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　　硅基液晶（LCOS ）微顯技術(shù)提供了高質(zhì)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(dǎo)技術(shù)— 硅基技術(shù)和液晶顯示（LCD）技術(shù)，并將這兩項技術(shù)與先進的光學(xué)組件、系統(tǒng)設(shè)計和制造業(yè)結(jié)合在一起。

　　本文將評論幾種新型的光學(xué)組件、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

1 器件與電子學(xué)

　　LCoS器件目前現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)低成本、高分辨率的關(guān)鍵因素。三五系統(tǒng)(Three-Five System)公司和先進數(shù)字光學(xué)(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(xué)組件更小，整個系統(tǒng)成本更低。

　　驅(qū)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(shù)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?shù)囊曨l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(xiàn)LCoS技術(shù)的高質(zhì)量圖像顯示。

2 光學(xué)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(zhì)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(shù)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(xiàn)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(fù)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(zhuǎn)變?yōu)椤罢_的”偏振的靈巧方案，能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)，典型的光通量的增加范圍從10% 到60% 。

　　大多數(shù)LcoS 器件的光學(xué)設(shè)計中利用了PBS 。在有效f 數(shù)低的情況下，斜射光（skew ray）會引起嚴重去偏，導(dǎo)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(shù)，NA 是系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，CR 一般為有效f 數(shù)兩倍的倒數(shù)。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(yīng)，對比度可極大地增加。另外，QWP 方向常常被輕微地旋轉(zhuǎn)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(xiàn)此目的。

　　ColorLink 開發(fā)了一條“彩色選擇濾光膜”生產(chǎn)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(shè)計成能補償與傳統(tǒng)PBS 相關(guān)的斜射光去偏效應(yīng)。

　　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(yù)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(xué)結(jié)構(gòu)中，WGP 也是替代PBS 的關(guān)鍵件。WGP 沒有與傳統(tǒng)PBS 相關(guān)的斜射光去偏問題。

　　背投電視(RPTV) 的一個關(guān)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(zhuǎn)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(jié)合散射材料來實現(xiàn)。

　　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(shù)高有效f 數(shù)系統(tǒng)中，斑點是最討厭的。屏幕也必須提供一些對室內(nèi)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(jié)合的屏幕來實現(xiàn)。隨著LCoS 及其它微顯技術(shù)的發(fā)展，屏幕產(chǎn)業(yè)已給背投電視及其它應(yīng)用提供了適合的屏幕。

3 光學(xué)結(jié)構(gòu)

　　一些獨特的結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(shù)系統(tǒng)有斜射光補償。盡管在一些公司和學(xué)院的實驗室做了大量的設(shè)計和樣品，但與更多最近研制的產(chǎn)品相比，沒有達到有競爭力的性能水平，也沒有達到產(chǎn)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(shè)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(yīng)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(shè)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(chǎn)品使用了這種設(shè)計。

　　該基本設(shè)計被研究的其它形式是消除或減小斜射光的去偏效應(yīng)。其中一些是高光通量低有效f 數(shù)的設(shè)計；而另一些設(shè)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(xiàn)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(shè)計方法的LCoS 背投電視已被發(fā)布。

3.4 彩色方塊及相關(guān)結(jié)構(gòu)

　　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(shè)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(yīng)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(xiàn)在方塊中，不需要額外的分色鏡，因此，這種方法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊湊。圖4

　　值得注意的是，方塊設(shè)計和三個PBS 加X 形正六面體棱鏡設(shè)計均使用了四個光學(xué)棱鏡。世界上許多公司開發(fā)了一些與方塊類似的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)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(guān)方塊的LCoS 結(jié)構(gòu)形式。

3.5 偏軸照射

　　在前面引用的結(jié)構(gòu)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(xiàn)在的極光系統(tǒng)（Aurora System ）開發(fā)了一種設(shè)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(shè)計的傾斜光照，導(dǎo)致許多傾斜角出現(xiàn)，使得彩色的分離和復(fù)合變復(fù)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(shù)，引起了光學(xué)組件和結(jié)構(gòu)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(guān)的電子學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)組成的高質(zhì)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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