光机LCoS原理、优劣势、现状和未来发展分析

什么是LCoS

    LCoS是一种基于液晶技术的光学元件，全称为Liquid Crystal on Silicon，直译为“硅基液晶”。简单来说，LCoS是基于液晶（Liquid Crystal）材料，与硅基集成电路技术相结合组成的一种反射型显示器件[1]。本质上来说，LCoS利用液晶分子双折射率（Birefriengce）特性，通过调控光的偏振态来对入射光的振幅或相位进行调制，由此LCoS可以分为振幅型和相位型[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）， 通过对像素单元施加不同的电压，配合正交的偏振片组，对入射光的振幅进行灰阶调控，如图(1)所示[2]。

图 (1).光的振幅变化示意图

    振幅型LCoS对光的调制与传统的 LCD 原理类似，都是对像素加载电压、利用液晶分子的双折射效应改变光的偏振状态来控光[3]。为了达到最好的效果，入射光的偏振方向需与 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电压施加的情况下会进行旋转，此旋转会改变入射光的偏振特性，根据偏振特性的不同，出射光线的情况也分为图(2)中的三种[3]：

图 (2).电压施加的不同强度下，振幅型LCoS出射光线情况

    1）当没有外加电场时，液晶分子在2片偏振片之间呈90°扭曲，由于光线顺着分子的排列方向传播，所以此时光线经过液晶时也被扭转90°，可以通过器件出射，并被人眼看到（图(2)(A)）[4]。

    2）当液晶分子开始被施加电压，液晶将在电场作用下发生旋转，由平行于偏振片的扭曲排列逐渐转变为垂直于偏振片方向排列，此时光线经过液晶时被扭转的角度在0°~90°之间，部分光线可以通过器件出射，并被人眼看到（图(2)(B)）[4]；

    3）当液晶分子被施加了足够的电压，液晶分子的排列方向完全垂直于偏振片，此时光线经过液晶时未发生扭转，由此该排列会阻挡光线的传播，光线无法通过器件出射（图(2)(C)）[4]。

    目前振幅型LCoS已经在家用和工业用投影领域有着成熟的应用，最近在车载HUD内使用的LCoS也即是振幅型LCoS。

相位型LCoS-Zero Twisted Configuration

    我们上述提到了振幅型LCoS控制光线振幅的原理，与之相比，相位型LCoS（Phase-only LCoS）较为常用的架构方式是零扭曲式（Zero Twisted）液晶排布方式，并与平行偏振片组搭配使用[5]。光的相位可以简单理解为光的相对位置关系（如图(3)所示），改变光的相位即改变了光在空间中的相对位置，这个过程就是光相位调制[5]。

    相位型LCoS通常被运用于激光光刻、激光成像、全息成像等应用领域[6]。可以看到相位型LCoS通常与激光光源配合使用，其原因是只有高相干性光源才能确保经过相位调制后的光发生所需的加强或减弱的干涉效应，从而达到光调制的目的[5]。

图 (3).光的相位变化示意图

    如图(4)，在相位型LCoS液晶层中施加电压时，液晶分子发生偏转，相位型LCoS的入射光线依旧能够完全出射。但由于梭形液晶分子在长轴和短轴的折射率不同（长轴折射率ne>短轴折射率no），因此当不加电压时，光线通过的是梭形分子的短轴no部分（如图4(A)所示）[5]；当充分施加电压后，液晶分子发生偏转，光线通过的是梭形分子的长轴ne部分（如图4(B)所示），因ne>no, 所以光线在液晶层的传输速度是ve<vo，因此，施加电压后，光线通过液晶层后的相位位置落后于不施加电压的情况[5]。LCoS可在每个像素点上施加不同的电压，液晶分子的折射率也会介于no与ne之间，从而实现像素级别的相位调制。

图 (4).电压施加的不同强度下，相位型LCoS出射光线的情况

LCoS和TFT-LCD的区别

    与振幅型LCoS类似，TFT-LCD（Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display）也是通过液晶和电场来调控液晶的偏转，进而调控光线的振幅[7]。LCoS与TFT-LCD的主要区别在于它们调控光线的方式：LCoS成像主要利用硅基板反射（见图(5)）[1]，而TFT-LCD用双面玻璃基板采用透射方式[7]。

图(5). TFT-LCD和LCoS的内部构造对比

    TFT-LCD为透射型显示，面板底部采用玻璃作为基板，光源位于该层基板之后（图(5)(A)）[7]。入射光通过玻璃基板，TFT-LCD屏的每个像素包含一个薄膜晶体管（Thin-Film Transistor），通过控制薄膜晶体管的电压，可以控制液晶分子的转动。光线在通过液晶层后得到调控，然后继续穿出显示器上层的玻璃面板，向人眼传播[7]。

    相比起TFT-LCD，主流LCoS方案通过反射成像，仅有上层面板采用玻璃基板，底部则采用由反射硅构成的背板（图(5)(B)）[8]。背板上的控制电路芯片主要采用半导体材料硅，硅衬底上的CMOS有源显示驱动矩阵为每一个像素提供了MOSFET开关、存储电容、遮光层和像素电极等，用于集成电路和电控操作。在硅基板与液晶之间，有一层铝或其他高反射的材料被用作光线的反射面。这意味着光线入射至液晶层后，被液晶调控后由反射镜片反射至人眼[8]。

图 (6).TFT-LCD与LCoS工作原理

LCoS成像原理带来的优势

    LCoS 在成像效果和工艺制作上都有一定的优势，我们可以从以下方面来看。

光能利用率高

    首先，LCoS具有更高的光能利用率[9]。如上文所说，LCoS底部背板由单晶硅构成，单晶硅拥有良好的电子迁移率，且容易形成较细的线路[10]。这带来了两方面的意义：从微观来看，在电场作用下，单晶硅内部电子运动较快[10]；从宏观来看，LCoS的晶体管及线路都能够在CMOS芯片内进行制作，位于反射面之下，不占用表面面积，仅有像素间隙占用开口面积[10]。

    所以在同等驱动条件下，LCoS整体线路尺寸都会缩小，像素能够利用的面积更大。由是，LCoS的开口率会更高，光能利用率也会因此大幅提升，振幅型LCoS可达40%左右，可达穿透式LCD的4倍[11]。因此LCoS能够实现更大的光输出、在单位投射面积上具有更高的光强度，即具有更高的辉度[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，简称PPI）。相较于TFT-LCD在玻璃基板上制作薄膜晶体管（Thin-Film Transistor），LCoS 在硅衬底上制作的互补式金属氧化物半导体晶体管（CMOS Transistor）的尺寸更小[12]。于是，在相同空间内，LCoS基于硅衬底的PPI明显大于基于玻璃基板的TFT-LCD。这意味着对于 TFT-LCD而言，如果要实现相同像素数量，需要设计更大的玻璃基板，或缩小单个像素的尺寸。然而，玻璃基板的设计尺寸有限，这就凸显了LCoS硅衬底的优势，即能够实现更大的像素密度，从而保证更好的分辨率[12]。

    除此之外，TFT-LCD通常采用传统的RGB像素布局，即每个像素点由红、绿、蓝三个子像素组成，每个子像素都有相应的滤色器，通过背光源的亮度和颜色来显示图像[13]。而LCoS可以通过时序彩色驱动，将彩色图像中的红绿蓝信息分离出三个通道，在不同时间间隔内将不同通道的图像送入显示屏，只要RGB三色光的交替频率足够高，人眼所感觉到的图像就是由RGB三基色混合而成的颜色效果[11]。所以LCoS像素尺寸可以更小，在同样尺寸的显示屏上就可以做到更高的分辨率。图(7)展示了这两者内部像素构造的简要原理。

图 (7).TFT-LCD与LCoS像素构造示意图

    综上所述，就光能利用率和分辨率来看，LCoS比TFT-LCD，形成了对比度更好、更高清、更细腻的显示效果（见图(8)）。

图(8). TFT-LCD与LCoS 显示效果示意图

工艺优势

    此外，LCoS的生产制造过程具有一定效率优势[11]。由于用作光学反射表面的硅衬底能够通过现代集成电路制造工艺进行制造，这意味着LCoS的生产过程可以与集成电路的生产流程整合在一起，从而降低制造的复杂度，大批量生产具有高可靠性和高精度的微电子结构模块，实现LCoS模组的小型化与轻薄化，并带来降本的可能性[11]。

    最后，作为一种开源技术，相比起TI专有专利的DLP，LCoS的设计与制造并无太多限制，更多公司和个人能够参与其中，这为LCoS的进一步发展提供了更大的空间和机遇。

LCoS的劣势

温度挑战

    尽管LCoS技术已成熟且在投影与光学领域得到一定规模的应用，但在汽车领域，LCoS通过车规的耗时较长，主要原因是 LCoS热管理方面还面临着挑战[14]。尽管TFT-LCD和LCoS都使用液晶材料，但液晶材料的种类却有上千种，TFT-LCD与LCoS所采用的液晶材料不同，TN LCoS与 VAN LCoS所使用的液晶材料也有所区别。液晶器件在温度较高或者较低的情况下，均会出现一定程度的性能下降，为了满足车规使用场景（-40°~+85°），车载LCoS需要选用合适的液晶去进行匹配，但现阶段车载LCoS主要面临的挑战还是高温失效问题，因此现阶段能满足车规的量产级LCoS光机模组的很少。

反应延时

    比起当前HUD中通常使用的DLP光机，LCoS反应速度较弱，差距在2～3个量级以上（约100~1000倍）[15]，且LCoS屏幕的颜色切换是通过控制液晶分子的偏转实现的，液晶层偏转的速度影响了LCoS的灰阶响应时间，而液晶层偏转速度又与温度有关，温度越低，偏转速度越慢。由此，在低温下，LCoS屏幕可能会出现明显的拖影现象，从而影响视觉效果[16]。

    理论上铁电液晶能够更快地完成旋转，因而铁电液晶能提升 LCoS的切换速度[17]；然而，铁电液晶的制备和集成相对较为复杂，且在长时间使用或频繁切换的情况下可能存在耗损和退化的问题，由此当前LCoS中的液晶材质未采用铁电液晶。同时，对于相位型LCoS而言，在全息图构造中，有黑、白、灰三个度，而铁电液晶可能会造成灰度条纹的流失，从而导致信息量减少和图像质量下降[17]。

LCoS发展近况

    以市面公开的参数来看，目前LCoS的像素尺寸可做到3.74~25μm之间[18]，响应速度在毫秒（ms）级别，约在1~200ms的范围之内[18]。从分辨率来看，当前的LCoS 最大能够达到8K（4096×2160）的原始分辨率[11]。在2020年12月，LCoS于国内首次实现量产，且像素密度由4300PPI（PPI的定义见 视场角FOV的原理及应用）提升至6000PPI。

LCoS未来发展

    LCoS的优势在于精确的光学调控，由此在光通信领域，LCoS 有两个主要应用[2]：一个是用于控制电光调制器，通过LCoS对光的强度调控特性，帮助电光调制器将电信号转换为光信号，进行高速、精确的光信号调制[2]；二是用于光开关中，光开关在光通信系统里用于实现光信号的切换、路由和调度[19]，而LCoS精确的光学调控使其有助于提高光开关的性能和传输质量[2]。

    在显示领域，由于具有出色的分辨率、对比度，LCoS适用于多种场景，包括3D投影、全息投影和激光投影等。凭借其较小的模块体积，LCoS最近在AR技术领域被广泛应用，如AR头戴式显示器中LCoS即为一种常用的光机[2]。

    在HUD领域，振幅型LCoS已经开始运用于量产项目中，睿维视也已成功开发了基于振幅型LCoS的大视场角AR-HUD。此外，相位型LCoS因其对于纯相位调制的特性，也能支持数字全息（CGH）的实现，从而达到实时变焦的3D AR-HUD显示。