LCOS光学引擎的仿真设计

目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 国内外发展现状 (3)2 LCOS光调制技术综述 (5)2.1 LCOS光调制原理 (5)2.2 LCD背光源相关知识 (7)3 基于ZEMAX软件的LCOS基本原理仿真 (11)3.1 光学设计软件ZEMAX (11)3.2 基于ZEMAX的LCD背光源设计 (12)3.3 基于ZEMAX的LCOS光学引擎设计 (21)3.4 分析 (29)4 全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (33)第Ⅰ页共Ⅰ页1绪论1.1引言LCD（Liquid Crystal Display），中文是液态晶体显示器，简称为液晶显示器。

早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性[1]。

到20世纪60年代，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。

这种在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化，从而影响到它的光学性质，这种现象叫做液晶的电光效应。

人们也因此引发了发明液晶显示设备的念头。

世界上第一台液晶显示设备出现在20世纪70年代初，被称之为扭曲向列液晶显示器TN-LCD（Twisted Nematic-Liquid Crystal Display）。

尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。

近年来液晶显示器发展迅速，与传统的阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）显示器相比，LCD不但体积小，厚度薄，重量轻、耗能少、工作电压低并能直接与互补金属氧化物半导体CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）集成电路匹配。

由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。

逐步取代笨重的CRT显示器，目前已成为主流的显示设备。

近几年来，在LCD业界出现了许多新技术，其中较热门的技术是LCOS。

LCOS 最大的优点是解析度可以很高，在携带型资讯设备的应用上，此优点是其他技术无法与之看齐的。

缺点是模组的制程较为繁琐，各生产阶段良率控制不易，成本难以有竞争力。

目前只能停留在需要高解析度的特定用途中，如液晶投影器。

[2] LCOS技术一经推出便在全世界范围内造成极大影响，但由于制造工艺等方面原因，目前基于LCOS技术的产品还没有形成大规模量产，只有少数厂家开发出了应用于投影机的LCOS芯片和应用LCOS技术的投影机及背投电视机。

LCOS技术在以后大屏幕显示应用领域具有很大优势，它没有晶元模式，且具有开放的架构和低成本的潜力。

省电、便宜与高解析度为LCOS最大优点。

LCOS可视为LCD的一种，但传统的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS则是长在矽晶圆上。

和LCOS的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶矽LCD为代表。

后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有3%左右，解析度不易提高；LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达40%以上，且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，易于提高解析度。

反观高温多晶矽LCD则需另投资设备，且属于特殊制程，成本不易降低。

[3,4]LCOS投影芯片除了拥有理论上最低的成本外还具有着其它的显著优点。

和LCD比较，LCOS技术仅拥有一个光学面，从而能够利用另一个平面配置驱动电路。

进而达到驱动电路和芯片一体化的产品结构。

普通的LCD有大量密集的外部引线，如一个1024×768像素点阵的LCD便有2592条外部引线，给整机装配带来了诸多不便。

LCOS由于是将LCD制于单晶硅片上，LCD的行、列引出线皆通过半导体工艺在硅片内与IC相连接，故留在外部的仅有数条数据控制线、时序线及电源线等。

可利用通用连接端口与前级电路相连接，颇为简便。

[5]普通的LCD透光的光学结构决定了两个光学平面必须保持“干净”。

这使得像素分子中间不仅要包含LCOS技术液晶层所需要的像素涂布的分割网格，同时还必须拥有芯片工作必须的“电线”等电子设备。

这些设备占据了大量的芯片光学面积，使得芯片的开口率在早期很难突破40%。

但是，采用单光学面工作的LCOS 芯片则可以轻易形成超过90%的开口率。

此外，普通的LCD在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制成像素。

通常将像素制至0.28mm已属不易，因在每个像素上还需制出一个有源器件（这些因素也影响到产品的开口率）。

但LCOS的像素是制在单晶硅片上，硅片采用LSIC的工艺进行加工，可将象像制至4μm以下。

像素密度的增大必然带来芯片体积的减少，材料费及成本自然便会大幅度地降低。

[6,7,8]和德州仪器的DLP投影技术的DMD芯片相比较，LCOS技术具有工艺简单的特点。

采用微电子机械学的DLP DMD芯片不仅仅使得各种工艺难度大幅增加，同时对成本、成品率，尤其是像素密度等方面都面临着严峻的挑战。

DMD芯片北背部的驱动层和LCOS芯片很是相似。

但是在光线的控制上，DMD 采用机械式的镜片旋转（大约每分钟5000次），而LCOS技术却采用液晶材料的光学各向异性形成，是一种从电子的操作。

这种在光学控制上的不同导致了LCOS 芯片不需要向DMD那样复杂的“微型的电子机械结构”。

这不仅仅能够节约成本，从长远来看还能保障成品率的优良比例，并同时提高芯片的可靠性。

同时，微电子机械的结构决定了DMD芯片工艺的复杂性，使得这种芯片在高分辨率产品上的突破成为难点。

[9]1.2国内外发展现状LCOS投影技术拥有者几乎DLP技术和LCD技术的全部优点，同时很好的克服了二者的不足之处。

这也是LCOS产品之所以被称为投影产业未来之星的原因。

但是，LCOS产业化的道路却并非一帆风顺。

目前困扰LCOS产业成为投影机产品领导型技术类型的原因主要有两个。

其一是成品率问题，其二是来自竞争对手DLP的竞争。

LCOS芯片需要在高度抛光的铝层上紧密结合液晶分子材料。

这一步骤是导致LCOS芯片成品率较低的关键。

液体和固体表面的精密结合，满足优秀的光学成像随需要的精度，是LCOS芯片工艺改进的最主要方面。

成品率问题直接导致LCOS 投影机的价格并不具有良好的竞争优势。

尤其是和全高清分辨率以下的单片式DLP 产品比较，DLP产品的价格往往要低于LCOS产品很多。

在产业竞争上，LCOS最大的优势在于没有形成类似于LCD和DLP投影机那样的垄断态势。

DLP投影机的芯片只有德州仪器拥有技术，并且受委托生产的企业也很有限。

LCD技术的芯片技术相对好一些。

由索尼和爱普生两家公司所掌握。

但是，向外提供芯片和光机的企业却只有爱普生。

索尼LCD新品以自用为主。

而且在高端产品上索尼早已经完成了向LCOS技术的转型。

这种核心技术垄断的格局必然造成产业发展的滞后。

尤其是在LCD产业上，具有芯片技术的企业又是最主要的终端企业，这必然造成自己的客户是自己的主要竞争对手的局面。

DLP技术的持有者德州仪器本身不生产投影机产品，这样就避免了上游厂家和厂家的竞争，形成良好的产业价值链。

目前在全球市场DLP产品无论是市场规模还是支援企业数量都超过LCD产品。

而LCOS产业在这一点上则更具优势。

LCOS芯片基本采用半导体产业和液晶产业成熟的大众型技术。

这使得许多公司都可以跳过核心专利门槛来开发属于自己的芯片产品。

能够拥有一款产品核心产业链是获得竞争实力和创造更高的企业价值的良好基础。

单凭这一点，LCOS就可以成为最受投影企业，尤其是崇尚创造性制造的企业最喜欢的技术类型了。

但是没有一个核心企业来领导的LCOS产业也具有其固有的弱点。

那就是标准不统一、实力分散。

这样的特点必然能够给竞争对手留下更多的机会。

同时，也是至今LCOS投影机只能在那些注重性能的领域获得良好市场表现的原因之一。

因为LCOS的成本优势需要规模化的制造，而规模化的制造则必须建立在统一的行业标准之上。

本论文要完成的任务是：（1）LCD背光源和LCOS光调制原理的相关知识介绍；（2）光学设计软件zemax简介；（3）基于ZEMAX软件的LCOS基本原理仿真；（4）全文总结。

2 LCOS光调制技术综述2.1 LCOS光调制原理LCOS（Liquid Crystal on Silicon），即硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。

这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。

像素的尺寸大小从7微米到20微米，对于百万像素的分辨率，这个装置通常小于1英寸。

有效矩阵的电路在每个像素的电极和公共透明电极间提供电压，这两个电极之间被一薄层液晶分开。

像素的电极也是一个反射镜。

通过透明电极的入射光被液晶调制光电响应电压将被应用于每个像素电极。

反射的像被光学方法同入射光分开从而被投影物镜放大成像到大屏幕上。

采用LCOS技术的投影机其光线不是穿过LCD面板，而是采用反射方式来形成图像，光利用效率可达40%。

与其他投影技术相比，LCOS技术最大的优点是分辨率高，采用该技术的投影机产品在亮度和价格方面也将有一定优势。

[10]LCOS 投影显示实际上是背投显示的一种。

投影机固定安装在箱体的后部。

它发出的图像经过高品质反光镜的反射( 可能是多次反射) , 投影在半透明的背投屏上。

观众看到的便是部分透射的图像。

在这个系统中, 投影机( 光引擎) 是其中最核心的部件。

总的说来, LCOS 光引擎所起的作用是把电学图像信号转化成为可供观看的光学图像信号, 并同时把它放大、投射出去。

这其中, 液晶板承担了电信号转换为光学图像信号的具体任务。

但是, 由于液晶本身并不能发光, 因此在实际应用中还必须为它提供合适的照明光。

这样, 图像信号和经过光学器件处理后的照明光一起作用于液晶板, 最终产生所需要的光学图像。

与穿透式LCD和DLP相比，LCOS具有利用光效率高、体积小、开口率高、制造技术较成熟等特点，它可以很容易的实现高分辨率和充分的色彩表现。

由于LCOS尺寸一般为0.7英寸，所以相关的光学仪器尺寸也大大缩小，使LCOS-PTV的总成本大幅下降。

[11,12,13]空间光调制器英文名称是Spatial Light Modulator，在文献上常缩写成SLM。

顾名思义，它是一种对光波的空间分布进行调制的器件，一般地说，空间光调制器是指在信号源信号(控制信号) 的控制下，能对光波的某种或某些特性(如相位、振幅或强度、频率、偏振态等) 的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制，从而将信源信号所荷载的信息写进入射光波之中的器件。

控制信号可能是光学信号，又可能是电学信号。

空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间上排列成一维或二维阵列。

每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等) 改变自身的光学特性，从而对照明在其上的光波进行调制。