)2近似給出，n 是PBS 玻璃的折射系數，NA 是系統(tǒng)的數值孔徑，CR 一般為有效f 數兩倍的倒數。在LCoS 和PBS 之間插入一個四分之一波片(QWP) 來校正斜射光的去偏效應，對比度可極大地增加。另外，QWP 方向常常被輕微地旋轉以補償LCoS 屏的某些殘留延遲。在有些系統(tǒng)中，也用單獨的延遲片來實現此目的。
ColorLink 開發(fā)了一條“彩色選擇濾光膜”生產線，該濾光膜由多層延遲膜疊成。這些組件提供偏振控制和彩色管理，并可設計成能補償與傳統(tǒng)PBS 相關的斜射光去偏效應。
Moxtek 開發(fā)了一種薄膜金屬絲格柵偏振片(WGP) ，被廣泛用作多晶硅及LCoS 投影的預偏器（pre-polarizer）。在高光通量情況下, WGP 與更傳統(tǒng)的聚合物偏振片相比，其可靠性更令人滿意。在有些光學結構中，WGP 也是替代PBS 的關鍵件。WGP 沒有與傳統(tǒng)PBS 相關的斜射光去偏問題。
背投電視(RPTV) 的一個關鍵組件是背投屏幕，它通常由兩個元件組成。第一個元件是菲涅爾透鏡，它把來自投影透鏡的發(fā)散光轉變?yōu)槠叫泄�，其指向與第二個屏幕元件垂直。這第二個元件起一些有時相互矛盾的作用，它必須將光散射到觀眾眼睛所及的區(qū)域，這常常由雙凸透鏡陣結合散射材料來實現。
屏幕增益是屏幕光散射方向性的一個量度。通常，低增益屏幕會更好一些。然而在需要足夠亮度圖像的情況下，則要求屏幕有更高的增益。典型的屏幕增益范圍是2～6 倍。
屏幕的散射必須不降低圖像的分辨率，但必須消滅屏幕的斑點。斑點起因于投影光的殘留相干性，在高放大倍數高有效f 數系統(tǒng)中，斑點是最討厭的。屏幕也必須提供一些對室內環(huán)境光的抑制，這常常由黑色條紋或黑色點陣與雙凸透鏡或微球透鏡相結合的屏幕來實現。隨著LCoS 及其它微顯技術的發(fā)展，屏幕產業(yè)已給背投電視及其它應用提供了適合的屏幕。
3 光學結構
一些獨特的結構已經開發(fā)成功。每一種都有其支持者，每一種也有其優(yōu)點和缺點。
3.1 飛利浦棱鏡
許多視頻攝像機采用三片電荷耦合器件(CCD) 和一組三片共軛棱鏡組合，將三基色分開并直射至三片CCD 上( 圖1) 。最初把它用于LCoS 投影，IBM 公司研制了基于飛利浦棱鏡和一個PBS 相耦合的一臺LCoS 顯示樣機。它需要有偏振和彩色的雙路控制，同時，還要對低有效f 數系統(tǒng)有斜射光補償。盡管在一些公司和學院的實驗室做了大量的設計和樣品，但與更多最近研制的產品相比，沒有達到有競爭力的性能水平，也沒有達到產品級。
3.2 三個PBS 加X 形正六面體棱鏡
第一臺商用前投影機由IBM 、Nikon 和JVC 設計（圖2）。使用分色鏡分開三色光，每色光由單獨的PBS 傳輸給相應的LCoS 屏。斜射光由PBS 和屏之間的QWP 校正。反射圖像在一個X 形正六面體棱鏡中被合成為一幅全彩的圖像，然后投射到投影透鏡組。這種設計概念簡單，允許每種基色通道單獨優(yōu)化。日本一家主要的消費電子公司最近發(fā)布的最新的LCoS 背投電視產品使用了這種設計。
該基本設計被研究的其它形式是消除或減小斜射光的去偏效應。其中一些是高光通量低有效f 數的設計；而另一些設計完全不用QWP 。
3.3 三個PBS 加三片透鏡
Prokia 公司的一臺背投電視中，把三個PBS 改成使用三個獨立的投影透鏡，代替了X 形正六面體棱鏡( 圖3) 。在這種情況下，三色圖像重新組合出現在背投屏幕上，與標準的三槍CRT 的背投工作方式類似。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是淘汰了X 形正六面體棱鏡，使用了更簡單的投影透鏡。雖然有三片透鏡而不是一個X 形正六面體棱鏡，但是每片透鏡的光譜要求更窄，后焦距更短。使用這種設計方法的LCoS 背投電視已被發(fā)布。
3.4 彩色方塊及相關結構
一種緊湊而有效的彩色管理系統(tǒng)是由ColorLink 開發(fā)的彩色方塊（ColorQuad）( 圖4) 。這種設計利用4 個PBS 和5 片偏振選擇濾色膜( 彩色選擇濾光膜) 組成一個單元。濾色膜和PBS 將彩色分開，分別投射至各個對應的LCoS 屏上，在它們進入投影透鏡前再重組圖像。這種系統(tǒng)已用于RCA 公司的L50000 50 英寸HDTV 。因為彩色分別出現在方塊中，不需要額外的分色鏡，因此，這種方法使系統(tǒng)結構非常緊湊。圖4
值得注意的是，方塊設計和三個PBS 加X 形正六面體棱鏡設計均使用了四個光學棱鏡。世界上許多公司開發(fā)了一些與方塊類似的結構，這些結構包括不同的方塊形狀、一個或多個分色方塊或分色鏡替代PBS 、不同的偏振選擇濾色膜等等。Hitachi 公司的CP-SX5500W 及JVC 公司的 DLASX21 投影機，均基于有關方塊的LCoS 結構形式。
3.5 偏軸照射
在前面引用的結構中，所有的PBS 都是用來從反射圖像分開入射光的。S-影象（S-Vision ）和現在的極光系統(tǒng)（Aurora System ）開發(fā)了一種設計方法，用這種方法，光斜著照射到LCoS 屏。因此入射光和反射圖像沒有PBS 也能分開。這種簡化設計的傾斜光照，導致許多傾斜角出現，使得彩色的分離和復合變復雜，需要一個更完善的投影透鏡。這種偏軸投影機的可用性，已被Aurora System 和China Display 發(fā)布。
4 展望未來
令人感興趣的多媒體投影機和大屏幕HDTV 的LCoS 技術，引起了光學組件和結構方面的較大改革。這些改革不僅將LCoS 顯示器的性能推向更高亮度、更高對比度，而且也促使系統(tǒng)成本降至消費者可接受的水平。我們可以看到，基于LCoS 器件及與之相關的電子學和光學系統(tǒng)組成的高質量、適中價位的顯示器，將具有充滿活力且成功的前景。
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文章來源：中國投影網
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