1、清华大学 2012 届毕业设计说明书第 1 页 共 28 页目 录1.绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 LCOS 激光显示现状与发展 .11.3 本设计的主要内容 .22 投影显示系统的分类和工作原理 .32.1 投影显示系统的分类 .32.2 投影显示的实现方式 .32.2.1 CRT 投影技术 .32.2.2 LCD 投影技术 .42.2.3 DLP 数字投影技术 .43 LCOS 投影显示技术 .63.1 LCOS 投影显示技术的发展历史 .73.2 LCOS 投影显示技术的成像原理 .83.3 LCOS 投影技术的优势 .93.4 LCOS 面临的问题 .94 偏振转换系统
2、.114.1 光的偏振特性 .114.2 偏振分光器 .114.3 PBS 的加工要求 .124.4 PBS 应用 .134.5 偏振光转换器 .145 软件仿真 .165.1 ZEMAX 软件 .165.2 系统设计 .175.3 仿真结果分析 .23清华大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 28 页6 总结 .266.1 系统的不足 .266.2 对未来的展望 .26参考文献 .27致 谢 .28清华大学 2012 届毕业设计说明书第 1 页 共 28 页1.绪论1.1 课题研究背景同液晶、等离子等新型显示技术相比，LCOS(硅基液晶显示 )技术有其自身的突出优势，也早已被业界普
3、遍认为是最适合我国发展的新型大屏幕数字显示技术。近 10 年来，从 LCOS 技术在中国的萌芽，到中国电子视像行业协会大屏幕投影显示设备分会牵头组建我国第一条产业联盟，直至今天国内 LCOS 产业链的初步形成，LCOS 在我国的发展经历了一个艰难的历程。目前，LCOS 技术( 包括 DLP、LCD 技术在内)的照明系统普遍采用 UHP 灯源(超高压汞灯) ，由于其固有的结构和物理特性，使得 LCOS 背投电视存在光源寿命不足的问题，也无法与液晶、等离子技术的轻、薄优势相抗衡，这与国内外家用电视市场普遍认可的消费特点和趋势产生难以化解的矛盾，生存环境不容乐观。近年来，以激光作为光源的新型显示技术
4、崭露头角，被业界称为第四代显示技术。在国家 863 计划、中科院知识创新工程等的大力支持下，我国在激光显示核心技术上正稳步走向成熟，整体处于世界先进水平。2008 年，作为我国最重要的激光显示技术研究和产业化单位，北京中视中科光电技术有限公司首次在国内推出拥有我国自有知识产权的激光光源数字电影设备，标志着激光显示技术的应用在我国取得重大突破，激光光源应用于 LCOS 技术的梦想也不再遥远。此举可有力地改变 LCOS 技术产品光源寿命短、光学引擎照明系统体积偏大的缺陷，有效提升 LCOS 技术的竞争力。1.2 LCOS 激光显示现状与发展（1）从事研发与生产 LCOS 投影显示设备与配套件的地区
5、与企业逐渐增多。（2）研发与生产 LCOS 成像器件的生产线已经建立起来或正在建设，有的企业已经过国家发改委项目验收。（3）LCOS 投影设备气体光源超高压汞灯自主研发成功，并投入生产，已有一定数量合格，产品供应整机企业与维修单位。（4）LED 光源正越来越多的用于 MD 投影机、背投影机、微型投影机、大屏幕拼接显示屏。特别是大家对提高 LED 光源发光效率采取很多创新措施 1，有的还采取LED 与激光器件组成混合光源，既发挥各自优势，如色彩、寿命同时又降低成本。（5）LCOS 投影式激光显示设备的主要部件光学引擎已有数家企业生产出合格产品，并组装成整机供应市场。清华大学 2012 届毕业设计
6、说明书第 2 页 共 28 页（6）一些光学器件企业都能生产出合格产品，供应光学引擎企业与整机企业生产光学引擎和整机。（7）几家背投屏幕企业已经建立起来，现在正在改进产品质量，努力满足整机企业需求。（8）整机企业研发与生产出多种型号整机供应市场，并在开辟市场工作中取得了一些经验。（9）一支产学研相结合的科研、生产的工程技术人才队伍已经形成。MD 投影式激光显示产业从发展前景来看前途是光明的 2。随着激光光源技术发展，MD 投影产业将发生巨大变化，甚至是革命性的。由于投影式激光显示可以覆盖 90%的色域空间，它“ 将视频显示的高保真推向最高阶段，是二维显示的完善终结技术” ，“是一场视觉革命 ”
7、。特别是 “天作之合”的激光光源与 LCOS 投影相结合的 LCOS 投影激光显示产业既符合循环经济原则，又是“加快培育和发展战略性新兴产业” ，为我国显示产业实现跨越式发展的带来机遇，是我国显示产业发展的方向。1.3 本设计的主要内容激光显示系统主要由三基色激光光源、光学引擎和屏幕三部分组成。光学引擎则主要由红绿蓝三色光阀、合束 X 棱镜、投影镜头和驱动光阀组成，光阀驱动使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入三色激光照明投影到屏幕上，即产生全色显示图像。LCOS 投影机图像调制原理是以光调制来控制投影显示图像。入射光线在分光后，经过入射偏光板(PBS)，将入射光变成 S 偏
8、光，经 LCOS 板反射调制。如果液晶经外部信号调制，处于显示亮态时，S 光会变成 P 光，经棱镜透射后，有最多的光投射到会聚透镜会聚成像。处于显示暗电平时，S 光经调制，依然还是 S光输出，经棱镜没有光透射到会聚透镜，图像显示为暗电平。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 3 页 共 28 页2 投影显示系统的分类和工作原理投影显示的特点：投影显示图像呈现在显示器件上后又被光学系统放大，最终在投影屏幕上显示出被放大了的图像，因此，投影器件本身的尺寸大小与所能显示的图像尺寸大小是不一致的。相比之下，信息显示技术发展另一大分支直视型显示器件所显示的图像时呈现在显示器件上，人们是直接在显示器件上
9、来观看图像，显示器件的几何尺寸与所显示的图像的尺寸大小基本一致。2.1 投影显示系统的分类前投：投影设备与观看的人处于屏幕的同一侧，人眼在屏幕上看到的事反射光线产生的图像。由于反射光线是在空中传输的。因此，图像质量受环境影响较大，仅在观看环境为黑暗（比如电影院这样的场所）时，图像质量才较好。背投：投影设备与观看的人处于屏幕的两侧，人眼看到的是透射光线。由于投影光线在一个封闭的暗室内传输，不受环境光影响，因此即使在明亮的灯光下，背投的图像质量依然较好，但它的缺点是需要占用一定的空间。2.2 投影显示的实现方式2.2.1 CRT 投影技术CRT（ Cathode Ray Tube）是阴极射线管。是
10、应用较为广泛的一种显示技术。CRT投影机把输入的信号源分解到 R（红） 、G（绿）B （蓝）三个 CRT 管的荧光屏上，在高压作用下发光信号放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。 光学系统与 CRT 管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机。CRT 投影机可以说是投影机的鼻祖。CRT 投影机也叫三枪投影机，其工作原理与CRT 显示器没有什么不同，其发光源和成像均为 CRT。虽然 CRT 投影机的工作特征与 LCD、DLP 等投影机有本质区别，且 CRT 投影机与 LCD 投影机同属传输型投影机，但 CRT 投影机是本身发光，是由阴极射线电子束扫描击射在成像面上，使成像面上
11、的荧光粉发光形成图像后，再传输到投影面上。因此，CRT 投影机具有 CRT 技术中成像的所有优点和缺点。即 CRT 投影机分辨率高、对比度好、色彩饱和度佳、对信号的兼容性强，且技术十分成熟。特别是 CRT 投影机在采用当前技术先进的 CRT 新型荫罩后，亮度也有了较大提高。但 CRT 投影机毕竟是由成像面上荧光粉发光后再投影到屏幕上的，当有效扫描电子数增加到饱和状态时，再增加有效电子数，荧光粉发光清华大学 2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 28 页量也增不了多少。因此，与其它类型的投影机相比，在亮度方面，CRT 投影机要低得多，这一直是困绕 CRT 投影机的主要因素。不过，CRT 投影
12、机分辨率高,对比度好,色彩饱和度佳,信号的兼容较强，技术十分成熟，加上 CRT 投影机扫描式的成像特点和在分辨率、亮度、对比度、饱和度、线性、枕形、梯形等方面具有调节功能，CRT 投影机在航空航天、遥控监控行业中起到其它投影机无法替代的作用，所以应用于相对高端的专业领域。2.2.2 LCD 投影技术LCD 液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达 1670百万种色彩的靓丽图像。LCD 投影机的主要成像器件是液晶板。LCD 投影机的体积取决于液晶板的大小，液晶板越小，投影机的体积也就越小。 根据电光效
13、应，液晶材料可分为活性液晶和非活性液晶两类，其中活性液晶具有较高的透光性和可控制性。液晶板使用的是活性液晶，人们可通过相关控制系统来控制液晶板的亮度和颜色。与液晶显示器相同，LCD 投影机采用的是扭曲向列型液晶。LCD 投影机的光源是专用大功率灯泡，发光能量远远高于利用荧光发光的 CRT 投影机，所以 LCD 投影机的亮度和色彩饱和度都高于 CRT 投影机。LCD 投影机的像元是液晶板上的液晶单元，液晶板一旦选定，分辨率就基本确定了，所以 LCD 投影机调节分辨率的功能要比 CRT 投影机差。 LCD 投影机按内部液晶板的片数可分为单片式和三片式两种，现代液晶投影机大都采用 3 片式 LCD
14、板(图 1)。三片式 LCD 投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到分色镜组，红色光首先被分离出来，投射到红色液晶板上，液晶板“记录” 下的以透明度表示的图像信息被投射生成了图像中的红色光信息。绿色光被投射到绿色液晶板上，形成图像中的绿色光信息，同样蓝色光经蓝色液晶板后生成图像中的蓝色光信息，三种颜色的光在棱镜中会聚，由投影镜头投射到投影幕上形成一幅全彩色图像。三片式 LCD 投影机比单片式 LCD 投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。LCD 投影机体积较小、重量较轻，制造工艺较简单，亮度和对比度较高，分辨率适中，现在 LCD
15、投影机占有的市场份额约占总体市场份额的 70%以上，是目前市场上占有率最高、应用最广泛的投影机。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 28 页2.2.3 DLP 数字投影技术DLP 投影机是一种光学数字化反射式投射设备。DLP 投影机的关键成像器件DMD（ Digital Micromirror Device：数字微透镜装置）是一种由德州仪器公司自行研制开发的、可通过二位元脉冲控制的半导体元件。该元件具有快速反射式数字开关性能，能够准确控制光源。其基本原理是，光束通过一高速旋转的三色透镜后，再投射在 DMD 部件上，然后通过光学透镜投射在大屏幕上完成图像投影。DLP 投影机实际上
16、是一种基于 DMD 技术的全数字反射式投影设备。一片 DMD 是由许多个微小的正方形反射镜片（简称微镜） 3按行列紧密排列在一起贴在一块硅晶片的电子节点上形成的，每一个微镜都对应着生成图像的一个像素。因此，DMD 装置的微镜数目决定了一台 DLP 投影机的物理分辨率，平常我们说投影机的分辨率为 600800 的 SVGA 模式，所指的就是 DMD 装置上的微镜数目就有 600800=480000 个，是相当复杂和精密的。在 DMD 装置中每个微镜，都对应着一个存储器，该存储器可以控制微镜在10 度角两个位置上切换转动。目前，DLP 投影机按其中的 DMD 装置的数目分为一片 DLP 投影系统，
17、两片 DLP 投影系统和三片 DLP 投影系统。 DLP 投影机采用微镜滤光技术，使用表面由成千上万个微透镜组成的芯片高速切换光像素来产生投影图像。形成 DLP 图像的光束没有经过过滤，能量没有减少，投影图像信息没有损失，加上 DMD 部件具有反射性和密合性的优点，光能的利用率远远高于传统的光学系统。配合先进的光学架构与高品质的光学镜头设计，DLP 投影机可以产生清晰度高、画面均匀、色彩还原性好的图像，亮度比 LCD 图像高 4，出现条纹和重影的情况也比 LCD 投影机少。DLP 投影技术抛弃了传统意义上的会聚，可以随意变焦，调整十分方便，而且其光学路径相当简单，体积更小，所以该技术主要应用在
18、超便携式系统中，现代最轻的 DLP 超便携投影机的重量可以小于 1.5 公斤。当然，缩小体积也带来了视频显示方面的缺陷，使 DLP 投影机的视频显示效果有些失真。 DLP投影机的光学机械特性，也决定了它的移动防振性能要比 LCD 投影机差一些。与 LCD投影机一样，DLP 的像元也是固化的，所以它的分辨率调整功能较差。 虽然 DLP 投影机所占的市场分额远远低于 LCD 投影机，但作为新型产品， DLP投影机在体积、重量和亮度等方面具有先天优势，更适合现代电子商务与家庭影院的需要，尤其是其超便携性能完全超过了 LCD 投影机，DLP 投影机已成为继 CRT 投影机和 LCD 投影机之后的第三类
19、产品，应用领域与市场前景不可估量。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 6 页 共 28 页3 LCOS 投影显示技术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
20、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 5。 LCOS 是一种新型的反射式 microLCD 投影技术。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。HTPS-LCD
21、 目前仅有索尼（SONY ）及爱普生（EPSON ）拥有专利权，而 DLP 则是德州仪器的独家专利，LCOS 则无专利权的问题。 虽然 LCOS 看起来简单，但要产品化还要有一个过程，并不是像想象的那样容易形成一个产业。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。 近几年来，在 LCD 业界出现了许多新技术，其中较热门
22、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 6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。但自今年 3 月清华大学 2012 届毕业设计说明书第 7 页 共 28 页后，业者中开始将其应用到手机产品中，而且将在第 4 季起正式供货。若果真如此，将是 LCOS 的最重要里程碑。 什么是 LCOS？ LCOS（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式 micro LCD投影技术，其结构是在矽晶圆上长电晶体，利用半导体制程制
23、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，并镀上铝当作反射镜，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，再抽入液晶，进行封装测试。 简单来说，LCOS 是直接与映像管 (CRT)投影技术、高温多晶矽液晶(Ploy-Si LCD)穿透式投影技术、DMD(Digital Micromirror Device)数位光学处理(DLP; Digital Light Projector)反射式技术相关。这三项技术已发展成熟，但 LCOS 则成为投影显示技术的新主流。 LCOS 市场定位在大尺寸显示器产品及 HMD(Head Mount Dev
24、ice)。目前业界普遍认可：在显示器市场 20以下以 LCD 为主流，PDP 可应用于 30- 60产品，但价格昂贵，投影显示器适用于 30- 60以上的产品，具有解析度高，价格适中等优势。LCOS投影显示技术则是落于上述投影显示器市场；另外亦可作为直视元件，应用在 HMD中。 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
25、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。各种技术应用比较。3.1 LCOS 投影显示技术的发展历史LCOS 投影技术又称硅基液晶、硅晶光技术 7（Liquid Crystal on Silicon，LCOS ） ，是一种结合半导体工艺和液晶显示器（LCD）的新兴技术。该技术最早出现在上世纪九十年代末期。其首批成型产品是由 Aurora Systems 公司于 2000 年开发出的。该产品具有高分辨率、低价格、反射式成像
26、的特点。 清华大学 2012 届毕业设计说明书第 8 页 共 28 页在此之后无数家企业蜂拥而至。其中不乏今天依然活跃在 LCOS 舞台上的索尼、JVC、视创科技、中芯国际、台联电、江西鸿源数显科技、河南辉煌等企业。但是，在早期被认为是 LCOS 技术最有力的支持者的英特尔和飞利浦两位“巨人”却未能坚持到最后。 04 年飞利浦宣布退出 LCOS 产品的开发计划。飞利浦在 LCOS 产品上主要技术方向是单片式时序成像背投电视机产品。04 年以来液晶和等离子平板电视产品的高速增长被认为是飞利浦放弃 LCOS 背投电视机产品开发停顿的核心因素。此外，在这一年英特尔也宣布了停止百万像素级 LCOS 芯
27、片的研发和供货计划。英特尔声称，未来主要经历将放在开发两百万像素全高清级 LCOS 产品上。英特尔这样的表态被认为是希望以 LCOS 在像素密度上的优势和德州仪器 TI 的 DLP 投影技术抗争的策略。然而，05 年之后英特尔的 LCOS 计划“无疾而终”。 失去两位巨头的 LCOS 正营在 04、05 年陷入低谷时期。这一阶段先后有多家企业推出了 LCOS 产品的开发和生产。令 LCOS 阵营似乎一时间面临崩溃的危险。但是，出于对已有技术的不满和对未来产业趋势的预期，索尼、JVC 和台湾的视窗科技却依然坚持了下来。目前，LCOS 投影机已经成为影院投影机高端产品采用的主要技术。得到了数家企业
28、，例如索尼、JVC、视创、佳能、先锋、LG 等的支持。 目前，LCOS 技术产品呈现出良好的市场增长态势。在投影显示技术上，DLP 技术追赶 LCD 技术用了十年的时间。而目前 LCOS 技术也已经经过了八九年的发展期。业内分析预计，随着 LCOS 技术的进一步成熟和产业链条的扩大，LCOS 投影显示技术正在迎来发展的春天。3.2 LCOS 投影显示技术的成像原理LCOS 投影技术的成像采用反射式光路 8。在早期的产品中采用过和单片式 DLP类似的时序成像方式。不过目前的主流产品普遍采用成像水平更高的三片式红绿蓝三元素分离在组合的成像方式。其成像光路与高档的百万元级的 3 片式 DLP 数字电影放映机基本相同。 三片式的 LCOS 成像系统，首先将投影机灯泡发出的白色光线，通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线，然后，每一个原色光线照射到一块反射式的 LCOS 芯片上，系统通过控制 LCOS 面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线
