Lcos微型投影机简析090713

Lcos微型投影机简析

陈铭 20090706

LCOS作为一种微型显示技术，在90年代末就已经出现，随着技术的成熟、工艺的逐步完善，已逐渐与DLP、LCD两大显示技术在投影市场上形成分庭抗礼之势。LCOS的结构是在单晶硅上生长电晶体，利用半导体集成制作驱动面板(又称为CMOS－LCD)，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并在上面镀铝膜电极作为反射镜，形成CMOS有源点阵基板，然后将CMOS基板与含有ITO透明电极的上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装。像素电极同时也作为反射镜，像素的尺寸一般可以做的很小约为7～20μm，开口率高达96％。结构见图1（摘自网络）

图1

利用单片LCOS器件进行投影机开发大致可分为两大类：一是利用RGB色光作为光源，利用单色LCOS较高的场刷新率特点，采用时序方式将一场信号分解为R场、G场、B场分别显示，然后利用人眼的视觉暂留特性进行时间混色，形成一副完整的彩色图像；二是利用白光作为光源，采用单片CF-LCOS作为成像器件直接成像为彩色图像。

CF-LCOS技术以台湾的HIMAX为代表，其技术特点是在单色LCOS芯片上，加上印刷有红、绿、蓝滤色单元的CF膜，然后将该CF膜和LCOS的液晶成像单元严格对准。这样，原来LCOS面板上的一个物理像素就变成了对应的一个基色点，由3个相邻的R、G、B基色点组合成一个完整的显示像素。当白光照射进来的时候，由驱动电路控制，把图像对应的R、G、B点阵信息分别送到相应的物理显示像素上，并根据该像素的灰度等级，控制液晶分子旋转，对白光进行光阀开关控制，被控制的白光透过物理像素对应的彩色滤色片单元后，形成彩色的图像。

CF-LCOS面板由于采用了和传统TFT-LCD相似的成像原理，故使用起来非常简单。只需要单片面板+白光光源就能生成彩色图像，其相对于时序方式具有以下优点：

1、在光路设计上远比时序方式简单，也完全没有时序方式光路设计不当带来的白场色彩不均匀现象；

2、由于采用R、G、B滤色片进行空间混色，因此图像全场刷新率在90HZ（CF-LCOS要求的最低刷新率）

以上，显示的图像平滑细腻、画面稳定、无闪烁感。而时序方式由于采用将每一场信号分解为R、G、B三色场的方式来进行时间混色，在观看实际画面的时候，难以避免的会出现类似于单DLP+色轮方式投影机的彩虹现象；

3、在面板驱动电路的设计上，由于CF-LCOS采用和传统的TFT-LCD相似的成像原理，所以两者在驱动电

路的原理上相近，只不过需注意的是由于CF-LCOS要求的刷新率达到90HZ以上，因此需要采用具有场频倍频功能的驱动方案。

4、在LED驱动电路的设计上由于只需要考虑给大功率白光LED的恒流驱动，因此相对时序方式要简单一

些。时序方式不仅要考虑R、G、B三路色管的高速PWM调制恒流驱动，而且还需充分考虑三色管的电流平衡、由于大功率R、G、B色管的衰老各不相同，所以长时间使用后很难避免色彩的失真现象。因此需要在设计之初就充分考虑LED的散热、可靠性等因素；

5、在对LED的选型上，由于CF-LCOS采用工作在持续恒流状态下的大功率白光LED，因此此类管子可供

选择的余地比较大，而时序方式则要求三色LED管工作在高速PWM开关调制的恒流状态下，因此在进行LED选型时，既要考虑3只色管的发光效率，光学特性，又要充分考虑该LED的高速开关损耗，因为损耗越大，一方面会导致发热严重，影响LED寿命；另一方面由于时序方式采用三色分场显示，时间混色的方式形成彩色图像，如果开关特性不好，可能会带来显示效果的劣化，严重时甚至可能影响色彩的正确显示；

6、在光源散热上，由于CF-LCOS只需要考虑对一只大功率白光LED散热，因此散热设计难度要低于对三

只R、G、B – LED的散热设计；

虽然CF-CLOS具有上述有点，但是其劣势也是十分明显的：

1、首先是光学利用率，由于CF-LCOS是采用在LCOS面板上覆盖CF膜的方式来形成彩色图像，尽管LCOS

本身的反射率很高，但是经过CF膜后，其光学通过率大大下降，而时序方式是使用一张单色的LCOS 直接反射色光，因此能充分利用LCOS高反射率的特性来提高整个光机的光学利用率；

2、在显示色彩和图像对比度等效果上，CF方式和时序方式更是没法比。CF-LCOS的色域只有35%NTSC左

右，而且随着其色饱和度的增加，对光线反射率必然会大幅下降，影响最终的光输出。而时序方式的色彩可以完全由3只色管来决定，其色域达到并超过100%NTSC都并不是不可能的事情；

3、在功耗上，虽然白光LED具有比较高的能效，可惜经过在CF-LCOS的CF膜上损耗后，其整个光机的

最终能效会明显低于时序光机，因此在最终输出亮度相同的情况下，时序光机的整机功率可以明显低于CF-LCOS光机；

4、在图像分辨率上，由于CF-LCOS是将单色LCOS面板利用CF膜分隔成R、G、B显示点阵，最终是每3

个物理像素点形成一个显示像素。而时序方式采用空间混色，其面板一个物理像素就对应一个显示像素。因此相同面积的显示面板，CF-LCOS的分辨率会明显低于时序方式。

由于目前我公司开发生产的两款LCOS投影产品都是白光LED + CF-LOCS架构。因此我们重点阐述一下白光LED + CF-LCOS产品技术中的要点。

一、整机架构：

以白光LED + CF-LCOS为架构开发的投影产品中，整个系统一般分为如下部分（见图2）：

图2

二、各部分模块简述：

1、光机：一个光机的典型内部结构见图3（摘自互联网）

图3

上述光学结构中，可分为照明部分和成像部分

A 照明部分。

●由上图中“21”大功率白光LED发出混合白光（P+S），

●经过上图中“22”收集后，再经过“23”和“24”筛选和折射，P光穿透，S光折射。

●被折射的S光到上图中“25”上（CF-LCOS）成像

B 成像部分

●通过CF-LCOS产生的彩色图象经过镜头组“27”投射到屏幕。为保证成像质量，CF-LCOS的成像面和投

影镜头“27”的焦平面重合是至关重要的。

最终，前段的照明系统经由CF-LCOS成像后，穿过投影镜头“27”，到屏幕。

目前四川维优公司使用的光机主要有两种：

·一种是IMD的640X480，配置单只3W白光LED光源，用于coolby产品。该光机特点亮度较低，均匀性不好，不过使用简单（单只LED散热比较好处理），成本便宜；

·另一种是红蝶的H11光机，该光机配置800X600的CF-LCOS，一只6管芯的大功率白光LED，用于coolux-1产品。该光机亮度适中（在具体应用的时候进行了加功率处理），均匀性较好，不过价格相对较贵，由于大功率散热不好处理，同时该光机的LED封装比较特殊，它内部6个管芯每两个并联封装为一

路，共为三路，并且这三路全部共阳。见图4。

图4

且LED热层是直接和LED阳极连通，故导致LED散热器带电，因此针对此LED的封装特点，在恒流驱动电路设计，以及散热、系统架构设计和生产中均应特别小心。

2、LED驱动部分：

由于微型CF-LCOS光机一般都采用大功率白光LED来作为光源。其要求工作在可靠的恒流状态，视使用的LED不同、内部LED的连接方式不同，而需加载不同的电流。因此设计一个可靠的大功率恒流源来给LED供电是必要的。在设计LED恒流源的时候，需要重点考虑光机中LED的电气特性、连接方式等，如果是电池供电，还要考虑外部输入电压变动范围；恒流源效率、恒流源PWM调整范围。有些带电池供电的机器需要能工作在低亮度模式，以便延长电池使用时间，因此还要考虑该恒流源能比较方便地调整电流，要具有使能端，便于利用MCU开关恒流源。以四川维优的两款机器coolby和coolux为例：·coolby中的LED驱动设计由于要考虑采用电池供电，而电池为一节锂聚合物电池，平台电压为3.7V，充满电为4.2V左右，放电结束限制在3.3V左右。考虑电池充电的需求，因此整机的外部电源适配器选用5V电压。在进行LED驱动设计时，需要充分考虑适配器供电电压5V，电池供电电压3.3V~4.2V，其驱动电路供电范围为：3.3V~5V，而所驱动的为一只3W的LED，该LED的正向电压一般在3.2~4V变化，所需最大恒流电流为1A。所以选择LED驱动时考虑选择能工作在boost-buck模式、最大电流1.5A的方案。另外还需综合考虑电池使用时间和驱动电路效率、整机大小等因素。因为驱动电路的开关频率越高，其外围可使用更小封装的电感、电容等器件，可节省体积，但是越高开关频率，其开关损耗越大，效率越低，将会带来电池使用时间的减少。最后综合考虑后，选择凌力尔特公司的LTC3454来作为驱动。·coolux中，由于LED是每路两只并联，再加上需要做加功率设计，每只灯的电流要加到1A左右，因此在每一路的恒流设计中，需要至少2A的电流，为保证可靠性，故应选择外置MOS管型的驱动方案。同时要兼顾PWM调光功能、驱动电路使能功能等，最后选定RICHTEK公司的RT8451驱动方案。在具体设计过程中发现由于3路LED阳极是直接并联的，而3路恒流驱动又不是工作在同步开关方式，因此导致12V电源上干扰很大，更关键的是由于LED的阳极和热层相连，因此这些干扰信号直接通过散热器的热管向外辐射，影响其他电路的正常工作，严重时MCU甚至不能正常工作。最后经过对驱动电路方案的重新优化设计，解决了由LED驱动电路带来的这些干扰问题。

3、信号处理部分：

CF-LCOS的信号处理部分可简单分为前端信号处理，和后端LCOS驱动两部分。在不同的设计方案中，有不同的电路形式。不过需要注意的一点共同点是：HIMAX的CF-LCOS面板需要120HZ（最少90HZ以上）的刷新率，才能获得稳定的图像。由于他们的LCOS面板内部液晶分子在正负半周倒相的过程中，不能保证每次正半周和负半周均获得完全一致的灰阶电平，故如果整个画面刷新率不高的话，前后两幅全场画面灰阶有轻微变化，人眼就会察觉出来闪烁现象。要避免闪烁感，只能将刷新率提到最低90HZ以上，这时

由于人眼的视觉暂留效应，就不会察觉出来闪烁了。就coolby和coolux的具体信号处理部分简述如下：·coolby由于考虑低成本，故采用一个通用的视频decoder芯片TVP5150来作为前端信号处理，将模拟的PAL/NTSC制式复合视频信号转换为ITU-601格式的数字化视频信号，送到后端的HX7805。HX7805是一个专用帧频倍频IC，它能将接收到的50/60 HZ的ITU-601格式的数字视频信号倍频到100/120HZ，并将数据格式转化为LCOS面板能够接收的带DE同步的，24BIT RGB数字视频信号，实现图像在LCOS上的正常显示。由于前端采用低成本的TVP5150，故其只能接收模拟复合视频信号，或者S-VIDEO信号。·coolux采用的是HIMAX的800X600分辨率的LCOS面板，要实现AV、VGA等信号显示，故其信号处理电路采用了HIMAX专用的LCOS面板SOC驱动方案——HX6271。该方案集成了多标准视频decoder，集成3通道ADC，以及后端的倍频处理电路，能实现最大SVGA分辨率面板的直接驱动。其可直接接收CVBS、S-VIDEO、VGA、YPBPR等模拟信号。系统性能得到很好的提升。不过HX6271在开发中发现，其对温度特别敏感，一旦IC自身温度达到60℃以上后会出现明显干扰，其最适宜的工作温度在50℃以下。故其在使用中应对温度进行特别关注。当然，该IC自身功耗只有不到2W。依靠自然散热已经能满足其使用，重点应该关注的是不能将一些发热元件（比如线性稳压电源，功率器件等）放置在靠近IC的位置，同时IC周围环境温度不能太高，如果其周围环境能有一些流动空气是最好的。

4、辅助电子功能、按键及接口电路等

辅助电子功能一般指的是附加的MP4播放功能、TV功能、DVB-T功能等。目前的架构中，这些功能模块均为选配。由于在信号处理部分，一般能够接收CVBS信号，故要求这些辅助电子功能应该具备全电视信号输出能力。同时为了方便控制，还应具备IR控制操作能力。辅助电子功能模块一般为选装，他们输出的CVBS信号和音频信号直接经过带3通道触点转换的专用3.5mm耳机插座，直接送到信号处理电路的CVBS输入端口和功放的音频输入端口，实现画面显示和声音放大。这个专用的3.5mm耳机插座，一旦插上外部的音视频信号，将自动断开内部辅助电子功能模块的信号。故这个专用插座一定要求品质优良，触点可靠性高，否则容易出现信号切换不良的情况。

在具体的配置中，coolby和coolux均能换装MP4播放、模拟接收、DVB-T接收等功能单元，以实现不同的功能。

5、散热设计

散热设计是mini-project设计中的一大重点要素，也是一大难点。由于mini-project一般体积较小，故不能使用大面积的散热器和大口径的风机，故怎么样合理的安排散热是至关重要的。

在mini-project的散热设计中，需要重点考虑3方面的因素，一是LED光源自身的散热，这是最重要的；二是LED驱动电路本身的散热；三是LCOS面板的散热。现结合四川维优科技出品的两款实际产品分别进行简单描述：

·LED散热：LED由于目前的光电转换效率还不是很高，特别是超大功率的白光LED器件。在工作中其自身发热较厉害。而LED本身又是一个对热很敏感的器件。如果散热不良，将会导致LED内部荧光粉的提前衰老，影响亮度输出。而且如果散热不良，这种衰老很可能变成一种永久性的，不可逆的亮度衰减。不同的LED器件，其封装方式不一样，管芯到外部热层的热阻不同，以及工作在不同的电流下，因此要求的散热条件也不一样。

Coolby采用的是一只3W的白光LED，工作的最大电流为1A，其最大热功率只有3W多。故其散热采用了一只相对较小的铝制散热器，直接固定在LED热层上，用一只2510的5V风机直接吹散热器的散热片来实现散热；

Coolux由于采用的是6管芯的超大功率白光LED，其实际热功率有20W以上，而机内热层位置处体积受限，不能安置大型散热器，因此采用了一只8mm的热管，将热层的热量导出到装有铝制散热器的机身的一侧，然后用一只3010/12V的风机直吹散热片。Coolux中使用的热管散热器模组示意图见图5（由于后期热管优化，可能该图和最终机器中的实物有些差异）：

图5

热管技术本身是一种很成熟的散热技术，在众多的笔记本电脑，以及一些高端的台式机电脑中都普遍采用。在应用热管进行散热设计时，有几个关键点是要注意的：

一是热管本身并不能将热量散走，它是利用管内的特殊材料在热管的两端进行液态—气态—液态

这个转变来把热量从管子的一端迅速带到另一端。因此可以简单的理解为热管是一个热阻非常小的高效导热器件。这样方便在一些不适合放置散热器的位置利用热管将热量导出到机内相对比较宽松的地方放置散热器。因此对热管另一端的散热片上进行充分的散热是必要的，不能因为用了热管，就随意减小另一端散热器的散热面积。当然在散热片一端结合合理的风路设计将获得更好的效果；

二是热管在使用过程中，尽量使用直管，在一定需要折弯的地方要保证一定的折弯半径（可向热管生产厂家索要具体要求）。因为热管每折弯一次，根据折弯大小将会带来不同的热传导效率的损失；

三是热管在使用的时候，要尽量保证热管本身和发热管以及散热端的可靠接触，否则会因此带来额外的热阻，而达不到使用热管的目的。

·LED驱动散热：一些大电流的LED驱动电路，其开关管上发热也是不容小视的。它的散热处理不好，将会带来机内温度的明显升高，影响机内散热，以及其他电路正常工作，甚至导致LED上热量明显增加Coolby中由于整机LED驱动电流最大才1A，采用的是内置MOS管的驱动方案，故其LED驱动不需专门散热，只需要保证驱动IC周围有一定的散热空间，就能依靠自然散热。

Coolux由于是3路，每路2A的驱动，因此采用了外置MOS管的设计方案，其MOS管上的发热必须专门考虑，否则将会明显增加机内温度，影响机内其他部分的性能。在coolux中，采用了一只2510/12V的风机放在LED热层和LED驱动IC旁边，这样一方面可以将LED驱动MOS管的热量带走，同时也能部分带走一些LED热层上的热量。

·LCOS面板散热：LCOS面板的适宜工作温度是低于50℃，因此在一些较大功率mini-project应用中，受机内环境温度影响、LED强烈的光线照射、以及自身工作的时候轻微发热，故容易导致超温。而LCOS 超温会造成液晶分子不能充分复位，会带来画面残影的现象，严重时可能导致出现不可恢复的残影。因此在较大功率应用中应对LCOS考虑1W到2W的散热。

Coolby机器中，由于LED光源功率不大，且整机没有太大的发热源，机内温度也不是很高，同时考虑其为一款低端的玩具型机器，故未对LCOS进行专门的散热处理，实际使用中，可能会出现轻微的残影，但关机冷却后残影消失；

Coolux中由于LED光源功率较大，机内LED驱动电路也会明显发热，机内环境温度较高。因此必须对LCOS考虑专门的散热，否则将出现明显的残影。由于LCOS发热不大，故对其散热可考虑两种方式：一种是直接加个散热器，进行自然散热；另一种是利用主散热风机分一部分风量来对LCOS散热。在coolux 中，由于结构所限，不能增加散热器，而且主散热风机没有多少余量，故额外采用了一只2510/12V的风机，放置在LCOS面板后面，这样一方面可以解决LCOS面板散热的问题，另一方面由于靠近主散热风机，还

能协助主风机对散热片进行散热。

三、LED+LCOS投影机性能检测要点：

LED+LCOS mini-project由于采用大功率LED光源，因此在整机检测的时候，需要根据其光源以及光机自身特点设计检测方法，否则检测出来的数据会千差万别，一般来说需要注意以下几点：

1、亮度测试时，温度对亮度的影响：

由于LED对于温度是非常敏感的器件，这里的温度主要指的是LED器件管芯的温度，而不是环境温度（当然在一定散热条件下，环境温度是会影响LED管芯温度的）。因此在测试的时候，要严格按照测试要求来，首先要限定室内的环境温度。然后要注意，一定要在机器完全冷却后再开机测试（可用外部大蜗壳风机，对着主散热器进风口持续吹2到3分钟），在机器开机以后，由于LED驱动电流很大，因此它管芯的温度上升速度比较快，测试亮度的时候可一方面用外部的大风机来强制冷却，延缓亮度降低的速度，两一方面应该抓紧时间测试，这样才能得出相对正确的开机亮度。等到20分钟以后，机内温度基本恒定，这时候可以测出稳定输出亮度。根据散热情况，开机亮度和稳定亮度可能有10%左右的差异。

附coolux亮度检测暂行方法：

测试条件

整机工作：外接DC12V 3A适配器；

测试信号为：信号发生器PM 5518-TX 输出CVBS白场信号，信号幅度设置在1V POP

照度计：CL200

测试环境条件：温度≤25℃（重要），相对湿度25-75%，测试环境照度<＝0.1lx.

投影尺寸(W*H)：0.5*0.37M2左右；视频图像宽高比：4：3

将完全冷却的整机（可在25℃的环境温度下，用70的蜗壳风机正对着整机主散热器进风口强制吹风冷却2到3分钟），接上视频信号，外部用一只70的蜗壳风机对着整机的进风口吹风，然后开机，开机后立刻用照度计寻找最高亮度点，读取照度计数据，并乘以面积计算出峰值流明。

2、亮度测试时，信号源及照度计对亮度的影响：

由于CVBS信号，不同DVD，及MP4播放板等信号源白场信号幅度、对比度等差异，故实际使用中会出现在机器的亮度和对比度预设值为50情况下，不同的信号源可能出现非常大的测量误差。另外不同照度计也会带来测量误差，特别是一些比较便宜的照度计，对色温比较敏感，不同色温下照度计读数差异很大。因此我们一般要求用专用白场信号发生器来进行测试。可使用PM 5518-TX信号发生器输出CVBS 白场信号，信号幅度设置在1V POP，照度计使用：CL200来进行测试。

3、老化试验中亮度的变化及注意事项：

在LED的老化试验中，由于受LED温度特性的影响，一般不建议采用加温的加速老化，因为一旦LED 管芯温度高于其使用上限后，会带来非常明显的不可逆光衰。因此LED机器的老化建议模拟客户使用实际温度情况，在30℃以下环境温度中老化。

在老化试验中，要注意，大功率LED持续工作，其亮度可能会受恒流电路电流变化，LED温度变化，环境温度变化等情况而发生变化，实际体现在，可能每次去测试的照度值不恒定，有时候会低一些，有时候又会高一些，因此在对其评判的时候，应该用一个相对长一点的时间来评估他的变化曲线。同时，还应该关注其亮度衰减是可逆的，还是发生了不可逆的亮度衰减。

附coolux暂行的老化检测办法：

老化前，先对老化机峰值亮度重复进行3次测试，注意每次测试完要将机器完全冷却，计算3次的平均峰值亮度，然后对整机进行老化。老化过程中，白天上班时间每隔4小时左右，不关机直接用信号发生器PM 5518-TX输出CVBS白场信号，测试在线峰值亮度并记录。在连续老化100小时后，关机并将机器完全冷却，再按照亮度检查方法重复进行3次峰值亮度测试，并计算出老化后的开机平均峰值亮度。

将此亮度和老化前测试的峰值亮度进行比较，观察整机是否发生了不可逆转的衰减，如该衰减在±3%以内可视为正常，如超出，则将该机再按照上述老化方法进行100小时的连续老化，并记录相关数据，最后检查老化结束后的开机平均峰值亮度，将该数据和老化前的开机峰值亮度以及第一次老化结束后的开机峰值亮度进行对比，即可看出是否发生了不可逆的持续衰减。

4、亮度测试中，投影尺寸对测试结果的影响：

在进行亮度测试时，需要注意，受光机本身的影响，其画面不是一个完整的矩形，且光机在点屏和不点屏的时候，有效出光面积不一样。因此在测试整机亮度时应使LCOS正常工作，加入正确的视频白场信号。

同时，由于光机投射出来的画面一般都有或多或少的枕形失真，故在测量投影面积的时候，不能简单测量

水平和垂直中心处的尺寸，因为在水平和垂直的中间位置正好是枕形失真最明显的地方，按照这个尺寸计算出来的面积会偏小，最终影响峰值亮度偏小。推荐的比较简单可行的办法可以在水平和垂直位置的1/4处测量尺寸，以便减小误差。

TIPS：

CF-LCoS panel 上面除了有效像素区以外还有一个外围区域，如果没有这个外围区域的话，有效像素区的边缘像素在加电的情况下，由于边缘电场的影响会出现信号异常从而导致边缘显示不断变化的不稳定的画面，为了避免正常显示时出现类似问题，就要在边缘加外围液晶区域，这些区域并不是有效像素，但是它可以由panel 上的电路控制到，使得panel不加电时，呈现亮态（就是所说的发光面积大些），而panel加电时，呈现暗态（黑色遮住下面的异常显示），简单来讲，就是这样的原因。

测量亮度，应该以点亮ＬＣｏＳＰａｎｅｌ是为准。

作者简介：陈铭（1974 －），男，四川人，工学士，四川维优科技有限责任公司技术中心工程师。1997年四川大学无线电系毕业。