光合农场 [ＬＣｏＳ光引擎中分光合光部分的技术分析]

　　文章编号：1006-6268（2008）09-0045-03 　　摘要：光引擎是LCoS投影技术的核心，而分光合光又是光引擎中的一个重要技术。文中对光引擎中分光合光部分的元件、原理、过程作了比较详细的技术分析和研究。
　　关键词：硅基液晶；光引擎；分光；合光
　　中图分类号：TN141.8 文献标识码：A
　　
　　Analysis for the Distribution and Composition of Light in LCoS Light Engine
　　LIU Hao
　　(Nanjing College of Informatoon Technology, Nanjing 210046,China)
　　Abstract: light engine is the core technology of LCos projection, distribution and composition of light is an important technique of light engine. analysis and research on the device, principle and process of the distribution and composition component in thelight engine were made in detailin this article.
　　Keywords:LCoS；light engine ；distribution of light ；composition of light
　　
　　1LCoS投影技术的核心――光引擎
　　
　　LCoS(liquid crystal on silicon，硅基液晶)投影是一种新兴的投影显示方式，是在LCD( liquid crystal display，液晶显示)投影技术的基础上加以改进而产生的，LCoS技术融合了半导体集成电路和液晶两项技术的优势，就技术层面来看，具有高解析度、高亮度的特性，加上产品结构简单，亦具低成本潜力，其发展前景将相当广阔。
　　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（图1）。
　　
　　图1 背投影显示的原理
　　
　　可以看到，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（图2）。
　　
　　图2 LCoS光引擎的工作流程
　　
　　2LCoS光引擎中的分光合光技术
　　
　　目前，对LCoS光引擎而言，它所显示的是彩色图像。但是，从前面的内容可知，光源发出的是白光，并不是彩色的。这就意味着：必须先利用分光系统，把白色光分为R、G、B三基色，让它们分别射进各自的LCoS液晶片中进行调制；再利用合光系统，把调制后形成的R、G、B单色图像加以合成，从而形成彩色图像。
　　
　　2.1LCoS液晶片
　　LCoS液晶片是实现图像电信号转化为图像光信号的器件,它把LCD技术与CMOS技术相结合，通过控制反射来对光进行调制。
　　在工艺制作上，它在硅晶圆上生长晶体管，利用半导体制程制作驱动面板，然后通过研磨技术磨平电晶体，并镀上铝作为反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再灌注液晶，进行封装测试（图3）。
　　
　　图3 LCoS液晶片的结构
　　
　　玻璃覆盖层主要起保护作用。在它的上层镀有增透膜，尽量提高光的透过率,从而提高能量利用率;在其下层镀有ITO(indium tin oxide ,铟锡氧化物)薄膜。对应于每一个像素单元，在ITO薄膜上都集成有透明晶体管，内部储存有电荷，为微小的集成电容器充电，以提供让液晶分子排列扭转的电场。在一对线偏振器中，上面的作为起偏器，下面的作为检偏器，二者的偏振方向水平旋转90°。在液晶材料层，呈长棒状的液晶分子分别对应于各自的像素单元而排列。在成一幅完整的图像之前，CMOS基板上的像素控制电路会首先把图像信息分解为一个个单一像素单元的信息，从而具体决定每一个像素单元的"开"与"关"。
　　最初,液晶分子的排列取向是一致的，但由于电场的存在，使得液晶分子的排列取向从上至下被强制扭转了90°。当照明光透过玻璃覆盖层进入液晶层后，会顺着液晶分子由上至下传播，它的偏振方向也被强制旋转了90°，从而正好与检偏方向重合，可以被铝膜反射出去――这就相当于该像素处于"开"状态。当晶体管内的电子被抽干后，电场消失，液晶分子的排列趋于一致。照明光通过它后，偏振方向并不发生变化，最终，照明光的偏振方向与检偏器偏振方向垂直，便不能透射出去――这就相当于对应的像素处于"关"状态。这样，通过CMOS基板上集成的电路来控制晶体管的充电荷、排电荷，从而进一步控制像素的"开"、"关"状态，一幅光学图像便产生了。
　　
　　2.2分光合光过程分析
　　分光是照明光源进入液晶板调制之前的准备，合光则是调制后的三基色图像的组合。二者一起影响着最终的图像质量。
　　对分光系统的基本要求是：三基色光的分割必须准确，即光在进入各自的液晶板调制之前，需充分经过滤波，尽量消除其它杂色光的影响。对合光系统的要求是：经过调制后的光束必须能够准确地重新合成，尽量减少光束合成所带来的位置偏差。这里所介绍的三片式LCoS光引擎的分光、合光是通过ColorQuadTM结构来完成的（图4）。
　　
　　图4 ColorQuadTM的结构及工作原理
　　
　　ColorQuadTM 是堆栈延迟膜专利 技术(ColorSelect®)和偏振光束棱镜(PBS)块的组合。其中，G/M 滤光片、G/M′滤光片 、R/B 滤光片 、R/B′滤光片都是使用ColorSelect®制作的偏振滤光片。它能高效地让主带光的偏振态旋转90°，而保持它的补色带光的偏振态不变；同时，对某一特定的偏振态的光进行滤除，对另一偏振态不滤除。具体而言：G/M 滤光片、G/M′滤光片的主带光定为绿光，对P光滤光(图5)；R/B滤光片、R/B′滤光片的主带光是红光，对P光滤光(图6)。PBS棱镜是由两个等腰直角棱镜粘合而成，在其粘合的直角面镀有偏振分束膜，它可以反射S 偏振态的光，透射P偏振态的光。把偏振滤光片和PBS有效地结合，便可以实现分光、合光。
　　
　　图5 G/M、G/M′滤色曲线
　　
　　图6 R/B、R/B′滤色曲线
　　
　　由于经过了偏振态的转换，光在到达分光、合光系统时已经是单一的P偏振光。由偏振分色的原理，G/M 滤光片先使绿光的偏振态旋转90°，变成了S偏振光，其补色（红光、蓝光）的偏振态保持不变，仍为P偏振光；再对P偏振态的光进行滤波，滤除残余的P偏振态的绿光，让红光、蓝光通过。在PBS#1的偏振分束膜上实现绿光的分离。绿光向上反射，而红光、蓝光直接透射。
　　绿光进入PBS#2后，在其偏振分束膜上发生反射，从而进入绿光液晶板。经过调制后反射出来，变成P偏振光，再直接从PBS#2、PBS#3的偏振分束膜上透射。红光、蓝光在进入PBS#2之前，先通过R/B 滤光片，红光的偏振态旋转90°，变成S偏振态，蓝光保持不变，仍为P偏振态；再对P偏振态滤光，滤除P偏振态的红光。这样，在进入PBS#4后，红光、蓝光就具有了不同的偏振状态。
　　在PBS#4的偏振分束膜上，红光、蓝光发生了的分离。它们分别进入各自的液晶板被调制后， 红光变成P偏振态，在PBS#4的偏振分束膜上发生透射；蓝光变成S偏振态，发生反射。它们再次经过R/B′滤光片的作用，红光的偏振态旋转90°，变为S偏振态,蓝光保持不变，仍为S偏振态；P偏振态的红光被滤除。这样，经过调制后的红光、蓝光进入PBS#3。
　　最后，在PBS#3的偏振分束膜上实现合光，三基色图像重新合成为彩色图像。
　　
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