探索LCoS微型显示器的市场潜力

日期:  
2020年 7月 20日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

硅上液晶(LCoS或LCOS)是一种在硅背板上采用液晶层的微型显示器技术。相比液晶显示器(LCD)、数字光处理(DLP)等竞争性技术,该技术是一种“空间光调制器”(SLM),提供较高的分辨率、对比度和黑画面质量。随着市场对高分辨率显示器的需求不断增长,LCoS微型显示器细分市场预计到2024年将以32.25%的复合年增长率持续增长。1 

空间光调制器(SLM)是指任何能够控制或改变光波的振幅、相位或偏振的装置。“当前基于SLM的系统采用的是光学MEMS(微机电系统)或LCD技术。”2LCD和LCoS显示器的工作原理是,液晶体使光的偏振发生旋转,而电场中的波动则用于控制液晶体的旋转量,这决定了穿过液晶层的光量。

LCoS最初是在21世纪初开发的,当时主要应用于投影电视,现已得到广泛应用,包括:波长选择切换结构化照明(例如:光束成形)、近眼显示器、光脉冲成形等。3LCoS技术对于增强现实(AR)显示器设备市场非常具有吸引力,并且在投影仪市场上也占有一席之地,但该技术在如何适应不同类型的应用方面存在差异。

LCD、DLP与LCoS显示器之比较

为了制造LCD显示器,制造商需要将液晶体(1个液晶体/显示器像素)置于玻璃面板上。“光线将穿过这些液晶面板到达镜头,并在经过时被液晶体进行调制。因此,这是一种‘透射’技术。”4

相比之下,DLP显示器使用微小的反光镜(1个反光镜/显示器像素)来反射光线。将反光镜倾斜或偏离镜头光路,以调制显示器图像。因此,这是一种‘反射’技术。(另外还有一种‘自发射’技术,这是指显示器会产生自己的光,例如:OLED和microLED显示器。)

透射型LCD面板与反射型LCoS显示面板技术之比较。(图片:来源

LCoS将透射方法和反射方法结合在了一起。它将液晶体而非单个反光镜作为反射元件,将液晶体“应用于反光镜基板。当液晶体打开和关闭时,光线将会从下面的反光镜反射出去或者被阻挡,从而对光线进行调制,并创建图像。”5


投影仪系统简化示意图。(图片:来源

为了创建全彩色图像,LCoS显示器和投影仪通常使用三个LCoS芯片,分别置于红光、绿光和蓝光通道中(与LCD投影仪使用三色LCD面板的方式类似)。LCoS投影仪现已占据“Pico-投影仪”细分市场的主导地位,其特点在于体积小且功耗低。6  

索尼(Sony)的4K LCoS投影仪(左),主要瞄准家庭影院市场(图片: © Aaxa Technologies)。

LCoS微型显示器组件层

跟用于AR/VR设备的组件层一样,LCoS微型显示器由液晶层和反光(像素化)表面组成,其中,液晶层位于一个透明薄膜晶体管(TFT)与一个硅半导体之间。光源“穿过偏振滤光片到达设备上,液晶体充当闸门或阀门,控制到达反光表面的光量。特定像素的晶体接收的电压越高,晶体允许通过的光量则越多。”7

LCoS微型显示器通常包含以下组件层(由下至上):

  • 印刷电路板(PCB):显示器基底层,用于将指令和电力传送给设备
  • 硅层(芯片或传感器):硅层利用来自设备像素驱动器的数据来控制液晶体,通常每个像素使用1个晶体管
  • 反光涂层:用于反射入射光
  • 液晶层:用于控制到达反光涂层并允许反射回去的光量
  • 对位层:用于使液晶层保持正确对位,以确保液晶层能够准确地引导光线
  • 透明电极:与硅层和液晶体共同构成电路
  • 盖玻片:保护和密封系统8

典型LCoS微型显示器的各个组件层。(图片:Source, CC 3.0 Unported

LCoS微型显示器应用范围

作为空间光调制器(SLM)的一种形式,LCoS具有许多潜在应用,包括:

  • 工业投影(条纹/图案投影—计量、3D传感器、快速原型设计、光刻)
  • 工业成像(数据显示器、医学、模拟)
  • 应用于汽车、航空和国防行业的抬头显示(HUD)和头戴显示器(HMD)
  • 高分辨率非直视微型显示器,称为近眼(NTE)显示系统,例如:部分数码相机取景器(称为“电子取景器”,简称“EVF”)系统
  • AR和VR应用
  • 光束转向
  • 全息投影和存储
  • 用于研发和阶段应用的空间光调制器(SLM)。

LCoS微型显示器技术具有高分辨率、视觉清晰度、低能耗、小尺寸等优点,这使其对于近眼显示器(NED)行业非常具有吸引力。随着业界对强度调制和全息图像生成方法的深入探索,AR/VR行业也一直在高度关注LCoS技术9。基于投影的系统(比如:车载HUD)也可以受益于LCoS技术的众多优点。

来自Holoeye的LCoS微型显示器组件,可以集成到几乎任何类型的产品中,包括医疗设备、航空设备、消费类电子产品等。(图片 © Holoeye

LCoS及其他类型显示器的质量控制

随着OLED、microLED、LCoS等显示器技术越来越广泛地应用于AR/VR设备及汽车和航空HUD中,制造商们必须特别仔细地测量和测试这些显示器,以确保实现最佳视觉性能。瑞淀提供专为这些独特应用而设计的测量解决方案,这些解决方案以瑞淀的高分辨率ProMetric® 成像亮度计和色度计为基础。

AR/VR 设备
瑞淀光学系统的AR/VR 镜头系统可以适应AR/VR设备的独特观看几何结构,光圈置于镜头前面,可将成像系统的入射光瞳置于头戴式设备和智能眼镜内部与人眼相同的位置。该系统采用宽视场(FOV)光学元件,能够通过单次测量采集水平方向120°范围内的整个显示器视场。

AR/VR镜头可与瑞淀的TT-ARVR™ 软件 和ProMetric成像系统搭配使用,使设备开发商和制造商能够评估关键视觉性能质量,包括投影图像的亮度、色度、对比度、均匀性和清晰度(MTF)。

AR/VR镜头可以复制头戴式设备内部人眼瞳孔的位置和大小,以采集用户的完整视场。

抬头显示(HUD)
抬头显示(HUD)给制造商们带来了独特的测量挑战。无论环境条件、虚拟图像位置或无限视平面上的焦距如何,制造商们必须考虑投影图像的亮度、对比度和清晰度。完整的抬头显示(HUD)测试需要将亮度(光线数据)测量与尺寸(空间数据)测量相结合,以确保在快速变化的真实环境中传递给车辆操作员的信息的准确性。

瑞淀光学系统的TT-HUD™ 软件可以通过特定的测试高效执行亮度、色度和尺寸测量,以评估抬头显示(HUD)系统所发射的增强投影的质量。来自瑞淀的完整抬头显示(HUD)测试解决方案将TT-HUD软件模块与ProMetric成像系统及电子控制镜头搭配使用,可快速执行自动化视觉检测。测试范围包括亮度和对比度评估、失真、调制传递函数(MTF)、重影和视窗分析。

TT-HUD 软件模块可与任何 ProMetric 成像色度计或亮度计搭配使用,提供多种选项,以满足您应用的视场、像素分辨率和成本要求。

TT-HUD解决方案可以同时测试抬头显示(HUD)的所有特性,相比点式测量设备或标准机器视觉系统,其能够更快速、更一致地采集和处理数据。TT-HUD可通过单套硬件/软件解决方案评估抬头显示(HUD)系统的所有视觉方面,并测试汽车行业标准中指定的特定参数。

TT-HUD软件模块可以利用重影分析功能检测因重影效应所引起的重复投影(重叠或与主图像分离)。

 


引用文献
1.    “Liquid Crystal on Silicon (LCos) Display Market – Growth, Trends, and Forecast (2019-20204)”, Research and Markets, June 20, 2019.
2.    Lazev, G., et al., “LCOS Spatial Light Modulators: Trends and Applications”, Chapter 1 in Optical Imaging and Metrology: Advanced Technologies, First Edition, Osten, W. and Reingand, N., editors. Wiley-VCH Verlag GmbH & CO KGaA: 2012
3.    “Liquid crystal on silicon”, Wikipedia. (Retrieved July 16, 2020)
4.    Powell, E., “What’s so hot about LCOS technology?”, Projector Central, July 18, 2003
5.    Pico Projectors Market – Forecast (2020 – 2025), Industry ARC. (Retrieved July 20, 2020)
6.    “Global LCOS Projector Market Insights, Forecast to 2025”, Industry Research, January 23, 2019. 
7.    Wilson, T., “How LCoS Works”, How Stuff Works. (Retrieved July 16, 2020)
8.    Ibid.
9.    Huang, Y, et al., “Liquid Crystal on Silicon for Augmented Reality Displays,” Applied Sciences, Vol. 8, 2366. DOI 10.3990/app8122366