激光與硅基液晶（LCOS）技術(shù)相結(jié)合，可以獲得高效率、高亮度、高分辨率、斑點(diǎn)少和自由焦距的微型投影儀。這種投影儀不但成本低，而且尺寸小巧，能夠很容易地嵌入到手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中。

作者：Karl M. Guttag

低像素硅基液晶（LCOS）技術(shù)和數(shù)字光處理微型顯示技術(shù)，與具有獨(dú)特光學(xué)特性的激光相結(jié)合應(yīng)用在微型投影儀上，可以進(jìn)一步縮小微型投影儀的尺寸、提高效率，同時(shí)還能獲得較高的分辨率和自由焦距特性。這種微型投影儀的工作原理是通過(guò)對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束，使其照亮微型顯示器的全部像素陣列，然后實(shí)現(xiàn)圖像的光學(xué)放大。

微型投影儀中應(yīng)用激光的方式有兩種：激光束控制（LBS）或用激光照亮微型顯示器的空間光調(diào)制器。對(duì)于LBS而言，通常使用一個(gè)雙向或兩個(gè)單向反射鏡掃描大約一個(gè)像素寬的激光束。在微型顯示器中，一個(gè)二維陣列像素鏡可以調(diào)制激光的每個(gè)像素。

低像素微顯示器

LCOS是在鍍有光學(xué)透明銦錫氧化物（ITO）的玻璃和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成電路之間夾入液晶（LC）層形成的。在LCOS中，頂部金屬層作為反射鏡和電極用于控制反射鏡/電極層上面的液晶，通過(guò)對(duì)金屬層定義圖案，可以形成單一像素。為了控制每一個(gè)像素，在每一面鏡子之下，CMOS基底支持晶體管的集成以及存儲(chǔ)和處理功能。在LCOS器件中，控制每一個(gè)像素的“鏡子” 是平面的，不可以進(jìn)行物理移動(dòng)。通過(guò)施加一個(gè)小電場(chǎng)，可以使液晶改變光的偏振態(tài)，因而可以控制每個(gè)像素的強(qiáng)度（見(jiàn)圖1）。

               圖1：一個(gè)854 × 480像素的微顯示器，寬度只有6mm。

數(shù)字光處理（DLP）也是以CMOS為基底，但是其具有微電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）超結(jié)構(gòu)，該超結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)物理傾斜的可移動(dòng)的鏡子。由于LCOS鏡子的是不可移動(dòng)的平面鏡，也不需要DLP具有的可機(jī)械移動(dòng)的超結(jié)構(gòu)，因而LCOS技術(shù)能夠在鏡子之間以更小的間距制作更小的鏡子。典型的LCOS技術(shù)的間距大約是DLP間距的一半，因而LCOS技術(shù)可以使小像素具有一個(gè)更高的“填充因子”（鏡子面積與鏡子面積加上間距面積之和的比）。高填充因子可以提高光學(xué)效率，同時(shí)消除每個(gè)像素周?chē)�由�?ldquo;紗窗效應(yīng)”導(dǎo)致的網(wǎng)格。

一個(gè)典型的小LCOS像素的中心到中心的間距為5.4µm，間隙寬度為0.29µm，填充因子為93％。目前DLP最小像素的中心到中心間距為7.56µm，間隙寬度為0.29µm，填充因子為90％（見(jiàn)圖2）。因此LCOS像素單元面積只有DLP像素單元面積的一半。更小的像素單元和間距對(duì)于支持高分辨率的微型顯示器至關(guān)重要。

圖2：一個(gè)854 × 600的5.4µm像素的LCOS器件（左）與一個(gè)480 × 320的7.56µm像素的數(shù)碼光處理器件（右）。兩圖圖片的尺度相同。

高分辨率

就有效分辨率而言，直線像素網(wǎng)格的微型顯示的優(yōu)勢(shì)超過(guò)光柵掃描LBS。對(duì)于確定的像素網(wǎng)格，該分辨率等于x方向和y方向的像素。但是對(duì)于LBS顯示而言，有效分辨率普遍較低，這是由減少光束掃描畸變的非線性掃描、光束校準(zhǔn)和縮放或者重采樣等因素造成的。

當(dāng)微型顯示尺寸保持不變時(shí)，減小像素尺寸可以提高分辨率。對(duì)于LCOS而言，利用現(xiàn)有的CMOS工藝使其達(dá)到720P和1080P的“高清”分辨率，可以進(jìn)一步減小像素尺寸。

場(chǎng)序彩色

為了滿(mǎn)足微型投影顯示器對(duì)尺寸和成本的要求，通常采用場(chǎng)序彩色（FSC），這樣一系列的彩色場(chǎng)序列形成一幅全彩色圖像。當(dāng)每個(gè)色場(chǎng)由微型顯示器成像時(shí)，相應(yīng)顏色的激光打開(kāi)。DLP以使用FSC著稱(chēng)，它采用一個(gè)響應(yīng)速度快的光調(diào)制器提供豐富的、飽和的色彩。場(chǎng)序彩色LCOS微型顯示器利用頂端玻璃和鏡子之間更小的間隙，以及高速LC配方，比目前典型直觀的液晶顯示器（LCD）中的液晶快10～50倍。

激光與微顯示器

對(duì)于激光照明微型顯示器，許多人錯(cuò)誤地認(rèn)為采用激光可以實(shí)現(xiàn)自由焦距運(yùn)行，即使用一個(gè)聚光透鏡。在激光被擴(kuò)束和去斑（如果需要）后，隨后的激光照射在微型顯示器上具有很高的f值（低發(fā)散角），因而不需要聚焦。采用激光照射，圖像可以從非常短的距離被聚焦到無(wú)限遠(yuǎn)處（見(jiàn)圖3）。

  圖3：一個(gè)投影圖像以一個(gè)角度傾斜顯示，表明圖像在激光微顯示投影儀中是自由焦距。

激光也適用于更小的微型顯示器，目前為了收集發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光，微型顯示有源區(qū)域面積通常很大。對(duì)于激光而言，無(wú)論顯示尺寸大小，本質(zhì)上所有的光都可以被收集。因此，使用激光可以提高超小像素微型顯示器的性能。

流明每瓦效率

對(duì)于微型顯示投影儀，預(yù)計(jì)其最大的應(yīng)用領(lǐng)域是電池供電的設(shè)備，這意味著顯示器件和光源的效率是兩個(gè)非常重要的因素。高f值的激光可以減小光學(xué)損耗，提高光收集和投影效率。

LCOS的運(yùn)行以偏振態(tài)的改變?yōu)榛�礎(chǔ)，因而需要偏振光照明。大部分激光具有很高的偏振度，因此使用LCOS微型顯示器的效率高于LED。

微型顯示器的激光照明還可以使用慢開(kāi)關(guān)連續(xù)波（CW）激光，相比LBS所需的高速開(kāi)關(guān)激光，微型顯示器通常具有節(jié)能、應(yīng)用廣泛和成本低廉的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于一個(gè)具有100lm、5W功率的激光LCOS投影儀，其效率目前已經(jīng)超過(guò)20lm/W ^[1]。隨著激光、LCOS器件和光學(xué)器件性能的改進(jìn)，效率超過(guò)30 lm/W的激光微型顯示系統(tǒng)將會(huì)在不久的將來(lái)問(wèn)世。

去斑

在考慮成本以后，微型投影儀中使用激光的第二個(gè)大問(wèn)題是去除由窄譜相干光引起的斑點(diǎn)。目前常用減少斑點(diǎn)的兩種方法是光譜展寬和改變有效距離。通常會(huì)同時(shí)多種去斑技術(shù)，以達(dá)到更好的去斑效果。

對(duì)于二極管激光而言，常用的去斑技術(shù)是在激光驅(qū)動(dòng)電路中增加高頻調(diào)制，使其輸出寬譜激光。這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用在紅光和藍(lán)光器件中，但是對(duì)于目前以倍頻激光器為基礎(chǔ)、發(fā)展迅猛的綠光器件而言，光譜展寬技術(shù)并不適用，這是因?yàn)楸额l晶體/腔只在一個(gè)頻率中諧振，任何頻率的改變都將導(dǎo)致輸出光強(qiáng)度顯著下降。

展寬激光光譜最常用的方法是將激光通過(guò)時(shí)間或空間長(zhǎng)度變化的路徑，這些路徑中通常采用轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)的光學(xué)元件，或者電調(diào)制元件。

基于微顯示器的激光投影系統(tǒng)

對(duì)于一個(gè)采用單一FSC系統(tǒng)、以微顯示器為基礎(chǔ)的激光投影儀，激光將依次打開(kāi)。為了獲得混雜的彩色場(chǎng)，可以同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)或全部三個(gè)激光（見(jiàn)圖4）。

圖4：在一個(gè)典型的激光微型投影儀中，紅、綠、藍(lán)激光被引入LCOS微顯示器和投影儀。

雙色光束合并器用于合并紅光、綠光和藍(lán)光。合并后在光路中插入去斑器件和光束整形器件，當(dāng)然具體的形式可能會(huì)不同。經(jīng)過(guò)去斑和整形后，激光束通過(guò)擴(kuò)束器件從典型的高斯光束被擴(kuò)展成更平坦的光束，經(jīng)擴(kuò)展后光束照在微顯示器上。

對(duì)于LCOS而言，一個(gè)分光鏡將激光器發(fā)出的偏振光引入顯示器。偏振分光鏡反射某一偏振態(tài)的偏振光，而其他偏振態(tài)的光則可以自由通過(guò)。每個(gè)LCOS微型顯示器的像素/鏡/電極，通過(guò)控制該像素上的液晶改變非黑色的每個(gè)像素上的偏振光，當(dāng)這些偏振光從一個(gè)給定像素的鏡子反射以后，部分或全部光（取決于強(qiáng)度）將通過(guò)分光鏡。分光鏡分出的光到達(dá)投影鏡頭，擴(kuò)展合成圖像。

激光的主要好處在于投影鏡頭和其余的光學(xué)器件（包括微顯示器）可以做得更小、更簡(jiǎn)單，但仍然具有很高的效率。激光微顯示器的光學(xué)體積可小至3~4cm³。

保護(hù)眼睛

在保護(hù)眼睛方面，激光微顯示系統(tǒng)相比LBS具有更大的優(yōu)勢(shì)。LBS要求激光仍然是單像素大小的光束，激光微顯示系統(tǒng)中的激光束首先分布在面板區(qū)域，然后投影鏡頭進(jìn)一步分散光，因而激光微顯示系統(tǒng)降低了在任意特定點(diǎn)的光密度，同時(shí)達(dá)到較高的投射亮度標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)。

激光LCOS微投影儀的應(yīng)用非常廣泛，其最明顯的應(yīng)用是將微小、節(jié)能的投影儀嵌入到手機(jī)、相機(jī)、攝像機(jī)以及媒體播放器中。激光LCOS微投影儀的潛在應(yīng)用包括汽車(chē)顯示器和數(shù)字標(biāo)牌。面向消費(fèi)者的Syndiant激光微型投影儀在2009年下半年已經(jīng)面世，預(yù)計(jì)在2010年底將實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

1. T. Mizushima et al., SID 2009 Digest, p. 268 (2009)